Das Geheimnis der Tiefwurzler Dr. Matthias Beyer über seine Nachwuchsforschungsgruppe „Isodrones“

Extremwetter und Dürreperioden machen auch den europäischen Wäldern zu schaffen. Grund genug, mehr über die Vegetation und ihre Wasserquellen zu erfahren. Mit dem „geheimen Leben“ von Pflanzen und Bäumen unter der Erde beschäftigt sich deshalb die von der VolkswagenStiftung geförderte Nachwuchsforschungsgruppe „Isodrones“. Dafür untersucht das Team Prozesse unter der Oberfläche – mit Wasserisotopen und Drohnen. Mit Dr. Matthias Beyer, Freigeist-Fellow und Leiter der Forschungsgruppe, hat Bianca Loschinsky über tiefe Wurzeln, Costa Rica durch die VR-Brille und Stratzlawski gesprochen.

Herr Beyer, Ihre Forschungsgruppe „Isodrones“ beschäftigt sich mit dem „geheimen Leben“ der Bäume. Warum müssen wir hier noch tiefer eindringen?

Was das Leben der Bäume anbelangt, ist noch vieles unbekannt. In unserem speziellen Fall: Wir können nicht einfach unter die Erdoberfläche schauen und sehen, was dort passiert. Genau das wird im Rahmen des Klimawandels jedoch eine große Rolle spielen. Und das ist der Grund, warum wir mehr über das „geheime Leben“ der Pflanzen unter der Erde herausfinden müssen. Das Waldsterben der vergangenen Jahre hat jede*r beobachtet und wir müssen nun überlegen, was wir tun können, wie Wälder, aber auch Stadtgrün resilienter werden können.

Aber weshalb wissen wir noch zu wenig über das, was sich unterhalb der Oberfläche abspielt?

Man weiß natürlich, wie Pflanzen funktionieren. Sie brauchen CO2, Wasser, Licht, Chlorophyll. Und man weiß auch sehr genau, welche Prozesse stattfinden. Wir beschäftigen uns aber mit der Frage, aus welchen Tiefen Pflanzen ihr Wasser bekommen. Das war bislang nur zu beantworten, indem man Bäume ausgräbt. Es gibt keine nicht-invasive Methode, um das zu bestimmen. Wir können mit Radar, mit geoelektrischen Methoden zu einem gewissen Grad unter die Erde schauen, aber die Methoden sind noch nicht so weit, dass wir beispielsweise Feinwurzeln sehen können.

Sie graben die Bäume nicht aus. Wie untersuchen Sie die Wasseraufnahme von Pflanzen aus der Tiefe?

Ziel unseres Forschungsprojekts ist es, die Wasseraufnahme tiefer Wurzeln auch ohne das traditionelle ‚Ausbuddeln‘ zu untersuchen. Eine Methode, die seit Jahrzehnten etabliert ist, ist die Wasserisotopen-Analyse von Bäumen und Böden, die wir in den vergangen fünf Jahren erheblich weiterentwickelt haben. Dabei entnimmt man eine Probe aus dem Stamm. Das Wasser, das von der Pflanze nach oben transportiert wird, entspricht isotopisch gesehen einer Mischung aller Ressourcen, die die Pflanze unterirdisch hat. Das heißt: Kommt eine bestimmte Menge Wasser aus zehn Zentimetern, aus 50 Zentimetern oder drei Metern, dann ist das, was wir im Stamm messen, eine Mischung aus all diesem Wasser.

In den verschiedenen Bodentiefen gibt es eine Variation der Isotope. Die Isotopen-Signaturen haben also in zehn oder 50 Zentimetern unterschiedliche Konzentrationen. Mit statistischen Modellen können wir bestimmen, wie viel Prozent des Wassers aus einer bestimmten Bodentiefe kommen muss, um diese Mischung zu erhalten. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler*innen so gearbeitet: Proben zu unterschiedlichen Jahreszeiten genommen, ins Labor gebracht, extrahiert, gemessen. Das ist unglaublich aufwändig und wiederholte Probenahmen schaden zudem dem Baum.

Seit 2018, mit dem Start unserer Forschungsgruppe, entwickeln wir eine einfachere Methode. Jetzt sind wir nach fünf Jahren soweit, dass wir sowohl in Böden als auch in Pflanzen, diese Messung mit einem Sensor vornehmen können, den wir einbauen. Wir bohren sowohl ein Loch in verschiedene Bodentiefen als auch in den Stamm, bauen dort unsere Sonden ein und können somit kontinuierlich Wasserisotope in beiden Kompartimenten messen. Wenn nötig, könnte ich so für jeden Tag des Jahres die Wasserisotopen bestimmen.

Wie muss man sich diese Sensoren vorstellen?

Wir verwenden gaspermeable Membranen, die wie weiße Schläuche aussehen und in den Baum eingebaut werden. Die Gas-Phase tauscht sich mit dem Baum aus und anhand dessen können wir die Isotopen-Signatur bestimmen. Im Boden und in den Pflanzen ist es die gleiche Methodik, die in vielen Klimazonen funktioniert: Deutschland, Costa Rica, USA. Wir haben die Methode in zahlreichen Projekten angewandt und jetzt sind wir an dem Punkt, dass wir sie einsetzen und zugänglich machen können.

Wer kann diese Methode nutzen?

Ziel ist es, die Methode unter anderem in die forstwirtschaftliche Praxis zu bringen. Natürlich hat es nicht nur dort Relevanz. Es ist der gesamte hydrologische Kreislauf, den man mit diesen hochaufgelösten Messungen besser verstehen lernt.

Sie beobachten die Wälder auch von oben, mit Drohnen. Warum ist das wichtig und welche Erkenntnisse haben Sie dadurch erlangt?

Natürlich klingt es zunächst konträr, etwas, das ganz tief im Boden liegt, von oben zu betrachten. Die Wasserisotopen-Messung können wir in unseren Projekten jedoch nur an wenigen Individuen anwenden: zehn bis 15 Bäume. Doch wie repräsentativ ist das für einen Wald oder ein ganzes Gebiet? Hier sehe ich ein großes Potenzial für den Einsatz von Drohnen: Wir können eine repräsentative Fläche überfliegen und wir erhalten detaillierte Aufnahmen bis auf die Blattebene.

Die Idee dahinter: Die Baumkrone spiegelt das wider, was im Boden passiert. Wenn es längere Zeit extrem trocken ist und trotzdem sind noch Bäume zu sehen, die weiterhin sehr grün sind, hat dies einen Grund. Es kann sein, dass der Baum in eine Art Winterschlaf geht und ganz wenig verdunstet. Er passt sich an, indem weiße Blattoberflächen die Strahlung reflektieren. Eine andere Anpassung ist aber auch, möglichst wenig Biomasse über der Erde zu haben und ganz viel unter der Erde, also tiefe oder weit auslegende Wurzeln, um den Wasserbedarf zu decken.

Eine grüne Baumkrone bedeutet also nicht gleich, dass die Pflanze ein Tiefwurzler ist?

Nein, das wäre schön. Deshalb benötigen wir mehr Informationen, wie zum Beispiel: Verdunsten die Bäume viel? Wenn sie dies tun, ist es sehr wahrscheinlich, dass sie in einer extremen Trockenphase Wasser aus der Tiefe erhalten. Deshalb haben wir erst einmal in sehr trockenen Gebieten geforscht. Inzwischen können wir Transpiration aus Drohnendaten bestimmen und einen klaren Hinweis auf Wasser im Untergrund geben sowie dass voraussichtlich dort Tiefwurzler stehen. Allein das ist schon ein großer Schritt vorwärts!

Was ist eigentlich ein typischer Tiefwurzler?

In Europa ist die Eiche zum Beispiel ein typischer Tiefwurzler. Sie kann fünf bis sieben Meter tief wurzeln.

Und die Flachwurzler sind dann eher Nadelbäume?

Teils, teils. Kiefern sind auch Tiefwurzler. Es gibt Flachwurzler, Herzwurzler und Pfahlwurzler. Buchen sind beispielsweise Herzwurzler. Zu den Flachwurzlern gehören Esche und Fichte. Ganz wichtig ist, dass diese untereinander agieren. Wenn man Monokulturen anpflanzt, passiert das nicht mehr.

In den vergangenen Jahren haben wir die Auswirkungen der Dürreperioden auch ganz konkret in deutschen Wäldern, zum Beispiel im Harz, sehen können. Können Sie bereits Schlüsse aus Ihrer Arbeit für die Weiterentwicklung der Wälder ziehen?

Das beschäftigt uns natürlich sehr. Diese Entwicklung hat auch dazu geführt, dass wir inzwischen einige Kooperationen in dem Bereich haben. Am besten wäre es natürlich, den Wald sich selbst zu überlassen, was natürlich ein Denken in Dekaden erfordert. Und was für die Forstwirtschaft sicherlich nicht umsetzbar ist.

Wir haben gerade ein neues von der DFG gefördertes Projekt gestartet, in dem wir mit der niedersächsischen Gemeinde Aperlen zusammenarbeiten. Hier erforschen wir einen sehr natürlichen Wald, der seit 30, 40 Jahren nicht bewirtschaftet wird und wo es diese ursprüngliche Komposition, die „gute Mischung“ aus Flach-, Mittel- und Tiefwurzlern gibt. Langfristig passen sich die Wälder an. Dieses Jahr haben wir schon gesehen, dass die Bäume viel länger grün geblieben sind. Viele Forstwirtschaftler*innen sagen, dass die Buchen sehr gut reagiert haben. Die Bäume haben im Sommer, als es nur noch wenig Wasser gab, eine Pause eingelegt und haben in der späteren Saison noch einmal zugelegt und transpiriert.

Ein Forschungsstandort von „Isodrones“ befindet sich in Costa Rica. Warum und was genau untersuchen Sie dort?

Wir wollen das Phänomen der tiefen Wurzeln in verschieden Klimaten untersuchen. Dafür ist Costa Rica mit seinen vielen Klimazonen einer der besten Plätze. Unseren Hauptstandort haben wir in einem Trockenwald, wo es fünf Monate überhaupt keinen Regen gibt. Zwei Stunden davon entfernt haben wir einen Standort im Regenwald, wo es dagegen über das ganze Jahr hinweg sehr viel regnet. Das war der Hauptgrund, warum wir Costa Rica gewählt haben. Außerdem bestand dort bereits eine gute Kollaboration. Costa Rica ist in dem Bereich sehr weit vorn und hat einige geschützte Gebiete.

So liegt unser Hauptstandort in einer Forstmanagementstation, in der versucht wird, bedrohte Baumarten wieder zu kultivieren und vor dem Aussterben zu retten. Wir als Forschende dürfen dort auch mal in Bäume hineinbohren und verschiedene Untersuchungen vornehmen, was man in Nationalparks selbstverständlich nicht darf.

An der Station ging es zunächst darum, grüne Bäume inmitten der größten Trockenheit zu finden. Die Mitarbeitenden vor Ort haben uns dann auch den Tipp gegeben, dass es einen Baum gibt, der sehr gut mit der Dürre klarkommt – der sogenannte „Hüter des Flusses“. So haben wir uns die Orte mit Baumarten zusammengestellt, die wir untersuchen wollten: eine Gummibaumart und eine Mahagoniart, die sehr bedroht ist, die aber auch in der Trockenzeit zu großen Teilen noch sehr grün ist.

Am Forschungsstandort haben wir mit den Leuten vor Ort zusammen eine Holzhütte gebaut. 2019 hatten wir unsere erste große Kampagne mit den Doktorand*innen Malkin Gerchow und Kathrin Kühnhammer. Vier Monate waren wir vor Ort. Dann kam Corona und wir konnten zwei Jahre lang nicht ins Feld, weil wir nicht nach Costa Rica reisen durften. Glücklicherweise blieb die Sensorik während dieser Zeit aktiv. Und wir hatten einen honduranischen Studenten, der auch die Forschungsstation kontrollieren durfte.

Ihre Feldforschung in Costa Rica steht auch im Mittelpunkt ihres Wissenschaftskommunikations-Projekts. Was ist die Idee dahinter?

Das Wisskomm-Projekt wurde von einer Förderinitiative der VolkswagenStiftung unterstützt. Für uns war es als projektbegleitende Maßnahme sehr interessant. Uns bot es die Gelegenheit, mit dem klassischen Stereotyp Wissenschaftler*in aufzuräumen und zu zeigen, wie es wirklich ist, wenn man Wissenschaft macht. Im Wisskomm-Projekt ging es auch darum, Einblicke zu geben, wer wir sind, wie wir denken, was uns beschäftigt und auch, was manchmal nicht so schön ist. Ganz ehrlich kommuniziert. Wir wollten ein authentisches Bild von Wissenschaftler*innen vermitteln.

Teil des Projekts ist auch eine „Interactive Research Site“. Was kann man hier erkunden?

Die „Isodrones 360° Interactive Research Site“ ist schon ein klasse Projekt und in seiner Art bisher fast einzigartig. Hier kann man selbstständig unseren Forschungsstandort im tropischen Trockenwald von Costa Rica erkunden. Mit einem 360°-VR-Headset lernt man Flora und Fauna kennen und taucht tief in unsere Forschung ein. Es gibt neun interaktive Szenen mit erklärenden Videos, Grafiken und Visualisierungen unserer Forschungsdaten. Man kann sogar einen Drohnenflug in 360° erleben!

Die „Interactive Research Site“ hat sich durch einen Zufall ergeben. Es war ursprünglich geplant, in der zweiten Costa Rica-Kampagne eine achtteilige kleine Dokuserie zu drehen. Wegen Corona konnte das leider nicht stattfinden. Wir wollten aber dennoch ein authentisches Bild von unserer Forschungsstation vermitteln.

Die „360° Interactive Research Site“ haben Sie bereits bei Veranstaltungen präsentiert.

Ja, zum Beispiel bei einer internationalen Konferenz, die wir organisiert haben. Die anderen Wissenschaftler*innen fanden es super und wollten mehr darüber wissen. Und bei der Jubiläumsfeier der VolkswagenStiftung in 2022 wurden wir quasi von allen Altersklassen bestürmt. Das Produkt ist als solches jederzeit verfügbar und wird noch viele Male im Einsatz sein – diese Art der Wissenschaftskommunikation wird in der Zukunft deutlich zunehmen.

Lohnt sich der Aufwand neben einem solchen Forschungsprojekt noch ein großes Wisskomm-Projekt zu stemmen?

Für uns hat sich der Aufwand auf jeden Fall gelohnt, allein zur Dokumentation des Projekts. Ich benutze es auch ständig für Präsentationen. Außerdem wird die Kommunikation unserer Forschung immer wichtiger. Als Wissenschaftler*innen sollten wir auch hinterfragen, was die praktische Relevanz unserer Arbeit ist.

Was hat Sie als Hydrologe dazu bewogen, in dem Bereich zu forschen?

In meiner Doktorarbeit ging es um die Erforschung der Grundwasserneubildung, also wie viel Wasser vom Regen im Grundwasser landet. Bei meiner Arbeit in Namibia erkannte ich, wie wichtig Pflanzen und Bäume für den Wasserkreislauf sind. Der Wassertransport und die Neubildung des Grundwassers in Gegenden mit wenig Wasser wird vor allem durch sie gesteuert. Hier wurde also mein Interesse an den Wurzeln und Bäumen geweckt.

Hinzu kommt, dass ich meine Kindheit mit meinem Opa immer im Wald im Erzgebirge verbracht habe. Das hat sicherlich auch eine Rolle gespielt. Ich liebe es einfach, in Wäldern zu sein, mir die Hände schmutzig zu machen, und Bäume als gleichwertige Lebewesen wertzuschätzen.

Wenn Sie die Bäume so genau untersuchen, können Sie dann einen Spaziergang im Wald noch genießen?

Ich verbringe viel Zeit im Wald, aber man achtet natürlich mehr auf verschiedene Aspekte, die mich auch in meiner Forschung bewegen. Man schaut, wie geht es dem Wald. Warum sind hier so viele Buchen kaputt? Da habe ich inzwischen ein geschulteres Auge und beobachte besser. Dennoch empfinde ich den Wald weiterhin als sehr heilsam und angenehm.

Sie sind 2018 von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover zum Institut für Geoökologie gewechselt. Möglich machte das ein Freigeist-Fellowship der Volkswagenstiftung, das noch bis Ende 2023 läuft. Wie sehen Ihre künftigen Pläne aus?

Ich habe gerade zwei weitere Projekte eingeworben: Bei dem einen geht es um Stadtbäume, das zweite ist das bereits beschriebene DFG-Projekt. Natürlich würde ich gern über 2023 hinaus an der TU Braunschweig bleiben. Ich hatte aber auch bereits Vorstellungsgespräche für Professuren anderswo. Wichtig ist mir, mit meinen Projekten praktische Aspekte zu bearbeiten und versuchen, komplexe Sachverhalte möglichst simpel zu betrachten.

Das Projekt zu den Stadtbäumen ist ein Verbundprojekt zusammen mit dem Julius-Kühn-Institut. Dabei geht es darum, eine Art Vitalitätsindex für Stadtbäume zu entwickeln. Der Projekttitel lautet: Die Maximierung des Kohlenstoffbindungspotenzials von Stadtbäumen. Es geht darum, die richtigen Baumarten auszuwählen, die in der Zukunft hier wachsen können und ein Monitoring aufzubauen, das uns einen Hinweis gibt, wie es den Bäumen geht. Das passt auch gut zum Forschungsschwerpunkt „Stadt der Zukunft“.

Noch eine Frage zum Schluss: Wer ist eigentlich Stratzlawski?

Das ist unser bester Freund und Helfer im Feld. Er ist „the true brain behind Isodrones“. Stratzlawski ist ein Leguan. Bei unserem ersten Aufenthalt in Costa Rica waren wir ganz fasziniert von den vielen Leguanen, die an unserer Station herumliefen. Einer von ihnen lebte in einem Drainage-Rohr auf einem Feldweg. Er kam jeden Morgen heraus, um sich in die Sonne zu legen. Irgendwann fingen wir an, ihm Obst mitzubringen. Wir haben ihn dann trainiert, sodass er uns schließlich aus der Hand fraß. Stratzlawski ist unser Maskottchen geworden. Man erkennt ihn ganz gut daran, dass er einen abgebissenen Schwanz hat, der nachgewachsen ist.

Vielen Dank!