Dendrochronologie und Dendrochemie

Ein Blick ins Innere der Stadtbäume

In Deutschland lebt ca. ein Drittel der Bevölkerung in Städten. Dies hat eine hohe Versiegelung und Aufheizung der Siedlungs- und Verkehrsflächen sowie auch eine hohen Emissionsbelastung zur Folge. Neben dem Klimaschutz, sind auch Anpassungsmaßnahmen erforderlich, die das innerstädtische Kleinklima, die Luftqualität und letztlich insgesamt die Lebensbedingungen der Bevölkerung nachhaltig verbessern. Stadtgrün und insbesondere Stadtbäume können Hitzestress und hohe Einstrahlung enorm senken und damit zur Milderung der negativen Auswirkungen beitragen.

Beprobung einer Platane in Rheinstetten.
Beprobung einer Platane in Rheinstetten.

Welche Baumarten reagieren besonders empfindlich auf die Folgen von Luftverschmutzung und Klimawandel wie z. B. Hitze und Trockenheit (Dürre)? Und welche Baumarten sind besonders widerstandsfähig? Um diese und weitere Fragen zu beantworten, wurden im Teilprojekt "Dendrochonologie und Dendrochemie" ausgewählten Bäumen in Karlsruhe Bohrkerne entnommen. Anhand derer wurde anschließend eine Anfälligkeitsbewertung für städtische Bäume und Wälder entlang eines Stadt-Land- und Luftverschmutzungs-Gradienten vorgenommen.

Aufgeteilt in zwei Teiluntersuchungen, diente die dendrochronologische Teiluntersuchung der Charakterisierung von Resistenz, Erholungsfähigkeit und Resilienz (Stabilitätsindikatoren) ausgewählter Karlsruher Baumarten. Die Isotopenanalyse diente der Bestimmung des Einflusses von Hitzestress und Dürre auf die Baumphysiologie. Unter anderem sollten mit dieser Methode Hinweise auf Luftverschmutzungen erfasst und die Luftverschmutzung von Karlsruhe in ihrer räumlichen Variabilität dokumentiert werden.

 

Die Bohrkerne wurden zunächst mithilfe eines speziellen Bohrers manuell entnommen. Die Bohrkerne sind etwa bleistiftdick und liefern einen Querschnitt des Baumes bis zum Baummittelpunkt. Dadurch kann man die Jahresringe sehen, aber der Baum selbst weiterleben. Neben dem Alter des Baumes (Jahresringanzahl), gibt die Breite der Ringe Aufschluss über das jährliche Baumwachstum. Je breiter der Ring, desto günstiger waren die Umweltbedingungen und umgekehrt. Extreme Wetterereignisse (wie Dürre oder Hitze) oder Umweltbelastungen (wie Abgase oder Feinstaub) können Störungen im Wachstum hervorrufen und mithilfe von Wetter- und Klimaaufzeichnungen zusätzlich analysiert werden. So kann zum Beispiel herausgefunden werden, wie gut sich ein individueller Baum von einem Trockenjahr (2003, 2008, 2015) erholt hat, also wie widerstandsfähig er ist, und ob bzw. wie sich diese Fähigkeit bei verschiedenen Baumarten unterscheidet. Wie das Baumwachstum ist auch das Verhältnis von stabilen Isotopen (chemische Eigenschaft von Bäumen) abhängig von Umweltbedingungen und wird in jedem Jahresring neu abgespeichert. Zusammen mit den oben beschriebenen dendrochronologischen Untersuchungen kann vergangener Stress durch Klima- und Umweltbelastungen nachvollzogen und die Widerstands- und Erholungsfähigkeit der Bäume beleuchtet werden. 

Ergebnisse der Dendrochronologie

Übersicht der ausgewählten Probebäume im Untersuchungsgebiet, das basierend auf der Immissionsvorbelastung (NO2) in drei Bereiche (geringe, mittlere, hohe Belastung) eingeteilt wurde.
Übersicht der ausgewählten Probebäume im Untersuchungsgebiet, das basierend auf der Immissionsvorbelastung (NO2) in drei Bereiche (geringe, mittlere, hohe Belastung) eingeteilt wurde.

Von den fünf häufigsten Baumarten (Spitzahorn, Winterlinde, Stieleiche, Hainbuche und Ahornblättrige Platane) wurden jeweils ~30 Bäume untersucht. In der ersten Karte sieht man zunächst die Auswahl der Baumindividuen und deren räumliche Verteilung, als auch die Höhe der Immissionsbelastung (NO2) je Baum. Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass sich die fünf untersuchten Baumarten, die gemeinsam über ein Drittel des Baumbestandes des Untersuchungsgebiet ausmachen, bezüglich des Stammdickenwachstums teils stark in ihrer Toleranz gegenüber Trockenheit unterschieden. Über alle Baumarten (außer Platane) hinweg wird deutlich, dass vor allem die Wasserverfügbarkeit im Frühjahr für das Stammdickenwachstum generell als auch die Reaktion auf Trockenheit im Speziellen eine entscheidende Rolle spielt.

 

Reaktionen des Stammdickenwachstums der Trockenjahre 2003, 2011 und 2015 für alle fünf untersuchten Baumarten (v.L.n.R.: Spitzahorn, Hainbuche, Ahornblättrige Platane, Stieleiche und Winterlinde)
Reaktionen des Stammdickenwachstums der Trockenjahre 2003, 2011 und 2015 für alle fünf untersuchten Baumarten (v.L.n.R.: Spitzahorn, Hainbuche, Ahornblättrige Platane, Stieleiche und Winterlinde)

Die Quantifizierten Reaktionen (oben Resistenz, unten Resilienz) des Stammdickenwachstums der Trockenjahre sind für alle fünf untersuchten Baumarten (v.L.n.R.: Spitzahorn, Hainbuche, Ahornblättrige Platane, Stieleiche und Winterlinde) in der Abbildung links dargestellt. Im Jahr 2003 zeigte nur der Spitzahorn einen Zuwachseinbruch. Im Jahr 2011 zeigten alle Baumarten außer der Ahornblättrigen Platane eine geringe Resistenz und in 2015 alle Baumarten außer der Stieleiche und der Ahornblättrigen Platane. Die Resilienz fiel nach 2003 und 2015 bei allen Baumarten außer Stieleiche gering aus während nach 2011 nur Ahornblättrigen Platane und Stieleiche einen geringeren Zuwachs zeigten als vor der Trockenheit. Die Modellierung potentieller Einflussfaktoren zeigte nur wenige signifikante Effekt der Standortseigenschaften auf Resistenz und Resilienz, sondern vor allem eine hohe intraspezifische Variabilität auf.

Ergebnisse der Isotopenanalyse

Analysen der Resilienz, sowie Analysen der stabilen Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope können wichtige quantitative Bewertungen bzgl. der Trockenheitstoleranz liefern und sollten daher als Kriterien für die Baumartenwahl im urbanen Raum berücksichtigt werden. Basierend auf unseren Ergebnissen erweisen sich besonders Platanen und Stieleichen als geeignet für urbane Räume mit regelmäßig auftretenden Trockenperioden.

 

Der Einfluss der Witterung auf Jahrringbreite, δ13C und δ18

Zusätzlich zur Jahrringbreite wurden die Isotopensignaturen von Kohlenstoff und Sauerstoff im Holz analysiert. Diese beziehen sich auf das Verhältnis der stabilen Isotope zueinander und werden von der Witterung beeinflusst. Hohe Werte von δ13C und δ18O im Holz weisen dabei auf Trockenheit hin.

In unseren Ergebnissen zeigt sich deutlich, dass der Niederschlag im Mai – vor allem für Ahorn, Hainbuche, Eiche und Linde – der wichtigste Einflussfaktor ist. Höhere Niederschläge gehen mit einem höheren Stammdickenwachstum und geringeren δ13C-Werten einher. Die Abhängigkeit des Stammdickenwachstums von einer ausreichenden Wasserverfügbarkeit im Frühjahr zeigt sich auch in der geringen Resistenz aller Baumarten (außer der Platane) im Trockenjahr 2011 im Vergleich zum Trockenjahr 2003. Denn im Jahr 2011 trat die stärkste Trockenheit im Frühjahr auf und 2003 erst später im Sommer.

 

C- und O-Isotope in/nach Trockenjahren

Um den Einfluss von Trockenheit auf die Baumphysiologie – allen voran die Isotopenzusammensetzung des Kohlenstoffs – näher zu analysieren, wurden die einzelnen Serien der Messwerte standardisiert. Anschließend wurde untersucht, ob die Jahresmittelwerte (je Baumart) in den Trockenjahren und dem jeweiligen Folgejahr (für Sauerstoff) signifikant vom Mittelwert der Serie abwichen bzw. (für Kohlenstoff) höher als der Mittelwert waren.

Für Kohlenstoff zeigten Stieleiche und Winterlinde erhöhte Werte nach dem Trockenjahr 2003 und bei der Winterlinde und dem Spitzahorn waren die Werte im Trockenjahr 2011 ebenfalls. Nur bei Platane und Stieleiche waren die Werte nicht erhöht, sodass hier von vergleichsweise geringem Trockenstress ausgegangen werden kann.

 

Isotopenzusammensetzung des Stickstoffs im Xylem

Die Baumart war damit der wichtigste Prädiktor zur Erklärung der Variabilität der Isotopenzusammensetzung des Stickstoffs. Ebenso einen signifikanten Einfluss hatten die Distanz zur nächsten Straße sowie die (generelle, geschätzte) Intensität der Verkehrsemissionen (NOx). Die geschätzten δ15N-Werte waren also umso höher, je näher der Baum an einer Straße stand und je höher die NOx-Emissionen an diesem Standort ausfielen. Dieses Ergebnis bestätigt, dass sich die Exposition gegenüber Verkehrsemissionen in der Isotopenzusammensetzung des Stickstoffs im Holz niederschlägt.

Schlussfolgerungen

Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass sich die fünf untersuchten Baumarten, die gemeinsam über ein Drittel des Baumbestandes des Untersuchungsgebiet ausmachen, bezüglich des Stammdickenwachstums teils stark in ihrer Toleranz gegenüber Trockenheit unterscheiden. Basierend auf unseren Untersuchungen erweisen sich Platane und Stieleiche als besonders geeignet für urbane Räume mit regelmäßig auftretenden Trockenperioden. Über alle Baumarten (außer Platane) hinweg wird deutlich, dass vor allem die Wasserverfügbarkeit im Frühjahr für das Stammdickenwachstum generell als auch die Reaktion auf Trockenheit im Speziellen eine entscheidende Rolle spielt. Diese Erkenntnisse sind wichtig für die Umsetzung der Ergebnisse in konkrete Bewässerungsstrategien. Bei Platane und Stieleiche, bei denen die Resistenz und Resilienz generell höher ausfällt, scheint demnach eine Bewässerung nicht unbedingt notwendig, bzw. bei der Eiche nur bei Trockenheit im Frühjahr, auf die sie besonders sensibel reagiert. Dies trifft auch auf die Baumarten Winterlinde, Hainbuche und Spitzahorn zu, die dann vor allem mit einem substantiellen Zuwachseinbruch und auch einer geringen Resilienz reagieren.