URBANE BÖDEN
– EINE LEBENSGRUNDLAGE FÜR GEHÖLZE?
Quelle: Dujesiefken, D. (Hrsg.): Jahrbuch der Baumpflege 2012. Haymarket Media, Braunschweig, S. 37-49.
Dipl.–Biol. Dr. Markus StreckenbachDie Anlage ausdauernder Gehölzpflanzungen in innerstädtischen Bereichen ist auf Grund der dort vorherrschenden klimatischen Bedingungen und der vielfältigen Nutzung des vorhandenen Raumes eine besondere Herausforderung. Die an Pflanzgruben grenzenden Bodenareale müssen vorrangig technischen Anforderungen genügen und weichen daher in allen wesentlichen Aspekten deutlich von jenen naturbelassener Böden ab. Dies betrifft sowohl die Größe des zur Verfügung stehenden unterirdischen Raumes, als auch die Eigenschaften des Substrates in direkter Umgebung des Standortes. Beide Faktoren entscheiden gleichwohl über den Erfolg einer Baumpflanzung. Durch die alternative Verwendung von strukturoptimierten Substraten in diesen Bereichen kann - unter Berücksichtigung technischer und gehölzspezifischer Erfordernisse - die Wuchsleistung von Bäumen verbessert und ihre Lebenserwartung deutlich erhöht werden.
Einleitung
Bäume stellen perfekt durchorganisierte Systeme dar, die in regem Austausch mit ihrer Umwelt stehen. Sie sind bestmöglich an ein Leben angepasst, welches zugleich sowohl im Boden als auch in der Luft stattfindet. Kronen und Wurzelsysteme stehen in einem dynamischen und meist ausgewogenen Verhältnis zueinander. Als eine Folge davon wirken sich umweltbedingte Anpassungen stets auf den korrespondierenden Teil eines Baumes aus. Je länger Bäume externen Stressfaktoren ausgesetzt sind, desto stärker gerät auch die Koordination der internen Kreisläufe durcheinander [32].
Eine Baumpflanzung kann daher nur so erfolgreich sein, wie es die Umgebungsbedingungen am Standort erlauben. Der Einfluss des städtischen Klimas und die Eigenschaften des Baumumfeldes können einen enormen Druck auf die Bäume ausüben. Hierbei stellen erhöhte Lufttemperaturen und eine geringe Durchfeuchtung des Bodens die größten Stressfaktoren dar ([83], [47]). Insbesondere im urbanen Umfeld sind den Entwicklungsmöglichkeiten der Gehölze zudem hinsichtlich des ihnen zur Verfügung stehenden Raumes enge Grenzen gesetzt. Ungeachtet ihrer Anpassungsmöglichkeiten zeugen vor allem die im Gegensatz zum Naturstandort drastisch herabgesetzten Lebenserwartungen der Gehölze von einer Existenz an extremen Standorten ([54], [63]).
Das Substrat im Bereich der Pflanzgrube stellt die Lebensgrundlage eines Baumes dar. Die sich über diesen Bereich hinaus ausbreitenden Wurzeln entwickeln sich in Böden, die in hohem Maße durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden und primär nicht für Pflanzungen vorgesehen sind. Das Wachstum von Wurzeln folgt einfachen Prinzipien, unterliegt jedoch äußeren Einflüssen.
Die nachfolgende Betrachtung dieses Zusammenhanges für die wichtigsten Bodenparameter verdeutlicht die große Bedeutung, welche dem Substrat am Baumstandort zukommt. Die anschließende Charakterisierung urbaner Böden zeigt darüber hinaus, dass diese oftmals Eigenschaften aufweisen, welche den Bedürfnissen der Vegetation deutlich entgegenstehen. Die sich daraus ergebenden Probleme für Gehölzpflanzungen lassen sich durch eine Aufwertung der Standorte mildern. Wie die abschließend angeführten Beispiele zeigen, erlangt hierbei der Einsatz von strukturoptimierten Substraten und entsprechenden Bauweisen zunehmend an Bedeutung.
Grundlagen des Wurzelwachstums
Allgemeine Zusammenhänge
Die Möglichkeit, auf veränderte Umweltbedingungen reagieren zu können, ist für Pflanzen essenziell und das Spektrum an von Wurzeln wahrnehmbaren Reizen dementsprechend hoch. Von allen Wachstumsreaktionen hebt sich der Gravi- oder Geotropismus in besonderer Weise ab, da er allgegenwärtig ist und das Richtungswachstum der Wurzeln dominiert [5]. Diese Reaktion kann jedoch durch weitere Reize, in Abhängigkeit von deren Stärke, variiert oder überlagert werden. Die Ausbreitung von Wurzeln und damit einhergehend die Entstehung von Wurzelsystemen vollzieht sich daher nicht ziellos, sondern folgt Gesetzmäigkeiten.
Die Wachstumsrichtung von Wurzeln wird durch Wachstumsreaktionen bestimmt, die durch pflanzliche Hormone vermittelt werden. Auf diese Weise können sich Wurzeln gezielt Bodenbereichen zu- oder abwenden, die in ihren Eigenschaften den Bedürfnissen der Wurzeln entsprechen bzw. diesen entgegenstehen. Die Bodenparameter liegen in einem Optimum vor, wenn die Wurzeln ihr volles Potenzial ausschöpfen können. Die ökologische Potenz einer Baumart bestimmt dabei, welche Intensität eines Parameters für das Wachstum optimal ist bzw. noch toleriert werden kann. Das Wachstum unter Grenzbedingungen führt dabei zu den gröten Abwandlungen der arteigenen Morphologie.
Neben physiologischen Indikatoren gibt es somit auch bei Wurzeln sichtbare Merkmale, die ihren Gesundheitszustand widerspiegeln. Analog zur Beurteilung der Vitalität der oberirdischen Teile der Bäume anhand der Verzweigungsverhältnisse [62], deutet auch ein hoher Feinwurzelbesatz entsprechend auf eine hohe Vitalität der unterirdischen Baumteile [36]. Da die Verzweigung von Wurzeln auch durch die Bodenverhältnisse beeinflusst wird, lässt die Gestalt von Wurzelabschnitten Rückschlüsse auf die Bodeneigenschaften zu. Daneben wirkt sich auch der Metabolismus eines Baumes auf die Verzweigungsverh ältnisse der Wurzeln aus [46]. Raschwüchsigkeit und hohe Transpirationsraten benötigen eine gesteigerte Wasseraufnahme, welche hauptsächlich über junge Wurzeln stattfindet. Deren hohe Anzahl kann sich in einem intensiv verzweigten Wurzelsystem äern.
Die kurze Darstellung dieser gegenseitigen Beeinflussungen macht bereits deutlich, dass eine separate Betrachtung der Wirkung nur eines Umweltfaktors auf das Wurzelsystem eines Baumes kaum möglich ist. Die Ergebnisse experimenteller Analyse verdeutlichen jedoch die Einflussgröe verschiedener Parameter und lassen somit Rüsse auf ihren Effekt auf einen Baum an seinem Standort zu.
Der Einfluss der Bodenluft auf das Wurzelwachstum
Während ihres Wachstums verbrauchen Wurzeln Sauerstoff. Um ihre physiologischen Funktionen zu erfüllen, sind sie als Organe aerotroper (Luft atmender) Lebewesen ebenfalls auf eine ausreichende Zufuhr angewiesen, welche über die Bodenluft erfolgt. Der Sauerstoffbedarf ergibt sich aus der Veratmung von Kohlenhydraten zur Energiegewinnung (biologische Oxidation). Das Ausmaß der Wurzelatmung hängt über die Diffusionsrate wiederum von der (Boden-)temperatur und dem Bodenwassergehalt ab [2].
Der Sauerstoffvorrat im Boden ist eng mit dem Grobporenvolumen des Bodens verknüpft und kann einen kritischen Mindestwert erreichen. Unterschreitet das Gesamtvolumen der Luft führenden Poren eines Bodens den Wert von etwa 10 % wird die Diffusion des Sauerstoffs in den Bodenkörper unterbunden, wodurch es zu Funktionseinbußen der Wurzeln kommt [12]. Bei einem ungehinderten Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre, wird jede verbrauchte Einheit O2 durch eine Einheit CO2 ersetzt. Ist dies nicht gewährleistet, sinkt der O2, so dass eine Diffusion von Sauerstoff nicht mehr stattfinden kann. Dies führt, wie auch die hiermit oftmals einhergehende Anreicherung von CO2 im Boden, zu Wachstumsdepressionen bei Wurzeln, da sich toxische Agenzien wie Milchsäure, Aldehyde und Ethanolim Gewebe der Pflanzen anreichern [39].
Gerät der Sauerstoffnachschub ins Stocken, beispielsweise durch die Versiegelung der Bodenoberfläche, verringert sich zunächst die Abbaurate von Kohlehydraten. Eine ausgesprochene Sauerstoffarmut (Hypoxie) führt zu Gärungsprozessen, die eine umfassende Blockade von Wachstumsprozessen nach sich ziehen können [40]. Die vermehrte Bildung des Pflanzenhormons Ethylen ist eine direkte Reaktion der Wurzeln auf Sauerstoffmangel. Wird dieses freigesetzt, beschleunigt es die Vergreisung oberirdischer Pflanzenteile (Seneszenz) und kann unter anderem zu einem verfrühten Blattfall führen [72].
Der Einfluss der Bodendichte auf das Wurzelwachstum
Wachsende Wurzeln folgen im Boden vorkommenden Gradienten. Auf ihrem Weg drängen sie kleinere Bodenpartikel beiseite, größeren Hindernissen weichen sie auf Grund der mechanischen Eigenschaften der Wurzelspitze aus. Dies ist möglich, solange die Lagerungsdichte der Einzelpartikel eines Bodens einen gewissen Grad nicht überschreitet [55]. An Dichtegrenzen (“Porensprünge”) können Wurzeln von ihrer eingeschlagenen Wachstumsrichtung abgelenkt werden, wenn diese beispielsweise aus einem lockeren Substrat kommend auf eine festere Bodenschicht treffen [35]. Das Wachstum in dichten Böden ist ein energiezehrender Prozess, der günstige Umgebungsbedingungen für eine funktionierende Wurzelatmung voraussetzt [34]. Können Wurzeln nicht ausweichen, sind sie in der Lage, große Wachstumsdrücke von annähernd 12 bar zu entwickeln [76].
Die Lagerungsdichte eines Bodens spiegelt das Verhältnis der Bodenmasse zum Bodenvolumen wider. Das Bodenvolumen beinhaltet auch das Porenvolumen, welches von Luft und Wasser ausgefüllt wird. Verdichtungen führen zu einer Abnahme des Porenvolumens, wobei die Verdichtungsempfindlichkeit bei Böden mit kleinen Einzelpartikeln am höchsten ausgeprägt ist [79]. Eine Verdichtung des Bodens kann, wie die Austrocknung, zur Bildung von großen, annähernd porenfreien Bodenbereichen führen. Durch Schrumpfungseffekte können zudem lange zusammenhängende Porenräume entstehen. Das Wurzelwachstum kann sich dadurch auf diese Bereiche konzentrieren, da hier im Gegensatz zum anstehenden Substrat bessere Umgebungsbedingungen vorliegen [4].
Beim Einwachsen in dichte Bodenbereiche kommt es zunächst zu einer Verringerung des Längenwachstums [3]. In der Folge kommt es zu einer Zunahme des Wurzeldurchmessers hinter der Wurzelspitze und zu einer Förderung der Bildung von Seitenwurzeln. Durch die radiale Expansion wird versucht, das Vordringen der Wurzelspitze zu erleichtern, zeitgleich ermöglicht die Verzweigung eine Expansion in günstigere Bodenbereiche.
Der Einfluss des pH-Wertes auf das Wurzelwachstum
Da Pflanzen wichtige Nährelemente wie Stickstoff, Kalium und Phosphor nicht selbst synthetisieren können, sind sie auf deren Zufuhr mit dem Wasserstrom angewiesen. Die Symbiose von Wurzeln und Mykorrhizapilzen erleichtert die Aufnahme mancher Elemente, einige sind nur durch die Anwesenheit der Pilze verfügbar [15]. Neben der Temperatur und der Verfügbarkeit von Wasser ist der pH-Wert des Bodens ein entscheidender Faktor, der über das Maß bestimmt, mit dem die im Boden vorliegenden Nährelemente in Lösung gehen. Dies gilt jedoch in gleichem Maße für pflanzentoxische Schwermetall-Ionen.
Herkömmliche Böden weisen pH-Werte zwischen etwa 5,0 (mäßig sauer) und 9,0 (mäßig basisch) auf. Die Toleranz gegenüber niedrigen oder hohen pH-Werten des Substrates ist bei verschiedenen Pflanzenarten unterschiedlich hoch ausgeprägt, so dass auch der pH-Wert des Bodens über die Zusammensetzung der Vegetation entscheidet [26]. Die chemischen Eigenschaften eines Bodens, welche sich bereits aus seinem Ausgangsmaterial ergeben, können sich auch auf die Bodenstruktur auswirken. Der Einfluss des pH-Wertes auf das Wachstum von Wurzeln erfolgt in erster Linie über die hiervon abhängige Verfügbarkeit der Nährelemente.
Die organischen und mineralischen Bodenpartikel funktionieren als Ionentauscher, auf ihrer Oberfläche liegen die Ionen der Nährelemente meist locker gebunden vor. Diese gehen in das Bodenwasser über und können an der Wurzel gegen die von ihr abgegebenen Protonen getauscht und somit aufgenommen werden. Gleich der hohen Anzahl an möglichen in Böden vorkommenden Elementen, ist die Anzahl der unterschiedlichen Symptome auf Grund eines Mangels oder eines Überschusses (vgl. [8], [1]). Missverhältnisse wirken sich, meist reversibel, direkt auf die oberirdischen Teile aus. Die Aufnahme von schädigenden Schwermetall-Ionen ist dagegen in aller Regel ein irreversibler Prozess, sie verbleiben oftmals in den Pflanzen und können sich dort anreichern.
Der Einfluss der Bodenfeuchtigkeit auf das Wurzelwachstum
Wurzeln sind durch morphologische und anatomische Anpassungen optimal zur Aufnahme von Wasser befähigt. Die im Gegensatz zum Spross fehlende wasserabweisende Kutikula sowie die Ausbildung von Wurzelhaaren, ermöglicht die ununterbrochene Absorption großer Wassermengen. Der Verbrauch von Wasser in den oberirdischen Pflanzenteilen stellt den stärksten Antrieb für das Einströmen von Wasser in die Wurzeln dar (Transpirationssog). Der Wasserverbrauch verschiedener Pflanzen ist unter anderem auch von der jeweiligen Art abhängig. Die Bodenfeuchtigkeit, d. h. die Möglichkeit verbrauchtes Wasser aus dem Boden nachzuliefern, stellt einen essenziellen Standortfaktor für Gehölze dar.
Der Wassergehalt des Bodens ist maßgeblich an dessen Mittel- und Feinporenvolumen gebunden. Das in den Feinporen vorhandene Wasser steht den Pflanzen jedoch nicht zur Verfügung. Sie sind auf die Aufnahme von Bodenwasser aus engen Grob- und Mittelporen angewiesen. Der Entzug von Bodenwasser führt bei einem gehinderten Nachtransport, wie beispielsweise durch Oberflächenversiegelung, zu einer Veränderung der Bodenstruktur. Ein geringer Wassergehalt des Bodens zieht anatomische, morphologische und physiologische Anpassungen der Wurzeln nach sich. Die Wasser leitenden Gefäße können größere Durchmesser erreichen, die Feinverzweigung (Feinwurzelbesatz) kann stark abnehmen und die hydraulische Leitfähigkeit kann ansteigen. Auch die natürliche Verteilung von Wurzeln kann durch ungleichmäßige Wasserverteilung beeinflusst werden, so dass atypisch aufgebaute Wurzelsysteme entstehen [51].
Geraten Wurzeln unter Wasserstress, nimmt zunächst der Zellinnendruck ab und entwicklungshemmende Reaktionen werden hervorgerufen [73]. Auf diese Weise können Schäden durch nicht kompensierbare Wasserverluste gering gehalten werden. Kürzere Trockenphasen können durch eine Angleichung der Transpirationsraten ohne nachteilige Effekte überstanden werden. Längere Trockenphasen führen zunächst zu einem Abwurf von Blättern und Blüten, mitunter auch von Knospen [66]. Andauernde Trockenheit kann den Ruhezustand (Dormanz) der Pflanze einläuten. Nachhaltig negative Änderungen des Wasserhaushaltes am Standort führen zu signifikanteren Effekten wie beispielsweise der Verkürzung des Lebenszyklus [9], wobei ältere Bäume deutlich empfindlicher auf Trockenphasen reagieren [11].
Zusammensetzung und Eigenschaften städtischer Böden
Böden in anthropogen beeinflussten Bereichen, insbesondere jene in Zentren, weisen bereits auf Grund ihrer Zusammensetzung und Nutzung andere Charakteristika auf als Böden an Naturstandorten. Sie sind durch die Versiegelung von der Ökosphäre weitestgehend abgeschnitten und sind daher nicht in der Lage, ihre ursprünglichen Funktionen zu erfüllen. Urbane Böden unterscheiden sich generell durch die folgenden Merkmale von naturbelassenen Böden (nach [13]):
- Sie weisen eine hohe räumliche Variabilität in die Tiefe auf.
- Sie besitzen eine die Verdichtung begünstigende modifizierte Bodenstruktur.
- Sie beinhalten fremde Materialien und Schadstoffe.
- Sie besitzen gewöhnlich erhöhte pH-Werte.
- Sie tragen eine oftmals wasserundurchlässige Versiegelungsschicht.
- Sie haben eine eingeschränkte Durchlüftung und eine verminderte Drainageleistung.
- Ihre Nährstoffkreisläufe sind unterbrochen und die Aktivität der Bodenfauna ist vermindert.
- Die Bodentemperaturen sind stark verändert.
Stadtböden im Straßenraum sind bis in größere Tiefen durch ihre Nutzung als Infrastrukturträger in ihrer Substanz vollkommen verändert und werden jeder weiteren Funktion entzogen [58]. Eine Reduzierung von Bodeneigenschaften ausschließlich auf die Tragfähigkeit, korreliert jedoch bereits im Ansatz nur schlecht mit den grundlegenden Bedürfnissen von Pflanzen. Durch wiederkehrende Baumaßnahmen wird stetig in den Bodenkörper eingegriffen, was massive Störungen bzw. Modifizierungen der Bodenstruktur zur Folge hat. Hinzukommend entstehen durch die Einbringung fremder Substrate kleinräumige Mosaike mit wechselnden Bodeneigenschaften [18]. Die Verunreinigung von Böden im städtischen Umfeld durch das Einbringen von (Bau-)Materialien führt oftmals zu hohen pH-Werten und ist, neben dem Verkehr und den Emissionen der Industrieanlagen, als eine weitere Quelle der Kontamination der Böden mit Schwermetallen anzusehen ([78], [48]).
Die Infiltrationskapazität urbaner Böden kann sich durch die Komprimierung unter dem Einsatz von Baufahrzeugen bis zu 90 % verringern [30]. Der Verlust von Grobporen erhöht zudem die Gefahr von Sauerstoffmangel und Denitrifikationseffekten [50]. Die Mehrzahl aller sich nachteilig auf das Wurzelwachstum von Stadtbäumen auswirkenden Effekte, lassen sich auf einen erhöhten Verdichtungsgrad urbaner Böden zurückführen. Diese liegen zum Teil über 95 % über dem Optimum, wodurch sich der Gehalt an Luft führenden Poren so stark reduziert, dass sich diese Substrate kaum mehr als Lebensgrundlage für die Vegetation eignen [37].
Ein Großteil von den Boden degradierenden und für die Vegetation zumeist nachteiligen Effekte ergeben sich jedoch hauptsächlich aus der Versiegelung urbaner Böden [67]. Für oberflächennahe Bodenschichten unter Asphaltdecken wurden an Baumstandorten während der Sommermonate Temperaturen über 34 °C gemessen [33]. Wasserundurchlässige Beläge ziehen zudem eine stark eingeschränkte Durchlüftung und eine verminderte Drainageleistung nach sich [29], so dass diese Böden in Initialstadien der Entwicklung verbleiben. Zusätzlich erschwert die Oberflächenversiegelung der inhomogenen und mitunter komplex aufgebauten städtischen Böden weitere Beurteilungen wie beispielsweise über den jeweiligen Wasserhaushalt oder die Belüftungssituation am Standort ([82], [53]).
Böden in innerstädtischen Bereichen können zum Teil sehr hohe, gesundheitsgefährdende Mengen an Schadstoffen aufweisen ([31], [21]), welche sich nicht nur auf die Vegetation, sondern auch auf die Boden bewohnenden Tiere auswirken [24]. Die unterbrochenen Stoffkreisläufe urbaner Böden beeinflussen ebenfalls die Bodenfauna, welche sowohl in ihrer Zusammensetzung als auch in ihrer Aktivität entsprechende Anpassungen zeigt ([23b], [57]). Diese allgemeinen Kennzeichen wurden in einer Vielzahl von Studien bestätigt (vgl. [59]).
Es muss jedoch beachtet werden, dass sich die Böden verschiedener Standorte voneinander unterscheiden und die vorliegenden Ergebnisse daher keine universelle Gültigkeit besitzen können. Die meisten urbanen Böden werden als Technosole angesprochen [45]. Ungeachtet der klimatischen Einflüsse auf die Bodengenese und die jeweiligen Eigenschaften, beinhaltet jedoch bereits eine erste grobe Einteilung in natürliche Böden, durch den Menschen beeinflusste Böden, durch den Menschen veränderte Böden und durch den Menschen geschaffene Böden [74] weitreichende physikalische und chemische Unterschiede innerhalb der großen Gruppe der urbanen Böden [64].
Konsequenzen für Baumpflanzungen
Auswirkungen in der Praxis
Bei der Betrachtung urbaner Böden wird deutlich, dass schlechte Bodenbedingungen in Bezug auf die Begrünung von Städten hauptsächlich durch die Art der Bodennutzung entstehen. Insbesondere die Versiegelung und Verdichtung des Bodenkörpers zieht weitreichende negative Konsequenzen nach sich. Nach einer straßenbautechnischen Umgestaltung verbleiben die an die Pflanzgruben angrenzenden Areale zumeist in einem Zustand, der das Wachstum von Pflanzen nicht begünstigt. Hierdurch beschränkt sich der den Gehölzen zur Ausbildung eines Wurzelsystems zur Verfügung stehende Raum auf wenige Kubikmeter an durchwurzelbarem Substrat und es kann dazu kommen, dass die Wurzeln die Pflanzgrube nicht verlassen können.
Häufig sind Wurzelsysteme zu beobachten, die in ihrer Form deutlich von dem Wuchsbild am Naturstandort abweichen. Oberflächennah ausgebildete Wurzeln unterwachsen Wegebeläge und Pflasterungen, massiv ausgebildete Stammanläufe können Einfassungen und Bordsteine versetzen. Diese Wuchsbilder sind deutliche Zeichen einer verfehlten Pflanzraumgestaltung, welche die Gehölzentwicklung nicht ausreichend berücksichtigt. Die Folgen dieser Praxis äußern sich unter anderem in einem erhöhten Pflegeaufwand für die Bäume, wiederkehrenden Instandhaltungsmaßnahmen der Standorte und ziehen somit auch zusätzliche Ausgaben nach sich.
Hinzu kommt, dass im Umfeld von Stadtbaumpflanzungen ein toleriertes (Leitungs-)Chaos vorherrscht. Sich wiederholende Eingriffe im direkten Baumumfeld und das stetige Einbringen fremder Substrate in den Bodenkörper tragen in der Regel nicht zur Standortverbesserung bei. Langlebige Gehölzpflanzungen benötigen jedoch dauerhaft ausreichend gute Bodeneigenschaften. Dies gilt umso mehr, als dass sich die klimatischen Randbedingungen zukünftig in Richtung längerer Trockenphasen verschieben werden und dem Boden am Standort eine zentrale Rolle beim Ausgleich klimatisch bedingter Extreme für den dort wachsenden Baum zukommt.
Austrocknende oder über längere Zeiträume hinweg trockene Böden verändern sich in ihrer Struktur und in ihren Eigenschaften. Dadurch bedingt können sie einen direkten Einfluss auf die dort lebenden Gehölze aus- üben, wobei diese je nach Art unterschiedlich stark auf den sich einstellenden Wasserstress reagieren ([10], [61], [75]). Im städtischen Umfeld kann dieser im Zusammenspiel mit den klimatischen Randbedingungen dazu führen, dass die dort gepflanzten Bäume anfälliger für den Befall mit Schädlingen sind. Eine regelmäßige Bewässerung und die Verwendung offenporiger Beläge stellen verhältnismäßig einfach durchzuführende Maßnahmen dar, um den trockenheitsbedingten Stress von den Gehölzen zu nehmen und deren natürliche Abwehrkräfte zu aktivieren ([14], [7], [24b]).
Bei schlechten Standortbedingungen sollten Verbesserungsmaßnahmen bereits im Vorfeld von Pflanzungen erfolgen, da sich die Umsetzung entsprechender Maßnahmen in etablierten Altbaumbeständen schwieriger gestaltet und zudem kostenintensiver ist. Baumstandorte bieten verschiedene Ansatzpunkte zur Optimierung. Aktuelle Regelwerke wie die “Empfehlungen für Baumpflanzungen, Teil 2” [23] oder die “Zusätzlichen Technischen Vorschriften für die Herstellung und Anwendung verbesserter Vegetationstragschichten” [42], bieten Hilfestellung bei der Auswahl und Durchführung von geeigneten Schritten. Trotz einiger Unterschiede im Detail, sind sich die Verfasser dieser Standards einig darüber, dass für die Ausbreitung von Baumwurzeln stets ausreichend Platz geschaffen werden muss.
Lösungsansatz I: Erweiterung des Wurzelraumes
Der Wasserverbrauch von Bäumen lässt sich unter anderem anhand der Transpirationsrate ermitteln. Diese ist jedoch von einer Vielzahl baumbiologischer und abiotischer Umweltfaktoren abhängig, so dass eine Beurteilung darüber, ob die Wasserversorgung eines Baumes an seinem Standort ausreichend ist oder nicht, nur annähernd abgeschätzt werden kann ([38]). Somit ist auch eine Berechnung über die erforderliche Größe der Pflanzgrube oder über den Wasserbedarf eines Stadtbaumes kaum möglich (vgl. [65]). Bereits wenige Jahre nach der Pflanzung, breiten sich die Wurzeln der Gehölze über den Rand der Pflanzgrube in das anstehende Substrat aus. Gelingt ihnen dies nicht oder in einem nicht ausreichendem Maße, schränkt das geringe durchwurzelbare Bodenvolumen die Wasseraufnahme des Baumes ein, so dass dieser die Verdunstungsrate drosseln muss, um den Wasserstress zu minimieren [16]. Ein auf Dauer eingeschränkter Metabolismus führt jedoch zu einer Einschränkung der Leistungsfähigkeit, d. h. zu einer herabgesetzten Vitalität und zu geringeren Wuchsleistungen.
Wenngleich die positiven Auswirkungen eines größeren durchwurzelbaren Bodenvolumens auf das Wachstum und eine gesunde Entwicklung von Bäumen offensichtlich sind, existieren nur wenige systematische Untersuchungen hierüber (z. B. [41]). Ein Beispiel aus der Stadt Osnabrück verdeutlicht diese Zusammenhänge. 1989 wurde dort im Rahmen einer Straßenbepflanzung der Wurzelraum eines Baumes erweitert. Im betreffenden Straßenabschnitt wurden sieben Exemplare von Fraxinus excelsior cv. ‘Westhof's Glorie’ gepflanzt. Durch den Einsatz eines aus freitragenden Betonteilen bestehenden Systems, stand einem Baum eine Pflanzgrube mit etwa 14 m3 Volumen zur Verfügung. Die restlichen Gehölze wurden in Standardpflanzgruben mit Volumen von 4,5 m3 bis etwa 6 m3 gepflanzt (vgl. [70]).
Insbesondere in den ersten Jahren zeigte sich der Baum in der vergrößerten Pflanzgrube besonders wuchsfreudig und eilte den anderen Bäumen in seiner Wachstumsleistung deutlich voraus. Die übrigen Bäume entwickelten sich dagegen ohne nennenswerte Unterschiede zueinander. Im Laufe der Zeit war eine Abnahme der Zuwachsraten bei allen Gehölzen zu verzeichnen. Dennoch profitiert der im vergrößerten Wurzelraum wachsende Baum bis heute von den optimierten Standortbedingungen, was sich unter anderem auch in einer ausgeprägter entwickelten Krone zeigt. Bei Betrachtung der Stammumfänge fällt auf, dass diese insbesondere bei einem Exemplar in einem annähernd vergleichbaren Maße zugenommen haben, wie bei jenem Baum mit der größeren Pflanzgrube. Da an diesem Exemplar bislang keine Aufgrabungen stattgefunden haben, lässt sich nur mutmaßen, ob dies in einem Zusammenhang mit der zufälligen Erschließung eines größeren Wurzelraumes (z. B. ein angrenzendes Gartengrundstück) zu sehen ist.
Lösungsansatz II: Einsatz von strukturoptimierten Substraten
Insbesondere bei der Neuanlage von Gehölzpflanzungen, aber auch bei der Sanierung von Altbeständen, kann der Austausch des vorhandenen Substrates notwendig werden. Diese Maßnahme, auf welche unter anderem in der “ZTV-Baumpflege” [22] eingegangen wird, findet in der jüngeren Vergangenheit eine immer breitere Anwendung. Der Austausch des anstehenden Bodens erfolgt Wurzel schonend entweder gegen einen “frischen”, d. h. biologisch aktiven Boden oder, vor allem in jüngster Vergangenheit vermehrt, gegen ein strukturstabiles Substrat. Auf Grund ihrer Eigenschaften verbleiben in Letzteren auch bei hohen Verdichtungsgraden genügend Bodenluft führende Porenräume. Um die Wasserhaltekapazität dieser Substrate zu erhöhen, können dem Material kleinkörnigere Zuschlagstoffe beigemischt werden [68].
Die Entwicklung dieser Substrate begann vor etwa 30 Jahren, ihr planmäßiger Einsatz findet seit etwa 20 Jahren statt ([69], [27], [43], [44]). Die Vorteile dieser skelettreichen Böden mit homogenen Zusammensetzungen gegenüber verdichtungsempfindlichen Böden mit kleinräumig stark variierenden Eigenschaften liegen klar auf der Hand. Es existieren bisher jedoch nur wenige übergreifende Studien über die längerfristige Eignung solcher Substrate. Langzeitbeobachtungen hierzu existieren z. B. in der Stadt Osnabrück, wo 1993 im Zuge der Neugestaltung eines Platzes Gehölzpflanzungen in strukturoptimierten Substraten durchgeführt wurden. Etwa 70 Linden wurden dort in untereinander verbundene Pflanzgruben gesetzt und weisen bisher optimale Wachstumsraten auf [71]. Vor allem in den ersten Jahren nach einem Substrataustausch zeigen sich die Vitalität steigernden Effekte auf Bäume in Altbeständen besonders deutlich [19].
Nach ersten positiven Erfahrungen mit den skelettreichen Böden werden diese seitdem mit Erfolg bei der Neugestaltung und Sanierung von Baumpflanzungen angewendet [20]. Mit Hilfe dieser Substrate kann die notwendige Brücke zwischen straßenbautechnischen Anforderungen und baumbiologischen Erfordernissen geschlagen werden, ohne die jeweils andere Position unnötig stark zu beschneiden. Es ist zu erwarten, dass zukünftig verstärkt auf diese Substrate zurückgegriffen wird, zumal sich in so ausgestatteten Pflanzräumen auch Elemente der dezentralen Wasserbewirtschaftung integrieren lassen. Gleichwohl stehen auch diese Bauweisen noch vor dem Problem einer vorteilhaften Einbindung unterirdischer technischer Ver- und Entsorgungsstrukturen.
Forschungsvorhaben zum Schutz von Leitungen mittels Substraten
Der Einsatz von strukturstabilen und skelettreichen Substraten hat sich in den letzten Jahren als äußerst effektiv erwiesen. Die Verwendung solcher Substrate hat bei richtiger Anwendung deutlich positive Effekte auf die dort angepflanzten Gehölze. Nicht jeder Standort lässt jedoch den Einsatz solcher Materialien zu. Es muss ebenfalls erwähnt werden, dass nicht jede Baumart gleich gut auf diese Maßnahmen anspricht [28]. Allen im innerstädtischen Raum gepflanzten Bäumen ist jedoch gemein, dass sie sich den unterirdisch zur Verfügung stehenden Raum mit der dort bereits vorhandenen oder zukünftig unterzubringenden technischen Infrastruktur teilen müssen.
Der Reduzierung dieses Konfliktpotentials widmet sich eine aktuelle Untersuchung zum Einsatz alternativer wurzelfester Bettungsmaterialien für Leitungen. Dieses durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Projekt findet in Osnabrück statt. Zum Zweck der Untersuchungen wurden bereits 2009 insgesamt 24 Großbäume verpflanzt und im Anschluss daran zur Vorbereitung der Langzeitversuche Rehabilitationszonen an den Gehölzen angelegt [77]. Die geplanten Studien beruhen auf den Erkenntnissen mehrerer Forschungsprojekte zum Thema “Wurzeleinwuchs in Abwasserleitungen und -kanäle”, welche während der nunmehr über zehnjährigen Zusammenarbeit zwischen Biologen der Ruhr-Universität Bochum und Bauingenieuren des Instituts für Unterirdische Infrastruktur (IKT) in Gelsenkirchen gemeinsam durchgeführt wurden.
Eingebettet in den 2011 durch das IKT initiierten Forschungsverbund “Unterirdischer Raum” geht dieses Teilprojekt unter anderem der Frage nach, ob eine Erweiterung des Wurzelraumes in den Bereich des Leitungsgrabens möglich ist. Für gewöhnlich ist man im Straßen- und Tiefbau versucht, das Einwachsen von Wurzeln in den gesamten Leitungsgraben zu unterbinden. Hierdurch stehen den Gehölzen große potentiell durchwurzelbare Areale nicht mehr zur Verfügung. Eine partielle Freigabe des Leitungsgrabens für Wurzeln durch die Beschränkung der wurzelfreien Bereiche auf die direkte Umgebung zur Leitung (Leitungszone) stellt somit eine Form der Wurzelraumerweiterung dar. Die Untersuchungen sollen darüber hinaus das Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen Natur und Technik weiter erhöhen und haben den Einklang der verschiedenen Nutzungen des Straßenraumes zum Ziel.
Fazit
Seit vielen Jahren besteht die Annahme, dass sich bis zu 80 % aller Probleme, die im Zusammenhang mit der Begrünung von Städten stehen, auf die dortigen schlechten Bodenbedingungen zurückführen lassen [56]. Diese Annahme stützt sich auf naheliegende Zusammenhänge, welche sich aus den Wechselbeziehungen zwischen Bauweisen, Boden- und baumbiologischen Erkenntnissen ergeben. Die Grundlagen solcher Überlegungen stammen jedoch zu einem Großteil von Untersuchungen an Naturstandorten. Obwohl es insbesondere vor dem Hintergrund der beabsichtigten Milderung der Folgen des Klimawandels durch eine intensivere Begrünung der Städte einen enormen Handlungsbedarf gibt (vgl. [52]), existieren nur wenige systematischen Untersuchungen, die die städtischen Aspekte des Klimas, des Bodens und urbanen Baumpflanzungen berücksichtigen.
In der Zusammenfassung von klimatisch bedingten Effekten auf Pflanzen zeichnet sich ab, dass der mit einer weiteren Erwärmung einhergehende Anstieg von Trockenphasen generell zu einer erhöhten Morta- lität bei Baumarten führen wird, die nur in einem geringen Maß Trockenheitstolerant sind. Hierbei spielen jedoch nicht nur baumartspezifische Charakteristika eine Rolle. Die ober- und unterirdischen Umgebungsbedingungen sind ebenfalls wichtige Parameter, die sich vergleichsweise einfach im Sinne der Optimierung der Lebensbedingungen von städtischem Grün beeinflussen lassen. Insbesondere bei der Neuanlage von Gehölzpflanzungen sollten daher die bestehenden Möglichkeiten ausgenutzt werden.
Verbesserte Bodenbedingungen führen zu verbesserten Leistungen der Vegetation und können somit einen wichtigen Beitrag zur Anhebung von positiven klimarelevanten Effekten leisten [60]. Die deutlichste Wirkung geht hierbei von ausgewachsenen Bäumen aus [81], weshalb ein nachhaltig wachstumsförderndes Baumumfeld anzustreben ist. Wie die Erfahrung zeigt, sind städtische Böden durch ihre Eigenschaften nicht per se schlecht zur Unterbringung von Bäumen geeignet. Hinsichtlich ihrer Verdichtungsgrade können sie Böden an Naturstandorten sogar ähnlich sein [17], wobei hohe Verdichtungsgrade jedoch nur eine von vielen Ursachen darstellen, die das Leben von Bäumen einschränken [80]. Urbane Böden können in Abhängigkeit ihrer Nutzung durchaus eine Lebensgrundlage für Bäume darstellen. Trotzdem dürfen die Augen nicht davor verschlossen werden, dass die Böden an den meisten innerstädtischen Standorten der Vitalität der dort wachsenden Gehölze eher abträglich sind.
Eine Aufwertung dieser Böden, sei es durch Bodenverbesserungsmaßnahmen oder den Austausch des vorhandenen Bodens gegen strukturoptimierte Substrate, wird oftmals angebracht sein. Dennoch stellt hauptsächlich das Volumen an durchwurzelbarem Substrat die eigentliche Engstelle für eine gesunde Entwicklung von Bäumen dar [41]. Eine unterirdisch eingeschränkte Ausbreitungsmöglichkeit führt zu einer Unterversorgung der oberirdischen Teile und kann in letzter Konsequenz zu einer verminderten Lebenserwartung führen [6]. Der Nutzen, welcher aus gesunden Baumbeständen gezogen werden kann, ist nicht nur aus klimatischer Sicht enorm hoch. Eine monetäre Bewertung gezielter Baumpflanzungen stellt Kosteneinsparungen in Milliardenhöhe in Aussicht – mit einigem Potential nach oben [49].
Es muss daher kritisch hinterfragt werden, ob Baumpflanzungen nach herkömmlichen Maßstäben und Methoden auch in Zukunft noch vertretbar sind. Hochpreisige Gehölze, die in dürftig ausgestaltete Pflanzgruben gesetzt werden, bringen allenfalls kurzfristige Erfolge. Eine Verbesserung der Lebensgrundlage für Bäume durch die Anhebung der Bodenqualität und die Bereitstellung eines ausreichenden Volumens von durchwurzelbarem Substrat lässt sich relativ einfach realisieren und zieht ausschließlich positive Effekte nach sich. Im Ergebnis ist eine qualitativ hochwertige Anlage eines Baumstandortes daher stets die vorteilhaftere Alternative gegenüber minderwertigen Varianten.
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