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Frost als Belastungsfaktor für Pflanzen

Kenntnisse und Erfahrungen über die Klimafaktoren sind für die Arbeit des Gärtners von großer Bedeutung. Im Ausbildungsrahmenplan kommt dies an verschiedenen Stellen zum Ausdruck. So soll der Auszubildende „Abhängigkeiten des Ausbildungsbetriebes von natürlichen Standortfaktoren wie Klima, Lage und Boden erläutern“ können, sowie „Witterungsabläufe beobachten und dokumentieren“. Aber auch im Zusammenhang mit der Verwendung von Pflanzen sind die Klimafaktoren von ausschlaggebender Bedeutung. Mit dem Klimafaktor Temperatur und hier speziell mit dem Thema Frost wollen wir uns nachfolgend etwas näher beschäftigen. Nur unter Wasser und tief im Boden halten sich die Temperaturen ständig in dem für Pflanzen ungefährlichen und funktionsgünstigen Bereich zwischen etwa 5 °C und 20–25 °C. Nahe der Festlandsoberfläche und in Flachwässern pendelt die Temperatur tageszeitlich und – außerhalb der äquatorialen Zone – auch jahreszeitlich (wie in unseren Breiten) zwischen Tiefst- und Höchstwerten, die lebensbedrohlich sein können. So stellt der Frost für Pflanzen im Freien in unseren Breiten, wo von Oktober bis in den April regelmäßig Temperaturen unter 0 °C auftreten, einen entscheidenden existenzbegrenzenden Faktor dar.

Arten von Frost
Frost bezeichnet das Auftreten von Temperaturen unterhalb 0 °C (Gefrierpunkt von Wasser).
Frost (zur Abgrenzung zum Bodenfrost auch als Luftfrost bezeichnet) im Sinne der Meteorologie und Klimatologie herrscht, wenn die Lufttemperatur in zwei Metern Höhe unter 0 °C sinkt. Ein Tag, an dem das Temperaturminimum unter 0 °C liegt, nennt man einen Frosttag. Eistage sind Tage, an denen die Temperatur nie über 0 °C steigt.
Von Bodenfrost spricht man, wenn die Temperatur in Erdbodennähe (in 5 cm über dem natürlichen Boden) unter den Gefrierpunkt sinkt. Bodenfrost kann in klaren, windstillen Nächten durchaus bereits dann auftreten, wenn die Lufttemperatur in zwei Metern Höhe noch über 0 °C liegt. Boden, der das gesamte Jahr über gefroren bleibt, nennt man Dauer- oder Permafrostboden. Permafrost findet man in großen Teilen Nordkanadas, Alaskas, Grönlands und Ostsibiriens.

Hinsichtlich der Tiefe der Frosttemperaturen unterscheidet man im Allgemeinen zwischen folgenden Frostarten:

leichter Frost: 0 bis –4 Grad Celsius
mäßiger Frost: – 4 bis –10 Grad Celsius
strenger/starker Frost: –10 bis –15 Grad Celsius
sehr strenger/starker Frost: unter –15 Grad Celsius

Frosteinbrüche sind kennzeichnend für den Winter als Jahreszeit, der meteorologisch in unseren Breiten die Monate Dezember, Januar und Februar umfasst, tritt aber im ganzen Winterhalbjahr (also von Mitte Oktober bis Mitte April) regelmäßig ein – trotzdem können Frostereignisse auch nach Ende des sogenannten phänologischen Winters (also dem Einsetzen der typischen Vegetationsanzeichen für Vollfrühling) und schon im Früh- und Vollherbst eintreten. Dieser kann als Frühfrost im Herbst oder als Spätfrost im Frühjahr zu größeren Schäden an Pflanzen führen. Astronomisch beginnt der Winter in unseren Breiten mit der Wintersonnenwende – der Zeitpunkt, zu dem die Sonne senkrecht über dem südlichen Wendekreis steht und die Tage am kürzesten sind, dies ist der 21. Dezember. Danach werden die Tage wieder länger und die Nächte kürzer, und der Winter endet mit der Frühlings-Tag-und-Nacht-Gleiche in der Nacht zum 21. März. Mit sehr strengem Frost (mittleres Jahresminimum der Lufttemperatur unter – 20 °C) ist auf 42 % der Erdoberfläche zu rechnen, nur auf einem Drittel der Landfläche gibt es keinen Frost.

Pflanzenschäden durch Erfrierungen (Frostschäden)
Bezüglich der Schädigungen durch Frosteinwirkung können grundsätzlich zwei Ursachen unterschieden werden. Einerseits die direkte Zerstörung pflanzlichen Gewebes durch Erfrierungen und mechanische Wirkung des Eises, andererseits die durch gefrorenen Boden hervorgerufene Frosttrocknis.
Die Ursache für das Absterben pflanzlichen Gewebes durch Gefrieren besteht primär in der Bildung von Eiskristallen in und zwischen den pflanzlichen Zellen. Dabei führt die Volumenzunahme des gefrierenden Wassers zu einem erhöhten Druck, dem die einzelnen Bestandteile der Zelle nicht standhalten können.

Das Wasser dehnt sich beim Gefrieren um bis zu 10 % aus, weil die Molekülbindungen mehr Raum als im flüssigen Wasser benötigen. Die Dichte eines Eisblocks ist damit geringer als die des Wassers, das Eis ist leichter und schwimmt.

Die Temperaturgrenze, bei deren Unterschreitung Erfrierungen auftreten, ist in gewissen Grenzen erblich festgelegt, d.h. sie ist für jede Pflanzenart typisch. Unterschiede in der Empfindlichkeit treten aber bei den verschiedenen Organen bzw. Pflanzengeweben auf. So sind die Wurzeln wesentlich empfindlicher als die oberirdischen Organe. Bei letzteren sind wiederum junge Teile und Blüten besonders gefährdet.Außerdem ist der sogenannte Abhärtungszustand der Pflanzen von großer Bedeutung.

Frostabhärtung
Prüft man die Kälteresistenz von Pflanzenteilen im Sommer, indem man sie im Kühlschrank verschiedenen Temperaturen unter 0 °C z. B. zwei Stunden aussetzt, so zeigt es sich, dass bereits geringe Frosttemperaturen genügen, um irreversible Schäden hervorzurufen. Dieselben Pflanzenteile halten dagegen im Winter die Einwirkung von viel tieferen Temperaturen ohne Schädigung aus, weil sie abgehärtet sind.
Die Frostabhärtung ist ein physiologischer Vorgang, der im Herbst beginnt und sich allmählich ausgebildet. Dieser Prozess wird eingeleitet durch den Übergang in den abhärtungsbereiten Zustand, der erst dann möglich ist, wenn das intensive Wachstum abgeschlossen ist, die Gewebe ausgereift sind und genügend Kohlehydratreserven gespeichert vorliegen. Die Abhärtungsbereitschaft steht also im Zusammenhang mit dem Wechsel zwischen sommerlicher Wachstums- und Stoffwechselaktivität und Winterruhe, an dessen Zustandekommen Phytohorme entscheidend beteiligt sind.
Unter den steuernden Außenfaktoren sind die kürzer werdenden Tage im Herbst ein Frühwarnsystem, das die Pflanzen, längst bevor sie Kälte zu spüren bekommen, in Abhärtungsbereitschaft versetzen kann. Bei Arten, die nicht oder nur wenig auf die Tageslänge ansprechen, wirkt auch fortschreitende Abkühlung auf Temperaturen unter 10 °C als Anstoß für den Übergang zur Abhärtungsbereitschaft. In diesem Zustand können nun jene Abhärtungsvorgänge einsetzen, die schließlich zur Gefriertoleranz und zu hoher Frosthärte führen. Der Abhärtungsvorgang ist ein Phasenprozess, bei dem jede Stufe den Übergang zur nächsten vorbereitet. In der Vorabhärtungsstufe werden Zucker und andere Schutzstoffe im Protoplasma angereichert, die Zellen werden wasserärmer und die Zentralvakuole zerklüftet sich in eine Vielzahl von Kleinvakuolen. Dadurch ist das Protoplasma auf die nächste Phase vorbereitet, die bei diesen Pflanzen bei regelmäßigen schwachen Frösten zwischen - 3 und - 5 °C abläuft. Nun werden Biomembranstrukturen und Enzyme so umgebaut, dass die Zellen den Wasserentzug durch Eisbildung vertragen. Erst dann können die Pflanzen ungefährdet in die Endstufe des Abhärtungsvorganges eintreten, die bei ununterbrochenen Frost von wenigstens - 5 bis - 15 °C das Protoplasma höchst frostbeständig macht. Die wirksamen Temperaturen sind von Pflanzenart zu Pflanzenart verschieden. Abhärtungsbereite Birkensämlinge, die vor Beginn des Abhärtungsprozesses bei - 15 bis - 20 °C erfroren wären, vertragen nach Ende der ersten Abhärtungsstufe schon - 35 °C, bei voller Abhärtung sollen sie sogar kurzfristig Temperatur bis - 195 °C aushalten. Die Kälte treibt den Abhärtungsvorgang also vor sich her. Lässt der scharfe Frost aber nach, dann fällt das Protoplasma wieder in die erste Abhärtungsstufe zurück, die Resistenz kann aber durch Kälteperioden immer wieder auf ihr höchstes Niveau gehoben werden, solange die Pflanze in Entwicklungsruhe verharren.
Der Resistenzverlust nach Ende des Hochwinters verläuft im umgekehrten Sinne. Zuerst wird mit Nachlassen der Frostbelastung (Tauwetter) die höchste Abhärtungsstufe aufgegeben, dann bewirkt die Reaktivierung des Stoffwechsels und der Entwicklungsbereitschaft unter dem Einfluss höherer Tagestemperaturen und zunehmender Tageslänge den Abbau winterlicher Protoplasmastrukturen und den Übergang in den gefrierempfindlichen Zustand.
Aufgrund der beschrieben Vorgänge wird verständlich, das ein warmer Herbst oder ungewöhnlich lange Schönwetterperioden im Winter mit anschließend starkem Frost zu starken Schäden führen können, da die Pflanzen dann noch nicht bzw. nicht mehr genügend abgehärtet sind.
Unterirdische Pflanzenteile sind bei den meisten Pflanzen zu allen Jahreszeiten empfindlicher als Sprossorgane. Die Feinwurzeln winterharter Arten erfrieren schon bei - 1 bis - 3 °C. Die ausdauernden Wurzeln gehen während der Vegetationsperiode bei - 2 bis - 5 °C zugrunde, im Winter erfrieren sie je nach Pflanzenart und Abhärtungszustand zwischen - 5 °C und - 20 °C.
Der Tabelle sind die Werte für die Frostresistenz der Wurzeln einiger Ziergehölze zu entnehmen. Die angegebenen Werte geben die Grenztemperatur für eine 50 %-ige Schädigung der verholzten (ausdauernden) Wurzeln in abgehärtetem Zustand an. Dabei ist zu beachten, dass bei Spätfrösten die jungen Wurzeln, deren Wachstum einige Wochen vor dem ersten Blattaustrieb einsetzt, schon bei höheren Temperaturen geschädigt werden können.
Im gewachsen Boden werden die für viele Pflanzen existenzbedrohenden Temperaturen in unseren Breiten nur selten erreicht, wie Untersuchungen zeigen. Denn derBoden kühlt nur sehr langsam ab und ab 10 cm Tiefe treten nur selten Temperaturen unter - 6 °C auf.

Frostresistenz der Wurzeln verschiedener Gehölze (nach Havis, 1976)

Gehölzart	Grenztemperatur
Magnolia x soulangeana	-5,0 °C
Magnolia stellata	-5,0 °C
Cornus florida	-6,7 °C
Daphne cneorum	-6,7 °C
Ilex crenata	-6,7 °C
Pyracantha coccinea	-7,8 °C
Cryptomeria japonica	-8,9 °C
Cotoneaster horizontalis	-9,4 °C
Viburnum carlesii	-9,4 °C
Cytisus x praecox	-9,4 °C
Buxus sempervirens	-9,4 °C
Euonymus fortunei	-9,4 °C
Hedera helix	-9,4 °C
Acer palmatum	-10,0 °C
Cotoneaster praecox	-12,2 °C
Taxus x media	-12,2 °C
Pieris japonica	-12,2 °C
Leucothoe fontanesiana	-15,0 °C
Pieris floribunda	-15,0 °C
Juniperus horizontalis	-17,8 °C
Rhododendron catawbiense	-17.8 °C
Potentilla fruticosa	-23,3 °C
Picea glauca	-23,3 °C
Picea omorika	-23,3 °C

Pflanzenschäden durch Frosttrocknis
Die Winterkälte gefährdet die Pflanze aber nicht nur durch unmittelbare Beeinträchtigung von Lebensfunktionen und durch Eisbildung in den Geweben, sondern zusätzlich durch Ausfrieren des Wassers im Boden. Gefrorener Boden bedeutet für die Pflanzen Bodentrockenheit. Die Pflanzen sind nicht in der Lage, ihren Wasserbedarf aus anhaltend gefrorenem Boden zu decken, selbst wenn die Transpiration eingeschränkt ist. Die winterliche Belastung des Wasserhaushalts kann zu Austrocknungsschädigungen führen, die als „Frosttrocknis“ oder „Winterdürre“ bezeichnet werden. Auch solche Pflanzen, die im Winter ihre Spaltöffnungen nicht oder nur wenig öffnen, verlieren täglich 2 - 5 % ihres Wassergehaltes durch Transpiration. Knospen und laublose Achsen geben ebensoviel Wasser ab.
Die Gefahr der Frosttrocknis ist umso größer, je größer dass Wasserdampfdruckgefälle zwischen der verdunstenden Oberfläche und der umgebenden Luft ist. Je tiefer die Temperatur umso weniger Feuchtigkeit kann die Luft aufnehmen und umso größer ist das Dampfdruckgefälle. Wenn, besonders im ausgehenden Winter, die allmählich höher steigende Sonne die Pflanzenteile erwärmt, kann sich wegen des geringen Wassergehaltes der Luft ein erhebliches Dampfdruckgefälle zwischen Pflanze und Luft aufbauen, so dass spürbare Verdunstung einsetzt. Ist der Boden zu dieser Zeit noch nicht aufgetaut, oder gefriert es in der Nacht wieder regelmäßig, so wird zumindest zeitweise die Wassernachlieferung unterbrochen, so dass die Pflanzen leicht Trockenschäden erleiden können.

Frostschutzmaßnahmen
Die sinnvollste Vorbeugung gegen Frostschädigung stellt immer noch die richtige Pflanzenauswahl dar. Darüber hinaus ist die Vorsorge für einen guten Ernährungs- und Gesundheitszustand der Pflanzen eine wichtige resistenzfördernde pflanzenbauliche Maßnahme, die nicht unterbewertet werden sollte. Richtig mineralstoffversorgte und gepflegte Pflanzen schließen ihr Streckungswachstum rechtzeitig ab, bringen Reifungsvorgänge früh genug zum Abschluss und speichern ausreichend Reservestoffe für die Überwinterung. Der Abhärtungsvorgang kann rechtzeitig einsetzen, und die Pflanzen besitzen die physiologischen Voraussetzungen für den Erwerb hoher Winterfrosthärte. Kümmerliche, unausgereifte und unzureichend mit Kohlenhydratreserven ausgestattete Pflanzen sind schlecht abhärtbar. Ungünstige Assimilationsbedingungen während des Sommers, zu kurze Vegetationszeit, Blattverluste durch Schädlingsbefall, Beschnitt, mechanische und chemische Zerstörungen sowie vermehrter Assimilatverbrauch führt zu starken oder wiederholten Austrieb und abnorm starkes Blühen und Fruchten führen zu verspätetem und unvollständigen Ausreifen der Zuwächse und zu mangelhafter Reservestoffspeicherung. Da der Abhärtungszeitpunkt und der Abhärtungserfolg ursächlich vom Reifegrad und der Bereitstellung von Kohlehydraten abhängen, macht sich ein geschwächter Ernährungszustand besonders zu Beginn des Winters und zur Zeit der maximalen Frostbelastung im Hochwinter bemerkbar.
Vor Beginn der ersten stärkeren Fröste sind die Pflanzen durchdringend zu wässern, da das Wasser als relativ schlechter Wärmeleiter einen zu schnellen Wärmeübergang verzögert und weil die beim Gefrieren frei werdende Wärmeenergie die Bodentemperatur nicht so schnell absinken lässt. Die Eindringtiefe des Frostes hängt nicht zuletzt vom Wassergehalt des Substrates bei beginnendem Frost und von der Frostdauer ab. Auch zwischen zwei Frostperioden empfiehlt sich eine zusätzliche Bewässerung.
Ein aktiver Schutz vor zu niedrigen Temperaturen im Wurzelbereich, um die Gefahr des Erfrierens der Wurzeln und die Gefahr der Frosttrocknis zu mindern, ist das Abdecken der Bodenoberfläche mit organischen Materialien wie Rindenmulch, Laub, Stroh oder Reisig.
Da die Wärmebedingungen im Substrat bzw. Boden, d.h. wie tief und wie lange ein Boden oder ein Substrat durchfriert, im hohen Maße von der Wärmeleitfähigkeit der Bodenbestandteile abhängt, ergebe sich theoretisch auch die Möglichkeit, den Boden so umzustellen, dass es eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt und plötzliche Temperaturstürze abpuffert. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats hängt ab
1. von der Bodenart: die Leitfähigkeit fällt von Gestein über Lehm und Sand zum Torf;
2. vom Wassergehalt: feuchte Böden leiten besser als trockene;
3. vom Luftvolumen: ein fester Boden ist ein guter, ein lockerer dagegen ein schlechter Wärmeleiter.
Je mineralischer das Substrat umso besser wird die Wärme geleitet und desto schneller und tiefer dringt der Frost ein. Umgekehrt werden gut leitende Substrate wieder rascher frostfrei. Bei humosem Substrat ist es umgekehrt. Der Frost dringt nur langsam in die Erde ein. Aber es dauert auch länger bis ein gefrorener Boden aufgetaut ist. Bezüglich des Luftvolumens ist es wichtig zu Wissen, dass lockere Substrate in den oberflächennahen Schichten tiefer auskühlen als feste. Dafür bleiben sie in größeren Tiefen wärmer.
Ob diese Möglichkeit genutzt werden kann ist allerdings auch von anderen Faktoren abhängig. Denn der Boden sollte auf optimale Wachstumsbedingungen für die Wurzeln abgestimmt und den Bedürfnissen der Pflanze angepasst sein.
Um die oberirdischen Pflanzenteile vor Erfrierungen zu schützen und um die Transpiration herabzusetzen bieten sich als Abdeckmaterial u.a. Schilfmatten, Sackleinen oder synthetische Gewebe als Wind- und Sonnenschutz an.
Durch die Materialien wird die effektive Ausstrahlung der Pflanzen herabgesetzt und dadurch eine übermäßige Abkühlung verhindert. Das Abdeckmaterial tritt zwischen Pflanze und Himmel und wirkt als neue abstrahlende Oberfläche. Durch die zwischen Bedeckungsmaterial und Pflanze eingeschlossene Luft, kühlt die Pflanze weniger stark aus. Die Wirkung ist umso besser, je schlechter das verwendete Material die Wärme leitet. Zu beachten gilt, dass die Abdeckung den Pflanzen nicht direkt aufliegen sollte, da sonst ein direkter Wärmeübergang zwischen Auflage und Pflanze erfolgt. Gerade junge Teile reagieren darauf sehr empfindlich. Für Stoffe empfiehlt sich daher ein einfaches Gerüst als Auflage, welches ohne großen Aufwand etwa aus Bambusstäben, Holzlatten oder -stangen gebaut werden kann.

Literatur:
Larcher, Walter: Ökophysiologie der Pflanzen. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart 2001. ISBN 3-8001-2759-8
Walter, Heinrich: Vegetation und Klimazonen. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart 1999. ISBN 3-8252-0014-0

Autor: Wolfgang Kawollek

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Hinweis:

Frost als Belastungsfaktor für Pflanzen

Magnolia x soulangeana