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Heft 6, 2013<br />
<strong>WSL</strong> Berichte<br />
ISSN 2296-3448<br />
FORUM<br />
für Wissen<br />
2013<br />
Bodenschutz im Wald:<br />
Ziele – Konflikte – Umsetzung<br />
Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft <strong>WSL</strong><br />
CH-8903 Birmensdorf
Heft 6, 2013<br />
<strong>WSL</strong> Berichte<br />
ISSN 2296-3448<br />
FORUM<br />
für Wissen<br />
2013<br />
Bodenschutz im Wald:<br />
Ziele – Konflikte – Umsetzung<br />
Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft <strong>WSL</strong><br />
CH-8903 Birmensdorf
2 Forum für Wissen 2013<br />
Das Forum für Wissen ist eine Veranstaltung, die von der Eidg. Forschungsanstalt<br />
für Wald, Schnee und Landschaft <strong>WSL</strong> durchgeführt wird. Aktuelle Themen aus<br />
den Arbeitsgebieten der Forschungsanstalt werden vorgestellt und diskutiert. Neben<br />
Referenten von der <strong>WSL</strong> können auswärtige Fachleute beigezogen werden.<br />
Gleichzeitig zu jeder Veranstaltung «Forum für Wissen» erscheint eine auf das<br />
Thema bezogene Publikation in der Reihe <strong>WSL</strong> Berichte.<br />
Verantwortlich für die Herausgabe der Schriftenreihe<br />
Prof. Dr. Konrad Steffen, Direktor <strong>WSL</strong><br />
Verantwortlich für dieses Heft<br />
Dr. Ivano Brunner, Leiter Forschungseinheit Boden-Wissenschaften<br />
Dr. Peter Lüscher, Senior Consultant<br />
Schriftleitung<br />
Sandra Gurzeler<br />
Wir danken folgenden Personen, welche sich als Reviewer zur Verfügung stellten,<br />
für die kritische Durchsicht der Beiträge und die hilfreichen Kommentare:<br />
Franz Borer, Ivano Brunner, Beat Frey, Fritz Frutig, Elisabeth Graf-Pannatier,<br />
Benjamin Lange, Reinhard Lässig, Felix Lüscher, Peter Lüscher, Jörg Luster,<br />
Christine Meyer, Martin Moritzi, Patrick Schleppi, Massimiliano Schwarz, Christoph<br />
Sperisen, Manfred Stähli, Oliver Thees, Peter Waldner, Martin Ziesak und<br />
Stephan Zimmermann<br />
Zitierung<br />
Eidgenössische Forschungsanstalt <strong>WSL</strong> (Hrsg.) 2013: Forum für Wissen 2013.<br />
Bodenschutz im Wald: Ziele – Konflikte – Umsetzung. <strong>WSL</strong> Ber. 6: 116 S.<br />
Layout<br />
Jacqueline Annen, <strong>WSL</strong><br />
Sandra Gurzeler, <strong>WSL</strong><br />
Druck<br />
Rüegg Media AG, Aesch ZH<br />
PERFORMANCE<br />
neutral<br />
Drucksache<br />
01-13-307354<br />
myclimate.org<br />
Bezugsadresse<br />
<strong>WSL</strong> Shop<br />
Zürcherstrasse 111<br />
CH-8903 Birmensdorf<br />
http://www.wsl.ch/eshop/<br />
ISSN 2296-3448<br />
© Eidgenössische Forschungsanstalt <strong>WSL</strong><br />
Birmensdorf 2013
Forum für Wissen 2013 3<br />
Vorwort<br />
Gesunde Böden sind für die Erhaltung einer alles umfassenden Nachhaltigkeit im<br />
Wald eine grundlegende Voraussetzung. Naturbelassene Böden stellen ein System<br />
mit erstaunlich grosser Selbsterhaltungskraft dar und gewährleisten umfassend<br />
die Erfüllung aller Waldfunktionen. Böden sind aber auch eine nicht erneuerbare<br />
Ressource. Es ist daher wichtig, dass Waldböden in ihrer Fruchtbarkeit weder<br />
durch Stoffeinträge noch durch die Waldbewirtschaftung mit entsprechenden physikalischen<br />
Einwirkungen beeinträchtigt werden.<br />
Das Forum für Wissen behandelt verschiedene Bodenschutzthemen anhand aktueller<br />
Beispiele und zeigt Interessenskonflikte sowie Vorschläge zu deren Lösung<br />
auf: Inwieweit lassen sich die Zielvorgaben des Umweltschutz- und des Waldgesetzes<br />
erreichen? Welche Auswirkungen haben die Massnahmen des Bodenschutzes<br />
auf die Biodiversität im Boden? Welche Lösungsansätze werden für das Spannungsfeld<br />
zwischen Ökologie und Ökonomie verfolgt?<br />
Referierende aus Forschung und Praxis präsentieren den aktuellen Stand des<br />
Wissens und zeigen aus Sicht der Bodenschutzpraxis Wege für erfolgversprechende<br />
Massnahmen und Entwicklungen auf.<br />
Der Tagungsband richtet sich an Fachleute aus dem Forstdienst und dem Bodenschutz<br />
sowie aus Verwaltung und Wissenschaft. Er soll – ausgehend von der<br />
heutigen Situation – allen beteiligten Stellen aufzeigen, wie sich der Bodenschutz<br />
im Wald weiter verbessern lässt.<br />
Wir danken allen Autoren und Autorinnen für ihre Beiträge. Wir möchten gemeinsam<br />
mit unseren Partnern das zusammengetragene Wissen künftig weiterentwickeln<br />
und vertiefen sowie die eingeschlagene Umsetzung fortführen. Damit<br />
schaffen wir die nötigen Voraussetzungen für eine nachhaltige Bodennutzung.<br />
Folgenden Personen sei an dieser Stelle herzlich für ihr Engagement bei den Tagungsvorbereitungen<br />
und -durchführung gedankt:<br />
Ivano Brunner, Beat Frey, Frank Hagedorn, Jörg Luster, Stephan Zimmermann<br />
Organisation und Sekretariat: Sandra Gurzeler, Martin Moritzi, Susanne Senn-<br />
Raschle<br />
Birmensdorf, im November 2013<br />
Konrad Steffen, Direktor <strong>WSL</strong><br />
Peter Lüscher, Tagungsleiter
Forum für Wissen 2013 5<br />
Inhalt<br />
Seite<br />
Vorwort 3<br />
Nur wer den Boden kennt, kann ihn schützen und nachhaltig nutzen. 7<br />
Gedanken zur «Mechanischen Belastung von Waldböden»<br />
Peter Lüscher<br />
Bodenschutz in Europa 17<br />
Winfried E.H. Blum<br />
Protection du sol dans les forêts Suisse 21<br />
Jean-Pierre Clément<br />
Bodenschutz im Wald – Beitrag der Waldpolitik 2020 des Bundes 23<br />
Sabine Augustin und Silvio Schmid<br />
Umsetzung des Bodenschutzes im Aargauer Wald 29<br />
Alain Morier<br />
Ökonomische Überlegungen zum physikalischen Bodenschutz im Wald 31<br />
Oliver Thees und Roland Olschewski<br />
Bodenverdichtung und Bodenstruktur 45<br />
Rainer Schulin, Christine Meyer und Peter Lüscher<br />
Sind Waldbodenfunktionen nachhaltig gewährleistet? 47<br />
Beispiel Säurepufferung<br />
Stephan Zimmermann und Jörg Luster<br />
Werden im Boden gespeicherte Metalle durch Umweltveränderungen 55<br />
freigesetzt?<br />
Wolfgang Wilcke, Moritz Bigalke und Adrien Mestrot<br />
Biodiversität von Waldböden – Auswirkungen des Einsatzes 61<br />
von Holzerntemaschinen auf mikrobielle Gemeinschaften<br />
Beat Frey und Martin Hartmann<br />
Bodenbiologie im Referenzmessnetz der Nationalen Bodenbeobachtung 71<br />
NABO<br />
Anna-Sofia Hug, Andreas Gubler, Franco Widmer, Beat Frey,<br />
Hansruedi Oberholzer, Peter Schwab und Reto Meuli<br />
Baumwurzeln und Infiltration 83<br />
Benjamin Lange, Peter Lüscher, Peter Germann und Axel Bronstert<br />
Die Bedeutung der Waldböden für Wassermenge und -qualität 91<br />
in Einzugsgebieten<br />
Karl-Heinz Feger, Raphael Benning und Andreas Wahren<br />
Umsetzung des Bodenschutzes im Aargauer Wald 99<br />
Andreas Freuler<br />
Bodeninformationen für die Waldwirtschaft im Kanton Solothurn 103<br />
Gaby von Rohr, Stephan Margreth und Christine Hauert<br />
Hochwasserschutzwald Gantrisch: der Weg zur quantitativen Methode 107<br />
für die Praxis<br />
Massimiliano Schwarz, Lukas Dämpfle, Peter Lüscher, Philipp Mösch<br />
und Jean-Jacques Thormann
Forum für Wissen 2013: 7–16 7<br />
Nur wer den Boden kennt, kann ihn schützen und<br />
nachhaltig nutzen<br />
Gedanken zur «Mechanischen Belastung von Waldböden»<br />
Peter Lüscher<br />
<strong>WSL</strong> Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf,<br />
peter.luescher@wsl.ch<br />
Ökologische Erkenntnisse, ökonomisches Handeln, technische Weiterentwicklungen<br />
und gesellschaftliche Ansprüche an den Wald beziehungsweise die Waldwirtschaft<br />
erfordern grundsätzliche Überlegungen hinsichtlich künftiger Konzepte<br />
für eine nachhaltige Bodennutzung. Mit der «Waldpolitik 2020» wurden für den<br />
Bodenschutz Rahmenbedingungen gesetzt, die mit den Zielgrössen und Indikatoren<br />
– entwickelt im Projekt «Physikalischer Bodenschutz im Wald» – übereinstimmen<br />
und den Schutz des Bodens vor irreversiblen Veränderungen sicherstellen.<br />
Diese Vorgaben sollen langfristige Beeinträchtigungen des Bodens vermeiden<br />
beziehungsweise minimieren. Sie haben verbindlichen Charakter hinsichtlich<br />
Umsetzung und Vollzug in den Kantonen. Bodenkundliche Grundkenntnisse sind<br />
dabei unerlässlich, um die nachhaltige Nutzung der Waldböden zu gewährleisten.<br />
Nicht zuletzt sind sie eine wichtige Voraussetzung für die einheitliche Kommunikation<br />
der Schutzanliegen zwischen allen Beteiligten.<br />
VBBo 1998), aber auch in der Waldgesetzgebung<br />
gefordert – zu erkennen,<br />
zu bewerten und durch Umsetzung<br />
bodenkundlicher Kenntnisse soweit als<br />
möglich zu verhindern bzw. zu minimieren<br />
(Lüscher et. al. 2009a) um<br />
damit eine nachhaltige Bodennutzung<br />
sicherzustellen. Eine wichtige Voraussetzung<br />
ist dabei, dass alle am Prozess<br />
beteilgten Akteure begrifflich eine<br />
gemeinsame Sprache finden.<br />
1 Einleitung<br />
Das Befahren von natürlich gelagerten<br />
Waldböden mit Forstmaschinen<br />
kann auf einem Grossteil der Böden<br />
im Schweizer Wald im Bereich der<br />
Fahrspuren tiefgreifende und zum Teil<br />
lang anhaltende oder gar irreversivle<br />
Bodenveränderungen verursachen,<br />
die wichtige Bodenfunktionen beeinträchtigen.<br />
Sind Porenvolumen und<br />
Porenvernetzung beeinträchtigt, ist die<br />
Transportleistung des Bodens für Wasser<br />
und Luft eingeschränkt. Die Versorgung<br />
der Wurzeln mit Wasser und Luft<br />
ist aber eine unabdingbare Voraussetzung<br />
für die Fruchtbarkeit von Waldböden<br />
und für das Wachstum der darauf<br />
stockenden Bestände. Durch starke<br />
Bodenverdichtungen werden nicht<br />
nur im Keimbeet die Voraussetzungen<br />
für die Naturverjüngung drastisch verschlechtert,<br />
auch das Wurzelwachstum<br />
wird bis in beträchtliche Bodentiefen<br />
nachhaltig gestört. Dies lässt sich mit<br />
dem Begriff der «langfristigen Beeinträchtigung<br />
der Bodenfruchtbarkeit<br />
nach physikalischer Belastung» treffend<br />
beschreiben und auch quantifizieren.<br />
Mit dem Projekt «Physikalischer<br />
Bodenschutz im Wald» ist das in den<br />
vergangenen Jahre weitgehend erreicht<br />
worden. Für die Umsetzung der Vorgaben<br />
sind bodenkundliche Grundkenntnisse<br />
eine unerlässliche Voraussetzung.<br />
Das gilt für den Oberboden, den<br />
Bodenaufbau, bestimmte Bodenmerkmale<br />
und -eigenschaften, den Bodenwasserhaushalt<br />
und insbesondere die<br />
aktuelle Bodenfeuchte zum Zeitpunkt<br />
des Befahrens spielt eine bedeutende<br />
Rolle. Aus ökologischer und wirtschaftlicher<br />
Sicht ist es daher zentral: Der<br />
Boden muss geschützt werden!<br />
Ziel muss es sein, eine langfristige<br />
Beeinträchtigung der Bodenfruchtbarkeit<br />
durch Bodenverdichtung – wie im<br />
Umweltschutzgesetz (USG 1983 und<br />
D<br />
Driving<br />
forces<br />
2 Rahmenbedingungen zur<br />
Beurteilung der nachhaltigen<br />
Bodennutzung<br />
Zur Beurteilung einer nachhaltigen<br />
Bodennutzung wird auf europäischer<br />
Ebene oft das Indikator-Rahmenprogramm<br />
DPSIR (Abkürzung für Driving<br />
forces, Pressure, State, Impact and<br />
Response nach EEA 1999; vgl. Abb. 1)<br />
verwendet. Damit werden unter anderem<br />
Bodenschutzprobleme erfasst,<br />
deren zeitliche Veränderungen überwacht<br />
sowie die dahinter stehenden<br />
Kräfte, Einflüsse und Aktionen kont-<br />
Vermehrte Nutzung der Ressource Holz durch bodengestützte<br />
Holzernte<br />
P Pressure Auf und in den fruchtbaren Boden wirkende Kräfte<br />
S State Struktur- und Eigenschaftsveränderungen im Boden in<br />
Abhängigkeit von statischen und dynamischen Parametern<br />
I Impact Langfristige Beeinträchtigung der Bodenfruchtbarkeit mit<br />
negativen Folgen für Waldwaschstum und -verjüngung<br />
R Response Massnahmen wie bspw. Ausbildung und Sensibilisierung der<br />
Akteure, Vorgaben zu Holzernteverfahren, zum Einsatz von<br />
Maschinen sowie zur Maschinentechnik<br />
Abb. 1. DPSIR-Modellansatz (EEA 1999) mit konkreter Abstimmung auf die Holzerntemassnahmen.
8 Forum für Wissen 2013<br />
rolliert und gesteuert. Das Modell kann<br />
auch verwendet werden, um Umweltbelastungen<br />
und Umweltschutzmassnahmen<br />
darzustellen. Im Folgenden<br />
wird dieser Ansatz zur Beurteilung der<br />
mechanischen Belastung des Waldbodens<br />
durch die Holzerntemassnahmen<br />
eingesetzt. Die Systembetrachtung soll<br />
visualisieren, wie der Waldboden im<br />
Umfeld von Waldbestand, Waldstandort<br />
bis zur Holznutzung über die Systemgrenzen<br />
hinweg beeinflusst wird.<br />
Im System «Ressourcennutzung<br />
Holz» sind, bezogen auf das Modell<br />
DPSIR (Abb. 2), die Holzernte und der<br />
Maschineneinsatz die treibenden Kräfte<br />
(D). Sie sind Ursache der potenziellen<br />
Belastung (P), die im Boden zu<br />
einer Veränderung (DS) verschiedener<br />
Bodeneigenschaften führt. Die Wirkung<br />
solcher Veränderungen ist besonders<br />
im Hinblick auf eine allfällige<br />
Beeinträchtigung der Bodenfruchtbarkeit<br />
(I) zu beurteilen und zu bewerten.<br />
Zu diesem Zweck verwenden wir für<br />
die konkrete Umsetzung in der Praxis<br />
zuvor klar definierte Spurtypen, die es<br />
erlauben, durch den Maschineneinsatz<br />
entstehende Fahrspuren zu unterscheiden<br />
(Tab. 1). Im Vergleich mit bekannten<br />
Referenzgrössen lassen sich diese<br />
Spurtypen als wirkungsorientiertes<br />
Mass der Bodenveränderung nutzen.<br />
Je nach Grad der Beeinträchtigung<br />
werden entsprechende Massnahmen<br />
Ressourcennutzung Holz<br />
Holzernteverfahren<br />
Waldstandort<br />
Standortfaktoren<br />
Waldbestand<br />
Wachstum Verfüngung<br />
Waldboden<br />
Wurzeln<br />
Abb. 2. Systembetrachtung im Rahmen der DPSIR-Indikatoren.<br />
(R) erforderlich, die rechtzeitig einzuleiten<br />
bzw. umzusetzen sind.<br />
Dieser Modellansatz zeigt einen Weg<br />
für eine direkte Zusammenarbeit zwischen<br />
Wissenschaft, Forstwirtschaft,<br />
Gesellschaft und Politik. Ebenfalls lässt<br />
sich daraus eine thematische Strategie<br />
für den Wissenstransfer ableiten<br />
(Lüscher et al. 2008a und b).<br />
Der Boden steht über die Wurzeln<br />
der Bäume in einer engen Verbindung<br />
mit dem Waldbestand. Ein Waldbestand<br />
setzt sich aus oberirdischen<br />
Teilen (Stamm, Krone) und einem<br />
unterirdischen Teil, dem Wurzelsystem,<br />
zusammen. Das Wurzelwachstum<br />
muss sich, der baumartenspezifischen<br />
Wurzelarchtektur folgend, vom Sämling<br />
bis zum Altbestand ungestört im<br />
Boden entwickeln können und darf<br />
einzig durch natürliche Eigenschaften<br />
beeinflusst werden. Der Oberboden<br />
(Humus) mit seinen typischen Eigenschaften<br />
wird durch den Streueintrag<br />
aus dem Bestand wesentlich beeinflusst.<br />
Die standortsspezifische Humusform<br />
bildet das Keimbeet und den<br />
Wurzelraum für die Verjüngung einer<br />
nächsten Baumgeneration. Umsatzraten<br />
von Stoffen aus Wurzelwachstum<br />
und -erneuerung sind weitere Grössen,<br />
die eine interaktive Verknüpfung<br />
der beiden Systeme bewirken. Unter<br />
dem Einfluss der Standortsfaktoren<br />
ergibt sich als übergeordnete Einheit<br />
D bewirkt ein P und ergibt ΔS, das über Indikatoren und deren Veränderung<br />
festgehalten werden kann. Dabei darf keine langfristige Beeinträchtigung<br />
der Bodenfruchtbarkeit eintreten.<br />
Vollzug mit Vorgaben<br />
z.B. ökologische Standards, Ausbildung, Interventionswerte<br />
D<br />
P<br />
S<br />
I<br />
R<br />
ein Waldstandort. Mittels unterschiedlicher<br />
Ernteverfahren wirken bei der<br />
Holznutzung durch den Maschineneinsatz<br />
Kräfte auf den Boden, die ein<br />
erkennbares Spurbild hinterlassen (vgl.<br />
Kap. 4.2). Dabei erfolgt eine Beeinträchtigung<br />
der Bodeneigenschaften<br />
und allenfalls auch der Bodenfruchtbarkeit.<br />
Ein ökologischer Schaden<br />
liegt vor, wenn die Bodenfruchtbarkeit<br />
langfristig beeinträchtigt wird. Die<br />
gezielte Ausbildung und Sensibilisierung<br />
aller verantwortlichen Akteure<br />
soll zur Minimierung von Bodenschäden<br />
beitragen.<br />
3 Standortskundliche Voraussetzungen<br />
für den Schutz<br />
des Bodens<br />
Der im Umweltschutzgesetz im<br />
Zusammenhang mit der Bodenfruchtbarkeit<br />
weitsichtig erwähnte «Standort»<br />
– hier ein «Waldstandort» – stellt<br />
ein System dar, das «Waldbestand»<br />
und «Boden» über die Standortsfaktoren<br />
mit gegenseitiger Wechselwirkung<br />
verbindet. Dieser Bezug zum Standort<br />
bzw. zu den damit verbundenen bodenkundlichen<br />
Voraussetzungen, wie ihn<br />
der Gesetzgeber vorgibt, ist für eine<br />
nachhaltige Bodennutzung zentral.<br />
So wurden beispielsweise im Merkblatt<br />
für die Praxis Nr. 45 der <strong>WSL</strong><br />
(Lüscher et al. 2009b) die typischen<br />
Humusformen (Abb. 3) und auch<br />
die Vernässungsmerkmale (Abb. 6)<br />
beschrieben und abgebildet. Die<br />
Humusformen erlauben erste Hinweise<br />
auf die Befahrungsempfindlichkeit<br />
der Böden. Vernässungsmerkmale zeigen<br />
eine geringe oder sich verschlechternde<br />
Leitfähigkeit für Wasser und<br />
Luft im Porensystem des Bodens an.<br />
Oxidations- und Reduktionsprozesse<br />
verursachen sichtbare Farbmuster<br />
im Boden. Die Tiefe ihres Auftretens<br />
und ihre Ausprägung geben Hinweise<br />
auf die Durchlüftungssituation bzw.<br />
Vernässung im Wurzelraum und eine<br />
Bewertung erfolgt über den Vernässunggrad<br />
(Walthert et al. 2004).<br />
Die Ursache für das Auftreten<br />
von Vernässungsmerkmalen ist die<br />
gehemmte Wasserdurchlässigkeit bzw.<br />
das Stauwasser. Der Grund für eine<br />
gehemmte Wassersickerung kann im<br />
Bodenaufbau liegen, ist möglicherwei-
Forum für Wissen 2013 9<br />
Tab. 1. Kriterien zur Unterscheidung der drei Spurtypen.<br />
Kriterium Spurtyp 1 Spurtyp 2 Spurtyp 3<br />
Aufbau Oberboden nicht gestört +/– gestört gestört<br />
Spureintiefung *<br />
bleibt in Oberbodenhorizonten<br />
(5 bis max. 10 cm)<br />
bleibt in Oberbodenhorizonten<br />
(meist < 10 cm)<br />
reicht bis in Unterbodenhorizonte<br />
(> 10 cm)<br />
Verformung keine ** Ansätze von seitlichen Auspressungen<br />
des Oberbodens<br />
Farbe (Vernässungsmerkmale)<br />
ausgeprägte seitliche<br />
Aufwölbungen<br />
Vernässungsmerkmale je nach den standörtlichen Voraussetzungen vorhanden<br />
* Hauptkriterium ist, bis in welchen Bodenhorizont die Spureintiefung reicht und nicht die eigentliche Spurtiefe in cm.<br />
** teilweise sind Stollenabdrücke sichtbar<br />
se aber auch – meist bei oberflächennahem<br />
Auftreten – auf das Befahren<br />
mit Holzerntemaschinen zurückzuführen.<br />
Grund- und/oder Hangwassereinflüsse<br />
können ebenso Ursache für<br />
wechselfeuchte bzw. ständig wassergesättigte<br />
Bodenhorizonte sein.<br />
Je nach Bodenaufbau, Bodenmerkmalen<br />
und -eigenschaften ergibt sich<br />
eine unterschiedliche standortspezifische<br />
Beurteilung der Befahrungsempfindlichkeit<br />
eines Bodens (Abb. 4).<br />
Wo Bodenkarten vorhanden sind,<br />
kann – als Planungsgrundlage für den<br />
vorsorglichen physikalischen Bodenschutz<br />
– die Verdichtungsempfindlichkeit<br />
auch in Form von grossmassstäbigen<br />
Karten dargestellt werden (vgl. von<br />
Rohr et al. in diesem Tagungsband).<br />
4 Umsetzung des Bodenschutzes<br />
bedingt<br />
Bodenkenntnisse<br />
4.1 Bodenaufbau und<br />
Bodenwasserhaushalt<br />
Der Bodenaufbau lässt Aussagen über<br />
den Wasserhaushalt eines Bodens zu,<br />
beispielsweise durch Benennung des<br />
Bodentyps. Böden mit einem dichter<br />
gelagerten Horizont sind oft durch<br />
Stauwasser beeinflusst (Pseudogley,<br />
pseudovergleyte Böden). Durch Hangund/oder<br />
Grundwasser beeinflusste<br />
Böden (Gley, vergleyte Böden) weisen<br />
wechselfeuchte Horizonte auf und<br />
haben in unterschiedlicher Tiefe einen<br />
ständig wassergesättigten Horizont.<br />
Dabei ist die Tiefe, in der wassergesättigte<br />
Zustände auftreten sowohl im<br />
Winter als auch im Sommer, in Abhängigkeit<br />
vom Vernässungsgrad, deutlich<br />
unterschiedlich (Abb. 4). Dies zeigt,<br />
dass Vernässungsmerkmale bei der<br />
Beurteilung eines Bodens bezüglich<br />
Befahrungsempfindlichkeit eine zentrale<br />
Grösse darstellen. So weisen Gleye<br />
generell eine «hohe bis extrem hohe»<br />
Befahungsempfindlichkeit auf. Wenn<br />
ausnahmsweise, am ehesten im Sommer,<br />
ein Vernässungsgrad «schwach<br />
grundnass» vorliegt (mit einer gesättigten<br />
Zone unterhalb von einem Meter)<br />
kann von einer lediglich «mittleren»<br />
Befahrungsempfindlichkeit ausgegangen<br />
werden.<br />
L<br />
L<br />
L<br />
Ah<br />
Ah<br />
F<br />
H<br />
F<br />
H<br />
Zur Humusform Mull (L/Ah) gehört eine<br />
grosse biologische Aktivität mit raschem<br />
Streuabbau (meistens zwischen ein und<br />
zwei Jahren) und inniger Vermischung von<br />
Humusstoffen und mineralischer Feinerde.<br />
Solche Oberböden sind allgemein mit Nährstoffen<br />
gut versorgt, locker gelagert und weisen<br />
eine Krümelstruktur auf. Sie sind nach<br />
mechanischer Belastung je nach Abbaumilieu<br />
unterschiedlich regenerationsfähig.<br />
Moder (L/F/[H]/Ah) wird vor allem in<br />
krautarmen Laub- und Nadelwäldern mit<br />
relativ nährstoffarmen Oberböden oder<br />
unter kühlfeuchten Klimaverhältnissen<br />
gebildet (Entwicklungszustand zwischen<br />
Mull und Rohhumus).<br />
Ah<br />
Rohhumus (L/F/H/Ah) ist typisch für extrem<br />
nährstoffarme und meist grobkörnige<br />
Oberböden unter einer Pflanzendecke,<br />
die schwer abbaubare Streu liefert. Dichte,<br />
lichtarme Nadelwälder ohne krautigen<br />
Unterwuchs oder mit Zwergstrauchbewuchs<br />
begünstigen eine Rohhumusbildung<br />
ebenso wie ein kühlfeuchtes Klima. Die<br />
verschiedenen organischen Auflagehorizonte<br />
sind klar unterscheidbar.<br />
Abb. 3. Typische Humusformen im Wald. Um den Waldboden zu schützen, muss sein Aufbau bekannt sein. Die Humusformen geben Hinweise<br />
auf die Befahrungsempfindlichkeit und das Regenerationsvermögen.<br />
L Streuhorizont (weitgehend unzersetzte Vegetationsrückstände); F Fermentationshorizont (teilweise zersetzte, mehrjährige Vegetationsrückstände);<br />
H Humusstoffhorizont (mehrheitlich organische Feinsubstanz); Ah humushaltiger Oberbodenhorizont (dunkel gefärbt).
10 Forum für Wissen 2013<br />
0<br />
Gleye<br />
A - Horizont<br />
0<br />
vergleyte Bodentypen<br />
A - Horizont<br />
20<br />
40<br />
60<br />
80<br />
20<br />
40<br />
60<br />
80<br />
ohne Vernässung<br />
AG-, BG-, CG - Horizont<br />
100<br />
150<br />
Go - Horizont 150<br />
Gr oder Go,r<br />
100<br />
Go,r oder Gr<br />
200<br />
Vernässungsgrad<br />
schwach<br />
grundnass<br />
mässig<br />
grundnass<br />
stark<br />
grundnass<br />
sehr stark<br />
grundnass<br />
sumpfig<br />
200<br />
Vernässungsgrad<br />
keine<br />
Vernässung<br />
schwach<br />
grundnass<br />
mässig<br />
grundnass<br />
stark<br />
grundnass<br />
Befahrungsempfindlichkeit<br />
mittel bis hoch mittel bis hoch bis extrem hoch<br />
extrem hoch<br />
Befahrungsempfindlichkeit<br />
gering bis hoch<br />
hoch bis extrem hoch<br />
0<br />
20<br />
40<br />
60<br />
80<br />
Pseudovergleyung<br />
ohne Vernässung<br />
Bcn-Horizont<br />
AS- , BS- , CS- Horizont<br />
A-Horizont<br />
ES-Horizont<br />
100<br />
150<br />
200<br />
Sw oder Sd<br />
250<br />
300<br />
Vernässungsgrad<br />
keine<br />
Vernässung<br />
sehr schwach<br />
pseudovergleyt<br />
schwach<br />
pseudovergleyt<br />
mässig<br />
pseudovergleyt<br />
stark<br />
pseudovergleyt<br />
Pseudogley<br />
Stagnogley<br />
Befahrungsempfindlichkeit<br />
gering bis mittel mittel mittel bis hoch hoch<br />
hoch bis extrem hoch<br />
Mittlere Tiefe der wassergesättigten Zone im Winter<br />
Mittlere Tiefe der wechselfeuchten Zone im Winter<br />
mit wassergesättigten Phasen<br />
Mittlere Tiefe der wassergesättigten Zone im Sommer<br />
Mittlere Tiefe der wechselfeuchten Zone im Sommer<br />
mit wassergesättigten Phasen<br />
Legende:<br />
Signaturen<br />
Mangankonkretionen<br />
Fahl-Rot-Färbung<br />
Rostflecken<br />
Reduktionsfarben<br />
Horizontbezeichnungen<br />
S Stauwasserhorizont<br />
Sw Stauwasserleitender Horizont<br />
Sd Wasser stauender Horizont<br />
SE Auswaschungshorizont (Nassbleichung)<br />
G<br />
Go<br />
Gr<br />
Grundwasserhorizont<br />
Oxidationshorizont<br />
Reduktionshorizont<br />
Abb. 4. Vernässungsgrad in grund- und stauwasserbeeinflussten Böden mit Bezug zur Befahrungsempfindlichkeit (nach Walthert et al.<br />
2004 ergänzt aus Richard et al. 1983).
Forum für Wissen 2013 11<br />
Bei pseudovergleyten Böden (stauwasserbeeinflusst)<br />
mit Vernässungsgraden<br />
von «sehr schwach bis mässig pseudovergleyt»,<br />
liegt vorwiegend im Sommer<br />
eine «mittlere bis hohe» Befahrungsempfindlichkeit<br />
vor. Der wechselfeuchte<br />
Bereich mit periodischer Wassersättigung<br />
sinkt dabei unter einen Meter<br />
Tiefe.<br />
Normal durchlässige Böden ohne<br />
Vernässungsmerkmale (z. B. Braunerden)<br />
haben in Abhängigkeit von Körnung<br />
und Skelettgehalt einen ausgeglichenen<br />
Wasserhaushalt, der eine<br />
Befahrung innert drei bis fünf Tagen<br />
nach einem Regenereignis zulässt.<br />
Diese Betrachtungen helfen bei der<br />
Planung der Holzernte zur Einschätzung<br />
der Befahrungsempfindlichkeit.<br />
Zum Zeitpunkt einer Befahrung ist<br />
aber immer noch die aktuelle Bodenfeuchte<br />
in Abhängigkeit vom Witterungsverlauf<br />
zu berücksichtigen (vgl.<br />
Kap. 4.4).<br />
4.2 Spurbilder und Oberboden<br />
Für die Spurtypen als Indikatoren zur<br />
Beurteilung der Beeinträchtigung der<br />
Bodenfruchtbarkeit ist die Ansprache<br />
und die Unterscheidung von Ober- und<br />
Unterboden wichtig (Tab. 1). Der Spurtyp<br />
3 wird durch drei Merkmale charakterisiert,<br />
die alle erfüllt sein müssen:<br />
1) Die Spureintiefung reicht bis in den<br />
Unterboden, 2) es sind zusätzlich deutlich<br />
ausgeprägte seitliche Aufwölbungen<br />
(Verformungen) vorhanden und<br />
3) die Spurtiefe beträgt in der Regel<br />
mehr als 10 cm. Das Spurbild und die<br />
damit zusammenhängende Bodenfunktionalität<br />
definieren gemeinsam<br />
den Spurtyp 3. Wo dieser auftritt, ist ein<br />
ökologischer Schaden im Boden sehr<br />
wahrscheinlich, was nach entsprechenden<br />
Massnahmen ruft. Der Spurtyp 3<br />
ist für die praktische Arbeit im Wald<br />
ein einfacher und zugleich deutlich<br />
erkennbarer Indikator für eine starke<br />
Bodenbeeinträchtigung: Bis bessere<br />
Bedingungen herrschen, sind hier die<br />
Holzerntearbeiten umgehend einzustellen.<br />
Je nach dem standortspezifischen<br />
Auftreten der Humusform ergibt sich<br />
für den Oberboden ein unterschiedliches<br />
Bild. Die Mächtigkeit des Oberbodens<br />
ist an der dunkleren Farbe, hervorgerufen<br />
durch den Humusgehalt,<br />
erkennbar. Je höher der Humusgehalt<br />
umso dunkler bis schwärzlich ist in der<br />
Regel die Bodenfarbe. In den standortskundlichen<br />
Grundlagenwerken der<br />
einzelnen Kantone oder im NaiS-Ordner<br />
(Frehner et al. 2005) sind SOLL-<br />
Werte für die Humusformen der einzelnen<br />
Waldstandortstypen aufgeführt.<br />
Damit sind unter idealen, naturnahen<br />
Voraussetzungen die Mächtigkeiten<br />
der Oberböden mittels der Humusform<br />
indirekt definiert. Differenzen zwischen<br />
dem IST-Zustand einer Humusform<br />
und der beobachteten Mächtigkeit<br />
des Oberbodens lassen sich meist<br />
durch waldbauliches Handeln in der<br />
Vergangenheit erklären (Abb. 5).<br />
4.3 Relevante Merkmale für die<br />
Tragfähigkeit des Bodens<br />
Anhand ausgewählter Bodenmerkmale<br />
lässt sich die Tragfähigkeit bzw.<br />
die Verdichtungsempfindlichkeit von<br />
Waldböden ansprechen, abschätzen<br />
und beurteilen. Der Skelettgehalt<br />
(Stein-/Kiesgehalt), die Korngrössenzusammensetzung<br />
(Bodenart),<br />
das Gefüge, der Vernässungsgrad, der<br />
Tab. 2 . Grundsätze zur Bewertung der Befahrungsempfindlichkeit.<br />
Befahrungsempfindlichkeit<br />
(=Verdichtungs- und<br />
Spurbildungsrisiko)<br />
gering<br />
mittel<br />
hoch<br />
minimale Befahrung<br />
Extrem hoch<br />
Keine Befahrung<br />
Bodeneigenschaften<br />
Durchlässigkeit<br />
Skelettgehalt<br />
Bodenart<br />
Vernässung<br />
Vernässungsgrad<br />
Humusgehalt<br />
übermässig durchlässige, skelettreiche,<br />
grobkörnige Böden<br />
keine Vernässung<br />
Normaldurchlässige Böden mit<br />
geringen Skelettgehalten und<br />
sehr unterschiedlichen Korngrössen<br />
Vorsicht: bei Tonverlagerung<br />
wird unter Umständen die<br />
Durchlässigkeit reduziert<br />
Gehemmt durchlässige Böden<br />
Grund-, Hangwasser beeinflusste<br />
Böden<br />
oft feinkörnige Böden<br />
Oberflächennah vernässte<br />
Böden<br />
Bodenaufbau<br />
(Bodenentwicklung,<br />
Bodentypen)<br />
rohe Böden wie: Gesteinsrohböden,<br />
Ranker, Rendzinen,<br />
Regosole<br />
Verwitterungsböden wie:<br />
Braunerden<br />
Parabraunerden<br />
Podsole<br />
staunasse Böden wie: Pseudogleye<br />
und Stagnogleye sowie<br />
Nassböden wie Gleye<br />
Stagnogleye<br />
Torfe, Organische Böden<br />
Bemerkungen<br />
keine besonderen Massnahmen<br />
aktuelle Bodenfeuchte beachten<br />
bei nasser Witterung<br />
Zeitpunkt der Befahrung<br />
bedeutsam:<br />
– Bodenfeuchte messen<br />
– Boden ggf. abtrocknen lassen<br />
Zeitpunkt der Befahrung<br />
besonders bedeutsam:<br />
nach längeren trockenen<br />
Perioden oder bei gut<br />
gefrorenem Boden<br />
möglichst keine Befahrung oder<br />
Beschränkung auf wenige<br />
Fahrlinien<br />
Reisigmatten anlegen
12 Forum für Wissen 2013<br />
organische<br />
Auflage<br />
Bodenoberfläche<br />
Vermischungstiefe<br />
der Mineralerde<br />
mit organischem<br />
Material<br />
cm<br />
12<br />
0<br />
2<br />
4<br />
6<br />
8<br />
10<br />
12<br />
14<br />
16<br />
18<br />
Rohhumus<br />
Moder<br />
8 mehrjährige<br />
Zersetzungsphasen der<br />
Streu<br />
4<br />
Vegetationsrückstände<br />
zunehmende biologische Bodenaktivität<br />
Mull<br />
einjährige<br />
Humusgehalt und vor allem die aktuelle<br />
Bodenfeuchte zum Zeitpunkt des<br />
Befahrens sind dafür die massgeblichen<br />
Kriterien. Die Befahrungsempfindlichkeit<br />
wird von gering über mittel<br />
bis hoch beziehungsweise extrem hoch<br />
(nicht befahrbar) eingestuft (Abb. 4<br />
und Tab. 2). Diese Einteilung erlaubt<br />
es, zu beurteilen, wie tragfähig ein<br />
Boden ist, was vor allem bei der Planung<br />
von Feinerschliessungssystemen<br />
wie auch bei umfassenden Holzerntemassnahmen<br />
sehr wichtig ist. Dieses<br />
Vorgehen wurde im Kapitel 4.1 bereits<br />
kurz erwähnt.<br />
Legende:<br />
festgestellter IST - Zustand<br />
Bereich der standortstypischen Humusform (SOLL - Zustand)<br />
künftige Entwicklungstendenzen<br />
mögliche natürliche Entwicklung<br />
Entwicklung nach erfolgter waldbaulicher Massnahme<br />
Mull > 8–10 cm mächtige Vermischung<br />
Moder < 8 cm mächtige Vermischung<br />
Rohhumus nur einige cm mächtige Vermischung<br />
Abb. 5. Typische Humusformen mit organischer Auflage und Vermischungstiefe der Mineralerde<br />
mit organischem Material.<br />
Messnetze mit laufend aktualisierten Werten zur Bodenfeuchte<br />
Folgende Adressen (Auswahl) sind zur Zeit aktiv und brücksichtigen teilweise<br />
auch Waldstandorte:<br />
– Kt. SO, AG, BL (Nordwestschweiz): www.bodenmessnetz.ch; Abfrage<br />
1.9.2013<br />
Messstationen im Wald sind zur Zeit in Breitenbach (SO), Dulliken (SO)<br />
und Etziken (SO).<br />
– Kt. AI, AR, GL,GR, SG SH TG, ZH, FL (Ostschweiz): 17 Stationen im<br />
Freiland www.bodenfeuchte-ostschweiz.ch; Abfrage 1.9.2013<br />
– Kt. BE: 6 Stationen im Freiland<br />
http://www.vol.be.ch/vol/de/index/landwirtschaft/landwirtschaft/bodenschutz/bodenzustand/messwerte_bodenfeuchte.html;<br />
Abfrage 1.9.2013<br />
– Kt. LU: 6 Stationen im Freiland<br />
http://http://www.umwelt-luzern.ch/index/themen/bodenschutz/messnetz_<br />
bodenfeuchte.htm; Abfrage 17.10.2013<br />
– Kt. UR: http://www.boden-uri.ch; Abfrage 1.9.2013 (1 Station im Freiland)<br />
– <strong>WSL</strong>, LWF: http://www.wsl.ch/info/organisation/fpo/lwf/results/data/swc_<br />
DE, Abfrage 1.9.2013<br />
Wassergehaltsmessungen auf den Stationen (Wald): Bettlachstock (SO),<br />
Vordemwald (AG), Othmarsingen (AG), Schänis (SG), Davos (GR), Celerina<br />
(GR), Beatenberg (BE) und Lausanne (VD)<br />
Skelettgehalt<br />
Zum Skelettgehalt (Stein-/Kiesgehalt)<br />
eines Bodens werden alle mineralischen<br />
Bodenbestandteile mit<br />
einem Durchmesser von mehr als<br />
2 mm gezählt (Kiesel, Steine und Blöcke).<br />
Mit zunehmendem Skelettgehalt<br />
nimmt der Feinerdeanteil und somit<br />
das für die Wurzeln nutzbare Bodenvolumen<br />
ab.<br />
Das Skelett hat eine Stützfunktion<br />
und verleiht dem Boden eine gute<br />
Stabilität gegenüber mechanischen<br />
Belastungen. Ein stark skeletthaltiger<br />
Boden ist beim Befahren mit schweren<br />
Maschinen widerstandsfähiger<br />
gegen Verdichtung als ein Boden mit<br />
geringerem Skelettgehalt. Ab 50 % V<br />
Skelett kann von einem unempfindlichen<br />
Boden und damit von einem sehr<br />
geringen Verdichtungsrisiko ausgegangen<br />
werden.<br />
Bodenart und Gefüge<br />
Die Körnung, auch als Bodenart<br />
bezeichnet, kann zur groben Beurteilung<br />
des Verdichtungsrisikos verwendet<br />
werden. Sie ist Ausdruck der prozentualen<br />
Verteilung von Ton, Schluff<br />
und Sand in der Feinerde. Je feinkörniger<br />
ein Boden ist, desto plastischer und<br />
empfindlicher reagiert er – dies auch in<br />
Abhängigkeit vom Wassergehalt – auf<br />
eine mechanische Belastung.<br />
Tonböden sind im trockenen<br />
Zustand extrem hart und tragfähig.<br />
Mit zunehmender Feuchtigkeit werden<br />
sie plastisch und stärker verformbar,<br />
was ihre Empfindlichkeit gegenüber<br />
mechanischer Belastung erhöht.<br />
Zudem binden Tonböden das Bodenwasser<br />
in den Feinporen sehr stark,<br />
trocknen also langsamer aus und benötigen<br />
nach einem Regen mehr Zeit als
Forum für Wissen 2013 13<br />
andere Böden, bis sie wieder schonend<br />
befahren werden können.<br />
Schluffböden erreichen bei Niederschlägen<br />
den plastischen Bereich<br />
wesentlich früher als Tonböden. Sie<br />
sind deshalb sehr empfindlich und<br />
im zeitlichen Ablauf rasch gefährdet.<br />
Nach einem Starkregen können sie<br />
wegen ihres grossen Anteils an Feinund<br />
Mittelporen kaum vor drei Tagen<br />
bis zu zwei Wochen später schonend<br />
befahren werden.<br />
Reine Sandböden verformen sich<br />
bei Nässe nur wenig, und die Entwässerung<br />
der mehrheitlich groben Poren<br />
erfolgt innerhalb von drei Tagen, so<br />
dass sie nach Niederschlägen rasch<br />
wieder befahrbar sind. Bereits geringe<br />
Schluffanteile können jedoch eine<br />
drastische Erhöhung der Empfindlichkeit<br />
von solchen Böden bewirken.<br />
Das Bodengefüge bildet sich unter<br />
dem Einfluss von Bodenlebewesen<br />
sowie durch chemische und physikalische<br />
Prozesse. Je nach Form und<br />
Anordnung der festen Bodenbestandteile<br />
unterscheidet sich der Zusammenhalt<br />
der Bodenpartikel und damit<br />
die Reaktion auf eine Belastung des<br />
Bodens u.a. durch Forstfahrzeuge. Je<br />
nach Gefügeform besitzt ein Boden<br />
ein unterschiedlich grosses und verzweigtes<br />
Hohlraumsystem. Dieses<br />
ergibt eine für natürlich gewachsene<br />
Böden typische zum Teil lockere Lagerung.<br />
Besonders ausgeprägt ist dies<br />
beim Krümelgefüge in biologisch aktiven<br />
Oberböden, das gegenüber Befahrung<br />
oft empfindlich reagiert, umgekehrt<br />
aber auch regenerationsfähig<br />
ist. Durch das Gefüge werden wichtige<br />
Eigenschaften wie der Wasser-, Luftund<br />
Nährstoffhaushalt sowie die Wasserdurchlässigkeit<br />
beeinflusst.<br />
vom Grundwasser beeinflusst sind<br />
(Gleye) und solchen, die vom Stauwasser<br />
geprägt werden (Pseudogleye). Je<br />
nach Lage der Obergrenze von Reduktionshorizonten<br />
Gr oder Oxidationshorizonten<br />
Go wird zwischen «schwach<br />
grundnassen bis sumpfigen» Gleyen<br />
unterschieden. Von Stauwasser beeinflusste<br />
Böden werden nach der Lage<br />
der Obergrenze des stauwasserführenden<br />
Sw- oder wasserstauenden Sd-<br />
Horizontes beurteilt.<br />
Die Vernässung wird als stark<br />
bezeichnet, wenn Vernässungsmerkmale<br />
im gesamten Wurzelraum vorhanden<br />
sind und als schwach, wenn nur vereinzelt<br />
oder schwach ausgeprägte Vernässungsmerkmale<br />
auftreten. Die Tragfähigkeit<br />
des Bodens nimmt mit zunehmendem<br />
Vernässungsgrad ab (Abb. 4).<br />
Mangankonkretionen<br />
Die kleinen dunkelvioletten bis schwarzen<br />
Flecken kennzeichnen die schwächste Stufe<br />
der Vernässung.<br />
Humusgehalt<br />
Der Humusgehalt bezeichnet den<br />
Gehalt an organischer Substanz in<br />
einem Boden. Er kann in weiten Grenzen<br />
schwanken und variiert je nach<br />
biologischer Bodenaktivität, Bodenaufbau,<br />
Bodenfeuchtigkeit, Pflanzendecke,<br />
Klima und Waldnutzung. Als<br />
Faustregel gilt: je dunkler die Farbe<br />
der Matrix, desto höher der Gehalt an<br />
organischer Substanz.<br />
Das mechanische Verhalten von<br />
Humus ist mit demjenigen von Ton vergleichbar.<br />
Je höher der Humusgehalt,<br />
desto plastischer wird sich der Boden<br />
bei entsprechend höheren Wassergehalten<br />
unter mechanischer Belastung<br />
verhalten. Je höher der Humusgehalt<br />
des Bodens ist (jedoch unterhalb der<br />
Grenze zu anmoorigen Bedingungen),<br />
Marmorierungen/Fahl-Rot-Färbungen<br />
Marmorierungen/Fahl-Rot-Färbungen entstehen<br />
bei einem kleinräumigen Wechsel<br />
von gebleichten und rostfarbigen Zonen,<br />
bedingt durch örtliche Verdichtungen.<br />
Vernässungsmerkmale und<br />
Vernässungsgrad<br />
Zu den Vernässungsmerkmalen gehören<br />
Mangankonkretionen, Fahl-Rot-<br />
Färbungen (Marmorierungen), Rostflecken<br />
in wechselfeuchten Bereichen<br />
und Reduktionsfarben (Abb. 6), entstanden<br />
in Horizonten mit ständiger<br />
Wassersättigung.<br />
Um eine nachvollziehbare und einheitliche<br />
Beurteilung der Vernässung<br />
zu gewährleisten, wird die in Abbildung<br />
4 gezeigte Übersicht der Merkmale<br />
verwendet. Im Schema wird<br />
unterschieden zwischen Böden, die<br />
Rostflecken<br />
Diffuse Rostflecken sind Hinweise von mittelfristigen<br />
Durchlüftungsproblemen.<br />
Reduktionsfarben<br />
Die blaugrauen Reduktionsfarben entstehen<br />
dort, wo ein Bereich des Bodens ständig<br />
wassergesättigte Poren aufweist.<br />
Abb. 6. Die Vernässungsmerkmale zeigen die Durchlüftungssituation im Boden. Die Ursache<br />
der gehemmten Wasserdurchlässigkeit kann befahrungsbedingt sein, kann aber auch im<br />
Unterboden unter natürlichen Bedingungen vorkommen.
14 Forum für Wissen 2013<br />
Die hier aufgeführten Quellen enthalten verschiedene, vertiefte Grundlagen<br />
und Ausführungen zum Thema:<br />
– BAFU Umwelt-Wissen 2014: Physikalischer Bodenschutz im Wald. (in Vorbereitung,<br />
Lüscher et al. 2014)<br />
In diesem Handbuch wird von den gesetzlichen Vorgaben und den bodenkundlichen<br />
Grundlagen ausgegangen. Im Weiteren werden ökologische<br />
und ökonomische Aspekte erläutert bis zu Hinweisen und Anleitungen zur<br />
praktischen Umsetzung des Bodenschutzes.<br />
– Merkblatt für die Praxis Nr. 45, 2010: Das Merkblatt «Physikalischer<br />
Bodenschutz im Wald» fasst in leicht verständlicher Weise die wichtigsten<br />
Hinweise zusammen, mit denen sich die Bodenfruchtbarkeit langfristig<br />
erhalten lässt (Lüscher et al. 2009b).<br />
– Waldböden der Schweiz, 2004 ff: Bände 1–3<br />
In drei Bänden werden 95 ausgewählte Böden morphologisch, physikalisch<br />
und chemisch charakerisiert. Die Daten werden bodengenetisch und<br />
-ökologisch interpretiert. Allfällige ökologische Risiken u.a. Hinweise zur<br />
Verdichtungsgefährdung werden aufgezeigt. Durch Analogieschlüsse zu<br />
den dokumentierten Böden lassen sich Eigenschaften an beliebigen Waldstandorten<br />
abschätzen. Im Grundlagenteil des ersten Bandes werden die<br />
morphologischen Bodenmerkmale z.B. Vernässung, Gefüge, Körnung, etc.<br />
eingehend erläutert (Walthert et al. 2004; Blaser et al. 2005; Zimmermann<br />
et al. 2006).<br />
– Physikalische Eigenschaften von Böden der Schweiz (Lokalformen), 1978ff<br />
Sammlung von 23 Profilen (Lokalformen) mit bodenphysikalischen Daten<br />
u.a. Desorptionskurven (Zusammenhang zwischen der Sauspannung und<br />
dem Wassergehalt bei einem Austrocknungsvorgang), z.T. mit Sauspannungsmessungen<br />
(im Gelände erhoben) (Richard und Lüscher 1983).<br />
– Waldböden – Ein Bildatlas der wichtigsten Bodentypen aus Österreich,<br />
Deutschland und der Schweiz (2013): Davon 15 Böden aus der Schweiz.<br />
Auf vier Seiten werden pro Standort die wichtigsten Informationen zusammengestellt<br />
u.a. mit einer einfachen Risikoabschätzung (3 Stufen) bezüglich<br />
Trockenstress, Luftmangel, Nährstoffmangel, Verdichtung und Erosion<br />
(Leitgeb et al. 2013).<br />
– Standorte der Langfristigen Waldökosystemforschung (LWF)<br />
der <strong>WSL</strong> (2003): http://e-collection.ethbib.ethz.ch/cgi-bin/show.<br />
pl?type=bericht&nr=276<br />
ausgewählte LWF-Flächen mit Wassergehaltsmessungen (vgl. Kap. 4.4;<br />
Walthert 2003)<br />
tigung (z. B. nach starken Niederschlägen,<br />
zum Zeitpunkt der Schneeschmelze<br />
oder in der Vegetationsruhe beim<br />
Ausbleiben der Transpiration) sind oft<br />
alle Poren mit Wasser gefüllt. Bedingt<br />
durch die Schwerkraft entleeren sich<br />
grosse Poren aber sehr schnell. In den<br />
mittleren und feinen Poren hingegen<br />
verbleibt das Bodenwasser aufgrund<br />
der hier wirkenden Kapillarkräfte. Der<br />
Anteil wassergesättigten Porenraums<br />
eines bestimmten Bodenvolumens ist<br />
ein Mass für die Bodenfeuchte, die<br />
stark von der jeweils aktuellen Witterung<br />
abhängt. Daneben bestimmen<br />
hauptsächlich die vorgängig erwähndesto<br />
geringer wird das Verdichtungsrisiko<br />
durch das Befahren. Ähnlich wie<br />
Tone, zeigen stark humose Böden erst<br />
bei sehr hohen Wassergehalten viskoplastisches<br />
Verhalten.<br />
4.4 Bodenfeuchte zum Zeitpunkt<br />
des Befahrens<br />
Der Boden besteht aus festen Bestandteilen<br />
(Matrix) und Hohlräumen. Diese<br />
bilden ein zusammenhängendes<br />
Porensystem für den Gas- und Wasserhaushalt<br />
im Boden. Bei Wassersät-<br />
Das Befahren eines Bodens ist ab einer<br />
Saugspannung von 10 cbar grundsätzlich<br />
möglich. Beim Einhalten dieser<br />
Belastungsgrenze kann mit eher leichten<br />
Maschinen und optimaler Berei-<br />
ten Bodeneigenschaften die Geschwindigkeit,<br />
mit der sich Änderungen der<br />
Bodenfeuchte einstellen.<br />
Die Bodenfeuchte kann grundsätzlich<br />
auf zwei verschiedene Arten<br />
erfasst werden, entweder misst man<br />
den Wassergehalt oder die Saugspannung.<br />
Während der Wassergehaltden<br />
Wasseranteil im Porenraum eines<br />
bestimmten Bodenvolumens darstellt<br />
(ausgedrückt in Volumenprozenten,<br />
% V ), beschreibt die Saugspannung diejenige<br />
Kraft (physikalisch ausgedrückt<br />
ein Unterdruck), die benötigt wird, um<br />
dem Boden Wasser entziehen zu können.<br />
Die Saugspannung stabilisiert die<br />
festen Bodenteilchen mit zunehmendem<br />
Unterdruck immer stärker und<br />
hat damit einen direkten Einfluss auf<br />
die mechanische Belastbarkeit des<br />
Bodens. Bei hoher Saugspannung ist<br />
die Tragfähigkeit des Bodens viel grösser<br />
und die Gefahr von Bodenschäden<br />
durch Verdichtung klein. Hingegen ist<br />
bei feuchtem oder gar nassem Boden<br />
und der damit verbundenen geringen<br />
Saugspannung die Verdichtungsgefährdung<br />
viel grösser.<br />
Die Saugspannung wird mit einem<br />
sogenannten Tensiometer ermittelt.<br />
Die Masseinheiten für die Saugspannung<br />
sind cmWS (cm Wassersäule), hPa<br />
(Hektopascal) oder – diese Druckeinheit<br />
wird heute am häufigsten verwendet<br />
– cbar(Centibar). Die Saugspannung<br />
als Mass für die aktuelle Bodenfeuchte<br />
ermöglicht eine Bewertung der<br />
Tragfähigkeit und damit der Verdichtungsempfindlichkeit<br />
des Bodens.<br />
Folgende Saugspannungsbereiche<br />
sollen für Akteuren, die mit Böden<br />
in Land- und Forstwirtschaft sowie<br />
im Bauwesen arbeiten, eine Orientierungshilfe<br />
sein und standardmässig in<br />
Entscheidungsprozesse miteinbezogen<br />
werden.<br />
> 25 cbar trocken<br />
10–25 cbar feucht<br />
6–10 cbar sehr feucht kein Befahren<br />
0–6 cbar nass kein Befahren<br />
(und keine Bodenbearbeitung)
Forum für Wissen 2013 15<br />
sprechenden Massnahmen ruft. Damit<br />
ist für die praktische Arbeit im Wald<br />
ein einfacher Indikator gegeben, an<br />
dem sich die Praktiker orientieren können:<br />
Beim Auftreten vom Spurtyp 3<br />
sind die Holzerntearbeiten aus bodenökologischer<br />
Sicht zu unterlassen.<br />
Damit steht für den Vollzug des physikalischen<br />
Bodenschutzes ein Instrument<br />
zur Verfügung, womit die Umsetzung<br />
und die Kommunikation über<br />
die zu treffenden Massnahmen gefördert<br />
und objektiviert wird. Dazu sind<br />
aber Kenntnisse der bodenkundlichen<br />
Grundlagen nötig. Erst damit lässt sich<br />
eine nachhaltige Bodennutzung direkt<br />
im Gelände umsetzen.<br />
Beim Fehlen der auf Basis von detaillierten<br />
Bodenkarten erstellten Verdichtungempfindlichkeitskarten<br />
(vgl. von<br />
Rohr et al. in diesem Tagungsband)<br />
kann auch mit Bodenkennwerten die<br />
Verdichtungsempfindlichkeit vorsorglich<br />
abschätzt und diese als Planungsgrundlage<br />
u.a. für die Feinerschliessung<br />
verwendet werden (vgl. Freuler<br />
in diesem Tagungsband).<br />
In den vergangenen Jahren führten<br />
viele Kantone und die <strong>WSL</strong> umfassende<br />
Aus- und Weiterbildungen zur Planung<br />
und Ausführung von Holzerntefung<br />
eine bodenschonende Befahrung<br />
sichergestellt werden. Für schwere<br />
Maschinen sind höhere Saugspannungen<br />
einzuhalten.<br />
Die Bodenfeuchte wird in der Regel<br />
in 35 cm Tiefe bestimmt, d.h. an der<br />
theoretischen Grenze des Unterbodens.<br />
Im Wald kann es zweckmässig<br />
sein, sich auf eine zusätzliche Messung<br />
im Bereich des Oberbodens abzustützen,<br />
vor allem wenn der Oberboden<br />
nicht bis 35 cm Tiefe reicht.<br />
Als Alternative zur Saugspannungsmessung<br />
kann der Wassergehalt einfach<br />
mit einem TDR-Gerät (Time<br />
Domain Reflectometry) bestimmt werden.<br />
Die Interpretation des Wassergehaltes<br />
hinsichtlich Befahrungsempfindlichkeit<br />
ist beispielsweise mit dem<br />
Informationssystem ProFor (Ziesak<br />
2004) der Technischen Universität<br />
München möglich. Dabei wird mittels<br />
Kennziffern der Forstmaschine inklusive<br />
Reifen und spezifischer Bodendaten<br />
(vgl. Kap. 4.3) ein Grenzwassergehalt<br />
ermittelt, der ein bodenschonendes<br />
Befahren erlaubt.<br />
Abb. 7. Fahrspur mit Vernässungsmerkmalen. Mangankonkretionen, Rostflecken und<br />
Re duktionsfarben (graublau) sind ein Hinweis auf die eingeschränkte Durchlüftung. Durch<br />
das Befahren wurde der Porenraum verkleinert und die Porenkontinuität unterbrochen.<br />
Messnetze<br />
Die Bodenfeuchte wird in der Schweiz<br />
in einzelnen Kantonen auf Messnetzen<br />
erhoben. Die Kantone Zürich, Bern,<br />
Solothurn, Aargau, Baselland, Luzern<br />
und Uri haben solche automatischen<br />
Messstationen in Betrieb. Die Messdaten<br />
(im Moment die Saugspannung für<br />
Ober- und Unterboden auf landwirtschaftlich<br />
genutzten Böden, vereinzelte<br />
Stationen auch im Wald) können direkt<br />
im Internet abgerufen werden. Diese<br />
Informationen dienen als wichtige<br />
Hinweise zu witterungsbedingten, auch<br />
saisonalen Tendenzen. Sie sind wesentliche<br />
Entscheidungshilfen für einen<br />
bodenschonenden Arbeitseinsatz.<br />
5 Folgerungen<br />
Die Beeinträchtigungen des Waldbodens<br />
durch mechanische Belastung lassen<br />
sich mittels dreier klar definierter<br />
Spurtypen beurteilen und bewerten.<br />
Aufgrund der Zusammenhänge zwischen<br />
Spurbild und Bodenfunktionalität<br />
wurde es möglich, den Spurtyp 3<br />
zu definieren, dessen Auftreten ein eindeutiges<br />
Signal für einen ökologischen<br />
Schaden im Boden ist und nach ent-<br />
massnahmen durch. Diese verbesserten<br />
bei mehr als 1800 Forstleuten und<br />
Unternehmern die bodenkundlichen<br />
Grundkenntnisse. Diese Massnahmen<br />
stärken, nebst einer Wissensvermehrung,<br />
bei vielen Praktikern auch das<br />
Bewusstsein für das Vorsorgeprinzip in<br />
der forstlichen Tätigkeit, was der präventiven<br />
Grundhaltung in der Schweizerischen<br />
Umweltgesetzgebung entspricht.<br />
Es ist festzuhalten, dass sich Bodenschädigungen<br />
durch konsequente Planung<br />
und durch Nutzung der Feinerschliessung<br />
unter Berücksichtigung des<br />
Standortes minimieren lassen. Wenn<br />
zum Zeitpunkt des Befahrens von<br />
Waldböden die aktuelle Bodenfeuchte<br />
als Entscheidungsgrundlage berücksichtigt<br />
wird, kann eine Vielzahl von<br />
Beeinträchtigungen verhindert werden.<br />
Die Aufgaben der verschiedenen<br />
Verantwortungsträger für den physikalischen<br />
Bodenschutz werden im <strong>WSL</strong><br />
Merkblatt für die Praxis Nr. 45 zum<br />
Thema «Physikalischer Bodenschutz<br />
im Wald» (Lüscher et al. 2009b) eingehend<br />
beleuchtet.<br />
Mit dem aufgezeigten Weg kann eine<br />
nachhaltige Bodennutzung nach dem<br />
DPSIR-Prinzip gewährleistet werden.
16 Forum für Wissen 2013<br />
6 Literatur<br />
BAFU (Hrsg.) 2013: Waldpolitik 2020. Visionen,<br />
Ziele und Massnahmen für eine<br />
nachhaltige Bewirtschaftung des Schweizerwaldes.<br />
Bern, Bundesamt für Umwelt.<br />
66 S.<br />
Blaser, P.; Zimmermann, S.; Luster, J.; Walthert,<br />
L.; Lüscher, P., 2005: Waldböden<br />
der Schweiz. Band 2. Regionen Alpen<br />
und Alpensüdseite. Birmensdorf, Eidgenössische<br />
Forschungsanstalt <strong>WSL</strong>, Bern,<br />
Hep Verlag. 920 S.<br />
EEA, European Environment Agency,<br />
1999: Environment in the European Union<br />
at the turn of the Century. Copenhagen,<br />
Denmark, EEA.<br />
Frehner, M.; Wasser, B; Schwitter, R.,<br />
2005: Nachhaltigkeit und Erfolgskontrolle<br />
im Schutzwald. Vollzug Umwelt, Bern,<br />
Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft.<br />
564 S.<br />
Freuler, A., 2013: Umsetzung des Bodenschutzes<br />
im Aargauer Wald. Forum für<br />
Wissen 2013. Bodenschutz im Wald: Ziele<br />
– Konflikte – Umsetzung. 99–102.<br />
Leitgeb, E.; Reiter, R.; Englisch, M.;<br />
Lüscher, P.; Schad, P.; Feger, K.H.,<br />
(Hrsg.) 2013: Waldböden – Ein Bildatlas<br />
der wichtigsten Bodentypen aus Österreich,<br />
Deutschland und der Schweiz.<br />
WILEY-VCH Verlag. 387 S.<br />
Lüscher, P.; Sciacca, S.; Thees, O., 2008a:<br />
Bestrebungen zur Verbesserung des<br />
Bodenschutzes in der Schweiz. LWF<br />
aktuell 67/2008 Jg. 15. 19–21.<br />
Lüscher, P.; Sciacca, S. und Frutig, F.,<br />
2008b: Bodenschutz-Ausbildung in der<br />
Schweiz. LWF aktuell 67/2008 Jg. 15. S.<br />
33–34.<br />
Lüscher, P.; Borer, F.; Blaser, P., 2009a:<br />
Langfristige Beeinträchtigung der<br />
Fruchtbarkeit von Waldböden. In: Thees,<br />
O.; Lemm, R. (Hrsg): Management<br />
zukunftsorientierter Waldnutzung. Beiträge<br />
aus einem Forschungsprogramm<br />
für die Schweizer Waldwirtschaft. Zürich,<br />
Vdf-Verlag. 261–270.<br />
Lüscher, P.; Frutig, F.; Sciacca, S.; Spjevak,<br />
S.; Thees, O., 2009b: Physikalischer<br />
Bodenschutz im Wald: Bodenschutz beim<br />
Einsatz von Forstmaschinen. Physikalischer<br />
Bodenschutz im Wald. Bodenschutz<br />
beim Einsatz von Forstmaschinen. Merkbl.<br />
Prax. 45: 12 S.<br />
Lüscher, P.; Thees, O.; Frutig, F., 2014:<br />
Physikalischer Bodenschutz im Wald.<br />
Umwelt-Wissen Nr. Bern, Bundesamt für<br />
Umwelt (in Vorbereitung).<br />
Richard, F.; Lüscher, P., 1983: Physikalische<br />
Eignschaften von Böden der Schweiz.<br />
Sonderserie EAFV.<br />
USG, 1983: Bundesgesetz über den Umweltschutz<br />
vom 7. Okt. 1983, AS 1984 1122,<br />
SR 814.01. Bern, EDMZ.<br />
VBBo, 1998: Verordnung vom 1. Juli 1998<br />
über Belastungen des Bodens. SR 814.12.<br />
Bern, EDMZ.<br />
von Rohr, G.; Margreth, S.; Hauert, C.,<br />
2013: Bodeninformationen für die Waldwirtschaft<br />
im Kanton Solothurn. Forum<br />
für Wissen 2013. Bodenschutz im Wald:<br />
Ziele – Konflikte – Umsetzung. 103–106.<br />
Wathert, L.; Blaser, P.; Lüscher, P.; Luster,<br />
J.; Zimmermann, S., 2003: Langfristige<br />
Waldökosystemforschung LWF<br />
in der Schweiz. Ergebnisse der ersten<br />
Erhebung 1994–1999. Birmensdorf,<br />
Eidg. Forschungsanstalt <strong>WSL</strong>. http://ecollection.ethbib.ethz.ch/cgi-bin/show.<br />
pl?type=bericht&nr=276<br />
Walthert, L.; Zimmermann, S.; Blaser, P.;<br />
Luster, J.; Lüscher, P., 2004: Waldböden<br />
der Schweiz. Band 1. Grundlagen und<br />
Region Jura. Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt<br />
<strong>WSL</strong>, Bern, Hep Verlag.<br />
768 S.<br />
Ziesak, M., 2004: Entwicklung eines Informationssystems<br />
zum bodenschonenden<br />
Fortstmaschineneinsatz. Lehrstuhl für<br />
forstliche Arbeitswissenschaft und Angewandte<br />
Informatik. München. TU München.<br />
130 S.<br />
Zimmermann, S.; Blaser, P.; Wathert,<br />
L.; Lüscher, P., 2006: Waldböden der<br />
Schweiz. Band 3. Region Mittelland und<br />
Voralpen. Birmensdorf, Eidgenössische<br />
Forschungsanstalt <strong>WSL</strong>. Bern, Hep Verlag.<br />
Abstract<br />
Understanding the soil is essential for its protection and sustainable use: Some<br />
thoughts on mechanical stress of forest soils<br />
Future policies for sustainable soil use require fundamental reflection to take<br />
into account ecological findings, economic activity, technical advances and social<br />
demands on forests and forestry. The Swiss Confederation’s Forest Policy 2020<br />
specifies conditions for soil protection corresponding to the targets and indicators<br />
developed as part of the ‘Physical protection of forest soils’ project, aimed at<br />
protecting soil from irreversible changes. These measures for implementation and<br />
enforcement in the cantons are binding and are intended to avoid or minimise<br />
long-term soil damage. In this context, basic pedological knowledge is vital to<br />
ensure forest soils are used sustainably, and communication with all stakeholders<br />
about protection issues is consistent.<br />
Keywords: physical soil protection, soil compaction, soil quality, soil properties,<br />
soil fertility
Forum für Wissen 2013: 17–20 17<br />
Bodenschutz in Europa<br />
Winfried E.H. Blum<br />
Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Bodenforschung, Department für Wald und Bodenwissenschaften,<br />
Gregor Mendel Strasse 33, A-1180 Wien, winfried.blum@boku.ac.at<br />
In diesem Beitrag wird die Entwicklung des Bodenschutzes in Europa von der<br />
«Europäischen Bodencharta» des Europarats / Strassburg, 1972, bis zur Mitteilung<br />
der Europäischen Kommission «Zur Implementierung der Thematischen<br />
Bodenschutzstrategie», 2012, beschrieben. Weiter wirdgezeigt, dass erst die Befassung<br />
der Politik mit der Ressource Boden, ähnlich wie zuvor mit Luft und Wasser,<br />
nennenswerte Fortschritte im Bodenschutz erbracht hat. Daneben haben auch<br />
Wissenschaft und Forschung wesentliche Beiträge geleistet. Die bisher erreichten<br />
Ergebnisse wie Information der Öffentlichkeit und Erhöhung des öffentlichen<br />
Interesses, Integration des Bodenschutzes in weitere Politikbereiche wie<br />
z. B. Land- und Forstwirtschaft, Verkehr und Industrie, weitere zusätzliche Forschung<br />
sowie neue Gesetzgebung zum Bodenschutz wie z. B. die Europäische<br />
Bodenschutz- Rahmenrichtlinie, sind beachtlich und haben inzwischen auch andere<br />
Staaten wie z. B. die USA angeregt, sich stärker dem Bodenschutz zu widmen.<br />
1 Einleitung<br />
Bodenschutz in Europa wurde bereits<br />
1972 vom Europarat in Strassburg mittels<br />
der «European Soil Charta» proklamiert,<br />
die im Jahre 2003 erneuert<br />
wurde. Diese Bodencharta ist älter als<br />
die 1982 von der FAO in Rom proklamierte<br />
«World Soil Charta». Beide Proklamationen<br />
hatten im Wesentlichen<br />
deklamatorischen Charakter und waren<br />
für operationale Umsetzungen nicht<br />
geeignet. Sie haben daher bezüglich<br />
Bodenschutz auch keine wesentliche<br />
Wirkung gezeitigt, obwohl vom Europarat<br />
in Strassburg mehrere Verlautbarungen<br />
publiziert wurden wie zum Beispiel<br />
«Problems of Soil Conserva tion»,<br />
1988, «Feasibility Study on Possible<br />
National and/or European Actions in<br />
the Field of Soil Protection», 1990, und<br />
«European Soil Resources», 1995.<br />
Erst im Jahre 2002 wurden dann von<br />
Seiten der Europäischen Kommission<br />
in Brüssel neue Schritte für den<br />
Bodenschutz in Europa unternommen.<br />
2 Europäische Union und<br />
Bodenschutz in Europa<br />
Im Jahre 2002 traten auf Einladung<br />
von Spanien fünfzehn Umweltminister<br />
Europas zusammen, um ein Dokument<br />
für den Bodenschutz in Europa zu ratifizieren,<br />
mit dem Titel «Hin zu einer<br />
spezifischen Bodenschutzstrategie». Es<br />
wurde als Mitteilung der Kommission<br />
an den Rat, das Europäische Parlament,<br />
den Wirtschafts- und Sozialausschuss<br />
und an den Ausschuss der Regionen<br />
weitergeleitet; (KOM [2002]179<br />
endgültig, vom 16.04.2002).<br />
Dies war eine bedeutsame politische<br />
Aktion, wodurch erstmalig in der<br />
Geschichte Europas nach den Medien<br />
Luft und Wasser der Boden als wesentliches<br />
Element der Umwelt betrachtet<br />
wurde und entsprechende Massnahmen<br />
eingeleitet wurden.<br />
Neben einer Begriffsbestimmung des<br />
Bodens sowie der Definition der fünf<br />
wichtigsten Bodenfunktionen wurden<br />
acht wesentliche Gefahren für den<br />
Boden in der Europäischen Union und<br />
in weiteren Ländern aufgezeigt.<br />
Der Boden wurde als oberste Schicht<br />
der Erdrinde definiert, die sich aus mineralischen<br />
Teilchen, organischer Substanz,<br />
Wasser, Luft und lebenden Organismen<br />
zusammensetzt, und als Schnittstelle<br />
zwischen Erde (Geosphäre), Luft<br />
(Atmosphäre) und Wasser (Hydrosphäre)<br />
wesentliche Aufgaben erfüllt.<br />
Darüber hinaus wurden fünf wesentliche<br />
Bodenfunktionen benannt:<br />
– die Erzeugung von Lebensmitteln<br />
und Biomasse,<br />
– die Speicherung, Filterung und<br />
Umwandlung,<br />
– der Boden als Lebensraum und<br />
Genpool,<br />
– der Boden als physische und kulturelle<br />
Umwelt des Menschen und<br />
– der Boden als Rohstoffquelle.<br />
Diese Gliederung basierte im Wesentlichen<br />
auf bisherigen Publikationen<br />
von Blum (vgl. z. B. Blum 1995) sowie<br />
der Publikation des Europarats 1995.<br />
Bedeutend war hierbei die Betonung<br />
der Multifunktionalität von Böden, da<br />
für Mensch und Umwelt alle Funktionen<br />
wesentlich sind.<br />
Von besonderer Bedeutung war die<br />
Benennung der acht Bodengefährdungen:<br />
– die Erosion (ausgelöst durch natürliche<br />
und anthropogene Einflüsse),<br />
– der Verlust der organischen Bodensubstanz<br />
(als ein wesentliches Problem<br />
der langfristigen Bodenfruchtbarkeit<br />
sowie des Bodens als Grundlage<br />
der Biodiversität),<br />
– die Bodenkontamination (durch<br />
lokale und diffuse Bodenkontaminationen,<br />
letztere z. B. hervorgerufen<br />
durch atmosphärische Deposition,<br />
durch unsachgemässe landwirtschaftliche<br />
Praktiken und Abfallbeseitigung),<br />
– die Bodenversiegelung (durch Infrastrukturentwicklung<br />
wie z. B. die<br />
Errichtung von Gebäuden, Transporteinrichtungen),<br />
– die Bodenverdichtung (durch<br />
mechanische Bodenbelastung),<br />
– der Rückgang der biologischen Vielfalt<br />
im Boden,<br />
– die Versalzung, sowie<br />
– Überschwemmungen und Erdrutsche.<br />
3 Bodenschutz im Wald<br />
Im Hinblick auf das Tagungsthema<br />
«Bodenschutz im Wald» sind vor allem<br />
Bodenverdichtung, Erosion, teilweise
18 Forum für Wissen 2013<br />
auch Kontamination sowie der Rückgang<br />
der biologischen Vielfalt und<br />
möglicherweise Erdrutsche zu nennen.<br />
Es erscheint interessant hier anzumerken,<br />
dass die Bodenversauerung,<br />
die im Wald eine bedeutende Rolle<br />
spielt, nicht in der Liste der Bodengefährdungen<br />
Berücksichtigung fand, mit<br />
dem Argument, dass Versauerung prinzipiell<br />
ein natürlicher Prozess ist, der<br />
nicht ausschliesslich anthropogen verursacht<br />
wird.<br />
Weil Bodengefährdungen vor allem<br />
durch unsachgemässe landwirtschaftliche<br />
Nutzung verursacht werden, ist es<br />
erklärlich, dass diese eine besondere<br />
Berücksichtigung fanden. Dass Bodenschutz<br />
auch im Wald eine wichtige Rolle<br />
spielt, wurde wohl aus agrarpolitischen<br />
Gründen in der Europäischen<br />
Bodenschutzstrategie nicht eigens<br />
berücksichtigt.<br />
Dies ist auch deshalb bedauerlich,<br />
weil Waldböden als naturnahe und<br />
wenig gestörte Ökosysteme als Vergleichsbasis<br />
für belastete und gestörte<br />
landwirtschaftliche Böden von Bedeutung<br />
sind.<br />
4 Europäische Kommission<br />
und Umsetzung der Bodenschutzstrategie<br />
im nationalen<br />
und internationalen<br />
Umfeld<br />
2002 wurden von der Europäischen<br />
Kommission fünf technische Arbeitsgruppen<br />
zu Bodenmonitoring, Erosion,<br />
organische Bodensubstanz, Kontamination<br />
und Forschung mit der Aufgabe<br />
eingesetzt, bisherige Kenntnisse auf<br />
den jeweiligen Sachgebieten zu evaluieren<br />
und Wissenslücken aufzuzeigen,<br />
die im weiteren durch Forschung und<br />
Entwicklung behoben werden sollten<br />
(vgl. Abb. 1). So hatte zum Beispiel die<br />
Arbeitsgruppe «Forschung» 65 Mitglieder<br />
aus ganz Europa und verfasste<br />
mehrere Publikationen wie zum Beispiel<br />
Blum et al. 2004a und 2004b.<br />
Insgesamt wurden von allen fünf<br />
Arbeitsgruppen während der Jahre<br />
2002 bis 2004 mehrere umfangreiche<br />
Publikationen verfasst (vgl. Abb. 2).<br />
Nach Beratung der Ergebnisse aus<br />
den verschiedenen Arbeitsgruppen im<br />
wissenschaftlichen und parlamentarischen<br />
Umfeld sowie in der Administ-<br />
Abb. 1. Organisation der Europäischen Kommission in fünf technische Arbeitsgruppen.<br />
Für die Forschung wurden neue Forschungsthemen<br />
definiert und mehr<br />
finanzielle Mittel bereitgestellt.<br />
Bezüglich der Erhöhung der öffentlichen<br />
Aufmerksamkeit wurden zahlreiche<br />
Initiativen unternommen wie<br />
zum Beispiel die Veröffentlichung des<br />
Bodenatlasses von Europa, die Einführation<br />
der Kommission in den Jahren<br />
2004 bis 2006 wurde von der Kommission<br />
im September 2006 die «Thematische<br />
Strategie für Bodenschutz»<br />
veröffentlicht, die drei Mitteilungen<br />
umfasste:<br />
1. Die Mitteilung selbst [(KOM 2006)<br />
2031] über die thematische Strategie<br />
für Bodenschutz,<br />
2. Die Direktive [(KOM 2006) 232]<br />
für die Entwicklung einer Rahmenrichtlinie<br />
für Bodenschutz und die<br />
Umsetzung der Direktive 2004/35/<br />
EC, sowie<br />
3. Eine ökonomische Bewertung der<br />
bisherigen Bodenschutzprobleme<br />
(SEC [2006] 620) als Ergänzung der<br />
thematischen Bodenschutzstrategie.<br />
Bezüglich der Bodengefährdungen<br />
in Europa wurde mitgeteilt, dass etwa<br />
15 Millionen ha oder 12 Prozent der<br />
gesamten Landfläche durch Wassererosion<br />
und 42 Millionen ha durch Winderosion<br />
gefährdet sind; dass etwa 45<br />
Prozent der europäischen Böden einen<br />
zu niedrigen Gehalt an organischer<br />
Substanz besitzen, vor allem Böden in<br />
Südeuropa, aber ebenfalls in Frankreich,<br />
im Vereinigten Königreich und in<br />
Deutschland, dass in der Europäischen<br />
Union etwa 3,5 Millionen potenziell<br />
kontaminierte Flächen vorhanden sind,<br />
und dass zwischen 1990 und 2000 mindestens<br />
2,8 Prozent der europäischen<br />
Landfläche durch Vergrösserung der<br />
urbanen Zentren, durch Strassenbau<br />
sowie weitere Infrastrukturmassnahmen<br />
versiegelt wurden.<br />
Für die operationelle Durchführung<br />
der thematischen Strategie zum<br />
Bodenschutz wurde eine Rahmenrichtlinie<br />
für alle 27 Länder der Europäischen<br />
Union vorgeschlagen, die allerdings<br />
bisher nicht implementiert werden<br />
konnte, weil sich fünf europäische<br />
Länder dagegen ausgesprochen haben.<br />
Es wurden jedoch folgende drei<br />
Massnahmen in Gang gesetzt:<br />
1. Integration des Bodenschutzes in<br />
die Formulierung und Implementierung<br />
europäischer, nationaler und<br />
kommunaler Politik,<br />
2. Neue Forschungsmassnamen innerhalb<br />
der europäischen Gemeinschaft<br />
und auch innerhalb nationaler<br />
Forschungsprogramme und<br />
3. Einleitung eines Programms zur<br />
Er höhung der öffentlichen Wahrnehmung<br />
von Böden und vor allem<br />
der Notwendigkeit, diese zu schützen.
Forum für Wissen 2013 19<br />
rung von europäischen Sommer-Lehrveranstaltungen<br />
einschliesslich Fortbildungsmassnahmen<br />
an Universitäten<br />
und weiteren Bildungseinrichtungen<br />
und die Einrichtung von Preisen für<br />
vorbildliche nachhaltige Bodenbewirtschaftung<br />
wie zum Beispiel der «Europäische<br />
Umwelt- und Bodenschutz<br />
Preis» für Praktiker.<br />
Da nachhaltige Bodenbewirtschaftung<br />
kein primär wissenschaftliches<br />
sodern im Wesentlichen ein politisches<br />
Thema darstellt, wurden zusätzlich das<br />
Indikator-Rahmenprogramm DPSIR<br />
(«Driving Forces, Pressure, State, Impact,<br />
and Response») von der Europäischen<br />
Umweltagentur entwickelt (Abb.<br />
3). Dieses Rahmenprogramme wurde<br />
in der kommissionellen Arbeitsgruppe<br />
«For schung» für eine operationale<br />
Umsetzung in der Umweltforschung<br />
und im Umweltschutz» weiter entwickelt,<br />
speziell als Grundlage für die<br />
zukünftige angewandte Forschung auf<br />
dem Gebiet des Bodenschutzes und der<br />
nachhaltigen Bodenbewirtschaftung.<br />
Zur weiteren Umsetzung der Bodenschutzstrategie<br />
wurde 2012 ein Dokument<br />
mit dem Titel «Implementierung<br />
der Thematischen Bodenstrategie und<br />
weitere Massnahmen» veröffentlicht.<br />
Darin wurden vier Aktivitäten hervorgehoben:<br />
– Information und Erhöhung des<br />
Bodenbewusstseins der Bevölkerung,<br />
– Intensivierung der Forschung,<br />
– Integration des Bodenschutzes in<br />
wichtige Politikbereiche wie zum<br />
Beispiel Landwirtschaft, Verkehr<br />
und Industrie,<br />
– Schaffung einer bodenspezifischen<br />
Gesetzgebung, wie dies durch die<br />
Bodenschutz-Rahmenrichtlinie<br />
bereits eingeleitet wurde.<br />
Derzeit werden durch die Europäische<br />
Kommission zahlreiche Forschungsarbeiten<br />
zur Verbesserung des Bodenschutzes<br />
und der nachhaltigen Bodennutzung<br />
finanziert.<br />
5 Zusammenfassung<br />
Während die Bodencharta des Europarats<br />
keinen Bodenschutz bewirken<br />
konnte, waren die nachfolgenden<br />
Bemühungen der europäischen Politik<br />
ab 2002 durchaus erfolgreich.<br />
So wurden die Bodenfunktionen in<br />
Abb. 2. Produkte der fünf Arbeitesgruppen. Die aktuelle Webpage für die Produkte ist<br />
http://ec.europa.eu/environment/soil/publications_en.htm. Die Dokumente können hier<br />
herunter geladen werden:<br />
ec.europa.eu/environment/soil/pdf/vol1.pdf; ec.europa.eu/environment/soil/pdf/vol2.pdf;<br />
ec.europa.eu/environment/soil/pdf/vol3.pdf; ec.europa.eu/environment/soil/pdf/vol4.pdf;<br />
ec.europa.eu/environment/soil/pdf/vol5.pdf; ec.europa.eu/environment/soil/pdf/vol6.pdf<br />
einer auch für die Allgemeinheit verständlichen<br />
Art und Weise formuliert<br />
und die acht wesentlichen Bodengefährdungen,<br />
vor allem unter agrarischer<br />
Nutzung deutlich gemacht, allerdings<br />
ohne solche auch für Waldböden<br />
entsprechend zu berücksichtigen.<br />
Auf dieser Basis wurden mit Hilfe<br />
von Wissenschaft und Forschung konkrete<br />
Schritte zum Bodenschutz aufgezeigt<br />
und auf politischer Ebene die<br />
Einbringung von Bodenagenden in die<br />
Umweltpolitik ermöglicht.<br />
Die europäische Bodenstrategie war<br />
immerhin so erfolgreich, dass im Jahre<br />
2011 der Senat der Vereinigten Staaten<br />
von Amerika ebenfalls eine Verlautbarung<br />
zum Bodenschutz erliess.<br />
6 Literatur<br />
Blum, W.E.H. 1995: Soil protection concept<br />
of the council of Europe. In: Zehnder, A.<br />
J.B. (ed.): Soil and groundwater pollution.<br />
Dordrecht: Kluver Academic Publisher.<br />
pp. 72–73.<br />
Blum, W.E.H., Barcelo, D., Büsing, J., Ertel,<br />
Th., Tmeson, A., Vegter, J. 2004a: Scientific<br />
Basis for the Management of European<br />
Soil Resources. Guthmann-Peterson,<br />
Wien.<br />
Blum, W.E.H., Büsing, J., Montanarella, L.<br />
2004b: Research Needs in Support of the<br />
European Thematic Strategy for Soil Protection.<br />
Trends in Analytical Chemistry,<br />
23: 680–685.<br />
Council of Europe 1972: European Soil<br />
Charter. Strasbourg, (renewed 2003).<br />
Council of Europe 1988: Problems of Soil<br />
Conservation. Strasbourg, Nat. environ. 39.<br />
Council of Europe 1990: Feasibility Study on<br />
possible national and/or European actions<br />
in the field of soil protection. Strasbourg.<br />
Council of Europe 1995: European Soil<br />
Resources. Strasbourg, Nat. environ. 71.<br />
Europäische Kommission 2002: Hin zu einer<br />
spezifischen Bodenschutzstrategie. Brüssel.<br />
KOM (2002) 179 endgültig.<br />
Europäische Kommission 2006: Mitteilung<br />
über die Thematische Strategie für<br />
Bodenschutz. Brüssel. KOM (2006) 231.<br />
Europäische Kommission 2006: Direktive<br />
für ein Rahmengesetz zum Bodenschutz<br />
und zur Verbesserung der Direktive. Brüssel.<br />
2004/35/EC.<br />
Europäische Kommission 2012: Implementierung<br />
der Thematischen Bodenstrategie<br />
und weitere Aktivitäten. Brüssel. KOM<br />
(2012) 46 endgültig.<br />
FAO (Food and Agriculture Organisation<br />
of the United Nations) 1982: World Soil<br />
Charter. Rome.
20 Forum für Wissen 2013<br />
The DPSIR Indicator Framework Applied to Soil<br />
Human population change<br />
Land development<br />
Tourism<br />
Agricultural production<br />
Transport<br />
Industry/Energy generation<br />
Mining<br />
Natural events<br />
Climate change<br />
Water stress<br />
Emission to air, water<br />
and land/soil<br />
De-forestation<br />
Forest fires<br />
Nutrient mining<br />
Salinisation<br />
Compaction<br />
Urban expansion (soil<br />
sealing)<br />
Driving Forces<br />
Pressures<br />
PRIMARY PROTECTION<br />
International Conventions<br />
Development of a national/<br />
regional soil protection<br />
policies<br />
State<br />
DEGRADED SOIL<br />
Local and diffuse contaminated soil<br />
Acid soil<br />
Saline soil<br />
Nutrient depleted soil<br />
Physically degraded soil<br />
Biologically degraded soil<br />
Responses<br />
Impact<br />
SOIL LOSS<br />
Sealed soil<br />
Eroded Soil<br />
Large scale land<br />
movements<br />
SECONDARY PROTECTION<br />
Reform of agricultural<br />
programmes<br />
Specific regulations or directives<br />
INDIRECT (Effects on<br />
other environmental<br />
compartments)<br />
Changes in<br />
population<br />
size and distribution,<br />
Loss of biodiversity,<br />
Climate change,<br />
Water stress<br />
DIRECT (Changes<br />
in soil functions)<br />
Abb. 3. Das Indikator-Rahmenprogramm DPSIR («Driving Forces, Pressure, State, Impact, and Response») der Europäischen<br />
Umweltagentur.<br />
Abstract<br />
Soil protection in Europe<br />
The publication of the European Soil Thematic Strategy in 2002, a document signed<br />
by 15 European Ministers of Environment, put the protection of soil on the<br />
same level as that of air and water on the environmental agenda in Europe .<br />
This document defines soil as an important part of the environment. It describes<br />
the five main soil functions and the eight main threats to soil in Europe and other<br />
parts of the world.<br />
The European soil scientific community cooperated closely with the European<br />
Commission and its administrative organisations in drawing up recommendations.<br />
After four years of intensive discussion, three different documents were published<br />
by the European Commission and transmitted to the European Parliament, the<br />
Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of<br />
the Regions. with four main goals:<br />
– To inform the public in Europe about the importance of soil and its protection;<br />
– To put soil on other political agendas such as national and European policies<br />
for agriculture, industry, transport, and regional development;<br />
– To intensify strategic research on soil protection and sustainable land use; and<br />
– To introduce new legislation for soil protection and sustainable land use in<br />
Europe.<br />
These goals were reinforced in the European Commission’s statement in 2012 that<br />
stressed their importance for soil protection.<br />
Keywords: soil protection, sustainable land use, strategic soil research, soil legislation,<br />
raising public awareness, putting soil on a range of political agendas.
Forum für Wissen 2013: 21–22 21<br />
Protection du sol dans les forêts Suisse<br />
Jean-Pierre Clément<br />
Département fédéral de l’environnement, des transports, de l’énergie et de la communication,<br />
Office fédéral de l’environnement, OFEV, CH-3003 Bern, Jean-pierre.clement@bafu.admin.ch<br />
En tant que représentant de la section<br />
sol de l’Office fédèral de l’environnement<br />
(OFEV), je vais tenter d’établir<br />
un petit tour d’horizon de l’état de la<br />
protection contre les atteintes physiques<br />
des sols forestiers, et ceci uniquement<br />
du point de vue des protecteurs<br />
administratifs des sols. Il ne sera<br />
pas discuté en détail des problèmes<br />
soulevés, ni traité des aspects scientifiques<br />
de la problématique.<br />
Trois thèmes me paraissent important<br />
a évoquer en relation avec la protection<br />
des sols forestiers: le premier<br />
concerne l’économie forestière et ses<br />
acteurs, il sera développé par mon collègue<br />
S. Schmid, les deux thèmes suivants<br />
concernent des utilisations sans<br />
relations directes à la sylviculture,<br />
il s’agit des activités de loisir et de<br />
détente, et des constructions en forêt.<br />
Et je souhaite saisir l’occasion de ce<br />
Workshop pour les aborder. Mais tout<br />
d’abord quelques mots sur l’économie<br />
forestière.<br />
1 Economie forestière<br />
et protection des sols<br />
L’exposé de mon collègue Silvio<br />
Schmid de la Section Prestations<br />
forestières et qualité des forêts de<br />
l’OFEV permettra d’affirmer que les<br />
milieux forestiers sont, entre autres,<br />
pleinement conscients de la nécessité<br />
de protéger les sols forestiers contre<br />
les atteintes physiques résultant<br />
de l’exploitation sylvicole. Il démontrera<br />
également l’étroite collaboration<br />
entre l’administration, la recherche,<br />
la formation et l’industrie forestière,<br />
ainsi qu’avec les milieux de la protection<br />
qualitative des sols. En résumé,<br />
les forestiers soignent et exploitent les<br />
forêts, tout en prévenant, dans la mesure<br />
du faisable et du supportable, les atteintes<br />
portées aux sols.<br />
Donc tout va bien dans le meilleur<br />
des mondes forestiers?<br />
Je pense que la prise en considération<br />
des activités non forestières, mais utilisant<br />
l’espace forestier devrait apporter<br />
un léger correctif à cette vision idyllique,<br />
les visiteurs des forêts ne sont<br />
pas toujours aussi respectueux des sols<br />
forestiers que les utilisateurs permanents.<br />
2 Loisirs et détente<br />
et protection des sols<br />
Les milieux actifs dans la protection<br />
des sols constatent que les activités<br />
de loisirs et de détente (festival, fêtes<br />
régionales ou cantonales, Events, Tractorpulling,<br />
etc) hors des zones urbanisées<br />
prennent de plus en plus de place<br />
et d’importance économique dans les<br />
terres agricoles. Les atteintes physiques<br />
portées aux sols par ces activités<br />
«de plein air / auf der grünen Wiese»<br />
sont souvent méconnues et les mesures<br />
de prévention peu ou pas appliquées,<br />
souvent en raison de procédures<br />
d’autorisation très décentralisées et du<br />
laisser aller / ignorance des organisateurs.<br />
Les déchets enfouis, les déstructurations<br />
des sols par lissage et piétinement,<br />
les compactions par des véhicules<br />
sont des atteintes qui se manifestent<br />
des années après l’occupation temporaire<br />
de ces sols agricoles (http://www.<br />
fr.ch/sol/files/pdf1/manifestations_<br />
aide_memoire.pdf)Les activités de loisirs<br />
et de détente dans les forêts, (vélo<br />
tout terrain (VTT), marche et course,<br />
etc.) posent elles un problème à la protection<br />
qualitative des sols, en particulier<br />
contre les atteintes physiques? Ce<br />
problème a-t-il une ampleur suffisante<br />
pour impliquer une réaction au niveau<br />
fédéral? Je ne suis pas en mesure de<br />
répondre à ces questions, mais je pense<br />
que nous devons les avoir à l’esprit.<br />
3 Chantiers en forêt<br />
La protection qualitative des sols sur<br />
les chantiers a pris son essor avec le<br />
boom de la croissance des années 60’<br />
et 70’, particulièrement en raison d’un<br />
effet induit. Il s’agit du développement<br />
exponentiel des extractions de graviers<br />
dans les terres agricoles et sous les<br />
forêts du Plateau suisse.<br />
Le bétonnage de surfaces importantes<br />
de sol, a nécessité l’ouverture de<br />
nombreuses gravières dans des terres<br />
Vaud, cours de formation protection du sol<br />
pour entreprise forestière (Photo Cjp)
22 Forum für Wissen 2013<br />
agricoles productives (p. ex. Canton<br />
d’Argovie (AG) 1 mio m3 par an en<br />
1955, 4 mio m3 par an en 1975) et leur<br />
remise en état après remplissage avec<br />
des «matériaux d’excavation» (1971<br />
«Keine Kiesausbeutung in Grundwasservorkommen<br />
mehr»). Le Document<br />
SSP/BGS N° 1 exploitation du gravier<br />
et agriculture – Kiesabbau und Landwirtschaft,<br />
paru en 1984 a établi la première<br />
norme en la matière pour les<br />
sols agricoles. Un document identique<br />
«Wald und Kiesabbau Richtlinien<br />
für die Aufforstung von Kiesgruben»<br />
existe pour les sols forestiers, il est paru<br />
en 1991.<br />
La question des chantiers dans<br />
les terres agricoles, surtout pour les<br />
infrastructures routières et ferroviaires,<br />
ainsi que pour les conduites de gaz<br />
sous haute pression, a fait l’objet d’une<br />
forte réglementation et normalisation<br />
au cours des années 90’. Dans le cadre<br />
d’une réévaluation de tout cet appareillage<br />
technique, 8 Workshops ont été<br />
organisé sur mandat de notre section<br />
par M. E. Bellini du Sanu, entre l’au-<br />
tomne 2012 et le printemps 2013. Ils<br />
visaient a établir l’état de la technique<br />
sur les chantiers et a décrire les spécificités<br />
des sols pour les divers types<br />
de chantiers. Sur la base d’une pré<br />
enquête sur les besoins, un WS a été<br />
dédié à la thématique des sols forestiers<br />
et des chantiers et un autre WS a<br />
traité de l’état de la technique pour les<br />
chantiers en forêt. Des Spécialistes de<br />
la protection des sols sur les chantiers<br />
ayant une longue expérience des chantiers<br />
en forêt, des chercheurs et des responsables<br />
de services cantonaux de la<br />
protection des sols ont contribués a ces<br />
WS.<br />
Quelques remarques issues de ces WS:<br />
– Les chantiers en forêt sont plus<br />
nombreux que perçus et leur nombre<br />
augmente.<br />
– Les systèmes et techniques pour les<br />
chantiers en sols forestiers ne sont<br />
pas normés, ni systématiquement<br />
développés.<br />
– Les matériaux terreux issus de sols<br />
forestiers sont un problème pour soi<br />
et il existe peu de références scientifiques<br />
à leur sujet. L’entreposage<br />
de plus d’un an, l’enherbement, la<br />
réutilisation des matériaux terreux<br />
issus des sols forestiers varie d’un<br />
expert à l’autre.<br />
– La remise en place des sols forestiers<br />
et les objectifs de remise en<br />
«culture», y compris les phases<br />
intermédiaires, ne sont pas encore<br />
bien maîtrisés.<br />
Le guide pratique qui devrait paraître<br />
en 2014 dans la série OFEV Connaissance<br />
de l’environnement attirera<br />
l’attention sur la problématique<br />
et devra encourager tous les milieux<br />
forestiers concernés a contribuer<br />
à l’établissement de documents techniques<br />
pour les chantiers sur sols forestiers<br />
dans le cadre des activités du groupe<br />
fédéral mise en œuvre de l’OSol<br />
contre les atteintes physiques (VBPhy)<br />
qui réunit les cantons et les institutions<br />
concernées par la problématique.
Forum für Wissen 2013: 23–28 23<br />
Bodenschutz im Wald – Beitrag der Waldpolitik 2020<br />
des Bundes<br />
Sabine Augustin und Silvio Schmid<br />
Bundesamt für Umwelt, CH-3003 Bern, sabine.augustin@bafu.admin.ch, silvio.schmid@bafu.admin.ch<br />
Der Boden ist Lebens- und Produktionsgrundlage. Ohne Vegetation gäbe es keinen<br />
Boden, ohne Boden keine Vegetation. Alle Ökosystemleistungen aus dem<br />
Wald sind direkt oder indirekt abhängig von funktionsfähigen Böden. Deshalb hat<br />
der Gesetzgeber auch den Schutz der Waldböden in der Bodenschutz- und Waldgesetzgebung<br />
festgehalten. In der Waldpolitik 2020 konkretisiert der Bund, wie er<br />
in den nächsten Jahren die Waldböden vor chemischen und physikalischen Schäden<br />
bewahren will. Der Artikel zeigt die in der Waldpolitik 2020 formulierten Ziele<br />
auf und erläutert die entsprechenden vorgesehenen Massnahmen.<br />
1 Einleitung<br />
Intakte Ökosysteme sind gekennzeichnet<br />
durch eine hohe Anpassungsfähigkeit<br />
an wechselnde Umweltbedingungen<br />
und Widerstandsfähigkeit gegenüber<br />
biotischem und abiotischem<br />
Stress. Die Stoffkreisläufe sind in<br />
einem standortgerechten Fliessgleichgewicht,<br />
die Nahrungsketten sind vollständig<br />
und Nährstoffe werden der<br />
Vegetation bedarfsgerecht bereitgestellt.<br />
Diese die Nachhaltigkeit gewährleistenden<br />
Eigenschaften und die Ökosystemleistungen<br />
des Waldes werden<br />
wesentlich durch die Funktionsfähigkeit<br />
der Böden vermittelt. Böden sind<br />
damit eine der wichtigsten Grundlagen<br />
des Lebens.<br />
2 Bodenschutz im Recht<br />
Die Bundesverfassung beauftragt den<br />
Bund, dafür zu sorgen, dass der Men sch<br />
und die natürliche Umwelt vor schädlichen<br />
und lästigen Einwirkungen geschützt<br />
werden. Die Kosten entsprechender<br />
Massnahmen sind durch die<br />
Verursacher zu tragen (Verursacherprinzip).<br />
Für den Vollzug sind grundsätzlich<br />
die Kantone zuständig (Art. 74<br />
BV; Art. 36 USG; Art. 13 Abs. 1 VBBo).<br />
Gleichzeitig sorgt der Bund dafür, dass<br />
der Wald seine Funktionen erfüllen<br />
kann und er legt Grundsätze für den<br />
Schutz des Waldes fest (Art. 77 BV).<br />
Die Bodenschutzgesetzgebung in der<br />
Schweiz zielt auf die langfristige Erhaltung<br />
der Bodenfruchtbarkeit (Art. 1<br />
Abs. 1 USG, Art. 1 VBBo). Dabei gilt die<br />
oberste, unversiegelte Erdschicht, in der<br />
Pflanzen wachsen können, als Boden.<br />
Dies gilt für alle Böden, und damit ist<br />
auch der Waldboden durch das Bodenschutzrecht<br />
geschützt (Iten 2009).<br />
Das Waldgesetz erwähnt im Artikel<br />
20, Absatz 1, den Bodenschutz nur indirekt:<br />
«Der Wald ist so zu bewirtschaften,<br />
dass er seine Funktionen dauernd und<br />
uneingeschränkt erfüllen kann (Nachhaltigkeit)».<br />
Damit der Wald seine<br />
Funktionen und Ökosystemleistungen<br />
langfristig und nachhaltig erbringen<br />
kann, ist der Schutz des Bodens und<br />
seiner Fruchtbarkeit unabdingbar. Das<br />
Konzept der Ökosystemleistungen hat<br />
aufgrund der von den Vereinten Nationen<br />
um die Jahrtausendwende lancierten<br />
Milleniumziele an Bedeutung<br />
gewonnen. Es unterscheidet unterstützende,<br />
bereitstellende, regulierende<br />
und kulturelle Leistungen (Reid et al.<br />
2005; Bergen et al. 2013). Die Waldverordnung<br />
beauftragt in Artikel 28 Buchstabe<br />
d die Kantone, Massnahmen zur<br />
Verminderung physikalischer Bodenschäden<br />
zu ergreifen, um Waldschäden<br />
zu verhüten.<br />
Daraus folgt: Wenn der Wald bewirtschaftet<br />
wird, sind chemische oder physikalische<br />
Belastungen, die das natürliche<br />
Potenzial der Erneuerung und des<br />
Wachstums einschränken, nicht erlaubt<br />
(Art. 6 VBBo). Im Sinne des Verursacherprinzips<br />
ist der Bewirtschafter<br />
dafür verantwortlich, dass keine irreversiblen<br />
Schäden entstehen.<br />
In Artikel 1, Absatz 2, des Umweltschutzgesetzes<br />
wird das Vorsorgeprinzip<br />
verankert: «Im Sinne der Vorsorge<br />
sind Einwirkungen, die schädlich oder<br />
lästig werden könnten, frühzeitig zu<br />
begrenzen.» Aus dem Vorsorgeprinzip<br />
lässt sich ableiten, dass sowohl der<br />
Staat als auch der Waldbewirtschafter<br />
den Waldboden grundsätzlich vor<br />
Beeinträchtigungen bewahren sollen<br />
(Art. 74 BV; Art. 1, Abs. 1 USG).<br />
3 Waldpolitik 2020 – Strategie<br />
des Bundes<br />
In der Waldpolitik 2020 stellt der Bundesrat<br />
seine waldpolitischen Absichten<br />
bis 2020 vor. Eines der elf Ziele ist der<br />
Schutz der Waldböden: «Waldböden,<br />
Trinkwasser und Vitalität der Bäume<br />
sind durch Stoffeinträge, unsachgemässe<br />
Bewirtschaftung und entsprechende<br />
physikalische Einwirkungen nicht<br />
gefährdet (Ziel 7; BAFU 2013).»<br />
Um dieses Ziel zu erreichen, sieht<br />
der Bund die drei folgenden Stossrichtungen<br />
vor:<br />
– Sektorübergreifende Ansätze (u.a.<br />
zur Eindämmung der Einträge von<br />
Stickstoff und Schwermetallen)<br />
– Befahren des Waldbodens<br />
– Nähstoffhaushalt<br />
In den folgenden Kapiteln werden diese<br />
Stossrichtungen, insbesondere der<br />
Handlungsbedarf und die vorgesehenen<br />
Massnahmen, genauer dargestellt.<br />
3.1 Sektorübergreifende Ansätze<br />
Viele in die Umwelt eingebrachte<br />
Stoffe wirken in allen Umweltmedien<br />
(Wasser, Boden, Luft), sie werden
24 Forum für Wissen 2013<br />
vielfältig umgewandelt, gespeichert<br />
oder an benachbarte Systeme (Gewässer)<br />
weitergeleitet. Gleichzeitig ist<br />
die Bodenschutzpolitik sehr stark mit<br />
anderen Politiken vernetzt. Wichtige<br />
Wechselwirkungen bestehen etwa zur<br />
Luftreinhalte-, zur Landwirtschafts-,<br />
zur Verkehrs- und Raumplanungspolitik<br />
(Knoepfel et al. 2010). Deshalb lassen<br />
sich die Schadstoffeinträge nur mit<br />
sektorübergreifenden Ansätzen eindämmen.<br />
Stickstoff<br />
Dies trifft in besonderem Masse auf<br />
Stickstoff zu, der – einmal in reaktiver<br />
Form in die Umwelt eingebracht –<br />
kaskadenartig durch alle Medien transportiert<br />
wird (Galloway et al. 2003).<br />
Die unmittelbaren Quellen für den<br />
Stickstoff in der Atmosphäre sind landwirtschaftliche<br />
und industrielle Tätigkeit<br />
sowie der Verkehr. Wälder kämmen<br />
ihn mit ihrer rauhen und grossen<br />
Oberfläche aus der Luft aus, so dass<br />
der Eintrag in Wälder oft ein Vielfaches<br />
dessen beträgt, was auf benachbarten<br />
unbestockten Flächen deponiert<br />
wird. Der Stickstoff wirkt langfristig<br />
auf allen ökosystemaren Ebenen. In<br />
ehemals stickstofflimitierten Wäldern<br />
führt der zunächst düngende Effekt<br />
zu gesteigertem Wachstum der Bäume<br />
und zur Förderung stickstoffliebender<br />
Vegetation. Langfristig reichert sich<br />
Stickstoff im Wald an.<br />
Bei zu hohen Einträgen, das heisst<br />
solchen, die nicht mehr von der Vegetation<br />
aufgenommen oder gespeichert<br />
werden können, versauern die Waldböden<br />
und verlieren wichtige Nährstoffe<br />
(Ca, Mg, K). Langfristig verringert dies<br />
das Nährstoffangebot für Pflanzen und<br />
führt zu Nährstoffungleichgewichten in<br />
der Ernährung. Abbildung 1 zeigt schematisch<br />
die Modellvorstellungen zum<br />
Verlauf der Stickstoffanreicherung in<br />
Wäldern.<br />
Diverse Ergebnisse des Umweltmonitorings<br />
im Wald belegen viele dieser<br />
Entwicklungen für Waldstandorte<br />
auch in der Schweiz (Baumernährung,<br />
Wachstum, N-Austrag: Flückiger et al.<br />
2011). In den letzten Jahren zeigt sich<br />
als Trend, dass die Phosphorkonzentrationen<br />
abnehmen und diese zum limitierenden<br />
Faktor in der Waldernährung<br />
werden (Mellert et al. 2004; Braun<br />
et al. 2010). Besonders die Buche, die<br />
Relative Einheiten<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 1<br />
2<br />
3<br />
Stadium<br />
N-Mineralisation NPP C/N-Verhältnis<br />
Nitrifikation<br />
N-Austrag<br />
Abb. 1. Vorstellungen zum Verlauf der Stickstoff-Sättigung in Waldökosystemen, adaptiert<br />
nach Aber et al. 1989; Aber et al. 1998; Emmett 2007.<br />
Stadium 0 = N-Kreislauf unter stickstofflimitierenden Bedingungen; Stadium 1 = anfängliche<br />
Effekte chronischer N-Deposition; Stadium 2 = Stickstoff-Sättigung; Stadium 3 =<br />
«Stickstoff-Übersättigung» (N-Austräge hoch). Die «relativen Einheiten» zeigen nur die<br />
jeweiligen Zu- und Abnahmen.<br />
N-Mineralisation = Abbau des Stickstoff aus organischer Substanz, z. B. Blättern und<br />
Nadeln auf dem Waldboden; NPP = Nettoprimärproduktion = Wachstum; C/N-Verhältnis =<br />
Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff im Oberboden; Nitrifikation = Bildung von Nitrat<br />
(NO 3– ) aus Ammonium (NH 4+ ); N-Austrag = Stickstoffauswaschung aus dem Wurzelraum<br />
mit dem Sickerwasser, vorwiegend als Nitrat.<br />
einen hohen P-Bedarf hat, scheint nicht<br />
mehr genug Phosphor aufnehmen zu<br />
können. Als Ursachen der verringerten<br />
Phosphorverfügbarkeit werden erhöhte<br />
Stickstoffeinträge und Bodenversauerung<br />
diskutiert, doch sind die Mechanismen<br />
noch weiter zu klären.<br />
Massnahmen<br />
Die Verminderung der Stickstoffeinträge<br />
ist daher ein wichtiges Anliegen<br />
des Waldsektors. Die Waldinteressen<br />
werden aktiv in andere Sektoralpolitiken,<br />
zum Beispiel die Luftreinhaltung,<br />
eingebracht. Die wichtigsten Elemente<br />
sind hierbei:<br />
– Die Ermittlung von Ausmass und<br />
räumlicher Ausdehnung der potenziellen<br />
Gefährdung des Waldes<br />
durch Stickstoffeinträge<br />
– Bestimmung quantitativer Ursache-<br />
Wirkungs-Beziehungen (Grundlage:<br />
Monitoring)<br />
– Die Bewertung der Ergebnisse<br />
(Auswertung des Integrierenden<br />
Monitorings)<br />
Die internationale und nationale Luftreinhaltung<br />
ist wirkungsbasiert, d.h. die<br />
Emissions-Reduktionsziele orientieren<br />
sich unter anderem an den kritischen<br />
Belastungsraten für Wälder. Somit leistet<br />
das Langfrist-Umweltmonitoring in<br />
Wäldern wichtige Beiträge an die Luftreinhaltepolitik.<br />
Schwermetalle<br />
Böden sind potenziell effektive «Filter»<br />
für Schwermetalle. Dabei werden<br />
Schwermetalle, im rein chemischen<br />
Sinne, nicht gefiltert, sondern deren<br />
Verbindungen werden umgewandelt<br />
und in Böden gespeichert. Für die<br />
Beurteilung der Belastung von Böden<br />
mit Schwermetallen und ihres langfristigen<br />
Gefährdungspotenzials ist daher<br />
die Kenntnis der (Wald-)Bodeneigenschaften<br />
und der Mobilitätsbedingungen<br />
der Schwermetalle unerlässlich.<br />
Durch die Holzernte und die Versauerung<br />
können sich die chemischen<br />
Bedingungen für die Speicherung der<br />
deponierten Schwermetalle ändern.<br />
Die Mineralisation organischer Substanz<br />
(durch Erwärmung, zu grosse<br />
Auflichtung von Wäldern durch Stürme<br />
oder Holzschläge) führt insbesondere<br />
bei Blei, Kupfer und Quecksilber
Forum für Wissen 2013 25<br />
zu Mobilisierung, während Cadmium,<br />
Nickel, Kobalt und Zink eher durch<br />
zunehmende Versauerung (Deposition,<br />
Nährstoffentzüge) verfügbar werden.<br />
Mobilisierung bedeutet, dass<br />
die betreffenden Elemente mit dem<br />
Sickerwasser transportiert werden können,<br />
aber auch, dass sie pflanzenverfügbar<br />
werden.<br />
Während über die meisten mengenmässig<br />
bedeutenden Schwermetalle<br />
ausreichende Kenntnisse vorliegen, ist<br />
über das Verhalten und die Wirkungen<br />
des Quecksilbers (Hg) weniger<br />
bekannt. Quecksilber gehört neben Blei<br />
und Cadmium zu den hoch-toxischen<br />
Schwermetallen. Untersuchungen zeigten,<br />
dass insbesondere das methylierte<br />
Hg als Gift wirkt. Diese Verbindung<br />
wird im Boden durch Regenwürmer<br />
synthetisiert und kann Auswirkungen<br />
auf die Zusammensetzung der Pilzund<br />
Bakteriengemeinschaften haben<br />
(Rieder und Frey 2013).<br />
werden, um davon auch die notwendigen<br />
Schutzmassnahmen abzuleiten<br />
(Lüscher 2010; Lüscher et al. 2009a;<br />
Lüscher et al. 2009b).<br />
Massnahmen<br />
Die wichtigsten Vorkehrungen zur Vermeidung<br />
von Bodenverdichtung sind:<br />
– Die systematisch angelegte Feinerschliessung:<br />
Für die bewirtschaftete<br />
Waldfläche wird ein Feinerschliessungskonzept<br />
erarbeitet. Nasse Stellen<br />
sind zu umfahren. Damit auch<br />
bei späteren Holzschlägen auf den<br />
selben Gassen gefahren wird, ist<br />
die Feinerschliessung im Gelände<br />
und auf Plänen möglichst genau<br />
festzuhalten (Kaufmann et al. 2010;<br />
Lüscher et al. 2009a).<br />
– Technische Massnahmen bei den<br />
Maschinen: Durch technische Massnahmen,<br />
zum Beispiel die Wahl<br />
einer gut geeigneten Maschine mit<br />
entsprechender Bereifung sowie die<br />
Verringerung des Reifenfülldrucks<br />
lässt sich die Gefahr von Bodenverdichtungen<br />
verringern (Lüscher<br />
et al. 2009a).<br />
– Sensiblisierung und Ausbildung der<br />
Waldbewirtschafter: In der Aus- und<br />
Weiterbildung der Forstfachleute<br />
Massnahmen<br />
Der Bund fördert Forschungsprojekte,<br />
um diese Zusammenhänge besser zu<br />
verstehen und nach Möglichkeit quantifizieren<br />
zu können. Die Resultate<br />
dieser Abklärungen sind ein wichtiger<br />
Beitrag für die Weiterentwicklung kritischer<br />
Grenzwerte für die Hg-Belastung<br />
von Böden und deren Festlegung<br />
in der Verordnung über Belastungen<br />
des Bodens, VBBo.<br />
3.2 Befahren des Waldbodens<br />
Werden Waldböden von Forstmaschinen<br />
befahren, verändern sich auf den<br />
meisten Böden deren Eigenschaften,<br />
insbesondere verringern sich das Volumen<br />
und die Vernetzung der Porenräume.<br />
Dadurch wird der Transport von<br />
Luft und Wasser, zweier für das Planzenwachstum<br />
unabdingbaren Elemente,<br />
eingeschränkt. Im Grundsatz gilt es<br />
– im Sinne des Vorsorgeprinzips – jegliche<br />
Bodenschädigung zu verhindern<br />
(Lüscher 2010). Die <strong>WSL</strong> hat hierfür<br />
eine wertvolle Hilfestellung für die<br />
Praxis entwickelt: Mit diesen soll die<br />
Forstpraxis befähigt werden, die Folgen<br />
der Bodenverdichtung zu erkennen,<br />
zu bewerten und möglichst zu verhindern.<br />
So kann etwa mit einer einfachen<br />
Bodenansprache der Spurtyp bestimmt<br />
Abb. 2. Fahrspur im Wald, Spurtyp 3. Das Befahren mit Forstmaschinen bewirkt Verdichtungen<br />
und Verformungen im Boden.<br />
Abb. 3. Sensibilisierung und Ausbildung: Peter Lüscher und Fritz Frutig von der <strong>WSL</strong> sensibilisieren<br />
und erklären bei jedem Wetter.
26 Forum für Wissen 2013<br />
werden das «Wieso» und das «Wie»<br />
einer bodenschonden Waldbewirtschaftung<br />
vermittelt (Kaufmann<br />
et al. 2010).<br />
% von Stamm ohne Rinde<br />
500 Buchen (N=13) Fichten (N=33)<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Biomasse<br />
Stamm mit Rinde<br />
Stamm mit Ästen<br />
Vollbaumernte<br />
N P K Ca Mg Biomasse<br />
Hier setzt die Waldpolitik 2020 an. Der<br />
Bund prüft, wie die Anforderungen<br />
und Auflagen für die bodenschonende<br />
Bewirtschaftung bei den Subventionen<br />
des Bundes (Neuer Finanzausgleich<br />
NFA) berücksichtigt werden können.<br />
Gleichzeitig entwickelt der Bund Kommunikationsmassnahmen<br />
im Bereich<br />
des physikalischen Bodenschutzes<br />
(Stoss richtung 7.2 «Befahren des Waldbodens»;<br />
BAFU 2013).<br />
3.3 Nährstoffhaushalt von Wäldern<br />
Bei nachhaltiger Bewirtschaftung halten<br />
sich Holzzuwachs und Holzentnahme<br />
durch die Ernte und Freisetzung<br />
von Nährstoffen aus der Verwitterung<br />
N P K Ca Mg<br />
Abb. 4. Erhöhung des Nährstoffentzugs bei der Entfernung von Ästen oder der ganzen Krone,<br />
im Vergleich zur Ernte von «Stamm ohne Rinde». Datengrundlage: Literaturstudie von<br />
Jacobsen et al. (2003) sowie Duvigneaud et al. (1971), Krauss und Heinsdorf (2008), Krapfenbauer<br />
und Buchleitner (1981).<br />
der Minerale die Waage, das heisst die<br />
Stoffbilanz ist ausgeglichen. Neben den<br />
nach wie vor zu hohen Stickstoffeinträgen<br />
beeinflusst heute vielerorts eine<br />
intensivierte Holzernte für energetische<br />
Zwecke den Nährstoffhaushalt<br />
von Wäldern. Bei der Vollbaumernte<br />
werden neben dem Stamm- und Derbholz<br />
auch kleinere Äste und Reisig<br />
sowie Blätter/Nadeln aus dem Wald<br />
entfernt. Doch gerade diese Kompartimente<br />
enthalten viele Nährstoffe, die<br />
dem Wald verloren gehen. So kann die<br />
zusätzliche Nutzung von Baumkronen,<br />
Rinden und Reisig den Nährstoffentzug<br />
im Vergleich zur Stammholznutzung um<br />
ein Vielfaches erhöhen (Abb. 4).<br />
Ob dies im Einzelfall eine Gefährdung<br />
darstellt, hängt sehr vom Zustand<br />
des Bodens, der Verwitterung und der<br />
Baumart ab. Nährstoffentzüge über die<br />
natürliche Nachlieferung aus der Verwitterung<br />
übersteigen führen zu negativen<br />
Nährstoffbilanzen und damit zu<br />
einer Verarmung der Standorte.<br />
Die wachsenden Ansprüche an den<br />
Wald sollten daher räumlich gesteuert<br />
werden, das heisst eine intensivere<br />
Nutzung sollte nur dort stattfinden, wo<br />
es der Nährstoffhaushalt und die Belastungen<br />
durch die Deposition zulassen.<br />
Hierfür stellt der Bund entsprechende<br />
Grundlagen bereit und macht vorhandene<br />
Informationen nutzbar.<br />
Bund (Umwelt<br />
inkl. Wald)<br />
Landw. und<br />
Verkehr<br />
Landwirte, Industrie und<br />
Verkehrsteilnehmer<br />
7.1 Sektorübergreifende<br />
Ansätze<br />
7.2 Befahren des<br />
Waldbodens<br />
arbeiten zusammen:<br />
berücksichtigen Emissionsreduktionen<br />
in Sektoralpolitiken<br />
unterstützt internationale<br />
Bestrebungen zur Luftreinhaltung<br />
knüpft Auflagen und Bedingungen<br />
zugunsten Bodenschutz<br />
an NFA-Subventionen<br />
setzen weniger Stickstoff<br />
und Schwermetalle frei<br />
Internationale Gemeinschaft<br />
senkt Immissionsgrenzwerte<br />
Waldbewirtschafter<br />
Wald<br />
Die Fruchtbarkeit des<br />
Waldbodens und seine<br />
Funktionsfähigkeit sind<br />
gewährleistet.<br />
Der Wald erbringt die<br />
Waldleistungen und trägt<br />
so zur Wohlfahrt bei.<br />
Kantone<br />
entwickeln Kommunikationsmassnahmen<br />
befahren den Waldboden<br />
schonend auf permanenten<br />
Gassen<br />
7.3 Nährstoffhaushalt<br />
klären Ausmass der durch Stickstoff<br />
und Versauerung gefährdeten<br />
Standorte ab<br />
?<br />
erarbeiten Konzept zur Verbesserung<br />
des Nährstoffhaushaltes<br />
Abb. 5. Vereinfachte Übersicht über das in der Waldpolitik 2020 vorgesehene Massnahmenbündel des Bundes betreffend Bodenschutz im<br />
Wald und dessen geplanten Wirkungen und Effekte. Bei der Stossrichtung «Nährstoffhaushalt» werden derzeit genauere Abklärungen vorgenommen.<br />
Erst nach Vorliegen dieser Resultate können Handlungsbedarf und Massnahmen bestimmt werden.
Forum für Wissen 2013 27<br />
Massnahmen<br />
Für die Abklärung des Ausmasses der<br />
gefährdeten Waldstandorte sind folgende<br />
Massnahmen vorgesehen (Stossrichtung<br />
7.3 «Nährstoffhaushalt»; BAFU<br />
2013):<br />
– Ermittlung des Bodenzustands der<br />
Wälder, um Risiken hinsichtlich<br />
Mangelernährung, Nährstoffungleichgewichten<br />
und Nährstoffverlusten<br />
aus dem Boden besser einschätzen<br />
zu können. Diese Arbeiten<br />
laufen derzeit in einem Projekt des<br />
BAFU.<br />
– Bestimmung der Überschreitungen<br />
der Critical Loads: Überschreitungen<br />
weisen das langfristige Gefährdungspotenzial<br />
aus. Diese Arbeiten<br />
werden vom BAFU gefördert.<br />
– Kartenmässige Verschneidung von<br />
Gefährdungspotenzialen, das heisst<br />
Critical Loads, Karten der Stoffeinträge,<br />
Standorte geringer Basensättigung<br />
im Wurzelraum, Verwitterungsraten<br />
und Trockenstress. Diese<br />
Arbeiten werden teils schon durchgeführt,<br />
teils sind sie in Planung.<br />
– Formulierung von Empfehlungen<br />
für die Holzernte.<br />
4 Schlussfolgerungen und<br />
Perspektiven<br />
Die Waldpolitik 2020, inklusive der<br />
Massnahmen zum Bodenschutz, wird<br />
in den nächsten Jahren weiter umgesetzt.<br />
Der Schutz der Böden ist eine<br />
gemeinsame Aufgabe des Bundes, der<br />
Kantone und der Waldeigentümer.<br />
Dabei stützt sich der Bund auf die<br />
bestehenden Monitoringsysteme und<br />
arbeitet interdisziplinär mit weiteren<br />
Bundesstellen zusammen. Wichtige<br />
Partner sind auch die Forschungs- und<br />
Bildungsinstitute. Um die Risiken und<br />
zukünftigen Gefahren, gerade auch in<br />
Anbetracht des Klimawandels, besser<br />
abschätzen und voraussehen zu können,<br />
sind noch weitere Forschungsarbeiten,<br />
aber auch die Fortführung des<br />
Monitorings, notwendig. Ein wichtiger<br />
handlungsleitender Grundsatz ist das<br />
Vorsorgeprinzip. Die UNCED (1992)<br />
umschreibt das Vorsorgeprinzip wie<br />
folgt: «Angesichts der Gefahr irreversibler<br />
Umweltschäden soll ein Mangel<br />
an vollständiger wissenschaftlicher<br />
Gewissheit nicht als Entschuldigung<br />
Royal des Sciences Naturelle de Belgique<br />
164: 1–101.<br />
Emmett, B., 2007: Nitrogen saturation of<br />
terrestrial ecosystems: some recent findings<br />
and their applications for our conceptual<br />
framework. Water Air Soil Pollut.<br />
Focus 7: 99–109.<br />
Flückiger, W.; Braun, S.; Mainiero, R.;<br />
Schütz, K.; Thomas, V., 2011: Auswirkung<br />
erhöhter Stickstoffbelastung auf die Stabilität<br />
des Waldes. Synthesebericht im<br />
Auftrag des BAFU.<br />
Galloway, J.N.; Aber, J.D.; Erisman, J.W.;<br />
Seitzinger, S.P.; Howarth, R.W.; Cowling,<br />
E.B.; Cosby, B.J., 2003: The Nitrogen<br />
cascade. BioScience 53: 341–356.<br />
Iten B., 2009: Gesetzliche Grundlagen für<br />
den physikalischen Bodenschutz bei der<br />
Holzernte, in: Thees Oliver, Lemm Renato<br />
(Herausgeber), Management zukunftsfähige<br />
Waldnutzung. Zürich, vdf Hochschulverlag<br />
an der ETH Zürich, S. 247–<br />
259.<br />
Jacobsen, C.; Rademacher, P.; Meesenburg,<br />
H.; Meiwes, K. J., 2003: Gehalte chemischer<br />
Elemente in Baumkompartimenten.<br />
Literaturstudie und Datensammlung.<br />
Univ. Göttingen, Ber. Forsch.zent. Waldökosyst.<br />
B 69: 1–81.<br />
Kaufmann G.; Staedeli M.; Wasser, B.,<br />
2010: Grundanforderungen an den naturnahen<br />
Waldbau. Projektbericht, Bundesamt<br />
für Umwelt, 86 S.<br />
Knoepfel, P.; Nahrath, S.; Savary, J.; Varone,<br />
F., 2010: Analyse des politiques suisses<br />
de l’environnement, Zurich/Coire, Verlag<br />
Rüegger, 2 ème édition, 592 p.<br />
Krapfenbauer, A.; Buchleitner, E., 1981:<br />
Holzernte, Biomassen- und Nährstoffaustrag,<br />
Nährstoffbilanz eines Fichtenbestandes.<br />
Cent.bl. gesamte Forstwes. 98:<br />
193–223.<br />
Krauss, H. H.; Heinsdorf, D., 2008: Herleitung<br />
von Trockenmassen und Nährstoffspeicherungen<br />
in Buchenbeständen.<br />
Eberswalde, Landesforstanstalt Eberswalde,<br />
72 S.<br />
Lüscher, P., 2010: Bodenveränderungen<br />
und Typisierung von Fahrspuren nach<br />
physikalischer Belastung. Schweiz. Z.<br />
Forstwes. 504–509.<br />
Lüscher, P.; Frutig F., Sciacca, S.; Spjevak,<br />
S.; Thees, O., 2009a: Physikalischer<br />
Bodenschutz im Wald – Bodenschutz<br />
beim Einsatz von Forstmaschinen. Birmensdorf,<br />
Eidg. Forschungsanstalt <strong>WSL</strong>.<br />
Merkbl. Prax. 45: 12 S.<br />
Lüscher P.; Borer, F.; Blaser, P., 2009b:<br />
Langfristige Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit<br />
des Waldbodens durch mechadafür<br />
dienen, Massnahmen hinauszuzögern,<br />
die in sich selbst gerechtfertigt<br />
sind. Bei Massnahmen, die sich auf<br />
komplexe Systeme beziehen, die noch<br />
nicht voll verstanden worden sind und<br />
bei denen die Folgewirkungen von Störungen<br />
noch nicht vorausgesagt werden<br />
können, könnte der Vorsorgeansatz als<br />
Ausgangsbasis dienen.»<br />
Wir werden wohl nie alle Details des<br />
komplexen Systems Boden mit all seinen<br />
Wechselwirkungen mit der Biomasse,<br />
der Atmosphäre und dem Klima<br />
kennen und vorhersagen können.<br />
Erforderlich für detailliertere und flächenscharfe<br />
Empfehlungen sind Angaben<br />
zum chemischen und physikalischen<br />
Bodenzustand. Diese bereitzustellen<br />
ist gemäss Waldpolitik 2020<br />
Aufgabe des Bundes. In entsprechende<br />
Projekten wird daran gearbeitet.<br />
Doch ist das nun schon vorhandene<br />
Wissen hinreichend um bereits jetzt zu<br />
handeln.<br />
5 Literatur<br />
Aber, J.D.; Nadelhoffer, K.J.; Steudler, P.;<br />
Melillo, J.M., 1989: Nitrogen saturation<br />
in northern forest ecosystems. BioScience<br />
39: 378–386.<br />
Aber, J.D.; McDowell, W.; Nadelhoffer,<br />
K.J.; Magill, A.; Berntson, G.; Kamakea,<br />
M.; McNulty, S.; Currie, W.; Rustad, L.;<br />
Fernandez, I., 1998. Nitrogen saturation<br />
in northern forest ecosystems – Hypotheses<br />
revisted. BioScience 48: 921–934.<br />
Bergen V.; Löwenstein W.; Olschewski,<br />
R., 2013: Forstökonomie – volkswirtschaftliche<br />
Ansätze für eine vernünftige<br />
Umwelt- und Landnutzung. München,<br />
Vahlen. 2. Auflage, 477 S.<br />
Braun, S.; Thomas, V. F. D.; Quiring, R.;<br />
Flückiger, W., 2010: Does nitrogen deposition<br />
increase forest production? The<br />
role of phosphorus. Environ. Pollut. 158:<br />
2043–2052.<br />
Braun, S.; Kurz D., 2012: Nährstoffbilanzen<br />
bei Vollbaumnutzung. Zür. Wald 44:<br />
20–22.<br />
Bundesamt für Umwelt BAFU (Hrsg.)<br />
2013: Waldpolitik 2020 – Visionen, Ziele<br />
und Massnahmen für eine nachhaltige<br />
Bewirtschaftung des Schweizer Waldes.<br />
Bern, Bundesamt für Umwelt. 66 S.<br />
Duvigneau, P.; Denaeryer, S.; ambroes,<br />
P.; Timperman, J., 1971: Recherches sur<br />
l‘écosystème forêt. Mémoires de l’institute
28 Forum für Wissen 2013<br />
nische Belastung. In: Thees, O.; Lemm,<br />
R. (Hrsg.) Management zukunftsfähige<br />
Waldnutzung. Zürich, vdf Hochschulverlag<br />
an der ETH Zürich, S. 261–270.<br />
Mellert, K. H.; Prietzel, J.; Straussberger,<br />
R.; Rehfuess, K. E., 2004: Long-term<br />
nutritional trends of conifer stands in<br />
Europe: results from the RECOGNITI-<br />
ON project. Eur. J. For. Res. 123: 305–319.<br />
Reid, W. V.; Mooney, H. A.; Cropper, A.;<br />
Capistrano, D.; Carpenter, S. R.; Chopra<br />
K.; Dasgupta, P. et al., 2005: Millennium<br />
Ecosystem Assessment. Ecosystems<br />
and Human Well-Being, Synthesis, Island<br />
Press, Washington DC, 137 p. http://www.<br />
millenniumassessment.org/documents/<br />
document.356.aspx.pdf<br />
Rieder, S.R.; Frey, B., 2013: Methyl-mercury<br />
affects microbial activity and biomass,<br />
bacterial community structure but rarely<br />
the fungal community structure. Soil Biol.<br />
Biochem., in press.<br />
UNCED, 1992: UN-Konferenz für Umwelt<br />
und Entwicklung, Rio de Janeiro. Rio<br />
-Erklärung über Umwelt und Entwicklung,<br />
Grundsatz 15. Agenda 21, Artikel 35.<br />
Gesetzliche Grundlagen:<br />
Bundesverfassung BV, vom 18. April 1999<br />
(SR 101)<br />
Umweltschutzgesetz USG vom 7. Oktober<br />
1983 (SR 814.01)<br />
Waldgesetz WaG vom 4. Oktober 1991 (SR<br />
921.0)<br />
Waldverordnung WaV vom 30. November<br />
1992 (SR 921.01)<br />
Verordnung über Belastungen des Bodens<br />
VBBo vom 1. Juli 1998 (SR 814.12)<br />
Abstract<br />
Soil protection in forests – the contribution of the Swiss Confederation<br />
According to the Federal Constitution of the Swiss Confederation, the Swiss<br />
government must protect people and the environment against harmful and disagreeable<br />
influences. The Swiss legislation on Soil Protection specifies that soil fertility,<br />
including that of forest soils, should be protected in the long term. The Forest<br />
Act states that forest owners manage their forests sustainably to ensure the forest<br />
can perform its functions in the long term.<br />
The Forest Policy 2020, adopted by the Swiss Federal Council in 2012, defines<br />
a total of eleven policy objectives. These also concern the forest soil (including<br />
drinking water and tree vitality). Objective 7 “Forest soil, drinking water and the<br />
vitality of the trees shall not be endangered” formulates 3 strategic directions:<br />
intersectoral approaches, driving on forest soil, and nutrient balance. To pursue<br />
these objectives the Forest Division of FOEN cooperates with other sectors (intersectoral<br />
approaches), supports research and finances information campaigns in<br />
the form of information sheets. The Forest Division of FOEN also provides basic<br />
information, e.g. soil maps, or produces it if it is lacking, e.g. by preparing maps.<br />
Keywords: soil protection, forest soil, Forest Policy 2020, Switzerland
Forum für Wissen 2013: 29–30 29<br />
Umsetzung des Bodenschutzes im Aargauer Wald<br />
Alain Morier<br />
Departement Bau, Verkehr und Umwelt, Abteilung Wald, Entfelderstrasse 22, CH-5001 Aarau<br />
alain.morier@ag.ch<br />
Im Projekt «Bodenschutz im Wald» wurden zwischen 2008 und 2011 die Grundlagen<br />
für die Umsetzung von Bodenschutz-Massnahmen im Aargauer Wald geschaffen.<br />
Für den Kanton Aargau liegt eine flächendeckende Verdichtungsrisikokarte<br />
vor. Der Staatsforstbetrieb Habsburg sammelte Erfahrungen mit der Planung,<br />
Dokumentation und Markierung einer gesamtbetrieblichen Feinerschliessung.<br />
Das gesamte Forstpersonal besuchte Weiterbildungskurse zum Thema Bodenschutz.<br />
Zusammen mit dem Aargauischen Försterverband, den Forstunternehmern<br />
Schweiz, Region Aargau und dem Aargauischen Waldwirtschaftsverband<br />
entstanden fachliche Standards in Form von Empfehlungen. Seit 2012 berät und<br />
unterstützt ein Spezialist der Abteilung Wald die Förster bei der Umsetzung des<br />
Bodenschutzes in ihren Forstbetrieben.<br />
1 Ausgangslage<br />
Das Thema Bodenschutz im Wald ist<br />
im Kanton Aargau nicht neu. Schon<br />
das Aargauische Forstgesetz von 1860<br />
verlangte, dass die Abfuhrwege zweckmässig<br />
angelegt und entbehrliche Wege<br />
bepflanzt werden sollten. Mit dem<br />
Sturm Lothar 1999 hat die vollmechanisierte<br />
Holzernte im Aargauer Wald<br />
zugenommen und das Thema Bodenschutz<br />
ist wieder vermehrt ins Bewusstsein<br />
gerückt. Die Aargauer Waldpolitik<br />
(Kanton Aargau, Departement Bau,<br />
Verkehr und Umwelt, Abteilung Wald<br />
2007) will das Holz nachhaltig nutzen<br />
und den naturnahen Waldbau umsetzen.<br />
Der Boden soll bei der Holzernte<br />
geschont werden. Deshalb wurde 2008<br />
das Projekt «Bodenschutz im Wald»<br />
gestartet.<br />
2 Grundlagen<br />
Für den Kanton Aargau liegt seit 2009<br />
eine flächendeckende Verdichtungsrisikokarte<br />
als Grundlage für die Planung<br />
der Feinerschliessung und der<br />
Holzschläge vor. Sie wurde durch die<br />
Abteilung Wald mit Beratung der <strong>WSL</strong><br />
erstellt und zeigt, wo die Böden empfindlich<br />
auf Befahrung reagieren können.<br />
Die Verdichtungsrisikokarte stellt<br />
das grundsätzliche Verdichtungsrisiko<br />
dar und nicht die aktuelle Befahrbarkeit<br />
des Bodens. Diese ergibt sich<br />
immer aus einer Kombination von<br />
aktueller Bodenfeuchte, Verdichtungsrisiko<br />
und eingesetzter Maschine.<br />
Knapp ein Drittel der Aargauer Waldfläche<br />
gilt als empfindlich (hohes oder<br />
sehr hohes Verdichtungsrisiko) oder ist<br />
nicht befahrbar.<br />
Im Rahmen des Bodenschutzprojekts<br />
wurde im Staatswald Habsburg<br />
die Feinerschliessung auf 95 Hektaren<br />
geplant, dokumentiert und im Gelände<br />
markiert. Es liegen praktische Erfahrungen<br />
zum Einsatz von GPS-Geräten<br />
und GIS, sowie zum Aufwand und zum<br />
Nutzen einer Feinerschliessungskarte<br />
vor.<br />
Massnahmen für den Bodenschutz<br />
können die Holzernte verteuern. Die<br />
Berechnung der Mehrkosten ist mit<br />
grossen Unsicherheiten behaftet. Von<br />
speziellem Interesse ist der Einfluss<br />
des Rückegassenabstands auf die Holzerntekosten.<br />
Diese Frage wurde mit<br />
Modellrechnungen, Vergleichen der<br />
Holzerntekosten gemäss BAR und<br />
Nachkalkulation von Holzschlägen<br />
unter sucht (Kanton Aargau, Departement<br />
Bau, Verkehr und Umwelt,<br />
Abteilung Wald 2012).<br />
3 Ausbildung<br />
Für die Umsetzung des Bodenschutzes<br />
im forstlichen Alltag ist das Verhalten<br />
des Forstpersonals ausschlaggebend.<br />
Zwischen September 2010 und<br />
Juni 2011 wurden an total 6 Kurstagen<br />
jeweils rund 60 bis 70 Forstingenieure,<br />
Förster, Maschinisten, Forstwarte<br />
und Lehrlinge weitergebildet. Insgesamt<br />
besuchten rund 400 Personen die<br />
Kurse, davon rund 30 Mitarbeiter von<br />
Forstunternehmungen. An den Posten<br />
«Boden und Spurtypen», «Maschinentechnik<br />
und organisatorische Massnahmen»,<br />
«Feinerschliessung» und «Kosten-Nutzen<br />
des Bodenschutzes, Verantwortlichkeiten»<br />
wurde das Thema<br />
Bodenschutz im Wald umfassend vorgestellt<br />
(Kanton Aargau, Departement<br />
Bau, Verkehr und Umwelt, Abteilung<br />
Wald 2012).
30 Forum für Wissen 2013<br />
4 Standard<br />
Die Empfehlungen für den Bodenschutz<br />
im Wald bilden das Kernstück<br />
für die praktische Umsetzung. Angestrebt<br />
wurde ein gemeinsamer, von<br />
den Betroffenen akzeptierter, fachlich<br />
guter Standard, der praktisch umsetzbar<br />
ist. Die Empfehlungen wurden<br />
vom Aargauischen Försterverband,<br />
von Forstunternehmer Schweiz, Region<br />
Aargau, vom Aargauischen Waldwirtschaftsverband<br />
und von der Abteilung<br />
Wald gemeinsam erarbeitet und<br />
verabschiedet. Die Themen Feinerschliessung,<br />
bauliche Massnahmen<br />
für den Bodenschutz, Grundsätze der<br />
Maschinentechnik, sowie Verantwortlichkeiten<br />
und organisatorische Möglichkeiten<br />
werden praxisnah dargestellt<br />
(Kanton Aargau, Departement<br />
Bau, Verkehr und Umwelt, Abteilung<br />
Wald; Aargauischer Försterverband;<br />
Forstunternehmer Schweiz, Region<br />
Aargau; Aargauischer Waldwirtschaftsverband<br />
2011).<br />
6 Fazit<br />
Die Umsetzung von Bodenschutz-<br />
Massnahmen ist eine Daueraufgabe.<br />
Sie gelingt nur, wenn die betroffenen<br />
Akteure partnerschaftlich zusammenarbeiten.<br />
Gemeinsam vereinbarte Standards<br />
spielen eine entscheidende Rolle.<br />
Im Kanton Aargau ist es gelungen, die<br />
Waldeigentümer, den Forstdienst und<br />
die Forstunternehmer für das Thema<br />
zu sensibilisieren: Der Bodenschutz<br />
geniesst heute bei allen einen hohen<br />
Stellenwert im Berufsalltag. Ohne eine<br />
anwendungsorientierte Forschung und<br />
Beratung durch die <strong>WSL</strong>, wären die<br />
vorliegenden Ergebnisse nicht möglich<br />
geworden. Herzlichen Dank allen<br />
Beteiligten für das aussergewöhnliche<br />
Engagement und die ausgezeichnete<br />
Zusammenarbeit!<br />
7 Literatur<br />
Kanton Aargau, Departement Bau, Verkehr<br />
und Umwelt, Abteilung Wald (Hrsg.)<br />
2007: Bericht zur Entwicklung des Waldes<br />
im Aargau, waldentwicklung AARGAU.<br />
Kanton Aargau, Departement Bau, Verkehr<br />
und Umwelt, Abteilung Wald (Hrsg.)<br />
2012: Projekt Bodenschutz im Wald.<br />
Schlussbericht.<br />
Kanton Aargau, Departement Bau, Verkehr<br />
und Umwelt, Abteilung Wald; Aargauischer<br />
Försterverband; Forstunternehmer<br />
Schweiz, Region Aargau; Aargauischer<br />
Waldwirtschaftsverband (Hrsg.) 2011:<br />
Empfehlungen für den Bodenschutz im<br />
Wald.<br />
Kanton Aargau, Departement Bau, Verkehr<br />
und Umwelt, Abteilung Wald (Hrsg.)<br />
2012: Umsetzung des Bodenschutzes im<br />
Wald im Aargau.<br />
5 Beratung<br />
Seit 2012 berät und unterstützt ein Spezialist<br />
der Abteilung Wald die Förster<br />
bei der Umsetzung des Bodenschutzes<br />
in ihren Forstbetrieben (Kanton Aargau,<br />
Departement Bau, Verkehr und<br />
Umwelt, Abteilung Wald 2012).<br />
Abstract<br />
Putting soil protection into practice in Canton Aargau’s forest<br />
Between 2008 and 2011, the project “Soil Protection in Forests” laid the<br />
foundations for implementing soil-protection measures in Aargau’s forest and<br />
a soil compaction risk map covering the whole of the Canton of Aargau was<br />
produced. Habsburg’s state-run forest enterprise first obtained experience in<br />
planning, documenting and marking non-invasive tracks throughout its forest. All<br />
the forestry staff attended further training courses on soil protection. Professional<br />
recommendations were drawn up in cooperation with the Aargau Foresters’<br />
Association, the Swiss Association of Forest Contractors, the Region of Aargau<br />
and the Aargau Forestry Association. Since 2012, a specialist from the Canton’s<br />
Forest Division has been advising and supporting foresters in implementing soil<br />
protection in their forest enterprises.<br />
Keywords: soil protection, implementation, Canton Aargau, training, forestry<br />
workers, recommendations
Forum für Wissen 2013: 31–43 31<br />
Ökonomische Überlegungen zum physikalischen<br />
Bodenschutz im Wald<br />
Oliver Thees und Roland Olschewski<br />
<strong>WSL</strong> Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf,<br />
oliver.thees@wsl.ch<br />
Der Schutz des Waldbodens rückt immer mehr in den Fokus der mitteleuropäischen<br />
Forstwirtschaften – so auch in der Schweiz. Im Zentrum stehen dabei die<br />
Befahrung des Bodens mit Maschinen bei der Holzernte und die davon ausgehenden<br />
Risiken für die Bodenfruchtbarkeit und das Waldökosystem. Immer deutlicher<br />
wird die ökonomische Dimension des Themas, wenn nasse Witterung Planbarkeit<br />
und Ausführung der Arbeiten erschweren. Auch das öffentliche Interesse<br />
hat zugenommen: Verletzungen des Waldbodens werden von der Bevölkerung<br />
und in Naturschutzkreisen negativ wahrgenommen und die Medien berichten<br />
darüber. Das Thema birgt grosse ökologische, aber auch ökonomische und politische<br />
Herausforderungen, denn es geht um eine umfassende Nachhaltigkeit in der<br />
Waldbewirtschaftung.<br />
1 Das Problem<br />
Ein Drittel des Schweizer Waldbodens<br />
ist befahrbar bzw. kann mit bodengestützten<br />
Erntemethoden bewirtschaftet<br />
werden. Das Gefährdungspotenzial<br />
beträgt also rund 400000 Hektar.<br />
Erste Erhebungen sind beruhigend.<br />
Sie belegen den sorgsamen Umgang<br />
der Schweizer Forstwirtschaft mit ihrer<br />
Produktionsgrundlage (Schwyzer<br />
et al. 2010): Lediglich 1,3 Prozent der<br />
befahrbaren Waldfläche in der Schweiz<br />
sind nach Landesforstinventar durch<br />
Befahrung derart in Mitleidenschaft<br />
gezogen, dass der Zustand nicht mehr<br />
mit dem Gesetz zu vereinbaren ist.<br />
Gleichwohl bedingt der physikalische<br />
Bodenschutz Anpassungen der<br />
Waldbewirtschaftung: zusätzliche technische<br />
und organisatorische Massnahmen<br />
sind zu seiner Umsetzung notwendig.<br />
Die Forschung kümmert sich in<br />
diesem Zusammengang vor allem um<br />
bodenphysikalische und bodenbiologische,<br />
aber auch um verfahrenstechnische<br />
Fragen. Die Praxis reagiert durch<br />
Ausbildung und Sensibilisierung der<br />
Akteure für das Thema sowie mit einschlägigen<br />
Empfehlungen oder Richtlinien,<br />
welche die Befahrung im Zuge<br />
der Bewirtschaftung regeln. Die wirtschaftlichen<br />
Folgen dieser Konzepte<br />
und Massnahmen wurden bisher allerdings<br />
wenig untersucht. Vor allem fehlt<br />
eine gesamthafte betriebs- und volkswirtschaftliche<br />
Analyse des physikalischen<br />
Bodenschutzes im Wald.<br />
Denn die Massnahmen können teuer<br />
sein. Was sie genau kosten, ist nicht<br />
immer einfach festzustellen. Noch<br />
schwieriger ist es festzustellen, wie wirkungsvoll<br />
sie wirklich sind und welchen<br />
Nutzen sie genau stiften. Daher<br />
ist auch nicht von vornherein klar, welche<br />
Massnahmen erforderlich, effizient<br />
und effektiv sind. Vielfach handelt man<br />
vorsorglich. Es ist auch nicht klar, wer<br />
die Kosten in welchem Umfang trägt,<br />
und wie sie die Wettbewerbsfähigkeit<br />
der Holzproduktion beeinflussen. Ökonomisch<br />
zielgerichtetes Handeln wird<br />
dadurch enorm erschwert.<br />
2 Zielsetzung und Methoden<br />
Ökonomisch gesehen geht es auch<br />
beim Bodenschutz um den Umgang<br />
mit Knappheit und um Kosten-Nutzen-Überlegungen.<br />
Intakte Waldböden<br />
– annähernd noch in einem natürlichen<br />
Zustand – drohen zu verknappen.<br />
Und Bodenschutz ist nicht umsonst zu<br />
haben, er kostet Geld. Ökonomisches<br />
Handeln beruht hier auf dem ökonomischen<br />
Prinzip, ein bestimmtes Ziel<br />
mit minimalen Mitteln zu erreichen. Es<br />
besteht privates und öffentliches Interesse<br />
am Bodenschutz und es stellt sich<br />
in beiden Fällen die Frage, ob Bodenschutz<br />
in genügender Menge und Qualität<br />
erzeugt wird.<br />
Vor diesem Hintergrund ist es das<br />
Ziel des Beitrages, den physikalischen<br />
Bodenschutz bei der Waldbewirtschaftung<br />
unter ökonomischen Gesichtspunkten<br />
zu analysieren. Dabei geht es<br />
darum, die ökonomischen Wirkungen<br />
des Bodenschutzes zu erfassen, zu systematisieren<br />
und im Hinblick auf die<br />
Ausgestaltung des Managements auf<br />
betrieblicher und hoheitlicher Ebene<br />
zu analysieren. Die ökonomische Einbettung<br />
des Bodenschutzes verspricht<br />
eine differenzierte Einsicht in die<br />
Realität, ein besseres Verständnis der<br />
Zusammenhänge und vielleicht neue<br />
Erkenntnisse, um bessere Entscheidungen<br />
zu ermöglichen.<br />
Für die Analyse eines solchen Problems<br />
stellt die Ökonomie drei wesentliche<br />
Perspektiven bereit:<br />
1 Die produktionsökonomische Perspektive<br />
untersucht die Auswirkungen<br />
auf die Produktionskosten.<br />
2 Die industrieökonomische Perspektive<br />
fokussiert auf die Wettbewerbswirkungen.<br />
3 Die institutionenökonomische Perspektive<br />
stellt Kontroll- und Anreizprobleme<br />
in den Vordergrund.<br />
Der Beitrag analysiert den physikalischen<br />
Bodenschutz im Wald unter diesen<br />
methodischen Aspekten, beleuchtet<br />
seinen Charakter als Produkt<br />
ökonomischen Handelns und zieht<br />
Schlussfolgerungen für dessen Behandlung<br />
in Forschung und Praxis.
32 Forum für Wissen 2013<br />
3 Gesetzliche Grundlagen<br />
des physikalischen Bodenschutzes<br />
– was muss<br />
erreicht werden?<br />
Ziel der Bodenschutzgesetzgebung ist<br />
die langfristige Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit<br />
(Art. 1 Abs. 1 USG, Art 1<br />
VBBo). Das Konzept ist auf die Sicherstellung<br />
der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit<br />
und damit vorwiegend<br />
auf vorsorgliche Massnahmen ausgerichtet<br />
(Iten 2009).<br />
Art. 1 Abs. 1 USG: «Zweck:<br />
1 Dieses Gesetz soll Menschen, Tiere<br />
und Pflanzen, ihre Lebensgemeinschaften<br />
und Lebensräume gegen<br />
schädliche oder lästige Einwirkungen<br />
schützen sowie die natürlichen<br />
Lebensgrundlagen, insbesondere<br />
die biologische Vielfalt und die<br />
Fruchtbarkeit des Bodens, dauerhaft<br />
erhalten.<br />
2 Im Sinne der Vorsorge sind Einwirkungen,<br />
die schädlich oder lästig<br />
werden könnten, frühzeitig zu<br />
begrenzen.»<br />
Näheres zur Vermeidung von Bodenverdichtungen<br />
und Erosion findet sich<br />
in der Verordnung über Belastungen<br />
des Bodens (VBBo, Art. 6):<br />
«Wer Anlagen erstellt oder den Boden<br />
bewirtschaftet, muss unter Berücksichtigung<br />
der physikalischen Eigenschaften<br />
und der Feuchtigkeit des Bodens<br />
Fahrzeuge, Maschinen und Geräte so<br />
auswählen und einsetzen, dass Verdichtungen<br />
des Bodens vermieden werden,<br />
welche die Bodenfruchtbarkeit langfristig<br />
gefährden.»<br />
Auch die Waldgesetzgebung des Bundes<br />
sieht in Art. 28 Buchstabe d der<br />
Verordnung vom 30. November 1992<br />
über den Schutz des Waldes (WaV; SR<br />
921.01) vor, dass die Kantone Massnahmen<br />
zur Verminderung physikalischer<br />
Belastungen des Bodens treffen müssen,<br />
um Waldschäden zu verhindern.<br />
Als Waldschäden gelten dabei Schäden,<br />
welche die Erhaltung des Waldes<br />
gefährden können (Iten 2009).<br />
Das schweizerische Bodenschutzund<br />
Waldrecht enthält also verschiedene<br />
Bestimmungen, die den Schutz der<br />
Bodenfruchtbarkeit vor physikalischen<br />
Beeinträchtigungen vorsehen. Beim<br />
Vollzug dieser Bestimmungen wird den<br />
Kantonen als Vollzugsbehörden ein<br />
Der Schutz des Waldbodens kann, wie<br />
auch der Klima- oder Biodiversitätsschutz<br />
(Vogt und Sturm 2011), als<br />
ein eigens erzeugtes öffentliches Gut<br />
angesehen werden. Im Gegensatz zu<br />
privaten Gütern zeichnen sich öffentliche<br />
Güter dadurch aus, dass das Ausschlussprinzip<br />
nicht greift und gleichzeitig<br />
keine Rivalität in der Nutzung<br />
vorliegt. Da der Bodenschutz auf der<br />
gesamten Waldfläche zu gewährleisten<br />
ist und der Wald frei zugänglich<br />
ist, kann niemand von der positiven<br />
ästhetischen Wirkung ausgeschlossen<br />
werden. Aber auch unabhängig<br />
vom Betretungsrecht kann die Bevölkerung<br />
beispielsweise vom Erosionsund<br />
Klimaschutz profitieren. Insofern<br />
handelt es sich beim Bodenschutz um<br />
ein öffentliches Gut. Allerdings hat<br />
dieses Gut auch eine private Komponente:<br />
Der Waldeigentümer profitiert<br />
in der Regel, wenn er schonend mit<br />
seinen Ressourcen umgeht: dies zum<br />
einen heute durch mögliche Wettbewerbsvorteile<br />
im Rahmen der Waldzertifizierung<br />
und zum anderen durch<br />
positive Auswirkungen auf die zukünftige<br />
Holzproduktion. Gegenüber dieser<br />
letztgenannten, langfristigen Perspektive<br />
hat aber oft die kurzfristige,<br />
liquiditätsorientierte Sicht ein grösseres<br />
Gewicht. Konkrete Gründe hierfür<br />
sind vor allem die terminlichen Lieferverpflichtungen<br />
und die zusätzlichen<br />
Holzerntekosten besonders vorsorglicher<br />
Massnahmen. Offensichtlich<br />
können zwischen Öffentlichkeit<br />
und Eigentümer unterschiedliche Vorstellungen<br />
darüber existieren, wie viel<br />
Bodenschutz produziert werden soll,<br />
wie das zu erreichende Ziel bzw. die<br />
Grenze zum Schaden genau zu definieren<br />
ist und wie viele Mittel zur Erreichung<br />
diese Zieles eingesetzt werden<br />
sollen.<br />
Hat also der in der Zukunft liegende<br />
positive Effekt auf die Holzproduktion<br />
ein zu geringes Gewicht im heutigen<br />
produktionsökonomischen Kalkül<br />
des Waldbesitzers oder ergeben sich<br />
aus der Zertifizierung keine industrieökonomischen<br />
Anreize für einen verstärkten<br />
Bodenschutz, wird das Gut<br />
Bodenschutz in geringerem Umfang<br />
produziert. In dieser Situation kann<br />
der Staat die Bereitstellung aus übergeordneten<br />
wirtschaftlichen, ökologischen<br />
und ideellen Überlegungen<br />
erzwingen, unabhängig von den Prägewisser<br />
Spielraum belassen, beispielsweise<br />
bei der Bestimmung des zulässigen<br />
Ausmasses an Bodenbeeinträchtigung<br />
oder der Wahl der konkreten<br />
Schutzmassnahmen (Iten 2009). Für<br />
die Forstwirtschaft stellt sich die Frage,<br />
was der Gesetzestext in der täglichen<br />
Praxis konkret bedeutet. Nach Iten<br />
(2009) kann sie bei der Bestimmung<br />
des zulässigen Ausmasses an Bodenbeeinträchtigung<br />
mitwirken. Die <strong>WSL</strong> ist<br />
dieser Frage aus bodenphysikalischer<br />
und bodenbiologischer Sicht nachgegangen<br />
und hat praxisgerecht definiert,<br />
welche Bodenzustände nach einer<br />
Befahrung mit dem Gesetz kollidieren<br />
und welche nicht. Da die unterschiedlichen<br />
Zustände mit den Fahrspuren an<br />
der Bodenoberfläche korrespondieren,<br />
war es möglich, eine Fahrspurtypisierung<br />
als Grundlage für die Umsetzung<br />
des Bodenschutzes in der Praxis zu entwickeln<br />
(Lüscher et al. 2009a; Lüscher<br />
et al. 2014). Mit dem sogenannten Spurtyp<br />
3 konnte ein Schwellenwert definiert<br />
werden, den es aus bodenökologischen<br />
Gründen zu vermeiden gilt.<br />
Wichtig ist festzustellen, dass dieser<br />
Schwellenwert auch bei sorgfältiger<br />
fachgerechter Arbeit nicht gänzlich<br />
vermieden werden kann. Das bedeutet,<br />
dass ein gewisses geringes Ausmass<br />
toleriert werden muss, wenn man die<br />
Waldbewirtschaftung aufrechterhalten<br />
will. Diese Spezifikation hat noch nicht<br />
stattgefunden.<br />
4 Bodenschutz als öffentliches<br />
und privates Gut<br />
Physikalischer Bodenschutz bei der<br />
Holzernte besteht im vorsorglichen<br />
Vermeiden von Schäden bzw. unerwünschten<br />
Bodenzuständen: Nach der<br />
Erntemassnahme soll sich der Waldboden<br />
in einem möglichst wenig veränderten<br />
Zustand befinden. Der Schutz<br />
des Waldbodens wird in der Schweiz,<br />
wie auch in anderen Ländern, nicht<br />
der Entscheidung des Waldeigentümers<br />
allein überlassen, sondern via<br />
Gesetz und Behörden «nachgefragt»<br />
bzw. erzwungen. Eine ökonomische<br />
Betrachtung kann hilfreich sein, um zu<br />
verstehen, warum dies so ist, und um zu<br />
prüfen, ob nicht auch Marktmechanismen<br />
zur Förderung des Bodenschutzes<br />
eingesetzt werden könnten.
Forum für Wissen 2013 33<br />
ferenzen der betroffenen Wirtschaftssubjekte.<br />
Man spricht dann von einem<br />
öffentlichen beziehungsweise privaten<br />
meritorischen Gut (Bergen et al. 2013).<br />
Bei der Charakterisierung des Gutes<br />
Bodenschutz ist ausserdem zu erwähnen,<br />
dass der tatsächliche Schutz des<br />
Bodens schwierig zu erkennen, zu messen<br />
und zu bewerten ist. Verschärft<br />
wird dieses Problem durch die Heterogenität<br />
der Böden in der Schweiz.<br />
Diese Eigenschaften können insbesondere<br />
die betriebliche und hoheitliche<br />
Kontrolle erschweren. In den folgenden<br />
Analysen wird sich zeigen, welche<br />
ökonomischen Wirkungen sich aus den<br />
skizzierten Eigenschaften des Bodenschutzes<br />
ergeben.<br />
5 Produktionsökonomische<br />
Perspektive<br />
5.1 Welche Kosten verursacht der<br />
physikalische Bodenschutz?<br />
Der Schutz des Waldbodens verursacht<br />
Mehrkosten. Diese entstehen vor allem<br />
bei der Holzernte, hervorgerufen durch<br />
zusätzliche Massnahmen, die unmittel-<br />
bar mit seiner Erzeugung verbunden<br />
sind. Spjevak und Thees haben 2009<br />
erstmalig versucht, die Kosten des physikalischen<br />
Bodenschutzes zu erfassen,<br />
zu strukturieren und grob abzuschätzen.<br />
Tabelle 2 gibt einen Überblick<br />
über die kostenverursachenden Massnahmen.<br />
Auf der Ebene des Kantons fallen<br />
Kosten im Rahmen der hoheitlichen<br />
Überwachung des Bodenschutzes an.<br />
Auf der Ebene des Betriebes handelt<br />
es sich einerseits um investive Massnahmen<br />
wie die Ausbildung der Mitarbeiter<br />
und die Kartierung der Befahrungsempfindlichkeit<br />
der Waldböden<br />
und andererseits um operative Massnahmen<br />
beim einzelnen Holzschlag,<br />
wie den Einsatz bodenschonender<br />
Spezialausrüstungen der Maschinen<br />
bis hin zum Einsatz von seilgestützten<br />
Erntesystemen (vgl. Tab. 1). Diese<br />
Massnahmen verteuern die Holzproduktion;<br />
sie verursachen fixe und variable<br />
Kosten. Insgesamt handelt es sich<br />
um betriebswirtschaftliche Gemeinkosten<br />
(indirekte Kosten), weil sie nur<br />
indirekt den einzelnen Kostenträgern,<br />
in der Regel dem Festmeter, zurechenbar<br />
sind. Grundlegende Massnahmen<br />
auf der Ebene des Betriebes sind die<br />
Weiterbildung des Personals sowie<br />
die Bodenzustandsermittlung und die<br />
Abnahme der Arbeiten nach Beendigung<br />
eines Holzschlages. Diese wichtigen<br />
Massnahmen kosten vergleichsweise<br />
wenig und bringen viel. Wenn<br />
man zusätzlich noch dafür sorgt, dass<br />
mit möglichst geringem Reifeninnendruck<br />
gefahren wird, hat man schon<br />
sehr viel getan. Darüber hinaus kann<br />
man alle anderen Massnahmen als<br />
optional ansehen, das heisst, sie sind im<br />
Einzelfall je nach standörtlichen und<br />
betrieblichen Verhältnissen zu wählen.<br />
Die minimalen Kosten, die sich aus<br />
den grundlegenden Massnahmen ergeben,<br />
betragen rund 5 CHF/ha und Jahr<br />
beziehungweise 0.5 CHF/m 3 und haben<br />
damit einen Anteil von knapp ein Prozent<br />
am mittleren Holzernteaufwand.<br />
Bei schwierigen Verhältnissen und<br />
hohen Ansprüchen können die Kosten<br />
allerdings massiv ansteigen und Werte<br />
zwischen 50 und 100 CHF/ha und<br />
Jahr beziehungsweise 5 und 10 CHF/<br />
m 3 annehmen. Eher teure Massnahmen<br />
bestehen darin, grosse Beiseilentfernungen<br />
in Kauf zu nehmen oder auf<br />
bodengestützte Erntesysteme zu verzichten<br />
und Seilsysteme einzusetzen.<br />
Die Höhe der Kosten hängt stark<br />
von der standörtlichen Situation und<br />
vom Stellenwert des Bodenschutzes<br />
Tab. 1. Überblick über kostenrelevante Massnahmen für den physikalischen Bodenschutz aus der Sicht des Forstbetriebes (Spjevak und<br />
Thees 2009a, modifiziert). Fett: Basismassnahmen. *Es wird vom häufigeren Fall ausgegangen, dass die spezifischen bodenschonenden<br />
Maschinenausrüstungen einem Forstunternehmen gehören. Bei ihrem Einsatz (Fremdregie) handelt es sich dann um zusätzlich variable<br />
Kosten beim einzelnen Holzschlag, die der Unternehmer erstattet haben will; im Fall des Eigenregieeinsatzes handelt es sich um zusätzliche<br />
Investitionen des Forstbetriebes.<br />
Planung<br />
(Betrieb)<br />
Steuerung und<br />
Durchführung<br />
(Betrieb)<br />
Überwachung<br />
(Kanton)<br />
Zusätzliche Investitionen<br />
– Weiterbildung Betriebsleiter<br />
– Kartierung im Hinblick auf Befahrungsempfindlichkeit,<br />
Markierung<br />
und Dokumentation der Feinerschliessung<br />
– Weiterbildung Maschinenführer<br />
– Software zur Beurteilung der<br />
Befahrbarkeit<br />
– Instrumente zur Messung der<br />
Bodenfeuchte<br />
– Schlepper mit geringerer Radlast<br />
Zusätzliche Massnahmen beim einzelnen Holzschlag verursachen<br />
fixe Kosten<br />
variable Kosten<br />
– Festlegen von Ausweichflächen<br />
– Umweltleistungsbewertung<br />
bezüglich Bodenschutz<br />
– Beurteilung des Bodenzustandes<br />
→ Entscheid fahren/nicht fahren<br />
– Unterbruch der Arbeiten und<br />
Umsetzen auf Ausweichflächen<br />
– Regenerationsmassnahmen<br />
– Abnahme der Arbeiten<br />
– Kontrollen und gegebenenfalls<br />
Sanktionsmassnahmen<br />
– Vergrösserung des Rückegassenabstandes<br />
(>20m)<br />
– Spezifische Maschinenausrüstungen*:<br />
Reifen grösserer Nennbreite<br />
Reifendruckregelanlage<br />
Bogiebänder<br />
Traktionshilfswinde<br />
– Partieller Verzicht auf Befahrung,<br />
z.B. grössere Beiseilentfernungen<br />
beim Rücken<br />
– Rücken mit reduzierter Last bzw.<br />
kleinerer Maschine<br />
– Wechsel von boden- auf seilgestützte<br />
Erntesysteme
34 Forum für Wissen 2013<br />
im Betrieb ab. Ein Betrieb mit hohem<br />
Anteil befahrungsempfindlicher Böden<br />
wird entsprechend höhere Kosten in<br />
Kauf nehmen müssen. Es sind ähnliche<br />
Rahmenbedingungen wie die Steilheit<br />
des Geländes, welche die Holzproduktion<br />
verteuern, die aber hinzunehmen<br />
sind und nicht geändert werden können.<br />
Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten<br />
gilt ein besonderes Augenmerk<br />
den Kosten, die durch grössere<br />
Rückegassenabstände verursacht werden<br />
und sich vor allem beim mechanisierten<br />
Fällen und Aufarbeiten niederschlagen:<br />
Heutige Radvollernter<br />
haben eine Kranreichweite von rund<br />
zehn Metern. Somit können alle Bäume<br />
innerhalb eines zehn Meter breiten<br />
Streifens beidseits der Rückegasse<br />
vom Ausleger des Vollernters erreicht<br />
werden. Für einen flächendeckenden<br />
Einsatz des Vollernters darf also<br />
der Abstand zwischen den Rückegassen<br />
nicht grösser als 20 Meter sein.<br />
Bei grösseren Gassenabständen gibt<br />
es eine Zwischenzone, in welcher<br />
die Bäume von der Maschine nicht<br />
erreicht werden können. Bäume in<br />
dieser Zwischenzone werden je nach<br />
Baumdimension und Gassenabstand<br />
zugefällt oder, wenn dies aufgrund zu<br />
geringer Baumhöhen oder zu grosser<br />
Gassenabstände nicht möglich ist, vorgeliefert.<br />
Jäger (2013) hat im Rahmen<br />
seiner Masterarbeitan der ETH Zürich<br />
diese Kosten modellhaft quantifiziert.<br />
Pro zehn Meter Zunahme des Gassenabstandes<br />
ergeben sich hier 2 CHF/m 3<br />
(Abb. 1). Diese an sich schon beachtlichen<br />
durchschnittlichen Mehrkosten<br />
können sich im Einzelfall, vor allem im<br />
Schwachholz, auch auf rund 10 CHF/<br />
m 3 und mehr belaufen.<br />
5.2 Welchen Nutzen stiftet der<br />
physikalische Bodenschutz?<br />
Holzerntekosten [CHF/m 3 ]<br />
44<br />
42<br />
40<br />
38<br />
36<br />
34<br />
32<br />
30<br />
60<br />
55<br />
50<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
10 20 30 40 50 60<br />
Rückegassenabstand [m]<br />
Abb. 1. Durchschnittliche Holzerntekosten über eine gesamte Umtriebszeit bei verschiedenen<br />
Rückegassenabständen (Jäger 2012; Vollerntereinsatz, Fichtenbestand).<br />
Erntekostenfreier Erlös [CHF/m 3 ]<br />
25<br />
10 20 30 40 50 60<br />
Rückegassenabstand [m]<br />
Szenarium 1<br />
Szenarium 2<br />
Szenarium 3<br />
Abb. 2. Erntekostenfreier Erlös bei den verschiedenen Szenarien in Abhängigkeit des Gassenabstandes<br />
(Jäger 2012). Die Szenarien werden im Text erläutert.<br />
Der langfristige Nutzen besteht darin,<br />
dass ein schonender Umgang mit dem<br />
Boden heute zu einer ertragreichen<br />
Holzproduktion in der Zukunft beiträgt.<br />
Der kurzfristige Nutzen entsteht<br />
durch Einsparungen, die sich aus unterlassenen<br />
Massnahmen für den Bodenschutz<br />
heute ergeben. In der Praxis ist<br />
es oft so, dass dem Waldbewirtschafter<br />
der kurzfristige Nutzen wichtiger ist als<br />
der langfristige Nutzen, da sich dieser<br />
wesentlich später auswirkt.<br />
Der ungenügende Schutz des Waldbodens<br />
bei der Holzernte heute kann<br />
aber Kosten in der Zukunft verursachen.<br />
Diese äussern sich in Form von<br />
Mindererlösen bei der Holzproduktion.<br />
Sie sind ursächlich zurückzuführen<br />
auf mögliche Zuwachseinbussen<br />
infolge intensiver Feinerschliessung<br />
und auf fäulnisbedingte Wertverluste<br />
infolge Bestandes- und Wurzelschäden<br />
beim verbleibenden Bestand. Der Nutzen<br />
des physikalischen Bodenschutzes<br />
besteht also in der Vermeidung dieser<br />
Mindererlöse. Hinzu kommt noch die<br />
Verringerung von Stabilitätsrisiken der<br />
Bestände.<br />
Jäger (2012) hat im Rahmen seiner<br />
Masterarbeit an der ETH Zürich<br />
versucht, diese Mindererlöse mittels<br />
modellhafter Kalkulationen für verschiedene<br />
Rückegassenabstände zu<br />
schätzen (Abb. 2). Dabei wurden verschiedene<br />
Szenarien mit unterschiedlichen<br />
Produktionsverlusten und<br />
Zuwachseinbussen berechnet. Grundlage<br />
der vielen Annahmen und Berechnungen<br />
bildete eine umfangreiche<br />
Literaturanalyse. In Szenarium 1 treten<br />
keine Zuwachsverluste auf. In Szenarium<br />
2 können die Gassenrandbäume<br />
den Zuwachsverlust der Gassen
Forum für Wissen 2013 35<br />
Abbildung 3 zeigt die Kosten-Nutzen-Relationen<br />
der einzelnen Ausrüstungsvarianten<br />
auf dem sandigen<br />
(blau hervorgehoben) und schluffigen<br />
(rot hervorgehoben) Lehm. Die Referenzvariante<br />
«600» bedeutet, dass der<br />
Bodenschutz streng eingehalten wird,<br />
ohne dass Zusatzausrüstungen eingesetzt<br />
werden. In diesem Fall entstehen<br />
folglich keine Mehrkosten, die Jahresauslastung<br />
bzw. die bodenschonende<br />
Einsatzdauer reduziert sich aber auf<br />
80 Tage auf schluffigem Lehm im Jahr<br />
2004. Auf sandigem Lehm liegt sie bei<br />
140 Tagen. Diese Werte sind in Abbildung<br />
3 mit den Grenzen der Spanne<br />
der Einsatztage eingezeichnet. Folglich<br />
sind auf sandigem Lehm in einem<br />
Jahr mit durchschnittlicher Niederschlagsmenge<br />
genügend oder sogar<br />
mehr bodenschonende Einsatztage für<br />
die Holzernte im Vergleich zur durchschnittlichen<br />
Jahresauslastung möglich.<br />
Diese Feststellung allein genügt allerdings<br />
nicht, es kommt auch darauf an,<br />
wie diese bodenschonenden Tage im<br />
Jahresverlauf verteilt sind.<br />
Die übrigen Varianten gehen davon<br />
aus, dass die Vorgaben des Bodenzur<br />
Hälfte ausgleichen. Keinen Ausgleich<br />
des Zuwachsverlustes der Gassen<br />
durch die Randbäume gibt es in<br />
Szenarium 3.<br />
Für die Szenarien wurden zusätzlich<br />
die Wertverluste durch Fäulebefall des<br />
Holzes als Folge von Stamm- und Wurzelverletzungen<br />
durch Holzernteprozesse<br />
berechnet. Mindererlöse durch<br />
Zuwachseinbussen sind meist höher als<br />
die Wertverluste durch Fäule. Für die<br />
Szenarien 2 und 3 wurde angenommen,<br />
dass Bäume mit einem Abstand von bis<br />
zu vier Metern vom seitlichen Rand<br />
der Rückegasse von Wurzelverletzungen<br />
betroffen sein können, da ihre<br />
Wurzeln bis in den Gassenbereich reichen.<br />
Weiter wurde angenommen, dass<br />
bei jeder Durchforstung bei 40 Prozent<br />
dieser Bäume Wurzeln verletzt werden,<br />
60 Prozent dieser verletzten Bäume<br />
von Fäulepilzen befallen werden und<br />
dass es durchschnittlich 10 Jahre dauert,<br />
bis die Fäule von den Wurzeln bis<br />
in den Baumstamm vordringt.<br />
Der optimale Gassenabstand ist<br />
jener, bei welchem die durchschnittlichen,<br />
über eine gesamte Umtriebszeit<br />
gerechneten erntekostenfreien Erlöse<br />
am höchsten sind. Je nach Szenarium<br />
liegt er bei 30 oder 40 Metern.<br />
Allerdings sind die Unterschiede zwischen<br />
den erntekostenfreien Erlösen<br />
für die unterschiedlichen Gassenabstände<br />
gering, dürften sich im Falle<br />
einer Abzinsung der Geldwerte sogar<br />
weiter verringern und würden sich bei<br />
einer realistischen Variation der Eingangsgrössen<br />
auch verändern. Szenario<br />
1 widerspiegelt eine kurzfristige<br />
Betrachtung ohne Zuwachs- und Wertverluste.<br />
Grosse Unterschiede zwischen den<br />
Rückegassenabständen ergeben sich<br />
nur dann, wenn die Frage des Produktionsverlustes<br />
infolge der Gassenanlage<br />
komplett bejaht oder verneint wird;<br />
hier sollte das Paradigma, dass die Gassenrandbäume<br />
den Produktionsverlust<br />
ausgleichen, kritisch unter die Lupe<br />
genommen werden.<br />
Zusätzlicher Nutzen kann noch entstehen,<br />
wenn die Investitionen in die<br />
Maschinentechnik, insbesondere in die<br />
Zusatzausrüstungen (Abb. 3) es erlauben,<br />
einen empfindlichen Boden «länger»,<br />
also bei höheren Wassergehalten<br />
zu befahren. Der Nutzen besteht hier<br />
in zusätzlichen Einsatztagen der Holzerntemaschinerie<br />
(Spjevak et al. 2009).<br />
Mehrkosten (Fr./m 3 )<br />
0.8<br />
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br />
0.0<br />
"710+RDA"<br />
"600+RDA"<br />
"710"<br />
"600"<br />
50 100 150 200 250 300 350<br />
"600+BB"<br />
Aktuelle durchschnittliche Maschinenauslastung<br />
in der Praxis<br />
… ohne besondere Berücksichtigung des<br />
boiBodenschutzes<br />
… ohne Zusatzausrüstungen<br />
… unabhängig von der Bodenart<br />
Nutzen – Bodenschonende Einsatztage (Tage/Jahr)<br />
"710+BB"<br />
Abb. 3. Kosten-Nutzen-Relation, berechnet für den Forwarder John Deere 1110 D und<br />
für das Jahr 2004. (Spjevak et al. 2009b; Rot: Schluffiger Lehm. Blau: sandiger Lehm. Die<br />
für eine Forstmaschine angenommene erforderliche jährliche Einsatzdauer beträgt in der<br />
Schweiz rund 130 Tage bzw. 1100 Stunden; 600 bzw. 710: Reifenbreite in mm; BB: Bogiebänder;<br />
RDA: Reifendruckregelanlage).<br />
schutzes streng eingehalten und hierfür<br />
Zusatzausrüstungen eingesetzt<br />
werden. Die Kosten der Ausrüstungen<br />
wurden insbesondere in Abhängigkeit<br />
von der jeweiligen Auslastung berechnet.<br />
Somit sinken die Durchschnittskosten<br />
bei zunehmender Auslastung.<br />
Die breiteren Reifen, die Reifendruckregelanlage<br />
sowie deren Kombination<br />
ergeben die gleiche bodenschonende<br />
Einsatzdauer mit 80 Tagen auf schluffigem<br />
Lehm und 140 Tagen auf sandigem<br />
Lehm. Ihre Kosten sind unterschiedlich,<br />
bleiben aber im Bereich von<br />
weniger als 1 CHF/m 3 . Bei 80 Einsatztagen<br />
im Jahr 2004 auf dem sandigen<br />
Lehm kosten die breiteren Reifen rund<br />
0.30 CHF/m 3 , bei 140 Tagen 0.10 Franken<br />
weniger pro m 3 . Die Reifendruckregelanlage<br />
kostet bei 80 Einsatztagen<br />
rund 0.50 CHF/m 3 und bei 140 Tagen<br />
gleich viel wie die Breitreifen. Die<br />
summierten Einzelkosten ergeben sich<br />
aus der Kombination beider Ausrüstungen.<br />
Für den Einsatz der Bogiebänder<br />
wurde angenommen, dass diese in<br />
einem Zyklus von 10 Tagen montiert<br />
und demontiert werden. Sie kosten mit<br />
600er Reifen bei 220 bis 250 Einsatz-
36 Forum für Wissen 2013<br />
tagen konstant 0.60 CHF/m 3 . Die Kosten<br />
verändern sich nicht nennenswert,<br />
weil die Auslastung auf beiden Böden<br />
bereits relativ hoch ist. Mit Bändern<br />
und breiteren Reifen können beide<br />
Böden praktisch das ganze Jahr befahren<br />
werden. Die durchschnittlichen<br />
Kosten sind vor allem aufgrund dieser<br />
hohen theoretischen Auslastung relativ<br />
gering. Mit maximal rund 1,5 Prozent<br />
des durchschnittlichen Holzernteaufwands<br />
im Schweizer Mittelland sind<br />
die Mehrkosten pro m3 bei allen untersuchten<br />
Maschinenausrüstungen vergleichsweise<br />
gering.<br />
5.3 Produktionsökonomische<br />
Folgerungen<br />
Bodenschutz kann erhebliche Kosten<br />
verursachen. Es zeigt sich aber auch,<br />
dass den Massnahmen ein namhafter<br />
Nutzen in Form vermiedener Kosten<br />
gegenüber stehen kann. Es kann<br />
also durchaus im eigenen Interesse des<br />
Waldbesitzers liegen, seine Produktionsgrundlage<br />
Boden zu schützen. Dies<br />
heisst, dass eine Abwägung zwischen<br />
kurz- und langfristigen Effekten stattfinden<br />
muss. Die individuellen Zeitpräferenzen<br />
und Liquiditätsanforderungen<br />
der Wirtschafter entscheiden über<br />
die Gewichtung der beiden Seiten.<br />
Die Kosten für den physikalischen<br />
Bodenschutz hängen auch davon ab,<br />
wie viel Bedeutung man letztlich dem<br />
Bodenschutz beimisst und zu zahlen<br />
bereit ist. Dies kann deutlich über die<br />
gesetzliche Vorgabe hinausgehen, wie<br />
das Beispiel Baden-Württemberg zeigt,<br />
wo im Staatswald standortsunabhängig<br />
ein 40 m-Gassenabstand gilt. Dieser<br />
betriebliche Entscheid ist strategisch,<br />
auf Risikominderung abzielend und<br />
normativer Natur.<br />
Das Minimalprogramm lässt sich<br />
vergleichsweise kostengünstig umsetzen.<br />
Hinzu kommt, dass das generelle<br />
Absenken des Reifeninnendrucks<br />
auf den vom Hersteller gewährleisteten<br />
Minimalwert fast nichts kostet und<br />
viel bringt. Darüber hinaus können<br />
aber auch Kostensenkungspotenziale<br />
vermutet werden. Sie bestehen in Skalen-<br />
und Verbundeffekten. Skaleneffekte<br />
ergeben sich bei höherer Auslastung<br />
bodenschonender Erntetechnik<br />
und -methoden, welche durch betriebsübergreifende<br />
Planung und Steuerung<br />
der Holzernte erreicht werden kann.<br />
Zur Überwindung der Strukturprobleme<br />
der Schweizer Forstwirtschaft wäre<br />
dies sowieso zu prüfen.<br />
Die risikomindernden Massnahmen<br />
für den Bodenschutz lassen sich<br />
den drei Ebenen Feinerschliessung,<br />
Maschinentechnik und Maschineneinsatz<br />
zuordnen. Den Rückegassenabständen<br />
kommt dabei eine besondere<br />
Bedeutung zu. Sie beeinflussen Kosten<br />
und Qualität des Bodenschutzes<br />
in hohem Mass. Rückegassen stellen<br />
eine (semi-) permanente Anlage dar<br />
und sind unabhängig von der einzelnen<br />
Hiebsmassnahme zu planen. Grössere<br />
Rückegassenabstände können sich<br />
unter bestimmten Umständen langfristig<br />
trotz kurzfristig höherer Erntekosten<br />
wirtschaftlich lohnen. Ein entsprechender<br />
Entscheid hängt aber von<br />
vielen, teilweise unsicheren Faktoren<br />
ab. Er ist im Einzelfall abhängig von<br />
den Boden- und Wuchsverhältnissen,<br />
der Qualität der Holzernte sowie von<br />
den Betriebszielen bzw. den ökonomischen<br />
Bewertungen des Eigentümers.<br />
Erschwerend kommt hinzu, dass die<br />
mit der Vergrösserung der Abstände<br />
einhergehende höhere Befahrungsfrequenz<br />
auf den verbleibenden Gassen<br />
bodenphysikalisch und bodenbiologisch<br />
noch nicht ausreichend untersucht<br />
ist. Auf jeden Fall erscheint eine<br />
staatliche verordnete Vorschrift des<br />
Gassenabstandes ökonomisch und<br />
ökologisch zweifelhaft und ordnungspolitisch<br />
bedenklich.<br />
6 Industrieökonomische<br />
Perspektive<br />
Die industrieökonomische Perspektive<br />
betrachtet das wirtschaftliche Handeln<br />
unter Wettbewerbsgesichtspunkten.<br />
Dabei wird von unvollkommenen<br />
Märkten ausgegangen; im Mittelpunkt<br />
stehen die Oligopole. Analysiert werden<br />
die Struktur von Märkten sowie die<br />
Strategie von Unternehmen auf diesen<br />
Märkten. Als dominante Unternehmensstrategie<br />
wird die Erhöhung der<br />
Marktmacht des einzelnen Unternehmens<br />
bzw. die Vermeidung von Wettbewerb<br />
angesehen. Dazu wurde von der<br />
Harvard School das «Marktstruktur-<br />
Marktverhalten-Marktergebnis Konzept»<br />
entwickelt (Bergen et al. 2013).<br />
Dieses geht davon aus, dass von der<br />
Marktstruktur (z. B. Zahl der Anbieter,<br />
Grad der vertikalen Integration) auf<br />
das Marktverhalten (z. B. Preisbildung,<br />
Investitionen) und daraus wiederum<br />
auf die Marktergebnisse (z. B. Preise,<br />
Mengen, Gewinnverteilung) geschlossen<br />
werden kann.<br />
6.1 Welche Wettbewerbswirkungen<br />
sind zu erwarten?<br />
Die Industrieökonomik fragt nach dem<br />
Einfluss, den die Struktur einer Branche<br />
auf das Marktergebnis hat. Wesentliche<br />
Merkmale der Struktur der<br />
Schweizer Forstwirtschaft sind<br />
– der hohe Anteil öffentlichen Waldes<br />
– die kleinteiligen Besitz- und Bewirtschaftungsverhältnisse<br />
– die hohe Relevanz einer Vielzahl<br />
von Ökosystemdienstleistungen<br />
– der hohe Anteil zertifizierten<br />
Waldes<br />
Die Marktstruktur der Schweizer<br />
Forstwirtschaft ist durch kleinteilige<br />
Waldbesitz- und Bewirtschaftungs-<br />
Verhältnisse sowie von öffentlichen<br />
Anbietern geprägt – etwa 70 Prozent<br />
der Waldfläche wird von politischen<br />
Kommunen und Ortsbürgergemeinden<br />
bewirtschaftet. Dieses besondere<br />
Strukturmerkmal erhöht die<br />
Wahrscheinlichkeit, dass der Wettbewerb<br />
der Forstbetriebe untereinander<br />
zumindest teilweise ausgeschaltet ist.<br />
Es erhöht ferner die Wahrscheinlichkeit,<br />
dass die Kosten des physikalischen<br />
Bodenschutzes, für den der Waldbesitz<br />
verantwortlich ist, auch von ihm getragen<br />
werden. Eine Überwälzung dieser<br />
Mehrkosten auf die tendenziell oligopolistisch<br />
strukturierte Holzkäuferschaft<br />
ist vor allem aus Gründen der<br />
kleinteiligen Besitz- und Bewirtschaftungsverhältnisse,<br />
der geringen Anbieterkonzentration<br />
und der damit einhergehenden<br />
fehlenden Marktmacht<br />
eher nicht möglich. Eine Überwälzung<br />
auf die forstlichen Dienstleister vor<br />
Ort ist vor allem nicht sinnvoll, weil<br />
der Betrieb auf diese angewiesen ist.<br />
Gerade diese ermöglichen die Einsparung<br />
von Transaktionskosten und die<br />
Erhöhung der Einsatz-Flexibilität aus<br />
Bodenschutzgründen. Bund und Kantone<br />
werden Bodenschutzmassnahmen<br />
im Normalfall nicht abgelten, weil der
Forum für Wissen 2013 37<br />
Waldbesitzer (und auch die Dienstleister)<br />
sowieso per Gesetz zur Einhaltung<br />
der Bodenschutzbestimmungen<br />
verpflichtet sind. In der Regel tragen<br />
daher die Forstbetriebe die Kosten,<br />
wodurch sich ihre wirtschaftliche Situation<br />
verschlechtert. Da die Kosten<br />
unter diesen Voraussetzungen nicht<br />
preiswirksam werden, bleibt das Holz<br />
ceteris paribus konkurrenzfähig und<br />
der Wettbewerb wird durch den physikalischen<br />
Bodenschutz in diesem Fall<br />
nicht verzerrt. Die Situation kann sich<br />
aber entscheidend ändern, wenn die<br />
Forstbetriebe unter weiteren Kostendruck<br />
geraten und der Waldboden deswegen<br />
zu wenig geschützt wird.<br />
Die hohe Relevanz der vielen Ökosystemdienstleistungen<br />
des Waldes<br />
in der Schweiz hilft ebenfalls, den<br />
Schutz des Waldbodens zu gewährleisten.<br />
Im Vergleich mit anderen öffentlichen<br />
Gütern spielt der Bodenschutz<br />
hier sogar eine hervorgehobene Rolle:<br />
Die Nichtgefährdung der Waldböden,<br />
des Trinkwassers und der Vitalität der<br />
Bäume ist eines von 11 erklärten Zielen<br />
der Waldpolitik 2020 des Bundes<br />
(BAFU 2013).<br />
Schliesslich gilt es die Zertifizierung<br />
als ein weiteres, markantes Strukturmerkmal<br />
der Branche zu beleuchten.<br />
Zurzeit sind 56 Prozent der Schweizer<br />
Waldfläche nach PEFC oder FSC<br />
zertifiziert (611 000 ha). Der physikalische<br />
Bodenschutz wird in beiden Systemen<br />
mit gleichen Standards behandelt.<br />
Gefordert wird beispielsweise vor<br />
allem<br />
– ein Feinerschliessungsnetz, welches<br />
im Gelände markiert und kartenmässig<br />
dokumentiert sein muss,<br />
– die Beschränkung der Befahrung<br />
auf Waldwege und Rückegassen,<br />
– die Verhinderung von Bodenbeeinträchtigungen,<br />
welche die<br />
Bodenfruchtbarkeit langfristig<br />
beeinträchtigen(sog. Spurtyp 3; vgl.<br />
Kap. 9.1).<br />
Die Zertifizierung stellt für die Forstbetriebe<br />
keinen Wettbewerbsvorteil<br />
auf dem Holzmarkt dar (Interview von<br />
B. Holenstein mit dem Direktor des<br />
WVS M. Brunner, 2013). Dies ist vor<br />
allem dadurch bedingt, dass nur wenige<br />
Grossabnehmer zertifiziertes Holz<br />
verlangen und dieses wegen der hohen<br />
Zertifizierungsquote in relativ grossen<br />
Mengen angeboten werden kann.<br />
Der Aspekt Bodenschutz ist in diesem<br />
Zusammenhang von untergeordneter<br />
Bedeutung. Insofern ist Zertifizierung<br />
unter den aktuellen Schweizer Verhältnissen<br />
kein Mittel, um den physikalischen<br />
Bodenschutz zu fördern. An dieser<br />
Stelle ist darauf hinzuweisen, dass<br />
bei der Zertifizierung in der Landwirtschaft<br />
weniger strenge Massstäbe bzgl.<br />
des physikalischen Bodenschutzes gelten<br />
und im internationalen Vergleich in<br />
der Waldwirtschaft nicht mit gleicher<br />
Elle gemessen wird. Wettbewerbsverzerrende<br />
Wirkungen sind nicht ausgeschlossen.<br />
6.2 Industrieökonomische<br />
Folgerungen<br />
Aus der Perspektive der Industrieökonomik<br />
bemühen sich die wirtschaftenden<br />
Akteure stets um eine Entschärfung<br />
des Wettbewerbs – was in der<br />
Schweizer Forstwirtschaft schon weitgehend<br />
der Fall ist: Durch die gegebene<br />
Marktstruktur mit dem hohen Anteil<br />
öffentlicher Forstbetriebe bzw. Anbieter<br />
ist der Wettbewerb zumindest teilweise<br />
ausgeschaltet. Dieser Wettbewerbsschutz<br />
erleichtert es den Forstbetrieben,<br />
auf die Anforderungen des<br />
Bodenschutzes zu reagieren und diese<br />
zu erfüllen. Die a priori gegebene<br />
Ausschaltung des Wettbewerbs wirkt<br />
sich somit (bisher) positiv auf die<br />
Erzeugung des Gutes Bodenschutz aus<br />
und hilft sogar, diesen zu garantieren.<br />
Zugleich sind keine wettbewerbsverzerrenden<br />
Wirkungen zu erwarten: Die<br />
Wettbewerbsfähigkeit des Produktes<br />
Holz wird durch den physikalischen<br />
Bodenschutz in der Schweiz eher nicht<br />
beeinträchtigt.<br />
Der fehlende Wettbewerb hilft<br />
also, den Bodenschutz im Windschatten<br />
des Marktes in geschützter Nische<br />
zu garantieren. Daran ändert bei den<br />
gegebenen Marktstrukturen auch die<br />
Zertifizierung nichts, die unter den<br />
gegebenen Umständen kein Mittel<br />
zur Produktdifferenzierung darstellt.<br />
Unter diesen Bedingungen ist das<br />
Gut Bodenschutz nicht handelbar und<br />
zumindest nicht ohne weiteres ein Gut,<br />
womit man mit anderen Betrieben in<br />
Konkurrenz treten kann.<br />
7 Institutionenökonomische<br />
Perspektive<br />
Die Neue Institutionenökonomik versucht<br />
eine ökonomische Theorie zu<br />
entwickeln, um das Wirtschaften und<br />
seine Ergebnisse unter realistischeren<br />
Bedingungen zu erklären, als dies<br />
die neoklassische Ökonomie mit ihren<br />
idealtypischen Annahmen tut (Richter<br />
und Furubotn 2010). Die Institutionenökonomie<br />
unterstellt unvollkommene<br />
Akteure, also Menschen mit<br />
begrenzter Voraussicht, Rationalität<br />
und Moral, die in ihrem Handeln voneinander<br />
abhängen. Untersucht werden<br />
die Auswirkungen von Institutionen<br />
auf das Handeln der Menschen.<br />
Institutionen werden verstanden als ein<br />
System von formellen und informellen<br />
Regeln einschliesslich der Instrumente<br />
ihrer Durchsetzung wie Eigentum,<br />
Gesetze und Verträge. Kontroll- und<br />
Anreizprobleme stehen im Mittelpunkt.<br />
Diese werden als höchst bedeutsame<br />
Elemente des Wirtschaftsprozesses<br />
angesehen. Dabei wird berücksichtigt,<br />
dass die Schaffung und Nutzung<br />
und Überwachung von Institutionen<br />
Ressourcen beanspruchen, welche sog.<br />
Transaktionskosten verursachen.<br />
7.1 Welche Anreize bestehen zum<br />
Schutz des Bodens?<br />
Forstbetriebe haben starke Anreize<br />
zum Schutz des Bodens. Sie ergeben<br />
sich zum einen durch ein besonderes<br />
Prinzipal-Agenten-Verhältnis, zum<br />
anderen durch ein starkes forstliches<br />
Berufsethos. Hinzu kommt die Bedeutung<br />
des Bodenschutzes in der Waldpolitik<br />
des Bundes. Auch aus dieser institutionenökonomischen<br />
Sicht ist der<br />
Schutz des Waldbodens weitgehend<br />
gewährleistet.<br />
Das Gut Bodenschutz wird von<br />
der Gesellschaft und den staatlichen<br />
Behörden in Form von Gesetzen und<br />
Verordnungen (vgl. Kap. 3) sowie zum<br />
Teil auch direkt von Bürgern und Bürgerinnen<br />
als öffentliches Gut nachgefragt<br />
und kontrolliert (vgl. Kap. 4).<br />
Erstere werden von den Kantonen<br />
überwacht und vollzogen, wobei die<br />
Bereitschaft, die Regeln mit Sanktionen<br />
durchzusetzen, nach unserer Einschätzung<br />
zunimmt. Letzteres äussert
38 Forum für Wissen 2013<br />
sich in Beschwerden über tiefe Fahrspuren<br />
im Wald, mit denen sich die<br />
Betriebsleiter auseinandersetzen müssen.<br />
In der Sprache der Institutionenökonomie<br />
kann eine solche besondere<br />
Beziehung als Prinzipal-Agentenbeziehung<br />
bezeichnet werden. Die Auseinandersetzung<br />
mit einer Beschwerde<br />
des Prinzipals Bevölkerung verursacht<br />
dem Agenten Betriebsleiter unter<br />
Umständen beträchtlichen Aufwand<br />
und kann ihm auch sehr unangenehm<br />
sein. Weiterhin kann die Beschwerde<br />
seinem Ansehen bei der ortsansässigen<br />
Bevölkerung schaden. Für das Gewicht<br />
dieses Arguments sprechen z.B. die<br />
umfangreichen Kommunikationsanstrengungen<br />
zur Ankündigung und<br />
Begründung von Erntemassnahmen im<br />
Stadtwald von St. Gallen (Kuhn 2011).<br />
Das starke forstliche Berufsethos<br />
(Franck und Pudack 2005) stellt eine<br />
weitere Institution dar. Verstärkt durch<br />
den Druck von Politik und Bevölkerung<br />
umfasst dieses mittlerweile auch<br />
den Bodenschutz, und sorgt dafür,<br />
dass der schonende Umgang mit dem<br />
Boden ein Qualitätsmerkmal guter<br />
forstlicher Praxis darstellt. Hierzu hat<br />
sicher auch die mehrjährige Sensibilisierung<br />
und Ausbildung der Praxisakteure<br />
durch die <strong>WSL</strong> beigetragen. Die<br />
forstlichen Akteure teilen die Werte<br />
und Normen des Berufsethos und ihre<br />
Einhaltung erhält einen Eigenwert. Bei<br />
Missachtung des Bodenschutzes drohen<br />
Ansehensverluste in der Branche.<br />
Die Nichtgefährdung der Waldböden,<br />
des Trinkwassers und der Vitalität<br />
der Bäume ist eines von 11 erklärten<br />
Zielen der Waldpolitik 2020 des Bundes<br />
(BAFU 2013). Im Vergleich mit<br />
anderen öffentlichen Gütern spielt der<br />
Bodenschutz eine ebenbürtige Rolle.<br />
Hieraus ergibt sich ein weiterer Anreiz,<br />
den Boden aktiv zu schützen.<br />
7.2 Wer schützt den Boden?<br />
Tabelle 2 zeigt auf, dass zahlreiche<br />
Akteure für die Umsetzung des physikalischen<br />
Bodenschutzes verantwortlich<br />
sind: Waldeigentümer, Forstbetrieb,<br />
Forstunternehmer und kantonaler<br />
Forstdienst. Der kantonalen<br />
Bodenschutzfachstelle obliegt als<br />
zuständigem Vollzugsorgan die Überprüfung<br />
der einzuhaltenden gesetzlichen<br />
Vorgaben. Im öffentlichen Wald<br />
übernimmt in der Regel ein Forstbetrieb<br />
die Waldbewirtschaftung. Im Hinblick<br />
auf den Bodenschutz trägt hier<br />
der Betriebsleiter die nahezu alleinige<br />
Verantwortung in der Phase der Planung.<br />
Bei der Arbeitsausführung (Holzernte)<br />
ist er auf die Zusammenarbeit<br />
mit den jeweils beteiligten Akteuren<br />
angewiesen. Er ist auch für die Abnahme<br />
der Arbeiten im Hinblick auf den<br />
Bodenschutz zuständig. Der Betriebsleiter<br />
ist somit auch die entscheidende<br />
Person im oben angesprochenen Prinzipal-Agenten-Verhältnis.<br />
7.3 Institutionenökonomische<br />
Folgerungen<br />
Mehrere formelle und informelle Institutionen<br />
liefern also die Anreize<br />
dafür, dass der Bodenschutz von den<br />
Betriebsleitern ernst genommen und<br />
im öffentlichen Wald eingehalten wird.<br />
Tabelle 2: Akteure und grundsätzliche Verteilung der Verantwortlichkeiten im Hinblick auf den physikalischen Bodenschutz bei der Holzernte<br />
(Spjevak und Thees 2009a, Lüscher et al. 2009b).<br />
Phasen<br />
Aufgaben<br />
Akteure<br />
Waldeigentümer<br />
1<br />
Betriebsleiter<br />
2<br />
Forstunternehmer<br />
Forstdienst 2<br />
Maschinenführer<br />
Bodenschutzfachstelle<br />
Planung<br />
Steuerung<br />
und Durchführung<br />
betriebliche Überwachung<br />
Betriebsplanung x x x<br />
Feinerschliessungsplanung<br />
x<br />
Jahresplanung x x x<br />
Termin- und Kapazitätsplanung<br />
x<br />
Verfahrens- und Maschinenwahl x x<br />
Vertragsabschluss/Arbeitsauftrag x x<br />
Bodenzustandsermittlung 3 x x<br />
Abnahme der Arbeiten x x x<br />
Beurteilung der Fahrspuren<br />
x<br />
Massnahmenentscheid<br />
x<br />
hoheitliche Überwachung 4 Kontrolle (x) 5 x<br />
Massnahmenentscheid (x) 5 x<br />
1<br />
Im Privatwald kann der Waldeigentümer fallweise die Aufgaben des Betriebsleiters übernehmen. Deshalb ist die Linie zwischen den<br />
Kolonnen Waldeigentümer und Betriebsleiter gestrichelt dargestellt.<br />
2<br />
Häufig nimmt der Betriebsleiter auch hoheitliche Aufgaben wahr (Revierförster) und übernimmt dann auch die Aufgaben in der Kolonne<br />
Forstdienst.<br />
3<br />
Im Zusammenhang mit der Ermittlung des Bodenzustandes findet vor jeder Befahrung der Entscheid fahren/nicht fahren statt.<br />
4<br />
Bei der hoheitlichen Überwachung muss überprüft werden, ob die gesetzlichen Vorgaben zum Bodenschutz eingehalten wurden.<br />
5<br />
Die hoheitliche Überwachung der gesetzeskonformen Bodennutzung kann auch dem kantonalen Forstdienst delegiert werden.
Forum für Wissen 2013 39<br />
Der Anreiz liegt vor allem im Vermeiden<br />
von Ärger mit der Bevölkerung.<br />
Dies kann bei der gegebenen Gesamtsituation<br />
sogar die staatliche Aufsicht<br />
entlasten. Bei Nichtbeachtung drohen<br />
beträchtliche Transaktionskosten. Im<br />
Extremfall kann die öffentliche Meinung<br />
die Legitimationsgrundlage der<br />
Holznutzung respektive der Forstwirtschaft<br />
insgesamt gefährden.<br />
Es ist eine interessante Beobachtung<br />
auf der institutionellen Ebene, dass in<br />
vergleichsweise kurzer Zeit alle Akteure<br />
in der Forstwirtschaft und den flankierenden<br />
Systemen national wie international<br />
für das Thema sensibilisiert<br />
wurden. Im Inland haben hierzu die<br />
Ausbildungsaktivitäten der <strong>WSL</strong> und<br />
die Politik des BAFU massgeblich beigetragen.<br />
Bodenwassergehalt (Vol.-%)<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
1.1.04 1.2.04 1.3.04 1.4.04 1.5.04 1.6.04 1.7.04 1.8.04 1.9.04 1.10.04 1.11.04 1.12.04<br />
Datum<br />
"710+BB"<br />
"600+BB"<br />
"600", "600+RDA", "710", "710+RDA"<br />
Jahresverlauf des<br />
Bodenwassergehalts<br />
Abb. 4. Modellhafte Kalkulation bodenschonender Einsatztage eines Forwarders John<br />
Deere JD 1110 D im Verlauf des Jahres 2004 auf sandigem Lehm. (Spjevak et al. 2009;<br />
die gestrichelten Linien grenzen die übliche Haupteinschlagszeit zwischen September und<br />
März ab; 600 bzw. 710: Reifenbreite in mm; BB: Bogiebänder; RDA: Reifendruckregelanlage).<br />
8 Herausforderungen<br />
Klimawandel und steigende<br />
Ressourcennachfrage<br />
Eine besondere Herausforderung für<br />
den physikalischen Bodenschutz bei<br />
der Holzernte ergibt sich durch den<br />
Klimawandel. Sollte es wärmer und<br />
nässer werden und dies auch das Winterhalbjahr<br />
betreffen, wird die Zahl<br />
der Tage mit guten Bedingungen für<br />
die Befahrung bzw. die Zahl der potentiell<br />
schadensarmen Erntetage in der<br />
traditionellen Einschlagsperiode massgeblich<br />
eingeschränkt. Das vergangene<br />
Frühjahr (2013) hat hierfür einen<br />
Vorgeschmack geboten; der Holzeinschlag<br />
ist praktisch über Wochen zum<br />
Stillstand gekommen, weil die Waldböden<br />
zu nass und die Schadensrisiken zu<br />
hoch waren. Sollten Situationen wie im<br />
letzten Frühjahr zur Regel werden, verlangt<br />
dies von der Forstwirtschaft eine<br />
höchst flexible Einsatzplanung und<br />
-steuerung.<br />
Abbildung 4 verdeutlicht die aufgezeigte<br />
Problematik am Beispiel des niederschlags-<br />
und temperaturmässigen<br />
Durchschnittsjahres 2004. Zu erkennen<br />
sind der Tagesgang des gemessenen<br />
Bodenwassergehaltes und die modellhaft<br />
kalkulierten Grenzwassergehalte<br />
für die Befahrung mit verschiedenen<br />
Spezialausrüstungen zur bodenschonenden<br />
Holzernte: Liegt der aktuelle<br />
Wassergehalt unter diesem Grenzwassergehalt,<br />
kann man schadensfrei fah-<br />
ren. Die bodenschonenden Einsatztage<br />
hätten sich im Jahr 2004 hinsichtlich<br />
der Referenzvariante und den Varianten<br />
mit Breitreifen und Reifendruckregelanlage<br />
(rote Linie) vorwiegend<br />
auf die Sommermonate beschränkt. In<br />
der Haupteinschlagsperiode von September<br />
bis März wäre es somit nur selten<br />
möglich gewesen, bodenschonend<br />
zu fahren. Mit breiteren Reifen und<br />
Bogiebändern wäre der Boden auch<br />
im Winter praktisch nie zu nass gewesen<br />
– ein sehr interessantes Ergebnis,<br />
auch wenn die Modellberechnungen<br />
im Moment nicht überbewertet werden<br />
dürfen und noch genauer zu untersuchen<br />
sind.<br />
Mögliche Massnahmen sind:<br />
– technische Massnahmen, um den<br />
spezifischen Bodendruck der<br />
Maschinen zu senken wie Moorbänder<br />
oder leichtere Maschinen-<br />
soweit dies die auszuführende<br />
Arbeit zulässt<br />
– bessere Ausnutzung guter Wetterperioden,<br />
zum Beispiel Zweischichtbetrieb,<br />
je nach Situation auch Nachtarbeit,<br />
um gute Befahrungsbedingungen<br />
optimal auszunutzen<br />
– Holzernte auch im Sommer, d.h.<br />
in der Vegetationszeit, wenn der<br />
Boden trocken ist<br />
– grossräumige und flexible Einsatzgestaltung<br />
– finanzielle Abgeltung von Massnahmen<br />
Die Situation wird verschärft, wenn die<br />
Ressourcennachfrage weiter steigt und<br />
unter zunehmend schwierigeren Witterungsbedingungen<br />
mehr Holz genutzt<br />
werden soll. Dies könnte zum Beispiel<br />
durch steigende Nachfrage im energetischen<br />
Bereich bedingt sein. Hier ist<br />
im Fall der Vollbaumnutzung und des<br />
damit verbundenen Nährstoffentzugsrisikos<br />
infolge der Mitnutzung von Reisig<br />
und Nadeln zusätzlich auch der chemische<br />
Bodenschutz angesprochen.<br />
Vor dem Hintergrund des Klimawandels<br />
und des steigenden Bedarfs<br />
an erneuerbaren Ressourcen ist zu<br />
befürchten, dass<br />
– die Risiken zunehmen, dass Bodenschäden<br />
entstehen;<br />
– die Ansprüche an Umfang und<br />
Qualität der Massnahmen zunehmen;<br />
– der Kontrollbedarf zunimmt;<br />
– die Kosten des Bodenschutzes im<br />
Wald deutlich zunehmen.<br />
Das heisst, Bodenschutz im Wald könnte<br />
in Zukunft schwieriger und teurer<br />
werden.
40 Forum für Wissen 2013<br />
9 Diskussion und<br />
Folgerungen<br />
9.1 Standardisierung<br />
Standards sind Institutionen, die eine<br />
wichtige Voraussetzung für eine konsequente<br />
Umsetzung des physikalischen<br />
Bodenschutzes schaffen. Sie sind Verpflichtungen<br />
und definieren die optimale<br />
Qualität des Arbeitsergebnisses<br />
beziehungsweise des Bodenzustands<br />
nach der Befahrung. Sie ermöglichen<br />
es, die Ausführenden darüber zu informieren,<br />
was bei den forstlichen Arbeiten<br />
zu vermeiden oder zu erreichen<br />
ist und stellen eine Grundlage für die<br />
Kontrolle der Arbeiten dar. Weitere<br />
Vorteile von Qualitätsstandards für<br />
den Bodenschutz sind die zwingende<br />
Operationalisierung der allgemein formulierten<br />
gesetzlichen Vorschriften,<br />
die verbesserte Transparenz und Fairness<br />
im Wettbewerb der forstlichen<br />
Dienstleister und die Stärkung des<br />
gesellschaftlichen Images einer Branche,<br />
die in und mit der Natur wirtschaftet<br />
und dabei Technik einsetzt. Qualitätsstandards<br />
für den Bodenschutz im<br />
Wald können letztlich einen Teil der<br />
gen muss, damit der Standard oder die<br />
Regel als verletzt bzw. als nicht erreicht<br />
gilt. Denn der Spurtyp 3 ist in der Praxis<br />
auch bei fachgerechter forstlicher<br />
Arbeit nicht vollständig zu vermeiden.<br />
Die notwendige Quantifizierung<br />
des tolerierbaren Schadenausmasses<br />
kann man zum Beispiel so vornehmen,<br />
dass ein bestimmter Anteil der Länge<br />
einer Rückegasse den Spurtyp 3 aufweisen<br />
darf und dass dieser Anteil sich<br />
mit zunehmender Befahrungsempfindlichkeit<br />
erhöht. Die Festlegung dieser<br />
quantitativen Ausprägungen um einen<br />
allgemeinverbindlichen Standard, ist<br />
im Rahmen eines politischen Prozesses<br />
zwischen den beteiligten Verbänden<br />
und Interessengruppen auszuhandeln.<br />
Bisher gibt es wie erwähnt noch keine<br />
offiziellen Standards für den Bodenschutz.<br />
Ihre Entwicklung und Umsetzung<br />
wird durch eine theoretisch fundierte<br />
Vorgehensweise erleichtert.<br />
Dabei schlagen Bergen et al. (2013)<br />
für die Formulierung von Standards die<br />
drei Ebenen Ökologie, Ökonomie und<br />
Politik vor. Auf der ökologischen Ebene<br />
sind Mindest-Qualitätsstandards<br />
zu formulieren. Auf der ökonomischen<br />
Ebene müssen die Kosten für die<br />
Bewahrung der Umwelt berücksichumfassenden<br />
Qualitätsstandards der<br />
Holzernte darstellen.<br />
Der von der <strong>WSL</strong> vorgeschlagene<br />
Spurtyp 3 (Lüscher et al. 2009a;<br />
Lüscher et al. 2014) bildet eine gute<br />
Basis, um einen Standard im Bereich<br />
des physikalischen Bodenschutzes bei<br />
der Holzernte abzuleiten. Der Spurtyp<br />
3 stellt eine Konkretisierung und<br />
Operationalisierung des Gesetzestextes<br />
(langfristig nicht reversible Beeinträchtigung<br />
der Bodenfruchtbarkeit<br />
und damit des Pflanzenwachstums)<br />
dar. In der vorliegenden Form sagt<br />
er aber lediglich aus, dass ein ökologischer<br />
Schaden eingetreten bzw. mit<br />
hoher Wahrscheinlichkeit zu erwarten<br />
ist.<br />
Um aus dem Spurtyp 3 einen Standard<br />
bzw. eine Norm zu machen, ist es<br />
notwendig, ihn weiter zu operationalisieren.<br />
Folglich gilt es, mittels weiterer<br />
Beschreibung und unter Einbezug der<br />
standortskundlichen Voraussetzungen<br />
so zu konkretisieren, dass er in eine<br />
Regel eingebaut werden kann, deren<br />
Einhaltung breite Akzeptanz bei den<br />
Beteiligten findet sowie objektiv und<br />
effizient kontrolliert werden kann.<br />
Dazu muss man zunächst festlegen,<br />
welches Ausmass vom Spurtyp 3 vorlie-<br />
Gesetzliche Vorgabe<br />
… keine langfristige Beeinträchtigung<br />
der Bodenfruchtbarkeit …<br />
Interpretation<br />
Spurtyp 3<br />
aufgrund der ökologischen<br />
Auswirkungen definiert<br />
Operationalisierung<br />
Standard<br />
zusätzlich ökonomisch definiert:<br />
Spurtyp 3 inklusive<br />
– Ausmass, abhängig vom Standort<br />
– Berücksichtigung der Wettbe <br />
werbsfähigkeit<br />
Grundlage<br />
– für Ernteverträge<br />
– für Einsatzsteuerung<br />
– für Schlagkontrolle<br />
Abb. 5. Konzept für einen Qualitätsstandard im physikalischen Bodenschutz bei der Holzernte (Foto Marco Walser)
Forum für Wissen 2013 41<br />
tigt werden. Das sind die Kosten der<br />
Schadensvermeidung, die im Hinblick<br />
auf Angemessenheit überprüft werden<br />
müssen. Auf der politischen Ebene<br />
geht es um die gesellschaftliche Beurteilung<br />
der vorgeschlagenen Zielstandards.<br />
Dies geschieht unter Verwendung<br />
von zusätzlichen Beurteilungskriterien.<br />
Abbildung 5 skizziert den<br />
aktuellen Stand eines Konzeptes für<br />
einen Qualitätsstandard im physikalischen<br />
Bodenschutz bei der Holzernte<br />
in der Schweiz.<br />
9.2 Integration in den<br />
Managementprozess<br />
Eine effektive und effiziente Umsetzung<br />
der Bodenschutz-Vorschriften<br />
im Forstbetrieb setzt zum einen voraus,<br />
dass die entsprechenden Aufgaben<br />
und die Verantwortlichkeiten klar definiert<br />
und abgegrenzt sind. Zum anderen<br />
sind diese Aufgaben in die betrieblichen<br />
Prozesse der Holzernte und in<br />
den Prozess der kantonalen Überwachung<br />
der Waldbewirtschaftung zu<br />
integrieren. Aspekte des Bodenschutzes<br />
sind praktisch im gesamten Ablauf<br />
wichtig und zu berücksichtigen. Die<br />
Integration des physikalischen Bodenschutzes<br />
in die gesamte produktionsökonomische<br />
Planung, Steuerung und<br />
Kontrolle der Holznutzung (d.h., in die<br />
Arbeitsvorbereitung (AVOR)) zeichnet<br />
den nachhaltigen und professionellen<br />
Forstbetrieb aus. Verbundeffekte<br />
können genutzt werden. Abbildung 6<br />
zeigt einen möglichen Ansatz, um diese<br />
Forderung umzusetzen.<br />
9.3 Zusammenfassende<br />
Schlussfolgerungen<br />
Im Rahmen des Beitrages wurde der<br />
physikalische Bodenschutz aus verschiedenen<br />
ökonomischen Perspektiven<br />
beleuchtet. Im Mittelpunkt stand<br />
eine Analyse aus (i) Produktions-, (ii)<br />
Industrie- und (iii) institutionenökonomischer<br />
Sicht. Die Ergebnisse tragen<br />
zu einem besseren Verständnis dieses<br />
privatwirtschaftlich erzeugten öffentlichen<br />
Gutes bei. Mögliche Herausforderungen<br />
in der Zukunft bilden Klimawandel<br />
und steigende Ressourcennachfrage.<br />
Sie können das Problem<br />
des forstlichen Bodenschutzes massiv<br />
verschärfen und die Mehrkosten in die<br />
Höhe treiben.<br />
Ad (i) Es konnte festgestellt werden,<br />
dass der physikalische Bodenschutz<br />
beträchtliche Kosten verursacht, aber<br />
auch grossen Nutzen stiften kann. Um<br />
den Nutzen zu realisieren sind langfristige<br />
ökonomische Aspekte ebenfalls<br />
ins Kalkül zu ziehen; hierfür fehlen<br />
allerdings derzeit noch praxisgerechte<br />
Grundlagen. Potenziale zur Rationalisierung,<br />
insbesondere zur Kostensenkung<br />
und Professionalisierung sind vor<br />
allem im Hinblick auf zukünftig steigende<br />
Anforderungen auszunutzen.<br />
Zwei wesentliche, zielführende Massnahmen<br />
sind (1) die Integration der für<br />
den Bodenschutz relevanten betrieblichen<br />
(und hoheitlichen) Prozesse in<br />
den Ablauf der Holzernte und (2) die<br />
Entwicklung einer hochflexiblen Einsatzplanung<br />
und -steuerung, insbesondere<br />
für den Umgang mit den Folgen<br />
des Klimawandels und des Anstiegs<br />
der Ressourcennachfrage. Die Basismassnahmen<br />
Weiterbildung, Bodenzustandsermittlung<br />
sowie Überwachung<br />
und Abnahme der Arbeiten haben sich<br />
als zielführend erwiesen.<br />
Ad (ii) Der Wettbewerbsschutz<br />
der öffentlichen Forstbetriebe in der<br />
Schweiz gewährleistet derzeit einen<br />
Bodenschutz auf vergleichsweise<br />
Betriebsplanung<br />
Feinerschliessungsplanung<br />
Jahresplanung, inkl. Termin<br />
und Kapazitätsplanung<br />
Verfahrens- und Maschinenwahl<br />
Vertragsabschluss / Arbeitsauftrag<br />
Bodenzustandsermittlung<br />
Entscheind fahren / nicht fahren<br />
Fällen, Aufarbeiten, Rücken<br />
Abnahme der Arbeiten<br />
Berücksichtigung des<br />
Bodenschutzes<br />
Zusätzlicher Prozess durch<br />
Bodenschutz<br />
Beurteilung der Fahrspuren,<br />
ggf. Erfassung<br />
Massnahmen, ggf. Sanktionen<br />
Abb. 6. Mögliche Integration des physikalischen Bodenschutzes in die Prozesse von betrieblicher Planung und Durchführung der Holzernte<br />
und hoheitlicher Überwachung (Spjevak und Thees 2009).
42 Forum für Wissen 2013<br />
Zum Beispiel durch die ökonomische<br />
Ergänzung der gerade genannten<br />
naturwissenschaftlichen Untersuchungen<br />
und die Berechnung jährlicher<br />
Holzproduktionswerte (Annuitäten;<br />
Möhring und Rüping 2008) zur Quantifizierung<br />
möglicher Nutzungsverzichte<br />
infolge der bodenschonenden Holzernte.<br />
10 Literatur<br />
Abb. 7. Beim Einsatz von Maschinen im Wald gilt es, den Boden schonend zu befahren und<br />
dabei die Balance zwischen den ökologischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Anforderungen<br />
der Nachhaltigkeit zu wahren. Das Bild zeigt einen Forwarder bei der Rückearbeit,<br />
ausgerüstet mit Traktionshilfswinde und Bogiebändern (Traktionsbänder). Diese Ausrüstungen<br />
vermindern den Schlupf und ermöglichen so ein bodenschonendes Arbeiten am<br />
Hang. (Foto: Fritz Frutig)<br />
hohem Niveau. Die Wettbewerbsfähigkeit<br />
des Holzes ist angesichts der<br />
Schweizer Eigentums- und Marktstrukturen<br />
durch den Bodenschutz<br />
(noch) nicht gefährdet. Allerdings<br />
kann zunehmender Kostendruck in<br />
den Forstbetrieben zu Einschränkungen<br />
beim Bodenschutz führen und die<br />
Wettbewerbsfähigkeit des Schweizer<br />
Holzes beeinträchtigen. Diesem Problem<br />
kann insbesondere durch produktions-<br />
und institutionenökonomische<br />
Massnahmen begegnet werden.<br />
Ad (iii) Die für den Bodenschutz<br />
sensibilisierte Bevölkerung und das<br />
forstliche Berufsethos entschärfen<br />
Anreiz- und Kontrollprobleme bei<br />
der Erstellung des öffentlichen Gutes.<br />
Die Zertifizierung kann marktstrukturbedingt<br />
derzeit nicht zu einer Verbesserung<br />
des Bodenschutzes beitragen.<br />
Durch die zu schaffende Institution<br />
eines Standards bezüglich der zu<br />
vermeidenden Schadwirkung (auf der<br />
Grundlage einer Fahrspurtypisierung)<br />
lässt sich bei entsprechender Gestaltung<br />
ein Konsens zwischen allen Betei-<br />
ligten – Waldbesitz, Bevölkerung und<br />
Forstunternehmertum – schaffen, welcher<br />
einen Anreiz zum Schutz des<br />
Bodens bildet, die Balance zwischen<br />
den drei Dimensionen der Nachhaltigkeit<br />
(Ökologie, Ökonomie und Soziales)<br />
nicht aus den Augen verliert und<br />
gleiche Wettbewerbsbedingungen für<br />
die forstlichen Dienstleister gewährleistet.<br />
Zur Gewährleistung und Verbesserung<br />
des physikalischen Bodenschutzes<br />
im Wald bedarf es auch weiterer<br />
Forschung und Umsetzung: Noch fehlen<br />
wichtige bodenphysikalische und<br />
bodenbiologische Grundlagen. Aktuell<br />
werden zum Beispiel Erkenntnisse<br />
über die Folgen der erhöhten<br />
Befahrungsfrequenz bei vergrösserten<br />
Rückegassenabständen und des<br />
Einsatzes verschiedener Arten von<br />
Bogiebändern benötigt. Die ökonomische<br />
Analyse und Bewertung sollte<br />
fortgesetzt werden, um die wirtschaftlichen<br />
Konsequenzen des Bodenschutzes<br />
besser beurteilen und entsprechend<br />
bessere Entscheide fällen zu können:<br />
BAFU (Hrsg.) 2013: Waldpolitik 2020. Visionen,<br />
Ziele und Massnahmen für eine<br />
nachhaltige Bewirtschaftung des Schweizer<br />
Waldes.<br />
Bergen, V.; Löwenstein, W.; Olschewski,<br />
R., 2013: Forstökonomie. Volkswirtschaftliche<br />
Ansätze für eine vernünftige<br />
Umwelt und Landnutzung. Vahlens<br />
Handbücher der Wirtschafts- und Sozialwissenschaften.<br />
Verlag Vahlen. 477 S.<br />
Holenstein, B., 2013: Es hat noch Potenzial<br />
zur Rationalisierung. Interview mit<br />
Markus Brunner – neuer Direktor WVS,<br />
Schweizer Holzzeitung 21.08.2013.<br />
Franck, E.; Pudack, T., 2005: Integration of<br />
management and law enforcement functions<br />
in Swiss forestry. Revisiting the<br />
boundaries of the forest firm. Section<br />
Forest Use Management. Working paper<br />
No. 5.<br />
Iten, B., 2009: Gesetzliche Grundlagen für<br />
den physikalischen Bodenschutz bei der<br />
Holzernte. In: Thees, O.; Lemm, R. (Hrsg.):<br />
Management zukunftsorientierter Waldnutzung.<br />
Beiträge aus einem Forschungsprogramm<br />
für die Schweizer Waldwirtschaft.<br />
Zürich, Vdf-Verlag: S. 247–259.<br />
Jäger, T.; 2012: Quantifizierung der monetären<br />
Vorteile von intakten Waldböden<br />
und allfälliger Mehraufwände bei der<br />
Holzernte. Masterarbeit Eidg. Technische<br />
Hochschule Zürich, Departement<br />
Umweltsystemwissenschaften. 108 S.<br />
Kuhn, C., 2011: Umgang mit Konfliktpotential<br />
in stadtnahen Wäldern. Der multifunktionale<br />
Wald – Konflikte und Lösungen.<br />
Forum für Wissen 2011: 23–25.<br />
Lüscher, P.; Borer, F.; Blaser, P., 2009a:<br />
Langfristige Beeinträchtigung der<br />
Fruchtbarkeit des Waldbodens durch<br />
mechanische Belastung. In: Thees, O.;<br />
Lemm, R. (Hrsg.) Management zukunftsfähige<br />
Waldnutzung. Grundlagen, Methoden<br />
und Instrumente. Birmensdorf, Eidg.<br />
Forschungsanstalt für Wald, Schnee und<br />
Landschaft <strong>WSL</strong>; Zürich, VDF. 261–270.
Forum für Wissen 2013 43<br />
Lüscher, P.; Frutig, F.; Sciacca, S.; Spjevak,<br />
S.; Thees, O., 2009b: Physikalischer<br />
Bodenschutz im Wald. Bodenschutz beim<br />
Einsatz von Forstmaschinen. Merkbl.<br />
Prax. 45: 12 S.<br />
Lüscher, P.; Thees, O.; Frutig, F., 2014:<br />
Physikalischer Bodenschutz im Wald.<br />
Umwelt-Wissen Nr. Bundesamt für<br />
Umwelt, Bern (in Vorbereitung).<br />
Möhring, B., Rüping, U., 2008: A concept<br />
for calculation of financial losses when<br />
changing the forest management strategy.<br />
For. Policy Econ. 10: 98–107.<br />
Richter, R.; Furubotn, E.G., 2010: Neue<br />
Institutionenökonomik. Eine Einführung<br />
und kritische Würdigung. 4. Überarbeitetet<br />
und erweiterte Auflage; Tübingen,<br />
Mohr. 678 S.<br />
Schwyzer, A.; Abegg, M.; Keller, M.;<br />
Ulmer, U., 2010: Gesundheit und Vitalität.<br />
In: Brändli, U.-B. (Red.): Schweizerisches<br />
Landesforstinventar. Ergebnisse<br />
der dritten Aufnahme 2004–2006. Birmensdorf,<br />
Eidgenössische Forschungsanstalt<br />
für Wald, Schnee und Landschaft.<br />
Bern, Bundesamt für Umwelt.<br />
Spjevak, S.; Thees, O., 2009: Konzeptionelle<br />
Überlegungen zum Management des<br />
physikalischen Bodenschutzes bei der<br />
Holzernte. In: Thees, O.; Lemm, R. (Hrsg.)<br />
Management zukunftsfähige Waldnutzung.<br />
Grundlagen, Methoden und Instrumente.<br />
Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt<br />
für Wald, Schnee und Landschaft<br />
<strong>WSL</strong>; Zürich, VDF. 271–291.<br />
Spjevak, S.; Thees, O.; Lüscher, P., 2009: Ein<br />
Versuch zur modellgestützten Bestimmung<br />
des Nutzens von Forstmaschinenausrüstungen<br />
für den physikalischen<br />
Bodenschutz bei der Holzernte. In: Thees,<br />
O.; Lemm, R. (Hrsg.) Management<br />
zukunftsorientierter Waldnutzung. Beiträge<br />
aus einem Forschungsprogramm<br />
für die Schweizer Waldwirtschaft. Zürich,<br />
Vdf-Verlag. 293–317.<br />
Vogt, C.; Sturm, B., 2011: Umweltökonomie:<br />
Eine anwendungsorientierte Einführung,<br />
Springer-Verlag. 49 S.<br />
Abstract<br />
Economic aspects of soil protection in forest<br />
Physical soil protection during timber harvesting is important in Switzerland not<br />
only ecologically but also economically. We analysed these economic aspects from<br />
the points of view of production, industrial and new institutional economics. The<br />
results contribute to a better understanding of this privately produced public good.<br />
Protecting the soil physically costs money but pays off in the long run. Since competition<br />
between the public enterprises is limited, it is possible to ensure soil protection<br />
at a high level. Both the public and professionals are aware of the need to<br />
protect forests, which makes it easier to solve motivational and monitoring problems.<br />
Forest certification is not appropriate for improving soil protection under<br />
the current market conditions. Our standard typology of vehicle tracks provides a<br />
basis for developing a standard for acceptable levels of soil disturbance. With such<br />
a standard it should be possible to reach a consensus on good practice among all<br />
stakeholders – the owners, the public and the forest contractors.<br />
Challenges for the future will be coping with climate change and a growing<br />
demand for resources, which will make soil protection more difficult and more<br />
expensive. Further economic analysis is needed to improve decision making about<br />
soil protection to ensure sustainable forest management.<br />
Keywords: soil protection, timber harvesting, skid lane, economics
Forum für Wissen 2013: 45–46 45<br />
Bodenverdichtung und Bodenstruktur<br />
Rainer Schulin 1 , Christine Meyer 1,2 und Peter Lüscher 2<br />
1<br />
ETH Zürich, Institut für Terrestrische Oekosysteme, Universitätstrasse 16, CH-8092 Zürich<br />
2<br />
<strong>WSL</strong> Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf<br />
Bodenverdichtung ist ein zentrales<br />
Thema im Bodenschutz. War es früher<br />
auf Landwirtschaftsböden beschränkt,<br />
so ist es in den letzten zwei Jahrzehnten<br />
auch zunehmend zu einem Problem<br />
im Wald geworden. Wird durch das<br />
Befahren mit schweren Maschinen die<br />
Tragfähigkeit des Bodens überschritten,<br />
so werden die Bodenteilchen so<br />
dicht zusammengepresst, bis der Boden<br />
genügend Widerstand gegen weitere<br />
Verdichtung aufbringt. Dadurch wird<br />
der Porenraum verringert, der für das<br />
Bodenwasser, die Durchlüftung und<br />
das Bodenleben zur Verfügung steht.<br />
Besonders ungünstig ist die Verquetschung<br />
von Grobporen, da diese für die<br />
Durchlüftung eines Bodens entscheidend<br />
sind und schon die Verengung an<br />
einer einzigen Stelle ausreicht, um die<br />
Entwässerung einer Pore um Grössenordnungen<br />
zu verlangsamen. Die Folgen<br />
sind Wasserstau und Sauerstoffmangel<br />
im Wurzelraum bei Niederschlägen.<br />
Der Verlust an Grobporen ist<br />
daher viel gravierender als der von feineren<br />
Poren, und der Verlust an Porenkontinuität<br />
viel schwerwiegender als<br />
nur der Verlust an Porenvolumen. Dies<br />
ist aber nur die eine Seite in der Beziehung<br />
zwischen Bodenverdichtung<br />
und Bodenstruktur. Die andere ist,<br />
dass auch die Empfindlichkeit gegenüber<br />
Verdichtung sehr stark von der<br />
Struktur abhängt und auch hier grosse<br />
Unterschiede zwischen verschiedenen<br />
Porentypen bestehen. Nicht nur ist der<br />
Verlust von Grobporen problematischer<br />
für die pflanzenbauliche Bodenqualität<br />
als der von feineren Poren,<br />
Grobporenraum wird zudem auch<br />
leichter zusammengedrückt. Zumindest<br />
war dies bisher die Lehrmeinung.<br />
Neuere Untersuchungen zeigen, dass<br />
auch hier eine Differenzierung notwendig<br />
ist. Während Grobporen, die<br />
aus Zwischenräumen zwischen Aggregaten<br />
bestehen, tatsächlich besonders<br />
leicht zusammengedrückt werden, weisen<br />
zylindrische Röhren und Kapillaren,<br />
wie sie insbesondere durch Regenwürmer<br />
und Wurzeln gebildet werden,<br />
eine vergleichsweise hohe Stabilität<br />
auf. Die Förderung von Bedingungen,<br />
welche die Bildung solcher Bioporen<br />
begünstigen, sollte also in der Landwirtschaft<br />
wie im Waldbau eine hohe<br />
Priorität haben.<br />
Ein verdichteter Boden kann mit<br />
technischen Massnahmen gelockert<br />
werden. Dies ist aber zum einen aufwendig<br />
und vor allem im Wald nur in<br />
beschränktem Masse – wenn überhaupt<br />
– möglich. Zum anderen kann<br />
durch künstliche Lockerung allein die<br />
ursprüngliche Bodenstruktur nicht wiederhergestellt<br />
werden, sondern höchstens<br />
eine Beschleunigung der natürlichen<br />
Regenerationsprozesse erreicht<br />
werden, indem die Drainage und damit<br />
die Durchlüftung gefördert wird, so<br />
dass es strukturbildende Organismen<br />
einschliesslich Pflanzenwurzeln leichter<br />
haben, verdichtete Partien wieder<br />
zu erschliessen. Je tiefer die Verdich-<br />
Abb. 1. Alle drei Fotos zeigen dieselbe Fahrspur am Standort Ermatingen (Thurgau), links: Fahrspurtyp 3, mittig: Fahrspur mit Bepflanzungsmassnahmen<br />
(Schwarzerlen), rechts: Situation 3 Jahre nach der Bepflanzung. Fotos: Roger Köchli und Christine Meyer.
46 Forum für Wissen 2013<br />
tung reicht, umso langsamer wirken<br />
diese Prozesse, und wie durch Gletscherauflast<br />
verursachte geogene Verdichtungen<br />
zeigen, können Verdichtungen<br />
des tieferen Unterbodens auch<br />
nach Jahrtausenden noch vorhanden<br />
sein. Es sollte daher absolut prioritär<br />
sein, Bodenverdichtungen zu vermeiden,<br />
vor allem solche, die bis in den<br />
tieferen Unterboden reichen. Für die<br />
Tiefenwirkung ist auf der Belastungsseite<br />
nicht der Kontaktflächendruck<br />
sondern die Auflast als ganzes entscheidend,<br />
auf der Bodenseite die Feuchtigkeit.<br />
Mit anderen Worten: Es muss<br />
unbedingt vermieden werden, einen<br />
Boden mit zu schweren Maschinen bei<br />
zu feuchten Bedingungen zu befahren.<br />
Trotzdem gibt es Situationen, in<br />
denen sich eine solche Befahrung<br />
nicht völlig vermeiden lässt, und auch<br />
viele Standorte, an denen der Boden<br />
durch frühere Befahrungen bereits<br />
verdichtet ist. Hier stellt sich die Frage,<br />
wie die Wiederherstellung einer<br />
für die Bestandesentwicklung günstigen<br />
Bodenstruktur möglichst wirksam<br />
und kostengünstig beschleunigt oder<br />
überhaupt erreicht werden kann. In<br />
einem kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt<br />
haben wir gefunden,<br />
dass sich dazu die Bepflanzung von<br />
stark verdichtetem Boden mit Schwarzerlen<br />
sehr gut eignen kann (Abb. 1).<br />
Die Ergebnisse dieser Untersuchung<br />
weisen darauf hin, dass Erlenwurzeln<br />
eine eigentliche Pionierfunktion<br />
in der Erschliessung von verdichtetem<br />
Boden für andere Organismen<br />
haben können. Es zeigte sich nämlich,<br />
dass sich zunächst und in enger Korrelation<br />
mit der Durchwurzelung die<br />
Luftleitfähigkeit erhöhte und erst mit<br />
Verzögerung in signifikantem Mass<br />
Grobporenraum gebildet wurde. Dies<br />
liess darauf schliessen, dass zunächst<br />
durch die Wurzeln entwässerter Porenraum<br />
geschaffen werden musste, bevor<br />
durch andere Prozesse weitere Struktur<br />
entstehen konnte. Das Fazit dieses<br />
Vortrags ist, dass es für das Verständnis<br />
der Zusammenhänge zwischen<br />
Bodenverdichtung und Bodenstruktur<br />
die Erkenntnis entscheidend ist, nicht<br />
nur zwischen Poren unterschiedlicher<br />
Grösse zu unterscheiden, sondern dass<br />
auch die Form und Art der Entstehung<br />
wesentlich sind.
Forum für Wissen 2013: 47–53 47<br />
Sind Waldbodenfunktionen nachhaltig gewährleistet?<br />
Beispiel Säurepufferung<br />
Stephan Zimmermann und Jörg Luster<br />
<strong>WSL</strong> Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf,<br />
stephan.zimmermann@wsl.ch<br />
Im Hinblick auf klimatische Veränderungen und anthropogene Stoffbelastungen<br />
stellt sich die Frage, in wie weit die Regulierungsfunktionen von Waldböden –<br />
dazu gehören einerseits die Speicherung von Wasser, Kohlenstoff und Nährstoffen,<br />
andererseits die Säurepufferung und Rückhaltung von Schadstoffen – nachhaltig<br />
gewährleistet sind. In einer Fallstudie anhand von Waldböden an 115 Standorten<br />
in den Zentralschweizer Kantonen untersuchten wir diese Frage exemplarisch<br />
für die Säurepufferung. Als Indikator verwendeten wir eine auf profilumfassenden<br />
Kriterien abgestützte Klassierung der Empfindlichkeit für eine Abnahme der<br />
Basensättigung bei anhaltender Säurebelastung. Wir können damit beurteilen, wie<br />
gut Böden mittel- und langfristig mit weiteren Säure-Einträgen umgehen können,<br />
ohne dass wichtige Bodenfunktionen gefährdet sind.<br />
1 Einleitung<br />
Böden erfüllen wichtige Funktionen<br />
für Mensch und Umwelt. Eine heute<br />
akzeptierte Einteilung ist in «Produktionsfunktion»,<br />
«Regulierungsfunktion»,<br />
«Lebensraumfunktion», «Trägerfunktion»,<br />
«Rohstofffunktion» und «Archivfunktion»<br />
(BAFU 2011). Für den Wald<br />
sind in erster Linie die ersten drei<br />
wichtig, wobei die Produktions- und<br />
die Regulierungs-Funktion zudem mit<br />
ökonomisch bewertbaren Ökosystem-<br />
Dienstleistungen wie Holz- und Energieproduktion,<br />
der Zur-Verfügung-<br />
Stellung von sauberem Trinkwasser<br />
oder dem Schutz vor Naturgefahren<br />
verknüpft sind.<br />
Im Hinblick auf klimatische Veränderungen<br />
und anthropogene Stoffbelastungen<br />
ist die Regulierungsfunktion<br />
von Waldböden von zentraler Bedeutung.<br />
Der Waldboden fungiert als Speicher<br />
und Reaktor in den Kreisläufen<br />
von Kohlenstoff und Nährelementen<br />
wie Stickstoff, Phosphor, Schwefel und<br />
Kalium. Durch chemische, zu einem<br />
grossen Anteil mikrobiell katalysierte<br />
Umwandlungen werden gespeicherte<br />
Nährstoffe den Organismen (wieder)<br />
zur Verfügung gestellt. Die Speicherung<br />
von Kohlenstoff im Humus ist ein<br />
bedeutender Prozess zur Bindung des<br />
Treibhausgases Kohlendioxid, wobei<br />
weltweit im Humus der Böden rund<br />
doppelt so viel Kohlenstoff gespeichert<br />
ist wie in der Atmosphäre (Schimel<br />
1995). Eine weitere wichtige Regulierungsfunktion<br />
spielen Waldböden im<br />
Wasserhaushalt, indem sie Wasser speichern,<br />
es den Pflanzen zur Verfügung<br />
stellen und bei Starkniederschlägen<br />
Abflussspitzen brechen können. Böden<br />
wirken auch als Filter für Schadstoffe,<br />
indem diese dort gebunden, abgebaut<br />
oder umgewandelt werden. Dies führt<br />
zu einem effektiven Schutz des Grundwassers<br />
vor Verunreinigungen. Die<br />
Qualität von Trinkwasser aus Grundwasser-Quellen<br />
unter Wald ist deshalb<br />
weitestgehend gut (Hegg et al. 2004).<br />
Im Zusammenhang mit der Erfüllung<br />
der Regulierungsfunktionen muss der<br />
Waldboden als einzigartiger Lebensraum<br />
bzw. als Gesamtsystem betrachtet<br />
werden, welches nicht nur die festen<br />
Bodenbestandteile mit ihren chemischen<br />
Eigenschaften, sondern auch den<br />
wasser- beziehungsweise luftgefüllten<br />
Porenraum, die Pflanzenwurzeln, die<br />
Mikroorganismen und die Bodenfauna<br />
mit einschliesst. Das Potential der<br />
Böden, Regulierungsfunktionen nachhaltig<br />
zu gewährleisten steht in direktem<br />
Zusammenhang mit der Nachhaltigkeit<br />
der den Funktionen zu Grunde<br />
liegenden Einzel-Prozesse. Ein Prozess<br />
kann dann als nachhaltig beziehungsweise<br />
längerfristig wirkend betrachtet<br />
werden, wenn er auf Störungen<br />
oder gerichtete Veränderungen relativ<br />
unempfindlich reagiert. Unter gerichteten<br />
Veränderungen verstehen wir in<br />
diesem Zusammenhang den anhaltenden<br />
Eintrag oder die Produktion von<br />
sauren und versauernden Substanzen,<br />
ohne dass dem System zusätzliche Säureneutralisationskapazität<br />
zugeführt<br />
wird. Die Beurteilung der Nachhaltigkeit<br />
einer Regulierungsfunktion möchten<br />
wir am Beispiel der Waldbodenversauerung<br />
und der entsprechenden Säurepufferungs-Prozesse<br />
illustrieren. Im<br />
folgenden beurteilen wir den Stand der<br />
Bodenversauerung von 115 Waldböden<br />
in den Zentralschweizer Kantonen<br />
(LU, OW, NW, SZ, UR, ZG) und schätzen<br />
die Gefährdung der Pufferfunktion<br />
bei anhaltendem Eintrag von Säuren<br />
und versauernden Substanzen ab.<br />
2 Methodisches<br />
Alle nachfolgenden Beurteilungen<br />
erfolgen aufgrund der Eigenschaften<br />
der Mineralbodenhorizonte der 115<br />
untersuchten Waldböden. Anhand dieser<br />
Eigenschaften werden die Beurteilungskriterien<br />
für den Stand der<br />
Bodenversauerung und die Empfindlichkeit<br />
für eine Abnahme der Basensättigung<br />
hergeleitet. Die organischen<br />
Auflagehorizonte werden nicht berücksichtigt,<br />
da ihre chemischen Eigenschaften<br />
zeitlich stark variabel sind<br />
und sie für die Säurepufferung nur eine<br />
untergeordnete Bedeutung haben.<br />
2.1 Definition von Säureklassen<br />
Abbildung 1 zeigt für die insgesamt 650<br />
Mineralbodenhorizonte der 115 untersuchten<br />
Böden die kumulative Häufigkeitsverteilung<br />
der pH-Werte und die<br />
prozentualen Anteile der austausch-
48 Forum für Wissen 2013<br />
baren Kationen in den unterschiedlichen<br />
pH-Klassen. Während erstere<br />
Informationen über die Puffereffizienz<br />
in den verschiedenen pH-Bereichen<br />
liefert, widerspiegelt die Austauscher-<br />
Belegung die vorherrschenden Pufferreaktionen.<br />
Zwei flache Abschnitte<br />
mit vergleichsweise wenig Bodenproben<br />
in den Bereichen pH < 3,6 und zwischen<br />
pH 4,8 und 7,0 stehen steileren<br />
Abschnitten mit deutlich mehr Bodenproben<br />
zwischen pH 3,6 und 4,8 sowie<br />
pH > 7,0 gegenüber. Flache Abschnitte<br />
der kumulativen Häufigkeitsvertei-<br />
lung weisen auf eine geringe, steile<br />
Abschnitte auf eine hohe Effizienz der<br />
im entsprechenden Bereich dominierenden<br />
Pufferreaktionen hin. Aufgrund<br />
dieser in allen Böden ähnlichen Verhältnisse<br />
können Pufferbereiche mit<br />
entsprechenden dominierenden Pufferreaktionen<br />
und ihrer Puffereffizienz<br />
definiert werden (Schwertmann und<br />
Fischer 1982; Ulrich 1983; Schwertmann<br />
et al. 1987). Im weiteren bezeichnen<br />
wir diese als Säureklassen (Tab. 1;<br />
Blaser et al. 2008b).<br />
Tab. 1. Definition der Säureklassen nach Blaser et al. 2008b mit entsprechenden dominanten<br />
Pufferreaktionen und -effizienzen und Abgrenzungen gemäss dem in dieser Arbeit diskutierten<br />
Datensatz von Abbildung 1.<br />
Säureklasse<br />
pH-Wert<br />
[0,01 M CaCl 2 ]<br />
Dominante Pufferreaktion<br />
Puffereffizienz<br />
1 > 7,00 Karbonatverwitterung gross<br />
2 5,61–7,00 Protonierung variabler Ladungen;<br />
gering<br />
Silikatverwitterung<br />
3 4,61–5,60 wie Säureklasse 2, jedoch beginnende Auflösung gering<br />
von Al-Verbindungen<br />
4 3,81 – 4,60 Auflösung von Al-Verbindungen gross<br />
5 < 3,80 Protonierung der organischen Substanz;<br />
Auflösung von Al- und Fe-Verbindungen<br />
mittel<br />
Belegung des Austauschers (%)<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
2,4–2,6<br />
2,8–3,0<br />
5<br />
3,2–3,4<br />
3,6–3,8<br />
4,0–4,2<br />
4<br />
4,4–4,6<br />
Säureklasse<br />
4,8–5,0<br />
5,2–5,4<br />
5,6–5,8<br />
6,0–6,2<br />
pH-Klassen (pH CaCl 2<br />
)<br />
H % Fe % Mn % Al % BS %<br />
3<br />
Abb. 1. Mittlere prozentuale Belegung des Austauschers der untersuchten Mineralbodenproben<br />
(N = 650) mit basischen Kationen (BS) und sauren Kationen (Al, Mn, Fe, Protonen<br />
H) in Abhängigkeit von der pH-Klasse (Klassenbreite 0,2 pH-Einheiten). Diesem Säulendiagramm<br />
ist die kumulative Häufigkeitsverteilung der pH-Werte überlagert (rechte y-Achse;<br />
schwarze Linie).<br />
2<br />
6,4–6,6<br />
6,8–7,0<br />
1<br />
7,2–7,4<br />
7,6–7,8<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Anteil der Mineralbodenproben (%)<br />
2.2 Stand der Bodenversauerung<br />
Der Stand der Bodenversauerung wird<br />
in fünf Stufen von sehr schwacher bis<br />
sehr starker Versauerung beurteilt<br />
(Tab. 2, Blaser et al. 2008b). Als erstes<br />
Kriterium für die Klassierung dient die<br />
relative Belegung des Austauschers der<br />
gesamten Feinerde eines Bodens mit<br />
sauren Kationen. Aus dem in Abbildung<br />
1 ersichtlichen Zusammenhang<br />
zwischen Säureklasse und Austauscher-<br />
Belegung geht hervor, dass ein Boden<br />
umso stärker versauert ist, desto geringer<br />
die Basensättigung ist.<br />
Dabei bleibt allerdings unberücksichtigt,<br />
dass in sauren Böden, welche<br />
sich aus karbonathaltigem Ausgangsgestein<br />
entwickelt haben, bei gleichem<br />
pH-Wert die Basensättigung im<br />
Vergleich zu Böden aus karbonatfreiem<br />
Gestein grösser ist (Blaser et al.<br />
2008a). Der Grund dafür ist einerseits<br />
kapillarer Aufstieg von basenreichem<br />
Wasser aus tieferen Bodenschichten,<br />
andererseits eine allgemein grössere<br />
Kationenaustauschkapazität in Böden<br />
aus karbonathaltigem Gestein.<br />
Um die Unterschiede zwischen<br />
Böden auf karbonathaltigem und saurem<br />
Gestein in die Beurteilung einfliessen<br />
zu lassen, wird als zweites Kriterium<br />
für die Klassierung des Standes der<br />
Bodenversauerung die Variabilität des<br />
pH-Wertes mit der Bodentiefe herangezogen.<br />
Dazu wird ein pH-Gradient<br />
errechnet, welcher der Differenz der<br />
Säureklasse mit dem tiefsten im Boden<br />
vorkommenden pH-Wert und der Säureklasse<br />
mit dem angenommenen pH-<br />
Wert zu Beginn der Bodenentwicklung<br />
entspricht. Auf karbonathaltigem<br />
Ausgangsgestein liegt der pH-Wert<br />
zu Beginn sicherlich im alkalischen<br />
Bereich, das heisst in Säureklasse 1. In<br />
Böden, welche sich aus karbonatfreiem<br />
Ausgangsmaterial entwickelt haben,<br />
wird angenommen, dass sich der pH-<br />
Wert zu Beginn der Bodenentwicklung<br />
im Bereich des pH-Wertes von Regenwasser<br />
von 5.5 bis 6.0, d.h. in Säureklasse<br />
2, befindet (Bohn et al. 1985; Blaser<br />
et al. 2005). Dies liegt einerseits daran,<br />
dass in diesem Stadium der Gehalt an<br />
Tonmineralen mit variablen Ladungen<br />
gering und somit langsame Silikatverwitterung<br />
die dominante Pufferreaktion<br />
ist. Andererseits weist der Boden<br />
zu Beginn eine höchstens spärliche<br />
Pflanzendecke auf und die biologische
Forum für Wissen 2013 49<br />
Tab. 2. Klassierung des Standes der Bodenversauerung unter Verwendung der total austauschbaren<br />
Menge saurer Kationen (SK = Al 3+ + Fe 3+ + Mn 2+ + H + ) im Boden und des pH-<br />
Gradienten im Bodenprofil. Bestimmung des pH-Gradienten siehe Text.<br />
Aktivität ist gering, weshalb der CO 2 -<br />
Partialdruck im Boden ungefähr jenem<br />
der Atmosphäre entspricht. Regen wie<br />
auch Bodenwasser haben beim CO 2 -<br />
Partialdruck der Atmosphäre einen<br />
pH-Wert zwischen 5,5 und 6,0<br />
Die Klassierung des Standes der<br />
Bodenversauerung mit Hilfe der Kombination<br />
der beiden Kriterien «Austauscher-Belegung<br />
mit sauren Kationen»<br />
und «pH-Gradient» ist in Tabelle 2 aufgeführt.<br />
2.3 Empfindlichkeit für eine Abnahme<br />
der Basensättigung<br />
Stand der Bodenversauerung<br />
% saure Kationen (SK) pH-Gradient < 3 pH-Gradient 3 pH-Gradient 4<br />
≤ 25 sehr schwach schwach mässig<br />
26–50 schwach mässig stark<br />
51–70 mässig stark sehr stark<br />
71–85 stark sehr stark sehr stark<br />
> 85 sehr stark sehr stark sehr stark<br />
Basensättigung [%]<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
2,4–2,6<br />
2,8–3,0<br />
3,2–3,4<br />
3,6–3,8<br />
4,0–4,2<br />
4,4–4,6<br />
4,8–5,0<br />
5,2–5,4<br />
5,6–5,8<br />
pH-Klassen (pH CaCl 2<br />
)<br />
Abb. 2. Boxplots der Basensättigungen der untersuchten Bodenproben in verschiedenen<br />
pH-Klassen (Klassenbreite 0,2 pH-Einheiten). Die Box stellt den Median und die 25 Prozent<br />
und 75 Prozent Quartile der Einzelmesswerte dar mit Minimum und Maximum als<br />
T-Balken; die Punkte sind Ausreisser, Sterne extreme Ausreisser.<br />
6,0–6,2<br />
6,4–6,6<br />
6,8–7,0<br />
7,2–7,4<br />
7,6–7,8<br />
Als Kriterium für die Nachhaltigkeit<br />
der Säurepufferung wird die Empfindlichkeit<br />
eines Bodens beurteilt, in wie<br />
weit die Basensättigung bei anhaltender<br />
Säurebelastung abnimmt.<br />
Betrachten wir zunächst den Zusammenhang<br />
zwischen Basensättigung und<br />
pH-Wert, wie er in Abbildung 2 dargestellt<br />
ist. Bei pH-Werten grösser als<br />
5,6 ist der Kationen-Austauscher des<br />
Bodens praktisch vollständig mit basischen<br />
Kationen besetzt (Basensättigung<br />
> 99%). Im Verlaufe der Bodenentwicklung<br />
nimmt die Basensättigung<br />
erst dann ab, wenn der pH-Wert unter<br />
5,4 fällt. Danach nimmt sie bis zu einem<br />
pH-Wert von 4,6 zuerst langsam auf<br />
rund 75 Prozent und dann schnell auf<br />
einen durchschnittlichen Wert von rund<br />
11 Prozent bei einem pH-Wert von 3,2<br />
ab. Bei noch tieferen pH-Werten gibt<br />
es keinen Hinweis, dass die Basensättigung<br />
noch weiter abnimmt. Die Bodenproben<br />
in diesem sehr stark sauren pH-<br />
Bereich stammen zu einem grossen Teil<br />
von mineralischen Oberböden, welche<br />
viel organische Substanz enthalten und<br />
deren Kationen-Austauscherplätze<br />
durch den Nährstoffkreislauf (Streumineralisierung)<br />
periodisch mit basischen<br />
Kationen versorgt werden. Dadurch<br />
kann sich die Basensättigung auf einem<br />
für den tiefen pH-Wert relativ hohen<br />
Niveau halten. Andererseits finden<br />
sich im pH-Bereich < 3,8 auch zahlreiche<br />
Unterbodenproben mit sehr tiefer<br />
Basensättigung. Im Hinblick auf solche<br />
Proben stellte Hildebrand (1986) fest,<br />
dass bei fortschreitender Versauerung<br />
eine Reserve von basischen Kationen<br />
am Austauscher von etwa fünf Prozent<br />
nicht unterschritten wird. Das heisst, es<br />
gibt auch hier eine untere Grenze der<br />
Basensättigung.<br />
Aus dem Zusammenhang zwischen<br />
Basensättigung und pH-Wert, wie er in<br />
Abbildung 2 dargestellt ist und oben<br />
erläutert wurde, ergibt sich, dass die<br />
Empfindlichkeit für eine Abnahme der<br />
Basensättigung bei anhaltender Säurebelastung<br />
im pH-Bereich 3,2 bis 5<br />
am grössten ist. Diese Empfindlichkeit<br />
wird deshalb in Böden, welche relativ<br />
viel Feinerde in diesem pH-Bereich<br />
haben, grösser sein als in Böden, deren<br />
Feinerde sich in anderen pH-Bereichen<br />
befindet. Da aber die Basensättigung<br />
eine relative Grösse ist, muss noch die<br />
Kationenaustauschkapazität berücksichtigt<br />
werden. Die Empfindlichkeit<br />
ist umso kleiner, je grösser die Kationenaustauschkapazität<br />
der Feinerde<br />
ist, da bei einer grossen Austauschkapazität<br />
mehr Säureeintrag notwendig<br />
ist, um eine bestimmte Abnahme der<br />
Basensättigung zu verursachen.<br />
Für die Klassierung der Empfindlichkeit<br />
wird zunächst derjenige Anteil<br />
(%) an der gesamthaft vorhandenen<br />
Feinerde in den obersten 100 cm des<br />
Mineralbodens berechnet, welcher<br />
sich im kritischen pH-Bereich von 3,2<br />
bis 5,0 befindet (Blaser et al. 2008b).<br />
Als zweites Kriterium wird für diesen<br />
Teil des Mineralbodens eine mit<br />
der Horizontmächtigkeit gewichtete<br />
durchschnittliche Kationenaustauschkapazität<br />
berechnet. Die Empfindlichkeit<br />
ergibt sich als Kombination der<br />
beiden Kriterien, wie in Tabelle 3 dargestellt.
50 Forum für Wissen 2013<br />
Tab. 3. Definition der Empfindlichkeitsklassen für eine Abnahme der Basensättigung bei<br />
anhaltender Säurebelastung.<br />
% empfindliche<br />
mittlere Kationenaustauschkapazität [mmol c* kg -1 ]<br />
Feinerde<br />
> 100 25–100 < 25<br />
0 kein Risiko kein Risiko kein Risiko<br />
< 25 sehr gering sehr gering gering<br />
25–50 sehr gering gering mässig<br />
50–75 gering mässig gross<br />
> 75 mässig gross sehr gross<br />
Anteil der Böden (%)<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
sehr schwach schwach mässig stark sehr stark<br />
Anteil der Böden (%) 35,7 10,4 3,5 11,3 39,1<br />
Stand der Bodenversauerung<br />
Abb. 3. Stand der Bodenversauerung von 115 Waldböden in den Zentralschweizer Kantonen.<br />
Dargestellt sind die Häufigkeiten in den einzelnen Versauerungsklassen gemäss Tabelle 2.<br />
112 Böden haben sich auf karbonathaltigem, 3 auf karbonatfreiem Ausgangsgestein entwickelt.<br />
400<br />
Empfindlichkeit<br />
mittlere gewichtete CEC bis 100 cm Tiefe (mmol c<br />
kg -1 )<br />
300<br />
200<br />
0<br />
0<br />
sehr gering gering mässig gross sehr gross<br />
Abb. 4. Klassifikation der Böden im Hinblick auf ihre Empfindlichkeit für eine Abnahme<br />
der Basensättigung. Die vertikalen, gestrichelten Linien trennen drei Bereiche der Kationenaustauschkapazität<br />
im Profil (als bis 100 cm Tiefe gewichtete Mittelwerte) und die horizontalen<br />
Linien die vier Bereiche verschiedener Anteile empfindlicher Feinerde (siehe Tab.<br />
3). Die Bodenprofile ohne Risiko liegen auf der x-Achse.<br />
100<br />
25<br />
50<br />
75<br />
100<br />
Anteil empfindlicher Feinerde bis 100 cm Tiefe (%)<br />
3 Beurteilung der Zentralschweizer<br />
Waldböden<br />
3.1 Stand der Bodenversauerung<br />
Die Versauerung von Böden ist eine<br />
Folge längerfristig anhaltender, gerichteter<br />
Veränderungen in Stoffkreisläufen<br />
offener Ökosysteme. Ein Boden<br />
versauert natürlicherweise, da in einem<br />
offenen Waldökoystem in unseren<br />
Breitengraden einerseits auch ohne<br />
anthropogene Quellen Säuren über<br />
die Atmosphäre eingetragen werden,<br />
andererseits infolge zeitlicher und<br />
räumlicher Entkopplung interner säure-produzierender<br />
und -verbrauchender<br />
Prozesse basische Kationen dem<br />
System durch Auswaschung verloren<br />
gehen. In bodengenetisch jüngster Zeit<br />
wurden die atmogenen Säureeinträge<br />
zudem anthropogen verstärkt.<br />
Da es praktisch unmöglich ist, den<br />
Beitrag von natürlich und anthropogen<br />
bedingter Versauerung zu trennen,<br />
beschränken wir uns darauf, den Stand<br />
der Bodenversauerung insgesamt zu<br />
beurteilen, d.h. ohne auf die Quellen<br />
der versauernden Substanzen einzugehen.<br />
Abbildung 3 zeigt die Klassierung<br />
des Standes der Bodenversauerung<br />
gemäss Kapitel 2.2. für die 115<br />
untersuchten Bodenprofile in den Zentralschweizer<br />
Kantonen. Die meisten<br />
Böden sind sehr schwach (36 %) oder<br />
sehr stark (39 %) versauert, während<br />
sich nur ein geringer Anteil der Böden<br />
in den mittleren Kategorien befindet.<br />
Unter den sehr stark versauerten<br />
Böden befinden sich alle Standorte auf<br />
karbonatfreiem Ausgangsgestein. Im<br />
Weiteren setzt sich das Ausgangsgestein<br />
der sehr stark versauerten Böden<br />
zum überwiegenden Teil aus kalkarmer<br />
Molasse sowie aus Terrassenschottern<br />
und Moränen der Risseiszeit zusammen.<br />
Diese Böden befinden sich heute<br />
vorwiegend im Al- bis Fe-Pufferbereich,<br />
und die Karbonatgrenze befindet<br />
sich oft in Tiefen von mehr als zwei<br />
Metern beziehungsweise unterhalb des<br />
Profilaufschlusses.<br />
Ganz anders ist die Situation bei<br />
den sehr schwach versauerten Böden.<br />
Hier dominieren stark karbonathaltige<br />
Gesteine (junge Moränen, Kalke und<br />
Kalkmolasse), und die Tiefe der aktuellen<br />
Karbonatgrenze wurde überall<br />
erschlossen.
Forum für Wissen 2013 51<br />
3.2 Empfindlichkeit gegenüber einer<br />
Abnahme der Basensättigung<br />
Bei 36 der insgesamt 115 Waldböden<br />
besteht kein Risiko für eine Abnahme<br />
der Basensättigung, da sie keine Feinerde<br />
im sensitiven pH-Bereich aufweisen.<br />
Zwei Vertreter dieser Empfindlichkeitsklasse<br />
sind in Abbildung 5.0<br />
mit pH-Wert und Basensättigung<br />
exemplarisch dargestellt. Von den 36<br />
unempfindlichen Böden liegen bei 13<br />
die pH-Werte im ganzen Profil über<br />
sieben oder knapp darunter und der<br />
Kationenaustauscher ist praktisch vollständig<br />
basengesättigt (profilumfassend<br />
> 98 Prozent, zum Beispiel Profil<br />
Buchrain). Bei weiteren 22 Böden,<br />
repräsentiert durch Profil Schwarzenbach,<br />
wird irgendwo im erschlossenen<br />
Teil des Bodenprofils die Kalkgrenze<br />
erreicht und im Oberboden ist der pH-<br />
Wert im Bereich zwischen 5 und 7. Die<br />
Basensättigung dieser Böden liegt in<br />
allen Horizonten zwischen 95 und 100<br />
Prozent. Die 35 Böden dieser beiden<br />
Kategorien sind also unempfindlich<br />
gegenüber einer Abnahme der Basensättigung<br />
weil sie sich weitgehend im<br />
Karbonatpufferbereich oder teilweise<br />
knapp darunter befinden und die<br />
Basensättigung somit profilumfassend<br />
sehr hoch ist. Einer der als unempfindlich<br />
klassierten Böden hingegen weist<br />
im ganzen zu beurteilenden Tiefenbereich<br />
pH-Werte unterhalb der unteren<br />
Grenze des sensitiven pH-Bereichs von<br />
3,2 auf, während die Basensättigung<br />
zwischen 30 und 50 Prozent liegt. Das<br />
sind Werte, welche in einem Bereich<br />
schneller Abnahme liegen, womit dieser<br />
Boden mit den definierten Kriterien<br />
falsch klassiert wird. Dies liegt<br />
aber nicht grundsätzlich am tiefen pH-<br />
Wert. Man könnte sich nämlich vorstellen,<br />
dass ein Boden bereits so stark<br />
versauert ist, dass die Basensättigung<br />
im Bereich des «eisernen» Minimal-<br />
Bestandes von etwa 5 Prozent liegt und<br />
kein Risiko zur Abnahme besteht, weil<br />
dies gar nicht mehr möglich ist. Dieser<br />
Fall tritt unter den 115 Waldböden in<br />
den Zentralschweizer Kantonen aber<br />
nicht auf.<br />
Bei den übrigen 79 Bodenprofilen<br />
besteht eine sehr geringe bis grosse<br />
Empfindlichkeit für eine Abnahme<br />
der Basensättigung. Die Verteilung auf<br />
die verschiedenen Risikoklassen geht<br />
aus Abbildung 4 hervor. In Abbildung<br />
5.1 bis 5.4 ist ersichtlich, dass das Risiko<br />
umso grösser ist, desto stärker der<br />
Oberboden versauert und entkarbonatet<br />
ist. In der Gruppe 1 (sehr geringes<br />
Risiko) befinden sich Böden, bei denen<br />
im erschlossenen Teil des Bodenprofils<br />
die Kalkgrenze erreicht wird und<br />
bei denen im Oberboden der pH-Wert<br />
zum Teil bereits stark abgesunken ist,<br />
teilweise sogar unterhalb von fünf, so<br />
dass die Basensättigung in diesen Horizonten<br />
im kritischen Bereich liegt.<br />
Erst mit zunehmender Ausdehnung<br />
des kritischen pH-Bereiches in<br />
die Unterboden-Horizonte wird die<br />
Empfindlichkeit zu einer Abnahme<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
Buchrain<br />
pH-Wert<br />
3 4 5 6 7 8<br />
Littau<br />
Zug<br />
Unterägeri_1<br />
Unterägeri_2<br />
Basensättigung [%]<br />
0 25 50 75 100<br />
L<br />
Ah<br />
(A)C<br />
C<br />
CG<br />
IIC<br />
L1<br />
L2<br />
A<br />
AB<br />
BG<br />
Go,r<br />
G(o),r<br />
L<br />
A<br />
AB<br />
BG<br />
Go1<br />
Go2<br />
L1<br />
L2<br />
A<br />
AB<br />
Bcn<br />
BS1<br />
BS2<br />
C<br />
L<br />
F<br />
Ah<br />
AE<br />
B(s)<br />
BS<br />
Bcn<br />
BC<br />
C<br />
der Basensättigung grösser als «sehr<br />
gering». Bei den Böden der Gruppe<br />
4 ist die Versauerung so weit fortgeschritten,<br />
dass sich alle Feinerde der<br />
obersten 100 cm im kritischen Bereich<br />
befindet und das Risiko entsprechend<br />
gross wird. Bei den untersuchten Waldböden<br />
in den Zentralschweizer Kantonen<br />
fällt jedoch auf, dass in den tieferen<br />
Horizonten (> 100 cm) zahlreicher<br />
Böden der pH-Wert und vor<br />
allem auch die Basensättigung wieder<br />
markant ansteigen und die Basensättigung<br />
in diesen Profilen mindestens<br />
einen Wert von 50 Prozent erreicht.<br />
Das ist charakteristisch für Böden,<br />
Abb. 5. pH-Wert und Basensättigung von jeweils 2 Böden pro Empfindlichkeitsklasse (für<br />
eine Abnahme der Basensättigung). Die Zahlen 0 bis 4 symbolisieren die Empfindlichkeitsklasse:<br />
0 = kein Risiko (n = 36), 1 = sehr geringes Risiko (n = 12), 2 = geringes Risiko (n =<br />
5), 3 = mässiges Risiko (n = 19) und 4 = grosses Risiko (n = 43). Die Böden sind mit dem<br />
Namen der Gemeinde, in welcher sie sich befinden, gekennzeichnet.<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
-200<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
20<br />
0<br />
-40<br />
-80<br />
-120<br />
-160<br />
Schwarzenbach<br />
pH-Wert<br />
3 4 5 6 7 8<br />
Oberägeri<br />
Alpthal<br />
Hünenberg<br />
Unterägeri_3<br />
Basensättigung [%]<br />
0 25 50 75 100<br />
L<br />
A<br />
AB<br />
B(G)<br />
Go1<br />
Go2<br />
Go,r<br />
L<br />
A<br />
AB<br />
BG<br />
Go<br />
Go,r<br />
G(o),r<br />
L<br />
F<br />
H<br />
AG1<br />
AG2<br />
Go<br />
Go,r1<br />
Go,r2<br />
Gr<br />
L1<br />
L2<br />
F<br />
H<br />
Ah<br />
AS<br />
ES<br />
Sd<br />
IIGo,r1<br />
Go,r2<br />
Go,r3<br />
L1<br />
L2<br />
F<br />
H<br />
AE1<br />
AE2<br />
B(s)<br />
E<br />
B(s)<br />
B1<br />
B2<br />
R
52 Forum für Wissen 2013<br />
die sich auf karbonathaltigem Gestein<br />
entwickelt haben. Andererseits gibt<br />
es jedoch auch viele Böden, wie zum<br />
Beispiel das Profil Unterägeri_3 (Abb.<br />
5.4), die keine Zunahme der Basensättigung<br />
mit der Tiefe zeigen. Das betrifft<br />
nebst den Böden auf Kristallin vor<br />
allem Böden auf Molasse und Moräne.<br />
Dieser Unterkategorie der Böden mit<br />
grosser Empfindlichkeit ist besondere<br />
Aufmerksamkeit zu schenken.<br />
Die «bauchförmige» Tiefenverteilung<br />
der Basensättigung in den Beispiel-Profilen<br />
Unterägeri_1, Hünenberg<br />
und Unterägeri_2 ist charakteristisch<br />
für stark bis sehr stark<br />
versauerte Böden, in welchen die Wurzeln<br />
der Waldbäume die Kalkgrenze<br />
erreichen. Solange die Waldbäume mit<br />
ihren Wurzeln die karbonathaltigen,<br />
bzw. basenreichen Unterbodenhorizonte<br />
erreichen, nehmen sie basische<br />
Kationen auf, bauen sie in ihre oberirdische<br />
Biomasse ein und deponieren<br />
sie mit der Streu wieder auf der Bodenoberfläche.<br />
Durch die anschliessende<br />
Mineralisierung der Streu werden<br />
die obersten mineralischen Bodenhorizonte<br />
permanent mit Basen versorgt<br />
und die Basensättigung kann sich in<br />
einem relativ hohen Bereich halten.<br />
Das Minimum der Basensättigung liegt<br />
deshalb häufig in einem mittleren Profilbereich.<br />
Die beispielhaften Darstellungen in<br />
Abbildung 5 implizieren, dass die Empfindlichkeit<br />
gegenüber einer Abnahme<br />
mittlere Tiefe der Kalkgrenze (cm)<br />
0<br />
40<br />
80<br />
120<br />
160<br />
der Basensättigung bei Böden auf karbonathaltigem<br />
Gestein von der Tiefe<br />
der Kalkgrenze im Profil abhängt. Eine<br />
entsprechende Datenanalyse bestätigt<br />
dies (Abb. 6). Böden, welche im ganzen<br />
Profil karbonathaltig sind oder deren<br />
Karbonatgrenze nahe der Bodenoberfläche<br />
liegt, sind nicht empfindlich,<br />
weil der pH-Wert alkalisch ist und der<br />
Austauscher vollständig basengesättigt<br />
ist. Mit zunehmender Entkarbonatung<br />
nimmt der pH-Wert und die Basensättigung<br />
im entkarbonateten Teil des<br />
Bodens ab und die Tiefe der Kalkgrenze<br />
beeinflusst deutlich das Ausmass<br />
dieser Abnahme (Abb. 6). Somit<br />
wird in Böden auf karbonathaltigem<br />
Ausgangsgestein die Empfindlichkeit<br />
für eine Abnahme der Basensättigung<br />
durch den Stand der Bodenversauerung,<br />
ausgedrückt durch die Mächtigkeit<br />
der entkarbonateten Zone, beeinflusst.<br />
Die Empfindlichkeit ist in Böden<br />
höher, die stärker entkarbonatet sind.<br />
4 Schlussfolgerungen<br />
Die exemplarische Untersuchung von<br />
115 Waldböden in den Zentralschweizer<br />
Kantonen zeigt, dass eine auf profilumfassenden<br />
Kriterien abgestützte<br />
Klassierung eine weitgehend realistische<br />
Beurteilung der aktuellen Bodenversauerung<br />
und der Nachhaltigkeit der<br />
Säurepufferung erlaubt. Beim Stand der<br />
Empfindlichkeitsklassen<br />
0 1 2 3 4 5<br />
Abb. 6. Mittlere Tiefe der Kalkgrenze in Beziehung zur Empfindlichkeit für eine Abnahme<br />
der Basensättigung. Die Empfindlichkeitsstufen bedeuten: 0 = kein Risiko (n = 36); 1 = sehr<br />
gering (n= 12); 2 = gering (n = 5); 3 = mässig (n = 19); 4 = gross (n = 43); 5 = sehr gross (n = 0).<br />
Bodenversauerung kann allerdings aufgrund<br />
der vorliegenden Daten nicht zwischen<br />
den verursachenden Prozessen<br />
– natürlich oder anthropogen – unterschieden<br />
werden. Die Empfindlichkeit<br />
für eine Abnahme der Basensättigung<br />
bei anhaltender Säurebelastung ist ein<br />
probates Instrument, um die Nachhaltigkeit<br />
der Säurepufferung zu bewerten.<br />
Wir können damit vergleichend beurteilen,<br />
wie gut Böden mittel- und langfristig<br />
mit weiteren Säure-Einträgen<br />
umgehen können, ohne dass wichtige<br />
Bodenfunktionen (Produktion, Regulierung,<br />
Lebensraum) gefährdet sind.<br />
Geographisch bedingt wurden mit<br />
unserer Untersuchung in erster Linie<br />
Böden auf karbonathaltigem Gestein<br />
abgedeckt, welche sich in vielen Eigenschaften<br />
wesentlich von Böden auf saurem<br />
Ausgangsgestein unterscheiden.<br />
Für die Gruppe der Böden auf karbonathaltigem<br />
Gestein konnten wir zeigen,<br />
dass die Nachhaltigkeit der Säurepufferung<br />
mit zunehmender Tiefe der<br />
Karbonatgrenze, das heisst mit zunehmender<br />
Entkarbonatung, abnimmt.<br />
Insbesondere bei vielen stark versauerten<br />
Böden zeigte sich deutlich,<br />
dass die Nachhaltigkeit der Pufferfunktion<br />
nicht nur von den chemischen<br />
Eigenschaften der Boden-Festphase<br />
abhängt, sondern die Bäume durch die<br />
Nährstoffaufnahme und die Rückführung<br />
der Nährstoffe mit der Streu diese<br />
massgeblich mit beeinflussen. Diese<br />
Rückführung der Nährstoffe kann<br />
der Waldbewirtschafter über die Baumartenwahl<br />
beeinflussen. Mischbestände<br />
mit unterschiedlichen Durchwurzelungseigenschaften<br />
der verschiedenen<br />
Baumarten garantieren am besten,<br />
dass der gesamte potentielle Wurzelraum<br />
ausgenutzt wird und damit einer<br />
Entkoppelung von basenreicherem<br />
Unterboden und versauertem Oberboden<br />
entgegengewirkt, oder im besten<br />
Fall eine Entkoppelung rückgängig<br />
gemacht werden kann.<br />
5 Literatur<br />
Blaser, P.; Zimmermann, S.; Luster, J.; Walthert,<br />
L.; Lüscher, P., 2005: Waldböden<br />
der Schweiz. Band 2. Regionen Alpen<br />
und Alpensüdseite. Birmensdorf, Eidg.<br />
Forschungsanst. <strong>WSL</strong>. Bern, hep Verlag.<br />
920 S.
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Blaser, P.; Graf Pannatier, E.; Walthert,<br />
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parent material. A pH-base<br />
saturation anomaly. J. Plant Nutr. Soil Sci.<br />
171: 155–162.<br />
Blaser, P.; Walthert, L.; Zimmermann, S.;<br />
Graf Pannatier, E.; Luster, J., 2008b:<br />
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base saturation, and acidification status of<br />
forest soils in Switzerland. J. Plant Nutr.<br />
Soil Sci. 171: 163–170.<br />
Bohn, H.L.; McNeal, B.I.; O’Connor, G.A.,<br />
1985: Soil Chemistry. 2 nd Ed. New York,<br />
John Wiley & Sons.<br />
Bundesamt für Umwelt BAFU (Hrsg.)<br />
2011: Bodenwelten. Magazin «umwelt»<br />
4: 63 S.<br />
Hegg, C.; Jeisy, M.; Waldner, P., 2004: Wald<br />
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Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt für<br />
Wald, Schnee und Landschaft. 60 S.<br />
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Schimel, D.S., 1995: Terrestrial ecosystems<br />
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of air pollutants in forest ecosystems.<br />
Heidelberg, Springer. 127–146.<br />
Abstract<br />
Sustainability of forest soil functions: acid buffering as an example<br />
Given current and future climatic changes and anthropogenic pollution, the sustainability<br />
of the regulation functions of forest soils is crucial. These functions include<br />
the storage of water, carbon and nutrients, as well as the buffering of acidity<br />
and filtering of pollutants. We conducted a case study of 115 forest soils located<br />
in the central cantons of Switzerland looking at the sustainability of their capacity<br />
to buffer acidic inputs. As an indicator, we estimated the sensitivity of a soil to<br />
a decrease in base saturation under ongoing acidic inputs, using criteria that are<br />
based on the properties of the entire soil profile. With this indicator we were able<br />
to assess the relative ability of soils to deal with acidic inputs in the long run, without<br />
compromising other important soil functions. The soil collective investigated<br />
was geographically biased to ensure it contained mainly soils developed from<br />
carbonate containing rock. We found that the sustainability of a soil’s capacity to<br />
buffer acidic inputs decreases with increasing depth of the decarbonated soil layer.<br />
Its depth is strongly dependent on the carbonate content of the bedrock and the<br />
intensity of weathering. Furthermore, in many strongly acidified soils, trees markedly<br />
influence the sustainability of the buffer function through their uptake of<br />
nutrients from lower soil horizons, which they then re-introduce into the topsoil<br />
through their litter.<br />
Keywords: acid deposition, soil buffer, soil functions
Forum für Wissen 2013: 55–60 55<br />
Werden im Boden gespeicherte Metalle durch<br />
Umweltveränderungen freigesetzt?<br />
Wolfgang Wilcke, Moritz Bigalke und Adrien Mestrot<br />
Universität Bern, Geographisches Institut, Hallerstrasse 12, CH-3012 Bern, wolfgang.wilcke@giub.unibe.ch<br />
Der Klimawandel könnte in der Schweiz zu ausgeprägteren Nassphasen führen.<br />
Die resultierende Wassersättigung verursacht Sauerstoffmangel im Boden und<br />
senkt das Redoxpotenzial. Unter solchen chemisch-reduzierenden Bedingungen<br />
können gespeicherte Metalle durch Auflösung von Eisen- und Mangan-(Hydr-)<br />
oxiden gelöst und verlagert werden. Gleichzeitig kommt es zu einer bisher wenig<br />
beachteten Freisetzung von Metall-Kolloiden in die Bodenlösung. Ein weiterer,<br />
zahlreiche Metalle betreffender Transformations-Prozess unter sauerstoffarmen<br />
Bedingungen ist die Biomethylierung. Mit sinkendem Redoxpotenzial wird dieser<br />
Prozess verstärkt, der zum Beispiel für As mit einer Minderung, für Hg aber mit<br />
einer Zunahme der Toxizität verbunden ist. Zusammenfassend lässt sich festhalten,<br />
dass zeitlich zunehmende Nassphasen voraussichtlich zu einer (Re-)Mobilisierung<br />
von Metallen in Waldböden in gelöster, kolloidaler und alkylierter Form<br />
führen würden.<br />
1 Einleitung<br />
Eine Bewertung der Belastung von<br />
Waldböden mit ausgewählten Metallen<br />
(Cr, Ni, Cu, Zn und Pb) wurde von<br />
Zimmermann et al. (2006) anhand von<br />
95 Bodenprofilen aus der gesamten<br />
Schweiz vorgenommen. Dabei zeigte<br />
sich, dass vor allem in der Ostschweiz<br />
häufig Cr- und Ni-Gehalte im mineralischen<br />
Oberboden auftreten, die den<br />
Richtwert der VBBo (1998) überschreiten.<br />
Dies steht im Zusammenhang<br />
mit Serpentin-Gestein und hat<br />
daher geogene Gründe. In den Unterböden<br />
wurden häufigere Cr- und Ni-<br />
Richtwertüberschreitungen gefunden<br />
als im Oberboden, was ebenfalls auf<br />
überwiegend geogene Gründe der Crund<br />
Ni-Belastung hinweist. Die Richtwerte<br />
der VBBo (1998) für Cu wurden<br />
lediglich in wenigen Unterböden der<br />
Südschweiz überschritten und es zeigte<br />
sich kein Hinweis auf Cu-Einträge<br />
aus der Atmosphäre. Die Zinkgehalte<br />
der untersuchten Böden überschritten<br />
weder im Unter- noch im Oberboden<br />
die Richtwerte der VBBo (1998) und es<br />
zeigten sich Hinweise auf eine geringe<br />
anthropogene Zn-Anreicherung. Blei<br />
ist das einzige Metall, dessen Gehalte<br />
im Oberboden häufiger die Richtwerte<br />
überschreiten als im Unterboden, was<br />
auf eine anthropogene Belastung, die<br />
vermutlich noch aus der Zeit der Verwendung<br />
bleihaltigen Benzins stammt,<br />
hinweist. Zusammenfassend lässt sich<br />
feststellen, dass es in Waldböden der<br />
Schweiz – mit Ausnahme weniger<br />
kleinräumig belasteter Standorte (z. B.<br />
Schiessanlagen im Wald) – flächendeckend<br />
geringe Probleme aufgrund<br />
von anthropogener Bodenkontamination<br />
mit Metallen gibt, dass aber regional<br />
durchaus aus geogenen Gründen<br />
stark erhöhte Schwermetallgehalte auftreten.<br />
Um mögliche zukünftige Gefahren,<br />
die von den regional erhöhten Schwermetallgehalten<br />
ausgehen können, einzuschätzen,<br />
müssen Veränderungen<br />
des physiko-chemischen Bodenmilieus<br />
durch die vielfältigen aktuellen<br />
Umweltveränderungen (u. a. Klimawandel,<br />
Nähr- und Schadstoffeinträge,<br />
beschleunigte Bodenversauerung)<br />
berücksichtigt werden. Die vielleicht<br />
markanteste aktuelle Umweltveränderung,<br />
der Klimawandel, wird sich in der<br />
Schweiz voraussichtlich auf die Wassergehalte<br />
und damit verbunden den Sauerstoffhaushalt<br />
und das Redoxregime<br />
des Bodens auswirken. Klimaprognosen<br />
rechnen mit steigenden Temperaturen,<br />
länger anhaltenden Trockenphasen,<br />
sowie mit vermehrten Starkregenereignissen<br />
und Veränderungen<br />
der Schnee- und Gletscherschmelze<br />
(Fischer und Schär 2009; Min et al.<br />
2011; IPCC 2012), obwohl eine Vorhersage<br />
der Entwicklung des Niederschlagsregimes<br />
aktuell noch schwierig<br />
ist (O’Gorman und Schneider 2009).<br />
Die Auswirkungen dieser Entwicklung<br />
auf die Bodenfeuchte und das Redoxpotenzial<br />
sind komplex und hängen<br />
neben den genauen klimatischen<br />
Bedingungen auch von den Eigenschaften<br />
der jeweiligen Böden ab (IPCC<br />
2012). Daher ist es schwierig, die generelle<br />
Bedeutung dieser Veränderung<br />
auf die Redoxpotenziale in Waldböden<br />
abzuschätzen. Es kann aber davon<br />
ausgegangen werden, dass in Auenwäldern<br />
und in stau- und grundwasserbeeinflussten<br />
Wäldern, zum Beispiel auf<br />
Pseudogleyen, die in der Schweiz häufig<br />
auftreten, der Klimawandel Einfluss<br />
auf das Redoxregime im Boden haben<br />
wird. Im Hinblick auf die Mobilisierung<br />
von in Waldböden gespeicherten<br />
Metallen könnten schon wenige Tage<br />
anhaltende Nassphasen mit niedrigen<br />
Redoxpotenzialen eine wichtige Rolle<br />
spielen (Abb. 1). Daher fokussieren<br />
wir im Folgenden auf die Auswirkungen<br />
von Nassphasen auf die Überführung<br />
von Metallen in die Bodenlösung<br />
in gelöster oder kolloidaler Form sowie<br />
auf die Alkylierung und Bioverflüchtigung<br />
von Metallen.<br />
2.1 Metallfreisetzung in die<br />
Bodenlösung<br />
Änderungen des Redoxpotenzials in<br />
Böden können starke Auswirkungen<br />
auf die Metallkonzentrationen in der<br />
Bodenlösung und die Bindungsformen<br />
der Metalle in der Bodenfestphase<br />
haben (Grybos et al. 2009; Weber<br />
et al. 2010). Kommt es zu einer Wassersättigung<br />
des Bodens wird der im
56 Forum für Wissen 2013<br />
Wasser vorhandene Sauerstoff schnell<br />
von Bodenorganismen verbraucht. Aus<br />
Mangel an Sauerstoff werden im Folgenden<br />
die bei der Oxidation organischer<br />
Substanz entstehenden Elektronen<br />
auf alternative Elektronenakzeptoren<br />
(z. B. Nitrat) übertragen. Schon<br />
innerhalb von wenigen Tagen nach der<br />
Wassersättigung kommt es zur Reduktion<br />
von Mn- und Fe-(Hydr)Oxiden,<br />
den Sesquioxiden. Bei der reduktiven<br />
Auflösung dieser (Hydr)Oxide werden<br />
auch mit ihnen vergesellschaftete<br />
Metalle (z. B. As, Cr und Co) in<br />
die Bodenlösung abgegeben (Borch<br />
et al. 2010). Die reduktive Auflösung<br />
von Sesquioxiden ist immer auch mit<br />
einem Verbrauch von Protonen verbunden,<br />
wodurch in sauren Böden der<br />
pH-Wert in der Bodenlösung ansteigen<br />
kann. Durch diesen pH-Wert-Anstieg<br />
kommt es zu einer Mobilisierung von<br />
organischer Substanz (in gelöster und<br />
kolloidaler Form) und damit verbunden<br />
auch zu einer Mobilisierung von<br />
Organo-Metallkomplexen, die wiederum<br />
die Mobilität von Schadmetallen<br />
im Boden stark erhöhen können (Grybos<br />
et al. 2007, 2009). Ein weiterer möglicher<br />
Effekt der sinkenden Redoxpotenziale<br />
ist die Biomineralisierung<br />
und Reduktion von bestimmten Metallen<br />
(z. B. Cu), die wiederum den kolloidalen<br />
Anteil dieser Metalle in der<br />
Bodenlösung stark erhöhen können<br />
(Weber et al. 2009). Bei fortschreitender<br />
Wassersättigung kann es schliesslich<br />
zur Reduktion von Sulfat zu Sulfid<br />
kommen. Zu Beginn der Sulfatreduktion<br />
wird eine Reihe von Metallen<br />
durch die Bildung kolloidaler Sulfide<br />
kurzfristig stark mobilisiert (Weber<br />
et al. 2009). Bei anhaltend niedrigem<br />
Redoxpotenzial kommt es aber zu<br />
einer Aggregation der Kolloide und<br />
zu abnehmenden Metall-Konzentrationen<br />
in der Bodenlösung. Die als Sulfid<br />
gebundenen Metalle sind nun unter<br />
anhaltend tiefen Redoxpotenzialen<br />
immobil, werden aber bei einer Belüftung<br />
des Bodens (Abnahme der Wassersättigung)<br />
wieder remobilisiert.<br />
Die Metallmobilisierung im Boden<br />
läuft also in verschiedenen Stufen und<br />
unterschiedlichen Zeitskalen ab. Während<br />
As vorwiegend durch die reduktive<br />
Auflösung von Sesquioxiden in die<br />
Bodenlösung überführt wird und die<br />
Konzentrationen in der Bodenlösung<br />
auch lange nach der einsetzenden Was-<br />
Abb. 1. Freisetzung von a) As und b) Cu unter reduzierenden Bedingungen in die Bodenlösung.<br />
Bitte beachten Sie die unterschiedliche Skalierung der Y-Achsen.<br />
sersättigung im Boden noch ansteigt,<br />
kommt es zum Beispiel bei Cu zu einer<br />
schnellen Mobilisierung durch Biomineralisation<br />
und anschliessende Cu x S-<br />
Bildung (Weber et al. 2009; Abb. 1).<br />
Neben der Metallfreisetzung in die<br />
Bodenlösung ändern sich auch die<br />
Metallbindungsformen in der Bodenfestphase<br />
in Abhängigkeit vom Redoxpotenzial.<br />
Eine sequenzielle Extraktion<br />
mit sauerstofffrei inkubiertem<br />
Boden zeigte in einem von uns durchgeführten<br />
Laborexperiment ansteigende<br />
Gehalte der meisten Metalle in zwei<br />
relativ gut bioverfügbaren Fraktionen<br />
mit zunehmender Dauer der Inkubation<br />
(Ergebnisse nicht dargestellt).<br />
Ähnliche Beobachtungen berichteten<br />
Weber et al. (2009, 2010), die mithilfe<br />
von Röntgen-Absorptionsspektrometrie<br />
(XAS) nachwiesen, dass sich<br />
mit zunehmender Inkubationsdauer<br />
die chemische Elementspeziierung im<br />
Boden ändert. Während die meisten<br />
dieser Erkenntnisse in Laborexperimenten<br />
gewonnen wurden, lassen sich<br />
auch vor Ort in Waldböden Metallverlagerungen<br />
erkennen. Die Verlagerung<br />
von Eisen- und Manganoxiden in<br />
wasserbeeinflussten Böden ist anhand<br />
der entstehenden rot-weissen Marmorierung<br />
schon mit blossem Auge zu<br />
erkennen, während es im Hinblick auf<br />
potentielle Schadmetalle keine direkten<br />
visuellen Hinweise gibt.<br />
Mit neuen Analysemethoden lassen<br />
sich aber auch über die reinen (kleinen)<br />
Gehaltsänderungen nicht detektierbare<br />
Spurenmetall-Verlagerungen<br />
in vernässten Böden untersuchen. Eine<br />
geeignete Methode ist zum Beispiel<br />
die Analyse der stabilen Metallisotopenverhältnisse.<br />
Metallisotope zeigen<br />
Fraktionierungen (Verschiebungen der<br />
Isotopenverhältnisse) in Abhängigkeit<br />
von den physiko-chemischen Bedingungen<br />
(z. B. Redoxbedingungen)<br />
im Boden. Werden Metalle aus dem<br />
Boden ausgewaschen, ändert sich die<br />
Isotopen-Zusammensetzung sowohl<br />
des Auswaschungs- als auch des Einwaschungs-Horizontes.<br />
Das Isotopenverhältnis<br />
der Probe wird dabei als d-Wert<br />
relativ zu einem internationalen Isotopenstandard<br />
angegeben, wie in Gleichung<br />
1 beispielhaft für Cu gezeigt.<br />
Gleichung 1:<br />
65<br />
δ Cu<br />
[‰]<br />
⎛<br />
= ⎜<br />
⎝<br />
65 63<br />
( Cu / Cu)<br />
65 63<br />
( Cu / Cu)<br />
sample<br />
NIST976<br />
⎞<br />
−1⎟*1000<br />
⎠<br />
Mit dieser Methode lassen sich Hinweise<br />
auf eine Mobilisierung und Auswaschung<br />
von Cu aus Waldböden finden.<br />
Bei einer Untersuchung von vier<br />
Grund- oder Stauwasser-beeinflussten<br />
Böden (zwei Gleyen und zwei Pseudogleyen)<br />
und vier nicht vernässten-<br />
Böden (zwei Podsolen und zwei Braunerden)<br />
stellte sich heraus, dass Cu in<br />
den vernässten Böden mit zunehmender<br />
Tiefe isotopisch schwerer wurde<br />
(0,11 ± 0,07‰; 95 % Konfidenzintervall),<br />
während es in den oxisch verwitterten<br />
Böden isotopisch leichter wurde<br />
(–0,37 ± 0,21‰; 95 % Konfidenzintervall;<br />
Bigalke et al. 2010; 2011). Diese<br />
Unterschiede lassen sich dadurch erklären,<br />
dass im Boden unter Sauerstoffmangel<br />
chemisch reduzierte Cu-Verbindungen<br />
– wahrscheinlich Kolloide<br />
– freigesetzt und verlagert werden. Die<br />
reduzierten Kolloide haben ein leichteres<br />
Cu-Isotopenverhältnis und das verbleibende<br />
Cu im Boden wird isotopisch<br />
schwerer, je mehr Cu verlagert wird.
Forum für Wissen 2013 57<br />
Die Cu-Isotopenverhältnisse zeigten<br />
in einem Auenboden ausserdem eine<br />
enge Korrelation mit den Eisen-Gehalten,<br />
was darauf schliessen lässt, dass<br />
die gleichen Bedingungen, die zu der<br />
reduktiven Eisen(hydr)oxid-Auflösung<br />
und Fe-Verlagerung führen, auch die<br />
Fraktionierung der Cu-Isotopenverhältnisse<br />
verursachen (Abb. 2; Bigalke<br />
et al. 2010, 2013). In den nicht vernässten<br />
Boden findet eine entgegengesetzte<br />
Isotopenfraktionierung statt, die wahrscheinlich<br />
auf die fortschreitende<br />
Bodenentwicklung (Verwitterung, Bindung<br />
von Cu an organische Substanz<br />
und (Hydr)Oxide) zurückzuführen ist.<br />
Im Falle von Cu lässt sich also zeigen,<br />
dass die Redoxverhältnisse im Boden<br />
einen messbaren Einfluss auf die Auswaschung<br />
von Cu aus dem Boden<br />
haben.<br />
Zusammenfassend ist daher anzunehmen,<br />
dass sich mit einer Veränderung<br />
der Niederschlagsintensität und<br />
-frequenz und somit auch der Dauer<br />
von sauerstoffarmen, reduzierenden<br />
Verhältnissen im Boden, auch die<br />
Mobilität und Verfügbarkeit verschiedener<br />
(Schad-)Metalle in Waldböden<br />
ändert. Ob daraus eine neue Gefahrenlage<br />
entsteht, ist für den einzelnen<br />
Standort zu beurteilen.<br />
2.2 Alkylierung von Metallen<br />
Viele Metalle und Halbmetalle können<br />
in Böden biologisch methyliert werden.<br />
Wir konzentrieren uns im Folgenden<br />
auf Arsen (As). Arsen ist ein potenziell<br />
giftiges Element (Fee 2009), das<br />
aus natürlichen und anthropogenen<br />
Abb. 2. Zusammenhang zwischen Fe-<br />
Gehalten und d 65 Cu-Werten in einem Süsswasserwatt<br />
der Elbe.<br />
Quellen in die Umwelt freigesetzt wird<br />
(Adriano 2001). Geogene Belastungen<br />
haben eine wichtige Bedeutung für<br />
die As-Gehalte in Böden und As-Konzentrationen<br />
in Gewässern (Nicholas<br />
et al. 2003). Die VBBo (1998) akzeptiert<br />
einen maximalen As-Gehalt<br />
von 50 mg kg –1 in Böden auf Kinderspielplätzen<br />
und Hausgärten. In der<br />
Schweiz gibt es drei grössere geogene<br />
As-Anreicherungen. (1) Die Thermalund<br />
Mineralquellen in der Ostschweiz,<br />
(2) die eisenangereicherten Kalk- und<br />
Tonsteine des Jura sowie (3) Sulfiderzablagerungen<br />
und Silikatgesteine in<br />
den Alpen (Donzel 2001; Pfeifer et al.<br />
2002; Le Bayon et al. 2011).<br />
Weltweit konzentrieren sich die<br />
meisten Forschungsarbeiten auf Askontaminierte<br />
Wässer in Bangladesh<br />
und Südostasien (Chowdhury et al.<br />
2000; Rahaman et al. 2010; Hossain<br />
et al. 2012), wo die Gesundheit von bis<br />
zu 100 Millionen Menschen durch hohe<br />
As-Konzentrationen im Trinkwasser<br />
bedroht wird (Ng und Moore 2005).<br />
Die Speziierung von As wird dabei<br />
kaum betrachtet, weil das meiste As im<br />
Wasser anorganisch ist. In Böden wird<br />
die As-Mobilität und -Toxizität aber<br />
stark von mikrobiellen Transformationen<br />
beeinflusst (Thomas et al. 2001;<br />
Fee 2009). Beispielsweise kann die<br />
Biomethylierung von As seine Toxizität<br />
reduzieren, indem sie hochgiftige<br />
anorganische As-Spezies in die deutlich<br />
weniger schädlichen Organo-As-<br />
Verbindungen verwandelt. Dieser Prozess<br />
ist mit der Entstehung von flüchtigen<br />
As-Spezies verbunden, die als<br />
Arsine bezeichnet werden (Mestrot<br />
et al. 2009, 2011, 2013). Sowohl Biomethylierung<br />
als auch Bioverflüchtigung<br />
reagieren sensitiv auf Veränderung<br />
des Redoxregimes. Solche Veränderungen<br />
ergeben sich in Abhängigkeit<br />
vom Humusgehalt des Bodens zum<br />
Beispiel durch periodische Überflutungen,<br />
anhalten de Niederschläge auf<br />
Stauwasser-be einflussten Standorten<br />
oder Hitze-/Kältewellen, deren Häufigkeit<br />
in der Schweiz in naher Zukunft<br />
möglicherweise ansteigt. Daher ist es<br />
wichtig, die mikrobielle As-Freisetzung<br />
aus Böden zu verstehen und zu<br />
ermitteln, ob diese Transformationen<br />
zur Bildung von weniger giftigen Spezies<br />
(z. B. durch Biomethylierung) oder<br />
sogar zu einer As-Gehaltsabnahme in<br />
den Böden (Bioverflüchtigung) füh-<br />
ren. Forschungsarbeiten in Bangladesh,<br />
China und Indien legen nahe, dass<br />
Wassersättigung und die Anwesenheit<br />
von organischer Substanz eher zur<br />
Freisetzung anorganischer As-Spezies,<br />
die sehr giftig sind, führen. Allerdings<br />
ist bislang sehr wenig darüber bekannt,<br />
ob in Böden der gemässigten Breiten<br />
ähnliche Transformationen auftreten<br />
wie in tropischen Böden.<br />
Fallbeispiel Juraweide<br />
Aus den bisherigen Ausführungen wird<br />
deutlich, dass die Ermittlung nicht<br />
nur der As-Gesamtgehalte, sondern<br />
auch der chemischen As-Speziierung<br />
unerlässlich ist, wenn wir die Reaktion<br />
von As-belasteten Waldböden auf<br />
sich ändernde Klimabedingungen einschätzen<br />
wollen. Im folgenden Beispiel<br />
konzentrieren wir uns auf die As-Freisetzung<br />
und -Methylierung in einem<br />
Weideboden mit hohen As-Gehalten<br />
im Jura in Reaktion auf Klimaänderungen<br />
und Beweidung durch Kühe. Dazu<br />
führten wir Mikrokosmen-Experimente<br />
durch, in denen wir mit Kuhdung<br />
versetzte Bodenproben unter Wassersättigung<br />
bei 30 °C inkubierten, um<br />
nassere und wärmere Bedingungen als<br />
aktuell zu simulieren. Wir untersuchten<br />
die Bodenlösung auf die gesamten As-<br />
Konzentrationen sowie die As-Speziierung,<br />
um alle Aspekte der As-Freisetzung<br />
zu erfassen. Zusätzlich bestimmten<br />
wir das Redoxpotenzial, den<br />
pH-Wert und die gelöste organische<br />
C-Konzentration (Englisch: dissolved<br />
organic carbon, DOC). Abbildung 3<br />
zeigt die As-Freisetzung in die Bodenlösung<br />
in Abhängigkeit von ansteigenden<br />
Kuhdung-Applikationen. Es wird<br />
offensichtlich, dass die Zugabe von<br />
Kuhdung die As-Freisetzung erhöhte<br />
aber auch, dass ohne Kuhdung As<br />
unter niedrigen Redoxpotenzialen in<br />
die Lösung überführt wurde. Übertragen<br />
auf Waldböden spekulieren<br />
wir, dass zum Beispiel die infolge der<br />
anhaltenden N-Einträge (Galloway et<br />
al. 2004) in weit verbreitete N-limitierte<br />
Wälder stimulierte Netto-Primärproduktion<br />
(LeBauer und Treseder<br />
2008) eine ähnliche Wirkung auf die<br />
As-Freisetzung haben könnte. Abbildung<br />
4 zeigt, dass die gesamte As-Freisetzung<br />
auch unabhängig vom Gehalt<br />
an organischer Substanz mit sinkenden<br />
Redoxpotenzialen exponentiell anstieg<br />
und dass die Freisetzung bereits ober-
58 Forum für Wissen 2013<br />
Gesamte As-Konzentration [µg.l –1 ]<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
5% Kuhdung<br />
R² = 0,9997<br />
2% Kuhdung<br />
R² = 0,9996<br />
0% Kuhdung<br />
R² = 0,9985<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16<br />
Dauer der Inkubation [Tage]<br />
Abb. 3. Entwicklung der gesamten As-Konzentration in den Bodenlösungen von Mikrokosmen<br />
während der 16-tägigen Inkubation eines As-belasteten jurassischen Bodens in Abhängigkeit<br />
vom zugesetzten Anteil an Kuhdung.<br />
Gesamte As-Konzentration [µg.l –1 ]<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
R² = 0,9027<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250<br />
Redoxpotenzial [mV]<br />
0% 2% 5%<br />
Abb. 4. Zusammenhang zwischen den gesamten As-Konzentrationen in den Bodenlösungen<br />
von Mikrokosmen nach 16-tägiger Inkubation eines As-belasteten jurassischen Bodens<br />
und dem Redoxpotenzial des Bodens in Abhängigkeit vom zugesetzten Anteil an Kuhdung<br />
(in Massen-%).<br />
As-Speziierung [%]<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Tag 6 Tag 7 Tag 8 Tag 16<br />
0% Kuhdung<br />
Tag 6 Tag 7 Tag 8 Tag 16<br />
2% Kuhdung<br />
DMA (V) MMA (V) AS (V) As (III)<br />
Tag 6 Tag 7 Tag 8 Tag 16<br />
5% Kuhdung<br />
Abb. 5. Speziierung von As in As(III), As(V), Monomethyl-As(V) (MMA) und Dimethyl-<br />
As(V) (DMA) in der Bodenlösung zwischen Tag 6 und Tag 16 der Inkubation eines jurassischen<br />
Bodens in Abhängigkeit vom zugesetzten Anteil an Kuhdung (in Massen-%).<br />
halb eines Redoxpotenzials von 0 einsetzte,<br />
also bereits unter subaeroben<br />
Bedingungen. Nach 16 Tagen Inkubation<br />
kam es zur Bildung von Methyl-As-<br />
Verbindungen (Abb. 5). Die Methyl-<br />
As-Verbindungen umfassten in der<br />
nicht mit Kuhdung versetzten Variante<br />
bis zu 25 Prozent der gesamten As-<br />
Konzentrationen und trugen damit zu<br />
einer Abschwächung der As-Toxizität<br />
bei. Warum mit absinkendem Redoxpotenzial<br />
der Beitrag von As(V) zur<br />
gesamten As-Konzentration in der<br />
Bodenlösung zunahm, also As offenbar<br />
oxidiert wurde, ist unklar. Wir<br />
haben grösste Sorgfalt darauf verwendet,<br />
dass sich der Redoxzustand zwischen<br />
Entnahme der Bodenlösung und<br />
der Analyse nicht verändert und halten<br />
daher einen analytischen Artefakt für<br />
unwahrscheinlich. Das Gleichgewicht<br />
zwischen As(III)- und As(V)-Spezies<br />
in der Bodenlösung ist fragil und wird<br />
u.a. durch gelöste organische Substanzen,<br />
die auch oxidierend wirken können<br />
(z. B. Semi-Chinone), beeinflusst<br />
(Borch et al. 2010). Im beobachteten<br />
Redoxbereich können As(III) und<br />
As(V) koexistieren. Die Aufklärung<br />
der Transformationen zwischen den<br />
verschiedenen Arsinen ist Gegenstand<br />
eines aktuellen EU-finanzierten Forschungsprojektes<br />
(Marie Curie, BIO-<br />
META) in unserer Gruppe.<br />
Der untersuchte Boden aus dem Jura<br />
wies mit 25 mg kg –1 einen erhöhten<br />
As-Gehalt auf, der jedoch noch unter<br />
dem Grenzwert der VBBo (1998) von<br />
50 mg kg –1 lag. Die gesamten As- sowie<br />
die Methyl-As-Konzentrationen in<br />
der Bodenlösung stiegen mit sinkendem<br />
Redoxpotenzial und steigenden<br />
Gehalten an über Kuhdung zugeführter<br />
organischer Substanz an. Obwohl<br />
unsere Untersuchung mit einem Weideboden<br />
durchgeführt wurde, haben<br />
frühere Studien belegt, dass Organo-<br />
As-Verbindungen auch in unbelasteten<br />
Waldböden auftreten, in denen organische<br />
As-Spezies bis zu 30 Prozent der<br />
aus der Waldbodenauflage extrahierbaren<br />
As-Gehalte umfassten (Huang<br />
und Matzner 2007). Bevor abschliessende<br />
Folgerungen im Hinblick auf die<br />
verstärkte Verflüchtigung von Alkyl-<br />
Metallverbindungen in Reaktion auf<br />
den Klimawandel getroffen werden,<br />
sollten noch andere, zum Beispiel saure<br />
As-belastete Böden sowie andere Elemente<br />
wie Selen, Antimon und Zinn
Forum für Wissen 2013 59<br />
untersucht und dabei auch verschiedene<br />
Szenarien der möglichen Klimaänderung<br />
berücksichtigt werden.<br />
3 Schlussfolgerungen<br />
Unsere Fallbeispiele zeigen, dass mit<br />
einer verstärkten Metallfreisetzung<br />
aus der Festphase in die Bodenlösung<br />
sowohl in gelöster als auch in kolloidaler<br />
Form zu rechnen ist, sollte sich<br />
das Redoxregime der Böden infolge<br />
veränderter Niederschlagsmuster<br />
mit ausgeprägteren Nassphasen verändern.<br />
Gleichzeitig würde vermutlich<br />
die Alkylierung von Metallen verstärkt,<br />
die für manche Metalle – wie<br />
As – zu einer Detoxifizierung und vielleicht<br />
sogar zu einer Abreicherung aus<br />
Böden über Verflüchtigung, für andere<br />
Metalle – wie dem Hg – aber sogar<br />
zur Bildung besonders toxischer Verbindungen<br />
führen würde. Die Reaktion<br />
der in Schweizer Waldböden gespeicherten<br />
Metalle auf veränderte Klimabedingungen<br />
bedarf der weiteren<br />
wissenschaftlichen Untersuchung, die<br />
verschiedene Klimaänderungsszenarien<br />
sowie den Einfluss von Bodeneigenschaften<br />
auf die Metallfreisetzung<br />
berücksichtigen muss.<br />
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Abstract<br />
Will metals stored in soil be released in response to environmental change?<br />
Current climate change is expected to lead to more pronounced wet phases in<br />
Switzerland. The resulting water saturation means that O 2 concentrations in<br />
soils will decrease and thus the redox potential will drop. Under such reducing<br />
conditions, metals stored in soils can be released through the reductive dissolution<br />
of iron and manganese (hydr)oxides and leached to deeper soil layers and the<br />
groundwater. At the same time, a mobilization of colloids will take place. An<br />
additional transformation process under reducing conditions is biomethylation,<br />
which affects many (semi-)metals. Decreasing redox potentials enhance<br />
biomethylation, leading to, e.g., a reduction in toxicity for As but an increase for<br />
Hg. Our findings indicate that prolonged phases of soil water saturation are likely<br />
to (re-)mobilize metals in forest soils in dissolved, colloidal and alkylated form.<br />
Keywords: climate change, soil moisture regime, chemical reduction, colloids,<br />
metal mobilization, metal methylation, stable metal isotopes
Forum für Wissen 2013: 61–69 61<br />
Biodiversität von Waldböden – Auswirkungen des Einsatzes<br />
von Holzerntemaschinen auf mikrobielle Gemeinschaften<br />
Beat Frey 1 und Martin Hartmann 1,2<br />
1<br />
<strong>WSL</strong> Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf<br />
2<br />
Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Reckenholzstrasse 191/211, CH-8046 Zürich<br />
Auf einem Grossteil der Schweizer Waldböden kann das Befahren mit Forstmaschinen<br />
langfristig die Bodenstruktur im Bereich der Fahrspuren verändern.<br />
Inwiefern dies den Boden nachhaltig schädigt, wurde bisher vorwiegend aus<br />
bodenphysikalischer Sicht untersucht. Neue genetische Methoden erlauben nun,<br />
die Wirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaften im Boden zu untersuchen.<br />
Europaweit erstmals fanden auf zwei Bodentypen des schweizerischen Mittellandes<br />
Fahrversuche statt. Die Ergebnisse zeigen, dass mechanische Bodenbelastungen<br />
den Wasser- und Gashaushalt in Fahrspuren verändern. In verdichteten<br />
Böden verschwinden Mykorrhizapilze weitgehend. An ihrer Stelle breiten sich<br />
Fäulnispilze aus, was die Baumverjüngung massgeblich beeinträchtigt. Zusätzlich<br />
werden die an sauerstoffarme Verhältnisse angepasste Bakterien-Arten begünstigt,<br />
was die Bildung von Lachgas und Methan fördert. Die Studie zeigt, dass mikrobielle<br />
Gemeinschaften empfindlich auf mechanische Bodenbelastungen reagieren,<br />
womit sie helfen, Strukturschäden in Waldböden zu beurteilen sowie Richtlinien<br />
aufzustellen, ab wann ein Bodenschaden problematisch ist.<br />
1 Einleitung<br />
1.1 Physikalischer Bodenschutz<br />
im Wald<br />
Ein fruchtbarer Boden ist eine wichtige<br />
Voraussetzung für eine nachhaltige<br />
Waldbewirtschaftung. Mechanische<br />
Belastungen des Bodengefüges durch<br />
Holzerntemaschinen können jedoch<br />
diese Fruchtbarkeit beeinträchtigen.<br />
Die umfangreichsten Bodenverdichtungen<br />
der letzten Jahrzehnte stammen<br />
von den Räumungsarbeiten nach dem<br />
Sturm Lothar (1999 / 2000).<br />
In den letzten Jahren sind Holzerntemaschinen<br />
ständig produktiver<br />
und damit auch schwerer geworden<br />
(Borchert und Kremer 2007). Diese<br />
Maschinen sind oft während des ganzen<br />
Jahres und bei jeder Witterung im<br />
Einsatz, besonders wenn Wälder nach<br />
Stürmen aufgeräumt werden müssen,<br />
um Wertverlust des Holzes und Befall<br />
durch Schädlinge zu vermeiden. Mit<br />
dieser Entwicklung einhergehend steigt<br />
das Risiko schädlicher Bodenstrukturveränderungen<br />
an. Es besteht ein breiter<br />
Konsens, dass die hohen Belastungen<br />
durch Erntefahrzeuge Bodenverformungen<br />
mit noch nicht genau abschätzbaren<br />
ökologischen Folgen bewirken<br />
können. Unter Fahrspuren ist die Drainage-<br />
und Belüftungskapazität erheblich<br />
eingeschränkt (Marshall 2000)<br />
und wirkt sich negativ auf die Feinwurzeln<br />
der Bäume und deren Naturverjüngung<br />
aus (Gaertig et al. 2001).<br />
Spätestens seit der Aufarbeitung der<br />
«Lothar»-Schäden ist der physikalische<br />
Bodenschutz und damit die bodenschonende<br />
Holzernte ein wichtiger Aspekt<br />
der Waldbewirtschaftung. Gegenwärtig<br />
wird in der Schweiz an der gesetzlichen<br />
Festlegung von Richt- und Prüfwerten<br />
für bodenphysikalische Parameter im<br />
Wald gearbeitet (Lüscher et al. 2005).<br />
Die Verordnung über Belastungen des<br />
Bodens VBBo (VBBo 1998) bezweckt,<br />
die Bodenfruchtbarkeit langfristig<br />
zu erhalten. Jeder Boden muss genügend<br />
durchlüftete Hohlräume enthalten,<br />
damit Wurzeln, Pilze, Bakterien,<br />
Regenwürmer und andere Bodenlebewesen<br />
wirken können und Wasser versickern<br />
kann.<br />
Aus ökologischer und wirtschaftlicher<br />
Sicht ist es wichtig, für das Schutzgut<br />
Boden den Begriff der «langfristigen<br />
Beeinträchtigung der Bodenfruchtbarkeit<br />
nach mechanischer Belastung»<br />
zu umschreiben und zu quantifizieren.<br />
Solche Festlegungen setzen die Kenntnis<br />
der ganzen Kausalitätskette von der<br />
mechanisch verursachten Strukturveränderung<br />
bis zu den in der VBBo aufgeführten<br />
funktionalen Kriterien der<br />
Bodenfruchtbarkeit voraus (Abb. 1).<br />
Eine Schlüsselfrage ist, ab welchem<br />
Grad der strukturellen Veränderung<br />
von einem Bodenschaden gesprochen<br />
werden kann. Die bisher vorgeschlagenen<br />
Bewertungsansätze sind leider<br />
nur teilweise wissenschaftlich abgesichert<br />
(Block et al. 2002). Bisher wurden<br />
Bodenverdichtungen vornehmlich<br />
unter dem Aspekt ihrer Wirkungen auf<br />
den Luft- und Wasserhaushalt sowie<br />
die Ertragsfähigkeit von Böden untersucht<br />
(Schack-Kirchner et al. 2007).<br />
Wirkungen auf Bodenorganismen und<br />
Bodenmikroorganismen und deren<br />
Fähigkeiten, in Waldböden Nähr- und<br />
Abfallstoffe umzuwandeln, fanden bisher<br />
kaum Beachtung, obwohl diese<br />
Organismen als exzellente Frühwarnsysteme<br />
bei schädlichen Bodenveränderungen<br />
gelten (Oberholzer und<br />
Scheid 2007; Wilke et al. 2009).<br />
1.2 Bodenmikroorganismen<br />
als Zeiger von mechanischen<br />
Bodenbelastungen<br />
Die Bodenlebewesen als schützenswerte<br />
Lebensgemeinschaft, als Strukturbildner<br />
und Garanten für die ungestörte<br />
Funktionalität der Böden stehen im<br />
Zentrum des Bodenschutzes. Dies gilt<br />
insbesondere für Bodenbakterien und<br />
Pilze, welche unverzichtbar sind für die<br />
Funktionalität von biogeochemischen<br />
Stoffkreisläufen, die Stabilisierung der<br />
Bodenstruktur und eine verbesserte<br />
Speicherung von Wasser und Nährstoffen<br />
im Boden.
62 Forum für Wissen 2013<br />
Bodenstruktur<br />
Luft- und Wasserhaushalt<br />
Bodenlebewesen<br />
Baum<br />
Eigenschaften<br />
Lagerungsdichte<br />
Porenvolumen<br />
Porenverteilung<br />
Durchlässigkeit<br />
Bodenfeuchte<br />
Bodenluft (O 2<br />
; CO 2<br />
)<br />
Häufigkeit, Biomasse<br />
Diversität, Struktur<br />
Artenspektrum<br />
Wachstum<br />
Abb. 1. Zusammenhang zwischen standorttypischen Bodeneigenschaften und Bodenfunktionen<br />
und deren Beeinflussung durch mechanische Bodenbelastungen durch schwere Erntemaschinen<br />
im Wald. Für die Diagnose einer Verdichtung sind Kenngrössen des Bodenlufthaushaltes<br />
und biologische Parameter (z. B. mikrobielle Diversität, Baumwachstum) ebenso<br />
wichtig für die Charakterisierung von Bodenstrukturstörungen wie die Bodenphysik (z. B.<br />
Lagerungsdichte). Das Ziel ist, Schwellenwerte zu finden, oberhalb derer die Funktionstätigkeit<br />
der Böden zumindest auf niedrigem Niveau erhalten bleibt und damit Regenerationschancen<br />
bestehen. Quelle: modifiziert nach Weisskopf unpubliziert.<br />
Die Auswirkungen von Bodenverdichtung<br />
auf die Bodenmikroorganismen<br />
und ihre Aktivität sind sehr komplex<br />
und von vielen Faktoren abhängig<br />
(Abb 1). Häufig werden globale mikrobielle<br />
Messgrössen bestimmt, um die<br />
Wirkungen von Verdichtungen auf die<br />
Bodenmikroorganismen zu untersuchen.<br />
Die Messung dieser Grössen ist<br />
zwar relativ effizient, aber nicht ohne<br />
Probleme. So zeigen mikrobielle Biomasse<br />
und C-Mineralisation in Feldund<br />
Laborexperimenten widersprüchliche<br />
Ergebnisse. Jordan et al. (2003)<br />
zeigten, dass sich die mikrobielle Aktivität<br />
und mikrobielle Biomasse durch<br />
Bodenverdichtungen reduziert, andere<br />
Studien hingegen zeigten keine Veränderungen<br />
dieser Messgrössen (Ponder<br />
und Tandros 2002; Shestak und<br />
Busse 2005). Eindeutige Beziehungen<br />
zwischen Schadwirkungen (globalen<br />
mikrobiellen Aktivitätsparametern)<br />
und physikalischen Parametern<br />
(Lagerungsdichte) liessen sich daher<br />
nicht ableiten (Wilke et al. 2009). Ein<br />
möglicher Grund könnte sein, dass globale<br />
mikrobielle Parameter zu ungenau<br />
oder zu wenig empfindlich sind,<br />
Schwellenwerte?<br />
Funktionen<br />
Wassertransport<br />
Gasaustausch<br />
Wasserspeicher<br />
Aktivität<br />
Streuabbau<br />
N-Fixierung<br />
Treibhausgase<br />
Holzproduktion<br />
Durchwurzelung<br />
Verjüngung<br />
Potential für natürliche Regeneration<br />
um Veränderungen der Bodenstruktur<br />
auf Bodenmikroorganismen nachzuweisen.<br />
Neue genetische Methoden<br />
sind oft aber empfindlicher als globale<br />
mikrobielle Aktivitätsparameter und<br />
erlauben, die Wirkungen einer mechanischen<br />
Bodenbelastung auf die mikrobiellen<br />
Gemeinschaften im Boden zu<br />
untersuchen (Frey und Lüscher 2008;<br />
Frey 2010).<br />
1.3 Untersuchung der mikrobiellen<br />
Diversität in Waldböden mittels<br />
genetischen Methoden<br />
Die mikrobielle Diversität in Waldböden<br />
ist höchst komplex und übertrifft<br />
um Grössenordnungen die Diversität<br />
von Pflanzen und Tieren. Bakterien bilden<br />
die häufigste Gruppe von Mikroorganismen<br />
in Böden. Es wird geschätzt,<br />
dass zwischen 2000 und 18 000 bakterielle<br />
Arten und bis zu 10 Milliarden<br />
bakterielle Zellen ein Gramm Waldboden<br />
besiedeln, ungefähr zwanzigmal<br />
so viele wie in einem Ackerboden<br />
(Roesch et al. 2007).<br />
Lange Zeit haben technische Limitierungen<br />
es nicht erlaubt, diese komplexen<br />
mikrobiellen Lebensgemeinschaften<br />
adäquat zu untersuchen. Kultivierung<br />
von Mikroorganismen scheint<br />
keine praktikable Methode zu sein, wissen<br />
wir doch heute, dass nur etwa ein<br />
Prozent der Mikroorganismen unter<br />
Laborbedingungen tatsächlich kultivierbar<br />
sind (Rappe und Giovannoni<br />
2003). Die Entwicklung genetischer<br />
Methoden haben unser Verständnis<br />
vom mikrobiellen Leben revolutioniert<br />
und uns Zugang zu nicht-kultivierbaren<br />
Organismen ermöglicht (Pace 2009).<br />
Mit Hilfe von aus Umweltproben<br />
extrahiertem Erbgut (DNA), ist es<br />
heute möglich, die Zusammensetzung<br />
mikrobieller Lebensgemeinschaften<br />
zu charakterisieren. Dieser Ansatz<br />
umgeht den Schritt der Kultivierung<br />
und ermöglicht ein tieferes Verständnis<br />
der Diversität, Struktur und Funktion<br />
von mikrobiellen Gemeinschaften.<br />
Dazu werden oft ribosomale Gene<br />
analysiert, welche bei der Bildung von<br />
Eiweissen eine wichtige Rolle spielen,<br />
allem zellulären Leben zu Grunde liegen<br />
und darum ausgezeichnete molekulare<br />
Marker sind, um Verwandtschaftsbeziehungen<br />
zwischen verschie denen<br />
Arten und Artgruppen zu charakterisieren.<br />
Mittels Analysen von DNA-<br />
Fragmentlängen («Fingerprints») kön -<br />
nen wir heute die Wirkung von strukturellen<br />
Bodenveränderungen auf die<br />
Zusammensetzung der mikrobiellen<br />
Lebensgemeinschaften im Boden eindeutig<br />
nachweisen (Frey et al. 2009;<br />
Frey et al. 2011). «Fingerprints» lassen<br />
aber noch keine Rückschlüsse auf<br />
Diversität, Zusammensetzung und<br />
den genetischen Verwandschaftsgrad<br />
von Bakterien und Pilzen im Boden<br />
zu. In den letzten Jahren sind enorme<br />
Fortschritte auf dem Gebiet der<br />
DNA-Sequenzierung gemacht worden.<br />
Die Analyse charakteristischer<br />
DNA-Abschnitte (Dekodierung oder<br />
Sequenzierung), ermöglicht phylogenetische<br />
Rückschlüsse über deren<br />
Träger. Im Anbetracht der Entwicklung<br />
von Next-Generation Sequencing<br />
(kurz NGS) Technologien, wie zum<br />
Beispiel 454-Pyrosequenzierung sind<br />
wir erst am Anfang einer dramatischen<br />
Veränderung unseres Wissens über<br />
das mikrobielle Leben in der Umwelt<br />
(Margulies et al. 2005; Hartmann<br />
et al. 2012; Hartmann et al. 2013).
Forum für Wissen 2013 63<br />
2 Eigene Untersuchungen<br />
2.1 Morphologische Typisierung<br />
von Fahrspuren<br />
Seit 2006 bearbeitet die Forschungseinheit<br />
Waldböden und Biogeochemie<br />
der Eidgenössischen Forschungsanstalt<br />
<strong>WSL</strong> das Projekt «Physikalischer<br />
Bodenschutz im Wald» (Lüscher et al.<br />
2009b). Dieses langjährige Projekt hat<br />
zum Ziel, den Einfluss von Bodenverdichtung<br />
auf verschiedene Bodenparameter<br />
zu untersuchen und Schwellenwerte<br />
zu definieren (Abb. 1), unterhalb<br />
Bodenwassergehalt<br />
…<br />
… unterhalb<br />
oder gleich der<br />
Ausrollgrenze<br />
… zwischen<br />
Ausroll- und<br />
Fliessgrenze<br />
… gleich oder<br />
über der<br />
Fliessgrenze<br />
Spurtyp 1<br />
Spurtyp 2<br />
Spurtyp 3<br />
derer sich ein Waldboden noch regenerieren<br />
kann und keine dauerhaften<br />
Bodenschäden entstehen (Kremer<br />
et al. 2009). Für die Umsetzung des<br />
physikalischen Bodenschutzes wäre es<br />
vorteilhaft, verbindliche und nachvollziehbare<br />
ökologische Vorgaben, sogenannte<br />
Interventionswerte zu erhalten<br />
(Stichworte: Was ist ein Schaden?<br />
Wann soll saniert werden?).<br />
Zu diesem Zweck wurde mithilfe<br />
von ausgewählten morphologischen<br />
Merkmalen eine Typisierung der Fahrspuren<br />
entwickelt, die auf ökologisch<br />
wirksame Veränderungen im Boden<br />
Tiefe kleiner als 10 cm<br />
meist kleiner als 10 cm<br />
grösser als 10 cm<br />
Spurtyp 1–3: vgl. Tab. 1<br />
Spurtyp 4: flächige, ungeordnete Befahrung;<br />
Spurtyp 5: ältere nicht mehr typisierbare Spur;<br />
Spurtyp 6: vermutete Spur, überdeckte oder überwachsene Fahrlinie.<br />
organische Auflage<br />
Oberboden<br />
Unterboden<br />
teilweise seitliche Aufwölbungen<br />
durch Auspressen<br />
organische Auflage<br />
Oberboden<br />
Unterboden<br />
seitliche Aufwölbungen<br />
durch Bodenfliessen<br />
organische Auflage<br />
Oberboden<br />
Unterboden<br />
Abb. 2. (A) Typisierung der Fahrpuren entstanden durch schwere Holzerntemaschinen. (B)<br />
Karte mit verschiedenen Spurentypen auf einer Testfläche der Pilotstudie. Quelle: Lüscher<br />
et al. 2008a.<br />
schliessen lässt (Lüscher et al. 2008a;<br />
Lüscher et al. 2009a; Lüscher 2010).<br />
In unterschiedlichen Regionen des<br />
Schweizerischen Mittellandes (Ermatingen<br />
TG, Messen SO, Heiteren BE)<br />
wurden auf Lotharflächen im befahrbaren<br />
Gelände alle noch erkennbaren<br />
Fahrspuren kartiert, um einen Einblick<br />
in die heutige Situation der Fahrspurendichte<br />
und Spurtypenanteile zu<br />
erhalten. Die morphologische Typisierung<br />
der Fahrspuren (Spurtypen)<br />
wurde in enger Zusammenarbeit mit<br />
den Forstorganen und Bodenschutzfachstellen<br />
sowie mit Unterstützung<br />
der Technischen Universität München<br />
erarbeitet und publiziert (Lüscher<br />
et al. 2008a). Generell können die<br />
Fahrpuren in drei Kategorien eingeteilt<br />
werden, die als leicht (Spurtyp 1),<br />
mittel (Spurtyp 2: Oberboden teilweise<br />
verschoben, Fahrrille von wenigen<br />
cm ersichtlich) und schwer (Spurtyp<br />
3: Oberboden komplett verschoben,<br />
Fahrrille von mehreren cm, seitliche<br />
Aufwölbungen ersichtlich) bezeichnet<br />
werden können (Abb. 2A).<br />
Die so definierten Spurtypen stehen<br />
im Einklang mit der Abstufung<br />
der Richt- und Prüfwerte der VBBo<br />
(1998) und dienen als Indikatoren für<br />
das Management des Bodenschutzes<br />
(z. B. Spurtyp 1 ist ein Warnzeichen,<br />
bei Spurtyp 3 muss saniert werden).<br />
Besonders beachtenswert ist, dass in<br />
diesen Lotharflächen die durch Bodenverdichtung<br />
betroffene Fläche bis zu<br />
zehn Prozent des ganzen befahrbaren<br />
Areals ausmachte (Abb. 2B). Zur quantitativen<br />
Hinterlegung dieser morphologisch<br />
erkennbaren Spurtypen wurden<br />
Veränderungen der effektiven<br />
Lagerungsdichte des Bodens, des Grobporenvolumens,<br />
der gesättigten Wasserleitfähigkeit<br />
sowie des Eindringwiderstandes<br />
herangezogen (Lüscher et al.<br />
2005; Frey et al. 2009). Diese bodenphysikalischen<br />
Grössen ergaben ein<br />
recht genaues Bild der befahrungsbedingten<br />
Veränderungen. Zur Charakterisierung<br />
der biotischen Konsequenzen<br />
der beobachteten Bodenstrukturveränderungen<br />
wurden Kenngrössen des<br />
Bodenlufthaushaltes sowie mikrobiologische<br />
Parameter erhoben (Abb. 1<br />
und 3). An Probepunkten mit typischer<br />
Ausprägung wurden bodenphysikalische<br />
Parameter erhoben und genetische<br />
«Fingerprintanalysen» durchgeführt.
64 Forum für Wissen 2013<br />
Bisherige Auswertungen auf den<br />
Lotharflächen haben gezeigt, dass das<br />
Befahren mit schweren Forstmaschinen<br />
eine signifikante Veränderung von<br />
physikalischen, chemischen und biologischen<br />
Bodeneigenschaften in den<br />
Bodentiefen 5 und 20 cm hervorruft<br />
(Frey und Lüscher 2008; Frey et al.<br />
2009; Frey 2010; Frey et al. 2010). Bakterielle<br />
Lebensgemeinschaften unter<br />
den Fahrspuren mit starker Störung<br />
(Spurtyp 3) unterschieden sich wesentlich<br />
von den Gemeinschaften in den<br />
ungestörten (Referenz) oder wenig<br />
gestörten (Spurtyp 1; z. T. Spurtyp 2)<br />
Bodenproben (Abb. 3). Diese Befunde<br />
standen in engem Zusammenhang mit<br />
nachweisbaren Bodenstrukturveränderungen<br />
und drastischen Reduktionen<br />
der Wasser- und Gasleitfähigkeit in den<br />
Fahrspuren (Kremer et al. 2009; Frey<br />
et al. 2009; Frey 2010).<br />
Trotz wertvoller Erkenntnisse hat<br />
diese Pilotstudie ihre Grenzen. Die<br />
bisherigen Analysen waren begrenzt<br />
durch ungenügend kontrollierte experimentelle<br />
Bedingungen (Frey und<br />
Lüscher 2008; Frey et al. 2009; Frey<br />
et al. 2010). Im Weiteren sind weder das<br />
exakte Datum der Befahrung dieser<br />
Flächen noch Informationen über Reifendruck<br />
und damalige physikalische<br />
Bodenbedingungen vorhanden. Dies<br />
verunmöglicht eine genaue Charakterisierung<br />
der Störungen und Aussagen<br />
über potentielle Schwellenwerte mittels<br />
dieser Daten.<br />
2.2 Fahrversuche unter<br />
kontrollierten Bedingungen<br />
Befahrung<br />
Um die experimentellen Bedingungen<br />
besser zu kontrollieren sowie den<br />
zeitlichen Verlauf beziehungsweise die<br />
natürliche Regeneration der Verdichtung<br />
zu evaluieren, wurden in zwei<br />
dieser Flächen im Wald unter kontrollierten<br />
Bedingungen Fahrversuche<br />
durchgeführt (Frey et al. 2011; Hartmann<br />
et al. 2013). Das Ziel der Befahrungsexperimente<br />
war die Erzeugung<br />
von typischen Spurausprägungen, die<br />
Ermittlung des bodenphysikalischen<br />
Zustandes und die Charakterisierung<br />
der mikrobiellen Gemeinschaften in<br />
Abhängigkeit von der Spurausprägung.<br />
Bakerielle Populationsstrukturen<br />
Spurtyp 1<br />
Wasserleitfähigkeit<br />
PC2<br />
–0,6 0,6<br />
A<br />
–1,0 PC1<br />
1,5<br />
Spurtyp 2<br />
Spurtyp 3<br />
B<br />
md –1<br />
2<br />
1,6<br />
1,2<br />
0,8<br />
0,4<br />
0<br />
Ref<br />
C<br />
1 2 3<br />
Abb. 3. Zusammenhang zwischen Strukturschaden durch Befahrung (B), Bodenfunktionen (C) und Zusammensetzung der bakteriellen<br />
Populationsstrukturen (A). Visuelle Typisierung 1, 2 und 3 der Fahrspuren nach der Art von Veränderungen im Boden (B). Ein schwere<br />
Bodenbeeinträchtigung (Spurtyp 3) zeichnet sich durch eine stark reduzierte Wasserinfiltration (C) in den Fahrspuren aus. Die Zusammensetzung<br />
der bakteriellen Populationsstrukturen (A) zeigt in Abhängigkeit vom Spurtyp stark unterschiedliche Cluster in der Hauptkomponenentenanalyse<br />
(PC1; PC2) auf. Spurtypen 1 (grüne Kreise) und 2 (blaue Dreiecke) liegen eng bei den Punkten aus dem ungestörten<br />
Referenzbereich (Ref: Sterne), davon unterscheiden sich die Gemeinschaften im Spurtyp 3 (rote Quadrate) deutlich.<br />
A<br />
B<br />
Abb. 4. (A) Fahrexperiment mit schweren Holzerntemaschinen am Versuchsstandort Ermatingen TG. (B) Stark verdichtete Fahrspur mit<br />
teilweise schlecht abfliessendem Wasser. Quelle: Frey und Lüscher 2008.
Forum für Wissen 2013 65<br />
5<br />
5<br />
Co 2<br />
[µmol m –2 h –1 ]<br />
CH 4<br />
[µmol m –2 h –1 ]<br />
3<br />
1<br />
–1<br />
–3<br />
N 2<br />
O [µmol m –2 h –1 ]<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
Ref Sp1 Sp2 Sp3<br />
–5<br />
Ref Sp1 Sp2 Sp3<br />
0<br />
Ref Sp1 Sp2 Sp3<br />
Abb. 5. Netto Emission von Kohlenstoffdioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 ) und Lachgas (N 2 O) in unbefahrenen Bodenflächen (Ref), sowie nach<br />
Befahrung im Spurtyp 1 (Sp1), Spurtyp 2 (Sp2) und Spurtyp 3 (Sp3). Quelle: Hartmann et al. 2013.<br />
Diese Erkenntnisse sollen helfen, einen<br />
Bodenschaden besser zu definieren.<br />
In zwei Waldstandorten im schweizerischen<br />
Mittelland mit tonigem Lehm<br />
(Ermatingen, 2007) und schluffigem<br />
Sand (Heiteren bei Bern, 2008) wurde<br />
versucht, die aufgrund von morphologischen<br />
Kriterien ausgeschiedenen<br />
Spurtypen 1, 2 und 3 bei bekanntem<br />
Bodenwassergehalt und mit definierten<br />
Maschinenmassen künstlich zu<br />
erzeugen (Abb. 4). Dazu wurde in ebener<br />
Lage mit möglichst einheitlichen<br />
Bodeneigenschaften über je drei Fahrlinien<br />
ein Feuchtegradient angelegt,<br />
durch den beim Befahren die angestrebten<br />
Fahrspurtypen entstanden.<br />
Vor der Befahrung wurde die Bodenfeuchtigkeit<br />
entlang der vorgesehenen<br />
Spuren (dreifach im Abstand von<br />
jeweils 20 Meter wiederholt) an verschiedene<br />
Wassergehalte angepasst.<br />
Dieser Gradient reichte von 0,17 (plastisches<br />
Limit) über 0,27 zu 0,35 (flüssiges<br />
Limit) Gramm Wasser pro Gramm<br />
Boden. Der erste Teil der vorgeschriebenen<br />
Fahrlinie (um den Spurtyp 1<br />
anzustreben) wurde mit einer Plastikplane<br />
für zwei Tage abgedeckt, um<br />
die Infiltration von Regen zu verhindern.<br />
Die zwei anderen Versuchsfelder<br />
wurden vor dem Fahrexperiment<br />
mit verschiedener Intensität bewässert<br />
(um den Spurtyp 3 anzustreben). Die<br />
Forstmaschinen auf diesen verschieden<br />
feuchten Böden verursachten Verdichtungen<br />
der Kategorie leicht, mittel<br />
und schwer (Abb. 2A) auf einer Länge<br />
von mindestens zehn Metern. Der<br />
unmittelbar benachbarte, unbefahrene<br />
Boden wurde als Kontrolle (Referenz)<br />
verwendet.<br />
Messungen von bodenphysikalischen<br />
Eigenschaften<br />
Um das Ausmass von Bodenveränderungen<br />
in Abhängigkeit von der<br />
Spurausprägung zu charakterisieren,<br />
wurden die Spurtypen (1, 2, 3) systematisch<br />
auf ihren bodenphysikalischen<br />
Zustand nach der Belastung untersucht.<br />
Dies geschah mit konventionellen<br />
Verfahren an Stechzylinderproben<br />
(100 cm 3 ) aus zwei Tiefenstufen<br />
(5–10 cm; 15–20 cm). Strukturrelevante<br />
Bodenkennwerte wie Lagerungsdichte,<br />
Porenraum, Porengrössenverteilung<br />
und ökologisch bedeutsame Funktionalitätsparameter<br />
wie gesättigte Wasserleitfähigkeit<br />
und intrinsische Luftleitfähigkeit<br />
wurden im Labor erhoben<br />
(Frey et al. 2009).<br />
Die Ergebnisse zeigen deutlich: Bodenverdichtung<br />
reduziert das Porenvolumen<br />
und kann Poren zerstören. Mit<br />
der Wassersättigung durch verschlechterte<br />
Wasserinfiltration kommt es in<br />
den Fahrspuren häufig zu stehendem<br />
Wasser. Der Anteil des mit Wasser<br />
gefüllten Porenraums nimmt zu und die<br />
Gasleitfähigkeit sinkt, was wiederum<br />
Diffusion und Verfügbarkeit von Sauerstoff<br />
limitiert (Abb. 3).<br />
Messungen von Spurengasen<br />
im Boden<br />
Im verdichteten Porenvolumen in den<br />
Fahrspuren wird der Gasaustausch zwischen<br />
Boden und Atmosphäre gestört.<br />
In Zusammenarbeit mit Dr. Pascal<br />
Niklaus (Universität Zürich) wurden<br />
zwischen April 2008 und April 2009<br />
monatlich die Flüsse der Treibhausgase<br />
Kohlendioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 )<br />
und Lachgas (N 2 O) in diesen Böden<br />
gemessen. Die Gewinnung der Bodengasproben<br />
erfolgte während der Messperioden<br />
in allen Versuchsvarianten<br />
mittels geschlossener Bodenhauben<br />
(«closed chamber method») in jeweils<br />
4-facher Wiederholung. Kohlendioxid,<br />
Methan und Lachgas in den Gasproben<br />
wurden an einem Gaschromatographen<br />
(Firma Shimadzu) gemessen<br />
(Frey et al. 2011; Hartmann et al. 2013).<br />
Die Messungen zeigten eine Zunahme<br />
von Methan und Lachgas und eine<br />
Abnahme von Kohlendioxid mit steigender<br />
Bodenverdichtung (Abb. 5). Bei<br />
sehr starker Verdichtung fällt die Lachgasproduktion.<br />
Dies könnte ein Hinweis<br />
darauf sein, dass unter sauerstoffarmen<br />
Bedingungen die Bildung von Lachgasvorstufen<br />
limitiert ist oder dass Lachgas<br />
komplett zu molekularem Stickstoff<br />
umgesetzt wird. Ebenfalls kann aus diesen<br />
Daten die Hypothese aufgestellt<br />
werden, dass eine reduzierte Aktivität<br />
der Zersetzung von organischem Material<br />
(Dekomposition) zu einer niedrigeren<br />
CO 2 -Produktion in diesen Böden<br />
führt (Abb. 5).<br />
Ein gestörter Gasaustausch zwischen<br />
Boden und Atmosphäre in verdichteten<br />
Fahrspuren beeinflusst die<br />
Lebensbedingungen der Mikroorganismen<br />
in Bezug auf O 2 - beziehungsweise<br />
CO 2 -Gehalt der Bodenluft. Der<br />
im Boden enthaltene Sauerstoff wird<br />
in kurzer Zeit durch aerobe Mikroorganismen<br />
verbraucht, um organisches<br />
Material abzubauen. Bei sauerstofflimitierenden<br />
Bedingungen kommt es<br />
zu veränderten mikrobiellen Prozessen<br />
im Boden, indem das Oxidationsmittel<br />
für die Energiegewinnung der Mik-
66 Forum für Wissen 2013<br />
A<br />
mcrA Genkopien pro Gramm Boden<br />
4.E+07<br />
3.E+07<br />
3.E+07<br />
2.E+07<br />
2.E+07<br />
1.E+07<br />
30 Tg<br />
180 Tg<br />
360 Tg<br />
B<br />
mcrA Genkopien pro Gramm Boden<br />
9.E+06<br />
8.E+06<br />
7.E+06<br />
6.E+06<br />
5.E+06<br />
4.E+06<br />
3.E+06<br />
2.E+06<br />
30 Tg<br />
180 Tg<br />
360 Tg<br />
mation (Spurtyp 2) mit eingeschränkten<br />
Bodenfunktionen, treten vermehrt<br />
aerobe und anaerobe Bakterien auf,<br />
die insbesondere Lachgas produzieren.<br />
In der gravierendsten Deformationsstufe<br />
(Spurtyp 3) verschwinden die<br />
aeroben Bakterien und die Mykorrhizapilze.<br />
Die Abundanz von Methanproduzierenden<br />
und Sulfat-reduzierenden<br />
Bakterien und saproben Pilzen<br />
nehmen dagegen zu. Diese sind also<br />
der zweifelsfreie Hinweis für einen<br />
«Bodenschaden».<br />
5.E+06<br />
0.E+00<br />
Ref Sp1 Sp2 Sp3<br />
bestätigt, dass spezifische bakterielle<br />
Gemeinschaften, wie zum Beispiel die<br />
Methan-Produzierer (Methanogene),<br />
stark auf Verdichtung und die damit<br />
zusammenhängenden physikalischen<br />
und chemischen Veränderungen der<br />
Bodeneigenschaften reagieren (Abb.<br />
6). Diese Methan-produzierenden Bakterien<br />
sind somit gute Indikatoren um<br />
eine mechanische Überbelastung des<br />
Bodens anzuzeigen (Frey et al. 2011).<br />
In sauerstoffarmen Böden nehmen die<br />
Methanbakterien stark zu, welche<br />
sonst vor allem in Moorböden oder auf<br />
Reisanbauflächen leben. In der Folge<br />
werden die Waldböden zu einer<br />
Methanquelle, während sie normalerweise<br />
eine Methansenke bilden. Wird<br />
wie oben erwähnt davon ausgegangen,<br />
dass ungefähr drei Prozent der Waldfläche<br />
im Mittelland ( Brändli 2010)<br />
mechanisch beeinträchtigt sind, so<br />
werden hochgerechnet ungefähr 55 t<br />
Methan pro Jahr (oder 1265 t CO 2 -<br />
Äquivalente) ausgestossen. Im Vergleich<br />
zur Landwirtschaft ist dieser<br />
Methanausstoss im Wald jedoch immer<br />
noch sehr gering.<br />
Ausgehend von einer intakten<br />
Bodenstruktur (Referenz, Spurtyp 1)<br />
ist die mikrobielle Lebensgemeinschaft<br />
von aeroben Bakterien mit CO 2 als<br />
Atmungsprodukt und einer Dominanz<br />
an Mykorrhizapilzen gekennzeichnet.<br />
Kommt es zu einer plastischen Deforroorganismen<br />
von Sauerstoff zu Nitrat<br />
und anderen Elektronen-Akzeptoren<br />
erfolgt (Schnurr-Pütz et al. 2006).<br />
Veränderungen in der Zusammensetzung<br />
bakterieller und pilzlicher<br />
Gemeinschaften<br />
Vor und zu verschiedenen Zeitpunkten<br />
nach der Befahrung (1, 7, 30, 180,<br />
360, 720, 1080 und 1440 Tage) wurden<br />
Bodenproben aus den Fahrspuren und<br />
Referenzflächen in zwei verschiedenen<br />
Tiefen (5 und 15 cm) und an mehreren<br />
Standorten innerhalb einer Fahrspur<br />
entnommen. Alle Proben pro einzelne<br />
Fahrspur und Tiefe wurden in einer<br />
Probe vereint, sodass jede Verdichtungsstufe<br />
und Tiefe dreifach repräsentiert<br />
war. Aus diesen Bodenproben<br />
wurde fortlaufend DNA (Erbsubstanz)<br />
der kompletten, mikrobiellen Gemeinschaft<br />
extrahiert und gelagert. So stehen<br />
heute 432 Proben (2 Fahrexperimente<br />
× 4 Verdichtungsstufen × 2 Tiefen<br />
× 3 Replikate × 9 Zeitpunkte) zur<br />
Analyse bereit. Die Beprobungs-Serie<br />
wird weiter fortgesetzt. Die Diversität<br />
und Verwandschaftsbeziehung der<br />
mikrobiellen Gemeinschaften in unseren<br />
Bodenproben erfassen wir mittels<br />
hochauflösenden 454-Pyrosequenzierung<br />
(Hartmann et al. 2012; Hartmann<br />
et al. 2013).<br />
Erste genetische Untersuchungen an<br />
diesen Proben haben die Hypothese<br />
1.E+06<br />
0.E+00<br />
Ref Sp1 Sp2 Sp3<br />
Abb. 6. Zunahme der Methan-Produzierer (Methanogene) in Ermatingen (A) und Heiteren<br />
(B) 30, 180 und 360 Tage nach der Befahrung in den verschiedenen Spurtypen (1, 2 und 3).<br />
Ref = ungestörte Referenz. Methan-Produzierer wurden mittels dem spezifischen, funktionellen<br />
Markergen mcrA (Methyl coenzyme M reduktase A) untersucht. Quelle: Frey et al.<br />
2011.<br />
2.3 Regenerationsmassnahmen von<br />
verdichteten Fahrspuren<br />
Verdichteter Boden kann sich durch<br />
wechselfeuchte Bedingungen, Frostzyklen,<br />
Wurzelwachstum oder Regenwurmaktivität<br />
regenerieren (verbesserter<br />
Gasaustausch zwischen Boden und<br />
Atmos phäre). Die natürliche Regeneration<br />
kann aber langsam und je nach<br />
Schweregrad der Bodenverdichtung<br />
sogar unmöglich sein (von Wilpert und<br />
Schäffer 2006).<br />
Darum treten aktive Regenerationsmassnahmen<br />
immer mehr in den Fokus<br />
der Bodenschutzforschung. Auf Lothar-<br />
Reservatsflächen (Habsburg AG, Messen<br />
SO, Brüttelen BE) wurden stark<br />
geschädigte Fahrspuren im Jahre 2002<br />
mit Alnus glutinosa (Schwarzerle als<br />
Jungpflanzen) und Salix viminalis<br />
(Korbweide als Stecklinge) bepflanzt,<br />
um die biologische Regeneration zu<br />
beschleunigen und die Spuren zu sanieren<br />
(Lüscher et al. 2008b). Erste Resultate<br />
nach sieben Jahren Baumwachstum<br />
zeigten, dass die Schwarzerlen in den<br />
stark verdichteten Fahrspuren anwachsen<br />
konnten (Abb. 7), die Korbweiden<br />
jedoch nicht. Innerhalb von sieben Jahren<br />
durchwurzelten die Erlen den verdichteten<br />
Boden bis in Tiefen von > 80<br />
cm. In den bepflanzten Fahrspuren wurde<br />
eine Verbesserung der Gefügestruktur,<br />
Luftleitfähigkeit (Abb. 8) sowie<br />
eine Minderung der Vernässungsmerkmale<br />
nachgewiesen (Meyer et al. 2010;<br />
Meyer et al. 2011a, b, c). Folglich erwies<br />
sich das Wurzelwachstum von spezifischen<br />
Baumarten, wie zum Beispiel der<br />
Schwarzerle, als hoffnungsvolle Methode,<br />
verdichtete Böden effizient und kostengünstig<br />
aufzulockern (Lüscher et al.<br />
2008b). Über den Erfolg dieser Methode<br />
im Hinblick auf mikrobiologische
Forum für Wissen 2013 67<br />
A<br />
B<br />
ten, dass die Regeneration nach aktiven<br />
Sanierungsmassnahmen durch<br />
Bepflanzung schneller geschieht als<br />
ohne Massnahmen. Für die Untersuchung<br />
von allfälligen Unterschieden<br />
werden strukturrelevante Bodenkennwerte<br />
(Lagerungsdichte, Porenraum,<br />
Porengrössenverteilung) wiederholt<br />
er fasst. Im weiteren werden auch die<br />
Durchwurzelung und die Regenwurmgänge<br />
ausgezählt (Meyer et al. 2011b,<br />
c).<br />
3 Schlussfolgerungen und<br />
Ausblick<br />
Abb. 7. (A) Mit Schwarzerlen und Korbweiden bepflanzte Fahrspuren in Habsburg AG<br />
(März 2007). (B) Schwarzerlenwurzel unter einer Fahrspur in Brüttelen BE vier Jahre nach<br />
der Pflanzung. Quelle: Lüscher et al. 2008b.<br />
Tiefe 0,2–0,3 m<br />
Luftfeuchtigkeit [m 2 ]<br />
83-11<br />
4e-11<br />
0e-00<br />
Erle<br />
mit Kompost<br />
Erle<br />
ohne Kompost<br />
Abb. 8. Verbesserung der Luftleitfähigkeit in der Tiefe 20–30 cm (n = 5) 6 Jahre nach der<br />
Bepflanzung mit Schwarzerlen. Quelle: Meyer et al. 2011b).<br />
Parameter in den verdichteten Fahrspuren<br />
ist allerdings wenig bekannt.<br />
Ausgehend von diesen ersten Erfahrungen<br />
wurden Sanierungsmassnahmen<br />
in den Fahrspuren der Versuchsfläche<br />
Ermatingen (TG) durch Pflanzung<br />
von Alnus glutinosa (Schwarzerle)<br />
im Jahre 2008 gestartet, um die durch<br />
schwere Forstmaschinen verdichteten<br />
Böden mittels Wurzelwachstum zu<br />
regenerieren. Der Erfolg der Bepflanzung<br />
auf das Regenerationsvermögen<br />
der mikrobiellen Gemeinschaften<br />
wird gegenwärtig in Proben von 2011<br />
(drei Jahre nach Bepflanzung) und<br />
2013 untersucht. Die 2008 genommenen<br />
Bodenproben dienen als Basisdaten.<br />
Referenzflächen sowie verdichtete,<br />
aber nicht bepflanzte Fahrspuren dienen<br />
als Kontrolle. Die Anlage dieses<br />
*<br />
Erle unbefahrene<br />
Referenz<br />
Fahrspur ohne<br />
Massnahme<br />
Versuchsfeldes erlaubt, etwaiger regenerativer<br />
Strukturentwicklungen über<br />
zweijährliche Wiederholungsaufnahmen<br />
zu verfolgen.<br />
Bei diesen Untersuchungen steht<br />
das Regenerationsvermögen mikrobieller<br />
Gemeinschaften im Vordergrund,<br />
welche in den Fahrversuchen darauf<br />
hindeuten, dass die Böden verdichtet<br />
und ihre Struktur gestört sind. Mikrobielle<br />
Gemeinschaften regenerieren<br />
sich im Allgemeinen gut. Vermutlich<br />
werden Arten, die durch abnehmende<br />
Sauerstoffverfügbarkeit zurückgehen<br />
(sensible Indikatoren) oder<br />
zunehmen (resistente Indikatoren), in<br />
den Zustand vor der Störung zurückkehren,<br />
sobald der mechanische Stress<br />
durch Sanierungsmassnahmen gemindert<br />
oder behoben wird. Wir vermu-<br />
*<br />
*<br />
Diese Studien zeigen, dass eine mechanische<br />
Bodenbelastung mit schweren<br />
Erntemaschinen die ökologische Funktionalität<br />
des Bodens stark beeinträchtigen<br />
kann. Durch Veränderung des<br />
Luft- und des Wasserhaushaltes im<br />
Boden werden die Lebensbedingungen<br />
der Mikroorganismen in Bezug<br />
auf O 2 - beziehungsweise CO 2 -Gehalt<br />
der Bodenluft verändert. Folge ist eine<br />
erhebliche Veränderung der Diversität<br />
und Gemeinschaftsstruktur von Bakterien<br />
und Pilzen.<br />
Gewisse mikrobielle Schlüsselgruppen<br />
(z. B. Methan-Produzierer oder Sulfat-reduzierende<br />
Bakterien) dienen als<br />
Zeiger, um derartige Störungen anzuzeigen.<br />
Sie sind der zweifelsfreie Hinweis<br />
für einen «Bodenschaden» (Abb.<br />
9). Eine Zeitreihe erlaubt uns zudem<br />
das Potenzial und den Erfolg der Regeneration<br />
in verdichteten Böden mittels<br />
den mikrobiellen Zeiger abzuschätzen.<br />
Es wird sich herausstellen, ob die mikrobiellen<br />
Schlüsselgruppen fähig sind,<br />
sich in einem verdichteten Boden nach<br />
Bepflanzung wieder zu erholen (und<br />
nach wieviel Jahren). Diese Erkenntnis<br />
wird aufzeigen, wie wahrscheinlich es<br />
ist, dass sich ein durch schwere Forstmaschinen<br />
verdichteter Boden durch<br />
Bepflanzung erholen kann. Bei einer<br />
Verdichtung oberhalb eines zu definierenden<br />
Schwellenwertes wird keine<br />
natürliche Regeneration stattfinden.<br />
Aufgrund der Bedeutung dieses Themas<br />
im Hinblick auf den Bodenschutz<br />
und die Emission klimarelevanter Gase<br />
aus Waldböden erscheint eine vertiefte<br />
Forschung zu den Zusammenhängen<br />
zwischen physikalischen Beeinträchtigungen<br />
und den Folgen für die Boden-
68 Forum für Wissen 2013<br />
Spurbild<br />
Bodenphysik<br />
Mikrobiologie<br />
Boden- und<br />
Wurzelfunktion<br />
mikroorganismen angebracht. Nachdem<br />
ein hinreichend gutes, jedoch nur<br />
generelles Prozessverständnis besteht,<br />
müssen im nächsten Schritt die Schlüsselorganismen<br />
im Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf<br />
für die verschiedenen<br />
Intensitäten verformter Böden zur Ableitung<br />
von Schwellenwerten untersucht<br />
werden (Abb. 9). Wir vermuten, dass<br />
stickstoffabbauende und -fixierende<br />
so wie methanbildende Organismen von<br />
sauerstoffarmen Bedingungen profitieren,<br />
während stickstoffbildende,<br />
methan- abbauende und pflanzensymbiotische<br />
(z. B. Mykorrhizapilze) Arten<br />
negativ beeinflusst werden. Diese Störungen<br />
können weitreichende Konsequenzen<br />
bezüglich des Stickstoff- und<br />
Kohlenstoffhaushalts nach sich ziehen<br />
und können die Emission von<br />
Treibhaus gasen signifikant erhöhen<br />
sowie die Nährstoffstoffverfügbarkeit<br />
in Waldböden negativ beeinflussen.<br />
Diese Untersuchungen werden zu<br />
einem stark verbesserten Verständnis<br />
führen, wie diese funktionellen Schlüsselgruppen<br />
durch Forstwirtschaft<br />
beeinflusst werden und auch helfen,<br />
Richtlinien aufzustellen, unter welchen<br />
Umständen Bodenschäden problematisch<br />
sind.<br />
Spurtyp 1 Spurtyp 2 Spurtyp 3<br />
+<br />
CO 2<br />
voll aerob<br />
nicht<br />
beeinträchtigt<br />
+/– –<br />
N 2<br />
O<br />
aerob – anaerob<br />
beeinträchtigt<br />
?<br />
Abb. 9. Vorrangiges Ziel muss die Abgrenzung von beeinträchtigten zu geschädigten Bodenfunktionen<br />
sein. Sie ist dann auf die operative Ebene der visuellen Spurausprägung zu übertragen.<br />
4 Danksagung<br />
Unsere Forschungsarbeiten wurden<br />
durch ein <strong>WSL</strong>-internes Projekt<br />
(5233.00029.001.01) unterstützt. Unser<br />
Dank gilt speziell Peter Lüscher, der<br />
uns unterstützte all die experimentellen<br />
Flächen zur mechanischen Bodenbelastung<br />
in den Waldstandorten zu<br />
Nutzen. Ebenfalls danken wir Johann<br />
Kremer, Stephan Zimmermann und<br />
Pascal Niklaus, welche die umfangreichen<br />
Daten zu Bodenphysik und Klimagasen<br />
erhoben.<br />
5 Literaturverzeichnis<br />
CH 4<br />
anaerob<br />
geschädigt<br />
Block, R.; Van Rees, K.C.J.; Pennock, D.J.,<br />
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Kremer, J.; Frey, B.; Lüscher, P., 2009:<br />
Bodenstrukturveränderung oder Bodenschaden<br />
– wo liegt die Grenze? Ber. Freibg.<br />
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Lüscher, P.; Thees, O.; Frutig, F.; Sciacca,<br />
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Lüscher, P.; Sciacca, S.; Thees, O., 2008a:<br />
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Bodenschutzes in der Schweiz. LFW<br />
aktuell 67: 19–21.<br />
Lüscher, P.; Sciacca, S.; Halter, M., 2008b:<br />
Regeneration von Wurzelraumfunktionen<br />
nach mechanischer Belastung. LFW<br />
aktuell 67: 11–12.
Forum für Wissen 2013 69<br />
Lüscher, P.; Borer, F.; Blaser, P., 2009a:<br />
Langfristige Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit<br />
des Waldbodens durch mechanische<br />
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Lüscher; P.; Frutig, F.; Sciacca, S.; Spjevak,<br />
S.; Thees, O., 2009b: Physikalischer Bodenschutz<br />
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Meyer, C.; Lüscher, P.; Schulin, R., 2010:<br />
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Boden unter Fahrspuren durch<br />
Sanierungsmassnahmen. Bull. Bodenkd.<br />
Ges. Schweiz 31: 12–16.<br />
Meyer, C.; Lüscher, P.; Schulin, R., 2011a:<br />
Bodenverdichtung unter Fahrspuren –<br />
Strukturregeneration durch Bepflanzung<br />
mit Alnus glutinosa. Bull. Bodenkd. Ges.<br />
Schweiz 32: 15–19.<br />
Meyer, C.; Lüscher, P.; Schulin, R., 2011b:<br />
Bodenverdichtung unter Fahrspuren –<br />
Strukturregeneration durch Bepflanzung<br />
mit Alnus glutinosa. In: Böden verstehen<br />
– Böden nutzen – Böden fit machen.<br />
DBG Jahrestagung, Berlin 1–4.<br />
Meyer, C.; Lüscher, P.; Schulin, R., 2011c:<br />
Verdichteten Boden mit Schwarzerlen<br />
regenerieren? Wald Holz 10: 40 –43<br />
Oberholzer, H-R.; Scheid, S., 2007: Bodenmikrobiologische<br />
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Pace, N.R., 2009: Mapping the tree of life:<br />
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aus Sicht der Bodenbiologie.<br />
Bodenschutz 2: 52–58.<br />
Abstract<br />
Biodiversity of forest soil – impact of logging machinery on microbial communities<br />
The use of heavy logging machinery in Swiss forests often leads to the formation<br />
of ruts in which the soil suffers profound and long-lasting damage. The central<br />
question is: what degree of structural change in the soil should be regarded as soil<br />
damage? In two separate trafficking experiments, wheel tracks of different severities<br />
were created to explore the functional relationships between the physical<br />
properties of the soil (compaction), and the way these influence vital soil functions,<br />
greenhouse gas production and microbial diversity.<br />
Compaction was found to alter soil porosity and thus strongly limit air and water<br />
conductivity, leading to increased trace gas emissions (methane, nitrous oxide)<br />
from the compacted forest soils. Compaction persistently altered the structure of<br />
the microbiome and organisms capable of anaerobic respiration, such as methanogens<br />
and sulphate reducers, were significantly associated with compacted soils. Soil<br />
compaction also detrimentally affected ectomycorrhizas, whereas saprobic and<br />
parasitic fungi increased proportionally with compaction. These fungi can therefore<br />
be used as indicators in evaluating the degree of structural damage to the forest<br />
soil after heavy machines have moved over it.<br />
Keywords: forest soil compaction, soil physical characteristics, microbial diversity,<br />
pyrosequencing, greenhouse gas fluxes, soil functions
Forum für Wissen 2013: 71–81 71<br />
Bodenbiologie im Referenzmessnetz der Nationalen<br />
Bodenbeobachtung NABO<br />
Anna-Sofia Hug 1 , Andreas Gubler 1 , Franco Widmer 2 , Beat Frey 3 , Hansruedi Oberholzer 4 , Peter Schwab 1 und Reto Meuli 1<br />
1<br />
Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Nationale Bodenbeobachtung, Reckenholzstrasse 191, CH-8046 Zürich,<br />
anna.hug@agroscope.admin.ch<br />
2<br />
Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Molekulare Ökologie, Reckenholzstrasse 191, CH-8046 Zürich<br />
3<br />
<strong>WSL</strong> Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Rhizosphären Prozesse, Zürcherstrasse 111,<br />
CH-8903 Birmensdorf<br />
4<br />
Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Bodenfruchtbarkeit /Bodenschutz<br />
Viele für den Menschen wichtige Bodenfunktionen, wie der Abbau von organischem<br />
Material, die Stickstofffixierung oder die Grundwasserfilterung sind unter<br />
anderem abhängig von den im Boden lebenden Organismen. Bodenlebewesen<br />
reagieren sehr sensibel auf Veränderungen ihres Lebensraumes. Um frühzeitig<br />
Hinweise auf schädliche Veränderungen im System Boden zu erhalten ist es für<br />
die Nationale Bodenbeobachtung NABO von grossem Interesse, bodenbiologische<br />
Parameter routinemässig in ihr Messprogramm aufzunehmen. Basierend auf<br />
den Erkenntnissen von bereits durchgeführten bodenbiologischen Untersuchungen<br />
der NABO und internationalen Richtlinien, wurde im Frühjahr 2012 damit<br />
begonnen, an 30 Standorten des NABO-Referenzmessnetzes die bodenmikrobiologischen<br />
Parameter mikrobielle Biomasse (bestimmt mit den Methoden<br />
Fumigation-Extraktion und Substratinduzierte Respiration), Basalatmung und<br />
DNS-Menge zu messen. Diese klassischen mikrobiologischen Bestimmungsmethoden<br />
werden dabei von der sich rasch entwickelnden molekulargenetischen<br />
Analytik ergänzt. Diese auf der DNS basierenden Methoden eröffnen neue Möglichkeiten<br />
in der Erforschung der Diversität von Bodenorganismen und deren<br />
Funktionen und weisen für die Bodendauerbeobachtung grosses Potential auf.<br />
Dieser Beitrag stellt das Messkonzept sowie erste Resultate der Beprobung vom<br />
Frühjahr 2012 vor.<br />
1 Einleitung<br />
Seit 1984 betreiben die Bundesämter<br />
für Umwelt (BAFU) und Landwirtschaft<br />
(BLW) gemeinsam das Nationale<br />
Bodenbeobachtungsprogramm<br />
(NABO). Dieses basiert auf dem<br />
Umweltschutzgesetz (USG 1983) und<br />
der damals noch geltenden Verordnung<br />
über Schadstoffe im Boden (VSBo<br />
1986). Zurzeit wird im landesweiten<br />
NABO-Referenzmessnetz die Belastung<br />
des Bodens mit anorganischen<br />
und organischen Schadstoffen an über<br />
100 Standorten in fünfjährigen Beprobungszyklen<br />
überwacht. Mit der Ablösung<br />
der VSBo (1986) durch die Verordnung<br />
über Belastungen des Bodens<br />
(VBBo 1998), die neu neben chemischen<br />
auch physikalische und biologische<br />
Bodenbelastungen berücksichtigt,<br />
wurde der gesetzliche Auftrag für das<br />
Bodenmonitoring ausgeweitet. Neben<br />
den gesetzlichen Vorgaben haben sich<br />
in den vergangenen 25 Jahren auch der<br />
ökologische, wirtschaftliche und politische<br />
Rahmen der Umweltbeobachtung<br />
geändert. So wird auch die Bodenbeobachtung<br />
mit neuen Fragestellungen<br />
konfrontiert und neue Themenfelder<br />
wie Biodiversität, Klimawandel oder<br />
Landnutzungsänderungen sind in den<br />
Vordergrund getreten. Um das Messnetz<br />
den neuen Rahmenbedingungen<br />
anzupassen, hat sich die NABO zum<br />
Ziel gesetzt, bodenbiologische Messgrössen<br />
als Routineparameter in ihr<br />
Messprogramm aufzunehmen.<br />
1.1 Bedeutung der Boden<br />
lebewesen<br />
Oberstes Ziel der VBBo ist der langfristige<br />
Erhalt der Bodenfruchtbarkeit<br />
(VBBo 1998). Die Bodenfruchtbarkeit<br />
kann mit der Fähigkeit des<br />
Bodens umschrieben werden, mit der<br />
er durch seine physikalischen, chemischen<br />
und biologischen Eigenschaften<br />
in der Lage ist, verschiedenste Funktionen<br />
wie etwa die Produktions-, Regulierungs-<br />
oder Lebensraumfunktion<br />
(«ecosystem services») zu erfüllen. Das<br />
Ökosystem Boden liefert somit in verschiedensten<br />
Bereichen die Grundlage<br />
für das Fortbestehen der Menschheit,<br />
wobei die Bodenorganismen mit<br />
ihren vielfältigen Funktionen (Abbau<br />
von organischen Material, Stickstofffixierung,<br />
Grundwasserfilterung, Bioremediation<br />
usw.) einen entscheidenden<br />
Beitrag dazu leisten. Der Wert<br />
der «ecosystem services», der weltweit<br />
durch Bodenlebewesen bereitgestellt<br />
wird, wird auf rund 1,542 Milliarden<br />
US$ pro Jahr geschätzt (FAO 2012).<br />
Das Bundes-Bodenschutzgesetz<br />
Deutschlands etwa verlangt explizit die<br />
nachhaltige Sicherung der natürlichen<br />
Funktionen des Bodens (BBodSchG<br />
1998). Auch die Schweizer Bodenpolitik<br />
des BAFU basiert auf den lebenswichtigen<br />
Bodenfunktionen (BAFU<br />
2011).<br />
1.2 Bodenbiologische Parameter<br />
in der NABO<br />
Wie zahlreiche Studien belegen, reagieren<br />
Bodenlebewesen sensibel auf<br />
Veränderungen ihres Lebensraumes<br />
(Hartmann et al. 2006; Frey et al. 2006;<br />
Frey et al. 2009; Dequiedt et al. 2011;<br />
Frey et al. 2011; Thomsen et al. 2012).<br />
Aus diesem Grund können bodenbiologische<br />
Parameter als Indikatoren<br />
genutzt werden, um Veränderungen<br />
des Systems Boden frühzeitig zu<br />
erkennen. Um die Messergebnisse<br />
an NABO-Standorten umfassend zu<br />
interpretieren, sind Kenntnisse über
72 Forum für Wissen 2013<br />
biologische Bodeneigenschaften für<br />
die NABO unabdingbar. Für die Standorte<br />
des NABO-Referenzmessnetzes<br />
sind Standorteigenschaften (Textur,<br />
Gehalt organischer Kohlenstoff, pH<br />
oder Landnutzung) sowie die stoffliche<br />
Belastung mit Schwermetallen und<br />
organischen Schadstoffen (PAK und<br />
PCB) bekannt. Darüber hinaus werden<br />
im Rahmen des indirekten Monitorings<br />
(NABO-Flux) an ausgewählten<br />
NABO-Standorten die Stoffflüsse (P<br />
und N) anhand der Bewirtschaftungsangaben<br />
der Landwirte erfasst (Keller<br />
et al. 2005; Della Peruta et al. 2013).<br />
Diese Daten können wiederum für<br />
die Interpretation der Messergebnisse<br />
von bodenbiologischen Untersuchungen<br />
verwendet werden – und umgekehrt.<br />
Bisherige Untersuchungen<br />
Im Rahmen des Projektes «Langzeitbeobachtung<br />
von physikalischen und<br />
biologischen Bodeneigenschaften»<br />
(LAZBO) wurde während sechs Jahren<br />
die Eignung ausgewählter Parameter<br />
für die Langzeitbeobachtung physikalischer<br />
und biologischer Eigenschaften<br />
von Böden beurteilt (Schwab et al.<br />
2006). Zudem wurde in den Jahren<br />
2004/2005 von Oberholzer et al. (2007)<br />
an 59 NABO-Standorten eine einmalige<br />
Zustandserhebung bodenmikrobiologischer<br />
Kennwerte vorgenommen.<br />
Im Rahmen dieser Projekte wurden<br />
bodenmikrobiologische Parameter wie<br />
die mikrobielle Biomasse, bestimmt<br />
mit den Methoden «Substratinduzierte<br />
Respiration» (SIR) und «Chloroform-<br />
Fumigations-Extraktion» (FE), die<br />
Basalatmung sowie N-Mineralisierung<br />
im aeroben Brutversuch gemessen.<br />
Diese Parameterauswahl basierte auf<br />
den Empfehlungen der Arbeitsgruppe<br />
«Vollzug Bodenbiologie» (VBB)<br />
der Schweiz (VBB, BSA 2009). In der<br />
Zustandserhebung von 2004/2005 wurden<br />
zudem bestehende Referenzwertmodelle<br />
zur Beurteilung der mikrobiellen<br />
Biomasse (SIR) für Acker- und<br />
Graslandstandorte überprüft (Oberholzer<br />
et al. 2007).<br />
1<br />
Environmental Assessment of Soil for<br />
Monitoring<br />
2<br />
Ecological Function and Biodiversity<br />
Indicators in European Soils<br />
Neue Messmethoden für die<br />
Boden biologie<br />
Neben diesen klassischen Bestimmungsmethoden<br />
für bodenmikrobiologische<br />
Eigenschaften eröffnet der<br />
Fortschritt in der molekulargenetischen<br />
Analytik neue Möglichkeiten<br />
in der Erforschung der Diversität von<br />
Bodenorganismen und deren Funktionen.<br />
Anhand von DNS-Extrakten aus<br />
Bodenproben kann einerseits die Erbsubstanz<br />
der Organismen im Boden<br />
quantifiziert werden. Die DNS-Menge<br />
wird in der Literatur auch als Biomassenindikator<br />
diskutiert (Hartmann<br />
et al. 2005; Dequiedt et al. 2011).<br />
Andererseits ermöglicht die molekulargenetische<br />
Analytik auch qualitative<br />
Aussagen über die Zusammensetzung<br />
bzw. die Diversität von mikrobiellen<br />
Lebensgemeinschaften. Dazu<br />
werden bestimmte mikrobielle Markergene<br />
aus den DNS-Extrakten isoliert<br />
und eine grosse Anzahl von DNS-<br />
Sequenzen (bis zu Millionen mittels<br />
«massive parallel sequencing») dieser<br />
Markergene ermittelt und miteinander<br />
verglichen. Von der Diversität dieser<br />
Markergene lassen sich dann Rückschlüsse<br />
auf die Diversität der Mikroorganismen<br />
ziehen. Dies im Gegensatz<br />
zur mikrobiellen Biomasse, bestimmt<br />
mit den Methoden FE oder SIR, die<br />
Aussagen über die Quantität der Biomasse,<br />
nicht jedoch über deren Zusammensetzung<br />
zulassen.<br />
Einige Länder wenden molekularbiologische<br />
Methoden bereits in der<br />
Bodendauerbeobachtung an. Frankreich<br />
hat im Rahmen seines Dauerbeobachtungsprogrammes<br />
(Réseau<br />
de Mesures de la Qualité des Sols)<br />
die DNS aus Bodenproben von allen<br />
2150 Standorten des Messnetzes extrahiert,<br />
quantifiziert und das Resultat<br />
kartographisch dargestellt (Dequiedt<br />
et al. 2011). Im Rahmen des «Countryside<br />
Survey» wurde in England an<br />
1000 Standorten die Zusammensetzung<br />
der Bodenbakterien mit molekularbiologischen<br />
Methoden bestimmt<br />
(Fingerprint Methode mittels t-RFLP)<br />
und deren biogeographische Verteilung<br />
kartographisch erfasst (Griffiths<br />
et al. 2011). Die Niederlande untersuchen<br />
im Rahmen ihres Dutch Soil Quality<br />
Network (DSQN) die mikrobielle<br />
Diversität und wenden im Rahmen des<br />
Projekts BISQ (Biological Indicator<br />
of Soil Quality) Methoden der gene-<br />
tischen Diagnostik an (Rutgers et al.<br />
2009). Auch die europäische ENVAS-<br />
SO 1 -Initiative empfiehlt mikrobielle<br />
Parameter in ein Bodendauerbeobachtungsprogramm<br />
zu implementieren,<br />
die Aussagen über die genetische und<br />
funktionelle Diversität von Bakterien<br />
und Pilzen zulassen (Kibblewhite et al.<br />
2008). Im EU-Projekt EcoFINDERS 2<br />
wird der molekularen Technik bei der<br />
Untersuchung von Organismen in der<br />
Bodendauerbeobachtung ebenfalls<br />
gros se Bedeutung beigemessen (Faber<br />
et al. 2013). Im Ausblick wird das Potential<br />
der molekulargenetischen Analytik<br />
für die Bodendauerbeobachtung noch<br />
ausführlicher diskutiert (Kap. 4.4).<br />
1.3 Das Projekt NABObio12_13<br />
Im Rahmen des Projektes NABObio12_13<br />
sollen in den Jahren 2012<br />
und 2013 an 30 NABO-Referenzmessstandorten<br />
Aussagen über den Zustand<br />
bodenbiologischer Eigenschaften gemacht<br />
und die erforderlichen methodischen<br />
Kriterien für eine Dauerbeobachtung<br />
festgelegt werden. Aufgrund<br />
der Resultate der Erhebungen<br />
2012 und 2013 werden (1) Zusammenhänge<br />
zwischen biologischen Eigenschaften<br />
und weiteren Bodeneigenschaften,<br />
Standorteigenschaften (z.B.<br />
Klima, Niederschlag) sowie Bewirtschaftungstypen<br />
(Düngungsregime)<br />
ausgewertet, (2) die Qualitätskriterien<br />
für eine Dauerbeobachtung (Standortpräzision,<br />
Standortwiederholpräzision,<br />
Referenzierung) quantifiziert und (3)<br />
Zusammenhänge zwischen den klassischen<br />
(FE, SIR) und molekularbiologischen<br />
Methoden (DNS-Extraktion und<br />
-Quantifizierung) zur Bestimmung der<br />
mikrobiellen Biomasse untersucht. Mit<br />
NABObio12_13 soll die Basis für den<br />
Start einer Zeitreihe von bodenbiologischen<br />
Parametern in der NABO gelegt<br />
werden (vgl. auch Kap. 4.4).<br />
Das Projekt wird in Zusammenarbeit<br />
mit Franco Widmer (Gruppe Molekulare<br />
Ökologie) und H.R. Oberholzer<br />
(Gruppe Bodenfruchtbarkeit / Bodenschutz)<br />
der Agroscope Reckenholz-<br />
Tänikon ART und B. Frey (Gruppe<br />
Rhizos phären Prozesse) der Eidg. Forschungsanstalt<br />
für Wald, Schnee und<br />
Landschaft <strong>WSL</strong> durchgeführt.
Forum für Wissen 2013 73<br />
2 Methoden<br />
2.1 Standortauswahl<br />
Die Untersuchungen erfolgen an zehn<br />
Ackerbau-, zehn Grasland- und zehn<br />
Waldstandorten des NABO-Referenzmessnetzes<br />
(vgl. Abb. 1). Die Ackerbau-<br />
und Graslandstandorte lassen<br />
sich in intensiv und extensiv genutzte<br />
Standorte unterteilen. Bei der Auswahl<br />
der Waldstandorte werden die<br />
Waldtypen Laub-, Misch- und Nadelwald<br />
unterschieden (vgl. Tab. 1). Um<br />
für die Interpretation der Ergebnisse<br />
eine möglichst gute Datenlage zu<br />
haben, wurde bei der Auswahl der<br />
Ackerbau- und Graslandstandorte darauf<br />
geachtet, dass diese wenn möglich<br />
auch Bestandteil des NABO-Flux-Programms<br />
sind. Alle ausgewählten Waldstandorte<br />
sind auch Teil des Nitrate-<br />
Leaching-Projekts 3 .<br />
2.2 Probenahme<br />
Die Probenahme, -aufbereitung und<br />
-lagerung erfolgt gemäss den Referenzmethoden<br />
der Eidg. Landw. Forschungsanstalten<br />
(FAL, FAW, RAC,<br />
1998). Um die Bedingungen den<br />
Anforderungen des Projektes NABObio12_13<br />
anzupassen, wurden dabei<br />
folgende Punkte modifiziert:<br />
– Um die Dauerbeobachtungsflächen<br />
der NABO-Referenzmessstandorte<br />
vor zu intensiver Störung zu schützen,<br />
werden die Proben für bodenbiologische<br />
Untersuchungen auf einer Fläche<br />
entnommen, die direkt angrenzend an<br />
der regulären NABO-Referenzmessfläche<br />
liegt. Die Fläche beträgt ebenfalls<br />
10 × 10 m (vgl. Abb. 2).<br />
– Stichprobenzahl: 3 Mischproben<br />
aus 25 Einstichen pro Standort (mit<br />
Hohlmeisselbohrer, 2,5 cm ø). Dieses<br />
Vorgehen lehnt sich an internationale<br />
Untersuchungen an, die mindestens<br />
15 Einstiche für eine Mischprobe<br />
empfehlen (Lischer et al. 2001,<br />
Wagner et al. 2001). Bei der Ersterhebung<br />
im Frühjahr 2012 (und jedes<br />
dritte darauffolgende Jahr) wird pro<br />
Standort eine vierte Mischprobe<br />
jeweils aus dem 4. Qua-dranten als<br />
Referenzprobenmaterial genommen<br />
(in Abb. 2 rot markiert).<br />
– Beprobungstiefen: 0 bis 20 cm für<br />
Grasland-, Ackerland- und Waldstandorte<br />
– Wenn möglich sollen die Proben zu<br />
folgendem Zeitpunkt entnommen<br />
werden (vgl. Schwab et al. 2006):<br />
– im Frühjahr nachdem die Böden<br />
aufgetaut und nicht mehr wassergesättigt<br />
sind<br />
– vor Beginn der Bodenerwärmung<br />
(je nach Höhenlage unterschiedlich)<br />
– vor Vegetationsbeginn und der<br />
ersten N-Düngung<br />
– vor einer Bodenbearbeitung oder<br />
Weidegang<br />
– Zur Bestimmung des Raumgewichts<br />
der Feinerde sowie des Wassergehaltes<br />
wird mit der Humax-Schlagsonde<br />
(4,8 cm ø) in den Ecken der Fläche<br />
jeweils im 4. Quadranten eine Volumenprobe<br />
(Zylinderproben, 0 bis<br />
20 cm) entnommen.<br />
Abb. 1. Ausgewählte NABO-Referenzmessstandorte für das Projekt NABObio12_13 (als Rhomben dargestellt).<br />
3<br />
Im Rahmen des Projektes «Nitrate Leaching under changed climate conditions and forest management» interessiert die Frage, wie sich<br />
der Stickstoffsättigungsgrad der LWF-Flächen (Langfristige Waldökosystemforschung) aufgrund der erhöhten Stickstoffeinträge<br />
verändert hat (Waldner et al. 2010).
74 Forum für Wissen 2013<br />
Tab. 1. Bodeneigenschaften und Nutzung der beprobten NABO-Referenzmessstandorte. a CaCO3 = Kalk; b C org = Organischer Kohlenstoff;<br />
c<br />
RG FE = Raumgewicht Feinerde, zusammen mit dem Skelettgehalt in der NABO-Fünfterhebung bestimmt (Gubler et al. in Vorbereitung);<br />
n.b. = nicht bestimmt.<br />
Nutzung NABO-Standort m ü. M. Nutzung:<br />
Intensiv /<br />
Extensiv<br />
Ackerbau<br />
Grasland<br />
Laubwald<br />
Mischwald<br />
Nadelwald<br />
Bodentyp<br />
(gemäss FAL)<br />
pH CaCO3 a<br />
(CaCl2) %<br />
Bodenkenngrössen 0–20 cm<br />
C org<br />
b<br />
%<br />
Ton<br />
%<br />
Schluff<br />
%<br />
RG FE c<br />
g/cm 3<br />
25 Schleitheim / Milten SH 545 I Braunerde 6,8 2,8 2,4 59 30 0,9 1.0<br />
46 Vallon FR 439 I Braunerde-Gley 6,8 10,2 2,8 43 46 1,1 0,0<br />
54 Zuzwil BE 557 I Braunerde 6,0 0,0 1,3 12 35 1,4 3,4<br />
95 Coldrerio TI 336 I Braunerde 5,8 0,0 1,7 21 38 1,2 4,9<br />
102 Vouvry VS 379 I Fluvisol 6,5 8,5 1,3 6 60 1,1 0,6<br />
28 Leuggern / Etzwil AG 465 E Braunerde-Pseudogley 5,3 0,1 1,8 14 34 1,2 3,1<br />
63 Oensingen SO 450 E Braunerde-Pseudogley 5,4 0,0 2,0 36 45 1,1 0,0<br />
68 Etoy VD 435 E Braunerde 5,3 0,0 1,4 19 45 1,3 2,0<br />
77 Paspels GR 830 E Phäozem 6,1 0,0 2,6 18 51 1,0 4,8<br />
87 Klarsreuti TG 559 E Braunerde 5,2 0,0 1,7 24 44 1,1 3,7<br />
1 Aadorf / Tänikon TG 537 I Braunerde 6,2 0,9 3,9 35 34 1,0 2,6<br />
30 Ebikon / Dottenberg LU 635 I Saure Braunerde 5,0 0,1 2,8 20 33 1,0 2,3<br />
33 Mollis GL 431 I Fahlgley 5,9 0,0 3,8 33 55 0,8 0,2<br />
35 Le Cerneux-Péquignot NE 1093 I Braunerde 5,6 0,0 3,5 28 49 1,0 0,0<br />
69 Attalens / Rombuet FR 818 I Braunerde 5,8 0,0 3,3 26 37 0,9 5,9<br />
6 Grindelwald / Itramen BE 1915 E Braunpodsol 3,9 0,0 6,5 25 50 0,7 0,0<br />
37 Ependes FR 735 E Braunerde 5,9 0,0 2,7 19 35 1,1 1,7<br />
41 Kyburg-Buchegg SO 464 E Braunerde-Gley 4,9 0,0 2,4 24 34 1,1 0,0<br />
49 Unterschächen UR 1100 E Braunerde 4,6 0,0 5,7 33 27 0,8 4,1<br />
70 Disentis GR 1105 E Braunerde 5,5 0,0 3,6 13 37 0,9 11,3<br />
8 Rothenfluh BL 695 Rendzina 6,6 2,0 4,9 14 72 0,6 5,1<br />
27 Jussy / Les Grands Bois GE 505 Pseudogley 4,4 0,0 2,7 24 51 1,0 1,0<br />
62 Bettlach / Bettlachstock SO 1065 Braunerde 5,4 0,2 3,7 31 52 0,8 0,0<br />
92 Novaggio / Cima Pianca TI 1080 Humus-Eisenpodsol 3,9 0,0 11,7 n.b. n.b. 0,4 8,7<br />
7 Oberstammheim ZH 581 Braunderde 5,1 0,0 2,9 28 35 0,9 4,0<br />
18 Langenthal / Riedhof BE 525 Parabraunerde 3,7 0,0 4,1 19 52 0,9 0,0<br />
45 Alpthal / Erlentobel SZ 1180 Fahlgley 5,8 0,0 13,1 n.b. n.b. 0,2 0,0<br />
47 Davos / Seehornwald GR 1655 Humus-Eisenpodsol 3,3 0,0 18,6 n.b. n.b. 0,3 5,0<br />
73 Alvaneu GR 1560 Regosol 4,9 0,0 5,0 21 22 0,7 11,2<br />
99 Visp / Albulawald VS 830 Braunerde 5,5 0,0 5,1 12 45 0,6 3,7<br />
Skelett<br />
Vol.%<br />
Abb. 2. Schema für Probenahme der Flächenmischproben<br />
für NABObio12_13. Die<br />
Proben aus den Quadranten 1 bis 3 ergeben<br />
die Mischproben. Das Probenmaterial aus<br />
den 4. Quadranten wird als Referenzprobenmaterial<br />
verwendet.<br />
2.3 Messgrössen<br />
Basierend auf den Erkenntnissen<br />
des LAZBO-Projekts (Schwab et al.<br />
2006) und der Zustandsuntersuchung<br />
2004/2005 (Oberholzer et al. 2007)<br />
werden klassische mikrobielle Parameter<br />
wie die mikrobielle Biomasse<br />
(SIR und FE) und die Basalatmung<br />
bestimmt (vgl. Tab. 2). Ergänzt werden<br />
diese mit Methoden der molekulargenetischen<br />
Analytik (DNS-Menge).<br />
Weiter werden wichtige Parameter wie<br />
der pH-Wert, das CN-Verhältnis usw.<br />
gemessen (vgl. Tab. 2).<br />
Raumgewicht Feinerde<br />
Das Raumgewicht Feinerde entspricht<br />
der Masse der Feinerde (Fraktion ≤<br />
2 mm) bezogen auf das Bodenvolumen<br />
(kg TS dm –3 ). Das Raumgewicht Feinerde<br />
ist einerseits abhängig von den<br />
Standorteigenschaften (Anteil organische<br />
Substanz, Körnung, Textur, Verdichtung,<br />
usw.), andererseits variiert<br />
es über die Zeit in Abhängigkeit der<br />
Bodenfeuchtigkeit (Quellungs- und<br />
Schrumpfungsprozesse). Zudem können<br />
die gemessenen (gewichtsbezogenen)<br />
Werte der mikrobiellen Biomasse<br />
(SIR und FE), der Basalatmung und<br />
der DNS-Menge durch Multiplikation<br />
mit dem Raumgewicht Feinerde<br />
auf das Bodenvolumen (dm 3 ) bezogen<br />
werden. Die Bestimmung des Raumgewichts<br />
Feinerde verbessert die Vergleichbarkeit<br />
zwischen den verschiedenen<br />
Erhebungen und Standorten. Zum<br />
Beispiel weisen insbesondere Böden
Forum für Wissen 2013 75<br />
mit viel organischer Substanz durch<br />
ihr tiefes Raumgewicht Feinerde oft<br />
sehr hohe gewichtsbezogene Werte auf.<br />
Bezogen auf das Bodenvolumen relativieren<br />
sich die hohen Werte jedoch<br />
(vgl. auch das Beispiel im Kap. 3.3).<br />
Zusammen mit der Information des<br />
Skelettgehalts ermöglicht das Raumgewicht<br />
Feinerde zudem eine ökologische<br />
Betrachtungsweise der Messergebnisse<br />
(vgl. Tab. 1). So kann beispielsweise ein<br />
hohes Raumgewicht Feinerde Hinweise<br />
auf anaerobe Verhältnisse geben.<br />
Das Raumgewicht Feinerde wird im<br />
Referenzmessnetz der NABO seit 2003<br />
routinemässig bestimmt.<br />
2.4 Referenzierung der Messwerte<br />
Für die Dauerbeobachtung ist die bestmögliche<br />
Eliminierung von methodischen<br />
Fehlern zwischen den Bestimmungen<br />
von Bodeneigenschaften verschiedener<br />
zeitlicher Erhebungen eine<br />
zentrale Voraussetzung. Dies wird mit<br />
einer Referenzierung der gemessenen<br />
Werte durch zeitgleich gemessene<br />
Bodenproben aus früheren Erhebungen<br />
(=Referenzmaterial) angestrebt.<br />
In diesem Projekt wird eine<br />
standortbezogene Referenzierung der<br />
Biomasse(SIR und FE)- und Basalatmungs-Werte<br />
vorgenommen. Die Korrektur<br />
der Messwerte erfolgt für jeden<br />
Standort aufgrund der mittleren Messabweichung<br />
zur Ersterhebung der tiefgekühlt<br />
gelagerten Referenzproben<br />
(–20 °C). Pro Standort und Jahr ergibt<br />
dies einen spezifischen Korrekturwert.<br />
Die Messwerte werden absolut referenziert,<br />
das heisst der Korrekturwert<br />
wird dem gemessenen Wert addiert<br />
bzw. subtrahiert (Ammann 2010; Oberholzer<br />
und Weisskopf 2010).<br />
3 Erste Ergebnisse und<br />
Diskussion<br />
Die folgenden Ergebnisse stammen<br />
von Messungen der Proben aus dem<br />
Frühjahr 2012. Aussagen über eine<br />
mögliche Entwicklung der Messgrössen<br />
über die Zeit werden erst möglich,<br />
wenn die Resultate der Erhebung<br />
vom Frühjahr 2013 vorhanden sind.<br />
Über die beschriebene Referenzierungsmethode<br />
können zu diesem Zeit-<br />
punkt ebenfalls noch keine Aussagen<br />
gemacht werden.<br />
3.1 Raumgewicht Feinerde<br />
Tab. 2. Im Projekt NABObio12_13 aufgenommene Parameter.<br />
Parameter Bezeichnung Einheit Methode<br />
Mikrobielle Biomasse 1 Biomasse (SIR) mg C mik kg –1 TS B-BM-HM<br />
Substratinduzierte Respiration<br />
mg C mik dm –3<br />
Mikrobielle Biomasse 1,3<br />
Chloroform-Fumigations-<br />
Extraktionsmethode<br />
Raumgewicht Feinerde (g cm −3 )<br />
2,0<br />
1,5<br />
1,0<br />
0,5<br />
0,0<br />
25<br />
46<br />
Ackerbau, intensiv<br />
Ackerbau, extensiv<br />
54<br />
95<br />
102<br />
28<br />
63<br />
68<br />
Biomasse (FE)<br />
77<br />
87<br />
1 30 33<br />
Von den 30 untersuchten Standorten<br />
weisen Ackerbaustandorte mit einem<br />
Mittelwert von 1,16 g cm –3 tendenziell<br />
höhere Werte für das Raumgewicht<br />
Feinerde auf als Grasland- und<br />
Waldstandorte (Mittelwert 0,94 bzw.<br />
0,69 g cm –3 , Abb. 3). Dies entspricht den<br />
Erwartungen, da Ackerbaustandorte<br />
weniger organische Substanz enthalten<br />
(Mittelwert Corg: Ackerbau: 1,9 %,<br />
Grasland: 3,8 %, Wald: 7,2 %, vgl. Tab.1)<br />
und mechanisch bearbeitet werden.<br />
Sehr geringe Werte zeigen die Standorte<br />
45, 47 und 92. Diese drei Standor-<br />
Grasland, intensiv<br />
Grasland, extensiv<br />
35 69 6<br />
mg C mik kg –1 TS<br />
mg C mik dm –3<br />
Abb. 3. Raumgewicht Feinerde (Mittelwert und Standardabweichung von jeweils vier Zylinderproben,<br />
4,8 cm ø, 0–20 cm) der 30 beprobten Standorte. Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte<br />
mit Standardabweichung (gestrichelt).<br />
37<br />
41<br />
49 70<br />
8<br />
27<br />
62<br />
B-BM-FE<br />
Basalatmung 1,3 mg C CO2 kg –1 TS h –1 B-BA-IS<br />
mg C CO2 l –1 h –1<br />
DNS-Menge 2,3 DNS-Menge mg DNS kg –1 TS PicoGreen<br />
mg DNS dm –3<br />
pH pH pH CaCl 2<br />
C/N-Verhältnis 4 C/N Trockenveraschung<br />
Raumgewicht Feinerde 4 RG FE g cm –3<br />
Wassergehalt Feinerde 4 WG FE g g –1 gravimetrisch<br />
Bodentemperatur (–5 cm/ B.temp. °C<br />
–15cm) 4<br />
Lufttemperatur 4 L.temp °C<br />
1<br />
Messungen durch H.R. Oberholzer, Agroscope (Ackerbau- und Graslandstandorte)<br />
2<br />
Messungen durch F. Widmer, Agroscope (Ackerbau- und Graslandstandorte)<br />
3<br />
Messungen durch B. Frey, <strong>WSL</strong> (Waldstandorte)<br />
4<br />
Messungen durch NABO, Agroscope (Ackerbau-, Grasland-, Waldstandorte)<br />
92<br />
Laubwald<br />
Mischwald<br />
Nadelwald<br />
7 18<br />
45 47 73<br />
99
76 Forum für Wissen 2013<br />
mg C milk<br />
kg –1 TS (Fumigation−Extraktion)<br />
mg C milk<br />
dm –3 (Fumigation−Extraktion)<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
25<br />
46<br />
54<br />
Ackerbau, intensiv<br />
Ackerbau, extensiv<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
25<br />
95 10228<br />
63 68<br />
7787<br />
46<br />
63<br />
95102 68<br />
54 28<br />
Ackerbau, intensiv<br />
Ackerbau, extensiv<br />
1<br />
30<br />
33<br />
35 69 6<br />
Grasland, intensiv<br />
Grasland, extensiv<br />
Grasland, intensiv<br />
Grasland, extensiv<br />
37 41<br />
4970<br />
8<br />
27<br />
62<br />
92<br />
7<br />
Laubwald<br />
Mischwald<br />
Nadelwald<br />
Abb. 4. Gewichtsbezogene C mik -Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabweichung<br />
der 3 Mischproben, Messwerte bestehen aus zwei Messwiederholungen). Ausserhalb des<br />
gezeigten Wertebereichs: Standort 45: 7727 mg C mik kg –1 TS (Standardabweichung: 600 mg<br />
C mik kg –1 TS). Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt).<br />
77<br />
87<br />
1<br />
30<br />
33<br />
35 69 6<br />
37<br />
41<br />
49<br />
70<br />
8<br />
27<br />
62<br />
Laubwald<br />
Mischwald<br />
Nadelwald<br />
18<br />
92 7 18<br />
Abb. 5. Volumenbezogene C mik -Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabweichung<br />
der 3 Mischproben, Messwerte bestehen aus zwei Messwiederholungen). Horizontale Linien:<br />
Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt).<br />
Var. Koeff. innerhalb Standort<br />
50 %<br />
40 %<br />
30 %<br />
20 %<br />
10 %<br />
Raumgew. Feinerde<br />
50 %<br />
40 %<br />
30 %<br />
20 %<br />
10 %<br />
0 %<br />
0 %<br />
Acker Grasland Wald<br />
Acker Grasland Wald<br />
Abb. 6. Box-Plots der Variationskoeffizienten (Standardabweichung der Proben eines<br />
Standortes dividiert durch deren Mittelwert) für das Raumgewicht Feinerde und C mik -<br />
Gehalte bestimmt mit Fumigation-Extraktion (FE) nach Landnutzung.<br />
45<br />
47<br />
47<br />
73<br />
73<br />
C mik<br />
(FE)<br />
volumenbezogen<br />
99<br />
99<br />
te enthalten mehr als 10 Prozent Corg.<br />
Waldstandorte sind innerhalb ihrer<br />
Nutzungsgruppe heterogener als die<br />
übrigen Standorte und weisen Werte<br />
zwischen 0,24 g cm –3 (Standort 45) und<br />
1,11 g cm –3 (Standort 27) auf (vgl. auch<br />
Abb. 6).<br />
3.2 Mikrobielle Biomasse<br />
(Fumigation-Extraktion)<br />
Exemplarisch für die untersuchten<br />
bodenbiologischen Messgrössen werden<br />
hier die Gehalte für den mikrobiellen<br />
Kohlenstoff (C mik -Gehalte)<br />
gezeigt und besprochen. Diese wurden<br />
mit der Fumigation-Extraktionsmethode<br />
bestimmt. In Abbildung 4 sind die<br />
Gehalte auf die Trockensubstanz der<br />
Feinderde bezogen dargestellt (mg C mik<br />
kg –1 TS). In Abbildung 5 werden diese<br />
auf das Bodenvolumen beziehungsweise<br />
Raumgewicht Feinerde bezogen<br />
(mg C mik dm –3 ).<br />
Ackerbaustandorte weisen mit einem<br />
Mittelwert von 790 mg C mik dm –3 tiefere<br />
C mik -Gehalte auf als Grasland- und<br />
Waldstandorte (1500 bzw. 1520 mg C mik<br />
dm –3 , Abb. 5). Die Wertebereiche überlappen<br />
sich jedoch und die Streuung<br />
innerhalb der Gruppen (insbesondere<br />
bei Waldstandorten, vgl. auch Abb. 6)<br />
ist gross. Auch in anderen Bodendauerbeobachtungsprogrammen,<br />
die bereits<br />
bodenbiologische Parameter aufnehmen,<br />
konnte ein Einfluss der Nutzungsgruppe<br />
(Ackerbau, Grasland oder<br />
Wald) auf die mikrobielle Biomasse<br />
nachgewiesen werden (Rutgers et al.<br />
2009; Griffiths et al. 2011; Dequiedt<br />
et al. 2011).<br />
Die Nutzungsintensität der Grasland-<br />
und Ackerbaustandorte (intensiv<br />
oder extensiv) hat keinen Einfluss<br />
auf die C mik -Gehalte. Beispielsweise<br />
werden die Graslandstandorte 1 und<br />
33 intensiv genutzt und weisen bezogen<br />
auf ihr Volumen die grössten C mik -<br />
Gehalte auf. Die Graslandstandorte<br />
49 und 6 wiederum werden extensiv<br />
genutzt und weisen dennoch sowohl<br />
innerhalb der Grasland- als auch verglichen<br />
mit den Ackerbaustandorten<br />
die zweithöchsten Gehalte auf. Bei den<br />
Ackerbaustandorten wird der Standort<br />
25 intensiv genutzt, im Gegensatz<br />
zum Standort 77, der extensiv genutzt<br />
wird. Beide Standorte weisen ähnlich<br />
hohe C mik -Gehalte auf (Abb. 5). Dies
Forum für Wissen 2013 77<br />
deckt sich nicht mit Ergebnissen des<br />
DOK 4 -Versuchs in Therwil oder anderer<br />
Studien, wo eine eindeutige Abhängigkeit<br />
der Biomasseparameter vom<br />
Bewirtschaftungssystem festgestellt<br />
wurde (Widmer et al. 2006; Peacock<br />
et al. 2001). Laubwaldstandorte zeigen<br />
mit einem Mittelwert von 2166 mg C mik<br />
dm –3 tendenziell höhere C mik -Gehalte<br />
als Misch- (Mittelwert: 951 mg C mik<br />
dm –3 ) und Nadelwälder (Mittelwert:<br />
1154 mg C mik dm –3 ). Geringere mikrobielle<br />
Biomassen in Nadelwäldern haben<br />
auch Dequiedt et al. (2011) in Untersuchungen<br />
innerhalb des französischen<br />
Bodendauerbeobachtungsprogrammes<br />
gefunden.<br />
3.3 Heterogenität der Wald <br />
standorte<br />
Der Vergleich der Variationskoeffizienten<br />
pro Standort (Standardabweichung<br />
des Standortes / Mittelwert des<br />
Standortes) zeigt, dass Waldstandorte<br />
heterogener als die übrigen Standorte<br />
sind (vgl. Abb. 6). Die Variationskoeffizienten<br />
der Ackerbau- und Graslandstandorte<br />
liegen für das Raumgewicht<br />
Feinerde mehrheitlich unter 10 Prozent,<br />
während die Waldstandorte einen<br />
Variationskoeffizient zwischen 10 und<br />
20 Prozent zeigen. Waldstandorte weisen<br />
auch heterogenere C mik -Gehalte als<br />
die übrigen Standorte auf. Es scheint<br />
deshalb plausibel, dass die grösseren<br />
Streuungen bei den Waldstandorten<br />
durch die kleinräumigere Variabilität<br />
der Standorte (vgl. Variationskoeffizienten<br />
Raumgewicht Feinerde, Abb. 6)<br />
oder aber durch die Probenahme (bei<br />
Waldstandorten Probenahme über<br />
verschiedene Horizonte) bedingt sind.<br />
Beide Faktoren können zu heterogenem<br />
Probenmaterial führen.<br />
3.4 Vergleich gewichts- vs.<br />
volumenbezogene Werte<br />
Die gemessenen C mik -Gehalte wurden<br />
sowohl auf das Gewicht (Menge pro kg<br />
TS) als auch auf das Volumen (Menge<br />
pro dm –3 ) bezogen (vgl. Kap. 3.2). In<br />
4<br />
Vergleich von biologisch-dynamisch (D),<br />
organisch-biologisch (O) und konventionell<br />
(K) angebauten Ackerkulturen.<br />
Im Projekt NABObio12_13 weisen die<br />
DNS-Werte verglichen mit den C mik -<br />
Werten (FE und SIR) und Basalatmung<br />
eine grössere Streuung auf. Dies<br />
gilt vor allem für die Graslandstandorte<br />
1, 33 und 41 und die Laubwaldstandorte<br />
7, 27 und 42 (vgl. Abb. 8). Die<br />
DNS-Extraktion und -Quantifizierung<br />
wurde unmittelbar nach den Probenahmen<br />
durchgeführt, wobei die Zeit zwischen<br />
Probenahme und Fixierung im<br />
DNS-Extraktionspuffer auf 48 Stunden<br />
festgelegt wurde. Die Messungen<br />
mittels Fumigation-Extraktion sowie<br />
substratinduzierte Respiration wurden<br />
während mehrerer Wochen durchgeführt<br />
(gekühlte Lagerung der Proben<br />
bei 4°C). Ein Vergleich von zeitgleich<br />
gemessenen Werten (d. h. keine unterschiedliche<br />
Lagerungsdauer für verschiedene<br />
Methoden) der mikrobiellen<br />
Biomasse (bestimmt mit den Methodiesem<br />
Kapitel sollen die zwei Herangehensweisen<br />
verglichen werden.<br />
Bezogen auf das Gewicht weist der<br />
Waldstandort 45 im Vergleich zu den<br />
übrigen Standorten einen sehr hohen<br />
C mik -Gehalt von 7727 g C mik kg –1 TS auf<br />
(Abb. 4). Gleichzeitig hat dieser ein<br />
geringes Raumgewicht Feinerde von<br />
0,24 g cm –3 . Wird der C mik -Gehalt nun<br />
auf das Bodenvolumen bezogen, liegt<br />
dieser im Bereich der übrigen Waldstandorte<br />
(1855 mg C mik dm –3 ). Beim<br />
Waldstandort 27 befindet sich der<br />
gewichtsbezogene C mik -Gehalt innerhalb<br />
des Wertebereichs aller Waldstandorte.<br />
Der Standort hat ein hohes<br />
Raumgewicht Feinerde von 1,11 g<br />
cm –3 . Bezogen auf das Volumen weist<br />
der Standort 27 im Vergleich zu den<br />
anderen Standorten dann einen auffällig<br />
hohen C mik -Gehalt von 3477 mg C mik<br />
dm –3 auf. Diese Gegenüberstellung (mg<br />
C mik kg –1 TS vs. mg C mik dm –3 ) verdeutlicht<br />
den Einfluss der Bezugseinheit<br />
auf die Interpretation der Ergebnisse.<br />
So sind beispielsweise die Unterschiede<br />
zwischen den Nutzungsgruppen<br />
Ackerbau, Grasland und Wald bei den<br />
gewichtsbezogenen Werten ausgeprägter<br />
als bei den volumenbezogenen.<br />
Werden die C mik -Gehalte auf das Volumen<br />
bezogen, unterscheiden sich die<br />
Mittelwerte der Grasland- und Waldstandorte<br />
um 20 mg C mik dm –3 . Dies<br />
im Gegensatz zu den gewichtsbezogenen<br />
Gehalten, wo sich die Mittelwerte<br />
um 530 mg C mik kg –1 TS unterscheiden<br />
(Abb. 4 und 5).<br />
3.5 Vergleichbarkeit der<br />
verschiedenen Messmethoden<br />
Die für das Projekt NABObio12_13<br />
erhobenen Messgrössen (Biomasse<br />
(FE und SIR), Basalatmung und DNS-<br />
Menge) zeigen in der Verteilung der<br />
Messwerte alle ein ähnliches Muster.<br />
So weisen Ackerbaustandorte tendenziell<br />
tiefere Werte auf als Graslandund<br />
Waldstandorte. Grasland- und<br />
Waldstandorte lassen sich anhand der<br />
hier aufgenommenen Parameter nicht<br />
voneinander unterscheiden. Die Resultate<br />
der vier verwendeten Methoden<br />
zeigen relativ hohe Korrelationen (vgl.<br />
Abb. 7). Die geringste Korrelation<br />
besteht mit 0,67 zwischen der Basalatmung<br />
und der DNS-Menge, ansonsten<br />
werden Korrelationen von 0,7 oder<br />
höher gefunden. Ähnlich hohe Korrelationskoeffizienten<br />
wurden auch in der<br />
Zustandserhebung 04/05 von Oberholzer<br />
et al. (2007) beobachtet. Die<br />
festgestellten Korrelationen der Messwerte<br />
lassen den Schluss zu, dass die<br />
Messgrössen eine gewisse Redundanz<br />
aufweisen und deren Anzahl für das<br />
Messprogramm der NABO reduziert<br />
werden könnte (vgl. auch Kap. 4.4).<br />
4 Ausblick<br />
4.1 Weitere Auswertungen<br />
Nach Abschluss der zweiten Erhebung<br />
im Frühjahr 2013 sind weitere Auswertungen<br />
geplant, etwa um den Einfluss<br />
der Bodeneigenschaften oder der<br />
Bewirtschaftungsintensität auf die mikrobiellen<br />
Parameter genauer zu untersuchen.<br />
Vorhandene Nährstoffangaben<br />
(P und N) der Standorte aus dem<br />
NABO-Flux-Programm sollten dabei<br />
weitere aufschlussreiche Informationen<br />
liefern. Weiter können mit den von<br />
Oberholzer et al. (2007) entwickelten<br />
Referenzwertmodellen die zu erwartenden<br />
Werte für die Biomasse (SIR)<br />
der Ackerbaustandorte überprüft werden.<br />
4.2 Methodische Abklärungen
78 Forum für Wissen 2013<br />
500 1000 2000<br />
10 30 50 70<br />
C mik<br />
SIR<br />
33<br />
6 49<br />
69<br />
37 30 25<br />
77 35<br />
41 70<br />
8746<br />
63<br />
10295<br />
68<br />
28 54<br />
25<br />
6 87 33 35<br />
3746<br />
30<br />
41 49<br />
70 77<br />
95<br />
69<br />
63<br />
102<br />
68<br />
28 54<br />
49<br />
3330<br />
70 77 69<br />
102 35 25<br />
41 68 37<br />
6<br />
95 87<br />
63<br />
28 54<br />
46<br />
1<br />
500 1000 2000<br />
0,75 0,71<br />
10 30 50 70<br />
0,7<br />
C mik<br />
FE 0,76 0,7<br />
25<br />
8<br />
1<br />
7 1<br />
62<br />
87<br />
46 35 77 30 645<br />
33<br />
41 37 49<br />
95 70 69<br />
63<br />
102<br />
18<br />
47 73<br />
99 68<br />
54 28<br />
92<br />
49<br />
Basalatmung<br />
1<br />
62<br />
1<br />
8<br />
62<br />
1<br />
77 30 33<br />
8<br />
70 69<br />
3525<br />
7<br />
693033<br />
77<br />
70<br />
102<br />
102 35<br />
7 25<br />
68 41 37<br />
68<br />
87<br />
6<br />
41 37<br />
6<br />
95<br />
63<br />
45<br />
63<br />
95 87<br />
45<br />
54 28 18 46 73<br />
28 54<br />
18 73<br />
92 92<br />
46<br />
47<br />
47<br />
99<br />
99<br />
49<br />
0,67<br />
DNS−Menge<br />
400 800 1200<br />
0,4 0,8 1,2 1,6<br />
den FE und SIR), der Basalatmung und<br />
DNS-Menge könnte Hinweise geben,<br />
ob die Streuung analytisch bedingt ist<br />
oder ob diese durch die unterschiedliche<br />
Lagerungsdauer der Proben vor<br />
der Analyse hervorgerufen wird.<br />
Waldstandorte weisen eine grössere<br />
Streuung der C mik -Gehalte pro<br />
Standort auf als Ackerbau- und Graslandstandorte<br />
(vgl. Abb. 6). Von Interesse<br />
wäre, ob die Beprobung über<br />
verschiedene Horizonte (Auflage, Ah-<br />
Horizont, B-Horizont) verantwortlich<br />
für die Streuung der Messwerte<br />
pro Standort ist. Entscheidend könnte<br />
auch sein, dass das Material von Waldböden<br />
grundsätzlich (d. h. auch innerhalb<br />
der Horizonte) heterogener und<br />
deshalb für die Analytik messtechnisch<br />
schwieriger ist. Die kleinräumige Variabilität<br />
der Standorte könnte ebenfalls<br />
eine Rolle spielen, dürfte im Vergleich<br />
zu den vorherigen Punkten aber weniger<br />
wichtig sein. Die Variabilität sollte<br />
durch die Flächenmischproben grösstenteils<br />
ausgeglichen werden.<br />
Abb. 7. Streudiagramme und Korrelationskoeffizienten nach Spearman der mikrobiellen<br />
Biomasse (C mik -SIR und C mik -FE), Basalatmung und DNS-Menge. (Alle Werte sind volumenbezogene<br />
Gehalte. Nummer: Standortnummer; rot: Ackerbau, grün: Grasland, schwarz:<br />
Wald. C mik -SIR wurde für Waldstandorte nicht bestimmt.)<br />
DNS−Menge (mg dm –3 )<br />
400 800 1200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
2546 5495 102<br />
0<br />
Ackerbau, intensiv<br />
Ackerbau, extensiv<br />
28 63 68<br />
77<br />
87<br />
1<br />
3033<br />
35 69 6 37 41<br />
Grasland, intensiv<br />
Grasland, extensiv<br />
0,4 0,8 1,2 1,6<br />
Laubwald<br />
Mischwald<br />
Nadelwald<br />
Abb. 8. Volumenbezogene DNS-Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabweichung<br />
der 3 Mischproben. Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung<br />
(gestrichelt).<br />
49<br />
8<br />
62<br />
27<br />
70<br />
92<br />
7<br />
45<br />
18 73<br />
47<br />
99<br />
4.3 Standardisierung der Methoden<br />
Neben der regelmässigen Beobachtung<br />
von Bodeneigenschaften ist es eine<br />
weitere Aufgabe der NABO, Methoden<br />
zu erarbeiten, die standardisiert<br />
im Vollzug eingesetzt werden können.<br />
Für die klassischen mikrobiellen<br />
Messgrössen wie die mikrobielle Biomasse<br />
(bestimmt mit den Methoden<br />
FE oder SIR) oder Basalatmung bestehen<br />
bereits Referenz- beziehungsweise<br />
ISO-standardisierte Methoden, die<br />
auch auf internationaler Ebene angewendet<br />
werden (FAL, FAW, RAC 1998;<br />
Philippot et al. 2012). Die molekulargenetische<br />
Analytik stellt ein relativ junges<br />
und sich rasch entwickelndes Feld<br />
in der Bodendauerbeobachtung dar.<br />
Anstrengungen im Hinblick auf eine<br />
Standardisierung der Verfahren sind<br />
deshalb noch notwendig. Insbesondere<br />
bei den neuesten molekularbiologischen<br />
Methoden des »massive parallel<br />
sequencing («next generation sequencing»),<br />
welche die Erfassung der mikrobiellen<br />
Diversität im Boden zulassen,<br />
sollte durch die Verwendung von standardisierten<br />
Methoden auch die projekt-<br />
und grenzüberschreitende Vergleichbarkeit<br />
der Resultate angestrebt<br />
werden (Philippot et al. 2012). Das im
Forum für Wissen 2013 79<br />
Projekt NABObio12_13 angewendete<br />
DNS-Extraktionsprotokoll GnS-GII<br />
deckt sich weitgehend mit jenem, das<br />
zum Beispiel im Rahmen des französischen<br />
Dauerbeobachtungsprogrammes<br />
angewendet wird (Terrat et al.<br />
2012; Dequiedt et al. 2011). Das jeweils<br />
verwendete Protokoll beeinflusst die<br />
extrahierbare DNS-Menge und damit<br />
auch allfällig bestimmte Diversitätsparameter<br />
(Terrat et al. 2012). So ist<br />
für die Vergleichbarkeit der Resultate<br />
verschiedener Projekte die Verwendung<br />
desselben Protokolls von grosser<br />
Bedeutung. Ein Extraktionsprotokoll<br />
ist zurzeit in der finalen Evaluation, um<br />
dann als ISO-standardisierte Methode<br />
«ISO 11063» publiziert zu werden<br />
(Martin-Laurent et al. 2001; Petric<br />
et al. 2011; Bru et al. 2011).<br />
4.4 Auswahl der Parameter –<br />
Potential der Molekularbiologie<br />
Für eine fundierte Entscheidung, mit<br />
welchen bodenbiologischen Messgrössen<br />
im Rahmen der NABO fortgefahren<br />
wird, müssen die Ergebnisse der 2.<br />
Erhebung vom Frühjahr 2013 und weitere<br />
Auswertungen abgewartet werden.<br />
Kriterien für die Auswahl von Messgrössen<br />
für ein Monitoring werden beispielsweise<br />
von Ritz et al. (2009), Turbé<br />
et al. (2010) oder auch der OECD<br />
(2002) gegeben – ausschlaggebend<br />
sind die Messbarkeit, die Kosteneffektivität,<br />
die Sensitivität der Messgrösse<br />
und der Standardisierungsgrad. Für die<br />
NABO würde dies bedeuten, dass man<br />
sich den limitierten finanziellen Rahmenbedingung<br />
entsprechend für einen<br />
Summenparameter (mikrobielle Biomasse<br />
(C mik -SIR oder C mik -FE) oder<br />
DNS-Menge) und für einen prozessorientierten<br />
Parameter (Basalatmung)<br />
entscheiden sollte. Eine Metadatenanalyse<br />
über bestehende bodenbiologische<br />
Monitoringprogramme in der EU<br />
ergab, dass die mikrobielle Biomasse<br />
(SIR oder FE) und die Basalatmung<br />
die zwei am häufigsten verwendeten<br />
bodenbiologischen Messgrössen sind<br />
(Faber et al. 2013).<br />
Ein grosses Potential bei der Verwendung<br />
der DNS-Menge als Biomassenindikator<br />
wird in der Möglichkeit<br />
der weiteren Verwendung der Extrakte<br />
gesehen. Die Möglichkeit der mehrfachen<br />
Verwendung der Extrakte (Aus-<br />
sagen über Quantität und Qualität der<br />
Biomasse) entspricht auch dem Kriterium<br />
der Kosteneffektivität. Mit der<br />
Anwendung eines international verwendeten<br />
Protokolls für die DNS-<br />
Extraktion wird das Kriterium der<br />
Standardisierung ebenfalls berücksichtigt<br />
(Philippot et al. 2012). Ein weiterer<br />
Vorteil der DNS-Extrakte wird in<br />
deren langen Lagerungsdauer gesehen.<br />
Fixiert und eingefroren im Extraktionspuffer,<br />
können die Extrakte über<br />
Jahre hinweg wiederverwendet werden.<br />
So können die sich wandelnden<br />
Fragenstellungen seitens der Umweltpolitik<br />
einerseits flexibler, andererseits<br />
auch rückblickend beantwortet werden.<br />
Zudem besteht die Möglichkeit,<br />
die DNS-Extrakte mit allenfalls neuen<br />
Methoden erneut zu messen.<br />
In Bezug auf die «ecosystem services»<br />
können mit Hilfe molekularbiologischer<br />
Methoden beispielsweise<br />
Aussagen über Bakterien gemacht<br />
werden, die für den Stickstoffkreislauf<br />
relevant sind. Bru et al. (2011) etwa<br />
fanden mit molekularbiologischen<br />
Methoden Zusammenhänge zwischen<br />
Bewirtschaftungssystemen und dem<br />
Vorkommen von Nitrifizierbakterien<br />
AOB (Ammonium-oxidierende Bakterien).<br />
AOB stellen für Ritz et al. (2004)<br />
den Topkandidaten für die Verwendung<br />
als bodenbiologische Messgrösse<br />
in einem Monitoring dar. Weiter kann<br />
gezielt nach Organismen gesucht werden,<br />
die eher in aeroben oder anaeroben<br />
Verhältnissen vorkommen und<br />
Hinweise auf verdichtete Bodenverhältnisse<br />
geben können (Frey et al.<br />
2011). Faber et al. (2013) halten fest,<br />
dass die Verwendung von Indikatoren,<br />
die möglichst eindeutig mit einer Ökosystemleistung<br />
in Verbindung gebracht<br />
werden können, für die Umweltpolitik<br />
aussagekräftiger sind als andere. Wissenschaftliche<br />
Erkenntnisse, die auf<br />
solchen Indikatoren basieren finden<br />
zudem eine breitere Akzeptanz.<br />
Aussagen über die allgemeine mikrobielle<br />
Diversität der Extrakte sind<br />
anhand molekularbiologischer Methoden<br />
ebenfalls möglich. Philippot et al.<br />
(2012) stellten mit molekularbiologischen<br />
Methoden fest, dass der Verlust<br />
von mikrobieller Diversität den Stickstoffkreislauf<br />
beeinflussen kann. Sie<br />
konnten so mit ihrer Arbeit Argumente<br />
gegen die These der funktionellen<br />
Redundanz mikrobieller Gemeinschaf-<br />
ten liefern. Solche auf die Bodenbiodiversität<br />
hin ausgerichtete Untersuchungen<br />
sind auch im Hinblick auf die<br />
Strategie Biodiversität Schweiz (SBS)<br />
notwendig und gefordert. Ist doch ein<br />
in der SBS formuliertes strategisches<br />
Ziel, dass «Die Überwachung der Veränderungen<br />
von Ökosystemen, Arten<br />
und der genetischen Vielfalt bis 2020<br />
sichergestellt ist» (BAFU 2012). Um<br />
Veränderungen der Bodenbiodiversität<br />
feststellen zu können, braucht es<br />
heute Messungen, die in der Zukunft<br />
als sogenannte baseline-Werte dienen<br />
können (Gardi et al. 2013).<br />
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of the ISO standard 11063 “Soil quality<br />
– Method to directly extract DNA from<br />
soil samples”. J. Microbiol. Methods 84:<br />
454–460.<br />
Philippot, L.; Ritz, K.; Pandard, P.; Hallin,<br />
S.; Martin-Laurent, F., 2012: Standardisation<br />
of methods in soil microbiology:<br />
Progress and challenges. FEMS Microbiol.<br />
Ecol. 82: 1–10.<br />
Ritz, K.; McNicol, J.W.; Nunan, N.; Grayston,<br />
S.; Millard, P.; Atkinson, D.; Gollotte,<br />
A.; Habeshaw, D.; Boag, B.;<br />
Clegg, C.D.; Griffiths, B.S.; Wheatley,<br />
R.E.; Glover, L.A.; McCaig, A.E., Prosser,<br />
J.I., 2004: Spatial structure in soil chemical<br />
and microbiological properties in<br />
an upland grassland. FEMS Microbiol.<br />
Ecol. 49: 191–205.<br />
Ritz, K.; Black, H.I.J.; Campbell, C.D.;<br />
Harris, J.A.; Wood, C., 2009: Selecting<br />
biological indicators for monitoring soils:<br />
A framework for balancing scientific and<br />
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Ecol. Indic. 9: 1212–1221.<br />
Rutgers, M.; Schouten, A.J.; Bloem, J.; van<br />
Eerkeren, N.; de Goede, R.G.M.; Jagers,<br />
G.A.J.M.; Akkerhuis, O.P.; van derWal,<br />
A.; Mulder, C.; Brussaard, L.; Breure,<br />
M., 2009: Biological measurements in a<br />
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Schwab, P.; Weisskopf, P.; Oberholzer,<br />
H.R.; Scheid, S.; Berli, M., 2006: Langzeitbeobachtung<br />
von physikalischen<br />
und biologischen Bodeneigenschaften.<br />
Pilotprojekt LAZBO. Teil 4: Folgerungen,<br />
Empfehlungen und Ausblick für die<br />
Langzeitbeobachtung. Zürich, Agroscope<br />
FAL Reckenholz.<br />
Terrat, S.; Christen, R.; Dequiedt, S.;<br />
Lelievre, M.; Nowak, V.; Regnier, T.;<br />
Bachar, D.; Plassart, P.; Wincker, P.;<br />
Jolivet, C.; Bispo, A.; Lemanceau, P.;<br />
Maron, P.A.; Mougel, C.; Ranjard, L.,<br />
2012: Molecular biomass and MetaTaxogenomic<br />
assessment of soil microbial<br />
communities as influenced by soil DNA<br />
extraction procedure. Microb. Biotechnol.<br />
5, 1: 135–141.
Forum für Wissen 2013 81<br />
Thomsen, M.; Faber, J.H.; Sorensen, P.B.,<br />
2012: Soil ecosystem health and services<br />
– Evaluation of ecological indicators<br />
susceptible to chemical stressors. Ecol.<br />
Indic. 16: 67–75.<br />
Turbé, A.; De Toni, A.; Benito, P.; Lavelle,<br />
P.; Lavelle, P.; Ruiz, N.; Van der Putten,<br />
W.H.; Labouze, E.; Mudgal, S., 2010: Soil<br />
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for policy makers. Bio Intelligence Service,<br />
IRD, and NIOO, Report for European<br />
Commission (DG Environment).<br />
USG, 1983: Bundesgesetz über den Umweltschutz<br />
vom 7. Oktober 1983. SR 814.01.<br />
VBB, BSA, 2009: Arbeitsgruppe Vollzug<br />
Bodenbiologie VBB. Arbeitshilfe zur<br />
Anwendung und Interpretation bodenbiologischer<br />
Parameter. Frick.<br />
VBBo, 1998: Verordnung über Belastungen<br />
des Bodens (VBBo) vom 1. Juli 1998. SR<br />
814.12.<br />
Wagner, G.; Desaules, A.; Muntau, H.;<br />
Theocharopoulos, S.; Quevauviller,<br />
Ph., 2001: Harmonization and quality<br />
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recommendations of the CEEM Soil project.<br />
Sci. Total Environ. 264: 103–117.<br />
Waldner, P.; Meuli, R.; Walthert, L.; Thimonier,<br />
A.; Graf Pannatier, E.; Hagedorn,<br />
F., 2010: Veränderung des C/N-, des<br />
15N/14N- und des 13C/12C-Verhältnisses<br />
auf NABO Flächen nahe der LWF-<br />
Standorte. Birmensdorf und Zürich, Eidg.<br />
Forschungsanstalt <strong>WSL</strong> und Agroscope<br />
ART Reckenholz.<br />
Widmer, F.; Rasche, F.; Hartmann, M.;<br />
Fliessbach, A., 2006: Community structures<br />
and substrate utilization of bacteria in<br />
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systems of the DOK long-term field<br />
experiment. Appl. Soil Ecol. 33: 294–307.<br />
Abstract<br />
Soil biology in the reference measurement network of the Swiss Soil Monitoring<br />
Network NABO<br />
The Swiss Soil Monitoring Network NABO was set up in 1984 to monitor primarily<br />
heavy metal contamination in soils. Since then, environmental and political issues<br />
have considerably changed and new aspects have become the focus of interest,<br />
e.g. climate change or loss of biodiversity. Microorganisms in soils are essential for<br />
many soil functions – such as nutrient cycling and storage as well as water filtering.<br />
Thus, if soil functions and changes in biodiversity are to be assessed, information<br />
on soil biological properties is crucial for soil monitoring networks. In this context,<br />
NABO has started monitoring soil biological parameters on a sub-set of its<br />
long-term observation sites. Since 2012, every spring soil samples (0–20 cm) are<br />
collected at 30 NABO-sites and analysed for soil microbial biomass with substrateinduced<br />
respiration (BM-SIR) and fumigation-extraction (BM-FE) method, basal<br />
respiration and DNA-quantity. Initial results indicate that, in general, arable soils<br />
contain less biomass than grassland and forest soils. Furthermore, the different<br />
biomass measurements (BM-SIR, BM-FE and DNA-quantity) tend to correlate<br />
(0.6–0.7, Spearman). New methodologies make it possible to use the extracted<br />
soil DNA to assess the diversity of soil microorganisms and their functions in<br />
ecosystems. In the medium term, NABO plans to explore these issues further.<br />
Keywords: soil biological monitoring, microbial biomass, molecular methods, soil<br />
biodiversity, DNA extraction
Forum für Wissen 2012: 83–90 83<br />
Baumwurzeln und Infiltration<br />
Benjamin Lange 1,2,3,4 , Peter Lüscher 2 , Peter Germann 3 und Axel Bronstert 4<br />
1<br />
Bundesamt für Umwelt BAFU, CH-3003 Bern, b.lange@gmx.ch<br />
2<br />
<strong>WSL</strong> Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf,<br />
peter.luescher@wsl.ch<br />
3<br />
Geographisches Institut der Universität Bern, Hallerstrasse 12, CH-3012 Bern, pf.germann@bluewin.ch<br />
4<br />
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften, Universität Potsdam, Karl-Liebknecht-Straße 24-25, D-14476 Potsdam,<br />
axelbron@uni-potsdam.de<br />
Die Erforschung der Hochwasserschutzwirkung von Wäldern hat in der Schweiz<br />
eine lange Tradition die bis Anfang des 20. Jahrhundert zurück reicht. Lange<br />
Zeit galt die Prämisse, dass Wald a priori hochwasserschutzwirksam sei bis dieses<br />
Paradigma in den 1980er vermehrt angezweifelt wurde und sich ein differenzierteres,<br />
waldstandortsspezifisches Bild der Waldwirkung auf den Hochwasserschutz<br />
durchsetzte. Hier stellen wir die Resultate verschiedener Forschungsprojekte über<br />
den Einfluss von Wurzeln auf den Wasserrückhalt vor, die in den letzten Jahren<br />
in Hochwasserschutzwäldern im Gantrischgebiet (Kanton Bern) durchgeführt<br />
wurden. Es konnte gezeigt werden, dass Wurzeln in gewissen Waldstandortstypen<br />
das Wasserspeichervermögen massgeblich beeinflussen und waldbauliche Massnahmen<br />
die Hochwasserschutzwirkung verbessern können.<br />
1 Einleitung<br />
In der Schweiz häuften sich im Zeitraum<br />
vom 1825 bis 1875 Hochwasserereignisse<br />
mit katastrophalen Auswirkungen<br />
(Röthlisberger 1991). Trotz<br />
fehlenden wissenschaftlichen Untersuchungen<br />
ging man bereits damals<br />
davon aus, dass grossflächige Rodungen<br />
und die starke Übernutzung der<br />
Wälder zur hohen Hochwasserfrequenz<br />
beigetragen hatten. Als Folge<br />
davon wurde 1876 das erste eidgenössische<br />
Forstpolizeigesetz erlassen, welches<br />
unter anderem ein Rodungsverbot<br />
beinhaltete. Zudem wurden grosse<br />
Flächen aufgeforstet um den Wasserrückhalt<br />
in den Einzugsgebieten grosser<br />
Flüsse zu erhöhen. Zu Beginn des<br />
20. Jahrhundert initiierte die Zentralanstalt<br />
für forstliches Versuchswesen<br />
(heute die Eidg. Forschungsanstalt<br />
<strong>WSL</strong>) unter der Leitung von Prof. A.<br />
Engler eine Studie zur Untersuchung<br />
der Waldwirkung auf das Abflussgeschehen.<br />
Die Forscher verglichen dabei<br />
Abflussdaten des bewaldeten Einzugsgebietes<br />
«Sperbelgraben» (Emmental)<br />
mit denjenigen des in unmittelbarer<br />
Nachbarschaft liegenden, schwach<br />
bewaldeten «Rappengraben». Engler<br />
(1919) konnte zeigen, dass der Spitzenabfluss<br />
bei kurzzeitigen Starkniederschlägen<br />
im stärker bewaldeten<br />
Einzugsgebiet um 30 bis 50 Prozent<br />
geringer war. Diese Untersuchung<br />
erhärtete das forsthydrologische Paradigma<br />
in der Schweiz das besagte, dass<br />
Wald a priori eine abflusshemmende<br />
Wirkung aufweist. Diese Meinung<br />
blieb lange Zeit unangetastet, erst ab<br />
den 1980er Jahren wurde die Untersuchung<br />
der Hochwasserschutzwirkung<br />
von Wäldern wieder intensiviert<br />
und führte zum Teil zu kontroversen<br />
Ergebnissen. Auch wenn ein breiter<br />
Konsens darüber herrscht, dass Wälder<br />
im Vergleich zu offener Vegetation<br />
den durchschnittlichen Jahresabfluss<br />
von Gewässern aufgrund der höheren<br />
Transpirations- und Interzep tionsraten<br />
vermindern, ist die Wirkung auf Spitzenabflüsse<br />
weniger eindeutig. Gerber<br />
(1989) zeigte, dass eine Erhöhung<br />
der Waldfläche um 20 Prozent im Einzugsgebiet<br />
der Emme zwischen 1860<br />
und 1980 keinen signifikanten Einfluss<br />
auf Abflussvolumina hatte und Burch<br />
et al. (1996) wiesen nach, dass es keinen<br />
statistisch nachweisbaren Zusammenhang<br />
zwischen dem prozentualen<br />
Waldanteil von kleinen Einzugsgebieten<br />
(1 bis 5 km 2 im voralpinen<br />
Flyschgebieten mit Wald, eher extensiv<br />
bewirtschafteter Streuwiesen und<br />
Weiden) und dem flächenbezogenen<br />
Abfluss eines mittleren jährlichen<br />
Hochwassers gab. Die einfache Formel<br />
«Wald = Hochwasserschutz» greift<br />
damit zu wenig weit. Unter anderem<br />
ist die Waldwirkung auf Spitzenabflüsse<br />
abhängig von der Intensität<br />
des Niederschlagsereignisses (Beschta<br />
et al. 2000), der alternativen Landnutzungsform,<br />
und der Waldbewirtschaftung.<br />
So zeigte Moeschke (1998), dass<br />
eine Entwaldung um 40 Prozent bei<br />
Femelschlag den Spitzenabfluss um 30<br />
Prozent erhöhte während die einzelbaumweise<br />
Entnahme von 40 Prozent<br />
der Bäume zu keiner Änderung des<br />
Abflussgeschehens führte. Nach heutigem<br />
Kenntnisstand muss die Hochwasserschutzwirkung<br />
standortspezifisch<br />
beurteilt werden indem sowohl<br />
der Baumbestand (Arten-, Alters- und<br />
räumliche Struktur) wie auch Bodeneigenschaften<br />
und Niederschlagscharakteristiken<br />
integrativ beurteilt werden.<br />
Generell geht man davon aus,<br />
dass die positive Wirkung des Waldes<br />
auf die Wasserretention auf gehemmt<br />
durchlässigen, mittel- bis tiefgründigen<br />
Böden maximal ist während Wälder<br />
auf sehr durchlässigen oder stark<br />
vernässten Böden den Wasserrückhalt<br />
kaum beeinflussen (Lüscher und Zürcher<br />
2003). 2005 wurde die Wegleitung<br />
«Nachhaltigkeit und Erfolgskontrolle<br />
im Schutzwald» (NaiS, Frehner et al.<br />
2005) publiziert. Die Autoren definierten<br />
für alle relevanten Waldstandortstypen<br />
einen die Schutzwirkung maximierenden<br />
Idealzustand bezüglich der<br />
Baumartenmischung, des Waldgefüges<br />
und der Verjüngung. Diese Bestandesparameter<br />
wirken sich vor allem auf<br />
die Durchwurzelungssituation und<br />
damit auf die durch Wurzeln gebildeten<br />
Poren aus, die ein massgeblicher<br />
Faktor bei Infiltrationsvorgängen sein<br />
können (Li und Ghodrati 1994; Lange<br />
et al. 2009). Hier präsentieren wir
84 Forum für Wissen 2013<br />
Die Zeitreihen der volumetrischen<br />
Wassergehalte wurden nach einem<br />
Ansatz von Germann et al. (2007) ausgewertet.<br />
Es wird davon ausgegangen,<br />
dass Wasser in Form von Wasserfilmen<br />
laminar entlang von Porenwänden<br />
fliesst. Dabei muss die Pore nicht<br />
in ihrem ganzen Durchmesser Wasser<br />
führen. In diesem Stokes-Fluss Ansatz<br />
beschleunigt die Gravitation den Wasserfluss,<br />
während die Viskosität des<br />
Wassers den gravitativen Kräften entgegenwirkt.<br />
Damit ist die Interpretation<br />
der Ergebnisse auf einen bestimmten<br />
Bodenwassergehalt limitiert, bei<br />
dem kleinere Poren bereits gesättigt<br />
sind und grössere Poren als Fliesswege<br />
dienen. Diese Verhältnisse sind<br />
typisch für Wasserfluss in präferenziellen<br />
Fliesspfaden wie zum Beispiel in<br />
Makroporen. Ein Wasserfilm ist definiert<br />
durch seine Mächtigkeit (Filmdicke<br />
F) sowie seine Kontaktlänge L<br />
mit den festen Bodenbestandteilen in<br />
der horizontalen Ebene. Dabei ist L ein<br />
Mass für die Porosität, welche am Wasserfluss<br />
beteiligt ist. Die Kontaktlänge<br />
kann mit der Wurzeldichte verglichen<br />
werden, um zu untersuchen inwieweit<br />
Wurzeln den hydrologisch aktiven<br />
Porenraum bilden. Ausgangspunkt der<br />
Analysen sind aufgezeichnete Wassergehaltsmessungen.<br />
Aus dem Zeitpunkt<br />
des ersten Anstieges des Wassergehaltes<br />
bei der Beregnung (Ankunftszeit<br />
der Feuchtefront) lässt sich die Filmdidie<br />
Ergebnisse und Schlussfolgerungen<br />
langjähriger Untersuchungen über den<br />
Zusammenhang zwischen der Durchwurzelung<br />
und Wasserhaushaltsgrössen<br />
bei kurzen Starkniederschlägen in<br />
voralpinen Schutzwäldern auf ge hemmt<br />
durchlässigen, mittel bis tiefgründigen<br />
Böden im Flyschgürtel wo eine grosse<br />
Wirkung des Waldes auf das Abflussgeschehen<br />
erwartet werden kann.<br />
2 Methoden<br />
2.1 Untersuchungsgebiet und<br />
Experimente<br />
Die Untersuchungen wurden in voralpinen<br />
Hochwasserschutzwäldern im<br />
Gantrischgebiet (Kt. Bern) in Höhenlagen<br />
zwischen rund 880 und 1000 m<br />
ü. M. in Waldstandortstypen (WST) 46<br />
(Typischer Heidelbeer-Tannen-Fichten<br />
wald), 49 (Schachtelhalm-Tannen-<br />
Fich tenwald) und 19f (Waldsimsen-<br />
Tannen-Buchenwald auf Pseudogley)<br />
durchgeführt. Die Böden wurden als<br />
Pseudogleye, Gleye beziehungsweise<br />
vergleyte und pseudovergleyte Braunerden<br />
klassiert (vgl. Zimmerman et al.<br />
2006). Zur Erfassung der bodenhydrologischen<br />
Parameter wurden intensive<br />
(70 mm h –1 ), kurzzeitige (1 Std.), kleinflächige<br />
Beregnungen (1 m 2 ) durchgeführt.<br />
Oberflächenabfluss konnte nicht<br />
beobachtet werden. Eine dreimalige<br />
Wiederholung der Beregnung pro<br />
Standort diente dazu, unterschiedliche<br />
Ausgangswassergehalte im Boden zu<br />
simulieren. Der Abstand zwischen den<br />
Beregnungen betrug rund 23 Stunden.<br />
Während den Beregnungsexperimenten<br />
wurden mittels TDR- beziehungsweise<br />
FDR-Sonden die volumetrischen<br />
Wassergehalte in einer zeitlichen Auflösung<br />
von 60 s aufgezeichnet. Pro<br />
Standort wurden fünf Sonden in unterschiedlichen<br />
Tiefen eingesetzt. Nach<br />
diesen Experimenten wurden an denselben<br />
Positionen, an welchen die<br />
Wassergehaltssonden platziert waren,<br />
Bohrproben entnommen (0,1 m Durchmesser)<br />
aus welchen die Wurzeln separiert<br />
und anschliessend mittels der<br />
Software «whinRHIZO» digital vermessen<br />
wurden. In den Waldstandortstypen<br />
46 und 49 wurden insgesamt 16<br />
Standorte beregnet, im Waldstandortstyp<br />
19f deren zehn. Die Abstände zur<br />
Stammbasis der Bäume betrug ungefähr<br />
1 m mit Ausnahme von drei Plots<br />
im WST 46 und 49 wo der Abstand<br />
maximal 3,5 m war.<br />
Die Bodeneigenschaften der Untersuchungsflächen<br />
waren relativ homogen,<br />
es konnten keine signifikanten<br />
Unterschiede in der Bodenart, der<br />
Lagerungsdichte und dem pH-Wert<br />
festgestellt werden: Der Sandanteil<br />
der Horizonte lag zwischen 17,5 und<br />
73,1 Prozent, der Schluffanteil 16,4 bis<br />
48,6 Prozent und der Tonanteil betrug<br />
8,6 bis 34,6 Prozent. Die Lagerungsdichten<br />
im Oberboden waren zwischen<br />
0,65 und 1,0 g cm –3 , im Unterboden<br />
zwischen 0,79 und 1,6 g cm –3 . Details zu<br />
den Bodeneigenschaften sind in Lange<br />
et al. (2013) zu finden. Ein Vergleich<br />
zwischen den WST ist damit zulässig.<br />
2.2 Theorie<br />
cke F berechnen. Unter Einbezug des<br />
volumetrischen Wassergehaltes kann<br />
die Kontaktlänge L bestimmt werden.<br />
Ein detaillierter Beschrieb der theoretischen<br />
Hintergründe ist in Germann<br />
et al. (2007) zu finden.<br />
3 Resultate<br />
3.1 Vergleich der Wurzeldichten<br />
Die WST 46 und 49 waren im Untersuchungsgebiet<br />
räumlich eng verzahnt,<br />
weshalb diese Waldstandortstypen<br />
hier, trotz unterschiedlichem Mikrorelief,<br />
zusammenfassend als Tannen-Fichtenwälder<br />
dem WST 19f mit höherem<br />
Buchenanteil gegenüber gestellt werden.<br />
Als vergleichbares Mass für die<br />
Wurzeldichte diente die Wurzellänge<br />
pro Bodenvolumen RL in cm cm –3 .<br />
Rund 90 Prozent der Gesamtwurzellänge<br />
wurden durch Feinwurzeln mit<br />
einem Durchmesser von unter 2 mm<br />
gebildet. Erwartungsgemäss nahm<br />
die Wurzeldichte mit zunehmender<br />
Bodentiefe infolge der Zunahme der<br />
Vernässungsgrade der Horizonte ab.<br />
Im Tannen-Buchenwald (WST 19f)<br />
war die Durchwurzelung generell ausgeprägter<br />
als in Tannen-Fichtenwäldern<br />
(WST 46, 49), auch wenn sich<br />
die durchschnittlichen Durchwurzelungsdichten<br />
zwischen den Standorten<br />
infolge einiger sehr hohen Wurzeldichten<br />
im Oberboden der WST 46, 49<br />
nur geringfügig unterschieden. Insbesondere<br />
im Tiefenbereich von 0,2 bis<br />
0,8 m, d. h. in nicht und schwach vernässten<br />
Unterbodenhorizonten war<br />
der WST 19f intensiver durchwurzelt,<br />
was mit dem höheren Deckungsgrad<br />
der Buchen erklärt werden kann die<br />
über Herzwurzelsysteme verfügen die<br />
mittlere Bodentiefen intensiver durchwurzelt<br />
(Abb. 1).<br />
Werden nicht die Tiefenbereiche<br />
zum Vergleich der Wurzeldichten herangezogen<br />
sondern morphologische<br />
Bodenhorizonten, ergibt sich ein leicht<br />
anderes Bild. Bei dieser Betrachtungsweise<br />
waren nicht hydromorphe Oberbodenhorizonte<br />
in den WST 46, 49<br />
intensiver durchwurzelt als der WST<br />
19f, was mit der stärkeren Verbreitung<br />
der bekanntermassen flachwurzelnden<br />
Fichte zusammenhängen dürfte.
Forum für Wissen 2013 85<br />
3.2 Infiltration<br />
Wurzeldichte WST 46 und 49<br />
Wurzeldichte WST 19f<br />
Der Unterschied zwischen dem Wassergehalt<br />
unmittelbar vor der Beregnung<br />
und dem maximalen Wassergehalt<br />
während der Beregnung, die Amplitude<br />
der Infiltration v I , ist ein Mass<br />
für das Infiltrationsvermögen. Die hier<br />
präsentierten Ergebnisse stammen<br />
ausschliesslich von der dritten Beregnung.<br />
Der Grund liegt darin, dass während<br />
der dritten Beregnung ein vergleichbares<br />
Porengrössenspektrum<br />
hydrologisch aktiv war. Während den<br />
ersten zwei Beregnungen wurden kleinere<br />
Poren kapillar gesättigt und das<br />
Wasser darin immobilisiert. Der Wasserfluss<br />
der dritten Beregnung fand primär<br />
in grösseren Poren statt in denen<br />
Gravitation als massgebende Kraft<br />
angenommen werden kann und der<br />
angewandte theoretische Ansatz gültig<br />
ist. Die Amplitude der Infiltration<br />
war bis in 0,2 m Tiefe in den WST 46,<br />
49 höher als im WST 19f. Zwischen 0,2<br />
und 0,8 m verfügte dagegen der WST<br />
19f über eine deutlich höhere v I die<br />
sich erst zwischen 0,8 und 1,0 m wieder<br />
anglich (Abb. 2). Das bedeutet,<br />
dass die Wasseraufnahme in den WST<br />
46, 49 bei einem kurzzeitigen Starkniederschlagsereignis<br />
vor allem auf die<br />
obersten Bodenhorizonte, in der Regel<br />
der Ah-Horizont, beschränkt war und<br />
kaum Tiefensickerung stattfand während<br />
im WST 19f auch der Unterboden<br />
als Speicherraum zur Verfügung stand.<br />
Der erwähnte Stokes-Fluss Ansatz<br />
erlaubte nun eine genauere Analyse<br />
der Geometrie des Wasserflusses:<br />
Eine Veränderung der Amplitude der<br />
Infiltration kann entweder durch Veränderungen<br />
der Wasserfilmdicke F<br />
oder durch eine Variation der wasserführenden<br />
Porosität (Kontaktlänge L)<br />
erfolgen. Zur Berechnung von L und F<br />
ist eine Zunahme des Wassergehaltes<br />
infolge der Beregnung nötig. Aufgrund<br />
des geringen Umfanges der Stichproben<br />
welche diese Bedingung in Bodentiefen<br />
unterhalb von 0,8 m erfüllten,<br />
wurde in diesem Tiefenbereich auf die<br />
Berechnung der Wasserflussgeometrie<br />
verzichtet. Wie Abbildung 3 zeigt,<br />
war die Filmdicke bei vertikaler Infiltration<br />
im WST 46, 49 über die ganze<br />
Bodentiefe relativ konstant. Das<br />
bedeutet aufgrund der Theorie, dass<br />
auch die Geschwindigkeit der sich vertikal<br />
nach unten bewegenden Feuchte-<br />
Abb. 1. Durchschnittliche<br />
Wurzeldichten<br />
der WST 46, 49 im Vergleich<br />
zum WST 19f<br />
in unterschiedlichen<br />
Bodentiefen. Die Fehlerbalken<br />
zeigen ± ein<br />
Standardfehler.<br />
Abb. 2. Durchschnittliche<br />
Amplituden der<br />
Infiltration v I der WST<br />
46, 49 und des WST 19f<br />
in unterschiedlichen<br />
Bodentiefen. Die Fehlerbalken<br />
zeigen ± ein<br />
Standardfehler.<br />
Tiefenbereich, m<br />
1,0−0,8 0,8−0,6 0,6−0,4 0,4−0,2 0,2−0,0<br />
Tiefenbereich, m<br />
1,0−0,8 0,8−0,6 0,6−0,4 0,4−0,2 0,2−0,0<br />
front relativ stabil war und Änderungen<br />
der Amplitude der Infiltration<br />
primär durch verändertes wasserführendes<br />
Porenvolumen bedingt waren.<br />
Demgegenüber nahm die Filmdicke<br />
im WST 19f mit zunehmender Bodentiefe<br />
zu. Eine mögliche Erklärung<br />
dazu sind zusammenfliessende Wasserfilme<br />
aufgrund einer mit der Tiefe<br />
abnehmenden (Makro-)Porosität analog<br />
eines Trichters. Die Kontaktlänge<br />
nahm in den WST 46, 49 mit zunehmender<br />
Bodentiefe deutlich ab. Dieser<br />
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2<br />
−3<br />
Wurzeldichte, cm cm<br />
Amplitude Infiltration<br />
WST 46 und 49<br />
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10<br />
Amplitude Infiltration, m 3 m −3<br />
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2<br />
Wurzeldichte, cm cm −3<br />
Amplitude Infiltration<br />
WST 19f<br />
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10<br />
Amplitude Infiltration, m 3 m −3<br />
Trend war auch im WST 19f ersichtlich,<br />
allerdings weniger deutlich ausgeprägt<br />
(Abb. 4). Veränderungen in der Infiltrationskapazität<br />
über die Bodentiefe<br />
waren damit in den WST 46, 49 in einer<br />
Abnahme der wasserführenden Porosität<br />
begründet während im WST 19f<br />
sowohl die Kontaktlänge L wie auch<br />
die Filmdicke F variierten und damit zu<br />
einem weniger einheitlichen Bild führten.
86 Forum für Wissen 2013<br />
Filmdicke F WST 46 und 49<br />
Filmdicke F WST 19f<br />
Kontaktlänge L WST 46 und 49<br />
Kontaktlänge L WST 19f<br />
Tiefenbereich, m<br />
0,8−0,6 0,6−0,4 0,4−0,2 0,2−0,0<br />
Tiefenbereich, m<br />
0,8−0,6 0,6−0,4 0,4−0,2 0,2−0,0<br />
0 0,00001 0,00003<br />
0 0,00001 0,00003<br />
Filmdicke F, m<br />
Filmdicke F, m<br />
Abb. 3. Durchschnittliche Filmdicken F der WST 46, 49 und 19f<br />
verschiedener Tiefenbereiche. Die Fehlerbalken zeigen ± ein<br />
Standardfehler.<br />
0 2000 4000 6000 8000<br />
Kontaktlänge L, m m −2<br />
0 2000 4000 6000 8000<br />
Kontaktlänge L, m m −2<br />
Abb. 4. Durchschnittliche Kontaktlängen L der WST 46, 49 und<br />
19f verschiedener Tiefenbereiche. Die Fehlerbalken zeigen ± ein<br />
Standardfehler.<br />
3.3 Wurzeln und vertikale<br />
Infiltration<br />
Um den Einfluss der Wurzeln auf die<br />
Infiltration zu eruieren, wurde eine<br />
multiple Regressionsanalyse durchgeführt.<br />
Als Inputvariablen dienten die<br />
Lagerungsdichten, die Wurzeldichten<br />
und die Bodenart (prozentuale<br />
Anteile von Sand, Schluff und Ton).<br />
Im WST 19f konnte damit die Amplitude<br />
der Infiltration nicht zufriedenstellend<br />
erklärt werden. Es scheint, als<br />
ob an diesem Standort weitere, nicht<br />
erfasste Faktoren den Wasserfluss im<br />
Boden beeinflussten. Mögliche makroporenbildende<br />
Prozesse sind zum Beispiel<br />
Gefrier- und Tauzyklen, Quellen<br />
und Schrumpfen tonhaltiger Bodenbestandteilen<br />
(Romkens und Prasad<br />
2006) oder die Wühltätigkeit von<br />
Bodentieren (Lamande et al. 2003).<br />
Dagegen zeigte sich im WST 46, 49<br />
klar, dass die Amplitude der Infiltration<br />
bei hohem Bodenwassergehalt primär<br />
durch Wurzeln bestimmt wurde<br />
(R 2 zwischen RL und v I 0,43). Der<br />
Einbezug der weiteren Variablen verbesserte<br />
das Modell nur marginal. Da<br />
die Fimdicke F in diesem WST über<br />
die Bodentiefe relativ konstant war,<br />
be einflussten die Wurzeln vor allem<br />
die Kontaktlänge L und damit den an<br />
der Infiltration beteiligte Porenraum<br />
(Abb. 5).<br />
Damit konnte nachgewiesen werden,<br />
dass in gewissen Hochwasserschutzwäldern<br />
mit vernässten Horizonten ein<br />
Zusammenhang zwischen der Wurzeldichte<br />
und der wasserführende Porosität<br />
besteht. Die Ergebnisse von zahlreichen<br />
anderen Studien lassen den<br />
Schluss zu, dass Wurzeln die Infiltration<br />
tatsächlich massgeblich erhöhen<br />
kann und nicht nur eine Folge der örtlich<br />
höheren Porosität sind. So wiesen<br />
Abb. 5. Horizontspezifische<br />
Wurzeldichte vs.<br />
Kontaktlänge der WST<br />
46, 49 und des WST<br />
19f. R 2 WST 46, 49:<br />
0,43; R2 WST 19f: 0,26.<br />
Wurzeldichte RL, cm cm −3<br />
RL vs. L WST 46 und 49<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0<br />
0 5000 15000<br />
Kontaktlänge L, m m −2<br />
zum Beispiel Meek et al. (1989) nach,<br />
dass sich die Infiltrationsrate eines<br />
gepflügten und mit Luzerne bewachsenen<br />
Standortes aufgrund des durch<br />
Wurzeln gebildeten Porenraumes<br />
innerhalb von vier Jahren etwa verdoppelte.<br />
Detaillierte Ergebnisse zum<br />
Zusammenhang zwischen der Infiltration<br />
und der Durchwurzelung in Waldböden<br />
sind in Lange et al. (2010) zu<br />
finden.<br />
RL vs. L WST 19f<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0<br />
0 5000 15000<br />
Kontaktlänge L, m m −2
Forum für Wissen 2013 87<br />
3.4 Wurzeln und lateraler Fluss<br />
Lateraler Fluss im Boden ist ein wichtiger<br />
abflussbildender Prozess in Einzugsgebieten<br />
mit geringer Bodenmächtigkeit<br />
oder dichten Bodenhorizonten<br />
oberhalb derer Wasser lateral hangabwärts<br />
fliessen kann. Wurzeln können<br />
lateralen Abfluss im Boden begünstigen<br />
indem sie durch die hangparallele<br />
Ausbildung von Poren ein laterales<br />
präferenzielles Fliessnetz generieren<br />
können (z. B. Noguchi et al. 1999).<br />
Dadurch können Wurzeln auch dazu<br />
beitragen, dass die Volumenflussdichte<br />
des lateralen Abflusses bei konstanter<br />
Niederschlagsintensität zunimmt.<br />
Dieser Prozess kann die Hochwasserschutzfunktion<br />
von Wäldern zumindest<br />
teilweise mindern. Als Beispiel<br />
sei hier das Ergebnis eines hydrologischen<br />
Modells gezeigt, dass den vertikalen<br />
Stokes-Fluss Ansatz von Germann<br />
et al. (2007) um lateralen Fluss<br />
erweitert. In diesem Ansatz wird gravitativer<br />
Fluss angenommen, kapillare<br />
Kräfte und Oberflächenabfluss werden<br />
nicht berücksichtigt. Die Aussagekraft<br />
beschränkt sich damit auf einen Wassergehalt<br />
zwischen Sättigung und der<br />
Feldkapazität. Ziel der Untersuchung<br />
war es, den Ausfluss am unteren Ende<br />
eines Hanges für verschiedene laterale<br />
Porositäten, und damit unterschiedliche<br />
lateralen Wurzeldichten, zu modellieren.<br />
Als Modell diente ein virtueller<br />
Hang mit einer Neigung von 30 °,<br />
beliebiger Breite der während 1 h mit<br />
70 mm h –1 beregnet wird. Zudem wurde<br />
in 0,5 m Tiefe eine Stauschicht oder<br />
anstehender Fels angenommen. Entlang<br />
diesem Infiltrationshindernis floss<br />
das Wasser lateral hangabwärts. Es<br />
wurde weiter davon ausgegangen, dass<br />
die Wurzeldichte nur die wasserführende<br />
Porosität (Kontaktlänge L) beeinflusste<br />
während die Filmdicke F konstant<br />
blieb da Hincapié und Germann<br />
(2009b) nachwiesen, dass F primär von<br />
der Niederschlagsintensität abhängt<br />
und kaum von lokalen Bodeneigenschaften<br />
beeinflusst ist. Im Modell wurde<br />
daher der Mittelwert der Filmdicken<br />
aller WST in einer Bodentiefe<br />
von 0,4 bis 0,6 m verwendet (F = 1,755<br />
× 10 –5 m) während die Kontaktlängen<br />
WST-spezifisch über dieselbe Bodentiefen<br />
gemittelt wurden. Daraus resultierte<br />
L = 1669 m m –2 im WST 46, 49<br />
und L = 4022 m m –2 im WST 19f. Damit<br />
Ausfluss, m 3 s −1 m −1<br />
0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020<br />
Theoretischer Ausfluss pro m Hangbreite<br />
0 5000 10000 15000 20000<br />
wurde angenommen, dass die durch<br />
Wurzeln gebildete vertikale Porosität<br />
auch der lateralen Porosität entspricht.<br />
Abbildung 6 zeigt den erwarteten Ausfluss<br />
pro m Hangbreite. Eine höhere<br />
Wurzeldichte führte zu höherem Ausfluss<br />
am Hangende. Im hier gezeigten<br />
Beispiel resultierte eine Erhöhung der<br />
Wurzeldichte um einen Faktor von 2,4<br />
zu einer Erhöhung des Spitzenausflusses<br />
um denselben Faktor. Unter der<br />
Annahme, dass die Filmdicke konstant<br />
war, war der Spitzenausfluss aus<br />
dem Hangsegment also linear abhängig<br />
von der lateralen Porosität die auch<br />
durch Wurzeln erhöht werden kann.<br />
Die Begründung liegt darin, dass die<br />
Volumenflussdichte gemäss Theorie<br />
eine Funktion von F in der dritten<br />
Potenz und L (linear) ist. Da F nur von<br />
der Niederschlagsintensität abhängig<br />
ist, hängt die Volumenflussdichte bei<br />
gleichbleibender Intensität des Niederschlages<br />
linear von L ab.<br />
Damit kann davon ausgegangen werden,<br />
dass lateral verlaufende Wurzeln<br />
den hangparallelen Fluss erhöhen und<br />
Zeit, s<br />
WST 46 und 49<br />
WST 19f<br />
Abb. 6. Modellierter Ausfluss aus einem Hang bei einer Niederschlagsdauer von 3600 s und<br />
einer Intensität von 70 mm h -1 . Tiefe der Stauschicht: 0,5 m; Hangneigung: 30 °; Filmdicke F:<br />
1,755 × 10 –5 m; Kontaktlänge L: 1669 m m –2 (WST 46, 49) bzw. 4022 m m –2 (WST 19f). Kein<br />
Oberflächenabfluss, rein gravitativer Fluss in grösseren Poren.<br />
damit die Schutzwirkung der Wälder<br />
vermindern können. Diese Schlussfolgerung<br />
muss allerdings relativiert werden<br />
wenn die Fliessdistanz des Wassers<br />
zwischen dem Beginn des Niederschlags<br />
und dem Spitzenabfluss berücksichtigt<br />
wird. Wenn angenommen wurde, dass<br />
das Wasser vertikal bis zur Stauschicht<br />
floss und sich anschliessend lateral daran<br />
entlang bewegte, resultierte eine<br />
laterale Fliessdistanz bis zum Zeitpunkt<br />
des Spitzenabflusses (3828 s nach Niederschlagsbeginn)<br />
von gerade einmal<br />
2,7 m bei einem Niederschlagereignis<br />
von 1 Stunden Dauer und einer Intensität<br />
von 70 mm h –1 . Die abflussbeitragende<br />
Fläche beim Spitzenabfluss erstreckte<br />
sich damit maximal 2,7 m seitlich vom<br />
Gewässer hangaufwärts. Weiter entfernte<br />
Flächen wurden erst zu einem späteren<br />
Zeitpunkt abflusswirksam wenn<br />
die Volumenflussdichte der gerinnenahen<br />
Flächen bereits wieder abnimmt<br />
und sich damit der Ausfluss aus dem<br />
Hang verringert. Damit kann auch die<br />
Wirkung von durch Wurzeln gebildeten<br />
lateralen Poren auf den Spitzenabfluss
88 Forum für Wissen 2013<br />
relativiert werden, da unsere Modellierung<br />
zeigte, dass diese nur sehr gerinnenah<br />
oder bei sehr lang anhaltenden Niederschlägen<br />
von hydrologischer Bedeutung<br />
waren. Wurde dagegen ein längerer<br />
Zeitrahmen betrachtet, erhöhte sich die<br />
Grösse der abflussbeitragenden Fläche.<br />
So war nach 10 Stunden eine Distanz<br />
von etwa 11,3 m hangaufwärts am Ausfluss<br />
beteiligt wobei dann der Ausfluss<br />
nur noch etwa 28 Prozent des Spitzenabflusses<br />
betrug. Hinzu kommt, dass in<br />
realen Böden Wasser von präferenziellen<br />
Fliesspfaden in kleinere Poren abstrahiert<br />
wird und kurz bis mittelfristig<br />
durch Kapillarkräfte gebunden werden<br />
kann (Hincapie und Germann 2009a)<br />
was den lateralen Abfluss weiter vermindern<br />
wird.<br />
Auch wenn eine hohe Wurzeldichte<br />
den lateralen Fluss im Boden erhöhen<br />
kann, sei an dieser Stelle ausdrücklich<br />
darauf hingewiesen, dass die Verminderung<br />
oder Verhinderung des Oberflächenabflusses<br />
ein zentrales Ziel der<br />
Hochwasserschutzfunktion des Waldes<br />
sein sollte. Damit kann einerseits eine<br />
schnelle Abflussantwort der Gewässer<br />
verzögert, andererseits der Boden als<br />
potentieller Zwischenspeicher erst zur<br />
Verfügung gestellt werden. Oberflächenabfluss<br />
erreicht Geschwindigkeiten<br />
von bis zu 10 cm s –1 (Wohlrab et al.<br />
1992), während sich Fliessgeschwindigkeiten<br />
in präferenziellen Fliesspfaden<br />
im Boden meist zwischen 0,01 bis 0,5 cm<br />
s –1 (Germann und Hänsel 2006) bewegen.<br />
Dies führt bereits zu einer deutlichen<br />
Verzögerung des Abflusses. Eine<br />
durch Wurzeln erwirkte höhere Infiltration<br />
vergrössert auch den Speicherraum<br />
im Boden, die Wasseraufnahmekapazität<br />
kann gesteigert werden. Die positiven<br />
Auswirkungen erhöhter Durchwurzelungsdichten<br />
auf die vertikale<br />
Infiltration überwiegen damit bei weitem<br />
und überkompensieren die negativen<br />
Effekte bezüglich des Hochwasserschutzes<br />
aufgrund potentiell höherer<br />
lateraler Fliessgeschwindigkeiten.<br />
3.5 Klimaänderung und Schutzwirkung<br />
renzkraft heute verbreitete Arten teilweise<br />
verdrängen. Damit geht auch<br />
eine Veränderung der Durchwurzelungssituation<br />
und der Schutzwirkung<br />
einher. Um die daraus resultierenden<br />
Konsequenzen abzuschätzen wurde ein<br />
Szenario verwendet, bei dem Buchen<br />
infolge der Klimaänderung vermehrt<br />
in heutige Hochwasserschutzwälder<br />
des WST 46 einwandern und vor allem<br />
Fichten verdrängen werden (Brzeziecki<br />
et al. 1995). Es wurde angenommen,<br />
dass sich die Wurzeldichte im heutigen<br />
WST 46 mit dem Einwachsen der<br />
Buche zukünftig zu derjenigen verändern<br />
wird, wie sie heute im WST 19f<br />
typisch ist. Aufgrund der Korrelation<br />
zwischen der Wurzeldichte und der<br />
Amplitude der Infiltration liess sich<br />
anschliessend abschätzen, wie sich die<br />
Wasserspeicherkapazität mit einem<br />
höheren Anteil der Buchen voraussichtlich<br />
ändern würde. Details der<br />
Berechnungsgrundlage sind in Lange<br />
et al. (2013) zu finden. Aufgrund<br />
der tendenziell höheren Wurzeldichte<br />
im WST 19f kann von einer höheren<br />
Wasserspeicherkapazität ausgegangen<br />
werden. In den obersten 10 cm des<br />
Bodens ist eine leichte Abnahme des<br />
Wasserspeichervermögens zu erwartet,<br />
da hier die Wurzeldichte in den WST<br />
46, 49 durchschnittliche höher war als<br />
Zusätzlicher Wasserspeicher WST 19f<br />
Tiefenbereich, m<br />
1,0−0,8 0,8−0,6 0,6−0,4 0,4−0,2 0,2−0,0<br />
im WST 19f. Dagegen wird in mittleren<br />
Bodentiefen zwischen rund 0,1 und<br />
0,8 m eine Zunahme der Wasseraufnahmekapazität<br />
erwartet (Abb. 7).<br />
Der zusätzliche Wasserspeicherraum<br />
summiert sich über eine Bodentiefe<br />
von einem Meter auf rund 9 mm,<br />
was im Untersuchungsgebiet rund 15<br />
Prozent eines einstündigen Extremniederschlagereignisses<br />
mit einer Wiederkehrperiode<br />
von 100 Jahren entspricht.<br />
Auch wenn dieses Ergebnis<br />
zeigt, dass der Wasserspeicherraum<br />
im heutigen WST 46 mit einem höheren<br />
Buchenanteil vergrössert wird,<br />
kann trotzdem nicht von einer generellen<br />
Verbesserung der Hochwasserschutzfunktion<br />
ausgegangen werden,<br />
da die Klimaerwärmung auch intensivere<br />
Niederschlagsereignisse mit sich<br />
bringen könnte (OcCC/ProClim 2007).<br />
Zudem wurde nur ein WST untersucht<br />
und die Folgen potentieller, klimatisch<br />
bedingter Artenwechseln auf das Wasserspeichervermögen<br />
von Böden anderer<br />
WST sind weitgehend unbekannt.<br />
Die Ergebnisse sind repräsentativ für<br />
kurzzeitige Starkniederschlagsereignisse<br />
bei hoher Bodenfeuchte im nordalpinen<br />
Flyschgürtel mit Tannen-Fichtenwäldern<br />
und in Höhenlagen wo die<br />
Buche die Fichte voraussichtlich stark<br />
konkurrieren wird.<br />
Die globale Erwärmung wird die Baumartenzusammensetzung<br />
in gewissen<br />
Höhenstufen verändern. Frostempfind<br />
liche Arten können höhere Lagen<br />
be stocken und aufgrund ihrer Konkur-<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5<br />
Zusätzlicher Wasserspeicher, mm<br />
Abb. 7. Zusätzlicher Wasserspeicher (Amplitude der Infiltration) in mm wenn die Buche im<br />
WST 46 infolge der Klimaerwärmung dominanter wird.
Forum für Wissen 2013 89<br />
4 Der ideale Hochwasserschutzwald<br />
Hochwasserschutzwälder stocken vielerorts<br />
auf vernässten Böden die bei<br />
stärkeren Niederschlagereignissen und<br />
höheren Bodenwassergehalten zur Bildung<br />
von Oberflächenabfluss neigen.<br />
Ein wichtiges Schutzziel dieser Wälder<br />
ist die Erhöhung der Infiltrationskapazität<br />
und des Wasserspeichervermögens<br />
des Bodens. Unsere Studien weisen<br />
klar daraufhin, dass Wurzeln das<br />
Infiltrationsvermögen und die Wasserspeicherkapazität<br />
von Böden massgeblich<br />
verbessern können. Das Ziel im<br />
Hochwasserschutzwald sollte deshalb<br />
eine in allen Dimensionen möglichst<br />
hohe Wurzeldichte sein, die auch vernässte<br />
Horizonte einbezieht und grössere<br />
Lücken in der Durchwurzelung<br />
des Bodens ausschliesst. Damit kann<br />
auch eine vorhandene Stauschicht<br />
erschlossen werden und potentielle<br />
laterale Fliesspfade entlang der Stauschicht<br />
können unterbrochen werden.<br />
Verschiedene Studien haben gezeigt,<br />
dass bei einzelbaumweiser Baumartenmischung,<br />
bei gleichzeitigem Vorhandensein<br />
unterschiedlicher Altersstufen<br />
und bei einer Mischung von eher<br />
flach- und tiefwurzelnder Arten eine<br />
maximale Durchwurzelungsintensität<br />
über den gesamten potentiellen Wurzelraum<br />
erreicht wird (Fölster et al.<br />
1991; Schmid und Kazda 2002). Daraus<br />
können folgende Anforderungen an<br />
Hochwasserschutzwäldern auf vernässten<br />
Böden abgeleitet werden:<br />
1. Der Bestand soll über eine einzelbaumweise<br />
Artenmischung verfügen.<br />
2. Die Baumarten sollen über unterschiedliche<br />
Wurzelsysteme verfügen<br />
(Flach-, Herz- und Pfahlwurzeln)<br />
um den gesamten potentiellen Wurzelraum<br />
optimal zu erschliessen.<br />
3. Mindestens eine Baumart, idealerweise<br />
die am tiefsten wurzelnde,<br />
sollte auch in teilweise anaeroben<br />
Bodenhorizonten wurzeln können.<br />
4. Unterschiedliche Altersstufen sollten<br />
gleichzeitig vorhanden sein. Nebst<br />
einer Erhöhung der Wurzeldichte<br />
kann damit auch eine ausreichende<br />
Verjüngung und die nötige Bestandesstabilität<br />
sichergestellt werden.<br />
Diese Erkenntnisse decken sich mit<br />
denen von Frehner et al. (2005), die<br />
in der Wegleitung «Nachhaltigkeit<br />
und Erfolgskontrolle im Schutzwald»<br />
(NaiS) Zielgrössen bezüglich der<br />
Artenmischung, Bestandesstruktur und<br />
Verjüngung für schutzrelevante Waldstandortstypen<br />
definiert haben. Die<br />
Autoren fordern generell eine naturnahe,<br />
stufige Bestockung mit hohem<br />
Deckungsgrad um den Wurzelraum<br />
optimal zu erschliessen und damit die<br />
Schutzwirkung zu optimieren. Frehner<br />
et al. (2005) stellen zudem Unterlagen<br />
zur Verfügung, um den aktuellen<br />
Zustand der Schutzwälder zu erfassen<br />
und daraus waldbauliche Massnahmen<br />
zur Optimierung der Schutzfunktion<br />
abzuleiten.<br />
Die Wirkung der Hochwasserschutzwälder<br />
beruht einerseits auf der Porosität<br />
des Bodens welche massgeblich<br />
durch Wurzeln gebildet wird, andererseits<br />
aber auch auf erhöhten Interzeptions-<br />
und Transpirationraten von<br />
Wäldern gegenüber offener Vegetation.<br />
Das führt dazu, dass der Boden vor<br />
einem Niederschlagereignis trockener<br />
sein kann und damit ein höheres Speichervermögen<br />
aufweist. Die hier präsentierten<br />
Studien befassten sich vor<br />
allem mit der Wirkung von Wurzeln<br />
auf die Infiltration. Um die Waldwirkung<br />
auf den Hochwasserschutz umfassend<br />
zu untersuchen, müssten auch die<br />
Interzeption und Transpiration berücksichtig<br />
werden. Bei der Transpiration<br />
von Bäumen wird, je nach Durchwurzelungstiefe,<br />
Wasser aus unterschiedlichen<br />
Bodentiefen entnommen. Auch<br />
bei diesem Prozess sind damit Wurzeln<br />
von zentraler Bedeutung und eine<br />
Abschätzung der Auswirkungen der<br />
Transpiration auf den Bodenwassergehalt<br />
und potentiellen Wasserspeicher<br />
bedingt Kenntnisse über die standortstypische<br />
Durchwurzelungssituation.<br />
Generell existieren bislang nur wenige<br />
Daten zur vertikalen und lateralen<br />
Durchwurzelung verschiedener WST.<br />
Dies ist primär darin begründet, dass<br />
die Erfassung der Durchwurzelungssituation<br />
zeitraubend ist und die Ergebnisse<br />
aufgrund der Inhomogenität der<br />
Böden und Bestände nur unter Vorbehalten<br />
auf andere Standorte übertragen<br />
werden können. Möglicherweise<br />
bieten sich hier Wurzelmodellierungen<br />
an, wie sie zum Beispiel von Schwarz<br />
et al. (2010) durchgeführt wurden. Ein<br />
besserer Kenntnisstand über Dichten<br />
und räumliche Verteilungen von Wurzeln<br />
liesse eine Verbesserung hydro-<br />
logischer Modelle zu und würde auch<br />
in anderen Gebieten, wie zum Beispiel<br />
der Modellierung von Trockenstressrisiken<br />
aufgrund der Klimaerwärmung,<br />
entscheidend zur Verbesserung von<br />
Vorhersagemodellen beitragen.<br />
Einige offenen Fragen, in welcher<br />
Weise und unter welchen Umständen<br />
der Wald einen Beitrag zum Hochwasserschutz<br />
leisten kann, wurden in den<br />
letzten Jahren beantwortet. Allerdings<br />
bereitet es nach wie vor Schwierigkeiten,<br />
daraus allgemeine Zusammenhänge<br />
abzuleiten da sowohl die Vorfeuchte<br />
des Bodens, die Bodeneigenschaften,<br />
Niederschlagscharakteristiken und<br />
Bestandesparameter hochvariabel sind.<br />
Für die Praxis hat die Wegleitung von<br />
Frehner et al. (2005) auch nach neusten<br />
Erkenntnissen ihre Gültigkeit und<br />
bietet einen dem Stand des Wissens<br />
angepassten Rahmen, um die Hochwasserschutzwirkung<br />
von Wäldern<br />
abzuschätzen, zu erhalten und gegebenfalls<br />
mittels forstlicher Massnahmen<br />
zu verbessern.<br />
5 Danksagung<br />
Die Autoren bedanken sich bei Roger<br />
Köchli und Marco Walser von der Eidg.<br />
Forschungsanstalt <strong>WSL</strong> (Schweiz) und<br />
bei Andreas Bauer, Thomas Gräff und<br />
Irene Hahn von der Universität Potsdam<br />
(Deutschland) für die Hilfe bei<br />
der Feldarbeit. Philipp Mösch von der<br />
Waldabteilung 5 (Kt. Bern) hat uns bei<br />
der Suche nach Untersuchungsgebieten<br />
unterstützt und uns erlaubt, die Feldarbeiten<br />
durchzuführen. Die hier vorgestellten<br />
Forschungsarbeiten wurden<br />
durch die COST-Aktion E38 (Woody<br />
Root Processes), das Forschungsprogramm<br />
«Wald und Klimawandel» der<br />
Eidg. Forschungsanstalt <strong>WSL</strong> und des<br />
Bundesamtes für Umwelt BAFU sowie<br />
durch den Schweizerischen Nationalfonds<br />
finanziell unterstützt und ermöglicht.
90 Forum für Wissen 2013<br />
6 Literatur<br />
Beschta, R.L.; Pyles, M.R.; Skaugset, A.E.;<br />
Surfleet, C.G., 2000: Peakflow responses<br />
to forest practices in the western cascades<br />
of Oregon, USA. J. Hydrol. 233: 102–120.<br />
Brzeziecki, B.; Kienast, F.; Wildi, O., 1995:<br />
Modeling potential impacts of climate-change<br />
on the spatial-distribution of<br />
zonal forest communities in Switzerland.<br />
J. Veg. Sci. 6, 2: 257–268.<br />
Burch, H.; Forster, F.; Schleppi, P., 1996:<br />
Zum Einfluss des Waldes auf die Hydrologie<br />
der Flysch-Einzugsgebiete des Alptals.<br />
Schweiz. Z. Forstwes. 147, 12: 925–937.<br />
Engler, A., 1919: Untersuchungen über den<br />
Einfluss des Waldes auf den Stand der<br />
Gewässer. Mitt. Schweiz. Zent.anst. forstl.<br />
Vers.wes. XII Band.<br />
Fölster, H.; Degenhardt, M.; Flor, T.; Lux,<br />
M., 1991: Untersuchungen zur Tiefendurchwurzelung<br />
und Durchwurzelungsintesität<br />
auf Braunerden-Pseudogleyen<br />
im Vorderen Hunsrück in Abhängigkeit<br />
von Baumart und Bestandesstrukturparametern.<br />
Mitt. Forstl. Vers.anst. Rheinland-Pfalz.<br />
19: 91–106.<br />
Frehner, M.; B. Wasser, B.; Schwitter, R.,<br />
2005: Nachhaltigkeit und Erfolgskontrolle<br />
im Schutzwald. Bern, BUWAL.<br />
Gerber, B., 1989: Waldflächenveränderungen<br />
und Hochwasserbedrohung im Einzugsgebiet<br />
der Emme. Geogr. Bern. G33.<br />
Germann, P.F.; Hensel, D., 2006: Poiseuille<br />
flow geometry inferred from velocities of<br />
wetting fronts in soils. Vadose Zone J. 5:<br />
867–876.<br />
Germann, P.; Helbling, A.; Vadilonga, T.,<br />
2007: Rivulet approach to rates of preferential<br />
infiltration. Vadose Zone J. 6:<br />
207–220.<br />
Hincapié, I.; Germann, P., 2009a: Length<br />
scale of abstraction from water content<br />
waves during gravity-driven viscous infiltration.<br />
Vadose Zone J. 8: 996–1003.<br />
Hincapié, I.; Germann, P., 2009b: Impact of<br />
initial and boundary conditions on preferential<br />
flow. J. Contam. Hydrol. 104:<br />
63–73.<br />
Lamande, M.; Hallaire, V.; Curmi, P.;<br />
Peres, G.; Cluzeau, D., 2003: Changes<br />
of pore morphology, infiltration and<br />
earthworm community in a loamy soil<br />
under different agricultural managements.<br />
Catena. 54, 3: 637–649.<br />
Lange, B.; Germann, P.; Lüscher, P., 2009:<br />
Significance of tree roots for preferential<br />
infiltration in stagnic soils. Hydrol. Earth<br />
Syst. Sci. 13: 1809–1821.<br />
Lange, B.; Germann, P.F.; Lüscher, P., 2010:<br />
Einfluss der Wurzeln auf das Wasserspeichervermögen<br />
hydromorpher Waldböden.<br />
Schweiz. Z. Forstwes. 161: 510–516.<br />
Lange, B.; Germann, P.F.; Lüscher, P., 2013:<br />
Greater abundance of Fagus sylvatica in<br />
coniferous flood protection forests due to<br />
climate change: impact of modified root<br />
densities on infiltration. Eur. J. For. Res.<br />
132: 151–163.<br />
Li, Y. M.; Ghodrati, M., 1994: Preferential<br />
transport of nitrate through soil columns<br />
containing root channels. Soil Sci. Soc.<br />
Am. J. 58: 653–659.<br />
Abstract<br />
Tree roots and infiltration<br />
Since the 19 th century, it has been widely assumed that forests mitigate runoff<br />
because forest soils are thought to be more porous than soils outside the forest.<br />
Not until the 1980s, however, did the scientific community begin to discuss this<br />
forest hydrological paradigm seriously. Today it is no longer assumed that the mere<br />
existence of a forest is sufficient to mitigate runoff. A forest’s capacity for water<br />
retention depends on the characteristics of both its soil and forest stands. Several<br />
studies have shown that tree roots are relevant pore-generators in forest soils.<br />
Here we present the results of three research projects on the influence of roots on<br />
vertical and lateral water flow in forests soils of pre-alpine forests in Switzerland.<br />
The presence of tree roots in the soil was found to increase the soil’s infiltration<br />
and water storage capacity in the forest communities we investigated. Thus, water<br />
retention can be optimized through silvicultural interventions. A comparison of<br />
the root densities and water storage capacities in different forest stands indicated<br />
that the tree species shift from spruce- to beech-dominated mixed forests expected<br />
under climate change will probably increase slightly the water storage capacity in<br />
the soils of stands where this shift takes place.<br />
Lüscher, P.; Zürcher, K., 2003: Waldwirkung<br />
und Hochwasserschutz: Eine differenzierte<br />
Betrachtungsweise ist angebracht.<br />
Ber. Bayer. Landesanst. Wald<br />
Forstwirtsch. 40: 30–33.<br />
Meek, B.D.; Rechel, E.A.; Carter, L.M.;<br />
Detar, W.R., 1989: Changes in infiltration<br />
under Alfalfa as influenced by time<br />
and wheel traffic. Soil Sci. Soc. Am. J. 53:<br />
238–241.<br />
Möschke, H., 1998: Abflussgeschehen im<br />
Bergwald – Untersuchungen in drei be -<br />
wal deten Kleineinzugsgebieten im Flysch<br />
der Tegernseer Berge. Forstl. Forsch.ber.<br />
Münch. 169.<br />
Noguchi, S.; Tsuboyama, Y.; Sidle R.C.;<br />
Hosoda, I., 1999: Morphological characteristics<br />
of macropores and the distribution<br />
of preferential flow pathways in a<br />
forested slope segment. Soil Sci. Soc. Am.<br />
J. 63: 1413–1423.<br />
OcCC/ProClim (Hrsg.) 2007: Klimaänderung<br />
und die Schweiz 2050. Erwartete<br />
Auswirkungen auf Umwelt, Gesellschaft<br />
und Wirtschaft. Bern.<br />
Romkens, M.J.M.; Prasad, S.N., 2006: Rain<br />
Infiltration into swelling/shrinking/cracking<br />
soils. Agric. Water Manage. 86, 1–2:<br />
196–205.<br />
Röthlisberger, G., 1991: Chronik der<br />
Unwetterschäden in der Schweiz. Ber.<br />
Eidgenöss. Forsch.anst. Wald Schnee<br />
Landsch. 330 S.<br />
Schmid, I.; Kazda, M., 2001: Vertical distribution<br />
and radial growth of coarse roots<br />
in pure and mixed stands of Fagus sylvatica<br />
and Picea abies. Can. J. For. Res. – Rev.<br />
Can. Rech. For. 31: 539–548.<br />
Schwarz, M; Lehmann, P.; Or, D., 2010:<br />
Quantifying lateral root reinforcement in<br />
steep slopes – from a bundle of roots to<br />
tree stands. Earth Surf. Process. Landf. 35:<br />
354–367.<br />
Wohlrab, B.; Ernstberger, H.; Meuser, A.;<br />
Sokollel, V., 1992: Landschaftswasserhaushalt:<br />
Wasserkreislauf und Gewässer<br />
im ländlichen Raum; Veränderungen<br />
durch Bodennutzung, Wasserbau und<br />
Kul turtechnik. Hamburg / Berlin, Paul<br />
Parey. 335 S.<br />
Zimmermann, S.; Luster, J.; Blaser, P.; Walthert,<br />
L.; Lüscher, P., 2006: Waldböden<br />
der Schweiz. Band 3. Region Mittelland<br />
und Voralpen. Birmensdorf, Eidgenössische<br />
Forschungsanstalt <strong>WSL</strong>, Bern, Hep<br />
Verlag, 768 S.<br />
Keywords: infiltration, soil water flow, flood protection forests, tree roots, lateral<br />
subsurface flow, climate change
Forum für Wissen 2013: 91–98 91<br />
Die Bedeutung der Waldböden für Wassermenge<br />
und -qualität in Einzugsgebieten<br />
Karl-Heinz Feger 1 , Raphael Benning 1 und Andreas Wahren 1,2<br />
1<br />
Institut für Bodenkunde und Standortslehre, Technische Universität Dresden, Pienner Str. 19, D-01737 Tharandt,<br />
fegerkh@forst.tu-dresden.de, raphael.benning@tu-dresden.de<br />
2<br />
Dr. Dittrich & Partner Hydro-Consult GmbH, Gerlinger Strasse 4, D-01728 Bannewitz, Wahren@Hydro-Consult.de<br />
Am Beispiel längerfristiger hydrologischer und biogeochemischer Messungen und<br />
darauf gestützter Modellierung des Gebietswasserhaushalts wird für das Erzgebirge<br />
(Sachsen, Deutschland) der Einfluss der Waldböden auf wasserbezogene Ökosystemdienstleistungen<br />
verdeutlicht. Die Wasserqualität wird durch Überlagerung<br />
natürlicher Bodenprozesse (v.a. Podsolierung) und Nachwirkung der früher extrem<br />
hohen Schwefel-Belastung bestimmt. Problematisch aus Sicht der Wasserversorgung<br />
sind gelöste Huminstoffe, allerdings mit boden-/standortsabhängiger<br />
Differenzierung. Im Vergleich zur Agrarnutzung sind Stickstoff- und Phosphor-<br />
Austräge sehr gering. Simulationen mit Landnutzungsszenarien unterschiedlich<br />
grosser Waldanteile lassen erkennen, dass der Abfluss zurückgeht, die Hochwasserretention<br />
aber ansteigt. Künftige Herausforderungen für Wissenschaft und<br />
Planung liegen in einer stärkeren Verknüpfung von Wasserqualität und -menge.<br />
1 Hintergrund<br />
Wälder spielen im Wasserhaushalt von<br />
Landschaften eine bedeutende Rolle.<br />
Ein hoher Waldanteil im Einzugsgebiet<br />
gilt als Garant für eine gute Rohwasserqualität<br />
für die Trinkwasserversorgung.<br />
Waldbestockung wirkt sich günstig<br />
auf den Wasserrückhalt aus. Wasserschutz<br />
ist daher integraler Bestandteil<br />
einer am Prinzip der Nachhaltigkeit<br />
orientierten Waldbewirtschaftung. So<br />
formulierte bereits 1993 die Europäische<br />
Forstministerkonferenz in Helsinki<br />
(MCPFE 1993): «Die Methoden<br />
der Waldbewirtschaftung sollten angemessene<br />
Rücksicht auf den … Schutz<br />
der Qualität und Quantität des Wassers<br />
… und den Schutz gegen Hochwasser<br />
… nehmen.» Die Warschau-Konferenz<br />
(MCPFE 2007) widmete dem Thema<br />
«Wald und Wasser» sogar eine eigene<br />
Resolution. Darin wird gefordert, die<br />
Leistungen von Wäldern in Bezug auf<br />
Wassermenge und -qualität und den<br />
Hochwasserschutz zu bewerten und in<br />
ein System von Zahlungen von Ökosystemdienstleistungen<br />
zu integrieren,<br />
um die allgemeinen Schutzleistungen<br />
von Wäldern zu gewährleisten.<br />
Die Anforderungen an eine dem<br />
Management der Ressource Wasser<br />
angepasste Waldbewirtschaftung variieren<br />
regional und standörtlich. Im<br />
einen Fall steht das Wasserangebot, im<br />
anderen die Wasserqualität oder die<br />
Steuerung des Oberflächenabflusses im<br />
Vordergrund. Dabei geht es nicht allein<br />
um etablierte Waldflächen, sondern<br />
auch um solche, wo eine Waldbestockung<br />
geschaffen werden sollte, damit<br />
bestimmte Leistungen künftig besser<br />
erfüllt werden. Da Wasserwirtschaft<br />
jedoch auf wesentlich grösseren räumlichen<br />
Skalenebenen, meist für Flusseinzugsgebiete,<br />
abläuft als die forstliche<br />
(und selbstverständlich auch die<br />
landwirtschaftliche) Nutzung, ist häufig<br />
unklar, welche Effekte die Landnutzung<br />
beziehungsweise deren Änderung<br />
hat. Unklar ist meist auch, an welchem<br />
Ort im Einzugsgebiet wasserbezogene<br />
Ökosystemdienstleistungen entstehen<br />
und in welcher Menge, Intensität und<br />
zeitlicher Dauer sie einem Nutzer, das<br />
ist meist die Allgemeinheit, zur Verfügung<br />
gestellt werden und wie sich diese<br />
Leistungen durch verschiedenste Einflüsse<br />
verändern (Brauman et al. 2007).<br />
Die Gewinnung relevanter Informationen<br />
und der Skalentransfer sind<br />
daher wesentliche Aufgabe der (forst-)<br />
hydrologischen Forschung (vgl. Pilaš<br />
et al. 2010). Darüber hinaus gewinnen<br />
solche Informationen eine zunehmende<br />
Bedeutung für die Umsetzung von<br />
Regelungen auf EU-Ebene (Wasserrahmenrichtlinie,<br />
Hochwasserrichtlinie).<br />
Den Böden kommt bei den komplexen<br />
Wechselwirkungen des Wassers auf<br />
seinem Weg durch das Einzugsgebiet<br />
eine zentrale Bedeutung zu. Daher sind<br />
deren Funktionen als Filter, Puffer,<br />
Speicher und Transformatoren entsprechend<br />
zu erfassen und zu bewerten. Zu<br />
berücksichtigen sind dabei die Vielfalt<br />
der Böden als Ergebnis der Pedogenese<br />
aber auch die meist sehr jungen<br />
Veränderungen in Folge menschlicher<br />
Aktivitäten (vgl. Leitgeb et al. 2013).<br />
Im Beitrag wird an ausgewählten Beispielen<br />
aus dem östlichen und mittleren<br />
Erzgebirge in Sachsen gezeigt, wie<br />
Waldböden sich im Hinblick auf wasserwirtschaftlich<br />
relevante Leistungen<br />
verhalten und wie sich diese Erkenntnisse<br />
künftig auf die Skala grösserer<br />
Einzugsgebiete transferieren lassen.<br />
Das Erzgebirge besitzt die grösste<br />
Waldfläche in Sachsen und hat eine<br />
entsprechend grosse forstwirtschaftliche<br />
Bedeutung. Gleichzeitig gibt<br />
es zahlreiche Talsperren, welche der<br />
Trinkwasserversorgung (etwa der Ballungsräume<br />
Chemnitz und Dresden)<br />
aber auch dem technischen Hochwasserschutz<br />
dienen. Aus der historischen<br />
Entwicklung heraus (Versorgung der<br />
Bergbausiedlungen) ist der Landwirtschaftsanteil<br />
an der Flächennutzung<br />
auch heute noch bedeutsam. Dort wo<br />
es die Bodenverhältnisse zulassen, ist<br />
selbst in den Kammlagen noch Ackerbau<br />
anzutreffen. Eine optimierte Steuerung<br />
der Talsperren im Hinblick auf<br />
Mengen- und Qualitätsziele benötigt<br />
daher umfangreiche Informationen,<br />
nicht zuletzt als Ergebnis interdisziplinärer<br />
Forschung zum Landnutzungseinfluss<br />
(Feger und Wahren 2008).
92 Forum für Wissen 2013<br />
2 Wasserqualität<br />
2.1 Langfristiger Einfluss von Schadstoffeinträgen<br />
über die Luft<br />
Die extrem hohen SO 2 -Emissionen<br />
aus der ungefilterten Verbrennung<br />
von Braunkohle führten seit Ende der<br />
1970er Jahren im Erzgebirge nicht nur<br />
zu den bekannten Waldschäden, sondern<br />
hatten auch beträchtliche Veränderungen<br />
der boden- und gewässerchemischen<br />
Bedingungen zur Folge (vgl.<br />
Armbruster et al. 2003, 2004, 2005).<br />
Die Gewässer waren durch einen<br />
starken Versauerungseinfluss geprägt,<br />
der sich in den pufferschwachen Böden<br />
aus Gneisen und Graniten durch pH-<br />
Werte < 5 sowie stark erhöhte Konzentrationen<br />
von Al-Ionen äusserte. Als<br />
Ursache ist die hohe S-Belastung anzusehen,<br />
welche sich in der Dominanz<br />
der Ionenbilanz durch Sulfat zeigte<br />
(Abb. 1a). In Mittelgebirgen mit geringerer<br />
atmogener Belastung war der<br />
Depositionseinfluss auf den Gewässerchemismus<br />
bei vergleichbaren Puffereigenschaften<br />
der Gesteine und Böden<br />
weit geringer (z. B. Südschwarzwald:<br />
Abb. 1b).<br />
Anfang/Mitte der 1990er Jahre ging<br />
nach Einführung und Umsetzung<br />
umfangreicher Luftreinhaltungsmassnahmen<br />
die S-Depositionsbelastung<br />
stark zurück. Dies bewirkte eine deutliche<br />
Erholung der Gewässerqualität<br />
(Tab. 1). Der pH-Wert stieg deutlich an.<br />
Die besonders deutliche Abnahme der<br />
Sulfat-Konzentrationen auf der Anionenseite<br />
wurde durch eine Abnahme<br />
der Al-Konzentrationen begleitet.<br />
Auch Mn und weitere Schwermetalle<br />
(nicht gezeigt) nahmen deutlich ab.<br />
Standortsökologisch bedeutsam ist<br />
Tab. 1. Übersicht über die langfristige Entwicklung ausgewählter Wasserqualitätsparameter<br />
im Rotherdbach-Einzugsgebiet für drei Zeitscheiben. Angegeben sind die Mittelwerte der<br />
jeweiligen Zeitperiode (aus Benning und Feger 2013).<br />
Zeitraum 1994–1999 2000–2005 2006–2011<br />
pH-Wert 4,3 4,3 4,6<br />
Leitfähigkeit (µS) 148 121 103<br />
–<br />
NO 3 (µmolc L –1 ) 132 73 51<br />
2–<br />
SO 4 (µmolc L –1 ) 715 431 338<br />
Al 3+ (µmolc L –1 ) 279 121 96<br />
Phosphat-P (µg L –1 ) – 29 142<br />
∑ basische Kationen (ohne Na + ) 609 498 407<br />
DOC (mg L –1 ) – 3,3 4,4<br />
Abb. 1. Ionenbilanzen von zwei Experimental-Wassereinzugsgebieten mit Fichtenbestockung<br />
aus Granitpodsolen im östlichen Erzgebirge (links) und Südschwarzwald (rechts);<br />
Mittelwerte aus den Beobachtungzeiträumen 1994–1999 beziehungsweise 1988–1998<br />
(beachte die unterschiedliche Skalierung der x-Achsen; Organische Anionen [aus Anionendefizit]<br />
aus Armbruster et al. 2003).<br />
auch, dass die Austräge der basischen<br />
Kationen Ca 2+ und Mg 2+ (beides sind<br />
wichtige Pflanzennährstoffe) durch<br />
den Sulfat-Rückgang und entsprechend<br />
geringere Pufferbeanspruchung<br />
ebenfalls deutlich zurückgingen.<br />
Wasserwirtschaftlich relevant sind<br />
die heute deutlich höheren Konzentrationen<br />
an gelöster organischer Substanz<br />
(DOC). Die Wasserversorger<br />
müssen einen höheren Aufbereitungsaufwand<br />
betreiben, um diese braungefärbten<br />
Huminstoffe aus dem Rohwasser<br />
zu entfernen. Der in vielen<br />
Mittelgebirgsgewässern in Mittel- /<br />
Nordeuropa und Nordamerika seit<br />
etwa 20 Jahren festgestellte langsame<br />
Anstieg der DOC-Konzentrationen<br />
(z. B. Evans et al. 2006) ist auf eine verändere<br />
chemische Zusammensetzung<br />
des Sickerwassers infolge einer verringerten<br />
atmogenen Depositionsbelastung<br />
zurückzuführen (vgl. Sucker und<br />
Krause 2010). Interessant ist auch, dass<br />
die relativ niedrigen P-Austräge in jüngerer<br />
Zeit etwas angestiegen sind. Dies<br />
beeinflusst den Trophiezustand der Talsperren,<br />
wo die Einträge aus der Landwirtschaft<br />
und dem Siedlungsbereich<br />
seit Anfang / Mitte der 1990er Jahre<br />
stark zurückgingen (Reichelt 2012).<br />
Betrachtet man die zeitliche Variabilität<br />
von Oberflächenwässern aus<br />
Waldgebieten mit multivariaten Statistikmethoden,<br />
so kommt neben der<br />
mehr oder weniger deutlichen Überprägung<br />
durch den S-Eintrag und die<br />
Sulfat-Dominanz auch der Einfluss des<br />
Gestein- / Bodenfaktors deutlich zum<br />
Vorschein. In den basenarmen Mittelgebirgen<br />
ist als prägender (natürlicher)<br />
Bodenprozess vorrangig die Podsolierung<br />
erkennbar. Hier ist nicht nur<br />
der Podsolierungsgrad entscheidend,<br />
sondern auch der Anteil des oberflächennahen<br />
Abflusses (Interflow). Dieser<br />
führt vor allem bei Schneeschmelze<br />
und Starkregen dazu, dass die Filterund<br />
Pufferkapazität der Unterböden<br />
besonders bei vernässten und sickerschwachen<br />
Böden weniger zur Geltung<br />
kommt (vgl. Feger und Brahmer 1986;<br />
Menzer und Feger 2005). Insofern ist<br />
also der Oberbodenzustand und damit<br />
auch die Podsolierung, die waldbaulich<br />
beeinflusst werden kann, wichtig für<br />
die Wasserqualität.<br />
Die Erholung der Gewässerqualität,<br />
die bislang stark durch die atmogene<br />
Versauerung geprägt war, zeigt
Forum für Wissen 2013 93<br />
Abb. 2. Vorräte der Schwefel-Bindungsformen in den Waldböden der 8 Level-II-Standorte<br />
in Sachsen (Stot = Gesamt-S, Sorg = organisch gebundender S; weitere Fraktionen sind austauschbarer<br />
und wasserlöslicher Sulfat-S); aus: Wunderlich et al. (2006).<br />
Kalkungsmassnahmen besteht auch<br />
darin, das Quell- und Grundwasser vor<br />
Schwermetall-, Aluminium- und Säureeinträgen<br />
zu schützen. Diesen Motiven<br />
stehen allerdings eine Reihe möglicher<br />
Risiken gegenüber: vorrangig eine<br />
erhöhte Auswaschung von Nitrat als<br />
Folge einer angekurbelten mikrobiellen<br />
Humusumsetzung und Überschuss-<br />
Nitrifikation sowie eine Mobilisierung<br />
von DOC (Feger 1996). Auch die<br />
Mobilisierung von organisch gebundenem<br />
Boden-Schwefel wird hier diskutiert<br />
(s. o.; Feger 1998). Ein Anstieg<br />
beider Parameter hätte Konsequenzen<br />
für die Trinkwassergewinnung.<br />
Die aus Untersuchungen der Zusammensetzung<br />
des Bodensickerwassers<br />
auf Standortsebene abgeleitete kritische<br />
Bewertung von Waldkalkungen<br />
im Hinblick auf die Wasserqualität (z. B.<br />
Beese und Meiwes 1995; Kreutzer<br />
1995) relativiert sich allerdings, wenn<br />
man Kalkungsexperimente auf der<br />
Skala kleiner Einzugsgebiete betrachtet.<br />
So zeigte die einmalige Ausbringung<br />
von 4 t ha –1 dolomitischem Kalk<br />
im Südschwarzwald (Gebiet Schluchsee)<br />
und Osterzgebirge (Rotherdbach)<br />
insgesamt nur geringe Auswirkungen<br />
auf die chemische Zusammensetzung<br />
des Gebietsabflusses (Armbruster<br />
et al. 2004). Die Lösung des oberflächlich<br />
ausgebrachten Dolomitkalkes<br />
schreitet nur sehr langsam voran. Wie<br />
wiederholte Bodeninventuren in den<br />
ARINUS-Experimental-Einzugsgebieeine<br />
deutliche Verzögerung. Betrachtet<br />
man S-Eintrag- /Austrag-Bilanzen, so<br />
wird deutlich, dass die Waldökosysteme<br />
im Erzgebirge (wie auch an anderen<br />
Waldstandorten Mitteleuropas, aber<br />
in einem viel stärkeren Masse) den<br />
Schwefel aus der S-Deposition früherer<br />
Jahre im Boden akkumuliert haben<br />
(Abb. 2). Vor diesem Hintergrund fungieren<br />
die Böden daher als S-Quelle.<br />
Für den Bodenschutz bedeutsam ist<br />
dabei, dass ein beträchtlicher Teil dieser<br />
S-Vorräte in den Böden organisch<br />
gebunden ist und damit in ähnlicher<br />
Weise wie N mikrobiellen Umsetzungen<br />
unterworfen ist. Störungen<br />
des Humuskörpers (z. B. durch starke<br />
Bestandesauflichtung etwa nach Windwürfen,<br />
Schneebruch, Insektenkalamitäten)<br />
können daher analog zu Nitrat<br />
zu Versauerungsschüben mit entsprechenden<br />
Austrägen von Kationen führen<br />
(vgl. Feger 1998).<br />
2.2 Wirkung von Bodenschutzkalkungen<br />
Grossflächige Kalkungen haben in der<br />
forstlichen Praxis einiger deutscher<br />
Bundesländer seit den 1990er Jahren<br />
weite Verbreitung gefunden. Dabei<br />
überlagern sich häufig ganz unterschiedliche<br />
Ziele: Bodenmelioration,<br />
Säurekompensation, Düngung, Bodenbzw.<br />
Grundwasserschutz (vgl. Feger<br />
1996). Ein häufig genanntes Ziel von<br />
ten im Südschwarzwald zeigten, hatte<br />
die Kalkung nur eine geringe bodenchemische<br />
Tiefenwirkung (das heisst<br />
höhere Basensättigung und höhere pH-<br />
Werte) (Raspe und Feger 1998). Somit<br />
waren die Austauschgleichgewichte<br />
im Mineralboden kaum verändert, die<br />
chemische Zusammensetzung des tieferen<br />
Sickerwassers variierte kaum. Bei<br />
erhöhten Abflüssen war nach Kalkung<br />
allerdings eine leicht verbesserte Säurepufferung<br />
zu beobachten. In beiden<br />
gekalkten Einzugsgebieten zeigte sich<br />
im Bachwasser keine Reaktion bei Nitrat.<br />
Ein erhöhter Nitrat-Austrag nach<br />
Waldkalkung dürfte wohl am ehesten<br />
dort auftreten, wo sich klare Indikatoren<br />
einer N-Sättigung des Waldökosystems<br />
zeigen (Beispiel: stadtnahe Wälder<br />
im Ballungsraum Rhein-Neckar:<br />
Feger 2007). Bei DOC ist zu beachten,<br />
dass in den letzten Jahren ein genereller<br />
Trend in Richtung höherer Austräge<br />
aus Waldböden feststellbar ist, wofür<br />
Bodenschutzkalkungen als Hauptursache<br />
aber ausscheiden (vgl. Evans et al.<br />
2006; Sucker und Krause 2010).<br />
2.3 Einfluss der Landnutzung im<br />
Einzugsgebiet<br />
Das Trinkwasser für die Region Dresden<br />
stammt zu einem grossen Teil aus<br />
dem im Erzgebirge gelegenen Talsperrensystem<br />
Klingenberg / Lehnmühle<br />
(Abb. 3). Beim Hauptzufluss der Talsperre<br />
Lehnmühle hat das Gebiet eine<br />
Flächengrösse von etwa 51 km² (am<br />
Pegel Ammelsdorf); die Höhenlage<br />
variiert von 520 m ü. M. im nördlichen<br />
Teil bis zu 800 m ü. M. im südlichen<br />
Teil. Die Landnutzung entspricht der<br />
für Mittelgebirgsregionen charakteristischen<br />
Verteilung: ~ 52 Prozent Wald,<br />
~ 34 Prozent Grünland und ~ 9 Prozent<br />
ackerbauliche Nutzung. Der mittlere<br />
jährliche Niederschlag beträgt<br />
~1080 mm, die mittlere Jahrestemperatur<br />
liegt bei 4,9 °C. Im Einzugsgebiet<br />
sind hauptsächlich basenarme Braunerden<br />
und Podsole zu finden, die sich<br />
aus den silikatischen Grundgesteinen<br />
entwickelt haben. Um die Stoffausträge<br />
einzelner Landnutzungen erfassen<br />
zu können, wurden für die drei<br />
Hauptlandnutzungen Acker, Grünland<br />
und Wald jeweils Kleinsteinzugsgebiete<br />
ausgesucht, in denen je eine dieser<br />
Nutzungen dominiert (vgl. Benning
94 Forum für Wissen 2013<br />
und Feger 2013). Deren standörtliche<br />
Ausstattung ist für das mesoskalige<br />
Einzugsgebiet repräsentativ. Die beiden<br />
näher untersuchten Waldgebiete<br />
Kohlgrundbach (20,4 ha, Muskovit-<br />
Gneis, tiefgründige Braunerden) und<br />
Rotherdbach (9,4 ha, Granitporphyr,<br />
flach- bis mittelgründige Podsole) sind<br />
mit Fichte bestockt.<br />
Die in den beiden Messjahren 2010<br />
Tab. 2 Austräge der Stoffe Nitrat-Stickstoff (NO 3 -N), Gesamt-Phosphor (GP) und gelöster<br />
organischer Kohlenstoff (DOC) aus den definierten Landnutzungen Acker, Grünland und<br />
Wald im Einzugsgebiet der Talsperre Lehnmühle für die Jahre 2010 und 2011.<br />
2010 2011<br />
kg ha –1 a –1 NO 3 -N GP DOC NO 3 -N GP DOC<br />
Acker 49,3 0,22 4,2 52,1 0,28 3,9<br />
Grünland 38,5 0,18 16,77 20,5 0,11 7,6<br />
Wald 5,0 0,05 9,56 3,6 0,02 5,3<br />
Abb. 3. Darstellung der Lage der Einzugsgebiete: In blau ist das Einzugsgebiet des Zuflusses<br />
zur Talsperre Lehnmühle (Pegel Ammelsdorf, Wilde Weisseritz) dargestellt, innerhalb dessen<br />
die Kleinsteinzugsgebiete Grünland (hellgrün) und Wald (dunkelgrün, Kohlgrundbach)<br />
liegen. In braun ist das Kleinsteinzugsgebiet Acker dargestellt. Rot gekennzeichnet ist das<br />
Kleinsteinzugsgebiet des Rotherdbachs (Level-II Messfläche).<br />
Kohlgrundbach<br />
Rotherdbach<br />
Abb. 4. Zeitreihen der Konzentration an gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) in den<br />
Bachwässern des Kohlgrund- und Rotherdbachgebietes für die hydrologischen Jahre 2010<br />
und 2011.<br />
mg/l mg/l<br />
und 2011 ermittelten Stoffausträge für<br />
Nitrat-N, Gesamt-P und DOC sind<br />
in Tabelle 2 zusammengestellt. Die<br />
Stoffausträge aus Acker und Grünland<br />
sind deutlich höher als aus dem<br />
mit Wald bestockten Einzugsgebiet<br />
(Kohlgrundbach). Der höchste Nitrat-Austrag<br />
wurde mit durchschnittlich<br />
51 kg ha –1 a –1 bei Acker gemessen.<br />
Der Nitrat-N-Austrag bei Grünland<br />
betrug im Mittel 30 kg ha –1 a –1 . Demgegenüber<br />
war der Nitrat-N Austrag<br />
aus Wald mit durchschnittlich 4 kg<br />
ha –1 a –1 sehr gering. Die hohen Austräge<br />
aus den landwirtschaftlich genutzten<br />
Flächen sind auf die regelmässige<br />
N-Zufuhr über Mineraldüngung und<br />
Gülleausbringung zurückzuführen.<br />
Die gemessenen Gesamt-Phosphor-<br />
Austräge zeigen ähnliche Unterschiede<br />
zwischen den einzelnen Landnutzungen.<br />
Die höchsten durchschnittlichen<br />
P-Austräge wurden bei Acker<br />
(0,25 kg ha –1 a –1 ) gemessen, gefolgt<br />
vom Grünland (0,15 kg ha –1 a –1 ) und<br />
wesentlich geringerem Austrag unter<br />
Wald (0,04 kg ha –1 a –1 ). Sowohl die Austräge<br />
aus Wald als auch aus den landwirtschaftlichen<br />
Flächen sind als gering<br />
einzuschätzen. Auf den beiden landwirtschaftlichen<br />
Flächen erfolgt seit<br />
mehr als zehn Jahren allerdings keine<br />
P-Düngung mehr und die Bewirtschaftung<br />
wurde auf konservierende Bodenbearbeitung<br />
umgestellt.<br />
Der Austrag von gelöstem organischem<br />
Kohlenstoff (DOC) war bei<br />
Acker am geringsten. Die höchsten<br />
DOC-Austräge wurden überraschenderweise<br />
aus dem Grünland gemessen;<br />
die Austräge aus Wald lagen dazwischen.<br />
Die partielle Drainage und der<br />
Anteil hydromorpher Böden (Gleye)<br />
im Grünlandgebiet dürfte eine wesentliche<br />
Ursache für die hohen Austräge<br />
sein, da der DOC-Austrag sehr stark<br />
an den Durchfluss und vor allem an<br />
Abflussspitzen gekoppelt ist.<br />
Hinsichtlich der DOC-Austräge aus<br />
dem Wald wirken die Bodenverhältnisse<br />
stark differenzierend (Abb. 4). Im<br />
Rotherdbach (Granit-Podsol) ist die<br />
mittlere Konzentration um ca. Faktor<br />
5 höher als im Kohlgrundbach (Gneis-<br />
Braunerde). Betrachtet man die zeitliche<br />
Dynamik, so schwanken die<br />
DOC-Konzentrationen im Kohlgrundbach<br />
weniger als im Rotherdbach, wo<br />
deutliche Peaks erkennbar sind, die<br />
mit Abflussspitzen korrelieren. Diese
Forum für Wissen 2013 95<br />
Inwieweit eine Erhöhung der Waldbestockung<br />
zu einer Verbesserung<br />
der Wasserqualität führt, lässt sich im<br />
Hinblick auf eine wasserwirtschaftliche<br />
Gesamtbewertung nicht vom<br />
Aspekt veränderter Wassermengen<br />
(Gebietswasserspenden) trennen. Um<br />
abzuschätzen, wie sich Art und Intensität<br />
der Landnutzung im Einzugsgebiet<br />
auf den Wasserhaushalt auswirken,<br />
hat sich die Anwendung von<br />
räumlich-verteilten Prozessmodellen<br />
gut bewährt. Für das Einzugsgebiet<br />
des Schlettenbach (6,8 km 2 ) bei<br />
Marienberg im mittleren Erzgebirmg/l<br />
Abb. 5. Vergleichende Darstellung der Zeitreihen der Nitrat-N-Konzentrationen in den drei<br />
Kleinsteinzugsgebieten Acker, Grünland und Wald (Kohlgrundbach) sowie im Gesamteinzugsgebiet<br />
(Zufluss Talsperre Lehnmühle, Pegel Ammelsdorf). Dargestellt für die beiden<br />
hydrologischen Jahre 2010 und 2011.<br />
len beziehen sich auf das langjährige<br />
Mittel. In Einzeljahren ist eine noch<br />
höhere Minderung des Gebietsabflusses<br />
möglich. Aus Sicht der Wassermengenwirtschaft<br />
(Talsperrennutzung) ist<br />
dies als relevantes Defizit zu werten.<br />
Die Minderung des jährlichen Gebietsabflusses<br />
dürfte unter den Bedingungen<br />
des Klimawandels noch höher ausfallen<br />
(Feger und Wahren 2008). Bei<br />
höheren Waldanteilen ergibt sich eine<br />
deutlich verbesserte Hochwasserretentionsleistung<br />
(Quantifizierung für einzelne<br />
Hochwasserereignisse bei Wahren<br />
et al. 2012).<br />
Unterschiede sind durch Zusammenwirken<br />
von unterschiedlicher Bodenchemie<br />
und Art der Abflussbildung<br />
(Interflow-Anteil) bedingt.<br />
Am Zufluss zur Talsperre Lehnmühle<br />
ist die Wirkung des Waldes im<br />
mesoskaligen Gesamteinzugsgebiet<br />
gut erkennbar (Abb. 5). Die mittlere<br />
Nitrat-N-Konzentration am Pegel<br />
Ammelsdorf betrug 1,8 mg L –1 . Sie ist<br />
damit höher als die im Kleineinzugsgebiet<br />
im Wald gemessene Konzentration,<br />
aber deutlich niedriger als die Konzentration<br />
im Bachwasser der landwirtschaftlichen<br />
Flächen. Der relativ<br />
hohe Waldanteil im Gesamteinzugsgebiet<br />
(Pegel Ammelsdorf) führt offenbar<br />
dazu, dass die Nitrat-Belastung aus<br />
landwirtschaftlichen Flächen nahezu<br />
kompensiert werden.<br />
3 Veränderte Waldanteile<br />
– Auswirkungen auf die<br />
Gebietsabflüsse<br />
ge modellierten wir den Gebietswasserhaushalt<br />
mit dem GIS-basierten<br />
Wasserhaushaltsmodell AKWA-M.<br />
Details zum Modell und zur Modellierung<br />
sind bei Münch et al. (2007) sowie<br />
Wahren et al. (2008a, 2012) erläutert.<br />
Ein besonderer Schwerpunkt bei der<br />
Modell-Implementierung wurde auf<br />
die Anpassung der Bodenparameter<br />
bei Landnutzungswechsel von Acker<br />
zu Wald gelegt. Der Ansatz basiert auf<br />
der Ermittlung bodenhydraulischer<br />
Kenngrössen an Bodenprofilen in einer<br />
unechten Zeitreihe, die unterschiedliche<br />
Zeiträume nach Aufforstung eines<br />
Ackerstandortes repräsentieren (Wahren<br />
et al. 2009).<br />
Modellläufe erfolgten für den Zeitraum<br />
der hydrologischen Jahre 1985<br />
bis 2001. Neben der aktuellen Landnutzung<br />
erfolgte die Simulation von<br />
fünf verschiedenen Landnutzungsszenarien<br />
mit unterschiedlich grossen<br />
Waldanteilen (Abb. 6, Tab. 3). Dabei<br />
siegeln SZ1 bis SZ4 vier sozioökonomische<br />
begründete Szenarien wider<br />
(Wahren et al. 2008b). Ein weiteres<br />
(selbstverständlich vollkommen hypothetisches)<br />
Szenario ist die vollständige<br />
Bewaldung mit einem natürlichen<br />
Bergmischwald.<br />
Der unterschiedlich grosse Waldanteil<br />
und die unterschiedliche räumliche<br />
Verteilung bedingen deutliche Verschiebungen<br />
in den Wasserhaushaltskomponenten<br />
(Tab. 4). Besonders die<br />
bei Waldbestockung höhere Interzeptionsverdunstung<br />
bewirkt eine Reduktion<br />
des Gebietswasserabflusses zwischen<br />
1 Prozent und 24 Prozent (vollständige<br />
Bewaldung) im Vergleich zur<br />
aktuellen Landnutzung. Diese Zah-<br />
4 Konsequenzen für<br />
den Bodenschutz und<br />
Perspektiven<br />
Die mit Waldvegetation bestockten<br />
Teile der Wassereinzugsgebiete üben<br />
eine insgesamt sehr positive, aber<br />
standörtlich differenzierte Wirkung auf<br />
die Wasserqualität aus. Deren Erfassung<br />
und Bewertung stellt daher eine<br />
wesentliche Grundlage der forstlichen<br />
Bewirtschaftung und ggf. auch für eine<br />
mögliche Steuerung und Honorierung<br />
wasserbezogener Ökosystemdienstleistungen<br />
auf Gesamteinzugsgebietsebene<br />
dar.<br />
Betrachtet man die Waldböden, so<br />
zeigt sich eine Überlagerung natürlicher<br />
Prozesse (v. a. Podsolierung) und<br />
der Nachwirkung der früher extrem<br />
hohen Schwefel-Belastung. Dies ist bei<br />
der Waldbewirtschaftung zu berücksichtigen.<br />
Besonderes Augenmerk verdient<br />
hier der Humuskörper. Denn<br />
Störungen (z. B. durch starke Bestandesauflichtung<br />
etwa nach Windwürfen,<br />
Schneebruch, Insektenkalamitäten,<br />
möglicherweise auch durch mechanische<br />
Schäden) können hier zu verstärkten<br />
Austrägen von Nitrat, Sulfat und<br />
entsprechenden Begleitkationen führen.<br />
Dies gilt besonders auch für gelöste<br />
Huminstoffe (messbar als DOC),<br />
die aufgrund veränderter bodenchemischer<br />
Bedingungen seit Rückgang der<br />
starken Depositionsbelastung zudem<br />
einen allgemein ansteigenden Trend<br />
zeigen. Erhöhte DOC-Befrachtung bei<br />
gleichzeitig zurückgehenden Gesamtelektrolyt-Konzentrationen<br />
erfordern<br />
bei der Aufbereitung des Rohwassers<br />
verstärkte technische Aufwendungen.
96 Forum für Wissen 2013<br />
Der DOC-Austrag aus dem Wald zeigt<br />
aber eine boden-/standortsabhängige<br />
Differenzierung. Auf Gesamteinzugsgebietsebene<br />
können ausserdem<br />
auch DOC-Austräge aus Grünland und<br />
Moorflächen relevant sein.<br />
Im Vergleich zur Agrarnutzung sind<br />
N- und P-Austräge sehr gering. Daher<br />
empfehlen sich hohe Waldanteile im<br />
Einzugsgebiet gerade von Trinkwassertalsperren.<br />
Simulationen mit Landnutzungsszenarien<br />
unterschiedlich gros-<br />
Tab. 3. Flächenanteile (%) der für die Simulation des Schlettenbach-Gebietswasserhaushalts verwendeten Landnutzungsszenarien (IST –<br />
aktuelle Landnutzung, nach Color-IR-Aufnahme 1992/93), SZ 1 (WM) – Szenario 1 «World Markets»; SZ 2 (NE) – Szenario 2 «National<br />
Enterprise»; SZ 3 (GS) – Szenario 3 «Global Sustainability»; SZ 4 (LS) – Szenario 4 «Local Stewardship» – vgl. Karten in Abb. 6; PNV –<br />
vollständige Bewaldung entsprechend der potenziell natürlichen Vegetation); Details in Wahren et al. (2008b).<br />
Wald<br />
Szenario<br />
Wald gesamt<br />
Naturnaher Mischwald<br />
Kahl schlagflächen<br />
Naturferner Fichtenreinbestand<br />
(Alter 10 a)<br />
Naturferner Fichtenreinbestand<br />
(Alter 30 a)<br />
Naturferner Fichtenreinbestand<br />
(Alter 70 a)<br />
Feucht wald<br />
Intensives Grünland<br />
Extensives Grünland<br />
Konventioneller Ackerbau<br />
Konservierender Ackerbau<br />
Siedlungen<br />
Hecken und Obstgehölze<br />
versiegelt<br />
IST 35 4 29 2 41 11 7 4 2<br />
SZ1 (WM) 81 0 11 11 19 34 6 12 4 3<br />
SZ2 (NE) 44 0 38 6 41 4 9 2<br />
SZ3 (GS) 53 43 10 42 3 1 1<br />
SZ4 (LS) 63 54 9 15 18 2 1 1<br />
PNV 99 87 12 1<br />
Abb. 6. Vier sozio-ökonomisch begründete Landnutzungsszenarien für das Schlettenbach-Einzugsgebiet (6,8 km 2 ) bei Marienberg im mittleren<br />
Erzgebirge (aus Wahren et al. 2008b)
Forum für Wissen 2013 97<br />
Tab. 4. Ergebnis der Simulation des Gebietswasserhaushalts für das Schlettenbach- Einzugsgebiet<br />
(6,8 km 2 ) bei Marienberg im mittleren Erzgebirge (aus Wahren et al. 2008b).<br />
«Differenz» bezieht sich auf die relative Veränderung des Gebietsabflusses aus dem Vergleich<br />
zwischen dem aktuellen Zustand (IST) und fünf verschiedenen Landnutzungsszenarien<br />
(vgl. Abb. 6 und Tab. 3). WHH = Wasserhaushaltsjahr.<br />
WHH 1985–2001 IST SZ 1 SZ2 SZ3 SZ4 PNV<br />
Niederschlag 972 972 972 972 972 972<br />
reale Verdunstung 472 480 505 509 534 593<br />
Transpiration 193 178 212 212 222 244<br />
Interzeption 190 238 227 221 252 296<br />
Abfluss 507 501 476 473 448 386<br />
Differenz – –1% –6% –7% –12% –24%<br />
ser Waldanteile machen deutlich, dass<br />
dann aber die Gebietsabflüsse zurückgehen.<br />
Hingegen steigen die Hochwasserretention<br />
und die damit verbundene<br />
Stoffretention im Einzugsgebiet an.<br />
Die Minderung der Abflüsse dürfte<br />
unter den Bedingungen des Klimawandels<br />
noch höher ausfallen. Diese komplexen<br />
Effekte sind bei längerfristigen<br />
Planungen zu berücksichtigen. Vor diesem<br />
Hintergrund sollte eine Waldmehrung<br />
nicht unspezifisch auf der gesamten<br />
Fläche erfolgen, sondern dort wo<br />
die Retention gesteigert und der Stoffaustrag<br />
minimiert werden kann. Bei<br />
der Baumartenwahl sind Laubbäume<br />
(vorrangig Buche) der heute noch<br />
dominierenden Fichte vorzuziehen.<br />
Denn bei Fichte wirkt sich die höhere<br />
Interzeptionsverdunstung erniedrigend<br />
auf den Gesamtabfluss und damit<br />
die nutzbare Wassermenge aus. Gleichzeitig<br />
fördern hohe Fichtenanteile die<br />
Podsolierung und damit unter Umständen<br />
den Huminstoffaustrag. Die Tanne<br />
als Baumart der natürlichen Waldgesellschaft,<br />
die nutzungsbedingt und<br />
aufgrund der hohen Luftverschmutzung<br />
im Erzgebirge stark zurückgegangen<br />
ist, in jüngerer Zeit waldbaulich<br />
aber wieder stark gefördert wird,<br />
ist hier positiv zu bewerten. Zum einen<br />
ist die Tannenstreu besser zersetzbar,<br />
zum anderen fördert die starke Tiefendurchwurzelung<br />
der Tanne die Tiefensickerung,<br />
sodass dadurch der oberflächennahe<br />
Wasser- und Stofftransport<br />
reduziert wird. Allerdings fehlen hierfür<br />
experimentelle Daten.<br />
Eine differenzierte Bewertung der<br />
Veränderungen in den Wasserflüssen<br />
im Hinblick auf die Wasserqualität<br />
fehlt bislang. Ein einfacher Ansatz<br />
wäre hierfür eine «Verschneidung» von<br />
gemessenen Konzentrationen aus dem<br />
Monitoring und den Wasserflüssen<br />
aus der Modellierung der Wasserflüsse.<br />
Gerade aber die Effekte bei Landnutzungswandel<br />
(z. B. durch Aufforstung)<br />
sind aufgrund zahlreicher Wechselwirkungen<br />
nur schwer abschätzbar.<br />
Künftige Herausforderungen für die<br />
interdisziplinäre Waldforschung und<br />
die Einzugsgebietshydrologie liegen in<br />
einer stärkeren Verknüpfung von Wasserqualität<br />
und -menge sowohl hinsichtlich<br />
Monitoring als auch Modellierung.<br />
Danksagung<br />
Das Analysenprogramm im Einzugsgebiet<br />
der Talsperre Lehnmühle war Teil<br />
des BMBF-geförderten Verbundvorhabens<br />
REGKLAM (Entwicklung und<br />
Erprobung eines integrierten Regionalen<br />
Klimaanpassungsprogramms für<br />
die Modellregion Dresden). Ebenso<br />
danken wir dem Staatsbetrieb Sachsenforst<br />
(Dr. H. Andreae) für die<br />
freundliche Bereitstellung der Rohdaten<br />
der Level-II Messfläche Altenberg<br />
(Rotherdbach) und S. Wunderlich für<br />
die aus verschiedenen Forschungsprojekten<br />
zusammengestellten Daten für<br />
dieses Gebiet. Die Arbeiten im Schlettenbach-Einzugsgebiet<br />
erfolgten im<br />
Rahmen des im 6. EU-Forschungsrahmenprogramm<br />
geförderten Verbundvorhabens<br />
FLOODsite.<br />
5 Literatur<br />
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Abstract<br />
The importance of forest soils for water yield and quality<br />
In the Ore Mts. (Erzgebirge, Saxony, Germany), long-term hydrological and biogeochemical<br />
monitoring has been performed and related models of watershed<br />
budgets developed. These illustrate how forest soils affect water-related ecosystem<br />
services. Water quality is still influenced by the distinct after-effects of sulphur<br />
deposition, which was very high in the region until the mid 1990s, and by natural<br />
soil processes i.e. podsolization. Humic compounds (analyzed as DOC) appear to<br />
be a problem for drinking water, but they vary with soil/site conditions. Much less<br />
nitrogen and phosphorus are exported from forests than from agricultural land.<br />
Hydrological simulations using distributed watershed models indicate the water<br />
yield is less for land-use scenarios with more forest in the watershed. On the other<br />
hand, higher percentages of forest cover are beneficial in terms of flood retention<br />
and overall water quality. Challenges for future research will be to combine good<br />
water quality and water yield/fluxes.<br />
Reichelt, C.P., 2012: Umsetzung von Massnahmen<br />
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Keywords: forest soil, water quality, water yield, hydrologic ecosystem service, land<br />
use, acid deposition, Erzgebirge/Ore Mts.
Forum für Wissen 2013: 99–102 99<br />
Umsetzung des Bodenschutzes im Aargauer Wald<br />
Andreas Freuler<br />
Departement Bau, Verkehr und Umwelt, Abteilung Wald, Entfelderstrasse 22, CH-5001 Aarau, andreas.freuler@ag.ch<br />
Physikalischer Bodenschutz im Aargauer Wald beruht auf drei Stossrichtungen:<br />
der Ausbildung und Sensibilisierung aller Akteure, dem Bereitstellen von Grundlagen<br />
sowie einem Angebot für Beratung und Unterstützung. Für die Umsetzung<br />
wurden ein Idealzustand aus Sicht des Bodenschutzes skizziert und anhand einer<br />
Soll-Ist-Analyse die dringendsten Handlungsfelder definiert. Momentan wichtigstes<br />
Ziel des Bodenschutzes im Aargauer Wald ist die Dokumentation und Optimierung<br />
der Feinerschliessung.<br />
1 Ausgangslage<br />
Physikalischer Bodenschutz im Wald<br />
ist ein komplexes Thema. Der Waldbesitzer<br />
möchte die Fruchtbarkeit des<br />
Waldbodens langfristig erhalten und<br />
muss dies mit kurzfristigen Anforderungen<br />
an die Wirtschaftlichkeit des<br />
Betriebes und mit den sich stetig wandelnden<br />
Ansprüchen der Waldbesucher<br />
in Einklang bringen. Mit dem Projekt<br />
Bodenschutz im Wald (2008–2011)<br />
wurde dieses Thema im Kanton Aargau<br />
angegangen. Unter der Leitung<br />
von Peter Ammann (Abteilung Wald)<br />
und in enger Zusammenarbeit mit der<br />
Forschungseinheit Waldböden und<br />
Biogeochemie sowie der Forschungsgruppe<br />
Forstliche Produktionssysteme<br />
der Eidg. Forschungsanstalt <strong>WSL</strong> wurden<br />
die Grundlagen für eine erfolgreiche<br />
Umsetzung des Bodenschutzes im<br />
Aargauer Wald geschaffen.<br />
Produkte dieser Zusammenarbeit<br />
sind u.a. eine Verdichtungsrisikokarte<br />
als Grundlage der Feinerschliessungsplanung<br />
und der Holzernteplanung<br />
für den ganzen Waldboden im Aargau<br />
(Freuler 2011) sowie Empfehlungen<br />
für den Bodenschutz im Wald, welche<br />
die Abteilung Wald gemeinsam mit<br />
dem Aargauischen Försterverband,<br />
dem Aargauischen Waldwirtschaftsverband<br />
und den Forstunternehmern<br />
Schweiz, Region Aargau herausgegeben<br />
hat (Anonymus 2011). Ebenfalls<br />
im Rahmen dieses Projektes wurden<br />
eine Pilotstudie zur Aufnahme, Optimierung<br />
und Dokumentation der Feinerschliessung<br />
unter Einsatz von GPS<br />
und GIS durchgeführt sowie Überlegungen<br />
zum Kosten-Nutzen-Verhältnis<br />
des Bodenschutzes angestellt und<br />
das gesamte Aargauer Forstpersonal<br />
an eintägigen Kursen für dieses Thema<br />
sensibilisiert und ausgebildet. Zudem<br />
wurde eine Stelle für Beratung und<br />
Unterstützung der Waldbewirtschafter<br />
geschaffen.<br />
Die Umsetzung des Bodenschutzes<br />
im Wald stützt sich auf die drei Schwerpunkte<br />
Ausbildung / Sensibilisierung,<br />
Bereitstellen von Grundlagen sowie<br />
ein Beratungsangebot. Sie baut auf den<br />
Ergebnissen des Projektes auf (Abb. 1).<br />
Umsetzung Bodenschutz im Wald<br />
Ausbildung /<br />
Sensibilisierung<br />
Grundlagen<br />
bereitstellen<br />
Beratung /<br />
Unterstützung<br />
Projekt Bodenschutz im Wald<br />
Abb. 1. Umsetzung des Bodenschutzes im<br />
Wald im Kanton Aargau.<br />
2 Soll-Zustand<br />
Die eigentliche Umsetzungsarbeit startete<br />
mit der Definition des Soll-Zustandes.<br />
Ausgehend von den Empfehlungen<br />
für den Bodenschutz im Wald wurde der<br />
aus Sicht des Bodenschutzes op timal<br />
vorbereitete Forstbetrieb skizziert:<br />
– Alle Akteure (Waldbesitzer,<br />
Betriebsleiter, Förster, Maschinisten,<br />
Forstwarte, Unternehmer, Behörden<br />
und Holzabnehmer) sind sich<br />
der Bedeutung des Bodenschutzes<br />
bewusst und wissen, mit welchen<br />
Massnahmen sie zu einem guten<br />
Ergebnis beitragen können.<br />
– Im bewirtschafteten Wald ist die<br />
Fein erschliessung für jede Feinerschliessungseinheit<br />
unter Berücksichtigung<br />
des Verdichtungsrisikos und<br />
der kleinräumigen Situation optimiert<br />
und vollständig vorhanden. Die<br />
Fahrlinien sind zusammen mit dem<br />
Verdichtungsrisiko in der Bestandeskarte<br />
eingetragen und im Wald so<br />
versichert, dass sie innert nützlicher<br />
Frist aufgefunden werden können.<br />
– Der Betriebsleiter organisiert die<br />
Arbeiten gemäss der Witterung und<br />
dem Verdichtungsrisiko in den einzelnen<br />
Holzschlägen. Bei Holzschlägen<br />
auf sehr befahrungsempfindlichen<br />
Böden wird auf günstige Verhältnisse<br />
gewartet (allenfalls auch über Jahre).<br />
Er kennt die Eigenschaften und Einsatzbereiche<br />
der eigenen Maschinen<br />
und derjenigen des Unternehmers<br />
und stimmt das Verfahren und die<br />
Maschinen auf den Bestand und den<br />
Boden ab. Beim Maschinenkauf ist<br />
die Bodenpfleglichkeit ein wichtiges<br />
Auswahlkriterium.<br />
– Bodenschutz als Kriterium der<br />
Arbeitsqualität ist Teil der Anweisungen<br />
an das eigene Personal und /<br />
oder der Ausschreibung und des<br />
Vertrages zwischen Forstbetrieb<br />
und Unternehmer und wird entsprechend<br />
kontrolliert.
100 Forum für Wissen 2013<br />
– Die Kompetenzen und Verantwortlichkeiten<br />
zur Einhaltung des<br />
Bodenschutzes bei der Planung und<br />
Durchführung der Holzerntearbeiten<br />
sind klar geregelt.<br />
Diese Punkte wurden mit dem Ist-<br />
Zustand verglichen. Aus dieser Soll-<br />
Ist-Analyse ergab sich der Handlungsbedarf<br />
für den physikalischen Bodenschutz<br />
im Aargauer Wald.<br />
3 Handlungsfelder<br />
Mit den erwähnten Ausbildungskursen<br />
wurde bereits eine hohe Sensibilisierung<br />
erreicht. Das Thema Bodenschutz<br />
wird seither vermehrt diskutiert<br />
und gehört zur Holzernte dazu. Die<br />
Diskussion hat sich dabei vom «Ob»<br />
zum «Wie» gewandelt und da an den<br />
Kursen auch die Aargauer Forstunternehmer<br />
freiwillig teilgenommen haben,<br />
findet die Lösungsfindung gemeinsam<br />
statt. Mit der Definition der Spurtypen<br />
(Lüscher et al. 2010) verfügen<br />
die beteiligten Akteure zudem über<br />
einen einfach zu handhabenden Indikator<br />
für die Arbeitsqualität. Im Rahmen<br />
von Beratungen bei der Feinerschliessung<br />
und Betriebsbesuchen der<br />
Behörden (Waldarbeitstage der Kreisförster,<br />
Evaluationen der Jungwaldpflege,<br />
usw.) werden Bodenschutzthemen<br />
anhand konkreter Holzschläge<br />
und unter den örtlichen Rahmenbedingungen<br />
besprochen, so dass das Thema<br />
auch nach den Ausbildungskursen<br />
aktuell bleibt. Der Ist-Zustand nähert<br />
sich somit dem Soll-Zustand an.<br />
Bei der Feinerschliessung wurde<br />
allerdings noch erheblicher Handlungsbedarf<br />
festgestellt. Da die Anlage<br />
und Nutzung der Feinerschliessung<br />
den grössten Einfluss auf den Boden<br />
haben, lohnt sich ein Engagement in<br />
diesem Bereich – nebst der Sensibilisierung<br />
– zudem am meisten. Die Anlage<br />
der Feinerschliessung soll nach einem<br />
ersten Befahren nicht mehr geändert<br />
werden. Eine sorgfältige Planung und<br />
Optimierung ist daher besonders wichtig<br />
und rechtfertigt auch einen gewissen<br />
Aufwand. Damit wertvolles Wissen<br />
über die Anlage der Feinerschliessung<br />
nach Stellenwechseln oder Pensionierungen<br />
nicht verloren geht und um das<br />
Auffinden bei Zwangsnutzungen oder<br />
nach Räumungen zu erleichtern, empfiehlt<br />
die Abteilung Wald des Kantons<br />
Aargau die Feinerschliessungslinien zu<br />
digitalisieren und bietet dazu Unterstützung<br />
an.<br />
4 Umsetzungsbeispiel<br />
Feinerschliessung<br />
In einem grossen Teil des Aargauer<br />
Waldes ist die Feinerschliessung bereits<br />
vorhanden. In vielen Fällen wurde<br />
diese Feinerschliessung aber für einen<br />
bestimmten Holzschlag angelegt und<br />
es fehlt ein bestandesübergreifendes<br />
Feinerschliessungssystem. Bisherige<br />
Feinerschliessungsaufnahmen zeigen<br />
zudem, dass in unerschlossenen, erstmalig<br />
maschinell zu bearbeitenden<br />
Beständen die Feinerschliessung teilweise<br />
ohne Anzeichnung zu Beginn<br />
oder während der Holzernte direkt<br />
mit dem Vollernter definiert wird. Dies<br />
geschieht unter Zeitdruck und ohne<br />
Verwendung von Messinstrumenten.<br />
Die Folge können unnötige Kurven,<br />
nicht parallele Rückegassen und ungeeignete<br />
Rückegassenabstände sowie<br />
eine schlechte Anbindung an die übrige<br />
Feinerschliessung sein. Der Waldbewirtschafter<br />
vergibt damit die einmalige<br />
Gelegenheit, die Feinerschliessung<br />
sorgfältig und präzise sowie vorausschauend<br />
und bestandesübergreifend<br />
zu planen. Er vergibt somit auch die<br />
Chance, seinen Wald mit einem optimalen<br />
System nach dem Grundsatz so viel<br />
Waldfläche wie möglich mit so wenig<br />
Befahrung wie nötig zu erschliessen.<br />
Die Abteilung Wald des Kantons<br />
Aargau verfügt für Waldausscheidungen<br />
und Versicherungen von Vertragsflächen<br />
über ein hochpräzises GPS-<br />
Gerät der Firma Leica Geosystems AG.<br />
Die Verwendung des Referenzsignals<br />
von Swisstopo und der Software Leica<br />
MobileMatriX ermöglichen die Korrektur<br />
des GPS-Signals in Echtzeit. Der<br />
Einsatz eines leistungsfähigen Feldcomputers<br />
erlaubt den Betrieb eines vollwertigen<br />
Geographischen Informationssystems<br />
(ESRI ArcGIS 9.3.1 mit<br />
ArcView-Lizenz) und das Arbeiten<br />
mit grossen Rasterdaten (Orthofotos,<br />
Pixelkarten). In einer Pilotstudie wurde<br />
im Staatswald Habsburg untersucht,<br />
ob dieses GPS-Gerät auch für die Feinerschliessungsdigitalisierung<br />
und -pla-<br />
nung verwendet werden kann. Dafür<br />
wurde auf der ganzen Fläche (157 ha)<br />
die vorhandenen Fahrspuren aufgenommen,<br />
das Feinerschliessungssystem<br />
analysiert, unter Berücksichtigung<br />
des Verdichtungsrisikos optimiert und<br />
draussen im Wald markiert.<br />
Die geforderte Genauigkeit (Abweichung<br />
von unter einem Meter) wird<br />
mit der Verwendung der GIS-Daten<br />
in einem Sturmschadensfall oder bei<br />
der erstmaligen maschinellen Nutzung<br />
nach Räumungen begründet. In solchen<br />
Fällen wird davon ausgegangen,<br />
dass die bestehende Feinerschliessung<br />
zu grossen Teilen nicht mehr sichtbar<br />
ist und sie daher mit Hilfe genauer<br />
GPS-Daten wiedergefunden werden<br />
muss. Es zeigte sich, dass diese hohe<br />
Genauigkeit praktisch immer erreicht<br />
werden kann. Der Aufwand für Aufnahme<br />
und Planung kann dabei von in<br />
der Regel einer halben Stunde bis zu<br />
fünf Stunden in Ausnahmefällen pro<br />
Hektare variieren (Ammann und Freuler<br />
2012, unveröffentlicht). Der Zeitbedarf<br />
hängt stark von der vorhandenen<br />
Feinerschliessung ab: bei systematischer<br />
Anlage, wenig Bewuchs und nur<br />
wenig Fläche mit noch fehlender und<br />
daher zu planender Feinerschliessung<br />
reduziert sich der Aufwand beträchtlich.<br />
Unkenntnis des Gebietes, unsystematische<br />
Befahrung (Lotharflächen),<br />
starker Brombeerwuchs und viele<br />
Hindernisse (z. B. Windwurfstöcke)<br />
erhöhen den Aufwand. Aufgrund der<br />
geringeren Bedeckung im laublosen<br />
Abb. 2. Aufnahme einer Rückegasse mittels<br />
GPS.
Forum für Wissen 2013 101<br />
Zustand eignet sich das Winterhalbjahr<br />
besonders gut für die Arbeit mit dem<br />
GPS. Der negative Einfluss des Laubes<br />
ist allerdings geringer als erwartet, so<br />
dass auch in der Vegetationszeit gearbeitet<br />
werden kann.<br />
Durch die Verwendung des GIS und<br />
des in Echtzeit korrigierten GPS-Signals<br />
bietet das Gerät insbesondere bei<br />
der Neuerschliessung grosse Vorteile<br />
gegenüber herkömmlichen Arbeitsmethoden<br />
mit Kompass und Jalon. So kann<br />
die Planung direkt im Wald dem Gelän-<br />
ben Prozent der gesamten Waldfläche<br />
im Aargau (49 100 ha).<br />
Der Kanton Aargau verfügt über elf<br />
flächendeckende Orthofotos seit 1994,<br />
zwei davon (2011 und 2013) in laublosem<br />
Zustand. Hinzu kommen diverse<br />
regionale Orthofotos. Auf diesen Aufnahmen<br />
sind immer wieder Fahrspuren<br />
sichtbar, welche direkt digitalisiert<br />
werden können (Abb. 3).<br />
Zusätzlich existiert ein digitales<br />
Höhenmodell mit einer Auflösung von<br />
einem Meter. Darauf sind ebenfalls einde<br />
und allfälligen Hindernissen angepasst<br />
werden und am Schluss der Arbeit<br />
ist die Feinerschliessung bereits digital<br />
dokumentiert. Interessierte Förster<br />
werden in der Handhabung des Gerätes<br />
instruiert und dokumentieren und planen<br />
danach ihre Feinerschliessung selbständig<br />
(Abb. 2).<br />
Auf diese Weise sind im Aargau zur<br />
Zeit gut 3400 ha fertig geplant, dokumentiert<br />
und im Gelände entsprechend<br />
der Praxis des jeweiligen Waldbewirtschafters<br />
markiert. Dies sind sie-<br />
Abb. 3. Orthofoto 2011 mit sichtbaren Fahrspuren (links) und deren Darstellung auf dem Übersichtsplan (rechts) zur Integration in die<br />
Fein erschliessungsaufnahme durch den Waldbewirtschafter. Kartendaten: AGIS.<br />
Abb. 4. Digitales Höhenmodell 1m mit sichtbaren Maschinenwegen (links) und deren Darstellung auf dem Übersichtsplan (rechts) zur Integration<br />
in die Feinerschliessungsaufnahme durch den Waldbewirtschafter. Kartendaten: AGIS
102 Forum für Wissen 2013<br />
zelne Rückegassen sichtbar. Insbesondere<br />
Maschinenwege in Hanglagen sind<br />
sehr deutlich zu erkennen und können<br />
direkt digitalisiert werden (Abb. 4).<br />
Diese «Fernerkundung» wird als<br />
Vorarbeit geleistet und die gefundenen<br />
Spuren werden auf den Feldcomputer<br />
des GPS-Geräts geladen. Der<br />
Waldbewirtschafter überprüft dann<br />
im Zuge der restlichen Aufnahmen,<br />
ob diese Spuren Teil des Feinerschliessungssystems<br />
sind. Vor allem bei den<br />
Maschinenwegen im ansonsten wenig<br />
erschlossenen Gelände kann er dies<br />
mit seiner Lokalkenntnis oftmals auch<br />
vom Büro aus erledigen. Mit Hilfe dieser<br />
Vorarbeit kann der Aufnahmeaufwand<br />
nochmals reduziert werden und<br />
liegt bei Aufnahmen durch den Waldbewirtschafter<br />
mittlerweile bei einer<br />
halben Stunde pro ha.<br />
Zusätzlich zur Digitalisierung per<br />
GPS werden bereits vorhandene, qualitativ<br />
hochwertige Feinerschliessungspläne<br />
auf Papier eingescannt, georeferenziert<br />
und die Rückegassen unter<br />
Berücksichtigung der Orthofotos und<br />
des digitalen Höhenmodells vektorisiert.<br />
Auf diese Weise konnte bisher auf<br />
weiteren gut 1500 ha Wald die Feinerschliessung<br />
digitalisiert werden. Insgesamt<br />
ist die Feinerschliessung im<br />
Aargau somit auf knapp 5000 Hektaren<br />
oder zehn Prozent der Waldfläche<br />
digitalisiert.<br />
Die Aargauer Förster unterhalten<br />
ihre Bestandeskarten digital auf einer<br />
vom Kanton zur Verfügung gestellten<br />
Online-GIS-Applikation (BKOnline).<br />
An der Abteilung Wald des Kantons<br />
Aargau werden die digitalisierten<br />
Fein erschliessungsdaten bereinigt und<br />
ebenfalls auf diese Plattform geladen.<br />
Damit verfügt der Förster für die Planung<br />
und Steuerung der Holzernte<br />
aber auch für andere Arbeiten im Wald<br />
über eine gute Grundlage, die er beispielsweise<br />
zur Anfertigung von Plänen<br />
bei Arbeitsaufträgen nutzen kann.<br />
Nach den momentan laufenden Erweiterungsarbeiten<br />
an der BKOnline wird<br />
das Erstellen von Holzschlagsskizzen<br />
automatisiert, so dass – falls die Feinerschliessung<br />
digital dokumentiert ist<br />
– mit wenigen Klicks eine Holzschlagsskizze<br />
inklusive Notfallorganisation<br />
gemäss Anforderungen der SUVA ausgedruckt<br />
werden kann.<br />
Der Waldbewirtschafter hat so nebst<br />
dem langfristigen Nutzen des Bodenschutzes<br />
auch kurzfristig einen direkten<br />
Nutzen der digitalen Feinerschlies-<br />
sung im Alltag. Dies ist eine zusätzliche<br />
Motivation, den Aufwand der Digitalisierung<br />
zu betreiben.<br />
5 Literatur<br />
Anonymus, 2011: Empfehlungen für<br />
den Bodenschutz im Wald, Stand 29. 6.<br />
2011. Departement Bau, Verkehr und<br />
Umwelt, Abteilung Wald, Aarau; Aargauischer<br />
Försterverband; Forstunternehmer<br />
Schweiz – Region Aargau; Aargauischer<br />
Waldwirtschaftsverband. 11 S.<br />
Ammann, P.; Freuler, A., 2012 unveröffentlicht:<br />
Projekt Bodenschutz im Wald,<br />
Schlussbericht. Aarau, Departement Bau,<br />
Verkehr und Umwelt, Abteilung Wald,<br />
38 S.<br />
Freuler, A., 2011: Verdichtungsrisikokarte<br />
der Aargauer Wälder. Erläuterungen<br />
bei Abgabe der Verdichtungsrisikokarte.<br />
Aarau, Departement Bau, Verkehr und<br />
Umwelt, Abteilung Wald, 1 S.<br />
Lüscher, P.; Frutig, F.; Sciacca, S.; Spjevak,<br />
S.; Thees, O., 2010: Physikalischer Bodenschutz<br />
im Wald. Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt<br />
<strong>WSL</strong>. 2. Auflage. Merkbl.<br />
Prax. 45: 12 S.<br />
Abstract<br />
Implementation of soil protection in the forest in Canton Aargau<br />
Soil protection in the forest in Canton Aargau focuses on training and sensitising<br />
the forestry personnel, developing and providing background information and<br />
making available expert advice and support.<br />
For implementation purposes, an ideal forest management regarding soil<br />
protection was designed, and corresponding fields of action defined. At the<br />
moment, the main goal for soil protection in the forest in Canton Aargau is the<br />
documentation and optimisation of the skid-road system.<br />
Forest managers use a GPS-GIS-System that is accurate down to less than one<br />
metre to digitalise and optimise the skid-road system with the support of Canton<br />
Aargau’s Forest Division. Up to now the skid roads have been digitalised in an<br />
area of 3400 ha with GPS. Together with an additional 1500 ha of digitalised maps<br />
of existing skid roads recorded in paper maps, this information is made available<br />
for forest managers in Canton Aargau. The information is thus digitally stored for<br />
long term soil protection reasons but also readily accessible for everyday use.<br />
Keywords: soil protection in forests, implementation, digitalising skid roads, GPS
Forum für Wissen 2013: 103–106 103<br />
Bodeninformationen für die Waldwirtschaft<br />
im Kanton Solothurn<br />
Gaby von Rohr, Stephan Margreth und Christine Hauert<br />
Amt für Umwelt, Fachstelle Bodenschutz, Werkhofstrasse 5, CH-4509 Solothurn, gaby.vonrohr@bd.so.ch<br />
Chemische und physikalische Belastungen von Böden sind kaum oder nur aufwändig<br />
und über lange Zeiträume regenerierbar. Der vorsorgliche Bodenschutz<br />
ist daher von zentraler Bedeutung. Durch immer grössere Maschinengewichte hat<br />
sich das Verdichtungsrisiko für Waldböden stark erhöht. Als Grundlage für eine<br />
bodenschonende Waldwirtschaft hat die Fachstelle Bodenschutz unter anderem<br />
Karten zum Verdichtungsrisiko von Waldböden erstellt und im Internet veröffentlicht.<br />
Karten zu weiteren Bodeninformationen, zum Beispiel Wasserhaushalt/<br />
Durchwurzelung oder Säuregrad sollen für waldbauliche Entscheidungen dienen.<br />
Basis für diese Anwendungskarten bilden die Polygondaten der Bodenkartierung<br />
Kanton Solothurn. Das Bodenmessnetz Nordwestschweiz, betrieben durch die<br />
Kantone Solothurn, Aargau und Basel-Landschaft, informiert über die aktuelle<br />
Bodenfeuchte. Als Referenzgrösse für den bodenschonenden Maschineneinsatz<br />
wird die Saugspannung gemessen; die laufend aktualisierten Messwerte zur<br />
Bodenfeuchte sind on-line abrufbar.<br />
1 Einleitung<br />
Für den Vollzug der eidgenössischen<br />
Verordnung über Belastungen des<br />
Bodens (VBBo; 814.12) ist im Kanton<br />
Solothurn die Fachstelle Bodenschutz<br />
im Amt für Umwelt zuständig. Der<br />
Vollzugsauftrag erstreckt sich auf alle<br />
Böden im Sinne der VBBo, also auch<br />
auf die Waldböden.<br />
Ein grundlegendes Prinzip im Bodenschutz<br />
ist die Vorsorge. Sie hat zum Ziel,<br />
chemische und physikalische Beeinträchtigungen<br />
der Böden zu verhindern,<br />
da Bodenschäden kaum oder nur<br />
sehr aufwändig und über lange Zeiträume<br />
regeneriert werden können.<br />
Ein Arbeitsschwerpunkt der Fachstelle<br />
Bodenschutz ist daher, Grundlagen<br />
für den vorsorglichen Bodenschutz zu<br />
erarbeiten und den Bodennutzern zur<br />
Verfügung zu stellen.<br />
Der zielgerichtete Schutz von Böden<br />
vor chemischen und physikalischen<br />
Belastungen, eine dem Boden angepasste<br />
Nutzung oder auch Optimierungen<br />
im Gewässer- und Hochwasserschutz<br />
setzen detaillierte Kenntnisse<br />
der Bodeneigenschaften und des<br />
aktuellen Bodenfeuchtezustandes voraus.<br />
Aus diesem Grund führt der Kanton<br />
Solothurn seit längerem eine systematische,<br />
grossmassstäbliche Kartierung<br />
der forst- und landwirtschaftlich<br />
genutzten Böden durch. Die dabei<br />
gewonnenen flächendeckenden Bodeninformationen<br />
ermöglichen die Herleitung<br />
von anwendungsorientierten<br />
Bodenkarten, unter anderem als Hilfsmittel<br />
für eine bodenschonende und<br />
bodenangepasste Waldnutzung.<br />
Um den Bodennutzern Informationen<br />
über den aktuellen Bodenfeuchtezustand<br />
anbieten zu können, betreibt<br />
der Kanton Solothurn, gemeinsam<br />
mit den Kantonen Aargau und Basel-<br />
Landschaft, das Bodenmessnetz Nordwestschweiz.<br />
2 Bodenkarten<br />
2.1 Bodenkartierung Kanton<br />
Solothurn<br />
Im Jahr 1996 wurde das Projekt «Bodenkartierung<br />
Kanton Solothurn» (AfU SO<br />
1995) gestartet, mit dem langfristig<br />
alle Landwirtschafts- und Waldböden<br />
des Kantons erfasst sein sollen. Aktuell<br />
sind mit 5800 ha gut 20 Prozent der<br />
Waldböden und mit 11 570 ha knapp<br />
30 Prozent der Landwirtschaftsböden<br />
kartiert.<br />
Die Kartierung erfolgt gemäss der<br />
Klassifikation der Böden der Schweiz<br />
(BGS 2008), anhand der Kartieranleitungen<br />
der FAL (1997) respektive des<br />
BUWAL (1996).<br />
An repräsentativen Standorten werden<br />
Bodenprofile ausgehoben und<br />
detailliert beschrieben. Diese sogenannten<br />
Leitprofile bilden die Basis für<br />
die flächendeckende Kartierung der<br />
Bodeneinheiten im Massstab 1: 2500,<br />
bei der mittels Handbohrstock engmaschige<br />
Aufnahmen im Gelände zur<br />
Abgrenzung von Polygonen mit gleichen<br />
Bodeneigenschaften durchgeführt<br />
werden. Für jedes Polygon wird<br />
ein individueller Datensatz mit den<br />
geforderten Bodeninformationen für<br />
Ober- und Unterboden (29 Attribute)<br />
erfasst. Die Abgrenzung der Polygone<br />
erfolgt im Hinblick auf den Darstellungsmassstab<br />
1 : 5000. Die Daten<br />
der Bodenprofile und Bodeneinheiten<br />
werden digital verwaltet und sind in<br />
die GIS-Umgebung des Kantons Solothurn<br />
integriert. Sie bilden die Basis<br />
für vielfältige Auswertungen und die<br />
Erstellung entsprechender funktionaler<br />
Bodenkarten.<br />
2.2 Anwendungskarten für die<br />
Waldwirtschaft<br />
Um die erhobenen Bodendaten (Rohdaten)<br />
lesen und interpretieren zu können,<br />
braucht es bodenkundliches Spezialwissen.<br />
Die Fachstelle Bodenschutz<br />
des Kantons Solothurn veröffentlicht<br />
daher bewusst nicht die Rohdaten,<br />
da diese für die grosse Mehrheit der<br />
Bevölkerung nicht verständlich und<br />
somit für ihr Handeln nicht nutzbar<br />
sind. Unser Ziel ist es, den verschiedenen<br />
Kreisen von Bodennutzern spezifische<br />
Anwendungskarten zur Verfü-
104 Forum für Wissen 2013<br />
gung zu stellen. Diese bieten umsetzbare<br />
Informationen, unter anderem für<br />
eine bodenschonende Nutzung.<br />
Nachdem im Frühling 2011 anwendungsorientierte<br />
Bodenkarten für die<br />
Landwirtschaft veröffentlicht wurden,<br />
stehen seit Frühling 2013 auch entsprechende<br />
Bodeninformationen für die<br />
Wald wirtschaft zur Verfügung (Geoportal<br />
des Kantons Solothurn www.sogis.ch:<br />
Link «Interaktive Karten», rechte Spalte,<br />
oder www.afu.so.ch: Link «Karte<br />
Bodeninformationen», rechte Spalte).<br />
Die Karten thematisieren die Verdichtungsgefährdung,<br />
den Bodentyp,<br />
den Charakter des Wasserhaushaltes<br />
kombiniert mit der potentiellen Durchwurzelungstiefe,<br />
Humusgehalt und<br />
Humusform, Säuregrad, Körnung und<br />
Skelettgehalt. Eine Karte zum pflanzennutzbaren<br />
Wasservorrat und dem<br />
Trockenstressrisiko ist in Erarbeitung.<br />
Karten zur Verdichtungsgefährdung<br />
der Waldböden<br />
Als Planungsgrundlage für den vorsorglichen<br />
physikalischen Bodenschutz<br />
im Wald stehen neu zwei Karten zur<br />
Verdichtungsgefährdung der Waldböden<br />
zur Verfügung.<br />
Für Wälder, in denen die detaillierten<br />
Bodeneigenschaften dank der Kartierung<br />
bekannt sind, liegt die Verdichtungsempfindlichkeitskarte<br />
vor, hergeleitet<br />
aus Wasserhaushalt, Bodentyp,<br />
Bodenart und Skelettgehalt (Abb. 1).<br />
Die Karte zeigt die Verdichtungsempfindlichkeit<br />
der Unterböden, da insbesondere<br />
die folgenschweren Unterbodenverdichtungen<br />
vermieden werden<br />
müssen. Diese Karte ermöglicht parzellengenaue<br />
Aussagen und ist damit ein<br />
Instrument sowohl für die betriebliche<br />
Planung wie auch für die detaillierte<br />
Schlag- und Feinerschliessungsplanung.<br />
Für die übrigen Waldgebiete gibt<br />
die Hinweiskarte Bodenverdichtung<br />
(Abb. 2) eine allgemeine Information<br />
zum Verdichtungsrisiko. Sie wurde im<br />
Kanton Aargau entwickelt (basierend<br />
auf der Pflanzensoziologischen Karte,<br />
der Geologischen Karte 1: 25 000 und<br />
Bodenkarten 1: 25 000) und auf die vergleichbaren<br />
Verhältnisse im Kanton<br />
Solothurn übertragen. Ihre Aussagekraft<br />
ist begrenzt, da das Verdichtungsrisiko<br />
nur indirekt aus den genannten<br />
Grundlagen abgeschätzt werden kann.<br />
Die grössten Einschränkungen bestehen<br />
bei den «mittleren», weit verbreiteten<br />
Waldstandortstypen, da diese ein<br />
breites Spektrum von Bodeneigenschaften<br />
abdecken. Die Hinweiskarte<br />
ist ein Instrument für die betriebliche<br />
Planung; für die detaillierte Schlagund<br />
Feinerschliessungsplanung ist sie<br />
nicht geeignet.<br />
3 Bodenmessnetz Nordwestschweiz<br />
Neben den standörtlichen Bodeneigenschaften<br />
und der Verdichtungsempfindlichkeit<br />
ist für einen effektiven<br />
physikalischen Bodenschutz die<br />
aktuelle Bodenfeuchte entscheidend.<br />
In der Bauwirtschaft hat sich die Saugspannung<br />
als Referenzgrösse für den<br />
bodenschonenden Maschineneinsatz<br />
etabliert und bewährt.<br />
Die Saugspannung ist daher die<br />
zentrale Messgrösse im Bodenmessnetz<br />
Nordwestschweiz. Automatisierte<br />
Messstationen erfassen die Saugspannung<br />
im Ober- und Unterboden, den<br />
Niederschlag sowie Boden- und Lufttemperatur.<br />
Derzeit sind 22 Stationen<br />
in Betrieb, davon zehn im Kanton<br />
Solothurn. Drei der solothurner Stationen<br />
stehen im Wald.<br />
Die Messdaten sind on-line verfügbar<br />
(www.bodenmessnetz.ch) und werden<br />
laufend aktualisiert (Abb. 3). Neben<br />
den aktuellen Werten können Messreihen<br />
über beliebige Zeitintervalle abgefragt<br />
werden.<br />
Die Messwerte sind mit einer Beurteilung<br />
des Bodenfeuchtezustandes<br />
und mit Empfehlungen hinsichtlich der<br />
Befahrbarkeit des Bodens versehen.<br />
Diese stützen sich derzeit auf Erfahrungen<br />
mit Raupenfahrzeugen in der<br />
Bauwirtschaft und auf erste Erkenntnisse<br />
beim Maschineneinsatz in der<br />
landwirtschaftlichen Bewirtschaftung<br />
ab. Mit der Anwendung dieses neuen<br />
Instrumentes in der Forst- und Landwirtschaft<br />
können nun entsprechende<br />
Erfahrungen unter den spezifischen<br />
Gegebenheiten der forst- und<br />
landwirtschaftlichen Bewirtschaftung<br />
gesammelt und die Empfehlungen entsprechend<br />
ergänzt werden.<br />
4 Umsetzung<br />
Mit den bestehenden und geplanten<br />
Anwendungskarten und dem Bodenmessnetz<br />
stehen den Forstbetrieben<br />
Grundlagen für die betriebliche Planung<br />
zur Verfügung.<br />
In Wäldern mit bestehender Bodenkarte<br />
kann die Verdichtungsempfindlichkeit<br />
direkt in die Schlagplanung<br />
integriert werden.<br />
Die Informationen zu Wasserhaushalt<br />
/ Durchwurzelungstiefe, zu pflanzennutzbarem<br />
Wasservorrat / Trockenstressrisiko,<br />
zur Humusform oder zum<br />
Säuregrad können für die waldbauliche<br />
Entscheidungsfindung beigezogen<br />
werden. Sie sind unter anderem von<br />
grosser Wichtigkeit für die Baumartenwahl<br />
unter den sich verändernden<br />
Klimabedingungen.<br />
Die neuen Instrumente wurden im<br />
Frühsommer 2013 anlässlich eines eintägigen<br />
Kurses «Physikalischer Bodenschutz<br />
im Wald» dem gesamten Forstpersonal<br />
des Kantons Solothurn und<br />
einer Vielzahl der im Kanton tätigen<br />
Forstunternehmer vorgestellt und die<br />
Einsatzmöglichkeiten mit grossem Interesse<br />
an praktischen Beispielen diskutiert.<br />
Diese neuen Mittel stehen für die<br />
Planung und Umsetzung einer bodenangepassten<br />
und -schonenden Waldbe<br />
wirtschaftung bereit. Erste Forst betriebe<br />
haben die Anwendungskarten<br />
hierzu bereits in ihr Betriebs-GIS integriert.<br />
5 Literatur<br />
AfU So Amt für Umweltschutz Kanton<br />
Solothurn (Hrsg.) 1995: Bodenkartierung<br />
Kanton Solothurn. Konzept. Berichte, 23.<br />
BGS Bodenkundliche Gesellschaft der<br />
Schweiz (Hrsg.) 2008: Klassifikation der<br />
Böden der Schweiz. Dritte und korrigierte<br />
Auflage.<br />
BUWAL Bundesamt für Umwelt, Wald<br />
und Landschaft (Hrsg.) 1996: Handbuch<br />
Waldbodenkartierung. Schriftenreihe<br />
Voll zug Umwelt.<br />
FAL Eidg. Forschungsanstalt für Agrarökologie<br />
und Landbau (Hrsg.) 1997: Kartieranleitung,<br />
Kartieren und Beurteilen von<br />
Landwirtschaftsböden. Zürich-Reckenholz.<br />
FAL-Schriftenreihe, 24.
Forum für Wissen 2013 105<br />
Abb. 1. Auszug aus der Verdichtungsempfindlichkeitskarte des Kantons Solothurn. Die im Internet zugängliche Karte weist grossmassstäblich<br />
die Verdichtungsempfindlichkeit der Unterböden aus, hergeleitet aus Wasserhaushalt, Bodentyp, Bodenart und Skelettgehalt. Die<br />
Beurteilung ist mit Empfehlungen zur bodenschonenden Befahrung ergänzt.<br />
Abb. 2. Auszug aus der Hinweiskarte Bodenverdichtung (Massstab 1: 10 000) des Kantons Solothurn. Die im Internet zugängliche Karte gibt<br />
eine allgemeine Information zum Verdichtungsrisiko von Waldböden. Die Abschätzung basiert auf der Pflanzensoziologischen Karte, der<br />
Geologischen Karte 1: 25 000 und Bodenkarten 1: 25 000. Die Beurteilung ist mit Empfehlungen zur bodenschonenden Befahrung ergänzt.
106 Forum für Wissen 2013<br />
Abb. 3. Startseite des Bodenmessnetzes Nordwestschweiz (www.bodenmessnetz.ch) mit dem Überblick über die die Mess-Standorte und<br />
die aktuellen Saugspannungsmesswerte in der Region. An jeder Station werden die Saugspannung und die Bodentemperatur in 20 cm und<br />
35 cm Bodentiefe sowie der Niederschlag und die Lufttemperatur gemessen. Alle Daten sind on-line abrufbar.<br />
Abstract<br />
Soil data for forestry in the Canton of Solothurn<br />
Repairing chemical and physical damage to soil is costly and time-consuming and<br />
in some cases virtually impossible. Precautionary soil protection is therefore extremely<br />
important. The compaction risk for forest soil has increased substantially<br />
due to the use of ever heavier machinery. With a view to promoting soil-friendly<br />
forestry practices, the Soil Protection Unit (Fachstelle Bodenschutz) has, among<br />
other things, compiled maps charting the compaction risk for forest soil and published<br />
them on the Internet. Maps of other soil data, such as soil water regime /<br />
root penetration and acidity, are intended to support silvicultural decision-making.<br />
These functional soil maps are based on the polygon data of Canton Solothurn’s<br />
soil mapping project. Information about current soil moisture levels is provided<br />
by North-west Switzerland’s Soil Moisture Monitoring Network (Bodenmessnetz<br />
Nordwestschweiz), which is operated by the Cantons of Solothurn, Aargau and<br />
Basel-Land. The soil moisture tension is measured to provide a reference value for<br />
the soil-friendly use of machinery. The measurement values are continually updated<br />
and can be consulted online.<br />
Keywords: soil protection, soil compaction, soil mapping, functional soil map, soil<br />
moisture monitoring
Forum für Wissen 2013: 107–116 107<br />
Hochwasserschutzwald Gantrisch: der Weg zur<br />
quantitativen Methode für die Praxis<br />
Massimiliano Schwarz 1 , Lukas Dämpfle 1 , Peter Lüscher 1 , Philipp Mösch 2 und Jean-Jacques Thormann 3<br />
1<br />
<strong>WSL</strong> Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf,<br />
massimiliano.schwarz@wsl.ch<br />
2<br />
Waldabteilung 5 Bern – Gantrisch, Amt für Wald des Kantons Bern, Hintere Gasse 5, CH-3132 Riggisberg<br />
3<br />
Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaft, Berner Fachhochschule, Länggasse 85, CH-3052 Zollikofen<br />
Seit mehr als 150 Jahren ist die Bevölkerung in der Gantrischregion mit Hochwasserrisiken<br />
konfrontiert. Durch diesen Umstand wurde die Schutzfunktion des<br />
Waldes schon vor langer Zeit anerkannt und gepflegt, bereits 1840 erfolgten die<br />
ersten Aufforstungen im Gurnigelgebiet. Obwohl weltweit zahlreiche Studien die<br />
Wirkung des Waldes auf das Hochwassergeschehen untersucht haben, bleibt die<br />
Entwicklung quantitativer Methoden zur Abschätzung der Waldwirkung für das<br />
Risikomanagement in der Praxis eine Herausforderung. In diesem Artikel wird<br />
ein Überblick über die im Gantrischgebiet durchgeführten Projekte gegeben und<br />
diskutiert, wie die Resultate von Feldversuchen und Modellsimulationen den Weg<br />
zu einem quantitativen Ansatz für die Praxis ebnen können. Um derartige Ansätze<br />
in Kostenwirksamkeitsanalysen im Rahmen des Risikomanagements systematisch<br />
anwenden zu können, bleiben aber noch viele Wissenslücken, die zukünftige<br />
Studien ausfüllen sollten.<br />
1 Einführung: Geschichte<br />
der Waldnutzung und<br />
Hochwassergefahr im<br />
Gantrischgebiet<br />
1.1 Übersicht<br />
Die Region Gantrisch (Kt. Bern) ist<br />
durch Wald und Wasser stark geprägt.<br />
In der ganzen Region graben wilde<br />
Bäche tiefe Einschnitte in den weichen<br />
Untergrund. Zum Schutze der Talbewohner<br />
mussten bereits in der Vergangenheit<br />
Bäche verbaut und viele Alpweiden<br />
aufgeforstet werden. Die Waldpflege<br />
und damit die Waldentwicklung<br />
wurden stark beeinflusst durch den<br />
Willen, die Hochwassergefahr im Tal<br />
zu verringern. Der Wald lieferte aber<br />
auch den wertvollen, nachwachsenden<br />
Rohstoff Holz. Dieser brachte viel<br />
Arbeit und Wertschöpfung in die ländliche<br />
Region. Auch heute ist der ökologisch<br />
wertvolle Baustoff und Energielieferant<br />
Holz ein wichtiges Produkt<br />
aus den Gantrischwäldern. Der Wald<br />
als naturnaher Raum beherbergt ausserdem<br />
zahlreiche seltene Pflanzen und<br />
Tiere und wird so für die Erhaltung der<br />
Artenvielfalt immer wichtiger. Zudem<br />
liefert der Wald Trinkwasser von hoher<br />
Qualität, gliedert die Landschaft und<br />
dient der Bevölkerung als wichtiger<br />
Erlebnis- und Erholungsraum.<br />
1.2 Hochwassergefahren<br />
Starke Gewitterregen mit Hagel führen<br />
oft zu gefährlichen Wasserabflussspitzen.<br />
Der leicht erodierbare und<br />
rutschanfällige Untergrund aus Flysch<br />
Abb. 1. Waldlandschaft Gantrisch<br />
oder subalpiner Molasse liefert grosse<br />
Mengen an Erdmaterial, welches<br />
sich – transportiert durch die grossen<br />
Wassermassen – murgangartig in die<br />
Täler bewegen kann und dort Leid<br />
bei der Bevölkerung und die Zerstörung<br />
der Infrastruktur mit sich bringt.<br />
Die Bevölkerung der Region Gantrisch<br />
begann deshalb bereits früh mit einfachsten<br />
Verbauungsmassnahmen an<br />
den gefährlichen Bächen. An der Gürbe<br />
beispielsweise wurden ab 1858 mit<br />
Unterstützung des Kantons Bern die<br />
ersten Holzsperren gebaut. Ab 1895 bis<br />
zum Ersten Weltkrieg kamen Bergamasker-Arbeitsgruppen<br />
aus Norditalien<br />
in den Gantrisch und bauten erste<br />
Steinblockmauern und Trockenmauerwerke.<br />
Erst ab der Mitte des 20. Jahrhunderts<br />
wurde mit grossen Betonsperren<br />
der Gürbelauf systematisch<br />
verbaut. Die Verbauungen wurden im<br />
Laufe der Zeit mehrmals durch heftige<br />
Unwetter geprüft, teilweise beschädigt<br />
und sogar zerstört. Das letzte Grossereignis<br />
fand Ende Juli 1990 statt. Im
108 Forum für Wissen 2013<br />
Einzugsgebiet fielen innerhalb von<br />
vier Stunden 270 mm Niederschlag,<br />
wodurch viele der alten Sperren zerstört<br />
wurden und die Gürbe am Kegelhals,<br />
im «Hohli», über die Dämme trat<br />
und das Dorf Wattenwil sowie Teile des<br />
tiefer gelegenen Gürbetals überflutete.<br />
1.3 Aufforstungen und Waldpflege<br />
Bereits ab 1840 erfolgten erste Aufforstungen<br />
im Gantrischgebiet, vor allem<br />
im Staatswald der Einzugsgebiete Sense<br />
und Schwarzwasser. Mit der damals<br />
neuen Bundesgesetzgebung von 1876<br />
konnten dann Bundessubventionen<br />
für die Aufforstung von Hochwasserschutzwaldungen<br />
ausgelöst werden.<br />
Der damalige Oberförster Friedrich<br />
Nigst (im Amt: 1878 bis 1927) trieb die<br />
Aufforstungstätigkeit in der Region<br />
Gantrisch hartnäckig voran. In seiner<br />
Zeit wurden rund 1000 ha Weideland<br />
aufgeforstet. Diese Alpweiden mussten<br />
oft vorgängig durch aufwändige<br />
Verfahren erworben werden. Bis in die<br />
Mitte des letzten Jahrhunderts wurden<br />
über 2000 ha Wald im Gantrischgebiet<br />
neu aufgeforstet. In der zweiten Hälfte<br />
des letzten Jahrhunderts begann sich<br />
der Holztransport mit Lastkraftwagen<br />
durchzusetzen. Die Waldbesitzer mussten<br />
mit dem Forstdienst die Walderschliessung<br />
neu planen und einrichten.<br />
Mit Holzprügellagen oder speziellen<br />
Kalkstabilisierungsmassnahmen – in<br />
Zusammenarbeit mit der ETH Zürich<br />
– wurde versucht, die schweren Lehmböden<br />
in einen tragfähigen Untergrund<br />
zu verwandeln. Die Holzerei und Wald-<br />
Abb. 3. Hochmontaner Waldbestand mit stufigem Aufbau.<br />
pflege konzentrierte sich meist entlang<br />
der neugebauten Waldwege und die<br />
ausgedehnten Aufforstungsbestände<br />
wuchsen vielerorts zu dichten, finsteren<br />
Fichtenforsten heran. Meist fehlte in<br />
diesen Beständen die Bodenvegetation<br />
und eine natürliche Verjüngung war<br />
kaum auszumachen. Die ersten grossen<br />
Löcher riss 1982 ein Föhnsturm in die<br />
labilen Baumholzbestände. Nach dem<br />
Orkan Vivian 1990, wurden auf den<br />
geräumten Sturmflächen erste Rottenpflanzungen<br />
durchgeführt. Der Orkan<br />
Lothar zerstörte Ende 1999 grosse Flächen<br />
in den Aufforstungsbeständen. In<br />
der Süftenen (Staatswald) fällte der<br />
Orkan den zehnfachen Hiebsatz, näm-<br />
lich 30 000 m 3 , innerhalb eines Tages.<br />
Erst nach dieser Katastrophe setzte<br />
sich die Meinung durch, dass in den<br />
aufgerissenen Aufforstungsbeständen<br />
eine vitale, ungleichaltrige Verjüngung<br />
die grösste Priorität erhalten muss.<br />
In den ursprünglichen Waldbeständen<br />
wurde bereits früh mit der stufigen<br />
Ausformung begonnen. Mit den neuen<br />
Erkenntnissen und auch mit den Vorgaben<br />
durch NaiS (Frehner et al. 2005),<br />
wird nun insbesondere die Weiss tanne<br />
stark gefördert. Dies ist aber für den<br />
Waldbesitzer oft mit Zusatzaufwendungen<br />
oder Einbussen verbunden<br />
(Wildverbiss, gefährliche Tannentrieblaus,<br />
tieferer Holzertrag, etc.).<br />
Abb. 2. Alte (links) und neue Sperren (rechts).
Forum für Wissen 2013 109<br />
1.4 Ausblick<br />
Auf den gehemmt durchlässigen Böden<br />
hilft das Einbringen und Begünstigen<br />
von tiefwurzelnden Baumarten wie der<br />
Weisstanne und das Fördern von stufigen,<br />
eher jüngeren Waldbeständen, die<br />
Hochwasserabflussspitze zu vermindern.<br />
Der Revierförster kann heute im<br />
Rahmen seiner Beratungstätigkeit den<br />
Waldbesitzer mit Schutzwaldprojekten<br />
in diese Richtung lenken und mit Beiträgen<br />
unterstützen. Auf den verdichtungsanfälligen<br />
Böden muss das Befahren<br />
mit schweren Forstmaschinen eine<br />
Ausnahme bleiben und darf nur auf<br />
eingeplanten Rückegassen erfolgen,<br />
nach Möglichkeit ist der Seilkranbringung<br />
den Vorrang zu geben. Das Ziel,<br />
stufige Bestände mit verschiedenen<br />
tiefwurzelnden Baumarten durchzusetzen,<br />
kann aber langfristig nur erreicht<br />
werden, wenn die Waldeigentümer von<br />
deren Wirkung überzeugt sind, sie für<br />
die Umtriebe zumindest teilweise entschädigt<br />
werden und für das Holz einen<br />
angemessenen Erlös erhalten. Um die<br />
finanzielle und politische Bedeutung<br />
der Schutzwaldpflege zu bewerten,<br />
braucht es neben langjähriger Erfahrung<br />
auch quantitative Methoden, die<br />
eine systematische Analyse der Schutzwaldwirkung<br />
erlauben und damit einen<br />
nachvollziehbaren Einsatz der Ressourcen<br />
ermöglichen. Die Forschung ist<br />
in diesem Sinn gefragt, neue quantitative<br />
Methoden zu entwickeln.<br />
2 Wald und Hochwassergeschehen:<br />
Stand des Wissens<br />
2.1 Waldwirkung gegen<br />
Hochwasser<br />
Zahlreiche Studien weltweit haben die<br />
Wirkung des Waldes auf das Hochwassergeschehen<br />
mit verschiedensten<br />
Kombinationen von Einflussgrössen<br />
und auf unterschiedlichen Skalen<br />
analysiert und diskutiert (z. B. Badoux<br />
et al. 2006). Diese Untersuchungen<br />
haben geholfen, verschiedene forsthydrologische<br />
Prozesse besser zu quantifizieren<br />
und deren Wirkung auf die<br />
Hochwasserintensität abzuschätzen.<br />
Dennoch sind die vom Wald beeinflussten<br />
Faktoren und Prozesse, wel-<br />
che theoretisch zur Hochwasserminderung<br />
beitragen können, sehr schwierig<br />
zu charakterisieren und quantifizieren.<br />
Allgemein wird die hydrologische Wirkung<br />
des Waldes in direkte und indirekte<br />
Aspekte unterteilt. Zu den direkten<br />
Wirkungen zählen Prozesse wie die<br />
Interzeption, der Stammabfluss, die<br />
Evapotranspiration, der präferenzielle<br />
Abfluss entlang von Wurzeln/Wurzelkanälen,<br />
usw. Zu den indirekten Wirkungen<br />
zählen Prozesse wie der Einfluss<br />
der Streueinträge auf die biologische<br />
Aktivität im Boden sowie auf die<br />
physikalische und chemische Eigenschaften,<br />
zum Beispiel die Gefügebildung<br />
im Oberboden.<br />
Die wichtigsten, durch den Wald<br />
beeinflussten Prozesse für die Minderung<br />
der Abflussspitze sind die Evapotranspiration<br />
und Interzeption (Regen<br />
und Schnee), welche die Vorfeuchte<br />
des Bodens über längere Zeit reduzieren<br />
können (je nach Standort und Jahreszeit)<br />
sowie die durch die Waldbehandlung<br />
beeinflusste Bodenstruktur,<br />
welche die Speicherkapazität und das<br />
Abflussgeschehen bestimmt. Interzeption<br />
(Regen) und Evapotranspiration<br />
spielen kurzfristig bei starken Niederschlägen,<br />
welche nur wenige Stunden<br />
dauern, selten eine bedeutende Rolle.<br />
2.2 Beurteilung der Waldwirkung<br />
In der Richtlinien von NaiS («Nachhaltigkeit<br />
im Schutzwald» [Frehner<br />
et al. 2005]) wird angenommen, dass die<br />
Hochwasserschutzwirkung des Waldes<br />
in erster Linie durch eine Erhöhung<br />
der Wasserspeicherkapazität im<br />
durchwurzelten Boden erreicht wird.<br />
Diese Annahme basiert auf Feldbeobachtungen<br />
und berücksichtigt, wie die<br />
indirekte Wirkung des Waldbestandes<br />
die Bodeneigenschaften und deren<br />
Zustand in Kombination mit anderen<br />
Bodenbildungsfaktoren, wie Ausgangsgestein,<br />
Klima und Relief, beeinflussen<br />
kann. In den NaiS Richtlinien<br />
wird ein weiterer, wichtiger Grundsatz<br />
berücksichtigt: Nicht alle Wälder<br />
haben dieselbe Schutzwirkung. Dieses<br />
Konzept wurde von Lüscher und<br />
Zürcher (2003) entwickelt und stützt<br />
sich auf die Idee, dass die Hochwasserschutzwirkung,<br />
insbesondere die<br />
Wasserspeicherkapazität, standortspezifisch,<br />
d.h. unter Berücksichtigung<br />
des Waldzustandes (Baumartenzusammensetzung<br />
und Bestandesstruktur)<br />
beurteilt werden muss. Dabei ist auch<br />
der Bodenaufbau zu berücksichtigen.<br />
Abbildung 4 zeigt beispielhaft den<br />
Übergang von einer Kuppe zu einer<br />
Mulde, welche durch eine starke Änderung<br />
der Vegetation verdeutlich wird<br />
(Vaccinium mirtillis dominierte Krautschicht<br />
auf der Kuppe, Caltha palustris<br />
charakterisierte Gesellschaft in der<br />
Mulde). Die Änderung der Vegetation<br />
weist ebenfalls auf eine Änderung<br />
des Bodenaufbaus und des Bodentyps,<br />
sowie auf unterschiedliche hydrologische<br />
Eigenschaften des Standorts hin.<br />
Je nach Situation können verschiedene<br />
Baumarten je nach Bodeneigenschaften<br />
unterschiedlich wurzeln und<br />
entsprechend unterschiedlich gegen<br />
Hochwasser wirken. Abbildung 5 zeigt<br />
das umgeworfene Wurzelsystem einer<br />
Weisstanne (Abies alba) mit Pfahlwurzeln,<br />
welche zum Teil auch in vernässte<br />
Horizonte wachsen können. Aus<br />
diesem Grund wird diese Baumart<br />
an staunassen Standorten gegenüber<br />
flachwurzelnden Baumarten wie der<br />
Fichte (Picea abies) bevorzugt. Obwohl<br />
sich die Anwendung von NaiS in der<br />
Praxis bewährt hat, bleiben dennoch<br />
viele Fragen offen, um praxistaugliche<br />
Methoden nachvollziehbarer und fundierter<br />
zu formulieren.<br />
Abb. 4. Übergang von Kuppe zu Mulde<br />
mit deutlicher Änderung der Zusammensetzung<br />
der Krautschicht, welche auf eine<br />
Änderung des Bodenaufbaus beziehungsweise<br />
des Bodentyps hinweist. (Waldstandortstyp<br />
46, Über gang zu 49).
110 Forum für Wissen 2013<br />
Abb. 5. Umgeworfenes Wurzelsystem einer<br />
Weisstanne (Abies alba) mit 0.6 m langen<br />
Pfahlwurzeln unterhalb des Baumstamms.<br />
3 Forschungsaktivitäten im<br />
Gantrischgebiet<br />
Seit 2006 wurden verschiedene Forschungsprojekte<br />
der <strong>WSL</strong> in Zusammenarbeit<br />
mit der Uni Bern und der<br />
HAFL über die Hochwasserschutzwälder<br />
im Gantrischgebiet durchgeführt.<br />
Die Staffelung der verschiedenen<br />
Arbeiten während der letzten<br />
Jahre zeigt den generell verwendeten<br />
«bottom-up» Ansatz. In diesem Kapitel<br />
wird ein Überblick über die durchgeführten<br />
Projekte und die dadurch<br />
gewonnenen Erkenntnisse vermittelt.<br />
3.1 Einfluss der Wurzeln auf die<br />
Infiltration/Speicherkapazität<br />
auf der Bodenprofilskala<br />
Die erste Studie befasste sich mit<br />
dem Einfluss von Baumwurzeln auf<br />
die Infiltration (COST Aktion E38<br />
«woody root processes», 2006–2010).<br />
Anhand von Beregnungsexeprimenten<br />
in einem Heidelbeer Tannen-Fichtenwald<br />
(E&K 46, jeweils auf 1 m 2 ) wurde<br />
gezeigt, dass die Wurzeldichte die<br />
Infiltrationskapazität nicht vernässter<br />
Oberbodenhorizonte sowie vernässter<br />
Horizonte erhöhen kann (Lange et al.<br />
2009). Es wurde auch gezeigt, dass in<br />
diesem Gebiet die Entwässerung des<br />
gesamten Bodens immer lateral erfolgt<br />
und dass der Abfluss zum Teil von der<br />
Druckhöhe (wassergesättigter Profilbereich)<br />
bestimmt wird. Als Schlussfolgerung<br />
dieser Untersuchung lässt<br />
sich vermuten, dass es «mittels forstlicher<br />
Massnahmen möglich sein wird,<br />
die Wurzelverteilungen in Wäldern zu<br />
beeinflussen und damit Infiltrationsund<br />
Speicherkapazitäten durch Artenzusammensetzung<br />
und Bestandesstruktur<br />
zu modifizieren» (Lange et al.<br />
2011).<br />
Hartmann (2008) konnte in demselben<br />
Gebiet zeigen, dass die Durchwurzelung<br />
der Vogelbeere stark durch<br />
vernässte Horizonte limitiert ist, wie<br />
es auch schon für die Fichte und die<br />
Buche (Fagus sylvatica) aus der Literatur<br />
bekannt ist. Es bleibt unklar,<br />
wie langfristig die Bodenstruktur des<br />
Oberbodens aufgrund der geänderten<br />
Zusammensetzung des Streumaterials<br />
und einer erhöhten biologischen Aktivität<br />
verbessert werden kann. Feldbeobachtungen<br />
haben bestätigt, dass die<br />
Tanne, in diesem Gebiet die am meisten<br />
verbreitete Baumart ist, da sie zum<br />
Teil gesättigte Bodenhorizonte ohne<br />
Limitierung durchwurzelt.<br />
In einer Arbeit von Grunauer (2009)<br />
wurden hydrologische Reaktionen in<br />
sechs Bodenprofilen und der Einfluss<br />
unterschiedlich alter Wurzelstöcke auf<br />
die Infiltration untersucht. Diese Arbeit<br />
zeigte trotz eines begrenzten Stichprobenumfangs,<br />
dass sich der Abbau der<br />
Wurzelmasse unter teilweise anaeroben<br />
Bedingungen in hydromorphen<br />
Horizonten so langsam vollzieht, dass<br />
über 30 Jahre nach dem Absterben der<br />
Bäume noch annähernd alle Wurzeln<br />
vorhanden waren. Der Trend, dass sich<br />
eine höhere Wurzeldichte günstig auf<br />
die Infiltrationsgeschwindigkeit auswirkt,<br />
wurde bestätigt.<br />
In einem weiteren Projekt (Wald und<br />
Klimawandel, 2010–2012) untersuchten<br />
Lange et al. (2013) die potentiellen<br />
Auswirkungen der Klimaänderung auf<br />
die Hochwasserschutzwirkung. In der<br />
Annahme, dass die Durchwurzelung in<br />
Buchenbeständen tieferer Lagen für<br />
zukünftige Klimaszenarien in höheren<br />
Lagen repräsentativ sein wird (in<br />
denen heute Tannen-Fichtenbestände<br />
dominieren), schätzen die Autoren,<br />
dass die Hochwasserschutzwirkung auf<br />
Grund einer intensiveren Durchwurzelung<br />
und erhöhter Verzögerung des<br />
Wasserabflusses zukünftig in höheren<br />
Lagen verstärkt wird.<br />
3.2 Einfluss der Wurzelverteilung<br />
auf die räumliche Heterogenität<br />
von Vernässungsmerkmalen<br />
auf der Transektskala<br />
Das Projekt COST FORMAN (Forest<br />
Management and Water Cycle, 2009–<br />
2012) strebte das Ziel an, den Wassergehalt<br />
und die Durchwurzelung in<br />
Abhängigkeit des Bestandesaufbaus<br />
zu charakterisieren. Das zentrale Thema<br />
dieser Arbeit war die Aufskalierung<br />
hydrologischer Prozesse vom Punkt<br />
zur Fläche unter Berücksichtigung der<br />
einzelnen Waldstandorte und deren<br />
Bewirtschaftung. In der erste Phase<br />
des Projektes, wurde die Bodenhydrologie<br />
und die Durchwurzelungsintensität<br />
durch Transekte (etwa 6–8 m lange<br />
Bodenprofile zwischen zwei Bäumen)<br />
und ein flächendeckendes Raster von<br />
Messpunkten (Raster Netz 10 × 10 m)<br />
analysiert. Eine detaillierte Studie über<br />
die Aufnahmemethoden (Hebeisen<br />
2011) hat gezeigt, dass die erhobenen<br />
Daten und Werte für Horizontmerkmale<br />
(Go,r) und Wurzelverteilung vergleichbar<br />
sind, egal ob sie mit Rahmenbohrer,<br />
Humaxproben oder durch eine<br />
Profilansprache gewonnen werden.<br />
Allerdings ist die Variabilität je nach<br />
Aufnahmemethode im Fehlerbereich<br />
sehr unterschiedlich.<br />
Die ersten Resultate dieser Studien<br />
wiesen darauf hin, dass die Reliefkomponente<br />
(Kuppe/Mulde) sowie der<br />
Baumabstand keine grosse Rolle bei<br />
Betrachtung der vertikalen Infiltration<br />
spielten (Stimm et al. 2009; Allenspach<br />
et al. 2011). Weiter gab es Hinweise<br />
darauf, dass die Durchwurzelungsintensität<br />
der Feinwurzeln in einem gut<br />
strukturierten, geschlossenen Bestand<br />
keine Funktion des Baumabstandes ist<br />
(Abb. 6). Spätere Untersuchungen in<br />
der zweite Phase des Projektes hingegen<br />
zeigten, dass der laterale Abfluss<br />
durch das Relief beeinflusst ist und die<br />
Wurzelverteilung (Fein- und Grobwurzeln)<br />
von der Waldstruktur abhängig<br />
ist (Schwarz et al. 2013).
Forum für Wissen 2013 111<br />
Abb. 6. Wurzelverteilung zwischen zwei Baumstämmen entlang eines Transekts aufgenommen<br />
durch Zählungen im 10 × 10 cm Raster<br />
3.3 Zusammenhang zwischen<br />
Durchwurzelung, Boden struktur<br />
und lateralem Zwischenabfluss<br />
auf der Ebene der Boden <br />
profilskala<br />
In einer späteren Phase des COST<br />
FORMAN Projekts wurden neue<br />
Beregnungsversuche mit regelmässigen<br />
Abständen zu Baumstämmen<br />
durchgeführt (1,5 , 3,5 und 5,5 m), um<br />
den Zusammenhang zwischen Relief,<br />
Durchwurzelung, Wassergehalt<br />
und lateralem Abfluss zu untersuchen<br />
(Schwarz et al. 2013).<br />
Jedes Profil wurde mit drei verschiedenen<br />
Intensitäten (70, 40, 100 mm/<br />
Std) beregnet, wobei jede Beregnung<br />
durch eine zweistündige Pause unterbrochen<br />
wurde (Sequenz Beregnung:<br />
erste Stunde 70 mm/Std, zwei Stunden<br />
ohne Beregnung, eine Stunde 40<br />
mm/Std, und anschliessend eine Stunde<br />
100 mm/Std). In jedem beregneten<br />
Profil wurden Wurzelverteilung, Wassergehalt<br />
und lateraler Abfluss gemessen.<br />
Die Wurzelverteilung wurde bis<br />
0,5 m Bodentiefe auf eine Breite von<br />
0,5 m kartiert. Der Wassergehalt wurde<br />
an zehn verschiedenen Stellen (Messintervall<br />
1 Min.) gemessen (Abb. 7),<br />
in den Tiefen von 0,075, 0,225 und<br />
0,375 m. Der laterale Abfluss wurde in<br />
drei Tiefenbereichen (0–0,15 , 0,16–0,3 ,<br />
0,31–0,45 m) in 0,5 m breiten Metallrillen<br />
gesammelt und mit Kippwaagen<br />
(RainWiseInc) gemessen.<br />
Aus den ersten qualitativen Beobachtungen<br />
im Feld hat sich bestätigt,<br />
dass am untersuchten Standort (E&K<br />
Nr. 49) das Kuppen-Mulden-Relief<br />
einen deutlichen Zusammenhang mit<br />
der räumlichen Verteilung des Bodenaufbaus<br />
beziehungsweise -typs zeigte<br />
(z. B. Lage reduzierter oder oxidierter<br />
bzw. wechselfeuchter Horizonte)<br />
und dadurch auch einen starken Einfluss<br />
auf den lateralen Abfluss hatte<br />
(Abb. 8). Weiter haben die Ansprachen<br />
der Bodenprofile ergeben, dass<br />
die Bodenverdichtung in der Nähe von<br />
Abb. 7. Einrichtung der Feldexperimente für die Messung des lateralen<br />
Abflusses auf Bodenprofilskala.<br />
Abb. 8. Serie von Bodenprofilen entlang eines Kuppen-Mulden Gradienten<br />
in verschiedenen Abständen zu einem Baumstamm (1,5 ,<br />
3,5 , und 5,5 m). Innerhalb weniger Meter ist der Gr-Horizont zwischen<br />
0,7 und 0,2 m Tiefe zu finden.
112 Forum für Wissen 2013<br />
Baumstämmen und die Präsenz von<br />
Grobwurzeln den lateralen Abfluss<br />
innerhalb von nicht und wenig hydromorphen<br />
Horizonten (z. B. B oder SB)<br />
während extremer Niederschlagereignisse<br />
fördern. In steileren Hangpartien<br />
erreichten gut durchwurzelte Horizonte<br />
eine Tiefe von 1 bis 1,5 m und wiesen<br />
eine subpolyedrische bis polyedrische<br />
Struktur auf. Solche mächtige und gut<br />
strukturierte Horizonte sind Voraussetzung<br />
für eine hohe Speicherkapazität<br />
und für eine bedeutende Verzögerung<br />
des lateralen Abflusses. In nicht<br />
bestockten Mulden oder flachen Hangpartien<br />
waren die Bodenprofile stark<br />
von Reduktionsmerkmalen geprägt<br />
und die Tiefe der rasch drainierenden<br />
Horizonte war auf die obersten 0,1 bis<br />
0,2 m des Bodenprofiles limitiert.<br />
Von dreizehn durchgeführten Beregnungsversuchen<br />
wiesen acht einen<br />
lateralen Abfluss höher als 0,0017 Lt./<br />
sec (= 0,1 Lt./min) innerhalb der ersten<br />
0,45 m auf. Die resultierenden Abflusskoeffizienten<br />
schwankten zwischen<br />
0 und 0,9 , wobei nur bei zwei Experimenten<br />
der Abflusskoeffizient über<br />
0,8 lag. Neun Beregnungen wurden bei<br />
Fichten und vier bei Tannen durchgeführt.<br />
Die untersuchten Bäume hatten<br />
einen BHD zwischen 0,3 und 0,4 m.<br />
Abbildung 10 zeigt ein Beispiel für<br />
den gemessenen lateralen Abfluss für<br />
ein Profil (Abb. 9) in 1,5 m Abstand<br />
zu einer Tanne (BHD = 0,38 m). Die<br />
Resultate zeigen auf, dass der Grossteil<br />
des lateralen Abflusses zwischen<br />
0,16 und 0,3 m Bodentiefe stattgefunden<br />
hat und der maximale Abfluss<br />
proportional zur Niederschlagsintensität<br />
war. Eine quasi-konstante Wasserbilanz<br />
(input = output) wurde etwa<br />
15 bis 20 Minuten nach Beregnungsbeginn<br />
erreicht. Die Messungen zeigen<br />
auch, dass der Abfluss typischerweise<br />
erst ab einem bestimmten Wassergehalt<br />
beginnt (durchschnittlich 0,36 [m 3 /<br />
m 3 ]) und auch ungesättigte Horizonte<br />
zu lateralem Abfluss beitragen können.<br />
Des Weiteren kann vermutet werden,<br />
dass die Steigung des Abflusses stark<br />
durch die Dimensionen und Form der<br />
Makroporen beeinflusst wird und die<br />
Durchwurzelungssituation, sowie die<br />
biologische Aktivität eine wichtige<br />
Voraussetzung für eine Erhöhung der<br />
Wasserspeicherung (Einfluss auf Porosität<br />
und Bodenvorfeuchte) und damit<br />
auf die Abflussverzögerung hat.<br />
3.4 Modellierungsansatz für die<br />
Charakterisierung des lateralen<br />
Zwischenabflusses und der<br />
präferenziellen Fliesswege<br />
In diesem Teilprojekt wurde ein neuer<br />
Modellierungsansatz entwickelt, um<br />
den präferenziellen Abfluss in durchwurzelten<br />
Böden zu quantifizieren.<br />
Die Grundkonzepte der Modellierung<br />
Abb. 9. Detail des Bodenprofils (T13_1.5) in 1,5 m Abstand zu einem Tannenstamm mit klarem<br />
Übergang von Ah Horizont mit Wurzeln und Rissen zu einem Go/r Horizont mit einer<br />
kompakten kohärenten Struktur (und deshalb weniger durchlässig) in 0,2 m Tiefe.<br />
basieren auf dem Ansatz von Beven<br />
und Germann (2013) für den präferentiellen<br />
lateralen Abfluss und wurden<br />
erweitert, um den Zusammenhang<br />
zwischen Wurzelverteilung, Abfluss<br />
und Wassergehalt besser abzubilden<br />
(Schwarz et al. 2013). Das Modell<br />
löst die Wasserbilanzgleichung unter<br />
Anwendung der Stokes Gleichung für<br />
die Berechnung der Wasserflüsse.<br />
Die sensibelsten Modellparameter,<br />
welche mit den Resultaten aus den<br />
Beregnungsexperimenten kalibriert<br />
wurden, sind:<br />
– Tiefe der rasch drainierten Bodenhorizonte<br />
(T [m]),<br />
– Kontaktfläche der Makroporen (L<br />
[m 2 /m 3 ]),<br />
– Koeffizient der vertikalen Sickerung<br />
(cv [–]) und<br />
– der sogenannte Faktor der Makroporen<br />
(gF [–]).<br />
Eine detaillierte Beschreibung des<br />
Modells ist in Schwarz et al. (2013) zu<br />
finden.<br />
Abbildung 11 zeigt den Vergleich<br />
zwischen dem gemessenen und simulierten<br />
Zeitverlauf des Wassergehaltes<br />
und des Abflusses von zwei Beregnungen<br />
bei sehr unterschiedlichen Verhältnissen.<br />
Das Bodenprofil der ersten<br />
Beregnung (Abb. 11A und 11C)<br />
wies einen stark vernässten Boden mit<br />
einem reduzierten Horizont schon ab<br />
0,2 m Bodentiefe auf. Dadurch änderte<br />
sich der gesamte Wassergehalt im Profil<br />
während der Beregnung nicht, wobei<br />
aber der laterale Abfluss in kurzer Zeit<br />
stattfand. Das zweite Profil (Abb. 11B<br />
und 11D) zeigte eine grössere Schwankung<br />
des Wassergehaltes proportional<br />
zur Beregnungsintensität und praktisch<br />
keinen lateralen Abfluss innerhalb<br />
der ersten 0,45 m Bodentiefe, da<br />
in diesem Fall der reduzierte Horizont<br />
tiefer unten lag. Mit diesen Informationen<br />
und Daten konnten die Modellparameter<br />
kalibriert werden. Die Tiefe<br />
der rasch drainierten Bodenhorizonte<br />
(T [m]) im untersuchten Gebiet lag<br />
zwischen 0,15 und 1 m, die kalibrierte<br />
Kontaktfläche der Makroporen (L [m 2 /<br />
m 3 ]) lag zwischen 50 und 2500 m 2 /m 3 .<br />
Der Koeffizient der vertikalen Versickerung<br />
(cv [–]) lag zwischen 0 und 1<br />
und der sogenannte geometrische Faktor<br />
der Makroporen (gF [–]) wurde<br />
konstant bei 0,25 festgelegt.
Forum für Wissen 2013 113<br />
Abbildung 12 zeigt die Sensibilität<br />
des Modells relativ zum Parameter L<br />
(Kontaktfläche der Makroporen) und<br />
gibt einen Hinweis zur Bedeutung dieses<br />
Parameters auf den Ausschlag der<br />
Abflussspitze. Die Berechnungen wurden<br />
mit einer Vorfeuchte von 0,3 [m 3 /<br />
m 3 ], T = 0,5 m, c = 0 und gF = 0,25 durchgeführt.<br />
Die drei Regenintensitäten<br />
entsprachen 70-40-100 mm/Std wie bei<br />
den Feldexperimenten. Die Resultate<br />
zeigten, dass bei gleicher Speicherkapazität<br />
die unterschiedlichen Dimensionen<br />
der Makroporen, welche durch<br />
den Parameter L charakterisiert werden,<br />
eine grosse Bedeutung für die<br />
Minderung der Abflusssptitze haben.<br />
Abb. 10. Resultate des gemessenen lateralen Abflusses bei Profil T13_1.5.<br />
A<br />
B<br />
Englische Übersetzung des Titels<br />
Since more than 150 years the population of the Gantrisch region is faced<br />
with floodrisks. For this reason, the role of protection forests has been considered<br />
important since long time, and big reforestations took place already in the<br />
1840’s. Notwithstanding the numerous studies on the flood-mitigating effects of<br />
C<br />
D<br />
forests, the development of quantitative methods for the practice is still challenging.<br />
In this work we present an overview of the research projects carried out in<br />
the Gantrisch region aimed to quantify the protection function of the forest. We<br />
discuss how the results of field experiments and numerical modeling could lead<br />
to the formulation of new quantitative approaches for the practice. However, for<br />
the systematical implementation of such approaches in cost-benefit analysis for<br />
risk management, several lags of knowledge still need to be adressed by future<br />
research works.<br />
Keywords: flood risk, protection forests, Gantrisch region, lateral sub-surface<br />
flow, root distribution, numerical modeling.<br />
Abb. 11. Resultate der gemessenen und modellierten Änderung des Wassergehalts (A und B) und des lateralen Abflusses (C und D) bei zwei<br />
sehr unterschiedlichen Profilen (F10_5.5 [A und C] und F10_3.5 [B und D]).
114 Forum für Wissen 2013<br />
Abb. 12. Resultate der Sensibilitätsanalyse des Abflussmodells auf der Bodenprofilskala mit<br />
unterschiedlichen Werten des Parameters L (Kontaktfläche [m 2 /m 3 ]).<br />
Vegetationsbedeckungen (Wiese =<br />
gelb, «schlechter» Wald = dunkelgrün,<br />
«minimaler» Wald = grün, «optimaler»<br />
Wald = hell grün) bei einem kurzen<br />
(1 Std. → 45 mm) und einem langen<br />
(24 Std. → 120 mm) hundertjährlichen<br />
Niederschlagsereignis. Der Niederschlag<br />
wurde über die Zeit als normal<br />
verteilt angenommen und das Speichervermögen<br />
war für alle Kombinationen<br />
konstant. Die Resultate zeigten,<br />
dass bei einem kurzen Niederschlagsereignis,<br />
ein «optimaler» Waldbestand<br />
die Abflussspitze bis zu 30 Prozent<br />
reduzieren konnte, dank einer starken<br />
Verzögerung des Wasserabflusses.<br />
Bei einem langandauernden Regenereignis<br />
hingegen, schien der Wald keinen<br />
Einfluss bei solch kleinen Hängen<br />
(10 × 15 m) zu haben. Die simulierten<br />
Abflüsse begannen erst, als der Hang<br />
hydrologisch vernetzt war. Je mehr<br />
Wasser benötigt wurde, um den lateralen<br />
Abfluss zu initialisieren, desto stärker<br />
wurde die Abflussspitze reduziert.<br />
4 Diskussion und Schlussfolgerungen<br />
3.5 Aufskalierung der Abflussprozesse<br />
und Einfluss der<br />
Durchwurzelung<br />
Das kalibrierte Abflussmodell der Profilskala<br />
wurde dann in einem Abflussmodell<br />
für die Hangskala angewandt,<br />
um die Verhältnisse von unterschiedlich<br />
hydrologisch beitragenden Flächen<br />
während eines Niederschlags zu simulieren<br />
und zu analysieren.<br />
Eine «random generating function»<br />
definiert in dem Modell die zufällige<br />
Normalverteilung der initialen Vorfeuchte<br />
(0,3 +– 0,03) in jeder Simulation<br />
(2 bis 5 pro Vegetationsbedeckung).<br />
Abbildung 13 zeigt die zeitliche Entwicklung<br />
der hydrologischen Benetzung<br />
des Hanges in Zusammenhang<br />
mit der Zunahme des Wassergehalts<br />
in jeder Zelle bis zu den Werten, bei<br />
welchen der laterale Abfluss beginnt<br />
(blaue Punkte).<br />
Unter der Annahme, dass unterschiedliche<br />
Werte von T (hydrologische<br />
aktive Bodentiefe) und L (Kontaktfläche)<br />
charakteristisch für unter-<br />
Für ein bestimmtes Niederschlagsereignis<br />
und ein bestimmtes Einzugsgebiet<br />
kann die Abflussspitze durch eine<br />
erhöhte Speicherkapazität des Bodens<br />
oder durch eine grössere Verzögerung<br />
des Wasserabflusses reduziert werden.<br />
In der Regel wirkt der Wald positiv auf<br />
diese beiden Prozesse (Speicherung<br />
und Verzögerung), aber in unterschiedschiedliche<br />
Bedingungen bezüglich<br />
Vegetationsbedeckung (Wiese bis gut<br />
strukturierte Waldbestände) sind, ist es<br />
möglich, die Abflussverhältnisse eines<br />
Hanges für unterschiedliche Niederschlagsereignisse<br />
zu simulieren. Abbildung<br />
14 zeigt den simulierten Abfluss<br />
eines Hanges mit vier verschiedenen<br />
Abb. 13. Zeitliche Entwicklung der hydrologischen Benetzung des Hanges in Zusammenhang<br />
mit der Zunahme des Wassergehalts (a = 60 Sek., b = 600 Sek., c = 1200 Sek.) während<br />
eines intensiven Niederschlages. Die roten Zellen weisen einen Wassergehalt kleiner als θ min<br />
auf und produzieren keinen lateralen Abfluss, während die blauen Zellen einen Wassergehalt<br />
grösser als θ min aufweisen und einen lateralen Abfluss proportional zu ihrem Sättigungsgrad<br />
produzieren.
Forum für Wissen 2013 115<br />
rekte Wirkung der Wurzelverteilung,<br />
durch die Parameter T, θ Beginn , θ min und<br />
L gut charakterisiert werden. Auf der<br />
Hangskala wirkt der Einfluss des Waldes<br />
durch die räumliche Heterogenität<br />
der oben genannten Parameter und<br />
dadurch auf die hydrologische Vernetzung<br />
des Hanges.<br />
Die bis heute gewonnenen Resultate<br />
bilden eine solide Basis für die Analyse<br />
der Prozesse auf der Profilskala (Infiltration<br />
und lateraler Abfluss), aber auf<br />
der Hangskala bleiben die Ergebnisse<br />
nur eine numerische Ex trapolation,<br />
welche mit weiteren Felddaten und Studien<br />
validiert werden muss. Die Analyse<br />
der Wurzelverteilung auf der Hangskala<br />
(Stimm et al. 2009; Allenspach<br />
et al. 2011; Hebeisen 2011; Schwarz<br />
et al. 2013) hat zwar ein besseres Bild<br />
des Zusammenhangs zwischen Waldstruktur<br />
und Wurzelverteilung ergeben,<br />
aber die hydrologischen Prozesse<br />
auf dieser Skala wurden noch nicht<br />
ausreichend charakterisiert. Zudem<br />
sind diesbezüglich nur wenige Studien<br />
in der Literatur vorhanden (z. B.<br />
Kohl et al. 2002). Dennoch lassen die<br />
numerischen Simulationen eine erste<br />
Schätzung der Waldwirkung zu. Zu<br />
den wichtigsten Rahmenbedingungen<br />
zählen die Intensität und Dauer eines<br />
Niederschlagsereignisses, das Relief,<br />
die Hanglänge und die Hangneigung.<br />
Die ersten Resultate haben gezeigt,<br />
dass bei einem gleichen Ereignis (z. B.<br />
1 Std. Dauer mit einem Gesamtniederschlag<br />
von 45 mm), je nach Verteilung<br />
der Niederschläge über die Zeit (konstant,<br />
normalverteilt, oder unregelmäslichem<br />
Ausmass je nach Situation. Die<br />
von der <strong>WSL</strong> durchgeführten Studien<br />
im Gantrischgebiet haben die Basis für<br />
eine quantitative Analyse der Waldwirkung<br />
in staunassen, vernässten Böden<br />
geschaffen und erlauben eine systematische<br />
Diskussion der komplexen<br />
Interaktionen und Prozesse, welche zu<br />
Hochwasserbildung führen.<br />
Gemäss unserer Resultate und der<br />
Modellierung ist die Speicherkapazität<br />
des Bodens (definiert als die Kapazität<br />
des Bodens durch Kapillarkraft das<br />
Wasser festzuhalten und nicht fliessen<br />
zu lassen) die wichtigste Einflussgrösse<br />
um die Abflussspitze zu reduzieren.<br />
Die Speicherkapazität hängt<br />
von der Art der Porosität des Bodens<br />
(z. B. Porengrösseverteilung, Konnektivität,<br />
Geometrie der Poren) und seiner<br />
Mächtigkeit ab (je tiefgründiger<br />
der Boden, desto mehr Wasser kann<br />
gespeichert werden). Tiefwurzelnde<br />
Baumarten, welche durch vernässte<br />
Bodenhorizonte nicht stark limitiert<br />
werden, sind waldbaulich zu bevorzugen,<br />
da diese Baumarten auch den<br />
tieferen Horizonten Wasser entziehen<br />
und so indirekt die Bodenstruktur dieser<br />
Horizonte verbessern. Aus diesem<br />
Grund erhöht die Präsenz von Wurzeln<br />
die Infiltration und die Speicherkapazität<br />
des Bodens. Im vorgeschlagenen<br />
Modellierungsansatz wird die Speicherkapazität<br />
durch die Parameter T,<br />
θ Beginn (Vorfeuchte) und θ min (Wassergehalt,<br />
bei welchem der laterale Abfluss<br />
beginnt) bestimmt. In ungünstigen<br />
Situationen kann die Speicherkapazität<br />
gleich Null sein, wenn beispielsweise<br />
während der Schneeschmelze<br />
die Bodenfeuchte sehr hoch ist. Aber<br />
auch wenn das Wasser in den Boden<br />
infiltriert, kann es, je nach Abflussbildungsprozess,<br />
rasch durch präferenzielle<br />
Fliesswege zum Abfluss beitragen.<br />
In bewaldeten Hängen ist der laterale<br />
Zwischenabfluss oft dominierend<br />
und die Geschwindigkeit des Abflusses<br />
hängt von der Dimension und Vernetzung<br />
der Makroporen ab. Die Resultate<br />
haben gezeigt, dass die Intensität<br />
des Zwischenabflusses durch die Kontaktflächenlänge<br />
charakterisiert werden<br />
kann. Dieser Parameter hat sich<br />
im Modell als zweitwichtigster für die<br />
Minderung der Abflussspitze herausgestellt.<br />
Auf der Bodenprofilskala kann der<br />
Einfluss des Waldes über die indi-<br />
Abb. 14. Simulierter Abfluss eines Hanges mit vier verschiedenen Vegetationsbedeckungen<br />
(Wiese = gelb, «schlechter» Wald = dunkel grün, «minimaler» Wald = grün, «optimaler»<br />
Wald = hell grün) bei einem kurzen (1 Std. → 45 mm) und einem langen (24 Std. → 120 mm)<br />
hundertjährlichen Niederschlagsereignis.<br />
sig), die Waldwirkung unterschiedlich<br />
sein kann.<br />
Die Resultate und Ansätze, welche<br />
in diesem Artikel präsentiert werden,<br />
dienen als wichtige Grundlagen für<br />
die Quantifizierung der Waldwirkung<br />
gegen Hochwasserrisiken. Als Beispiel<br />
können derartige Ansätze in Kostenwirksamkeitsanlysen<br />
im Rahmen<br />
des Risikomanagements angewendet<br />
werden, wobei die Waldwirkung je<br />
nach Wiederkehrdauer und Intensität<br />
der Niederschlagsereignisse, sowie je<br />
nach Waldzustand quantifiziert werden<br />
kann. In ähnlicher Weise hat Sandri<br />
(2006) die Waldwirkung gegen<br />
Wildbach- und Hochwassergefahren<br />
in einem Intensitäts-Wahrscheinlichkeits-Diagramm<br />
qualitativ dargestellt.<br />
Abbildung 15 zeigt eine Konzept-<br />
Darstellung der möglichen Resultate<br />
aus numerischen Simulationen für<br />
die Quantifizierung der Waldwirkung<br />
je nach Wiederkehrdauer und Dauer<br />
eines Niederschlagsereignisses für ein<br />
bestimmtes Einzugsgebiet und einen<br />
bestimmten Waldzustand.<br />
Die Wirkung des Waldes hängt vom<br />
Waldstandortstyp und vom Waldzustand<br />
ab, welcher wiederum oft von der<br />
Waldbewirtschaftung abhängig ist. Die<br />
sorgfältige Auswahl der Baumartenmischung<br />
und die Bildung einer heterogenen<br />
mehrstufigen Struktur sind in<br />
den in NaiS enthaltenen Vorgaben für<br />
eine optimale Schutzwirkung des Waldes<br />
Voraussetzungen. Diese Richtlinie<br />
basiert auf qualitativen Schätzungen.<br />
Eine Verbesserung ist im Moment<br />
nicht systematisch möglich, vor allem
116 Forum für Wissen 2013<br />
Abb. 15. Konzeptuelle Darstellung der möglichen Resultate für die Quantifizierung der<br />
Waldwirkung je nach Wiederkehrdauer und Dauer eines Niederschlagsereignisses.<br />
auf Grund fehlender Felddaten. Die<br />
mittel- bis langfristigen Wirkungen<br />
von verschiedenen Baumarten und<br />
Waldstrukturen unter verschiedenen<br />
Bedingungen (Klima, Boden, etc.) sind<br />
nur für wenige Situationen schätzbar<br />
(Lange et al. 2009; Hartmann 2008).<br />
Weitere Projekte sollten diese Kenntnisse<br />
mithilfe neuer Felddaten erweitern.<br />
Für ein besseres Gesamtbild der<br />
Waldwirkungen gegen Hochwasser ist<br />
die langfristige Berücksichtigung der<br />
Walddynamik (Absterben und Wachstum<br />
der Bäume) ein sehr wichtiges<br />
Element, welches zusätzlich noch besser<br />
untersucht werden muss.<br />
5 Literatur<br />
Allenspach, A.; Pecoroni, D.; Stimm E.-M;<br />
Lange, B.; Zürcher, K.; Lüscher, P.;<br />
Weingartner, R., 2011: Infiltrationsverhalten<br />
gehemmt durchlässiger Waldböden<br />
in Abhängigkeit der Durchwurzelungs.<br />
In: Böden verstehen, Böden nutzen,<br />
Böden fit machen. Jahrestagung der<br />
DBG, Berlin, September 2011; (Berichte<br />
online).<br />
Badoux, A.; Witzig, J.; Germann, P.F.; Kienholz,<br />
H.; Lüscher P.; Weingartner, R.;<br />
Hegg, C., 2006: Investigations on the<br />
runoff generation at the profile and plot<br />
scales, Swiss Emmental. Hydrol. Process.<br />
20: 377–394.<br />
Beven, K.; Germann, P.F., 2013: Macropores<br />
and Water Flow in Soils Revisited. doi:<br />
10.1002/wrcr.20156<br />
Frehner, M.; Wasser B.; Schwitter, R.,<br />
2005: Nachhaltigkeit und Erfolgskontrolle<br />
im Schutzwald: Wegleitung für Pflegemassnahmen<br />
in Wäldern mit Schutzfunktion.<br />
Bern, Bundesamt für Umwelt,<br />
BAFU.<br />
Grunauer, C., 2009: Bodenhydrologische<br />
Auswirkungen von Wurzeln abgestorbener<br />
Bäume nach 1, 6, 18, 36 und über<br />
40Jahren, Masterarbeit, Geogr. Institut<br />
der Universität Bern – GIUB, Bern.<br />
Hartmann, O., 2008: Durchwurzelungssituation<br />
der Vogelbeere (Sorbus aucuparia)<br />
auf hydromorphen Böden und deren<br />
Einfluss auf hydrologische Bodeneigenschaften.<br />
Bachelor Thesis, Zurcher Hochschule<br />
fur Angewandte Wissenschaften –<br />
ZHAW, Wädenswil.<br />
Hebeisen, K., 2011: Untersuchung zum Einfluss<br />
der Waldbestandesstruktur auf die<br />
Durchwurzelung temporär vernässter<br />
Flyschböden im Under Scheidwald (BE).<br />
Bachelor Thesis, Hochschule für Agrar-,<br />
Forst-, und Lebensmittelwissenschaften,<br />
Zollikofen.<br />
Kohl, B.; Markart, G.; Bauer, W., 2002:<br />
Abflussmenge und Sedimentfracht unterschiedlich<br />
genutzter Boden-/Vegetationskomplexe<br />
bei Starkregen im Sölktal/Steiermark.<br />
BFW-Ber. 127: 5–15.<br />
Lange, B.; Lüscher, P.; Germann, P.F., 2009:<br />
Significance of tree roots for preferential<br />
infiltration in stagnic soils. Hydrol. Earth<br />
Syst. Sci. 13: 1809–1821.<br />
Lange, B.; Germann, P.F.; Lüscher, P., 2011:<br />
Runoff-generating processes in hydromorphic<br />
soils on a plot scale: free gravity-driven<br />
versus pressure-controlled flow.<br />
Hydrol. Process. 25: 873–885.<br />
Lange, B.; Germann P.F.; Lüscher P., 2013:<br />
Greater abundance of Fagus sylvatica in<br />
coniferous flood protection forests due to<br />
climate change: impact of modified root<br />
densities on infiltration. Eur. J. For. Res.<br />
132: 151–163.<br />
Lüscher, P.; Zürcher, K., 2003: Waldwirkung<br />
und Hochwasserschutz: Eine differenzierte<br />
Betrachtungsweise ist angebracht.<br />
LWF-Ber. 40: 30–33.<br />
Sandri, A., 2006: Vom Nutzen des Waldes.<br />
Bull. angew. Geol. 11, 2: 109–115.<br />
Stimm, E.-M.; Lange, B.; Zürcher, K.;<br />
Lüscher, P.; Weingartner, R., 2009: Infiltrationsverhalten<br />
gehemmt durchlässiger<br />
Waldböden in Abhängigkeit der Durchwurzelungs-tiefe.<br />
In: Böden – eine endliche<br />
Ressource. Jahrestagung der DBG,<br />
Bonn, September 2009.<br />
Schwarz, M.; Dämpfle, L.; Lüscher P., 2013<br />
(in Vorbereitung): A new framework for<br />
the quantification of the hydrological<br />
connectivity of vegetated slopes. Ecohydrology.<br />
Abstract<br />
Gantrisch’s flood-protection forest: developing quantitative methods for practical use<br />
The population in the Gantrisch region has had to cope with the risk of floods for<br />
more than 150 years. The role of protection forests has therefore long been considered<br />
important, and extensive reforestation was already undertaken in the 1840s.<br />
Notwithstanding the numerous studies on the flood-mitigating effects of forests,<br />
quantitative methods for use in practice are still underdeveloped. In this work we<br />
present an overview of the research projects carried out in the Gantrisch region to<br />
quantify the protection function of the forest. We discuss how the results of field<br />
experiments and numerical modeling has led to the formulation of new quantitative<br />
approaches for use in practice. However, to implement such approaches systematically<br />
in cost-benefit analyses for risk management, several gaps in knowledge<br />
still need to be addressed in future research.<br />
Keywords: flood risk, protection forests, Gantrisch region, lateral sub-surface flow,<br />
root distribution, numerical modeling.
Verzeichnis der Schriftenreihe «Forum für Wissen»<br />
Forum für Wissen 2012<br />
Alpine Schnee- und Wasserressourcen gestern, heute, morgen. 68 S.<br />
Forum für Wissen 2011<br />
Der multifunktionale Wald – Konflikte und Lösungen. 58 S.<br />
Forum für Wissen 2010<br />
Landschaftsqualität. Konzepte, Indikatoren und Datengrundlagen. 67 S.<br />
Forum für Wissen 2009<br />
Langzeitforschung für eine nachhaltige Waldnutzung. 129 S.<br />
Forum für Wissen 2008<br />
Ballungsräume für Mensch und Natur. 82 S.<br />
Forum für Wissen 2007<br />
Warnung bei aussergewöhnlichen Naturereignissen. 96 S.<br />
Forum für Wissen 2006<br />
Wald und Klimawandel. 71 S.<br />
Forum für Wissen 2005<br />
Wald und Huftiere – eine Lebensgemeinschaft im Wandel. 74 S.<br />
Forum für Wissen 2004<br />
Schutzwald und Naturgefahren. 103 S.<br />
Forum für Wissen 2000<br />
Naturwerte in Ost und West. Forschen für eine nachhaltige Entwicklung vom Alpenbogen bis zum Ural. 87 S.<br />
Forum für Wissen 1999, 2<br />
Nachhaltige Nutzung im Gebirgsraum. 70 S.<br />
Forum für Wissen 1999, 1<br />
Biosphärenpark Ballungsraum. 56 S.<br />
Forum für Wissen 1998<br />
Optimierung der Produktionskette «Holz». 87 S.<br />
Forum für Wissen 1997<br />
Säure- und Stickstoffbelastungen – ein Risiko für den Schweizer Wald? 100 S.<br />
Forum für Wissen 1996<br />
Wild im Wald – Landschaftsgestalter oder Waldzerstörer? 71 S.<br />
Forum für Wissen 1995<br />
Erhaltung der Biodiversität – eine Aufgabe für Wissenschaft, Praxis und Politik. 59 S.<br />
Forum für Wissen 1994<br />
Waldwirtschaft im Gebirge – eine ökologische und ökonomische Herausforderung. 54 S<br />
Forum für Wissen 1993<br />
Naturgefahren. 63 S.<br />
Forum für Wissen 1992<br />
Waldschadenforschung in der Schweiz: Stand der Kenntnisse. 162 S.<br />
Forum für Wissen 1991<br />
Wald und Landschaft: Lebensräume schützen und nutzen. 63 S.<br />
ISSN 2296-3448