Agrarforschung
Bedarfsgerechte Bewässerungsregelung im Freilandgemüsebau
- modellhafte Erprobung im Großraum Heilbronn -

Universität Hohenheim, Institut für Agrartechnik
Kord H. Lühr                                                           
Juli 1993 - Februar 1996

Problemstellung

Die Bewässerung im Freiland-Gemüsebau ist belastet durch einen sich verschärfenden Zielkonflikt zwischen Umweltschutz und Pflanzenproduktion. Einerseits verstärkt sich die Forderung nach der Einsparung von Bewässerungswasser und der Verhinderung von Nährstoffauswaschungen, andererseits werden die Qualitätsanforderungen an die Gemüseerzeugung gesteigert und fordern damit eine intensivere Kulturführung. Während die Wasserverteiltechnik ein relativ hohes Niveau erreicht hat und in einzelnen Kulturen, wie zum Beispiel der Einlegegurke, durch den Einsatz der Tropfbewässerung nahezu optimal gelöst ist, mangelt es vorwiegend an Parametern für die Steuerung der Bewässerung. Neben der Frage nach dem anzustrebenden Feuchteniveau ist zu klären, inwieweit Bodenfeuchtesensoren geeignet sind, den Bewässerungsbedarf im Feld zu beurteilen.

Ziel

Im Rahmen von Freilandversuchen mit Einlegegurken sollte auf zwei Standorten beurteilt werden, wie sich unterschiedliche Saugspannungsniveaus auf Ertrag und Stickstoffauswaschung auswirken. Um die Tauglichkeit von Bodenfeuchtesensoren als Hilfsmittel für die Bewässerungsentscheidung beurteilen zu können, sollte ein umfassendes Prüfverfahren entwickelt werden.

Untersuchungsmethode

Für die Ermittlung der notwendigen Parameter wurden am Beispiel der Einlegegurke auf Mulchfolie in zwei Praxisbetrieben Versuchsparzellen mit drei unterschiedlichen Feuchtestufen angelegt. Die Wasserversorgung über Tropfbewässerung unter der Mulchfolie wurde durch eine Tensiometersteuerung gewährleistet. In den Tiefen 15 cm und 30 cm wurde die Saugspannung gemessen, der Mittelwert von einem Datenlogger berechnet und bei Erreichen der Schwellenwerte 100 hPa, 250 hPa und 600 hPa die Zuleitungsventile für 30 min geöffnet. Die Ertragsermittlung erfolgte nach jedem Erntetermin mit anschließender Sortierung in die fünf Größenklassen. Für den Vergleich der Parzellenleistungen wurde der Erlös errechnet aus der Menge jeder Größenklasse multipliziert mit dem jeweiligen Preis.

Der Einfluß der Bewässerungsstufen auf den Stickstoffhaushalt wurde in zweiwöchigem Turnus anhand von Nmin Bodenproben an den Positionen Mitte Folie und zwischen den Folien beobachtet. Die 12 Einstiche pro Probe in den drei üblichen Tiefen wurden mit Hilfe einer Nitratbühne entnommen, die eine gleichmäßige Verteilung der Probenahmestellen ohne ein Betreten der Parzelle ermöglichte.

Die Wasserbewegung in horizontaler und vertikaler Richtung konnte durch eine Vielzahl von Tensiometern bis in Tiefen von 75 cm an den Positionen Mitte Folie und zwischen den Folien gemessen werden. Als weiterer Einflußfaktor auf Stickstoffhaushalt und Wasserbewegung wurde die Bodentemperatur an den genannten Stellen aufgezeichnet.

Als Testversuch für die Eignung von Bodenfeuchtesensoren im Freiland wurden sechs Sensoren mit zum Teil unterschiedlichen Meßprinzipien an vergleichbaren Stellen installiert und kontinuierlich aufgezeichnet. Um reproduzierbare Untersuchungen dieser und weiterer Bodenfeuchtesensoren zu ermöglichen, wurde ein Laborprüfstand entwickelt. Das Prüfverfahren sieht die Plazierung von Referenzsensoren und Testsensoren in gleicher Tiefe in einer mit Erde oder Substrat gefüllten Meßzelle vor. Als Referenzsensor wurde das Tensiometer gewählt, da es die Saugspannung und damit ein gutes Maß für Pflanzenstreß durch Wassermangel erfaßt. Da die Sensoren im für den Gemüsebau wichtigen Saugspannungsbereich von 0 bis 600 hPa untersucht werden sollen, stellt die Begrenzung des Tensiometermeßbereiches auf maximal 900 hPa kein Problem dar. Die Meßzelle wird durch eine sie gleichmäßig überfahrende Düse befeuchtet und mittels überstreichender Luft entfeuchtet, so daß eine Simulation von Befeuchtungs- und Entfeuchtungsvorgängen entsprechend den Verhältnissen im Feld möglich ist. Somit können Meßbereich, Reaktionsgeschwindigkeit und Hysterese ermittelt und unabhängig voneinander die Einflüsse von Salzgehalt und Temperatur auf die Sensoranzeige festgestellt werden.

Ergebnis

Die Ertragsermittlung im Hauptversuchsjahr 1995 zeigte eine Tendenz zum höchsten Erlös in der 250 hPa Variante. Die Sortierungen ließen keine Unterschiede zwischen den Feuchtestufen erkennen. Es konnten keine deutlicheren Ergebnisse ermittelt werden, da die Wachstumsperiode durch regelmäßige, größtenteils gewittrige Niederschläge gekennzeichnet war.

Die Nitratgehalte des Bodens reagierten empfindlich auf die unterschiedlichen Feuchteniveaus. Die intensive Wasserversorgung der 100 hPa Variante hatte eine gute Stickstoffaufnahme durch die Pflanzen zur Folge und führte zu Restnitratgehalten nach Kulturende von unter 45 kgN/ha. Die relativ trocken gehaltene 600 hPa Parzelle zeigte eine Anreicherung von Nitrat unter der Folie und Restmengen nach Kulturende von 130 kgN/ha. Dies läßt den Schluß zu, daß die Mineralisation auf Grund der hohen Temperatur unter der Folie gefördert wurde, aber zu wenig Feuchtigkeit für die Aufnahme der Nährstoffe durch die Pflanzen zur Verfügung stand. Eine bedarfsgerechte Dosierung von Wasser und Nährstoffen ist daher besonders im Mulchfolienbau notwendig und ermöglicht eine Reduzierung der Umweltbelastungen.

Der Wasserverbrauch der Varianten stieg überproportional mit zunehmendem Feuchteniveau. Die trockene Parzelle mit 600 hPa verbrauchte 60 mm, die mittlere mit 250 hPa verbrauchte 120 mm und die feuchteste mit einem Schwellenwert von 100 hPa verbrauchte 240 mm Zusatzwassergabe. Der Wasserverbrauch zeigt, gleichsinnig mit dem Erlös, daß bei einem Schwellenwert der Bewässerung kleiner als 250 hPa das Optimum der Wasserversorgung überschritten ist.

Das entwickelte Prüfverfahren ermöglicht es, in Übereinstimmung mit den auf dem Feld ermittelten Daten, Sensoren in relativ kurzer Zeit durch die Simulation von Umwelteinflüssen zu untersuchen und reproduzierbare Ergebnisse zu qualitätsbestimmenden Eigenschaften zu erhalten.

Die Prüfung weist den Zusammenhang zwischen Saugspannung und Sensoranzeige auf und ermöglicht seine Darstellung in Form einer Regression. Die Meßwerte aller Sensoren können somit in Saugspannungswerte umgewandelt werden. Umrechnung und direkte Anzeige in Saugspannungswerte ist unter Verwendung von Mikroprozessoren zukünftig möglich.

Für den Einsatz der Sensoren in Steuerungs- oder Regelungssystemen ist ihre Reaktionsgeschwindigkeit von besonderer Bedeutung. Das Prüfverfahren stellt diese für Be- und Entfeuchtungsphasen fest, so daß ein geeigneter Sensor nach dem spezifischen Verwendungszweck ausgewählt werden kann.

Die Quantifizierung des Einflusses von Temperatur und Salzgehalt auf die Sensoranzeige verbessert die Anwendung eines Sensors. Dem Anwender im Feld werden Hinweise gegeben über die Auswirkungen von Störgrößen, wie jahres- und tageszeitliche Temperaturschwankungen oder Veränderungen des Salzgehaltes durch Düngung. Die Interpretation der Meßwerte und die Sicherheit der Bewässerungsentscheidung wird dadurch verbessert.

Es konnte gezeigt werden, daß beispielsweise der Gipsblock für die Bodenfeuchtemessung im Gemüsebau ungeeignet ist, daß sein Meßbereich erst bei einer Saugspannung von mindestens 400 hPa beginnt. Die Untersuchung des "Flori"-Feuchtesensors ergab eine weitgehende Übereinstimmung des Meßwertverlaufes bis zu einer Saugspannung von 300 hPa. Bei größeren Werten steigt die Sensoranzeige nur noch unterproportional. Die Regression zwischen Tensiometer und "Flori" berücksichtigt das spezifische Verhalten und ermöglicht die direkte Umrechnung der Anzeigewerte in hPa. Der "Watermark"-Feuchtesensor zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Tensiometer, weist aber eine Trägheit von mehreren Stunden auf. Diese Eigenschaft muß bei automatischer Anwendung berücksichtigt werden, stellt jedoch beim manuellen Einsatz im Feld kein Problem dar.

Ausblick für die Praxis

Die Bewässerung von Einlegegurken auf Mulchfolie mit Tropfbewässerung sollte bei einem Einschaltpunkt von ca. 250 hPa erfolgen. Die Zusatzwassergabe wird dadurch hoch effizient eingesetzt, da Ertrag, Nährstoffaufnahme durch die Pflanzen und Wasserverbrauch im optimalen Verhältnis zueinander stehen. Für eine weitere Optimierung sollte die Düngung enger an die Tropfbewässerung gebunden werden, indem auf breitflächige Nährstoffverteilung verzichtet und Wasser und Nährstoffe direkt nach Pflanzenbedarf dosiert werden. Die Sensorprüfungen zeigen spezifische Eigenarten auf und ermöglichen es, systematische Meßfehler durch technische Verbesserungen auszugleichen. Durch die Anzeige aller Sensormeßwerte in der einheitlichen und im Unterglasanbau üblichen Dimension hPa wird die Handhabung verbessert und Informationen aus Literatur und Beratung können in der Praxis direkt umgesetzt werden. Für den ganzjährigen Feldeinsatz kann das wartungsaufwendige und störempfindliche Tensiometer durch wartungsfreie und robuste Sensoren ersetzt werden, ohne daß auf Meßgenauigkeit und die vertraute Anzeige in hPa verzichtet werden muß. Die exakte Kenntnis der Sensorfunktion und der Wirkung von Störgrößen wird nicht zuletzt zu einer Verbesserung der Meßverfahren durch die Hersteller und zur Entwicklung neuer Sensoren führen.

Literatur: Abschlußbericht, Januar 1997

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