Das Potenzial von regionalen Stadtbaumsubstraten ist vielfältig

Mit Pflanzenkohle den Boden verbessern

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Fraxinus ornus in der Zürcher Innenstadt im Wädenswiler Baumsubstrat. Die Bäume wurden in einem unterirdischen Wurzelkorridor miteinander verbunden. Foto: Andrea Gion Saluz, ZHAW
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Die Mischung des Wädenswiler Baumsubstrats wurden auf die lokalen Makro- und Mikroklimadaten und auf den Nutzungsdruck angepasst. Foto: Andrea Gion Saluz, ZHAW

Dem Einsatz von Pflanzenkohle wird in verschiedensten Literaturen ein vielversprechendes Potenzial für die Bodenverbesserung nachgesagt. Die Eigenschaften von optimal hergestellter, aktivierter Pflanzenkohle sind vielfältig und auch entsprechend einsetzbar. Nachfolgend wird vor allem auf das Potenzial für urbane Substrate eingegangen. In den letzten drei Jahrzehnten entstand in der Thematik der Substrate und der Substratentwicklung eine sehr große Eigendynamik. Das Resultat sind technisch vielfältige und physikalisch genormte Substrate, welche vielfach als Patentlösung angeboten werden. Fakt ist allerdings, dass die Ansprüche an urbane Grünräume wie auch die schädigenden Einflüsse stetig steigen.

Die heutigen Bauweisen und Normen wie auch der mangelnde Einbezug der Lebenszykluskosten von urbanen Grünräumen können dieser Dynamik nicht folgen. Die urbanen Grünräume müssen als dynamischer Teil der städtischen Infrastruktur angesehen werden. Diese "Grüninfrastruktur" muss in den heterogenen Bedingungen einer Stadt individuell geplant werden. Dazu zählt auch die individuelle Betrachtung der Böden und der einzubauenden Substrate. Unsachgemäße Bauweisen mit vielen "Fremdkörpern" im an sich schon beschränkten Wurzelraum führen zu vorzeitigen Schadsymptomen und somit zum frühzeitigen Absterben von Bäumen. Auch die regelmäßigen Bautätigkeiten in den Wurzelräumen schaden der Grüninfrastruktur irreversibel. Dass die Lebensdauer der eingesetzten Materialien im infrastrukturellen Städtebau geringer ist als das Alterungspotenzial der verwendeten Bäume ist hierbei die Hauptproblematik. Bei den heutigen Baustandards und Normen hat der Baum also eigentlich keine Chance seine volle ökologische Leistungsfähigkeit zu entwickeln.

Die überbaubaren Vegetationstragschichten (FLL-Bauweise 2) mit den ZTV - Vegtra-Mü Sieblinienband B sind die Vorgaben für Lösungsansätze mit Substraten: Verbesserte Vegetationsschichten, die zusätzlich als Unterbau unter die Frostschutz- und Tragschicht, gemäß den zusätzlichen technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien im Erdbau (ZTVE-StB) verwendet werden können, ohne ihre Eigenschaften als durchwurzelbare Schicht für Bäume und Sträucher zu verlieren. Die verdichtungsfähigen Substrate müssen schichtweise eingebaut werden, um eine Nachverdichtung zu verhindern. Der Anteil von organischer Substanz darf nach FLL 2017 nicht höher als ein bis zwei Massenprozent betragen. Sie können unter die Frostschutz- und Tragschichten von Wegen und Plätzen eingebaut werden, um für die Bäume einen unterirdischen, erweiterten Wurzelraum zu schaffen. Die Fähigkeiten dieser Substrate sind dennoch eingeschränkt, und der geforderte Wurzelraum von zwölf Kubikmeter ist grundsätzlich zu gering, um den Bäumen ein nachhaltiges Altern zu ermöglichen. Die Herausforderungen sind mannigfaltig und neue, innovativere Lösungen im Umgang mit Substraten und Stadtbäumen sind gefragt.

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Eine mögliche Vernetzung der Substrate als Wurzelkorridore für Starkwurzeln auch unter Schwerverkehrsachsen und an neuralgischen Punkten vorbeigeführt. Abb.: Andrea Gion Saluz, ZHAW

Eine Möglichkeit sind Substratmischungen mit Pflanzenkohle. Substrate, welche situativ und dem Städtebau angepasst geplant und mit regionalen Komponenten gemischt werden können. Diese spezifischen Mischungen können diese Herausforderungen annehmen. Der Knackpunkt bei den strukturstabilen Substraten ist der Feinanteil und die geforderten ein bis zwei Prozent Masseanteil organischer Substanz.

Die Einarbeitung von Pflanzenkohle als ergänzende organische Substanz in einen Boden kann sehr positive Effekte auf Bodenkulturen aufweisen. So wurde nachgewiesen, dass die durch Pflanzenkohle verursachte bessere Nährstoffdynamik, zu einem erhöhten Pflanzenwachstum sowie zu einem besseren Grundwasserschutz führt. Die poröse Kohle beinhaltet Nischen als geschützten Lebensraum, welche Bodenorganismen als Lebensraum für sich beanspruchen. Verschiedenste Autoren haben den positiven Effekt von Pflanzenkohle auf die chemischen Eigenschaften eines Bodens und auf das verbesserte Pflanzenwachstum dokumentiert und nachgewiesen. So kann beispielsweise der Einsatz von Pflanzenkohle die Kationenaustauschkapazität drastisch erhöhen.

In einem Forschungsprojekt, durchgeführt vom Institut für Ökologie der Technischen Universität Berlin, konnte zudem nachgewiesen werden, dass die verfügbare Wasserkapazität ab einem Masseprozentanteil Pflanzenkohle von ? 5 in einem Sandboden, signifikant steigt Aufgrund der hohen Porosität und der großen spezifischen Oberfläche von 300 Quadratmeter bis 600 Quadratmeter pro Gramm kann die Pflanzenkohle diese Aufgaben übernehmen. Die sehr große Oberfläche kann funktional den geringen Masseprozentanteil organischer Substanz um ein Vielfaches erhöhen.

Diese Ausgangslage bildet die Grundlage für einige Forschungsprojekte in Europa zu Stadtbaumsubstraten mit Pflanzenkohle. Über die Substratzusammensetzung des Forschungsprojekts der ZHAW in Wädenswil wurde in der Stadt und Grün Ausgabe 04/2017 bereits berichtet. Das Substrat besteht aus Schotteranteilen, Backsteinsand, organischer Substanz und Blähschiefer. Als organische Substanz wird Oberboden mit Pflanzenkohle oder Nährhumus verwendet. Die Pflanzenkohle funktioniert vor allem als Trägermittel für Nährstoffe. Hierfür muss sie biologisch aktiviert und mit Nährstoffen aufgeladen werden. Diese Aktivierung und Aufladung kann durch das Einarbeiten in Kompost, Viehmist oder auch Gülle erreicht werden. Je nach Verwendung des Substrats oder auch der Planung der Zielvegetation kann zusätzlich nochmals Kompost oder ein höherer Anteil organische Substanz eingearbeitet werden. Der Nachteil von Kompost in diesem Fall ist die schnelle Zersetzung und die damit einhergehende geringe Strukturstabilität. In naturnäheren Standorten kann damit ergänzt werden.

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Wurzelzuwachs der Tilia cordata in Wädenswil in den drei Testsubstraten. Gut sichtbar: der Feinwurzelanteil. Foto: Andrea Gion Saluz, ZHAW
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Die Versuchsbäume im ersten Standjahr (2015) in der Qualität 10/12. Die punktuelle Unterpflanzung gehört zu einem funktionierenden System dazu. Foto: Andrea Gion Saluz, ZHAW
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Erste Wurzellenk-Versuche mit vielversprechenden Ergebnissen. Die Suchwurzeln steuern der Pflanzenkohle nach und das Dickenwachstum findet an den geplanten Orten statt. Foto: Andrea Gion Saluz, ZHAW

Erste Tendenzen in Wädenswil

Die Ergebnisse der dreijährigen Testphase am Campus Grüental sind vielversprechend. Die physikalische Beschaffenheit der getesteten Substrate ist in der Abbildung 7 ersichtlich. Die abgebildeten Sieblinien oder Siebkurven liegen knapp unterhalb des empfohlenen Sieblinienkorridors der FLL Pflanzgruben Bauweise 2 (überbaubar) und ZTV-Vegtra-Mü (2002). Der prozentuale Mengenanteil der grobkörnigen Kieskornfraktion ist größer zulasten der gröberen Sand- und feineren Kieskorngrößen. Die Kurve von Substrat 1 (rot) zeigt somit einen geringeren Anteil des Ziegelsands (0/8). Während die Substrate 2 und 3 (gelb und orange) zwischen den Korngrößen zwei Millimeter und zehn Millimeter eine deutliche Aufwärtstendenz aufweisen, bleibt die Linie von Substrat 1 konstant und etwas unterhalb der empfohlenen Korngrößenverteilung. Daraus lässt sich ein geringeres Vorkommen von zwei bis acht Millimeter Körnungen ableiten.

Die großen Schotteranteile übernehmen die Funktion des Bodenskeletts und garantieren eine hohe Strukturstabilität sowie ausreichend viele Grob- und Mittelporen für den Wasser- und Lufthaushalt. Letzterer ist für die Ausbildung der Baumwurzeln ein limitierender Faktor. Ein weiterer Vorteil in der Verwendung dieser sehr beständigen Materialien ist das Potenzial des Recyclings. Bei Um- und Neubauten können diese Materialien unter Auffrischung des Feinanteils wiederverwendet werden. Das Substrat wurde entsprechend den Normen für den Straßenbau für die Schweiz und Deutschland (SN 670 317b und ZTVE-StB94) auf einen Ev2 Wert von ? 2.3 verdichtet. Dies entspricht einem Verdichtungsdruck von rund 100 Meganewton/Quadratmeter und somit den Vorgaben für einen Unterbau einer befahrenen Straße.

Die chemischen Analysen beinhalten die Erhebung der pflanzenverfügbaren Nährstoffe. Untersucht wurden dabei Stickstoff (NO3-) Phosphat (P2O5), Kalium (K2O) und Magnesium (Mg). Dazu wurden der pH-Wert, der allgemeine Salzgehalt und die potenzielle Kationenaustauschkapazität untersucht.

Die Nährstoffanalysen über alle Jahre zeigen einen relativ tiefen aber konstanten Wert. Anders als bei Vergleichssubstraten auf dem Markt wurden die Testsubstrate nie gedüngt oder gewässert. Eine Düngung ist insofern nicht zielführend, da die Nährstoffe in den marktfähigen Substraten bei einem so geringen Anteil an organischer Substanz gar nicht gebunden werden können. Auch hier hat die Pflanzenkohle ein hohes Potenzial. So erfolgte die Aktivierung des Bodens und des Bodenlebens im Testsubstrat nur durch die eingebaute aktivierte Pflanzenkohle und eine entsprechende punktuelle Unterpflanzung der Baumscheiben. Im Feldversuch wurden die Substrate mit wurzelnackten Tilia cordata Sämlingen bepflanzt (SuG 04/2017). Die Bonituren der Winterlinden zeigen einen erheblichen Zuwachs der Triebspitzen und sehr gute Werte des wichtigen Dickenwachstums. Auch die Phänologie ist im Vergleich zu den Nullvarianten im natürlich gewachsenen Boden ähnlich. Eine Verkürzung der Vegetationsperiode wurde vor allem im Jahr 2017 festgestellt. Dies ist durch den klimatisch sehr turbulenten Frühling zu erklären, als auf den späten Wintereinbruch eine ausgesprochene Trockenphase folgte. Die Bäume haben in den mageren und trockenen Substraten entsprechend schnell eingezogen und abgeschlossen.

Nebst der oberirdischen Bonitur wurden auch die Wurzelentwicklungen untersucht. Die T. cordata Sämlinge wurden wurzelnackt direkt in das Substrat gepflanzt und mögliche Pufferwirkungen durch die Ballenqualität zu vermeiden. Das Wurzelvolumen der ausgegrabenen Linden hat in diesen drei Testjahren um rund 450 Prozent zugenommen. Alleine im ersten Testjahr waren Wurzelzuwächse von 65 Zentimeter festzustellen (Abb 4). Entscheidend ist vor allem der Feinwurzelanteil. Dieser hat bei allen Bäumen stark zugenommen. Dies ist insofern wichtig, da die Feinwurzeln mit ihren Wurzelhauben zum einen für die Nährstoffaufnahmen zuständig sind und zum anderen die Suchwurzeln ausbilden. Dies ist in diesem Substrat gut gewährleistet.

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Die Sieblinien der Testsubstrate am Campus Grüental in Wädenswil. Der Feinkornanteil ist zugunsten der groben strukturstabilen Form und der Durchlässigkeit reduziert. Abb.: Andrea Gion Saluz, ZHAW
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Biokohle aus Fäkalien. Eine Möglichkeit globale Kreisläufe zu schließen und eine echte Alternative zur Pflanzenkohle? Foto: Mira Bleuler, ZHAW
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Alltag auf den Baustellen: der Stadtbaum als Topfpflanze. Auch die besten Substrate nützen den Bäumen in solchen Baumgruben nichts. Foto: Andrea Gion Saluz, ZHAW

Der Einsatz von Pflanzenkohle in Stadtbaumsubstraten ist keine neue Idee. Forschungsberichte über Substrateinbauten wie in Amsterdam oder Stockholm in denen grobe Steinstrukturen als Bodengerüst verwendet werden und die Pflanzenkohle als großer Anteil des Feinanteils eingearbeitet oder eingeschwemmt wird, sind seit mehreren Jahren verfügbar. Doch dürfen sie nicht als generelle Patentlösung betrachtet werden und ersetzen keinesfalls das differenzierte Auseinandersetzen mit dem Standort und dem vorherrschenden Klima. Auch ein differenzierter Einbau des Substrats kann neue Lösungen generieren. So konnte beobachtet werden, dass in einem mageren strukturstabilen Substrat, welches die Durchwurzelung gewährleistet, die Pflanzenkohle als Wurzellockstoff eingearbeitet werden kann. Wie von Heidger (2002) beschrieben, gehen Wurzeln den Weg des geringsten Widerstandes. Diese finden sie oft in Leitungen und zwischen den lageweise eingebauten Tragschichten vor. Dies birgt den eingangs erwähnten Konflikt mit der städtischen Infrastruktur.

Die Lösungssuche muss den Stadtbaum technisch gesehen ebenfalls als städtische Infrastruktur betrachten, welche eine Laufzeit von 100 Jahren und mehr erreichen muss. Wie erwähnt erreicht ein Baum sein ökologisches Optimum artenspezifisch nach 40(+) Jahren. Dieses Alter muss er zukünftig zwingend erreichen um die Ökosystemleistungen zu erbringen, die der klimatischen Entwicklung in Städten etwas entgegenhalten. Ein offensichtlicher Lösungsansatz sollte darauf abzielen, dass die grauen und grünen Infrastrukturen einer Stadt miteinander geplant werden können und so eingebaut werden, dass bei einer vorgängigen Sanierung keine Schäden an benachbarten Infrastrukturen entstehen. Hier käme die Pflanzenkohle als Wurzellockstoff mit differenziertem Einbau der Substrate zum Einsatz. Das gezielte Vorbeiführen von Hauptwurzeln an strategisch heiklen Punkten könnte einer der vielen Lösungsansätze sein.

Auf Fremdmaterialien im Boden sollte auch in Zukunft möglichst verzichtet werden. Die Schweizer Städte verzichten bestenfalls bereits auf zusätzliche Infrastrukturen wie Wurzelsperren oder unterirdische Baumverankerungen. Dennoch werden diese aufwändigen Installationen vielerorts angewendet. Unterirdische Wurzelverankerungen, welche einen erheblichen Druck auf den Wurzelhals ausüben und vielfach an einem unterlegten Armierungsgitter befestigt sind, sind nicht zielführend. Der Baum muss vor allem nach unten uneingeschränkt durchwurzelbaren Raum vorfinden. Dies mit einem Armierungsgitter zusätzlich zu begrenzen, reduziert den Stadtbaum endgültig zur Topfpflanze, welche die wichtigen Ökosystemleistungen im Hinblick auf den Klimawandel nicht mehr erbringen kann.

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Auch im peripheren Raum lastet auf Bäumen ein hoher Nutzungsdruck. Korrekt eingebaute, artenspezifische Substrate und eine entsprechende Unterpflanzung geben dem Baum die Chance alterungsfähig zu bleiben. Foto: Sibylle Roshardt, ZHAW

Bäume sind zum einen als gestalterisches Element, zum anderen als Klimaanlagen unserer Städte unverzichtbar. Kein Element leistet in Bezug auf Klimaregulierung und Ästhetik mehr als ein Stadtbaum. Klimaregulierung ist auch für die Substratmischungen mit Pflanzenkohle ein wichtiges Stichwort. Die Mischungen mit Pflanzenkohle haben das Potenzial, Kreisläufe zu schließen und globale Nährstofffrachten zu normalisieren. Denn mit dem Einbau von Pflanzenkohle wird stark und langfristig gebundener Kohlenstoff wieder in den Boden zurückbefördert. Mit fortlaufender Forschung können sie auch neue Normen für Unterbauten generieren und im innovativen Städtebau verwendet werden. Denn die Substrate müssen nicht nur als Träger für unsere Grüninfrastruktur herhalten, sie müssen auch in den Lösungsansätzen für das Regenwassermanagement Anwendung finden.

Undurchlässige und vegetationslose Flächen resultieren in einem erhöhten Oberflächenabfluss. Die Folgen sind ungefilterte Spitzenabflüsse in Kanalisationen, Wasserauffang- oder Retentionsbecken oder natürliche Gewässer. Dieser muss durch die städtische Infrastruktur abgefangen werden. Auch hier sind das Filterpotenzial und die Adsorptionsfähigkeit der Pflanzenkohle noch einmal erwähnt. Die lokale Versickerung in Pflanzgruben und nahgelegenen Grünflächen hilft, den Wasserkreislauf zu schließen und Wasser auch in Gebieten mit tiefem Grundwasserspiegel pflanzenverfügbar zu machen. Gerade für Städte mit sehr geringer Grundwassermächtigkeit oder tiefem Grundwasserspiegel, langen Trockenheits- und Hitzephasen und natürlich durchlässigen, stark drainierenden Böden, sind dies Lösungsansätze für effizientes und nachhaltiges Stadtgrün.

Sicher ist, dass ganzheitliche und praxisorientierte Lösungen nur mit interdisziplinären Ansätzen möglich sind. Die Pflanzenkohle wird dabei eine wichtige Rolle spielen.


Literatur

Abel, S., A. Peters, S. Trinks, H. Schonsky, M. Facklam & G. Wessolek, (2013). Impact of biochar and hydrochar addition on water retention and water repellency of sandy soil.

Geoderma (202-203), S. 183-191. (Glaser, Lehmann, & Zech, 2002).

DIN 18916. (2002). Vegetationstechnik im Landschaftsbau - Bodenarbeiten. Berlin: Beuth Verlag.

Embrén, B. (11.12 2015). Planting urban Trees with Biochar; The Stockholm Project. The Biochar Journal, S. 44-47.

FLL, F. L. (2017). Empfehlungen für Baumpflanzungen - Teil 2: Standortvorbereitungen für Neupflanzungen; Pflanzgruben und Wurzelraumerweiterung, Bauweisen und Substrate. Bonn: Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e. V. - FLL.

Heidger, C. (2002). Wurzeln sind lenkbar! Optimierungsmöglichkeiten im Wurzelraum von Straßenbäumen. Osnabrück: Tagungsband 20. Osnabrücker Baumpflegetage.

Klemisch, M. (2017). Sind Stadtbäume in standardisierten Substraten unterversorgt? Ausgburg: Deutsche Baumpflegetage 2017.

Liang, B., J. Lehmann, D. Solomon, J. Kinyangi & J. Grossman, (2006). Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil Science Society of America Journal 70 (5), S. 1719-1730.

Saluz, A. (2017): Entwicklung eines strukturstabilen Stadtbaumsubstrates mit Pflanzenkohle. Forschungsbereich Urbane Ökosysteme, Forschungsgruppe Pflanzenverwendung der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW.

Schmidt , H. (1. 2011). Wege zu Terra Preta - Aktivierung von Pflanzenkohle. Ithaka Journal, S. 28-32.

Schmidt , H. (2016). Wurzelapplikation von Pflanzenkohle - hohe Ertragssteigerung mit Pflanzenkohle. Arbaz, Schweiz: Ithaka Journal.

Schmidt, S. (2013). Die Schönbrunner Mischung. HBLFA Schönbrunn; Schönbrunner Gartenblatt, S. 1-6.

VSS, V. S. (2014). VSS Bepflanzung, Ausführung SN 640 675a; VSS Alleebäume, Grundlagen SN 640 677; VSS Alleebäume, Baumartenwahl SN 640 678a. SN; Schweizer Normen.

Dipl.-Ing. Axel Heinrich
Autor

Dozent für Pflanzenverwendung

ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
 Andrea Gion Saluz
Autor

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, ZHAW, Forschungsgruppe Pflanzenverwendung

Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW)

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