Atemnot im Wurzelraum – Der Einfluss der Gasdurchlässigkeit des Bodens auf die Feinwurzelerschließung und die Vitalität von Bäumen ^*

Respiratory distress in rooting space – The impact of soil aeration deficiencies on fine root distribution and vitality of trees

       von Thorsten Gaertig

       Zusammenfassung

      Wurzeln sind ausgesprochen atmungsaktive Pflanzenteile. Störungen der Bodenbelüftung führen aufgrund gestörter Sauerstoffversorgung bzw. Kohlendioxidentsorgung zur Abnahme der Wurzelatmung und zu Änderungen der Bodenluftzusammensetzung. Am Beispiel von 38 süddeutschen Eichenwäldern wird gezeigt, dass bei abnehmender diffusiver Gasdurchlässigkeit des Bodens die Feinwurzeldichte von Bäumen abnimmt und der Totastanteil im Kronenraum zunimmt. Auf befahrenen Böden sind Gasdurchlässigkeit und Durchwurzelung nur noch so gering, dass der Boden seine Funktion als Wurzellebensraum weitgehend verliert. Durch Bodenlockerungen können zwar Belüftungskorridore geschaffen werden, die von Feinwurzeln intensiv erschlossen werden, eine Sanierung im Sinne von Wiederherstellung der ursprünglichen Funktionenvielfalt kann jedoch nicht erreicht werden. Das bedeutet, dass der Versuch, vorhandene Strukturen zu erhalten und die Neuverformungsrate zu minimieren, immer die oberste Priorität haben muss.

       Summary

      Roots are particularly respiratory active parts of plants. Oxygen for root respiration must be taken from the ‘free’ atmosphere. Carbon dioxide must be disposed of in the opposite direction. With decreasing soil gas permeability we found increasing carbon dioxide concentration in the soil air and decreasing soil respiration as well as decreasing fineroot formation and reduced stress tolerance of trees. In oak stands in Southwestern Germany heavily damaged oaks have been found only at sites suffering from soil aeration deficiencies. Particularly compaction by vehicles leads to formidable disturbances in soil aeration and dieback of roots. Vice versa improvement of soil aeration status in heavily compacted soils caused a marked recovery of fine roots. However, the full functional capability of soils cannot be restored by technical improvement measures. This means that wellstructured soils must be protected wherever possible.

      1 Bodenbelüftung – ein Minimumfaktor für Bäume

      Ein Boden ist für Bäume ein geeigneter Wurzelraum, wenn er die Wurzeln gleichzeitig mit Wasser, Nährstoffen und Sauerstoff versorgt und ihnen darüber hinaus die Möglichkeit der Verankerung gibt. Im Gegensatz zur Wasser- und Nährstoffversorgung wird die Notwendigkeit einer ausreichenden Versorgung mit Sauerstoff allzu oft unterschätzt. Dabei ist die Sauer stoffversorgung wie beim Menschen, der wochen lang ohne Nährstoffe, tagelang ohne Wasser aber nur wenige Minuten ohne Sauerstoff überleben kann, von elementarer Bedeutung.

      Allein durch die Atmung der Wurzeln werden in Wäldern 25 bis 50 % des in der Vegetationszeit gebundenen Kohlenstoffs verbraucht (QI et al. 1994). Die Voraussetzung für alle aeroben Atmungsvorgänge ist die Versorgung mit Sauerstoff und die Entsorgung von Kohlendioxid. Der von Wurzeln und Bodenorganismen benötigte Sauerstoff muss über den luftgefüllten Porenraum des Bodens aus der freien Atmosphäre nachgeliefert werden, produziertes CO₂ muss analog entsorgt werden. Die luftgefüllten Bodenporen haben damit in gewisser Weise für Wurzeln die Funktion, die Bronchien für den Menschen haben. Sie sind die Straßen, auf denen die Luft zum Ort des Gasaustauschs mit dem Organismus geführt wird. Führt eine Veränderung der Bodenstruktur zu einer Verringerung des luftgefüllten Porenraumes oder werden luftleitende Poren unterbrochen, ist der Gasaustausch zwischen freier Atmosphäre und Bodenluft eingeschränkt. Dabei kommt der Struktur des obersten Bodenhorizontes aufgrund seiner Schleusenfunktion eine besondere Bedeutung zu: Die Gasdurchlässigkeit dieser Grenzschicht steuert den Gasaustausch des gesamten Wurzelraumes.

      Für Bäume können Belüftungsstörungen dramatische Auswirkungen haben. Es kann angenommen werden, dass aufgrund unzureichender Sauerstoffversorgung und CO₂-Entsorgung die Wurzelatmung und damit auch die Wurzelaktivität und das Wurzelwachstum zurückgeht. Das an günstigere Belüftungssituationen angepasste Wurzelwerk passt sich den geänderten Belüftungsverhältnissen an, es wird kleiner. Damit ändert sich das Wurzel-Spross-Verhältnis des Baumes. Der noch an ein größeres Wurzelsystem angepasste oberirdische Teil des Baumes kann nicht mehr optimal mit Wasser und Nährstoffen versorgt werden. Im Bereich der Krone wird versucht, durch Ast- und Zweigabgliederungen wieder einen Gleichgewichts zustand herzustellen (vgl. ROLOFF und KLUGMANN 1997). Treten in dieser labilen Phase schadensverstärkende Faktoren (phytophage Insekten, Pilze, Trockenheit) auf, ist eine Regeneration der Bäume aufgrund des unzureichenden Wurzelsystems nur begrenzt oder gar nicht möglich.

      2 Belüftungsstörungen diagnostizieren – aber wie?

      Um die genannte Hypothese überprüfen zu können, muss die Belüftungssituation des Bodens beurteilt werden. Übliche bodenphysikalische Strukturparameter wie die Lagerungsdichte oder das Porenvolumen charakterisieren die Transportkapazität eines Bodens für Gase nur unzureichend. Dies mag das Beispiel einer auf den Boden gelegten Folie verdeutlichen: Ohne nennenswerte Änderung bodenphysikalischer Strukturparameter wird der Gastransport in den Boden unterbunden. So einen Plastikfolieneffekt finden wir häufig infolge von Verschmierungen der Bodenoberfläche oder infolge oberflächennaher Strukturstörungen.

      Zur Charakterisierung der Belüftungssituation bieten sich zwei Messgrößen an:

      Für den Gasaustausch zwischen der Bodenluft und der freien Atmosphäre ist die Diffusion der bedeutendste Transportprozess (GLINSKI und STEPNIEWSKI 1985). Der Gasdiffusionskoeffizient gibt Auskunft darüber, um wie viel die Geschwindigkeit der Gasdiffusion durch den Boden im Vergleich zur Diffusion durch die freie Atmosphäre verringert ist. Ein Gasdiffusionskoeffizient (DS/D0) des Bodens von beispielsweise 0,1 besagt, dass der Gasfluss durch diesen Boden bei gleichem Konzentrationsgradienten 10 % des Gasflusses in der freien Atmosphäre beträgt. Der Gasdiffusionskoeffizient wird bestimmt, indem gemessen wird, wie schnell ein Tracer gas in den Boden bzw. durch eine ungestörte Boden probe diffundiert. Damit steht ein aussagekräftiger Parameter zur Beurteilung der Belüftungssituation des Bodens zur Verfügung.

      Als ein einfaches Verfahren zur Beurteilung der Belüftungssituation hat sich die Messung der CO₂-Konzentration im Wurzelraum erwiesen. Obwohl hohe CO₂-Konzentrationen theoretisch auch auf hohe Produktionsraten hinweisen können, konnten in zahlreichen Untersuchungen hohe Respirationsraten nur dann gemessen werden, wenn das produzierte CO₂ auch entsorgt werden kann (SCHACK-KIRCHNER 1994, GAERTIG et al. 2002). QI et al. (1994), BURTON et al. (1997) sowie MCDOWELL et al. (1999) konnten sogar nachweisen, dass hohe CO₂-Konzentrationen im Boden die Wurzelrespiration von Baumwurzeln hemmen.

      In Abbildung