Entwicklungen der CO2-Speicherleistung des Waldes frühzeitiger abschätzen – Einordung der Ergebnisse der Bundeswaldinventur
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Gründe für die veränderte Senkenleistung des Waldes in Deutschland liegen hauptsächlich in den extremen Bedingungen wie Dürre und Sturm, gefolgt von Baumschäden durch Käferbefall. Da der massive Verlust der Waldsenke aus den vergangenen Jahren erst mit Veröffentlichung der aktuellen vierten Bundeswaldinventur (BWI-4) bekannt wurde, hat eine wesentliche Informationsgrundlage für politische Entscheidungen zur Steuerung von Klimaschutz in Wäldern gefehlt. Um unsere Klimaschutzziele zu erreichen, ist der Wald aber als natürliche CO2-Senke fest eingeplant. In den kommenden Jahren stehen weitere relevante politische Entscheidungen für den Klimaschutz an, weshalb fundierte, richtungssichere und möglichst zeitnahe Einschätzungen für die Waldentwicklung in den nächsten fünf Jahren wichtig sind.
„Der Wald fällt als Klimaschützer aus“ und Senkenziele laut Bundes-Klimaschutzgesetz von -25 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten (Mio. t CO2-Äq.) im Jahr 2030 für den Landnutzungssektor (LULUCF) „sind nicht mehr erreichbar“ – diese oder ähnliche Aussagen werden nach der Veröffentlichung der BWI-4 geäußert. Aus unserer Sicht sind diese Aussagen für den Wald nicht ausreichend differenziert:
- Der Waldsenkenverlust ist vor allem eine Folge von zusammengebrochenen Fichtenbeständen, die in den 1950er Jahren überwiegend an ungeeigneten Standorten gepflanzt wurden.
- Die Waldsenke hatte sich in der Periode 2012 bis 2017 noch aufgebaut. Danach nahm sie bis zum Jahr 2022 massiv ab. Waldmodelle können helfen zu verstehen, wie sich diese Entwicklung fortsetzen wird.
Die Fichten-Antwort
Alle 10 Jahre wird in Deutschland die Bundeswaldinventur durchgeführt. Aktuell wurden die Ergebnisse der BWI-4 für die Periode 2012 bis 2022 beim Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft vorgestellt (Broschüre zur BWI-4). Auf mittlerweile fast 80.000 Erhebungspunkten werden Baumarten erfasst, Baumdurchmesser sowie -höhen bestimmt, Totholz vermessen und weitere biodiversitätsrelevante Strukturen wie Spechthöhlen aufgenommen. Die Zeitreihen der Bundeswaldinventuren – zusammen mit den um fünf Jahre versetzten Zwischeninventuren – ermöglichen eine Analyse der zeitlichen Entwicklung der Waldflächen in Bezug auf Holzvorräte, Lebensraumqualität und die Einbindung von CO2 für den Klimaschutz.
Folgende Perioden werden hier unterschieden: Periode 2002-2012 entspricht der BWI-3; Periode 2012-2017 umfasst die Zwischeninventur CI-2017 und die erste Hälfte der BWI-4 (Ergebnisse zu Veränderungen beziehen die Jahre 2013 bis 2017 ein); Periode 2017-2022 umfasst die zweite Hälfte der BWI-4 (Ergebnisse zu Veränderungen beziehen die Jahre 2018 bis 2022 ein). Zusammenfassende Daten zu BWI-3, CI-2017 und BWI-4 sind frei verfügbar. Anhand dieser Daten wurden Ergebnisse der Perioden 2012-2017 und 2017-2022 berechnet, da Detaildaten zu den Erhebungspunkten für CI-2017 und BWI-4 nicht vorliegen.
Vor allem die Jahre 2018 bis 2020 waren durch sehr starke natürliche Störungen geprägt. Anhaltende Dürre sowie Sturmereignisse, gefolgt von Käferkalamitäten haben zu einem Rückgang der Holzvorräte geführt. Dabei sind drei Aspekte zu beobachten:
- Die Mortalitätsrate stieg für die Fichte in der Periode 2017 bis 2022 auf Werte von 9 bis 12 Prozent. Für andere Baumarten war der Anstieg der Mortalitätsrate deutlich geringer, insbesondere für Eiche und Buche (siehe Anhang 1).
- Der Zuwachs der Bäume hat sich in der Periode 2012 bis 2022 laut BWI-4 um 14,9 Prozent verringert. In der Periode 2012 bis 2017 wurde laut Zwischeninventur nur ein geringer Zuwachsrückgang von 1,8 Prozent beobachtet. In der Periode von 2017 bis 2022 kann daher mit Zuwachsrückgängen von über 25 Prozent gerechnet werden, die aus den schlechten Bedingungen für das Baumwachstum in dieser Periode resultieren (siehe Anhang 2).
- Die Holzentnahme hat – nach Berechnung des Thünen-Instituts – in den Jahren 2018 bis 2021 in Summe stark zugenommen und erreichte hohe Werte von über 80 Millionen Kubikmeter pro Jahr. Ein wesentlicher Anteil davon war Schadholz (Anhang 3), weshalb der Anteil der regulären Ernteaktivitäten geringer war als in den Jahren vor den Waldschäden. In Folge wurde also in Beständen ohne starke Schädigungen im Durchschnitt weniger Holz geerntet. Die Bäume konnten hier weiterwachsen und an Vorrat zulegen. Dies puffert den Vorratsverlust durch die gestiegenen Mortalitätsraten zum Teil ab.
In Abbildung 1 ist die jährliche Veränderung der Holzvorräte im Wald für Laub- und Nadelbäume dargestellt. Werte über Null bedeuten, dass in der Netto-Bilanz der Holzvorrat gestiegen ist und der Wald eine Senke für CO2 darstellte. Negative Werte stehen für eine Abnahme der Holzvorräte bzw. einer Quelle für CO2 (siehe auch Anhang 4).
Abbildung 1: Veränderung des Vorrats nach Baumartengruppen, Quelle: eigene Darstellung mit BWI-4-Daten, LB-hL = Laubbäume mit hoher Lebensdauer wie Lindenarten; NB-nL = Laubbäume mit niedriger Lebensdauer wie Pappelarten
Für Laubbäume nahm der Vorratsaufbau von der Periode 2002 bis 2012 zur Periode 2012 bis 2017 – trotz Zunahme der Laubbaumbestände durch Waldumbau – leicht ab. In der Periode 2017 bis 2022 trat für Laubbäume immer noch eine Zunahme der Vorräte auf, und die Laubbäume waren eine CO2-Senke, der Holzvorratsaufbau halbierte sich aber in etwa. Dies ist auf eine Kombination aus Zuwachsverringerung und leicht erhöhter Mortalität bei den Laubbäumen zurückzuführen.
Die Vorratsveränderung der Nadelbäume ist stark durch die negative Entwicklung der Fichte geprägt. Bereits in der Periode 2002 bis 2012 nahm ihr Vorrat ab. Ursache dafür war vor allem Windwurf durch Stürme in der Periode 2002 bis 2007. In der Periode 2012 bis 2017 traten deutlich weniger natürliche Störungen auf, und die Fichtenbestände zeigten einen starken Vorratsaufbau. In der Periode 2017 bis 2022 gingen sehr hohe Vorratsmengen durch die gestiegene Mortalität und Zuwachsminderung bei der Fichte verloren. Somit wurden Fichtenbestände zu einer hohen CO2-Quelle. Die übrigen Nadelbäume wie beispielsweise die Kiefer waren weniger stark von natürlichen Störungen betroffen. Allerdings war ihr Vorratsaufbau in der Periode 2017 bis 2022 sehr gering.
Es ist festzuhalten, dass vor allem der Verlust der Vorräte in Fichtenbeständen dazu führte, dass die Waldbestände in Deutschland in der Periode 2017 bis 2022 zu einer CO2-Quelle wurden. Laubbaumbestände waren in dieser Periode – trotz der extremen Bedingungen – noch eine CO2-Senke.
Waldmodelle können richtungssichere Prognosen bereitstellen
Erst jetzt mit der BWI-4 liegen für die Periode 2017 bis 2022 verlässliche Messwerte zum Wald vor. Unter der UN-Rahmenkonvention zum Klimawandel (UNFCCC) ist Deutschland zur Berichterstattung der nationalen Treibhausgasemissionen verpflichtet. Im nationalen Treibhausgasinventar der Bundesregierung (NIR 2024) wurden bereits Aussagen über die Emissionen und CO2-Entnahmen durch den Wald in der Periode 2017 bis 2022 getroffen.
In Abbildung 2 ist bis zum Jahr 2022 die Treibhausgasbilanz der lebenden Biomasse, also der lebenden Bäume, dargestellt. Bis zum Jahr 2017 beruht die THG-Bilanz der lebenden Bäume auf Daten der Waldinventuren und der Holzentnahmestatistiken. Für die Jahre 2018 bis 2022 wurden die Ergebnisse der Zwischeninventur (CI-2017), die die Periode 2012 bis 2017 abdeckt, fortgeschrieben. Berücksichtigt wurden dabei die gestiegene Holzentnahme. Ergebnisse aus der BWI-4 lagen für die Berichterstattung noch nicht vor. Mit diesem einfachen Modellansatz wurde für die lebenden Bäume im Wald in Deutschland für die Jahre 2018 bis 2022 eine Senkenleistung von -27,4 bis -38,8 Mio. t CO2-Äq. berichtet. In dieser Fortschreibung fehlen Annahmen zur erhöhten Mortalität der Bäume und zu erwartbaren Zuwachsabnahmen aufgrund ungünstiger Wuchsbedingungen wie Trockenheit.
Im Waldmodell FABio-Forest, das am Öko-Institut entwickelt wurde, haben wir die Annahmen im Treibhausgasinventar in einer Kurzstudie nachgestellt (gestrichelte grüne Linie in Abbildung 2) sowie jährliche berichtete Mortalitätsraten aus der Waldzustandserhebung einbezogen (gepunktete grüne Linie in Abbildung 2) und Schätzwerte für die Zuwachsabnahme getroffen (durchgezogenen grüne Linie in Abbildung 2). Mit diesen Annahmen konnten wir für die Periode 2017 bis 2022 zeigen, dass die lebenden Bäume im Wald in Deutschland zu einer Quelle im Mittel von 25,6 Mio. t CO2-Äq. pro Jahr wurden. In der Fortschreibung ab dem Jahr 2022 haben wir die Entwicklung im Mit-Maßnahmen-Szenario aus dem Projektionsbericht der Bundesregierung wiederum nachgestellt (zu sehen in Abbildung 1).
Abbildung 2: THG-Bilanz der lebenden Bäume im Wald, berichtete und modellierte Ergebnisse, Quellen: Hennenberg et al. (2024), NIR 2024 und Mit-Maßnahmen-Szenario (MMS-2024) im Projektionsbericht der Bundesregierung; ESRR = Berücksichtigung der Holzentnahme nach der Thünen-Einschlagsrückrechnung; WZE-Mort = Berücksichtigung der Mortalität aus der Waldzustandserhebung; korrZW = als Zuwachsminderung wurde in den Jahren 2018 bis 2022 für Nadelbäume 50 % und für Laubbäume 25 % angenommen; gS = geringe natürliche Störungen vergleichbar zur Periode 2013 bis 2017
Wie gut können die Ergebnisse der BWI-4 mit FABio-Forest abgeschätzt werden?
In der Broschüre zur BWI-4 werden erste Ergebnisse zur Kohlenstoffbilanz der Waldfläche dargestellt. Die Biomasse der lebenden Bäume – wie in Abbildung 3 zu sehen – setzt sich aus der oberirdischen und unterirdischen Biomasse zusammen. Die Veränderung der Senkenleistung in der Periode 2012 bis 2017 betrug -260 Mio. t CO2-Äq. und in der Periode 2017 bis 2022 +132 Mio. t CO2-Äq. (Umrechnungsfaktor: Mio. t C * 44/12).
Abbildung 3: Kohlenstoffvorrat in Wald und Holzprodukten Deutschlands, Quelle: Broschüre zur BWI-4, S. 46. Lebende Bäume sind die Summe der oberirdischen und unterirdischen Biomasse
Umgerechnet in jährliche Emissionswerte wurden in der Periode von 2012 bis 2017 im Mittel -52,1 Mio. t CO2-Äq. pro Jahr als Senke im Wald festgelegt (Abbildung 4 und Tabelle 1). Die Neuberechnungen auf Basis der CI-2017 und BWI-4 zeigen also in der Periode 2012 bis 2017 eine Verbesserung der Senkenleistung um ca. -6 Mio. t CO2-Äq. pro Jahr an. Zum Vergleich: Die bisher im NIR 2024 allein auf Basis der CI-2017 berichteten Werte lagen bei -45,8 Mio. t CO2-Äq.
Die THG-Bilanz – dargestellt in Abbildung 4 und Tabelle 1 weiter unten – der lebenden Bäume für die Periode 2017 bis 2022 war laut Broschüre zur BWI-4 im Mittel eine Quelle von 26,4 Mio. t CO2-Äq. pro Jahr. Im NIR 2024 wird für diese Periode im Mittel eine Senkenleistung von -32,2 Mio. t CO2-Äq. pro Jahr berichtet. Damit überschätzt die bisherige Berichterstattung die Senkenleistung der lebenden Bäume in Deutschland um 58,6 Mio. t CO2-Äq. pro Jahr.
Abbildung 4: Vergleich THG-Bilanz der lebenden Bäume auf Basis der Ergebnisse der BWI-4, NIR 2024 und der Modellierung in FABio-Forest, Quellen: eigene Darstellung nach Daten aus der Broschüre zur BWI-4, NIR 2024, Hennenberg et al. (2024); mit/ohne WZE-Mort = mit/ohne Berücksichtigung der Mortalitätsrate aus der jährlichen Waldzustandserhebung; mit/ohne korrZW = mit/ohne Korrektur der Zuwächse in den Jahren 2018 bis 2022 um eine Verringerung von 50 % bei Nadelbäumen und 25 % bei Laubbäumen
Tabelle 1: Veränderung des Vorrats nach Baumartengruppen, Quellen: eigene Darstellung nach Daten aus der Broschüre zur BWI-4, NIR 2024, Hennenberg et al. (2024)
In Abbildung 4 und Tabelle 1 sind zudem die Ergebnisse aus der Waldmodellierung in FABio-Forest dargestellt. Der Vergleich mit den Ergebnissen der BWI-4 und den berichteten Werten im NIR 2024 zeigt für die Periode 2012 bis 2017, dass die Ergebnisse aus FABio-Forest nahe an den Ergebnissen des NIR 2024 liegen. Das war zu erwarten, denn auch für die Parametrisierung des Modells FABio-Forest wurden allein die Ergebnisse der CI-2017 herangezogen.
In der Periode 2017 bis 2022 wird in FABio-Forest eine mittlere Quelle von 25,6 Mio. t CO2-Äq. pro Jahr modelliert. Dieser Werte liegt sehr nahe an den Werten der BWI-4.
Auch die Ergebnisse aus dem NIR 2024 können für die Periode 2017-2022 in FABio-Forest gut nachgestellt werden, wenn die dortigen Annahmen parametrisiert werden.
Projektionsergebnisse mit FABio-Forest liefern hohe Richtungssicherheit
Der vorgenommene Vergleich zeigt deutlich, dass die THG-Bilanz der BWI-4 mit FABio-Forest deutlich besser projiziert werden konnte als mit dem Modellansatz, der im NIR 2024 verwendet wurde. Dies war möglich, da in FABio-Forest Mortalitätsdaten der Waldzustandserhebung berücksichtigt und Annahmen zur Abnahme des Zuwachses getroffen wurden.
Erste Vergleiche auf Ebene der Baumartengruppen zeigen aber, dass in FABio-Forest beispielsweise innerhalb der Nadelbäume die Veränderung der Holzvorräte für Kiefer zu hoch und für Fichte zu niedrig abbildet werden. Ursache dafür ist unter anderem, dass Zuwachsfunktionen des Modells noch nicht ausreichend Klimaeffekte berücksichtigen können. Im laufenden Waldklimafond-Projekt DIFENs wird zurzeit eine klimasensitive Steuerung des Zuwachses in FABio-Forest implementiert. Ebenso könnte die Mortalität der Baumarten durch klimasensitive Funktionen die Projektion verbessern. Ergebnisse aus Satellitendatenanalysen wie aus Projekt FNEWs können als zusätzliche Informationen einfließen. Es lässt sich aber festhalten, dass bereits mit der vorliegenden Version des Waldentwicklungsmodells FABio-Forest Ergebnisse mit hoher Richtungssicherheit für die Entwicklung der CO2-Speicherleistung der lebenden Bäume im Wald in Deutschland projiziert werden können.
Die Zukunft der Wald(ensemble)modellierung
Die nächste Zwischeninventur auf einem Teil der BWI-Erhebungspunkte wird im Jahr 2027 erfolgen. Mit Ergebnissen für die Periode 2022 bis 2027 kann im Jahr 2029 gerechnet werden, also ein Jahr vor dem wichtigen Zieljahr 2030 für den LULUCF-Sektor im Bundes-Klimaschutzgesetz und der EU-LULUCF-Verordnung. Für die kommenden Jahre werden für die Waldentwicklung in der Periode 2022-2027 richtungssichere Aussagen benötigt, und zwar bereits vor dem Jahr 2029. Hierbei können modellgestützte Analysen mit Waldmodellen wie FABio-Forest sehr hilfreich sein.
FABio-Forest ist eines von mehreren Waldmodellen, mit denen die Waldentwicklung in Deutschland modelliert werden kann. Vom Thünen-Institut wird im Rahmen des Projektionsberichts der Bundesregierung das sogenannte Matrixmodell für die Waldmodellierung verwendet. Wie Abbildung 2 zeigt, sind die Ergebnisse in FABio-Forest und dem Matrixmodell sehr vergleichbar, wenn die getroffenen Annahmen abgestimmt sind. Stärken dieser beiden empirischen Modell liegen darin, dass sie sehr gut die Höhe der Holzentnahme und die Intensität der Waldbewirtschaftung ansteuern können. Als weitere Gruppe der Waldmodelle sind prozessbasierte Modelle wie 4C, FORMIND oder FORMIT-M zu nennen, die das Baumwachstum als physiologische Prozesse abbilden. Die Stärken dieser Modelle liegen in der Abbildung der Auswirkung von Klimaveränderungen auf die Waldentwicklung. Es wäre anzustreben, mit mehreren Waldmodellen Ensemble-Modellierungen zu unterschiedlichen Szenarien für das Klima und die Höhe der Holzentnahme durchzuführen. Die Modellierenden würden dabei die verwendeten Daten und die getroffenen Annahmen gemeinsam abstimmen, um möglichst vergleichbare Modellläufe zu gewährleisten. Dadurch können die Wirkungen der getroffenen Annahmen und verlässlichere Korridore der zu erwartenden Waldentwicklung in Deutschland aufgezeigt werden.
In Abbildung 5 ist eine Fortschreibung der Waldentwicklung mit FABio-Forest für drei Szenarien abgebildet. Die getroffenen Annahmen reichen von geringen natürlichen Störungen – vergleichbar mit den Annahmen im Projektionsbericht der Bundesregierung – bis hin zu hohen natürlichen Störungen, bei denen angenommen wird, dass extreme Bedingungen wie in den Jahren 2018 bis 2021 etwa im Mittel alle fünf Jahre auftreten.
Abbildung 5: Sensitivitäten zur THG-Bilanz der lebenden Bäume im Wald für niedrige, mittlere und hohe natürliche Störungen, Quellen: Hennenberg et al. (2024), NIR 2024. gS / mS / hS = geringe / mittlere / hohe natürliche Störungen
Demnach ist die Aussage „der Wald fällt als Klimaschützer aus“ zu sehr vereinfacht. Es ist möglich, dass der Wald in Deutschland im Jahr 2030 eine Senke ist. Nur mit einer frühzeitigeren und richtungssicheren Projektion der CO2-Senkenleistung des Waldes wird sich einschätzen lassen, ob die Waldsenke zusammen mit weiteren Emissionsminderungen aus laufenden und geplanten Maßnahmen im Sektor LULUCF wie Moorbodenschutz, der Anlage von Agroforstflächen und mehr Holzbau ausreichen werden, um das LULUCF-Senkenziel von -25 Mio. t CO2-Äq. im Jahr 2030 zu erreichen.
Dr. Hannes Böttcher ist Forstwissenschaftler und arbeitet zu Klimaschutzpolitik im Landnutzungssektor. Er koordiniert das Team Biogene Ressourcen und Landnutzung im Bereich Energie & Klimaschutz am Standort Berlin. Zusammen mit Dr. Klaus Hennenberg, Biologe und Experte für Waldmodellierung und Nachhaltigkeitsbewertungen in Darmstadt, hat er das Waldentwicklungsmodell FABio Forest entwickelt. Dr. Mirjam Pfeiffer ist als Expertin für Ökosystemdynamik und Waldmodellierung ebenfalls am Standort Darmstadt tätig. Judith Reise forscht und berät als Biologin zu Biodiversität und Klimaschutz in terrestrischen und marinen Ökosystemen am Standort Berlin.
Weitere Informationen
Modellbeschreibung zu FABio-Forest im „Referenzszenario der Holzverwendung und der Waldentwicklung im UBA-Projekt BioSINK“ des Öko-Instituts
Die Mortalität der Bäume hat laut Waldzustandserhebung (WZE) seit dem Jahr 2018 zugenommen. Vor allem für Fichte stieg die Mortalitätsrate durch abiotische (Trockenheit, Sturm) und biotische Gründe (Kalamitäten) in den Jahren 2018 bis 2022 auf Werte von 9 % bis 12 % sehr stark an. Bei Kiefer sowie andere Nadel- und Laubbäume traten ebenfalls erhöhte Mortalitätsraten mit Werten von unter 3 % auf. Moderate Anstiege der Mortalitätsrate wurden für Buchen und Eichen mit Werten unter 1% erfasst. Für Eiche ist in der Höhe kein Unterschied gegenüber historischen Werten zu sehen, biotische Gründe haben aber zugenommen.
Abbildung 6: Ausscheiderate aus biotischen und abiotischen Gründen, Quelle: eigene Darstellung nach Daten der Waldzustandserhebung (WZE)
Der Zuwachs der Bäume hat in der Periode der BWI-4 (2012-2022) gegenüber der BWI-3 (2002-2012) gemittelt über alle Baumarten um 14,9 % abgenommen. Laut Kohlenstoffinventur (CI-2017, Periode 2012-2017) war der Rückgang nur 1,8 %. Wenn man annimmt, dass dieser Rückgang aus der Alterung der Waldbestände resultiert, wäre in der BWI-4 ein Rückgang von ca. 3,6 % erwartbar gewesen. Der Rückgang des Zuwachses von ca. 11 % steht voraussichtlich in Verbindung mit den schlechten Wuchsbedingungen in der Periode 2017 bis 2022. Der genaue Anteil insbesondere gegenüber der CI-2017 wird bei 25 bis 30 % liegen. Dies ist allerdings eine grobe Einordung. Eine genaue Auswertung bedarf der Detaildaten der BWI-4 und der CI-2017 (noch nicht veröffentlicht).
Tabelle 2: Analysen zum Zuwachs der Baumartengruppen nach BWI-3, CI-2017 und BWI-4, Quelle: eigene Darstellung nach Daten der Waldinventuren. LB-hL = Laubbäume mit hoher Lebensdauer; LB-nL = Laubbäume mit niedriger Lebensdauer. In der BWI-4 werden Esche, Ahorn, Birke und Erle getrennt ausgewiesen
Abbildung 7: Entwicklung des Holzeinschlags inklusive Anteile an Schadholz in Millionen Erntefestmeter von 1990 bis 2021, Quelle: Reise et al (2024). Anmerkung: Trockenheit als Schadensursache wird erst seit 2020 erfasst
Tabelle 3: Veränderung des Vorrats nach Baumartengruppen, Quelle: eigene Darstellung nach Daten der Waldinventuren. LB-hL = Laubbäume mit hoher Lebensdauer; LB-nL = Laubbäume mit niedriger Lebensdauer
