Können Käferbäume mit Hilfe von Drohnen früher erkannt werden?

Im Jahr 2017 haben Mitarbeitende der FVA zusammen mit Kolleginnen und Kollegen vom Nationalpark Schwarzwald und der UFB Rastatt einen Versuch durchgeführt, um aus der Luft Borkenkäferbefall an Fichten in einer frühen Befallsphase (Green-Attack) zu erkennen. Im Nationalpark Schwarzwald wurden vitale Fichten mit dem Borkenkäferpheromon "Pheroprax" beködert und bald schon von Borkenkäfern besiedelt. Ob nun die fliegende Drohne oder die klassische Bodenkontrolle schneller die Köderbäume und aller weiteren Bäume im Versuchsgebiet erkannte, dokumentiert der Artikel.

Zahlreiche Insekten und Pilze können Schäden an der Fichte verursachen, sie ist die Baumart mit dem höchsten Waldschutzrisiko in unseren Breiten. Gleichzeitig ist sie die wirtschaftlich bedeutendste Baumart in deutschen Mittelgebirgen. Infolge des Klimawandels könnten sich durch prognostizierte steigende Temperaturen und zunehmende sommerliche Trockenperioden die Wuchsbedingungen der Fichte maßgeblich verschlechtern. Zusätzlich werden ihre bedeutendsten potenziellen biotischen Schädlinge, die Borkenkäfer, durch diese Klimaveränderungen weitgehend begünstigt. Rund 40 Borkenkäferarten nutzen als Rinden-, Holz- oder Wurzelbrüter die Fichte als Wirtspflanze. Sie sind grundsätzlich Sekundärschädlinge, benötigen in der Regel also eine Vorschädigung oder Schwächung ihrer Wirtspflanze. Der große Buchdrucker und der kleine Kupferstecher sind jedoch bei ausreichend hoher Populations- und daher hoher Angriffsdichte in der Lage, auch vitale Bäume erfolgreich zu befallen.

Durch Prinzipien der "sauberen Waldwirtschaft" konnten in den vergangenen Jahren großflächige Kalamitäten durch eine konsequente Entfernung initialer Befallsherde und die integrierte Bekämpfung erfolgreich verhindert oder abgeschwächt werden. Die frühzeitige Erkennung von frischem Stehendbefall muss bei einer aktuellen Gefährdungssituation nach wie vor mittels regelmäßiger terrestrischer Kontrollgänge in den potenziell gefährdeten Beständen durch erfahrene Fachkräfte erfolgen. Auf diesem Gebiet wurden zur Effizienzsteigerung bisher methodisch kaum Fortschritte erzielt. Aufgrund einer altersbedingten Zunahme befallsgefährdeter Fichtenwälder, und vor dem Hintergrund von Forstreformen, sich verändernden Zuordnungen und Verantwortlichkeiten, steigenden Reviergrößen und abnehmender Betreuungskonstanz gilt es, das Monitoring gefährdeter Fichtenwälder effizienter zu gestalten. Hoffnungen werden dabei vor allem auf die (semi-) automatische Auswertung von Fernerkundungsdaten gewonnen, die aus geringen (UAV oder Drohnen), mittleren (Flugzeugen) bzw. großen Höhen (Satelliten) gewonnen werden.

Ziel der hier vorgestellten Studie war es, die Praxistauglichkeit eines auf Drohnenbefliegung basierenden Verfahrens zur Früherkennung (Green-Attack) von Buchdruckerbefall zu überprüfen.

Der Begriff "Drohne" wird folgend durch die konkretere Bezeichnung "Copter" (gehören zu den UAV, unmanned, uninhabited oder unpiloted aerial vehicle) ersetzt. Mit einem Quadrocopter DJI Matrice 100 wurden ausgewählte Flächen in der Entwicklungszone des Nationalparks Schwarzwald (22 ha) wöchentlich von April bis Septwmber und im Pufferstreifen (UFB Rastatt, 170 ha) monatlich überflogen und dabei mit einer Multispektralkamera Parrot Sequoia und DJI M100_X3 (RGB) Luftbildaufnahmen gemacht, die von der österreichischen Firma Festmeter zeitnah mit ihrer firmeneigenen Software ("Waldfee") am Computer ausgewertet wurden. 15 vitale Fichten im befallsfähigen Alter in der Entwicklungszone wurden mit dem Pheromon "Pheroprax" in ca. 2,5 m Höhe über dem Boden beködert und damit höchst attraktiv für Buchdrucker. Diese Bäume wurden exakt eingemessen (von einer im Boden versenkten dauerhaften Markierung) und ihre nächsten Nachbarn ebenfalls im Radius von 15 m aufgenommen (Field-Map/IFER und DGNSS-Empfänger, 28-Kanal, L1-Band OEMStar (NovAtel) mit BEACON-Korrekturdienst).

Das Versprechen der auswertenden Firma war, dass die besondere Aufnahmetechnik und die Datenanalyse nicht nur das Auffinden von abgestorbenen, sondern vor allem auch das Erkennen von frischbefallenen Stämmen ermögliche, noch bevor dies durch das menschliche Auge anhand von Kronenmerkmalen (Green-Attack) möglich wäre. Die Auswertung am Computer mache diese Reflexionsunterschiede deutlich und ließe auffällige Stellen sichtbar werden. Der Hintergrund lässt sich in wenigen Worten erläutern. Borkenkäferlarven sind Phloemfresser, ihr Wirken zerstört diesen wichtigen Transportweg von den Assimilations- zu den Speicherorganen und unterbindet in der Folge dann auch den Wassertransport. In den Nadeln verändern sich die Chlorophylproduktion und der Wassergehalt, beide führen zu einer veränderten Lichtreflektion. Es ist zu erwarten, dass ein Borkenkäferbefall im Grünangriffsstadium generell die biochemischen und physiologischen Bedingungen eines Baumes beeinflusst. Die gleichzeitige Wirkung auf die Schlüsselblattbiochemie wie Blattstickstoff und Chlorophyll sowie spektrale Antworten sind in der Literatur nicht gut dokumentiert. Diese Phänomene sind aber mit Multispektralfotografie und spezieller Auswerteparameter darstellbar, so die Theorie.

Der vorgesehene Arbeitsablauf ist folgender: Die Auswertungssoftware der Firma Festmeter liefert Lagekoordinaten der detektierten Bäume sogenannter "Hotspots", welche in eine digitale Karte eingetragen werden. Sie können so für eine automatisierte forstwirtschaftliche Planung genutzt und eingesehen werden. Vor allem können anhand dieser Koordinaten die befallenen Bäume ("Hotspots") gezielt mit Hilfe von Handy oder GPS-Tracker aufgesucht werden, damit die üblicherweise angewandten Verfahren zur Schadensabwehr einsetzen können.

Die Überprüfung der Wirksamkeit des Monitorings aus der Luft wurde gegengeprüft durch ein terrestrisches Monitoring. Dazu haben Mitarbeiter der FVA bei wöchentlichen Kontrollen in der Entwicklungszonenfläche die Befallsentwicklung a) an den "Köderbäumen", b) an deren benachbarten und c) an den von "Festmeter" ausgewiesen "Hotspots" dokumentiert. Hotspost wurden mittels Garmin GPSMap 60csx, Garmin 64s Serie mit externer Antenne bzw. PPM10xx, DGNSS mit SaPos HEPS-Korrekturdienst aufgesucht und mit einem Farbband markiert, in den Folgewochen wurden die jeweils neu aufgetretenen Hotspots als auch die zuvor gemeldeten kontrolliert. Das bedeutet, dass von Woche zu Woche der Kontrollaufwand größer wurde. Während dies zunächst von zwei Mitarbeitern an einem Tag erledigt werden konnte, mussten in der Schlussphase jeweils zwei Zweierteams mindestens einen Tag dafür aufwenden.

Am 29.3.2017 erfolgte die Beköderung von 15 Fichten. Während es in den tieferen Lagen Baden-Württembergs schon erste Buchdrucker in Kontrollpheromonfallen gab, war es in den Hochlagen des Schwarzwalds zunächst nicht warm genug. Vom 11. April bis zum 10. Mai war es landesweit kalt und regnerisch, in dieser Zeit kam es nirgendwo zu einem Buchdruckerbefall. Vom 11. Mai an kamen die Borkenkäfer bei steigenden Temperaturen ins Schwärmen, recht genau Mitte Mai erfolgte auch der Befall aller Köderbäume in der Entwicklungszone. Von Anfang Juni an hatten alle Köderbäume deutliche Zeichen eines Befalls (Harztropfen, Bohrmehl), von der dritten Juniwoche an gab es bei einigen Köderbäumen erste Nadelverfärbungen und von Mitte Juli an waren Spechthiebe, abfallende Rindenstücke und Nadelabwurf an 14 von 15 Köderbäumen sehr auffällig. Während Baum Nr. 9 trotz starken Befalls (Einbohrlöcher, Harztropfen) Ende September noch vital war, sind die übrigen 14 Köderbäume alle abgestorben. Ihre nächsten Fichtennachbarn wurden in der ersten Phase gleich mitbefallen bzw. wurden beim Ausflug der ersten Generation befallen. Insgesamt wurden je Probekreis (r = 15 m um den Köderbaum) zwischen 0 und 9 benachbarte Fichten ebenfalls befallen. Bis Ende September waren in der Entwicklungszonenversuchsfläche 37 Buchdruckerbäume angefallen, deren Befall sich mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit durch die Pheromonbeköderung erklären lässt. Es gab außerhalb der Probestellen keinen Buchdruckerspontanbefall.

Nach den geschilderten Ergebnissen wäre zunächst ein eindeutiges "Nein" zu erwarten. Aber die Entwicklungen gehen weiter: Bessere Ergebnisse sollen bereits Doppelbefliegungen derselben Fläche sowie regelmäßige Eichungen des Systems in der jeweiligen Untersuchungsfläche (z.B. unbedingt im Frühjahr vor Befallsbeginn) liefern. Zudem wird die Auswertung der umfangreichen Luftbilder weiter automatisiert, die Baumartenerkennung wird weiter vorangetrieben. Der "Borkenindex", eine kombinierte Summe spezifischer Änderungen im Spektralbild nach Borkenkäferattacken, wird weiter spezifiziert. Eine aktuelle Studie im Nationalpark Bayrischer Wald konnte deutliche Unterschiede zwischen gesunden und infizierten Nadelproben (mit Käfern befallene Bäume) in den mittleren Reflexionsspektren belegen. Die ausgeprägtesten Unterschiede wurden in den NIR (nahes Infrarot)- und SWIR-(kurzwelliges Infrarot) Regionen zwischen 730 und 1370 nm beobachtet. Darüber hinaus wurden signifikante Unterschiede in den biochemischen Zusammensetzungen (Chlorophyll und Stickstoffkonzentration) von gesunden gegenüber grün attackierten Proben gefunden. Diese Ergebnisse weisen nach Aussagen der Autoren darauf hin, dass die Fernerkundung erfolgreich zur Früherkennung des Borkenkäferbefalls eingesetzt werden könne. Allerdings ist zu bedenken, dass Käferattacken zu physiologischen bzw. biochemischen Veränderungen führen, die zunächst nicht nur monokausal einen messbaren Faktor (Chlorophyll) beeinflussen, sondern zu einer ganzen Reihe von sich eventuell überlagernden, widersprechenden Veränderungen führen können. Zudem wirkt sich Käferbefall physiologisch weitgehend aus wie Trockenstress, der schlichtweg in Trockenperioden entstehen kann und stark vom Standort abhängt.

Der Wunsch bleibt dennoch und ist Motor für weitere Forschungen am Thema: In steilen, schwer zugänglichen Gebieten oder generell in großen Waldgebieten würde diese Form von Früherkennung unschätzbare Vorteile bieten. Durch das Verfahren könnten Bäume vorzeitig erkannt und bei Bedarf aus dem Wald entfernt werden. Bei der Borkenkäferbekämpfung bleibt nie viel Zeit, da sie sich sehr schnell ausbreiten. Da gilt es, schnell zu reagieren und mitunter große Flächen im Auge zu behalten. Vielleicht ist es eines Tages doch möglich, durch vollautomatische Auswertungen von mit Flugzeugen oder Satelliten aufgenommen Bildern die das Borkenkäfermanagement maßgeblich zu modernisieren. Wir werden diesen Prozess weiter intensiv begleiten.