Bewässerung von Forstkulturen
Die Projektergebnisse zeigen deutlich, dass Bewässerung ein wirksames Instrument zum Schutz von Wiederaufforstungen gegen trockenheitsbedingte Totalausfälle sein kann. Zentrale Erfolgsfaktoren sind eine zuverlässige und frühzeitige Erkennung des Bewässerungsbedarfs, der Standort- und Betriebssituation angepasste, effiziente Bewässerungstechniken sowie die Kombination mit begleitenden Maßnahmen zur Reduktion des Wasserverlustes.
Besonders hervorzuheben ist das Potenzial dendrometerbasierter Schwellenwerte, die eine präzise, pflanzenphysiologisch fundierte Bewässerungsentscheidung ermöglichen. Fernerkundliche Verfahren, insbesondere Thermalsensorik, bieten vielversprechende Ergänzungen für ein skalierbares Monitoring. Strategische Instrumente wie der entwickelte Risiko-Index können helfen, Maßnahmen räumlich zu priorisieren.
Hintergrund und Motivation
Die Bewässerung junger Forstkulturen gewinnt im Zuge des Klimawandels stark an Bedeutung. In den letzten Jahren kam es in Deutschland zu großflächigen Waldschäden infolge von Dürre, Hitze und Kalamitäten. Besonders betroffen in Bayern ist der Frankenwald, wo großflächige Schadflächen entstanden sind. Auf diesen offenen Flächen fehlen die mikroklimatischen Pufferwirkungen des Waldes, was zu erhöhten Boden- und Lufttemperaturen, stärkerer Bestrahlung und Verdunstung und damit zu extremen Anwuchsbedingungen für junge Bäume führt. In der Praxis zeigte sich, dass Wiederaufforstungen mit zukunftstauglichen Baumarten auf solchen Flächen häufig unter hohen Ausfallraten leiden, insbesondere infolge sommerlicher Trockenperioden. Erste Erfahrungen aus der forstlichen Praxis deuten darauf hin, dass gezielte, zeitlich begrenzte Bewässerung in der Anwuchsphase die Überlebenswahrscheinlichkeit junger Forstpflanzen deutlich erhöhen kann. Vor diesem Hintergrund wurde das hier berichtete Projekt initiiert, um erstmals für Mitteleuropa wissenschaftlich fundierte und zugleich praxistaugliche Grundlagen für ein Bewässerungsmanagement in Forstkulturen zu entwickeln.
Ziele des Projekts und ihre Ergebnisse
Das Projekt gliederte sich in vier fachliche Teilziele:
1. Entwicklung von Verfahren zur frühzeitigen Erkennung des Bewässerungsbedarfs,
2. Erprobung geeigneter Bewässerungstechnologien für junge Forstkulturen,
3. Bewertung der Auswirkungen der Bewässerung auf Wachstum und Überleben von Setzlingen,
4. Untersuchung ergänzender Maßnahmen zur Verringerung des Wasserbedarfs, insbesondere der Einbringung von Bodenhilfsstoffen und der Ausbringung von Mulchmaterialien.
Diese Teilziele wurden ergänzt durch Wissenstransfermaßnahmen und den Entwurf einer Handreichung zur Bewässerung für die Forstpraxis. Die Freilandarbeiten konzentrierten sich auf den Frankenwald, dem nadelholzdominierten Schadflächenschwerpunkt in Bayern.
Entwicklung von Verfahren zur frühzeitigen Erkennung des Bewässerungsbedarfs
Ein zentraler Schwerpunkt lag auf der Frage, wie sich Trockenstress und Bewässerungsbedarf zuverlässig erkennen lassen. Hierzu wurden bodengebundene ökophysiologische Ansätze sowie Methoden der Fernerkundung kombiniert. Untersuchungen fanden sowohl im Gewächshaus unter kontrollierten Bedingungen als auch auf Freilandversuchsflächen im Frankenwald statt. Bei den bodengebundenen Verfahren kamen Sensoren zur kontinuierlichen Messung von Bodenfeuchte, Stammdurchmesser und mikroklimatischen Bedingungen zum Einsatz. Besonders bewährt hat sich die Nutzung von automatischen Dendrometern, die Durchmesseränderungen des Stammes in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erfassen und den Wasserzustand der Bäume abbilden. Zentrale Bedeutung hat dabei das „Tree Water Deficit (TWD)“. Dieses Wasserdefizit wird über die Differenz zwischen maximalem und aktuellem Stammdurchmesser hergeleitet und spiegelt den Entzug von Wasser aus Stammreserven quantitativ wider. In einem umfangreichen Austrocknungsexperiment im Gewächshaus an knapp 100 Pflanzen wurden, basierend auf der Erfassung des TWD, weiterer ökophysiologischer und fernerkundlicher Messungen sowie pflanzenhydraulischer Kenngrößen, zweistufige Schwellenwerte für Rotbuche, Stiel-Eiche und Douglasie etabliert. Der erste, untere Bewässerungsschwellenwert (ITlow) basiert dabei auf dem minimalen täglichen TWD, wenn dieser Wert nachts nicht mehr auf null sinkt, die Bäume Wasserdefizite des Tages also nicht mehr ausgleichen können und sich nicht vom Trockenstress erholen. Für den oberen Bewässerungsschwellenwert (ITup) wurden die TWD-Werte ausgewählt, die einem 12 %igen Verlust der Xylemleitfähigkeit entsprechen und den Beginn kritischen Trockenstresses markieren. Für die Spanne zwischen diesen artspezifischen Schwellenwerten wurde ein relativer Bewässerungsbedarf berechnet. Dies eröffnet einen weiten Handlungsspielraum zwischen einer Vorwarnphase (niedriger Bewässerungsbedarf), in der die Pflanzen gegebenenfalls auch gezielt geringem Trockenstress ausgesetzt werden, und einer kritischen Phase (hoher Bewässerungsbedarf), wenn bei ausbleibenden Niederschlägen dringend zur Bewässerung anzuraten ist. Diese Schwellenwerte wurden mittels kontinuierlicher Messungen auf zwei Versuchsflächen im Frankenwald an 78 Jungbäumen über zwei bzw. drei Vegetationsperioden mit Dendrometern und Bodenfeuchtefühlern, begleitetet von Mikroklima- und weiteren Messungen, überprüft und erfolgreich zur Bewässerungsentscheidung genutzt und bereits prominent publiziert (HAHN ET AL., 2025).
Erkennung von Trockenstress
Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Untersuchung fernerkundlicher Verfahren zur Erkennung von Trockenstress. Hier wurden multispektrale und thermale Aufnahmen aus UAV-Befliegungen sowie handgetragene Kameras eingesetzt. Besonders vielversprechend erwiesen sich Thermaldaten, da sie frühe Trockenstressreaktionen erfassen können, die auf dem Schließen der Stomata und damit verringerter Transpirationskühlung beruhen. In Gewächshaus und Freiland wurden Thermalbilder mit einer Smartphone-gekoppelten Wärmebildkamera aufgenommen und aus den Daten der Crop Water Stress Index (CWSI) berechnet, der relative Temperaturunterschiede zwischen Baumkronen und Referenzflächen nutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass der CWSI Trockenstress in den Setzlingen abbilden kann und sich somit zur Abschätzung des Bewässerungsbedarfs eignet. Allerdings konnte der CWSI die Bodenfeuchtemessungen in der Vorhersagekraft des Wasserstatus der Setzlinge nicht übertreffen. Dennoch könnte sich die Verwendung des CWSI zur Abschätzung des Wasserzustandes besonders für jene Standorte eignen, an denen Bodenfeuchtemessungen schwierig oder unzuverlässig sind, wie z.B. aufgrund eines hohen Skelett-Anteils. Aufgrund des räumlich und zeitlich flexiblen Einsatzes der handgetragenen, kostengünstigen Thermalkamera liefert die vorgeschlagene Methode den großen Vorteil von pflanzengenauen Informationen und kann somit grobskalige Monitoringansätze (Satellitenfernerkundung, Modellierungen) sinnvoll ergänzen. Diese Sensorik kann perspektivisch von Waldbesitzenden selbst eingesetzt werden, um den Bewässerungsbedarf einzelner Bäume abzuschätzen. Für eine praxisreife Echtzeitanwendung müsste die Auswertung automatisiert erfolgen, beispielsweise in einer Smartphone-App, und einfache Informationen zur Bewässerungsbedürftigkeit ausgeben. Die dargestellten Ergebnisse werden in Kürze in einem internationalen Journal zur Veröffentlichung eingereicht.
Luftgestützte Messungen spektraler Eigenschaften von Setzlingen mittels UAV erwiesen sich als potenziell hilfreich bei der Trockenstressdetektion. Multispektrale Vegetationsindizes und Thermaldaten konnten Unterschiede zwischen bewässerten und unbewässerten Eichen abbilden. Die Trennung der kleinen und noch wenig kompakten Kronen der Setzlinge vom Hintergrund sollte zukünftig mittels KI-gestützter Bildauswertung einfacher sein. Viel Potenzial bietet die Verknüpfung der räumlich hoch aufgelösten, UAV-gestützten Aufnahmen mit Satellitenprodukten für eine größere räumliche Abdeckung und eine höhere zeitliche Auflösung.
Ergänzend wurde ein datenbasierter Risiko-Index zur Abschätzung der Trockenstressanfälligkeit von Waldstandorten entwickelt. Dieser kombiniert bodenphysikalische, klimatische und topographische Faktoren wie nutzbare Feldkapazität, Niederschlag, Temperatur, Hangneigung und Exposition, die individuell gewichtet werden können. Für den Landkreis Kronach im Frankenwald konnten damit Flächen mit hoher und niedriger Dürreanfälligkeit differenziert werden. Der bisher noch statische Index wurde erfolgreich mit Vegetationsindizes aus Satellitendaten validiert und als interaktive Anwendung umgesetzt. Er kann vorläufig zur groben Identifikation besonders gefährdeter Aufforstungsflächen eingesetzt werden.
Erprobung geeigneter Bewässerungstechniken
Bei der Auswahl verschiedener Bewässerungstechniken erwiesen sich Handschlauch und stationäre Tropfschlauchbewässerung als praktikable, für mittlere bis größere Aufforstungsflächen geeignete Methoden, die im Projekt erprobt wurden. Für kleinste Kulturen und Einzelbäume sind Gießkanne, ggf. in Kombination mit Gießringen, möglicherweise ausreichend. Eine mögliche Alternative zum Handschlauch für mittelgroße Flächen stellen Bewässerungssäcke dar, sobald diese in forstkulturtauglichen Größen und Preisen angeboten werden. Sie verkürzen die Bewässerungszeit (Befülldauer) und liefern das Wasser langsam wie ein Tropfschlauch, erfordern aber eine deutlich größere Investition als ein Handschlauch. Bei der Entscheidung für eine Bewässerungstechnik sind viele Aspekte zu berücksichtigen, unter anderem Größe, Hangneigung, Heterogenität, Erschließung und Abraumanteil der Fläche, erwartete Häufigkeit der Bewässerung, Verfügbarkeit von Arbeitskraft und Investitionsbereitschaft.
Berechnungen auf Grundlage eigener Erhebungen zu Materialkosten und Arbeitsaufwand ergaben, dass bei reiner Betrachtung der Arbeitszeit für Installation und einmalige Bewässerung ein Tropfsystem unter den hiesigen Bedingungen unabhängig von der Flächengröße oder Pflanzzahl immer zeitaufwendiger als die Bewässerung mit Handschlauch oder Bewässerungssack ist. Bei viermaliger Bewässerung hingegen ist die Handschlauchbewässerung bei mehr als etwa 150 Pflanzen langwieriger als die Tropfbewässerung, der Bewässerungssack ab 290 Pflanzen. Ohne Berücksichtigung der Installationsdauer ist der Zeitbedarf für die Handschlauchbewässerung ab etwa 30 Pflanzen höher als bei der Tropfbewässerung, für Bewässerungssack ab etwa 60 Pflanzen. Je wahrscheinlicher Trockenstress auftritt und je häufiger bewässert wird, umso wirtschaftlicher ist Tropfschlauch-Bewässerung.
Die Erfahrungen aus drei Vegetationsperioden mit insgesamt 23 Bewässerungsgängen waren durchweg positiv für die installierten Tropfschlauchsysteme. Der flexible, gewebeummantelte Handschlauch erwies sich als zu empfindlich auf den abraum- und brombeerreichen Flächen, was den Vorteil des geringen Gewichtes im Vergleich zu einem herkömmlichen Kunststoff-schlauch schmälerte. Wassergaben von 4 l/Pflanze waren ausreichend, um eine Reduktion des Bewässerungsbedarfs für etwa vier Tage zu erzielen. Die Wahl der Tropfgeschwindigkeit hängt unter anderem von der Bodenart ab. Für sandige Böden mit hoher Infiltration, geringer Wasserhaltefähigkeit und kaum seitlicher Wasserbewegung werden geringe Durchflussraten und geringere, dafür häufigere Wassergaben empfohlen, für tonige Böden hingegen höhere Tropfraten und seltenere Wassergaben. Die Bewässerung entsprach maximal 5 mm pro Saison, weniger als 10 % der in der Landwirtschaft eingesetzten Wassermenge.
Die Auswirkungen der Bewässerung auf Wachstum und Überleben junger Forstpflanzen waren auf den Versuchsflächen im Frankenwald transient und am deutlichsten im pflanzlichen Wasserhaushalt (Abnahme von TWD und Bewässerungsbedarf) unmittelbar nach Bewässerung sichtbar. Effekte auf Längenwachstum und Überleben waren nicht erkennbar, einerseits da es sich um Notfallbewässerungen und keine regelmäßigen und ergiebigen Wassergaben mit dem Ziel der Wachstumssteigerung handelte. Andererseits spielten wahrscheinlich weitere Faktoren, wie Pflanzschock, Standortheterogenität (vor allem hoher, variabler Skelettgehalt des Bodens), Spätfrost (Weiß-Tanne, Douglasie) und biotische Stressoren (Rüsselkäferfraß an Douglasie) eine wenigstens ebenso wichtige Rolle wie die Bewässerung. Außerdem war die Witterung in den drei Untersuchungsjahren entweder zu wenig extrem, um bei unbewässerten Setzlingen zur Mortalität zu führen, oder die Pflanzen waren schon ausreichend am Wuchsort etabliert, um ohne Bewässerung zu überleben. Im Frühsommer 2023, als die Bewässerungsanlage noch nicht einsatzbereit war, hätte die rechtzeitige Bewässerung möglicherweise die Mortalität bei Buche senken können.
Bewertung der Auswirkungen der Bewässerung auf Wachstum und Überleben von Setzlingen
In einem extensiv begleiteten Bewässerungs- und Anbauversuch in Unterfranken konnten art-spezifisch deutliche Effekte der Bewässerung auf Mortalität (Verringerung) und Vitalität (Erhöhung) festgestellt werden. Hier war deutlich häufiger gewässert worden, und die Bodenverhältnisse waren günstiger und homogener als auf den Flächen im Frankenwald. Bei vereinzelten Wurzelgrabungen an zwei Baumarten wurde eine Verschiebung der Wurzelbiomasse in flachere Bodenschichten im Vergleich zur unbewässerten Kontrolle beobachtet. Solche Effekte sind bei selteneren Notfallbewässerungen nicht zu erwarten.
Neben der aktiven Bewässerung wurden ergänzende Maßnahmen zur Verbesserung des Bodenwasserhaushalts untersucht. Im Fokus standen Bodenhilfsstoffe wie Hydrogele und Pflanzenkohle sowie organische Mulchmaterialien, insbesondere Hackschnitzel. Letztere bedingten bei der Ausbringung im Freiland eine Reduktion der täglichen Temperaturamplitude, während sich die Tagesmitteltemperatur nicht von der Kontrolle unterschied. Der Effekt verminderte sich meist mit der Zeit, wahrscheinlich Resultat der Zersetzung der Hackschnitzel und der Veränderung der Bestandesstruktur. Es deutete sich außerdem ein positiver Effekt der Hackschnitzel auf den Wasserhaushalt an (Reduktion des vom TWD abgeleiteten Bewässerungsbedarfes), indirektes Zeichen einer reduzierten Bodenverdunstung bzw. einer erhöhten Wasserspeicherung.
Untersuchung ergänzender Maßnahmen zur Verringerung des Wasserbedarfs
Ein Austrocknungsversuch im Gewächshaus zeigte, dass Bodenhilfsstoffe (BHS) zur Erhöhung der Wasserspeicherfähigkeit des Bodens den Trockenstress bei Setzlingen verzögern können, mit großen Unterschieden zwischen den Produkten. Während die erwartete Erhöhung des Bodenwassergehalts (SWC) bei keinem der BHS in vollem Umfang erreicht wurde, verlängerten alle getesteten BHS die Phase des Dickenwachstums und verzögerten das Auftreten von Trockenstresssymptomen im Vergleich zur Kontrolle. Besonders wirksam waren zwei umweltverträgliche, bio-basierte Produkte, deren TWD nach 70 Tagen Austrocknung mehr als 50 % unter dem der Kontrolle lag. Die Bodenbedeckung mit Hackschnitzeln erzielte eine Reduktion des TWD von knapp 30 % gegenüber der Kontrolle, bei einem Drittel der Kosten des wirksamsten BHS, umwelttoxikologischer Unbedenklichkeit und lokaler Verfügbarkeit. Weitere Untersuchungen sind hier notwendig zur Optimierung der Aufwandmengen an BHS in Abhängigkeit von der Bodenart, was auch die Wirtschaftlichkeit beeinflusst. Das Einbringen von BHS und das Ausbringen organischer Mulchmaterialien wie Hackschnitzel stellen somit eine sinnvolle Alternative oder Ergänzung zur Bewässerung dar.
Fazit
In diesem Projekt wurden mit
- der Etablierung einer Methode zum kontinuierlichen, einfachen und robusten Monitoring der Bewässerungsbedürftigkeit von Forstkulturen während der Etablierungsphase am Standort in den ersten zwei bis drei Jahre nach Pflanzung mittels automatischer Dendrometer und öko-physiologisch-pflanzenhydraulisch fundierten Schwellenwerten für mehrere zukunftstaugliche Hauptbaumarten,
- der Erprobung einer handgetragenen, kostengünstigen Methode zur kleinflächigen, praxisnahen Bestimmung der Bewässerungsbedürftigkeit mittels Thermalbildern,
- der Erprobung effizienter, Einzelbaum-orientierter Bewässerungstechniken,
- dem Einsatz ausgewählter verdunstungsreduzierender Maßnahmen im Freiland und im Gewächshaus zur orientierenden Einschätzung ihrer Wirksamkeit
- der vorläufigen Aufbereitung eigener Ergebnisse und weiterer Erfahrungen für einen Praxisleitfaden zur Bewässerung
die Grundlagen für ein zukünftiges, datenbasiertes Planungs- und Entscheidungsunterstützungssystem für die Bewässerung von Jungpflanzen im Forstsektor gelegt.
Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass das Anwuchsverhalten von Forstpflanzen im Freiland neben der Wasserversorgung von vielen anderen Faktoren bestimmt wird. Unser jetziger Wissenstand reicht noch nicht für klare Bewässerungsempfehlungen aus. Es besteht weiterer Forschungsbedarf bis zur Praxisnähe eines solchen Systems, z.B. im Hinblick auf KI-gestützte Verarbeitung von Satelliten- und UAV-Bilddaten zur Identifizierung von Hochrisikoflächen oder für die prozessorientierte Vegetationsmodellierung verschiedener Aufforstungs- und Bewirtschaftungsszenarien unter variierenden Klimabedingungen. Insgesamt stehen die Forschungen zur forstlichen Bewässerung noch am Anfang. Angesichts der prognostizierten Zunahme von Dürreereignissen ist die Entwicklung von praxistauglichen Bewässerungskonzepten ein wichtiger Baustein für ein angepasstes Waldmanagement im Klimawandel.
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