Kulturpflanzenanbau für die Biogasproduktion in Deutschland

Durch die Energieerzeugung aus Biomasse in Biogas­anlagen wurde die traditionelle Landwirtschaft um einen Sektor reicher. Neben der Produktion von Lebensmitteln, Futtermitteln und Textilien werden landwirtschaftliche Flächen nun auch für die Produktion von Strom und Wärme benötigt (Popp et al., 2014). Dies schafft angesichts der begrenzt verfügbaren Ackerfläche eine Konkurrenzsituation, die nur durch Flächenzuwachs auf Kosten z.B. von Grünland- oder Bracheflächen und (nachhaltige) Intensivierung der ackerbaulichen Produktion entschärft werden kann (Dornburg et al., 2010; Heaton et al., 2013). Hinzu kommt, dass die Biomasseproduktion flächenmäßig expandieren muss, wenn in Zukunft ein wesentlicher Anteil an der Energieversorgung aus Biomasse generiert werden soll (Berndes et al., 2003). Die landwirtschaftlich genutzte Fläche in Deutschland beträgt 16,7 Mio. ha (Statistisches Bundesamt, 2016). Silomais ist nach Winterweizen die am häufigsten angebaute Feldfrucht mit einem Flächenanteil von 2,13 Mio. ha. Zusätzlich werden in Deutschland 0,46 Mio. ha mit Körnermais bestellt. Anteilig an der Gesamtmaisfläche werden derzeit 35% für die Gewinnung von Biogas verwendet, das entspricht 0,9 Mio. ha (FNR, 2016). Im Jahr 2015 war Maissilage mit 73% das Hauptsubstrat, das in Biogasanlagen eingesetzt wurde (FNR, 2016). Substrate aus sonstigen nachwachsenden Rohstoffen wurden nur mit ca. 1% eingesetzt, darunter fällt auch die Durchwachsene Silphie (Silphium perfoliatum L.).

Die Durchwachsene Silphie als Beitrag zur Nachhaltigkeit?

Die Durchwachsene Silphie stammt ursprünglich aus Nordamerika und fand in Europa bislang in geringem Umfang Verwendung als Futter- und Zierpflanze, oder auch als Bienenweide. Es wird angenommen, dass sie durch züchterische Anpassung und Optimierung des Anbauprozesses hinsichtlich Biomasseproduktion und Biomethanausbeuten in Konkurrenz zu Mais treten kann (Gansberger et al., 2015; Haag et al., 2015). Im ersten Anbaujahr bildet die Pflanze eine bodenständige Blatt­rosette. Ab dem zweiten Standjahr treibt sie 2 bis 3 m hohe Stängel aus, die für mindestens zehn weitere Jahre geerntet werden können (Biertümpfel und Conrad, 2013). Eine besonders wertvolle Eigenschaft der Durchwachsenen Silphie ist eine lange und späte Blühperiode von Juli bis September. Damit könnte die Durchwachsene Silphie bis zur Ernte blütenbesuchenden Insekten als neue Nahrungsquelle in der Agrarlandschaft dienen (Gansberger et al., 2015).

Das Verbundprojekt „Agrarökologische Bewertung der Durchwachsenen Silphie“

Mit dem Ziel, das Anbausystem der Energiepflanze aus agrarökologischer Sicht zu bewerten, wurden in einem FNR-geförderten Verbundprojekt die ober- und unterirdische Biodiversität in Silphiebeständen erfasst und quantifiziert (Dauber et al., 2016). Im Fokus standen der Einfluss der Durchwachsenen Silphie auf Bienen, Schwebfliegen, Regenwürmer, Collembolen (Springschwänze) und Nematoden.

Blütenbesuchende Insekten

Populationen blütenbesuchender Insekten in der Agrarlandschaft sind heute rückläufig. Dies lässt sich durch die komplexen Ansprüche an ihren Lebensraum begründen, denn sie benötigen sowohl eine ausreichende Versorgung mit Pollen und Nektar als auch geeignete Nist- bzw. Larvalhabitate (Potts et al., 2010; Vanbergen und Initiative, 2013). Sowohl die Qualität als auch die Quantität dieser Habitate sind durch die Intensivierung der Landwirtschaft und durch Landnutzungswandel reduziert worden. Der hohe Einsatz von Herbiziden und Dünger bewirkt z.B. eine Verminderung der Blütenvielfalt; bei Grünlandumbruch gehen ganze Habitate verloren (Decourtye et al., 2010; Bretagnolle und Gaba, 2015).

Strukturelle und funktionelle Diversität von Bodentieren

Bodentiere lassen sich anhand ihrer Lebensweise und Habitatansprüche unterschiedlichen funktionellen Gruppen zuordnen. Diese liefern wesentliche ökologische Dienstleistungen, indem sie steuernd auf Bodenprozesse einwirken und dadurch selbst zu einem funktionellen Bestandteil des Bodens werden. Über die funktionelle Bewertung der Bodentier-Gemeinschaften lässt sich die Nachhaltigkeit des Anbausystems der mehrjährigen Durch­wachsenen Silphie im Vergleich zum einjährigen Mais abschätzen und mögliche Managementempfehlungen zur Förderung der Boden-Biodiversität und ihrer Leistungen ableiten.

Pollen- und Nektarangebot der Durchwachsenen Silphie

Wie bei vielen Korbblütlern besteht der Blütenstand aus Zungen- und Röhrenblüten, die im Fall der Durchwachsenen Silphie gelbe endständige Sammelblüten mit 4 bis 8 cm Durchmesser bilden. Die Zungenblüten tragen die Samenanlagen, während die Röhrenblüten Pollen und Nektar bereitstellen. Ein Blütenstand der Durchwachsenen Silphie produzierte im Mittel 117 Röhrenblüten (Anlagejahr 2005) bzw. 128 Röhrenblüten (Anlagejahr 2010) und 14.106 bzw. 14.200 Pollen. Silphiepflanzen im Praxisanbau produzierten im Durchschnitt 188 Blütenstände bis Mitte September (Dauber et al., 2016). Dies entspricht einer Menge von etwa 310 bis 342 Mio. Pollen. Mais produziert im Vergleich zwischen 14 und 50 Mio. Pollen je Pflanze (Informationen zusammengetragen von Emberlin et al., 1999). Da das Nektarvolumen je Röhrenblüte und der Zuckergehalt des Nektars über den Tag variierten, wurde die Zuckermenge je Blüte berechnet. So wurde eine Gesamtmenge von 0,09 mg Zucker je Röhrenblüte bestimmt (Dauber et al., 2016). Im Vergleich dazu produziert Mais keinen Blütennektar bzw. -zucker.

Bienen

Honigbienen wurden vor allem während der beiden Aufnahmeperioden zur Hauptblüte der Durchwachsenen Silphie im August vergleichsweise häufig in Praxisflächen in Niedersachsen nachgewiesen, auch an Standorten, an denen die Bienenstöcke nicht direkt am Rand des Feldes standen (Dauber et al., 2016). Wie Untersuchungen mit Pollenfallen an in der Nähe von Silphiefeldern stehenden Bienenstöcken zeigten, stellte Pollen des Silphium-Typs (da der Pollen der Silphie mit dem der Sonnenblume verwechselt werden kann, sprechen wir hier vom „Silphium-Typ“) an einigen Standorten und zu bestimmten Zeiten eine bedeutende Nahrungsquelle dar (Müller et al., 2016). Es zeigte sich aber auch, insbesondere in der letzten Erfassungsperiode zwischen Ende August und Anfang September, dass die Durchwachsene Silphie gegenüber anderen Trachten recht konkurrenzschwach war und die Bienen andere Massentrachten in der Umgebung bevorzugten (Müller et al., 2016). Hummeln wurden dagegen während der gesamten Blühperiode deutlich häufiger in den Silphiefeldern gefangen als in den benachbarten Habitattypen, auch während der Aufnahmeperioden im Juli am Anfang und im September am Ende der Blüh­periode, als das Nektar- und Pollenangebot geringer war als während der Hauptblüte der Silphie im August. Andere Wildbienenarten waren eher selten in den Silphiefeldern anzutreffen und im Durchschnitt meist weniger häufig als in benachbarten Flächen (Dauber et al., 2016). So scheint die Durchwachsene Silphie für gering spezialisierte Bienenarten eine willkommene Nahrungsquelle zu sein, wird aber nicht von allen in der Agrarlandschaft vorkommenden Bienen genutzt.

Schwebfliegen

Schwebfliegen zeigten verschiedene Verhaltensmuster je nach Larvalernährungstyp (Müller und Dauber, 2016): 82% aller insgesamt an den 15 Standorten in Niedersachsen erfassten Schwebfliegen mit zoophagem Larval­ernährungstyp wurden während der Aufnahmeperiode im Juli zu Blühbeginn der Durchwachsenen Silphie gefangen. Anschließend ging ihre Aktivität in allen Habitattypen zurück. In der Regel wurden innerhalb einer Aufnahmeperiode in den Silphiefeldern signifikant weniger Schwebfliegen mit zoophagem Larvalernährungstyp nachgewiesen als in den benachbarten Habitaten. Dagegen nahm die Aktivität der Schwebfliegen mit saprophagem Larvalernährungstyp zwischen Juli und September in allen Habitattypen tendenziell zu, mit Ausnahme der Waldränder, an denen diese Schwebfliegengruppe immer vergleichsweise selten anzutreffen war. Die Zunahme der Aktivität dieser Schwebfliegengruppe fiel in den Silphiefeldern überdurchschnittlich aus, weshalb während der Aufnahmeperiode im September signifikant mehr Individuen in den Silphiefeldern im Vergleich zu den benachbarten Habitaten nachgewiesen wurden.

Regenwürmer

In den Silphiebeständen wurden mit insgesamt neun Regenwurmarten fast doppelt so viele Arten wie in den Maisbeständen mit fünf Arten nachgewiesen (Schorpp und Schrader, 2016). Dabei konnte ein schrittweiser Zuwachs an Arten über eine Anbaudauer von neun Jahren beobachtet werden. Innerhalb der Regenwurm-Gemeinschaften der Durchwachsenen Silphie nimmt die Häufigkeit anektischer Arten (hier: Lumbricus terrestris und Aporrectodea longa) mit zunehmendem Alter der Silphiebestände deutlich zu (Abb. 3). Da diese Arten ihre Gänge bis in große Tiefe graben, verbessern sich die Wasserinfiltration und der Gasaustausch des Bodens (Edwards und Shipitalo, 1998). Zusätzlich produzieren anektische Regenwürmer stabile Losung mit eingearbeiteter Streu an der Bodenoberfläche, die biologisch hochaktive ‚hot spots‘ darstellen (Schrader und Seibel, 2001). So wird der Boden vor Erosion geschützt (Pitkänen und Nuutinen, 1998). Zudem konnten in der Silphie auch epigäische Arten nachgewiesen werden (hier: L. castaneus und L. rubellus), die in Maisflächen gänzlich fehlten (Abb. 3). Jedoch war ihr Vorkommen auf spätere Anbaujahre (5–9 Jahre) beschränkt. Zusammen mit den anektischen Arten beschleunigen sie den Streuabbau und fördern damit die Mineralisation. Neben den drei endogäischen Arten Aporrectodea caliginosa, A. rosea und Allolobophora chlorotica in den Maisbeständen treten mit Octolasion cyaneum und O. lacteum zwei weitere endogäische Arten in den Silphieflächen auf. Ihr Vorkommen konnte ab einem Bestandesalter von drei Jahren beobachtet werden und ging mit einer stetigen Zunahme ihrer Häufigkeiten einher.

Collembolen

Die Collembolen-Gemeinschaften der Silphiebestände werden durch insgesamt zwölf Familien charakterisiert. Davon kamen fünf Familien ubiquitär in allen Altersstufen vor. Flächen mit einem Bestandesalter von drei bis vier Jahren wiesen die meisten Familien auf. In den Maisflächen fehlten sechs Familien gänzlich, dennoch konnte kein signifikanter Unterschied im Shannon Index zwischen den Altersstufen festgestellt werden. Der Shannon-Index misst die Biodiversität sowohl unter Berücksichtigung der Anzahl der Familien als auch ihrer Abundanzen. Die Gesamtabundanz aller Collembolen unterschied sich signifikant zwischen den Altersstufen. Die ältesten Untersuchungsflächen (8–9 Jahre) wiesen deutlich höhere Individuendichten auf als junge Silphie­bestände oder Maisflächen. Die Gesamtabundanz zeigt zudem einen stetigen Anstieg über die Altersstufen. Bei den Collembolen-Gemeinschaften verdoppelte sich der Anteil an euedaphischen Arten in den Silphiebeständen im Vergleich zu Maisbeständen, während der Anteil atmobionter und hemiedaphischer Arten relativ zur Größe der Gesamtpopulation sank (Abb. 3). Methodisch bedingt (Bodenkern-Entnahme) wurden hier die atmobionten Arten wahrscheinlich unterschätzt und spiegeln eher die Menge der unmittelbar im Boden geschlüpften Indivi­duen wieder. Die Dominanz der euedaphischen Vertreter dokumentiert, dass vor allem der kleinporige Bodenraum an Habitat-Qualität für Collembolen gewinnt. Es ist zu vermuten, dass eine derartige Verbesserung durch eine Steigerung der biologischen Aktivität im Oberboden hervorgerufen wird, wodurch die Menge sich zersetzenden organischen Materials im kleinporigen Bodengefüge steigt. Daran könnten auch die zunehmende Durchwurzelung und absterbende Wurzelteile beteiligt sein. Primärzersetzer wie Regenwürmer scheinen dabei eine wichtige Rolle zu spielen. Ein Phytokosmen-Versuch mit Durchwachsener Silphie und L. terrestris im Gewächshaus zeigte, dass unter Regenwurmaktivität signifikant mehr Wurzel-Biomasse gebildet wird (Dauber et al., 2016). Die Bodentextur ist hierbei ein wichtiger Faktor: In sandigem Boden ist der Effekt signifikant höher als in lehmigem Boden. Es kann davon ausgegangen werden, dass regulatorische Wirkungen von Collembolen auf mikrobielle Zersetzungsprozesse die Verfügbarkeit organischer Substanz und mineralischer Nährstoffe im Oberboden des Silphie-Anbausystems langfristig erhöhen.

Nematoden

Die Nematoden-Gemeinschaften der Silphiebestände umfassen insgesamt 25 Familien (Schorpp und Schrader, eingereicht). Der überwiegende Teil sind freilebende Nematoden. Pflanzenparasitische Nematoden sind durch die Familien Pratylenchidae, Telotylenchidae und Hoplolaimidae vertreten. In der Gesamtanzahl der Familien waren zwischen den Altersstufen der Silphiebestände keine Unterschiede zu erkennen. Dreizehn Familien kamen ubiquitär in allen Altersstufen vor. Bei Betrachtung der Abundanz zeigte sich ein signifikanter Unterschied von hohen Individuendichten in mindesten drei bis vier Jahre alten Silphiebeständen und geringen Dichten in Silphiebeständen ein Jahr nach Anlage sowie in Mais-Beständen. Funktionelle Unterschiede in den Nematoden-Gemeinschaften ließen sich anhand von anteiligen Verschiebungen der Ernährungstypen zwischen den Silphiebeständen identifizieren. Verglichen mit Mais­beständen zeigten die Nematoden-Gemeinschaften der Silphie einen Rückgang bacterivorer Arten, einhergehend mit einem leichten Anstieg der fungivoren Arten (Abb. 3). Auch der Anteil herbivorer Arten stieg in Böden unter Silphiebeständen deutlich an. Dies zeigte sich insbesondere in älteren Beständen (7 bis 9 Jahre nach Anlage), in denen Vertreter der Gattung Helicotylenchus bis zu 78% der Gemeinschaften umfassten (Schorpp und Schrader, eingereicht). Die zahlenmäßige Zunahme der fungivoren Nematoden in Silphiebeständen deutet darauf hin, dass der pilzbasierte Zersetzerkanal an Bedeutung gewinnt. Dieser Zersetzerkanal ist langlebiger als ein auf Bakterien basierender und zeigt zeitlich sepa­rierte Aktivitäten im Nährstoffkreislauf des Bodens sowie ein höheres Potential zur Nährstoffspeicherung (Moore, 1994). Die erhöhte Zahl pflanzenparasitischer Nematoden ist wahrscheinlich auf die dauerhafte Durchwurzelung des Bodens zurückzuführen. Durch direkte Verstoffwechselung von Pflanzenstoffen können herbivore Nema­toden auch positiv zur Bodenfruchtbarkeit beitragen, sofern keine kritischen Populationsdichten erreicht werden (Freckman, 1982). Auffällig bei der Untersuchung der pflanzenparasitischen Nematoden waren jedoch die extrem erhöhten Populationsdichten von Helicotylenchus spp. Eine Beurteilung seiner Schadwirkungen setzt jedoch weitere Untersuchungen im Feld voraus. Bislang sind jedenfalls keine Ertragseinbußen in den älteren Silphiebeständen aus den Untersuchungen der Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL) bekannt. Auffällig war außerdem, dass Arten aus der Schädlingsfamilie der Pratylenchidae nur in Maisbeständen auftraten. Die Analyse der Nematoden-Gemeinschaften zeigt, dass das Silphie-Anbausystem nach Verzicht auf Bodenbearbeitung die Vermehrung von Nematoden im Boden zwar fördert, jedoch keine Diversifizierung der Gemeinschaften stattfindet. Folglich wird deutlich, dass es sich in den Silphiebeständen auch nach acht Jahren noch um ackertypische Nematoden-Gemeinschaften handelte.

Die Durchwachsene Silphie als Hoffnungsträgerin für eine höhere biologische Vielfalt in Agrarlandschaften

Die Durchwachsene Silphie bietet ein großes agrarökologisches Potential, wenn die notwendigen agronomischen Voraussetzungen hinsichtlich des Managements und der Standortwahl erfüllt sind (Abb. 4).

Blütenbesuchende Insekten

Potential: Das gute Angebot von Pollen und Nektar (Abb. 4) im Vergleich zu Mais konnte durch die Untersuchungen bestätigt werden. Dieses Angebot wurde auch von Honigbienen und einigen Arten der Hummeln und Schwebfliegen mit saprophagem Larvalernährungstyp besonders genutzt. Honigbienen produzieren am Ende des Jahres neue Arbeiterinnen, die mit der Königin zusammen überwintern. Für die Aufzucht dieser sogenannten Winterbienen benötigt das Bienenvolk Pollen, welche die Durchwachsene Silphie zu dieser Zeit anbietet. Hummeln benötigen ebenfalls das Ressourcenangebot, da diese am Ende des Volkszyklus Geschlechtstiere ausbilden, die ausfliegen, um sich miteinander zu verpaaren. Einige saprophage Schwebfliegenarten zeigen eine späte Aktivitätsperiode und benötigen Energie für ihre weiten Migrationsflüge. Die späte Blüte der Durchwachsenen Silphie ist attraktiv für Honigbienen und einige wildlebende Bestäuber (Abb. 4) und kann dadurch zu kritischen Phasen im Lebenszyklus dieser Insekten Nahrungsressourcen bieten.

Strukturelle und funktionelle Diversität von Bodentieren

Potential: Das Anbausystem der Durchwachsenen Silphie fördert die Diversität der Bodentiere und ihre Funktionen (Abb. 4). Das Bodengefüge erfährt durch die Grabtätigkeit der Regenwürmer und eine dauerhafte Durchwurzelung Strukturänderungen, die sich positiv auf die Wasser­infiltration und Erosionsbeständigkeit auswirken können. Tiefe, vertikale Gangsysteme von anektischen Regenwürmern ermöglichen eine rasche Versickerung von Niederschlags- und Stauwasser, das bis in den Unterboden verfügbar wird. Die Bodenfruchtbarkeit wird positiv beeinflusst, indem Nährstoffe und Abbauprodukte aus der Zersetzung von grobem Streumaterial durch biologische Aktivität (Abb. 4) bis in den kleinporigen Bodenraum verteilt werden. Das Prosperieren des pilzbasierten Zersetzerkanals und die Zunahme der euedaphischen Collembolen weisen auf eine Umschichtung/Verschiebung der Nährstoffkreisläufe hin. Innerartliche Populations­dynamiken und zwischenartliche Interaktionen liefern ganzjährig Nährstoffe aus den Stoffwechselprodukten der Bodenorganismen. Damit kann das mehrjährige Anbausystem der Durchwachsenen Silphie als nachhaltig gegenüber dem einjährigen Mais angesehen werden.

Schlussfolgerung für den Anbau der Durchwachsenen Silphie

Eine Ausweitung des Anbaus der Durchwachsenen Silphie ist aus agrarökologischer Sicht wünschenswert, sollte sich aber an den genannten agronomischen Voraussetzungen orientieren (Abb. 4) und auch nur unter diesen Voraussetzungen gefördert werden. Der Erntetermin der Durchwachsenen Silphie erweist sich sowohl innerhalb des agrarökologischen Potentials (lange Blühphase versus Wiederaustrieb nach Ernte) als auch hinsichtlich der Ertragsleistung als ein sensibler Punkt, für den weiterer Forschungs- und Optimierungsbedarf existiert. Die Durch­wachsene Silphie verfügt als mehrjährige Biomassepflanze über das nötige agrarökologische Potential, um dem aktuellen Rückgang der strukturellen und funktionellen Biodiversität bei blütenbesuchenden Insekten und Boden­tier-Gemeinschaften entgegen zu wirken. Das gilt insbesondere für Regionen mit hohem Maisanteil in Monokultur. Die agrarökologische Bedeutung von Silphie­be­stän­den ist deshalb bei zukünftigen Untersuchungen im Kontext der landwirtschaftlichen Kulturlandschaft zu betrachten. In der Praxis sollte die Etablierung der Durchwachsenen Silphie möglichst auf der Entwicklung eines umfassenden Landschaftskonzepts beruhen.

Dank

Wir danken Doreen Gabriel und Sabrina Jerrentrup für ihren wertvollen Rat bei der statistischen Datenauswertung sowie Stefan Mecke bei der Landschaftsanalyse. Außerdem danken wir Axel Ssymank und Daniela Warzecha für die Hilfe bei der Bestimmung der Schwebfliegen und Bienen. Ohne die tatkräftige Unterstützung im Feld und Labor durch Sabine El Sayed, Evelyn Schummer, Sarah Havertz und Stephanie Boley (unterirdische Biodiversität) sowie Juliane Bader, Christian Berger, Andrea Biertümpfel, Tilmann Dreysse, Lennart Friedritz, Agnes Förster, Philipp von Gehren, Katharina Haupt, Andrea Kremling, Gabriele Lohss, Hanna Schmitz, Stefan Schuster, Kati Sevke-Masur und Katja Steininger (ober­irdische Biodiversität) wären die Untersuchungen nicht möglich gewesen. Wir danken allen Betriebsleitern und -leiterinnen für die Erlaubnis ihre Flächen für unsere Untersuchungen zu nutzen. Wir danken auch dem Institut für Geographie der Universität Osnabrück (Prof. Dr. Gabriele Broll, Dr. Hans-Jörg Brauckmann) sowie der Ruhe Agrar GmbH im Rahmen des Projekts „Optimierte Energiepflanzen-Anbausysteme zur nachhaltigen Bio­gaserzeugung – Upscaling der FuE-Ergebnisse zu neuen Kulturen und deren Implementierung (FNR FKZ 22017511)“ für die gute Zusammenarbeit. Das unseren Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben (Förderkennzeichen: TV1: 22004411) wurde aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit Finanzmitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) als Projektträger des BMEL für das Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe unterstützt.