Wie

Kenngrößen für einen raschen Einblick in die Wasserversorgung der Bäume

Um die aktuelle Bodenfeuchte zu beschreiben und dabei die Bedürfnisse unterschiedlicher Nutzergruppen anzusprechen, wurden nachfolgende Kennwerte für den WaldDürreMonitor ausgewählt:

Trockenheit

Der Kennwert „Trockenheit“ wird durch die Saugspannung des Bodens (Matrixpotential) definiert. Diese beschreibt, wie stark das Wasser im Waldboden gebunden ist (Haltekraft). Je trockener der Boden, umso stärker wird das Wasser von ihm festgehalten. Die Bäume müssen also immer mehr Kraft (Unterdruck) aufbringen, um das verbleibende Wasser aus dem Boden aufzunehmen. Die Saugspannung wird häufig als sogenannter pF-Wert ausgedrückt, was dem dekadischen Logarithmus des Unterdrucks in Hektopascal (hPa) entspricht.

Puhlmann et al (2010) geben eine Saugspannung von 1.300 hPa (pF 3,1) als Grenze für den Trockenstress von Bäumen an. Nach gängiger Lehrbuchmeinung sind Pflanzen in der Lage mit ihren Wurzeln das Wasser mit einem Unterdruck von bis zu 15 bis 20 bar (15.000 bis 20.000 hPa) aus dem Boden zu saugen. Dies entspricht einem pF Wert von 4,2 bis 4,3. Falls ein noch höherer Unterdruck entsteht, welkt die Pflanze irreversibel. Im Kennwert „Trockenheit“ des WaldDürreMonitors werden daher Saugspannungen über einem pF-Wert von 3,0 zunehmend von Gelb bis tiefrot dargestellt (Dürre).

Ein vollständig gesättigter Boden, der das Wasser gegen die Schwerkraft hält, weist noch eine Saugspannung von 0,06 bar (63 hPa) auf, was einem pF-Wert von 1,8 entspricht (Feldkapazität). Kleinere pF-Werte als 2 weisen daher auf eine zunehmende Luftarmut im Waldboden hin und werden mit zunehmender Blauintensität dargestellt. Anhaltende Luftarmut führt zum Absterben der Feinwurzeln und mindert die Vitalität der Bäume.

Die Differenz zwischen Feldkapazität und Welkepunkt wird als nutzbare Feldkapazität bezeichnet. Sie beschreibt wieviel Wasser ein Boden mittelfristig über einen längeren Zeitraum speichern kann. In dem Bereich zwischen der nahezu vollständigen Wassersättigung (pF 2,0) und dem beginnenden Trockenstress (pF 3,0) herrscht eine gute Wasserversorgung der Bäume vor. Dieser wird daher im WaldDürreMonitor mit grün dargestellt.

Der Kennwert „Trockenheit“ ist daher ein direktes Maß für die Wasserversorgung der Vegetation und wird für den Oberboden (0 bis 40 cm Bodentiefe) und den Unterboden (40 bis 100 cm) angegeben. Tabelle 1 zeigt die Einteilung des Kennwertes im WaldDürreMonitor nach der Saugspannung und deren Einwertung in Anlehnung an Schroeder (1992).

Tabelle 1:        Einteilung des Kennwertes „Trockenheit“ und seine Bewertung

pF	hPa	Kennwert	Bewertung
< 1,0	< 10	sehr frisch	Wassergesättigt, Luftarmut
1,0 – 1,5	10 - 32	frisch
1,5 – 2,0	32 - 100	ziemlich frisch
2,0 – 2,5	100 - 316	mäßig frisch	gute Wasserversorgung
2,5 – 3,0	316 -1000	mäßig trocken
3,0 – 3,5	1000 – 3.162	trocken	zunehmender Trockenstress
3,5 – 4,0	3.162 – 10.000	sehr trocken
4,0 – 4,5	10.000 – 31.623	dürr
> 4,5	> 31.623	extrem dürr	extremer Trockenstress

 

Zeitraum ausreichender Wasserversorgung

Der Zeitraum ausreichender Wasserversorgung gibt an, für wie viele Tage die Wasservorräte im Waldboden bei einer täglichen Verdunstung von 3 l/m² (mittlere tägliche Verdunstung eines Waldes im Sommer) noch ausreicht, wenn in diesem Zeitraum kein weiterer Niederschlag fällt. Dabei wird der Bodenfeuchte im gesamten durchwurzelten Bereich berücksichtigt. Je nach dominierender Baumart im Bestand werden unterschiedliche maximale Durchwurzelungstiefen angenommen (Tabelle 2). Reicht der Wasserspeicher im Waldboden für die Transpiration der Bäume noch länger als 2 Wochen aus, wird dieser Kennwert blau dargestellt.  Eine Speichermenge von einer bis 2 Wochen wird grün, darunter gelb bzw. bei weniger als drei Tagen auch rot eingefärbt, um die zunehmende Gefahr von Dürre zu charakterisieren.

Tabelle 2:   In der Modellierung verwendete maximale Durchwurzelungstiefe für verschiedene Baumarten (aus Weis et al. 2023)

Baumart	Buche	Eiche	Fichte	Kiefer	Douglasie
Maximale Wurzeltiefe	160 cm	200 cm	120 cm	200 cm	160 cm

 

Füllstand

Der Füllstand des Wasserspeichers zeigt an, zu wieviel Prozent der pflanzenverfügbare Bodenwasserspeicher (nutzbare Feldkapazität) in den Waldböden aktuell gefüllt ist. Diese Kenngröße wird für zwei unterschiedliche Bodentiefen (40 und 100 cm) angegeben. Der Wert für den Oberboden (bis 40 cm) ist besonders wichtig zur Beurteilung der Wasserversorgung von anwachsenden Jungbäumen (Naturverjüngung, Pflanzung, Saat). Der Wert für den Boden bis 1 m Tiefe ermöglicht eine Beurteilung der Wasserversorgung älterer Bestände, deren Bäume mit ihren Wurzeln bereits den tieferen Waldboden erreichen. Damit ist der Füllstand bis 1 m Tiefe entscheidend für die Vitalität und Anfälligkeit gegenüber Schädlingen wie dem Borkenkäfer.

Die nutzbare Feldkapazität ist die Wassermenge, die ein Waldboden nach vorheriger vollständiger Sättigung nach zwei Tagen noch gegen die Schwerkraft hält und dabei nicht so stark an Bodenpartikeln gebunden wird, dass sie nicht von den Wurzeln der Pflanzen aufgenommen werden kann (Totwasser). Ab einem Füllstand der Bodenwasserspeicher von unter 40 % der nutzbaren Feldkapazität geht man von einer eingeschränkten Wasserverfügbarkeit aus, bei der die Pflanzen ihre Transpiration einschränken müssen. Sie werden daher gelb dargestellt. Werte unter 30% nFK werden als kritisch angesehen und haben negative Auswirkungen auf die Vegetation (Dürre). Hier wird von starken Trockenstress für die Bäume ausgegangen, so dass die Kartendarstellung rot ist. Im Bereich zwischen 40 und 100 % der nutzbaren Feldkapazität steht den Bäumen ausreichend Wasser im Waldboden zur Verfügung. Dieser Bereich wird in der Karte daher in Grün dargestellt. Liegt der Füllstand über 100 % der nutzbaren Feldkapazität, sind auch grobe Poren im Waldboden mit Wasser gefüllt und das Wasser kann frei mit der Schwerkraft Richtung Grundwasser abfließen. Die Darstellung in der Karte ist daher blau. Eine zusammenfassende Darstellung der Klassen und ihrer Bedeutung zeigt Tabelle 3.

Tabelle 3:        Zusammenfassende Klassen des Kennwertes „Füllstand“ und ihre Bedeutung

Füllstand in % nFK	Farbe des Kennwerts	Bedeutung
> 100	blau	Boden wassergesättigt
100 - 40	grün	ausreichende Wasserversorgung
40 - 30	gelb	eingeschränkte Wasserversorgung
< 30	rot	mangelhafte Wasserversorgung

 

Transpirationsindex

Der Transpirationsindex gibt das Verhältnis von aktueller zu einer theoretisch möglichen potenziellen Transpiration an. Die potenzielle Transpiration ist durch den Verdunstungsanspruch der Atmosphäre bestimmt. Bei optimaler Wasserversorgung ist die Transpiration nicht eingeschränkt und der Transpirationsindex liegt bei 100 Prozent. Bei Austrocknen des Waldbodens sinkt der Wert ab. Die Bäume schränken dann die Transpiration durch Schließen der Spaltöffnungen in den Blattorganen ein. Somit nimmt die tatsächliche Transpiration der Bäume ab.  Beträgt die tatsächliche Transpiration der Bäume im Modell weniger als 60 Prozent des theoretisch möglichen, wird der Transpirationsindex in der Karte beginnend mit Gelb bei abnehmenden Werten in 10 Prozent Klassen zunehmend rot angegeben (Dürre). Werte über 60 Prozent werden grün dargestellt, da sie eine geringere Belastung der Bäume bedeuten.

 

Referenzen

Puhlmann, H., Morgenstern, Y., Hölscher, A. und v. Wilpert, K. (2010): Water stress induced transpiration reduction and effects on radial growth of beech, Zürich.

Schroeder, D. (1992): Bodenkunde in Stichworten. Hirt in Gebrüder Borntraeger, Berlin; Stuttgart, 5. Auflage, 175 S.

Weis, W.; Ahrends, B.; Fleck, S.; Habel, R.; Wellpott, A. (2023): Modellparameter zur Abbildung des Standortswasserhaushalts mit LWF-Brook90. In: Standortsfaktor Wasserhaushalt im Klimawandel. Forstliche Forschungsberichte München, 224, 190 S.

https://www.forstzentrum.de/index.php/de/aktuell/veroeffentlichungen/forstliche-forschungsberichte-muenchen