Der Begriff "saurer Regen" erinnert ein wenig an die manchmal gar nicht so "gute, alte Zeit", damals als aus den Schornsteinen der Industrie noch reichlich Schwefeloxide quollen, die in der Luft zu Schwefelsäure wurden und als saurer Regen später wieder auf die Erde fielen. Dadurch wurde mit der Zeit auch der Boden saurer. Das wiederum bekam den dort stehenden Wäldern nicht immer gut, und in den Medien tauchte häufiger der Begriff "Waldsterben" auf, der es als Lehnwort "le Waldsterben" sogar ins Französische schaffte. Um ihre Wälder auf besonders empfindlichen Böden zu retten, begannen einige Bundesländer, die Säure dort durch das Ausbringen von Kalk zu neutralisieren.

Wie erfolgreich diese Maßnahme ist, untersuchen Nicole Wellbrock vom Thünen-Institut für Waldökosysteme in Eberswalde und ihre Kollegen. Selbst wenn wirksame Filtersysteme seit den 1980er Jahren im Westen Deutschlands und nach der Wende seit den 1990ern ebenso im Osten der Republik die Wirkungskette Schwefelabgase – saurer Regen – Bodenversauerung schon an der Quelle recht zuverlässig unterbinden, bleiben diese Untersuchungen nicht nur für Theoretiker, sondern auch für Waldbesitzer mehr als interessant. Schließlich ist in der Landwirtschaft längst die Gülle aus der Massentierhaltung eine neue Quelle für eine weitere Versauerung der Böden, bei der auch der Straßenverkehr eine wichtige Rolle spielt.

Im Abstand von rund 15 Jahren schwärmen Bedienstete der Länder, Planungsbüros sowie Forscher daher aus, um die Waldböden unter die Lupe zu nehmen. Die zweite und bislang letzte Bodenzustandserhebung gab es von 2006 bis 2008; gerade haben die Wissenschaftler die drei Jahre von 2022 bis 2024 für eine dritte Inventur der Waldböden vorgeschlagen. Wichtigstes Handwerkzeug ist für die Bodenkundler erst einmal ein Spaten, der gern durch einen Bagger ersetzt wird, wenn das Gelände das erlaubt. Damit graben sie eine fast einen Meter tiefe und einen halben Meter breite Grube in den Untergrund. Farbe und die Art der Durchwurzelung verraten meist rasch den Bodentyp. Gleichzeitig liefert ein solches Bodenprofil erste Hinweise auf den ökologischen Zustand.

Zehn Meter von dieser Profilwand entfernt hämmern die Bodenkundler dann acht Bohrstöcke in den Untergrund. Einen davon im Norden, den nächsten im Nordwesten, danach im Westen und so weiter, bis schließlich im Nordosten der achte dieser Hohlmeißelbohrer in die Tiefe getrieben wird. Anschließend hebeln die Wissenschaftler das Gerät wieder aus dem Untergrund und bergen so auch den in seinem Inneren eingeschlossenen Boden. "Normalerweise untersuchen wir darin fünf Schichten in verschiedenen Tiefen und die oben liegende Humusschicht", erklärt Nicole Wellbrock.

Normaler Regen ist leicht sauer

Dabei suchen die Forscher Antworten auf eine ganze Reihe von Fragen: Wie viele Steine liegen in einer Schicht, wie dicht ist der Boden dort? Und natürlich: Wie sauer ist der Boden? Diesen Säuregrad geben Chemiker als pH-Wert an, der als "negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration" zwar ziemlich kompliziert klingt, aber relativ einfach funktioniert: Ein pH-Wert von 7,0 zeigt neutrales Wasser an. Ist die Flüssigkeit zehnmal saurer, sinkt der pH-Wert um eine Stufe auf 6,0. Ein Anstieg auf pH 8,0 macht die Flüssigkeit dagegen zehnmal weniger sauer.

Auf dieser Skala entpuppt sich normaler Regen mit einem pH-Wert von 5,6 als leicht sauer, weil er aus der Luft Kohlendioxid aufnimmt, wodurch ein wenig Kohlensäure entsteht. Ähnlich sauer ist Tee mit einem pH von 5,5, Kaffee hat dagegen bereits einen pH von 5,0. In früheren Jahrzehnten drückte die aus Abgasen von Heizungen und Industrieschornsteinen entstehende Schwefelsäure den pH-Wert des sauren Regens auf Werte unter 4,5. Zum Vergleich: Apfelsaft hat einen pH von 3,5, während Zitronensaft mit 2,4 schon ziemlich sauer ist.

Diese Säuren im Regen dringen natürlich auch in die Böden ein. Dort wiederum ist der pH-Wert von Natur aus recht unterschiedlich. Enthalten Böden zum Beispiel viel Kalk, ist ihr pH-Wert relativ hoch. Auf ihnen wachsen jedoch genau wie auf den ebenfalls in der Natur vorkommenden sauren Böden Wälder, die sich aber in den dort auftretenden Arten deutlich voneinander unterscheiden. Probleme entstehen also normalerweise nicht, weil ein Boden sauer ist, sondern eher dann, wenn er deutlich saurer wird. Neben dem Säuregrad messen die Forscher zusätzlich noch, wie viel Kalzium, Kalium, Magnesium, Natrium, Mangan und Aluminium im Boden stecken. Diese Elemente benötigen die Pflanzen entweder für ihre Ernährung, oder sie können wie das Aluminium den Gewächsen schaden. Befinden sie sich im Boden, kommen die Pflanzen rasch an sie heran. Die gleichen Elemente in eingebetteten Mineralen sind dagegen nur langfristig verfügbar, weil die Witterung sie erst aus den Mineralien herauslösen muss. Daher messen die Wissenschaftler ebenfalls, wie kurz- oder langfristig die Pflanzen an die jeweiligen Substanzen herankommen.

Typisch saure Sandböden sind weniger fruchtbar

Eine große Rolle spielt bei den Bodenanalysen auch der Basensättigungsgrad. Dieser bezieht sich auf Verbindungen im Boden, an die von Chemikern "Kationen" genannte, positiv geladene Atome andocken können. Wasserstoff- und Aluminium-Kationen machen den Untergrund saurer, während Kalium-, Kalzium-, Magnesium- und Natrium-Kationen das Gegenteil bewirken und nach Lesart eines Chemikers daher basisch sind. Je höher der Basensättigungsgrad ist, umso mehr dieser Andockplätze sind mit den basischen Kationen belegt. Diese wiederum sind wichtige Nährstoffe für Pflanzen und können von den Andockstellen leicht übernommen werden. Ein hoher Basensättigungsgrad, wie er für Kalkböden typisch ist, bedeutet also, dass den Gewächsen viele Nährstoffe zur Verfügung stehen. Die für den Nordosten Deutschlands typischen sauren Sandböden haben dagegen oft nur einen Basensättigungsgrad von 20 oder 25 Prozent. Sie bieten demnach nur wenige Nährstoffe und sind daher weniger fruchtbar.

Misthaufen können sich selbst entzünden
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Aus vor allem mit Gülle überdüngten Wiesen und Feldern gasen Stickstoffverbindungen aus und rieseln anschließend als Salpetersäure mit den Niederschlägen in die Waldböden.

Daneben bestimmen die Forscher noch, welche Mengen der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor im Boden stecken. Diese Elemente sind neben Wasserstoff und Sauerstoff die Grundbausteine der Biomoleküle in lebenden Zellen. Die Forscher klettern in die Wipfel der Bäume, ernten dort Blätter und Nadeln, in denen aus gutem Grund ebenfalls der Gehalt an den wichtigen Nährstoffen wie Kalzium, Magnesium, Kalium, Stickstoff, Mangan und Phosphor gemessen wird. Schließlich fallen Laub und Nadeln irgendwann zu Boden und können dort anderen Gewächsen diese Substanzen zur Verfügung stellen. Die Nadelauflage auf dem Waldboden ist also ein wichtiges Nährstoffdepot für das Leben dort.

Allerdings sind die Wälder in Mitteleuropa im Umbruch. Nach und nach ersetzen die Förster die in den vergangenen Jahrzehnten und Jahrhunderten gepflanzten Nadelwälder durch Laubbäume, die vielerorts vor dem Eingreifen von Menschen die Wälder dominierten. Die Folgen dieses Umbaus sehen die Forscher ebenfalls in den Böden: Da Laubblätter meist rascher als Nadeln zerfallen, wächst die daraus entstehende Humusschicht in Laubwäldern erheblich schneller als in Nadelwäldern. Die wichtigen Nährstoffe wandern so eher in die Mineralböden, wo sie langfristig gebunden sind und von den Pflanzen viel schwerer erreicht werden können.

Blei findet sich dank Verbrennungsmotoren im Boden

Ebenso spiegeln sich die Maßnahmen zur Luftreinhaltung in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts in den Böden deutlich wider. Bei der ersten Inventur zwischen 1987 und 1992, die genau in die Phase der Wiedervereinigung Deutschlands fiel und daher deutlich verlängert wurde, lag der pH-Wert der ersten 30 Bodenzentimeter und damit der so genannten Oberböden noch um 0,2 bis 0,5 niedriger, war folglich deutlich saurer. Gleichzeitig steckten in der Auflage aus Laub oder Nadeln relativ große Mengen des sehr problematischen Elements Blei. Diese wurden von Verbrennungsmotoren in die Luft geblasen und anschließend in den Böden deponiert.

Bis zur Jahrtausendwende wurde der Kraftstoff sukzessive durch bleifreies Benzin ersetzt. Bei der zweiten Bodenzustandserhebung von 2006 bis 2008 fanden die Forscher dann auch deutlich weniger Blei im Oberboden. Die Leistung der Filter, die bei Industrieabgasen inzwischen die Schwefel- und Stickstoffverbindungen abfingen und so dem sauren Regen die Grundlage entzogen, zeigte in den Böden ebenfalls ihre Wirkung. Die pH-Werte stiegen an, die Böden wurden also weniger sauer, gleichzeitig nahmen mit den Bodensättigungsgraden auch die Gehalte an wichtigen Nährstoffen deutlich zu, während die für die Wurzeln gefährlichen Aluminiumkonzentrationen abnahmen. Die Maßnahmen gegen den sauren Regen sind offensichtlich auch in den Böden angekommen.

Seit Anfang der 1980er Jahre wurden vor allem im Westen Deutschlands sowie im Thüringer Wald und im Erzgebirge mehr als 32 000 Quadratkilometer besonders empfindlicher Waldboden und damit eine Fläche von fast der Größe des Bundeslands Nordrhein-Westfalen mit fein zermahlenem Dolomit-Gestein bestreut. Normalerweise wurden auf jedem Hektar drei Tonnen dieses Kalks ausgebracht, der die Säure neutralisieren sollte und obendrein auch noch große Mengen der wertvollen Nährstoffe Kalzium und Magnesium enthält.

Erfolgreiches Kalken

Bei ihrer zweiten Inventur der Böden sahen die Forscher, dass dieses Kalken durchaus Erfolg hatte: So stiegen auf den gekalkten Böden die pH-Werte stärker als auf den unbehandelten Standorten an, die Versauerung der Böden ging also stärker zurück. Der Bodensättigungsgrad und damit die verfügbaren Nährstoffe nahmen auf den gekalkten Böden ebenfalls rascher zu. Dadurch sind auch Mikroorganismen und Primärzersetzer von Regenwürmern über Tausendfüßer bis hin zu Asseln deutlich aktiver und verdauen in der obersten Schicht sehr viele organische Substanzen, die rund zur Hälfte aus Kohlenstoff bestehen. Letztendlich nehmen so die organischen Substanzen in der Humusschicht ab und im darunterliegenden Mineralboden zu – sehr viel Kohlenstoff wird also längerfristig festgehalten und kann so nicht mehr als Treibhausgas wirken. Gleichzeitig werden große Mengen der gefährlichen Schwermetalle im Mineralboden eingelagert und können somit weder den Pflanzen oben schaden noch ins Grundwasser unten gelangen.

Auch wenn die Kalkungen durchaus Erfolg haben, behandeln sie doch nur die Symptome, nicht aber die Ursachen der Waldversauerung. Und das kann sich rächen. So gelangen am Anfang des 21. Jahrhunderts vermehrt Stickstoffverbindungen in die Luft: Aus vor allem mit Gülle überdüngten Wiesen und Feldern gasen Stickstoffverbindungen aus und rieseln anschließend als Salpetersäure mit den Niederschlägen in die Waldböden. Dazu kommen Stickoxide, die der immer weiter wachsende Autoverkehr aus den Auspuffen bläst und die am Ende als Nitrat im Waldboden landen. "Dieses Nitrat aber gefährdet nicht nur das Grundwasser, sondern düngt auch die Wälder", erklärt Nicole Wellbrock.

Da andere wichtige Nährstoffe wie Phosphor nicht zunehmen, entsteht ein Ungleichgewicht: Der reichliche Stickstoffdünger lässt zwar die Bäume schneller wachsen, gleichzeitig aber nimmt die Qualität des Holzes ab. Ein weiterer Effekt der Stickstoffüberdüngung: Während früher rund alle sieben Jahre ein Buchenmastjahr auftrat, in dem die Buchen riesige Mengen Bucheckern produzierten, hängen die Bäume inzwischen bereits in jedem zweiten Jahr randvoll mit Früchten. Wenn die Gewächse aber so viel Energie in ihre Vermehrung stecken, bleibt für den Rest der Pflanze nicht mehr viel übrig. Auch das schadet den Wäldern. Mit Kalken lässt sich dieses Problem nicht bekämpfen, weil es nur die Versauerung puffert, aber keinen Stickstoff entfernt. Als einziges Gegenmittel bleibt nur, den Stickstoffeintrag zu verringern. Das Übel muss also an der Wurzel gepackt werden: Aus dem Autoverkehr darf weniger Stickstoff in die Luft gelangen, und die Nutztierzucht sollte zurückgefahren werden.