der Belüftungssituation bieten sich zwei Messgrößen an:
der Gasdiffusionskoeffizient des Bodens (DS/D0) und
die Kohlendioxidkonzentration der Bodenluft.
Für den Gasaustausch zwischen der Bodenluft und der freien Atmosphäre ist die Diffusion der bedeutendste Transportprozess (GLINSKI und STEPNIEWSKI 1985). Der Gasdiffusionskoeffizient gibt Auskunft darüber, um wie viel die Geschwindigkeit der Gasdiffusion durch den Boden im Vergleich zur Diffusion durch die freie Atmosphäre verringert ist. Ein Gasdiffusionskoeffizient (DS/D0) des Bodens von beispielsweise 0,1 besagt, dass der Gasfluss durch diesen Boden bei gleichem Konzentrationsgradienten 10 % des Gasflusses in der freien Atmosphäre beträgt. Der Gasdiffusionskoeffizient wird bestimmt, indem gemessen wird, wie schnell ein Tracer gas in den Boden bzw. durch eine ungestörte Boden probe diffundiert. Damit steht ein aussagekräftiger Parameter zur Beurteilung der Belüftungssituation des Bodens zur Verfügung.
Als ein einfaches Verfahren zur Beurteilung der Belüftungssituation hat sich die Messung der CO2-Konzentration im Wurzelraum erwiesen. Obwohl hohe CO2-Konzentrationen theoretisch auch auf hohe Produktionsraten hinweisen können, konnten in zahlreichen Untersuchungen hohe Respirationsraten nur dann gemessen werden, wenn das produzierte CO2 auch entsorgt werden kann (SCHACK-KIRCHNER 1994, GAERTIG et al. 2002). QI et al. (1994), BURTON et al. (1997) sowie MCDOWELL et al. (1999) konnten sogar nachweisen, dass hohe CO2-Konzentrationen im Boden die Wurzelrespiration von Baumwurzeln hemmen.
In Abbildung 1 ist der Zusammenhang zwischen dem Gasdiffusionskoeffizienten (DS/D0) des Oberbodens und der CO2-Konzentration der Bodenluft in 5 cm Tiefe an verschiedenen Standorten in drei Vegetationszeiten dargestellt. Die CO2-Konzentration der Bodenluft wird offensichtlich maßgeblich vom Gasdiffusionskoeffizienten gesteuert. Solange sich die Gasdurchlässigkeit des Oberbodens oberhalb einer kritischen Grenze befindet, liegen die CO2-Konzentrationen der Bodenluft unter 0,6 %. Sinkt der Gasdiffusionskoeffizient des Bodens auf Werte unter 0,08 bis 0,06 steigt die CO2-Konzentration in der Bodenluft exponentiell mit der Abnahme des Gasdiffusionskoeffizienten (vgl. GAERTIG 2001).
Abbildung 1: Zusammenhang zwischen dem Gasdiffusionskoeffizienten (D S /D 0 ) und der Konzentration der Bodenluft in 5 cm Bodentiefe
3 Die Reaktion von Bäumen auf Belüftungsstörungen im Boden
3.1 Befahrung von Böden
Um die Folgen von Belüftungsstörungen abschätzen zu können, ist es sinnvoll, Bäume aufzusuchen, die in einem natürlichen Umfeld aufgewachsen sind und von denen ein Kollektiv mit Belüftungsstörungen im Oberboden konfrontiert ist. Solche Bedingungen finden wir in alten Waldbeständen, die erst seit etwa 50 Jahren mit Bodenstrukturstörungen durch Befahrungen belastet sind.
An knapp 2000 Messpunkten wurden in einem etwa 160-jährigen Eichenbestand die CO2-Konzentration in 5 cm Bodentiefe gemessen und die Feinwurzeldichte eingeschätzt. Im oberen Teil der Abbildung 2 ist die flächige Verteilung der CO2-Konzentration auf der Versuchsfläche dargestellt. Extrem hohe CO2-Konzentrationen treten im Bereich der Rückewege, sowie in befahrenen Bestandesteilen auf. Niedrige CO2-Konzentrationen sind in unbefahrenen Bereichen anzutreffen. Mit gleichem räumlichen Interpolationsgrad ist im unteren Teil der Abbildung 2 die flächige Verteilung der Feinwurzelerschließung des Oberbodens dargestellt. Das Muster der Feinwurzelverteilung ist nahezu deckungsgleich mit dem Verteilungsmuster der CO2-Konzentration. In Bereichen mit hoher CO2-Konzentration, also in intensiv befahrenen Bereichen, sind die Feinwurzeln im Oberboden völlig oder teilweise abgestorben.
Abbildung 2: Verteilungsmuster der CO2-Konzentration der Bodenluft in 5 cm Bodentiefe (oben) und der Feinwurzeldichte (unten) in einem Laubholzaltbestand
Die Tiefenwirkung verringerter Gasdurchlässigkeit auf die Durchwurzelung ist in Abbildung 3 dargestellt. Im oberen Teil der Grafik sind die Ergebnisse einzelner Gasdiffusionsmessungen eines den Rückeweg querenden Transekts (links) den Ergebnisse von 63 Gasdiffusionsmessungen in unbefahrenen Bestandesteilen (rechts) gegenübergestellt. Es wird sichtbar, dass direkt unter den Fahrspuren ein Gasaustausch zwischen Bodenluft und Atmosphäre nicht mehr möglich ist. Auch in der Fahrspurmitte und den Randbereichen der Fahrspur ist das Potenzial zum Gasaustausch gegenüber der Referenzfläche um die Hälfte reduziert. In den unteren Abbildungsteilen ist die Wurzeldichte unter der Fahrspur sowie unter einem 8 m von der Rückegasse entfernten Referenzprofil, das im unbefahrenen Bestandesteil angelegt wurde, dargestellt. Während der ungestörte Boden intensiv und gleichmäßig durchwurzelt ist, ist der Boden unter der Fahrspur nur sporadisch durchwurzelt. Besonders unterhalb der sichtbar eingetieften Fahrspuren finden sich kaum noch Feinwurzeln.
Abbildung 3: Oben: Bodengasdurchlässigkeit (D S /D 0 ) einer Fahrspur (links) und unbefahrener Böden wenige Meter von der Fahrspur entfernt (rechts). Unten: Tiefenprofil der Feinwurzelverteilung (≤ 1 mm) unter der Fahrspur (rechts) und eines unbefahrenen Bodens (links)
Es ist anzunehmen, dass überall dort, wo in Abbildung 2 im A-Horizont vermehrt abgestorbene oder kaum lebende Feinwurzeln anzutreffen sind (28 % der Messpunkte), die Tiefendurchwurzelung ähnlich ist, wie in Abbildung 3 unter der Fahrspur. Unter dieser Annahme kann der Boden auf mehr als einem Viertel der Untersuchungsfläche seine Funktion als Wurzelraum aufgrund von befahrungsbedingten Belüftungsstörungen nicht mehr erfüllen.
3.2 Bodenbelüftung – Steuergröße der Feinwurzelerschließung und der Vitalität von Bäumen
Wenn Belüftungsstörungen auf befahrenen Waldböden den Boden als Wurzellebensraum zerstören, stellt sich die Frage, ob Bäume auf schlechter belüfteten Standorten weniger vital sind, als Bäume auf gut durchlüfteten Standorten. Im Rahmen von Untersuchungen zum Eichen sterben wurde in 38 zufällig ausgewählten baden -württembergischen Eichenwäldern der Zusammenhang zwischen Bodenbelüftung, Durchwurzelung und Vitalität der Eichen untersucht (GAERTIG und V. WILPERT 2005). Zur Beurteilung der Belüftungssituation wurde in allen Beständen der Gasdiffusionskoeffizient des obersten Mineralbodens anhand von jeweils 10 Stechzylinderproben bestimmt. Zur Beurteilung der Durchwurzelung wurden alle Feinwurzeln an einer 2 m langen und 1 m tiefen, radial zum Baum orientierten Profilwand im 16 cm2-Raster gezählt. Die Vitalität der Eichen eines Bestandes wurde über die Kronenansprache von 25, dem Profil am nächsten stehenden Eichen im Winter bestimmt (vgl. ROLOFF 1989). Anhand der Kronen- und Feinreisigstruktur wurde jeder Baum einer von 5 „Kronenstrukturstufen“ zugeordnet. Der Stufe 0 werden die Eichen ohne
