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

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Kapitel 6. Zusammenfassung

Zur Optimierung der Bewässerungssteuerung ist die Integration von klimatischen Messgrößen bzw. die Kombination von Klima- und Bewässerungssteuerung in einem Prozessleitsystem sinnvoll und notwendig. Die wesentlichen Einflussgrößen auf den Wasserverbrauch von Pflanzen sind klimatischer Art, die Pflanze selbst und der Wasserhaushalt des Bodens. Als wichtige klimatische Einflussgrößen sind das Sättigungsdefizit der Luft bzw. die Dampfdruckdifferenz zwischen Blatt und Luft und die Einstrahlung, die sowohl das Gewächshausklima als auch direkt auf die Öffnungs- und Schließbewegung der Stomata wirkt, zu nennen.

Die Bindungskräfte des Wassers im Boden wurden von 2 Seiten betrachtet. Neben dem Zusammenhang mit dem Wasserumsatz ist bei dem Anbau im gewachsenem Boden eine mögliche Sickerwasserbildung und damit eine Nährstoffauswaschung zu beachten.

Die im Gewächshausanbau eingesetzten Prozessleitsysteme berücksichtigen die Wechselwirkungen der Einflussfaktoren auf den Wasserumsatz eines Pflanzenbestandes nicht. So wird zwar die Einstrahlungssumme zur Steuerung der Bewässerung verwendet, eine Anpassung der Parameter muss allerdings von Anwender selbst vorgenommen werden.

Zur Ableitung möglicher Zusammenhänge wurde in den experimentellen Untersuchungen der Wasserumsatz in Abhängigkeit der Bodenfeuchte (Matrixpotential), der klimatischen Größen (Einstrahlungssumme, Sättigungsdefizitsumme und Dampfdruckdifferenzsumme) an Lactuca sativa, Brassica oleracea var. gongylodes und Cucumis sativus untersucht. Der Wasserverbrauch wurde über elektronische Waagen kontinuierlich gemessen und mit den beschriebenen klimatischen Größen, dem Matrixpotential und dem Pflanzenwachstum in Beziehung gesetzt. Neben der Analyse einzelner Gießtakte wurden alle während der Kulturzeit ausgeführte Bewässerungsvorgänge zusammengefasst. Als Maß für die Eignung einer Messgröße als Führungsgröße für die Bewässerungssteuerung dienten das Bestimmtheitsmaß der Regressionsfunktionen der einzelnen Gießtakte, aller Gießtakte zusammengefasst und der Variationskoeffizient der Steigung der Regressionsfunktionen der einzelnen Gießtakte. Um bei dem Einsatz der Tropfbewässerung bei der Kultur im gewachsenem Boden eine Wasserversickerung zu verhindern, wurden zusätzliche Untersuchungen zur Wasserverteilung in und um die Tropfstelle durchgeführt.

Bei der Betrachtung der einzelnen Messgrößen wurde das höchste Bestimmtheitsmaß zum Wasserumsatz bei dem Matrixpotential (0,84 bis 0,93) festgestellt. Das niedrigste Bestimmtheitsmaß bei der Einstrahlungssumme (-0,15 bis 0,55). Bei der Sättigungsdefizitsumme war das Bestimmtheitsmaß 0,46 bis 0,80. Das Bestimmtheitsmaß der Dampfdruckdifferenzsumme, für die zusätzlich eine Blatttemperaturmessung erforderlich ist, lag zwischen 0,52 und 0,6.


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Da das Bestimmtheitsmaß der Regressionsfunktionen der einzelnen Gießtakte bei der Einstrahlungssumme, der Sättigungsdefizitsumme und der Dampfdruckdifferenzsumme höher als die aller zusammengefasst waren wurde zusätzlich die Abhängigkeit der zum Bewässerungszeitpunkt aufgelaufenen Summen von der Kulturdauer untersucht. Dabei wurde bei der Einstrahlungssumme der geringste Zusammenhang festgestellt.

Der Variationskoeffizient der Steigung der Regressionsfunktionen der einzelnen Gießtakte war bei dem Matrixpotential mit 10 % am niedrigsten und bei der Einstrahlungssumme mit 62 % am höchsten. Die Sättigungsdefizitsummen hatten einen Variationskoeffizienten von 30%, die Dampfdruckdifferenzsumme von 13%.

Aus physikalischer Sicht ist zur Beschreibung der treibenden Kraft für die Transpiration die Dampfdruckdifferenzsumme der Sättigungsdefizitsumme vorzuziehen. Da für die Dampfdruckdifferenzsumme allerdings eine Blatttemperaturmessung notwendig ist und diese aufgrund des Messortes und der bisher nicht ausreichend sicher funktionierenden Sensoren schwierig zu bestimmen ist, wird die Sättigungsdefizitsumme verwendet.

Um die Blattfläche in ein mögliches Transpirationsmodell zu integrieren, wurden an verschiedenen Gemüsearten mögliche Parameter zur Modellierung der Blattfläche untersucht. Bei allen Gemüsearten konnte ein hohes Bestimmtheitsmaß bei einer Funktion in Abhängigkeit der Kulturdauer festgestellt werden. Bei einem Blattflächenmodell ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Blattfläche auch entscheidend von der Genetik (Sorte) abhängt und bei Fruchtgemüse die Blattfläche während der Kulturdauer durch Pflegemaßnahmen reduziert wird.

Durch die Kombination der Einstrahlungssumme, Sättigungsdefizitsumme und dem Kulturtag konnten die Nachteile der einzelnen Parameter ausgeglichen und ein etwas geringeres Bestimmtheitsmaß (0,71 bis 0,84) wie bei den Regressionsanalysen des Matrixpotentials (0,84 bis 0,93) errechnet werden.

Die Parameter der Regressionsfunktionen der klimatischen Faktoren sowohl bei einzelnen Gießtakten als auch zwischen den Kulturen einer großen Variation. Damit ist eine allgemeingültige Empfehlung nicht möglich. Die Parameter müssen über entsprechende Optimierungsmodelle für jede Kultur und Kultursituation während des Kulturverlaufes angepasst werden.

Untersuchungen unterhalb einer Tropfstelle ergaben, dass aufgrund der starken Bodenunterschiede, Strukturänderungen während der Kultur und einer von der Wassermenge und Bodenart abhängigen Wasserverteilung eine exakte Vorhersage der maximalen Wasserspeicherfähigkeit und damit der maximal möglichen Gießwassermenge nicht möglich ist. Um eine Wasserversickerung zu vermeiden muss bei einem Anbau im gewachsenem Boden bei allen Kontrollstrategien die Wasserbewegung


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unterhalb der Wurzelzone berücksichtigt werden. Dazu ist eine Matrixpotentialmessung notwendig.

Aufgrund des hohen Bestimmtheitsmaß und niedrigen Variationskoeffizienten sowie der Übertragbarkeit auf verschiedene Bodenarten und Kulturen ist die Matrixpotentialmessung als Führungsgröße für die Bewässerungssteuerung zu verwenden. Da die häufig eingesetzten Tensiometer bzw. Tensioschalter, bauartbedingt Schwächen aufweisen sind diese Sensoren durch übergeordnete Modellrechnungen zu kontrollieren. Dazu ist die Einstrahlungssumme, Sättigungsdefizitsumme und der Gießabstand zu verwenden. Die klimatischen Parameter müssen über entsprechende Modellrechnungen und der Analyse bereits ausgeführter Gießtakte dem Pflanzenwachstum angepasst werden.

Nachdem bereits einige Prozessleitsysteme, die für die Bewässerung- und Klimasteuerung notwendigen Hardwarekomponenten in ein System integriert haben, muss die Verknüpfung auf Softwareebene stattfinden. Für eine Modellierung und Adaption der Modellparameter sind in die Prozessleitsysteme zusätzlich Speichermedien zur Datenarchivierung und entsprechende Programme zur Optimierung der Modellparameter zu integrieren.

Für einen größtmöglichen Datenaustausch zwischen den Prozessen ist es sinnvoll, die Steuer- und Regelalgorithmen zentral auf einem Leitrechner zu installieren und zu verwalten. Um den Verkabelungsaufwand zu reduzieren ist eine Dezentralisierung der In- und Outputkarten sinnvoll. Aufgrund der verbesserten Leistungsfähigkeit sind Prozessleitsysteme auf PC-Basis durchaus eine preisgünstige und flexible Alternative zu Spezialentwicklungen.

Neben der Verknüpfung der einzelnen Teilbereiche der Prozesssteuerung muss die Prozesssteuerung durch gemeinsame Übergabeschnittstellen in den gesamten Betriebsablauf integriert werden. So kann die Prozesssteuerung wertvolle Daten für die Anbauplanung liefern und auch von dieser Daten übernehmen.


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Thu Sep 6 16:38:22 2001