WURZELWACHSTUM AN NATURFREMDEN STANDORTEN
Quelle: Roloff, A.; Thiel, D.; Weiss, H. (Hrsg.): Forstwissenschaftliche Beiträge Tharandt 2011, Beiheft 10, S. 5-17
Dipl.–Biol. Dr. Markus StreckenbachEinleitung
Die Entwicklung und Ausbreitung von Wurzeln vollzieht sich nicht nach dem Zufallsprinzip, sondern folgt bestimmten Gesetzmäßigkeiten. Am ungestörten Naturstandort können Pflanzen Wurzelsysteme ausbilden, deren Erscheinungsbild bereits genetisch vorgegeben ist. Die Klassifikation der verschiedenen Typen erfolgt nach unterschiedlichen Kriterien. Eine klassische Einteilung der Wurzeltrachten von Bäumen unterscheidet Pfahl-, Senker- und Herzwurzelsysteme [16]. Während die Entwicklung eines bestimmten Habitus, genau wie die Ausbildung einer arttypischen Krone vorgegeben ist, haben die umgebenden Umweltbedingungen einen maßgeblichen Einfluss auf das Wurzelwachstum, da sie die genetischen Veranlagungen überlagern können (vgl. [18]). Als Reaktion auf die Eigenschaften des anstehenden Bodens können sich Wurzeln unterschiedlich ausrichten, sich bestimmten Bereichen zu- bzw. abwenden oder ihre Wachstumsgeschwindigkeit anpassen [7]. Der Weg einer Wurzel durch den Boden wird somit durch dessen Eigenschaften vorgegeben.
Was für den Naturstandort gilt, trifft in gleichem Maße auf innerstädtische Baumstandorte zu. Letztgenannte weisen jedoch in aller Regel sich kleinräumig verändernde inhomogene Bodeneigenschaften auf. Dies ist eine unweigerliche Folge von sich wiederholenden Eingriffen im Baumumfeld und betreffen vor allem die an die Pflanzgrube anschließenden Bereiche. Durch eine korrekte Anlage der Pflanzgrube, gemäß geltenden Richtlinien (z. B. [10]), wird eine weitestgehend ungestörte Entwicklung von Wurzeln ermöglicht. Mit zunehmendem Baumalter bildet sich eine größere Krone aus, die ihrerseits durch ein entsprechend großes Wurzelsystem versorgt werden muss [11]. Spätestens zu diesem Zeitpunkt müssen Wurzeln die Pflanzgrube verlassen. Die Ausbreitung der unterirdischen Organe stellt nicht nur die Versorgung des Baumes mit Wasser und Nährelementen sicher, sondern dient auch seiner mechanischen Stabilisierung. Im Anschluss an die Pflanzgrube treffen Wurzeln jedoch auf Bodenbereiche bzw. Substrate, deren Herstellung nach technischen Kriterien erfolgt (z. B. [6]). Sie besitzen Eigenschaften, die dem Wurzelwachstum nicht entgegen kommen und sind in aller Regel oberflächlich versiegelt, sodass diese Böden von der Ökosphäre abgeschnitten sind und sich ihrerseits nicht entwickeln können.
Wurzeln und unterirdische Infrastruktur
Der natürlichen Entwicklung von Bäumen sind in innerstädtischen Bereichen durch die Bebauung Grenzen gesetzt. Während zur Ausbildung großer und mitunter ausladender Kronen oftmals genügend Raum zur Verfügung steht, wird die Entwicklung der Wurzelsysteme hauptsächlich durch technische Bauwerke im direkten Baumumfeld gehemmt. Zudem sind nachträgliche Korrekturen, wie sie durch gezielte baumpflegerische Maßnahmen an den oberirdischen Teilen vorgenommen werden können, im Wurzelbereich der Gehölze nur bedingt möglich. Baumstandorte müssen daher vor allem hinsichtlich der zur erwartenden Wurzelausbreitung vorausschauend geplant werden. Dies betrifft sowohl den Bereich der Pflanzgrube als auch die unmittelbar daran anschließenden Flächen, welche den Wurzeln potenziell zur Ausbreitung zur Verfügung stehen.
Dieser Raum wird straßenseitig vom Ober- und Unterbau der Fahrbahn begrenzt. Diese auf eine ausreichende Tragfähigkeit der Verkehrsfläche ausgelegten Bereiche müssen hohe Verdichtungsgrade aufweisen. Wurzeln können zwar erstaunlich hohe Wachstumsdrücke von etwa 12 bar aufbringen [22], brauchen für diesen energiezehrenden Vorgang jedoch Sauerstoff (O2). Wird die Bodenluft knapp oder ist diese wie in den tieferen Bereichen unterhalb der Fahrbahnen kaum vorhanden, kann das Wurzelwachstum dort zum Erliegen kommen (vgl. [5]). Dem entsprechend finden sich bei Aufgrabungen regelmäßig kaum Wurzeln in den unteren Schichten des Oberbaus von Fahrbahnen oder darunter liegenden Bereichen. Der zur Verfügung stehende Wurzelraum beschränkt sich somit oftmals auf die Bereiche unterhalb des Gehweges. Hierdurch wird die Ausbildung von stark asymmetrischen Wurzelsystemen begünstigt [21], wodurch die Standsicherheit der betroffenen Bäume beeinträchtigt werden kann (vgl. [8]). Hinzu kommt, dass auch der gehwegseitige Raum zur Unterbringung von Ver- und Entsorgungsleitungen genutzt wird, was zu wiederkehrenden Baumaßnahmen führt.
Im Zuge dieser Eingriffe in den Bodenkörper kommt es regelmäßig zu Wurzelverletzungen, die in Abhängigkeit ihres Umfangs zu weitreichenden Schäden an den betroffenen Gehölzen führen können (vgl. [15]). Darüber hinaus kommt es durch die Baumaßnahmen zu einer steten Anreicherung des Bodenkörpers mit fremden Substraten. Diese sind aus unterschiedlichen Bestandteilen zusammengesetzt und weisen somit divergierende Eigenschaften auf. Im Kanalisations- und Leitungsbau werden in der offenen Bauweise, welche im Wesentlichen im Bereich der Hausanschlussleitungen ausgeführt wird, vorrangig Sande verschiedener Körnungen als Bettungsmaterialien eingesetzt. Obwohl diese arm an Nährelementen sind, können Sande mitunter sehr intensiv durchwurzelt werden [23].
Grundlagen des Wurzelwachstums
Die Wurzeln mehrjähriger Pflanzen treten in zwei unterschiedlichen Entwicklungsstadien auf. Die jüngsten Abschnitte, d. h., Verzweigungen letzter Ordnung sind unverholzt und flexibel. Im primären Entwicklungsstadium dienen sie vor allem zur Aufnahme von Wasser und den darin gelösten Nährelementen. Die ältesten Abschnitte weisen im sekundären Entwicklungsstadium einen höheren Anteil verholzter Elemente auf. Diese Umstrukturierung geht mit einem allmählichen Verlust der Flexibilität und der Fähigkeit zur Flüssigkeitsaufnahme einher. Die Ausbreitung von Wurzeln erfolgt jedoch stets, während sich diese in ihrem primären Entwicklungsstadium befinden, da Wurzeln nur in diesem Zustand in die Länge wachsen. Bei näherer Betrachtung einer Wurzelspitze fällt auf, dass diese durch einen lockeren Verband von neu gebildeten Zellen, der Wurzelhaube umgeben ist.
Die Zellen der Wurzelhaube sind sehr kurzlebig, jedoch für das Richtungswachstum der Wurzeln essenziell [12]. Die Wurzelhaube ist das erste Organ einer wachsenden Wurzel, welches mit neuen Bodenbereichen in Berührung kommt. Hier werden die eingehenden Reize in Wachstumsreaktionen umgesetzt [14]. Diese als Tropismen bezeichneten Bewegungen werden mit Hilfe von Pflanzenhormonen vollzogen und können einer Reizquelle zugewandt erfolgen oder dazu führen, dass die Wurzel Abstand von der Reizquelle nimmt. Ein Ausscheren der Wurzelspitze ist nur dann möglich, wenn Bodenpartikel verdrängt werden können.
Die mechanischen Eigenschaften der Wurzelspitze führen dazu, dass die Wurzel zunächst stets dem Weg des geringsten Widerstandes entlang wächst. Somit werden in Abhängigkeit verschiedener Bodenparameter lockere Substrate bevorzugt durchwurzelt, während dichtere Substrate gemieden bzw. umwachsen werden. Von einem allseitigen Widerlager umgebene Wurzeln können das Wachstum der eingeengten Wurzelspitze zugunsten der Ausbildung von Seitenwurzeln vollständig einstellen (vgl. [1]). Wurzeln brauchen vorhandene Pforten in vor ihnen liegenden Hindernissen, um in diese eindringen zu können. Hierzu sind bereits minimale Frakturen mit Weiten von weniger als einem Millimeter ausreichend. Der Durchmesser dieser Poren darf jedoch den Durchmesser des Zentralzylinders der betreffenden Wurzel nicht unterschreiten [20]. Unter diesen Umständen ist ein Einwachsen in Körper jeglicher Art nicht möglich.
Durchwurzelungen von Rohrverbindungen
Das Einwachsen von Wurzeln in Rohrverbindungen stellt unter anderem ein wirtschaftliches Problem dar (vgl. [3]). Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass das in den Leitungen mitgeführte Wasser die Wurzeln dazu veranlasst in Kanalisationssysteme einzudringen. Undichte Rohrverbindungen führen demnach zu einem Austritt von Flüssigkeiten und einem Eintritt von Wurzeln (vgl. [17]). Im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojektes zwischen Botanikern der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und Bauingenieuren des Instituts für Unterirdische Infrastruktur (IKT) mit Sitz in Gelsenkirchen wurde diese Annahme auf ihre Aussagekraft überprüft. Hierbei konnten sowohl die Grundlagen des Phänomens erarbeitet, als auch Lösungsansätze zur Problemvermeidung entwickelt werden.
In verschiedenen Versuchsreihen wurde unter anderem gezeigt, dass auch vollständig intakte und korrekt installierte Rohrverbindungen innerhalb weniger Monate durchwurzelt werden können. Ein weiteres Ergebnis dieser Untersuchungen war die Beobachtung, dass sich das Einwachsen von Wurzeln in Rohrverbindungen unabhängig davon vollzog, ob sich Flüssigkeiten in den Leitungsstücken befanden.
Aufgrabungen an bestehenden Liegenschaften bestätigten zudem die Vermutung, dass die Eigenschaften des Leitungsgrabens wachsenden Wurzeln den Weg zu den Leitungen vorgeben können [2]. Im Vergleich zum anstehenden Boden ist das Substrat im Bereich des Leitungsgrabens oftmals weniger hoch verdichtet. Es zeigte sich, dass Wurzeln, die in Leitungsgräben eingewachsen waren, diese entsprechend ihrer oben beschriebenen mechanischen Eigenschaften nicht wieder spontan verließen, sondern dem Grabenverlauf folgten und parallel zu den Leitungen weiter wuchsen. Gleichfalls konnten Wurzeln beobachtet werden, welche senkrecht auf Leitungsgräben auftrafen und in ihrem weiteren Verlauf ihre Wachstumsrichtung wiederum parallel zu den Leitungen geändert hatten.
Im Leitungsgraben bietet die Leitungszone, vor allem der Bereich unterhalb der Leitungen, den Wurzeln vergleichsweise gute Wachstumsbedingungen. Das Bettungsmaterial der Leitungen ist nur schwach verdichtet und somit leicht durchwurzelbar. Dem entsprechend können bei Aufgrabungen sehr oft im Bettungsmaterial der Leitungen wachsende Wurzeln beobachtet werden. Das Wachstum von Wurzeln entlang der Oberfläche von Leitungen kann ebenfalls auf das Vorhandensein von Porenräumen zurückgeführt werden. An den Stellen, an denen sich zwei Materialien nicht nahtlos miteinander verbinden, verbleibt zwischen ihnen ein Hohlraum. Dies ist beispielsweise zwischen Leitungen und dem umgebenden Substrat der Fall. Wenngleich der Spalt zwischen Rohr und Boden eng bemessen ist, wird dieser von einer hier wachsenden Wurzel als durchgehender Porenraum wahrgenommen und somit bevorzugt durchwachsen (vgl. [9]).
Leitungsschutzmaßnahmen
Zur Verhinderung von Durchwurzelungen existieren verschiedene Systeme. Oftmals bestehen diese aus miteinander verbundenen Einzelkomponenten. Nahtlose Systeme sind im Bereich der Hausanschlussleitungen derzeit nicht realisiert. Ungeachtet der anzunehmenden Wirksamkeit dieser Maßnahmen werden durch deren Verwendung in aller Regel unverrottbare Kunststoffprodukte in den Boden eingelassen. Es ist seit Längerem bekannt, dass sich die Wurzeln von Straßenbäumen auch durch die Verwendung von geeigneten Substraten in ihrer Wachstumsrichtung beeinflussen lassen [13].
Unter Berücksichtigung der bisherigen Erkenntnisse wurde an der RUB ein Versuchsstand konzipiert, mit dessen Hilfe der Einfluss eines porenarmen Substrates auf das Wachstum von Wurzeln untersucht werden sollte [24]. Dabei wurde angenommen, dass sich das Einwachsen von Wurzeln in Rohrverbindungen unter der Verwendung von natürlichen Substraten verhindern lässt. Das Tonmineral Bentonit ist ein praxiserprobtes Material, welches unter anderem im Bereich der Deponieabdichtung zum Einsatz kommt. Es besitzt eine hohe Wasseraufnahme- und Ionenaustauschkapazität und ist außergewöhnlich quellfähig. Gleichzeitig wird das aufgenommene Wasser in dem Tonmineral derart fest gebunden (Saugspannung), dass dieses nicht mehr von Wurzeln aufgenommen werden kann (“Totwasser”). Zudem entstehen aufgrund der geringen Größe der Einzelpartikel Poren im Material deren Durchmesser 0,001 mm nicht überschreiten.
In sechs Pflanzcontainern mit einem Volumen von jeweils 80 Litern wurden keilförmige Hügel aus gequollenem Bentonit auf den Böden der Kisten aufgebracht. Danach wurden die Pflanzbehälter mit Bodensubstrat aufgefüllt und im Anschluss daran randständig mit jeweils einer Pappel (Populus alba L. cv. ‘Nivea’) bepflanzt. Die Aufstellung der Container mit einer leichten Neigung erzeugte einen Feuchtigkeitsgradienten in Längsrichtung der Gefäße. Während der gesamten Versuchsdauer wurde eine ausreichende Bewässerung sichergestellt und ausgewählte Pflanzcontainer sukzessive nach Standzeiten von 21 Wochen bzw. 24 Monaten ausgebaut. In einer weiteren zeitgleich statt- findenden Versuchsreihe wurden vier baugleiche Pflanzcontainer zusätzlich mit Rohrverbindungen bestückt und diese vor dem Einfüllen des Bodensubstrates und dem Einsetzen der Gehölze mit einer Ummantelung aus trockenem (pulverförmigen) Bentonit versehen. Der Ausbau dieser Versuchsbehälter erfolgte nach 12 Monaten.
Unabhängig vom jeweiligen Versuchsansatz zeigten sich die eingesetzten Jungbäume über die gesamte Versuchsdauer sehr vital, was sich unter anderem an den extensiv entwickelten Wurzelsystemen der Pappeln zeigte. Hinsichtlich der Barrierewirkung des verwendeten Tonminerals konnten beim Ausbau deutliche Unterschiede zwischen den beiden Versuchsansätzen beobachtet werden. Die Hauptmasse der Wurzeln, welche sich in den Pflanzcontainern mit der Barriere aus vorgequollenem Bentonit entwickelt hatten, war über das Hindernis gewachsen. Während des Ausbaus wurden jedoch Schrumpfungs- und Quellungsrisse im Bentonit ersichtlich. Regelmäßig waren diese mit feinem Substrat gefüllt und Wurzeln über diese Fissuren mit Seitenwurzeln in die Bentonitkörper eingedrungen.
Zudem verzweigten sich die eingedrungenen Wurzeln mit zunehmender Standzeit im Bentonit. Dem gegenüber zeigten sich die Barrieren der Versuchsreihe, in welcher das Tonmineral im trockenen Zustand verarbeitet wurde frei von Rissen. Als eine Folge davon bildeten die Bentonit-Ummantelungen keine für Wurzeln geeigneten Eintrittspforten aus und es kam in keinem Fall zu Einwurzelungen in die mineralischen Barrieren.
Weiterführende Feldversuche
Die hier auszugsweise vorgestellten Ergebnisse des durchgeführten Forschungsprojektes reichen nicht aus um entsprechende Empfehlungen zur Verhinderung von Durchwurzelungsschäden unter der Verwendung von natürlichen Substraten auszusprechen. Sie bilden jedoch die Grundlage weiterer Feldversuche zur Beschreibung von Bereichen innerhalb von Leitungsgräben, in denen das Wachstum von Wurzeln unerwünscht ist bzw. verhindert werden soll. Im Sinne eines nachhaltigen Baumschutzes wird hierbei auch darauf geachtet, mögliche Ausgleichsflächen im Baumumfeld zu schaffen, das heißt Bereiche zu definieren, in denen das Wurzelwachstum erwünscht ist bzw. gefördert werden kann.
Eine Strategie um die Elemente der unterirdischen Infrastruktur vor Wurzeln zu schützen, ist die Verwendung von wurzelfesten Bettungsmaterialien. Um die Wirksamkeit verschiedener zu diesem Zweck geeigneter Substrate zu untersuchen, wurde in der Stadt Osnabrück die Errichtung eines Versuchsstandes mit 24 Großbäumen vorbereitet [25]. Diese waren Teil einer ehemaligen Versuchsanlage zur Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Füllmaterialien in Wurzelgräben auf das Wurzelwachstum. Bereits vor der Verpflanzung wurden die Wurzelräume ausgewählter Gehölze freigelegt. Während des Umsetzens der Bäume mittels einer Rundspatenmaschine ergab sich schließlich die Möglichkeit, das Wurzelwachstum in den Grabenfragmenten der Pflanzgruben zu dokumentieren.
Im Wesentlichen konnte beobachtet werden das Wurzeln ihre Entwicklung entlang von Grenzflächen gegenüber einem Wachstum in praxiserprobten Substraten, welche sich in der Vergangenheit als sehr gut durchwurzelbar erwiesen hatten, bevorzugten. Dieses Wachstumsverhalten zeigte sich unabhängig davon, ob es sich um eine Grenzfläche zwischen Kunststofffolien und anstehendem Substrat oder einer solchen zwischen zwei Bodenbereichen mit unterschiedlich hohen Verdichtungsgraden handelte (“Porensprung”). Die Ergebnisse einer zurückliegenden Versuchsreihe, bei der gezeigt werden konnte, dass gleiche Wachstumsbedingungen zur Ausbildung von gleich gestalteten Wurzelsystemen bei unterschiedlichen Baumarten führen, fanden hier ebenfalls Bestätigung.
Diese Beobachtungen eröffnen neue Perspektiven hinsichtlich einer zukünftigen Gestaltung von Baumstandorten und fließen ebenfalls in die Konzeption der neuen unterirdischen Versuchsanlage in Osnabrück ein. Die zu erwartenden Ergebnisse dieses, durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projektes, können nicht nur zur Beschreibung von Leitungsschutzmaßnahmen herangezogen werden. Eine bessere Kenntnis über die Interaktion von Wurzeln mit technischen Substraten wie beispielsweise selbstverdichtenden Verfüllstoffen (fließfähige Substrate) erlaubt eine bessere Beurteilung über das Wurzelwachstum und die damit einhergehende Ausbildung von Wurzelsystemen von Bäumen in stark anthropogen äberprägten Böden an Stadtstandorten. Dies gilt gleichermaßen für bisher nicht berücksichtigte Baumarten, die bereits erprobt werden oder über deren zukünftige Verwendung diskutiert wird [4, 19].
Die Pflanzgrube eines Straßenbaumes bildet eine Schnittstelle, an der die unterschiedlichsten Interessen aller am Aufbau und der Unterhaltung des Straßenkörpers beteiligten Gewerke zusammentreffen. Auf den ersten Blick sind die Ansprüche der jeweiligen Fachrichtungen nicht oder nur schwerlich miteinander vereinbar. Die bisherigen Erfahrungen aus der bestehenden Kooperation zwischen Naturwissenschaftlern, Ingenieuren, Behörden und ausführenden Kräften haben jedoch gezeigt, dass sich die zunächst scheinbar divergierenden Interessen der Beteiligten wahren lassen, wenn gemeinsam nach Lösungen gesucht wird.
Literatur
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