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

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Kapitel 5. Diskussion

Um zu prüfen, welche Parameter zur Steuerung der Bewässerung von Gewächshauskulturen geeignet sind und wie dazu die notwendigen Kontrollstrategien aufzubauen sind, wurden umfassende Versuche durchgeführt. Neben den bodenspezifischen, pflanzlichen und klimatischen Parametern wurden Kombinationen aus pflanzlichen und klimatischen Parametern berücksichtigt. Zur Beschreibung des Wasserumsatzes in Abhängigkeit verschiedener Parameter wurden jeweils die zwischen 2 Bewässerungsvorgängen vorherrschenden Bedingungen mit dem Wasserumsatz, der über eine elektronische Waage gemessen wurde (Kap. 0 ), in Beziehung gesetzt. Dieser Zeitraum wird als Gießtakt bezeichnet (Kap. 0 ).

5.1 Eignung verschiedener Parameter zur Steuerung der Bewässerung

5.1.1 Bodenspezifische Parameter

Neben der Eignung des Matrixpotentials als Führungsgröße zur Steuerung der Bewässerung ist bei einem Anbau im gewachsenem Boden die Wasserspeicherfähigkeit des Bodens zu berücksichtigen. Vor allem bei dem Einsatz von Tropfbewässerungssystemen kann es aufgrund hoher Gießwassermengen zur Wasserversickerung kommen.

Wasserspeicherfähigkeit des Bodens bei Tropfbewässerungssystemen

Wie die Untersuchungen zeigen, ist bei einer Tropfbewässerung je nach der Bewässerungsmenge pro Tropfstelle und Bewässerungsvorgang mit Sickerwasser zu rechnen. So konnte nachgewiesen werden, dass bereits bei einer Gießwassermenge von 600 ml pro Tropfstelle und Gabe und einem Einschaltpunkt von 90 hPa bei einem sandigen Lehmboden regelmäßig Sickerwasser auftritt ( Abb. 0.12 ). Bei einer Bewässerung mit 500 ml ist hingegen kein Sickerwasser aufgetreten.

Um die Wasserspeicherfähigkeit des Bodens in Abhängigkeit des Matrixpotentials näher zu untersuchen, wurden von einem sandigen Lehmboden pF-Kurven in verschiedenen Bodentiefen ermittelt. Diese zeigen sehr unterschiedliche Verläufe ( Abb. 0.13 ). Eine aus den Bodenschichten von 0 bis 10, 10 bis 20 und 20 bis 30 cm errechnete Durchschnittskurve ( Abb. 0.14 ) ergibt bei einem Matrixpotential von 60 hPa eine Wasserspeicherfähigkeit von 45 ml pro l Bodenvolumen. Bei 150 hPa beträgt die Wasserspeicherfähigkeit 87 ml/l Bodenvolumen und ist somit annähernd verdoppelt. So kann aufgrund der höheren Wasserspeicherfähigkeit bei einem höheren Einschaltpunkt die Bewässerungszeit verlängert und damit die Wasserverteilgenauigkeit verbessert werden.


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Die durch das Befüllen und das Auslaufen der Tropfsysteme nach dem Gießvorgang auftretenden Ungleichmäßigkeiten (HÖFERT et al. 1994) werden dadurch minimiert.

In der Darstellung von BIERHUIZEN ( Abb. 0.11 ) sind bei höheren Matrixpotentialen Ertragseinbußen zu erwarten (BIERHUIZEN und VOS 1959) . Da es sich bei den vorliegenden experimentellen Untersuchungen zum Matrixpotential um den Einschaltpunkt der Bewässerung handelt und dies nicht ein Anbau bei einem konstanten Matrixpotential ist, muss der von KELL beschriebene Einfluss des Einschaltpunktes auf das mittlere Matrixpotential berücksichtigt werden ( Abb. 0.12 ) (KELL et al. 1997) .

In den eigenen Untersuchungen an Zantedeschia aethiopica I ( Abb. 0.16 , Abb. 0.17 ) wurde durch einen Matrixpotentialanstieg auf 350 hPa keine Verminderung der Transpiration festgestellt.

Bei Cucumis sativus II hatte eine Erhöhung des Einschaltpunktes von 60 auf 150 hPa und bei Lycopersicon esculentum var. esculentum II und Capsicum annuum I von 90 auf 150 bei Verdoppelung der Wassermenge pro Gießtakt keinen signifikanten Einfluss auf den Ertrag ( Tab. 0.2 ). Bei den insgesamt ausgebrachten Wassermengen ergaben sich zwischen der niedrigen und der hohen Einschaltsaugspannung keine Unterschiede.

Die Zusammenhänge zwischen dem Matrixpotential und der Transpiration sowie dem Matrixpotential und dem Ertrag zeigen, dass die untersuchten Pflanzen bei einer automatischen Bewässerung mit einem Einschaltpunkt zwischen 60 hPa und 150 hPa bzw. bei der Untersuchung zur Transpiration bis 350 hPa tolerant reagieren und somit eine Erhöhung des Einschaltpunktes durchaus vertretbar und aufgrund der besseren Wasserverteilgenauigkeit auch sinnvoll ist. Die von FRENZ vorgegebenen Optimalbereiche zur Steuerung der Bewässerung können durchaus auf 150 hPa erweitert werden (FRENZ 1979) .

Die Wasserspeicherfähigkeit des Bodens ist allerdings nicht allein für eine mögliche Wasserversickerung bei einer Tropfbewässerung ausschlaggebend. Bei dem Einsatz von Tropfbewässerungssystemen muss zusätzlich die durch die Tropfstelle befeuchtete Bodenvolumen berücksichtigt werden.

Zur Beschreibung der Wasserverteilung in und um eine Tropfstelle wurde vor und nach einem Bewässerungsvorgang der Wassergehalt in verschiedenen Abständen zur Tropfstelle ( Abb. 0.4 ) bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass die Wassergehalte je nach Abstand zur Tropfstelle sehr unterschiedlich sind. Die ausgebrachte Wassermenge (300 ml pro Tropfstelle und Gabe) verteilte sich in einem Radius von ca. 15 bis 20 cm um die Tropfstelle. Ab einer Messtiefe von 20 cm konnte keine Veränderung im Feuchtegehalt durch einen Gießvorgang festgestellt werden.

Es wird angenommen, dass bei einem sandigen Lehmboden und einer Wassermenge von 300 ml/Tropfstelle und Gabe ein Bodenvolumen von ca. 8-20 l je Tropfstelle befeuchtet wird. Die in Abb. 0.7 von DASBERG und BRESLER beschriebenen wassergesättigten Bereiche konnten in den Untersuchungen nicht bestätigt werden (DASBERG und BRESLER 1985) . Es wurde vielmehr ein fließender Übergang festgestellt. Da die Wasserspeicherfähigkeit und -verteilung je nach Bodenart und -struktur sehr unterschiedlich ist (DASBERG und BRESLER 1985) ; (SCHACHTSCHABEL et al. 1989) können aufgrund der häufig nicht exakt zu definierenden Bodenzustände pF-Kurven nur Anhaltswerte über die maximal mögliche Gießwassermenge liefern. Aufgrund von Sackung und Strukturänderungen ist auch während einer Kulturperiode mit einer Veränderung der Wasserspeicherfähigkeit zu rechnen (FISCHER und KALTHOFF) ; (SCHACHTSCHABEL et al. 1989) . Um für den entsprechenden Standort eine Wasserversickerung bei einer maximal möglichen Gießwassermenge auszuschließen, sind deshalb Kontrolltensiometer in den verschiedenen Bodentiefen zur Anpassung der Gießwassermenge einzusetzen ( Abb. 0.6 ).

Wasserumsatz in Abhängigkeit des Matrixpotentials

Die Eignung des Matrixpotentials als Führungsgröße zur Steuerung der Bewässerung wurde bei verschiedenen Gemüsearten (Lactuca sativa, Brassica oleracea var. gongylodes, Cucumis sativus, Ocimum basilicum) untersucht. Das Bestimmtheitsmaß des Wasserumsatzes in Abhängigkeit des Matrixpotentialanstiegs (R2 0,89 bis 0,95) ( Tab. 0.4 ) lag sowohl bei den einzelnen Gießtakten als auch bei der Zusammenfassung aller Gießtakte (R2 0,84 bis 0,93) über dem Bestimmtheitsmaß der klimatischen Faktoren ( Abb. 0.48 ). Der Variationskoeffizient der Steigung der Regressionsgeraden der einzelnen Gießtakte lag zwischen 2 % und 14 % und unter denen der klimatischen Faktoren ( Tab. 0.19 ). Versuche zu Ocimum basilicum in Töpfen auf Ebbe-Flut Bewässerung (Kap 0 ) mit einer Steuerung nach dem Matrixpotential bestätigten, dass die Pflanzenentwicklung sowie sich ändernde Klimabedingungen durch die Matrixpotentialmessung automatisch berücksichtigt werden. Die bei Kulturbeginn ursprünglich eingestellten Sollwerte konnten bei allen untersuchten Pflanzenarten während des gesamten Anbauzeitraums beibehalten werden. Bei den tensiometergesteuerten Varianten von Ocimum basilicum wurden im Vergleich zu einer einstrahlungsabhängigen Steuerung mit fest vorgegebenen Schaltpunkten die höchsten Erträge erzielt ( Abb. 0.36 ).

Das Matrixpotential ist als Führungsgrüße für die Bewässerungssteuerung geeignet. Dies bestätigt das hohe Bestimmtheitsmaß zum Wasserumsatz. Weitere Argumente, das Matrixpotential als Führungsgröße zu benutzen, sind die Übertragbarkeit der Werte auf verschiedene Bodenarten, die vorhandene Messtechnik (Kap .1.3.1 ) und die Möglichkeit, die Sickerwasserbildung durch Tensiometer in verschiedenen Bodentiefen zu überwachen (Kap .1.2 ).

Eine Bewässerungssteuerung nach der in der durchwurzelten Bodenschicht gemessenen Bodenfeuchte ist nicht selbstverständlich ein Garant für eine sickerwasserfreie Bewässerung (Kap. 0 ). Bei einer Optimierung der Gießwassermenge ist daher das Matrixpotential in den nicht durchwurzelten Bodenschichten zu berücksichtigen.


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Obwohl die Tensiometrie Schwächen aufweist, ist sie die derzeit geeignetste Messtechnik. Der Messbereich der Tensiometer liegt im Bereich 0 bis 800 hPa und ist im Gegensatz zu den Gipsblockelektroden (Kap. 0 ) für den Gewächshausanbau zu bevorzugen. Die Matrixpotentialmessung ist im Vergleich zur reinen Leitfähigkeitsmessung, die vom Salzgehalt des Bodens und damit von dem Einfluss ausgebrachter Nährsalze abhängig ist, zu bevorzugen. Auch können im Gegensatz zu den Sensoren der Wassergehaltsbestimmung (TDR-Sonde und kapazitive Meßmethoden (Kap. .1.3 )) die Sollwerte der Matrixpotentialmessung ohne die Erstellung von Eichkurven auf die verschiedenen Bodenarten und Kulturen weitgehend übertragen werden.

Während bei einer einstrahlungsabhängigen Bewässerungssteuerung ein Sensor für einen Betrieb ausreicht, muss bei einer bodenfeuchteabhängigen Steuerung für jede Pflanzenart und jeden Bewässerungskreis ein Sensor vorgesehen werden. Je nach Kontrollstrategie sind Tensioschalter, die ein potentialfreies Ausgangssignal (an/aus = „Trocken“ oder „Feucht“) liefern und auf einen fest eingestellten Schaltpunkt justiert sind, ausreichend.

Mit Hilfe von elektronischen Tensiometern kann das Matrixpotential kontinuierlich überwacht, aufgezeichnet und in Modell- und Trendrechnungen integriert werden. Der Schaltpunkt kann über die Software vorgegeben und jederzeit auch kurzfristig vom Anwender verändert werden. Aus ökonomischer Sicht sind gegenüber den Tensioschaltern die höheren Kosten der Tensiometer zu berücksichtigen.

Neben den Vorteilen der Matrixpotentialmessung nach dem Tensiometerprinzip müssen die hauptsächlich bauartbedingten Eigenarten der Tensiometrie berücksichtigt werden:


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Die einfachste und ökonomischste Möglichkeit, um die Funktionssicherheit der Matrixpotentialmessung über Tensiometer noch weiter zu verbessern, ist die Kontrolle des Sensors über Modellrechnungen (Kap. .1 ).

Weiterhin sind bauliche Veränderungen, wie eine automatische Füllstandskontrolle bzw. der Einsatz von wasserunabhängigen Sensorsystemen (EQUI-Tensiometer; Kap. 0 ) zu nennen.

Zur Erleichterung der Kontrolle der Wasserbewegung unterhalb der Wurzelzone ist als Verbesserungsvorschlag ein nach dem Matrixpotential messender Multisensor, ähnlich wie das in Kap. 0 beschriebene Meßsystem „ENVIROSCAN“ , zu entwickeln.

5.1.2 Pflanzliche Parameter

Der Wasserumsatz eines Pflanzenbestandes ist wesentlich von dessen Größe abhängig (Kap. 0 ). Da es während der Kultur keine zerstörungsfreie Blattflächenbestimmung gibt, wurde versucht, diese anhand von einfach zu messenden Parametern bei verschiedenen Pflanzenarten zu modellieren. Neben der Blattfläche ist die Blatttemperatur im Zusammenhang mit dem Dampfdruck der Luft eine für die Transpiration von Pflanzen wichtige Messgröße (Kap. 0 ).

Die Blattflächenentwicklung konnte sowohl bei Lactuca sativa I ( Abb. 0.23 ), Brassica oleracea var. gongylodes I ( Abb. 0.22 ) und Lycopersicon esculentum var. esculentum I ( Abb. 0.24 ) durch den einfach zu berechnenden Kulturtag („Anzahl Tage nach Pflanzung“) modelliert werden (R2 = 0,95 bis 0,99%).

In einem Blattflächenmodell, in dem der Kulturtag als Berechnungsgrundlage dient, muss aufgrund der jahreszeitlich unterschiedlichen Entwicklungsdauer die Gesamtkulturdauer als zusätzlicher Parameter berücksichtigt werden. So ist z.B. bei Lactuca sativa je nach Jahreszeit mit einer Entwicklungsdauer von 100 bis 130 Tagen zu rechnen (FÖRSTER 1980) .

Notwendige Pflege- und Schnittmaßnahmen beeinflussen bei Cucumis sativus, Capsicum annuum und Lycopersicon esculentum var. esculentum die Blattfläche und erfordern somit eine Korrektur des Blattflächenmodells.

Der in vielen Transpirationsmodellen (STANGHELLINI in (BAKKER et al. 1995) ) (Kap. 0 ) verwendete Blattflächenindex gibt keine Aussage über die aktive Transpirationsfläche. So sind z.B. bei Lactuca sativa zu Kulturbeginn die einzelnen Blätter relativ lose um den Strunk verteilt. Mit zunehmendem Wachstum werden die inneren Blätter eingeschlossen und ergeben somit veränderte Transpirationsbedingungen. An Lycopersicon esculentum var. esculentum II wurde festgestellt, dass mit dem Alter


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der Kultur der Wasserverbrauch pro cm² Blattfläche rückläufig ist ( Abb. 0.26 ; Abb. 0.27 ). Dies wird auch von EHLERS ( Abb. 0.16 ) bestätigt (EHLERS 1996) .

Am Beispiel von Kopfsalat wurde ein statistisch nachweisbarer Einfluss der Sorteneigenschaft auf die Blattflächenentwicklung festgestellt ( Abb. 0.25 ).

In den Modellrechnungen, die das Pflanzenwachstum in Form des Kulturtages und die klimatischen Parameter (Einstrahlungssumme und Sättigungsdefizitsumme) berücksichtigen, konnte das Bestimmtheitsmaß gegenüber den klimatischen Modellen um 0,03 bis 0,09 verbessert werden (Kap. 0 ). Die Blattfläche erbrachte im Vergleich zum Kulturtag („Anzahl Tage nach Pflanzung) nur geringfügig höheres Bestimmtheitsmaß von 0,05 bis 0,09.

Aus den oben genannten Gründen ist es ausreichend, in einer möglichen Modellgleichung zur Berechnung des Wasserumsatzes das Pflanzenwachstum als Funktion des Kulturtages zu verwenden. Der Kulturtag kann aus dem Kulturbeginn und dem aktuellen Datum einfach errechnet werden.

Die Blatttemperatur wurde nicht als Führungsgröße zur Steuerung der Bewässerung untersucht, sondern zur Berechnung der Dampfdruckdifferenz, die in Kap 0 diskutiert wird, verwendet.

Im Vergleich zu den eingesetzten Kontaktthermometern ( Tab-A 14 ) ergaben sich mit der berührungslosen Temperaturmessung nach dem Infrarot-Prinzip ( Abb. 0.5 ; Abb.-A 5 ) reproduzierbare Messwerte. Auch konnten die Kontaktthermometer nicht zufriedenstellend an den Blättern fixiert werden. Durch Wachstums- und Drehbewegungen der Blätter sowie durch die Blattbewegung bei Wind und Erntearbeiten wurde die Blattfläche häufig durchstoßen ( Abb.-A 5 ). Die von HEIßNER ( Abb. 0.21 ) (HEIßNER 1997) und MACKROTH beschriebenen Differenzen zwischen Luft- und Blatttemperatur konnten bei Lactuca sativa II und Cucumis sativus I ( Abb. 0.30 ) nicht im gleichen Maße festgestellt werden (MACKROTH 1972) .

Ferner wurden je nach Messort durch die Beschattung und Ausrichtung der Blätter zur Sonne sehr unterschiedliche Blatttemperaturen gemessen (z.B. bei Brassica oleracea var. gongylodes I; DeltaT = 8 °C ( Abb. 0.28 )). Bei der Verwendung der Dampfdruckdifferenz zur Steuerung der Bewässerung ist zu beachten, dass rechnerisch bei einer Abweichung der Blatttemperatur von 1 °C eine Dampfdruckdifferenzänderung von 30 % ( Abb. 0.29 ) entsteht. Durch den Abstand zur Blattfläche kann der Messbereich von berührungslosen Sensoren verändert und damit das Problem etwas entschärft werden ( Abb. 0.1 ).


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Abb. 0.1: Messfleckdurchmesser in Abhängigkeit vom Abstand zu Objekt eines berührungslosen Temperatursensors (RAYTEC 1992) .

Bei den derzeit auf dem Markt angebotenen Infrarot-Sensoren ist zu beachten, dass der Messbereich aufgrund ihrer Einsatzgebiete in Hochöfen bzw. bei der Überwachung von Kugellagern sehr groß (0 bis 1000 °C) ist. Neuere Entwicklungen im Medizinbereich (Fieberthermometer) zeigen, dass es durchaus möglich ist, auch preisgünstige Infrarot-Sensoren, deren Messbereich auf die Körpertemperatur abgestimmt ist, zu entwickeln.

Neben der Möglichkeit kritische Wachstumsbedingungen aufzuzeigen (Stressindex; Kap .1.5 ) kann die Bestandstemperatur wertvolle Informationen für die Klimasteuerung liefern (SCHMIDT 1997) . Für eine direkte Messung müssen die Sensorsysteme jedoch stärker auf die Bedürfnisse des Gartenbaus angepasst und geeignete Befestigungsmöglichkeiten entwickelt werden. Um die lokal festgestellten Temperaturdifferenzen auszugleichen, sind mehrere Sensoren bzw. Sensoren mit einem größeren Erfassungsbereich wie z.B. Wärmebildkameras, einzusetzen. Neben der direkten Blatttemperaturmessung sind Blatttemperaturmodelle weiter zu untersuchen.

5.1.3 Klimatische Parameter

Sowohl die Einstrahlung als auch das Sättigungsdefizit wird als Motor der Transpiration bezeichnet. 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.

Einstrahlungssumme

Die Einstrahlung wird meist außerhalb des Gewächshauses über einen Sensor für den ganzen Betrieb erfasst. Es ist festzustellen, dass dadurch die gewächshausspezifischen Einflüsse wie die unterschiedlichen Lüftungs-, Heizungs-, Schattierungs-, Belichtungsstrategien sowie z.B. die Lichtminderung durch das Bedachungsmaterial nicht berücksichtigt werden.


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Das Bestimmtheitsmaß des Wasserumsatzes in Abhängigkeit der ermittelten Einstrahlungssumme lag zwischen -0,15 und 0,55 ( Tab. 0.8 ; Abb. 0.34 ) und im Vergleich zum Matrixpotential, der Sättigungsdefizitsumme und der Dampfdruckdifferenzsumme am niedrigsten ( Abb. 0.48 ). Der Variationskoeffizient der Steigung der Regressionsgeraden der einzelnen Gießtakte lag zwischen 31 % und 98 %, beim Matrixpotential betrug der Variationskoeffizient zwischen 2 % und 14 % ( Tab. 0.19 ).

Es wurde aufgezeigt, dass die Einstrahlungssumme die in der Nacht zwar stark reduzierte, aber dennoch vorhandene Transpiration nicht berücksichtigt ( Abb. 0.33 ).

Die Versuche zu Ocimum basilicum zeigen, dass die jeweils zum Gießzeitpunkt des Tensioschalters aufgelaufene Einstrahlungssumme mit dem Kulturfortschritt, aufgrund des gesteigerten Pflanzenwachstums, kontinuierlich absinkt ( Abb. 0.37 ). Diese Untersuchungen bestätigen die von GRAFF und ENDE veröffentlichten Ergebnisse (GRAFF und ENDE 1981) . Bei Lactuca sativa I und II, Brassica oleracea var. gongylodes I konnte der Zusammenhang zwischen dem Kulturtag und der Einstrahlungssumme allerdings nicht festgestellt werden ( Abb. 0.35 ).

Neben der Variation innerhalb einer Pflanzenart, die durch den Variationskoeffizienten der einzelnen Gießtakte ausgedrückt wird ( Tab. 0.19 ), sind auch zwischen den Arten, die in verschiedenen Jahreszeiten angebaut wurden, Unterschiede in den Parametern der Regressionsfunktion des Wasserumsatzes in Abhängigkeit der Einstrahlungssumme vorhanden ( Tab. 0.19 ).

Bei einem Anbau im gewachsenem Boden ist eine ausschließliche Steuerung der Bewässerung nach der Einstrahlungssumme nicht zu empfehlen. Dies wird durch das ermittelte Bestimmtheitsmaß belegt. Eine Übertragung und Sollwertempfehlung ist aufgrund der großen Variationskoeffizienten nicht möglich. Trotz der beschriebenen Nachteile ist die einstrahlungsabhängige Bewässerungssteuerung in der gärtnerischen Praxis häufig vorzufinden. Bei der Verwendung von gut gepufferten Substraten bzw. in erdelosen Kulturverfahren und bei einer regelmäßigen Anpassung der Sollwerte werden mit dieser Steuerungstechnik auch zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.

Sättigungsdefizit- und Dampfdruckdifferenzsumme

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) bzw. die Potentialdifferenz zwischen dem Blatt und der dem Blatt ungebenden Luft ist für die Höhe des Transpirationsstromes die entscheidende Größe.

Zur Berechnung der Sättigungsdefizit- und der Dampfdruckdifferenzsumme wurden die Messwerte des jeweiligen Klimaabteils, in der sich die entsprechende Bewässerungseinheit befindet, verwendet. Dadurch werden im Vergleich zur Einstrahlungssumme die internen Klimaverhältnisse berücksichtigt.


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Das Bestimmtheitsmaß des Wasserumsatzes in Abhängigkeit der Sättigungsdefizitsumme lag zwischen 0,46 und 0,84 ( Tab. 0.11 , Abb. 0.42 ). Der Variationskoeffizient der Steigung der Regressionsgeraden der einzelnen Gießtakte zwischen 18 und 42 % ( Tab. 0.11 ). Im Gegensatz zur Einstrahlungssumme ( Abb. 0.35 ) zeigen die Sättigungsdefizitsummen ( Abb. 0.43 ) zum Bewässerungszeitpunkt einen systematischen Verlauf zu der Kulturdauer, so dass in einer Bewässerungssteuerung eine Modellierung bzw. eine Trendanalyse bereits ausgeführter Gießtakte eine Anpassung der Sollwerte ermöglicht.

Im Gegensatz zur Einstrahlungssumme geht in die Sättigungsdefizitsumme auch der Wasserumsatz der Nachtstunden ein. Die nachts vorhandenen Schließbewegung der Stomata wird jedoch nicht berücksichtigt und es kommt damit zu einer Überschätzung des Wasserverbrauches ( Abb. 0.41 ).

Für die Berechnung der Sättigungsdefizitsumme ist eine exakte Luftfeuchtemessung notwendig. Unter praxisüblichen Bedingungen ist zu berücksichtigen, dass mit einer Abweichung von ± 3 % zu rechnen ist und damit rechnerisch eine Sättigungsdefizitänderung von ± 15 % ( Abb. 0.2 ) auftreten kann.

Abb. 0.2: Einfluss der Messgenauigkeit der relativen Luftfeuchte auf das Sättigungsdefizit.

Bei der Verwendung der Sättigungsdefizitsumme zur Steuerung der Bewässerung ist eine regelmäßige Kontrolle und Kalibrierung der Luftfeuchtesensoren notwendig. So können sich mögliche Messfehler (STRAUCH 1992) zu Problemen in der Kulturführung auswirken.

Für die Berechnung der Dampfdruckdifferenzsumme ist zusätzlich die Blatttemperatur zu messen. Sie zu erfassen ist wie in Kap 0 bereits besprochen, nicht ganz unproblematisch.

Das Bestimmtheitsmaß des Wasserumsatzes in Abhängigkeit der Dampfdruckdifferenzsumme lag zwischen 0,52 und 0,60 ( Tab. 0.13 ) und war nicht wesentlich höher als die der Sättigungsdefizitsumme (0,46 bis 0,84) ( Tab. 0.11 ; Abb. 0.48 ).


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Aus physikalischer Sicht ist die Dampfdruckdifferenzsumme zwischen Blatttemperatur und Lufttemperatur der Sättigungsdefizitsumme als Triebkraft für die Transpiration vorzuziehen (Kap. 0 ). Aufgrund des messtechnisch noch sehr hohen Aufwandes zur Blatttemperaturmessung und des nur geringfügig höheren Bestimmtheitsmaß im Vergleich zur Sättigungsdefizitsumme, ist sie derzeit allerdings für eine Steuerung der Bewässerung nur im Versuchsbetrieb zu empfehlen.

5.1.4 Kombination pflanzliche und klimatische Parameter

Da die Transpiration nicht nur von einer Größe wie z.B. der Blattfläche, der Einstrahlung oder dem Sättigungsdefizit beeinflusst wird und auch die einzelnen, in den experimentellen Untersuchungen dargestellten Parameter im Vergleich zur Matrixpotentialmessung ein geringeres Bestimmtheitsmaß zeigten, wurden mehrfaktorielle Regressionsanalysen durchgeführt.

Das Bestimmtheitsmaß der einzelnen Faktoren lag bei der Einstrahlungssumme zwischen -0,15 und 0,55 ( Tab. 0.8 ; Tab. 0.19 ) und bei der Sättigungsdefizitsumme zwischen 0,46 und 0,84 ( Tab. 0.11 , Tab. 0.19 ). Eine Kombination von Einstrahlungs- und Sättigungsdefizitsumme ergab ein Bestimmtheitsmaß zwischen 0,71 und 0,84 ( Tab. 0.14 ). So wurde ein etwas niedrigeres Bestimmtheitsmaß wie beim Matrixpotential (0,84 bis 0,93) ( Tab. 0.4 ) erreicht und gegenüber denen der einzelnen Messgrößen wesentlich verbessert. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Einstrahlung das Öffnungsverhalten der Stomata (Kap. .1.4 ) bzw. der stomatäre Widerstand und die Sättigungsdefizitsumme die Triebkraft der Transpiration (Kap. 0 ) im wesentlichen darstellen.

Durch die Kombination des Pflanzenwachstums in Form der „Tage nach Pflanzung“ (Kulturtag) der Einstrahlungs- und Sättigungsdefizitsumme konnte das Bestimmtheitsmaß noch geringfügig verbessert werden (R2=0,77 bis 0,89) ( Tab. 0.16 ). Zwischen einem Blattflächenmodell und dem Kulturtag wurden keine weiteren, wesentlichen Verbesserung erreicht ( Tab. 0.17 ).


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5.2 Kontrollstrategien zur Bewässerungssteuerung

Die Kontrollstrategie ist der Algorithmus bzw. die Gesetzmäßigkeit zur Beeinflussung einer Regelgröße. Da der Wasserverbrauch nicht direkt gemessen wird können die entsprechenden Führungsgrößen nur Hilfsgrößen zur Beschreibung des Wasserumsatzes sein.

Bei einem Anbau im gewachsenem Boden muss die Kontrollstrategie zur Steuerung der Bewässerung den Wasserverbrauch eines Pflanzenbestandes exakt wiedergeben, so dass eine Sickerwasserbildung ausgeschlossen werden kann ( Tab. 0.6 ).

Zur Verhinderung von Sickerwasser ist die Gießwassermenge der Wasserspeicherfähigkeit des Bodens anzupassen. Da eine theoretische Berechnung der Wasserspeicherfähigkeit des Bodens unter einer Tropfstelle nur bedingt möglich ist (Kap 0 ) muss bei allen in Frage kommenden Kontrollstrategien die Gießwassermenge durch eine regelmäßige Kontrolle der Feuchteverhältnise unterhalb der Wurzelzone angepasst werden.

Für die in den experimentellen Untersuchungen dargestellten Parameter werden nachfolgend verschiedene Kontrollstrategien dargestellt.

Matrixpotential als Führungsgröße

Das Matrixpotential ist im Gegensatz zu den einzelnen klimatischen Parametern direkt als Führungsgröße für die Bewässerungssteuerung beim Anbau im gewachsenem Boden und in Substraten geeignet. Das Signal von Tensioschaltern bzw. Tensiometern dient nur dazu um den Bewässerungstakt einzuleiten. Eine Einhaltung und kontinuierliche Einregelung des Feuchtegehaltes und damit eine Veränderung der Gießwassermenge ist aufgrund folgender Punkte nur bedingt möglich:

Als Kontrollstrategie ist eine 2-Punkt-Regelung mit einer zeitlichen Verzögerung einzusetzen ( Abb. 0.3 ). Die Wassermenge pro Gießvorgang ist vom Anwender vorzugeben. Diese kann allerdings über ein entsprechendes Softwaremodul ( Abb. 0.4 ), das den hydraulischen Gradienten (Kap. .1.2 ) unterhalb der durchwurzelten Bodenschicht berücksichtigt, automatisch angepasst werden. Dabei sind die systembedingten Mindestmengen und bei einer Düngung nach dem Konzentrationskonzept evt. Auswirkungen auf die Nährstoffversorgung zu berücksichtigen.


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Abb. 0.3: Flussdiagramm zur Bewässerungssteuerung über Matrixpotentialmessung und automatischer Anpassung der Gießmenge in Abhängigkeit der Feuchteverhältnise unterhalb der Wurzelzone.

Nach einem Bewässerungsvorgang muss eine „Sperrzeit“ eingehalten werden. Während dieser Sperrzeit kann sich das ausgebrachte Wasser verteilen. Sollte der Sensor nach der Sperrzeit den eingestellten Sollwert nicht unterschreiten, war die Gießmenge zu gering oder wurde vom Sensor nicht registriert (z.B. zu großer Abstand zur Tropfstelle). Damit in diesem Fall die Gießvorgänge nicht endlos fortgeführt werden, muss die maximale Anzahl der Gießvorgänge begrenzt (GOUMax; Abb. 0.3 ) und bei Überschreiten eine Alarmmeldung ausgegeben werden.

Abb. 0.4: Modul zur Berechnung der Wassermenge pro Gießvorgang unter Berücksichtigung der Matrixpotentialverhältnisse unterhalb der Wurzelzone.


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Steuerung nach der Einstrahlungssumme

Die Einstrahlungssumme hatte das niedrigste Bestimmtheitsmaß zum Wasserumsatz und ist als Führungsgröße für die Bewässerungssteuerung ohne zusätzliche Anpassung bei einem Anbau im gewachsenem Boden nicht geeignet. Im einfachsten Fall wird bei dem erreichen des vorgegebenen Sollwertes ein Gießvorgang ausgelöst ( Abb. 0.5 ).

Abb. 0.5: Flussdiagramm zur einstrahlungsabhängigen Bewässerungssteuerung.

Um diese Kontrollstrategie zu optimieren, können die archivierten Einstrahlungssummen bereits ausgeführter Gießtakte herangezogen werden. Bei Ocimum basilicum ( Abb. 0.35 ) konnte ein kontinuierliches Absinken mit dem Kulturfortschritt festgestellt werden. Eine Matrixpotentialmessung über sog. Kontrolltensiometer und das Pflanzenwachstum können weitere Hilfsgrößen zur Optimierung sein.

Steuerung nach der Sättigungsdefizitsumme

Für eine Steuerung nach der Sättigungsdefizitsumme kann das gleiche Schema wie für die Einstrahlungssumme ( Abb. 0.5 ) verwendet werden.

Bei diesem Verfahren handelt es sich wie bei der Einstrahlungssumme um eine Steuerung bei der weder die Bodenfeuchte noch das Pflanzenwachstum berücksichtigt wird. Im Vergleich zur Einstrahlungssumme lag das Bestimmtheitsmaß der Sättigungsdefizitsumme höher ( Tab. 0.18 ) und der Variationskoeffizient niedriger ( Tab. 0.19 ). Da die Sättigungsdefizitsumme aus der Lufttemperatur und der Luftfeuchte in dem jeweiligen Gewächshaus berechnet wird, ist im Gegensatz zur Einstrahlungssumme eine veränderte Klimaführung berücksichtigt. Für eine Optimierung ist auch in diesem Fall der Anwender verantwortlich. Hilfen für eine Optimierung können die Summen bereits ausgeführter Gießtakte, eine Matrixpotentialmessung und eine Adaptionsfunktion, in der die mit dem Pflanzenwachstum


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veränderten Sättigungsdefizitsummen berücksichtigt werden, sein. In den experimentellen Untersuchungen konnte ein hohes Bestimmtheitsmaß für die Sättigungsdefizitsumme in Abhängigkeit der Kulturdauer errechnet werden ( Abb. 0.43 ).

Um die Sättigungsdefizitsumme für die entsprechende Bewässerungseinheit berechnen zu können, muss in der Bewässerungssteuerung die Temperatur und Luftfeuchte des Standortes, die meist ohnehin zur Klimasteuerung erfasst wird, zur Verfügung stehen.

Kombination mehrerer Einzelgrößen

Obwohl die Matrixpotentialmessung als Führungsgröße zur Steuerung der Bewässerung gut geeignet ist, sollten zur weiteren Optimierung zusätzlich klimatische Messgrößen in die Bewässerungssteuerung integriert werden. Zudem ist zu berücksichtigen, dass bei einem Anbau in inerten Substraten wie z.B. Steinwolle die Matrixpotentialmessung nicht möglich ist. In einer Kontrollstrategie ist das Matrixpotential, die Einstrahlungssumme, die Sättigungsdefizitsumme und der Gießabstandes zu kombinieren. Durch eine entsprechende Verknüpfung der verschiedenen Führungsgrößen ( Abb. 0.6 ) sollte es möglich sein, sowohl eine Einzelgrößenregelung (bodenfeuchte-, einstrahlungs-, sättigungsdefizit- oder zeitabhängig) als auch eine Mehrgrößenregelung einzustellen.

Abb. 0.6: Algorithmus zur Steuerung der Bewässerung nach mehreren Einflussgrößen.


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Zur Auslösung eines Bewässerungsimpulses müssen entweder alle vorgegebenen Minima oder ein Maxima überschritten sein. Die zeitliche Minimumbegrenzung (Sperrzeit) nimmt eine Sonderstellung ein. Ist der minimale Gießabstand nicht erreicht kann kein Bewässerungsimpuls ausgelöst werden; obwohl alle Minima oder ein Maximum überschritten ist. Damit die vom Anwender vorgegebenen Minimalwerte nicht durch einen zu niedrig gewählten Maximalwert außer Kraft gesetzt werden; muss der Anwender über ein entsprechendes Softwaremodul informiert werden, welcher Grenzwert letztendlich den Gießvorgang ausgelöst hat.

Damit die in ( Abb. 0.6 ) vorzugebenden Parameter nicht ständig vom Anwender kontrolliert und angepasst werden müssen, können diese automatisch innerhalb vorgegebener Grenzwerte angepasst werden. Dazu sind Regressions- und Trendanalysen bereits ausgeführter Gießtakte notwendig. Bei der Einstrahlungssumme ( Abb. 0.35 , Abb. 0.37 ) und der Sättigungsdefizitsumme ( Abb. 0.43 ) sind teilweise gute Zusammenhänge mit der Kulturdauer vorhanden. Sind die Bodenfeuchteverhältnisse optimal, können die klimatischen Parameter entsprechend angepasst werden.

In Abb. 0.7 ist eine Methode (Trendrechnung aus den letzten 2 bzw. 3 Wertepaaren) zur automatischen Adaption der Sättigungsdefizitsummen dargestellt.

Abb. 0.7: Tatsächliche aufgetretene Sättigungsdefizitsumme und Trendrechnungen der letzten zwei und letzten drei Wertepaare bei Lactuca sativa II.

Es ist festzustellen, dass die Einstrahlungssummen und die Sättigungsdefizitsummen ( Abb. 0.35 , Abb. 0.43 ), der direkt nach einer Pflanzung ausgeführten Gießvorgänge, die Regressionsfunktion bzw. eine Trendrechnung stören und sollten deshalb nicht berücksichtigt werden.


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5.3 Klima- und Bewässerungssteuerung in einem Prozessleitsystem

Für eine Umsetzung der beschriebenen Kontrollstrategie ( Abb. 0.6 ) ist eine Kombination von klimatischen, bodenphysikalischen und kulturspezifischen Messdaten notwendig. Die Sättigungsdefizitsumme und die Einstrahlungssumme kann ohne zusätzlichen messtechnischen Aufwand aus den vorhandenen und zur Klimatisierung notwendigen Messwerten ( Tab. 0.1 ) Lufttemperatur; Luftfeuchte und Einstrahlung berechnet werden (Kap 0 ).

Zur Integration neuer Führungsstrategien sind flexible Hard- und Softwaresysteme notwendig. Wurden früher Prozessleitsysteme nur zur optimalen Steuerung und Regelung fest vorgegebener Aufgabenstellungen eingesetzt; sind in Zukunft zur Integration von Modellrechnungen die Datenarchivierung und Datenvisualisierung verstärkt in die Leitrechnersysteme zu integrieren ( Abb. 0.8 ). Die in den verschieden Prozessen ermittelten Zustände und Messwerte müssen dabei allen Teilprozessen zur Verfügung stehen.

Abb. 0.8: Baugruppen eines Prozessleitsystems zur Steuerung von Klima und Bewässerung

In vielen Prozessleitsystemen ist bereits die Hardware für die Bewässerungs- und Klimasteuerung in einem Prozessleitsystem integriert. Somit muss eine weitere Verknüpfung auf Softwareebene stattfinden. Die Daten der einzelnen Teilprozesse müssen über entsprechende Datenbanken untereinander kombiniert und verknüpft werden können. Eine mögliche Struktur wird in Abb. 0.9 dargestellt.


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Abb. 0.9: Datenbanksystem zur Verknüpfung von Klima- und Bewässerungssteuerung.

Bei einem gesicherten Datenaustausch zwischen den Teilprozessen ist der Hardwareaufbau für den Anwender zweitrangig. Sind die Datenprotokolle bekannt, können auch bereits vorhandene Systeme untereinander verknüpft und somit bereits wertvolle Entwicklungen und gut funktionierende Systeme weiter genutzt werden.

Personalcomputer erfüllen alle Funktion wie sie in der Prozessführung benötigt werden. Aufgrund der starken Verbreitung der PC-Systeme kann der Anwender und Entwickler mit vertrauten und bekannten Produkten arbeiten. Durch die Integration preisgünstiger Zusatzprodukte wie z.B. Netzwerke, Modems u.a. kann kostspielige Hard- und Softwareentwicklung eingespart werden. Ein weiterer, großer Vorteil ist in einer schnellen Aktualisierung und Verwaltung der Software zu sehen. Bei einem Prozessleitsystem auf der Basis von Personal Computern (SCHÖN 1993) muss sichergestellt werden, dass in einer garantierten Mindestzeit auf eine Vielzahl von Prozesszuständen reagiert werden kann. Das Betriebssystem des Rechners muss einen quasiparallelen Ablauf mehrerer Programme (Multitasking) ermöglichen. Durch einen modularen Softwareaufbau und eine zentrale Softwareverwaltung auf einem PC ist es möglich, neue Strategien kurzfristig in die Praxis umzusetzen.

Als mögliches Beispiel wird das in Zusammenarbeit zwischen der Firma Positronik und dem Institut für Gemüsebau an der FH Weihenstephan entwickelte Prozessleitsystem, das einen IBM-kompatiblen PC als Prozessrechner verwendet, vorgestellt ( Abb. 0.10 ). Der PC übernimmt sowohl die Steuer- und Regelaufgaben, die Datenarchivierung und die Prozessvisualisierung. Die Sensoren und Aktoren werden an die dezentralen In- und Outputkarten (I/O-Units), die über ein 2-Draht-Bussystem mit dem PC kommunizieren, angeschlossen. Durch den dezentralen und modularen Aufbau sind die Kabellängen zu den Sensoren und Aktoren minimiert. Die Outputkarten ( Abb.-A 8 ) verfügen über 4 bzw. 8 Wechselkontakte (230 V/8A) und 4 bzw. 8 digitale Eingänge, die auch als Impulszähler konfiguriert werden können. Die 8 Eingangskanäle der Inputkarten können je nach Bedarf an gängige Sensorsysteme (0..20 mA; 4..20 mA; +5V..-5V; usw.) angepasst werden. Der Temperatur-Luftfeuchte-Sensor ( Abb.-A 7 ), der zusätzlich über 8 potentialfreie Eingänge verfügt, wird direkt an das Bussystem angeschlossen.


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Abb. 0.10: Schematischer Aufbau des dezentralen Prozessleitsystems mit zentraler Intelligenz der Firma Positronik.

Um den Prozessrechner zu entlasten wurden die I/O-Units mit einem eigenen Prozessor ausgerüstet. Dieser übernimmt das rechtzeitige An- und Abschalten der Relais und entlastet somit den Prozessrechner, der mit der Abarbeitung weiterer Routinen fortfahren kann.

Damit neben der Prozesssteuerung parallel eine Dateneingabe und Visualisierung möglich ist, muss der Prozessrechner (Leitrechner) entweder mit einem multitaskingfähigen Betriebssystem oder in ein Netzwerk eingebunden sein. So ist die Dateneingabe und -visualisierung über einen zweiten PC möglich.

Neben den Verbesserungen in den Kontrollstrategien ist die Benutzerfreundlichkeit der Prozessleitsysteme weiter zu verbessern. Aufgrund der Vielzahl von Parametern (TANTAU 1990) ist der Gärtner häufig überfordert alle ihm angebotenen Funktionen zu nutzen.

Einen Vorschlag zu Verbesserung der Bedienerfreundlichkeit stellt eine Sollwertvorgabe in einer sog. Sollwerttabelle ( Abb. 0.11 ) dar. Der Anwender kann zu Kulturbeginn einen Fahrplan festlegen bzw. diesen aus bereits abgeschlossenen und archivierten Tabellen aktivieren.


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Abb. 0.11: Tabellarische Sollwerteingabe zur Verbesserung der Bedienfreundlichkeit.

Durch selbst adaptierende Regelstrategien und Modellrechnungen können die vorzugebenden Regelparameter weiter reduziert werden (TANTAU 1990) . Übertragen auf die Bewässerungssteuerung sind dies z.B. ein Modul zur automatischen Adaption der maximal möglichen Gießwassermenge ( Abb. 0.4 ) und Anpassung der Sollwerte aufgrund von Trendanalysen ( Abb. 0.7 ). Andererseits muss es dem Anwender möglich sein, die Führungsstrategien aufgrund von äußere Einflüssen (Klimaschwankungen, Pflanzenschutzmaßnahmen, Marktsituation) kurzfristig zu ändern. Die von vielen Anwendern geforderte Flexibilität steht häufig im Zielkonflikt mit der geforderten Reduzierung der einzustellenden Parameter.

Um neue Kontrollstrategien in die Praxis einzuführen, müssen dem Anwender die Wechselwirkung der verschiedenen Einflussgrößen auf einen Prozess aufgezeigt werden. Die Datenvisualisierung muss weiter ausgebaut werden.

Obwohl Vertreter der Gewächshauscomputerhersteller wie z.B. VAN DEN BOSCH für die Einführung von modellgeführten Regelstrategien nur eine Chance sieht, wenn diese auf alle Pflanzenarten und Anbauverfahren zu übertragen sind, so sind die Vorteile wie z.B. bei einer Kombination in der Bewässerungssteuerung und damit eine höhere Funktionssicherheit wichtige Gründe für diese Regelstrategien (VAN den BOSCH 1998) . Modellgeführte Regelstrategien führen zu einer sehr ruhigen, schwingungsfreien und energiesparenden Regelung (SCHMIDT 1997) .

Ein weiterer Vorteil der Kombination von Klima und Bewässerungssteuerung in einem Prozessleitsystem besteht in der Möglichkeit, zusammenfassende Auswertung anzufertigen und damit Kulturfehler zu analysieren. Die zentrale Dateneingabe, Verwaltung und Ausgabe bringt Übersichtlichkeit und spart Arbeitszeit.


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5.4 Prozesssteuerung als Teilbereich der computer integrated Manufacture

Die für ein CIM (HASHIMOTO 1993) ( Abb. 0.12 ) notwendigen Hardwarekomponenten können aufgrund der angebotenen Zusatzprodukte wie z.B. Netzwerke ohne Probleme verbunden werden.

Abb. 0.12: Datenströme und Teilgebiete einer EDV-unterstützten Betriebsführung

Ein weitaus größeres Problem ist es gemeinsame Schnittstellen zwischen den Softwareprodukten (Prozesssteuerung, Betriebsführung und Anbauplanung) zu schaffen. Damit sich der Anwender einen Überblick über die angebauten Kulturen verschaffen kann, muss er bisher den vom Bewässerungscomputer erfassten Wasser- und Nährstoffverbrauch, die Erträge über Rechnungs- bzw. Lieferscheine, die Klimaführung über den Klimacomputer, die Vorkultur und Pflanzenschutzmaßnahmen über die Schlagdatei von Hand zusammenfassen. Da dies häufig große Anstrengungen und Arbeitszeit erfordert, entfällt eine derartige Analyse und somit verlieren die in den Teilprozessen wertvollen Prozessdaten an Wert und eine weitere Optimierung ist somit häufig nicht möglich.


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Thu Sep 6 16:38:22 2001