Nachhaltige Wertschöpfungsketten bei Zierpflanzen (Graduiertenkolleg)

ABSTRACT

Neben der Notwendigkeit, das städtische Mikroklima durch urbanes Grün zu regulieren, ist es in Zeiten des Klimawandels ebenso wichtig, Arten und Sorten zu finden, die sich durch eine hohe Trockenheitstoleranz auszeichnen. In einer zweijährigen Messkampagne in der städtischen Baumschule München-Laim wurde untersucht, was die Verwendung so genannter „Klimabäume“ als Ersatz für etablierte heimische Baumarten für die zu erwartenden Verschattungs- und Verdunstungsleistungen bedeuten kann. Dafür wurden Wasserverbrauch, Belaubung und Wachstum von sechs Straßenbaumarten und -sorten untersucht, wobei drei davon in ihren Habitaten häufiger Wassermangel ausgesetzt sind, und dadurch als trockenheitstoleranter gelten.
Im ersten Versuchsjahr zeigten die „Klimabäume“ 1,24-fach höhere Maximalwerte des täglichen Saftflusses, bis zu 7-fach höhere Wachstumsraten und eine höhere Wassernutzungseffizienz. Standardisiert auf die Blattfläche waren ihre mittleren Transpirationsmengen jedoch niedriger (0,21 und 0,31 kg H2O m-2 Tag-1). Unter atmosphärischer Trockenheit zeigten sie eine stärkere Regulation der Wasserverluste und bei gezielter Austrocknung im zweiten Jahr höhere oberirdische Wachstumseinbußen zugunsten stärkerer Feinwurzelproduktion, wodurch ihre relativ hohen Transpirationsmengen teilweise erklärt werden könnten. Die heimische Winterlinde zeigte die schlechteste Resistenz mit deutlich verfrühtem Blattfall. Da nur gesunde Vegetation ihre Wohlfahrtswirkungen entfalten kann, sind die „Klimabäume“ – insbesondere am Extremstandort Straße – eine gute Alternative für etablierte Baumarten, die zunehmend unter den schwierigen Wuchsbedingungen zu leiden haben.


Die Bruttowertschöpfung der Wirtschaftssektoren in Deutschland, die sich mit der Erzeugung und Vermarktung sowie Dienstleistungen im Zusammenhang mit Zierpflanzen beschäftigen, beträgt jährlich 6,6 Milliarden Euro und ist damit ein bedeutender Faktor in der gärtnerischen Produktion. Jedoch sind im Zierpflanzenbau in manchen Bereichen der Wertschöpfungskette (WSK) Nachhaltigkeitsdefizite zu beobachten, wobei unter „Nachhaltigkeit“ das gleichzeitige und gleichberechtigte Umsetzen von umweltbezogenen, wirtschaftlichen und sozialen Zielen verstanden wird. Die drängendsten Nachhaltigkeitsdefizite finden sich in der zu untersuchenden WSK aus Produktionssicht vornehmlich in den Bereichen Rohstoffe (Düngung, Torf), Betriebsstoffe (Heizenergie/Strom) und der späteren Verwendung der Produkte. Die Konsumentensicht auf Nachhaltigkeitsdefizite im Bereich Zierpflanzen ist bisher noch weitgehend unbekannt.

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Abb. 1: Konzept des Graduiertenkollegs

Ziel des Projektes

Das Ziel des Projektes ist es daher, einen Beitrag zur Lösung spezifischer Herausforderungen im Bereich der Nachhaltigkeit (Nachhaltigkeitsdefizite) bei essentiellen Teilen der Wertschöpfungskette (Ressourcen, Produktion/Handel, Verwendung, Konsum) im Zierpflanzenbau zu leisten. Das Projekt ist als Graduiertenkolleg angelegt, d.h. auf den einzelnen Teilprojekten promovieren mit Hilfe einer strukturierten Doktorandenausbildung junge Wissenschaftler in Kooperation mit der TU München. Die Koordination des Graduiertenkollegs obliegt Prof. Menrad und seinem Fachgebiet.

Einen kurzen Überblick über das Graduiertenkolleg Nachhaltige Wertschöpfungsketten bei Zierpflanzen bietet Abbildung 1.

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Abb. 2: Interpolationskarte des volumetrischen Bodenwassergehaltes in 10 cm Bodentiefe für Tilia cordata ‘Greenspire’. Die Wurzelbereiche der vier Individuen links wurden durch die Regenausschlusskonstruktionen bedeckt; rechts Kontrollgruppe
Abb. 3: Versuchsaufbau in der städtischen Baumschule München-Laim. Unter den Reflexionsschilden befinden sich die Saftflusssensoren. Die edaphischen und andere Wuchsbedingungen variieren nur geringfügig, was günstig für einen Artenvergleich ist

Teilprojekt Verwendung: Der Einfluss von Trockenheitstoleranz auf die mikroklimatisch wirksamen Ökosystemleistungen von Straßenbaumarten und -sorten

Vorteile, die Menschen von urbanen Ökosystemen beziehen, erfahren eine zunehmende Wertschätzung und werden unter dem Begriff der Ökosystemleistungen untersucht. Die Regulation des städtischen Mikroklimas ist eine dieser Leistungen; gemeint ist das Potenzial von Vegetation, und insbesondere Bäumen, städtische Hitzebelastungen durch Evapotranspiration und Verschattung zu verringern (Armson, 2012; Gillner et al., 2015). Gleichzeitig stellt der Klimawandel aber auch erhöhte Anforderungen an die Trockenheitstoleranz von Stadtbäumen – vor allem am Extremstandort Straße. Aktuell werden daher intensiv alternative, z.T. gebietsfremde Arten und Sorten getestet, denen man eine erhöhte Trockenheitstoleranz zuschreibt (BdB, 2008). Die sie hierzu befähigenden Eigenschaften können jedoch eine geringere Biomasseproduktion und einen eingeschränkten Wasserverbrauch implizieren (Chapin et al., 1993; Lösch, 2001). Im Hinblick auf die zukünftige Baumartenwahl für den Extremstandort Straße wird der Frage nachgegangen, wie sich eine vermeintlich höhere Trockenheitstoleranz der „Klimabäume“ auf deren mikroklimatisch wirksame Ökosystemleistungen auswirkt.

METHODEN

Vorgestellt werden die Ergebnisse einer zweijährigen Messkampagne in der städtischen Baumschule München-Laim, bei der sechs häufige Straßenbaumarten und -sorten (im folgenden Arten genannt) untersucht wurden, denen aufgrund ihrer Herkunft aus kontrastierenden Habitaten unterschiedliche Grade der Trockenheitstoleranz zugeschrieben werden: Acer platanoides, Carpinus betulus ‘Fastigiata’ und Tilia cordata ‘Greenspire’ wurden paar- und gruppenweise verglichen mit Acer campestre, Ostrya carpinifolia und Tilia tomentosa ‘Brabant’, wobei die letzteren in ihren Habitaten häufiger Wassermangel ausgesetzt sind.
Im ersten Versuchsjahr 2016 wurden in den Sommermonaten Wasserverbrauch und -nutzungseffizienz, Belaubungsparameter, Stammdickenwachstum, als auch der Wasserverbrauch in Abhängigkeit von Umweltparametern untersucht. Sämtliche Individuen (sechs pro Art) hatten zur Zeit der Auswahl Stammumfänge von 16 – 18 cm und wurden 2014 verschult. Die Messkampagne im zweiten Versuchsjahr (2017) erstreckte sich über die gesamte Vegetationsperiode. Selbst gebaute Regenausschlusskonstruktionen sollten dabei helfen, starken Trockenstress unabhängig von der Wetterlage bei 50 % der Individuen zu induzieren. Abb. 1 zeigt schematisch den Versuchsaufbau bei der Winterlinde (Tilia cordata ‘Greenspire’) und die signifikante Reduktion der Bodenfeuchte in 10 cm Bodentiefe hervorgerufen durch die Installationen.

Klimaparameter wurden mit Hilfe einer freistehenden Wetterstation (Davis Vantage Pro2, Davis Instruments) erfasst. Die photosynthetisch aktive Strahlung (μmol m-2 s-1; LI-190, LI-COR Biosciences) wurde gemeinsam mit der Bodenfeuchte in 10 und 30 cm Bodentiefe (Vol.-%; HS-10, Decagon Devices, Pullman, WA, USA und UMP-1, UGT) direkt auf den Versuchsquartieren gemessen.
Die monatlichen Stammzuwächse wurden mit Hilfe eines digitalen Messschiebers auf 1 m Höhe erfasst. An zwölf Individuen des Linden-Vergleichspaares wurden außerdem im zweiten Versuchsjahr hoch-auflösende elektronische Dendrometer (DDL, Ecomatik) auf 1,30 m Stammhöhe installiert, wodurch auch tageszeitliche Dickenschwankungen analysiert werden konnten. An denselben Individuen wurde in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Waldwachstumskunde der TUM die Entwicklung der Feinwurzelbiomasse unter Trockenstress untersucht. Im Mai (pre-drought), September und November 2017 wurden Bohrstockproben in definierten Abständen von den Baumstämmen (15 und 30 cm) und drei unterschiedlichen Tiefen (0 – 10, 10 – 20 und 20 – 30 cm) entnommen und anschließend gesiebt, gewaschen, getrocknet und gewogen.

Der Wasserverbrauch der Bäume wurde durch eine kontinuierliche Messung der Saftflussdichte (g H2O m-2 min-1) erfasst. Verwendet wurde die Wärmeausgleichstechnik nach Granier (1987). Zwei Nadeln werden vertikal übereinander in die Baumstämme inseriert und die obere Nadel anschließend durch eine konstante Stromquelle beheizt (SF-G und CCS, Ecomatik). Durch den Xylemfluss verändert sich die Temperaturdifferenz zwischen der beheizten und der unbeheizten Nadel und dient somit als Berechnungsgrundlage für den Wasserverbrauch (Abb. 2). Durch Multiplikation mit der gesamten Stammfläche lässt sich der gesamte Saftfluss berechnen (SF; l m-2 Baum-1). Um die Messwerte von Bäumen mit unterschiedlicher Belaubung und Kronendimensionen vergleichen zu können, wurden zusätzlich auch Quotienten aus den SF-Tagessummen und der Kronenprojektionsfläche (l m-2 Tag-1) bzw. der Blattfläche (l m-2 Tag-1) gebildet. Kronenparameter wurden mit Hilfe eines optischen Verfahrens bestimmt (LAI-2000 Plant Canopy Analyzer; LI-COR Biosciences). Zusätzlich erfolgten phänologische Untersuchungen im Frühjahr und Herbst.

ERGEBNISSE

Bei den Arten aus trockeneren Habitaten wurden im ersten Jahr 1,24-fach höhere Maximalwerte des täglichen Xylemflusses, bis zu 7-fach höhere Wachstumsraten und – in Folge beider ersteren – eine höhere Wassernutzungseffizienz ermittelt. Standardisiert auf die Blattfläche waren ihre mittleren Transpirationsmengen jedoch niedriger (0,21 und 0,31 kg H2O m-2 Tag-1). Darüber hinaus zeigte sich bei den „Klimabäumen“ eine höhere Flexibilität im Wasserverbrauch in Reaktion auf sich verändernde Wetterbedingungen mit deutlich eingeschränkter Transpiration im trockenen Spätsommer, aber einer umso höheren Kapazität für Wachstum und Transpiration unter günstigeren Bedingungen im Früh- und Hochsommer. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Verwendung alternativer Baumarten zu Lasten der mikroklimatisch wirksamen Leistungen gehen kann, wobei die Kronendimensionen und die Menge der transpirierenden Blattfläche nach wie vor die wichtigsten Einflussgrößen für Unterschiede zwischen Arten hinsichtlich ihres Wasserverbrauches sind.

Die Einteilung der Gruppen erfolgte zunächst theoretisch auf Basis ihrer Stressbelastung im Ursprungshabitat. Ob sich die „Klimabäume“ tatsächlich durch eine erhöhte Trockenheitstoleranz auszeichnen, sollte mit dem Trockenstressversuch 2017 untersucht werden. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die nicht-heimischen Arten später im Jahr austreiben und ihr Laub deutlich länger in den Herbst hinein tragen als die heimischen Arten. Mit Abstand am stärksten vom Trockenstress betroffen zeigte sich die heimische Winterlinde. Ihr Blätter verfärbten sich bereits im Juli und ihr Blattfall erfolgte deutlich früher als bei der Kontrolle.

Entsprechende Beobachtungen schlugen sich auch im Saftfluss nieder. Gestresste Winterlinden konnten im Schnitt nur 33 % der Transpirationsmengen der Kontroll-Pflanzen aufbringen (im Juli nur noch 20 %). Die beiden Acer-Arten zeigten die geringsten Einbrüche (A. platanoides: 62 % und A. campestre: 74 %) und auch bezüglich der Stammzuwächse zeigten sie die höchste Trockenheitsresistenz. Gestresste Hainbuchen (Carpinus betulus ‘Fastigiata’), Hopfenbuchen (Ostrya carpinifolia) und Silberlinden (Tilia tomentosa ‘Brabant’) wiesen jeweils etwas mehr als die Hälfte der Transpirationsmengen der Kontrollpflanzen auf und ihre Werte blieben – im Vergleich zur Winterlinde – auch konstant hoch bis spät in den Herbst hinein.

Im Falle der Silberlinde lieferten die begleitenden Wurzeluntersuchungen eine Erklärung für deren hohe Resistenz gegenüber Trockenheit. Während die Winterlinde bereits im Mai (vor dem Trockenstress) viel Feinwurzelbiomasse in 20 – 30 cm Bodentiefe ausgebildet hatte, ergab sich durch die Bodenaustrocknung jedoch ein Rückgang über den Sommer. Die Silberlinde investierte im Laufe des Sommers viel Kohlenstoff in die Entwicklung der Feinwurzelbiomasse in tiefere Bodenschichten. Diese Allokation ging zu Lasten des oberirdischen Biomassewachstums, führte jedoch zu der Erschließung tiefer liegender Bodenwasservorräte, wodurch relativ hohe Transpirationsmengen aufrechterhalten werden konnten.

Des Weiteren zeigte sich bei den „Klimabäumen“ auch 2017 eine deutliche Abkoppelung der Transpiration von atmosphärischen Triebkräften. Der Zusammenhang zwischen Wasserverbrauch und photosynthetisch aktiver Strahlung konnte bei allen heimischen Arten am besten mit Hilfe linearer Modelle beschrieben werden, wohingegen bei Hopfenbuche und Silberlinde im Bereich hoher Strahlungswerte Sättigungserscheinungen auftraten (exponential saturation model).

ZUSAMMENFASSUNG

Gemeinsam lassen diese Ergebnisse vermuten, dass die neuen „Klimabäume“ zu Recht als trockenheitstolerant eingestuft werden. Bestätigt werden konnte auch, dass Trockenheitstoleranz zu Lasten des (oberirdischen) Wachstums wegen der Allokation des Kohlenstoffs in den Wurzelbereich gehen kann. Da jedoch nur gesunde Vegetation ihre vielfältigen Wohlfahrtswirkungen entfaltet, sind die „Klimabäume“ eine gute Alternative für etablierte Baumarten, die zunehmend unter den schwierigen Wuchsbedingungen an Straßenstandorten zu leiden haben (Roloff, 2013). Generell sollten für hohe Regulationsleistungen dicht belaubte Spezies gepflanzt und der Erhalt möglichst großer Kronen priorisiert werden, denn das Ausmaß und die Dichte der Bewuchses sind nach wie vor die wichtigsten Einflussgrößen für die Höhe der zu erwartenden Ökosystemleistungen.

Publikationen

Havardi-Burger, N.; Mempel, H.; Bitsch, V. (2017): Supply chain analysis of bedding plants and pot plants in Germany. 51. DGG & BHGL Jahrestagung 2017.
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