Pessl-Instruments-Sendestation mit Kippwaage zur Messung von Niederschlags- und Beregnungshöhen. (c) Thomas Piernicke

Teilflächenspezifische Beregnung: Effizientes Zusatzwasser

Im Projekt AgriSens Demmin 4.0 wollen sich Wissenschaftler mit smarten Wetterstationen und Drohnen auf den Weg machen, die teilflächenspezifische Beregnung zu optimieren.

Von Thomas Piernicke (Helmholtz-Zentrum Potsdam), Jan Lukas Wenzel, Julia Pöhlitz (MLU Halle-Wittenburg)

Mit dem fortschreitenden Klimawandel befindet sich auch die Landwirtschaft bereits in einem Umfeld vielfältiger Herausforderungen. Im Jahr 2020 wurde mit Agri-Sens Demmin 4.0 ein Projekt ins Leben gerufen, in dem wir nach Möglichkeiten suchen, mit digitalen und fernerkundlichen Mitteln die Landwirtschaft praxisnah und anwendungsorientiert bei diesen Herausforderungen zu unterstützen.

Unter der Federführung des GeoForschungsZentrum Potsdam und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg erarbeiten wir zusammen mit lokalen Partnern wie der Bentziner Ackerbau GmbH Lösungen, wie neben der Vereinfachung der Steinlese oder der möglichst frühzeitigen Abschätzung von Erträgen auch die Ausgabe von Zusatzwasser auf Kulturen möglichst effizient erfolgen kann.

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Teilflächenspezifische Beregnung effizient planen

Innerhalb des Experimentierfeldes und dessen Anwendungsfalles 4 Bewässerung führten wir Experimente durch, um ein Wasserbilanzmodell zu erstellen, mit dessen Hilfe Beregnungsdurchgänge teilschlagspezifisch und möglichst effizient geplant werden können.

Die bisherigen Ergebnisse hierzu am Beispiel des Einsatzes von Trommelsprinklern auf der Stärkekartoffelkultur „Waxy cv. Henriette“ auf anlehmigen Sand als Boden wurden in der Bauernzeitung 19/2023, S. 24–25 veröffentlicht. Innerhalb der Untersuchung fragten wir uns auch, wie wir die Beregnungseffizienz der Trommelsprinkler testen können, da wir davon ausgingen, dass das durch die Trommelsprinkler abgegebene Wasser nicht zu 100 % in den Boden infiltrieren wird.

Es ist bekannt, dass ein gewisser Verlust bei Trommelsprinklern eintritt, da das Wasser bei dieser Beregnungsmethode, anders als bei Tröpfchen- oder Unterflurbewässerung, einen großen Weg von der Wasserabgabe bis zum Boden zurücklegen muss. Hier kann Beregnungswasser einerseits durch Winddrift verweht werden, da es neben sehr großen Tropfen auch aus einem feinen Sprühnebel besteht, der sehr windanfällig ist. Diese sehr feinen Tropfen verdunsten, während sie verweht werden. Andererseits kann ein Teil des Beregnungswassers auf den Blättern verbleiben und nicht auf den Boden tropfen, sodass es nicht in den Boden infiltrieren kann. Man spricht hier von „Interzeption“.

Pessl-Instruments-Sendestation
Pessl-Instruments-Sendestation mit angeschlossener Sentek Drill & Drop Sonde (im Häufel), mit der in einem Abstand von 10 cm bis zu einer Tiefe von 60 cm der volumetrische Wassergehalt des Bodens sowie die Bodentemperatur gemessen werden können. (c) Thomas Piernicke

Das Wasser, das auf den Blättern verbleibt, wird potenziell – vor allem an warmen Tagen – sehr schnell verdunsten. Während der Vegetationsperiode konnten wir Blattflächenindices (englisch: Leaf Area Index, kurz LAI) mit Werten von mehr als LAI = 5 feststellen. Das bedeutet, dass jeder Quadratmeter Bodenfläche von mehr als fünf Quadratmeter Blattfläche bedeckt wird und somit eine große Fläche das Beregnungswasser auffängt.

Außerdem kann eine Verringerung der Effizienz eintreten, indem die Beregnungsintensität die Infiltrationskapazität des Bodens, also die Menge Wasser, die der Boden in einer bestimmten Zeit aufnehmen kann, übersteigt. Einfach gesagt: Es bilden sich Pfützen. Das Wasser in den Pfützen verdunstet an warmen Tagen ähnlich wie die Interzeption auf den Blättern sehr schnell.

Beregnung mit Software steuern

Alle drei Vermutungen konnten wir schon ab dem ersten Beregnungsdurchgang im Feld beobachten und wollten den Effekt natürlich auch bemessen. Da der Umfang des Experimentes aber überschaubar bleiben sollte und uns auch nicht unbedingt interessiert, auf welchem dieser benannten Hindernisse, welcher Teil des Wassers verbleibt, überlegten wir uns eine Methode, wie wir die Differenz der Wassermenge zwischen der Abgabe des Wassers aus dem Regner und der Menge, die im Boden tatsächlich ankommt, messen können. Hierfür nutzen wir eine Methode, die im Prinzip aus drei Teilen besteht:

  • Mithilfe der Software Raindancer können wir aus dem Wasserdruck und einer entsprechenden Umrechnungstabelle des Regners die Bewässerungshöhe ausrechnen. Somit wissen wir, wie viel Liter Wasser je Quadratmeter verregnet werden.
  • Die im Feld aufgestellten Feldmessstationen verfügen jeweils über Sentek Drill&Drop-Bodenfeuchtesonden, die den volumetrischen Wassergehalt bis in eine Tiefe von 60 cm messen. Diese 60 cm Tiefe gelten für diese Kartoffelsorte gleichzeitig als Grenze, bis zu der noch pflanzenverfügbares Wasser zu erwarten ist. Im Jahr 2021 hatten wir insgesamt 15 Sentek–Sonden im Einsatz, im Jahr 2022 hatten wir sogar 27 Sonden genutzt.
  • Da durch die Martin-Luther-Universität Halle/Wittenberg zuvor Bohrstock- und Stechzylinderproben des Bodens genommen wurden, waren uns auch die bodenphysikalischen Eigenschaften und das Porenvolumen bekannt. Das Porenvolumen gibt hierbei an, welche Menge Wasser durch einen Kubikmeter Boden aufgenommen werden kann. Zunächst konnten wir also aus den Beregnungsdaten bestimmen, wie viel Wasser an jeder Messstation bzw. auf genau diesen Quadratmeter um die Bodenfeuchtesonde herum aufgekommen sein sollte. In der Regel wurden hier Mengen zwischen 20 und 25 l/m2 abgegeben.

Abbildung: Schematische Darstellung der Verlustquellen des Beregnungswassers im Vergleich

Darstellung Beregnungseffizienz
(c) Helmholtz-Zentrum, Potsdam

Bewässerungseffizienz: Pflanzenverfügbares Wasser

Von den Messstationen mit Bodenfeuchtesonden wussten wir außerdem den volumetrischen Wassergehalt, der kurz bevor der Regner dort ankam, vorlag. Die Werte wurden pro zehn Zentimeter Tiefe bestimmt, sodass je Bodenfeuchtesonde insgesamt sechs Werte vorlagen. Aus diesen sechs Werten wurde der Mittelwert bestimmt, wobei wir die unterschiedlichen Porenvolumina des Bodens berücksichtigt haben. Diesen Wert nutzten wir jeweils als Ausgangswert.

Nach einem Beregnungsvorgang stieg dieser Wert an, bis er ein Maximum erreicht hat. Diesen Wert nutzten wir als Endwert. Mit der Differenz zwischen Endwert, also dem maximalen Wassergehalt des Bodens nach einem Beregnungsdurchgang, und dem Ausgangswert, also dem minimalen Wassergehalt des Bodens vor einem Beregnungsdurchgang, konnten wir die Menge Wasser, die tatsächlich pflanzenverfügbar in den Boden infiltriert ist, bestimmen.

Der Quotient aus den beiden Werten zeigt dann die Effizienz an, die wir in den Jahren 2021 mit 81,1 % und 2022 mit rund 74,5 % benennen können. Gemittelt ergibt sich hieraus eine Effizienz von 77,5 %. Von den ursprünglich abgegebenen 25 l/m2 Wasser verbleiben als nur rund 19,4 l/m2 als potenziell pflanzenverfügbares Wasser im Boden. Zwar ist diese Methode nicht gänzlich exakt, da neben Messungenauigkeiten der Geräte auch die abgegebene Wassermenge aus dem Regner zu gewissen Teilen schwankt.

Auch kann es vorkommen, dass ein kleiner Teil des Wassers in Bodentiefen von mehr als 60 cm versickert und dann in dn kommenden Tagen zum Teil wieder aufsteigt. Allerdings liegt dieser Teil im Bereich von unter einem Prozent. Insgesamt haben wir aber durch die große Stichprobe einen guten Indikator für die Bewässerungseffizienz erhalten, der zum Beispiel in das Wasserbilanzmodell eingeflossen ist. Um die Bestimmung noch zu präzisieren, werden wir in diesem Jahr das Experiment noch einmal wiederholen und außerdem die Entwicklung des Blattflächenindex berücksichtigen.

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Um die punktuellen Messwerte der smarten Wettersensoren auch vom Punkt in die Fläche zu bringen, wird eine handelsübliche Multispektraldrohne genutzt. (c) Thomas Piernicke
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