Modellgestützte Bestimmung des optimalen Schnittzeitpunkts von Lolium perenne-Sorten für die Biogasproduktion

Swieter, Anita

Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung des optimalen Schnittzeitpunkts von Lolium perenne-Sorten für die Biogasproduktion mit Hilfe eines Modells für die sortenspezifische Ertrags- und Qualitätsentwicklung. Anhand eines Feldversuchs mit 20 L. perenne-Sorten, die über zwei Jahre an fünf Standorten in zwei Schnittvarianten geerntet wurden, wurde für den ersten Schnitt ein signifikanter Einfluss des Schnittzeitpunkts auf Grasertrag und -qualität festgestellt. Auf den jährlichen Gesamtertrag hatte der Schnittzeitpunkt keinen signifikanten Einfluss. Der optimale Schnittzeitpunkt für die Biogasproduktion, der Zeitpunkt des maximalen flächenspezifischen Methanertrages, korrelierte für alle Sorten mit der maximalen Differenz aus Trockenmasseertrag und absolutem Rohfasergehalt. Zur Bestimmung des optimalen Schnittzeitpunkts wurde daher ein Modell für den sortenspezifischen Ertrags- und Qualitätsverlauf während eines Aufwuchses entwickelt. Um eine sortenspezifische Parametrisierbarkeit zu erreichen, wurden nur die dominanten Prozesse Biomassewachstum, Qualitätsentwicklung sowie Umweltprozesse berücksichtigt. Mit Hilfe des Akaike-Informationskriteriums (AIC) wurde das Modell weiter auf die Umweltprozesse reduziert, die notwendig waren, um die Ertrags- und Qualitätsentwicklung der Sorten zu erklären. Zur Modellparametrisierung und -validierung wurden acht L. perenne-Sorten für drei Jahre an vier Standorten angebaut und in Zeitreihen geerntet. Auf Basis der erfassten Ertrags-, Qualitäts- und Wetterdaten wurden die sortenspezifischen Modellparameter mittels lokaler, nichtlinearer Optimierung geschätzt. Die sortenspezifischen Parameter spiegelten Unterschiede in der Reifezeit und Trockentoleranz der Sorten wider. Der modellbasiert optimale Schnittzeitpunkt für die Biogasproduktion wurde von allen Sorten später erreicht als der für die Futterproduktion übliche Schnittzeitpunkt. Der optimale Schnittzeitpunkt für die Biogasproduktion konnte keinem bestimmten phänologischen Entwicklungsstadium zugeordnet werden. Tendenziell erreichten die frühen Sorten ihren optimalen Schnittzeitpunkt mit einem fortgeschrittenerem Stadium als die späten Sorten. Mit Hilfe des entwickelten Ertrags- und Qualitätsmodells kann in einer laufenden Vegetationsperiode mit bekanntem Wachstumsbeginn und der Einbeziehung von Wettervorhersagedaten unabhängig vom phänologischen Entwicklungsstadium der optimale Schnittzeitpunkt für einen maximalen Biogasertrag sortenspezifisch vorhergesagt werden.

The aim of this study was to optimize the cutting date of Lolium perenne varieties for biogas production by simulation of the variety-specific yield and quality development. The effect of the cutting date on yield and quality of 20 L. perenne varieties was investigated by conducting a field experiment for two years at five sites. The cutting date significantly influenced yield and quality of the primary cut. However, it did not affect the total annual yield. The optimal cutting date for biogas production, which is the date of the maximum area-specific methane yield, correlated for each variety with the maximum difference between dry matter yield and crude fiber. Therefore, a model for the variety-specific yield and quality development was set up. In order to develop a model that allows for variety-specific parameterization, only the processes biomass growth, quality development and environmental processes were considered. The Akaike information criterion (AIC) was used to investigate if variety-specific yield and quality development could be explained only by some of the considered environmental processes. For model parameterization and validation, eight L. perenne varieties were cultivated for three years at four sites and harvested in time series.The variety-specific model parameters were estimated by local, non-linear optimization based on experimental yield, quality and environmental data. Variety-specific model parameters reflected differences in maturity time and drought tolerance of the varieties. All varieties reached their model-based optimal cutting date for biogas production later than their usual cutting date for forage production. The optimal cutting date for biogas production did not correlate with a specific phenological development stage. The early varieties tended to reach their optimal cutting date with a more advanced development stage than the late varieties. In a current growth period with known beginning of the growth and the use of weather forecast data, the presented model can variety-specifically predict the optimal cutting date regardless of the development stage. As a result, an increased biogas yield can be achieved.

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Swieter, Anita: Modellgestützte Bestimmung des optimalen Schnittzeitpunkts von Lolium perenne-Sorten für die Biogasproduktion. 2015.

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