Dem Wasserkreislauf im Wald auf der Spur

Auf dem Hönggerberg im Norden von Zürich steht ein Stück Wald, das sowohl Erholungsraum als auch Laboratorium ist. Das «Waldlabor» versteht sich als erlebnisorientierter Bildungs- und Forschungsort, der für alle offen ist. Bevölkerung, Fachleute und Wissenschaftler:innen erleben, bewirtschaften und beobachten den Kulturwald mit dem übergeordneten Ziel, diesen Lebensraum besser zu verstehen und langfristig zu erhalten.

Ein thematischer Schwerpunkt des Waldlabors ist der Klimawandel. Aktuell untersuchen ETH-Forschende in einem mehrjährigen Projekt, wie sich wärmere und trockenere Bedingungen auf den Wasserhaushalt des Waldes auswirken. Zu diesem Zweck betreiben Marius Floriancic, Senior Scientist am Institut für Umweltingenieurwissenschaften, und die ETH-Hydrologie-Professoren James Kirchner und Peter Molnar auf dem Hönggerberg beim Holderbach ein umfassendes Mess- und Monitoring-System, um die relevanten Teilflüsse des Wasserkreislaufs präzise zu erfassen.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie im Fachmagazin 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 für Bäume?

Wenn es im Wald regnet, finden verschiedene Transport- und Speicherprozesse statt, die erst wenig erforscht sind. «Um Trockenheit im Wald zu verstehen, müssen wir jedoch wissen, auf welchen Wegen und in welchen Mengen der anfallende Regen durch das Waldsystem fliesst», erklärt 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 für Bäume nutzbar? Wie lange dauert es, bis ein Regentropfen wieder über die Blätter der Bäume verdunstet?

Erste Antworten liefert eine von den Forschenden erstellte Wasserbilanz für das Waldlabor: Rund 20 Prozent des gesamten Jahresniederschlags bleiben in den Baumkronen hängen und verdunsten wieder zurück in die Atmosphäre – das hatten die Forschenden erwartet. Was sie jedoch überraschte: Fast gleich viel Regenwassser, rund 18 Prozent des Niederschlags, hält die Streuschicht aus abgefallenen Blättern, Tannennadeln und Totholz auf dem Waldboden zurück. «Viel mehr, als wir aufgrund bisheriger Forschungsergebnisse erwartet haben», sagt Floriancic. Auch dieser Anteil des Wassers verdunstet wieder zurück in die  Atmosphäre.

Insgesamt werden also rund 38 Prozent des Jahresniederschlags durch Kronendach und Streuschicht zurückgehalten. Dieses Wasser trägt nicht zum Bodenwasserhaushalt bei und ist für Pflanzen nicht verfügbar. Lediglich 62 Prozent des Regenwassers dringen effektiv in den Waldboden ein. Einen Grossteil nehmen sodann Gräser und Sträucher mit ihren Wurzeln in den oberen Schichten auf. «Letztlich erreicht nur ein ganz kleiner Teil des Niederschlags tiefere Bodenschichten, wo es für viele Bäume erst nutzbar wird oder neues Grundwasser bildet», stellt Floriancic fest.

Wissen für den Wald im Wandel

Laut den Forschenden wurde der Speichereffekt der Streuschicht auf den Wasserhaushalt von Wäldern in der Vergangenheit generell unterschätzt und daher in Wasserbilanzen oft vernachlässigt. «Die Bäume kommen also mit deutlich weniger Wasser aus als gedacht», resümiert Floriancic. Bäume lebten zum grossen Teil vom Winterniederschlag. Dies sei mit ein Grund, warum sie anders als etwa Gräser oder Sträucher längere Trockenzeiten im Sommer besser überstehen, solange es im Winter genügend Nachschub gibt, so der Umweltingenieur. Die Verdunstung des zurückgehaltenen Wassers aus der Streuschicht begünstigt derweil das kühl-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 künftige Veränderungen der Wälder besser vorherzusagen.

Für 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 sämtliche Wasserflüsse während und nach Niederschlägen, vom Rückhalt durch Baumkronen und Bodenstreu über Bodenwasser, Pflanzenwurzeln und Grundwasser bis hin zum Abfluss im Holderbach.

Tatkräftige Unterstützung erhalten die Forschenden von Studierenden der Departemente Umweltsystemwissenschaften und Bau, Umwelt und Geomatik. Auch dank der Nähe zum ETH-Campus Hönggerberg 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», erzählt Floriancic.

Im Rahmen von Feldkursen und Abschlussarbeiten können Studierende im Waldlabor aber auch selbständig Aspekte des Wasserkreislaufs erforschen und theoretisches Wissen anwenden. So trägt das Waldlabor auch wesentlich zur praxisnahen Ausbildung der ETH-Studierenden bei.