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Ivano Brunner

Forschungsanstalt WSL

Eidg. Forschungsanstalt WSL
Waldböden und Biogeochemie
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Artikel

Autor(en): Ivano Brunner, Christoph Sperisen
Redaktion: WSL, Schweiz
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Licht ins Dunkel der Wurzelwelt

Vieles im Waldboden ist für Waldforschende immer noch unbekannt. So war es zum Beispiel bis anhin nicht möglich, in einem von einer Baumart beherrschten Bestand herauszufinden, wie sich Feinwurzelsysteme einzelner Baumindividuen im Boden verteilen. Weder das direkte Beobachten noch das Ausgraben scheinen dafür geeignete Methoden zu sein. Zudem sehen alle Feinwurzeln mehr oder weniger gleich aus, und die Wurzelsysteme verschiedener Bäume sind so sehr ineinander verflochten, dass es praktisch unmöglich ist, sie bis hin zum Baumstamm zu verfolgen.

Freigelegtes Wurzelgeflecht eines umgestürzten Baumes
Abb. 1 - Freigelegtes Wurzelgeflecht eines umgestürzten Baumes. Ein grosser Teil der Feinwurzeln ist abgerissen und verbirgt sich im angrenzenden Waldboden.
Foto: Peter Brang (WSL)

Die Feinwurzeln gelten als der dynamische Teil der Baumwurzeln. Sie sind auch für den aktiven Transfer des Kohlenstoffes vom Baum in den Waldboden verantwortlich. Zum einen veratmen Feinwurzeln Kohlenstoff, der dann dem Boden in Form von Kohlendioxid (CO2) entweicht; zum anderen scheiden die Feinwurzeln Kohlenstoff-Verbindungen aus, um Nährstoffe aus dem Boden besser aufnehmen zu können.

Da Feinwurzeln relativ kurzlebig sind - sie haben eine durchschnittliche Lebenserwartung von wenigen Jahren - verbleibt nach ihrem Absterben ein weiterer beträchtlicher Teil an Kohlenstoff im Waldboden. Insgesamt beträgt die Kohlenstoffmenge, die durch die Feinwurzeln der Waldbäume in den Boden gelangt, etwa eine Tonne pro Hektar und Jahr (Perruchoud et al. 1999).

Doch wie gross sind die Feinwurzelsysteme der Bäume überhaupt? Wie weit reichen sie und wie gross ist das von ihnen beeinflusste Areal? Wachsen die Feinwurzeln der Bäume ineinander oder grenzen sie sich von denen anderer Bäume ab? Wie vergleichbar sind die Feinwurzeln junger und alter, gesunder und kranker, dominierender und unterdrückter Bäume? Wie entwickeln sich die Feinwurzeln unterschiedlicher Baumarten und wie stark beeinflussen Boden und Klima ihr Wachstum und Absterben? Bis vor kurzem waren diese Fragen praktisch nicht beantwortbar.

Wurzelgeflecht breiter als Kronendurchmesser

Auf einer Untersuchungsfläche der Langfristigen Waldökosystem-Forschung (LWF) der WSL in Vordemwald haben wir das Wurzelgeflecht verschiedener Bäume unter die Lupe genommen. Unsere Untersuchungen in diesem Weisstannenbestand im Aargauer Mittelland zeigten, dass auf einer Kreisfläche von 16 cm2 und 1 cm Bodendicke bis zu 30 Feinwurzel-Stückchen zu finden sind (Brunner et al. 2004). Mit der Hilfe von zwei variablen genetischen Markern, sogenannten Mikrosatelliten (siehe Kasten), ist es uns nun weltweit zum ersten Mal gelungen, die Feinwurzel-Stückchen bestimmmten Baumindividuen zuzuordnen.

Im Falle einer auf diese Weise klar identifizierbaren Weisstanne zeigte sich, dass sich ihre Feinwurzeln doppelt so weit wie ihre Krone ausbreiten. Die Feinwurzeln wachsen bis in die Nähe des Stammes der nächsten Weisstanne in zehn Meter Entfernung, allerdings nur im obersten Bodenhorizont (Abb. 2). In tieferen Bodenschichten wachsen die Wurzeln weniger weit. In Stammnähe beträgt der Eigenwurzelanteil rund 60 Prozent. Der Durchmischungsgrad der Feinwurzeln mit denjenigen fremder Baumindividuen nimmt jedoch mit zunehmender Bodentiefe ab.

Verteilung der Feinwurzeln von drei benachbarten Weisstannen
Abb. 2 - Die vertikale und horizontale Verteilung der Feinwurzeln von drei benach-
barten Weisstannenindividuen im Oberboden. Die Weisstanne mit Mikrosatelliten-Typ
A (blaue Markierung) ist im untersuchten Bestand einzigartig.
 

Was sind Mikrosatelliten?

Mikrosatelliten sind DNS-Abschnitte mit mehreren sich wiederholenden Einheiten von 1-7 Basenpaaren (Basen sind die Bausteine der DNS). Sie sind über die gesamte Erbinformation verteilt und zeichnen sich durch ihre Längenvariabilität zwischen Individuen aus. Diese Abschnitte werden somit häufig für die Charakterisierung von Populationen oder des Paarungssystemes von Waldbäumen benützt. Beim Menschen werden sie in der Kriminalistik oder für den Vaterschaftstest verwendet. Mikrosatelliten wurden bisher erst von einigen wenigen Baumarten isoliert. Dank der grossen Fortschritte bei der Analyse der Erbinformation von Waldbäumen werden immer mehr Mikrosatelliten identifiziert. Sie lassen sich bei der Suche nach Antworten auf aktuelle ökologische Fragestellungen verwenden.

130 km Feinwurzeln

Mikroskopische Aufnahme von Feinwurzeln
Abb. 3 - Mikroskopische Aufnahme von Feinwurzeln, die sich dem menschlichen Auge im Bodengefüge in der Regel entziehen.
Foto: Ivano Brunner (WSL)

Weitere Untersuchungen ergaben, dass im Oberboden, der von Feinwurzeln dicht durchdrungen ist, bis in eine Tiefe von 25 cm schätzungsweise 17 t/ha Feinwurzeln (Frischgewicht) bzw. 3,4 t/ha (Trockengewicht = Biomasse) lagern. Auf die gesamte Biomasse eines Waldes bezogen ist dies zwar nicht viel - Perruchoud et al. 1999 schätzen die Biomasse eines Waldes auf ca. 260 t/ha. Doch neben Nadeln und Blättern gelten Feinwurzeln als sehr dynamisch, was die Abgabe an Kohlenstoff in den Boden betrifft. Die identifizierte Weisstanne besiedelt mit ihrem Wurzelwerk eine Fläche von ca. 250 m2, wobei etwa ein Viertel aller auf dieser Fläche vorkommenden Feinwurzeln zu diesem Baum gehören. Bezogen auf die bewurzelte Bodentiefe von rund 1,5 m dürften alle Feinwurzeln dieser Tanne zusammen eine Biomasse von ca. 30 kg, eine Länge von ca. 130 km und eine Oberfläche ca. 450 m2 haben.

Die Waldböden der Schweiz enthalten durchschnittlich etwa 100 t/ha Kohlenstoff und gelten diesbezüglich als eines der grössten einheimischen Kohlenstoff-Reservoirs (Zimmermann et al. 2003). Etwa eine Tonne Kohlenstoff pro Hektar oder ein gutes Prozent davon stammt von den Feinwurzeln. Wegen ihrer kurzen Lebensdauer und der laufend neu gebildeten Würzelchen tragen sie dennoch erheblich zur Kohlenstoff-Bilanz von Schweizer Waldböden bei. Eine bessere Kenntnis der Lebensdauer der Feinwurzeln könnte in Zukunft helfen, den Kohlenstoff-Fluss im Waldboden genauer zu bestimmen. Aus Untersuchungen einiger Baumarten unter Verwendung von Kohlenstoff-Isotopen ist bekannt, dass die mittlere Lebensdauer von Feinwurzeln je nach Baumart von zwei bis fünf Jahre variieren kann.

Für die Anrechnung des Waldes als CO2-Senke, z.B. mittels Aufforstungen, Wiederaufforstungen oder Rodungen, wie es das Kyotoprotokoll für die Schweiz vorschlägt, müssen sowohl ober- als auch unterirdische Kohlenstoff-Pools und deren Veränderungen möglichst zuverlässig geschätzt werden. In der Schweiz sind diese Schätzungen allerdings noch ungenau (Zimmermann et al. 2003). Dies liegt einerseits an der ungenügenden Anzahl Stichprobenpunkte und anderseits an den nur geschätzten und nicht gemessenen Messgrössen "Bodendichte" und "Skelettanteil".

Andererseits müssen für das genauere Abschätzen der Kohlenstoff-Flüsse unter anderem die Methoden verbessert werden, mit denen sowohl die Biomasse als auch die Dynamik (Wachstum, Lebensdauer, Absterben) der Wurzeln bestimmt werden. Hier kann unser Ansatz bestehende Waldökosystem-Modelle deutlich verbessern, da mit der Hilfe von molekularen Methoden sowohl Daten von verschiedenen Baumarten als auch von verschiedenen Baumindividuen erhältlich sind. Dank der neuen Erkenntnisse lassen sich die Modelle nun für viele baumartenreiche Waldtypen mit ihren unterschiedlichen Altersstrukturen in der Schweiz verbessern.

Literatur
  • Brunner, I.; Ruf, M.; Lüscher, P.; Sperisen, C., 2004:Molecular markers reveal extensive intraspecific below-ground overlap of silver fir fine roots. Molecular Ecology 13, 3595-3600.
  • Perruchoud, D; Kienast, F.; Kaufmann, E.; Bräker, O.U., 1999: 20th Century carbon budget of forest soils in the Alps. Ecosystems 2, 320-337.
  • Zimmermann, S., Hagedorn, F., Walthert, L., 2004: Erfassung des Kohlenstoffvorrats in Schweizer  Waldböden: Wunschdenken und Realität. Bull. Bodenkd. Ges. Schweiz 27: 11-16.

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