Dem Wasserkreislauf im Wald auf der Spur

Auf dem H?nggerberg im Norden von Z¨¹rich steht ein St¨¹ck Wald, das sowohl Erholungsraum als auch Laboratorium ist. Das ?Waldlabor? versteht sich als erlebnisorientierter Bildungs- und Forschungsort, der f¨¹r alle offen ist. Bev?lkerung, Fachleute und Wissenschaftler:innen erleben, bewirtschaften und beobachten den Kulturwald mit dem ¨¹bergeordneten Ziel, diesen Lebensraum besser zu verstehen und langfristig zu erhalten.

Ein thematischer Schwerpunkt des Waldlabors ist der Klimawandel. Aktuell untersuchen ETH-Forschende in einem mehrj?hrigen Projekt, wie sich w?rmere und trockenere Bedingungen auf den Wasserhaushalt des Waldes auswirken. Zu diesem Zweck betreiben Marius Floriancic, Senior Scientist am Institut f¨¹r Umweltingenieurwissenschaften, und die ETH-Hydrologie-Professoren James Kirchner und Peter Molnar auf dem H?nggerberg beim Holderbach ein umfassendes Mess- und Monitoring-System, um die relevanten Teilfl¨¹sse des Wasserkreislaufs pr?zise zu erfassen.

In einer k¨¹rzlich ver?ffentlichten Studie im Fachmagazin externe Seite Ecohydrology konnten Floriancic, Kirchner und Molnar zeigen, dass das abgestorbene Pflanzenmaterial auf dem Waldboden eine weitaus wichtigere Rolle in der Wasserbilanz eines Waldes spielt als bisher gedacht.

Wieviel Wasser bleibt f¨¹r B?ume?

Wenn es im Wald regnet, finden verschiedene Transport- und Speicherprozesse statt, die erst wenig erforscht sind. ?Um Trockenheit im Wald zu verstehen, m¨¹ssen wir jedoch wissen, auf welchen Wegen und in welchen Mengen der anfallende Regen durch das Waldsystem fliesst?, erkl?rt Floriancic, Erstautor der Studie und Leiter des hydrologischen Projekts.

Es sind grundlegende Fragen, mit denen sich Floriancic und Kollegen befassen: Wo landet bei einem Niederschlag das Regenwasser? Wieviel davon gelangt in den Boden? Welcher Anteil ist f¨¹r B?ume nutzbar? Wie lange dauert es, bis ein Regentropfen wieder ¨¹ber die Bl?tter der B?ume verdunstet?

Erste Antworten liefert eine von den Forschenden erstellte Wasserbilanz f¨¹r das Waldlabor: Rund 20 Prozent des gesamten Jahresniederschlags bleiben in den Baumkronen h?ngen und verdunsten wieder zur¨¹ck in die Atmosph?re ¨C das hatten die Forschenden erwartet. Was sie jedoch ¨¹berraschte: Fast gleich viel Regenwassser, rund 18 Prozent des Niederschlags, h?lt die Streuschicht aus abgefallenen Bl?ttern, Tannennadeln und Totholz auf dem Waldboden zur¨¹ck. ?Viel mehr, als wir aufgrund bisheriger Forschungsergebnisse erwartet haben?, sagt Floriancic. Auch dieser Anteil des Wassers verdunstet wieder zur¨¹ck in die  Atmosph?re.

Insgesamt werden also rund 38 Prozent des Jahresniederschlags durch Kronendach und Streuschicht zur¨¹ckgehalten. Dieses Wasser tr?gt nicht zum Bodenwasserhaushalt bei und ist f¨¹r Pflanzen nicht verf¨¹gbar. Lediglich 62 Prozent des Regenwassers dringen effektiv in den Waldboden ein. Einen Grossteil nehmen sodann Gr?ser und Str?ucher mit ihren Wurzeln in den oberen Schichten auf. ?Letztlich erreicht nur ein ganz kleiner Teil des Niederschlags tiefere Bodenschichten, wo es f¨¹r viele B?ume erst nutzbar wird oder neues Grundwasser bildet?, stellt Floriancic fest.

Wissen f¨¹r den Wald im Wandel

Laut den Forschenden wurde der Speichereffekt der Streuschicht auf den Wasserhaushalt von W?ldern in der Vergangenheit generell untersch?tzt und daher in Wasserbilanzen oft vernachl?ssigt. ?Die B?ume kommen also mit deutlich weniger Wasser aus als gedacht?, res¨¹miert Floriancic. B?ume lebten zum grossen Teil vom Winterniederschlag. Dies sei mit ein Grund, warum sie anders als etwa Gr?ser oder Str?ucher l?ngere Trockenzeiten im Sommer besser ¨¹berstehen, solange es im Winter gen¨¹gend Nachschub gibt, so der Umweltingenieur. Die Verdunstung des zur¨¹ckgehaltenen Wassers aus der Streuschicht beg¨¹nstigt derweil das k¨¹hl-feuchte Mikroklima im Wald.

Warum ist das wichtig? Weil das Wissen um den Wasserhaushalt eine wesentliche Voraussetzung ist, die Auswirkungen von Trockenheit auf den Wald zu verstehen. Die Erkenntnisse fliessen zudem in Modellierungen des Wasserhaushalts ein, um k¨¹nftige Ver?nderungen der W?lder besser vorherzusagen.

F¨¹r ihre Studie kombinierten Floriancic, Kirchner und Molnar hydrologische Experimente mit physiologischen Messungen an Pflanzen, wogen das Nass- und Trockengewicht von Streumaterial und analysierten die chemische Zusammensetzung von Wasserproben. So efassten sie s?mtliche Wasserfl¨¹sse w?hrend und nach Niederschl?gen, vom R¨¹ckhalt durch Baumkronen und Bodenstreu ¨¹ber Bodenwasser, Pflanzenwurzeln und Grundwasser bis hin zum Abfluss im Holderbach.

Tatkr?ftige Unterst¨¹tzung erhalten die Forschenden von Studierenden der 2024Å·ÖÞ±­¿ª»§_Å·ÖÞ±­APPÏÂÔØ-Ͷע|¹ÙÍø Umweltsystemwissenschaften und Bau, Umwelt und Geomatik. Auch dank der N?he zum ETH-2024Å·ÖÞ±­¿ª»§_Å·ÖÞ±­APPÏÂÔØ-Ͷע|¹ÙÍø H?nggerberg werden die jungen Wissenschaftler:innen im Waldlabor aktiv in die praktische Forschung einbezogen. ?Ein Team von Hilfsassistierenden hilft uns bei der Probennahme und Wartung der Experimente?, erz?hlt Floriancic.

Im Rahmen von Feldkursen und Abschlussarbeiten k?nnen Studierende im Waldlabor aber auch selbst?ndig Aspekte des Wasserkreislaufs erforschen und theoretisches Wissen anwenden. So tr?gt das Waldlabor auch wesentlich zur praxisnahen Ausbildung der ETH-Studierenden bei.