Wurzelsysteme ingenieurbiologischer Bauweisen - Department für ...

R. Stangl/W. Zenz/P. Weinbacher · Wurzelsysteme ingenieurbiologischer Bauweisen
Wurzelsysteme ingenieurbiologischer Bauweisen
DI Rosemarie Stangl DI Walter Zenz Patrick Weinbacher
rosemarie.stangl@boku.ac.at
Universität für Bodenkultur
Department für Bautechnik und Naturgefahren
Institut für Ingenieurbiologie und Landschaftsbau
Peter Jordan-Straße 82, 1190 Wien
Tel.: +43-1-47654-7303; Fax: +43-1-47654-7349
Der vorliegende Artikel beschäftigt sich mit der Entwicklung der Wurzelkörper
ingenieurbiologischer Bauweisen nach mehreren Jahren bis Jahrzehnten.
Der Fokus liegt dabei auf der Wurzelraumcharakteristik von Heckenbuschlagen,
von als Buschlagen eingelegten Gehölzen in Holzkrainerwänden
und Hangrosten sowie von Weidenspreitlagen. Neben der
Ausprägung arttypischer Merkmale und der Adventivwurzelbildung entlang
der eingelegten Sprosse wurden die Biomasseentwicklung sowie
die räumliche Ausdehnung der Wurzeln quantitativ erfasst und analysiert.
1 Einleitung
Die Fähigkeit mancher Arten zur Adventivwurzelbildung
ist als eine der wichtigsten Eigen schaften von Gehölzen
im ingenieurbiologischen Arbeitsbereich zu sehen. Die
Wurzelbildung entlang von Sprossen oder Ästen wird
ausgenutzt, um neben herkömmlichen Pflanzungen auch
Ast- oder Stammteile zur Bewehrung des Bodens einbringen
zu können. Zusätzlich von Vorteil ist die damit verbundene
vegetative Vermehrbarkeit. Die Pflanzen treiben
– häufig mehrstämmig – neu aus, die sich entwickelnden
Wurzelsysteme bieten weitere Stabilisierung und Schutz
vor Oberflächenerosion.
Schubert und Wagner (1993) beschreiben Adventivwurzeln
als „Sprossbürtige Wurzeln, die aus Sprossachsen
hervorgehen und für die Monokotyledonen und viele sich
vegetativ vermehrende Dikotyledonen charakteristisch
sind, sowie blattbürtige Wurzeln“. Die Ausbildung von Adventivwurzeln
durch äußere Einflüsse wie Verletzungen
und Übererdung wird hormonellen Vorgängen zugeschrieben.
Die Fähigkeit zur Adventivwurzelbildung ist äußerst
unter schiedlich ausgeprägt. Am Institut für Ingenieurbiologie
wurden diesbezüglich zahlreiche Arten auf ihre
Eignung zum Einsatz in der Ingenieurbiologie getestet
(Florineth, 2004).
2 Beschreibung der genannten ingenieurbiologischen
Bauweisen
Heckenbuschlagen (HBL)
Heckenbuschlagen sind eine Stabilbauweise, bei der in
vorab gegrabenen Terrassen kräftige Weiden steckhölzer
und bewurzelte Pflanzen dicht nebeneinander liegend
eingebracht werden. Dieser Lagenbau ist ein mit lebenden
Bild 1: Seitenriss einer Heckenbuschlage und ein Jahr nach Fertigstellung
© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Bautechnik und Naturgefahren
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und tragfähigen Pflanzen oder Pflanzenteilen bewehrtes
Erdmaterial zur Sicherung von Lockermaterial. Die Kombination
von ge wachsenen lebenden Ästen mit bewurzelten
Gehölzen ermöglicht es, Initial- und Folge vege tation
in einem Arbeitsgang einbringen zu können. Der Lagenbau
wird klein- und großflächig zur Sicherung von Einschnitt-
und Auftrags böschungen, von Hängen und bei abgerutschten
Lockermaterialien bis 1,5 m Tiefe eingesetzt
(Bild 1).
Holzkrainerwände (HKW)
Krainerwände sind ein- oder doppelwandigen Kastensysteme
aus Holz, Beton, Metall oder Kunststoff, die als
technische Stützkörpersysteme wirken. Das Einlegen von
ausschlag fähigem Astwerk und bewurzelten Laubholzpflanzen
vor allem in Holzkrainerwänden erhöht die aktive
Entwässerung und damit die statische Sicherheit von
Baukörper und Böschung.
Der Vorteil von Holzkrainerwänden liegt in der raschen
Böschungssicherung und in ihrer Flexibilität gegenüber
Setzungsprozessen. Sie dienen als Stützkörper
zur Hangfußver bauung, zur Sicherung wenig ausgedehnter
Hang- und Böschungs anschnitte und zur Beseitigung
kleinerer Schadstellen an Hängen und Böschungen sowie
zum Verbau von Erosionsrinnen (Bild 2).
Lebende Hangroste (HR)
Hangroste sind Gitter- oder leiterartige Stützkörper aus
Holz, können aber auch aus Metall- oder Kunststoffelementen
gebaut werden. Das Prinzip der Konstruktion ist
so ausgerichtet, dass sie sich selbst vom Fuß aus stützt.
Ansonst ist eine fundierte Fußsicherung, die das Gewicht
des Hangrostes tragen kann, von Nöten. Zur Entlastung
der Fußsicherung und zur Verankerung des Hangrostes
im Boden dienen Piloten aus Eisen oder Holz, die meist
an den Kreuzungsstellen der Gitterkonstruktion in den
Boden geschlagen werden. Der Hangrost wird mehr oder
weniger an der Verankerung „aufgehängt“. Zur Begrünung
des Hangrostes wird lebendes Pflanzenmaterial in Form
eines Lagenbaus verwendet. Vegetativ vermehrbare Äste
und/oder be wurzelte Laubgehölze, die zumindest so lang
sind, um in das Ausgangsmaterial hinein zureichen, werden
in dichten Lagen eingebaut (Bild 3).
Weidenspreitlagen (WSL)
Weidenspreitlagen dienen als Deckbauweisen der Sicherung
von Ufern an Fließgewässern. Zur Herstellung werden
Weidenäste oder ausschlagfähiges Ast werk dicht auf
der Böschungs fläche verlegt und an vorab eingeschlagenen
Pflöcken nieder gebunden. Durch Nachschlagen der
Pflöcke werden die Weiden fest an den Boden gedrückt
Bild 2: Bepflanzte Holzkrainerwand kurz nach der Fertigstellung
und nach fünf Jahren
Bild 3: Bepflanzter Hangrost kurz nach der Fertigstellung
und nach 5 Monaten
2
Bautechnik und Naturgefahren

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und gut einge bettet, der Austrieb sollt dadurch jedoch
nicht gehemmt werden Die dicken Astenden sollen zur
Vermeidung von Austrocknung unter die Gewässersohle
reichen. Die Basis der Spreitlage ist ent sprechend dem
Gewässertyp mit Steinen (Blockwurf), Holzkrainerwänden,
Stangen, Faschinen oder Flechtzäunen zu befestigen
(Bild 4).
Der Vorteil der Weidenspreitlagen ist im sofortigen,
flächendeckenden Oberflächenschutz zu sehen. Prallufer,
die hohen hydraulischen Bean spruchungen ausgesetzt
sind, können damit höchst effizient geschützt werden.
3 Material und Methoden
Im Zuge von Studien zur Zustandsbewertung von ingenieurbiologischer
Systemen wurden in Südtirol zahlreiche
Wurzelkörper freigelegt. Untersucht wurden Alnus incana,
Salix daphnoides und Fraxinus excelsior von ehemaligen
bewurzelten Gehölzeinlagen im Lagenbau (HBL,
HKW und HR) sowie Salix purpurea und Salix eleagnos
von Weidenspreit lagen.
Die Isolation der Wurzelsysteme erfolgte mittels
Wasserstrahl unter ca. 2 bar Druck, oder händisch mittels
Bürsten. In der Regel wurden etwa 2 lfm des jeweiligen
Bautyps freigelegt.
Neben den klassischen Baumparametern wie Brusthöhendurchmesser,
Wurzelhals durch messer und Baumlängen
wurden die Längen und Durchmesser der ehemaligen Einlagen
ver messen. Es wurden alle sprossbürtigen Wurzeln
und Adventivwurzeln 1. Ordnung gezählt und ihre Durchmesser
und Längen aufgenommen. Das Baumalter wurde
an der Stammbasis mittels Jahrringzählung ermittelt.
Die Biomasse wurde getrennt nach Kompartimenten
(Stamm, Äste inkl. Laub, Asteinlagen, Wurzeln nach
Durchmesserkategorien) erhoben. Mittels Sektorenanalyse
wurden Infor mationen über die räumliche Biomasseverteilung
gewonnen. Dazu wurde die Wurzelbio masse für
jeden Sektor in einem dreidimensionalem Modell erfasst.
4 Resultate
Wurzelsysteme in Lagenbauweisen (HBL, HKW, HR)
An allen untersuchten Individuen konnten die ehemaligen
Sprosse, die gemäß dem Lagen bau horizontal eingelegt
wurden, identifiziert werden. Sie sind einheitlich die
kräftigsten, quer in den Hang reichenden Wurzeln.
Intraspezifische Wurzelverwachsungen innerhalb
einer Art wurden bei allen Lagenbauweisen beobachtet.
Das Kollektiv aus Grauerlen einer 14-jährigen Heckenbuschlage
bildete einen beachtlichen Wurzelkörper mit
Bild 4: Weidenspreitlage beim Bau und Austrieb
nach vier Jahren
Bild 5: Isolierter Wurzelverbund aus Eschen eines 20-jährigen
Bautechnik und Naturgefahren 3

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Bild 6: Isolierter Wurzelverbund aus Grauerlen einer zwölfjährigen
Holzkrainerwand
über 4 m Durchmesser und Trockengewichten bis zu 9 kg
pro Individuum. Die wenigen sprossbürtigen Wurzeln
zeigten bereits die arttypische Form eines kegelförmigen
Umhanges, bildeten ein dichtes Geflecht aus sprossbürtigen
Wurzeln um das Stammzentrum und reichten bis etwa
einen dreiviertel Meter in die Tiefe. Die mehr als doppelt
so hohe Gesamtbiomasse der einzelnen Kollektivpartner
im Vergleich zu den Einzelindividuen bestätigt Angaben
von Polomski und Kuhn (1998), wonach der gesamte
Verbund durch die gemeinsame Nährstoffnutzung für die
Biomasseentwicklung profitiert.
Bewurzelte Sprosseinlagen von Eschen eines 20-jährigen
Hangrostes entwickelten auf frisch-feuchtem Lehmuntergrund
ein beeindruckendes Wurzelkollektiv (Bild 5).
Im Gegensatz zu den Erlen wird dieser Verbund primär aus
den Adventivwurzeln der ehemaligen Einlagen aufgebaut,
während die sprossbürtigen Wurzeln in ihrem Wachstum
den Adventivwurzeln deutlich nachgeordnet sind. Die Adventivwurzeln
hatten für Eschen typische Merkmale nach
Kutschera und Lichtenegger (2002) ausgebildet und sind
charakterisiert durch große Seitenerstreckung, gute Unterscheidbarkeit
horizontaler und vertikaler Wurzeln, ausgeprägter
Feinverzweigung und gewellter Form. Die aus dem
eingelegten Spross gebildeten Wurzeln setzen die Richtung
der horizontalen Einlagen fort und erhöhen bei einer Längenausdehnung
bis über 200 cm die Dübelwirkung in den
Hang. Die Abnahme der Durchmesser am Wurzelende wird
durch zunehmenden Feinwurzelbesatz ausgeglichen.
Die gemeinsame Nährstoffnutzung wirkte sich ebenfalls
positiv auf die Verbundpartner des Kollektivs aus vier
Grauerlen und zwei Reifweiden einer 20-jährigen Heckenbuschlage
zu (Bild 6 und 7). Die oberirdischen Biomassen
beider Arten sind z.T. um ein Vielfaches höher ist als das
von Einzelindividuen. Das Wurzelkollektiv hatte einen
Durchmesser von beachtlichen 8 m und eine seitliche Ausdehnung
von 4,5 m. Polomski und Kuhn (1998) meinen,
dass interspezifische Wurzelver wachsungen zwischen verschiedenen
Arten nur sehr selten vorkommen und sich auf
nah verwandte Arten beschränken. Verwachsungen kommen
dann zustande, wenn Wurzeln übereinander zu liegen
kommen oder zusammengedrückt werden. Die unmittelbare
Nähe der Einlagen bei lagenbauartigen Bauweisen
zueinander verursacht naturgemäß Platzmangel. Häufig
Bild 7: Isolierter Wurzelverbund aus Grauerlen und Reifweiden
einer 20-jährigen Heckenbuschlage
reagieren die Wurzeln mit Richtungsänderungen auf Hindernisse,
wie sie bei den Holzkrainerwänden beobachtet
wurden. Verwachsungen im Zuge des Dickenwachstums
stellen eine konstruktive Verbindung dar, der sehr hohe Bedeutung
im Sinne von sowohl tief- als auch weitreichender
Bodenstabilisierung zukommt.
Räumliche Wurzelverteilung von Asteinlagen
aus Heckenbuschlagen
Die ehemaligen Asteinlagen einer Grauerle und einer
Reifweide dominieren typischerweise die Wurzelarchitektur
und die unterirdische Biomasse. Die räumliche Verteilung
der neu gebildeten Wurzeln ist sehr inhomogen.
Aufgrund von Sprosswurzelbildung konzentriert sich die
Hauptwurzelmasse sowohl bei der Grauerle als auch bei
der Reifweide in der Nähe der Stammachse. Zwei Drittel
der Grobwurzeln befinden sich in der oberen Setkorenebene,
während die Sektoren der unteren Ebenen primär
von den Feinwurzeln besetzt sind (Bild 8).
Bild 8: Räumliche Sektorenanalyse der Biomasseverteilung
der neu gebildeten Wurzeln von Alnus incana (14
J., bewurzeltes Gehölz) und Salix daphnoides (14 J.,
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Bautechnik und Naturgefahren

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Wurzelsysteme von Weidenspreitlagen (WSL)
Die Wurzelkörper einer 14-jährigen Weidenspreitlage aus
Lavendel- und Purpurweide tragen bedeutend zur Stabilisierung
der Böschung bei. Die Asteinlagen sind im Oberboden
gut verwachsen und fungieren als eigenständige
Wurzelkörper, die als Stabilisierungselemente parallel zur
Böschungsober fläche liegen. Sie weisen nach dem Einbau
ein beträcht liches Dickenwachs tum auf und produzieren
damit etwa 80 % der unterirdischen Biomasse (Bild 9 und
10). Die Gesamtbiomasseproduktion der Lavendelweide
ist etwa dreimal so hoch wie jene der Purpurweiden.
Sie leisten in der Spreitlage den größten Beitrag zur
Stabilisierung der Böschung. Die Grob- und Starkwurzeln
der Purpurweiden zeigten eine effiziente Tiefener streckung
mit beachtlicher Reichweite. Armdicke Vertikalwurzeln der
Lavendelweiden stellen eine massive Tiefenver ankerung dar.
Der Grobskelettgehalt des Schüttkörpers verhindert jedoch
die Ausbreitung der Feinwurzeln in die Tiefe.
5 Diskussion und Ausblick
Bild 9: Wurzelbildung aus Asteinlagen einer Weidenspreit-
27%
Gesamtbiomasse [%] - 03 Passer
6%
oberirdisch Asteinlagen Wurzeln
Bild 10: Biomasseverteilung einer 14-jährigen Weidenspreit-
Wurzelsysteme von Weidenspreitlagen (WSL)
Die Wurzelkörper einer 14-jährigen Weidenspreitlage aus
Lavendel- und Purpurweide tragen bedeutend zur Stabilisierung
der Böschung bei. Die Asteinlagen sind im Oberboden
gut verwachsen und fungieren als eigenständige
Wurzelkörper, die als Stabilisierungselemente parallel zur
Böschungsober fläche liegen. Sie weisen nach dem Einbau
ein beträcht liches Dickenwachs tum auf und produzieren
damit etwa 80 % der unter irdischen Biomasse (Bild 9 und
10). Die Gesamtbiomasse produktion der Lavendelweide
ist etwa dreimal so hoch wie jene der Purpurweiden. Sie
leisten in der Spreitlage den größten Beitrag zur Stabilisierung
der Böschung. Die Grob- und Starkwurzeln der Pur-
67%
• Gehölzeinlagen, wie sie bei Heckenbuschlagen, Hangrosten
und Holzkrainerwänden verwendet werden,
bieten vor allem in steilem Gelände eine hervorragende
mechanische Armierung.
• Die eingelegten Gehölzsprosse, deren Durchmesser
im Lauf der Jahre durch Dickenwachstum zunehmen,
übernehmen die Rolle einer Hauptwurzel mit zentraler
Funktion.
• Durch ihre horizontale Position wird eine sehr gute Tiefenbewehrung
bis etwa 2 m quer in den Hang hinein
erreicht, die das artspezifische Wurzelnetz zusätzlich in
ihrer stabili sierenden Wirkung unterstützt.
• Durch Wurzelverwachsungen bilden sich beeindruckende
Wurzelkollektive, die einen wesentlichen Beitrag
zur Erhöhung der unter irdischen Biomasse leisten.
• Die Asteinlagen von Weidenspreitlagen fungieren als
eigenständige Wurzelkörper mit beacht lichem Dickenwachstum
und tiefreichender Vertikalverankerung.
Im Sinne der Baustatik ist speziell der Lagenbau ein stabilisierendes
Bauwerk, die Sicherheit gegen Kippen und
Gleiten kann berechnet werden. Florineth (2004) erwähnt
außerdem die Trag fähigkeit durch die Druck- und Zugfestigkeit
des Stammes, die Verbundfestigkeit zwischen
Pflanze und Boden und die Wirkung der Pflanzen als
Zuganker oder Dübel, wobei die zum Herausziehen benötigte
Kraft ausschlaggebend ist. Von Schuppener (1994,
2003) wurden ausführliche statische Berechnungen über
die Wirkung der eingelegten Weidenäste veröffentlicht.
Er prägte den Begriff „Lebend bewehrte Erde“.
Für Weidenspreitlagen fasst Gerstgraser (2000) Angaben
über maximale Belastbarkeiten inklusive Fußsicherung
bis 480 N/m² berechnet als Schleppspannung
zusammen. Er weist auf die mantelartige Schutzwirkung
der jungen Sprosse, die sich bei Überströmung dachziegel
artig übereinander legen, ebenso wie auf jene der
Asteinlagen hin.
Derzeit herrscht großer Bedarf in der Erforschung
der zugrunde liegenden Mechanismen des zunehmenden
Dickenwachstums der Asteinlagen und ihrer Wurzelneubildungen
sowie der der damit verbundenen Erhöhung der
statischen Wirksamkeit.
Bautechnik und Naturgefahren 5

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Dank
Sonderbetrieb für Bodenschutz, Wildbach- und Lawinenverbauung,
Autonome Provinz Bozen, Südtirol
Literatur
Florineth, F. (2004): Pflanzen statt Beton. Handbuch zur Ingenieurbiologie
und Vegetationstechnik. Berlin/Hannover (D):
Patzer Verlag.
Gerstgraser, C. (2000): Ingenieurbiologische Bauweisen an
Fliessgewässern. Grundlagen zu Bau, Belastbarkeiten und
Wirkungsweisen. Dissertation der Universität für Bodenkultur.
Wien (A): Österreichischer Kunst- und Kulturverlag.
Kutschera, L. & Lichtenegger, E. (2002): Wurzelatlas mitteleuropäischer
Waldbäume und Sträucher. Graz (A): Stocker.
Polomsky, J. & Kuhn, N. (1998): Wurzelsysteme. Birmensdorf,
Eidgenössische Forschungs anstalt für Wald, Schnee und
Landschaft. Bern, Stuttgart, Wien (D/A): Verlag Haupt.
Schubert, R. & Wagner, G. (1993): Botanisches Wörterbuch.
Pflanzennamen und botanische Fachwörter. 11. Aufl.; Stuttgart
(D): Eugen Ulmer Verlag.
Schuppener, B. (1994): Die statische Berechnung der Bauweise
„Lebend Bewehrte Erde“. Geo technik, 18, 204–213.
Schuppener, B. (2003): Geotechnische Bemessung von Böschungssicherungen
mit Pflanzen. 4. Österreichische Geotechniktagung,
Tagungsbeiträge. Hrsg. Österr. Ingenieur- und
Architekten verein, 55–69.
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Bautechnik und Naturgefahren