Auswirkungen einer intensiven Bodenbearbeitung mittels einer neuartigen Stockfräse auf den Nährelementhaushalt eines Waldstandortes

Gebhard Schüler

1. Fragestellung
Auf Kahlflächen verbleiben nach der Aufarbeitung von nutzbarem Holz oft große Mengen an Schlagabraum und auch Wurzelstöcke. Um die Pflanzarbeit zu erleichtern und um insbesondere eine maschinelle Pflanzung zu ermöglichen, wurde eine neuartige Stockfräse entwickelt (1). Bei der Bodenbearbeitung mit dieser Maschine werden das gesamte aufliegende Reisig und vorhandene Wurzelstöcke stark zerkleinert und intensiv mit der Humusauflage und dem mineralischen Oberboden vermischt. Nach ULRICH und WÄCHTER (7) werden durch solche Maßnahmen biologisch und chemisch bedingte Umsetzungen angeregt. Dies führt zur Mineralisierung von organisch gebundenen Elementen. Sofern mobilisierte Nährelemente weder durch Vegetation noch durch Bodenlebewesen gespeichert werden können, kommt es zu entsprechenden Verlusten. In orientierenden Untersuchungen wurden daher Veränderungen im Nährelementhaushalt eines Standortes nach der geschilderten Fräsarbeit geprüft.

2. Material und Methoden
2.1 Standort
Die Untersuchungsfläche befindet sich im mittleren Pfälzerwald im rheinland-pfälzischen Forstamt Johanniskreuz. Der Boden ist eine frische, tiefgründige Braunerde aus Sanden der Verwitterung des Hauptbuntsandsteins.

Die Winter- und Frühjahrsstürme 1990 haben den ursprünglichen Mischwaldbestand aus Buche, Eiche, Kiefer und Fichte vollständig zerstört. Eine Teilfläche wurde noch im Jahre 1990 im Anschluß an das Schadereignis mit der neu entwickelten Stockfräse intensiv bearbeitet und sofort mit Eiche

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bepflanzt. Auf einer zweiten Teilfläche wurde der Schlagabraum ein Jahr später mit einem Mulchgerät zerkleinert, ohne daß es dabei jedoch zu einer Durchmischung von organischer Substanz mit dem mineralischen Oberboden gekommen wäre. Auch diese Fläche wurde danach mit Eichen bepflanzt.

2.2 Methoden
Um den Nährelementhaushalt überschlägig kalkulieren zu können, wurden im Sommer 1991 aus je einem Bodeneinschlag in jeder der beiden Teilflächen Bodenproben zur Ermittlung der Feinbodenmenge und der pflanzenverfügbaren Nährelementgehalte entnommen (Methodenbeschreibung in: BUNDESMINISTERIUM FÜR ERNÄHRUNG, LANDWIRTSCHAFT UND FORSTEN, 1990: Arbeitsanleitung zur „Bundesweiten Bodenzustandserhebung im Wald") . (Neuere Version der Arbeitsanleitung für die Begleitstudie zur zweiten Bodenzustandserhebung im Wald (BZE II): http://bfh-web.fh-eberswalde.de/bze/upload/Arbeitsanleitung/Arbeitsanleitung.zip)

3. Ergebnisse
Beide Teilflächen sind hinsichtlich der Gesamtfeinbodenmenge miteinander vergleichbar (Tab. 1). Die Bodenhorizonte unterscheiden sich einerseits durch die Bearbeitungsmaßnahmen, andererseits auch durch unterschiedliche Skelettgehalte am jeweiligen Bodeneinschlag.

Tab. 1: Standortskundliche Parameter zur Kalkulation der Feinbodenmenge

 Die ermittelten pH-Werte der Bodenproben zeigen, daß die Säurestärken im Fräshorizont deutlich geringer sind als im unbearbeiteten Oberboden (Tab. 2).

Tab. 2: pH-Werte in Humus und Boden der Mulchfläche im Vergleich zur Fräsfläche

Das jeweilige C/N-Verhältnis ist im Fräshorizont gegenüber dem oberen unbearbeiteten Mineralbodenhorizont kaum verändert. Es verengt sich jedoch in den tieferen Bodenbereichen der intensiv bearbeiteten Räche. Das C/P-Verhältnis ist im gefrästen Boden-Humus-Gemisch enger, in den darunter liegenden Bodenschichten deutlich weiter als auf der unbearbeiteten Fläche. Erst im unverwitterten Mineralboden gleichen sich diese Werte wieder an (Tab. 3).

Tab. 3: Gesamtgehalte an Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor, sowie C/N- und C/P-Verhältnisse auf der Mulchfläche im Vergleich zur Fräsfläche

Um verfolgen zu können, ob sich diese Verhältnisse auf die Verlagerung von Kohlenstoff und Stickstoff in tiefere Bodenschichten zurückführen lassen, wurde in Abhängigkeit der jeweiligen Feinbodenmenge ein Tiefengradient für das jeweilige Element berechnet. Hierbei zeigt sich, daß sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff aus dem oberen gefrästen Boden in die Tiefe verlagert wurden (Tab. 4).

Tab. 4: Tiefengradient der Kohlenstoff- und Stickstoffverteilung in Abhängigkeit von Horizont und Feinbodenmenge

* der Tiefengradient errechnet sich aus dem Verhältnis des horizontbezogenen C-, bzw. N-Anteils am Gesamt-C- bzw. N-Vorrat zur jeweiligen Feinbodenmenge

Aus der Kalkulation der Gesamtelementvorräte ergeben sich erhebliche Verluste an Kohlenstoff und Stickstoff. Es verringern sich auch die austauschbaren und wasserlöslichen Calcium- und Magnesiumvorräte auf der Fräsfläche zugunsten der Elemente Aluminium und Mangan (Tab. 5).

Diese Entwicklung schlägt sich auch in der unterschiedlichen Basensättigung der beiden Teilflächen nieder. Die noch relativ gute Basenversorgung im unbearbeiteten Oberboden weicht einer deutlich erhöhten Aluminium-Belegung des Austauschers im Fräshorizont bei gleichzeitigem Rückgang von Eisen-und Wasserstoffionen. Parallel zur Veränderung der Kationenanteile verringert sich die auf diesen Stand-

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orten ohnehin geringe Austauschkapazität im gefrästen Oberboden. Über das gesamte Bodenprofil erhöht sich jedoch die Zahl der Austauscherplätze auf der Fräsfläche (Tab. 6).

Tab. 5: Gesamtgehalte, sowie austauschbare und wasserlösliche Elementvorräte auf der Mulchfläche und der Fräsfläche (kg/ha)

Tab. 6: Kationensättigung des Bodens der Mulchfläche im Vergleich zur Fräsfläche (% Ak_e), sowie Austauschkapazitäten

4. Diskussion
Der gefräste Horizont ist auf den untersuchten Flächen weniger als 15 cm stark. Die gewünschte Einarbeitung von organischem Material bis in 30, bzw. 40 cm Tiefe (2) wurde hier nicht erreicht. Eine Waldbodenrekultivierung, welche an der Bearbeitungstiefe und am potentiellen Wurzelraum gemessen werden kann, ist nicht wie vorgesehen realisiert worden.

Die Reduktion der Säurestärken im bearbeiteten Bodenhorizont ist insbesondere auf den Mischeffekt des sauren Oberbodens mit dem weniger versauerten B_v-Horizont zurückzuführen. Daneben bewirkt auch die Freisetzung von basischen Nährelementen nach der Fräsarbeit eine momentane Abpufferung von Säuren. Dies zeigen die hier vorgefundenen höheren pH-Werte und die Verdrängung der Calcium-, Magnesium-, Eisen- und Wasserstoffionen vom Austauscher. Die freigewordenen Austauscherplätze werden jedoch überwiegend von dem möglicherweise phytotoxischen (6,4) Aluminium belegt. Der sich bis in den B_vC_v-Horizont verstärkende Tiefengradient von Stickstoff und Kohlenstoff auf der Fräsfläche, sowie die gleichzeitig geringeren Gehalte an basischen Kationen belegen aktuelle Auswaschungsvorgänge, wobei die Kationen Calcium und Magnesium an die sehr mobilen

Nitrationen und Säurereste von organischen Säuren gebunden sein dürften. Parallel dazu wird es im Fräshorizont durch mikrobielle Denitrifikationen zu Verlusten von gasförmigem Stickstoff kommen, wobei gelöster organischer Kohlenstoff als Elektronendonator in Frage kommt (5). Die durch die Fräsarbeit ausgelösten Elementverluste führen zu kritischen (8) Calcium- und Magnesiumsättigungsverhältnissen. Die Durchmischung des humosen Oberbodens mit Mineralboden, welcher arm an organischen Sorptionskomplexen ist, verringert die Austauschkapazitäten im Fräshorizont. Parallel zur Zerstörung organischer Sorptionskomplexe durch die Mobilisierung von Kohlenstoffverbindungen entstehen insbesondere im tieferen Mineralboden neue Sorptionsplätze für austauschbare Elemente. Doch auch diese Sorptionsplätze werden überwiegend von Aluminiumionen besetzt. Auch wenn die dargestellten Befunde zur Fräsarbeit aufgrund der Probenahme aus nur zwei Bodeneinschlägen nicht repräsentativ sein können, so deuten sie doch auf - zumindest vorerst - für die künftige Pflanzenernährung negative Entwicklungen hin:

1. Starke Nährelementverluste.
2. Verringerung der Basensättigung im Oberboden.
3. Belegung freiwerdender und neu entstehender Austauscherplätze mit Aluminiumionen.

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Die Auseinandersetzung mit den Untersuchungsergebnissen führt zwangsläufig zur Frage, ob eine intensive Bodenbearbeitung überhaupt notwendig war. Die noch gute Humusform in dem noch stehenden Ausgangsbestand und die relativ günstige Austauscherbelegung im durchwurzelten Mineralboden verweisen auf weitgehend intakte Nährstoffkreisläufe. Durch die - in diesem Fall sturmwurfbedingte - Kahllage und das Mulchen hat sich die Humusform in Richtung F-Mull mit entsprechend günstigen chemischen Kennwerten verschoben. Eine zusätzliche Anregung der Zersetzung durch intensivere Bodenbearbeitung war demnach nicht angezeigt. Um nach einer zwangsweisen Kahllage (geplante Kahlschläge sollten ohnehin möglichst vermieden werden) und nach der Holzernte möglichst viel Biomasse als langfristige Nährstoffquelle auf der Fläche zu belassen, haben EDER und SCHÜLER (3) gefordert, Bodenbearbeitungen auf ein unabdingbares Maß einzuschränken. Scheint eine Bodenbearbeitung unumgänglich, so sind gleichzeitig Stabilisierungsmaßnahmen, wie z.B. Einsaat einer nährstoffspeichernden, zu Forstpflanzen nicht konkurrierenden Schutzpflanzendecke, einzuleiten.

In jedem Fall ist das Einfräsen von organischem Material in den mineralischen Oberboden ein erheblicher Eingriff in das betroffene Ökosystem, dessen langfristige negative und positive Folgen noch intensiv untersucht werden müssen. Insbesondere muß der Frage des Lösungschemismus und der Stabilität der neu entstandenen Sorptionskomplexe nachgegangen werden. Hieraus können sich u. U. Ansätze für Restabilisierungsmaßnahmen stark versauerter Standorte ergeben, wobei solche Maßnahmen weit über den bloßen Einsatz einer Stockfräse hinausgehen.

5. Zusammenfassung
Der Vergleich einer gefrästen und ungefrästen Teilfläche erhärtet die Indizien, daß auch die Bodenbearbeitung mit einer neuentwickelten Stockfräse

- zu erheblichen Nährelementverlusten

- zu geringer Basensättigung im Oberboden und

- zu einer höheren Aluminiumbelegung der Sorptionskomplexe des Bodens führt.

Vom unbedachten Einsatz dieser Maschine zur Pflanzbettvorbereitung wird wegen der möglichen negativen Folgen für die Pflanzenernährung abgeraten.

Literatur
1. ABELE, G., HOFMANN, R. und KREUTZ, P., 1991: Die KROHN'sche „Waldboden-Rekultivierungsmaschine". FTI 43, 21-22
2. ANONYMUS, 1988: Diesen Zähnen hält kein Baumstumpf stand. Der Privatwald, H. 25,14-15
3. EDER, W. und SCHÜLER, G., 1991: Luftschadstoffe in Waldstandorten, ihre Auswirkungen und Gegenmaßnahmen. Tagungsber. des BWK, Kirchheimbolanden, 24.05.'91, 19-24
4. MATZNER, E., ULRICH, B., MURACH, D. und ROST-SIEBERT, K. 1985: Zur Beteiligung des Bodens am Waldsterben. FoHo, 40, 303-309
5. STREBEL, O., BÖTTCHER, J. und DUYNISVELD, W.H. M., 1984: Einfluß von Standortbedingungen und Bodennutzung auf Nitratauswaschung und Nitratkonzentration des Grundwassers. Landwirtsch. Forschung, 37, Kongreßband, 34-43
6. ULRICH, B., 1982: Gefahren für das Waldökosystem durch Saure Niederschläge. Mitt. d. LÖLF. 9-25
7. ULRICH, B. und WÄCHTER, H., 1971: Bodenkundliche Gesichtspunkte zur Frage der Bodenbearbeitung im Wald. AFJZ, 142, 257-265
8. ULRICH, B., MEIWES, K.J., KÖNIG, N. und KHANNA, P.K., 1984: Untersuchungsverfahren und Kriterien zur Bewertung der Versauerung und ihrer Folgen in Waldböden. FoHo, 39, 279-286

Anschrift des Autors: Gebhard Schüler,

Forstl. Versuchsanstalt Rh.-Pfalz, 6751 Trippstadt

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