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Abstract (German)

Der Landwirtschaft stellt sich in Zukunft die Aufgabe den Nahrungsmittel- und Rohstoffbedarf der steigenden Weltbevölkerung zu decken. Der Anbau von Faserhanf (Cannabis sativa L.) als Winterzwischenfrucht bietet den Landwirten eine zusätzliche Wertschöpfung und steigert die Produktion des natürlichen Faserrohstoffs, der verstärkt in innovativen Werkstoffen eingesetzt wird.

Ziel der Arbeit ist es, das Pflanzenwachstum und die Nährstoffansprüche des Hanfes im Winteranbau zu untersuchen, um eine Anbauempfehlung für Landwirte herausarbeiten zu können. Dazu wurde der Hanf in zwei unterschiedlichen Saatstärken (25 kg/ha und 50 kg/ha) auf landwirtschaftlichen Flächen in Nordrhein-Westfalen und Mecklenburg-Vorpommern ausgesät. Der Anbau erfolgte auf zwei sandigen Böden (Braunerde-Regosol und Plaggen-esch-Gley) mit Grundwasseranschluss und einem lehmigen Boden (Kolluvisol). Während des Anbaus wurden bodenkundliche Untersuchungen zur Bestimmung der physikalischen Parameter und der Nährstoffgehalte, sowie Pflanzenbonituren durchgeführt. Außerdem wurde die Faserqualität (Faserbreite, Zugfestigkeit, Zugmodul, Bruchdehnung) hinsichtlich ihrer Verwertbarkeit für industrielle Anwendungen analysiert. Zur Vergleichbarkeit wurden auf denselben Flächen im Folgejahr Hanf im Sommeranbau angebaut.

Im Winteranbau bildeten die Hanfpflanzen mittlere Höhen von 120 cm mit einem Stängeldurchmesser von 5 mm aus. Dabei konnten im Trend keine Unterschiede zwischen den beiden Aussaatstärken in Bezug auf den Ertrag ermittelt werden, so dass zur Kostenminimierung eine Saatstärke von 25 kg/ha empfohlen werden kann. Die verabreichende Düngemenge von 80 kg N/ha in Form von Wirtschaftsdüngern war für das Pflanzenwachstum ausreichend, da durch die verkürzte Wachstumszeit von maximal 60 Tagen weniger Biomasse entwickelt wird als im Sommeranbau. An den Versuchsstandorten wurde für die Wachstumszeit von Ende Juli bis Ende September eine Wärmesumme von 1100°C ermittelt. Aufgrund der regionalen Variabilität der Niederschläge wurden unterschiedliche Niederschlagssummen von 123 mm und 228 mm erfasst, von denen 28 mm und 75 mm in der Hauptwachstumszeit im August zur Verfügung standen. Die Pflanzen zeigten keinen Wassermangel, da die Wasserversorgung über den Grundwasseranschluss der Böden gewährleistet war.

Zusätzlich wurde ein Lysimeterexperiment durchgeführt, um die Sickerwassermengen und Nährstoffausträge unter der Hanfkultur zu bestimmen. Dabei wurden die gleichen Düngemengen wie im Feldversuch (80 kg N/ha zum Winteranbau und 120 kg N/ha zum Sommeranbau) appliziert. Die Ergebnisse wurden zusätzlich mit Daten von Schwarzbrache-Lysimetern und zwei Fruchtfolgen von Lysimetern des Teilprojektes „Integrierten Landbau“ verglichen. Es konnte nachgewiesen werden, dass im Hanfanabau signifikant weniger Sickerwasser gebildet wurde als unter Schwarzbrache. Die Sickerwassermengen und Nitrat-Konzentrationen zwischen Hanfanbau (max. 23 mg NO₃-N /l) und den Fruchtfolgen des Integrierten Landbaus (5-62 mg NO₃-N/l) waren vergleichbar. Aus den Schwarzbrachen wurden mit bis zu 94 mg NO3-N/l signifikant höhere NO₃-N-Konzentrationen bestimmt.

In der Weiterverarbeitung zu Formpressteilen für die Automobilindustrie erwiesen sich die im Winteranbau 2013/14 bestimmten Faserqualitäten besser geeignet als die im Sommer geernteten Hanffasern. Im Gegensatz zu den Fasern aus dem Sommeranbau konnten die frostgerösteten Fasern des Winteranbaus 2013/14 ohne die Zumischung von anderen Fasern (z.B. Flachs oder Kenaf) verwendet werden. Die Faserbreite und die Zugfestigkeit wurden durch die Röste über den Winter nicht beeinflusst. Dagegen wiesen die Fasern eine signifikante Reduzierung des Zugmoduls und Erhöhung der Bruchdehnung auf. Die Hektarerträge von ca. 25 dt lagen deutlich unter denen des Sommeranbaus (50-130 dt/ha), jedoch bietet diese Anbauform den Landwirten eine zusätzliche Wertschöpfung zum Hauptfruchtanbau und der Industrie eine höhere und kontinuierliche Verfügbarkeit des Rohstoffes.

Die Ergebnisse des Winteranbaus in dieser Arbeit sind vielversprechend und müssen durch mehrjährige Feldversuche auch auf weiteren Standorten verifiziert werden. Insbesondere muss der Selbstausdünnungseffekt über den Winter detaillierter untersucht werden. Mikroskopische Untersuchungen helfen, den Einfluss der Röste und des Frostes auf die Faserzellen zu charakterisieren. Ebenfalls ist weitere Forschung notwendig, um die Wachstumszeit der Pflanzen zu verlängern und den Ertrag zu erhöhen. Dazu könnten Versuche mit spätreiferen Sorten beitragen. Zur Optimierung des Anbaus ist jedoch die Züchtung von eigenständigen Sorten für den Winteranbau unabdingbar.

Abstract (English)

Agriculture faces a wide range of complex challenges that are likely to worsen in the future as the world's population continues to increase, including the growing demand for food as well as feed, fuel and industrial products. The cultivation of fibre hemp (Cannabis sativa L.) over winter increases the production and availability of a renewable raw material, which can be used in several innovative applications. Farmers will benefit through the planting of fibre hemp because it is an additional source of income and provides protection from soil erosion.

The aim of this thesis was to study the cultivation of fibre hemp through the winter season in a field trial. To achieve a best-practice recommendation, pedological (e.g., soil physical and chemical properties) and plant attendant (e.g., growth stage, dry matter, nutrient content) monitoring was executed. The hemp was sown at two different rates (25 kg/ha and 50 kg/ha). The trial was conducted at two sites in North Rhine-Westphalia with a sandy and loamy soil and one sandy soil in Mecklenburg-Western Pomerania. For purposes of comparison, there was hemp cultivated in summer season following the winter harvest. The obtained fibres were analyzed for quality (e.g., fibre width, elongation at break, tensile strength and tensile modulus) and processed into fibre fleeces and composites in an industrial process.

In the winter cultivation in 2013/14 the plants heights ranged between 100 and 130 cm with a medium stem diameter of 5 to 6 mm in spring before harvest. The harvests of 25 dt/ha, were substantially lower than those in summer, with 60 to 130 dt/ha. There were no significant differences related to yields, so that the lower density with 25 kg/ha could be used to minimize seed costs. The applied fertilization of 80 kg nitrogen per hectare in the form of farm fertilizer (slurry and manure) was adequate partly because of the reduced growing time of maximum 60 days. For this period a heat summation (mean day temperature summed up over the growing period) of 1100°C was recorded. Precipitation ranged between 123 and 228 mm because of the high regional variability of rainfall. For August, the month with the most growth, 28,7 mm were collected on the sites in North Rhine-Westphalia and 75,2 mm in Mecklenburg-West Pomerania. There was no water stress for the plants because of a high ground water level on both sites.

Additionally a lysimeter experiment, based on non-weighing gravity-flow lysimeters, was carried out to analyze leaching under hemp cultivation with the same levels of applied fertilizer as in the field trial (80 kg N/ha in winter, 120 kg/ha in summer). In the lysimeter trial, a significantly lower leachate formation below hemp against unfertilized black fallow became apparent, which leads to a reduced risk of nitrate leaching and therefore a lower stress to ground water quality. The crop rotation of an integrated cultivation trial showed comparable amounts of percolated water. Nitrogen concentrations of leachates were highest under black fallow (up to 93,8 mg NO₃-N per liter), under hemp cultivation maximum values of 22,8 mg NO₃-N/l were measured. Concentration of phosphorous was always under 1 mg/l.

The field trial demonstrated that the fibre quality from the winter cultivation in 2013/14 was even better than the quality of fibres which were harvested in summer for reinforcement of composites for automotive purposes. The frost-retted fibres could be used without any additions of other materials (i.e. flax or kenaf) which is necessary for hemp fibres grown and retted in summer. The fibres of winter grown hemp were overretted because of the influence of frost and the long standing time until spring, which accounted for a decrease in fibre and fibre bundle width and an increase in fibre fineness and suitability for textile production. Although the tensile strength was not influenced, the tensile modulus was significantly reduced and the elongation at break was significantly increased by the impact of frost in winter season.

Further research should be carried out to optimize the winter cultivation of fibre hemp to help meet the industrial demand for fibre of high and homogeneous quality. To more thoroughly test the extent of growing time on fibre yields, trials with late flowering genotypes need to be conducted. If this form of cultivation becomes established, special breeding is needed. The self-thinning effect over the winter season has to be studied more intensively with ratings to determine suitable plant densities for high yields with low seed costs. Optical or scanning electron microscopy observations may help to characterize the influence of retting and frost to the fibre structure.

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