Wasserversorgung von Stadtbäumen bei extremer Trockenheit und Hitze

Als zentraler physiologischer Prozess gilt dabei die Transpiration. Weil der Wassergehalt in der Umgebungsluft bei großer Hitze kleiner ist als in den Blättern, ergibt sich eine Differenz an der Grenze zwischen Blättern und Umgebungsluft. Als Folge beginnt die Verdunstung, das heißt, Wasser wird aus den Blättern an die Luft abgegeben. Daraus entsteht in den Blättern ein Wasserdefizit, das sich als sogenannter Transpirationssog über das interne Wassertransportsystem in den Zweigen, Ästen und im Stamm bis in die Wurzelspitzen fortsetzt. Um dieses Defizit auszugleichen, muss nun Wasser aus dem Boden aufgenommen und wieder in das System Baum eingespeist werden. Dieses normale Programm läuft ab, um die Blattflächen des Baumes abzukühlen und alle anderen internen Lebensprozesse aufrecht zu erhalten.

Das Problem

Wenn aber kein verfügbares Wasser mehr im Boden vorhanden ist, beginnt der Baum mit der Umsetzung eines Notprogramms. Zuerst werden die Spaltöffnungen in den Blättern geschlossen und die Transpiration wird verringert und schließlich eingestellt. Dadurch kommt auch die Fotosynthese zum Erliegen. Bei anhaltender Trockenheit muss auf interne Wasserreserven im Stamm und in anderen Teilen des Baumes zurückgegriffen werden. Wenn dieser Zustand länger anhält, dann ist der betreffende Baum einem multiplen Stress ausgesetzt. Es entstehen unter anderem Trockenstress wegen Wassermangels und Hitzestress wegen Überhitzung der Blätter. Äußerlich sichtbar werden diese Prozesse durch Symptome wie Blattverfärbungen, Welkeerscheinungen, Blattfall und bei länger andauernder oder wiederholter Trockenheit und Hitze durch das Absterben von Zweigen und Ästen (vermehrte Totholzbildung). Die betroffenen Bäume sind weniger vital und deutlich anfälliger für Krankheiten und Schaderreger. Diese Reaktionen gelten als artspezifisch unterschiedlich und stark von den Standortbedingungen abhängig.

Die Lösung

Die altbewährte Lösung heißt Zusatzbewässerung des Bodens. Dazu werden im Wesentlichen drei Wasserquellen genutzt: Wasser aus Oberflächenflächengewässern, Brunnenwasser und Leitungswasser (Trinkwasser). Die Bedeutung der Zusatzbewässerung steigt mit zunehmender Anzahl und Dauer von Trockenperioden während der Wachstumsphase infolge der ungleichen Verteilung der natürlichen Niederschlagsmengen zwischen Frühjahr/Sommer und Herbst/Winter. Eine Zusatzbewässerung erfolgt derzeit jedoch vor allem bei Jungbäumen.

Die Stadt Hannover hat dazu erstmals konkrete Zahlen zu den Kosten veröffentlicht, die sich aus der Vergabe von Bewässerungsleistungen ergeben. Während die Kosten für Zusatzbewässerung von Jungbäumen im Jahr 2018 bei rund 50.000 Euro lagen sind sie stetig angestiegen und betrugen im Jahr 2022 bereits 403.000 Euro. Für das Jahr 2023 ist dann eine Reduzierung dieser Kosten auf 245 00 Euro ausgewiesen. Diese Einsparung kam vor allem durch eine bedarfsangepasste Bewässerung zustande, durch einen effektiveren Einsatz von Ressourcen (Personal, Wasser) sowie durch eine ständige Überprüfung und Optimierung der Prozessabläufe (Kornmayer 2024).

Aus ökologischer und aus pflanzenbaulicher Sicht stellen sich jedoch zwei Fragen: (1) Woher soll zukünftig das benötigte Wasser für die Zusatzbewässerung kommen und (2) wie hoch ist der Wasserbedarf eines bestimmten Baumes unter Berücksichtigung verschiedener Baumarten, Alter und Standortbedingungen? Zu (2) gibt es bisher nur wenige belastbare und konkrete Informationen und die Bedarfsermittlung erfolgt derzeit vor allem über die Ermittlung der aktuellen Bodenfeuchte und über Abschätzungen zum Baumwachstum aus Klima- und Wetterdaten anhand von Modellen. In einer solchen Simulation konnte gezeigt werden, dass ältere Bäume mit einem Stammdurchmesser von 50 bis 60 Zentimeter bei einer größeren Bodenversiegelung in der Stadt Würzburg mit mehr als 10.000 Liter Wasser in der Saison bewässert werden müssen, um zusätzliche signifikante Wachstumsreaktionen hervorzurufen (Reischl et al. 2024). Die Autoren weisen zurecht daraufhin, dass (1) solche großen Wassermengen für die Zusatzbewässerung in den Städten mit wenig natürlichem Niederschlag oftmals nicht mehr vorhanden sind. Sie empfehlen deshalb, das Management von Stadtbäumen mit Ansätzen der wassersensiblen Stadtentwicklung zu verbinden, um das Niederschlagswasser von Gebäuden und versiegelten Oberflächen für die Bäume verfügbar zu machen. Dennoch bleibt an den zahlreich vorhandenen konventionell gebauten Baumstandorten das Risiko für Trocken- und Hitzeschäden an den Stadtbäumen infolge von Stresssituationen bestehen.

Eine Alternative

Seit fast 300 Jahren ist bekannt, dass Pflanzen das lebensnotwendige Wasser nicht nur über die Wurzeln aus dem Boden aufnehmen können. Ein Teil des Wassers kann auch über die Blätter und die Rinde aufgenommen werden (Hales 1727 in Carter Berry et al. 2018, Beckett et al. 2024). Damit Wasser in die Blätter einfließen kann, muss der Prozess der Transpiration umgekehrt werden. Das ist der Fall, wenn (vereinfacht dargestellt) der Wassergehalt im Blatt kleiner ist als in der Umgebungsluft (Rundel 1982). Eine feuchte Umgebungsluft kann sich aus einem Wetterwechsel ergeben, beispielsweise wenn Blätter durch Regen direkt befeuchtet werden und wenn Nebel oder Tau entstehen. Diese Form der Wasseraufnahme ist bei mindestens 233 Pflanzenarten in mehreren Ökosystemen nachgewiesen worden (Breshears et al. 2008, Limm et al. 2009, Berry et al. 2018).

Es wird vermutet, dass der größte Teil der Wasseraufnahme durch die Blätter als feine Tröpfchen hauptsächlich über die Spaltöffnungen (Stomata) erfolgt und ein geringerer Teil – je nach Pflanzenart – auch direkt über die Blattoberfläche (Kutikula) aufgenommen werden kann. Im Blatt selbst wird das aufgenommene Wasser zuerst zwischen den Zellen (interzellular) transportiert, bevor es in das interne Wassersystem einfließen und dort verteilt werden kann. Hierzu besteht jedoch noch Forschungsbedarf (Berry et al. 2018).

Schreel & Steppe (2019) fassen den Stand des Wissens zusammen. Demnach kann die Wasseraufnahme durch die Blätter nicht nur die Blätter selbst sondern auch Zweige, Äste, den Stamm und Wurzeln rehydrieren und sogar Embolien reparieren, wenn Feuchtigkeitsereignisse wie Regen, Tau oder Nebel in der Luft auftreten. Die Wasseraufnahme durch die Blätter kann teilweise den Blattwasserstatus von der Verfügbarkeit an Bodenwasser entkoppeln. Dadurch ist es für die Bäume möglich, Trockenstressereignisse besser zu überstehen. Die Autoren fordern deshalb eine stärkere Berücksichtigung der Wasseraufnahmefähigkeit durch die Blätter in klimatologischen und Vegetationsmodellen zum Trockenstress von Bäumen.

Smith et al. (2024) haben untersucht, aus welchen Quellen Straßenbäume ihren Wasserbedarf decken. Dazu verwendeten sie natürliche stabile Isotope als Nachweis im Stammholz der beprobten Bäume für unterschiedliche Wasserquellen. Während Straßenbäume in trockenen Gebieten (Los Angeles, Kalifornien) ihr Wasser nachweislich aus der Bewässerung des Bodens und aus Grundwasser aufnahmen, erfolgte die Wasseraufnahme im gemäßigten Klima (Boston, Massachusetts) überwiegend über den Niederschlag. Dieser Niederschlag wurde dort über den Boden und auch über die Aufnahme durch die Blätter wirksam.

Als allgemeiner Kritikpunkt wird immer wieder angeführt, dass die Wasseraufnahme durch die Blätter erheblich geringer ist als die Transpiration. Dennoch konnte in Studien an ganzen Bäumen aufgezeigt werden, dass die Menge der Wasseraufnahme zwischen 5 und 26 Prozent der maximalen Transpirationsrate betrug (Steppe et al. 2018). Damit wird klar, dass die Wasseraufnahme durch die Blätter eine Bewässerung des Bodens und der Wurzeln nicht ersetzen kann. Dennoch kann die Wasseraufnahme durch die Blätter sehr schnell wirken und Wasserdefizite in den Blättern kurzfristig ausgleichen (Berry et al. 2018). Je größer der Trockenstress desto größer ist demnach die Bedeutung einer Wasseraufnahme durch die Blätter für die betroffenen Gehölze (Breshears et al. 2008).

Während in den Städten in trockenen und heißen Regionen der Erde das Versprühen und Vernebeln von Wasser regelmäßig als eine effektive Möglichkeit zur Luftkühlung eingesetzt wird (Kojima & Nakashima 2012, Ulpiani 2019), ist das Versprühen und Vernebeln von Wasser zur Reduzierung von Trocken- und Hitzestress an Bäumen noch zu wenig beachtet. An praktischen Beispielen konnte jedoch gezeigt werden, dass durch ein Besprühen von Baumkronen der Trockenstress für die Bäume (hier: Wacholder; Fichten) verringert wurde (Breshears et al. 2008; Roloff & Rothe 2000). Deshalb kann in Trockenstressperioden – vor allem bei versiegeltem Wurzelraum – eine oberirdische Bewässerung (Besprühen) der Baumkrone sinnvoller sein als eine Befeuchtung des Wurzelraumes, besonders weil deutlich geringere Wassermengen benötigt werden. Dieses Besprühen muss allerdings abends oder sehr früh morgens erfolgen, um effektiv zu sein.

Praktische Hinweise

Ein älterer Praxisbericht zum Besprühen der Kronen von Straßenbäumen findet sich bei Kühn (1959). Zu den Olympischen Spielen 1936 in Berlin wurde die Straße Unter den Linden neu mit Silber-Linden bepflanzt. Die Pflanzungen konnten aus verschiedenen Gründen erst am 7. Mai des Jahres begonnen werden und die Bäume hatten bereits ausgetrieben. Um ein sicheres Anwachsen der Bäume zu gewährleisten "wurden sie aus einer tragbaren Rückenspritze fortlaufend unter einem feinen Wasserschleier gehalten."

Beim Vernebeln wird Wasser mit sehr großem Druck durch sehr kleine Hochdruckdüsen gepresst. Es entstehen Tröpfchen in mit einem Durchmesser von weniger als 100 Mikrometer (feiner Nebel). Hierzu liegen mehrere Erfahrungsberichte zur Abkühlung von Outdoor-Stadtbereichen aus Japan vor (Kojima & Nakashima 2012, Ulpiani 2019). Damit kann ein Kühleffekt von 2 bis 3 Grad Celsius an heißen Sommertagen erreicht werden. Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund der geringen Tropfengröße sehr windanfällig und kommt für den Einsatz an großen Bäumen praktisch nicht in Frage.

Für die Befeuchtung von Blättern großer Bäume ist das Versprühen von Wasser mittels Sprühkanonen besser geeignet. Die Wurfweiten betragen 20 bis 30 Meter und der Wasserverbrauch wird mit 1000 bis 3000 Liter je Stunde angegeben. Die Tropfengrößen betragen weniger als 300 Mikrometer (z. B. B+W Gesellschaft für innovative Produkte mbH). Diese Technik ist in der Praxis bereits vorhanden, denn Sprühkanonen werden seit mehreren Jahren bei der vorbeugenden Bekämpfung des Eichenprozessionsspinners eingesetzt. Sie sind in der Regel auf Fahrzeuge montiert und könnten ebenso zur Erzeugung von Sprühnebel aus Wasser eingesetzt werden. Mit einer relativ geringen Wassermenge ließen sich demnach zahlreiche wertvolle Bäume in der Stadt vor zu großem Hitze- und Trockenstress bewahren. Praktische Tests dazu stehen noch aus und sind unbedingt erwünscht.

Literaturquellen

Beckett, H.A.A. et al. 2024: Bark water uptake through lenticels increases stem hydration and contributes to stem swelling. Plant Cell Environ. 47, 72-90.

Berry, C.Z. et al. 2018: Foliar water uptake: Process, pathways and integration into plant water budgets. Plant Cell Environ. 42, 410-423.

Breshears, D.D. et al. 2008: Foliar absorption of intercepted rainfall improves woody plant water status most during drought. Ecology, 41-47.

Kojima, M. & Nakashima, K. 2012: A study of mist spraying system by urban transportation. Proceedings of EcoDesign 2011 International Symposium.

Kornmayer, M. 2024: Bewässerung urbaner Baumstandorte im Klimawandel. Mit Sensorik und Prozessoptimierung das Grünvolumen sichern. 45. SVK-Gehölzseminar, Hannover, Seminarunterlagen.

Kühn, R. 1959: Die Straßenbäume. Patzer Verlag.

Limm, E.B. et al. 2009: Foliar water uptake: A common water acquisition strategy for plants of the redwood forest. Oecologia, 449-459.

Reischl, A. et al. 2024: Einfluss der künstlichen Bewässerung auf das Wachstum und die Ökosystemdienstleistungen von Stadtbäumen. Jahrbuch der Baumpflege, Haymarket Media, 103-109.

Roloff, A. & Rothe, M. 2000: Sprühen statt Bewässern? Erkenntnisse zu Reaktionen von Bäumen auf Trockenstress. LA Landschaftsarchitektur, 44-45.

Rundel, P.W. 1982: Water uptake by organs other than roots. Encyclopedia of Plant Physiology. Vol. 12B, Springer Verlag, 111-134.

Schreel, J.D.M. & Steppe, K. 2019: Foliar water uptake changes the world of tree hydraulics. npj Climate and Atmospheric Science, 1-2.

Smith, I.A. et al. 2024: Water sources for street trees in mesic urban environments. Science of the Total Environment, 168411.

Ulpiani, G. 2019: Water mist spray for outdoor cooling: A systematic review of technologies, methods and impacts. Applied Energy, 1-29.