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Kompetenz-Netzwerk Klimawandel, Krisenmanagement und Transformation in Waldökosystemen (KoNeKKTiW)

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Artikel

Autor(en): Sandra Collin
Redaktion: FVA, Deutschland
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Trockenheit im Wald

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Klimaszenarien sowie Beobachtungen aus dem Trockensommer 2018 deuten darauf hin, dass unsere heimischen Waldbäume mit zunehmendem Trockenstress zu kämpfen haben werden. Wie gehen die Bäume damit um und welche Maßnahmen können ergriffen werden?

Inhalt

Durchschnittliche Jahresniederschläge von über 500 mm sind in Mitteleuropa Voraussetzung, damit geschlossener Wälder wachsen können. In gebirgigen Lagen hängt die Waldgrenze unter anderem vom Trockenstress in der langen winterlichen Vegetationsruhe, insbesondere aber von der Frosttrocknis ab. Ein Blick auf die Niederschlagskarte Deutschlands (Abb. 2) zeigt deutlich, wo Trockenstress schon heute ein Problem ist. Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern und Teile Niedersachsens und Sachsens zeichnen sich durch besonders niedrige Niederschlagswerte aus. Im Hinblick auf den fortschreitenden Klimawandel könnte sich die Situation in einigen Waldgebieten verschärfen.

Trockenstress durch Klimawandel

2018 war in Deutschland das wärmste und gleichzeitig eines der trockensten Jahre seit Messbeginn
 
2018 war in Deutschland das wärmste und gleichzeitig eines der trockensten Jahre seit Messbeginn
Abb. 1: 2018 war in Deutschland das wärmste und gleichzeitig eines der trockensten Jahre seit Messbeginn.

Das Jahr 2018 war in Deutschland ein Extremjahr der Trockenheit und der Temperaturrekorde. Es war zum einen das wärmste Jahr und gleichzeitig eines der trockensten seit Messbeginn in Deutschland (PM DWD 28.12.2018) (Abb. 1). Mit durchschnittlich nur 75 % des normalen Niederschlagswertes zeigten sich flächendeckende Trockenheits- und hitzebedingte Schäden in Land- und Forstwirtschaft. Auf vielen Tausend Hektar vertrocknete die Naturverjüngung und die Anpflanzungen der letzten Jahre. Laut einer Expertenbefragung stellt Trockenstress, die bedeutendste Auswirkung des Klimawandels auf das Waldwachstum dar.

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Normalperiode Niederschlag 1961-1990 Differenz der Jahressummen des Niederschlags 2046 bis 2055 (1951-2000)
Abb. 2: Normalperiode Niederschlag 1961-1990; DWD Deutscher Klimaatlas; Quelle (Stand 1.12.2013) Abb. 2: Differenz der Jahressummen des Niederschlags 2046 bis 2055 (1951-2000); Quelle (Stand 1.12.2013)

Das IPCC (Intergouvernemental Panel on Climate Change/ Weltklimarat) hat verschiedene Szenarien der weltweiten Klimaentwicklung bis zum Jahr 2100 definiert. Damit wird die Zunahme von Starkniederschlägen sowie häufigere und längere Trockenphasen vor allem in den Sommermonaten, in den mittleren Breitengraden als sehr wahrscheinlich eingestuft (SPM AR5, S.21). Die Niederschläge werden nach dem pessimistischen, aber realistischen Szenario RCP 8.5 in einem Band von Nordwesten bis Südosten Deutschlands im Durchschnitt leicht ansteigen, während vor allem in den heute schon trockenen Regionen im Osten Deutschlands sowie im Südwesten die Niederschläge in der Summe etwas abnehmen werden (s. Abb. 3).

Niederschlagsprognose für Deutschland
Abb. 3: Niederschlagsprognose für Deutschland

Besonders relevant bei der Betrachtung der Niederschlagsentwicklung im Hinblick auf waldbauliche Fragestellungen ist jedoch nicht nur der durchschnittliche Jahresniederschlag, sondern die zukünftige Verteilung der Niederschläge im Jahr. In Abb. 4 ist die Änderung der Gebietsmittel der Niederschläge seit 1881 bis 2017 zu sehen. So haben sich die Niederschläge schon jetzt nachweislich vom Sommer vor allem in die Wintermonate verschoben. Dieser Trend wird sich deutlich stärker auch in Zukunft weiter fortsetzen.

Änderung der Gebietsmittel der Niederschläge seit 1881 bis 2017
Abb. 4: Änderung der Gebietsmittel der Niederschläge seit 1881 bis 2017

Die Verschiebung der Niederschläge in den Winter wird vor allem in den schon heute trockeneren Regionen deutlich, wie Niederschlagswerte am Beispiel Sachsens in Tab. 1 zeigen. Wenn weiterhin global keine nennenswerte Reduktion der CO2 Emissionen erfolgt, kann das für Sachsen eine Niederschlagsabnahme im Sommer von 33 % und eine Niederschlagszunahme im Winter von ca. 34 % im betrachteten Zeitraum bedeuten. Die ohnehin schon trockene Region hat verbreitet sandige Böden auf denen heute vor allem Kiefern wachsen. Die boreale Baumart ist zwar recht trockentolerant aber hitzeempfindlich. Dies wird sich als waldbaulich problematisch erweisen.

Tab. 1: Veränderung der Niederschlagsverteilung  (mm/m²/a) in Sachsen nach RCP 8.5 (mittel)
Veränderung der Niederschlagsverteilung  (mm/m²/a) in Sachsen nach RCP 8.5 (mittel)
Quelle: www.klimafolgenonline.com, 1951-2010 gemessene Daten, 2011-2100 Projizierte Daten nach dem pessimistischen, aber realistischen Szenario RCP 8.5, Regionalmodell STARS

Auch Schwarzwaldstandorte wie beispielsweise der heutige fichtendominierte Standort Calw wird intensive Niederschlagsverschiebungen erleben wenn Klimaschutzmaßnahmen zu spät oder gar nicht einsetzen. Demnach könnten die Sommerniederschläge im Zeitraum 1951-80 im Vergleich zu 2071- 2100 um 25 % zurückgehen und im Gegensatz dazu die Winterniederschläge um 21% zunehmen. Das fördert nicht nur Schädlinge und Trockenstress im Sommer, auch Holzerntemaßnahmen im Winter sind bei steigenden Temperaturen und aufgeweichtem Boden durch mehr Niederschläge erschwert.

Tab. 2: Veränderung der Niederschlagsverteilung  (mm/m²/a) in Calw – Schwarzwald, nach RCP 8.5 (mittel)
Veränderung der Niederschlagsverteilung  (mm/m²/a) in Calw – Schwarzwald, nach RCP 8.5 (mittel)
Quelle: www.klimafolgenonline.com, 1951-2010 gemessene Daten, 2011-2100 Projizierte Daten nach dem pessimistischen, aber realistischen Szenario RCP 8.5, Regionalmodell STARS

Wassermangel und die Auswirkungen

Grundsätzlich wird zwischen akutem und chronischem Wassermangel unterschieden. Akuter Wassermangel tritt in Mitteleuropa regelmäßig im Frühjahr auf. Dies gefährdet vor allem die Verjüngung und gilt als Auslöser für komplexe Waldkrankheiten wie das Tannen- und Eichensterben.

Chronischer Wassermangel wird als Standort- oder Bodeneigenschaft betrachtet oder ist topographiebedingt. Besonders gefährdet sind Gebiete im Flach- und Hügelland mit Sand- und Kiesböden. Aber auch exponierte Standorte im Hochland mit oft flachgründigen Böden sind durch Wassermangel geprägt. Als Folge des Wassermangels und der Schwächung der Bäume treten häufig Insektenkalamitäten auf, die nicht selten als Primärschaden fehlinterpretiert werden. Grundwasserabsenkungen, Gewässerregulierung oder Trinkwasserentnahme können ebenfalls die Verursacher chronischen Wassermangels sein.

Wassermangel wirkt sich direkt auf die Vegetation aus. Dabei verstärken zwei Prozesse den Trockenstress: Austrocknender Boden verliert seine Benetzbarkeit und sommerliche Starkregen fließen zu höheren Anteilen oberflächlich ab. Zudem muss die Pflanze bei Trockenheit, Wasser zur Kühlung der Blätter abgeben.

Ausgetrockneter Boden
Abb. 5: Trockener Boden. (Foto: Bilddatenbank ForstBW)

Bei Trockenheit wird zunächst die Assimilation eingeschränkt, hält sie länger an, treten je nach Baumart unterschiedliche akute Stressreaktionen auf. So können Blätter (Aspe) oder ganze Zweige (Eiche) grün abgeworfen, oder verfrühte herbstliche Laubfärbung und Laubfall (Birke, Linde) eingeleitet werden. Dies sind Anpassungsreaktionen der Baumarten, um den Wasserverlust zu begrenzen. Als Folgeerscheinungen der verminderten Stoffproduktion werden der Zuwachs und die Fruchtbildung vermindert, können Wipfel oder ganze Bäume absterben. Im Zuge abnehmender Vitalität unterliegen Bäume und Bestand erhöhtem Risiko von Insektenbefall (verminderte Abwehrreaktionen/wärmeliebende Insekten) und Frostschäden (Ringporer, geringer Spätholzanteil). Trockenheit fördert die Vermehrung und Aggressivität von Schadinsekten in den geschwächten Beständen, während Krankheiten, die durch Feuchte begünstigt werden wie die Kiefernschütte oder Pilzkrankheiten, eher unterbunden werden. Verjüngungen, also Bäume die sich erst am Standort etablieren müssen, sind stärker und früher von Welkeerscheinungen betroffen als ältere Bestände und großkronige Bäume mit tiefreichendem Wurzelwerk.

Wassermanagement der Waldbäume

Die Wasserverfügbarkeit ist einer der am stärksten limitierenden Faktoren, die sich direkt auf die Vitalität und das Wachstum von Pflanzen auswirken. Wassermangel kann die Stoffwechselprozesse von Pflanzen stören. Es treten teils irreversible Vitalitätsschäden auf und im äußersten Fall führt langanhaltende Trockenheit zum Absterben. Daher entwickelten Pflanzen im Lauf der Evolution auf morphologischer, anatomischer, biochemischer und physiologischer Ebene Anpassungsstrategien, um den Wasserverbrauch zu kontrollieren und die Wassernutzungseffizienz (WUE = Water Use Efficiency) zu erhöhen (LARCHER 2003). Die wirksame Regulierung der Spaltöffnungen wirkt sich dabei maßgeblich auf den Gasaustausch der Pflanze aus. So können durch das Schließen der Stomata die Transpiration vermindert und Wasserverluste minimiert werden, gleichzeitig wird jedoch die Diffusion von Kohlenstoffdioxid in die Pflanze eingeschränkt und damit die Photosyntheserate verringert (KRAMER & BOYER 1995). Die Wassernutzungseffizienz (WUE) gibt den Kohlenstoffgewinn relativ zur transpirierten Wassermenge an, also die Effizienz des Wasserverbrauchs bei der Netto-CO2-Aufnahme. Je höher der Wert dieses Parameters ausfällt, desto weniger Wasser wird transpiriert, um eine bestimmte maximale Photosyntheseleistung zu erreichen (LÖSCH 2003). Das Wasserpotential ist je nach Baumart unterschiedlich. Für mitteleuropäische Bäume liegt es etwa bei -30 bar.

Wissenschaftler aus Ulm und Sydney untersuchten das Wassermanagement hunderter Waldbäume an über 80 Standorten weltweit. Verschiedene Baumarten neigen zu "Embolien", also Verschlüssen der Wasserleitbahnen. Das passiert, wenn die Saugspannung in den wasserleitenden Systemen der Bäume durch Trockenheit zu hoch ist und Luft in diese Leitbahnen gelangt, weil zu wenig Wasser zur Verfügung steht. Die Luft blockiert dann den Weiterfluss von Wasser und Nährstoffen woraufhin Welke eintritt und der Baum absterben kann. Man spricht dann vom Absinken des Blattwasserpotentials welches von Art zu Art unterschiedlich ist und welches bei 50 prozentigem Verlust der hydraulischen Leitfähigkeit eintritt (Ψ50) und die Pflanze merklich beeinträchtigt. Dies ist der am häufigsten Verwendete Index für Embolie-Resistenz (CHOAT ET AL. 2012).

Die Wassernutzungseffizienz und das Wasserpotential einzelner Arten sind neben der Frosttoleranz etc. sehr wichtige Faktoren für die zukünftige Baumartenwahl.

Insgesamt lässt sich feststellen, dass Bäume in Feuchtgebieten eher zu Embolien neigen als jene an trockenen Standorten. Das bedeutet auch, dass nicht nur Bäume in ohnehin schon trockenen Gebieten von Trockenstress betroffen sein werden, sondern auch solche auf feuchten Standorten, die eben relativ trockener werden als zuvor. Höhere Temperaturen und anhaltende Trockenheit können aus Kohlenstoff-Senken wie dem Regenwald Kohlenstoff-Quellen machen und das noch innerhalb dieses Jahrhunderts.

Maßnahmen bei erkanntem Risiko

Prinzipiell kann man im Forst auf die Wahl geeigneter, trockenstresstoleranter Baumartenmischungen in Abhängigkeit des Standortes zurückgreifen. Akute Maßnahmen zur Einschränkung der Trocknis, wie zum Beispiel Bewässerung, sind kaum möglich oder zu unwirtschaftlich. Eine plötzliche Absenkung der Bestockungsdichte, um den verbliebenen Bäumen mehr Wurzelraum und Wasser zu verschaffen, wirkt eher kontraproduktiv. Denn in den Jahren mit durchschnittlichem Niederschlag werden die dadurch freigesetzten Ressourcen wieder durch Bodenvegetation und bestenfalls Verjüngungen genutzt. Dies hängt allerdings von dem Vermögen der Altbäume ab, die Bestandeslücken zu schließen.

Denkbar sind Anpassungen des Baumhabitus und der Waldstruktur im Zuge der gesamten Bestandesbehandlung. Auf Standorten mit hohem Trockenstressrisiko sollten die Bäume in der Jugend weitständiger erzogen werden, auch wenn dies zu Lasten der Qualität geht. Damit bilden sich größere und tiefreichende Wurzelwerke aus, wodurch dem Baum ein größerer Bodenwasserspeicher zur Verfügung steht. Im Alter ist darauf zu achten, dass die Bestände dicht bleiben. So werden Wärmefallen und konkurrierende Bodenvegetation (Interzeption/Transpiration) vermieden. Die Ausbildung von Rohhumusdecken ist zu vermeiden.

Um Trockenschäden auf neu begründeten Flächen zu vermeiden kann zur Herbstpflanzung mit Containerware zurückgegriffen werden. Auf diese Weise können die jungen Bäume die Winterniederschläge besser zum Anwurzeln nutzen.

Die richtige Herkunft ist entscheidend

Im Zuge des Klimawandels kommt es nicht nur auf die Wahl der richtigen Baumart, sondern auch auf die Wahl der richtigen Herkunft an. Als "Herkunft" wird eine in einem begrenzten Teil des Verbreitungsgebietes der Art vorkommende Population bezeichnet. Sie ist gekennzeichnet durch eine bestimmte Ausstattung an Genen (Erbanlagen), die sie befähigt, unter bestimmten Umweltbedingungen zu überleben (Angepasstheit). Sie besitzt aber auch die Fähigkeit, sich auf neue Bedingungen einzustellen (Anpassungsfähigkeit), wenn ihre genetische Diversität ausreichend hoch ist. Große und genetisch variable Baumpopulationen werden mit Sicherheit die größten Chancen zum Überleben haben“.

Die Situation zur Anpassung beim derzeitigen Klimawandel wird für die Baumarten komplizierter eingeschätzt als die Anpassung nach der letzten Eiszeit. Zum einen gehen die heutigen Klimaänderungen viel schneller vonstatten als damals, zum anderen ist die natürliche Migration in unserer intensiv genutzten und mit verschiedensten Pflanzenarten besetzten Landschaft schwierig. Der Mensch kann hier aber helfend eingreifen, beispielsweise mit Hilfe des künstlichen Transfers von forstlichem Vermehrungsgut. Er unterstützt und beschleunigt so die natürliche Migration. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Baumarten nicht nur an Temperatur und Niederschlag, sondern auch sehr stark an die Tageslänge angepasst sind. Vor allem letztere wird den künstlichen Transfer eingrenzen.

Baumeignungskarten und Baumartenmischung

Hilfestellung für die Wahl der passenden Baumart gibt es beispielsweise über die Baumarteneignungskarten/Klimakarten die für die Baumarten Fichte, Buche und Traubeneiche in allen Landkreisen Baden-Württembergs von der FVA erarbeitet wurden. Gleiche Modellierungen gibt es in Bayern von der LWF. Zusätzlich steht im Internet ein System zur Baumartenwahl unter Berücksichtigung verschiedener Klimaszenarien für ganz Deutschland zur Verfügung. Neben flächenhaften Informationen kann der Nutzer hier regional differenzierte Ergebnisse zu biotischen und abiotischen Risiken für die Hauptbaumarten Eiche, Buche, Fichte, Douglasie und Kiefer abrufen.

Auch eine geeignete Baumartenmischung ist von Vorteil, um mit trockenstressgefährdeten Standorten umzugehen. Damit ist sowohl die Mischung von Baumarten als auch von Altersklassen gemeint. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass tiefer wurzelnde Arten, wie zum Beispiel Eiche, mehr Wasser als sie selbst beanspruchen aus tiefer liegenden Bodenschichten über ihr Wurzelsystem in obere Bodenschichten transportieren. Dort geben sie nicht benötigtes Wasser wieder ab. Flacher wurzelnde Arten wie zum Beispiel Buche nehmen das Wasser auf und profitieren von der "Nachbarschaft" mit der Eiche.

Literratur

  • Choat, B., Jansen, S., Brodribb, T. J., Cochard, H., Delzon, S., Bhaskar, R., Bucci, S. J., Feild, T. S., Gleason, S. M., Hackel, U. G., Jacobsen, A. L., Lens, F., Maheralil, H., Martinez-Vilalta, J., Mayr, S., Mencuccini, M., Mitchell, P. J., Nardini, A., Pittermann, J., Pratt, R. B., Sperry, J. S., Westoby, M., Wright, I. J. & Zanne, A. E., 2012. Global convergence in the vulnerability of forests to drought, Nature 491, 752–756, & supplementary materials
  • Herpich, J. 2014: Feldstudie zum Vergleich der Wassernutzungseffizienz (WUE) von jungen, heimischen und nichtheimischen Eichen; Masterarbeit Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Kramer, P. J., Boyer, J. S., 1995: Water relation of plants and soils. Academic Press: London, 495 S.
  • Larcher, W., 2003: Physiological plant ecology: Ecophysiology and stress physiology of functional groups. Springer: Berlin, 513 S.
  • Lösch, R., 2003: Wasserhaushalt der Pflanzen, Quelle & Meyer, Wiebelsheim

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