Feuerökologie

1. Einleitung
2. Feuer: Grundstein der Zivilisation
3. Feuerlandschaften der Erde
         Tropische und subtropische Savannen
         Tropische Regenwälder
         Saisonale Wälder der Tropen und Subtropen
         Mediterrane Feuerlandschaften
         Wälder und Kulturlandschaften in den Industrieländern der gemäßigten Zone
         Boreale Nadelwälder (Taiga)
         Verbrennung pflanzlicher Biomasse in Landwirtschaft und Haushalt
4. Verbrennung pflanzlicher Biomasse in Landwirtschaft und Haushalt
5. Klimawirksame Emissionen aus Vegetationsbränden


1. Einleitung

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Verbrennung des Regenwaldes in den Tropen, Brandstiftung in den Mittelmeerländern, unkontrollierbare Feuerstürme in den Wäldern Nordamerikas - in der Öffentlichkeit waren dies für lange Zeit vorherrschende Bilder von Waldbränden. Sie standen stellvertretend für die Vernichtung von Natur, für Landspekulation und für die Ohnmacht des Menschen und seinen unzulänglichen Technologien, die Naturgewalt Feuer zu beherrschen.

Eine differenzierte Betrachtung des Feuers entwickelte sich seit den 70er Jahren als ein neuer Wissenschaftszweig in der Ökologie: Die Feuerökologie erforschte die naturgemäße Rolle von Feuer in Wäldern, Buschländern und Savannen der Erde, sie durchleuchtete Kulturgeschichte und Bedeutung der traditionellen Anwendung von Feuer in der Landnutzung. Damit entstand ein neues Bild vom Feuer des Lebens.(8 KB)

Mit zunehmender Sorge um die Veränderung der globalen Atmosphäre und des Klimas durch Verbrennung fossiler Energieträger rückten in den 90er Jahren die Emissionen aus Vegetationsbränden in das Interesse der Wissenschaft. Die Anwendung von Feuer bei der Rodung des Tropenwaldes und der zunehmenden Ausweitung intensiver Landnutzung hat eine Größenordnung, die signifikanten Einfluss auf die Zusammensetzung und Funktion der Atmosphäre hat. Die über Monate anhaltende Rauchbelastung von Teilen Südostasiens, Süd- und Mittelamerikas in den Jahren 1997 und 1998 haben darüber hinaus gezeigt, dass Emissionen aus Feuer die Gesundheit von Menschen erheblich beeinträchtigen können. Ein weiteres Schwerpunkt der Forschung befasst sich darüber hinaus mit der Frage, ob eine Veränderung des globalen Klimas in Zukunft auch Ursache für die Veränderung des Häufigkeit und der Auswirkungen von Feuer sein kann.(13 KB)

Die Wissenschaft hat in den vergangenen Jahren viele Antworten auf die Fragen der Natur und der Geschichte des Feuers, die Kontrolle des Feuers durch den Menschen und die übergreifenden Auswirkungen von Feuer auf biogeochemische Kreisläufe gefunden. Mittlerweile zeigt sich, dass die demographischen und sozio-ökonomischen Entwicklungen in vielen Regionen der Erde neue und veränderte Umweltbedingungen geschaffen haben. Etablierte Beziehungen zwischen Natur, Mensch und Feuer geraten in Ungleichgewicht: Unbeeinflusste Naturräume schrumpfen, die Weltbevölkerung steigt exponentiell an - und damit der Verbrauch natürlicher und bewirtschafteter Vegetations-Ressourcen. Mit zunehmender Landnutzung und Besiedelung von Naturräumen steigt die Verwundbarkeit der Weltbevölkerung gegenüber extremen Naturereignissen - gegenüber Feuer in gleichem Maße, wie gegenüber Erdbeben, Fluten und extremen Windereignissen.

Die Politik ist angesichts der sich verschärfenden weltweiten Probleme durch Naturkatastrophen vor große Herausforderungen gestellt: Sie muss durch geeignete Maßnahmen sicherstellen, dass einerseits Natur- und Produktionsräume nachhaltig gesichert werden und der Schutz der Bevölkerung vor katastrophalen Auswirkungen von Feuer und Rauch gewährleistet wird. Andererseits muss die natürliche Ökosystem-Funktion von Feuer genauso berücksichtigt werden, wie die weiterhin notwendige Anwendung von Feuer in Land- und Waldbewirtschaftung. Die zu erwartenden Veränderungen von regionalem und globalem Klima erfordern darüber hinaus die Entwicklung strategischer Maßnahmen. Diese müssen verhindern, dass veränderte Umweltbedingungen zur Zerstörung von Naturräumen und zu einer weiteren Verlagerung von Kohlenstoff aus Ökosystemen in die globale Atmosphäre führen.

 

2. Feuer: Grundstein der Zivilisation

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Die ältesten Waldbrände der Erde sind in Steinkohleflözen an verschiedenen Stellen der Erde nachgewiesen, in denen eingeschlossene Holzkohle Zeugnis von großen Bränden in Wäldern geben, die über Jahrmillionen in Sümpfen versanken und später dort die Kohlelagerstätten bildeten. Diese bis vor über 300 Millionen Jahren nachgewiesenen Waldbrände entstanden durch Blitzschlag und Vulkanismus. Brände in Steinkohleflözen und deren Auswirkungen auf die sie umgebende Waldlandschaft sind ebenfalls für prähistorische Zeiträume nachweisbar.

Datierungen der ältesten prähistorischen Feuerstellen in Höhlen des südlichen Afrika weisen darauf hin, dass Hominide seit etwa 1,5 Millionen Jahren in der Lage sind Feuer zu nutzen. In den frühesten Kulturstufen der Menschheit wurde Feuer zu den verschiedensten Zwecken angewendet, neben dem eigentlichen Gebrauch im "Haushalt" (Kochen, Wärmen) beispielsweise zur Jagd (Treiben von Wildtieren, Anlocken von Wild auf frischbegrünte Brandflächen), Offenhaltung der Wald- und Buschlandschaft aus Gründen der Sicherheit (vor Wildtieren; in der Kriegführung), später als einzig wirksames Werkzeug der Brandrodung und der Offenhaltung der Landschaft zur Weidewirtschaft.

In vielen Kulturkreisen haben sich tradierte Brenntechniken bis heute erhalten, beispielsweise das Überbrennen der tropischen Grassavannen für die Wild- und Haustierbewirtschaftung oder im Wanderfeldbau (Brandrodung). In Nordeuropa zwischen Skandinavien und dem Ural waren die Brandwirtschaft noch weit bis in dieses Jahrhundert verbreitet. Orts- und Flurnamen im Schwarzwald, wie beispielsweise Menzenschwand, Kollmarsreute,  Brandenberg, Flammenberg, usw., geben Hinweise auf die ehemals weite Verbreitung der Brandwirtschaft in Südwestdeutschland.

 

3. Feuerlandschaften der Erde

Tropische und subtropische Savannen

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Die größten, regelmäßig gebrannten Vegetationsflächen sind die Savannen. Ihr Flächenumfang zwischen den Wendekreisen und in den sich direkt anschließenden Subtropen beträgt weltweit insgesamt ca. 2,6 Milliarden ha. Sie werden in einem Intervall von ein bis drei Jahren überbrannt, und zwar aus den oben genannten Gründen der Wild- und Haustierbewirtschaftung. Blitzschlagfeuer spielen unverändert eine Rolle; ihre relative Bedeutung ist aber vergleichsweise zu den anthropogenen Feuern stark zurückgegangen. Die Feuerintervalle richtet sich dabei vor allem nach der Produktivität der Savannen. So brennen die westafrikanischen Feuchtsavannen zum größten Teil deswegen alle 1-2 Jahre, weil die Grasschicht regelmäßig ein Auflagegewicht von 5-10 t pro Hektar (ha) bildet und in der regenfreien Zeit abgestorben und ausgetrocknet ist. Die leicht entzündliche(22 KB) Streuauflage ist aufgrund ihrer Kontinuität dazu geeignet, große Flächenfeuer (Bodenfeuer) zu tragen. Neben den Gräsern selbst sind Bäume und Sträucher an diese regelmäßigen Feuer angepasst. Die grasfressende Tierwelt (Herbivoren) hat einen erheblichen Einfluss auf die Grasschicht und damit auch auf die Feuer; gleiches gilt umgekehrt. Die Trockensavannen brennen aufgrund ihrer geringeren Produktivität seltener.

Insgesamt ist davon auszugehen, dass jährlich bis zu einer Milliarde Hektar an tropischen und subtropischen Savannen "brennbereit" sind. Der genaue Umfang der jährlich gebrannten Savannenflächen ist nicht bekannt, da eine systematische boden- oder satellitengestützte Überwachung derzeit noch nicht durchgeführt wird. Die tatsächlichen jährlichen Brandflächen werden auf ca. 0,5 Milliarde ha eingeschätzt.

 

Tropische Regenwälder

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Die Umwandlung tropischer immergrüner Regenwälder in andere Formen der Landnutzung ist untrennbar mit dem Einsatz von Feuer verbunden. Primär- und Sekundärwälder werden nach der Exploitation vermarktungsfähiger Hölzer, die den geringsten Teil der oberirdischen pflanzlichen Biomasse ausmachen, kahlgeschlagen. (5 KB)Der Rest der Biomasse wird dann verbrannt bzw. verrottet. Bei nicht vermarktungsfähigen Sekundärwäldern wird häufig die gesamte pflanzliche Biomasse nach Kahlschlag verbrannt. In extremen Trockenzeiten entstehen unkontrollierte Flächenbrände. Beispiele aus der jüngeren Zeit sind die ausgedehnte Waldbrände in Südostasien, die während der durch die El Niño-Southern Oscillation (ENSO) bedingte extreme Trockenperiode auftraten Sie verbrannten 1982-83 über 5 mio ha Naturwälder und exploitierter Waldflächen. Während des El Niño von 1997-98 wurden alleine in Indonesien ca. 9 mio ha Vegetation geplant abgebrannt bzw. durch unkontrollierte Feuer betroffen.

 

Saisonale Wälder der Tropen und Subtropen

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Die Trocken- und Halbtrockenwälder der wechselfeuchten Tropen und Subtropen, die eine Übergangsform zu den Baumsavannen darstellen und gelegentlich auch bereits als solche bezeichnet werden, kommen auf etwa 700-800 mio ha vor. Das während der Trockenzeit abgeworfene Laub bildet unter den entlaubten Baumkronen eine leicht brennbare Streu. Die Zusammensetzung der Baumarten wird in diesen Wäldern durch ihre Eigenschaft der Resistenz gegenüber den Bodenfeuern bestimmt, die zum großen Teil jährlich durch diese Bestände laufen.

 

Mediterrane Feuerlandschaften

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Im mediterranen Klima des Mittelmeerraumes, an der nordamerikanischen Westküste (Kalifornien), des südlichen Afrika und Australiens haben sich Vegetationsformen mit(8 KB) ausgeprägtem Feuerklimax-Charakter gebildet. Dies sind beispielsweise Buschländer (Chaparral in Kalifornien; Macchia/Garrigue im Mittelmeerraum; Fynbos in Südafrika) oder feuerselektierte Eichen- und Kiefernwälder. Flächenmäßig sind die mediterranen Buschbrände im Vergleich zu den Brandflächen in den Tropen weniger umfangreich. Immerhin brennt es im Mittelmeerraum jährlich auf einer gesamten Landfläche von 600.000 ha, wovon durchschnittlich mehr als 60% Buschland sind, der Rest ist Wald. Die Ursachen für die Brände liegen nahezu ausschließlich in Fahrlässigkeit und Brandstiftung; maximal ein Prozent an der Anzahl der Brände wird auf Blitzschlag zurückgeführt.

 

Wälder und Kulturlandschaften in den Industrieländern der gemäßigten Zone

In den dicht besiedelten Kulturlandschaften der Industrieländer der gemäßigten Zone Mitteleuropas spielen unkontrollierte Wald- und andere Vegetationsbrände im Vergleich zu den äquatornahen und den borealen Regionen heute eine weniger bedeutungsvolle Rolle. In Nordamerika bemüht man sich, die durch natürliche Feuer bzw. durch die Brennpraktiken der indianischen Ureinwohner geformte Wald- und Graslandvegetation dadurch zu erhalten, indem dort Feuer kontrolliert gelegt oder auch zufällig entstandene Brände toleriert werden. Die Voraussetzung hierzu ist, dass Ziele des Ressourcenschutzes, d.h. der Zusammensetzung und der Produktivität der Vegetation, nicht gefährdet sind. In den intensiv bewirtschafteten Wäldern Nordamerikas werden jährlich ca. 2 mio ha kontrollierte Brände gelegt. In den naturnah bewirtschafteten Nationalparks und "Wilderness Areas" kommen weitere Hunderttausende von Hektaren naturnaher Feuer hinzu. 

In Mittel- und Nordeuropa hat der seit den 60er/70er Jahren praktizierte Ausschluss von Feuer aus der Landbewirtschaftung bewirkt, dass viele wertvolle Naturräume und gefährdete Habitate von Flora und Fauna der Sukzession unterliegen und dadurch in ihrer Erhaltung bedroht sind. Die Wiedereinführung von kontrolliertem Brennen in Naturschutz und Landschaftspflege wird daher mit Vorrang untersucht. Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Arbeitsgruppe Feuerökologie / Global Fire Monitoring Center (GFMC) liegt in der Anwendung von kontrolliertem Feuer in der Offenhaltung und Pflege der Kulturlandschaften Weinbaugebiet Kaiserstuhl bei Freiburg, kontinentale und atlantische Heiden (Calluna vulgaris) in Brandenburg, Nordrhein-Westfalen und Schleswig-Holstein, und im Vegetations-Management der Böschungen der Deutschen Bahn.

 

Boreale Nadelwälder (Taiga)

(5 KB)Die borealen (nördlichen) Waldlandschaften (Taiga) besiedeln weltweit etwa 1,2 Milliarden ha. Mehr als 70% des Waldes (ca. 900mio ha) liegen in Eurasien, im(7 KB) Wesentlichen auf dem Territorium der Russischen Föderation. Für die borealen Nadelwälder Alaskas und Kanadas liegen recht zuverlässige Statistiken über den Umfang der Brände auf. Bei einer steigenden Tendenz der Brandflächen in den letzten zehn Jahren werden heute jährlich Brände auf Flächen zwischen 3 und 7 mio ha verzeichnet. In Sibirien brennt es jährlich auf bis zu 10 mio ha.

In Sibirien stellen sich Waldbrände vorwiegend als Bodenfeuer dar (Abb. links), bei denen die Streuschicht, unterständige Vegetation und nur ein Teil der Bäume verbrennen. In Nordamerika brennen die Kiefern- und Fichtenwälder vorwiegend als Vollfeuer (Boden- und Kronenfeuer - Abb.rechts).

 

4. Verbrennung pflanzlicher Biomasse in Landwirtschaft und Haushalt

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Neben dem oben erläuterten Feuergeschehen in den wichtigsten Vegetationstypen der Erde kommt in den bereits gerodeten Kulturlandschaften zusätzlich zur Feueranwendung in der Weidewirtschaft auch die Nutzung des Feuers in der übrigen Landwirtschaft hinzu. Hierbei dreht es sich beispielsweise um die Verbrennung von nicht verwertbaren Ernteresten, etwa Getreidestroh oder Reisstroh. Letzteres findet vor allem im asiatischen Raum statt. In den ländlichen Haushalten der Entwicklungsländer überwiegt noch heute die Nutzung von Bioenergie (Brennholz, Holzkohle, Dung), so dass auch hier nicht unerhebliche Mengen pflanzlicher Biomasse verbrannt werden. Die Erforschung der Emissionen aus Brennholznutzung erfolgt am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz.

 

5. Klimawirksame Emissionen aus Vegetationsbränden

Mangels systematischer Überwachung der beschriebenen Vegetationsbrände in einem regionalen oder weltweiten Maßstab, beispielsweise über satellitengestützte Sensoren, können diese derzeit weder in ihrer Flächenausdehnung, noch hinsichtlich der dabei verbrannten pflanzlichen Biomasse genau bzw. über einen längeren Zeitraum hinweg erfaßt werden.

Der bei der Verbrennung freigesetzte Kohlenstoff (Kohlenstoff hat einen Anteil von durchschnittlich 45% des Trockengewichts von pflanzlicher Biomasse) wird zum größten Teil in Form von Kohlendioxid (CO2), gefolgt von Kohlenmonoxid (CO) freigesetzt. Das Verhältnis von CO2:CO hängt von der Vollständigkeit der Verbrennung ab. Bei gut sauerstoffversorgten "heißen" Feuern wird wenig CO emittiert. Bei vorherrschenden Schwelbränden (Pyrolyse und nicht vollständige Oxidierung des Brennmaterials) werden zunehmend Methan und andere Kohlenwasserstoffe freigesetzt, dazu Wasserstoff (H2) und vor allem organische Säuren. Durch photochemische Prozesse ("Smog") wird aus CO, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden (NOx) u.a. Ozon (O3) gebildet. Neben den gasförmigen Verbindungen werden zusätzlich Aerosole freigesetzt. Vergrößerung der Graphik (85 KB)

In der Schemazeichnung sind die Auswirkungen der verschiedenen Emissionen aus Vegetationsbränden dargestellt, die die klimawirksamen Eigenschaften der Atmosphäre beeinflussen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass diese Emissionen nicht nur zum "Treibhauseffekt" beitragen oder zu "saurem" Niederschlag führen. Die Freisetzung von Rauchpartikeln führt auch zur Bildung von Wolken-Kondensationskernen und damit zur Rückstrahlung des auf die Erde einfallenden Sonnenlichtes und zu einem Abkühlungseffekt der Erdoberfläche.

Eine andere Folge der Emission von Rauchpartikeln ist ein hohes - oder überhöhtes - Angebot von Wolken-Kondensationskernen. Dies hat zur Folge, dass sich bei gleichem Angebot von Wasserdampf mehr Wassertröpfchen in der Atmosphäre bilden können als ohne das Angebot an Rauchpartikeln. Dadurch, daß diese vergleichsweise leichter sind, kommt es nicht zum Abregnen, sondern nur zur Dunstbildung. Daher kann die Folge des Überangebots von Kondensationskernen zur Verringerung von Niederschlägen führen.

Feuer und Ozonbildung stehen ebenfalls in sehr unterschiedlichen Beziehungen. Die Bildung von besonders hohen Ozonkonzentrationen aus Feueremissionen erreichen mit Hilfe der Sonneneinstrahlung (photochemische Reaktionen) in der bodennnahen Troposphäre Werte, die mit den sommerlichen Smoglagen der Industrieländer vergleichbar und sowohl für den Menschen als auch für Pflanzen gesundheitsschädlich sind. Die Emission von einigen Spurengasen (z.B. Brom- und Chlorverbindungen) führen hingegen zum O3-Abbau in der Stratosphäre - und damit zur erhöhten UV-B-Einstrahlung, die ebenfalls für das Leben auf der Erde kritisch ist.