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Durch Wurzeln verursachte Schäden an Rohrleitungen und vergleichbaren Bauwerken ^*
Damages to sewer lines and the like caused by tree roots
von Markus Streckenbach, Christoph Bennerscheidt und Thomas Stützel

Zusammenfassung

Bäume sind ein wichtiger Bestandteil des anthropogen geprägten Lebensraumes. Aus der direkten Nähe von Baumwurzeln und den technischen Einrichtungen zur Ver- und Entsorgung der Städte ergeben sich zwangsläufig Konflikte. Wurzeleinwuchs stellt eine der häufigsten Schadensursachen an den Elementen unterirdischer Infrastruktur dar und die Sanierungskosten derartiger Schäden belaufen sich bundesweit auf mehrere Millionen Euro jährlich. Ungeachtet dessen wurde die (baum)biologische Komponente dieses Problems in der Vergangenheit stark vernachlässigt. Die hier vorgestellten Untersuchungen sind das Ergebnis der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Bauingenieuren und Naturwissenschaftlern, welche sich zum Ziel gesetzt haben, Lösungsansätze unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Interessen aller an dieser Problematik beteiligten Fachdisziplinen zu erarbeiten.

Summary

Trees are a fundamental component of our cities but due to the direct proximity of tree roots and the elements of underground infrastructure, conflicts can occur. One major damage to sewer lines is the intrusion of tree roots and the expenses for the reconstruction of such incidents come to several million Euros per year (throughout Germany). In spite of that, the biological component of the problem has been handled carelessly in the past.

The studies presented here are the result of the interdisciplinary collaboration between natural scientists and civil engineers. This consortium has the aim to develop approaches against root intrusion into sewer lines considering the diverse interests of all involved disciplines.

1 Einleitung

Die Ergebnisse einer im Jahre 2004 durchgeführten Umfrage zum Zustand der Kanalisation in Deutschland haben gezeigt, dass Einwurzelungen in Kanalisationssysteme zu den wesentlichen Schadensursachen zählen (BERGER & LOHAUS 2004). Ein ähnliches Bild zeigen Untersuchungen aus weiteren Ländern, bei denen sich allein aus den errechneten jährlichen Kosten für die Sanierung von durch Baumwurzeln verursachten Schäden an den Elementen urbaner Infrastruktur ein dementsprechender Handlungsbedarf ableiten lässt.

Bei einem Blick auf die Gründe, welche als Ursache für das Einwachsen von Wurzeln in Leitungssysteme angeführt werden, fällt auf, dass das Bestreben der Wurzeln, feuchte Bodenbereiche gegenüber trockeneren Bodenbereichen vorzuziehen, in Zusammenhang mit undichten Rohrverbindungen gebracht wird. Dabei wird das hydrotrophe Verhalten der Wurzeln auf die Aussage „Wurzeln suchen nach Wasser“ reduziert. Die Reduktion auf das Wesentliche sollte dennoch den tatsächlichen Sachverhalt wiedergeben. „Suchen“ und „finden“ setzen in der Regel ein Bewusstsein für diese Tätigkeiten voraus. Richtig ist, dass Wurzeln während ihres Wachstums unter anderem im Boden vorhandenen Feuchtigkeitsgradienten folgen können.

Ungeachtet dessen gibt der hohe Anteil an Kanalisationsschäden, in dessen Folge Exfiltrationen von Abwässern auftreten können, sowie das aktuelle Prüfverfahren für Rohrverbindungen auf ihre Wurzelfestigkeit (DIN 4060) der weitläufig anerkannten „Leck- Hypothese“ recht. Die Ergebnisse einer früheren Arbeit haben gezeigt, dass die Zusammensetzung der Abwässer zu einem Zerfall der pflanzlichen Gewebe und damit zu einer massiven Schädigung der Wurzeln führt (STÜTZEL et al. 2004). Es ist daher anzunehmen, dass aus Kanalisationssystemen austretendes Abwasser dem Wurzelwachstum – wenn überhaupt – nur wenig förderlich ist. Eine Ausweichmöglichkeit vorausgesetzt, wird eine mechanisch oder chemisch verletzte Wurzel versuchen, sich diesem Stimulus zu entziehen, indem sie ihr Wachstum von diesem abgewandt fortsetzt.

Das Gütesiegel „wurzelfest“ sichert in seiner aktuellen Form Rohrverbindungen, die einem von innen aufgebrachten Wasserdruck von 0,5 bar standhalten. Das dahinter stehende Prüfverfahren nimmt keine Rücksicht auf den Penetrationsvorgang durch eine Wurzel, welcher eine mechanische Belastung von außen darstellt. Die zunächst plausibel erscheinende „Leck-Hypothese“ führt zu der Annahme, dass dichte Rohrverbindungen Wurzeleinwuchs verhindern können.

Was aber passiert, wenn Rohrverbindungen technisch einwandfrei verlegt – und damit dicht – sind und trotzdem durchwurzelt werden? In diesem Fall, der an einer Vielzahl von geborgenen Schadensfällen beobachtet werden konnte, verliert die „Leck-Hypothese“ ihre Bedeutung. Diese Situation, welche auch experimentell leicht simuliert werden kann, führt zu der Frage, was Wurzeln tatsächlich zum Einwachsen in Rohrverbindungen veranlasst. Zur Beantwortung dieser Frage wurden verschiedene Versuchsreihen durchgeführt, die sowohl biologische als auch ingenieurstechnische Parameter berücksichtigen.

2 Grundlagen des Wurzelwachstums

Wurzeln treten in zwei morphologisch und anatomisch differenzierten Entwicklungsstadien auf. Primäre Entwicklungsstadien finden sich an den Wurzelspitzen (Abbildung 1). Im Zentrum der Wurzelspitze liegt ein teilungsaktives Gewebe, welches fortlaufend neue Zellen bildet. Die nach vorne, d. h. in Wachstumsrichtung gebildeten Zellen bilden die Wurzelhaube. Sie ist das Gewebe, welches zuerst mit der Umgebung in Berührung kommt und stellt das sensorische Zentrum der Wurzel dar. Trotz der enormen Anforderungen sind die Zellen der Wurzelhaube kurzlebig. Ihre äußersten Zellen liegen in einem losen Verband vor. Zusammen mit den von den Wurzeln abgegebenen Exsudaten bilden sie eine schlüpfrige Schutzschicht, welche die Wurzelspitze während ihres Wachstums vor Abnutzung schützt und den Reibungswiderstand zwischen Wurzel und umgebenden Substrat heruntersetzt.

Abbildung 1: Bau einer primären Wurzel (schematisch). Die Zone in welcher die Wurzel in die Länge wächst, ist nur wenige Millimeter kurz. Verändert nach BRAUNE et al. 2002

Die nach hinten, d. h. entgegen der Wachstumsrichtung gebildeten Zellen formen den langlebigen Wurzelkörper. Nach ihrer Abgliederung erfahren diese Zellen zunächst eine Streckung. Diese Zone ist wenige Millimeter kurz – trotzdem wachsen Wurzeln ausschließlich und nur in diesem Bereich in die Länge. Die daran anschließende Wurzelhaarzone bildet durch ihre Verankerung im Boden das für die Längenzunahme notwendige Widerlager. Mit zunehmender Entfernung zur Wurzelspitze differenzieren die Zellen weiter und formen Leit-, Stütz- und Schutzgewebe.

Obwohl für den Vortrieb hauptsächlich Kräfte in axialer Richtung aufgebracht werden müssen, spielt die radiale Expansion der Gewebe eine wichtige Rolle, die vor allem bei mechanischer Behinderung der Wurzelspitze zum Tragen kommt. Durch ihre Ausdehnung in die Dicke erweitert die Wurzel den vor ihr liegenden Spalt und erleichtert dadurch das Eindringen der Wurzelspitze in das umgebende Substrat. Das sekundäre Entwicklungsstadium ist durch die Produktion von verholzten Geweben charakterisiert.

Die Wurzel erweitert in diesem Stadium ausschließlich ihren Umfang. Hierdurch verlieren ältere Wurzelteile zunehmend die Fähigkeit, Wasser und Nährstoffe aufzunehmen und übernehmen stattdessen statische Aufgaben.

2.1 Standortbedingte Modifikationen von Wurzeln und Wurzelsystemen

Die Ausbildung einer bestimmten Kronenform ist in gleichem Maße genetisch festgelegt wie die Ausbildung eines bestimmten Wurzelsystems. Diese Veranlagung wird maßgeblich durch den Einfluss verschiedener Bodenparameter überlagert. Die drei Grundtypen, d. h. Pfahl-, Herz- und Senkwurzelsysteme, können an Naturstandorten ausgebildet werden, sind jedoch an anthropogen beeinflussten, innerstädtischen Standorten kaum realisiert.

Oberflächenversiegelungen in Form von Wege- und Straßenbelägen schränken die Interaktionsmöglichkeiten zwischen Bodenkörper und Atmosphäre ein und blockieren damit Boden bildende Prozesse. Der Verlust der natürlichen Bodenfunktionen führt dazu, dass sich diese Böden nicht weiter entwickeln können und somit fortwährend in entsprechenden Initialstadien verbleiben.

Die im Gegensatz zu natürlichen Standorten veränderten Bodenwasser- und Bodenluftverhältnisse führen zur Ausbildung von an diese Verhältnisse angepassten Wurzelsystemen. Luft und Wasser stellen hierbei die wichtigsten formgebenden Faktoren dar, sind nur begrenzt vorhanden und limitieren damit das Wurzelwachstum im Boden. Da es an innerstädtischen Standorten in der Regel nicht zu tiefgründigen Durchfeuchtungen des Substrates kommt, halten sich Wurzeln bevorzugt in den oberen Bodenschichten auf. Der lebens notwendige Sauerstoffeintrag ist zudem auf Grund der geringen Gasdurchlässigkeit der Beläge auf Fugenbereiche reduziert und begünstigt damit zusätzlich das oberflächennahe Wurzelwachstum.

Diese Verteilungsmuster können auch an ungestörten Standorten beobachtet werden. Generell lässt sich feststellen, dass konstante Bodentemperaturen und -feuchtigkeit eher zu horizontal ausgerichteten Wurzeln führen, wohingegen schwankende Bodenparameter vertikal ausgerichtete Wurzeln hervorbringen.

2.2 Wurzelwachstum im Boden

Wurzelwachstum richtet sich nach nur wenigen Regeln, welche in Abhängigkeit der vorherrschenden Umweltbedingungen konsequent eingehalten werden. Der Weg einer Wurzel durch den Boden wird durch dessen wechselnde Eigenschaften vorgegeben. Die Wurzel reagiert ihrerseits auf die jeweils angetroffene Situation bzw. auf die veränderten Bodenparameter. Der Einfluss der Wurzel auf den Boden ist, hinsichtlich des eingeschlagenen Pfades, sehr viel geringer und beschränkt sich auf den Bereich der Rhizosphäre.

Abgeschiedene Wurzelexsudate in Form von Zuckern, organischen Säuren und Aminosäuren unterstützen die Nährstoffaufnahme, sind auf Grund ihrer Eigenschaften aber nicht dazu geeignet, Bodenpartikel aufzulösen und damit neue Wege für die wachsende Wurzel zu erschließen.

Wurzeln sind in der Lage, während ihres Wachstums in locker verdichtete Bereiche auszuweichen. Hierzu zählen auch größere Bodenporen und zusammenhängende Porenbereiche. Diese können als Risse zwischen Bodenaggregaten, in Form von Regenwurmgängen oder abgestorbenen Wurzeln vorliegen. Diese Fähigkeit ist in den mechanischen und physiologischen Eigenschaften der Wurzelspitze begründet. Da die ersten Zentimeter der Wurzelspitze weder Festigungsgewebe noch verholzte Anteile aufweisen, ist diese dementsprechend flexibel. Diese Eigenschaft ermöglicht es der Wurzel, während ihres Wachstums den Weg des geringsten Widerstandes einzuschlagen und auf diese Weise Energie zu sparen. Darüber hinaus verfügt die Wurzel über verschiedene Möglichkeiten, auf externe Reize zu reagieren. Diese Reizreaktionen äußern sich in einem gezielten Wachstum der Reizquelle zu- oder abgewandt. Je nach Bewegungsrichtung und Art des Reizes unterscheidet man positive und negative Wachstumsbewegungen (Tropismen), von denen in diesem Zusammenhang die folgenden angesprochen werden sollen:

 Der Gravi- oder Geotropismus ist in Wurzeln positiv ausgeprägt. Er ist allgegenwärtig und dominiert das Richtungswachstum. Unter bestimmten Bedingungen kann die gravitrophe Reaktion der Wurzel allerdings durch andere Wachstumsbewegungen überlagert werden.

 Der Hydrotropismus ist ebenfalls eine zur Quelle gewandte Wachstumsreaktion. Sie schließt das gezielte Wachstum in Bereiche mit hoher Luftfeuchtigkeit ein.

 Der Aerotropismus ist eine Wachstumsreaktion, die sich Gasen zuwendet, sich aber auch von diesen abwenden kann. Über die jeweilige Richtung entscheidet das sich auf das Wachstum positiv oder negativ auswirkende Reagenz. Hierzu zählt auch der Oxytropismus, der bei atmosphärisch freiem Sauerstoff („Luft“) eine zur Quelle gewandte Wachstumsreaktion beschreibt.

 Der Chemotropismus äußert sich ebenfalls in einer von der Wirkung auf das Wachstum abhängigen Wachstumsreaktion, die im Falle einer förderlichen Substanz zu dieser gerichtet und im Falle einer schädigenden Substanz von dieser abgewandt sein kann.

 Der Thigmotropismus ist der Reiz, von der Quelle (einem mechanischem Reiz) abgewandt zu wachsen, was der Wurzel hilft, den Weg des geringsten Widerstandes zu finden. Eine Ausweichmöglichkeit vorausgesetzt, kann diese Wachstumsreaktion ebenso wie der Traumatotropismus (Wachstumsreaktion nach mechanischer Beschädigung) die geotrophe Reaktion überlagern.

Die Reizschwelle für alle Tropismen ist relativ niedrig, jedoch können durch die Wurzel verschieden starke Reizungen wahrgenommen und in entsprechend angepasste Wachstumsreaktionen umgesetzt werden (HART 1990). Die Detektionsgrenzen für die Reize sind sehr gering. So sind Wurzeln beispielsweise in der Lage, einen Sauerstoffgradienten von wenigen Molekülen Unterschied zu zwei Seiten der Wurzelspitze wahrzunehmen und entsprechende Wachstumsreaktionen einzuleiten (PORTERFIELD & MUSGRAVE 1998).

Mit Ausnahme des Gravitropismus bedarf es zum Auslösen einer entsprechenden Wachstumsreaktion zwingend den direkten Kontakt der Wurzel mit der Reizquelle. Hinsichtlich der Durchwurzelungsproblematik bedeutet dies, dass das Eindringen von Wurzeln in Abwasserleitungen und -kanäle nach der „Leck-Hypothese“ an exfiltrierendes Abwasser und der hydrotrophen Wachstumsreaktion der Wurzel gebunden ist.