Lothar Zimmermann, Stephan Raspe, Hans-Peter Dietrich und Alexandra Wauer
Dürreperioden und ihre Wirkung auf Wälder – LWF aktuell 126

In der Wissenschaft wird der Begriff Dürre unterschiedlich definiert, je nachdem aus welcher fachlichen »Ecke« der Wassermangel betrachtet wird. Für die Meteorologen hängt Dürre davon ab, wie selten eine längere Niederschlagsarmut in der klimatologischen Geschichte einer Region oder eines Orts aufgetreten ist, unabhängig davon, ob das Wasserangebot für Pflanzen ausreicht.

Die Hydrologen haben dagegen den Abfluss in den Fließgewässern fest im Blick, beispielsweise welcher Niedrigstwasserstand an einem bestimmten Pegel noch nicht erreicht wurde oder wie lange eine Niedrigwasserperiode schon andauert. Hydrogeologen interessiert, welche Niedrigstwasserstände an ihren Grundwasserpegeln erreicht werden und wie wenig Wasser aus den Quellen kommt, wenn überhaupt noch etwas herauströpfelt.

Die Land- und Forstwirte bewegt dagegen die Sorge, wieviel Wasser für die Pflanzen noch in den Böden vorhanden ist und wie lange die Bäume den Trockenstress noch aushalten. Im Zentrum steht also die Frage, wie sich die Trockenheit auf die Pflanzen auswirkt. Schließlich existiert noch die für alle wirtschaftlich Tätigen wichtige sozioökonomische Sichtweise. Sie stellen sich die Frage, zu welchen (monetären) Schäden die Trockenheit bzw. ein vorzeitiger Ausfall der Pflanzen führt.

In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit dem wirkungsbezogenen Dürrebegriff, der Waldbesitzern und Förstern ebenso wie Landwirten und Gartenbesitzern unmittelbar Sorge bereitet. Insbesondere gehen wir der Frage nach, wie intensiv die Trockenheit in den letzten Jahren war und wie sie sich auf die Wälder auswirkte.

Die Klimatische Wasserbilanz ist als Synthese aus Niederschlag und atmosphärischem Verdunstungsanspruch zu verstehen. Letzterer Wert ergibt sich aus dem Sättigungsdefizit der Luft, der solaren Zustrahlung sowie dem Wind (siehe Kasten) und eignet sich zur Einordnung der Trockenheitsreaktion im Vergleich zum langjährigen Mittel. Wir vergleichen die Summe der Klimatischen Wasserbilanz für die forstlichen Vegetationsperiode (Mai–September) in den Extremjahren 2003, 2015, 2018 und 2019 mit dem 25jährigen Mittel.

Um die regionalen Unterschiede in Bayern deutlich zu machen, werden die Ergebnisse auf Regierungsbezirkebene dargestellt. Die nördlichen Bezirke, Franken und die Oberpfalz, weisen bereits im langjährigen Mittel eine leicht negative Wasserbilanz auf, dort sind deutliche Reaktionen in den Extremjahren zu erkennen. In südlichen Bezirken ist nur 2003 und 2018 die Wasserbilanz deutlich negativ. Für Bayern betrachtet zeigt sich 2018 ein etwas stärkerer potenzieller Trockenheitsstress in der forstlichen Vegetationsperiode als 2003 (Abbildung 1).

Wesentlich ortsgenauer läßt sich die Situation an den 18 Waldklimastationen belegen, gestützt auf Bodenfeuchtemessungen und spezifische Modellierungen mit dem Wasserhaushaltsmodell LWFBROOK90. Verglichen werden die Hitze- und Trockenjahre 2003, 2015, 2018 und 2019 mit dem langjährigen Mittel 1961–90 (Abbildung 2).

Als Trockentag bezeichnen wir einen Tag, an dem die Bodenfeuchte unter den Grenzwert für beginnenden Trockenstress sinkt, d.h. 40 % der nutzbaren Feldkapazität unterschritten werden. An allen Waldklimastationen (WKS) im Nordwesten Bayerns wurden zahlreiche Trockentage in jedem aufgeführten Extremjahr gemessen. Die tiefer gelegenen Waldklimastationen im Nordwesten wie Würzburg (WUE) auf der Mainfränkischen Platte, aber auch Ebrach (EBR) am Rand des Steigerwalds sowie Dinkelsbühl (DIN) im westlichen Mittelfranken und Riedenburg (RIE) im Jura weisen auch im langjährigen Mittel schon eine erhöhte Anzahl Trockentage auf.

In den höheren Lagen von Spessart (WKS Rothenbuch ROT) und Rhön (WKS Bad Brückenau BBR) ist die Anzahl im langjährigen Mittel deutlich niedriger, dafür reagieren sie aber in jedem Trockenjahr deutlich. Richtung Nordosten im Frankenwald (WKS Rothenkirchen ROK) bzw. dem Fichtelgebirge (WKS Goldkronach GOL) ist nur in einzelnen Trockenjahren eine Trockenheitsreaktion zu erkennen, ebenso im Tertiärhügelland (WKS Freising FRE, WKS Höglwald HOE, WKS Altötting AOE) und auf der Münchener Schotterebene (WKS Ebersberg EBE). An den drei alpinen Waldklimastationen wie auch im Bayerischen Wald (WKS Mitterfels MIT) trat bisher kein Trockenstress auf.

Das forstliche Umweltmonitoring ist zweistufig aufgebaut. Die jährliche Waldzustandserhebung (WZE) begutachtet den Gesundheitszustand der Bäume visuell an derzeit 314 Inventurpunkten in Bayern (»Level 1«). Diese flächenrepräsentative Aufnahme liefert seit 1983 statistisch gesicherte Daten zum Waldzustand. Das intensive forstliche Umweltmonitoring (»Level 2«) an den Waldklimastationen ergänzt diese landesweiten Erhebungen. In charakteristischen Waldregionen werden Umweltbelastungen und ihre Wirkungen kontinuierlich erfasst und bewertet. Langjährige Meßreihen zu Zustandsgrößen in den Waldökosystemen liegen seit annähernd dreißig Jahren vor (Dietrich et al. 2018).

Die Ergebnisse der Waldzustandserhebung (WZE) 2019 spiegeln die »Heißzeit « und Trockenheit von April bis November des Vorjahres 2018 sowie die Hitzewellen im Juni bis Juli 2019 wider. Mittel- und Unterfranken kristallisierten sich als Schadensschwerpunkte heraus (Abbildung 3).

Dort sind die Nadel-/ Blattverluste besonders hoch, vor allem bei der Kiefer (Wauer & Klemmt 2020). Vergleicht man die Nadel-/Blattverluste (NBV) aller Baumarten aus der WZE 2019 mit der Klimatischen Wasserbilanz für den Zeitraum April 2018 bis Juli 2019, häufen sich die Punkte mit höheren Nadel-/ Blattverlusten in Gebieten mit hoher negativer klimatischen Wasserbilanz.

Gleichzeitig befinden sich in diesen Gebieten auch Punkte mit einem geringerem Nadel-/Blattverlust als im Vorjahr. Mit Hilfe standort- und bestandesspezifischer Wasserhaushaltsmodellierungen (Weis et al. 2020) lassen sich solche Anomalien besser erfassen und klären.

Die WZE-Datenerhebung findet im Juli nach vollständiger Blattentfaltung statt. Aus diesem Grund kann sie die Folgen eines trockenen Spätsommers im selben Jahr naturbedingt nicht erfassen. Deshalb wurden nach dem Hitzesommer 2015 einige bayernweit ausgewählte Inventurpunkte zu einem späteren Zeitpunkt nochmals angesprochen.

An 30 Trakten mit insgesamt 996 Bäumen nahm der mittlere Nadel-/Blattverlust in diesem Zeitraum um ein Fünftel zu, von 23,8 % auf 28,5 %. Die stärkste Veränderung zeigte die Kiefer (+3,7 %), gefolgt von der Buche (+3,0 %). Bei Eiche (+1,5 %) und Fichte (+1,3 %) war ein nur gering erhöhter Blatt- bzw. Nadelverlust zu beobachten. Fasst man die Stichprobe nach Laub- und Nadelbäume zusammen, lagen die Laubbäume mit einer NBV-Zunahme um +7,8 % deutlich vor den Nadelbäumen (+1,9 %) in der Herbstansprache.

Da sich Nutzung und natürlicher Abgang bei der Aufnahme vor Ort nicht immer sicher unterscheiden lassen, wird natürliche Mortalität bei der WZE in der Regel unterschätzt. Die Mortalitätsrate (Abbildung 4) kann daher nur näherungsweise berechnet werden.

Bei den flächenrepräsentativen Waldzustandserhebungen 2014 bis 2019 bewegte sich der Anteil abgestorbener Fichten insgesamt zwischen 1,0 bis 2,5 %. Der Anteil der Nutzung lag bei 2,3 bis 3,3 %. Nach den Trockenjahren 2015 und 2018 erhöhte sich die Absterberate bei der Fichte, insbesondere der Prozentsatz frisch abgestorbener Bäume (Schadstufe 4).
Auch wurden deutlich mehr Bäume genutzt. Dies deutet auf einen gestiegenen Anteil »Zufälliger Ergebnisse« (ZE) hin. Bei der Kiefer lag die Absterberate in der Regel geringfügig niedriger. Der Anteil abgestorbener Buchen blieb stets unter dem der Fichte. Bei Eiche und Tanne waren die Absterberaten noch niedriger.

Aktuelle Erkenntnisse zu möglichen Risiken und physiologischen Reaktionen der Bäume auf Trockenheit sind in diesem Heft schon theoretisch dargestellt (Mette & Falk 2020). In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, welche Trockenheitsreaktionen sich bisher in den Extremjahren an den Bäumen der Forschungsbestände der Waldklimastationen tatsächlich beobachten lassen.

Die Oberflächen von Blättern und Nadeln sind gegen äußere Witterungseinflüsse oder Sonnenstrahlung in der Regel gut geschützt. Nadeln sind zusätzlich mit ausgepägten Wachsauflagen bedeckt. Bei extrem hohen Sommertemperaturen über 40 °C, starken Frösten oder sehr hoher Strahlungsintensität steigt jedoch das Risiko für eine direkte Schädigung der Blattorgane, insbesondere der Epidermiszellen (Abbildung 5).

In den Extremsommern mit immer wieder auftretenden Hitzewellen bis über 40 °C waren im Zuge der Erfassung von Ozonschadsymptomen Strahlungsschäden an lichtexponierten Laubblättern, vor allem bei Jungpflanzen oder der Waldrandbestockung, häufiger zu beobachten. Vergleichbare Schäden traten in den Altbeständen oder an Nadelbäumen selten auf.

Frühzeitiger Blattfall ist eine bewährte Strategie der Laubbäume und als vitale Baumreaktion zu werten, solange die Knospen für den Wiederaustrieb bereits angelegt sind und eine ausreichende Blattmasse im nächsten Jahr garantieren. Hält der Stress über mehrere Jahre an, können sich aus Vitalitätsstörungen nachhaltige Schädigungen entwickeln.
In den Trockenjahren 2003, 2015 und 2018 wurde auf den Waldklimastationen Bad Brückenau, Ebrach und Mitterfels jeweils in den Monaten Juni und August zum Teil deutlich mehr Buchenlaub abgeworfen als in Normaljahren (Abbildung 6). Besonders ausgeprägt war dieser Effekt an der WKS Ebrach im Steigerwald zu erkennen. An Standorten mit hoher Wasserspeicherfähigkeit des Bodens und geringerem Wasserdefizit wie an der WKS Freising im Tertiärhügelland stellten wir in allen drei Trockensommern keinen erhöhten sommerlichen Streufall fest.

Auf den WKS-Standorten in Franken (Würzburg, Ebrach), im Jura (Riedenburg) und in den Berglagen Ostbayerns (Flossenbürg und Mitterfels) waren in den trockenen Hitzesommern verbraunte Blätter, meist mit nekrotischen Blatträndern, ein verbreitet beobachtetes Schadsymptom (Abbildung 7).

Buchen, Hainbuchen, Ahorn, Linden waren ebenso häufig, Eichen nur selten betroffen. Zum Ende der Vegetationsperiode waren die Kronen von Altbuchen der Waldklimastationen, bevorzugt auf den warm-trockenen Standorten, stärker verlichtet, der Blattfall trat verfrüht ein (Abbildung 8).

Die unter- und zwischenständige Laubbaumschicht und -verjüngung in den Rein- und Mischbeständen reagierte flächendeckend auch an frischeren Standorten. Für die unter Konkurrenzdruck der herrschenden Bäume stehenden niederen sozialen Baumklassen war der fortschreitende Wassermangel offensichtlich belastender (Pisek & Tranquillini 1951; Bachmann 1988). An Nadeln von Fichten, Kiefern, Tannen und Douglasien waren bei den jährlichen Nadel-/Blattprobennahmen an den Referenzflächen keine vergleichbaren Schadsymptome zu erkennen.

Wieviel Blattmasse oder Früchte in einzelnen Jahren gebildet werden, lässt sich an den Waldklimastationen in Laubbeständen unmittelbar aus der Erfassung der Streumenge ablesen. Der Einfluß von Extremjahren auf die gesamte Biomasseneubildung der Baumschicht in einem Bestand ist auch daran zu erkennen.

In den Jahren mit starkem Trockenstress (2003 und 2018) waren an den Laubbeständen der Waldklimastationen keine stärkeren Einbußen in der Blattbiomasse zu beobachten. Erst im Folgejahr des Jahrhundertsommers 2003 bildete der Buchenbestand an der WKS Ebrach beispielsweise deutlich weniger Blattbiomasse aus (Abbildung 10).

Für die Fotosynthese im »Kraftwerk Blatt« stand 2004 nur noch halb so viel Masse wie im Vorjahr zur Verfügung (minus 1,2 Tonnen je Hektar). Dieser Befund steht in Einklang mit den Beobachtungen der Waldzustandsansprache, die größere Blattverluste erst im Folgejahr diagnostiziert hatte. Die fehlende Reaktion im Extremjahr selbst ist durchaus baumphysiologisch zu begründen, weil der Blatt- und Zweigaustrieb in einem Jahr jeweils stark von den Vorjahresbedingungen bei der Knospenanlage und -ausbildung abhängt.

Dennoch waren die Buchen in Ebrach zeitgleich in der Lage, eine in beiden Jahren annähernd gleiche Menge Früchte (2 t/ha) zu produzieren (Abbildung 10). Sie mussten auch bei starkem Wassermangel nicht auf den »Luxus« der generativen Vermehrung verzichten. Nährstoffe und Ressourcen wurden vielmehr zugunsten von Blüten und Früchten umgelagert. In den zurückliegenden Extremjahren erwiesen sich die Buchen tatsächlich auch an anderen Waldklimastationen bisher als erstaunlich robust in der Reproduktion.

Die verminderte fotosynthetisch wirksame Blattmasse beeinträchtigte 2004 wie erwartet auch die Leistungsfähigkeit und das Wachstum der Bäume.

Wenn der Wasservorrat an einem Standort in den Bereich des Trockenstress absinkt, stockt die Durchmesserentwicklung. An der WKS Riedenburg (Abbildung 9) reagierten Fichten und Buchen im Trockenjahr 2019 sehr unterschiedlich auf den pflanzenverfügbaren Wasservorrat im Boden. Ab Anfang Juli sank der pflanzenverfügbare Bodenwasservorrat unter die Grenze von 40 % der nutzbaren Feldkapazität (nFK) und nach einer Woche dann sogar unter 30 % nFK.

Damit ist die Wasserversorgung der Bäume eingeschränkt bis mangelhaft. Ab diesem Zeitpunkt kam die wöchentliche Durchmesserentwicklung vor allem der Fichten ins Stocken und blieb deutlich hinter dem langjährigen Mittel zurück. Am Ende des Jahres war das Dickenwachstum der Fichten auf der Waldklimastation um 22 % geringer als in Normaljahren.

Die Buchen reagierten dagegen nicht ganz so stark, das Dickenwachstum war am Ende des Jahres nur um knapp 10 % zurückgegangen. Jahrringanalysen früherer Extremsommer (Dietrich et al. 2015) und Analysen aus Umfangmessungen in den Jahren 2003 und 2015 (Stiegler et al. 2018) wiesen insbesondere für die Fichten auf den warm-trockeneren WKS-Standorten ausgeprägte Zuwachseinbußen von bis zu 60 % im Vergleich zu Vorjahren nach.

Buchen und Eichen dagegen reagierten nur in geringerem Ausmaß. Darüberhinaus führte der Anstieg der Sommertemperaturen seit Anfang der 1990er Jahre zu Anomalien im Zuwachsgang von Fichten aller WKS-Standorte und bei Buchen auf warm-trockenen Standorten (Dietrich et al. 2018). Diese Beobachtung läßt sich als Indiz für erhöhten Stress nach wiederholter Trockenheit und Witterungsextremen interpretieren.

Bereits im Jahrhundertsommer 2003 und verstärkt in den Trockenjahren ab 2015 wuchsen regional die Populationen von Schadinsekten an, insbesondere Borkenkäfer an Fichten in Nord- und Ostbayern sowie blattfressender Insekten, bevorzugt an Eichen. Erstmals 2015 wurde von absterbenden Kiefern im nördlichen Nürnberger Reichswald berichtet. Die Schäden schritten 2018 und 2019 fort, meist begleitet von Pilz- und Käferbefall.

Seit 2018 traten auch in Laubbeständen Frankens umfangreiche Schäden insbesondere an Buchen auf. Verbreitet starben Bäume ab. Bereits im ersten Hitze- und Dürresommer nach der Jahrtausendwende 2003 fielen an drei Fichten-WKS (Goldkronach, Zusmarshausen und Altötting) zahlreiche Bäume auf Grund von Borkenkäferbefall aus (Raspe et al. 2004).

Vermehrter Borkenkäferfraß trat auch im Folgejahr der Trockenheit von 2015 auf. In den Jahren 2003 und 2016 waren jeweils knapp 10 % aller Fichten an den WKS-Standorten abgestorben. 2004 war ebenfalls ein geringfügig erhöhter einzelbaumweiser Ausfall in den damals noch erfassten vier Kiefern-WKS festzustellen. Eichen wie Buchen hatten Witterungsextreme und Blattfraß an den fünf (Eichen-) bzw. acht (Buchen-) WKS-Standorten weitgehend unbeschadet überstanden. Erstmals 2019 sind allerdings Buchen in auffälligem Umfang (4 % von 614 Beobachtungsbäumen an acht Waldklimastationen) abgestorben.

Betrachten wir am Schluss die verschiedenen Indikatoren für den Trockenstress und die Reaktionen der Bäume am Beispiel der WKS Ebrach im Steigerwald in einem Trockenjahr (2003) und seinem Folgejahr (2004) (Abbildung 10). Die Anzahl der Tage mit einem Bodenwasservorrat unter 40 % nFK war dort im Jahr 2003 fast fünfmal so hoch wie im langjährigen Mittel von 1961 bis 1990.

Dementsprechend war die Transpiration der Buchen um fast 70 l/m² geringer als bei ausreichender Wasserversorgung. Das Folgejahr war dagegen von der Wasserversorgung her gesehen wieder relativ normal. Als unmittelbare Reaktion auf diese physiologische Dürre reagierten die Buchen mit einem teilweisen Abwurf ihres Laubes noch während der Vegetationsperiode, gut zu sehen an dem deutlichen Anstieg des sommerlichen Blattfalls. In dem Trockenjahr fiel etwa 60 % mehr Blattmasse während der Sommermonate als in Normaljahren ab.

Die Blattstreumenge erreicht im gesamten Streufalljahr 2003 ziemlich exakt das langjährige Mittel der Vorjahre von 1997 bis 2002. Dies weist auf eine relativ normale Belaubung vor Beginn der Trockenheit hin. Im Folgejahr wurde dagegen nur noch halb so viel Buchenlaub abgeworfen, also deutlich weniger Laubmasse gebildet als üblich.

Auch der Indikator des Kronenzustands weist auf eine deutliche Vitalitätseinschränkung der Buchen erst im Folgejahr hin. Im Trockenjahr 2003 bewegte sich der Anteil stärker Kronenverlichtung in ähnlicher Größenordnung wie in den Jahren zuvor (Anteil Schadstufen 2–4: 18–20 %). Im Folgejahr stieg er auf das Dreifache (60 %) an. Der Kronenzustand der Buchen wurde als deutlich geschwächt eingewertet.

Auch das Wachstum brach im Jahr nach der Trockenheit ein. Das Dickenwachstum der Bäume war um 36 % geringer als im langjährigen Mittel von 1997 bis 2018. Allem Anschein nach kompensierten die Buchen auf der WKS Ebrach die Trockenheit im Jahr 2003 zunächst relativ gut, indem sie sich ihrer transpirierenden Blattmasse frühzeitig entledigten. Dieses Phänomen konnte zum Zeitpunkt der Waldzustandserhebung noch nicht erfasst werden. Der Kronenzustand verschlechterte sich im Folgejahr deutlich, Blattbiomasseentwicklung und Dickenzuwachs blieben hinter dem langjährigen Mittel zurück.

Seit 2003 treten Dürrereignisse häufiger auf als früher. Deshalb hat sich dieser Begriff wieder fest in unserem Wortschatz und Bewußtsein verankert. In der Forstwirtschaft entscheidet allein die Menge des pflanzenverfügbaren Wassers, wie gut die Bäume mit Trockenperioden zurecht kommen. Die »Klimatische Wasserbilanz« der forstlichen Vegetationsperiode verdeutlicht, dass 2018 noch extremer war als 2003 mit seinem »Jahrhundertsommer«.

Regional zeigt auch die Anzahl der Trockentage sowohl langjährig als auch in allen Extremjahren an den Waldklimastationen die schon vorher warm-trockenen, tiefer gelegenen Gebiete Unter- und Mittelfrankens als Brennpunkt der Klimaerwärmung. In den dortigen Mittelgebirgen waren auch einzelne weitere Jahre extrem trocken.

Weiter im Süden schlägt die Trockenheit in einzelnen Extremjahren ebenfalls zu. In den Alpen sowie in den Hochlagen des Bayerischen Waldes war bisher keine Trockenheit zu bemerken. Die Wirkungen der Trockensommer sind im Wald angekommen. Neben den direkten Hitze- und Strahlungsschäden rufen vor allem die unmittelbaren und mittelbaren Folgen des Wassermangels sicht- und messbare Veränderungen und Schädigungen in den Wäldern hervor.

Blattschäden und vertrocknete Baumkronen, Vitalitätsstörungen und Zuwachsminderungen bis hin zum Absterben von Bäumen, häufig von Insektenkalamitäten sowie Pilzbefall begleitet, werden an den Messorten des Umweltmonitoring erfasst und dokumentiert. In einzelnen Trockenjahren und ihrem jeweiligen Folgejahr treten die Zusammenhänge an besonders betroffenen Waldklimastationen wie Ebrach in vielen Wirkungsgrößen deutlich in Erscheinung.

Das Monitoring verdeutlicht den raschen Wandel der aktuellen Umwelt- und Standortbedingungen und liefert einen Beitrag zur Frage der Baumarteneignung und der Anpassungsfähigkeit der Wälder an den Klimawandel.