Wälder und Waldböden sind wichtige Bestandteile terrestrischer Ökosysteme und erbringen vielfältige Ökosystemleistungen, darunter Kohlenstoffbindung, Klimaregulierung, Nährstoffkreislauf und Wasserfiltration. Daher sollte ihr Schutz, soweit möglich, Priorität haben, um ökologische Funktionen und langfristige Nachhaltigkeit zu erhalten. Ist ein Schutz aufgrund anthropogener Störungen oder natürlicher Degradation nicht mehr möglich, ist eine ökologische Wiederherstellung notwendig. Wiederherstellungsbemühungen sollten einen ganzheitlichen Ansatz verfolgen, der die Wiederherstellung der Bodengesundheit, einschließlich der physikalischen, chemischen und biologischen Bodeneigenschaften, fördert und gleichzeitig den intrinsischen Zusammenhang zwischen Wald- und Bodenwiederherstellung berücksichtigt. Für eine effektive Steuerung der Wiederherstellung ist es unerlässlich, sowohl den Zustand als auch die Leistungsfähigkeit der Böden durch räumliche Kartierung und standortspezifische Diagnostik zu bewerten. Dies ermöglicht die Auswahl geeigneter Wiederherstellungsstrategien, die den Einschränkungen und dem Potenzial des Bodens entsprechen. Darüber hinaus kann die Kartierung der Bodenleistungsfähigkeit realistische Erwartungen hinsichtlich der Wiederherstellung der Ökosystemleistungen liefern. Die Wiederherstellung selbst kann aus verschiedenen Techniken und Eingriffen bestehen, die in diesem Bericht zusammen mit ihren Auswirkungen auf verschiedene Bodenparameter zusammengefasst werden. Dieses praktische Tool ermöglicht die Auswahl kontextgerechter Interventionen, die die Wiederherstellung der Bodengesundheit und die Widerstandsfähigkeit des Ökosystems wirksam unterstützen. Die Überwachung ist ein entscheidender Bestandteil der Steuerung und Bewertung des Wiederherstellungserfolgs mithilfe skalierbarer Indikatoren, die kosteneffektiv, zeiteffizient und räumlich maßstabsübergreifend anwendbar sind. Diese Indikatoren ermöglichen standortübergreifende Vergleiche und langfristige Bewertungen. Die Kartierung der Bodenleistungsfähigkeit und des Bodenzustands vor der Wiederherstellung ermöglicht die Identifizierung standortspezifischer Einschränkungen und Potenziale. Die Überwachung sollte mit einer Basislinie vor der Wiederherstellung beginnen, um Referenzbedingungen festzulegen und die Auswahl der Indikatoren zu steuern. Darüber hinaus ist die Identifizierung von Degradationsproblemen ein wichtiger Schritt in der Vorüberwachungsphase. Die Überwachung nach der Wiederherstellung muss strukturiert, konsistent und langfristig sein und kurz- und langfristige Bodenreaktionen erfassen. Die Verwendung skalierbarer Indikatoren erleichtert die Verfolgung der Bodenerholung in heterogenen Landschaften und verbessert die Vergleichbarkeit und politische Relevanz.
Trotz klarer Definitionen der Bodengesundheit fehlen in der Regel spezifische Richtlinien für deren Messung oder Überwachung in der Praxis (Fierer et al., 2021). Insbesondere geht es darum, welche Variablen für die Beurteilung des Bodenzustands am relevantesten sind. Bodengesundheit lässt sich natürlich nicht durch einen einzigen „optimalen“ Zustand definieren, da sie je nach Ökosystem und Landnutzung variiert (Bünemann et al., 2018; Lehmann et al., 2020). Dennoch sind bestimmte Indikatoren für die Beurteilung der Bodengesundheit durchweg nützlich. So sind gesunde Böden beispielsweise typischerweise gut strukturiert (physischer Gesundheitszustand), enthalten ausreichend organischen Kohlenstoff (SOC), um Wasser und Nährstoffe zu binden (chemischer Gesundheitszustand) und sind voller Leben (biologischer Gesundheitszustand) (Frene et al., 2024; Raghavendra et al., 2020; Stewart et al., 2018; Wang & Zhang, 2024). Eine wirksame Bodensanierung berücksichtigt diese drei Schlüsselkategorien von Bodeneigenschaften: physikalische, chemische und biologische (Raghavendra et al., 2020; Stewart et al., 2018). In diesem Kapitel schlagen wir für jede Kategorie eine Reihe von Indikatoren vor, von denen einige als „skalierbar“ gelten, d. h. so konzipiert sind, dass sie in verschiedenen Ökosystemen anwendbar, kostengünstig und einfach umzusetzen sind.
1. Physikalische Eigenschaften
Innerhalb der physikalischen Eigenschaften schlagen wir vor, die Schüttdichte und die Aggregatstabilität zu bewerten, da diese die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Böden beeinflussen und durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden können. Die Bodentextur ist ebenfalls ein wichtiges physikalisches Maß, da sie jedoch durch Bewirtschaftung nicht variabel ist, sagt sie eher etwas über die Kapazität des Bodens als über seinen Zustand aus.
Schüttdichte, ausgedrückt in mg/cm³, ist ein wichtiger Indikator für Bodenverdichtung und allgemeine Bodengesundheit und beeinflusst die Wasserinfiltration, Wurzelentwicklung und Schätzungen des Kohlenstoffbestands (Lee et al., 2009; Panagos et al., 2024; Vogt et al., 2015). Er misst die Trockenmasse des Bodens pro Volumeneinheit und variiert je nach Bewirtschaftungspraxis (Al-Shammary et al., 2018). Zu den Probenahmemethoden gehören direkte (Kern, Schollen, Aushub) und indirekte (Strahlung, Regression) Ansätze; während indirekte Methoden genauer sind, sind sie auch teurer und erfordern spezielle Fähigkeiten (Vogt et al., 2015). Eine konsistente Probenahme mit fester Tiefe – idealerweise fünf Proben pro Bestand – wird empfohlen, um die Variabilität mit der Tiefe zu berücksichtigen (Cools & De Vos, 2010). Im SUPERB-Projekt wurde die Schüttdichte mit der Kernmethode in 0–5 cm Tiefe (100 cm³ Kopecky-Ring) und mit einem 18-mm-Bohrer in Schichten von 5–15, 15–40 und 40–80 cm Tiefe gemessen (FunDivEUROPE, 2011). Die Proben wurden bei 105 °C im Ofen getrocknet, gewogen und die Schüttdichte als Trockenmasse geteilt durch das Probenvolumen berechnet.
Zusätzlich Aggregatstabilität ist ein wichtiger Indikator für die Bodengesundheit, da er mit der Erosionsanfälligkeit und der Boden-Wasser-Dynamik zusammenhängt (Rieke et al., 2022). Rieke et al., 2022, bewerteten vier Methoden zur Bestimmung der Aggregatstabilität und kamen zu dem Schluss, dass alle vier Methoden praktikabel sind. Unter Berücksichtigung von Kosteneffizienz, Methodenzugänglichkeit und Zeiteffizienz bietet der Löschtest, adaptiert von der Smartphone-Bilderkennungssoftware SLAKES, einen praktischen und wissenschaftlich fundierten Ansatz zur Beurteilung der Aggregatstabilität im Feld. Diese Methode ist auch bevorzugt von der Bodengesundheitsinstitut.
2. Chemische Eigenschaften
Die chemischen Eigenschaften beziehen sich auf die Zusammensetzung und Reaktionen des Bodens. Diese Eigenschaften bestimmen, wie gut der Boden Pflanzen und andere Bodenorganismen mit lebenswichtigen Elementen versorgen und Schadstoffe abpuffern kann. Hier schlagen wir vor, den gesamten Kohlenstoffgehalt und Stickstoffgehalt im Boden sowie den pH-Wert des Bodens zu messen. Weitere Eigenschaften, die für die Beurteilung des chemischen Zustands des Bodens von Interesse sein könnten, sind die Kationenaustauschkapazität (KAK), da sie die Fähigkeit des Bodens widerspiegelt, Nährstoffe zu speichern und abzugeben, die elektrische Leitfähigkeit (EC), da sie den Salzgehalt des Bodens anzeigt, und der Zustand des Bodens hinsichtlich bestimmter Nährstoffe, die Pflanzen zum Wachsen benötigen (z. B. NO3-, NH4+, P, K, basische Kationengehalte).
Messen Boden Kohlenstoff hilft dabei, zu verfolgen, wie viel Kohlenstoff Wälder binden und wie Umweltveränderungen diese Rolle beeinflussen. Außerdem ist Kohlenstoff im Boden eng mit der Fruchtbarkeit, Struktur, Wasserspeicherung und biologischen Aktivität des Bodens verknüpft. Bei SUPERB wurde für Kohlenstoff dieselbe Methode verwendet wie für die Probenahme zur Bestimmung der Schüttdichte (FunDivEUROPE, 2011). Kohlenstoff im Boden kommt sowohl in organischen Molekülen als auch in anorganischen Karbonaten vor. Je nach Art des zu messenden Kohlenstoffs werden unterschiedliche Analysetechniken verwendet. Methoden zur Bestimmung des Gesamtkohlenstoffs sind Trockenverbrennung oder Nassoxidation (Vogt et al., 2015). Bei SUPERB wurde der Gesamtkohlenstoff analysiert. Bodenproben wurden getrocknet und zerkleinert, um fein gemahlenen Boden zu erhalten, und mit dem Flash 2000 Organic Elemental analysiert. Diese Analyse funktioniert über Trockenverbrennung (T = 950 °C), gefolgt von Gaschromatographie (Robertson, 1999). Wenn im Boden Karbonate vorhanden waren, wurde der Bodenprobe zunächst Salzsäure zugesetzt, um nur den organischen Kohlenstoff im Boden zu erhalten.
Boden pH ist möglicherweise der wichtigste Faktor für die Bodenfruchtbarkeit und ein entscheidender Indikator für die Bodenqualität. Er beeinflusst die Waldgesundheit und das Funktionieren des Ökosystems erheblich, indem er verschiedene biologische und chemische Prozesse beeinflusst. Er spielt auch eine entscheidende Rolle für die Aktivität und Vielfalt von Bodenbakterien und -pilzen und ist wesentlich für die spezifischen pH-Präferenzen verschiedener Baumarten. (O'Neill et al., 2005; Singh et al., 2011; Thomas, 1996; Vogt et al., 2015). Der pH-Wert des Bodens wurde mit der gleichen Methode wie für Bodenkohlenstoff und pH-Wert bestimmt (FunDivEUROPE, 2011). Für die Laboranalyse gibt es kein Standardverfahren zur Messung des pH-Werts und dieser kann von Labor zu Labor variieren. Der pH-Wert kann mit schnellen Feldmethoden oder präziseren Labortechniken gemessen werden: pH-H2O und pH-KCL. pH-H₂O wird durch Zugabe von Wasser aus dem Boden bestimmt und misst nur die freien Wasserstoffionen (H⁺) in der Bodenlösung. Wasserstoffionen, die an Ton und organische Stoffe gebunden sind, werden dabei nicht berücksichtigt. Der pH-KCl-Wert wird durch Mischen des Bodens mit einer Kaliumchloridlösung bestimmt. Die Kaliumionen (K⁺) ersetzen die an Ton und Humus gebundenen Wasserstoffionen, sodass pH-KCl sowohl die freien als auch die austauschbaren Wasserstoffionen im Boden misst (Van Ranst et al., 1999). In SUPERB misst pH-H2O wurde in einem 1 g:10 ml Boden:Flüssigextrakt für die Waldbodenproben und in einem 1 g:5 ml Boden:Flüssigextrakt für die Mineralbodenproben gemessen (Van Ranst et al., 1999). Diese Verhältnisse gelten auch bei Verwendung der pH-KCl-Methode mit 1 M KCl.
3. Biologische Eigenschaften
Bodenmikroben bauen organische Substanz durch katabole Prozesse ab. Darüber hinaus spielen sie eine zentrale Rolle im Nährstoffkreislauf, der Bodenstrukturbildung und der allgemeinen Bodenfruchtbarkeit. Mikroorganismen reagieren stark auf Umweltveränderungen und sind daher wertvolle Indikatoren für die Bewertung der Wiederaufforstung. Zur Bestimmung der mikrobiellen Diversität im Boden stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, darunter Kultivierung, Mikroskopie, DNA-Methoden und Bildanalyse (Vogt et al., 2015). Hier konzentrieren wir uns auf die potenzielle katabole Aktivität/Diversität und die Stoffwechselaktivität.
Beurteilung katabole mikrobielle Aktivität und Vielfalt sind für das Verständnis der Bodengesundheit von entscheidender Bedeutung. Durch die Bewertung der potenziellen katabolen Aktivität können wir die Effizienz mikrobieller Gemeinschaften bei der Mineralisierung organischer Substrate quantifizieren, wodurch wichtige Nährstoffe freigesetzt und zum Nährstoffpool des Bodens beigetragen wird (Vogt et al., 2015). Im Rahmen von SUPERB haben wir die Biolog EcoPlate™-Methode zur Messung dieses Parameters ausgewählt (Gaublomme et al., 2006). Auf verschiedene Kohlenstoffquellen geimpfte Mikroorganismen hinterlassen im Laufe der Zeit ein Reaktionsmuster (Biolog, 2023). Um eine genaue Bewertung zu gewährleisten, wurden die Proben steril mit Einweghandschuhen gesammelt und alle Geräte mit 90 % Ethanol und einem Gasbrenner sterilisiert. Die Proben wurden kühl (7 °C) gelagert und innerhalb von 14 Tagen analysiert (FunDivEUROPE, 2013). Im Labor wurden die frischen Proben verdünnt und auf die Biolog EcoPlates™ pipettiert, die 31 verschiedene Kohlenstoffquellen und 1 Kontrolle in dreifacher Ausführung enthielten. Die beimpften Platten wurden für 48 Stunden in einen Inkubator bei 25 °C gestellt. Die Absorption wurde nach dem Befüllen der Ecoplates (Tag 0) mit einem VERSAmax Mikroplatten-Reader (OD 590 nm) sowie an Tag 3 und 5 gemessen. Anhand der erhaltenen Daten können die durchschnittliche Farbentwicklung der Vertiefungen und der Shannon-Diversitätsindex ausgedrückt werden.
Die Metabolische Aktivität ist ein sensitiver Indikator für viele unterirdische Prozesse und ökologische Wechselwirkungen. Die Bodenatmung ist ein indirekter Index für die biologische Aktivität des Bodens und kann zur Bestimmung der mikrobiellen Biomasse verwendet werden (Vogt et al., 2015). Bodenmikroorganismen atmen Kohlendioxid als Nebenprodukt des Stoffwechsels aus, während sie organische Stoffe abbauen und Nährstoffe zirkulieren (Rieke, Cappellazzi, et al., 2022). Im Rahmen von SUPERB wurde die mikrobielle Biomasse gemessen, indem wiederbefeuchtete, getrocknete und gesiebte Erde (10-15 Gramm) 24 Stunden lang bei 24 °C in einem Gefäß inkubiert wurde (Comeau et al., 2023; Moebius-Clune, 2016; Soil Health Institute, 2022; Vogt et al., 2015). Nach 24 Stunden wurde CO2 Die Konzentrationen wurden mit dem LICOR 7810 gemessen. Die Messung erfolgte durch Auffangen des Gases mit einer Spritze und Injektion der Probe in den geschlossenen Kreislauf des LICOR-Systems (Comeau et al., 2023). Die CO2 Die Werte wurden anhand des Volumens des geschlossenen Kreislaufs und des CO berechnet2 Konzentration vor und nach der Injektion. Eine kostengünstigere und einfachere Alternative zur Messung des Kohlenstoffgehalts (im Vergleich zum LICOR) ist der Checkpoint Dansensor.
Da es Biomasse der Feinwurzeln kann ebenfalls bestimmt werden. Feinwurzeln sind ein wichtiger Indikator für die unterirdische Produktivität und Nährstoffaufnahme, da Feinwurzeln hauptsächlich für die Wasser- und Nährstoffaufnahme verantwortlich sind. Die Messung der Feinwurzelbiomasse hilft dabei, die Funktion von Ökosystemen, Boden-Pflanzen-Interaktionen und die Auswirkungen von Umweltveränderungen oder -sanierungen auf die Wurzeldynamik zu beurteilen (Likulunga et al., 2022; Magalhães & Mamugy, 2020; Vogt et al., 2015). Im Rahmen von SUPERB wurde die Probenahme der Feinwurzeln nach der gleichen Methodik durchgeführt wie für Bodenkohlenstoff (FunDivEUROPE, 2011). Da die Laboranalyse von Feinwurzeln arbeitsintensiv und zeitaufwändig sein kann, haben wir eine weniger intensive Probenahmemethode gewählt, um Machbarkeit und Datenqualität in Einklang zu bringen. Für jede Probe wurde 5 Minuten lang eine Feinwurzelernte auf dem getrockneten, aber ungesiebten Boden durchgeführt und die Feinwurzelbiomasse berechnet, indem die Masse der gesammelten Wurzeln durch das Gesamtvolumen der getrockneten Probe geteilt wurde (Likulunga et al., 2022; Magalhães & Mamugy, 2020).
