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Stickstoffeintrag als Ursache neuartiger Waldschäden

Die seit Mitte der siebziger Jahre zu beobachtenden neuartigen Waldschäden gehen paradoxerweise oft mit einem gesteigerten Wachstum der Bestände einher. Überdüngung durch Stickstoffverbindungen kann beides ursächlich erklären.

Von Natur aus ist Mitteleuropa nach der Eiszeit ein Waldland gewesen. Mehr als 90 Prozent waren von Urwald bedeckt, bevor die im hohen Mittelalter stark wachsende Bevölkerung weite Teile in Agrarflächen umwandelte; bereits um 1400 hatte sie die ursprüngliche Waldfläche auf etwa ein Viertel verkleinert. Geschlossene Bestände blieben im wesentlichen nur dort erhalten, wo sich das Terrain nicht für landwirtschaftliche Zwecke eignete.

Erst im 19. Jahrhundert nahm die Waldfläche wieder zu – auch infolge der aufkommenden Industrialisierung sowie der Intensivierung der Landwirtschaft. Kohle löste damals Holz als Hauptenergieträger ab; sie konnte mit dem Bau von Eisenbahnen auch unabhängig von Wasserstraßen transportiert werden. Die verstärkte Verwendung von Eisen sowie neuartige Baustoffe machten Holz ebenfalls entbehrlicher. Der Anbau stick-stoffsammelnder Hülsenfrüchtler, neue Fruchtfolgen sowie der Einsatz von Mineraldünger ermöglichten höhere Erträge auf kleinerer Fläche, so daß ein Teil der Äcker und Weiden aufgeforstet werden konnte.

Der Wald der vorindustriellen Zeit war in schlechtem Zustand. Dies lag nicht nur daran, daß die ihm verbliebenen Standorte für eine landwirtschaftliche Nutzung zu nährstoffarm oder, wie im Gebirge, zu extrem waren. (Der Restwald stockte häufig – wie auch heute noch – auf Böden, die von Natur aus spärlich mit Nährstoffen versorgt sind.) Er wurde jahrhundertelang auch übermäßig genutzt: das Holz als Rohstoff und Energieträger sowie als Quelle für Pottasche zur Herstellung von Seife und Glas, das dürre Laub als Streu, er selbst als ausgedehnte Waldweide, Früchte wie Eicheln und Bucheckern zur Schweinemast.

Erst im 19. Jahrhundert hat man in Deutschland Gesetze erlassen, die auf Wiederaufforstung und nachhaltige Nutzung abzielten und dem Raubbau wie der Übernutzung ein Ende setzten. Im 20. Jahrhundert wurde schließlich mit der Hinwendung zum naturnahen Wirtschaftswald versucht, den Forsten wenigstens einen Teil ihrer Ursprünglichkeit zurückzugeben.


Die gestörte Idylle

Seit Mitte der siebziger Jahre treten gleichwohl in den Mittelgebirgslagen anomal starke und ausgedehnte Waldschäden auf; sie gehen über jene Kalamitäten hinaus, die historisch überliefert sind, und lassen sich nicht auf Befall durch Insekten oder Pilze zurückführen – daher auch die Bezeichnung neuartige Waldschäden. Sie äußern sich in verschiedenen Symptomen: Die Bäume vergilben, verlieren einen Teil ihrer Nadeln oder Blätter, ihre Krone lichtet sich, und ihre ganze Architektur ändert sich; gelegentlich sterben sie sogar ab. Gleichzeitig aber wachsen an vielen Standorten – vor allem auf schlechteren und mittelmäßigen – die Bestände im Vergleich zu früher stärker, gleich ob man nun Dicke, Höhe oder Volumen der Stämme als Maßstab nimmt. Diese Steigerung desWachstums, die sich in feuchten Jahren besonders deutlich bemerkbar macht, scheint seit den siebziger Jahren ein generelles Phänomen in den europäischen Waldungen zu sein. Beschleunigtes Wachstum und Schadbilder schließen sich also nicht aus. Dies mahnt zur Vorsicht bei Erklärungsversuchen: Ein hoher Zuwachs ist offensichtlich kein Ausdruck ökosystemarer Gesundheit und Stabilität! Wie lassen sich einerseits das gesteigerte Wachstum und andererseits die Palette großflächig auftretender Schadbilder erklären? Will man die neuartigen Waldschäden verstehen, muß man im Auge behalten, daß es entsprechende Schadbilder auch früher gegeben hat. Zum Beispiel lassen sich auf einem Gemälde von Karl Frommel aus dem Jahre 1832, das die Ebersteinburg bei Baden-Baden als Sujet hat, geschädigte Weißtannen mit genau den heutigen Symptomen identifizieren (Bild 1): Unterhalb einer storchennestartig verdichteten Spitze ist die Krone verlichtet, und im basalen Bereich des Stammes treiben sogenannte Adventivsprosse direkt aus dem Holz heraus. Die ebenfalls dargestellten Laubgehölze zeigen deutliche Dürreschäden. Später, Anfang unseres Jahrhunderts, wurde in den deutschen Mittelgebirgen ein ausgedehntes "Tannensterben" dokumentiert, dessen Ursache seinerzeit nicht geklärt werden konnte: Die Krankheitssymptome, in diesem Falle bereits photographisch überliefert, entsprechen aber bis ins Detail den heutigen. Inzwischen kann man mit guten Gründen davon ausgehen, daß die neuartigen Waldschäden ebenso wie das gesteigerte Wachstum mit Stoffen zu tun haben, die über die Luft antransportiert werden. Als solch potentielle atmogene Schadstoffe gelten Protonen (also Wasserstoff-Ionen, ), Schwefeldioxid , Stickoxide , Ozon , Ammonium ( und – eventuell – Kohlenwasserstoffe und Schwermetalle. Im näheren und weiteren Umkreis der Hüttenwerke, Industriekomplexe und Braunkohlenkraftwerke des östlichen Mitteleuropas war offensichtlich, daß das ohne Rücksicht auf die Umwelt in enormen Mengen aus den Schornsteinen emittierte Schwefeldioxid die benachbarten Wälder schwer in Mitleidenschaft zog. Seit Mitte des letzten Jahrhunderts sind solche Rauchschäden bekannt. In weiten Teilen Süddeutschlands und in der Schweiz ist jedoch die heutige Schwefeldioxidbelastung mit nur 5 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft so niedrig, daß die Pflanzen mit Schwefel – einem essentiellen Spurenelement – eher unterversorgt sind; diese Landstriche sind aber nicht von neuen Waldschäden verschont. Im Schwarzwald, der mir hier als Beispiel dient, spielen denn auch nach den Ergebnissen der Waldschadensforschung die klassischen durch Schwefeldioxid verursachten Rauchschäden keine Rolle. Die herrschenden Konzentrationen von Schwefeldioxid, Stickoxiden und Ozon vermögen die Blattorgane – Nadeln und Blätter – nicht direkt zu schädigen; zumindest ließ sich nichts dergleichen nachweisen. Die aus der Luft stammenden Schadstoffe wirken über den Boden, aber die davon rührende Versauerung der Standorte ist nur von untergeordneter Bedeutung. Alle Indizien deuten vielmehr darauf hin, daß der gesteigerte Eintrag von anorganischem Stickstoff in Form von Nitrat und Ammonium wesentlich ist.

Die Rolle des Stickstoffs

Früher herrschte an vielen Standorten Mangel an anorganischem Stickstoff. Er war also der wachstumsbegrenzende Faktor, besonders bei Nadelbäumen. In den letzten Jahrzehnten hat sich dies durch den zunehmenden Eintrag aus der Luft wesentlich geändert: Die Emissionen von Ammoniak aus der Landwirtschaft (zu rund 90 Prozent aus Jauche und Mist), aus Kläranlagen und Mülldeponien sowie die bei allen Verbrennungsvorgängen anfallenden Stickoxide gelangen in Form von Nitrat und Ammonium mit den Niederschlägen zur Erdoberfläche zurück. Derzeit dürfte die Stickstoffdeposition die Kapazität der meisten mitteleuropäischen Forste, diese Ionen zum Aufbau stickstoffhaltiger Biomasse zu verwenden, bereits erheblich übersteigen. Man rechnet generell damit, daß diese Waldungen unter günstigen klimatischen Bedingungen 5 bis 12 Kilogramm Stickstoff pro Hektar und Jahr in neue organische Substanz assimilieren können. Unter naturnahen Verhältnissen wird aber jährlich weniger als 1 Kilogramm pro Hektar aus der Luft eingetragen; der meiste verfügbare Stickstoff stammt somit aus der Verwesung organischen Materials in der Streuschicht und aus der quantitativ bescheidenen Stickstoff-Fixierung durch Mikroorganismen wie Knöllchen- und Cyanobakterien (sie reduzieren Stickstoff der Luft – – zu Ammonium). Der heutige Stickstoffeintrag aus der Luft liegt weit höher als unter naturnahen Verhältnissen. Hier einige repräsentative Beispiele: Im Höglwald nahe Augsburg sind es pro Jahr und Hektar 35 Kilogramm (mehrheitlich in Form von Ammonium), in der Wingst in Nordwestdeutschland 72 Kilogramm (davon allein 50 als Ammonium) und an der Immelsklinge im Schwarzwald 23 Kilogramm (davon 9 als Ammonium). In niederländischen Forsten werden allenthalben Stickstoffdepositionen in der Größenordnung von 40 bis 80 Kilogramm gemessen (mehrheitlich wieder als Ammonium), in österreichischen Waldökosystemen zwischen 12 und 50, in Baden-Württemberg derzeit zwischen 8,5 und 50, davon mehr als die Hälfte in Form von Ammonium. In dieser Region finden sich Werte von unter 15 Kilogramm nur noch an der Ostabdachung des Schwarzwaldes. Die Schlußfolgerung liegt auf der Hand: Die deutschen Forste dürften in der Regel mit Stickstoff bereits gesättigt oder der Sättigung sehr nahe sein. Dies gilt auch für die angrenzende Region. Somit geht das gesteigerte Baumwachstum aller Wahrscheinlichkeit nach auf die gestiegenen Einträge an Stickstoff, insbesondere in Form von Ammonium, zurück. Die atmogene Stickstoffdüngung bringt die Waldbestände in eine ernährungsphysiologische Schere: Das dadurch angeregte Wachstum bedeutet, daß die Bäume zugleich mehr Mineralstoffe wie Kalium, Magnesium, Calcium und Mangan (jeweils in Ionenform) sowie mehr Wasser aufnehmen müssen. Die verfügbaren Vorräte sind jedoch äußerst knapp, zumal bei tendenziell zunehmender Bodenversauerung (die ein verstärktes Auswaschen von Kationen, also positiv geladenen Nähr-Ionen, zur Folge hat), langfristig unzureichenden Niederschlägen und ausgeprägten Trockenperioden. Die klassischen Krankheitssymptome – Vergilben und Abwurf von Blättern oder Nadeln – gelten als Indizien für Trockenstress, und der verstärkt sich durch Stickstoffzufuhr (die einen höheren Mineral- und Wasserbedarf nach sich zieht) massiv. Die derzeit vorherrschenden Schadbilder – ins Auge fallen besonders die Nadelverluste – lassen sich tatsächlich als reversible physiologische Stressreaktionen erklären: Überreichliches Stickstoffangebot und Trocknis sind die hauptsächlichen Stressoren.

Die montane Vergilbung

Schritt für Schritt belegt wurde der kausale Zusammenhang zwischen neuartigen Waldschäden und akuten Ernährungsstörungen der Bäume bei der sogenannten montanen Vergilbung der Fichte (auch Hochlagenerkrankung genannt, Bild 2 linkss). Die betroffenen Bestände stocken auf basenarmen, sauren Böden der Mittelgebirge.

Das Syndrom – der Symptomkomplex – gilt inzwischen als erklärt: Es handelt sich um eine Magnesium-Mangelkrankheit (Bild 2 rechts). Sie tritt bei der Fichte nur dann auf, wenn im durchwurzelten Boden Magnesiummangel herrscht, und vor allem dort, wo wenig an diesem Mineralstoff als Magnesium-Kationen über die Luft eingetragen wird. Das Syndrom wurde seit Mitte der siebziger Jahre in höheren Lagen der Mittelgebirge beobachtet; mit Beginn der achtziger Jahre – mit den Auswirkungen des verstärkten Stickstoffeintrags – breitete es sich dann rasch aus. (Eine durch Düngung erhöhte Wachstumsrate steigert ja den Magnesiumbedarf.)

Auch bei der montanen Vergilbung handelt es sich zunächst nicht um eine Krankheit zum Tode, sondern um eine physiologisch sinnvolle, voll reversible Stressreaktion. Das nur begrenzt verfügbare Magnesium, das für die Bildung von Chlorophyll unentbehrlich ist, wird von der Pflanze so umverteilt, daß ei- ne möglichst günstige Photosyntheseleistung zustande kommt: Die jeweils jüngsten, photosynthetisch aktivsten Nadeltriebe werden bevorzugt auf Kosten der älteren Nadeljahrgänge versorgt – sie werden und bleiben in der Regel normal grün, während die älteren mehr oder minder vergilben und schließlich abfallen.

Mäßig vergilbte Fichten wachsen zunächst noch normal; wenn das Syndrom aber anhält, gedeihen sie – im Vergleich zu symptomfreien Bäumen – schlechter. Im Extremfall können die Bäume schließlich absterben. Mit einer Magnesiumdüngung läßt sich die montane Vergilbung beheben.

Die Rolle des Kaliums

Kaliummangel mit seinen charakteristischen Symptomen ist bei verschiedenen Baumarten, vor allem Fichte, Kiefer und Buche, eine seit langem bekannte Erscheinung: Bei der Buche verfärben sich die Blätter, bei den Nadelbäumen werden die Nadeln nekrotisch (Bild 3). Von Natur aus tritt diese Mangelerscheinung sowohl auf kalkreichen Mineralböden als auch auf organischen Substraten wie Moorböden auf. Seit Beginn der achtziger Jahre hat sie sich weiter ausgebreitet, zum Beispiel im südwestdeutschen Alpenvorland, in den Kalkalpen, den Pyrenäen und im Schweizer Jura; neuerdings wurde sie bei Fichten sogar auf entkalkten schlufflehmreichen Böden festgestellt, die an sich gut mit Kalium ausgestattet sind. Jedenfalls besteht zwischen dem Defizit in den Nadeln oder Blättern und dem Angebot im Boden kein direkter Zusammenhang. Bis vor kurzem war auch unerklärlich, weshalb die Kaliumwerte in den photosynthetischen Organen in knapp zwei Jahrzehnten von einem ursprünglich hohen Niveau drastisch abgesunken sind. Neue ökophysiologische Studien brachten die Lösung. Kalium wird von Bäumen in relativ großen Mengen benötigt. Ohne eine ausreichende Versorgung ist die Proteinsynthese und damit der Einbau von Stickstoff in organische Substanz, die Stickstoff-Assimilation, ineffektiv. Wie nun unsere Experimente mit in Containern gehaltenen Jungpflanzen der Waldkiefer (Pinus sylvestris) ergaben, setzen die Wurzeln in Gegenwart von Ammonium im Substrat verstärkt Kalium frei, weil sie offenbar Kalium-Ionen gegen Ammonium-Ionen austauschen. Auch bei einem optimalen Kaliumangebot in der Nährlösung enthalten die Jungkiefern weit weniger an diesem Stoff als ohne zusätzliches Ammonium (Bild 4). Bei dauerndem Angebot von Ammonium nimmt die Pflanze – anders als bei einem reinen Überangebot an Nitrat – mehr davon auf, als sie verarbeiten kann. Der Kaliumverlust schreitet dabei so weit fort, daß schließlich die sogenannte Mängelgrenze erreicht wird; bei etwa noch 0,4 Prozent Kalium in der Trockenmasse treten typische Schadsymptome, also nekrotische Nadeln, auf. Weitere Belege lieferten Untersuchungen an der Douglasie (Pseudotsuga menziesii). Sie wurde vor etwa 100 Jahren aus Nordamerika als Waldbaum bei uns eingeführt. Während die erste hier angebaute Generation die mögliche Umtriebszeit (die Spanne bis zum Holzeinschlag) nahezu problemlos erreicht hat, leiden relativ junge Douglasien, die einer zweiten Anbauwelle nach 1950 entstammen, zunehmend unter Entwicklungsstörungen, die im Ursprungsland unbekannt sind. So beobachtet man bei ihnen allenthalben ein übermäßiges Wachstum, kombiniert mit anderen Wachstumsanomalien. Dieselben Erscheinungen zeigen sich auch bei der Fichte. Die dramatischen Wachstumssteigerungen treten besonders dort auf, wo sich die neuartigen Waldschäden in den älteren Beständen häufen. Im Zusammenhang mit den vermuteten Ernährungsstörungen hat Dieter Schöne vom Forstamt Salmtal (bei Wittlich) unter anderem die Stickstoff- und Kaliumgehalte von einjährigen Douglasiennadeln aus diesem Forstamtsbereich und aus dem Herkunftsgebiet (dem pazifischen Nordwesten der USA) verglichen. Der Gehalt an Stickstoff liegt im Salmtal weit höher als im Ursprungsland; gleichzeitig ist der an Kalium im Salmtal bei der Mehrzahl der Douglasien unzureichend, obgleich die dortigen Bedingungen ein genügendes Angebot erwarten lassen (Bild 5). Eine einfache Erklärung für die Diskrepanz bieten Menge und Art des eingetragenen Stickstoffs: im Salmtal rund 35 Kilogramm pro Hektar und Jahr, davon etwa die Hälfte in Form von Ammonium, im Herkunftsgebiet hingegen weniger als 2 Kilogramm. Da die Douglasien den Stickstoff bevorzugt in Form von Ammonium aufnehmen, kommt es zu dem geschilderten Kaliumverlust.

Praktische Empfehlungen

Eine wesentliche Erkenntnis aus zehn Jahren Waldschadensforschung ist, daß die atmosphärischen Einträge an Stickstoff und insbesondere an Ammonium-Stickstoff, der in erster Linie aus der Landwirtschaft stammt, vermindert werden müssen. Neuere Analysen im Schwarzwald ergaben, daß der Eintrag an Nitrat-Stickstoff konstant bis leicht rückläufig war, der an Ammonium-Stickstoff aber stetig stieg.

Entgegen einem gängigen Vorurteil sollte darum der Stickstoffbedarf im Ackerbau vorrangig mit Mineraldünger in Form von Nitrat gedeckt werden, wobei dieser aber nur sorgfältig gezielt und ökophysiologisch begründet angewendet werden darf. Das Kardinalproblem bleibt die Entsorgung der unaufhörlich wachsenden Menge tierischer Exkremente und menschlicher Fäkalien. Das dabei entstehende Ammoniak beziehungsweise Ammonium gilt es so geschickt zu nitrifizieren, also in Nitrat umzuwandeln, und dieses dann zu molekularem Stickstoff (N2) zu denitrifizieren, daß nur noch geringe Mengen Ammoniak freigesetzt werden. Die entsprechenden Verfahrenstechniken sind aufwendig, aber unumgänglich.

Literaturhinweise

- Waldschäden in Mitteleuropa – wo liegen die Ursachen? Von H. Mohr in: Verhandlungen der Gesellschaft deutscher Naturforscher und Ärzte, 117. Versammlung, Aachen 1992, Seiten 43 bis 59, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1993.

– Stoffdeposition in Waldbeständen Baden-Württembergs. Von R. Hepp und E.E. Hildebrand in: Allgemeine Forstzeitschrift, Heft 22, Seiten 1139 bis 1142, 1993.

– Stand und Entwicklung der Stoffeinträge in Waldbestände von Baden-Württemberg. Von E. Hochstein und E.E. Hildebrand in: Allgemeine Forst- und Jagdzeitung, Band 163, Seiten 21 bis 26, 1992.

– Standorts- und immissionsbedingte Ernährungsstörungen bei Douglasie im Mosel-Eifelraum. Von D. Schöne in: Allgemeine Forst- und Jagdzeitung, Band 163, Seiten 53 bis 59, 1992.

– Auswirkungen eines erhöhten Ammoniumangebots auf die Keimpflanzen der gemeinen Kiefer (Pinus sylvestris L.). Von H. Flaig und H. Mohr in: Allgemeine Forst- und Jagdzeitung, Band 162, Seiten 35 bis 42, 1991.

– Die Nährelementversorgung geschädigter Wälder in Europa und Nordamerika. Von R.F. Hüttl in: Freiburger Bodenkundliche Abhandlungen, Band 28. Herausgegeben vom Institut für Bodenkunde und Waldernährungslehre der Universität Freiburg, Freiburg im Breisgau 1991.

– Farbatlas Waldschäden – Diagnose von Baumkrankheiten. Von G. Hartmann, F. Nienhans und H. Butin. Ulmer Verlag, Stuttgart 1988.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1994, Seite 48
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1994

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1994

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