Assessing short rotation coppice poplar biomass and its determinants on former arable land in Czech Republic

Abhishek Mani Tripathi

Doctoral thesis

HODNOCENÍ BIOMASY TOPOLU VE VÝMLADKOVÉM LESE A ROSTOUCÍM NA ORNÉ PŮDĚ

Abstract:

Bio-energie, která je buď získávána z odpadu z biomasy, nebozískaná z produkované biomasy, patří k velmi perspektivním zdrojům i pro blízkou budoucnost. Biomasa má jistý potenciál pro alternativní náhradu fosilních paliv Perspektivní se zdá produkce energetické biomasy v systémech výmladkového lesa, využívajících rychle rostoucí stromy s rychlým cyklem (SRC), jakou jsou (Salix) a topoly (Populus), která i mají velký potenciál pro skladování uhlíku (C); Cílem této PhD práce bylo otestovat, zdali konkrétní výmladkový porost má potenciál pro vysokou produkci biomasy a zdali můžeme pro tento účel efektivně využít klony topolu J-105 (Populus nigra × P. maximowiczii) v systému SRC rostoucího na původní. Výzkum byl realizován na lokalitě Domanínek (49°31´N, 16°14´E, 530m n.m). Sledovaný výmladkový porost byl záložen v letech 2001 a 2002. Porost byl založen na původní orné půdě. Sklizen biomasy byla realizována v letech 2008/2009 (z prostorů zakládaných v dubnu 2001) a v letech 2009/2010 (z porostu zakládaných v dubnu 2002). V této práci jsou použity výmladkové porosty označené souhrnně jako SRWC, a to prostory založené v roce 2009 jsou označovány pod SRWC1 a prostory vysazované v roku 2010 jsou označené jako SRWC2. Na jaře roku 2009 (při zahájení druhého cyklu) SRWC1 byla rozdělena na čtyři náhodné části nebo bloky, které byly ošetřovány třemi různými způsoby; a minerální látky [dusík (N), fosfor (P), a draslík (K)], kaly z odpadních vod a popílky, vápno a plocha kontrolní. Porost SRWC2 byl ponechán bez zásahu. Pro predikci stávající dřevinné sušiny (AGWDM) byly stanoveny konkrétní alometrické rovnice, které jsou specifické pro daný klon topolu. Pomocí alometrických rovnic byl odhad každoroční AGWDM, které pak byl následně využit i ke každoroční inventarizaci. Nebyly pozorovány žádné významné rozdíly u výpočtů v alometrických rovnicích pro AGWDM (včetně kontroly) v průběhu roku to po celé období čtyř let v rámci studie v letech 2011-2014. Tento experiment byl opakován i v ve výsadbě SRWC2, pro který alometrická rovnice byla vyvinuta odděleně. U výsadby SRWC2 - dynamika každoročního kumulativního nadzemního i podzemního růstu dřevinné sušiny byla odhadována na dobu čtyř let 2011-2014, kde bylo průměrné AGWDM pozorováno od 8,29 na 11,02 t ha-1 na rok 1 a průměrné každoroční BGWDM se lišilo mezi 2,50 na 3,02 t ha-1 na rok-1. Růst a produkce dřeva závisí hlavně na výkonosti fotosyntézy a na efektivitě transformace světelné energie Slunce do tvořící se biomasy. Proto byl sledován rozvoj velikosti listu včetně indexu velikosti listu (LAI) a trvání velikosti listu (LAD) a efektivita využití záření (RUE). Byla stanovena maximální hodnota indexu listové plochy-LAImax, který dosahuje po čtyřech letech růstu hodnoty 9,5. Maximální počet dnu existence listové plochy -LAD byl 185 dnů . Maximální RUE bylo bylo 1,3 g MJ-1 u po čtyřech letech růstu. LAI a LAD vykazují velmi silnou pozitivní korelaci pro AGWDM (R2 hodnotí ~1); zatímco RUE ukázalo mírnou pozitivní korelaci s AGWDM, kde R2=0.50 (p=0.52). Místně specifická alometrická rovnice, která vyvinuta pro klon topolu J-105 ukazuje na skutečnost že není žádný významný vliv hnojiv pro maximalizaci AGWDM na původních obdělávaných půdách. Pro determinant AGWDM, bylo potvrzeno, že LAI, LAD a RUE by mohly být dobrými a spolehlivými predikátory stávajícího AGWDM u SRC klonu topolu J-105 na původních obdělávaných půdách.

Abstract:

Forest coppice biomass, fast growing short rotation coppice (SRC) trees such as willows (Salix) and poplar (Populus) have a substantial potential of storing carbon (C), and has been considered as a sustainable source of woody dry mass. Woody dry mass production, energy efficiency and economic profitability of poplar are important and essential to be studied in Czech Republic. The aim of this PhD thesis was to predict standing woody dry mass, maximize the productivity and quantify the determinants of poplar clone J-105 (Populus nigra × P. maximowiczii) under short rotation coppice (SRC) management on former arable in Czech Republic. This PhD study was carried out in Domanínek, Czech Republic (49°31´N, 16°14´E and 530 m a.s.l.). Plantations were established in high density (9,216 trees ha-1) with single stem hardwood cuttings for verification purposes and to test the performance of poplar clone J-105 on former arable land. The plantations were harvested above 15-20 cm from base in winter 2008/2009 (established in April 2001) and 2009/2010 (established in April 2002). In this thesis, short rotation woody coppice (SRWC) plantations are mentioned as SRWC1 (coppice established in 2009) and SRWC2 (coppice established in 2010), respectively. In spring 2009, SRWC1 was divided into four randomized blocks and treated with three different fertilizers such as minerals [Nitrogen (N), Phosphorus (P), and Potassium (K)], sewage sludge and ash, lime and control (without any treatment of fertilizer). In the plantation SRWC2, no further (at beginning of second rotation-coppice) fertilizer treatment was applied. For the prediction of standing aboveground woody dry mass (AGWDM) in fertilizer treatments and control, allometric equations were developed. The allometric equations thus developed may be considered robust and site specific for poplar clone J-105. After the successful development of allometric equations standing annual AGWDM was estimated followed by annual inventory at the end of each growing season. There were no significant differences observed in allometric equations for AGWDM among the fertilizer treatments (including control) within the year over four years of study from 2011-2014. This experiment was repeated in plantation SRWC2, for which the allometric equation was developed separately, for the purpose of allocation of the aboveground and belowground woody dry mass (BGWDM) at the same site. In this plantation for estimation of AGWDM, allometric equation was developed in 2011 (after two years of plant growth in coppice) and for BGWDM, the equation was developed in 2014 (after more than four years of plant growth in coppice). In SRWC2 plantation, dynamics of annual and cumulative above and belowground woody dry mass were estimated over four years from 2011-2014, where average AGWDM were observed from 8.29 to 11.02 t ha-1 year-1 and average annual BGWDM varied between 2.50 to 3.02 t ha-1 year-1. Growth and wood production mainly depend on photosynthetic area and light efficiency. Therefore, leaf area development including leaf area index (LAI) and leaf area duration (LAD) and radiation use efficiency (RUE) was studied to find a suitable determinant for aboveground woody dry mass production. In the results, maximum leaf area index LAImax was observed to be 9.5 after four years of plant growth in coppice, maximum number of LAD was 185 days after two years of plant growth in coppice and maximum RUE was observed to be 1.3 gMJ-1 in GS4 (growing season four) after four years of plant growth in coppice. LAI and LAD showed a strong positive correlation for AGWDM (R2 values ~1) while RUE showed a moderate positive correlation with AGWDM, where R2=0.50 (p=0.52). This implies that AGWDM is strongly dependent on LAI and LAD. To conclude a robust and site specific allometric equation was developed for poplar clone J-105 and also, this study confirmed that, there was no significant impact of fertilizers for maximizing the AGWDM production

Abstract:

on former arable land. For determinants of AGWDM, it confirmed that LAI, LAD and RUE could be a good and reliable predictor of standing AGWDM in SRC poplar clone J-105 on former arable land.

Keywords

bioenergie, hnojivo, biomasa, index plochy listu, efektivita využití záření, Populus, výmladkový porost topolu, rychle rostoucí stromy

Keywords

biomass, bioenergy, fertilizer, leaf area index, radiation use efficiency, Populus, fast growing trees, short rotation coppice

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 1. 2017

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Ing. Michal Vladimír Marek, DrSc.

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Landscape Engineering / Forest Ecology