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Doctoral Thesis
2016
Approaches to improve the implementation and expansion of Miscanthus production
Approaches to improve the implementation and expansion of Miscanthus production
Abstract (English)
Several species within the miscanthus genus (Miscanthus spp.) are characterized by high biomass yields and low production input requirements. This raised increasing interests in their applications for bioenergy. However, to date, only small areas of Miscanthus × giganteus (approximately 40,000 ha) are commercially grown and used for generating electricity and heat in Europe, where miscanthus has been developed as bioenergy crop for more than decade. Reviewing state-of-the-art revealed four main factors limiting the implementation of miscanthus production. These are inefficient and expensive propagation techniques, land use dilemma (i.e. lack of land available for growing miscanthus), lack of varieties/genotypes adapted to various and especially to stressful environmental conditions and lack of efficient agronomic practices for miscanthus establishment. Against these limiting factors, this thesis aims to (1) evaluate the different propagation systems with regard to technologies and costs, and improve the preferred rhizome propagation techniques; (2) address the land use dilemma through exploring marginal land (i.e. non-arable land with ability to grow plants with tolerance to environmental stresses) for miscathus production; (3) and screen optimal genotypes and effective practices for establishing and managing miscanthus on marginal land in a case study on grassland.
To achieve the first objective, a review, our own field trials and farmer surveys were performed. Direct seed sowing was found to be the cheapest propagation method (1,508.5 € ha-1 overall establishment costs) and micro-propagation the most expensive (6,320.8 € ha-1). Direct rhizome planting is the farmers’ most preferred and most applied establishment method and has moderate establishment cost of 1,904-3,375.7 € ha-1. However, it goes along with the lowest propagation efficiency (1:10) and consequently restricts the availability of propagation material for large-scale plantations. However, the multiplication ratio can be increased by reducing the rhizome size. Field trial results showed that 6-cm length is close to the minimum size of rhizome that can germinate after directly planting into field. Compared to the traditionally used macro-rhizome, the multiplication ratio of the improved rhizome propagation (using 6-cm rhizomes) is tripled. In addition, the multiplication ratio can also be increased by transplanting rhizome- or stem-derived plantlets. However, due to higher labour and energy inputs required for the pre-growing of plantlets, their establishment cost reduction potential is limited, with estimated costs of 4,240.8-4,400.8 € ha-1. Direct seed sowing as the cheapest method is presently only possible for Miscanthus sinensis and not yet practical under German conditions. In addition, the seed-setting rate of M. sinensis is very low (0.0-28.7%) under the climatic conditions of south-west Germany, making commercial seeds production difficult. For all the propagation methods considered, more research efforts are still required to reduce the material production costs and simultaneously increase the multiplication ratio.
For the second objective, the production potential of miscanthus on marginal land in China was assessed. Because China has limited agricultural land resources and its non-food bioenergy policy (it is only allowed to grow energy crops on marginal land) is adamant, there is a desideration for exploiting its marginal land potential. In this study, Geographic Information System (GIS) techniques, model simulation were adopted to identify the productive marginal areas for miscanthus and to estimate their biomass and bioenergy production potentials. The results show that in China there are large marginal land areas of 17,163.54 × 104 ha available for growing miscanthus. However, due to limitation by low winter temperatures and low precipitation levels in some areas, the total marginal area suitable for growing miscanthus is only 769.37 × 104 ha. The Monteith radiation yield model was used to determine the potential miscanthus yield in Chinese climatic conditions. The simulation gave the actual harvestable yield levels on arable land of 18.1-44.2 odt ha-1 yr-1. Taking the environmental stresses of marginal conditions into account an achievable miscanthus yield potential on marginal land of 2.1-32.4 odt ha-1 yr-1 was calculated (varying between different marginal land types). Based on these achievable yield levels, the total miscanthus production potential on the entire suitable marginal land areas is 13,521.7 × 104 odt yr-1; the corresponding bio-electricity generation and total greenhouse gas saving potentials are 183.9 TW h yr-1 and 21,242.4 × 104 t CO2 eq. yr-1, respectively. The spatial distribution of the suitable marginal areas shows that they are mainly concentrated in the central part of Northeast China and the Loess Plateau. Both regions are recommended as priority development zones for the Chinese miscanthus-based bioenergy industry. However, implementation of this huge marginal land potential is currently constrained by many barriers, e.g. concerns on potential ecological effects, competition for marginal land from other uses, lack of high yield varieties in marginal conditions.
Lack of varieties with suitability to marginal conditions and efficient agronomic practices for the establishment on marginal land are the main barriers that limit using marginal land for miscanthus production. Therefore, stress tolerant varieties need to be selected and methods of effective establishment of miscanthus on marginal land need to be developed. Worldwide, grassland is the most important marginal land type because it has the largest terrestrial area and mild environmental stresses for growing energy crops (including miscanthus). However, it is undesirable or even legally prohibited to convert grassland into bioenergy cropland to avoid biodiversity loss and soil carbon being reduced by tilling practices. Hence, no-till establishment practices for miscanthus establishment and maintenance on grassland are investigated here under the third objectives. Our study demonstrates that miscanthus can be successfully cultivated on both good (nutrient-rich) and marginal (nutrient-poor) grassland using the proposed agronomic practices and an increased grassland productivity may be achieved through the establishment of suitable miscanthus genotypes. The recommended agronomic practices are summarized as following. Miscanthus genotypes with tall, thick shoots perform better than those with short, thin shoots. Better establishment is achieved when rhizome-derived plantlets are transplanted into pre-disturbed grassland. The grassland pre-disturbance of low vegetation cutting (5 cm) and herbicide spraying in narrow stripes is recommended for its beneficial effect on miscanthus establishment without significant negative effects on grassland productivity. Two harvests, one in late spring and one in late autumn, are optimal to achieve a high grassland yield.
In this thesis, the limitation of the inefficient propagation technique was mitigated through minimizing the rhizome size and exploring the seeds propagation potential. The land-use dilemma was alleviated by exploring the marginal land production potential. Additionally, constrains of lack of genotypes and agronomic practices for the miscanthus establishment on marginal land were improved by field trials on grassland (the most important marginal land type with a huge potential).These results can improve the implementation and expansion of miscanthus production. However, in addition to constrains improved in this thesis, the miscanthus production is currently constrained by many other technical, economic and financial, social and political, environmental issues. It is unlikely that the implementation and expansion will achieve without mitigating these constrains. Further research and support should address these barriers in an integrate manner.
Abstract (German)
Mehrere Arten innerhalb der Gattung Miscanthus (Miscanthus spp.) zeichnen sich durch hohe Biomasseerträge und eine effiziente Ressourcennutzung aus. Daher steigt das Interesse an ihrer Nutzung als Rohstoff für die Bioenergieerzeugung. Dennoch wird in Europa, wo innerhalb der letzten Jahrzehnte die Nutzung von Miscanthus als Bioenergiepflanze entwickelt wurde, bis heute nur der Genotyp M. × giganteus in geringem Umfang (ca. 40.000 ha) kommerziell angebaut und zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt. Anhand der Überprüfung des aktuellen Wissensstands kristallisieren sich im Wesentlichen vier Hauptursachen heraus, die die Ausweitung des Miscanthusanbaus begrenzen. Neben der ineffizienten und dadurch sehr teuren Vermehrung von Miscanthus spielt vor allem der Mangel an Land, welches für den Anbau von Miscanthus verfügbar ist, eine Rolle. Zusätzlich fehlen einerseits geeignete Sorten beziehungsweise Genotypen, die an verschiedene Umweltbedingungen - vor allem auf marginalen Standorten - angepasst sind, und andererseits effiziente Verfahren zur Etablierung von Miscanthus. Ziel dieser Dissertation ist es, Lösungen für die oben genannten limitierenden Faktoren zu finden, um den weiteren Ausbau des Miscanthusanbaus zu ermöglichen. Dies soll geschehen durch (1) eine Evaluierung der vorhandenen Vermehrungsverfahren hinsichtlich der verschiedenen Technologien und jeweiligen Kosten sowie durch die Verbesserung des Verfahrens der Rhizomvermehrung; (2) die Erforschung marginaler Standorte, d.h. zur Zeit ungenutzte landwirtschaftliche Nutzflächen, die potenziell für den Anbau von stresstoleranten Kulturpflanzen in Frage kämen, auf ihre Eignung für den Anbau von Miscanthus zu überprüfen; (3) sowie die Selektion optimaler Genotypen und effizienter Verfahren für die Etablierung und Bewirtschaftung von Miscanthus auf marginalen Standorten in einer Fallstudie auf Grünland.
Um das erste Ziel zu erreichen, wurden neben einer Literaturstudie und einer Umfrage unter landwirtschaftlichen Betrieben auch eigene Feldversuche durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass Direktsaat das günstigste Vermehrungsverfahren ist (1.508,5 € ha-1 Gesamtetablierungskosten) und In-vitro-Vermehrung das teuerste (6.320,8 € ha-1). Das von landwirtschaftlichen Betrieben bevorzugte und dadurch auch am häufigsten angewandte Verfahren ist die direkte Pflanzung der Rhizome. Diese Methode ist zwar verhältnismäßig kostengünstig (1.904-3.375,7 € ha-1), hat aber auch die geringste Vermehrungseffizienz (1:10), wodurch nicht ausreichend Vermehrungsmaterial für den großflächigen Miscanthusanbau zur Verfügung gestellt werden kann. Allerdings kann durch eine Verkleinerung der Rhizome die niedrige Vermehrungseffizienz bei der direkten Pflanzung der Rhizome verbessert werden. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Feldversuche haben gezeigt, dass eine Mindestgröße der Rhizome von etwa 6 cm erforderlich ist, um ein Austreiben der Rhizome nach der Direktpflanzung nicht zu beeinträchtigen. Die Vermehrungseffizienz des bislang praxisüblichen Verfahrens der direkten Pflanzung der Rhizome kann durch die Verwendung von 6 cm langen Rhizomen verdreifacht werden. Des Weiteren kann durch das Verpflanzen von aus Rhizomen oder Stängeln gewonnenen Jungpflanzen die Vermehrungseffizienz weiter erhöht werden. Doch die Etablierungskosten sind mit geschätzten 4.240,8 – 4.400,8 € ha-1 auch wesentlich höher, da dieses Verfahren arbeits- und energieintensiver ist. Das günstigste Vermehrungsverfahren, die Direktsaat, ist bislang nur mit Miscanthus sinensis möglich, jedoch nicht unter den klimatischen Bedingungen Süddeutschlands, wo außerdem die Samenbildungsrate sehr niedrig ist (0,0 bis 28,7 %) und somit nicht für eine kommerzielle Saatgutproduktion vor Ort ausreichen würde. Folglich sind für alle hier berücksichtigten Vermehrungsmethoden weitere Forschungsanstrengungen notwendig, um sowohl die Produktionskosten zu senken als auch das Multiplikationsverhältnis zu erhöhen.
Für das zweite Ziel wurde das Produktionspotenzial von Miscanthus auf Grenzertragsflächen in China berechnet. China hat nur begrenzte landwirtschaftliche Nutzflächen zur Verfügung und seine Non-Food-Bioenergiepolitik legt fest, dass nur marginales Land für den Anbau von Energiepflanzen genutzt werden darf. In dieser Studie wurde das Geographische Informationssystem (GIS) sowie eine Modellsimulation genutzt, um marginale Standorte in China für den Anbau von Miscanthus zu identifizieren, sowie ihre Biomasse- und Bioenergiepotenziale abzuschätzen. Die Ergebnisse zeigen, dass in China theoretisch 17.163,54 × 104 ha marginales Land für den Anbau von Miscanthus zur Verfügung stehen. Aufgrund der Einschränkungen durch niedrige Temperaturen im Winter und geringe Niederschlagsmengen, umfassen davon jedoch die Flächen, die auch praktisch für den Anbau von Miscanthus geeignet sind, nur 769,37 × 104 ha. Ein Strahlung-Ertrags-Modell nach Monteith wurde verwendet, um den potenziellen Miscanthusertrag unter den klimatischen Bedingungen in China zu bestimmen. Die Simulation ergab, dass der potenzielle Ertrag auf Ackerland in China zwischen 18,1 und 44,2 t Trockenmasse (TM) ha-1 Jahr-1 liegt. Wenn die Umweltbedingungen auf den Marginalstandorten berücksichtigt werden, ergibt sich für verschiedene Grenzertragsflächen ein durchschnittliches Ertragspotenzial für Miscanthus von 2,1 bis 32,4 t TM ha-1 Jahr-1. Basierend auf diesen modellierten Erträgen, ist das Biomassepotenzial von Miscanthus hochgerechnet auf die gesamten geeigneten marginalen Flächen 13.521,7 × 104 t TM Jahr-1. Ausgehend von diesem Biomassepotenzial ergibt sich eine theoretische Stromerzeugung von 183,9 TWh Jahr-1 und somit eine theoretische Treibhausgaseinsparung von insgesamt 21.242,4 × 104 t CO2eq. Jahr-1. Die Untersuchung der räumlichen Verteilung der geeigneten Flächen zeigt, dass sich diese vor allem auf den zentralen Teil von Nordostchina und das Löss-Plateau konzentrieren. Beide Regionen bieten sich daher als prioritäre Entwicklungszonen für die chinesische miscanthus-basierte Bioenergieindustrie an. Allerdings ist die Nutzung dieses großen Potenzials an marginalem Land zur Miscanthusnutzung in der Praxis derzeit aus mehreren Gründen nur eingeschränkt möglich. So gibt es beispielsweise Probleme hinsichtlich der ökologischen Auswirkungen der Ausweitung des Miscanthusanbaus, des Wettbewerbs um marginale Flächen, in dem der Miscanthusanbau mit anderen Verwendungsmöglichkeiten konkurriert, sowie zusätzlich des Mangels an für diese Grenzertragsflächen geeigneten Hochertragssorten.
Das Fehlen von Genotypen, die an die Bedingungen marginaler Standorte angepasst sind, und ein Mangel an effizienten praxistauglichen Etablierungsverfahren verhindern bislang die Nutzung marginaler Standorte durch den Anbau von Miscanthus.
Daher müssen stresstolerante Genotypen identifiziert werden sowie effektivere Methoden zur Etablierung von Miscanthus auf marginalen Standorten entwickelt werden. Weltweit stellen hierfür Grünlandflächen die bedeutendsten Marginalstandorte dar, da sie zum einen die größte Landfläche bieten und zum anderen noch relativ milde Stressfaktoren für den Anbau von Energiepflanzen (einschließlich Miscanthus) aufzeigen. Um den aus klima- und umweltschutztechnischen Gründen unerwünschten und oft gesetzlich verbotenen Grünlandumbruch zu vermeiden, wurden im dritten Teil dieser Arbeit direkte Etablierungsverfahren von Miscanthus auf Grünlandstandorten untersucht, die keine Bodenbearbeitung benötigen. Die Studie ergab, dass Miscanthus in einem speziellen Anbauverfahren sowohl in guten (nährstoffreichen) als auch in marginalen (nährstoffarmen) Grünlandbeständen integriert werden kann, wobei die Produktivität des Grünlands durch geeignete Miscanthus-Genotypen sogar verbessert werden kann. Die hierfür empfohlenen Anbautechniken können wie folgt zusammengefasst werden. Miscanthusgenotypen mit hohen, dicken Trieben entwickelten sich besser als solche mit kurzen, dünnen Trieben. Die Etablierung kann ferner dadurch optimiert werden, indem aus Rhizomen gezogene Jungpflanzen gepflanzt werden. Grundsätzlich ist es empfehlenswert, vor der Etablierung des Miscanthus einen niedrigen Schnitt des Grünlands (5 cm) mit einer anschließenden Herbizidbehandlung in schmalen Streifen zu kombinieren. Diese Bewirtschaftungsweise hat zum einen eine positive Wirkung auf die Etablierung der Miscanthusbestände und zum anderen geringe negative Auswirkungen auf die Produktivität des Grünlandes. Um hohe Grünlanderträge zu erzielen, sollte das Grünland in jedem Jahr zweimal geschnitten werden, im späten Frühjahr und im Spätherbst.
In dieser Thesis konnte die geringe Effizienz der Vermehrungsverfahren von Miscanthus durch eine Verwendung kleinerer Rhizome sowie durch die Erforschung der Möglichkeit Miscanthus über Samen zu vermehren verbessert werden. Das Landnutzungs-Dilemma konnte durch eine Untersuchung des Produktionspotenzials marginaler Standorte klarer eingegrenzt werden, und in Feldversuchen konnten zusätzlich Genotypen und Anbautechniken aufgezeigt werden, die eine direkte Etablierung (ohne Bodenbearbeitung) von Miscanthus auf Gründlandstandorten, und somit auf den bedeutendsten marginalen Standorten ermöglichen. Diese Ergebnisse können dabei helfen, die Einführung und den Ausbau des Miscanthusanbaus weiter voranzutreiben. Allerdings gibt es neben den Limitationen, die in dieser Arbeit diskutiert werden, viele weitere technische, ökonomische, soziale, politische und ökologische Belange, ohne deren Berücksichtigung eine zunehmende Einführung und Ausweitung des Miscanthusanbaus unwahrscheinlich bleibt. Zusätzlich bedarf es daher weiterer Forschung, in der diese Probleme im Gesamtzusammenhang betrachtet und bearbeitet werden.
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Faculty of Agricultural Sciences
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2016-01-20
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630 Agriculture