Wendelin Weis, Stephan Raspe und Thomas Schäff
Nährstoffhaushalt und Biomassenutzung - LWF-aktuell 108

Wie aber kann das Nährstoffangebot am Standort abgeschätzt werden? Abbildung 1 zeigt schematisch die wichtigsten Wege der Nährstoffe im Ökosystem Wald. Nährstoffeinträge aus der Atmosphäre und die Nährstofffreisetzung durch Verwitterung im Boden erhöhen dabei das Nährstoffangebot. Dagegen führen die Auswaschung mit dem Sickerwasser und der Export der in der Biomasse enthaltenen Nährstoffe bei der Holzernte zu einer Verringerung der verfügbaren Nährelemente. Ein Entzug von Nährstoffen erfolgt auch bei der Brennholznutzung durch Selbstwerber und durch den Abtransport von Ernterückständen aus Gründen der Forsthygiene oder um den Waldboden zum Beispiel für spätere Pflanzungsmaßnahmen besser begehbar zu halten. In der Vergangenheit erfuhren Wälder auch durch intensive Nutzung der Streu hohe Nährstoff­entzüge.

Laufend werden Nährstoffe zwischen Pflanzen und Boden ausgetauscht. Streufall und im Wald verbleibender Schlagabraum speisen den Humuskörper auf und im Boden. Durch Mineralisation, also die Zersetzung toten Pflanzenmaterials durch Bodentiere, Pilze und Bakterien, werden die darin enthaltenen Nährelemente freigesetzt und können so von den Bäumen wieder aufgenommen werden. Eine Nährstoffbilanz stellt die Nährstoffeinträge den Nährstoffverlusten gegenüber. Wegen der Unregelmäßigkeit der Holzerntemaßnahmen sind bei Wäldern längere Zeiträume für eine Bilanzierung sinnvoll.

Aus der Atmosphäre werden Nährstoffe mit dem Niederschlagswasser in das Ökosystem Wald eingetragen. Neben Klima, Baumart und Waldstruktur hängt ihre Menge ab von der regionalen und überregionalen Emission von Stoffen wie Schwefel- und Stickoxiden aus Verkehr und Industrie oder Ammoniak und Düngemittelstäuben aus der Landwirtschaft. Gleichzeitig erfolgt im Boden eine Freisetzung von Nährelementen durch Verwitterung. Dabei werden Minerale, also der Hauptbestandteil der festen Bodensubstanz, im Laufe der Zeit langsam gelöst oder umgebildet. Ihre chemische Zusammensetzung und ihre Stabilität gegenüber Verwitterungsprozessen sind ausschlaggebend für die Menge an Nährstoffen, die freigesetzt werden. Von den wichtigsten Pflanzennährelementen gelangt Stickstoff zunächst nur über die Deposition mit dem Niederschlag aus der Atmosphäre in den Waldboden. Phosphor, Calcium, Magnesium und Kalium werden sowohl aus der Atmosphäre eingetragen als auch durch Verwitterung freigesetzt.

An den bayerischen Waldklimastationen werden seit über zwei Jahrzenten atmosphärische Stoffeinträge, Klimaparameter und Elementkonzentrationen im Sickerwasser gemessen. Zusätzlich liegen Informationen zu Wasserhaushalt, Wachstum, Mineralogie, Bodenchemie und -physik vor. Für 18 der 23 Stationen erlaubte die Datenlage eine Berechnung der Freisetzungsraten von Nährstoffen im Boden mit dem chemischen Verwitterungsmodell PROFILE (Sverdrup und Warfvinge 1993). Diese Flächen eignen sich hervorragend, um Bilanzen zur Folgenabschätzung von Nährstoffexporten durch forstliche Nutzung darzustellen.

Abbildung 2 zeigt die im Mittel der letzten 20 Jahre an den einzelnen Waldklimastationen zur Verfügung stehenden Mengen an Calcium, Magnesium und Kalium im Vergleich zum Nährstoffbedarf eines gut wüchsigen Fichtenbestands. Während die Nährstoffeinträge mit dem Niederschlag (Deposition) nur geringe Unterschiede aufweisen, reichen die Freisetzungsraten der Verwitterung im Wurzelraum über mehrere Größenordnungen.

Auf Standorten mit Carbonatgestein (Kalk oder Dolomit) dominiert für Calcium und Magnesium die Verwitterung das Nährstoffangebot. Dasselbe gilt für eine Reihe basenreicher Standorte, also Böden mit hohen Mengen an Calcium, Magnesium und Kalium, die austauschbar und damit für Bäume leicht verfügbar gespeichert sind. Auf basenarmen Böden muss dagegen, außer nach Waldkalkung, der Bedarf an Calcium, teilweise auch der an Magnesium und Kalium, hauptsächlich durch die Deposition gedeckt werden. Betroffen sind Standorte der ostbayerischen Mittelgebirge und Sandböden wie zum Beispiel bei Altdorf (ALT, Großraum Nürnberg) oder Bodenwöhr (BOD, Oberpfälzer Becken).

Der Ernteentzug ist für zwei Varianten dargestellt: Bei ausschließlicher Nutzung von Derbholz mit Rinde verbleibt das Kronenmaterial am Standort. Bei Vollbaumnutzung erfolgt zusätzlich die Ernte des Kronenmaterials in der Regel zur Erzeugung von Hackschnitzeln. Bei beiden Varianten wurden 10% Ernteverluste berücksichtigt. Die Werte gelten für gutwüchsige Fichtenbestände mit Oberhöhen im Alter 100 zwischen 34 und 38 m bei niedriger, aber noch ausreichender Nährstoffversorgung.

An den meisten Waldklimastationen ist das Nährstoffangebot durch Deposition und Verwitterung ausreichend, um Exporte mit der Derbholzernte zu kompensieren. Deutlich wird die Auswirkung der Kronennutzung auf den Nährstoffhaushalt. Auf basenarmen Standorten liegt die Nährstoffbereitstellung für mindestens ein Element unterhalb des Exports bei Vollbaumernte. Ausreichend ist das Nährelementangebot an allen Stationen für die Nutzung von Derbholz mit Rinde. Das Ergebnis hat nur einen Haken. Ein wichtiges Glied der Nährstoffbilanz fehlt. Bisher nicht berücksichtigt wurden die Nährelementverluste, die mit dem Sickerwasser aus dem Wurzelraum der Bäume ausgewaschen werden.

Noch vor wenigen Jahren war der Begriff »Saurer Regen« in aller Munde. Die hohen Emissionen von Schwefel- und Stickoxiden aus Verbrennungsprozessen in Industrie, Verkehr und privaten Haushalten führten zusammen mit den Ammoniak-Emissionen der Landwirtschaft zu einer Überfrachtung der Wälder mit Schwefel und Stickstoff. Die Schwefeldeposition erreichte zwischen 1970 und 1980 ihr Maximum (Abbildung 3 oben), sank seitdem aber dank effektiver Filteranlagen und der Einführung schwefelarmer Treibstoffe auf weniger als ein Viertel.

Die Stickstoffeinträge konnten dagegen weit weniger abgesenkt werden. Nach wie vor werden durchschnittlich etwa 15kg Stickstoff pro Hektar und Jahr in die bayerischen Wälder eingetragen – je zur Hälfte als Ammonium- und Nitratstickstoff. Folge ist ein vielerorts anhaltend hoher Sickerwasseraustrag von Sulfat und mancherorts – zum Beispiel an der Waldklimastation Höglwald (HOE) – auch von Nitrat (Abbildung 3 unten). Da diese starken Anionen von Kationen begleitet werden, kommt es so auch zu Verlusten an Calcium, Magnesium und Kalium. Auf Carbonat haltigen Böden gleicht die Verwitterung von Kalk und Dolomit diese Verluste aus. Andere Standorte reagieren mit einer Abnahme der im Humus oder austauschbar im Boden gespeicherten Vorräte.

Für die meisten Waldklimastationen auf den nicht von Carbonat beeinflussten Standorten ist die Nährstoffbilanz für gutwüchsige Fichtenbestände daher selbst bei einem Verzicht auf ­Kronennutzung nicht mehr ausgeglichen. Auf den Waldklimastationen Schongau (SOG, Parabraunerde aus Altmoränenmaterial), Höglwald (HOE, Parabraunerde aus Löss), Rothenbuch (ROT, Braunerde aus Buntsandstein) und Bodenwöhr (BOD, Braunerde aus Kreidesanden mit lehmigen Horizonten) liegen die durch Überfrachtung mit Schwefel und Stickstoff erzeugten Verluste an Calcium und/oder Magnesium sogar höher als das Nährstoffangebot durch Deposition und Verwitterung. Langfristig werden diese Standorte an Wuchskraft verlieren.

Eine Nährstoff schonende Bewirtschaftung kann hier helfen, das Erbe des Sauren Regens abzumildern. Aber auch auf den vom Sauren Regen wenig beeinträchtigten Carbonatstandorten kann nicht bedenkenlos nährstoffreiches Material entzogen werden. Hier ist vor allem der wichtige, aber kaum durch Bilanzierung erfassbare Phosphor kritisch. Auf flachgründigen Kalk- und Dolomitböden vor allem in den Alpen wird das Wachstum häufig durch Phosphormangel eingeschränkt (Göttlein et al. 2014). Teilweise ist hier sogar das Stickstoffangebot nicht ausreichend (Mellert und Ewald 2014). Beide Nährstoffe sind in noch höherem Maße im Kronenmaterial konzentriert als Calcium, Magnesium und Kalium, weshalb sich eine Kronennutzung umso stärker auswirkt.

Was aber passiert auf Standorten, an denen das Nährstoffangebot nicht für ein optimales Wachstum bestimmter Baumarten ausreicht? Zunächst können die Bäume durch Nährstoffeinsparung bei gleichbleibender Produktivität reagieren. Dies erfolgt über niedrigere Nährstoffgehalte in der neu produzierten Biomasse, teilweise auch über Nährstoffverlagerung im Baum. Werden minimale Nährstoffanforderungen nicht mehr gedeckt, verlangsamt sich das Wachstum. Unter Umständen führt ein hoher Export von Kronenmaterial also zu späteren Einbußen in der Produktion des sehr viel wertvolleren Stammholzes.

Bei weiterer Einschränkung des Nährstoffangebots werden sich durch natürliche Konkurrenz oder durch aktive forstliche Maßnahmen Baumarten mit geringeren Nährstoffansprüchen durchsetzen. Abbildung 4 zeigt die Größenordnungen möglicher Nährstoffeinsparung für die Hauptbaumarten Bayerns. Die Produktivitätsstufen orientieren sich dabei in 4m-Schritten an der Oberhöhenbonität im Alter 100. Abgeleitet sind sie aus Daten der dritten Bundeswaldinventur und decken so den Bereich deutscher Wälder gut ab. Die verwendeten Biomasse- und Nährstoffdaten stammen aus verschiedenen Biomasseprojekten mit Schwerpunkt in Bayern und Rheinland-Pfalz. Für die Blattspiegelwerte wurden zusätzlich Daten der deutschen Level 2-Flächen und der zweiten Bodenzustandserhebung verwendet.

Deutlich zu sehen ist der im Vergleich zur Biomasse hohe Nährelementanteil im Kronenmaterial. Im Baumartenvergleich zeigt die Kiefer die geringsten Nährstoffansprüche, allerdings bei geringerer Biomasseproduktion. Der Nährelementbedarf der Laubbaumarten ist deutlich höher, wobei die Buche etwas anspruchsvoller ist als die Eiche. Grund ist vor allem der höhere Nährelementgehalt in Holz und Rinde. Auffällig ist der hohe Calciumgehalt in der Eichenrinde. Durch Absenken der Nährelementgehalte auf niedrige, aber noch ausreichende Werte können die Bäume ihren Nährstoffbedarf gegenüber den Durchschnittswerten auf etwa 70% reduzieren. Auf etwa 80% sinkt der Nährelementbedarf, wenn das Wachstum um eine Stufe abnimmt, also die Oberhöhenbonität im Alter 100 um 4 m niedriger liegt. An den Waldklimastationen führt das jeweilige Nährstoffangebot zu Unterschieden in der Wuchsleistung und teilweise in der Baumartenwahl.

Die nährstoffarmen, sandigen Böden der Stationen Bodenwöhr (BOD) und Altdorf (ALT) tragen nur mattwüchsige Kiefernbestände mit einer Oberhöhe im Alter 100 von 23 und 22m. Auch auf den basenarmen Mittelgebirgsstandorten kommen nur mäßigwüchsige Fichtenbestände (Oberhöhenbonität 27 bis 28) oder Buchenbestände am unteren Bonitätsrand vor. Überdurchschnittliches Wachstum ­findet sich auf basenreichen Böden. Hier erreichen ­Fichtenbestände an den Stationen Höglwald (HOE) und Zusmarshausen (ZUS) auf Lösslehmen des Tertiärhügellands Oberhöhen von 37m. Der Buchenbestand bei Schongau (SOG) auf Altmoränenmaterial zeigt ebenfalls höchste Wuchsleistung. Mittelfristig können hier jedoch auf Grund der hohen Nährstoffverluste mit dem Sickerwasser Zuwachsrückgänge auftreten. Beste Bonität zeigen die Eichenbestände auf Malmkalk mit Alblehmüberdeckung (Station Riedenburg, RIE) und auf Carbonat führenden Böden im Keuper (Würzburg, WUE und Ebrach, EBR). Dagegen scheint die Wuchsleistung in Südbayern bei starkem Einfluss von Carbonat bereits gebremst. Hier wirkt unter Umständen schon die eingeschränkte Phosphorverfügbarkeit kalkreicher Böden wachstumshemmend. Im Ebersberger Forst (EBE) auf Niederterrassenschottern erreichen die Fichten noch eine Oberhöhe von 34m, auf Carbonatböden im Flyschgürtel der Alpen dagegen nur noch 31m (Stationen Kreuth, KRE und Sonthofen, SON). Klimatische Einflüsse können hier wie an anderen Standorten auch natürlich den Bezug zwischen Wuchsleistung und Nährstoffangebot überdecken.