BoBaSt: Bodensubstrat und Baumartenwahl für klimaangepasste Stadtbaumpflanzungen

Projektbeschreibung

Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung von praxisorientierten Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel. Um Anpassungsstrategien zu entwickeln und umzusetzen, bedarf es detaillierten Wissens über die Zusammenhänge zwischen meteorologischen Bedingungen, Standortcharakteristika, physiologischen Reaktionen sowie Bodenwasserdynamiken im Wurzelraum der Stadtbäume. Im Rahmen der modellhaften Untersuchungen soll für ausgewählte Baumarten festgestellt werden, wie ihre Anpassungsfähigkeit an Trockenheit unter stadtüblichen Bodenbedingungen zu bewerten ist und wie Bodentrockenheit während der Etablierungsphase des Baumes im Wurzelraum entsteht bzw. sich ausbreitet.

Das Vorhaben integriert bodenhydrologische und pflanzenphysiologische Untersuchungen in einem eigens dafür hergerichteten Feldexperiment in der Baumschule Lorenz von Ehren (Hamburg, Marmsdorf), die dauerhafte Untersuchung des Bodenwasserhaushaltes von Jungbäumen unter Standortbedingungen am Straßenrand in der Stadt und die Modellierung der hydrologischen Prozesse für zukünftige Klimaszenarien. Das Projekt zielt darauf ab, durch den Aufbau von Kooperationen im städtischen Raum wissensbasierte Handlungsempfehlungen für die praktische Umsetzung zu erarbeiten und so die Zukunftsfähigkeit des Stadtbaumbestandes zu erhöhen.

Kooperationspartner

• Prof. Dr. Kai Jensen und Dr. Christoph Reisdorff, Angewandte Pflanzenökologie, Biozentrum Klein-Flottbek, Universität Hamburg
• Prof. Dr. Wolfgang Dickhaut, Umweltgerechte Stadt und Infrastrukturplanung, HafenCity Universität

Assoziierte Verbundpartner

• Behörde für Umwelt, Klima, Energie und Agrarwirtschaft (BUKEA) Stadtbaummanagement, Amt Naturschutz, Grünplanung und Bodenschutz (Annette Wagner, Torsten Melzer)
• Baumschule Lorenz von Ehren (Bernhard von Ehren)
• K+E Kompost und Erden GmbH (Dr. Martin Rubbert)

Mitarbeiter:innen am Institut für Bodenkunde

• Professorin für Bodentechnologie und Bodenschutz: Prof. Dr. Annette Eschenbach
• Wissenschaftlicher Mitarbeiter: Dr. Joscha N. Becker
• Doktorand: Alexander Schütt
• Ingenieur: Volker Kleinschmidt
• Wissenschaftlicher Mitarbeiter i.R.: Dr. Alexander Gröngröft

Zielsetzung

Aus Untersuchungen zu Wachstumslimitationen und Anpassungsstrategien von Baumarten gegenüber trockenen Sommern und hydrologisch ungünstigen Standorteigenschaften sowie daraus resultierenden Stress-Symptomen und Mortalitätsrisiken werden Empfehlungen für die standortbezogene Auswahl von Baumarten und Anforderungen an zukünftig einzusetzende Bodensubstrate und Standortbedingungen abgeleitet.

Um klimaangepasste Stadtbaumpflanzung zukünftig in Hamburg und in anderen Städten in der Praxis zu etablieren, werden in einem weiteren Arbeitsschritt die Anwendbarkeit der Empfehlungen bewertet sowie Fragen der Qualitätssicherung und der regionalen Verfügbarkeit von Baumarten und Boden- und Pflanzsubstraten erarbeitet. Außerdem werden die Ergebnisse und Empfehlungen des Vorhabens fortlaufend in dem in Hamburg etablierten Regionalen Verbund „Stadtbäume im Klimawandel“ aus Vertretern der Verwaltungen, Firmen und Forschungseinrichtungen vorgestellt und in Diskussionen weiterentwickelt.

Im September 2022 ist ein Abschluss-Symposium des Projektes BoBaSt geplant, über das wir zeitnah an dieser Stelle informieren werden.

Forschung

1. Experimentalfläche Baumschule

Ziel, Aufbau und Durchführung

Auf einer eigens dafür eingerichteten Experimentalfläche führt die Universität Hamburg in den Jahren 2019 bis 2021 Untersuchungen an Bodensubstraten, repräsentativ für Stadtbaumstandorte, und an ausgewählten Baumarten bzw. deren Kombination über drei Jahre durch. Damit soll festgestellt werden, wie viel Bodenwasser für Bäume an Stadtstandorten überhaupt nutzbar ist und welche Baumarten unter eingeschränkter Wasserverfügbarkeit im Wachstum limitiert sind sowie welche Baumarten geeignete Stressreaktionen zeigen, um Wachstum, Vitalität und Ökosystemdienstleistung aufrechtzuerhalten. Langfristig soll geklärt werden, wie durch Auswahl von regional verfügbaren Bodensubstraten der Wirkung von potentiellem Trockenstress am Stadtstandort besonders effektiv begegnet werden kann.

Die Baumschule Lorenz von Ehren ist maßgeblich an der Durchführung des Forschungsprojektes beteiligt und stellt sowohl die Bäume als auch die Experimentalfläche zur Verfügung, übernimmt deren Herrichtung sowie die fachgerechte Pflanzung und Pflege der Bäume. Die Firma K+E Kompost und Erden GmbH stellt die Bodensubstrate zur Verfügung und ist bei der Einbringung auf den Versuchsflächen beteiligt.

Auf mehr als 6.000 m² wurde ein Versuchsaufbau etabliert, der die Kombination von Baumarten und Bodensubstraten ermöglicht. Für die Untersuchungen wurden zum einen zwei hydrologisch unterschiedliche Pflanzböden, die repräsentativ für Hamburger Jungbaumstandorte sind, ausgewählt und mit einem Referenzboden verglichen. Neun Baumarten wurden in fünf Replikaten in jeden der drei Pflanzböden gepflanzt. Dazu wurden Pflanzgruben ausgehoben (2,5 x 2,5 x 1,2 m) und abwechselnd mit den drei ausgewählten Pflanzböden, i) Reinsand, ii) standardmäßigem Pflanzgrubensubstrat nach FLL und iii) lehmig-schluffigem Oberboden, verfüllt. Es wurden die folgenden, sowohl aus heimischer als auch aus sommerlich trockenheißer Herkunft stammenden, Baumarten eingesetzt, von denen sechs Baumarten im langjährigen GALK-Straßenbaumtest in Hamburg untersucht werden:

• Amelanchier lamarckii
• Carpinus betulus ‘Lucas’
• Geleditsia triacanthos ‘Skyline’
• Koelreuteria paniculata
• Liquidambar styraciflua
• Ostrya carpinifolia
• Quercus cerris
• Quercus palustris
• Tilia cordata ‘Greenspire’

Untersuchungsparameter

• Bodenwasserhaushalt:
  • Sensorgesteuerte Erfassung Wassergehalte und Wasserspannungen
  • Infiltrationsleistung und Evaporation
  • Erstellung von bodenspezifischen Wasser-Retentionsfunktionen und Bestimmung des Anteils pflanzenverfügbaren Wassers
• Jährliche GALK Bonitur der Bäume ab September 2020 gemeinsam mit T. Melzer (BUKEA)
• Aufnahme phänologischer Kenndaten (Aufplatzen der Knospen, vollständiger Blattaustrieb, Einsetzen von Blattverfärbung, vollständige Blattverfärbung)
• Messung des jährlichen Stammzuwachses und Erfassung der täglichen Stammdurchmesser-Schwankungen mittels Dendrometer
• Messung der Astzuwächse
• Untersuchung des Wurzelraumes:
  • Beprobung der Pflanzböden zur Bestimmung des volumetrischen Grob- und Feinwurzelanteils
  • Rhizotron-Dokumentation der Wurzeldynamik
• Analyse pflanzenphysiologischer Reaktions-Parameter:
  • Dynamik stomatärer Leitfähigkeiten über 13 Messzeitpunkte in 2021
  • Beprobung aller Bäume für die Kohlenstoff-Isotop-Analyse in verschiedenen Organen über alle drei Messjahre
  • Xylemflussmessungen in 2021
  • Analyse von „non-structural“ carbon (NSC)
  • Chlorophyllfluoreszenz-Parameter

Erste Ergebnisse und aktuelle Auswertungen

Der Reinsand, repräsentativ für Umgebungsböden von Jungbaumstandorten im Hamburger Stadtgebiet (s.u.), bietet die hydrologisch ungünstigsten Bedingungen und speichert in der gesamten Pflanzgrube (hier 7,5 m³ Bodenvolumen) nur 450 Liter Wasser pflanzenverfügbar. Der feinkörnigere, schluffig-lehmige Boden als Referenz für optimales Wachstum und Vitalität, stellt hingegen die fünffache Menge Wasser pflanzenverfügbar bereit. Das FLL-Substrat, mit im Vergleich zum Reinsand etwas höheren Feinboden- und erheblich höherem organischen Anteil, allerdings mit ca. 20 % Steinanteil (> 2 mm) stellt ca. 780 Liter Wasser pflanzenverfügbar bereit.

Die Bodenwasserdynamik in den Pflanzgruben mit den Kombinationen aus Pflanzböden und Baumarten wurde über die drei Vegetationsperioden 2019 bis 2021 durch eine Erhebung der Bodenwasserspannung und des Bodenwassergehaltes in drei Tiefenstufen und im Pflanzballen erhoben und grafisch als Mittelwert pro Bodensubstrat dargestellt.

Nach der ersten Vegetationsperiode (2019) konnte kein Einfluss der Substrattypen auf den Stamm- und den Astzuwachs festgestellt werden. Nach der zweiten Vegetationsperiode (2020) war sowohl der Astzuwachs als auch der Stammzuwachs in den im Referenzboden gepflanzten Bäumen am höchsten. Im Sand war das Wachstum der Bäume am stärksten limitiert und erreichte nur ca. 1/3 des Zuwachses im Referenzboden. Auch im dritten Jahr investierten die Bäume in den ungünstigen Pflanzböden verstärkt in den Stammzuwachs und erzielten höhere Zuwächse als in 2020, während der Astzuwachs konstant blieb bzw. im Referenzboden sogar geringer ausfiel.

2. Stadtbaum-Monitoring

Die Übertragbarkeit der Ergebnisse des Feldexperimentes auf die ungünstigen Standortbedingungen in der Stadt wird parallel durch ein Monitoring überprüft, bei dem der Bodenwasserhaushalts- und pflanzenphysiologische Zustand von jungen und etablierten Bäumen und Baumsorten an definierten Straßenstandorten fortlaufend erfasst wird. Das mittlerweile 26 Standorte umfassende Monitoring-Netzwerk wurde bereits im Jahr 2016 im Rahmen des SiK-Projektes aufgebaut und liefert seither stündlich Daten zum Bodenwasserhaushalt und zur Bodenwasserspannung im Wurzelbereich der Bäume. Die Kontrolle der Vitalität der Bäume erfolgt im Rahmen des Projektes und wird durch städtische Routineerhebungen zum Baumzustand (Baumkontrollen zur Verkehrssicherheit) sowie durch ökophysiologische Messungen begleitet. Dadurch wird auch ermöglicht, das Vitalitätsmerkmal „Zuwachs“ auf seine uneingeschränkte Eignung zu überprüfen.

Visualisierung Bodenaustrocknung Jungbaumstandorte

Daten zur Bodenwasserverfügbarkeit (gemessen als Wasserspannung) im effektiven Wurzelbereich von 20 Jungbaumstandorten in Hamburg wurden zweidimensional visualisiert. Die insgesamt 13 Wasserspannungssensoren decken die drei wesentlichen Bodenbereiche Pflanzballen, Pflanzgrube und urbaner Umgebungsboden ab. Im Verlaufe der Messperiode (2016-2021) konnte damit nicht nur der Einfluss meteorologischer Faktoren wie der Niederschlagsmenge oder der Globalstrahlung auf die räumliche Verteilung von kritischer Bodentrockenheit untersucht werden, sondern auch weitere, Bodentrockenheit auslösende Standort- und Baumfaktoren herausgearbeitet werden. Besonders an neugepflanzten Bäumen wurde erstmals die Erschließung der untersuchten Bodenbereiche durch Baumwurzeln anhand von einem erhöhten Wasserverbrauch in größerer Entfernung und Tiefe vom Pflanzballen mit zunehmendem Baumalter veranschaulicht.

Auswirkungen des Trockenjahres 2018 auf Wasserversorgung von etablierten Bäumen

Längere meteorologische Trockenphasen, wie im Dürrejahr 2018, wirken sich im Zusammenspiel von Standorteigenschaften und in Abhängigkeit des Baumes mit unterschiedlicher Intensität auf den pflanzenverfügbaren Bodenwasservorrat aus. An Standorten mit anthropogen veränderten Böden mit erhöhtem Sand-Anteil und durch Versiegelung und Bodenverdichtung verringerter Infiltrationsleistung wurden insbesondere im Sommer 2018 langanhaltend Bodenwasserspannungen von über 1200 hPa erfasst. Bei einer Überschreitung dieses Grenzwertes beginnen Bäume ihren Wasserverbrauch durch pflanzenphysiologische Reaktionen zu reduzieren (Wilpert 1991). Im gesamten Bodenprofil wurde dieser Grenzwert frühestens Anfang Juli überschritten. Jedoch hielt die Trockenheit im weiteren Verlauf der untersuchten Vegetationsperioden (2018-2020) jeweils über drei bis mehr als fünf Monate an und reichte bis in eine Tiefe von mindestens 100 cm. Eine ausreichende Wiederbefeuchtung trat erst ab Anfang Dezember auf.

Damit ist davon auszugehen, sofern die Bodenwasserversorgung dieser etablierten Bäume innerhalb des untersuchten Bodenbereiches erfolgt, dass die Bäume erheblich weniger Reservestoffe aufbauen und speichern konnten. Durch die enge Reihung vieler Jahre mit geringer bis extrem geringer Bodenwasserverfügbarkeit über lange Zeiträume kann es zu erheblichen Vitalitätseinbußen bis hin zum Absterben der Bäume kommen.

Vorträge

• EGU Presentation 2019 – Annette Eschenbach: Dynamic of soil water availability and soil aeration as factors for urban road trees (09.04.2019)
• Stress und Strategien bei Bäumen in Hamburg - Christoph Reisdorff: Workshop Klimawandelbäume, Behörde für Wirtschaft, Verkehr und Innovation. Hamburg (Juni 2019)
• EIT Climate-KIC – Annette Eschenbach: Urban trees under climate change: Air and soil water availability (23.07.2019)
• Universität Göttingen, Impulsvortrag - Annette Eschenbach: Nachhaltige Land- und Bodennutzung in Europa in Städten (16.11.2019)
• Wetter.Wasser.Waterkant. – Christoph Reisdorff: Klimawandel und zunehmender Stress in der Stadt – können sich Bäume noch wehren? Hamburg (September 2019)
• EGU vPICO Presentation 2021 – Alexander Schütt: Long-time risk assessment of soil water shortage in planting pits of young urban roadside trees in the city of Hamburg, Germany
• 17. Symposium zur Pflanzenverwendung in der Stadt – Bayrische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau Veitshöchheim – Annette Eschenbach: Monitoring zur Bewertung von kritischer Bodentrockenheit für Stadtbäume (27.09.2021)
• Teachers' Science Club. Körberstiftung und Schülerforschungszentrum -  Annette Eschenbach: Kritische Bodentrockenheit für Stadtbäume im Klimawandel? (05.04.2022)
• Vortragsreihe DGGL: Hamburgs Stadtbäume - Alexander Schütt: Strategien zur Erhaltung, dem Klimawandel zum Trotz (13.04.2022)

Öffentlichkeitsarbeit

• Dürre im Norden: Wie gefährdet ist das Land? NDR, 45 Min (08.06.2020)
• Neue Baumarten sollen heiße Städte kühlen (dw.com, Beitrag nicht mehr verfügbar)
  
• Was bedeutet der Klimawandel für Hamburg? NDR, Hamburg Journal (16.11.2021)

Publikationen

• Eschenbach, A., Gröngröft, A. (2020) Bodenschutz und Klimawandel. In: Bodenschutz 25 (3), 103-109
• Eschenbach, Annette, Schütt, Alexander, Becker, Joscha N. (2021) Monitoring zur Bewertung von kritischer Bodentrockenheit für Stadtbäume. Veitshöchheimer Berichte 190 (2021)
• Dickhaut, W., Doobe, G., Eschenbach, A., Fellmer, M., Gerstner, J., Gröngröft, A., Jensen, K., Lauer, J., Reisdorff, C., Sandner, A., Titel, S., Wagner, A., Winkelmann, A. (2019) Entwicklungskonzept Stadtbäume. Hamburg: HafenCity Universität Hamburg
• Heger, A., Kleinschmidt, V., Gröngröft, A., Kutzbach, L., Eschenbach, A. (2020) Application of a low‐cost NDIR sensor module for continuous measurements of in situ soil CO₂ concentration. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 183 (5), 557-561. doi: 10.1002/jpln.201900493
• Richter, M., Dickhaut, W., Eschenbach, A., Knoop, L., Pallasch, M., Voß, T. (2021) Können Straßenbaumstandorte durch Regenwasserbewirtschaftung verbessert werden? Pro Baum: Zeitschrift für Pflanzungen, Pflege und Erhaltung 1/2021, 22-26
• Schaaf-Titel, S. (2019) Water availability and soil growth conditions of roadside trees in Hamburg. Dissertation, FB Geowissenschaften, Universität Hamburg. Hamburger Bodenkundliche Arbeiten 95, 213 S.
• Schütt, A., Becker, J.N., Gröngröft, A,.Schaaf-Titel, S., Eschenbach, A. (2022) Soil Water Stress at Young Urban Street-tree Sites in Response to Meteorology and Site Parameters. Urban Forestry & Urban Greening. doi: 10.1016/j.ufug.2022.127692
• Schütt, A., Becker, J.N., Reisdorff, C., Eschenbach, A. (2022) Growth Response of Nine Tree Species to Water Supply in Planting Soils Representative for Urban Street Tree Sites. Forests, doi: 10.3390/f13060936
• Thomsen, S., Reisdorff, C., Gröngröft, A., Jensen, K., Eschenbach, A. (2019) Responsiveness of mature oak trees (Quercus robur L.) to soil water dynamics and meteorological constraints in urban environments. Urban Ecosystems 23 (1), 173-186. doi: 10.1007/s11252-019-00908-z

Fördernde Institution und Projektträger

Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV)

Förderschwerpunkt: Fördermaßnahme "Förderung von Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel" im Förderbereich "Förderung von lokalen und regionalen Kooperationen zur Anpassung an den Klimawandel". Förderkennzeichen: 67DAS153A

Projektträger ZUG