Wasser zuerst, Nährstoffe später – so reagieren Bäume auf Trockenstress

Wasser und Stickstoff entscheiden über das Wachstum von Bäumen. Doch längere Hitzeperioden setzen viele Bäume zunehmend unter Trockenstress. Wenn der Oberboden austrocknet, verlieren Bäume einen Teil ihrer wichtigsten Wasserquelle. In dieser oberen Schicht liegen zahlreiche Feinwurzeln. Um weiter versorgt zu bleiben, müssen sie tiefere Bodenschichten erschließen. Wie gut ihnen das gelingt, beeinflusst ihre Überlebenschancen im Klimawandel erheblich.

Ein Forschungsteam der Georg-August-Universität Göttingen hat deshalb erstmals direkt im Wald untersucht, wie ausgewachsene Bäume Wasser und Stickstoff aus 60 Zentimetern Tiefe aufnehmen und bis in ihre Kronen transportieren. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Plant, Cell & Environment.

Wasser kommt schneller oben an als Stickstoff

Die Messungen zeigen einen deutlichen Unterschied: Wasser erreicht die Baumkronen schneller als Stickstoff. Beide Stoffe starten gemeinsam im Boden – doch unterwegs trennen sich ihre Wege zeitlich. „Wasser fließt schnell durch die Leitbahnen der Bäume, und zwar als beständiger Wasserstrom von den Wurzeln zu den Blättern“, erklärt Dr. Klara Mrak. Sie war Erstautorin der Studie und forschte während ihrer Promotion an der Universität Göttingen; heute arbeitet sie an der Universität Jena. „Stickstoff wird vom Wasser mitgeführt, unterwegs aber von biologischen Prozessen gebremst.“

Dieser Effekt war bislang nur aus Laborversuchen bekannt. „Dass der Transport der beiden Ressourcen so entkoppelt verläuft, wurde bislang nur im Labor, nicht aber im Wald an ausgewachsenen Bäumen nachgewiesen“, so Mrak.

Wochenlanger Transport bis in die Krone

Untersucht wurden 18 Douglasien und Rotbuchen in zwei niedersächsischen Wäldern. Ein Standort bei Winnefeld hatte lehmigen, nährstoffreichen Boden. Der andere bei Unterlüß war sandig und nährstoffarm. Die Forschenden injizierten markiertes Wasser und markierten Stickstoff gleichzeitig 60 Zentimeter tief in den Boden. Dafür nutzten sie stabile Isotope: ²H für Wasserstoff und ¹⁵N für Stickstoff. Diese zerfallen nicht und lassen sich später eindeutig nachweisen.

Anschließend maßen Sensoren den Saftfluss im Stamm. Die Wissenschaftler kletterten zudem in die 20 bis 30 Meter hohen Baumkronen und entnahmen über zwei Monate hinweg Proben aus Blättern und Leitgewebe. Das Ergebnis:

• Das markierte Wasser erschien bereits nach etwa vier Wochen in den Kronen.
• Der markierte Stickstoff wurde erst nach vier bis sechs Wochen deutlich nachgewiesen.

Der Transport im Stamm dauerte insgesamt zwischen 23 und 73 Tagen, im Mittel etwa 32 Tage.

Mikroben bremsen den Stickstoff

Warum bewegt sich Stickstoff langsamer? Wasser wird durch die Verdunstung an den Blättern nach oben gezogen. Dieser Strom läuft kontinuierlich. Stickstoff hingegen muss aktiv durch die Wurzeln aufgenommen werden.

Im Boden spielen Mikroorganismen und Mykorrhiza-Pilze eine wichtige Rolle. Sie können Stickstoff binden oder umwandeln. Dadurch verzögert sich sein Weg in den Stamm. Selbst wenn genügend Wasser vorhanden ist, folgt die Nährstoffversorgung einem eigenen Tempo.

Douglasien kommen tiefer an Reserven

Auffällig war auch der Unterschied zwischen den Baumarten. Auf sandigen Böden griffen Douglasien stärker auf tiefere Wasser- und Stickstoffreserven zurück als Buchen.

„Douglasien können auf sandigen Böden Ressourcen aus der Tiefe aufnehmen, noch mehr als Buchen“, sagt Dr. Christina Hackmann von der Abteilung Waldbau und Waldökologie der gemäßigten Zonen an der Universität Göttingen. „Diese Beobachtung unterstreicht ihre Anpassungsfähigkeit unter Trockenstress.“

Über 14 Wochen transportierte eine Douglasie im Durchschnitt rund 228 Gramm Stickstoff in ihre oberirdische Biomasse. Bei der Buche waren es etwa 51 Gramm. Das entspricht einer etwa vierfach höheren Menge.

Böden entscheiden, wie Bäume mit Trockenstress umgehen

Auf sandigen Böden versickert Regen deutlich schneller als auf lehmigen Böden. Gleichzeitig speichern sandige Böden im Oberboden weniger Feuchtigkeit. Für Bäume auf solchen Standorten wird es daher besonders wichtig, Wasser und Nährstoffe aus tieferen Schichten zu erschließen.

Auf lehmigen Böden bleibt mehr Wasser im oberen Bereich verfügbar. Dort müssen Bäume seltener in größere Tiefen ausweichen. Die Fähigkeit zur Tiefenaufnahme hängt somit stark von der jeweiligen Bodenart ab – und sie entscheidet mit darüber, wie gut einzelne Baumarten mit Trockenstress zurechtkommen.

Die Messungen fanden im Jahr 2023 statt – einem vergleichsweise niederschlagsreichen Jahr. Trotzdem dauerte der Transport von 60 Zentimetern Tiefe bis in die Krone mehrere Wochen. Das verdeutlicht, wie langsam die inneren Abläufe in großen Bäumen tatsächlich sind. Selbst kurzfristige Trockenphasen können daher noch Wochen später Auswirkungen auf die Versorgung haben.

Kurz zusammengefasst:

• Bei Trockenstress transportieren Bäume Wasser und Stickstoff nicht gleichzeitig in die Krone: Wasser erreicht sie oft nach etwa vier Wochen aus 60 cm Tiefe, Stickstoff erst nach fünf bis sechs Wochen.
• Der Unterschied entsteht durch biologische Prozesse im Boden: Wasser wird im Transpirationsstrom nach oben gezogen, Stickstoff muss aktiv aufgenommen werden und wird durch Mikroben und Pilze zeitweise gebunden.
• Douglasien nutzen tiefe Reserven stärker als Buchen: In 14 Wochen transportierte eine Douglasie im Schnitt rund 228 g Stickstoff in die Krone, eine Buche etwa 51 g – ein Vorteil besonders auf sandigen, trockenen Standorten.

Übrigens: Während Bäume an Land unter Trockenstress um Wasser kämpfen, könnten sie in der Arktis über Jahrtausende als CO₂-Speicher dienen – weil Holz auf dem kalten Meeresboden kaum verrottet. Forscher prüfen nun, ob sich dieser natürliche Prozess gezielt nutzen lässt und welche Risiken dahinterstecken – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Klara Mrak