Wasserversorgung forstlicher Standorte im Klimawandel beurteilen - LWF aktuell 135
von Dr. Wendelin Weis, Dr. Axel Wellpott und Wolfgang Falk

Bayern ist durch einen deutlichen Klimagradienten geprägt mit kühl-feuchten Bedingungen in den Alpen und den Mittelgebirgen und den wärmsten und trockensten Regionen in Unterfranken. Dabei haben sich die Klimabedingungen in den letzten Jahrzehnten bereits deutlich verändert (Abbildung 2): Werden die Klimanormalperioden 1961–1990 und 1991–2020 miteinander verglichen, erreichte der mittlere Temperaturanstieg in Bayern 1,2 °C (von 7,4 auf 8,6 °C). Das vergangene Jahrzehnt (2011–2020) lag mit 9,1 °C nochmal 0,5 °C höher. Die langfristigen Mittel der Jahresniederschlagssummen veränderten sich in den Zeiträumen 1961–1990 und 1991–2020 dagegen in Bayern kaum (933 und 934 mm). Die Häufung von Trockenperioden in den vergangenen Jahren zeigte sich aber in einem Absinken des bayernweiten Durchschnitts auf 873 mm für die Jahre 2011–2020. Hohe Temperaturen und geringe Niederschläge treffen dabei vor allem in den tiefliegenden Gebieten Unter- und Mittelfrankens aufeinander. Auch in der Mitte Bayerns lassen sich steigende Temperaturen und abnehmende Niederschläge erkennen. Weite Teile der bayerischen Mittelgebirge und Alpen zeigen zwar ebenfalls einen Temperaturanstieg, die dort deutlich höheren Niederschlagswerte reduzieren das Risiko sehr trockener Sommer aber deutlich.

Temperatur- und Niederschlagsentwicklung reichen nicht aus, um den Wasserhaushalt im Wald angemessen beurteilen zu können – selbst unter Hinzunahme weiterer Klimagrößen würden wichtige Einflussfaktoren fehlen. Hierzu gehört zum einen der Wald selbst, der über Baumart und Bestandsentwicklung den Wasserbedarf bestimmt. Zum anderen spielt der Boden eine wesentliche Rolle, da dort die Bäume über ihre Wurzeln das Wasser aufnehmen. Durch Zwischenspeicherung von Niederschlagswasser im durchwurzelten Boden kann die Wasserversorgung auch während längerer regenfreier Perioden aufrechterhalten werden. Dabei gibt es große Unterschiede hinsichtlich der Menge an pflanzenverfügbarem Wasser, das im Boden gespeichert werden kann, und der Geschwindigkeit, mit der Wasser im Boden versickert.

Der kombinierte Einfluss von Klima, Bestand und Boden auf den Wasserhaushalt kann am besten mit Hilfe von Wasserhaushaltsmodellen abgebildet werden. In unseren Arbeiten verwenden wir LWF­-Brook90 (Hammel & Kennel 2001). Dieses Modell ist zwar eindimensional, aber es gibt wichtige klimatische und bodenphysikalische Gesetzmäßigkeiten logisch richtig wieder und wurde an vielen Flächen des intensiven forstlichen Monitorings geprüft. Mitberücksichtigt werden auch Hangneigung und Exposition, so dass beispielsweise südseitige Hanglagen höhere Verdunstungsraten aufweisen. Die für die Modellierung des Wasserhaushalts forstlicher Standorte in Bayern nötigen Bodendaten (Lagerungsdichte, Textur und Skelettgehalte der einzelnen Bodenhorizonte) stammen aus Analysen von Bodenprofilen, die den entsprechenden Bodeneinheiten von Standortstinformationssystemen zugeordnet wurden. In Bayern stehen hier zwei Möglichkeiten zur Verfügung: (1) das hinsichtlich der Auflösung von Einzelstandorten etwas gröbere Bayerische Standortsinformationssystem BaSIS (Beck & Kölling 2013) und (2) die forstliche Standortkartierung, die allerdings regionalspezifisch durchgeführt wurde und vor einer bayernweiten Anwendung vereinheitlicht werden muss (Weis et al. 2018).

Abb. 2: Jahresmitteltemperatur in °C (oben) und Jahresniederschlagssumme in mm (unten) der Klimanormal­perioden 1961–1990 und 1991–2020 sowie für das vergangene Jahrzehnt (2011–2020) (© LWF)

Abb. 3: Parameter und Klasseneinteilung zur Bildung von Standortseinheiten für die Wasserhaushaltsberechnung (© LWF)

Eine bayernweit einheitliche Modellierung muss über standardisierte Bestände erfolgen, da nur so der Standortsfaktor Wasserhaushalt vergleichbar und unabhängig von der aktuellen Bestandssituation dargestellt werden kann. Bereits bei der Überprüfung des Wasserhaushaltsmodells an Einzelflächen wurden die Hauptbaumarten Fichte, Kiefer, Buche und Eiche einbezogen. Ein grundlegender Unterschied zwischen Nadel- und Laubwald wurde dabei deutlich: immergrüne Nadelwälder zeigen trotz geringerer Transpiration auf Grund der intensiven Interzeptionsverdunstung eine höhere Gesamtverdunstung. Um sowohl die hohe Gesamtverdunstung der Nadelwälder als auch die intensive Transpiration von Laubwäldern in den Sommermonaten zu berücksichtigen, erfolgt die endgültige Darstellung des Wasserhaushalts als Mittelwert der Ergebnisse für Buche und Fichte und damit in einer einzigen Wasserhaushaltskarte für die Forstpraxis.

Die Einteilung der Standorte in Wasserhaushaltsklassen ergab sich über das Verhältnis der durch Bodenaustrocknung reduzierten tatsächlichen Transpiration zur potenziell, also bei uneingeschränkter Wasserversorgung möglichen Transpiration. Dieser Stressindikator kann prinzipiell für jede zeitliche Auflösung berechnet werden. Zur Charakterisierung des Standortsfaktors Wasserhaushalt empfiehlt sich die Mittelung über längere Zeiträume. In Anlehnung an die aus der Meteorologie bekannten Klimanormalperioden wurden hier 30 Jahre angesetzt. Die sieben Wasserhaushaltsklassen (Abbildung 4) ergeben einen Gradienten von Standorten völlig ohne Wasserstress (sehr frisch) bis hin zu solchen mit ständigem Trockenstress (sehr trocken). Um auch bei günstiger Wasserversorgung eine ausreichende Differenzierung zwischen den Standorten zu gewährleisten, wurden dort die Klassengrenzen enger gewählt, im Trockenen weiter (Weis et al. 2020).

Abbildung 4 zeigt links und in der Mitte die Ergebnisse der Wasserhaushaltsbeurteilung in Bayern für die Klimanormalperioden 1961–1990 und 1991–2020. Deutlich zu erkennen ist, dass die Klima­änderung bisher vor allem im nördlichen Bayern zu trockeneren Verhältnissen führte. Südlich der Donau und in Teilen der Mittelgebirge gewährleisten die vergleichsweise hohen Niederschläge weiterhin eine im Mittel ausreichende Wasserversorgung. Allerdings änderte sich auf 57 % der bayerischen Waldfläche die Wasserhaushaltsklasse in Richtung trockener. Der Flächenanteil mäßig trockener, trockener und sehr trockener Standorte stieg von 10 auf 19 %, während sehr frische Standorte von 32 auf 16 % abnahmen.

In Diskussionen mit der Forstpraxis wurde der Wunsch deutlich, auch kürze Perioden, insbesondere das vergangene Jahrzehnt, darzustellen (Abbildung 4 rechts). Vielerorts wurden in diesem Zeitraum neue Hitzerekorde erreicht und außergewöhnlich lange niederschlagsfreie Perioden im Sommer registriert. Neben der generellen weiteren Verschiebung der Wasserhaushaltsklassen ins Trockene fallen nun auch im Süden Bayerns größere Standortskomplexe mit eingeschränkter Wasserversorgung auf, besonders auf flachgründigen und skelettreichen Böden wie in Teilen der Münchner Schotterebene.

Abb. 4: Veränderung der neu erstellten, objektiven und klimadynamischen Wasserhaushaltsklassen durch den Klimawandel. Gezeigt sind die Klimanormalperioden 1961–1990 und 1991–2020 sowie das vergangene, regional sehr trockene Jahrzehnt (2011–2020) (© LWF)

Hinzu kommt, dass für manche Standorte das Trockenstressrisiko durch Zufluss von Grund- oder Hangzugwasser deutlich verringert wird. Gerade die warm-trockene Region Unterfrankens weist einen bedeutenden Anteil an Grundwasserstandorten im Wald auf. Hohe Verdunstungsraten können hier aus dem anstehenden Grundwasser gedeckt werden. Allerdings führen langanhaltende Trockenperioden auch zu einem lokalen oder auch regionalen Absinken der Grundwasserstände, was die Wasserversorgung im Wald verändern kann. Da das Grundwasser durch kapillaren Aufstieg in den Wurzelraum gelangt, spielt auch hier die Bodenart eine wesentliche Rolle, da sie Aufstiegshöhe und -geschwindigkeit bestimmt. An einer modellhaften Umsetzung dieser Verhältnisse wird gegenwärtig gearbeitet.

Eine weitere Besonderheit bei der Frage des Wasserhaushalts ist die adäquate Darstellung von Standorten, die ganzjährig oder zeitweise Wassersättigung im Boden zeigen, so dass die Luftversorgung der Wurzeln eingeschränkt wird. Sofern hierzu ausreichende Informationen aus der Beschreibung der Bodeneinheit und den Bodenprofilanalysen vorliegen, werden solche Verhältnisse auch im Wasserhaushaltsmodell nachgebildet. Wechselfeuchte (stark, mäßig und schwach) wird ausgewiesen, wenn im Modell Böden mehr als 20 Tage im Jahr in den drei Tiefen 0–30 cm, 30–60 cm und 60–90 cm mit Wasser gesättigt sind. Der Vorteil der modellhaften und damit auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten basierenden Vorgehensweise ist auch hier die Berücksichtigung von Klimaveränderungen, insbesondere von Änderungen in der Niederschlagsmenge und -verteilung. Zunächst staunasse Standorte können bei langfristig geringeren Regenfällen auch wieder ausreichende Luftversorgung für die Baumwurzeln gewährleisten. Schwierig ist die Abbildung solcher Verhältnisse allerdings, wenn stauende Bodeneigenschaften nicht durch die verfügbaren Bodenprofildaten gestützt werden oder in einer Bodeneinheit kleinräumig wechseln. Auf Wunsch der Forstpraxis wird gegenwärtig versucht, Trockenstress- und Staunässerisiko ähnlich wie in der forstlichen Standortskartierung gemeinsam in einer Karte darzustellen.

Ergebnisse der Wasserhaushaltsmodellierungen für Klimaszenarien zeigten dementsprechend sehr unterschiedliche Entwicklungen. Prognosen, die leicht ansteigende Regenfälle vorhersagen, ergaben bei moderater Temperaturerhöhung nur geringe Änderungen im Wasserhaushalt. Modellkombinationen, die generell oder zumindest im Sommer von geringeren Nie­derschlagsmengen ausgehen, führten dagegen rasch zu sehr trockenen Verhältnissen in weiten Teilen Bayerns. Insgesamt muss bayernweit von einer Verschlechterung der Wasserversorgung im Wald ausgegangen werden. Messdatenbasiert kann unser Verfahren zur Beurteilung des Standortswasserhaushalts solche Veränderungen durch fortlaufende Wasserhaushaltsmodellierung nachzeichnen und mitberücksichtigen. Entscheidungen zu Bewirtschaftungsformen und Baumartenwahl bekommen so neben rein klimatischen Ansätzen eine weitere Entscheidungsgrundlage. Dieser Ansatz berücksichtigt sowohl den schnell fortschreitenden Klimawandel als auch die statischen Standortseigenschaften Gelände, Boden und Grundwasser.