Altes Wasser, neue Erkenntnisse

Marius Floriancic l?uft mit schnellem Schritt einen schmalen Trampelpfad entlang, immer tiefer in den Wald hinein. Es ist feucht und k¨¹hl an diesem Donnerstagmorgen Ende April; in der Nacht zuvor hat es geregnet und vereinzelt tropft noch Wasser von den Baumkronen.Nach wenigen Minuten m¨¹ndet der Trampelpfad in eine Lichtung mit mehreren m?chtigen Buchen und Fichten.

Es sind jedoch weniger die B?ume, die hier ins Auge stechen, sondern die Elektronik und Technik, die an den Baumst?mmen festgezurrt oder auf dem Waldboden installiert ist. Farbige Kabel h?ngen ¨¹ber den ?sten und verbinden Sensoren mit aufladbaren Batterien, die in wasserdichten K?sten versteckt sind.

?Das hier ist das Herz unseres Hydrologieexperiments im Waldlabor?, erkl?rt der Forscher mit strahlenden Augen und sichtlich erfreut ¨¹ber diese wissenschaftliche Spielwiese, die er in den vergangenen f¨¹nf Jahren gemeinsam mit seiner Gruppe aufgebaut hat. ?Von meinem B¨¹ro auf dem 365ÌåÓý¹ÙÍø_365ÌåÓý±¸Óá¾ÊÖ»úÔÚÏß¡¿ H?nggerberg habe ich etwa f¨¹nf Minuten hierhin?, sagt Floriancic, Oberassistent am ETH-Institut f¨¹r Umweltingenieurwissenschaften, das Teil des Departements Bau, Umwelt und Geomatik ist.

Die Studierenden und Doktorierenden k?nnen f¨¹r Messungen oder neue Experimente jederzeit spontan in den Wald gehen. ?Das ist weltweit einzigartig. Sonst liegen zwischen Hochschulen und Versuchsanlagen in W?ldern oft mehrere Stunden Fahrt.?. Insofern sei das Waldlabor auch ein Gl¨¹cksfall f¨¹r die m?glichst praxisnahe Ausbildung an der ETH, die in Zukunft von der Professur f¨¹r Hydrologie und Flusssystemwissenschaften unter Paola Passalacqua weiter intensiviert werden soll.

Der Fingerabdruck des alten Wassers

Der Forscher zeigt auf einige Saugkerzen, die neben einer Buche im Boden eingelassen sind. ?Die damit erstellte Messreihe ist der gr?sste Stolz unseres Labors.? ?ber Unterdruck ziehen die Kerzen Wasser aus 10, 20, 40 und 80 Zentimeter Tiefe. Gleichzeitig zieht ein sogenannter Freeflow-Sampler Proben von fliessendem Wasser aus unterschiedlichen Bodentiefen.

In den vergangenen f¨¹nf Jahren wurden jede Woche solche Bodenwasserproben auf stabile Isotope analysiert, was R¨¹ckschl¨¹sse auf Alter, Herkunft und die involvierten hydrologischen Prozesse zul?sst. Das Ergebnis ist ein eindeutiger ?Fingerabdruck? des Wassers.

Die Daten best?tigen, was unter Hydrologen als das ?Alte Wasser-Paradox? bekannt ist: In den Bodenproben findet sich vor allem ?altes Wasser?, das seit Monaten oder Jahren im Boden gespeichert ist, und nur sehr wenig neues Wasser aus k¨¹rzlich gefallenen Niederschl?gen. Eine Messreihe mit Proben zwischen April 2020 bis April 2023 zeigt: Selbst in zehn Zentimetern Bodentiefe sind nur ein Drittel des gespeicherten Wassers j¨¹nger als drei Wochen. ?Die Bodenhydrologie im Wald war lange Zeit eine Blackbox?, sagt Floriancic. ?Solche Messreihen sind deshalb f¨¹r die gesamte Forschungsgemeinde wichtig.? Noch dieses Jahr sollen s?mtliche Daten der vergangenen f¨¹nf Jahre ver?ffentlicht und Forschenden frei zur Verf¨¹gung gestellt werden.

Rund 200 Meter unterhalb der Lichtung mit all den Lysimetern, Wetterstationen, Boden- und, Drucksonden fliesst der Holderbach. Dort hat Floriancic's Team am Ufer einen Autosampler installiert, der alle sechs Stunden eine Wasserprobe nimmt. Die Proben werden ebenfalls auf stabile Isotope analysiert.

?Auch hier zeigt sich das Alte Wasser-Paradox?, erz?hlt der Umweltingenieur. Selbst nach einem heftigen Gewitter sei der Grossteil des Wassers im Holderbach ?lter als einen Monat. Und ¨¹ber ein Jahr hinweg seien lediglich 14 Prozent des Abflusses j¨¹nger als einen Monat. Der Rest kommt aus dem Boden, wo das Wasser mindestens einen Monat lang gespeichert war.

Mit Kolleginnen und Kollegen der Universit?t f¨¹r Bodenkultur Wien (BOKU) hat Floriancic Wasserproben von 32 Einzugsgebieten in den Alpen untersucht. Das Ergebnis: Durchschnittlich 93 Prozent des abfliessenden Wassers in den Alpenfl¨¹ssen war ?lter als einen Monat. Nur ein geringer Teil stammte aus aktuellen Regenf?llen und der Schneeschmelze. ?Solange die Poren im Boden mit altem Wasser gef¨¹llt sind, versickert neues Wasser ¨¹ber Wurm- oder Wurzell?cher rasch in die Tiefe und ins Grundwasser?, erkl?rt Floriancic. Solche Erkenntnisse k?nnen Hochwasserschutz-Planungen verbessern.

Regenarme Winter sind verheerend

Floriancic zeigt auf eine spiralf?rmige Rinne, die entlang eines Buchenstammes mit schwarzem Klebeband befestigt ist. Am Ende ein Schlauch, der mit einem transparenten Plastikkanister verbunden ist. ?Wir basteln hier vieles selbst, denn f¨¹r diese Art von Forschung gibt es oft keine Standardmessger?te.? Mit der Installation wird das Wasser aufgefangen, das von der Baumkrone entlang des Stammes hinunter zum Boden fliesst.

Messungen zeigen: Weil das Bl?tterdach fehlt und die Verdunstungsverluste geringer sind, ist dieser Fluss im Winter deutlich h?her als im Sommer. Der Waldboden wird haupts?chlich im Winter mit Wasser versorgt, vor allem im Bereich von zehn bis 80 Zentimetern Tiefe. Und dies obschon durchschnittlich 60 Prozent des Regens im Sommer fallen. Regenarme Winter setzen den B?umen besonders zu, weil der Boden zu wenig Wasser speichern kann f¨¹r die heissen Sommertage.

Aber nicht nur das Bl?tterdach, sondern auch die Bodenbedeckung ist f¨¹r die Waldhydrologie von Bedeutung. Je nach Beschaffenheit tr?gt sie viel zu einem feuchten Mikroklima im Wald bei, ist aber auch daf¨¹r verantwortlich, dass weniger Wasser in den Boden gelangt.

Um diesen Effekt nachzuweisen, haben die Forschenden mehrere quadratische Bodenparzellen mit einem Metallrahmen eingefasst und unterirdisch mit Sensoren best¨¹ckt. Einige Quadrate sind mehrere Zentimeter hoch mit organischem Material, wie Bl?tter, Nadeln und Zapfen bedeckt. Andere sind unbedeckt und der Boden liegt frei.

?Lange gingen Hydrologen davon aus, dass etwa drei bis vier Prozent der Niederschl?ge in der Bodenbedeckung zur¨¹ckgehalten werden ¨C und diese Schicht damit weitgehend vernachl?ssigbar ist?, erz?hlt Floriancic. Seine Messungen ergaben jedoch ein anderes Bild: Rund 18 Prozent des Niederschlags wird in der Streuschicht und im Totholz gespeichert. Rechnet man die rund 20 Prozent des Niederschlags hinzu, die in den Bl?ttern der Baumkronen h?ngen bleiben und wieder in die Atmosph?re verdunsten, so gelangen von 1000 Millimeter Niederschlag nur 600 Millimeter tats?chlich in den Boden. ?Insofern ist der Waldboden deutlich trockener als wir lange Zeit gedacht hatten.?

?Scholander-Bombe? misst das Wasserpotenzial

Um besser zu verstehen, wie B?ume Wasser aufnehmen und transportieren, hat Floriancics Team an mehreren St?mmen Saftfluss-Sensoren installiert. Mit zwei miteinander verbundenen F¨¹hlern, die im Baumstamm stecken, wird der Temperaturgradient gemessen, wor¨¹ber sich der Wasserfluss im Stamm berechnen l?sst. Zugleich misst ein Dendrometer kontinuierlich den Umfang des Baums und registriert, wenn sich dieser bei der Wasseraufnahme ausdehnt oder bei der Transpiration wieder zusammenzieht.

F¨¹r zus?tzliche Tests steht im Wald sogar eine Art Laborkapelle. In einem verschlossenen grauen Kasten, der an einen Baum gekettet ist, verbirgt sich eine Scholander-Bombe, ein schweres Messger?t, das an eine Sauerstoffflasche angeschlossen ist. Damit bestimmen die Forschenden das Wasserpotenzial im Blatt, was R¨¹ckschl¨¹sse auf den Trockenstress eines Baumes zul?sst.

?Buchen und Fichten sind sehr unterschiedliche Charaktere?, sagt Floriancic. Die Buche gehe verschwenderisch mit dem Wasser um und halte die Spalt?ffnungen auf ihren Bl?ttern f¨¹r die Photosynthese lange offen. Fichten hingegen schliessen ihre Spalt?ffnungen bei Trockenstress fr¨¹her, um Wasser zu sparen. Dadurch betreiben sie aber automatisch auch weniger Photosynthese. Diese ist jedoch f¨¹r das Wachstum und die Vitalit?t des Baumes entscheidend.

Floriancic zeigt auf vier gelbe Einfassungen, die vor einer hohen Fichte aus dem Boden ragen, geht in die Hocke und hebt eine der Abdeckungen hoch. Darunter liegt eine Wurzel, die ein spezialisiertes Unternehmen m?glichst schonend freigelegt hat. Sie ist mit einem Saftflussmeter und Dendrometer best¨¹ckt.

Die gesammelten Daten sollen helfen, die Wasserdynamik in der Wurzel besser zu verstehen. Im Januar hat Stefano Martinetti, einer von Floriancic's Doktoranden, erste Ergebnisse aus diesen Messungen ver?ffentlicht: B?ume nehmen mit zunehmender Bodentrockenheit weniger Wasser ¨¹ber die oberfl?chennahen Wurzeln auf und aktivieren stattdessen tiefere Wurzeln.

Zudem zeigt sich in den Wasserisotopen wiederum das Alte Wasser-Paradox. ?Selbst in sehr nassen, regenreichen Sommern finden wir in den Wurzeln und ?sten vor allem altes Winterwasser?, sagt Floriancic. Das Sommerwasser werde vorwiegend von Oberfl?chen verdunstet und von den Gr?sern und Str?uchern aufgenommen, die deutlich weniger tiefe Wurzeln schlagen.

Bodenqualit?t ist f¨¹r Wasserspeicherung zentral

Das ?ffentliche Interesse an der hiesigen Forschung sei gross, sagt Floriancic. Oft f¨¹hre er nicht nur Studierende durch das Waldlabor, sondern auch F?rsterinnen und F?rster. ?Obwohl wir hier Grundlagenforschung betreiben.? Eine der ersten Fragen der F?rsterinnen und F?rster sei, welche B?ume angesichts der Klimakrise in Zukunft ¨¹berlebensf?hig seien. Darauf antwortet Floriancic, dass die Forschung keine eindeutigen Antworten habe; die Forschungsergebnisse zu zukunftstr?chtigen Baumarten seien noch begrenzt.

Dennoch kann er einige praxisrelevante Erkenntnisse aus f¨¹nf Jahren Forschung vermitteln: ?Der Bodenaufbau und die Bodenqualit?t sind zentral f¨¹r die Wasserspeicherung. Je mehr organische Substanz im Boden ist, desto h?her ist die Speicherkapazit?t f¨¹r Wasser.? Insofern ist es nicht nur f¨¹r die Artenvielfalt wichtig, m?glichst viel Totholz im Wald zu belassen, sondern auch f¨¹r den Wasserhaushalt.

Wie systematische Messungen eines Studenten zeigen, bleibt darin viel Feuchtigkeit gespeichert. Zudem ist es f¨¹r den Wasserhaushalt vorteilhaft verschiedene Baumarten miteinander zu kombinieren, da ihre Wurzeln in unterschiedlichen Tiefen an das Bodenwasser gelangen und sich so weniger konkurrenzieren. Das heisst: Je gr?sser die Vielfalt im Wald, desto klimaresistenter ist er. Das ist f¨¹r einmal kein Paradox, sondern der offensichtliche Zusatznutzen einer hohen Biodiversit?t.