Waldbodenmonitoring - WaldbodenWaldboden

In den 70ger und 80ger Jahren des 20. Jahrhunderts wurden zunehmend Waldschäden festgestellt und auf den ‚sauren Regen‘ zurückgeführt. Ende der 80ger Jahre führten Forstwissenschaftler zur Erfassung und Quantifizierung der Waldschäden europaweit standadisierte Monitoringverfahren ein. Am Weltbodentag hat Nadine Eickenscheidt dazu informiert. Ein forstliches Umweltmonitoring ist im Bundeswaldgesetz verankert. Die Waldzustandserhebung (WZE) und die Waldbodenzustandserhebung (BZE) werden bundesweit durchgeführt. Eine Bund/Länder-Arbeitsgruppe und ein Gutachterausschuss für forstliche Analytik entwickelten bundesweit gültige Methodenhandbücher zur Beschreibung der Böden und der Probenahme sowie zur einheitlichen Waldbodenanalytik. Sie vereinbarten eine systematische Erhebung zum Zustand der Waldböden (BZE Wald) als Gemeinschaftsaufgabe des Bundes und der Länder und als bundesweite Zeitreihenuntersuchung. Die Bundesländer führen:

die Kronenzustandserfassung,
eine Vegetationsaufnahme,
eine Bodenbeschreibung der Rasterpunkte,
die Probenahme und die Analyse der Nadeln und Blätter,
eine umfangreiche Bodenanalyse nach Tiefenstufen durch.

Dass Thünen-Institut für Waldökosysteme:

koordiniert die Wald- und die Bodenzustandserhebung,
führt alle Daten der Beschreibung und Analyse zusammen,
richtet eine Bodenprobenbank ein,
wertet die Daten aus,
interpretiert die Daten und veröffentlicht die Ergebnisse.

Ein bundesweites Raster an Stichprobenpunkten im 8 x 8 km Raster mit ca. 1.900 Punkten wurde festgelegt. Wenn ein 8 x 8 km Punkt in eine Waldfläche fällt, wird diese beschrieben und beprobt. Im Zentrum der Untersuchungsflächen wird eine Bodenaufgrabung angelegt und der Boden ausführlich beschrieben. Im Abstand von 10 m wird ein Probenkreis mit 8 Satellitenpunkten eingemessen und beprobt. Bei folgenden Bodenzustandserhebungen werden die Satellitenpunkte im Probenkreis jeweils verschoben.

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Probenahmeschema BZE mit Bodenaufgrabung im Zentrum, Probenahmekreis mit 8 Satellitenpunkten im 10 m Radius und Bereichen für Vegetationsaufnahmen, Totholzerfassung und Probebäume für Nadel- und Blattanalysen. (Quelle: Thünen-Institut für Waldökosysteme)

Lage der ca. 1900 Untersuchungsflächen der BZE II; Level I blau und 68 Flächen Level II rot (Quelle: Thünen-Institut für Waldökosysteme)

Etwa alle 15 Jahre erfolgt eine neue Beschreibung und Beprobung, um Einflüsse von Stoffeinträgen, Waldbewirtschaftung, Bodenschutz-Kalkungen und Klima beurteilen zu können. 1987 – 1993 fand die BZE I statt, 2006 – 2008 die BZE II und zurzeit wird die BZE III durchgeführt. Eine ausführliche wissenschaftliche Auswertung wurde vom Thünen-Institut für Waldökosysteme veröffentlicht.

Das Bundesministerium hat die Ergebnisse der ersten und zweiten Bodenzustandserhebung in einem Bericht zusammengefasst. Im Folgenden sind Ergebnisse aus beiden Veröffentlichungen zusammengefasst.

Folgende Fragen stehen im Vordergrund und konnte nach der zweiten Erhebung erstmalig beurteilt werden.

Wie sauer sind Waldböden, werden sie mit der Zeit immer saurer?

Die pH-Werte sind ein Maß für die Säurestärke der Bodenlösung. Im unteren Bereich der Humusauflage (Oh-Horizont) sind die pH-Werte am niedrigsten und der Boden besonders sauer. Weil weniger Schwefelverbindungen aus Kraftwerken in die Atmosphäre gelangen und Waldböden häufig mit gemahlenem Dolomit-Kalkstein gekalkt wurden, sind die pH-Werte seit 1990 wieder leicht angestiegen. Besonders sauer (pH < 4) sind Waldböden in den älteren eiszeitlichen Ablagerungen Norddeutschlands und in einigen Mittelgebirgen. Waldböden, die sich aus Kalkstein oder Basalt entwickelt haben sind meistens nur schwach sauer bis basisch (pH > 6).

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Flächenbezogene Beprobung eines Oh-Horizontes (Bereich der Humusauflage) mit einem 30 x 30 cm Stechrahmen (Quelle: Geologischer Dienst NRW)

Wie hoch ist der Vorrat an austauschbaren Kationen?

Humus und Tonminerale parken positiv geladene Moleküle (Kationen) und tauschen diese gegen andere Kationen in der Bodenlösung aus. Wichtige Nährstoffe wie Kalium, Natrium, Magnesium, Mangan und Calcium aber auch Säurebildner wie Eisen und Aluminium werden austauschbar gespeichert. Je höher der Anteil basisch wirkender Kationen (Ca, Mg, K) an den Austauschern ist, desto nährstoffreicher sind Böden. Je höher der Anteil an Aluminium, Eisen und Wasserstoff am Austauscher ist, desto saurer und nährstoffärmer sind Böden. Als Folge der Bodenschutz-Kalkungen und durch den Rückgang saurer Niederschläge haben sich die Waldböden leicht erholt, sie speichern mehr basisch wirkende Kationen als 1990. Auch das Belassen von Ästen, Reisig und Streu auf den Waldböden fördert den Gehalt an Nährstoffen und erhöht den Humusgehalt in Waldböden.

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Entnahme einer volumenbezogenen Bodenprobe mittels 100 cm³ Stechzylinder (Quelle: Geologischer Dienst NRW)

Wieviel Kohlenstoff wird in Waldböden gespeichert?

Im Gegensatz zu Ackerböden wird der Aufwuchs von Waldböden nicht jährlich geerntet und exportiert. Es bildet sich ein Kreislauf mit jährlich anfallender Streu in der Humusauflage und ihrem Umbau in Humus. Die Nährstoffe im Humus stehen den Bäumen zur Verfügung. Ein Großteil des Kohlenstoffs wird in der Humusauflage und im Boden gespeichert. Wälder in unserem Klimaraum speichern etwa so viel Kohlenstoff in ihren Böden als in der lebenden Biomasse der Wälder. Diese Kohlenstoffspeicherung in Waldböden ist ein wesentlicher Beitrag zur Stabilisierung des Klimas, weil damit das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Atmosphäre entzogen wird. Waldböden in Deutschland speichern im Mittel 119 t Kohlenstoff/ha. Zwischen der ersten und der zweiten Bodenzustandserhebung haben die Waldböden in Deutschland im Mittel mehr als 10 Tonnen Kohlenstoff/ha in 16 Jahren zusätzlich gespeichert. Das entspricht bei einer Waldbodenfläche von 11,4 Millionen ha der riesigen Summe von 114 Millionen Tonnen zusätzlich gespeichertem Kohlenstoff.

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Werden Waldbäume ausreichend mit Nährstoffen versorgt?

Der Ernährungszustand der Waldbäume wird durch Blatt- und Nadelanalysen festgestellt. Die wichtigsten Nährstoffe für ein vitales und gutes Baumwachstum sind: Stickstoff, Phosphor, Kalium, Calcium und Magnesium. Darüber hinaus sind noch 10 – 12 Spurennährstoffe für das Baumwachstum wesentlich. Die Nährstoffversorgung wird bei der Bodenzustandserhebung auf die vier Baumarten Fichte, Kiefer, Buche und Eiche bezogen. Bei der zweiten Erhebung wurde Phosphormangel an 60 % der Buchen-, 38% der Eichen-, 20 % der Fichten- und 18 % der Kiefernuntersuchungspunkte festgestellt. Die Versorgung mit Kalium ist bei Kiefer und Eiche gut, bei Fichte und Buche ist ein Viertel der Untersuchungspunkte unterversorgt. Durch Bodenschutz-Kalkungen hat die Calciumversorgung auf den meisten Untersuchungspunkten zugenommen. Auf Buchen und Eichenstandorten wurde auf einem Fünftel der Punkte ein leichter Mangel festgestellt. Auch die Magnesiumgehalte in Nadeln und Blättern wurden durch die Bodenschutz-Kalkungen spürbar verbessert. Alle Baumarten sind auf fast allen Untersuchungspunkten gut mit Magnesium versorgt. Die Bodenschutz-Kalkungen und die Maßnahmen zur Luftreinhaltung haben deutschlandweit zu einer besseren Nährstoffversorgung der Wälder geführt.

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Wie hoch ist der Stickstoffeintrag und die Stickstoffvorräte in Waldböden?

Durch Übernutzung der Wälder über Jahrhunderte hat der Mensch große Mengen an Stickstoff aus den Waldökosystemen exportiert. Die Waldböden verarmten an Stickstoff und das Wachstum ging zurück, Stickstoff liebende Pflanzen und Waldgesellschaften verschwanden und Heiden mit Besenheide, Wachholder, Kiefer und Heidelbeeren entstanden. Stickstoff ist ein wichtiger Nährstoff für Bäume und alle Pflanzen. Inzwischen hat sich die Situation umgekehrt. Durch die Verbrennung von Kohle, Öl und Gas, in der Industrie und im Kraftfahrzeugverkehr, die Viehhaltung und Nahrungsmittelproduktion werden Stickstoffverbindungen im Überfluss in Wälder und Waldböden eingetragen. Der Stoffkreislauf der Wälder wird dadurch aus dem Gleichgewicht gebracht. Während unter natürlichen Verhältnissen etwa 4 – 5 kg Stickstoff pro ha und Jahr eingetragen werden, beträgt der jährliche Stickstoffeintrag heute vielerorts zwischen 20 und 60 kg/ha. Dadurch versauern Waldböden rascher und verarmen an Nährstoffen. Stickstoff wird ins Grundwasser ausgewaschen. Stickstoff liebende Pflanzen wie Brombeere, Himbeere, Brennnessel und andere verdrängen die natürliche Strauch- und Krautschicht. Das Gleichgewicht zwischen den Pflanzennährstoffen wird gestört. Das führt zu Störungen beim Baumwachstum und erhöhter Anfälligkeit für Pflanzenkrankheiten wie z.B. Holz zersetzende Pilze. Die Daten der zweiten Bodenzustandserhebung haben ergeben, dass Waldböden im Durchschnitt 17 kg Stickstoff pro ha und Jahr mehr erhalten. Weitere Messungen bis 2015 zeigen jedoch einen spürbaren Rückgang des Stickstoffeintrags, vermutlich vor allem bedingt durch Luftreinhaltungsmaßnahmen. Doch auch heute ist der Eintrag auf mehr als 50% der Waldböden noch deutlich zu hoch.

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Beprobung der Humusauflage in einer Bodendauerbeobachtungsfläche für das Level II Programm der Bodenzustandserhebung. (Quelle: Geologischer Dienst NRW)

Welchen Wasserhaushalt besitzen Waldböden und wie kommen sie mit dem Klimawandel zurecht?

Die wesentlichen Kenngrößen zur Berechnung und Modellierung des Wasserhaushalts wurden bei der Bodenzustandserhebung erhoben. Ein Großteil der Wälder verbraucht für das Baumwachstum und die Wasserverdunstung von Blattoberflächen und der Bodenoberfläche 300 – 500 Liter pro m² während der Vegetationszeit. Der übrige Wasservorrat fließt in die Grundwasserneubildung. Bei den überwiegenden Untersuchungspunkten liegt die Grundwasserneubildung zwischen 50 und 400 Liter/m² und bleibt in Trockenjahren ganz aus.

Die Berechnungen haben ergeben, dass etwa 40% der ca. 1900 Untersuchungspunkte mäßig trocken bis trocken und für den Fichtenanbau ungeeignet sind. Standortgerecht sind auf diesen Böden Kiefern und Eichenwälder. Bei etwa 70% der Untersuchungspunkte kann es in trockenen Jahren zu Wassermangel kommen. Seit 1990 nehmen Trockenjahre mit Wassermangel in den Wäldern deutlich zu. Seit 1988 bis 2016 waren nur noch 5 Jahre mit sehr guter Wasserversorgung, in 20 Jahren seit 1988 war die Versorgung deutlich niedriger als im Vergleichszeitraum 1961 – 1990. Selbst auf gut wasserversorgten Standorten kommt es vor, dass in extrem trockenen oder extrem nassen Jahren gepflanzte Wälder Trockenstress erleiden oder Nässeschäden aufweisen.

Bedingt durch den Klimawandel sind in den zurückliegenden Jahrzehnen mehrfach sehr trockene Sommer aufgetreten, zum Teil mehrere Jahre hintereinander. Vor allem Fichtenreinbestände wurden durch die sommerliche Trockenheit stark geschwächt und von Borkenkäfern befallen und starben großflächig ab. In Nordrhein-Westfalen beträgt die Fichtenschadfläche 142.000 ha während der letzten 5 Jahre. Große abgestorbene Fichtenflächen im Nationalpark Harz haben das Landschaftsbild vollständig verändert. Ein großer Teil der entwaldeten Flächen wird mit klimastabileren Laubmischwäldern wiederbewaldet oder eine Naturverjüngung mit Pionierbaumarten ersetzt den bisherigen Baumarten.

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Fichtenschadflächen im Nationalpark Harz mit grünen Inseln überlebender Fichten, Trockenstress durch fehlende Niederschläge im Sommer und anschließendem Befall durch Buchdrucker (Borkenkäfer) führen zum Absterben fast aller Fichten. Überlebt haben vorwiegend jüngere Fichten. © Jan Evers

Nach Borkenkäferbefall neu bepflanzte und gegatterte Fläche in Hessen, Versuch klimafitte Laubbaumarten anzupflanzen: Esskastanie, Roteiche, Elsbeere und andere Laubbaumarten. © Jan Evers

Werden in Waldböden organische Schadstoffe angereichert?

An etwa ¼ der Untersuchungspunkte wurden bei der zweiten Bodenzustandserhebung die Böden vom Umweltbundesamt auf organische Schadstoffe untersucht. Organische Schadstoffe werden vor Allem durch die Luft in die Waldböden eingetragen. Wichtige Schadstoffgruppen sind:

- Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
- Dioxide und Furane (entstehen bei Verbrennungsprozessen)
- polychlorierte Biphenyle (Isolierstoff in Transformatoren und Weichmacher in Lacken
- DDT und Lindan (Pflanzenbehandlungsmittel)

Durch Umweltschutzmaßnahmen ist der Einsatz organischer Schadstoffe und der Eintrag in Waldböden deutlich zurückgegangen. Außer auf drei Belastungsflächen lagen die Messwerte alle unterhalb der Prüf-/Maßnahmenwerte, die in der Bundesbodenschutzverordnung für Spielplätze festgelegt sind.

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Welche Rolle spiele Einträge und Gehalte an Schwermetallen in Waldböden?

Im Rahmen der zweiten Bodenzustanderhebung wurden die Schwermetalle Arsen, Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Quecksilber und Zink bundesweit untersucht. Von der ersten Bodenzustandserhebung liegen Ergebnisse der Schwermetalle Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel vor. In vielen Ausgangsgesteinen der Waldböden sind Schwermetalle enthalten. Durch anthropogene Schwermetalleinträge wie durch Bergbau und Verhüttungswesen, Industrieemissionen und Straßenverkehr wurden die Gehalte in Waldböden zum Teil beachtlich erhöht. Obwohl sich der Schwermetalleintrag analytisch für fast alle Untersuchungsprunkte nachweisen lässt, liegen die Messwerte bei den meisten Untersuchungsprunkten unterhalb der Vorsorgewerte der Bundes-Bodenschutz- und -Altlastenverordnung. Bundesweit werden auf 13 % der Waldfläche die Vorsorgewerte für Arsen und auf 22 % der Fläche die Vorsorgewerte für Blei vor allem in Mittelgebirgslagen überschritten. In den Mittelgebirgen führt der Auskämmeffekt der Wälder zu verstärkten Einträgen aus der Luft. Deshalb lassen sich vor allem für Blei deutlich erhöhte Vorräte in den Humusauflagen und im oberen Bereich des Mineralboden nachweisen. Dies ist vor allem eine Folge der jahrzehntelangen Verwendung von bleihaltigem Kraftstoff. Die zweite Bodenzustandserhebung belegt einen signifikanten Rückgang der Bleikonzentration in der Humusauflage verglichen mit den Werten der ersten Bodenzustandserhebung. Das Blei wurde in den mineralischen Oberboden verlagert. Durch die Abschaffung von bleihaltigen Zusatzstoffen im Benzin und die Einführung von Katalysatoren reduzierten sich die Bleiemissionen. Zusätzlich führte die Bodenschutz-Kalkung zum verstärkten Abbau von Humusauflagen und zur Bleiverlagerung in den Mineralboden.

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Wie ist die Verteilung seltener Erden in deutschen Waldböden?

Wird im Rahmen der BZE III erstmalig erfasst.

Wie ist es um den biologischen Bodenzustand der Waldböden bestellt?

Wird im Rahmen der BZE III erstmalig erfasst. Indirekt lässt sich der biologiche Bodenzustand aus den Humusformen der Untersuchungspunkte ableiten.

Nehmen die Waldschäden zu oder werden diese geringer?

Der Waldzustandsbericht des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft für das Jahr 2022 sowie die entsprechenden Berichte der Bundesländer informieren über den Zustand der Wälder in Deutschland. Mit jährlichen Stichproben wird der Kronenzustand der Waldbäume bewertet. Auch im Rahmen der Bodenzustandserhebung wird der Kronenzustand der Waldbäume von geschulten Forstleuten erfasst. Nach dem Waldzustandsbericht des Bundesministeriums sind nur 21 % der Bäume in den deutschen Wäldern ohne Schädigungen der Baumkrone. Etwa ein Drittel aller Bäume weist eine mittlere Kronenverlichtung auf. Wesentliche Ursache ist die erhöhte Trockenheit der zurückliegenden 5 Jahre im Vergleich zum dreißigjährigen Mittel von 1961 bis 1990.

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Kronenzustand der Bäume

Der Kronenzustand wird in 5 Verlichtungsstufen von 0 bis 4 unterteilt:

0 = 0-10% Verlichtung (keine Schadverlichtung)
1 = 11-25% Verlichtung (schwache Kronenverlichtung)
2 = 26-60% Verlichtung (mittelstarke Kronenverlichtung)
3 = 61-99% Verlichtung (starke Kronenverlichtung)
4 = 100% Verlichtung (abgestorben)

Baumart	Stufe (%)
Baumart	0	1	2	3	4
Fichte	24	36	30	6	4
Kiefer	13	59	24	28
Buche	21	34	28	17
Eiche	19	41	27	13

Kronenzustand der 4 Hauptbaumarten nach dem Waldzustandsbericht 2022 (BMEL)