Ergebnisse

Vor dem Hintergrund von Klimawandel und Eutrophierung, Umwelt- und Artenschutz wird die richtige Waldbewirtschaftung zusehends komplexer. Untersuchungen wie die Ökosystemstudie Coventwald stellen einen Weg dar, das nötige Wissen zu generieren, um nachhaltig und produktiv mit dem Wald arbeiten zu können.

Die bisherigen Ergebnisse der Untersuchung werden im Folgenden dargestellt.

Die folgenden Abbildungen zeigen beispielhaft die unterschiedlichen Säure- und Stickstoffeinträge der wichtigsten untersuchten waldbaulichen Behandlungstypen. Sowohl Säure- als auch Stickstoffeintrag sind im geschlossenen Bestand im Allgemeinen höher als im Freiland. Sie sind am höchsten in den dichten Fichtenbeständen und deutlich niedriger in den buchendominierten Beständen.

Die Elementkonzentrationen im Bachwasser am Gebietsauslass sind ein entscheidendes Maß für die Stoffdynamik in den verschiedenen Bestandesstrukturen des Einzugsgebiets. In folgender Darstellung sind Zeitreihen verschiedener am Gebietsauslass gemessener chemischer Parameter dargestellt.

Neben typischen jahreszeitlichen Schwankungen, welche im Wesentlichen aus der Nährstoffaufnahme und -abgabe durch Bäume resultieren, sind die Störungen im Stoffkreislauf infolge des extrem trockenen Sommers 2003 bemerkenswert. Sie zeigen sich besonders deutlich im scharfen Anstieg des Nitrataustrags. Seit 2003 ist auch die elektrische Leitfähigkeit des Bachwassers erhöht, was auf eine hohe Konzentration von gelösten Ionen hinweist. Sie geht nur langsam auf ihr früheres Niveau zurück. Die Sulfatkonzentrationen sind – trotz der großen, aus der langjährigen atmosphärischen Ablagerung von Schwefeloxiden resultierenden Schwefelvorräte im Boden – auf einem konstant niedrigen Niveau. Aufgrund der reichen Mineralausstattung des Ausgangsgesteins liegen die pH-Werte im neutralen Bereich. Der leichte Rückgang der pH-Werte innerhalb des Beobachtungszeitraums kann als Folge der Bodenversauerung interpretiert werden, die inzwischen den tiefen Unterboden erreicht hat (s. Bodenschutzkalkung).

Das Bodenwasserregime eines Einzugsgebietes wird hauptsächlich gesteuert durch

  •  die klimatischen Bedingungen,
  • die bodenhydraulischen Eigenschaften (Rückhalt und Leitfähigkeit) und
  • die Bodenwasseraufnahme durch die Vegetation.

Diese Einflüsse zeigen sich in den räumlichen und zeitlichen Korrelationen der kontinuierlichen Tensiometermessungen auf den verschiedenen Kleinflächen. Alle untersuchten Kleinflächen zeigen sehr ähnliche Korrelationsmuster: Die Korrelation von Bodenwasserspannungen zwischen verschiedenen Kleinflächen ist am höchsten in der Wurzelzone (Messtiefen 30 und 60 cm) und nimmt sowohl mit der Tiefe als auch in der obersten Messtiefe (15 cm) ab. Aus diesen Korrelationsmustern lassen sich folgende Schlüsse ziehen:

  • Die meteorologischen Bedingungen (insbesondere der Bestandesniederschlag) variieren erheblich zwischen den verschiedenen Bestandes-/Kronenstrukturen. Die Bodenwasserspannungen in 15 cm Tiefe reflektieren direkt die räumlich hoch variable Niederschlagsdynamik und sind deshalb vergleichsweise gering korreliert.
  • Die Wasseraufnahme durch die Wurzeln hat eine stark ausgleichende Wirkung auf die Bodenwasserspannungen und führt zu hohen Korrelationswerten in dieser Tiefe.
  • Die Dynamik der Bodenwasserspannungen unterhalb der Wurzelzone hängt stark von den bodenhydraulischen Eigenschaften ab; insbesondere gilt dies für die Wasserflüsse direkt nach Niederschlagsereignissen. Die niedrigen Korrelationswerte in den unteren Messtiefen (120 und 180 cm) deuten auf sehr variable hydraulische Bodeneigenschaften in den verschiedenen untersuchten Bestandes-/Kronenstrukturen hin.

Die Stoffkonzentrationen im Bodenwasser, welche ca. 14-tägig bis in 180 cm Tiefe beprobt werden, unterscheiden sich deutlich zwischen den verschiedenen Bestandesvarianten. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft durchschnittliche Tiefenprofile der gemessenen Konzentrationen von Aluminium, Nitrat und Sulfat in der Bodenlösung (Saugkerzenproben) im Mischbestand (unter Buche), im Kahlschlag, im Buchenstangenholz und im Fichtenstangenholz.

Die Gesamtkonzentration mobiler Anionen ist unter Buche wesentlich geringer als unter Fichte, was zu entsprechend geringeren Kationenkonzentrationen führt. Die Tiefenprofile der mobilen Anionen starker Mineralsäuren sind gegenläufig: Während die Nitratkonzentrationen nahe der Bodenoberfläche am höchsten sind und mit der Tiefe abnehmen, weist Sulfat ein klares Maximum im Unterboden auf. Letzteres ist Resultat der hohen – in Zeiten hoher Sulfateinträge akkumulierten – Sulfatvorräte im Feinboden und der deutlich nachgelassenen Sulfatdeposition in den vergangenen Jahrzehnten. Dadurch wandert die Sulfatfront im Bodenwasser nach unten. Die Konzentrationen von Aluminium zeigen ein ähnliches Tiefenprofil wie die Nitratkonzentrationen. Die sehr niedrigen Nitratkonzentrationen unter Buche können nicht vollständig durch Unterschiede in der Nitratdeposition erklärt werden, da der Gesamtstickstoffeintrag unter Buche nur 40 % geringer als unter Fichte ist. Der mit der Deposition eingetragene Stickstoff wird im Buchenbestand jedoch durch eine effektivere Nitrataufnahme der Wurzeln stärker reduziert. Die höchsten Nitratwerte finden sich in der Kahlschlagvariante, verursacht durch die Mineralisierung abgestorbener (unterirdischer) Biomasse bei gleichzeitig geringerer Aufnahme in die Vegetation.

Die in der letzten Abbildung dargestellten Tiefenprofile sind langjährige mittlere Konzentrationen. Periodisch, z.B. bei Wiederbefeuchtung nach längeren Trockenphasen oder bei Starkniederschlägen, können die Konzentrationen deutlich davon abweichen, wie man im folgenden Beispiel sieht. Der Vergleich der Nitratmessungen im Bodenwasser im Kleinkahlschlag, in zwei Femelschlägen und in einer aufwachsenden Buchennaturverjüngung zeigt, wie die Nitratkonzentrationen im Bodensickerwasser nach einem Hieb sprunghaft ansteigen. Die untersuchten kleinen Femelschläge erzeugten im Bodensickerwasser ähnliche Nitratpeaks wie der experimentelle Kleinkahlschlag. Sie wirken sich aufgrund ihrer geringeren Fläche aber deutlich weniger auf die Nitratfracht im Gebietsabfluss aus. Auffällig ist die Wirkung aufwachsender Naturverjüngung. Im Femelschlag, in dem zum Zeitpunkt des Hiebes bereits vitale Naturverjüngung vorhanden war, geht die Nitratkonzentration innerhalb weniger Jahre nach dem Hieb auf ihr Ausgangniveau zurück, während im Femelschlag mit fehlender Naturverjüngung bis zu 10 Jahre nach dem Hieb erhöhte Nitratkonzentrationen zu beobachten waren.

Auf der Basis der modellierten Sickerwasserraten und der gemessenen Stoffkonzentrationen können mittlere Stoffflussraten bestimmt werden. Folgende Abbildung zeigt die berechneten Ionenflüsse für sehr unterschiedliche Bestandessituationen. Die Flussraten des (konservativen) Chlorids sind für alle Bodentiefen mehr oder weniger gleich. Dies bestätigt die Validität der Ionenflussberechnungen (s. Methodik und Messflächen).

 

Die Flussraten in den zwei benachbarten Stangenholzbeständen unterscheiden sich deutlich. Vor der Aufforstung vor etwa 50 Jahren waren die Bestände auf beiden Flächen gleich. Die beobachteten Unterschiede im Stoffkreislauf sind demnach allein auf die unterschiedliche Bewirtschaftung in den vergangenen 50 Jahren zurückzuführen. Im Buchenstangenholz sind die Flussraten innerhalb der Wurzelzone mehr oder weniger konstant. Unterhalb der Wurzelzone ist in dieser Variante Anschluss an das Hanggrundwasser gegeben. Dies führt zu pH-Werten >5 und damit zu einem völlig anderen chemischen Regime mit hoher Hydrogencarbonat-Aktivität. Eine weitere Ursache für die deutlich höheren Ionenflüsse unterhalb der Wurzelzone können laterale Flüsse vom benachbarten Fichtenstangenholz in Richtung Buchenstangenholz sein, worauf die erhöhten Sulfatflüsse hindeuten. In der Wurzelzone (0 bis 60 cm Tiefe) des Fichtenstangenholzes wird der hohe Ionenfluss hauptsächlich durch die extrem hohen Nitrat- und Sulfatflüsse verursacht, welche zwei- bis dreimal höher als im Buchenstangenholz sind und zu überproportional hohen Mg2+- und Al3+-Flüssen führen. In der Wurzelzone des Fichtenstangenholzes sind etwa ein Drittel des Anionenflusses organische Anionen. Unterhalb des Hauptwurzelraums ab 60 cm Bodentiefe wird der Ionenfluss hauptsächlich von Sulfat angetrieben, Nitrat wird zwischen 60 und 120 cm Tiefe auf eine minimale Flussdichte reduziert. Da die Feinwurzeldichte unterhalb 60 cm deutlich unter 10 Feinwurzeln (<2 mm) je dm² liegt, und die Fichte Stickstoff ganz überwiegend nicht als Nitrat aufnimmt, ist Wurzelaufnahme als quantitativ bedeutsamer Prozess in dieser Bodentiefe auszuschließen. Angesichts der mit zunehmender Bodentiefe abnehmenden Sauerstoffverfügbarkeit ist hier eher Denitrifikation als Prozesshintergrund wahrscheinlich – insbesondere angesichts des Befundes eines gegenüber allen anderen Varianten in dieser Tiefe im Fichtenstangenholz stark erhöhten DOC-Flusses.

Im Fichten-Altholz ist der Stoffaustrag unterhalb des Wurzelraums (in 80 cm Tiefe) von sehr hohen Nitrat- (1 kmolc/ha/a) und Sulfatflüssen (1,3 kmolc/ha/a) geprägt. Diese werden zu etwa gleichen Anteilen von Ca2+, Mg2+ und Al3+ begleitet. Unterhalb des Wurzelraums bleibt die Stoffflussdichte mit zunehmender Tiefe bis zur Untergrenze der Bodenentwicklung nahezu konstant.

Im Kahlschlag ist der Stofffluss im gesamten Profil so hoch wie im Oberboden des Fichtenstangenholzes. Auch hier ist dies in erster Linie auf die hohen Flussraten von Nitrat und Sulfat zurückzuführen, wobei Sulfat eine eindeutige Nettomobilisierung in der gesamten Fließstrecke durch den Mineralboden (20 bis 180 cm Tiefe) aufweist. Überproportional hohe Austragsraten wurden auf der Kahlschlagsfläche auch für Ca2+, Na+ und Mg2+ beobachtet.

Zusammenfassung

Die Studie zeigt, dass Wasser- und Stoffflüsse sehr deutlich sowohl von der Baumartenzusammensetzung als auch von der kleinräumigen Kronendichteverteilung in den Beständen abhängen. Ein Vergleich der Untersuchungsvarianten ergab, dass buchendominierte Bestände gegenüber Fichtenreinbeständen deutlich niedrigere Nitrat- und Sulfatausträge aus dem Wurzelraum aufweisen. Das führt zu einer insgesamt niedrigeren Stoffflussdichte. Unterbrechungen des Kronendachs wirken sich in massiv erhöhten Nitratflüssen aus – dies gilt sowohl für Kahlschläge als auch für durch Einschlag von wenigen Altbäumen entstandene Lücken.

Unsere Beobachtungen seit 1991 belegen, dass Säureeinträge mit der Deposition die Basenaustauschkapazität von Waldböden derart reduzieren kann, dass selbst auf silikatischen Standorten mit einer substratbedingt guten Ausgangs-Basensättigung die typischen Bodenfunktionen gefährdet sind. Die Depositionen von Säuren und Stickstoff sind für die verschiedenen Baumarten und Bestandesstrukturen signifikant unterschiedlich. In buchendominierten Beständen lag die Gesamtdeposition zwischen 45 bis 85 % niedriger als in den Fichtenbeständen. Zukünftige waldbauliche Empfehlungen sollten berücksichtigen, dass der Umbau von Fichtenbeständen hin zu Buchenbeständen ein hohes Potential zur Verminderung weiterer Depositionen und damit zur Vermeidung einer fortschreitenden Bodenversauerung besitzt. Allerdings zeigen unsere Untersuchungen selbst in den buchendominierten Beständen offensichtliche Symptome einer Stickstoffsättigung und einer bereits einsetzenden Bodenversauerung auf. Trotzdem würde ein Wechsel von Fichte zu Buche die Depositionsbelastung der Wälder deutlich reduzieren und damit die Bodenversauerung verlangsamen sowie die Aufnahmekapazität der Wälder für Stickstoff verbessern.

Es muss betont werden, dass die verschiedenen diskutierten Möglichkeiten des Waldumbaus kein Allheilmittel sein können. Auf lange Sicht gibt es keine Alternative zur Reduktion der Depositionen von Stickstoff und Säureverbindungen durch die Festlegung entsprechender Luftreinhaltestandards. Es ist zu erwarten, dass insbesondere die Stickstoffemissionen in naher Zukunft nicht sehr stark reduziert werden können, da diese überwiegend aus diffusen Quellen stammen. Aus diesem Grund muss der Waldbau auf die aktuelle Depositionssituation reagieren und alle geeigneten Techniken kombinieren um die mittelfristige Stickstoffspeicherkapazität von Waldökosystemen zu verbessern und den depositionsbedingten chemischen und biologischen Schäden entgegenzuwirken.

Stabile und mehr oder weniger geschlossene biogeochemische Stoffkreisläufe sind eine Voraussetzung für Standortsnachhaltigkeit und gewährleisten eine hohe Trinkwasserqualität aus bewaldeten Einzugsgebieten. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die derzeitigen Depositionen und die Nachwirkung früherer Despositionen die Filter- und Pufferfunktion für Trinkwasser insbesondere in Fichtenbeständen ernsthaft gefährden. Der Speicher von anorganischem und organischem Stickstoff ist bereits nahe Sättigung, so dass jede Störung in der Bestandesstruktur zu einer unmittelbaren Nitratmobilisierung und damit zu einer akuten Gefährdung der Trinkwasserqualität führt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass unter dem gegenwärtigen Immissionsregime das Einbringen selbst sehr kleiner Kronenlücken hohe Nitratflüsse provoziert, wenn auch auf niedrigerem Niveau als bei der Anlage großer Kahlschlagsflächen. Es ist deshalb zu empfehlen, dass insbesondere in Trinkwasserschutzgebieten eine lückenorientierte natürliche Bestandesverjüngung (bevorzugt in Beständen mit einem bereits vorhandenen Unterwuchs) als ressourcenschonendes Bewirtschaftungsverfahren angestrebt und Kahlschläge vermieden werden.