Anwendung verschiedener Steuerungsmodelle für die Bewässerung am Beispiel des Einlegegurkenanbaus in Niederbayern
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1 Geographie Christoph Seifried Anwendung verschiedener Steuerungsmodelle für die Bewässerung am Beispiel des Einlegegurkenanbaus in Niederbayern Diplomarbeit
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3 Diplomarbeit Anwendung verschiedener Steuerungsmodelle für die Bewässerung am Beispiel des Einlegegurkenanbaus in Niederbayern Verfasser: Christoph Seifried 26. März 2010
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5 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Stand des Wissens Wasser im System Boden Pflanze Atmosphäre Wasser im Boden Bindungsformen des Bodenwassers Wasserbewegung im Boden Wassergehalt des Bodens Kennwerte des Bodenwasserhaushaltes Wasser in der Pflanze Wasseraufnahme durch die Wurzeln Wasserleitung in der Pflanze Wasserabgabe Wasser im atmosphärischen Wasserkreislauf Niederschlag Verdunstung Abfluss und Wasservorrat Methoden der Bewässerungssteuerung Einschätzung der Höhe von Einzelwassergaben Wasseraufnahmevermögen Wasserspeichervermögen Kulturspezifische Wurzeltiefe Klimatische Wasserbilanz Niederschlagsmessung Verdunstungsberechnungen Geisenheimer Bewässerungssteuerung Sensorgesteuerte Bewässerung Tensiometer Watermark Sensor SIS (Smart Irrigation Sensor) Bewässerung bei Einlegegurken Kultur von Einlegegurken Wasserbedarf von Einlegegurken Tropfbewässerung bei Einlegegurken
6 Inhaltsverzeichnis 3 Eignung von betriebseigenen und öffentlich verfügbaren Klima- und Bodenfeuchtedaten zur Bewässerungssteuerung am Standort Niederbayern Material und Methoden Ausstattung und Standorte der Stationen imetos Stationen LfL Wetterstation Bestimmung der pf-kurven Bestimmung der Bodenarten Berechnung der klimatischen Wasserbilanz Berechnung der Verdunstung imetos Stationen LfL Station DWD Verdunstung nach Penman Eigene Verdunstungsberechnungen Sensoren zur Bodenfeuchtemessung Ergebnisse PF-Kurven der Standorte Bodenarten der Standorte Verlauf der klimatischen Wasserbilanz Verlauf der Verdunstung Verdunstungswerte der Stationen und des DWD Verdunstungswerte unterschiedlicher Formeln mit einheitlichen Eingangsgrößen Stündlicher Verlauf der tatsächlichen Evapotranspiration Verlauf der Bodenfeuchte Standort Neusling Standort Tabertshausen Standort Willing Gemeinsame Betrachtung von Bodenfeuchte und klimatischer Wasserbilanz Zwischendiskussion Eignung von betriebseigenen und öffentlich verfügbaren Klima- und Bodenfeuchtedaten Eignung von Bodenfeuchtesensoren zur Bewässerungssteuerung
7 Inhaltsverzeichnis 4 Eignung verschiedener Bodenfeuchtesensoren zur Bewässerungssteuerung Material und Methoden Beschreibung der Sensoren Tensiometer Watermark SIS Aufbau und Ablauf der Untersuchung Ergebnisse Prüfung der Tensiometersensoren der LfL Station Verlauf der Bodenfeuchte Verlauf des Wasserdefizits Verlauf der Bodentemperatur Gemeinsame Betrachtung von Bodenfeuchte und Bodentemperatur bzw. Wasserdefizit Bodenfeuchte und Bodentemperatur Bodenfeuchte und Wasserdefizit Diskussion Bestimmung des pflanzenverfügbaren Wassers im Boden Bestimmung maximaler Bewässerungsmengen Eignung volumetrischer Wassergehaltsangaben zur Bewässerungssteuerung Eignung der klimatischen Wasserbilanz zur Bewässerungssteuerung Tägliche Wasserbilanzen Wasserbilanz einer durchschnittlichen Fläche Wasserbilanz im durchfeuchteten Raum Nutzbare Feldkapazität und Saugspannung Tatsächliche Bewässerungsmengen Verdunstungsberechnung Eignung verschiedener Sensoren zur Bodenfeuchtemessung Tensiometer Watermark Sensoren SIS Watermark Sensor mit Spannungssignal Lösungsvorschlag für ein Gesamtkonzept
8 Inhaltsverzeichnis 6 Zusammenfassung und Summary Danksagung Quellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 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)
9 1 Einleitung 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 Vegetationsperiode und vom Wasserspeichervermögen des Bodens abhängt. Nach FRICKE und HEIDORN [2] 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. 7
10 2 Stand des Wissens 2 Stand des Wissens 2.1 Wasser im System Boden Pflanze Atmosphäre 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). Grund- oder Stauwasser Abb. 1: Schema der Verteilung von Niederschlägen und Bodenwasser (BLUM 2007) 8
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