Stadtökologie

Begriff und Forschungsansätze

Stadtökologie bezeichnet verschiedene wissenschaftliche und planerische Ansätze im Spannungsfeld von Stadt und Ökologie. Sie ist wichtig, weil Städte besondere Lebensbedingungen schaffen, Energie- und Stoffströme bündeln und zugleich Lebensraum für Menschen, Tiere und Pflanzen sind.

Ein Ansatz untersucht urbane Lebensräume mit den Methoden der biologischen Ökologie. Im Mittelpunkt stehen städtische Biotoptypen sowie die spontan vorkommende Flora, Vegetation und Fauna. Der Mensch wird dabei vor allem als Ursache besonderer Standortbedingungen betrachtet. Ergebnisse werden unter anderem für Grünplanung, Naturerleben und den Naturschutz in Städten genutzt.

Ein zweiter Ansatz betrachtet die ganze Stadt als Ökosystem. Mit Methoden der Synökologie, also der Erforschung von Lebensgemeinschaften, und der Ökosystemforschung werden insbesondere Energie- und Stoffflüsse sowie deren Bilanzen untersucht. Der „ökologische Fußabdruck“ einer Stadt veranschaulicht, wie viele Ressourcen sie beansprucht.

In Stadtplanung und Stadtentwicklung bezeichnet Stadtökologie außerdem das Ziel einer ökologischen oder nachhaltigen Stadt. Dazu gehören die Verringerung des Flächen- und Energieverbrauchs sowie lebenswerte Stadtquartiere. Dieser Ansatz ist eine angewandte Sozialwissenschaft und nicht unmittelbar ein Teil der biologischen Ökologie. Eine weitere, früher einflussreiche Bedeutung stammt aus der Soziologie: Die „Chicagoer Schule“ übertrug ökologische Forschungsmethoden auf städtische soziale Erscheinungen und bezeichnete dies als Sozialökologie. Verwandte und teilweise überlappende Gebiete sind Landschaftsökologie, Humanökologie und Zivilisationsökologie.

Klima, Strahlung und Wasser

Städte unterscheiden sich bei ihren abiotischen, also unbelebten, Umweltbedingungen deutlich vom Umland. Diese Unterschiede betreffen insbesondere Strahlung, Luftchemie, Wasserhaushalt und Klima und verändern die Lebensbedingungen von Menschen, Tieren und Pflanzen.

Die Globalstrahlung ist wegen der stärkeren Lufttrübung vermindert. Kurze Wellenlängen, besonders UV-Strahlung, werden stärker herausgefiltert; dadurch entsteht eine Rotverschiebung. Trotzdem ist die Wärmeeinstrahlung erhöht, weil Lufttrübung und Mehrfachreflexionen an Gebäuden die Rückstrahlung verstärken. Baumaterialien besitzen meist eine geringere Albedo, also ein geringeres Rückstrahlvermögen, als Vegetation. Ihr Durchschnittswert liegt bei etwa 0,15; im kurzwelligen Bereich ist die Albedo damit um etwa 10 % erniedrigt. Baustoffe heizen sich daher stärker auf. Steine speichern aufgrund ihrer hohen Wärmekapazität viel Wärme: Städte erwärmen sich morgens langsamer, kühlen nachts aber auch weniger ab. Im Winter kann die von Menschen durch Verbrennung erzeugte Wärme dieselbe Größenordnung wie die Sonneneinstrahlung erreichen.

Die Feinstaubbelastung ist in Städten um ein Vielfaches höher als im Umland. Sie beeinflusst durch Lufttrübung die Strahlung und wirkt über Kondensationskeime auf den Wasserhaushalt. Schadstoffe wie Cadmium sind im Staub deutlich erhöht und reichern sich nach ihrer Ablagerung im Oberboden an. Der Kohlenstoffdioxidgehalt der Stadtluft ist stark erhöht. Ozonwerte sind dagegen niedriger, weil Ozon erst durch chemische Reaktionen in der Atmosphäre fernab der Emittenten entsteht.

Wegen der geringen Vegetationsdeckung entfällt ein großer Teil der Transpiration, also der Wasserabgabe durch Pflanzen. Deshalb verdunstet weniger Niederschlag als im Umland. Gebäude, Straßen und andere befestigte Flächen leiten den größten Teil des Wassers in die Kanalisation; dadurch steigt der Oberflächenabfluss in die aufnehmenden Gewässer. In mäßig versiegelten Quartieren bleibt die Grundwasserneubildung zunächst fast unbeeinflusst und sinkt erst im stark verdichteten Zentrum. Der Grundwasserspiegel liegt jedoch meist niedriger, weil die Kanalisation wie eine Flächendrainage wirkt. Trotz geringerer Luftfeuchtigkeit bildet sich wegen der vielen Kondensationskeime häufiger Nebel.

Das Zusammenwirken dieser Faktoren erzeugt das Stadtklima. In verdichteten Städten liegt die Durchschnittstemperatur 0,5 bis 1,5 °C über der des Umlands; dies wird als städtische Wärmeinsel bezeichnet. Wesentliche Ursachen sind die Wärmerückstrahlung und der verringerte Wärmetransport durch Verdunstung. In begrünten Vorstädten ist dieser Effekt kaum nachweisbar. Aufsteigende Warmluft und durch hohe Gebäude nach oben abgelenkter Wind erzeugen ein kleines lokales Tiefdruckgebiet. Deshalb fällt mehr Niederschlag, und die Wolkenbedeckung ist etwa 5–10 % höher. Gebäude senken die durchschnittliche Windgeschwindigkeit, verstärken aber Turbulenzen. In engen Straßenschluchten können durch Düsenwirkung starke Böen entstehen.

Besonderheiten der Stadtböden

Stadtböden sind trotz des höheren Niederschlags trockener als Böden im Umland. Ursachen sind die Absenkung des Grundwassers, die Versiegelung, Bodenaufschüttungen mit größerem Abstand zum Grundwasser sowie hohe Sand- und Kiesanteile, die wenig Wasser speichern.

Durch umfangreiche Baustofftransporte bestehen Stadtböden häufig aus Anschüttungen ohne natürlich gewachsenes Bodengefüge. Besonders in Industrie- und Gewerbegebieten enthalten sie anthropogene, also vom Menschen eingebrachte, Substrate wie Bauschutt, Schlacke und Asche. Hinzu kommen betriebs- und produktionsspezifische Schadstoffe. Auch abgelagerte Stäube und Luftschadstoffe können den Boden so stark belasten, dass in Stadtwäldern die Grenzwerte der Bodenschutzverordnung im Oberboden und Humus überschritten werden.

Viele Stadtböden sind stark verdichtet und zeigen Nährstoffinbalanzen: Manche Nährstoffe sind stark angereichert, andere fehlen. Beton- und Mörtelstaub verschieben den pH-Wert meist in den basischen Bereich. Auf Hochofenschlacken können extrem hohe pH-Werte auftreten, wie sie in Mitteleuropa natürlich nicht vorkommen. Bergematerial des Steinkohlenbergbaus kann dagegen in den ersten Jahren extrem sauer reagieren.

Auftragsböden sind wegen ihres jungen Entwicklungsstadiums oft humusarm. Koks, Kohle oder unvollständig verbrannte Asche können dennoch hohe Kohlenstoffgehalte verursachen. Gartenböden mit hohem Humusgehalt heißen Hortisole und bilden einen eigenen Bodentyp. Örtliche Veränderungen entstehen außerdem beispielsweise durch Tausalz an Straßen oder austretendes Erdgas aus undichten Leitungen.

Pflanzenwelt der Städte

Die städtische Flora wird vor allem durch Heterogenität, Dynamik und schnellen Artenwechsel geprägt. Außerhalb der stark versiegelten Zentren liegen natürliche Lebensraumreste, Gärten, Parks, Grünflächen, Säume, Brachen und Abstandsgrün eng nebeneinander. Dieses kleinräumige Habitatmosaik ist besonders vielfältig. Gleichzeitig werden Flächen häufig durch Tritt, Nutzungswechsel oder vollständige Zerstörung der Vegetation gestört; anschließend können lange Ruhezeiten folgen. Arten, die dauerhaft ungestörte Lebensräume benötigen, fehlen daher meist.

Mit Materialströmen gelangen ständig Pflanzensamen in die Stadt. Tausende Arten werden in Gärten und Grünanlagen kultiviert; einige überleben anschließend wild. Dazu gehören indigene, also einheimische, Arten und Neophyten, also nachträglich eingeschleppte Pflanzen. Die spontan wachsende Flora ist deshalb in fast allen untersuchten Städten etwas artenreicher als im Umland, und größere Städte besitzen tendenziell mehr Arten. Häufig sind kurzlebige Ruderalfluren auf gestörten Standorten, stickstoffliebende Hochstaudenfluren, Wiesen, Rasen, Gebüsche und Vorwälder. Im Zentrum überwiegen trittfeste Pflanzengesellschaften sowie Ritzen- und Mauerfugenvegetation. Arten naturnaher Wälder, Sümpfe, Moore und Magerrasen sind meist stadtmeidend oder „urbanophob“.

Untersuchungen in Pilsen, einer tschechischen Industriestadt mit etwa 170.000 Einwohnern, zeigen den starken Wandel. Um 1900, um 1970 und um 1990 stieg die Artenzahl in der Stadt von 478 über 595 auf 773. Im Umland sank sie zugleich von 1112 über 768 auf 745; für Stadt und Umland zusammen nahm sie um gut 10 % ab. Nur 57 % der Arten wurden durchgehend nachgewiesen. Der Anteil der Neophyten stieg in der Stadt von 6,2 % auf 17 %, während er im Umland nahezu gleich blieb. Etwa 30–40 % der indigenen Stadtarten wurden durch Neueinwanderer ersetzt. Die Zahl der Holzgewächse stieg von 26, darunter 2 Neophyten, auf 117, darunter 33 Neophyten. Auch in Bochum ist die Gesamtartenzahl heute höher als 1887; der Anteil eingebürgerter Neophyten wuchs von 4 % auf 16 %.

Rasenflächen nehmen in vorstädtischen Wohngebieten fast immer mehr als 10 %, teilweise mehr als 25 % der Fläche ein. Eine einzelne Rasenfläche besteht meist aus 15 bis 20 Pflanzenarten. Gräser bestimmen die Deckung, Kräuter stärker die Artenzahl. Typische Arten sind Kleine Braunelle und Steifhaariger Löwenzahn. Die Pflanzenwelt ähnelt der gedüngter Wiesen, die Tierwelt von Rasen ist jedoch sehr artenarm. Intensive Pflege kann große Mengen Dünger, Pestizide und besonders in trockenen Gebieten Wasser verbrauchen.

Eine 2022 in Science veröffentlichte Studie untersuchte 110.019 Weißklee-Pflanzen von 6169 Standorten in 160 Städten aller bewohnten Kontinente. In vielen Innenstädten enthielt der Klee signifikant weniger Blausäure-Verbindungen als im Umland. Als Hauptgrund wurde die geringere Zahl von Pflanzenfressern angenommen: Unter diesen Bedingungen kann der Verzicht auf die aufwendige Herstellung der Abwehrstoffe den Fortpflanzungserfolg erhöhen.

Tierwelt, Nutzen und Entwicklung des Fachgebiets

Städtische Lebensräume sind bei fast allen untersuchten Tiergruppen artenärmer als vergleichbare Gebiete im Umland, obwohl in gut untersuchten Städten mehrere Tausend Tierarten vorkommen können. Einige angepasste Arten erreichen jedoch hohe Bestandsdichten. So kann die Gesamtdichte der Brutvögel trotz geringerer Artenzahl höher sein als außerhalb der Stadt. Große Parks, Friedhöfe und alte Baumbestände ähneln in ihrer Fauna teilweise dem Umland und dienen stadtmeidenden Arten als Refugium. Bei Brutvögeln war die Stadtrandzone in manchen Untersuchungen artenreicher als Zentrum und Umland, während die Zahl spezialisierter Arten zum Zentrum hin abnahm.

Zu den besonders erfolgreichen Stadtbewohnern gehören Kaninchen, Eichhörnchen, Rotfuchs und Steinmarder sowie Amsel, Türkentaube und Haussperling. Manche Arten gehen auf verwilderte Gefangenschaftsflüchtlinge zurück, darunter besonders die Stadttaube sowie Mandarinente, Kanadagans, Nilgans und Halsbandsittich. Im Zentrum leben vor allem Gebäudebrüter, für die Häuser künstlichen Brutfelsen gleichen, etwa Spatzen, Stadttauben, Mauersegler und seit einigen Jahrzehnten Wanderfalken. Synanthrope Arten nutzen unmittelbar menschliche Gebäude als Lebensraum. Dazu gehören Hausmaus, Hausspitzmaus, Wanderratte, zahlreiche Material- und Vorratsschädlinge sowie harmlose Zitterspinnen. Sie kommen jedoch überall vor, wo Menschen leben, und sind nicht speziell in Städten häufiger.

Städtische Natur besitzt neben ihrem eigenen Wert wichtige Ökosystemleistungen, also nützliche Wirkungen für Menschen. Besonders Pflanzen und Bäume mindern Hitze, dämpfen Wind, filtern Aerosole und Staub, verringern Schall und fördern Erholung und Wohlbefinden. Gepflanzte und spontan gewachsene Pflanzen sind dabei grundsätzlich gleichwertig. Einzelbäume und kleine Grünflächen wirken vor allem örtlich; große, waldähnliche Flächen können auch das Lokalklima benachbarter Quartiere beeinflussen.

Frühe Untersuchungen städtischer Natur stammen unter anderem von Thomas Fairchild am Ende des 17. Jahrhunderts sowie von William Nylander, der 1866 die Flechtenflora von Paris untersuchte. Nach dem Zweiten Weltkrieg boten deutsche Trümmerflächen wichtige Untersuchungsgebiete für die Schuttflora. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden zunehmend auch unbelebte Umweltfaktoren erforscht. Albert Kratzer prägte 1937 den Begriff Stadtklima. Hans-Peter Blume und Ralf Grenzius untersuchten Mitte der 1980er Jahre erstmals systematisch die Böden einer Großstadt in Berlin. Neuere Stadtökologie verbindet naturwissenschaftliche Forschung verstärkt mit sozial- und raumwissenschaftlichen Analysen. Von 2002 bis 2011 förderte das DFG-Graduiertenkolleg 780 „Stadtökologische Perspektiven“ in Berlin zahlreiche interdisziplinäre Promotions- und Postdoc-Projekte. Seine letzte Phase von 2008 bis 2011 behandelte die „Optimierung urbaner Naturentwicklung – Naturfunktionen und Lebensumwelt im dynamischen Wandel“.