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Da Feuchtgebiete nicht wie reguläres Ackerland genutzt werde können, werden sie oft als Ödland betrachtet und daher für Ackerbau trockengelegt. Diese sehr einseitige Perspektive auf Feuchtgebiete übersieht die vielfältigen Ökosystemleistungen, die es Menschen und Natur zur Verfügung stellt. Einige dieser Leistungen sind das Speichern und die Reinigung von Abwasser, die Bereitstellung von Lebensmitteln und Rohmaterialien, die lokale Klimaregulierung und die Nutzung als Habitat. Viele dieser Leistungen werden von der Natur „umsonst“ bereitgestellt und haben keinen monetären Wert auf traditionellen Märkten. In China bedecken Feuchtgebiete 8% der Gesamtfläche, sind aber in einer bedrohlichen Situation, auch wenn in den letzten Jahren einige Teile erfolgreich restauriert werden konnten. In den vergangenen 50 Jahren gingen mehr als 20% der Feuchtgebiete durch Verschmutzung, Wasserableitung und -aufstauung, Nutzbarmachung, Trockenlegung und Übernutzung der Resourcen verloren. Die Wasserressourcen und Feuchtgebiete – besonders in Nord- und Nord-Ost-China sind bedroht, da sie in ariden oder semi-ariden Regionen liegen. Feuchtgebiete stellen gleichwohl wichtige Ökosystemdienstleistungen für die genannte Region zur Verfügung und tragen signifikant und in vielfältiger Weise zu lokalem Lebensunterhalt bei, z. B. durch Nahrungs- und Rohstoffbereitstellung. Ziel dieser Arbeit war es, zu einer ökonomisch-ökologischen Bewertung des Gemeinen Schilfs (Phragmites australis) am Wuliangsuhai See zu kommen, in dem Schilf in großen Mengen vorkommt und lokal relevant ist. Schilf wurde an einem Fallbeispiel in der Inneren Mongolei, China, untersucht, ein Teil des Forschungsprojektes “Sustainable Water Management and Wetland Restoration in Settlement of Arid Central Asia” war, welches in der Inneren Mongolei, China, durchgeführt wurde. Meine Arbeit beeinhaltete vielfältige Apsekte: Zuerst wurde eine detaillierte Literaturanalyse durchgeführt, um die kommerzielle Nutzung von Schilf weltweit zu untersuchen. Es konnten vielfältige Verwertungen ausgemacht werden, viele lokal und nur in kleinem Maßstab (z. B. Nahrung), einige andere innovativ und/oder noch im Experimentierstadium (z. B. Ethanol). Im Bezug auf den Wuliangsuhai See kann geschlussfolgert werden, dass nur große, “einfache” Lösungen in Frage kommen. Besonders der Einsatz als Rohstoff zur Verfeuerung und als Baumaterial scheint erfolgversprechend. Daran anschließend wurde die Biomasseproduktivität am Wuliangsuhai See mit Hilfe zweier Feldkampagnen erhoben und dann auf den gesamten See projiziert. Diese Daten waren entscheidend, da sie Basis waren, um die totale verfügbare Biomasse sowie auch den Einfluss der Schilfernte auf das Nährstoff-Budget abzuschätzen, da ein erheblicher Anteil an Nährstoffen jährlich durch die Ernte dem See entzogen wird. Nach der Bestimmung der verfügbaren Schilfressourcen wurde deren Verwendung durch qualitative Interviews untersucht und mit dem „Netchain Approach“ dargestellt. Die verschiedenen Interessengruppen, die in das Schilfgeschäft involviert sind, sowie deren Einkommen wurden skizziert. Es wurde deutlich, dass die Verwertung zur Papierproduktionen aus einer Vielzahl von Gründen kaum profitabel ist. Basierend auf dieser Erkenntnis wurden vier verschiedene Szenarien für eine innovative Schilfenergienutzung am Wuliangsuhai See analysiert und bewertet. Die Schilfenergienutzung ist unter bestimmten Voraussetzungen profitabel, aber nur schwer wettbewerbsfähig gegenüber günstiger und lokal verfügbarer Kohle. Abschließend wurde der Wuliangsuhai See in einen umfassenderen Ausblick eingeordnet, welche auch das Bewässerungssystem stromaufwärts miteinschloss. Vier Szenarien beleuchteten, wie heutige Entscheidungen die Zukunft des Sees beeinflussen. Diese Arbeit präsentiert die folgenden Haupteinsichten und Empfehlungen für das Management des Wuliangsuhai Sees: 1. Ein übergreifendes Konzept für den Wuliangsuhai See ist nötig, welches auch das gesamte Hetao Bewässerungsgebiet miteinbezieht. 2. Der See ist in dieser sehr trockenen Gegend einzigartig und sollte nicht nur für die Bereitstellung von Marktgütern, sondern auch für „Nicht-Markt-Leistungen“, wie die Abwasserreinigung, beachtet werden. 3. Die Restorationsleistung der Schilfernte konnte in dieser Publikation gezeigt werden und sollte bei zukünftigen Managemententscheidungen berücksichtigt werden. 4. Die lokale Schilfökonomie wird von verschiedenen Seiten herausgefordert. Dennoch scheint auch die lokale Schilfenergienutzung kaum profitabel. 5. Aufgrund der hohen Relevanz der Schilfökonomie für die lokale Ökonomie und Ökologie sollte die Regierung die Seeverwaltung unterstützen. Zusammenfassend konnten die vielfältigen sozialen, ökologischen und ökonomischen Werte von Schilf am Wuliangsuhai See aufgezeigt werden. Da nur geringe Informationen vorhanden waren, stellt dies den ersten umfassenden Überblick dar und soll Entscheidungsträgern ermöglichen, auf diesen Informationen basierend Entscheidungen für die Zukunft des Sees zu treffen.
Der rundblättrige Sonnentau (Drosera rotundifolia L.) ist typisch für nährstoffarme Hochmoore und nimmt eine besondere Rolle im Moor-Ökosystem ein. Die Pflanzenart gilt in vielen europäischen Ländern als gefährdet bzw. stark gefährdet. Ihre Gefährdung lässt sich auf drei Ursachen zurückführen:
1) Seit Jahrzehnten führt die Bewirtschaftung der europäischen Moore und die damit einhergehende Entwässerung und Düngung zu einem deutlichen Rückgang der von Drosera-Arten bevorzugten oligotrophen, nassen und sauren Standorte.
2) Bereits im Mittelalter waren Drosera-Arten als Heilpflanzen bekannt und wurden hauptsächlich zur Behandlung von Atemwegserkrankungen (Asthma, Bronchitis, Keuchhusten etc.) eingesetzt.
3) Obwohl seit den 1920er Jahren bereits immer wieder Kultivierungsversuche mit Drosera-Arten durchgeführt wurden, konnte bisher keine Methode für den großflächigen Anbau von Sonnentau realisiert werden, um die von der Pharmaindustrie benötigten Mengen des Drosera-Rohstoffs zu produzieren. Daher werden bis heute europäische und nicht europäische Drosera-Arten immer noch in großen Mengen in natürlichen Mooren gesammelt.
Die zunehmende Zerstörung der natürlichen Moore und die Sammlung für arzneiliche Zwecke stellen zusammen eine ernsthafte Bedrohung für den Erhalt von D. rotundifolia dar. Die Torfmooskultivierungsflächen in Deutschland sind in vieler Hinsicht vergleichbar mit intakten Hochmooren. Das nährstoffarme Milieu der kultivierten Torfmoose dient als Lebensraum für heimische Drosera-Arten, wie Drosera rotundifolia L. und Drosera intermedia Hayne. Daher bieten diese Kulturflächen eine neue Alternative für den Anbau von Drosera-Arten.
In vier Studien wurde die Eignung von Torfmoosrasen für den Drosera-Anbau untersucht, mit Schwerpunkt auf den Anbau von Drosera rotundifolia auf Torfmoos- kultivierungsflächen. In der ersten Studie wurde das Wissen über die Morphologie, Verbreitung, Ökologie, Reproduktion, Nutzung, den Schutz und den Anbau von D. rotundifolia erstmals zusammenfassend diskutiert, um eine wissenschaftliche Grundlage für einen erfolgreichen Anbau auf Torfmoosrasen zu schaffen. Basierend auf diesen Kenntnissen konzentriert sich die zweite Studie auf die Keimfähigkeit von D. rotundifolia und die Überlebensrate von jungen Drosera-Pflanzen auf Torfmoosrasen unter natürlichen, naturnahen und künstlichen Bedingungen. Die dritte Studie fokussiert auf den Gehalt pharmakologisch wirksamer Inhaltsstoffe angebauter und „wild wachsender“ D. rotundifolia- sowie D. intermedia-Pflanzen auf Torfmooskultivierungsflächen. Die vierte Studie untersucht die Biomasseproduktivität und den Ertrag, d. h. den Biomasseanteil der geerntet wird, von beiden o. g. Drosera-Arten auf Torfmooskultivierungsflächen.
Die generierten Daten und Erkenntnisse der vier Studien wurden in vier wissenschaftlichen Artikeln zusammengefasst, wovon zwei bereits veröffentlicht und zwei eingereicht sind.
Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studien sind die Folgenden:
I) Drosera rotundifolia ist sehr stark mit Sphagnum-dominierten Pflanzengemeinschaften verbunden, welche durch Entwässerung europaweit zurückgegangen bzw. verschwunden sind. Dadurch ist D. rotundifolia in den meisten europäischen Ländern eine seltene und geschützte Pflanzenart geworden.
II) Verschiedene Drosera-Arten, u. a. D. rotundifolia, D. intermedia, D. anglica und D. madagascariensis, werden immer noch von Pharmaunternehmen verwendet. Die Pflanzen werden in der freien Natur gesammelt, weil deren Anbau zeitaufwendig und (noch) nicht effizient ist. Daher ist die Entwicklung von Anbaumethoden erforderlich.
III) Die selbstentwickelte „Torf-Gefäß-Methode“ ergab sich als die meist geeignete Drosera-Anbau-Methode durch das spezielle Mikroklima des Sphagnum- Rasens, das konkurrenzarme Milieu und den permanent nassen Sphagnum- Torf in den Pflanzgefäßen.
IV) In den Feldversuchen wurden bei der Aussaat sehr niedrige Keimungsraten < 1 % registriert. Deshalb sind für den Anbau mit Aussaat große Mengen an Samen erforderlich.
V) Die Entfernung von Gefäßpflanzen zeigte im ersten Jahr eine positive Korrelation mit der Anzahl der Drosera-Keimlinge und führte im zweiten Jahr zu einer höheren Anzahl überlebender Drosera-Pflanzen.
VI) Auf Torfmooskultivierungsflächen wachsende Drosera-rotundifolia-Pflanzen wiesen eine 7- bis 8-mal höhere Konzentration von 7-Methyljuglon auf als D. madagascariensis, die hauptsächlich für ‘Droserae herba’ verwendet wird.
VII) Für Drosera rotundifolia gab es bezüglich der Tageszeit keine signifikanten Unterschiede in den Konzentrationen bioaktiver Inhaltsstoffe. Dies bedeutet, sie kann ganztägig zwischen 7 und 16 Uhr gesammelt werden. Die höchsten Konzentrationen bioaktiver Inhaltsstoffe wurden für D. rotundifolia und D. intermedia bei 13 bis 24 Monate alten blühenden Pflanzen festgestellt
VIII) Im Vergleich zu natürlichen Mooren Mittel- und Nordeuropas, zeigte D. rotundifolia auf den Torfmooskultivierungsflächen eine 3-34 Mal höhere Biomasseproduktivität (275 kg ha-1 a-1) und einen 2-21 Mal höheren Ertrag (214 kg ha-1 a-1).
IX) Der höchste Ertrag von D. rotundifolia und D. intermedia wurde im Juli und August dokumentiert. In diesen Monaten erreichen die Pflanzen ihr höchstes Gewicht. Auf Torfmooskultivierungsflächen erreichte D. rotundifolia einen viermal höheren Ertrag als D. intermedia. Deshalb ist D. rotundifolia für den Anbau zu bevorzugen.
X) Für eine langfristige nachhaltige Produktion von Drosera wird die Ernte von mindestens 12 Monate alten Pflanzen empfohlen.
The genus Sphagnum (L.) belongs to the Bryophyte plant division and includes 150 to 400 species. As all mosses Sphagnum has no roots and can hardly regulate its water uptake. As long as enough water is available Sphagnum can grow nearly unlimited while the lower, older parts die off and may accumulate as peat. Single Sphagnum species are able to build up an acrotelm as a hydrological self-regulating mechanism of a bog, a type of intact peatland (mire) only fed by precipitation. Because Sphagnum dominates nearly half of the peatlands in the world, it is one of the globally most important peat formers.
Sphagnum biomass is an important raw material for many valuable products, but in a much larger scale Sphagnum is used in its fossil state – as Sphagnum peat. With a consumption of c. 40 million m³ per year globally, Sphagnum peat is the predominant raw material for horticultural growing media. To get Sphagnum biomass it is currently collected from wild populations, to get Sphagnum peat it is extracted from bogs.
By far, more peatlands (including bogs) are subjects to drainage for agri- and silvicultural use since centuries, which harms their ecosystem services, including their typical biodiversity, carbon storage capacity, water regulation function and palaeo-environmental archive. In Europe, c. 25 % of all peatlands are used for agriculture, in Germany more than 80 %. Globally drained peatlands cover 0.4 % of land surface but produce 5 % of all anthropogenic greenhouse gas emissions.
Sphagnum farming aims to cultivate Sphagnum biomass on rewetted degraded bogs as a new agricultural crop. Sphagnum farming is paludiculture and contributes to the protection of bogs and their peat by conserving the peat body through rewetting and by offering a climate-friendly alternative to fossil peat in horticulture. Next to climate change mitigation, Sphagnum farming has benefits for nutrient retention and biodiversity conservation.
This thesis contributes to the development of Sphagnum farming by studying the conditions under which Sphagnum may reach maximal growth. Under (semi)controlled glasshouse conditions, we tested the effects of different water regimes and fertilisation levels on the productivity of various Sphagnum species. On a 1260 m² large irrigated field on cut-over bog in Lower Saxony (Germany) we studied length increase, biomass productivity and tissue nutrient content of Sphagnum over a period of 10 years. Finally, we reviewed all scientific literature and practical experiences with respect to Sphagnum farming worldwide as a first step towards a science-based implementation manual.
The main conclusions of our studies are:
1. It is possible to cultivate Sphagnum on rewetted cut-over bog and on rewetted former bog grassland.
2. The rapid establishment of a closed, highly productive Sphagnum lawn requires the deployment of a loose, >1(–5) cm thick Sphagnum layer (80–100 m³ of Sphagnum founder material per hectare) at the start of the growing season (when long frost periods are no longer probable) and adequate water supply.
3. Water table management must be very precise until a dense, well-growing Sphagnum lawn has established. For highest yields the water table should rise with Sphagnum growth and be kept a few centimetres below the Sphagnum capitula. Water supply via open irrigation ditches seems to function better than via subsurface irrigation pipes.
4. Fertilisation does not increase Sphagnum productivity on sites with high atmospheric nitrogen deposition and irrigation with phosphate-rich surface water from the agricultural surroundings. To avoid growth reduction a balanced stoichiometry is important.
5. From all studied species, Sphagnum fallax has the highest productivity. Its fast decomposition and low water holding capacity, however, may make this species less suitable for use in horticultural substrates.
6. Vascular plant cover on Sphagnum production fields can be kept low (<50 % cover) by regular mowing. Higher covers retard Sphagnum growth and reduce its quality for growing media.
7. Pathogenic fungi occurred far more in the glasshouse than in the field and have to be controlled for highest Sphagnum yields. We found Sphagnum vitality and growth rate to be stimulated by high water levels, where Sphagnum is less vulnerable to fungal or algal infection despite high nutrient loads.
8. The rate of Sphagnum biomass accumulation may remain constant over at least 4–5 years after establishing a Sphagnum production field with sufficient water supply. At dry conditions Sphagnum biomass accumulation is lower as a result of lower biomass productivity and higher decomposition rates.
Drainage has commonly been a pre-requisite for the productive use of peatlands. The biased focus on agriculture, forestry and peat extraction has long ignored the destructive effects of drainage and the successive degradation of ecosystem functions of wet peatlands. Accelerated by the climate crisis, the finite nature of drainage-based peatland use is increasingly recognised. Consequently, productive land use options for wet or rewetted peatlands (paludiculture) are required as sustainable alternatives. A wide range of paludiculture plants and options of biomass utilisation are identified as suitable and promising. Despite the growing interest, experiences with and research on the economic viability of paludiculture are still rare.
This thesis addresses the lack of knowledge on paludiculture in terms of practical feasibility, costs and benefits at the farm level, market prospects and framework conditions. I selected the two currently most advanced paludicultural practices in Europe: a) Harvesting natural reed beds as a traditional ‘low-input’ paludiculture, i. e. the utilisation of existing ‘wild’ vegetation stands; b) ‘Sphagnum farming’ as a novel ‘high-input’ paludiculture including stand establishment and water management required for the active transformation from drainage-based peatland use to paludiculture. In both cases, I investigate three different biomass utilisation avenues. This thesis adds to the fields of problem-driven sustainability and land-use science. Procedures and costs of paludiculture were studied in transdisciplinary research projects in close cooperation with practitioners. Due to the novelty of the topic, I put special emphasis on the triangulation of methods and data sources: pilot trials, field measurements, semi-structured expert interviews, structured questionnaires, secondary data from trade statistics and literature. To account for uncertainty related to costs and revenues, I conduct stochastic scenario analysis (Monte Carlo simulation) for the extended contribution margin accounting of harvesting reeds and sensitivity analysis for the investment appraisal of Sphagnum farming.
Paludiculture on fens: harvesting reeds
Paper I investigates harvesting procedures for reed-dominated (Phragmites australis) vegetation stands. In many European countries special-purpose tracked machinery is applied for large-scale conservation management and the commercial harvest of thatching reed. Stochastic scenario analysis reveals a wide range of possible economic outcomes (ca. € -1000 to € 1500 ha-1 a-1) and identifies material use of reed superior to its use as a source of energy. Winter harvest of high-quality thatching reed in bundles is the most profitable option. Winter harvest of bales for direct combustion is suitable for low-quality stands and has a limited risk of loss. In the case of summer harvest, revenues for green chaff for biogas production cannot cover harvesting costs but non-market income via subsidies and agri-environmental payments may ensure profitability. While biomass for energy generation is limited to a local market, thatching reed is traded as an international commodity. The market situation for thatching reed is investigated for Europe (Paper II) and Germany (Paper III). The major reed consuming countries in Western Europe (Netherlands, Germany, UK, Denmark) rely on imports of up to 85 % of the national consumption, with reed being imported from Eastern and Southern Europe and since 2005 also from China. The total market volume for reed for thatching in Northern Germany is estimated with 3 ± 0.8 million bundles of reed with a monetary value at sales prices of € 11.6 ± 2.8 million. Most of the thatchers (70 %) did not promote reed of regional origin to their customers due to insufficient availability in the first place and a lack in quality as second reason. The cultivation of reed in paludiculture may improve quantity and quality of domestic thatching reed. An area of 6000 ± 1600 ha with an average yield of 500 bundles per hectare would allow covering the current total demand of 3 million bundles of the German thatching reed market (Paper III).
Paludiculture on bogs: Sphagnum farming
Sphagnum farming provides an alternative to peatland degradation in two ways: Firstly, Sphagnum mosses can be cultivated as new agricultural crops on rewetted peatlands. Secondly, the produced Sphagnum biomass is a high-quality raw material suitable to replace peat in horticultural growing media (Paper V). Pilot trials have demonstrated the practical feasibility of establishing Sphagnum cultures on former bog grassland, cut-over bogs and mats floating on acidic waters bodies; Paper IV compares for the three types of production sites the specific procedures, costs and area potential in Germany. Water-based Sphagnum farming is not recommended for large-scale implementation due to highest establishment costs, major cultivation risks and limited area potential. For soil-based Sphagnum farming, the most important cost positions were Sphagnum shoots to set up pilots, investment for water management and regular weed management. Bog grassland has the highest area potential, i. e. 90,000 ha in NW Germany. Paper V assesses the profitability of Sphagnum farming on former bog grassland based on extrapolating five years of field experience data (establishment ņ management ņ harvest) to a total cultivation time of twenty years. Cultivating Sphagnum biomass as founder material for Sphagnum farming or restoration was profitable even in pessimistic scenarios with high costs, high bulk density and low yields. Selling Sphagnum for orchid production was economically viable in the case of medium to high yields with a low bulk density. Cost-covering prices for Sphagnum biomass substituting peat seem achievable if end consumers pay a surcharge of 10 % on the peat-free cultivated horticultural end-product. An area of 35,000 ha of Sphagnum farming suffices to meet the annual demand of the German growing media industry for slightly decomposed Sphagnum peat.
Framework conditions affecting feasibility of paludiculture
The relation of revenues from selling biomass to its production costs is an important piece of the paludiculture feasibility puzzle. Further aspects effecting the economic viability and competitiveness of paludiculture encompass the market demand, the availability of mature technology, legal restrictions, the eligibility for agricultural subsidies, a remuneration of external benefits and the opportunity costs of present farming activities (Paper I, V). Legal and policy regulations are of major importance for land use decisions on peatlands – both for keeping up drainage and for shifting to paludiculture.
Conclusion and Outlook
This thesis provides a first assessment of the costs and profitability of large-scale harvesting of reeds and Sphagnum farming based on real-life data. The paludicultural practices investigated may be a solution for a minor share of the more than 1 million ha of peatlands drained for agriculture in Germany. Future research should also address other biomass utilisation options and other crops. Large-scale pilots are required to improve technical maturity of procedures and machinery, gather reliable data to replace assumptions on costs and revenues and study long-term effects on economics and ecosystem services. The micro-economic perspective needs to be complemented by the societal perspective quantifying and monetising external effects of peatland restoration, paludiculture and drainage-based peatland use. There is a high need for intensified research, large-scale implementation and accelerated adaption of the policy and legal framework to develop paludiculture as an economically viable option for degraded peatlands.