Anwendung verschiedener Steuerungsmodelle für die Bewässerung am Beispiel des Einlegegurkenanbaus in Niederbayern

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand des Wissens
2.1 Wasser im System Boden - Pflanze - Atmosphäre
2.1.1 Wasser im Boden
2.1.1.1 Bindungsformen des Bodenwassers
2.1.1.2 Wasserbewegung im Boden
2.1.1.3 Wassergehalt des Bodens
2.1.1.4 Kennwerte des Bodenwasserhaushaltes
2.1.2 Wasser in der Pflanze
2.1.2.1 Wasseraufnahme durch die Wurzeln
2.1.2.2 Wasserleitung in der Pflanze
2.1.2.3 Wasserabgabe
2.1.3 Wasser im atmosphärischen Wasserkreislauf
2.1.3.1 Niederschlag
2.1.3.2 Verdunstung
2.1.3.3 Abfluss und Wasservorrat
2.2 Methoden der Bewässerungssteuerung
2.2.1 Einschätzung der Höhe von Einzelwassergaben
2.2.1.1 Wasseraufnahmevermögen
2.2.1.2 Wasserspeichervermögen
2.2.1.3 Kulturspezifische Wurzeltiefe
2.2.2 Klimatische Wasserbilanz
2.2.2.1 Niederschlagsmessung
2.2.2.2 Verdunstungsberechnungen
2.2.2.3 Geisenheimer Bewässerungssteuerung
2.2.3 Sensorgesteuerte Bewässerung
2.2.3.1 Tensiometer
2.2.3.2 Watermark Sensor
2.2.3.3 SIS (Smart Irrigation Sensor)
2.3 Bewässerung bei Einlegegurken
2.3.1 Kultur von Einlegegurken
2.3.2 Wasserbedarf von Einlegegurken
2.3.3 Tropfbewässerung bei Einlegegurken

3 Eignung von betriebseigenen und öffentlich verfügbaren Klima- und Bodenfeuchtedaten zur Bewässerungssteuerung am Standort Niederbayern
3.1 Material und Methoden
3.1.1 Ausstattung und Standorte der Stationen
3.1.1.1 iMetos Stationen
3.1.1.2 LfL Wetterstation
3.1.2 Bestimmung der pF-Kurven
3.1.3 Bestimmung der Bodenarten
3.1.4 Berechnung der klimatischen Wasserbilanz
3.1.5 Berechnung der Verdunstung
3.1.5.1 iMetos Stationen
3.1.5.2 LfL Station
3.1.5.3 DWD Verdunstung nach Penman
3.1.5.4 Eigene Verdunstungsberechnungen
3.1.6 Sensoren zur Bodenfeuchtemessung
3.2 Ergebnisse
3.2.1 PF-Kurven der Standorte
3.2.2 Bodenarten der Standorte
3.2.3 Verlauf der klimatischen Wasserbilanz
3.2.4 Verlauf der Verdunstung
3.2.4.1 Verdunstungswerte der Stationen und des DWD
3.2.4.2 Verdunstungswerte unterschiedlicher Formeln mit einheitlichen Eingangsgrößen
3.2.4.3 Stündlicher Verlauf der tatsächlichen Evapotranspiration
3.2.5 Verlauf der Bodenfeuchte
3.2.5.1 Standort Neusling
3.2.5.2 Standort Tabertshausen
3.2.5.3 Standort Willing
3.2.6 Gemeinsame Betrachtung von Bodenfeuchte und klimatischer Wasserbilanz
3.3 Zwischendiskussion
3.3.1 Eignung von betriebseigenen und öffentlich verfügbaren Klima- und Bodenfeuchtedaten
3.3.2 Eignung von Bodenfeuchtesensoren zur Bewässerungssteuerung

4 Eignung verschiedener Bodenfeuchtesensoren zur Bewässerungssteuerung
4.1 Material und Methoden
4.1.1 Beschreibung der Sensoren
4.1.1.1 Tensiometer
4.1.1.2 Watermark
4.1.1.3 SIS
4.1.2 Aufbau und Ablauf der Untersuchung
4.2 Ergebnisse
4.2.1 Prüfung der Tensiometersensoren der LfL Station
4.2.2 Verlauf der Bodenfeuchte
4.2.3 Verlauf des Wasserdefizits
4.2.4 Verlauf der Bodentemperatur
4.2.5 Gemeinsame Betrachtung von Bodenfeuchte und Bodentemperatur bzw Wasserdefizit
4.2.5.1 Bodenfeuchte und Bodentemperatur
4.2.5.2 Bodenfeuchte und Wasserdefizit

5 Diskussion
5.1 Bestimmung des pflanzenverfügbaren Wassers im Boden
5.2 Bestimmung maximaler Bewässerungsmengen
5.3 Eignung volumetrischer Wassergehaltsangaben zur Bewässerungssteuerung
5.4 Eignung der klimatischen Wasserbilanz zur Bewässerungssteuerung
5.4.1 Tägliche Wasserbilanzen
5.4.1.1 Wasserbilanz einer durchschnittlichen Fläche
5.4.1.2 Wasserbilanz im durchfeuchteten Raum
5.4.2 Nutzbare Feldkapazität und Saugspannung
5.4.3 Tatsächliche Bewässerungsmengen
5.4.4 Verdunstungsberechnung
5.5 Eignung verschiedener Sensoren zur Bodenfeuchtemessung
5.5.1 Tensiometer
5.5.2 Watermark Sensoren
5.5.3 SIS
5.5.4 Watermark Sensor mit Spannungssignal
5.6 Lösungsvorschlag für ein Gesamtkonzept

6 Zusammenfassung und Summary

7 Danksagung

8 Quellenverzeichnis

9 Abbildungsverzeichnis

10 Tabellenverzeichnis

11 Symbol- und Abkürzungsverzeichnis

Anhang

A.1 Tabellen zu Kennwerten des Bodenwasserhaushalts

A.2 Berechnung der Gras-Referenzverdunstung nach FAO (ALLEN et al. 1998)
A.3 Berechnung der Verdunstung nach Messnetz Bayern (KÖHLER 2010 b und VDI 2006)
A.4 Berechnung der Verdunstung nach DWD (BUCHWALD 2010)

1 Einleitung

Eine Zusatzbewässerung bei Kulturpflanzen dient vor allem dem Erhalt des Ertrages, indem Perioden unzureichender natürlicher Niederschläge überbrückt werden. Neben dieser Ertragssicherung sind weitere Gründe wie Ertragssteigerung, Qualitätsverbesserung, Nährstoffverfügbarkeit und Auf- bzw. Abbau von Inhaltsstoffen zu nennen.

Der zusätzliche Wasserbedarf ausgewachsener Feldgemüsebestände liegt zwischen Mai und August durchschnittlich bei 120 mm (KRUG et al. 2002). Gleichzeitig fielen in diesen vier Monaten am Standort Freising im langjährigen Mittel (1971 bis 2000) 371 mm und damit 47 % des Jahresniederschlags (LANGHOLZ 2005).

Deshalb stellt sich die Frage der Beregnungsbedürftigkeit einer Kultur, die nicht nur von der Niederschlagsmenge, sondern auch von der Verteilung der Niederschläge während der Vege- tationsperiode und vom Wasserspeichervermögen des Bodens abhängt. Nach FRICKE und HEIDORN² ist die Beregnungsbedürftigkeit immer dann gegeben, „wenn der Mangel an Wasser zu einer spürbaren Ertrags- und Qualitätsbeeinträchtigung führen würde.“ Mit der Beregnungswürdigkeit von Kulturen wird der ökonomische Bezug hergestellt. Für HERR- MANN (1976) gilt die allgemeine Einstufung: „je hochwertiger die Kultur, desto größer wird die Beregnungswürdigkeit.“ Dabei stehen Sonderkulturen wie Feldgemüse oder Spargel an erster Stelle, gefolgt von landwirtschaftlichen Erzeugnissen wie Zuckerrüben oder Kartoffeln.

Die zur Bewässerung notwendigen Verfahren werden in Anstauverfahren, Beregnung und Tropfbewässerung unterschieden (WONNEBERGER et al. 2004). Je nach Pflanzenart, Produktionsmethode, technischem Entwicklungsstand, Wasserverfügbarkeit und sonstigen ortsbezogenen Verhältnissen weist jedes System Vor- und Nachteile auf.

Unabhängig vom Bewässerungsverfahren muss deren Steuerung so ausgelegt sein, dass auf der einen Seite hohe Erträge erreicht werden, ohne dass auf der anderen Seite ökologische Probleme auftreten.

Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung eines Gesamtkonzeptes zur Bewässerungssteuerung von Einlegegurken am Standort Niederbayern. Dazu werden die dort verfügbaren Methoden zur Erfassung von Klima- und Bodenfeuchtedaten sowie deren Ergebnisse untersucht. Mit Hilfe eines Vergleichs verschiedener Sensoren unter einheitlichen Bedingungen sollen mögliche Unterschiede erfasst werden.

2 Stand des Wissens

2.1 Wasser im System Boden - Pflanze - Atmosphäre

2.1.1 Wasser im Boden

Der Boden setzt sich aus festen, flüssigen und gasförmigen Bestandteilen zusammen, wobei das Bodenwasser die flüssige Komponente darstellt. Es entsteht hauptsächlich aus den Niederschlägen der Atmosphäre und in geringem Maße durch Kondensation bodennaher Luftfeuchtigkeit (vgl. Abb. 1). Außerdem kann Wasser aus dem Grund- oder Stauwasser durch kapillaren Aufstieg in den Wurzelraum gelangen.

Der am Boden auftreffende Niederschlag verteilt sich aufgrund von Evaporation (Verdunstung), Oberflächenabfluss und Infiltration. Der Vorgang des Einsickerns von Niederschlagswasser in den Wurzelraum wird dabei als Infiltration bezeichnet (WOHLRAB et al. 1992). Die Infiltrationsrate gibt die Wassermenge an, die je Zeiteinheit versickern kann. Sie wird hauptsächlich von der Wasseraufnahmefähigkeit der Bodenoberfläche bestimmt. Übersteigt die Niederschlagsintensität die Infiltrationsrate des Bodens, setzt der Oberflächenabfluss ein, sofern das Gelände ein Gefälle aufweist.

Im Boden vorhandenes Wasser wird in Haft- und Sickerwasser eingeteilt. Haftwasser wird dort gehalten und je nach Art der Bindungskräfte in Adsorptionswasser und Kapillarwasser unterschieden. Sickerwasser fließt durch den Boden und bildet Grund- und Stauwasser. Ganzjähriges Wasservorkommen wird dabei als Grundwasser bezeichnet. Stauwasser tritt hingegen nur zu einem Teil des Jahres auf, häufig im Frühjahr oder nach Starkniederschlägen über verdichteten Zonen (BLUME et al. 2010).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schema der Verteilung von Niederschlägen und Bodenwasser (BLUM 2007)

2.1.1.1 Bindungsformen des Bodenwassers

Haftwasser wird gegen den Einfluss der Schwerkraft im Boden gehalten und dabei in Adsorp- tions- und Kapillarwasser eingeteilt. Adsorptionswasser steht unter der Wirkung von Adsorp- tionskräften zwischen der Festsubstanz des Bodens und den Wassermolekülen. Den größten Einfluss darauf haben Van-der-Waals-Kräfte, H-Bindungen und Kräfte des elektrostatischen Feldes (BLUME et al. 2010). Osmotische Kräfte sind dann von Bedeutung, wenn sich osmo- tisch wirksame Substanzen, wie z. B. Salze, im Bodenwasser befinden. Dies betrifft vor allem Salzböden, Salzmarschen oder Kulturböden, die mit Mineralsalzen überdüngt wurden (BLUM 2007).

Die Kohäsionskräfte sorgen für den Zusammenhalt der Wassermoleküle durch die Bildung von Wasserstoffbrücken, deren Kräfte aber geringer sind als die der Adsorption. Das so im Boden gegen die Schwerkraft gehaltene Wasser ist das Kapillarwasser.

Durch das gemeinsame Wirken von Adhäsions- und Kohäsionskräften entsteht der Effekt des kapillaren Aufstiegs. Wasser steigt dabei aus Grund- oder Stauwasser durch die Bodenporen nach oben. Je größer die Poren sind, desto geringer ist der kapillare Aufstieg. Ab einem Po- rendurchmesser von 10 μm kommt dieser Transport zum Erliegen. Bei Böden mit Grundwas- sereinfluss kann es somit durch den kapillaren Aufstieg zu einer besseren Wasserversorgung der Pflanzen kommen.

2.1.1.2 Wasserbewegung im Boden

An jeder Stelle des Bodens hat das dort vorhandene Wasser eine bestimmte potentielle Energie, die sich durch die verschiedenen, dort wirksamen Kräfte ergibt. Die wichtigsten sind Adhäsions- und Kohäsionskräfte sowie die Schwerkraft. Da die potentiellen Energien im Bo- den unterschiedlich hoch sind, kommt es zum Ausgleich in Form einer Wasserbewegung. Dies geschieht immer von Orten höherer potentieller Energie zu Orten mit niedrigerer poten- tieller Energie. Anstatt des Begriffs der Energie wird in der Bodenkunde vom Gesamtpoten- tial des Bodenwassers oder auch nur Wasserpotential in hPa oder cm Wassersäule (cm WS) gesprochen. Dieses Gesamtpotential ( ) kann in ein Matrixpotential (m), ein Gravitationspo- tential (z), ein osmotisches Potential (o) und ein Gaspotential (g) aufgeteilt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Matrixpotential ist ein Maß für den Einfluss der festen Bodenteilchen (Matrix) auf die Bindungskräfte des Wassers. Es besitzt ein negatives Vorzeichen und wirkt dem Gravitations- potential entgegen (BLUME et al. 2010). Dieses kann aufgrund des Gravitationsfeldes der Erde definiert werden und hat ein positives Vorzeichen. Da im Boden niemals reines Wasser vorliegt, ist ein osmotisches Potential notwendig. Es ist aber für die Wasserbewegung in humiden Gebieten mit geringer Salzkonzentration nicht maßgebend. Das Gaspotential hat nur einen höheren Einfluss, wenn der Luftdruck im Boden nicht mit dem der Bezugsebene übereinstimmt. Es ist zu beachten, dass osmotisches und Gaspotential für die Wasseraufnahme der Pflanzen bedeutend wichtiger sind als für die Wasserbewegung im Boden.

Nach der so genannten Darcy-Gleichung (Gl. 2.2) entsteht nur dann ein Ausgleich zwischen zwei Bodenabschnitten, wenn eine Differenz im Wasserpotential ( ) vorhanden ist (EHLERS 1996). Dies erklärt auch den Wassertransport vom Boden über die Wurzel in die Pflanze und von dort durch Transpiration über die Blätter in die Atmosphäre (vgl. Abb. 2). Dieser Vorgang ist aber nur dann gewährleistet, wenn im Boden das Wasserpotential geringer ist als im Wurzelgewebe und ein Wasserpotentialgefälle zwischen Boden, Wurzeln und Blättern besteht (LÜTTGE et al. 2005). Die Darcy-Gleichung lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Darcy-Gleichung geht auch hervor, dass die hydraulische Leitfähigkeit eine weitere wichtige Größe bei der Betrachtung der Wasserbewegung im Boden ist. Dabei wird zwischen einer gesättigten und einer ungesättigten Wasserleitfähigkeit unterschieden. Ein Boden hat demnach in beiden Zuständen das Vermögen Wasser zu leiten, es sinkt jedoch mit zunehmender Austrocknung (EHLERS 1996).

Das Wasser im Boden ist also in der Regel in Bewegung, sei es aufgrund von Unterschieden im Wasserpotential des Bodenprofils (EHLERS 1996) oder weil Niederschlag und Verdunstung das Gleichgewicht im Potential stören (BLUME et al. 2010).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Potentialdifferenz zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre bei 20 °C und 50 % relativer Luftfeuchte und innerhalb einer Pflanze am Beispiel von Encelia farinosa (nach LÜTTGE et al., Zahlen nach NOBLE und JORDAN¹ )

2.1.1.3 Wassergehalt des Bodens

Das Matrixpotential beschreibt die Bindung des Wassers durch die Oberflächenkräfte des Bodens und ändert sich je nach Wassergehalt des Bodens. Das bedeutet, je weniger Wasser im Boden vorhanden ist, desto niedriger ist das Matrixpotential. Der Wassergehalt eines Bo- dens wiederum hängt von dessen Porenvolumen und Porengrößenverteilung ab, die sich je nach Korngrößenverteilung und damit nach der Bodenart unterscheiden. Der Verlauf der Beziehung zwischen Wassergehalt und Matrixpotential ist in Abb. 3 dargestellt und wird als pF-Kurve bezeichnet. „Der pF-Wert ist dabei Ausdruck der Wasserspannung, der Tension, mit der das Wasser im Boden gebunden wird“ (EHLERS 1996). Er entspricht dem logarithmi- schen Wert des Betrages des Matrixpotentials (pF = log hPa). Messungen dieses Potentials geben Aufschluss über die Kraft, die eine Pflanze benötigt, um dem Boden Wasser zu entzie- hen. Häufig wird dann von der Saugspannung gesprochen, angegeben als Betrag des Matrix- potentials in hPa.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

FK = Feldkapazität, PWP = permanenter Welkepunkt, LK = Luftkapazität

Abb. 3: Beziehung zwischen Matrixpotenzial und Wassergehalt (BLUME et al. 2010)

2.1.1.4 Kennwerte des Bodenwasserhaushaltes

Die Wasserbewegung und auch der Luftaustausch finden im Porensystem der Böden statt. Dabei sind verschiedene Porengrößenbereiche zu unterscheiden, die überwiegend von der Korngrößenverteilung abhängen (AD-HOC-AG BODEN 2005). Die Einteilung der Poren erfolgt dabei in Grob-, Mittel- und Feinporen. Je höher der Anteil an größeren Körnern ist, das heißt je sandiger der Boden, desto mehr Grobporen sind vorhanden. Genauso sind umgekehrt umso mehr Feinporen im Boden, je höher der Anteil an kleinen Korngrößenfraktionen ist, wie z. B. bei Tonen (vgl. Tab. 1).

Tab. 1: Anteil des Porenvolumens und der Porengrößenbereiche am Gesamtvolumen von Minderalböden (BLUME et al. 2010)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die unterschiedlichen Porengrößen haben direkte Auswirkungen auf die Kennwerte des Bo- denwasserhaushaltes. Die Grobporen dienen der Belüftung des Bodens (Luftkapazität LK) und sind bei entsprechend starken Niederschlägen mit Sickerwasser gefüllt. Der Wasser- gehalt, der zwei Tage nach einer Wassersättigung noch vorhanden ist, wird als Feldkapazität FK bezeichnet. Gespeichert wird dieses Wasser in den engen Grobporen sowie in den Mittel- und Feinporen. Der permanente Welkepunkt PWP ist erreicht, wenn der Boden so stark ausgetrocknet ist, dass die Pflanzenwurzeln kein Wasser mehr aufnehmen können und die Turgeszenz auch nach erneuter Wasserzufuhr nicht wiederkehrt. Das restliche, in den Feinpo- ren vorhandene Wasser ist durch Adsorption so fest gebunden, dass es nicht pflanzenverfüg- bar ist (Totwasser).

Die Differenz zwischen Feldkapazität und permanentem Welkepunkt ist die nutzbare Feldkapazität nFK und besteht hauptsächlich aus Kapillarwasser. Aufgrund der geringeren Bindungskräfte ist dieses Wasser pflanzenverfügbar:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die beschriebenen Kenngrößen des Wasserhaushaltes können einem bestimmten Matrixpotential zugeordnet werden. So liegt die nutzbare Feldkapazität zwischen pF 1,8 bis 2,5 und pF 4,2. Die Zusammenhänge des Matrixpotentials, der Poren und der Kennwerte des Wasserhaushaltes sind in Tab. 2 noch einmal dargestellt.

Tab. 2: Kennwerte des Wasserhaushaltes in Böden (angepasst nach AD-HOC-AG BODEN 2005)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.2 Wasser in der Pflanze

Alle Lebensvorgänge einer Pflanze spielen sich in wässriger Phase ab. Das Vorhandensein von Wasser ist also unabdingbare Voraussetzung für Wachstum und Ertrag. Besondere Bedeutung hat es als Quellungs- und Lösungsmittel, als Baustoff, als Transportmittel, für die Aufrechterhaltung des Zelldrucks und über die Verdunstung in gewissem Maße auch zur Kühlung (JANSEN et al. 1998).

2.1.2.1 Wasseraufnahme durch die Wurzeln

Die Wurzeln von Pflanzen übernehmen neben der Verankerung im Boden die lebenswichtige Aufgabe der Wasser- und Nährstoffaufnahme. Das meiste Wasser wird in der Wurzelhaarzone aufgenommen, da die Zellen dort nicht verkorkt sind, die Wurzelhaare die Oberfläche vergrößern und direkt in die Bodenporen hineinragen (EHLERS 1996). Damit ist ein fester Kontakt zum umgebenden Boden gewährleistet.

Infolge einer Differenz im Gesamtwasserpotential zwischen Wurzeloberfläche und Boden wird Wasser als Massenfluss an die Wurzel herangeleitet. Dabei muss das Wasserpotential der Wurzelzellen geringer sein als das des pflanzenverfügbaren Wassers im Boden (vgl. Abb. 2). Das Wasser wird dann von Zelle zu Zelle (symplastisch) oder in den Zellwänden (apoplastisch) durch Diffusion und Osmose in die Xylembahnen transportiert und dort mit dem Transpirationsstrom in die oberirdischen Pflanzenteile verfrachtet (LÜTTGE et al. 2005).

Die maximale Wassermenge, die von den Wurzeln aufgenommen werden kann, hängt von der Höhe der Transpiration ab. Diese wird durch meteorologische Größen beeinflusst und teilweise von der Pflanze selbst über den Turgordruck in den Stomata gesteuert. Daneben wird der Wasserverbrauch vom Blattflächenindex (Verhältnis der Blattoberfläche zur Bodenoberfläche) bestimmt. Außerdem beeinflusst der Boden die Wasseraufnahme vor allem durch den Bodenwassergehalt, das Wasserpotential und die Wasserleitfähigkeit durch die Poren (EHLERS 1996).

Durch den so genannten Wurzeldruck kann es auch bei sehr geringen Transpirationsraten zu einer Wasseraufnahme kommen. Dies ist häufig nachts oder bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit zu beobachten, da dieser Druck Wasser aus speziellen Öffnungen der Blätter austreten lässt (Gutation).

2.1.2.2 Wasserleitung in der Pflanze

Der Ferntransport des Wassers in der Pflanze erfolgt über das Xylem, welches aus Tracheiden und Tracheen besteht. Tracheiden sind lang gestreckte Einzelzellen mit verholzten und stark getüpfelten Zellwänden. Tracheen hingegen sind Röhren, die durch Fusion mehrer Zellen entstehen und so einige Meter lang sein können. Die Tüpfel bilden die Durchlassöffnungen in horizontaler Richtung.

Die Ursache für den Transport des Wassers in der Pflanze liegt in der Differenz des Gesamtpotentials zwischen Wurzeln und Blatt (vgl. Abb. 2). Der durch die Transpiration bedingte Wasserverlust erzeugt einen Sog, der nicht nur die Strömungswiderstände in der Pflanze, sondern auch die Erdanziehung überwinden muss.

2.1.2.3 Wasserabgabe

Die Wasserabgabe von Pflanzen an die Außenluft (Transpiration) vollzieht sich über die Cuticula der Epidermiszellen oder über Spaltöffnungen (Stomata). Dabei liegt der Anteil der cuticulären im Allgemeinen unter 10 % der gesamten Transpiration (JANSEN et al. 1998). Bei der stomatären Transpiration wird Wasser mit Hilfe der Strahlungsenergie der Sonne dampfförmig in die Interzellularen abgegeben. Von dort diffundieren die Wassermoleküle bei geöffneten Stomata nach außen und bilden so genannte Wasserdampfkuppen, von denen der Übergang in die Umgebungsluft erfolgt. Aufgrund der großen Oberfläche dieser Kuppen können die Pflanzen sehr hohe Wassermengen abgeben.

Analog zum Wassertransport ist auch hier die Potentialdifferenz die treibende Kraft der Transpiration. Zwischen Pflanze und Atmosphäre können aber Differenzen des Wasser- potentials bis über 900 bar vorhanden sein (vgl. Abb. 2). Deshalb kann die Pflanze über Öffnen und Schließen der Stomata ihre Wasserabgabe regulieren. Bei guter Wasserversor- gung erhöht sich der Turgor der Schließzellen und die Stomata öffnen sich, wohingegen unter trockenen Bedingungen der Turgor niedriger wird und sich die Spaltöffnungen deshalb schließen. Die Stomata sind somit Widerstände im Wassertransport des Systems Boden - Pflanze - Atmosphäre, die von der Pflanze gesteuert werden können. Weitere Einflussfakto- ren auf die Transpiration sind Temperatur und Strahlung sowie CO2-Gehalt, Dampfdruck und Bewegung der Luft. Außerdem muss der Wassergehalt des Bodens und damit auch dessen Bindungskräfte beachtet werden.

2.1.3 Wasser im atmosphärischen Wasserkreislauf

Wasser kommt als einziger Bestandteil der Atmosphäre in allen drei Aggregatzuständen vor. Von den Meeren und Landflächen verdunstet Wasser und geht als Wasserdampf in die Luft über. Erst durch Kondensation oder Gefrierprozesse kommt es zu Tropfen- oder Eiskristallbildung und damit zu Wolken, Niederschlag und Nebel (HÄCKEL 2008).

Nach DVWK (1996) gilt „für die Wasserbilanz eines Ausschnitts der Erdoberfläche bis zu der Tiefe, aus der Wasser noch in den atmosphärischen Wasserkreislauf einbezogen ist, ausgedrückt in mm Wasserhöhe über einen bestimmten Zeitabschnitt“ folgende Gleichung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In dieser Wasserbilanz führt der Niederschlag Wasser zu und hat deshalb ein positives Vorzeichen. Die Verdunstung ist eine Verlustgröße mit negativem Vorzeichen. Als Abflusshöhe wird Zufluss minus Abfluss gesehen und kann deshalb beide Vorzeichen annehmen. Dasselbe gilt für die zeitliche Änderung des Wasservorrats.

2.1.3.1 Niederschlag

Aus kondensiertem Wasser gebildete und herabfallende Ausscheidungen aus Wolken und Nebel werden als Niederschlag bezeichnet. Im Durchschnitt der Jahre 1971 bis 2000 betrug der Niederschlag in Freising 786 mm (DWD 2008) und liegt damit etwas über dem Deutschlands mit 762 mm (HÄCKEL 2008).

Der auf Vegetation fallende Niederschlag gelangt nur zum Teil direkt auf den Boden, der andere Teil wird je nach Pflanzenbestand zu einem gewissen Prozentsatz abgefangen (WOHLRAB et al. 1992). Diese Zwischenspeicherung des Niederschlags wird als Interzeption bezeichnet.

2.1.3.2 Verdunstung

Verdunstung ist ein physikalischer Prozess bei Temperaturen unter dem Siedepunkt, bei dem Wasser vom flüssigen bzw. festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Durch Energie aus Strahlung oder Wärme erfolgt damit eine Änderung des Aggregatzustands. Die Verdunstung ist deshalb nicht nur Teil der Wasserbilanz (Gl. 2.4) sondern auch der Energiebilanz einer als masselos betrachteten Oberfläche der Erde (DVWK 1996):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Alle vier Größen dieser Energiebilanz können unterschiedliche Vorzeichen haben, abhängig von der Wirkung in Richtung der Erdoberfläche (positiv) oder davon weg (negativ).

Evaporation

SCHRÖDTER (1985) definiert die Evaporation als Verdunstung von freien Wasserflächen und unbewachsenem Boden. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind die meteorologischen Bedingungen, der Wassergehalt des Bodens, die Tiefenlage der Grundwasseroberfläche und vor allem die Bodenart und damit das Wasserpotential des Bodens. Ein Sonderfall ist die Interzeptionsverdunstung als Verdunstung des auf Pflanzenoberflächen auftreffenden und zwischengespeicherten Niederschlags.

Transpiration

Die Transpiration ist die Verdunstung von Pflanzenoberflächen aufgrund biotischer Prozesse (vgl. Kapitel 2.1.2.3).

Evapotranspiration

Die Evapotranspiration fasst Evaporation und Transpiration zusammen und wird somit als Summe der Verdunstung von Oberflächen verstanden.

Potentielle und tatsächliche Verdunstung

Die mögliche oder auch potentielle Verdunstung einer Oberfläche erfolgt bei gegebenen meteorologischen Bedingungen und unbegrenzt verfügbarem Wasser. Die potentielle Evapotranspiration ist damit die maximal mögliche Verdunstung einer natürlich bewachsenen Fläche (ganz oder teilweise mit Vegetation bedeckt) und wird auch als Verdunstungsanspruch der Atmosphäre bezeichnet (DVWK 1996).

Bei der tatsächlichen, realen oder auch aktuellen Verdunstung muss neben den gegebenen meteorologischen Bedingungen auch der tatsächliche Wasservorrat im Boden berücksichtigt werden. Weiteren Einfluss darauf haben bodenphysikalische Eigenschaften, pflanzenphysio- logische Vorgänge sowie das Erscheinungsbild des Pflanzenbestandes (Form, Dichte, Höhe).

2.1.3.3 Abfluss und Wasservorrat

Der Abfluss wird in oberirdischen und unterirdischen Abfluss eingeteilt. Ersterer entsteht, wenn die Niederschlagsintensität die Infiltrationsrate des Bodens übersteigt und das Gelände ein Gefälle aufweist (WOHLRAB et al. 1992). Vor allem bei zunehmender Hangneigung oder schichtweisem Aufbau des Bodenprofils besteht die Möglichkeit von unterirdischem Abfluss.

Die Änderung des Wasservorrats wird durch Infiltration von Niederschlag in den Boden, seitlichen Zu- oder Abfluss und Aufwärtsbewegung des Wassers durch kapillaren Aufstieg bestimmt (DVWK 1996). Zur Feststellung des Wasservorrats müssen Grund- und Bodenwasser einschließlich des Oberflächenwassers betrachtet werden.

2.2 Methoden der Bewässerungssteuerung

Für die Bewässerung nach guter fachlicher Praxis sind laut LFL BAYERN (2008) folgende Punkte zu beachten:

- Bemessung der Bewässerungsgaben nach Pflanzenbedarf, angepasst an das Wasserspeichervermögen des Bodens und unter Berücksichtigung des Witterungsverlaufs
- Verdunstungsverluste soweit möglich vermeiden
- Nährstoffauswaschung vermeiden
- Anforderung an die Qualität des Bewässerungswassers beachten
- Betrieb der Bewässerungsanlage wassersparend nach Vorgaben der wasserrechtlichen Genehmigung

Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Steuerungsmodelle für die Bewässerung sollen auch einigen dieser Punkte gerecht werden. So lassen sich durch objektive Kriterien Wasserbedarf und -menge anpassen, bei gleichzeitiger Schonung von Ressourcen und Umwelt. Einen Überblick verschiedener Steuerungsmethoden liefert Tab. 3, und in den folgenden Kapiteln werden einige näher beschrieben.

Tab. 3: Überblick zu Methoden der Bewässerungssteuerung im Freiland (PASCHOLD et al. 2009)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.1 Einschätzung der Höhe von Einzelwassergaben

Um Sickerwasserverluste und damit mögliche Nährstoffauswaschungen zu vermeiden, sind Wasseraufnahme- und Wasserspeichervermögen des Bodens sowie die kulturspezifische Wurzeltiefe zu kalkulieren. Mit dem Wasseraufnahmevermögen wird die Beregnungsintensi- tät bestimmt.

Für die Höhe der Einzelwassergabe muss zuerst die nutzbare Feldkapazität ermittelt werden, die durch Bewässerung von etwa 60 % auf etwa 90 % aufzufüllen ist (PASCHOLD 2002). Die Angabe Volumen-% der nutzbaren Feldkapazität beschreibt, wie viel mm Wasser pro 10 cm Bodentiefe maximal pflanzenverfügbar ist. Die Einzelwassergaben berechnen sich dann aus 30 % (90 % minus 60 %) dieser Wassermenge multipliziert mit der Durchwurzelungstiefe der Kultur.

2.2.1.1 Wasseraufnahmevermögen

Mit dem Wasseraufnahmevermögen ist die Infiltrationsrate des Bodens gemeint. Die Beregnungsintensität darf nicht höher sein, als die Wassermenge, die der Boden in dieser Zeit aufnehmen kann. In Tab. 4 sind für verschiedene Bodenarten die mittleren Beregnungsdichten dargestellt, die bei dichtem Pflanzenbestand oder Bodenbedeckung erhöht werden können. Für Flächen mit Gefälle besteht die Gefahr von Abfluss und Erosion. Dazu sind in Tab. 5 die anrechenbaren Abschläge für die jeweiligen Hangneigungen aufgeführt.

Tab. 4: Beregnungsdichten bzw. Wasseraufnahmevermögen für verschiedene Bodenarten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 5: Verminderung der Wasseraufnahmefähigkeit am Hang (PERROT 1966) Hangneigung in % Verminderung der Wasseraufnahme in %

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.1.2 Wasserspeichervermögen

Für die Bewässerung muss die Einschätzung des Wasserspeichervermögens auf Basis der nutzbaren Feldkapazität und damit des pflanzenverfügbaren Wassers erfolgen. Die nutzbare Feldkapazität kann aus einer pF-Kurve des Bodens ermittelt werden. Da diese normalerweise nicht vorhanden ist, lässt sich die nutzbare Feldkapazität auch aus der Bodenart bestimmen (vgl. Tab. 6 und Tab. 7). Dazu befindet sich eine ausführliche Übersicht der bodenkundlichen Kartieranleitung (AD-HOC-AG BODEN 2005) im Anhang A.1. Nach SCHROEDER (1968) schwanken die Werte der Feldkapazität und damit auch der nutzbaren Feldkapazität in gewissen Grenzen, abhängig von Veränderungen des Bodengefüges.

Tab. 6: Nutzbare Feldkapazität ausgewählter Bodenarten (AD-HOC-AG BODEN 2005)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit der klimatischen Wasserbilanz zwar ein einfaches Hilfsmittel zur Bewässerungssteuerung gegeben ist, diese statische Betrachtung allerdings nicht die physikalischen Grundlagen des Wasserhaushalts von Böden berücksichtigt. So werden die im Boden stattfindenden Wasser- bewegungen, wie Sickerung oder kapillarer Aufstieg, nicht beachtet. Nach KRUG et al. (2002) kann jedoch durch die Ergänzung der Speicherkapazität des jeweiligen Bodens eine verein- fachte dynamische Bilanzierung des Wasserhaushaltes von Standorten erfolgen.

Zur Bewässerungssteuerung ist für die Berechnung der klimatischen Wasserbilanz neben der Niederschlagsmessung auch die Ermittlung der potentiellen Evapotranspiration notwendig. Dazu gibt es außer der direkten Messung der Verdunstung z. B. über Lysimeter oder Kessel auch eine Vielzahl an Formeln (DVWK 1996 und SCHRÖDTER 1985).

2.2.2.1 Niederschlagsmessung

Die Niederschlagsmessung zur Berechnung der klimatischen Wasserbilanz erfolgt am besten auf dem für die Bewässerung vorgesehenen Feld, um die teilweise erheblichen lokalen Unter- schiede auszuschließen. Stau- und Leewirkungen haben ebenfalls großen Einfluss auf die Niederschlagshöhe eines Gebietes. Messfehler können aufgrund ungeeigneter Platzierungen der Messgeräte entstehen. Es gilt die Faustregel, dass Hindernisse mindestens so weit weg sein müssen, wie sie hoch sind (HÄCKEL 2008). Regenmesser mit Auffanggefäß müssen re- gelmäßig abgelesen und entleert werden, vor allem um Verdunstungsverluste zu vermeiden. Komfortabler sind Niederschlagsmesser, mit denen die Regenmenge elektronisch aufgezeich- net werden kann, wie zum Beispiel über Schwimmer oder Wippen (Kippwaagen).

2.2.2.2 Verdunstungsberechnungen

Verdunstung nach Penman

Die Penman-Formel beruht auf einer rein physikalischen Betrachtung der Verdunstung als Teil der Wasser- (Gl. 2.4) und der Energiebilanz (Gl. 2.5). Sie wird deshalb auch Kombinationsgleichung genannt und 1956 von Penman zur Berechnung der potentiellen Verdunstung einer stets feuchten, bewachsenen Landfläche eingeführt (DVWK 1996):

Der Bodenwärmestrom wird häufig nicht berücksichtigt, da er im Mittel über einen längeren Zeitraum unbedeutend klein ist (SCHRÖDTER 1985). So entsteht aus Gleichung 2.6 eine Formel für Verdunstungsberechnung freier Wasserflächen ohne Wärmespeicherung und Energiezufuhr von unten (DVWK 1996). Sie wurde von Penman schon 1948 entwickelt und wird deshalb in der Literatur auch als Original-Penman-Formel bezeichnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

EW Verdunstungshöhe freier Wasserflächen [mm]

weitere Abkürzungen und Symbole wie in Gleichung 2.6

Für die Bewässerung steht der Zustand der Wasserversorgung für die Pflanze im Vorder- grund. Die tatsächliche Evapotranspiration eines Pflanzenbestandes kann auf Basis von Lysi- meterversuchen mit den berechneten Werten verglichen werden. Dabei zeigt sich, dass zu Beginn der Wachstumsperiode die tatsächliche Verdunstung kleiner ist als die potentielle Evapotranspiration nach Penman, nach Bestandesschluss aber größer (ATV-DVWK 2002). Um die Verdunstung von Gemüsekulturen erfassen zu können, sind deshalb spezifische Kor- rekturfaktoren notwendig, wie sie in der Geisenheimer Methode zur Verfügung stehen.

Verdunstung nach Penman-Monteith

Eine Weiterentwicklung der Penman-Formel stellt das Penman-Monteith-Modell dar, mit dem die aktuelle Evapotranspiration bewachsener Landflächen ermittelt werden kann. Dazu wur- den der aerodynamische Widerstand und der mittlere Stomata-Widerstand des Bestandes (Bulk-Stomata-Widerstand) eingeführt. Die Penman-Monteith-Formel lautet (DVWK 1996):

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Der aerodynamische Widerstand ist abhängig von Windgeschwindigkeit, Höhe und Struktur des Pflanzenbestandes (DVWK 1996). Die tatsächliche Evapotranspiration wird nach LYNN und CARLSON (1990) stark vom Stomata-Widerstand der Pflanzen beeinflusst. Dieser wiederum wird von Faktoren wie dem Wasserpotential der Blätter, der Pflanzenverfügbarkeit des Bodenwassers, dem Dampfdruckdefizit, der Strahlung, der Blatttemperatur und dem CO2- Gehalt der Atmosphäre bestimmt. Aufgrund von Unsicherheiten bei der Ermittlung des Stomata-Widerstandes weisen die Werte für die einzelnen Kulturen große Schwankungen auf (WENDLING 1996).

Gras-Referenzverdunstung

Im Sinne einer Vereinheitlichung der verschiedenen Verdunstungsverfahren wird von der Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) die Gras- Referenzverdunstung als internationale Standardgröße empfohlen. Sie gilt für einen Grasbe- stand von 12 cm Höhe bei fehlendem Wasserstress und basiert auf der Penman-Monteith- Formel mit festgelegten Werten für den aerodynamischen Widerstand (ra = 70 s/m) und den Stomata-Widerstand (rs = 208 s/m). Umgeformt für in Deutschland übliche Einheiten gilt nach ALLEN et al. (1998):

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2.2.2.3 Geisenheimer Bewässerungssteuerung

Eine für den Gemüsebau angepasste Methode zur Bewässerungssteuerung auf Grundlage ei- ner klimatischen Wasserbilanz ist die Geisenheimer Steuerung (GS). Die Basis zur Verduns- tungsberechnung liefert die potentielle Evapotranspiration (ETp) nach der Original-Penman- Formel (Gl. 2.7), die der Forschungsanstalt Geisenheim vom Deutschen Wetterdienst zur Ver- fügung gestellt wird (BUCHWALD 2010). Unter Berücksichtigung der Pflanzenart und deren Entwicklungsstadium wurden Korrekturfaktoren (kc) entwickelt, die der Ermittlung der tat- sächlichen Evapotranspiration (ETa) des Bestandes dienen. In langjährigen Versuchen an der Forschungsanstalt Geisenheim wurde dazu der Wasserbedarf von Gemüse bestimmt. Für den Erfolg der Geisenheimer Steuerung sind folgende drei Punkte zu beachten (nach PASCHOLD et al.³ ):

1. Ermitteln der Bewässerungsmenge für den jeweiligen Termin

Vor dem Einsatz der GS wird das Wasserspeichervermögen (nutzbare Feldkapazität) des Bo- dens bestimmt, um die Höhe der Wassergaben festzulegen und damit Auswaschungen zu vermeiden. Dazu ist auch die Kenntnis der mittleren Durchwurzlungstiefe je Entwicklungs- stadium erforderlich (vgl. Kapitel 2.2.1). Aus dem aufzufüllenden Anteil der nutzbaren Feld- kapazität und der Wurzeltiefe der Kultur wird die Bewässerungsmenge berechnet.

2. Anpassen der Gabenhöhe an die pflanzliche Entwicklung

Mit fortschreitender Pflanzenentwicklung vergrößert sich der Wurzelraum. In der Folge können die Gaben erhöht werden. Dieser Stadienwechsel ist nach speziellen Entwicklungsmerkmalen der Pflanze definiert und geht auch mit einer Änderung des kc-Wertes einher. Aktuell sind 35 Werte für gemüsebauliche und landwirtschaftliche Kulturen verfügbar⁴. Für Einlegegurken gelten die kc-Werte aus Tab. 8.

Tab. 8: Kc-Werte für Einlegegurken nach Entwicklungsstadium (nach⁴ )

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Zur Bestimmung der täglichen Wasserbilanz (WBd) werden Verdunstung und Niederschlagsmenge auf dem jeweiligen Schlag benötigt. Daraus ergibt sich folgende Formel:

Der Bewässerungszeitpunkt tritt ein, wenn die Summe der täglichen Wasserbilanzen die vorgegebene Bewässerungsmenge erreicht hat.

Nach PASCHOLD et al.³ ist zu beachten, dass die Bilanzierung erst nach ergiebigen Nieder- schlägen oder Vorwegberegnung beginnen sollte, um von 100 % nutzbarer Feldkapazität aus- gehen zu können. Wird die nFK aufgrund von starken Niederschlägen überschritten, so wird für zwei Tage keine Verdunstung berücksichtigt, da die Pflanzen das Wasser der Grobporen nutzen. Ebenfalls nicht anzurechnen sind Niederschläge unter 0,3 mm, genauso wie das Inter- zeptionswasser. Für die Steuerung von Tropfbewässerung empfehlen PASCHOLD et al. (2009) die Messung der Bodenfeuchte, da es sich in diesem Fall um deutlich niedrigere Einzelgaben handelt und dazu die Geisenheimer Steuerung nicht praktikabel genug ist.

2.2.3 Sensorgesteuerte Bewässerung

Die Messung der Bodenfeuchte zur Bewässerungssteuerung erfolgt in der Regel über Senso- ren, die entweder die Saugspannung oder den volumetrischen Wassergehalt bestimmen. Die Saugspannung entspricht dem Matrixpotential, jedoch mit positivem Vorzeichen. Damit be- deuten hohe Werte trockenen Boden, niedrige Werte feuchten Boden. Bei Saugspannungs- messungen gibt es für verschiedene Kulturen definierte Optimalbereiche, die teilweise an Ent- wicklungsstadien angepasst werden müssen, aber unabhängig von den Bodenarten gelten (MOSLER 2006). Die Werte des volumetrischen Wassergehalts hingegen müssen erst interpre- tiert werden, da unter anderem die Bodenart Aufschluss über die Pflanzenverfügbarkeit des Wassers gibt. Beispielsweise kann ein Wassergehalt von 20 Vol.-% bei einem Tonboden im Bereich des Totwassers liegen und damit nicht pflanzenverfügbar sein, während es bei einem Sandboden schon zur Bildung von Sickerwasser kommen kann (vgl. Abb. 3).

Der Einbau der Sensoren erfolgt an Stellen, die für die gesamte Fläche repräsentativ sind. Das bezieht sich vor allem auf die Bodenverhältnisse und das Pflanzenwachstum, die auf das rest- liche Feld übertragbar sein sollen. Grundsätzlich gilt für genaue Messungen, dass alle Sensoren sehr guten Bodenkontakt haben müssen, und die Struktur des umgebenden Bodens nicht gestört werden darf.

Zur Steuerung der Bewässerung ist ein Sensor im Hauptwurzelraum notwendig, der über die dort vorherrschende Bodenfeuchte Aufschluss gibt. Mit einem zweiten, darunter liegenden Sensor können zu hohe Wassergaben und damit mögliche Nährstoffauswaschungen festge- stellt werden.

2.2.3.1 Tensiometer

Mit Hilfe eines Tensiometers lässt sich das Matrixpotential des Bodens feststellen. Das in einem geschlossenen Rohr vorhandene Wasser wird in trockener Umgebung aufgrund des Potentialgefälles durch eine Tonzelle nach außen transportiert. Der dadurch entstehende Unterdruck im Rohr entspricht der Saugspannung und damit der Energie, die Pflanzen auf- wenden müssen, um dem Boden Wasser zu entziehen. Die Messung erfolgt im Bereich zwischen 0 und 800 hPa. Diese Werte können über Manometer direkt abgelesen oder über elektronische Sensoren aufgezeichnet bzw. zur Steuerung verwendet werden.

Bei langen Rohren muss die Höhe der Wassersäule vom Messwert abgezogen werden, da es sonst zu Verfälschungen der tatsächlichen Saugspannung kommt. Außerdem führt eine Erhöhung der Umgebungstemperatur zu einer vorübergehenden Minderung der Saugspannung, vor allem wenn es ein großes Luftvolumen im Tensiometerrohr gibt.

2.2.3.2 Watermark Sensor

Ein Watermark Sensors misst den elektrischen Widerstand eines speziellen Matrixmaterials, das mit dem umgebenden Boden in Gleichgewicht steht (MOSLER 2006). Je nach Feuchtig- keitsgehalt verändert sich der Widerstand, der mit Hilfe eines Auslesegerätes oder Datenlog- gers in die Saugspannung umgerechnet wird. Der Messbereich liegt zwischen 30 und 2000 hPa. Aufgrund der Anpassung des Matrixmaterials an die Umgebung sind die Messergebnisse etwas zeitverzögert.

2.2.3.3 SIS (Smart Irrigation Sensor)

Der SIS ist eine Kombination aus Watermark Sensor und einem Messverstärker, der lineare und temperaturkompensierte Gleichspannungssignale ausgibt (UMS 2006). Der Messbereich liegt zwischen 50 und 2000 hPa. Wie beim Watermark kann es je nach Wasserleitfähigkeit und kapillarer Anbindung zu trägen Reaktionen auf Bodenfeuchteänderungen kommen.

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