Auswirkungen von Waldsterben und Wiederaufforstung auf die Wasserqualität im Harz

Leitung: Prof. Dr. Michael Rode, Prof. Dr. Karin Frank, Dr. Rico Fischer

Mitarbeiter: Felix Sauke

Förderung: Deutsche Bundesstifung Umwelt (DBU)

Laufzeit: 01.01.2024 - 31.12.2026

Kontakt:  michael.rode@ufz.de , felix.sauke@ufz.de

Der Klimawandel und die damit einhergehenden Umweltveränderungen stellen eine gewaltige Bedrohung für die derzeit vorherrschenden Waldbestände dar, wobei im bundesweiten Vergleich die Mittelgebirgsregionen mit hohem Anteil an Fichten-Monokulturen, wie dem Harz, die höchsten forstlichen Schäden verzeichnen. Nach derzeitigem Stand sind etwa 75% der Fichten im Harz abgestorben mit teils drastischen Folgen für die Nährstoffeinträge und Trinkwasserqualität in den Talsperren. Für die Harzregion werden deshalb verschiedene Szenarien der Wiederaufforstung von Schadflächen diskutiert, z.B. Wiederaufforstung mit Nadelholz-Monokulturen, Wiederaufforstung durch Mischwald oder Selbstüberlassung der abgestorbenen Waldflächen mit anschließender Sukzession.
Dabei ist ungewiss, wie sich die Entwicklung neuer Waldgemeinschaften auf Bodennährstoffbilanzen und Nährstoffausträge auswirken. Abhängig von den Fließpfaden, die das Bodenwasser mit Grund- und Oberflächenwasser verbinden, beeinflusst der Bodennährstoffhaushalt des Waldes auch die Qualität wichtiger Wasserressourcen zur Trinkwassergewinnung. Das geplante Forschungsprojekt adressiert die Schnittstelle zwischen Waldentwicklung, Bodennährstoffdynamiken und Gewässerqualität und besitzt somit große Relevanz für praktische Maßnahmen zur Waldbewirtschaftung. Infolgedessen ist eine fundierte Vernetzung verschiedener Wissenschaftsbereiche am UFZ und anderer wissenschaftlicher Institute sowie Praxispartner in der Harzregion vorgesehen. Dabei ist besonders das Forstamt Oberharz des Landes Sachsen-Anhalt und der Talsperrenbetrieb Sachsen-Anhalt hervorzustellen.
Zur Bestimmung der Nährstoffausträge unter verschiedenen Aufforstungsszenarien beinhaltet das Forschungsvorhaben einen individuen-basierten räumlich-expliziten Modellansatz mit Simulation der Waldentwicklung und Bodennährstoffdynamiken aufgeforsteter Waldgebiete.
Im Zuge dessen soll das Waldwachstumsmodell FORMIND an drei Versuchsstandorten im Ostharz an das Bodenmodell Jena Soil Model gekoppelt werden. Das gekoppelte Modellsystem erlaubt dann die gleichzeitige Bewertung der Waldentwicklung und der Bodennährstoffdynamik. Die simulierten Modellergebnisse sollen mit Messdaten von allen Versuchsflächen in Bezug auf die Bodennährstoffbilanzen validiert werden.
Ein Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin Szenarienanalysen für verschiedene Klima- und Waldbewirtschaftungsszenarien durchzuführen. Mit diesen Szenarien sollen als Endprodukt des Projekts die Auswirkungen verschiedener Aufforstungsstrategien auf die Entwicklung von forstlicher Produktivität, Bodennährstoffbilanzen und Nährstoffausträgen durch oberiridischen und unterirdischen Abfluss (gelöste N und P Verbindungen sowie DOM) bis 2070 untersucht werden.

Ergebnisse

Erste Ergebnisse des Promotionsvorhabens weisen darauf hin, dass die Waldkalamitäten von 2018 - 2023 auf verschiedenen Testflächen hauptsächlich zu einer kurzfristigen Erhöhung der Stickstoffausträge bis 2025 führten während die Kohlenstoff- und Phosphorausträge kaum beeinträchtigt wurden. Entscheidende Prozesse waren hierbei der erhöhte Streufall, die erhöhte Net-Mineralisierung sowie die verringerte Pflanzenaufnahme in Kombination mit hoher Mobilität des anorganischen Stickstoffs in der Bodenlösung. Duch den Vergleich verschiedener Simulationen auf Testflächen des ICP Forests Netzwerks mit und ohne Waldkalamitäten (Standort Lange Bramke im Westharz fichtendominiert stark geschädigt, Standort Solling buchendominiert weniger stark geschädigt) konnte festgestellt werden, dass die starke Erhöhung der anorganischen Stickstoffkonzentrationen in der Bodenlösung sich nur auf der Testfläche mit Waldkalamitäten ergab (Standort Lange Bramke im Harz). Weitere
Simulationen einer Testfläche in der Altmark (Standort Klötze dominert durch Douglasie) ergaben allgemein erhöhte Konzentrationen des gelösten anorganischen Stickstoffs aufgrund erhöhter Nitrifizierungsraten und reduzierter Pflanzenaufnahme.

Durch die Modellierung von verschiedenen Wiederaufforstungsszenarien konnten vor Allem die Zuwachsraten, die Pflanzenaufnahme und der Stickstoffbedarf des jeweiligen Waldbestands als entscheidende regulatorische Faktoren identifiziert werden, durch welche die Stickstoffausträge nach einem Kalamitätsereignis deutlich verringert werden konnten. Waldflächen mit schnell wachsenden Baumarten und hohem Nährstoffbedarf der anfänglichen Sukzessionsvegetation (Bodenvegetation) wiesen infolge dessen auch die geringsten Stickstoffausträge auf. Wiederaufforstungsmaßnahmen beeinflussten die Stickstoffausträge vor Allem durch Streufall und Nährstoffaufnahme wobei das Wiederaufforstungsszenario mit verschiedenen Pionierbaumarten die geringsten Jahresmittel aber auch die höchste Streuung aufwiesen.

Das gekoppelte Wald - Boden Modell wurde in einer weiteren Pilotstudie für 24 verschiedene Waldbestände in der gesamten Harzregion aufgesetzt (koniferendominiert, laubwalddominiert, Mischwald). Die Ergebnisse zeigen, dass die Nitratkonzentrationen in der Bodenlösung bei den koniferendominierten Fichtenbeständen höher ausfielen als bei den laubwalddomierten Beständen oder Mischbeständen. Dies galt sowohl für das Kalamitätsereignis von 2021 - 2024 als auch für die Wiederaufforstungsphase von 2025 - 2053 und konnte mit den allgemein höheren Mortalitätsraten der Fichtenbestände im Vergleich zu anderen Beständen erklärt werden (Abbildung 3). Im Gegensatz dazu zeigten die Konzentrationen des gelösten organischen Kohlenstoffs und gelösten Phosphors in der Bodenlösung keine Unterschiede zwischen den verschiedenen Waldtypen (Abbildung 4 und 5), jedoch waren die Versickerungsraten dieser Stoffe unter koniferendominierten Waldbeständen dennoch höher, da in der oberen Harzregion die Niedreschläge und Versicherkungsraten von Wasser durch den Boden im Allgemeinen höher sind. Zusammenfassend waren die Nitratexporte der verschiedenen Waldbstände in stärkerem Maße von Waldschädigungen betroffen als die Exporte des gelösten organischen Kohlenstoffs und gelösten Phosphors welche stärker von der Bodenhydrologie kontrolliert wurden.