Beck, Dipl.-Ing. (FH) Michael: Strategien zur Steuerung der Bewässerung im Gewächshaus und Konsequenzen für die Strukturierung von Leitrechnersystemen

24

Kapitel 3. Der Wasserhaushalt in Boden, Pflanze und Atmosphäre

Die Wasseraufnahme, Wasserbewegung und Transpiration wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst ( Abb. 0.1 ). Wesentliche Triebkraft für einen Wassertransport sind Wasserpotentialdifferenzen zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre. Im Soil-Plant-Atmosphere-Continuum [SPAC] (PHILIPP 1966) muss das Wasser Diffusionswiderstände überwinden. Ein feuchter Boden hat ein höheres Potential als die Pflanze und die Atmosphäre ( Abb. 0.1 ). Die Saugkraft von Pflanzenzellen kann maximal die Höhe des osmotischen Potentials der Vacuolenfüllung (-10 bis -100 bar) erreichen.

Abb. 0.1: Wasserpotentiale und Einflussfaktoren auf Wasseraufnahme, Wassertransport und Transpiration im SPAC (FRICKE und KRUG 1997) ; (MOHR und SCHOPFER 1992) .

3.2 Das Potentialkonzept

Für die Beschreibung des energetischen Zustandes offener chemischer Systeme wird das chemische Potential verwendet. Unter einem chemischen Potential versteht man die freie Enthalpie pro Mol einer bestimmten chemischen Komponente in einem Gemisch mehrerer solcher Komponenten. Das Gesamtpotential wird in eine Reihe von Einzelpotentialen zerlegt, welche in ihrer Summe die freie Enthalpie dieser speziellen Teilchen ausmachen. Übertragen auf das Wasser im Boden und der Luft setzt sich das Gesamtpotential aus dem Konzentrationspotential, dem Druckpotential, dem Ladungspotential und Gravitationspotential zusammen.


25

Die Kenntnis der Potentialdifferenz (DeltaPsi) zwischen zwei Orten erlaubt Aussagen über die Richtung der Wasserbewegung. Wasser strömt entlang eines abfallenden Gradienten von Orten mit höherem (positivem) zu Orten mit niedrigerem (negativerem) Potential. Die freie Enthalpie des Wassers wird dabei verringert (exergonischer Prozess). Wasser kann demgemäss nur unter Energieaufwand transportiert werden. Besteht zwischen 2 Orten keine Potentialdifferenz so findet keine Wasserbewegung statt.

Die Wasserbewegung im SPAC wird häufig als elektrisches Analogiemodell beschrieben. Dabei sind Potentiale (Psix), Kapazitäten (cx), Widerstände (rx) und Ströme (Ix) zu berücksichtigen (MOHR und SCHOPFER 1992) ( Abb. 0.2 ).

Abb. 0.2: Analogiemodell für den Wassertransport in der Pflanze (MOHR und SCHOPFER 1992) .


26

3.3 Das Wasser im Boden

Der Boden bzw. das Substrat dient der Pflanze als Standort. Aufgrund seines Porenraumes kann der Boden das Wasser speichern und leiten. Ist die Wassersättigung erreicht kommt es bei einer weiteren Wasserzufuhr zu einer Wasserbewegung und damit verbunden eventuell zu einer Nährstoffverlagerung in tiefere Bodenschichten. Bei einer Übernässung kann es aufgrund von Sauerstoffmangel im Wurzelbereich zu Ertragseinbußen kommen (BIERHUIZEN und VOS 1959) .

3.3.1 Einteilung des Bodenwassers

Die Einteilung des Bodenwassers in Gravitationswasser, pflanzenverfügbares Wasser und Totwasser wird als statische Betrachtungsweise bezeichnet. Die einzelnen Kenngrößen sind von der Bodenart abhängig ( Abb. 0.3 ).

Abb. 0.3: Wassergehalte in Abhängigkeit der Bodenart (EHLERS 1996) .

Die Wassermenge, die der Boden bei Wassersättigung nach zwei Tagen noch gegen die Schwerkraft halten kann, nennt man Feldkapazität. Ist das Wasser so stark an die Bodenteilchen gebunden, dass die Pflanze kein Wasser mehr aufnehmen kann, ist der permanente Welkepunkt erreicht (bei krautigen Pflanzen, z.B. der Sonnenblume bei -15 bar) (MOHR und SCHOPFER 1992) .


27

3.3.2 Das Wasserpotential des Bodens

Die Betrachtung des Bodenwasserpotentials wird auch als dynamischen Betrachtungsweise bezeichnet. Sie kann auf alle Bodenarten angewendet werden und gibt Aufschluss über die Wasserbewegung bzw. die Wasserverfügbarkeit.

Das Gesamtwasserpotential (PsiG) des Bodens setzt sich aus dem Matrixpotential (PsiM), Gravitationspotential (PsiZ), osmotischem Potential (PsiO) und dem Druckpotential (PsiP) zusammen.

F ( 0.1)

Das Matrixpotential ist in der Adsorption von Wassermolekülen durch die Oberfläche der anorganischen und organischen Bodenteilchen, der Bodenmatrix begründet. Es wird auch als Wasserspannung oder Tension bezeichnet. Das durch gelöste Ionen verursachte osmotische Potential wird, da im Boden keine semipermeable Wand vorhanden ist, bei der Betrachtung der Wasserbewegung im Boden nicht berücksichtigt. Für die Wasseraufnahme durch die Pflanze kann es jedoch bei erhöhten Salzgehalten im Boden durchaus eine Rolle spielen. Das Druckpotential, das kurzfristig durch eine von außen einwirkende Kraft (Bodenbearbeitung) auftreten kann, wird für die Betrachtung der Wasserbewegung ebenfalls außer acht gelassen (HARTGE 1978) .

Für das Wasserpotential im Boden gilt:

F ( 0.2)

Zwischen zwei voneinander entfernten Punkten (Abstand =Deltaz) entsteht nur dann eine Bewegung (Flux (qw)) wenn, eine Wasserpotentialdifferenz (DeltaPsiG) besteht (EHLERS 1996) .

Dieser Zusammenhang wird durch die Darcy-Gleichung beschrieben:

F ( 0.3)


28

3.3.3 Wasserbewegung im Boden

Die Bodenphysik unterscheidet die gesättigte und die ungesättigte Wasserbewegung. Mit zunehmender Austrocknung wird die verbleibende Wasserfüllung in immer kleinere Poren mit immer geringerem Porendurchmesser verschoben. Der wasserleitende Querschnitt im Boden und die hydraulische Leitfähigkeit nehmen ab. Zur Bestimmung der tatsächlich geleiteten Wassermenge wird deshalb die erweiterte Darcy-Gleichung verwendet (EHLERS 1996) :

F ( 0.4)

Das Gravitationspotential (PsiZ) hat ein positives Vorzeichen. Es beträgt an der Wasseroberfläche null und nimmt mit steigender Höhe zu ( Abb. 0.4 ). Das Matrixpotential (PsiM) wirkt dem Gravitationspotential entgegen, hat ein negatives Vorzeichen und nimmt mit steigender Trockenheit ab. In einer mit Wasser gesättigten Bodensäule ist das Gesamtpotential (PsiG) = 0. Es findet keine Wasserbewegung statt ( Abb. 0.4 ).

Abb. 0.4: Die Potentialverteilung in einer wassergesättigten Bodensäule (EHLERS 1996) .

Für die weitere Betrachtung des Matrixpotentials wird das negative Vorzeichen weggelassen.

Da die Lage der Grundwasseroberfläche meist nicht bekannt ist, kann das Gesamtpotential nicht berechnet werden. Zur Bestimmung der Wasserbewegung wird deshalb der hydraulische Gradient (Grad(PsiG)), der aus dem Matrixpotential (PsiM, z2; PsiM, z1) an 2 verschieden tief liegenden Messpunkten (z2; z1) berechnet wird, verwendet:

F ( 0.5)


29

Ist der hydraulische Gradient Null (Grad(PsiG) = 0) herrscht Gleichgewicht, es findet keine Wasserbewegung statt. Ist er kleiner Null (Grad(PsiG) < 0) findet ein Wasseraufstieg statt, ist er größer Null (Grad(PsiG) > 0) eine Wasserversickerung ( Abb. 0.5 ).

Abb. 0.5: Beurteilung der Wasserbewegung mit Hilfe des hydraulichen Gradienten.

Durch einen starken Wasserentzug von Pflanzen und kontrollierten Bewässerungsbedingungen kann sich eine sog. Trockenzone unterhalb der durchwurzelten Bodenschicht ausbilden ( Abb. 0.6 ).

Abb. 0.6: Optimale Matrixpotentialverhältnisse zur Verhinderung der Wasserversickerung bei einer tensioschaltergesteuerten Bewässerung (BECK et al. 1995) .


30

Unterhalb der Trockenzone findet Wasseraufstieg statt. Eine Nährstoffverlagerung in tiefere Bodenschichten wird dadurch verhindert. Die Trockenzone kann durch den Einsatz von Tensiometern beobachtet werden.

3.3.4 Wasserverteilung unter einer Tropfstelle

Die Tropfbewässerung wird unter anderem aufgrund der positiven Beeinflussung des Gewächshausklimas bei dem Anbau im gewachsenem Boden häufig eingesetzt. Die Wasserausbreitung unter einer Tropfstelle verhält sich je nach Bodenart, Bewässerungsmenge und Niederschlagsdichte unterschiedlich ( Abb. 0.7 ) (DASBERG und BRESLER 1985) ; (GOLDBERG et al. 1976) .

Abb. 0.7: Wassergesättigte Bodenzonen unterhalb einer Tropfstelle bei verschiedenen Ausbring- mengen (4-16 Liter) Niederschlagsdichte (Q) und Bodenarten (DASBERG und BRESLER 1985) .

Neben materialbedingter Fertigungstoleranzen, die je nach Tropfschlauch und Gefälle unterschiedlich sein können (WILHELM und MEYER 1992) ergeben sich durch das Auslaufen des Bewässerungssystems nach Abschluss eines Gießvorganges Ungleichmäßigkeiten in der Wasserverteilung (HÖFERT et al. 1994) .


31

3.3.5 Methoden zur kontinuierlichen Messung des Bodenwassers

Zur Charakterisierung des Bodenwassers kann der Wassergehalt oder die Wasserverfügbarkeit bzw. die Kraft, mit der das Wasser gebunden ist (Matrixpotential), gemessen werden. Im Gegensatz zum Wassergehalt kann das Matrixpotential unabhängig von den Bodeneigenschaften miteinander verglichen und daraus die Wasserbewegung abgeleitet werden. Von LÜHR und KLEISINGER wird ein Prüfverfahren zur Kalibrierung der Messwerte wartungsarmer Sensoren auf die Tensiometer-Saugspannung vorgestellt (LÜHR und KLEISINGER 1998) .

Die wichtigsten Methoden zur Messung des Bodenwassers werden nachfolgend beschrieben.

3.3.5.1 TDR-Methode

Das Verfahren der Time Domain Reflectrometry (TDR) ist eine indirekte Methode zur Messung des volumetrischen Wassergehaltes. Dieser Methode liegt die Tatsache zugrunde, dass die Laufzeit elektromagnetischer Wellen vom Wassergehalt des Bodens abhängig ist. Anhand der gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen und der Länge der eingebrachten Messstäbe wird die Dielektrizitätszahl bestimmt. Aus der Dielektrizitätszahl, der Temperatur sowie der geschätzten Porosität der Stoffmatrix kann der Wassergehalt berechnet werden (KELLER 1997) .

Das EQUI-Tensiometer ist eine Sonderform der TDR-Sonde zur Bestimmung des Matrixpotentials. Dieses Meßsystem deckt einen Messbereich von 0 bis 10.000 hPa ab, ist wartungsfrei und von der Bodenstruktur unabhängig. Das EQUI-Tensiometer bestimmt zunächst den Wassergehalt eines im Boden befindlichen Gleichgewichtskörpers. Da dessen Materialkonstanten bekannt sind und sich dieser mit dem Bodenwasser im Gleichgewicht befindet kann daraus das Matrixpotential ermittelt werden (KELLER 1997) .

3.3.5.2 Leitfähigkeitsmessung

Die Messung der Leitfähigkeit beruht darauf, dass im Bodenwasser gelöste Salze den Strom zwischen zwei im Boden befindlichen Elektroden leiten. Je nach dem Wassergehalt des Bodens wird dabei ein unterschiedlicher Widerstand gemessen. Zur Ermittlung des tatsächlichen Wassergehaltes bzw. des Matrixpotentials müssen für jede Bodenart entsprechend Eichkurven erstellt werden. Die Schaltpunkte für eine Bewässerungssteuerung sind je nach Boden bzw. Substrat und dem Salzgehalt individuell zu ermitteln.


32

Gipsblocksensoren

Bei dieser Methode wird das Gesamtwasserpotential, das dem Matrixpotential entspricht, gemessen (SCHACHTSCHABEL et al. 1989) . Um den Salzgehalt, der bei der reinen Leitfähigkeitsmessung störend wirkt, auszuschalten werden die Elektroden in einem Gipsblock befestigt. Der elektrische Widerstand, den der Gipsblock dem Stromdurchgang bietet ist nur von der leitenden Eigenschaft der gesättigten Gipslösung in seinen Poren abhängig. Die Lösung steht hinsichtlich ihrer Wasserspannung im Gleichgewicht mit dem umgebenden Boden. Um das Matrixpotential erfassen zu können muss für jeden Sensor eine Eichkurve erstellt werden (HARTGE 1989) . Gipsblockelektroden sind für einen Messbereich > 1000 hPa geeignet.

Watermarksensoren

Sonderformen der Gipsblock-Sensoren sind die sogenannten Watermark-Sensoren. Sie bestehen nicht aus massivem Gips sondern aus einem gipsgetränkten Gewebe. Ihr Messbereich wird von 30 bis 2000 hPa angegeben (KELLER 1997) .

3.3.5.3 Kapazitive Methode

Das kapazitive Messprinzip ist eine weitere Methode zur Bestimmung des Wassergehaltes. Die Kapazität eines Kondensators ist von dem Medium zwischen 2 Platten, in diesem Fall vom Boden und dem Wassergehalt der Bodens, abhängig. Um bei diesem Messprinzip exakte Werte zu erhalten ist für jede Bodenart eine Eichkurve zu erstellen. Das ENVIROSCAN-System der Firma Sentek (SENTEK 1997) verwendet dieses Messprinzip um die Bodenfeuchte in verschiedenen Bodentiefen zu überwachen ( Abb. 0.8 ).

Abb. 0.8: ENVIROSCAN zur Überwachung der Bodenfeuchte in verschiedenen Bodentiefen (SENTEK 1997) .


33

3.3.5.4 Tensiometrie

Die Tensiometrie wird auch als Saugspannungsmessung bezeichnet. Tensiometer bestehen aus einem keramischen porösen Tonkörper der über ein Plexiglasrohr mit einem Manometer in Verbindung steht. Das Plexiglasrohr ist mit Wasser gefüllt und vakuumdicht verschlossen. Der Tonkörper hat direkten Kontakt mit dem Boden und ist für Wasser und Ionen durchlässig. Je nach Wassergehalt des Bodens entsteht im Inneren ein mehr oder weniger starker Unterdruck. Tensiometer sind für einen Messbereich < 800 hPa geeignet. Bei einem Unterdruck > 800 hPa dringt Luft über Poren der Tonzelle in das System, so dass es sich langsam entleert. Je nach Bauart der Tensiometer ist die Höhe der Wassersäule, die bereits von sich aus einen Unterdruck erzeugt, zu berücksichtigen. Die am Manometer angezeigten Messwerte sind dementsprechend zu korrigieren ( Abb. 0.9 ).

 

F ( 0.6)

Abb. 0.9: Aufbau und Korrektur der Messwerte eines Tensiometers.

Zur Bewässerungssteuerung können auch Tensioschalter bzw. Tensiostate eingesetzt werden. Der Aufbau entspricht dem eines Tensiometers. Ein angeflanschter Unterdruckschalter mit Arbeits- und Ruhekontakt kann für eine entsprechende Regelung verwendet werden. Tensioschalter haben je nach Ausführungsform einen werkseitig, fest eingestellten, Schaltpunkt. Sollen unterschiedliche Feuchteverhältnise realisiert werden sind entsprechende Schalter zu verwenden.

3.3.6 Wasserspannung und Wassergehalt

Die Beziehung zwischen Wasserspannung und Wassergehalt wird in der für den entsprechenden Boden ermittelten pF-Kurve beschrieben ( Abb. 0.10 ). Sie ist eine Summenkurve der Wasseranteile bei zunehmenden Potential.


34

Abb. 0.10: Beziehung zwischen Wassergehalt und Wasserspannung bei unterschiedlichen Bodenarten. FK=Feldkapazität, PWP=Permanenter Welkepunkt (SCHACHTSCHABEL et al. 1989) .

Neben der Körnung (Sand, Schluff, Ton) hat das Gefüge einen Einfluss auf den Verlauf der pF-Kurve (SCHACHTSCHABEL et al. 1989) .

Während einer Anbauperiode sind sowohl bei dem Anbau im gewachsenem Boden als auch in Substraten durch Bodenbearbeitung, Wurzelwachstum und dem Abbau von organischer Substanz Veränderungen im Porenvolumen und damit auch im Wasserhaushalt festzustellen (SCHACHTSCHABEL et al. 1989) ; (FISCHER und KALTHOFF) .

3.3.7 Wasserspannung und Pflanzenwachstum

Aus Sicht der Pflanze ist das Matrixpotential (Wasserspannung) des Bodens der Widerstand, den sie bei der Wasseraufnahme überwinden muss. Nach BIERHIUZEN wirkt sich sowohl ein vermindertes als auch ein zu hohes Wasserangebot negativ auf das Pflanzenwachstum aus ( Abb. 0.11 ) (BIERHUIZEN und VOS 1959) .


35

Abb. 0.11: Einfluss der Wasserspannung (Matrixpotential) auf das Wachstum (BIERHUIZEN und VOS 1959) .

Die Ertragseinbußen bei der geringen Wasserspannung sind durch Sauerstoffmangel im Wurzelbereich zu erklären. Mindererträge bei hohen Wasserspannungen sind auf die starke Wasserbindung und damit für die Pflanzen geringere Verfügbarkeit zurückzuführen.

Bei vielen Bewässerungsverfahren ist in den befeuchteten Boden- bzw. Substratschichten aufgrund der Gießvorgänge ein stark schwankender Matrixpotentialverlauf festzustellen ( Abb. 0.12 ).

Abb. 0.12: Matrixpotentialverlauf und Mittelwert des Matrixpotentials bei Rucola im 9 cm Topf mit Ebbe-Flut-Bewässerung. Bewässerungsteuerung über Tensioschalter (100 und 400 hPa Einschaltpunkt) (KELL et al. 1997) .


36

Nach einem Bewässerungsvorgang fällt das Matrixpotential in der Regel stark ab um sich dann allmählich wieder aufzubauen. Bei einem Einschaltpunkt von 100 hPa wurde über den untersuchten Zeitraum ein Mittelwert des Matrixpotentials von 30 hPa und bei einem Einschaltpunkt von 400 hPa war der Mittelwert 85 hPa ( Abb. 0.12 ).

Für die Bewässerungssteuerung von Gewächshauskulturen werden bei einer direkten Messung im Substrat bzw. Boden von FRENZ Schaltpunkte von 60 bis 120 hPa empfohlen (FRENZ 1979) , für den Freilandanbau von WILHELM und MAYER Schaltpunkte zwischen 120 bis 400 hPa (WILHELM und MEYER 1992) .

3.4 Das Wasser in der Pflanze

Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil (70-95%) von Pflanzen und wird für Photosynthese und Kohlenhydratbildung benötigt ( Abb. 0.13 ).

Abb. 0.13: Licht und Wasser als Voraussetzung für die Photosynthese (GARDNER et al.1985) .

In der Pflanze dient das Wasser als Transportmittel. Einige Nährstoffe wie z.B. Calcium werden von der Pflanze passiv mit dem Transpirationsstrom aufgenommen und transportiert. Wasser hat eine hohe Wärmekapazität. Durch den Energieverbrauch bei dem Verdunstungsprozess werden die Blattflächen gekühlt und damit günstige Bedingungen für die Photosynthese geschaffen. Weiterhin vermittelt das Wasser über den Turgordruck der Pflanze ihre typische Form und Festigkeit. Durch das Öffnen und Schließen der Stomata wird nicht nur der Wasserhaushalt der Pflanze, sondern auch die Kohlendioxid- und Sauerstoffversorgung und damit die Photosynthese beeinflusst.

Der größte Teil des aufgenommenen Wassers wird von der Pflanze über die Stomata wieder ausgeschieden. Kulturpflanzen im gemäßigtem Klima benötigen zur Bildung von einem kg Trockensubstanz ca. 300-800 kg Wasser (EHLERS 1996) .


37

3.4.1 Widerstände für das Wasser in der Pflanze

Das Wasser wird von der Pflanze über die Wurzeln aufgenommen und im Xylem transportiert. Der radiale Widerstand im Rindenparenchym zwischen Wurzeloberfläche und Zentralzylinder wird höher als der axiale Widerstand im Rindenparenchym eingeschätzt (MOHR und SCHOPFER 1992) . Der Widerstand im Xylem des Sprosses ist vergleichsweise gering. Ein erheblicher Widerstand besteht für die Dampfphase des Wassers in der Cutikula. Die cutikuläre Transpiration beträgt 10 % der Gesamttranspiration. 90 % der aufgenommenen Wassermenge werden über die Stomata (stomatäre Transpiration) ausgeschieden (MOHR und SCHOPFER 1992) .

Im Pflanzeninneren verdunstet das Wasser von den an die Interzellularen grenzenden Zellen. Es wird angenommen, dass die Luft in den Hohlräumen des Blattes mit Wasserdampf gesättigt ist (THORNLEY und JOHNSON 1990) . Aus dem Interzellularraum entweicht der Wasserdampf über die Stomata aus der Pflanze. Infolge eines Randeffektes werden die austretenden Wasserdampfmoleküle nach allen Seiten abgelenkt und bilden Wasserdampfkuppen um die Stomata (EHLERS 1996) ( Abb. 0.14 ). Aufgrund der hohen Luftfeuchte hat die Luft unmittelbar am Blatt ein geringes Wasserdampfsättigungsdefizit. Diese Schicht wird als Grenzschicht bezeichnet, stellt eine Diffusionsbarriere für den austretenden Wasserdampf dar und wird durch die Luftbewegung (Wind) beeinflusst (Kap. 0 ). Der Kehrwert des stomatären Widerstandes wird auch als stomatärer Leitwert bezeichnet und wurde von SCHMIDT modelliert (SCHMIDT 1989) .

Abb. 0.14: Weg der Wassermoleküle vom Xylem bis in die äußere Atmosphäre (NULTSCH 1991) .

Die Feinregulierung der Transpiration über die Stomata ist nicht bei allen Pflanzenarten gleich ausgeprägt (EHLERS 1996) . Durch eine Anreicherung von osmotisch wirkenden Substanzen fließt Wasser in die Schließzellen. Mit der Erhöhung des Turgors werden die beiden Schließzellen zwangsweise auseinandergebogen, so dass ein offener Spalt entsteht.


38

Das Öffnungsverhalten wird durch eine Reihe von äußeren Faktoren beeinflusst ( Abb. 0.15 ):

Abb. 0.15: Modell zur Regelung bzw. Steuerung des stomatären Gastransportes (MOHR und SCHOPFER 1992) .

3.4.2 Wasserverbrauch und Blattfläche

Der Wasserverbrauch eines Pflanzenbestandes wird maßgeblich durch dessen Blattfläche bestimmt. Zur Beschreibung eines Pflanzenbestandes wird häufig der sog. Blattflächenindex (Leaf Area Index, LAI), der als Blattoberfläche (Abl) je Einheit Bodenoberfläche (AG) definiert ist, angegeben.

F ( 0.7)


39

Aufgrund veränderter Umgebungsbedingungen (Einstrahlung, Temperatur, Luftfeuchte) ist innerhalb eines Pflanzenbestandes bzw. mit zunehmendem LAI mit einem veränderten Transpirationsverhalten zu rechnen (EHLERS 1996) . Aufgrund der gegenseitigen Beschattung der Blattflächen und der damit verbundenen Minderung der eingestrahlten Energie nimmt die Transpirationsrate mit steigendem Blattflächenindex nicht linear zu ( Abb. 0.16 ).

Abb. 0.16: Verhältnis der Raten von Transpiration (T) und Evapotranspiration (Etp) in Abhängigkeit des Blattflächenindex bei Hafer (EHLERS 1991) .

3.4.3 Wasserverbrauch und Nährstoffversorgung

Obwohl in dieser Arbeit auf die Nährstoffversorgung der Pflanzen nicht eingegangen wird, muss darauf hingewiesen werden, dass eine optimale Nährstoffversorgung ein gesteigertes Pflanzenwachstum und parallel dazu eine höhere Transpiration bedingt. Verschiedene Nährstoffe wie z.B. Kalium haben einen direkten Einfluss auf den Wasserhaushalt der Pflanzen. Kalimangel stört den Schließmechanismus der Stomatazellen. Die Schließbewegungen werden verlangsamt (BERGMANN, 1988) .

Der Bodenwassergehalt und das Bewässerungssystem wirken sich auf Nährstoffverfügbarkeit und -transport aus. Da im Gewächshausanbau die Nährstoffe oftmals mit dem Gießwasser ausgebracht werden, sind je nach Düngekonzept bei unterschiedlichem Wasserverbrauch unterschiedliche Auswirkungen auf die Nährstoffversorgung des Pflanzenbestandes zu erwarten.


40

3.4.4 Wasserstress der Pflanzen

Geraten Pflanzen in Wasserstress, so kann der Zustand nicht nur optisch (Pflanzen welken), sondern auch messtechnisch z.B. über eine direkte Transpirationsmessung verfolgt werden. TANNER in EHLERS beschreibt eine Methode, in der die über eine Wärmebildkamera erfasste Blatttemperatur zur Berechnung eines Wasser-Stress Index CWSI (Crop-Water-Stress-Index ( Abb. 0.17 )) verwendet wird (EHLERS 1996) . Transpirieren Pflanzen bei guter Wasserversorgung optimal, ist ihre Blatttemperatur gegenüber der Lufttemperatur aufgrund der Verdunstungskälte erniedrigt. Bei Wassermangel schließen die Stomata, die Transpiration ist vermindert und die Blätter kühlen weniger stark ab. Da die Temperaturdifferenz (Tbl-TL) nicht nur von der Transpiration, sondern auch vom Sättigungsdefizit der Luft (es(T)-e) abhängt, wird diese in Abhängigkeit des Sättigungsdefizits angegeben.

Abb. 0.17: Crop-Water-Stress-Index bei Luzerne nach IDSO 1982 in EHLERS (EHLERS 1996) .

Bei ausreichender Bodenwasserversorgung und maximaler Blatttranspiration nimmt die Blatttemperatur mit zunehmendem Sättigungsdefizit ab ( Abb. 0.17 Untere Basislinie). Die obere Basislinie ergibt sich bei maximalen Wasserstress bei vollständigem Stomataschluss. Sie liegt über der Lufttemperatur.

Das in Abb. 0.17 dargestellte Berechnungsbeispiel geht von einer gegenüber der Lufttemperatur um minus 5 °C niedrigeren Blatttemperatur (Punkt „P“) und einem Sättigungsdefizit von 4,5 kPa aus. Da die Temperaturerniedrigung (DeltaTemp) um 2,8°C geringer als die ohne Wasserstress zu erwartende Differenz war, liegt eine verminderte Transpiration vor. Der Stressindex beträgt 0,31.


41

3.5 Zusammenhänge zwischen Transpiration und Klima

3.5.1 Transpiration und das Wasserpotential der Luft

BIERHUIZEN und SLAYTER wiesen die Transpiration (Tr) in Abhängigkeit der Konzentrationsunterschiede des Wasserdampfes innerhalb (chiiB) und außerhalb des Blattes (chiaB) nach (BIERHUIZEN und SLAYTER 1965) . Sie berücksichtigten die Diffusionswiderstände am Blatt (Grenzschichtwiderstand (raB)) und den Diffusionswiderstand im Blatt (rib) (Kap .1.4 ).

F ( 0.8)

Die Pflanze hat keine internen Mechanismen zur Erhöhung des Wasserpotentials. Treibende Kraft für den Wassertransport sind abfallende Wasserpotentialgradienten (MOHR und SCHOPFER 1992) . Das Wasserpotential der Luft (PsiL) ist für die Höhe des Transpirationsstromes die entscheidende Größe. Es kann aus der allgemeinen Gaskonstante (R = 8,314 Jmol-1K-1), der Temperatur (T), dem normalen Molvolumen von Wasser (V(H2O)= 18,015 mlmol-1 bei 0°C) und der relativen Luftfeuchte (phi) berechnet werden (MOHR und SCHOPFER 1992) :

F ( 0.9)

Zur Veranschaulichung der Zusammenhänge des Wasserpotentials der Luft mit der Temperatur und der Luftfeuchte wurde aus obiger Formel Abb. 0.18 aufgebaut. Hat die Luft ihre maximale Sättigung erreicht (100 % relative Luftfeuchte) ist ihr Wasserpotential per Definition gleich Null.

Abb. 0.18: Das Wasserpotential der Luft in Abhängigkeit von Temperatur und Luftfeuchte.


42

Als Sättigungsdefizit wird die noch bestehende Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf (es(T)-e = DeltapL) bezeichnet. Für die Stärke der Verdunstung ist dies von großer Bedeutung (EIMERN 1984) . Es wird aus dem Dampfdruck (e), dem Sättigungsdampfdruck (es(T)) bei der vorherrschenden Lufttemperatur (T) und der relativen Luftfeuchte (phi) berechnet (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. (DVWK 1996) ):

F ( 0.10)

Ist wie bei der Transpiration eine Oberfläche (Blattfläche) beteiligt, deren Temperatur sich von der Lufttemperatur unterscheidet, so ist die Aussagekraft des Sättigungsdefizits und des Wasserpotentials nicht ausreichend. Um die an der Verdunstung beteiligten Oberflächen zu berücksichtigen wurde von SCHMIDT die Dampfdruckdifferenz (DeltapBL) eingeführt (SCHMIDT 1989) . Bei der Ermittlung der Dampfdruckdifferenz geht man davon aus, dass bei einer Wasserdampfpartialdruckdifferenz zwischen dem Dampfdruck der Luft (eL) und dem Dampfdruck der an der Verdunstung beteiligten Blattfläche, ein Ausgleich stattfindet. Da direkt an der Oberfläche bzw. in den Interzellularen 100 % Luftfeuchte herrschen (THORNLEY und JOHNSON 1990) wird für den Dampfdruck der beteiligten Oberfläche der Sättigungsdampfdruck (es(Tbl)) bei der vorherrschenden Blatttemperatur (Tbl) verwendet. Der Dampfdruck der Luft wird aus der relativen Luftfeuchte (phi) und der Lufttemperatur (TL) berechnet. Bei einer von der Lufttemperatur abweichenden Oberflächentemperatur sind zwischen dem Sättigungsdefizit und der Dampfdruckdifferenz Unterschiede vorhanden ( Abb. 0.19 ).

F ( 0.11)


43

Abb. 0.19: Sättigungsdefizit und Dampfdruckdifferenz eines gegenüber der Lufttemperatur (20°C) um 5°C wärmeren Blattes.

Noch deutlicher wird die Bedeutung des Sättigungsdefizits und der Dampfdruckdifferenz wenn die relative Luftfeuchte 100 % beträgt. Das Sättigungsdefizit und das Wasserpotential ist in diesem Fall 0 und somit würde bei der Verwendung des Sättigungsdefizits als Triebkraft für die Transpiration kein Wassertransport stattfinden. Bei der energetischen Betrachtung im hx-Diagramm ( Abb. 0.20 ) ist dies nur der Fall, wenn die Lufttemperatur gleich der Oberflächentemperatur, sprich der Blatttemperatur, ist. In dem dargestellten Beispiel wurde eine Lufttemperatur von 20 °C und eine relative Luftfeuchte von 100 % angenommen. Hat die Blatttemperatur ebenfalls 20°C (Punkt A) so ist die Dampfdruckdifferenz 0. Weicht die Blatttemperatur von der Lufttemperatur ab (Punkt B und C) so entsteht eine Dampfdruckdifferenz und es findet aufgrund einer möglichen Enthalpieverringerung auch bei einer relativen Luftfeuchte von 100 % ein Wassertransport statt.


44

Abb. 0.20: Dampfdruckdefizit, Sättigungsdefizit und Wasserpotential der Luft bei 100% relativer Luft feuchte, 20 °C Luft- und einer Blatttemperatur von 15°C (B), 20°C (A) und 25°C (C).

3.5.2 Transpiration und Temperatur

Die Lufttemperatur kann sich je nach Strahlung erheblich (-2°C bis +20°C) von der Blatttemperatur unterscheiden (MACKROTH 1972) . Untersuchungen von HEIßNER an Paprika ( Abb. 0.21 ) zeigen die Häufigkeitsverteilung der Differenz Blatt-Lufttemperatur (HEIßNER 1997) .

Abb. 0.21: Häufigkeitspolygon der Differenz Blatt- Lufttemperatur (HEIßNER 1997) .


45

Für die Berechnung der Dampfdruckdifferenz zwischen der Luft und dem Pflanzenbestand muss die Blatttemperatur bestimmt werden. Neben der Modellierung der Blatttemperatur (SCHMIDT 1989) ist eine direkte Messung möglich. Dabei sind nach MACKROTH folgende Punkte zu berücksichtigen (MACKROTH 1972) :

3.5.3 Transpiration und Strahlung

Die Strahlung ist Voraussetzung für die Photosynthese und damit für die Substanzbildung der Pflanzen. Wie das Sättigungsdefizit der Luft wird sie häufig als Motor der Evaporation und Transpiration beschrieben (EHLERS 1996) . Sie liefert Energie für die Überleitung des flüssigen Wassers in die gasförmige Phase.

Die Strahlung kann nach verschiedenen Prinzipien gemessen werden. Zur Steuerung der Bewässerung und Schattierung wird häufig das sichtbare Licht über sog. Luxmeter außerhalb des Gewächshauses an einer zentralen Stelle erfasst. Die Messung der Globalstrahlung und photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) wird hauptsächlich in der Meteorologie eingesetzt. Eine Umrechnungstabelle der wichtigsten Strahlungsgrößen ist im Anhang ( Tab-A 13 ) aufgeführt.

GRAFF und ENDE zeigen einen linearen Zusammenhang zwischen der Einstrahlung und dem Wasserverbrauch der unterschiedlichen Wachstumsstadien auf ( Abb. 0.22 ) (GRAFF und ENDE 1981) .

Abb. 0.22: Beziehung zwischen Globalstrahlung und Transpiration während verschiedener Wachstumsphasen bei Paprika, Tomate und Salat (GRAFF und ENDE 1981) .


46

Neben einer direkten Wirkung auf die Öffnungsbewegungen (photoaktive Bewegung) der Stomata (RUGE 1966) wirkt die Strahlung durch die Umwandlung in Wärmestrahlung auf das Sättigungsdefizit und die thermischen Verhältnisse im Gewächshaus.

Bei der Betrachtung der Lichtverhältnisse innerhalb eines Pflanzenbestandes muss berücksichtigt werden, dass aufgrund gegenseitiger Beschattung der Strahlungsgenuss der einzelnen Pflanzenteile unterschiedlich ist (HEIßNER 1997) .

3.5.4 Transpiration und Luftbewegung

Wird die Luftschicht in direkter Umgebung der Stomata (Grenzschicht) durch eine ständige Luftbewegung gestört und Luft mit einem niedrigeren Wasserpotential herbeigeführt, so steigt die Intensität der stomatären Transpiration ( Abb. 0.23 ).

Abb. 0.23: Einfluss der Spaltenweite (Öffnung der Stomata) und der Luftbewegung auf die Transpiration (MOHR und SCHOPFER 1992) .

Im Gewächshaus wird die Luftbewegung durch die Öffnung der Lüftung, das Heizungssystem, offene Türen, Konvektionsströme u.a. beeinflusst.

Die Luftwechselzahl, die ein Maß für den Austausch der Luftmasse pro Zeiteinheit darstellt, kann für geschlossene Gewächshäuser durch Messung der CO2-Konzentration zum Zeitpunkt t und t+1h berechnet werden (LECKER 1985) . Bei geöffneten Lüftungen ist dieses Verfahren allerdings mit Fehlern behaftet (LECKER 1997) .


47

3.6 Modelle zur Wasserbedarfsberechnung

Der Wasserverbrauch (wG) einer bepflanzten Fläche ist die Summe der durch die Pflanzen transpirierten Wassermenge (wTr), der Wassermenge, die über den Boden verdunstet (Evaporation; wE), der Wassermenge, die im Boden gespeichert wird (Deltawbo) und der Wassermenge, die durch Versickerung (mV) verloren geht (DVWK 1996) .

F ( 0.12)

Bei der Evaporation tritt das Bodenwasser aus dem feuchten Boden an der Bodenoberfläche von der flüssigen in die gasförmige Phase über. Für diesen endogenen Prozess ist Strahlungsenergie notwendig. Besteht ein Dampfdruckdefizit, diffundieren die Wassermoleküle von der Bodenoberfläche weg. Der Abtransport wird durch die Luftbewegung, durch Konvektionsströme und durch den Wind verstärkt. Die Wasserverluste sind von der aus dem Boden nachgelieferten Wassermenge abhängig.

Die Evaporation kann, was für die Modellierung der Evaporation von entscheidender Bedeutung ist, in 3 Phasen eingeteilt werden ( Abb. 0.24 ). In der ersten Phase, wenn der Boden noch weitgehend wassergesättigt ist, entspricht sie annähernd der Verdunstung einer freien Wasseroberfläche. Mit fortschreitender Austrocknung sinkt die Evaporationsrate bis sie in der 3. Phase einen gleichbleibend niedrigen Wert erreicht.

Abb. 0.24: Zeitlicher Verlauf der Evaporation aus einem Boden in dem das Wasser nicht ersetzt wird (HARTGE 1978) .

Die Evaporation ist vor allem im Freiland ein wesentliches Glied des hydrologischen Kreislaufs. Im Gewächshausanbau wird sie durch den Einsatz geeigneter Maßnahmen, wie z.B. dem Einsatz von Tropfbewässerungen oder das Bedecken des Bodens mit einer Mulchfolie, reduziert.


48

3.6.1 Verdunstung an Wasseroberflächen

DALTON verwendete im 18. Jahrhundert eine Funktion der Windgeschwindigkeit (f(v)), den Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur der Wasseroberfläche (es(TWa)) und den Dampfdruck der Luft (e), um die Verdunstung von einer freien Wasseroberfläche (EWa) zu berechnen (DVWK 1996) .

F ( 0.13)

PENMAN entwickelte 1948 eine Gleichung, in der die Energiehaushaltsgleichung mit der DALTON-Gleichung kombiniert wurde (DVWK 1996) . Neben der Windgeschwindigkeit wird das Sättigungsdefizit, die Nettostrahlung (Rn), die Verdunstungswärme des Wassers (L) und die Psychrometerkonstante (gamma= 0,65 hPa/K) berücksichtigt:

F ( 0.14)

(über Wasser)

F ( 0.15)

3.6.2 Evapotranspiration

Zur Berechnung der Evapotranspiration werden sowohl empirisch gewonnene, als auch komplexe, physikalisch abgeleitete Funktionen verwendet. Aus methodischen Gründen wird zwischen der maximal möglichen Verdunstung (potentielle Evapotranspiration) und der tatsächlichen (aktuellen Evapotranspiration) unterschieden.

Die potentielle Evapotranspiration (ETp) ist eine Näherung für die Verdunstung bewachsener Landflächen. In Zeitabschnitten mit hohen Bodenfeuchten bzw. häufigen Regenfällen ist die reale Evapotranspiration mit der potentiellen Evapotranspiration identisch. Bei austrocknendem Boden ( Abb. 0.24 ) muss die potentielle Evapotranspiration über eine Reduktionsfunktion an die steigenden Verdunstungswiderstände im Boden angepasst werden.

Die potentielle Evapotranspiration wird u.a. für wasserwirtschaftliche Zwecke, Planung von Bewässerungsanlagen, Beregnungsberatung sowie zur Erstellung von Wasserhaushaltsmodellen eingesetzt (DVWK 1996) .


49

Ein einfaches Berechnungsverfahren wurde von HAUDE (EIMERN 1984) , der einen für die verschiedenen Monate feststehenden „HAUDE-Faktor“ (f) und das Sättigungsdefizit der Luft (es(T)-e) um 14.30 MEZ berücksichtigt, entwickelt.

F ( 0.16)

PENMAN kombinierte die Energiebilanzgleichung und die aerodynamischen Verhältnisse. Zur Berechnung der Evapotranspiration einer stets feuchten Bodenoberfläche lautet die Gleichung (EIMERN 1984) :

F ( 0.17)

3.6.3 Wasserverbrauch von Gewächshauskulturen

STANGHELLINI in BAKKER leitet den Transpirationsflux von Pflanzen im Gewächshaus (E) von der Nettostrahlung (Rn), der Evaporationswärme (L), der Steigung der gesättigten Dampfdruckkurve (s), der psychrometrischen Konstante (gamma), den Widerständen des Blattes (rbl) und der Grenzschicht (rGr), der Wasserdampfkonzentration der Umgebung (chia; chia*) und dem Blattflächenindex (LAI) ab (BAKKER et al. 1995) :

F ( 0.18)

HEIßNER bezieht die Transpiration von Capsicum annuum in einem empirischen Modell auf die Dampfdichtedifferenz zwischen Blatt und Umgebungsluft, die Blattfläche und die Strahlung ab (HEIßNER 1997) . Er beschreibt die Transpiration verschiedener Bestandsschichten (i) als Funktion der Leitfähigkeit (g(i)) und der Dampfdruckdifferenz (Deltap1(i)). Die Leitfähigkeit ist wiederum eine Funktion in Abhängikgeit der Einstrahlung und der Feuchte (f1(Q); f2(phi-gr)). Als Messgröße geht die Bestrahlungsstärke (Q()), die Lufttemperatur (T), die Luftfeuchte (phi-gr) sowie die Blattfläche (A()) ein:


50

F ( 0.19)

F ( 0.20)

F ( 0.21)

F ( 0.22)

F ( 0.23)

F ( 0.24)

SCHMIDT beschreibt in einer Modellgleichung den Transpirationsmassenstrom (TrPf) eines Pflanzenbestandes in Abhängigkeit einer Transpirationskonstanten (sigma), die im wesentlichen die stomatären und den Grenzschichtwiderstand beinhaltet, der Dampfdichtedifferenz ( ) sowie dem Blattflächenindex (LAI) (SCHMIDT 1999) .

F ( 0.25)

Zur Berechnung der tatsächlich in einem bestimmten Zeitraum (t-1 bis t) verbrauchten Wassermenge (diese wird vw bezeichnet) eines Pflanzenbestandes muss der Transpirationsstrom über die Zeit integriert sowie die Dichte des Wassers berücksichtigt werden.

F ( 0.26)


© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiML DTD Version 2.0
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Thu Sep 6 16:38:22 2001