Wie wirken Waldbrände auf den Wasserhaushalt? Das Projekt Fire-Stream
Zach Perry (Oregon State University)
Lutz Klein aus Julian Klaus' Forschungsgruppe filtert von Wasserproben am Bach Cold Creek.
Hydrologe Julian Klaus erklärt im Interview, wie er mit seinem Forschungsteam dank eines Datenschatzes erstmals genau untersuchen kann, wie Waldbrände Wasserabfluss und Wasserqualität verändern.
Als im Spätsommer 2023 zwei Drittel des H.J. Andrews Experimental Forest in Oregon (USA) durch ein Feuer zerstört wurden, traf es eines der weltweit am besten untersuchten ökologischen Forschungsgebiete. Für die Wissenschaft entstand eine seltene Chance: Dank jahrzehntelanger Messdaten aus der Zeit vor dem Brand kann Julian Klaus, Professor für Physische Geographie und Hydrologie an der Universität Bonn, gemeinsam mit seinem Forschungsteam im Projekt Fire-Stream erstmals genau untersuchen, wie Waldbrände Wasserabfluss und Wasserqualität verändern. Ein Pioniervorhaben zu einem Thema, das angesichts zunehmend häufiger und intensiverer Brände weltweit immer wichtiger wird.
Worum geht es im Forschungsprojekt Fire-Stream?
Julian Klaus: Im Projekt Fire-Stream untersuchen wir die Auswirkungen von Waldbränden auf die Wasserressourcen in betroffenen Regionen. Das wird zunehmend wichtiger, denn in vielen Teilen der Welt haben Waldbrände an Häufigkeit und Intensität zugenommen. Besonders betroffen ist der Westen der USA – hier hat sich die jährlich durch Brände zerstörte Waldfläche seit den 1980er Jahren versechsfacht.
Unser Projekt ist eine Reaktion auf das sogenannte "Lookout Fire", ein Großfeuer im Jahr 2023 im HJ Andrews Experimental Forest. Wir wollen verstehen, wie Waldbrände die Abflussbildung, den Wasserhaushalt und die Wasserqualität in bewaldeten Einzugsgebieten verändern können. Dafür kooperieren wir mit dem Watershed Processes Lab um Prof. Catalina Segura an der Oregon State University.
Julian Klaus, Professor für Physische Geographie und Hydrologie an der Universität Bonn. In seiner Forschung analysiert er, wie Wasser in Landschaften zirkuliert und wie sich Klima- und Landnutzungsänderungen auf Gewässer und Böden auswirken.
Waldbrände wirken sehr unterschiedlich (...) und auch Böden reagieren je nach Hitze verschieden.
Was untersuchen Sie genau?
Wir untersuchen vor allem zwei Aspekte: Zum einen, wie sich die hydrologische Dynamik im Einzugsgebiet verändert – etwa bei Hochwasser, Niedrigwasser und den gesamten Wassermengen im Jahresverlauf – und wie diese Veränderungen mit der Brandintensität zusammenhängen. Waldbrände wirken sehr unterschiedlich: Manche Flächen sind stark verbrannt, andere nur teilweise, und auch Böden reagieren je nach Hitze verschieden. Durch viele Messstellen und rund 1.600 Proben innerhalb des Gebiets können wir diese kleinräumigen Unterschiede analysieren.
Zum anderen untersuchen wir das sogenannte "Alter" des Wassers. Vor dem Brand war das Wasser in den Gewässern im Schnitt etwa anderthalb bis zwei Jahre alt. Wir prüfen nun, ob sich der Wasserkreislauf durch das Feuer beschleunigt hat – etwa durch schnelleren oberflächlichen Abfluss oder veränderte Grundwasserbildung. Parallel analysieren wir Nährstoffe sowie Abflussreaktionen auf Niederschläge. Ziel ist es, Veränderungen der Fließwege und deren Auswirkungen auf Hochwasser, Niedrigwasser und Wasserqualität zu verstehen.
Wie gut ist die Datenlage, wie lange reichen Ihre Messreihen zurück?
Am H.J. Andrews Experimental Forest, unserem Standort für die Feldkampagnen, existiert bereits eine umfangreiche Infrastruktur mit Messstationen und Mitarbeitenden. Dort werden seit den 1940er Jahren nahezu kontinuierlich Klima- und Hydrologiedaten erhoben, sowie zahlreiche ökologische und forstwissenschaftliche Studien durchgeführt.
Aufgrund dieser langen Messreihen gilt der Standort als bedeutendes Outdoor-Labor für Forschende – und genau hier liegt die Besonderheit des Projekts. Denn meist fehlen vor einem Waldbrand entsprechende Daten, sodass nur verbrannte und benachbarte unverbrannte Gebiete miteinander verglichen werden können. Da Landschaften und Einzugsgebiete unterschiedlich funktionieren, ist schwer zu beurteilen, ob die gefundenen Unterschiede wirklich auf das Feuer zurückgehen. Dass hier bereits Messdaten vorhanden sind, ermöglicht uns direkte Vergleiche desselben Gebiets mit Messungen vor und nach einem Feuer.
Der Cold Creek, ein Bach im H.J. Andrews Experimental Forest, wird im Rahmen des Projekts hydrologisch untersucht.
Welche Herausforderungen bringt das Forschungsgebiet in den USA mit sich?
Das Forschungsgebiet liegt nicht nur in Oregon, USA, es ist auch sehr abgelegen – teils anderthalb Stunden von der nächsten Stadt entfernt. Es gibt zwar eine Forschungsstation zum Übernachten, aber Einkaufsmöglichkeiten oder Restaurants sind weit weg, daher muss alles sehr gut geplant werden. Das Projekt wird gemeinsam mit der Oregon State University durchgeführt und von der Forstverwaltung der Vereinigten Staaten unterstützt. Bei der Standardbeprobung werden etwa alle zwei Wochen Messwerte von unseren lokalen Partner:innen oder unseren Doktorand:innen und Masterand:innen erhoben.
Wie kann man sich die Arbeit vor Ort vorstellen?
Bei unseren Aufenthalten vor Ort führen wir intensive Feldkampagnen mit Teams von vier bis sechs Personen durch. Die Proben werden entlang von Gewässern in einem 60 km² großen Gebiet entnommen. Dafür laufen Zweierteams mit den Messgeräten durch oft schwer zugängliche, teils verbrannte Waldflächen und nehmen alle 50 bis 400 Meter Wasserproben. Das ist sehr zeitaufwendig und erfordert Schutzausrüstung sowie viel körperlichen Einsatz. Im Frühjahr 2025 legten Promovierende sowie Masterstudierende entlang von Gewässern 26 Kilometer zurück und nahmen rund 800 Proben.
Feldkampagnen bleiben schwer planbar, da besonders im Sommer jederzeit neue Brände auftreten können.
Vor welchen Herausforderungen stehen Sie und Ihr Team noch?
Für unsere Forschung versuchen wir, möglichst ähnliche hydrologische Bedingungen wie vor dem Feuer zu untersuchen. Direkt im Jahr nach dem Großfeuer hatten wir für Sommer 2024 eine intensive Messkampagne geplant und wollten die Niedrigwasserphase im Juli und August messen. Doch erneut brach ein Brand nahe unseres Testgebiets aus. Obwohl unser Doktorand vor Ort war, durften wir sechs Wochen lang nicht ins Gebiet, weil die Wege für die Feuerwehr gesperrt waren.
Unsere Messstrategie musste daher kurzfristig angepasst und zusätzliche Kampagnen geplant werden. Als wir im September wieder beproben durften, war Niedrigwasserphase vorbei und wir sind zur Standardbeprobung übergegangen. Feldkampagnen bleiben schwer planbar, da besonders im Sommer jederzeit neue Brände auftreten können.
Wasserprobenentnahme am Lookout Creek im H.J. Andrews Experimental Forest.
Können Sie zum aktuellen Zeitpunkt bereits Erkenntnisse aus den Messwerten gewinnen?
Die Auswertung der vielen Proben aus den letzten anderthalb Jahren läuft noch und wird mehrere Monate dauern. Bis zum Herbst nehmen wir noch zusätzliche 800 Proben. Parallel beginnt nun stärker die Analyse- und Publikationsphase.
Erste Ergebnisse zeigen, dass wir im Sommer bei Niedrigwasser bislang nur wenige Veränderungen sehen. Eine mögliche Erklärung ist, auch basierend auf verschiedenen Vorarbeiten, dass das Wasser in den Gewässern noch aus Niederschlägen vor dem Brand stammt. Die Gewässer werden im Sommer vor allem von tiefem, mehrere Jahre altem Grundwasser gespeist, sodass ein klares Brandsignal noch fehlt. Bei Konzentrationen von Nitrat und organischem Kohlenstoff erkennen wir jedoch bereits leichte Erhöhungen, besonders bei Regenereignissen.
Dieses Thema erarbeiten wir derzeit in der Publikation unseres Doktoranden. Zusätzlich wurden in einer Masterarbeit Modellierungen zum heutigen Zustand und zu möglichen zukünftigen Entwicklungen durchgeführt, da im Westen Nordamerikas Brände früher beginnen und größere Flächen betreffen. Auch weitere Studierende arbeiten mit Teilaspekten unseres Forschungsprojektes, etwa mit Abschlussarbeiten zu Nährstoffdynamiken nach Waldbränden. Zudem kooperieren wir mit Forschenden der Oregon State University, die weitere Aspekte wie Schnee- und Bodenprozesse untersuchen, um Synergien zwischen den Projekten zu nutzen.
Inwieweit hat unsere Förderung Ihre Forschung unterstützt?
Die durch die VolkswagenStiftung ermöglichte Finanzierung hat es uns erlaubt, bereits kurz nach dem Feuer 2023 mit den Messungen zu beginnen. Etwa sieben Monate nach dem Brand – direkt nach der Sicherheitsfreigabe – konnten wir 2024 vor Ort starten und damit deutlich früher als viele US-amerikanische Projekte. Dadurch verfolgen wir die Entwicklung des Ökosystems von Anfang an und konnten bereits im ersten Jahr sehr intensiv beproben. Diese frühe und flexible Finanzierung macht das Projekt sehr besonders.
