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Dr. Heike Puhlmann

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Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA)
Abt.-Leiterin Boden und Umwelt

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Artikel

Autor(en): Juan Luis Flores Fernández, Peter Hartmann
Redaktion: FVA, Deutschland
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Aktive Regeneration von Bodenschäden

Seit den 1960er Jahren nahm das Gewicht von Forstmaschinen bis heute kontinuierlich zu, was bei Befahrung im Wald zu erheblichen Schädigungen der Bodenstruktur führen kann. Insbesondere Befahrungen unter suboptimalen Bedingungen führen dazu, dass die Eigenstabilität der Böden überschritten und die Bodenstruktur zerstört wird. Die natürliche Regeneration der Böden dauert Jahre bis Jahrzehnte, meist findet keine vollkommene Regeneration statt. Um die Regeneration von Bodenfunktionen zu fördern und zu beschleunigen, werden unterschiedliche Bepflanzungen in Kombination mit technischen Bearbeitungen des Oberbodens wie Mulchen und Kalken untersucht.

Beladener Forwarder HSM 208F
Abb. 1: Beladener Forwarder HSM 208F. (Foto: FVA/Wilpert)

Inhalt

Bodenschäden als Folge von Befahrungen führen zur Störung der natürlichen Bodenstruktur und zur Verminderung des Wurzelwachstums. Dieses Phänomen hat verschiedene Ursachen. Durch zum Teil auch wiederholte Befahrungen mit schweren Maschinen werden Waldböden verdichtet. Nach großen abiotischen Schadereignissen, wie zum Beispiel nach dem Sturm "Lothar" 1999, findet die Aufarbeitung und Holzbringung zudem unter suboptimalen Bedingungen statt. Wegen des hohen Zeitdrucks wird auch abseits von Befahrungslinien gefahren, oder Einschränkungen aufgrund hoher Bodenfeuchte werden nicht beachtet. Untersuchungen der Bodenzustandserhebung (BZE II) zeigten, dass nur ein Drittel des Waldbodens Baden-Württembergs keine Verformungsschäden aufweist. Die höchsten Verformungsschäden wurden in der Vorbergzone des Schwarzwaldes, im lössbeeinflussten Neckarland und im Alpenvorland beobachtet, überwiegend also auf relativ steinarmen Böden mit hoher Standortsqualität.

Als Reaktion auf die alarmierenden Bodenschäden verabschiedeten die deutschen Bundesländer die Richtlinien zum Bodenschutz. In Baden-Württemberg hat das Ministerium für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz (MLR 2003) Richtlinien zur Feinerschließung festgesetzt. Obwohl diese Richtlinien im Forstmanagement Beachtung finden, ist das Problem nicht gelöst. Zwar ist die Befahrung auf nur noch 10 bis 20% der Fläche reduziert, jedoch sollten auch hier grundlegende Bodenfunktionen und die Befahrbarkeit dauerhaft erhalten bleiben. Die Selbstregeneration der verdichteten Böden braucht sehr lange Zeit und findet oftmals nicht vollständig statt. Ziel des Forschungsprojektes "Aktive Regeneration von Bodenschäden" ist es daher, die Bodenregeneration durch aktive bodenbiologische sowie bodenmechanische Maßnahmen zu unterstützen, um so die negativen Auswirkungen der Verdichtung zu überwinden.

Bodenbiologische und technische Maßnahmen

Die Versuchsfläche liegt ca. 14 km östlich vom Ulm auf der Schwäbischen Alb, in einer Höhe von rund 680 m. Im April 2012 wurde eine Befahrung mit einem Forwarder mit 25t Gesamtgewicht auf einem schluffig-lehmigen Boden durchgeführt (Abb. 1 und 2) . Es wurden drei Fahrtrassen mit 70 m Länge und 5 m Breite angelegt.

Beladener Forwarder HSM 208F mit 25t Gesamtgewicht bei der Befahrung der Versuchsfläche.
Abb. 2: Beladener Forwarder HSM 208F mit 25t Gesamtgewicht bei der Befahrung der Versuchsfläche. (Foto: FVA/Wilpert)

Um die Regeneration des verdichteten Bodens zu untersuchen, wurden auf den drei Fahrlinien unterschiedliche Behandlungen angewandt:

  • Eine chemische Behandlung bestehend aus der Zugabe von Kalk als dolomitisches Gesteinsmehl, das manuell verteilt wurde. Ziel der Kalkzugabe ist eine verbesserte Aggregatbildung sowie eine Verminderung der Bodenversauerung und somit Förderung der biologischen Aktivität um eine beschleunigte Regeneration zu erhalten.
  • Eine mechanische Behandlung, bei der die obersten 10 bis 15 cm Mineralboden mit Pflanzenresten gemulcht wurden (Abb. 3). Das Mulchen hat zur Folge, dass organische Substanz in den aufgelockerten Mineralboden eingebracht wird und somit die biologische Aktivität gefördert wird.
Mulchaggregat Mulchaggregat: hierbei wird der mineralische Oberboden gelockert und mit Pflanzenresten durchsetzt.
Abb. 3: Mulchaggregat: hierbei wird der mineralische Oberboden gelockert und mit Pflanzenresten durchsetzt. (Fotos: J. Schäffer)

Nach den chemischen beziehungsweise mechanischen Behandlungen wurden die Flächen mit folgenden Baumarten bepflanzt: Grauerle (Alnus incana), Roterle (Alnus glutinosa), Faulbaum (Rhamnus frangula) und Salweide (Salix caprea). Diese Baumarten wurden nach waldbaulichen Erfahrungen und ihren physiologischen Eigenschaften ausgewählt (zum Beispiel Frostbeständigkeit und schnelles Wachstum in offenen Gebieten). Die Erlenarten gelten als gut angepasst an anaerobe Bedingungen zum Beispiel bei Überflutung in Flussauen. Die Salweide ist Teil der natürlichen Vegetationsgemeinschaft der Versuchsfläche. Faulbaum wächst normalerweise auf nassen, schattigen, sauren und sandigen Böden mit hohem Grundwasserspiegel.

Quantifizierung der Bodenregeneration

Intensive Untersuchungen sind notwendig, um die Regeneration der Waldböden zu quantifizieren. Folgende Untersuchungen wurden durchgeführt:

  1. Jährlich im September wurden die Überlebensraten sowie die biometrischen Parameter Wurzelhalsdurchmesser, Baumhöhe, Kronendurchmesser und Trieblänge aufgenommen.
  2. 2013 wurden 87 Bodengassammler in den behandelten Rückegassen und den Kontrollflächen installiert, um die Variation der CO2-Konzentration im Boden festzustellen. Das aufgefangene Bodengas wird im Labor der FVA gaschromatografisch analysiert.
  3. Das Wurzelwachstum wurde direkt im Boden erhoben. Hierfür wurden 16 Rhizotronkammern in 25 cm Tiefe installiert. So konnte monatlich eine Aufnahme der Durchwurzelung mittels Digitalkamera quasi in situ gewonnen werden.
  4. Die Feinwurzeldichten (Ø < 2 mm) wurden im März 2016 an Quertransekten in der Fahrspur sowie in der Gassenmitte aufgenommen.
  5. Bodenstrukturuntersuchungen wurden zweijährlich (2012, 2014, 2016) mittels 100 cm³ Stechzylinderproben mit natürlich gelagertem Boden im Labor der FVA durchgeführt. Neben der Porenverteilung und -kontinuität im Boden wurde insbesondere die Gasdiffusion untersucht. Verdichtete Böden weisen reduzierte Porenstrukturen und somit eine verschlechterte Gasdiffusion auf.

Erste Anzeichen einer erfolgreichen Regeneration

Welche Baumart ist geeignet?

Sowohl zwischen den eingesetzten Baumarten als auch den unterschiedlichen Behandlungen zeigten sich deutliche Unterschiede (Abb. 4). Auf den behandelten Rückegassen zeigten alle Baumarten eine höhere Überlebensrate als die auf den unbehandelten Rückegassen und unverdichteten Kontrollflächen. Die beiden Erlenarten (Alnus incana und Alnus glutinosa) zeigten dabei die höchsten Überlebensraten mit Werten zwischen 71 und 96%. Die niedrigsten Überlebensraten wurden für Salweide und Faulbaum festgestellt. Beide Erlenarten zeigten zudem für alle biometrischen Varianten die höchsten Parameter. Da die Erlen die beste Anpassungsfähigkeit an die verdichteten Bedingungen zeigten, konzentrieren sich die weiteren Untersuchungen auf die mit Erlen bepflanzten Flächen.

Überlebensraten (in %) für die Baumarten auf den gemulchten Flächen zwischen September 2012 und September 2016.
Abb. 4: Überlebensraten (in %) für die Baumarten auf den gemulchten Flächen zwischen September 2012 und September 2016.

Wie entwickelt sich die Belüftungssituation?

Zu Beginn der CO2-Messungen wiesen alle verdichteten Flächen deutlich erhöhte CO2-Werte auf – ein deutliches Indiz für schadhafte Bodenverdichtung. Böden mit gestörter Bodenstruktur weisen generell einen reduzierten Gasaustausch auf, wodurch es zu erhöhten CO2-Konzentrationen im Boden kommt. Die höchsten Werte wurden auf der gemulchten Variante mit bis zu 8% CO2 gemessen. Dies ist auf den Abbau organischer Substanzen, die durch das Mulchen in den Mineralboden eingebracht wurden, zurückzuführen. 2015 wurde ein starker Rückgang der CO2-Konzentration auf allen Flächen registriert. Dies wurde vermutlich durch die extreme Trockenheit verursacht. Das starke Austrocknen der Böden geht mit einer Schrumpfrissbildung einher, wodurch wiederum die Belüftung des Mineralbodens verbessert wird.

Im Allgemeinen wurde für den Untersuchungszeitraum 2014 bis 2016 bereits eine Verbesserung der Bodenbelüftung bei den meisten Flächen festgestellt (Abb. 5). Eine intensive Verbesserung der Bodenbelüftung lässt sich insbesondere in den bepflanzten und behandelten Flächen beobachten. Dies deutet auf eine schnellere Regeneration durch zusätzliche Behandlungen hin. Die sehr hohen Werte zu Beginn der Messungen sind auf intensive Abbauprozesse der organischen Bodensubstanz der gemulchten Variante zurückzuführen.

CO2-Konzentrationen hinter Rhizotronscheiben (nicht-schattierten Linien) und in korrespondierenden Gassammlern in 25cm Tiefe (schattierten grauen Linien mit 95%-Vertrauensintervallen) für die gemulchte und bepflanzte Fläche sowie die nicht befahrene Kontrollfläche. Nach zwei Jahren ist bereits eine deutliche Reduktion des CO2 eingetreten, was auf verbesserte Belüftungsbedingungen hinweist.
Abb. 5: CO2-Konzentrationen hinter Rhizotronscheiben (nicht-schattierten Linien) und in korrespondierenden Gassammlern in 25cm Tiefe (schattierten grauen Linien mit 95%-Vertrauensintervallen) für die gemulchte und bepflanzte Fläche sowie die nicht befahrene Kontrollfläche. Nach zwei Jahren ist bereits eine deutliche Reduktion des CO2 eingetreten, was auf verbesserte Belüftungsbedingungen hinweist.
Rhizotronscheibe ohne (links) und mit AutoCAD-Bearbeitung.
Abb. 6: Rhizotronscheibe ohne (links) und mit AutoCAD-Bearbeitung.

Wie wurzeln die Erlen auf den verdichteten und behandelten Böden?

Seit 2014 wird das Wurzelwachstum der Erlen durch die Rhizotronkammern fotografiert (Abb. 6). Wie erwartet, wurde das höchste Wurzelwachstum in der nicht verdichteten Kontrollfläche gefunden. Für die behandelten, verdichteten Flächen wurde das höchste Wachstum auf der gemulchten Variante beobachtet und das niedrigste Wachstum auf der gemulchten und nicht bepflanzten Variante.

Die Ergebnisse der Rhizotronkammermessungen werden durch die Feinwurzelzählungen an Quertransekten bestätigt (Abb. 7) Auf allen Varianten zeigt sich die höchste Feinwurzeldichte im oberflächennahen Horizont (0 bis 20 cm). Die höchsten Feinwurzeldichten wurden auf der nicht verdichteten Kontrollfläche und den gemulchten/bepflanzten Variante (20 bis 30 pro 25 cm²) gefunden. Auf diesen Flächen sind die Feinwurzeldichten auch im tieferen Horizont hoch. Die niedrigste Feinwurzeldichte befand sich in der nicht behandelten/nicht bepflanzten Variante (10 bis 15 pro 25 cm²).

Feinwurzeldichten in den Varianten verdichtete Fahrtrasse (nicht behandelt und nicht bepflanzt); verdichtete Fahrtrassen (gemulcht und bepflanzt); unverdichtete Kontrollfläche.
Abb. 7: Feinwurzeldichten in den Varianten verdichtete Fahrtrasse (nicht behandelt und nicht bepflanzt); verdichtete Fahrtrassen (gemulcht und bepflanzt); unverdichtete Kontrollfläche.

Folgt daraus eine echte Regeneration der Bodenstruktur?

Neben der Zunahme der Feinwurzeldichten sowie den reduzierten CO2-Werten im Boden deuten auch die im Labor bestimmten Gasdiffusionswerte auf eine Regeneration hin. Während auf der nicht behandelten und unbepflanzten Fläche keine signifikante Verbesserung der Gasdiffusionswerte verzeichnet wurde, ist auf den behandelten Flächen eine zum Teil signifikante Verbesserung der Porenstruktur und damit der Diffusionswerte festgestellt worden (Abb. 8).

Tiefengradienten der scheinbaren relativen Diffusionskoeffizienten (Ds/D0) für die Saugspannungsstufe 160 hPa für die unbehandelte Fahrtrasse (links) und die gemulchte, gekalkte und bepflanzte Variante (rechts). Der Ausgangszustand 2012 ist durch die durchgezogene Linie dargestellt und die Entwicklung durch die gestrichelte (2014) und gepunktete Linie (2016). Hohe Ds/D0-Werte deuten auf einen verbesserten Gasaustausch hin.
Abb. 8: Tiefengradienten der scheinbaren relativen Diffusionskoeffizienten (Ds/D0) für die Saugspannungsstufe 160 hPa für die unbehandelte Fahrtrasse (links) und die gemulchte, gekalkte und bepflanzte Variante (rechts). Der Ausgangszustand 2012 ist durch die durchgezogene Linie dargestellt und die Entwicklung durch die gestrichelte (2014) und gepunktete Linie (2016). Hohe Ds/D0-Werte deuten auf einen verbesserten Gasaustausch hin.

Welche Behandlung eignet sich am besten?

Beide Erlenarten (Alnus incana und Alnus glutinosa) haben sich als am anpassungsfähigsten erwiesen. Hohe Überlebensraten sowie gutes Wachstum belegen deren Eignung für die Pflanzung auf stark verdichteten Böden. Durch die Kombination der Pflanzung wurzelaktiver Baumarten mit unterschiedlichen technischen Verfahren wie Mulchen und Kalkung wurden Verbesserungen der Belüftungssituation, der Durchwurzelbarkeit und auch der Bodenstruktur erwirkt. Allerdings sind die Wirkungen bisher auf den Oberboden beschränkt. Die Untersuchungen müssen noch längerfristig durchgeführt werden, um auch die Effekte auf den Unterboden untersuchen zu können. Die bisherigen Ergebnisse deuten jedoch vielversprechend daraufhin, dass die Bodenregeneration durch gezielte Maßnahmen beschleunigt werden kann.

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