Bodenwasserwirtschaft 815.301 Willibald Loiskandl 1
SPAC: Soil-Plant-Atmosphere-Continuum 2
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum Einflussfaktoren der Evapotranspiration, FAO no. 56 3
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum Verdunstung Der Prozess, bei dem ein flüssiger oder fester Stoff in den gasförmigen Zustand übergeht. Die Verdunstung wird definiert als jene Flüssigkeitsmenge, die in der Zeiteinheit pro Flächeneinheit verdampft. Evaporation: Verdunstung, die von einer leblosen Substanz (z. B. vegetationsloser Boden, Schnee, Wasser) erfolgt: E E in mm d -1 bzw. m 3 m -2 d -1 Transpiration: Verdunstung, die von einer belebten Substanz (z. B. Pflanzen) erfolgt: E T in mm d -1 bzw. m 3 m -2 d -1 4
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum Evapotranspiration Evaporation und Transpiration, bei dem Wasser in Form von Wasserdampf an die Atmosphäre abgegeben wird: E in mm d -1 bzw. m 3 m -2 d -1 Potentielle Evaporation, Transpiration, bzw. Evapotranspiration Die bei den äußeren Verdunstungsbedingungen maximal mögliche Evaporation, Transpiration bzw.evapotranspiration. Aktuelle Evaporation, Transpiration, beziehungsweise Evapotranspiration Die bei den herrschenden inneren und äußeren Verdunstungsbedingungen auftretende Evaporation, Transpiration bzw. Evapotranspiration. 5
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum Äußere Verdunstungsbedingungen: Meteorologische Elemente Innere Verdunstungsbedingungen: Durch die Eigenschaften des Verdunstungsträgers (z. B. Boden) bestimmte Verdunstungsbedingungen Voraussetzung für Verdunstung: Vorhandensein von flüssigen oder festen Wasser in ungebundener Form Bereitstellung bzw. Zufuhr von Energie (aus Strahlung oder Wärmevorrat der Luft, Boden oder Gewässer) Es muss Sättigungsdefizit existieren bzw. gesättigte Luft muss abgeführt werden (Wind) 6
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum Feldkapazität (nach VEIHMEYER and HENDRICKSON, 1949): Menge Bodenwasser, die im Boden festgehalten wird, wenn das überschüssige Wasser entwässert wurde und die vertikale Abwärtsbewegung materiell aufgehört hat. In durchlässigen Böden gleichmäßiger Struktur und Textur erfolgt dies gewöhnlich 2-3 Tage nach einem Niederschlag oder Beregnung. Definition ÖBG (1980) Die Feldkapazität entspricht jenem Wassergehalt, den ein Boden nach intensiver Durchfeuchtung nach einer bestimmten Zeit aufweist. Als Zeitintervall werden zwei bis drei Tage gewählt. Standortfaktor abhängig von: Vegetation, Relief, Bodenaufbau, Lage des Grundwasserspiegels und Klima 7
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum Permanenter Welkepunkt: Der Welkepunkt entspricht dem Wassergehalt eines Bodens, bei dem eine Pflanze irreversible Welkeerscheinungen bei sonst optimalen Standortbedingungen zeigt. Als Bodenwasser- "Konstante" für den permanenten Welkepunkt wird der Wassergehalt bei einer Wasserspannung von 15 bar angeführt. Aus dem SPACE - Modell kann man erkennen, dass es nicht auf die Wasserspannung sondern auf die Menge des zur Wurzel bewegten Wassers (das zur Aufrechterhaltung des Turgors bzw. der Transpiration benötigt wird) ankommt. Verfügbares Wasser: Differenz: Feldkapazität - permanenter Welkepunkt 8
WASSERHAUSHALT Transpiration Evaporation (Bodenverdunstung, unproduktive Verdunstung)? Niederschlag Oberflächenabfluss Wieviel Wasser BRAUCHT die Kulturpflanze? Bodenwasservorrat (Sickerwasser, pflanzenverfügbares Wasser, Totwasser) In welchem Entwicklungsstadium ist der Wasserbedarf am höchsten? Wie optimiert die Kulturpflanze ihren Wasserhaushalt? Wie reagiert die Pflanze auf Wassermangel? Versickerung 9
PFLANZE DER TRANSPIRATIONSKOEFFIZIENT DEFINITION: Menge an verbrauchtem Wasser pro Einheit gebildeter Trockenmasse ca. 50-500 Stomata / mm² CO 2 Assimilation H 2 O Transpiration WASSERMANGEL Reduktion des Wasserverlustes STOMATA-SCHLUSS ASSIMILATION (Biomassebildung) SINKT 10
PFLANZE DER TRANSPIRATIONSKOEFFIZIENT Evapotranspiration (mm) y=70+0.05 x r 2 =0.80 MESSUNG 1.) Im Topfversuch 2.) Aus der (Feld-, Lysimeter)-Wasserbilanz KEINE KONSTANTE (Höhe abhängig von Wetter, Stressbedingungen) Trockenmasseertrag (kg/ha) Transpirationskoeffizient (mm H 2 O / kg TM) (TK oft sehr hoch angegeben aus alten Versuchsergebnissen in den USA; neuere Ergebnisse aus Deutschland in rot) 200 300 300 400 (250) 400 500 (220-320) 500 600 (350-400) 600-700 > 700 Kulturart Hirsen Mais, Beta-Rübe Gerste, Roggen, Durum Weizen Kartoffel, Sonnenblume, Weichweizen Raps, Erbse, Ackerbohne, Hafer Luzerne, Soja, Lein 11
PFLANZE Hauptwasserbedarf in Entwicklungsstadien 1. Getreide (Weizen > Gerste > Hafer > Roggen) KORN- FÜLLUNG BESTOCKUNG SCHOSSEN Korngewicht (+Kornqualität: N- Aufnahme - Eiweiß) Kornzahl/Ähre Ährenzahl/m 2 keine Beregnung 12
PFLANZE Hauptwasserbedarf in Entwicklungsstadien 2. Mais BLÜTE KORN- FÜLLUNG E r o s i o n! Reduktion des Samenansatzes pro Kolben Reduktion des Korngewichtes Beregnung: Juli- August 13
PFLANZE Hauptwasserbedarf in Entwicklungsstadien 3. Zuckerrübe Reihenschluss E r o s i o n! Entwickelte Senken-Kapazität des Rübenkörpers Leichter Wassermangel zwingt Wurzel in die Tiefe Beregnung: Mitte Juni Mitte September 14
PFLANZE Hauptwasserbedarf in Entwicklungsstadien 4. Kartoffel (Reifegruppe!) Knollenansatz bis Blüte Knollenertrag und vermarktungsfähiger Anteil Beregnung: Juni Mitte August 15
PFLANZE Wasserbedarf landwirtschaftlicher Kulturpflanzen - Übersicht Art Wasserbedarf (mm) Transpirationskoeffizient (mm/kg) Kritische Entwicklungsstadien Getreide 350-650 400 Schossen Mais (C4) 500-800 350 Ende Schossen-Blüte Zuckerrübe 550-750 350 Reihenschluss-Blüte Kartoffel 550-700 500 Blüten(Knollen)bildungsphase Raps Blüte - frühe Reife Sonnenblume 600-800 600 Blüte - frühe Reife Körnererbse 350-500 650 Blüte Sojabohne 450-700 750 Mitte Hülsen - Samenbildung Grünland 550-650 800 Quellen: FAO Land and Water Division, Ehlers. 1996, Geisler, 1988) 16
Die Wurzel Durchwurzelungstiefe ausgewählter Kulturpflanzen Flachwurzler Hauptdurchwurzelungszone bis ca. 25 cm Tiefwurzler Wurzelbereich über Pflugtiefe (Luzerne, Rotklee) Durchwurzelung abhängig von Standort und Witterung (effektiver Wurzelraum ~ tatsächlicher Wasserentzug als Richtgröße) 17
Die Wurzel Wurzelsysteme Ackersenf (Sinanpis arvense L.) Roggen (Secale cereale L.) Phacelia (Phacelia tanacetifolia Benth.) 18
MATERIAL UND Material and Methods METHODEN Versuchsstandort Hollabrunn 1. Klima Pannonische Region (Weinviertel) Kennwerte Ø Niederschlag: 491 mm Ø Temperatur: 9,1 C Ø Windgeschwindigkeit: 3 m s -1 Klimatisches Wasserbilanzdefizit 2004 / 2005 (ZF-Vegetationsperiode) 2004: Trockenheit zur Saat, ausreichend und regelmäßiger Niederschlag ab Oktober 2005: Ausreichend Bodenfeuchte zur Saat. Trockenheit zwischen Oktober und Dezember (11,4 mm NS) 19
MATERIAL UND METHODEN Versuchsstandort Hollabrunn 2. Boden Parameter Bodenart (FAO): Schwarzerde auf Löß (A-AC-C) Tiefe A-Horizont: 35-80 cm Texturklasse Sandiger Lehm Eigenschaften Hohe Wasserspeicherkapazität Verkrustung, Erosion, Dichtlagerung Sand (%) Schluff (%) Lehm (%) Texturklasse (ÖNORM) Trockenrohdichte ph Humusgehalt FC (Vol. % bei ψ 10 kpa) PWP (Vol. % bei ψ 1500 kpa) nfk (mm m -1 ) K s (cm h -1 ) 31,9 52,2 15,9 sl 1,4 7,3 2,0 28 11 170 8,3 20
ERGEBNISSE und DISKUSSION Zwischenfrucht-Boden(wasser)interaktionen Biomassebildung und -verteilung Wurzel : Spross Verhältnis (-) Phacelia Vetch Rye Mustard Ø 2004 0.40 0.40 0.69 0.54 0.51 2005 0.77 0.37 0.89 0.95 0.75 Höchste jahresabhängige Unterschiede bei Winterwicke Senf stabil gegenüber Jahreswitterung und Feuchte Roggen geringe oberirdische Masse, bei hoher Biomasseallokation zu den Wurzeln 21
Wasserverbrauch Gründecken vs. Brache Komponente Transpiration z r + Stresskompensation Transpiration Bodenevaporation Evapotranspiration Brache 0 0 133.7 133.7 Phacelia Transpiration z e 0 28.3 17.3 19.8 50.3 0 10.8 15.9 11.8 13.6 Transpiration z r 0 7.9 1.3 3.6 16.0 0 8.7 17.8 8.5 11.7 36.2 71.8 108.0 z e Oberboden (0-20 cm), z r Wurzelzone (20-60 cm) - 2004 Wicke - 18.6 81.0 99.6 Roggen - 23.4 102.4 125.8 Senf 29.3 79.6 53.0 132.6 Brache 0 0 93.7 93.7 Phacelia - 19.5 77.7 97.2 2005 Wicke - 33.7 55.8 89.5 Roggen 20.9 32.7 75.8 108.5 Senf 28.6 42.2 63.5 105.7 Wasserverlust der Brache über Bodenevaporation beinahe gleich hoch bis höher als bei Begrünungen! (Wenn Herbst feucht => sowohl Bodenverdunstung als auch Pflanzenwasseraufnahme aus obersten Bodenschichten => höchste Verluste bei Brache; wenn Herbst trocken => höhere Verluste bei Begrünung durch Wasseraufnahme aus tieferen Schichten nach Abtrocknung des Oberbodens). Da während der Hauptwachstumszeit der Begrünung im Herbst das atmosphärische Verdunstungspotential gering ist, ist deren Wasserverbrauch zur Biomassebildung geringer als bei Hauptfrüchten. Die höchsten Verluste treten im Spätsommer auf (noch hohes Verdunstungspotential). Hier sind die Verluste jedoch bei Brache genauso hoch (höher) als bei einer jungen (schnell 22 bodendeckenden) Begrünung.
Verdunstungsverluste Anteil Transpiration an gesamten Verdunstungsverlusten Phacelia Vetch Rye Mustard % 2004 33.5 (41.6)* 18.7 (24.2) 18.6 (17.2) 60,0 (47.1) 2005 20.1 (20.0) 37.7 (52.6) 30.1 (29.0) 39,9 (31.8) *Zahlen in Klammer aus Modellierung mit HYDRUS 1D Geringes Verdunstungsdefizit zur Hauptwachstumszeit der Zwischenfrüchte bedingt geringen Anteil der Transpiration an gesamten Wasserverlusten in die Atmosphäre. Hoher Anteil Evaporation im Spätsommer! 23
ERGEBNISSE und DISKUSSION Verdunstungsverluste Wassernutzungseffizienz (Mittel 2004-2005) Wassernutzugnseffizienz (g m -2 mm -1 ) 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Phacelia Wicke Roggen Senf Bei Berücksichtigung der unproduktiven Verdunstung effiziente Wassernutzung (höchste WUE ET ) bei Arten mit rasche Bodenabdeckung. ( Wicke 2005, Senf in beiden Jahren) WUE T WUE ET 24
ERGEBNISSE und DISKUSSION Ausschöpfung Profilwassergehalt Szenarioanalyse mit HYDRUS 1D: Gründecke vs. Brache Worst-case Szenario Zwischenfrucht Hohe potentielle Verdunstung (ET) Hoher Anteil Transpiration an Gesamtverdunstung Tiefes Wurzelsystem (90 cm) Vollständige Stresskompensation Maximal höhere ET vor Winter: 30 % Maximal höhere Ausschöpfung Frühjahr: 2.8 % Im Oberboden Ausgleich über Winter Verringerung der Sickerwassermenge ca. 28 % 25