Neuer Waldzustandsmonitor zeigt dynamische Veränderungen der Wälder infolge extremer Klimaereignisse

Laut dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) weisen große Teile des deutschen Waldes infolge der extremen Dürreperioden der letzten Jahre zunehmende Schäden auf. Es gibt jedoch kaum Daten, die die dynamischen räumlich-zeitlichen Veränderungen der Waldlandschaft auf großen Skalen erfassen.

In einer Studie veröffentlicht In Fernerkundung der Umweltbeschreibt ein Forscherteam unter Koordination des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), wie sich aus Satellitendaten der Zustand der Waldlandschaften in Deutschland ableiten lässt.

Diese Informationen dienen als Grundlage für den neuen UFZ-Waldzustandsmonitor, der in Karten mit einer räumlichen Auflösung von 20 Metern detaillierte Informationen zu Waldmerkmalen liefert. Diese deuten darauf hin, dass im Zeitraum von 2016 bis 2022 vor allem in mitteldeutschen Regionen wie dem Harz, dem Sauerland und der Sächsischen Schweiz eine deutliche Zunahme geschädigter Waldflächen zu verzeichnen ist.

Etwa ein Drittel der Fläche Deutschlands, etwa 11 Millionen Hektar, ist mit Wald bedeckt. Die Verbreitung dieser Wälder und die vorherrschenden Baumarten sind weitgehend bekannt.

„Was uns bisher allerdings fehlt, sind spezifische Informationen über großräumige und flächendeckende Waldverhältnisse, die auch regionale Aspekte berücksichtigen und [their] Veränderungsdynamik“, sagt UFZ-Fernerkundungsspezialist Dr. Daniel Doktor.

Der UFZ-Waldzustandsmonitor soll diese Lücke nun schließen: „Wir haben einen Index entwickelt, der die dynamischen Zustandsänderungen der deutschen Waldflächen abbildet. Diesen Index bilden wir in unserem Monitor als Saison- und Jahreskarten ab“, erklärt er.

Anders als etwa der Waldzustandsbericht des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), der den durchschnittlichen Waldzustand in Deutschland statistisch abtasten soll, liefert der Monitor damit Informationen mit höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung. Zwar basiert der BMEL-Bericht auf hochpräzisen Waldinventuren, allerdings sind diese nur für rund 400 solcher Waldflächen mit einer Auflösung von 16 Kilometern bundesweit spezifiziert.

Den Waldzustand ermittelten die UFZ-Forscher aus Sentinel-2-Daten der europäischen Weltraumorganisation ESA.

„Das Sonnenlicht wird von jeder Baumart im Jahresverlauf unterschiedlich reflektiert. Das können die Satelliten sehr gut erfassen und als Zahlenwerte speichern. Sie bilden Vegetationsmerkmale ab, etwa Pigment- und Wassergehalt oder Kronendachstruktur“, sagt Dr. Maximillian Lange, Erstautor der Studie. „Je stärker diese Werte von der durchschnittlichen Reflektivität abweichen, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Vegetation gestresst oder zerstört ist.“

Die Forscher extrahierten repräsentative Reflexionszeitreihen für gesunde Populationen der vier dominierenden Baumarten Eiche (Trauben- und Stieleiche), Rotbuche, Fichte und Waldkiefer über die Jahre 2016 bis 2022. Diese dienten anschließend als Referenz, um Anomalien im Waldzustand festzustellen. So konnten die Forscher einen sogenannten Waldzustandsanomalieindex ermitteln. Er quantifiziert, in welchem ​​Ausmaß die jeweiligen Reflexionen von der Referenz abweichen – also in welchem ​​Ausmaß der tatsächliche Waldzustand vom erwarteten Zustand abweicht.

Dieser Index ist für alle Waldflächen in Deutschland mit einer räumlichen Auflösung von 20 Metern verfügbar. Das Team steht jedoch noch vor der Herausforderung, den Waldzustandsanomalieindex zu kalibrieren, Unsicherheiten zu quantifizieren und diese zu minimieren.

Die Online-Version des UFZ-Waldzustandsmonitors zeigt neben dem Waldzustand auch die räumliche Verbreitung der vier dominierenden Baumarten und ihre jeweilige Phänologie, wie etwa Knospenaustrieb und Blattfärbung. Zudem bietet sie mehrere Vegetationsindexkarten, die spezifische Vegetationseigenschaften hervorheben. Darüber hinaus sind modellierte Baumartenverbreitungskarten Teil der Plattform. Sie basieren auf drei verschiedenen Klimaszenarien (RCP 2.6, RCP 4.5 und RCP 8.5), die vom Weltklimarat definiert wurden.

Der Hauptfokus des UFZ-Waldzustandsmonitors liegt jedoch auf den Waldzustandsanomalienkarten, die als Werte zwischen -1 und 1 quantifiziert werden. So deuten beispielsweise Werte über 0 (im Kartenviewer in verschiedenen Grüntönen dargestellt) auf einen steigenden Chlorophyll- und Wassergehalt oder eine stärkere Belaubung hin und repräsentieren somit einen verbesserten Waldzustand. Werte unter 0 (Farben von gelb bis dunkelviolett) hingegen deuten auf Störungen oder Schäden hin. Werte unter -0,15 stehen typischerweise mit schweren Waldschäden in Zusammenhang, die durch extreme Dürreeffekte, Winddurchschlag, Feuer und Insektenbefall verursacht werden.

Die Karten zeigen, dass die geschädigte Waldfläche in Mitteldeutschland, etwa im Harz, im Thüringer Wald, im Sauerland oder in der Sächsischen Schweiz, vor allem nach 2018 deutlich zugenommen hat. Laut Waldzustandsmonitor des UFZ waren im Jahr 2022 52 Prozent des Gesamtwaldes und insbesondere 76 Prozent der Nadelbäume im Harz stark geschädigt. Im Jahr 2017 waren dagegen nur 9 Prozent des Waldes und 8 Prozent der Nadelbäume stark geschädigt.

„Hitze, Trockenheit und Insekten sowie deren Wechselwirkungen beeinträchtigen den Wald und führen zu Folgeschäden wie Windwurf und erhöhter Brandgefahr“, beschreibt UFZ-Forscherin Anne Reichmuth die Ursachen. Besonders betroffen sind Wälder der deutschen Mittelgebirge, in denen nach 1945 Fichten angepflanzt wurden.

Aber auch bei Kiefern, Buchen und Eichen gibt es regional erhebliche Verluste. Die zunehmende Massenvermehrung schädlicher Insekten ist ein wesentlicher Faktor für den schlechten Zustand der Nadelbäume. Laubbäume sind besonders von sogenannten Komplexkrankheiten betroffen, die das Immunsystem und damit die Abwehrkraft der Bäume schwächen.

Der UFZ-Waldzustandsmonitor zeigt auch, wie unterschiedlich stark Regionen von klimatischen Extremereignissen betroffen sein können. So hat sich der Waldzustand in den Mittelgebirgen Schwarzwald und Erzgebirge zwischen 2016 und 2022 nicht wesentlich verschlechtert. Die im Schwarzwald verbreitete Weißtanne ist besser an den Klimawandel angepasst als die Gemeine Fichte.

Auch waren die Regionen Mittel- und Nordostdeutschland stärker von der Dürre betroffen. In den höheren Lagen des Erzgebirges war die Dürre dagegen weniger stark.

„Mit dem UFZ-Waldzustandsmonitor soll insbesondere der Wissenstransfer zu Behörden wie den Landesforsten und Nationalparkverwaltungen gefördert werden“, so Doktor. Mit den Karten ließen sich die dynamischen Veränderungen des Waldökosystems durch extreme Klimaereignisse anschaulich darstellen.