Bewässerung: neue Lösungsansätze?

Bewässerung: neue Lösungsansätze? Dr. Martin Müller ALB Bayern e.v., Freising Lehrgang für Gutsverwalter und Betriebsleiter Landshut-Schönbrunn, 26. Januar 2016 Veranstalter: LfL Agrarökonomie, Landmaschinenschule Schönbrunn

Gliederung 1. Bewässerungsverfahren 2. Welche Faktoren beeinflussen den Zusatzwasserbedarf? 3. Steuerung der Bewässerung mit dem Bodenwasser-Modell Weihenstephan 4. Zusammenfassung 2

Bewässerungsverfahren 3

Übersicht Bewässerungsverfahren Quelle: H. Sourell, vti 4

Rohrberegnung Foto: Josef Schlaghecken, DLR Kennzeichen Hoher Arbeitszeitbedarf bei Aufbau, Abbau oder Umsetzen Meist stationärer Einsatz Geringe Einzelwassergaben möglich Ungleichmäßige Verteilung 5

Trommelregner Kennzeichen Flexibler Einsatz, mobil Relativ preiswert Ermöglicht hohe Einzelgaben (30 mm) An heißen Tagen Verluste durch Verdunstung Abdrift bei Wind 6

Tropfbewässerung Punktuelle Bodendurchfeuchtung Relativ gleichmäßige Verteilung entlang der Tropfschläuche Durchfeuchtungs-ϕ am Tropfer steigt mit steigender Schwere der Böden Geringe Verdunstungsverluste Geringer Energieaufwand Hoher Arbeitsaufwand, teuer Mech. Beanspruchung der Schläuche Daher Einsatz bevorzugt in - Dauerkulturen: Schläuche dickwandig, mehrjährig - Einjährigen Kulturen: Schläuche dünnwandig, einjährig 7

Welche Faktoren beeinflussen den Zusatzwasserbedarf? 8

Bedeutung der Wasserversorgung für Pflanzen Allgemeine Funktionen: - Quellmittel - Lösungsmittel - Transportmittel - Baustoff, sichert Zelldruck (Turgor) - Wassergehalt von Pflanzen: 80-95 % Nährstoffaufnahme: ~ 1 Liter Wasser / Gramm Nährstoff Photosynthese: 6 CO 2 + 6 H 2 O + Lichtenergie C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Ausnutzungsgrad der einfallenden Strahlung zur Bildung von Assimilaten bei landwirtschaftlichen Intensivkulturen: < 10% Kühlung: 0,64 kwh Verdunstungskälte / Liter Wasser Quelle: Larcher, 2001 ~ 1 % des aufgenommenen Wassers verbleiben in den Pflanzen ~ 99 % des aufgenommenen Wassers wird transpiriert 9

Wirkung von Wassermangel und Wasserüberschuss Wassermangel Ausbildung einer Wachsschicht Verzögertes Wachstum und Blattentwicklung Verkürzte Lebensdauer der Blätter, Laubabwurf Stoffwechselstörungen Beweglichkeit von Nährstoffen im Boden sinkt Nährstoffaneignungsvermögen sinkt (Wurzeln) ZR - unbewässert - 08/2015 Wasserüberschuss Wasserverschwendung der Pflanzen Schwache Wurzelausbildung Luft- und Sauerstoffmangel im Boden Verzögerte Bodenerwärmung & Mineralisation Krankheitsdruck steigt Kartoffeln - überwässert - 07/2011 10

Einflussgrößen auf den Wasserverbrauch Verdunstungsanspruch der Atmosphäre Globalstrahlung Temperatur, Wind Wasserdampfsättigungsdefizit der Luft Struktur des Pflanzenbestandes Kulturart Bodendeckungsgrad Wuchshöhe Leistungsfähigkeit des Blattapparates Aneignungsvermögen (Wurzeln) Wasserangebot Niederschläge, (Art der) Bewässerung Speichereigenschaften (Böden) Keine Verdunstung Verdunstung 11

Einflussgrößen auf den Wasserverbrauch (2) Verlauf der Verdunstung in Abhängigkeit von der Globalstrahlung und dem Entwicklungsstand, Speisekartoffeln 2015 Auflaufen 8 Höhe 15 cm Bestandesschluss Laubfärbung Beginn Laubfärbung 50% GS in [kwh/m² Tag], Verdunstung in [mm/tag] 6 4 2 0 Globalstrahlung in kwh/m² Tag Verdunstung in mm/tag Rahmenbedingungen: leistungsfähiger Bestand mit guter Wasserversorgung LfL-Wetterstation Obersteinbach, Lks. Roth 12

Witterung 2015 und klimatische Bedingungen in bayerischen Anbauregionen 2015 im Vergleich zum Mittel der letzten 20 Jahre (1996-2015) Standort (LfL-Station) Roggenstein (Lks. FFB) Neusling (Lks. DGF) Obersteinbach (Lks. RH) Köfering (Lks. R) Veitshöchheim (Lks. WÜ) Mittelwert (Bayern) Temperatur Globalstrahlung Niederschlag 2015 96-15 % 2015 96-15 % 2015 96-15 % in [ C] in [%] in [kwh/m²] in [%] in [mm] in [%] 9,7 8,7 11 1.310 1.150 14 810 910-11 10,0 9,0 11 1.170 1.090 7 580 755-23 10,4 9,2 13 1.140 1.120 2 530 690-23 10,4 8,8 18 1.200 1.110 8 540 670-19 11,0 9,9 11 1.150 1.060 8 450 610-26 10,3 9,1 13 1.190 1.110 8 580 730-20 13

Entwicklung des Wetters in Bayern (1996 bis 2015) Temperatur in [ C] 10 Jahresmitteltemperatur in [ C] 8 R² = 0,30 6 1995 2000 2005 2010 2015 Gemittelte Werte über fünf Anbauregionen in Bayern 2015 Globalstrahlung in kwh/m²] Niederschlag in [mm] 1200 1100 GS, Jahressumme in [kwh/m²] 1000 900 R² = 0,52 1995 2000 2005 2010 2015 1100 900 700 Jahrsniederschlag in [mm] R² = 0,02 500 1995 2000 2005 2010 2015 Datengrundlage: LfL-Stationen (Roggenstein Lks. FFB, Neusling Lks. DGF, Obersteinbach Lks. RH, Köfering Lks. R, Veitshöchheim Lks WÜ); Mittelwert (Bayern): Temperatur = +0,6 C / 10 Jahre Globalstrahlung = +86 kwh/m² / 10 Jahre Keine nachhaltigen Trends im Sinne des Klimawandels! 14

Puffereigenschaften von Böden Wasser-Speichereigenschaften Zwei Kriterien: - Fähigkeit, Wasser entgegen der Schwerkraft zu halten - Fähigkeit, Wasser an Pflanzen abzugeben Wasserbindung an den Boden gering mittel groß Weite Grobporen > 50 µm Enge Grobporen u. Mittelporen 50-0,2 µm Feinporen < 0,2 µm Nur in engen Grobporen und Mittelporen wird Wasser entgegen der Schwerkraft gehalten und ist zugleich pflanzenverfügbar (= Nutzbare Feldkapazität nfk) Wasser-Leitfähigkeit Wasserabführung über Grobporen Maximal bei voller Wassersättigung Leitfähigkeit sinkt mit Austrocknung Bodenart Sand Lehm Ton Leitfähigkeit 5 cm/h 2 cm/h 0,5 cm/h Quelle: Scheffer / Schachtschabel, 2002 15

Puffereigenschaften von Böden (2) Einflussfaktoren auf die nutzbare Feldkapazität nfk Bodenart (Körnung) Gehalt an organischer Substanz Lagerungsdichte des Bodens Steinanteil (1) (2) 90 22 136 90 5 136 (1) (2) 50 12 157 50 3 157 Gründigkeit Durchwurzelbarkeit Kapillarer Aufstieg (1) Beregnung (2) Tropfbewässerung (1) (2) 130 33 72 130 8 72 Kenntnis der nfk: Grundvoraussetzung für bedarfsgerechtes Bewässern! Zum Zeitpunkt des Knollenansatzes bei Wurzeltiefen von etwa 30 cm Kartoffelacker im Altmühltal - unbewässert - 08/2015 Nutzbare Feldkapazität nfk / mm Pflanzenverfügbar speicherbare Gaben / mm Zusatzwasserbedarf (MW 00-14) / mm 16

Puffereigenschaften von Böden (3) Pflanzenverfügbar speicherbare Einzelwassergaben und Zusatzwasserbedarf (Kartoffeln) in Abh. von der nutzbaren Feldkapazität Pflanzenverfügbare Wassergaben Zusatzwasserbedarf / Saison Mögliche Einzelgaben in [mm/tag] Zusatzwasserbedarf in [mm/saison] Kapillarer Aufstieg Mittelwert 2000 bis 2014? nutzbare Feldkapazität in [mm] nutzbare Feldkapazität in [mm] Berechnungen zu Kartoffeln: LfL-Wetterstation Obersteinbach, Lks. RH (MW 2000-2014) 17

Puffereigenschaften von Böden (4) Pflanzenverfügbares Wasser aus dem Grundwasser - Kapillarer Aufstieg Kapillarer Aufstieg in [mm/tag] Bodenart Schwach lehmiger Sand (Sl2) Schwach toniger Schluff (Ut2) Distanz Grundwasserspiegel zu Untergrenze Wurzelzone 50 cm 100 cm 1,7 0,2 > 5 4,4 Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, 2005 18

Kaum Effekte auf sehr guten Böden Tropfbewässerung von Kartoffeln Kühbach (AIC) 2013 nfk = 130 mm Sorte Fontane: Hohes Ertragsniveau bereits ohne Bewässerung (725 dt/ha) Längere Vegetationsdauer ohne Bewässerung Während Trockenphase voraussichtlich bedeutender kapillarer Aufstieg von Wasser aus dem Unterboden Durch Bewässerung im Versuch kaum Ertragseffekte (+ 8%) und keine Qualitätseffekte Quelle: Agro-Klima Projekt der LfL, 2013 19

Gute Effekte auf leichten Böden Tropfbewässerung von Kartoffeln Dürrenmungenau (RH) 2013 nfk = 65 mm Sorte Laura: Stärke Ertrag unbewässert: 230 dt/ha, Knollen>40mm: 130 dt/ha (56%) 12,4% Ertrag bewässert (DKV): 520 dt/ha, Knollen>40mm: 430 dt/ha (83%) 14,8% Ertrag bewässert (ZDV): 441 dt/ha, Knollen>40mm: 287 dt/ha (65%) 14,8% Quelle: Agro-Klima Projekt der LfL, 2013 20

Puffereigenschaften von Böden (5) Aufnahme von Niederschlägen und Beregnungs-Wassergaben Beispiel: Sandboden mit nfk (Boden) = 10 Vol.-% 10 mm Niederschlag = = 10 Liter / Quadratmeter = = 100 m³ / ha 10 cm Sättigung der Böden von oben nach unten nfk (Anbausystem) = = nfk (Boden) x Wurzeltiefe = = 10 mm / 10 cm Bodentiefe x 60 cm = 60 mm 15.07.2010, Lks. RH 21

Aneignungsvermögen verschiedener Kulturbestände Wurzelentwicklung Wurzeltiefe in [cm] 0-20 -40-60 -80-100 Winterraps Salat, Frühjahr Kopfkohl Winterweizen Kartoffeln Wurzelundurchlässige Zone Große kulturartspezifische Unterschiede Einlegegurken z.b. Kies-Mergelschichten, Strohmatten, Unterbodenverdichtungen Zuckerrüben Leistungsfähigkeit des Wurzelsystems nimmt mit zunehmender Tiefe schnell ab Austrocknung der Böden von oben nach unten Salat, Sommer Mais Zwiebeln 22

Puffereigenschaften von Böden (6) Nutzbare Feldkapazität und horizontale Ausbreitung von Tropfbewässerungsgaben in Abhängigkeit von der Bodenart Bodenart Nutzbare Feldkapazität Durchmesser Durchfeuchtungszone* leicht, Sand (S) 9 Vol.% 25 cm leicht, schwach lehmiger Sand (ls) 13 Vol.% 30 cm mittel, stark lehmiger Sand (lls) 16 Vol.% 35 cm mittel, sandiger Lehm (sl) 19 Vol.% 40 cm mittel, schluffiger Lehm (ul) 22 Vol.% 45 cm schwer, toniger Lehm (tl) 17 Vol.% 50 cm schwer, lehmiger Ton (lt) 14 Vol.% 55 cm schwer, Ton (T) 10 Vol.% 60 cm Bei Sandböden überwiegen Grobporen Bei Tonböden überwiegen Feinporen Lehmböden haben gleichmäßige Porengrößenverteilung: ausgewogene Eigenschaften bzgl. Speicherfähigkeit und Leitfähigkeit Horizontale Ausbreitung steigt mit zunehmender Schwere der Böden * Tropfbewässerung 23

Wasserleitfähigkeit von Böden Wurzelwachstum und Position des Knollennests (Sorte Agria) bei Frühjahrstrockenheit, Ehekirchen 2011 Westwind während geringer Mai-Niederschläge mit Eindringtiefen von maximal 10 cm lehmiger Sand, nfk = 100 mm Quelle: Agro-Klima Projekt der LfL, 2011 unbewässerte Kontrolle 10. Juni 2011 Dammkronenverfahren 24

unzureichende Leitfähigkeit in trockenen Böden Erträge + Sortierung 2011 (Sorte Agria) Frühjahrstrockenheit (bis Mitte Juni), anschließend feucht Schlauchposition Bewässerung Ertrag Ertragseffekt dt/ha dt/ha % unbewässerte Kontrolle 730 Dammkrone ab 10 cm Kraut (13. Mai) 820 90 12 Dammkrone ab 25 cm Kraut (29. Mai) 750 20 2 Zwischendamm ab 10 cm Kraut (13. Mai) 800 70 10 Zwischendamm ab 25 cm Kraut (29. Mai) 830 100 13 Schlauchposition Bewässerung Knollenzahl > 35 mm / Pflanze % unbewässerte Kontrolle 7 100 Dammkrone ab 10 cm Kraut (13. Mai) 12 160 Dammkrone ab 25 cm Kraut (29. Mai) 9 120 Zwischendamm ab 10 cm Kraut (13. Mai) 7 100 Zwischendamm ab 25 cm Kraut (29. Mai) 8 110 Quelle: Agro-Klima Projekt der LfL, 2011 25

Unzureichende Leitfähigkeit in leichten Böden Tropfbewässerung, Ertragseffekte, Sorte Laura, Obersteinbach (RH) 2010 Schlauchposition Ertrag Ertragseffekt dt/ha dt/ha % unbewässerte Kontrolle 471 Dammkrone 682 211 45 Zwischendamm 605 134 28 Quelle: Agro-Klima Projekt der LfL, 2010 Dammkern trocknet aus Gerichtetes Wurzelwachstum 26

Puffereigenschaften von Böden (7) Verfügbarkeit des Bodenwassers in Abhängigkeit von der Bodenart Quelle: Agro-Klima Projekt der LfL, 2011 27

Zusatzwasserbedarf bei Kartoffeln in Abhängigkeit vom Bodenfeuchtegrenzwert der Beregnung Witterungsverlauf 40 30 20 10 0 Niederschlag [mm] Temperatur [ C] Berechnungen: LfL-Wetterstation Obersteinbach, Lks. RH, 2015 Mai Juni Juli August Beregnung in [mm] Beregnung 30 0 30 0 0 Schwelle 35% nfk Summe: 150 mm Schwelle 50% nfk Summe: 230 mm 30 Schwelle 65% nfk Summe: 290 mm? 28

Bodenfeuchte, Verdunstung und Versickerung in Abhängigkeit vom Bodenfeuchtegrenzwert der Beregnung Feuchtegrenzwert der Beregnung Beregnung (Summe) Verdunstung Versickerung Zeitraum: 16. Mai bis 15. August Keine Beregnung - 175 mm 0 mm 35% nfk 150 mm 290 mm 0 mm 50% nfk 230 mm 360 mm 1 mm 65% nfk 290 mm 375 mm 14 mm Verd. BF zu unbewässert - 115 mm 35 mm 185 mm 45 mm 200 mm 75 mm Pflanzenverfügbares Bodenwasser in [mm] Verlauf der Bodenfeuchte BF (Kartoffelacker) 100 80 60 40 20 0 keine Beregnung Schwelle 50% nfk Schwelle 35% nfk Schwelle 65% nfk Berechnungen: LfL-Wetterstation Obersteinbach, Lks. RH, 2015 nfk = 100% Mai Juni Juli August 29 Grundwasserneubildung Folgen einer Senkung der Beregnungsschwelle: Durchschnittliche Bodenfeuchte sinkt Wasserverfügbarkeit für die Pflanzen sinkt Wasseraufnahme sinkt Pflanzenwachstum verlangsamt sich Verdunstung und Versickerung sinken Zusatzwasserbedarf sinkt nfk = 50%

Wasserbedarf verschiedener Kulturbestände (Wirtschaftliche) Grenzwerte guter Wasserversorgung Kulturart Bodenfeuchtegrenzwert * Quelle Kartoffeln 50 % nfk LfL, LWK NS Frühkartoffeln 70 % nfk ALB Mais 35 % nfk LWK NS Sommergerste 50 % nfk LWK NS Übriges Getreide 35 % nfk LWK NS Winterraps 35 % nfk LWK NS Zuckerrüben 35 % nfk LWK NS Gurken (Einlegegurken) 70 % nfk AELF Landshut Zwiebeln 50 % nfk AELF Landshut Kopfsalat 75 % nfk AELF Landshut Kopfkohl 50 % nfk AELF Landshut * Im Mittel des durchwurzelten Bodenraums Grenzwertunterschreitung Ergänzungsbewässerung 30

Wasserbedarf verschiedener Kulturbestände Wasserbedarf an einzelnen heißen Tagen und mittlerer Tageswasserbedarf während der Hauptvegetation Wasserverbrauch in [mm / Tag] 10 8 6 4 2 0 Wasserverbrauch an heißen Tagen Mittlerer Tageswasserverbrauch während der Hauptvegetation 7,5 mm / Tag 4,0 mm / Tag Berechnungen: Bodenwasser-Modell Weihenstephan, LfL-Wetterstation Neusling, Lks. DEG (MW 01-15) Rahmenbedingungen: vollständig entwickelte Bestände mit guter Wasserversorgung 31

Wasserbedarf verschiedener Kulturbestände Verbrauch bei guter Versorgung 800 Wasserverbrauch (ETR) in mm Vegetationsdauer in Tagen 600 Verbrauch in mm 800 600 400 200 0 R² = 0,91 0 100 200 300 Vegetationsdauer in Tagen 400 200 0 Zusammenarbeit: Berechnungen: Bodenwasser-Modell Weihenstephan LfL-Wetterstation Neusling, Lks. DGF (MW 2001-2015) 32

Wasserbedarf verschiedener Kulturbestände (2) Zusatzwasserbedarf im Mittel der vergangenen 15 Jahre Boden: sandiger Lehm (sl), nfk = 19 Vol.-% * schwach lehmiger Sand (ls), nfk = 13 Vol.-% ** schwach lehmiger Sand (ls), nfk = 13 Vol.-%, Durchwurzelbarkeit: 30 cm Zusatzwasserbedarf in [mm / Jahr] 200 150 100 50 * ** * ** 0 Berechnungen: Bodenwasser-Modell Weihenstephan LfL-Wetterstation Neusling, Lks. DGF (MW 2001-2015) 33

Steuerung der Bewässerung mit dem Bodenwasser-Modell Weihenstephan Zusammenarbeit bei Entwicklung und Umsetzung: Finanzierung: Freistaat Bayern - StMELF 34

Modellkonzeptionierung, Erarbeitung der Grundlagen anhand von Exaktversuchen zu Tropfbewässerung bei Kartoffeln Grundlage: Agro-Klima Projekt der LfL, 2009-2014 35

Modellkonzeptionierung, Erarbeitung Grundlagen (2) anhand von Exaktversuchen zu Tropfbewässerung bei Kartoffeln Pr 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 Wh. 4 4/3 F 3/2 5/1 3/1 2/1 F 4/2 RS6 RS2 RS7 RS1 RS1 RS5-1/1 4/3 2/2 F 4/1 RS6 RS2 RS4 2/3 RS3 3/3 RS3 R F 6 4 2 7 3 1 5 Zuleitung Wh. 3 & Wh. 4 Pr 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 Wh. 3 4/1 F 4/1 2/3 4/3 RS4 2/2 F 3/3 RS4 RS3 RS6 RS2 RS3 3/2 2/1 5/1 F 1/1 4/2 3/1 R F RS2 RS1 RS7 - RS5 RS1 4 6 3 5 7 2 1 Pr 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 Wh. 2 2/3 F 4/2 3/3 5/1 4/1 F 4/3 2/3 1/1 3/1 F 2/1 3/2 2/2 R F RS3 RS5 RS3 RS7 RS4 RS6 RS3 - RS1 RS1 RS2 RS2 Zuleitung Wh. 1 & Wh. 2 Pr 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 Wh. 1 1/1 F 1/1 2/1 2/2 2/3 F 3/1 3/2 3/3 4/1 F 4/2 4/3 5/1 R F - - RS1 RS2 RS3 RS1 RS2 RS3 RS4 RS5 RS6 RS7 Grundlage: Agro-Klima Projekt der LfL, 2009-2014 36

Modellkonzeptionierung, Erarbeitung Grundlagen (3) anhand von Exaktversuchen zu Tropfbewässerung bei Kartoffeln Bewässerungssteuerung: Dateneingabe per Internet Datenspeicherung auf Server in München Synchronisation zwischen Server und mobilem Steuerungscomputer im 10 Minutentakt (GSM-Datenübertragung) Grundlage: Agro-Klima Projekt der LfL, 2009-2014 37

Modell-Bestandteile A) Klimatische Wasserbilanz (Berechnung der Bodenfeuchte) Erweiterung Tagesbilanz = (Niederschlag + Bewässerung) - / mm (Verdunstung + Versickerung) Grasreferenz-Verdunstung nach Sickerwassermodell Penman-Moteith inkl. Wurzelwachstum (FAO Irrigation & Drainage paper 56) x Neuentwicklung Verdunstungsfaktoren (Kulturart- und stadienabhängig) B) Planungsinstrument für konkrete Bewässerungsmaßnahmen Termine Höhe der jeweiligen Einzelgaben Vorgaben des Anwenders lassen sich berücksichtigen Flexible Umsetzung möglich 38

Online-Anwendung: Bewässerungs-App Beispiel: Beregnung von Kartoffeln Ab wann soll beregnet werden? Wie hoch ist der Wasserbedarf? Wie groß dürfen die Einzelgaben sein? Effekte der Bewässerung? 39

Wann bewässern? In welcher Höhe? Beregnung von Kartoffeln 41

Wann bewässern? In welcher Höhe? Beregnung von Kartoffeln Verdunstungsfaktoren: fruchtart- und stadienspezifisch kc = 0,6 kc = 1,0 kc = 1,1 kc = 0,9 kc = 0,5 43

Wann bewässern? In welcher Höhe? Beregnung von Kartoffeln - Anbaujahr 2015 Bewässerung 2015: 180 mm nfk = 13 Vol.-% Durchwurzelbarkeit 100 cm 46

Wann bewässern? In welcher Höhe? Beregnung von Kartoffeln - Anbaujahr 2015 Bewässerung 2015: 240 mm nfk = 13 Vol.-% Durchwurzelbarkeit 100 cm 47

Zusammenfassung Effizientes wassersparendes Bewässern ist vorrangig eine Frage des Managements (nicht der Technik) Bedarfsgerechte Bewässerung berücksichtigt die Witterung die Puffereigenschaften der Böden kulturartspezifische Faktoren die Art der eingesetzten Technik Der Wasserverbrauch lässt sich steuern über Beginn und Ende der Bewässerungsperiode Bodenfeuchtegrenzwert der Bewässerung Das Bodenwasser-Modell Weihenstephan funktioniert als Planungsinstrument (Wetter Vorjahre, Wettererwartung) Entscheidungshilfe (Empfehlung: Termine, Gabenhöhe) 48

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! www.alb-bayern.de 49