Pfahlwurzler, Flachwurzler, Herzwurzler – Wie Substrate die Ausbreitung von Wurzeln beeinflussen | Sachverständigenbüro für urbane Vegetation

PFAHLWURZLER, FLACHWURZLER, HERZWURZLER
– WIE SUBSTRATE DIE AUSBREITUNG VON WURZELN BEEINFLUSSEN

Quelle: Dujesiefken, D. (Hrsg.): Jahrbuch der Baumpflege 2010. Haymarket Media, Braunschweig, S. 159–171.

Dipl.–Biol. Dr. Markus Streckenbach,
Prof. Dr. Thomas Stützel

Die Eigenschaften des anthropogen beeinflussten Lebensraumes von Straßenbäumen können modifizierend auf die Ausbildung arttypischer Wurzelsysteme wirken. Obwohl das Wurzelwachstum in der Nähe zu Ver- und Entsorgungsleitungen unerwünscht ist, werden Wechselwirkungen zwischen Substraten und Wurzelwachstum und die sich daraus ergebenden Möglichkeiten zur Beeinflussung der Wurzelausbreitung im Kanalbau bislang vernachlässigt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Ruhr-Universität Bochum wurden die Grundlagen zum Verständnis von Interaktionen zwischen Wurzeln und unterirdischer Infrastruktur sowie Strategien zur Problemvermeidung erarbeitet. Die Untersuchungen umfassten unter anderem Versuche zum Einfluss unterschiedlicher Substrate auf die Wurzelentwicklung. Die hier vorgestellten Ergebnisse geben Einblicke in die Effekte, welche von im Kanalbau verwendeten Materialien auf das Wachstum von Baumwurzeln ausgehen können.

Einleitung

Der fortschreitende Wandel im Bereich der Stadtplanung fordert ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit. Dies betrifft sowohl die technischen Anlagen als auch die Bestandteile lebendiger Systeme, zu denen die im Straßenraum gepflanzten Bäume zählen. Als lebende Organismen stellen sie eine biologische Komponente mit eigenen Bedürfnissen dar. Werden diese missachtet, kommt es unweigerlich zu entsprechenden Reaktionen der Gehölze. Eines der Hauptprobleme für Baumpflanzungen im Straßenbereich ist der hierfür nur begrenzt zur Verfügung stehende Raum. Er bildet die Schnittstelle zwischen Baum und urbaner Infrastruktur und wird von mehreren Parteien in Anspruch genommen.

Um diesen Bedingungen gerecht zu werden ist die Planung, der Erhalt sowie die Optimierung von innerstädtischen Baumstandorten durch eine Vielzahl von Regelwerken, Planungs- und Handlungsrichtlinien geregelt (z. B. [3], [9]). Diese sehen unter anderem vor, Bäumen sowohl ober- als auch unterirdisch genügend Raum zur funktionsgerechten Entwicklung zur Verfügung zu stellen. Da Bäume zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensfunktionen darauf angewiesen sind, mit ihren Wurzeln ständig neue Bodenräume zu erschließen, muss sichergestellt werden, dass sich das entwickelnde Wurzelsystem über die Dimensionen der Pflanzgrube hinaus in den anstehenden Boden ausbreiten kann.

Gerade im innerstädtischen Bereich wird der die Pflanzgrube umgebende Raum jedoch gleichermaßen zur Unterbringung technischer Anlagen zur Ver- und Entsorgung genutzt. Die Herstellung von Pflanzgruben und Kanalisationen erfolgt unter stark voneinander abweichenden Gesichtspunkten und kann dazu führen, dass Wurzeln die Pflanzgrube aufgrund ausgeprägter Porensprünge nicht verlassen können (vgl. [14]). Die angestrebte maximale Leistung eines Baumes kann dieser jedoch nur unter optimalen Lebensbedingungen erbringen. Während die oberirdischen Teile der Bäume nachträglich durch gezielte baumpflegerische Eingriffe angepasst werden können, müssen entsprechende Maßnahmen für deren unterirdische Teile vorsorglich getroffen werden. Hierbei sind wurzelökologische Aspekte zu berücksichtigen, welche jedoch in den gängigen Planungshilfen (z. B. [10], [13]) kaum Erwähnung finden. Zudem bestehen zwar klare Vorstellungen darüber, wie den Ansprüchen der Gehölze bei Neupflanzungen Rechnung getragen werden kann [23], diese sind bei Ersatzpflanzungen in Altbeständen jedoch kaum realisierbar.

Wurzelsysteme von Bäumen

Die Einteilung von Wurzelsystemen kann nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen. Eine gebräuchliche Klassifikation geht auf entsprechende Untersuchungen an Waldbäumen zurück [15]. Nach diesen Autoren werden Pfahl-, Flach- und Herzwurzelsysteme unterschieden, wobei jede Baumart eine spezifische Wurzeltracht ausbildet. Da die Ausbildung eines Wurzelwerks maßgeblich durch die Bodeneigenschaften beeinflusst wird, können sich jedoch in Abhängigkeit der umgebenden Parameter von der Idealform stark abweichende Systeme ausbilden [19]. Die klassische Einteilung eignet sich daher ausschließlich zur Beschreibung der Wurzeltrachten jüngerer Gehölze und beschränkt sich auf das Ergebnis eines ungestörten Wachstums am Naturstandort.

Wurzelsysteme umgestürzter Straßenbäume offenbaren den nachhaltigen Einfluss des umgebenden Substrates auf das Wurzelwachstum und zeigen, dass die einfache Übertragung der Verhältnisse am Naturstandort auf jene am Stadtstandort nicht ohne weiteres möglich ist. So bilden Bäume, welche an Straßenrändern gepflanzt wurden, regelmäßig stark asymmetrische Wurzelsysteme aus [24]. Als eine Folge davon kann die Standsicherheit dieser Bäume stark beeinträchtigt sein (vgl. [6]). In dicht besiedelten Bereichen treffen Baumwurzeln nach dem Verlassen der Pflanzgrube in aller Regel auf Leitungsgräben und damit auf inhomogene, sich mitunter kleinräumig verändernde Lebensbedingungen.

Insbesondere die Herstellung von Kanalisationen in der offenen Bauweise stellt einen starken Eingriff in den Bodenkörper dar. Sie erfolgt durch das Ausheben eines Grabens, dem Verlegen der Leitung, dem anschließenden Verfüllen des Leitungsgrabens und dem sorgfältigen Verdichten des eingefüllten Materials. Bei dieser Bauweise werden nach DIN EN 1610 [4] unterschiedliche Baugrundzonen definiert, wobei die jeweiligen Verfüllstoffe festgelegte Lagerungsdichten aufweisen müssen. Durch natürliche Setzungsprozesse verändern sich jedoch mit zunehmendem Alter der Haltungen die Grabeneigenschaften [20]. Mangels geeigneter zerstörungsfreier Untersuchungsmethoden liegen bislang über die bodenphysikalischen Funktionen von Leitungsgräben, insbesondere für längere Zeiträume nach der Baumaßnahme, keine Angaben vor. Daher lassen sich keine zuverlässigen Aussagen über die Grabeneigenschaften und somit über den Lebensraum von in diesen Bereichen wachsenden Wurzeln treffen.

Werden Leitungsgräben im Zuge von Reparatur- oder Sanierungsmaßnahmen geöffnet, lassen sich oftmals stark durchwurzelte Bettungsschichten mit parallel zur Leitung wachsenden Wurzeln beobachten [26]. Über die Gründe für den Aufenthalt von Wurzeln in Leitungsgräben und deren Wachstum in der Leitungszone entlang von Leitungen existieren unterschiedliche Ansichten [18], [28]. Obwohl Wurzeln zum Einwachsen in Leitungen keinen Wasserreiz benötigen [27], wird ihnen im Allgemeinen zudem unterstellt “auf der Suche nach Wasser” zu sein und deshalb Leitungen aufzuspüren (z. B. [21]).

Zielsetzung

Die im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten Untersuchungen umfassten sowohl rein technische Prüfungen von Rohrwerkstoffen und Steckverbindungen auf ihre mechanischen Eigenschaften als auch physiologische, anatomische und morphologische Wurzelstudien. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf den hier vorgestellten Pflanzversuchen, welche unter in-situ-ähnlichen Bedingungen vor dem Hintergrund unterschiedlicher Fragestellungen durchgeführt wurden. Ziel war es, tiefere Einblicke über die Ausbreitung von Wurzeln bzw. die Ausbildung von Wurzelsystemen unter praxisüblichen Ansätzen zu erlangen. Hierbei sollten:

der Einfluss herkömmlicher Bettungsmaterialien (Sande, Kiese) auf das Wurzelwachstum bei unterschiedlichen Baumarten demonstriert werden,

die Auswirkungen von schadhaft verbauten Rohrverbindungen auf das Risiko von Durchwurzelungen beobachtet werden,

sowie die Möglichkeit der Verhinderung von Wurzeleinwuchs unter Zuhilfenahme eines porenarmen Substrates untersucht werden.

Versuchsdurchführungen

Untersuchungen zum Einfluss von Bettungsmaterialien auf das Wurzelwachstum

Die in der Kanalbaupraxis am häufigsten verwendeten Bettungsmaterialien für Leitungen sind Sande mittlerer Körnungsgrößen (Ø 0,2-1,2 mm). Zur Überprüfung des Einflusses von Sanden und feinen Kiesen unterschiedlicher Körnungsgrößen auf das Wurzelwachstum wurden kleinformatige Versuchsreihen in Pflanzgefäßen durchgeführt. Die Versuchsreihe bestand aus 60 Einzelgefäßen unterschiedlicher Volumina (2–7,5 Liter). In 36 Pflanzgefäße wurden jeweils zwei Testsubstrate unterschiedlicher Körnung in insgesamt vier alternierenden Lagen à 40 mm geschichtet. Die verbliebenen 24 Pflanzbehälter wurden für Kontrollpflanzungen genutzt. Die verwendeten Sande und Kiese lagen in definierten Körnungsabstufungen vor, so dass die Angabe der Körnungen die minimalen und maximalen Durchmesser der Einzelpartikel umfasst:

Körnung 1 (Ø 0,063–0,25 mm) & Körnung 2 (Ø 0,7–1,2 mm) = Körnungsgemisch A

Körnung 3 (Ø 0,125–0,4 mm) & Körnung 4 (Ø 1,0–2,0 mm) = Körnungsgemisch B

Körnung 5 (Ø 0,2–0,6 mm) & Körnung 6 (Ø 2,0–3,0 mm) = Körnungsgemisch C

Körnung 7 (Ø 0,4–0,8 mm) & Körnung 8 (Ø 3,0–6,0 mm) = Körnungsgemisch D

Nach dem Einfüllen der ersten beiden Lagen jedes Körnungsgemisches, wurden die Versuchspflanzen (Aesculus hippocastanum L., Acer pseudoplatanus L. und Fraxinus excelsior L.) zentriert im verbliebenen Füllraum der Pflanzgefäße positioniert. Die Wurzeln der Jungpflanzen wurden vor dem Einsetzen zurückgeschnitten und in einem Kern aus Bodensubstrat (etwa 60 ml Volumen) in die Pflanzgefäße überführt. Danach folgte der Anschluss der Versuchspflanzungen an ein automatisches Bewässerungssystem (ohne Nährstoffzugabe). Bedingt durch den Versuchsaufbau konnte der Fortschritt des Wurzelwachstums nicht direkt kontrolliert werden, jedoch entsprachen sowohl der oberirdische Biomassezuwachs als auch die Vitalität der Versuchspflanzen dem gleich alter Pflanzen am Naturstandort. Nach einer Versuchsdauer von zehn Monaten wurden die Pflanzgefäße durch Längsschnitte geöffnet. Es folgte zunächst eine Sichtkontrolle über den Zustand des Wurzelraumes, anschließend wurden die Wurzelballen durch Freispülen von den Substraten befreit.

Versuche zur Auswirkung von schadhaft verbauten Rohrverbindungen auf das Risiko von Durchwurzelungen

Zu diesem Themenkomplex wurde u.a. eine Versuchsreihe zum Einfluss von Scherlasten auf das Durchwurzelungsrisiko von Rohrverbindungen begonnen. Diese bestand aus insgesamt sechs bepflanzten Versuchsständen mit darin eingelassenen Rohrverbindungen. Im Inneren der 500 l fassenden Pflanzräume befand sich eine zweiteilige Aufnahmevorrichtung für die Rohrverbindungen. Als Versuchskörper wurden drei Rohrverbindungen aus Steinzeug sowie drei Rohrverbindungen aus duktilem Gusseisen verwendet. Zur Simulation der schadhaften Einbausituation wurden diese in den Versuchsständen maximal dezentriert und in dieser Position fixiert. Danach erfolgte das Auffüllen der Container mit Bodensubstrat, eine manuelle Verdichtung und die anschließende Bepflanzung mit jeweils einer wurzelnackten Pappel (Populus nigra L. cv. ‘Italica’, Pyramiden-Pappel) wobei diese direkt über den Verbindungen platziert wurden.

Den Erwartungen nach sollte sich der Einfluss der aufgebrachten Scherkräfte deutlich auf das Durchwurzelungsrisiko der Rohrverbindungen auswirken. In diesem Kontext wurde nicht von einer Beeinflussung durch das eingesetzte Substrat ausgegangen. Daher wurden keine weiteren Bodenparameter erhoben. In regelmäßigen Abständen wurden die Versuchsstände durch eine visuelle Inspektion und dem Abtasten der Rohrinnenräume kontrolliert. Der erste Container wurde nach einer Standzeit von elf Monaten, zwei weitere Container nach einer Standzeit von 18 Monaten geöffnet und der Pflanzraum sektorenweise freigelegt. Der Ausbau der restlichen drei Container erfolgte nach einer Standzeit von insgesamt fünf Jahren. Die Rohrinnenräume aller getesteten Rohrverbindungen waren zum Zeitpunkt der Öffnung frei von Wurzeln.

Untersuchungen zum Einfluss eines porenarmen Substrates auf das Wurzelwachstum

Das Tonmineral Bentonit ist ein praxiserprobtes Material, welches Korngrößen mit Durchmessern von weniger als 0,002 mm aufweist und aufgrund der Eigenschaften seines Hauptbestandteils Montmorillonit (mind. 70 %) eine hohe Wasseraufnahmekapazität und Quellfähigkeit besitzt. Aufgrund der hohen Saugspannung des Bentonits ist das aufgenommene Wasser jedoch nicht mehr für Pflanzen verfügbar. Gleichzeitig entstehen aufgrund der geringen Größe der Einzelpartikel keine Bodenporen mit größeren Durchmessern als 0,001 mm. Daher sollte dieses Substrat auf seine mögliche Barrierewirkung auf das Wurzelwachstum überprüft werden.

Die sechs für diese Versuchsreihe angefertigten Pflanzcontainer besaßen ein Fassungsvermögen von jeweils etwa 80 Litern. An den Stirnseiten wurden Durchführungen zur Verhinderung von Staunässebildung eingearbeitet. Auf die Böden der Kisten wurde zunächst jeweils ein etwa 150 mm hoher, keilförmiger Hügel aus gequollenem Bentonit aufgebracht. Danach wurden die Pflanzbehälter bis auf eine Füllhöhe von 350 mm mit Bodensubstrat aufgefüllt. Anschließend wurden die Behältnisse randständig mit jeweils einer Pappel (Populus alba L. cv. ‘Nivea’) bepflanzt, das Substrat per Hand verdichtet und die Pflanzung mit einer Lage Rindenmulch abgedeckt. Die Aufstellung mit einer Neigung von etwa 15° erzeugte einen Feuchtigkeitsgradienten in Längsrichtung der Pflanzcontainer.

Während der gesamten Versuchsdauer wurde die Bewässerung der im Freiland aufgestellten Behältnisse sichergestellt und in regelmäßigen Abständen eine optische Kontrolle über den Entwicklungszustand der eingesetzten Versuchspflanzen durchgeführt. Nach einer Versuchsdauer von zwölf Wochen wurde ein Pflanzcontainer zur Überprüfung des bis dahin erfolgtem Wurzelwachstums durch die Abnahme einer Seitenwand geöffnet und ein Bereich von etwa 50 mm Breite direkt oberhalb des Bentonits freigespült. Nach der Sichtkontrolle wurde dieser Bereich wieder mit Bodensubstrat befüllt, die Kiste verschlossen und wie zuvor aufgestellt. Der Ausbau von vier Pflanzcontainern erfolgte nach einer Versuchsdauer von insgesamt 21 Wochen, hierbei wurde jedoch das Bentonit vollständig ausgespült.

Nach dem Ausbau wurden diese vier Pflanzcontainer für eine weitere Untersuchung mit einer Laufzeit von zwölf Monaten verwendet. Im Gegensatz zur ersten Versuchsreihe wurden hierbei jedoch Rohrverbindungen in die Pflanzcontainer eingelassen, die Pflanzbehälter ohne Neigung aufgestellt und das Bentonit im trockenen Zustand, d. h. pulverförmig eingebaut. Die Standzeit der zwei verbliebenen Container wurde auf 24 Monate erhöht, danach erfolgte der Ausbau wie zuvor beschrieben.

Ergebnisse

Bettungsmaterialien

Zum Zeitpunkt des Versuchsabbruchs war der Verlust von insgesamt fünf Pflanzen zu verzeichnen, neun Pflanzen zeigten deutliche Mangelerscheinungen (Kontrollpflanzen mit kümmerlichem Wuchs). Die verbliebenen 46 Versuchspflanzen zeigten sich in einem sehr vitalen Zustand und hatten sich hinsichtlich des Massezuwachses der oberirdischen Teile ihrem Alter entsprechend entwickelt. Nach dem Freilegen der Wurzelballen zeigte sich, dass die Pflanzen einer Art auf die jeweils gleichen Kulturbedingungen (Körnungsgemische) mit der Ausbildung gleich aufgebauter Wurzelsysteme reagierten. Dabei wurde die Bevorzugung einer bestimmten Körnungsgröße in Form einer dichteren Feinwurzelausbildung ersichtlich. Dem entsprechend kam es in weniger bevorzugten Körnungsgrößen zu einer verminderten Ausbildung von Feinwurzeln. Die dadurch entstandene Etagierung der Wurzelsysteme konnte an den Wurzelballen der Kontrollpflanzen nicht beobachtet werden.

Zwischen den Arten zeigten sich ebenfalls unterschiedlich ausgebildete Wurzelsysteme bei den Pflanzen, die in denselben Körnungsgemischen kultiviert wurden. Als eine Folge der zehnmonatigen Versuchsdauer und dem damit einhergehenden fortgeschrittenen Stadium der Wurzelentwicklung war die Etagierung der Wurzelsysteme in einigen Fällen nur noch undeutlich ausgeprägt. Die Einflussnahme der unterschiedlichen Substrate auf das Wurzelwachstum lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Acer pseudoplatanus

Aesculus hippocastanum

Fraxinus excelsior

Schadhaft verbaute Rohrverbindungen

Da weitere Hinweise über das Wurzelwachstum im Bereich der Rohrverbindungen nur über den vollständigen Ausbau der Pflanzbehälter zu erlangen waren, stellte diese Maßnahme den Abbruch des jeweiligen Pflanzversuchs dar. Der Vitalitätsgrad der eingesetzten Pflanzen entsprach während der gesamten Versuchsdauer, bemessen sowohl am unterirdischen als auch am oberirdischen Biomassezuwachs, dem gleich alter Pflanzen am Naturstandort. Die Hauptmasse der Feinwurzeln hielt sich im oberen Bodenhorizont auf. In den unteren Horizonten wurden dagegen dickere und weniger stark verzweigte Wurzeln angetroffen. Der Verzweigungs- und Durchwurzelungsgrad nahm mit zunehmendem Alter der Versuchspflanzen zu.

Die sukzessive Entfernung von Fein- und Starkwurzeln ermöglichte den Blick auf die Basis des Wurzelsystems (Wurzelhals) und das Wurzelwachstum im Bereich des Muffenspaltes der sich darunter befindlichen Rohrverbindung. In allen geöffneten Versuchsständen konnten Feinwurzeln in der Nähe der Muffenspalten beobachtet werden. Bei einigen Versuchsansätzen wurden zusätzlich stärkere Wurzeln in Muffenspaltnähe angetroffen. Die Entfernung der Sprossbasis stellte den jeweils letzten Schritt des Versuchsausbaus dar. In allen Fällen konnte dieser Teil ohne Widerstand durch in die Rohrverbindung eingewachsene Wurzeln entnommen werden. In keinem Fall konnte eine Durchwurzelung einer Rohrverbindung oder in den Muffenspalt eingedrungene Wurzeln festgestellt werden.

Porenarme Substrate

Die Pflanzen zeigten sich über die gesamte Versuchsdauer in einem sehr vitalen Zustand. Die Zuwachsraten der Sprosse entsprachen dem gleich alter Pflanzen derselben Art unter nicht-kultivierten Wachstumsbedingungen. Nach der Abnahme der Seitenwände wurde zunächst die bis zu diesem Zeitpunkt erfolgte Ausbreitung der Wurzeln innerhalb der Pflanzgefäße ersichtlich. Beim Herauslösen des Bentonits konnten deutliche Unterschiede zwischen den beiden Versuchsansätzen beobachtet werden.

Das Wurzelwachstum in den Pflanzcontainern, bei denen gequollenes Bentonit verwendet wurde, folgte dem hier erzeugten Feuchtigkeitsgradienten in Längsrichtung der Gefäße. Nach dem Freispülen der Bentonitoberfläche wurde ersichtlich, dass die Hauptmasse der Wurzeln durch das Mineral von ihrer Wachstumsrichtung abgelenkt wurden. Gleichzeitig konnten in allen Fällen Risse im Bentonit beobachtet werden. Regelmäßig waren diese mit feinem Substrat gefüllt und bis auf eine Ausnahme waren Wurzeln durch diese Fissuren in das Tonmineral eingewachsen. Die Erhöhung der Standzeit hatte weder signifikante Auswirkungen auf die Eindringtiefe noch auf den Durchmesser der eingewachsenen Wurzeln, jedoch wiesen die vorgedrungenen Wurzeln mit verlängerter Versuchsdauer zahlreiche Verzweigungen in den Bentonitkörpern auf. Die Pflanzcontainer der zweiten Versuchsreihe, bei der das Bentonit im trockenen Zustand eingebaut wurde, beinhalteten weniger Bodensubstrat, welches vollständig durchwurzelt war. Beim Freispülen der Bentonithügel wurde ersichtlich, dass auch hier eine Vielzahl an Wurzeln an der Oberfläche der mineralischen Barriere entlang gewachsen waren. Im Gegensatz zur vorherigen Versuchsreihe zeigten sich jedoch in keinem Fall Risse oder Einwurzelungen in das Bentonit.

Diskussion

Die Ergebnisse der Untersuchungen zum Einfluss von Bettungsmaterialien auf das Wurzelwachstum haben gezeigt, dass fein- und grobkörnige Substrate unterschiedlich intensiv durchwurzelt werden. Die Wurzelsysteme der eingesetzten Versuchspflanzen zeigten zum Zeitpunkt des Versuchsabbruchs eine körnungsabhängige Etagierung. Die Bevorzugung der feinkörnigeren Fraktionen ist jedoch unter den Gehölzarten unterschiedlich ausgeprägt. Diese Unterschiede legen den Verdacht nahe, dass hier ein artspezifisches Verhalten vorliegt. Ein Blick auf die aktuelle Straßenbaumliste des GALK-Arbeitskreis Stadtbäume [10] zeigt, dass sowohl Aesculus hippocastanum L. als auch Acer pseudoplatanus L. empfindlich bzw. sehr anfällig gegen Bodenverdichtung sind.

Nach Eavis [7] und Warnaas & Eavis [29] sind die drei hauptsächlich das Wurzelwachstum im Boden begrenzenden Faktoren die Sauerstoffversorgung, die Wasserverfügbarkeit und der mechanische Widerstand. Bei der gewählten Versuchsanordnung wurden die Substrate nicht verdichtet und es ergab sich auch im Fall der feinsten Körnung ein hoher Anteil an Grobporen, womit eine ausreichende Sauerstoffversorgung sichergestellt war. Durch die stetige Bewässerung kann auch ein schwankendes Wasserangebot als Ursache für die unterschiedlichen Durchwurzelungsgrade ausgeschlossen werden. Daher muss angenommen werden, dass der unterschiedlich hohe mechanische Eindringwiderstand der eingesetzten Körnungen maßgeblich das Wurzelwachstum in den einzelnen Schichten beeinflusst hat (vgl. [1], [2]).

Der bei Versuchsende unerwartet hohe Durchwurzelungsgrad der Pflanzbehälter, insbesondere der hohe Feinwurzelbesatz, verhinderte eine vollständige Auswaschung der Wurzelballen und damit eine genauere Bezifferung des unterschiedlichen Wachstumsverhaltens. Die Ergebnisse machen jedoch deutlich, dass Sande und feine Kiese, obwohl sie nährstoffarme Substrate darstellen, sehr intensiv durchwurzelt werden können. Mit Hinblick auf die ursprüngliche Fragestellung ließ sich darüber hinaus zeigen, dass bereits kleine Änderungen der Körnungen von Bettungsmaterialien zu einer deutlichen Beeinflussung des Wurzelwachstums führen, dieses jedoch nicht verhindert werden kann.

Wie die Ergebnisse der Versuche zum Einfluss von Scherlasten auf das Risiko von Wurzeleinwüchsen zeigen, muss die direkte Nähe von Wurzeln zu schadhaft verbauten Rohrverbindungen nicht zwangsläufig Durchwurzelungen nach sich ziehen. Trotz der hohen Anzahl von Wurzeln in direkter Nähe zu den undichten Rohrverbindungen wuchsen diese jedoch nicht in die Muffenspalten ein. Alle eingesetzten Versuchspflanzen durchliefen, der Zunahme ihrer Stammdurchmesser nach zu urteilen, eine normale Entwicklung. Das Aufsetzen der Pflanzen auf die undichten Verbindungen führte entgegen den Erwartungen nicht zu einem verstärkten Wurzeleinwuchs.

Die Herstellung von Kanalisationen in offener Bauweise führt unter anderem zu ausgeprägten Hohlräumen zwischen den Leitungen und dem maschinell verdichteten umgebenden Substrat. Wurzeln, die in die Leitungszone vordringen, durchwachsen bevorzugt diese durchgehenden Porenräume. Im Gegensatz dazu wurde das im Versuch verwendete Substrat manuell verdichtet, wodurch der ursprüngliche Anteil an Grob- und Mittelporen nur unwesentlich reduziert wurde. Als eine Folge hiervon verloren sowohl die an den Außenwänden der Leitungen entstandenen Porenräume (Grenzflächen) als auch die Muffenspalten ihre Bedeutung als Bodenluft führende und leicht durchwurzelbare Porenräume (vgl. [11], [25]). Obwohl die ursprüngliche Intention dieser Versuchsreihe eine andere war, verdeutlichen diese Ergebnisse, dass den Eigenschaften der Substrate in den Leitungsgräben eine entscheidende Rolle hinsichtlich des Wachstums von Wurzeln in Leitungsnähe zukommt und legen nahe, dass die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an leicht durchwurzelbarem Substrat eine Strategie darstellen kann, um Konflikte zwischen Wurzeln und Leitungen zu vermeiden.

Wie die Ergebnisse der Untersuchungen zum Einfluss eines porenarmen Substrats gezeigt haben, kann der Einsatz von Bentonit im Leitungsbau ergänzend dazu einen weiteren Lösungsansatz bei der Verhinderung von Durchwurzelungsschäden darstellen. Da bei allen Versuchsansätzen während der Versuchsdauer eine gleichmäßige Durchfeuchtung des Bodens und des Bentonits sicher gestellt war, muss das Risiko für Einwurzelungen in die Bentonitbarrieren primär davon abhängig gewesen sein, in welchem Zustand der Einbau erfolgt ist. Bei dem hier verwendeten Material handelt es sich um ein natürliches Natriumbentonit. Aufgrund der geringen Größe seiner Einzelpartikel (Ø ‹ 0,002 mm) ergeben sich spezifische Oberflächen mit mehr als 800 m² pro Gramm [8]. Die Durchmesser der Poren betragen durchschnittlich weniger als 0,001 mm [16]. Dem gegenüber stehen die Durchmesser der Leitbündel von Wurzeln im primären Entwicklungszustand, welche bei den hier untersuchten Gehölzarten im Durchschnitt 0,04-0,05 mm betrugen. Da die Größe der Querschnittsfläche des Leitzylinders das Einwachsen in entsprechend kleinere Poren verhindert [22], kann davon ausgegangen werden, dass Wurzeln nicht in Bentonit eindringen können, wenn es keinen anderen Zugang wie beispielsweise durch Risse gibt.

Der hohe Wasserverbrauch der eingesetzten Pappeln führte zu einem Entzug des Bodenwassers in direkter Nähe zum Bentonit, was bei diesem Material wiederum das Risiko zur Bildung von Schrumpfungsrissen erhöht. Nach Witt [30] kann die Rissbildung eines Bentonits dadurch minimiert werden, dass dessen Einbauwassergehalt nicht unterschritten wird. Beim Einbau im nassen Zustand ergeben sich Saugspannungen von unter 1 bar, wohingegen der trockene Einbau Saugspannungen über 2,5 bar impliziert. Dadurch ist beim trockenen Einbau auch die Wasserabgabe aus dem Bentonit geringer. Zusätzlich scheint eine ständige, gleichbleibende Feuchtigkeit die Strukturstabilität zu maximieren. Auch bei Horn [12] wird der trockene Einbau empfohlen, da somit Rissbildung weitgehend unterbleibt.

Diese Angaben erklären die im Experiment beobachteten Unterschiede im Wurzeleinwuchsverhalten, da diese ausschließlich über Risse im gequollen eingebauten Bentonit stattfanden. Die Ergebnisse der hier durchgeführten Versuche zeigen, dass der Einsatz von Bentonit zum Schutz von Rohrverbindungen grundsätzlich in Erwägung gezogen werden kann. Aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht ist auch eine großflächige Einbringung in den Bodenkörper durchweg positiver zu bewerten als jene von Kunststoffprodukten. Jedoch sollte auch hierbei an die Bereitstellung von entsprechenden Ausgleichsflächen gedacht werden, da eine zusätzliche Reduktion des ohnehin begrenzt vorhandenen Wurzelraumes nicht der Sinn von Schutzmaßnahmen sein kann.

Schlussbetrachtung

Aussagen über die tatsächliche Gestalt bzw. Ausbreitung des Wurzelsystems eines Baumes in einem Bestand unter Verzicht technischer Hilfsmittel zu treffen, ist ohne die Kenntnis bodenphysikalischer Parameter am Standort nur unzureichend möglich. Entsprechende Abschätzungen werden im innerstädtischen Bereich durch sich wiederholende Eingriffe im Gehwegbereich und damit einer stetigen Änderung der Bodenkennwerte zusätzlich erschwert. Gezielte Angaben über das Vorkommen von Wurzeln sind im Sinne des Gehölzschutzes jedoch nicht nur im Kanalbau, sondern bei allen ähnlichen Maßnahmen im Wurzelraum wie beispielsweise dem Einbau von Wurzelschutzelementen im Bereich von Banketten ebenfalls vorteilhaft.

Die Ergebnisse der vorgestellten Versuche verdeutlichen, dass es in Abhängigkeit vom umgebenden Substrat leicht zu Abweichungen von einem vermuteten Wachstumsverhalten bzw. zur Ausbildung modifizierter Wurzelsysteme kommen kann. Die genetische Veranlagung einer Baumart, eine bestimmte Wurzeltracht auszubilden, wird nachhaltig durch bodenphysikalische Parameter überlagert, so dass die ursprünglichen Formen der entsprechenden Wurzelsysteme oft nicht mehr in Erscheinung treten [5]. Die in den Versuchen zum Einfluss von Substraten unterschiedlicher Körnungen auf das Wurzelwachstum verwendeten Gehölzarten bilden am Naturstandort stark voneinander abweichende Wurzelsysteme aus. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass gleiche Wachstumsbedingungen dahingehend nivellierend wirken können. Typische Tiefwurzler (Acer pseudoplatanus L., Fraxinus excelsior L.) können sich dabei den Umgebungsbedingungen in gleichem Maße anpassen wie typische Flachwurzler (Aesculus hippocastanum L.).

Darüber hinaus lässt sich erkennen, dass sich bereits mit einfachen Mitteln die Form von Wurzelsystemen beeinflussen lässt. Durch den Einsatz von geeigneten Substraten im Wurzelraum ist es daher möglich, Wurzelwachstum in sensiblen Bereichen (z. B. Leitungsnähe) zu verhindern bzw. Wurzelwachstum in dafür vorgesehenen Bereichen zu fördern [17 a, b]. Entsprechende Empfehlungen zur Nutzung von bisher ungenutzten Ressourcen im Bereich von Leitungsgräben (Grabenfüllmaterialien) und Leitungszonen (Bettungsmaterialien) lassen sich aus den hier auszugsweise dargestellten Ergebnissen des Forschungsprojektes jedoch nur bedingt ableiten. Auf der Grundlage der bisher gewonnenen Erkenntnisse werden daher ergänzende Untersuchungen in Kooperation mit dem Institut für Unterirdische Infrastruktur (IKT) durchgeführt. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Entwicklung von Ressourcen schonenden Verfahren zur Verhinderung von Durchwurzelungsschäden unter dem Einsatz von porenarmen Substraten. In diesem Zusammenhang wurde im November 2009 mit der Durchführung eines durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Forschungsprojektes zum Thema “Umweltsicherer Kanalbau durch wurzelfeste Bettung der Rohre” in der Stadt Osnabrück begonnen.

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