Wasserverbrauch von Industriehanf (Cannabis sativa L.) während trockener Vegetationsperioden (2018-2022) in Nordostdeutschland

Die vollständige Arbeit sehen Sie hier: Dr. Niels Thevs: "Wasserverbrauch von Industriehanf [...]"

Auszug aus der Veröffentlichung:

Erkenntnisse und Ergebnisse

• Hanf entwickelt ein tiefes Wurzelsystem und nutzt daher ein großes Bodenvolumen für Wasser aus.
• Hanf übersteht Trockenperioden, überfischt aber nicht die Wasserressourcen.
• Der Wasserverbrauch von Hanf lag zwischen 310 und 407 mm pro Vegetationsperiode (weniger als bei Winterweizen und Wäldern).

Abb. 1: Karte des Untersuchungsgebietes (Detailkarte links) und Übersichtskarte (oben rechts). Koordinaten in der Detailkarte sind UTM-Koordinaten (UTM-Zone 33N). 192 / 23 und 193 / 23 geben die Pfad- und Zeilennummerierung der beiden Landsat-Bildrahmen an.

Abstrakt

Europa erlebte in den Jahren 2018, 2019 und 2020 beispiellose Dürren. Im Zuge des Klimawandels wird erwartet, dass solche Dürreereignisse häufiger auftreten werden, sodass sich die Landwirtschaft an Dürren anpassen muss. Hanf (Cannabis sativa L.) wurde als Anpassung an wasserarme Bedingungen gefördert. Hanf liefert Biomasse als Rohstoff an eine Vielzahl unterschiedlicher Wertschöpfungsketten, wie Fasern und Textilien, Hausbau, Chemikalien oder Lebensmittelanwendungen.

Hanf entwickelt ein tiefes Wurzelsystem, das es ihm ermöglicht, seinen Wasserbedarf auch in längeren Trockenperioden zu decken. Dies kann langfristig zu einer Übernutzung der Bodenfeuchte tieferer Bodenschichten oder des Grundwassers führen. Vor diesem Hintergrund bewertete diese Studie den Wasserverbrauch von Hanf in Nordostdeutschland (Region Uckermark) während der Vegetationsperioden 2018 – 2022, wobei der fernerkundungsbasierte S-SEBI-Ansatz mit Landsat-Satellitenbildern als Eingangsdaten verwendet wurde.

Der Wasserverbrauch von Hanf lag in den Vegetationsperioden 2018-2022 zwischen 310 und 407 mm, während die Stängelerträge 9 t ha-1 betrugen (außer 2018 mit 7,8 t ha-1). Dieser Wasserverbrauch überstieg zwar die Niederschläge in den Vegetationsperioden, jedoch nicht die Gesamtniederschläge der angegebenen hydrologischen Jahre, so dass der Anbau von Hanf keine übermäßige Wassernutzung darstellt. Stattdessen zapft Hanf die Bodenfeuchtigkeit an, die im Herbst und Winter in den Boden eingedrungen ist. Dies macht Hanf zu einer Kultur, die sich gut für die Anpassung an ein trockeneres, heißeres und variableres Klima eignet.

1. Einleitung

Europa erlebte in den Jahren 2018, 2019 und 2020 eine beispiellose Dürre (Rakovec et al., 2022). Bereits vor 2018 wurde Europa von mehreren trockenen Sommern heimgesucht, wie 2003, 2010 und 2015. Schätzungen zufolge verursachen Dürren europaweit einen jährlichen Schaden von 9 Mrd. EUR, wobei 39 % bis 60 % aller Schäden die Landwirtschaft betreffen (Naumann et al., 2021). Darüber hinaus erhöhte der Klimawandel die Wahrscheinlichkeit des Auftretens solcher Dürreereignisse (Hari et al., 2020), was unterstreicht, dass sich die Landwirtschaft an trockenere und heißere Sommer im Allgemeinen und an schwere Dürreereignisse im Besonderen anpassen muss. Innerhalb Deutschlands ist das Klima in Ostdeutschland im Vergleich zu Westdeutschland trockener und kontinentaler, so dass die Dürre von 2018-2020 einen größeren Anteil der landwirtschaftlichen Nutzfläche in Ostdeutschland im Vergleich zum Rest des Landes betraf, wie das Amt für Statistik Berlin hervorhob. Brandenburg (2019).

Hanf (Cannabis sativa L.) wurde als Nutzpflanze angepriesen, die unter wasserbegrenzten Bedingungen vermarktbare Ernten hervorbringt, wie von Struik et al. (2000). Lisson und Mendham (1998) maßen Stammerträge von 10 t ha-1 und Gesamtbiomasse-Trockenmasseerträge von 12 t ha-1 unter Regenbedingungen mit Niederschlägen unter 300 mm während der Vegetationsperiode. Darüber hinaus ist Hanf eine Mehrzweckpflanze, die Biomasse als Rohstoff an eine Vielzahl unterschiedlicher Wertschöpfungsketten liefert, wie Fasern und Textilien, Hausbau, Chemikalien oder Lebensmittelanwendungen (Amaducci und Gusovius, 2010; Moscariello et al ., 2021). Weltweit wird im Zuge des Verzichts auf fossile Rohstoffe zunehmend Biomasse als Rohstoff für die Bioökonomie nachgefragt. Hanfbiomasse kann dazu beitragen, diese Nachfrage zu decken und damit neue Möglichkeiten für ländliche Regionen bieten (Ingrao et al., 2018).

Hanf entwickelt ein tieferes Wurzelsystem als die meisten anderen Nutzpflanzen, wie beispielsweise Getreide, was es ihm ermöglicht, auch während längerer Trockenperioden tiefere Bodenschichten oder das Grundwasser zur Deckung seines Wasserbedarfs zu nutzen (Struik et al., 2000). Dabei nutzt Hanf die Bodenfeuchtigkeit, die sich aus den Niederschlägen angesammelt hat, die vor dem Beginn des Entwicklungsstadiums von Hanf mit seinem schnellen Wachstum aufgetreten sind (Thevs und Aliev, 2022). Dies macht Hanf unter zunehmend trockenen Bedingungen zu einer potenziell attraktiven Kulturpflanze, kann aber auch langfristig zu einer Übernutzung der Bodenfeuchte tieferer Bodenschichten oder des Grundwassers führen. Vor diesem Hintergrund zielte diese Studie darauf ab, den Wasserverbrauch von Hanf zu bewerten, der für die industrielle Nutzung angebaut wird.

Diese Studie verwendet den Begriff Wasserverbrauch als Synonym für Evapotranspiration, wie folgt definiert: Aktivitäten, die Wasser von seiner Quelle ableiten; Wasser, das nicht mehr verfügbar ist, weil es verdunstet, von Pflanzen verdunstet, in Produkte oder Nutzpflanzen eingearbeitet, von Menschen oder Nutztieren verbraucht oder anderweitig aus der unmittelbaren Wasserumgebung entfernt wurde ( https://www.watercalculator.org/footprint/water -Gebrauch-Entzug-Verbrauch/).

2. Methoden

Diese Studie zielte darauf ab, den Wasserverbrauch von Hanf in der Region Uckermark, dem nordöstlichen Teil des Bundeslandes Brandenburg in Nordostdeutschland, durch den Fernerkundungs-basierten Simplified Surface Energy Balance Index (S-SEBI) nach Roerink et al. (2000), Sobrino et al. (2005; 2007), überprüft von Gowda et al. (2007; 2008). In dieser Studie wurden Daten von Landsat OLI und Landsat ETM+ verwendet, um den Wasserverbrauch (oder die tatsächliche Evapotranspiration – ETa) abzubilden, da ihre räumliche Auflösung (von 100 m x 100 m im Landoberflächentemperaturkanal – LST) es ermöglichte, den Zielhanf abzubilden Feldplots, während MODIS mit seiner räumlichen Auflösung von 1000 m x 1000 m für den Zweck dieser Studie zu grob wäre. Landsat liefert keine Tagesbilder, so dass Datenlücken zwischen den einzelnen Bildern und entsprechenden ETa-Daten geschlossen werden mussten, um den Wasserverbrauch der gesamten Vegetationsperioden zu liefern. Diese Datenlücken wurden durch Daten auf Basis von Tageswerten der Penman-Monteith Reference Evapotranpiration (ETo) gefüllt, die aus täglichen Klimadaten nach Allen et al. (1998). Diese täglichen Klimadaten wurden von DWD (2022) für die Klimastation Angermünde heruntergeladen, die der Untersuchungsregion am nächsten lag. In der Region Uckermark beauftragt das Unternehmen Hanffaser Uckermark Landwirte mit dem Anbau von Industriehanf, um Fasern für Dämmstoffe und andere Baustoffe zu gewinnen. Die fünf Hanffelder (Abb. 1), die von 2018 bis 2022 mit Hanf bepflanzt wurden, bildeten den Kern der Untersuchungsregion. Dabei wurde jedes Jahr eine andere Feldparzelle in Auftrag gegeben, so dass für jedes Jahr ein anderes Feld in diese Studie einbezogen wurde. Die Feldgrößen reichten von 15 ha bis 56 ha, während die Stammerträge im Jahresvergleich bei 9 t ha-1 blieben, mit Ausnahme von 2018, das 7,8 t ha-1 erbrachte. Winterweizenfelder, die wichtigste Kulturpflanze in der Studienregion, Bestände von Laubwäldern und Nadelwäldern, alle in der Nähe der Hanffelder, wurden aus Satellitenbildern ausgewählt, um solche Gebiete zur Validierung der Kartierung einzuschließen des Wasserverbrauchs. Die Hanffelder, Weizenfelder und Waldbestände sind in der Karte in Abb. 1 dargestellt. Das Klima der Untersuchungsregion wird als feucht-warmes Kontinentalklima mit den in Tab. 1 aufgeführten Hauptmerkmalen klassifiziert. 1 für den Bahnhof Angermünde. Tab. Abb. 1: Temperatur und Niederschlag an der Klimastation Angermünde (30-Jahres-Beobachtung von 1991 bis 2021), nach DWD (2022)

Climate feature	Value
Average January temperature [°C]	0.3
Average July temperature [°C]	19.3
Annual precipitation (hydrological year) [mm]	527
Precipitation during growing season (Apr-Oct) [mm]	347

Hanf wurde in allen fünf Jahren um den 1. April gesät. Während der ersten zwei Wochen nach der Aussaat keimten die Samen und entwickelten ihre Wurzeln und erst nach diesen zwei Wochen wurden Setzlinge sichtbar. Im Juni wuchs Hanf schnell, bis zu mehreren cm pro Tag. Danach begann der Hanf Anfang Juli zu blühen, obwohl ein Teil des Hanfs noch Anfang August blühte. Dementsprechend wurden die Samen im Juli und August reif, während der Hanf weiter wuchs, wenn auch langsamer als im Juni. Alle Hanffelder wurden zwischen dem 15. und 25. August eines jeden Jahres geerntet. Die Stängel blieben nach der Ernte für die Röste im Herbst und Winter auf den Feldern. Als Vegetationszeit wurde der 1. April bis 31. Oktober festgelegt.

Abb. 2: ETa-Datenpunkte für Hanf, Weizen, Laubwälder und Nadelwälder über die Vegetationsperioden 2018-2022. DOY bezieht sich auf das n-te Jahr jedes Jahres.

Abb. 3: ETo (graue Punkte) von 2018 bis 2021 und ETa von Hanf (schwarze Punkte) während der Vegetationsperioden 2018, 2019, 2020 und 2021. X-Achse: Jahre geteilt durch Quartale.

Breitblättriger Wald Nadelwald Niederschlag im hydrologischen Jahr Niederschlag während der Vegetationsperiode

Jahr	Hanf	Weizen	Laubwald	Nadelwald	Niederschlag im hydrologischen Jahr	Niederschlag während der Vegetationsperiode
2018	323	391	638	695	475	248
2019	407	454	654	666	461	291
2020	312	327	567	599	470	284
2021	332	376	508	455	556	397

Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Niels Thevs.

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