1 Ökonomische und ökologische Bewässerungsansprüche

1.1  Globale Probleme der Wasserverfügbarkeit

Das Problem der Wasserknappheit betrifft die meisten Länder auf der Welt. Die verwendeten Wassermengen sind größer als diejenigen, die über Niederschläge zurückgeführt werden (CZIZINSKY, 1993). Die Gründe für diesen Wassermangel liegen - neben der weit verbreiteten Sorglosigkeit im Umgang mit den natürlichen Wasserressourcen - vornehmlich im Bevölkerungswachstum und der damit verbun-denen Nachfragesteigerung (Nahrungsmittelproduktion, Trinkwasser). Auch der industrielle Aufschwung in Regionen mit defizitärer Wasserbilanz bringt ein ernstes Problem mit sich.

Die eingeschränkten Niederschläge bezüglich der globalen Aufwärmung verur-sachen weitere Änderungen, Variabilitäten und Unsicherheiten der Wasserbilanz und verstärken die existierende Wasserkrise auf nationaler und globaler Basis. In der Zukunft werden die Wasserqualität und –quantität und dementsprechend auch die Wasseranforderungen vom Klimawechsel sehr stark beeinflusst. Die durch die Klimaveränderung verursachten Änderungen in den Evapotranspirationsraten, den Bodenwassergehalten und der Frequenz der Wetterphänomene (Schneefall, Sturm, Flut) beeinflussen den hydraulischen Kreislauf (Abb. 1).

	Abb. 1: Einflüsse der Klimaveränderung auf den hydraulischen Kreis (RAGAB, 2002)

Es wird erwartet, dass die Veränderungen über die Wasserverfügbarkeit Einfluss auf, z.B. Flussströmungen, Navigation, Energiegewinnung und Ökosysteme haben werden. Diese Verfügbarkeitsminderungen werden ebenso Änderungen in der Wasserpolitik, der Nahrungsproduktion und der Nahrungssicherheit nach sich ziehen und führen zu nationalen und internationalen Konflikten (RAGAB, 2002).

Viele Länder der Europäischen Union (EU) leiden unter Wasserknappheit. In Spanien und Italien ist der Index, der das Verhältnis von Wasserquellen pro Person kennzeichnet, relativ niedrig (2.800 und 3.200 m³/Person/Jahr). In manchen Regio-nen Spaniens fällt der jährliche Wert sogar bis auf 500 m³/Person. In Frankreich werden jährlich 3.200 m³/Person umgesetzt. Infolge der stark steigenden Bevöl-kerung wird sich die Wasserverfügbarkeit in den nächsten Jahren auf weniger als 1000 m³/Person/Jahr einschränken (ANGELAKIS et al., 1997). Durch geringe und ungleich verteilte Niederschläge, hohe Temperaturen bei gleichzeitig steigendem Bedarf an Wasser in der landwirtschaftlichen Bewässerung und in der Tourismus-branche, ergibt sich in der mediterranen Region, besonders in den Sommer-monaten, eine unausgeglichenere Wasserbilanz, als in den zentralnördlichen Ländern Europas (TCHOBANOGLOUS et al., 1996 in: ANGELAKIS et al., 1997). Aus den klimatischen Daten resultiert, dass sich die Niederschläge in Nordeuropa, im Gegensatz zu den südlichen Ländern Europas, erhöhen. Die meisten Nieder-schläge fallen dort nur in der Herbstzeit (RAGAB, 2002).

Der Wasserverbrauch in den EU-Ländern konzentriert sich auf drei Sektoren: Industrie, Landwirtschaft und inländischer Verbrauch (Tab. 1).

Tab. 1: Jährlicher EU-Wasserbedarf in verschiedenen Sektoren (WILLIAMS und MUSCO, 1992 in: ANGELAKIS et al., 1997)

Während in der Industrie und als Trinkwasser insgesamt relativ geringe Mengen eingesetzt werden, die zudem leicht einen hohen Wasserpreis erzielen lassen (low quantity, high value use), ist die Wasserverwendung für die landwirtschaftliche Be-wässerung (high quantity, low value use) reziprok (BRISCOE, 1997). Die landwirtschaftliche Bewässerung verbraucht weltweit über zwei Drittel (69 %) (WOL-TER, KANNDIAH, 1996) oder mehr (bis 90 %) der jährlichen Wasserentnahmen (in: MANIG, 1998). Im Südwesten Floridas schlug eine Wassermanagement-Agentur z.B. damals vor, dass bis zum Jahre 2000 die agrarwirtschaftlichen Operationen die Wassereffizienz der vorhandenen Bewässerungssysteme von 40 % auf 85 % erhöhen sollten (GRADDY, 1990 in: CZIZINSKY, 1993). Nach Angaben des FAO-Aquastat (1996) werden weltweit ca. 254 Mio. ha (17,4 %) der gesamten landwirt-schaftlich genutzten Flächen der Welt bewässert. Auf dieser Fläche werden 40 % der globalen Nahrungsmittel erzeugt. In Europa werden nur 4 % mit Mikro-wässerung bewässert, wobei bei 61 % der Flächen die Beregnungsmethode und bei 35 % die Oberflächenbewässerungsmethode eingesetzt werden (SOURELL, 1998).

In den letzten 40 Jahren wurden große Investitionen in die Bewässerung getätigt. Allein die Weltbank gab von 1950 bis 1993 Kredite in Höhe von 31 Mrd. US-Dollar für Bewässerungsprojekte aus. Auch in den Ländern Europas wurden staatliche Förderungen zur Verbesserung der Wassernutzung investiert. Das Bundesland Hessen hat (zwischen 1993 und 1998) ca. 8,5 Mio. DM für wasser- und energie-sparende Bewässerungstechniken - und somit auch zur Modernisierung der Bereg-nungstechnik - aufgewandt (SOURELL, 1998).

In Anlehnung an die EC-Richtlinie 91/271/EEC (über die Behandlung der urbanen Abwässer) orientieren sich die Länder der EU auf die Integration der Abwässer in die Bewässerung. In Israel ist die Rückführung von behandelten Abwässern in den Wasserkreislauf und deren Einsatz zu Bewässerungszwecken weit entwickelt (ANGELAKIS et al., 1997).

In Gebieten Westeuropas mit intensiver Agrarproduktion herrscht eine generelle Sorge über die Bedrohung der Wasserqualität. Diese Bedrohung ergibt sich aus dem Stickstoffaustrag aus der Tierproduktion und den extensiven und nicht bedarfs-gerechten Einsatz von Düngemitteln in der Kulturproduktion (TEN BERGE et al., 2002). Die meisten Kulturmethoden des intensiven Anbaus sind gekennzeichnet von einem enormen Verlust an Stickstoffmengen. Nach Angaben von EVERAARTS et al. (1996b) verbleiben z.B. nach der Ernte die Hälfte der eingesetzten Stickstoff-mengen einer Blumenkohlkultur im Feld (in: NEETESON et al., 1999). Die Agrarpro-duzenten setzen große Mengen an Stickstoffdünger ein, um höhere Erträge besserer Qualität zu erreichen. Die Emission von Stickstoffmengen in der Agrar-produktion beeinflusst die Qualität der Atmosphäre, des Bodens- und des Oberflächenwassers und mindert die Prozessqualität.

Der starke Ablauf von überschüssigen Wassermengen in offenen Bodenkulturen (Feld- sowie Gewächshausproduktion) ist mitverantwortlich für die Umwelt-belastung. Im Versickerungsweg des Wassers im Boden befinden sich prinzipiell Dünge- und Pestizidrückstände. Diese werden durch das versickernde Wasser in das Grundwasser eingeleitet. Ein weiterer Teil dieser Rückstände wird in die obere Schicht des Bodens eingelagert. Die damit verbundene Salzakkumulation ver-schlechtert die Qualität des Bodens und belastet den Anbauer mit zusätzlichen Kulturarbeiten. Zusätzlich wird der Boden mit bodenbürtigen Krankheiten belastet, da er einseitig genutzt wird (Einkultur-Prinzip). In temperierten Bodenbereichen werden die NO₃ˉ-Ionen von den Bodenkolloiden nicht absorbiert und verbleiben in der Bodenlösung. Durch die Wasserbewegung werden diese Ionenmengen durch das Bodenprofil transportiert. Auch NH₄ ⁺-Ionen und organisch gebundener Stickstoff wurden in Ablaufmengen festgestellt, die aber nicht signifikant für den gesamten Stickstoffverlust sind (NEETESON et al., 2001). Im Fall einer 90%igen Sättigung der Bodenporen mit Wasser und relativ hohem Anteil organischer Masse können potentielle Denitrifikationsverluste verstärkt werden (LINN und DORAN, 1984 in: VOOGT, 1999). In Westeuropa findet der Stickstoffablauf in den Wasserzonen des Bodens hauptsächlich vom späten Herbst bis Anfang Frühling statt. In dieser Zeit übertreffen die Niederschlagsmengen die herrschenden Evapotranspirations-mengen (NEETESON et al., 2001).

Die maximal erlaubte Konzentration der NO₃ˉ-Ionen pro Liter Trinkwasser wird von der Europäischen Union auf 50 mg (= 11,3 mg N/l) festgelegt (Nitrat Richtlinie 91/676 EEC, Kommission der Europäischen Gesellschaft 1991). Messungen werden durchgeführt, um entweder die Grenzen der maximalen Dosierung festzu-setzen oder auch um detaillierte Angaben über die Zeit, den Ort und die Art der Stickstoffapplikation zu geben (TITUALER, 1999; NEETESON et al., 2001; TEN BERGE et al., 2002). In den Niederlanden wird der Einsatz von Stickstoff in der Gemüseproduktion durch staatliche Regulierungen eingeschränkt. Der Anbau auf Substraten soll nach dem geschlossenen Verfahren durchgeführt werden, wobei der Bodenanbau für einige Kulturen erlaubt ist. Dennoch sollte die Nährstoffaus-waschung eingeschränkt und das Wasser effizienter eingesetzt werden (GIELING, 2001). Die Zugabemenge wird anhand eines Mineralerklärungssystems (MINAS) bestimmt (Tab. 2). Die erlaubte Stickstoffzugabemenge wurde für das Jahr 2000 auf 150 kg N/ha festgesetzt. Es wird beabsichtigt, diese Menge bis zum Jahr 2008 auf 100 kg N/ha einzuschränken (TITUALER, 1999).

Tab. 2: Die erlaubten Zugaberaten (kg/ha) für Stickstoff und Phosphat in Anlehnung des MINAS für Gemüseproduzenten (TITUALER, 1999)

Die Einhaltung des N_min im Boden unter 34 kg N/ha ist nach STEENVOORDEN (1983, 1988) eine sichere Maßnahme, um den Stickstoffgehalt des Wassers unter 50 kg/l zu halten (in: TITUALER, 1999). Dagegen wird diese Menge für die Winter-periode verdoppelt (GOOSESENSEN et al., 1990 in: NEETESON, 2001). Zur Bestimmung dieser Dosiermenge werden sowohl der Bodentyp, die Kultur und die Wasserqualität, wie auch Daten vergangener Düngerapplikationen, berücksichtigt. Durch neuartige Berechnungsmodelle werden die Stickstoffmengen in der Wurzelzone am Anfang der Kultivierungsperiode berechnet. Die Bewässerungs-steuerung kann mit Hilfe geeigneter Transpirationsmodelle und parallel zur sensorgestützten Kontrolle der Boden- bzw. Substratfeuchte zur exakten Steuerung der eingesetzten Stickstoffmengen führen, ohne große Verluste durch überschüs-sige Wassermengen zu erzeugen.

1.3.1  Bewässerungsverfahren und –systeme zur Wassermengenkontrolle

Die sparsame Wasseranwendung im intensiven Pflanzenanbau spielte bis vor wenigen Jahren eine untergeordnete Rolle. Die Notwendigkeit für neue Technolo-gien in der Wasserausbringung wurde jedoch sehr früh festgestellt. Innovative Be-wässerungssysteme wurden zuerst im Freilandanbau und darauf folgend im Ge-wächshausanbau eingesetzt. Die einfache - aber unökonomische und zeitaufwen-dige - Wassergabe mit der Hand wird heute nur für Saatgutarbeiten angewendet.

Je nach Kulturmethode werden hauptsächlich drei Bewässerungsverfahren eingesetzt: die Sprühbewässerung, die Tropfbewässerung und das Ebbe-Flut-System. Eine führende Rolle hat das Tropfsystem übernommen. Die punktuelle Gabe von geringen Wassermengen verhindert die Befeuchtung der Pflanzen und der Bodenoberfläche. Diese Applikationsmethode ermöglicht eine wassersparende Nutzung von Flächen für den Pflanzenanbau. Im Vergleich zu konventionellen Systemen (Sprühbewässerung, Regner) kann eine Tröpfchenbewässerung zu sig-nifikanten Ertragserhöhungen führen. Es wurden Ertragssteigerungen von 34 % bei Erdbeerkulturen nachgewiesen. Besonders in Perioden mit hoher Sonnenein-strahlung sind Ertragsunterschiede, bedingt durch verschiedene Bewässerungs-systeme, festzustellen (TEKINEL et al., 1994).

Die Wasserverteilung durch Tropfer ist nicht problemlos. Die gleichmäßige Ver-teilung des Wassers während eines Gießvorganges ist abhängig von der Qualität der Tropfer, den Druckunterschieden und Druckschwankungen in den Leitungen sowie eventuell vorhandenem Nachtropfen (TEKINEL et al., 1994; HÖFERT et al., 1994; PASCHOLD et al., 1995; BECK et al., 1995). 2/3 der im Feld eingesetzten Mikrobewässerungssysteme zeigen bis zu 80 % Ungleichmäßigkeiten durch Druck-variationen und Verstopfungen (FERERES et al., 1997). Weitere Probleme, wie hohe Salzkonzentrationen an der Bodenoberfläche und im Bereich zwischen zwei nebeneinander liegenden Tropfern oder Wurzelwachstumseinschränkungen, sind im Einsatz dieser Bewässerungssysteme nicht zu übersehen. Daneben spielen die hohen Investitionskosten eine wichtige Rolle (TEKINEL et al., 1994). Zahlreiche Empfehlungen werden in wissenschaftlichen Untersuchungen gegeben, um die mit der Tröpfchenbewässerung verbundenen Probleme zu lösen (Tab. 3).

Tab. 3: Maßnahmen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Tropfsystemen (HÖFERT et al. 1994; PASCHOLD et al., 1995; BECK et al., 1995)

Durch die Entwicklung von druckkompensierenden Tropfsystemen soll die Ab-hängigkeit der Ausbringmenge vom Leitungsdruck entkoppelt werden (HÖFERT et al. 1994; PASCHOLD et al., 1995; BECK et al., 1995). Da jedoch verstärkt mikro-mechanische Bauteile in dem Tropfer eingesetzt werden, kann die für eine gleich-mäßige Ausbringung erforderliche Fertigungstoleranz oft nicht eingehalten werden.

Weltweit wird der Anbau in Erde noch heute von den Gartenbauproduzenten bevor-zugt. Geringere Ansprüche an das gärtnerische Wissen, langjährige Erfahrungen und insbesondere niedrige Investitionskosten sind dafür ursächlich. Zusätzlich ha-ben Aspekte der Verbraucherakzeptanz und die Hinwendung zu ökologisch produ-zierten Erzeugnissen eine wichtige Rolle in dem nach wie vor bestehenden Interes-se an bodenkultivierten Nahrungsprodukten gespielt.

Die Erstellung von Wasserbilanzen bei Bodenkulturen ist schwierig, da die Bilanzanteile Bodenwasser und Versickerung schwer zu ermitteln sind. Je nach Art, Eigenschaften und Struktur (Porengröße) des Bodens unterscheiden sich diese Bilanzanteile. Entscheidenden Einfluss haben hier das Kultur- wie auch das Bewäs-serungssystem.

Als Alternative gewinnt die erdlose Kultivierung in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung. 1975 stieg in den Niederlanden der kommerzielle Anteil der erdlosen Kulturen auf Steinwolle an. 70 % des Gemüseanbaus und 24 % des Schnittblumen-anbaus wurden 1993 in Steinwollsubstrat kultiviert (VERWER, 1976; SONNEVELD, 1988 in: GIELING, 2001). 1999 wurden 4.000 ha (Gemüse- und Schnittblumen-anbau) als erdelose Kultursysteme angebaut. In Belgien werden ungefähr 800 ha als Substratkultur angebaut (VAN OS, 1999 in: GIELING, 2001). Ähnliche Entwicklungen sind auch in anderen Ländern zu beobachten. Die weltweit hydroponisch bewirtschaftete Fläche betrug 1994 ungefähr 20.000 ha (MAVROGIANNOPOULOS, 1994).

In der mediterranen Region ist der Einsatz von erdelosen Kulturverfahren wegen der eingeschränkten Möglichkeit der Klimasteuerung und der hohen Substrat-temperaturen im Frühling und Sommer problematisch (BAILLE et al., 1994). Poly-uhrethanmatten (PUR) sind in dieser Region von besonderem Interesse. Substrat-kulturen, inklusive der NFT-Technik, expandieren langsam aber stetig. Die Tendenz führt zu einfachen Technologien und geschlossenen Systemen (mit einer Nährlö-sungsrezirkulation) (BAUDOIN, 1999).

Als Vorteile der hydroponischen Kultur können folgende Punkte genannt werden:

• bessere Wasser- und Sauerstoffbedingungen im Wurzelbereich der Pflanzen,
• Vermeidung bodenbürtiger Krankheiten,
• Verhinderung des Eintrittes von Pestiziden und Düngemittelresten im Grund-wasser,
• bessere Anpassung der Automatisierung,
• Nutzung von Flächen, die für den Anbau nicht geeignet sind (salzhaltige Böden),
• Kosteneinsparungen durch die gezielte Versorgung der Pflanzen und die Einschränkung der Verluste und
• Erleichterung der Kulturarbeiten und Einsparung an Arbeitskosten.

Das niedrige Pufferungsvermögen der erdelosen Kultursysteme stellt, jedoch hohe Anforderungen an die Steuerung bzw. Regelung der Nährstoffversorgung. Die Wasserspeicherkapazität der Steinwollwürfel reicht nur für einige Tage, bei der NFT-Technik nur einige Stunden (KLÄRING, 2001). Das Konzept der Anreicherung der wichtigen mineralischen Elemente durch die Nährlösung ist einfach, aber seine effiziente Applikation kann schwierig werden, wenn kurzfristig kleine Nährmengen für rapide Wachstumsraten angefordert werden. Solche kleinen Systeme sind labiler als große und fordern rapide Reaktionen zu den Veränderungen der Nährlösung. Fehler in der Nährstoffversorgung wirken sich schneller auf den Kulturerfolg aus, als bei den Bodenkulturen.

1.3.2.a  Offene und geschlossene Bewässerungsführung

Eine erste Unterteilung der erdelosen Kulturverfahren kann nach dem Substrattyp erfolgen. Die Hydrokulturen werden auf inertem Substrat oder substratlos (Aeroponik) kultiviert. Weit verbreitet sind die Steinwollkulturen, die sowohl im Gemüse- als auch im Zierpflanzenanbau praktiziert werden. Auf dem Weltmarkt ist dieses Substrat mit dem Firmennamen „Grodan“ bekannt. Nach Angaben von SCHRÖDER (1994) bestanden 1994 um die 4.000 ha Gewächshausfläche weltweit aus Steinwollkulturen. Sehr stark ist auch das Perlitsubstrat vertreten. 48 % der gesamten Hydrokulturen (1.500 ha weltweit) werden in Perlit angebaut. Umfangreiche Unter-suchungen wurden für die Eignung als Substrat vorgenommen, indem Materialien wie Sand, Zeolith oder Blähton geprüft wurden (MALOUPA et al., 1993; MEINKEN et al., 1996; SCHNITZLER et al., 1996).

Bei den erdelosen Systemen besteht die Möglichkeit, durch einfache Methoden das überschüssige Wasser jedes Bewässerungsganges zu ermitteln. Meistens wer-den diese Wassermengen durch am Kultursystem angebaute Rinnen in ein Sam-melbecken geführt. Die Entscheidung, diese Mengen zurück ins Bewässerungs-system zu führen oder sie zu entsorgen, charakterisiert das Kultursystem als ge-schlossenes oder offenes System. Bei einigen Systemen wird die Bewässerung ohne Überschusswasser durchgeführt.

Die offene Führung eines Kultursystems ist einfacher in der Anwendung und braucht weniger Fachkenntnisse als die geschlossene. Der technische Aufbau solcher Systeme ist unkompliziert und kostengünstig, da sie keine Rückführungs-systeme und wenig Sensorik benötigen. Die Mengen des Überschusswassers können kontrolliert werden. Unter niedrigen Einstrahlungsbedingungen gehen 10-15 % an Wassermenge verloren, wobei bei höheren Einstrahlungsbedingungen diese Verluste zwischen 30-50 % liegen (DORAIS et al., 2001). Obwohl jedes erdelose System von einem Steuerungssystem geführt wird, sind Nährstoffverluste auch in diesem Fall nicht zu umgehen. Die Bewässerung einer Kultur auf Mineralwolle mit 28,4 % Sickerwasser pro ha Gewächshausfläche ergab Verluste von 660 kg N, 33 kg P, 550 kg Mg und 900 kg Ca (VOGEL et al., 1991). 2.800 m³ Wasser, 2,5 t Salz und 1.700 kg Nitrate/ha pro Jahr entgehen bei der offenen Führung einer Tomatenkultur auf Steinwollkultur (MORARD, 1995 in: MORARD, 1996).

Geschlossene Kultursysteme zeigen eine bessere Öko- und Kostenbilanz als die offenen. Studien zeigen eine Verbesserung der Ökonomie des Wassers bis zu 30 % und der Düngemittel bis zu 40 % - verglichen mit den traditionellen offenen Syste-men. Eine 100%ige effiziente Nutzung des Wassers und der Nährstoffe kann auf-grund der relativ schlechten Qualität des Bewässerungswassers nicht erreicht wer-den (BÖHME, 1996; VAN OS, 1999; TUZEL et al., 2001).

Vergleichsuntersuchungen zwischen einer geschlossenen und einer offenen Be-wässerungsführung an Gurkenpflanzen in unterschiedlichen Substraten ergaben keine signifikanten Unterschiede im Pflanzenwachstum, Ertrag und in der Frucht-qualität (BÖHME, 1996; GÜL et al., 1999). Dagegen ergab ein geschlossenes Sy-stem bei Gurken bessere Pflanzenhöhe, Frischgewicht und Trockengewicht, wie auch ein leicht verbessertes Fruchtgewicht der marktfähigen Produkte (CHOI et al., 2001).

Die Wiederverwendung des Überschusswassers für die Bewässerung ist mit einem Aufwand von technologischen Anforderungen verbunden, die fachliche Kenntnisse und höhere Investitionen im Bereich MSR voraussetzt. Eine Nähr-stoffbevorratung ist daher kaum möglich, Düngefehler werden schnell ertrags-wirksam (SCHACHT et al., 1994). Nicht zu vermeiden ist die Gefahr einer schnellen Verbreitung von Pflanzenpathogenen (VAN OS, 1999). Obwohl in diesen Systemen zuverlässig verhindert wird, dass Düngemittel ins Grundwasser gelangen, ent-weichen 20-40 % des angebotenen Stickstoffs gasförmig. Nach ZERCHE (1996) beeinflusst der Kulturzeitraum die Höhe der Verluste erheblich (59 kg/ha einer Janu-ar- und 142 kg/ha einer Juli-Kultur).

Simulationsstudien an unterschiedlichen Kulturgruppen wurden durchgeführt, um ökonomische, technische und ökologische Aspekte der geschlossenen Kultursyste-me zu untersuchen. Nach diesen Angaben braucht jede Kulturgruppe ein Kultursy-stem mit pflanzenspezifischen Eigenschaften. Die Studien zeigten auch, dass sol-che Systeme nicht für alle Kulturen einen ökonomisch sinnvollen Einsatz bedeuten (RUIJ et al., 1992; VAN OS et al., 1991; RUIJ, 1994 in: GIELING, 2001). In geschlossenen Verfahren wird die Dynamik des Bewässerungssystems vom Typ des Verfahrens und des Substrates beeinflusst (DORAIS et al., 2001).

Neben den Kulturverfahren sind das Dünnschichtkultursystem und das Containersystem ohne Überschusswasser zu unterscheiden. Voraussetzung ist ein gut pufferndes Substrat, um Salzakkumulationen im Substrat zu verhindern. Dennoch besteht die Gefahr, durch zu geringe Wasserüberschussmengen, die Pflanze ungenügend mit Wasser und Nährstoffen zu versorgen. So entsteht die Notwendigkeit einer genauen Regelung, die sich am Wasserverbrauch der Kultur orientiert.

Erdelose Kultursysteme haben erhebliche ertragsbezogene Vorteile gegenüber den Bodenkulturen. Die Kultivierung von Gemüse und Früchten in Perlit ergab einen Ertrag von 11 bis 12 kg/m³ im Vergleich zu dem Ertrag von bodenkultivierten Pflan-zen, der zwischen 3,5 bis 5 kg/m³ lag (SANCHEZ, 1993; JOSE et al., 1994; JIME-NEZ, 1993 in: GRILLAS et al., 2001). Gleiche Ergebnisse wurden bei Tomaten-Paprika- und Auberginenkulturen im Vergleich zwischen Steinwoll- und Boden-systemen festgestellt. Unterschiede zeigten sich auch in der Qualität der Früchte mit einem höheren Nitratgehalt bei der Bodenkulturvariante (OSVALD et al., 1996).

Durch ein zunehmendes Umwelt- und Gesundheitsbewusstsein der Verbraucher wurde in den letzten Jahren die angeblich unnatürliche Produktionsweise moniert, weil sie zu einer schlechten inneren Qualität der Produkte führe. Es gab Zweifel an der Erhaltung des natürlichen Geschmacks aufgrund von hydroponischen Produ-ktionsbedingungen. Schon frühere Untersuchungen hatten jedoch gezeigt, dass die wesentlichen Qualitätsmerkmale von Gewächshausgurken in Kies oder Container sich nicht deutlich von den bodenkultivierten Gurken unterschieden (GEISSLER et al., 1954 in: VOGEL et al., 1991). Der Inhaltsstoffgehalt von Tomaten unterscheidet sich zwischen den PPH-, NFT- und Bodenverfahren, jedoch ohne eine wahrnehmbare Beeinflussung des Geschmacks (AUERSWALD et al., 1996). Die Parameter der inneren Qualität der Tomaten (Vitamin C) sind abhängig von der Sorte, den Klimabedingungen, der Produktionsweise (Freiland oder Gewächshaus), der Erntezeit und der Zusammensetzung der Nährlösung. Befragungen bei Konsumenten zeigten, dass sie sogar erdelos kultivierte Tomaten bevorzugten (GYSI et al., 1996).

Aus ökonomischer Sicht sind die gesamten Ausgaben eines bodenkultivierten Tomatenbestands erheblich niedriger, als im Vergleich zu einer Tomatenkultur in Containern mit einer Perlit/Torf-Mischung. Die Ursachen für diese Kostendifferenz sind die höheren Ausgaben der Pflanzung und der Ernte (61 % der gesamten Ko-sten in erdelosen Kulturen und 43% in Bodenkulturen) (DUPLANCIC et al., 1996). Ein wesentlicher Aspekt, der für die Nutzung von hydroponischen Systemen spricht, ist die Gesetzgebung der Länder in Bezug auf den Umwelt- und Trinkwasserschutz.

Zur Quantifizierung des effizienten Wassereinsatzes in der Agrarwirtschaft wird seit mehreren Jahren die „Wassernutzungseffizienz“ (Water Use Efficiency, WUE) ver-wendet. Die Definition und Berechnung dieser wird in der Literatur unterschiedlich vorgenommen. Aus pflanzenphysiologischer Sicht wird der transpiratorische Was-serverbrauch (mmol/m²s) zur Stoffproduktion (Nettophotosynthese in μmol/m²s) ins Verhältnis gesetzt (LARCHER, 1994):

Dieses Verhältnis wird als Wassernutzungskoeffizient der Photosynthese (LAR-CHER, 1994) oder Transpirationseffizienz - ITE oder W_t - (EAMUS, 1991; RICH-ARDS et al., 1993; HSIAO et al., 2000) bezeichnet und drückt das momentane Gaswechselverhalten eines Blattes oder der Pflanzendecke aus. Für die ökonomi-sche und ökologische Bewertung der effizienten Wassernutzung wird einerseits die Trockensubstanzproduktion (WUE der Produktivität, WUE_P ) (LARCHER, 1994) bzw. das Gewicht der Trockenmasse (EAMUS, 1991) und andererseits der Ertrag (DINAR, 1993; LOVEYS et al., 2000; BOARI et al., 2000; CANDIDO et al., 2000) der gesamten Kulturperiode zum gesamten Wasserverbrauch, ins Verhältnis gesetzt:

Nach RICHARDS et al. (1993) definieren die Farmer in den USA als WUE den Er-trag oder den ökonomischen Gewinn pro Wassereinheit durch Niederschlag oder Bewässerungsvorgang. Im Zähler kann dabei das Gewicht der Körner, der Früchte oder die über den Boden befindliche Biomasse - oder die gesamte Biomasse - stehen. Der Bedarf, d.h. die durch Bewässerung und Evapotranspiration umgesetzte Wassermengen, werden typischerweise im Nenner eingesetzt.

Die unterschiedlichen Definitionen des WUE führen nach Angaben von LETEY (1993) zu gegensätzlichen Ergebnissen. Ertragserhöhungen pro Einheit der ET kann in den meisten Fällen durch Maximierung der ET erreicht werden. Die Zugabe größerer Wasserbeträge erhöht die Evapotranspiration und somit die Ertragsmenge. Dagegen wird der WUE_E, als Ertrag pro Einheit zugeführter Wassermenge, durch Einschränkung der zugeführten Wassermengen erhöht. Im ersten Fall wird ange-nommen, dass das von der ET nicht verlorene Wasser in anderen Prozessen ver-braucht wird, wobei im zweiten Fall das überschüssige Wasser nicht weiter genutzt wird.

1.4.1  Integration des WUE

Die WUE-Werte der verschiedenen Kulturen an einem definierten Standort variieren sowohl im Tages- wie auch im Jahresverlauf sehr stark. Im Tagesverlauf wird der momentane WUE- Wert durch den Wasserdampfgehalt zwischen Blatt und umge-bender Luft und durch die photosynthetisch aktive Strahlung geprägt. Saisonale Va-riationen im Laufe der Jahre sind mit der ontogenetischen Entwicklung der je-weiligen Kultur (Blütezeit, Fruchtentwicklung) und der saisonalen Variation des Klimas verbunden (LARCHER, 1994).

	Abb. 2: Tagesverlauf des momentanen WUEPh, der Nettophotosynthese und der Transpiration bei Cucumis sativu s

	Abb. 3: Kumulativer Tagesverlauf des WUEPh, der Photosynthese (Ph) und der Transpiration (T) in einer achttägigen Zeitperiode bei Cucumis sativus

Veränderungen der Diffusionsbedingungen für Wasserdampf und CO₂ bestimmen den momentanen Wassernutzungskoeffizienten der Photosynthese WUE_Ph (Abb. 2). Aus den momentanen Messungen der Gase kann der WUE_Ph für Langzeitperioden bestimmt werden. Langzeitmessungen des momentanen Gaswechselverhaltens am Pflanzenblatt ermöglichen Aussagen über den Wasserzustand der Pflanze (Abb. 3, 4).

	Abb. 4: Photosynthetische Wassernutzung bei Wassermangel: Tagessummen der Nettophoto-synthese (Ph) und der Transpiration (Tr) und der Quotient Ph/Tr von 6 Wochen alten Weizen-pflanzen bei Bodenaustrocknung (AHO et al., 1979 in: LARCHER, 1994)

Bei ausreichender Wasserversorgung über mehrere Wochen bleibt das Verhältnis Ph/Tr relativ stabil. Wenn beide Gasströme etwas reduziert sind (Mangelbeginn), ist deren Verhältnis am höchsten. Bei fast geschlossenen Stomata (Wassermangel) nimmt das Verhältnis steil ab (Abb. 4).

Der WUE ist eine integrierende Größe, in die alle Eigenschaften der Trocken-stressvermeidung und der –toleranz eingehen und ebenso alle Stoffwechsel-besonderheiten, welche die Biomasseerhöhung (LÖSCH, 2001) sowie auch die Pro-duktionsleistung, fördern. Die oben genannten Eigenschaften des WUE ermög-lichen, Pflanzen mit hohem WUE in wasserlimitierenden Bedingungen anzubauen und somit ein besseres Ertrag/Wasser-Verhältnis zu erreichen. In der Gewächs-hausproduktion sollte der WUE besonders beachtet werden, weil er Aussagen über Effekte von Einstrahlung, Transpiration und Photosynthese, wie auch deren Wechselwirkungen, auf das Pflanzenwachstum ermöglicht (JOILLET, 1993).

Der wissenschaftliche Ansatz in der Phänologie einiger Kulturen durch gene-tische Veränderungen führt zu Ertragserhöhungen ohne zusätzliche Wassergabe und somit zu einer positiven Veränderung des WUE_E. Die vegetativen und produk-tiven Zeitperioden der Kulturen werden den verfügbaren Wasser- und Klimakon-ditionen angepasst, um limitierenden Konditionen auszuweichen. Auch die durch genetische Veränderungen frühzeitige Reife der Früchte beeinflusst positiv den WUE_E, da unabhängig von den Erntekonditionen mehrere Kulturen im Jahr geerntet werden können. Nach RICHARDS (1991), wird durch die Einschränkung der Pflanzenhöhe und der Zeitspanne zwischen Aussaat und Blüte ein größerer Teil des Photosyntheseproduktes für die Fruchtentwicklung eingesetzt. Methoden, wie die Reduzierung der Wurzelmasse, die Einschränkung der Respiration in der Nacht oder die Biomasseerhöhung in den kältesten und feuchtesten Perioden erhöhen den WUE_Ph. Die Entwicklung einer größeren Pflanzendecke reduziert einerseits die Wasserverluste durch die Evaporation und fördert andererseits die Transpiration (in: RICHARDS et al. 1993). Unter hohen CO₂–Luftkonzentrationen ist der Prozess der Nettophotosynthese stärker als der der Transpiration. Ein niedriges VPD erhöht zusätzlich den WUE (EAMUS, 1991; ZABRI et al., 1998; CLIFFORD et al., 2000). Eine durch die Bewässerung geführte CO₂-Applikation bei Melonenpflanzen führte zu hohen WUE (PINTO et al., 2000).

Der WUE der Blattfläche steigt mit der Zunahme des verfügbaren Lichtniveaus. Innovative Veränderungen im Kultursystem und im Pflanzenabstand bei Aprikose- und Kiwikulturen führten zu größeren LAI-Werten und zur Erhöhung der Trocken-masseproduktion. Im Vergleich zu schattierten Blättern sind die WUE-Werte der dem Licht ausgesetzten Blätter 6 bis 20mal höher (XILOYIANNIS et al., 2000).

Sowohl im Feldanbau wie auch in der Gewächshausproduktion dient die techno-logische Entwicklung neuer Bewässerungssysteme der effektiven Kontrolle der eingesetzten Wassermengen. Der WUE eines doppelbedeckten Tunnel-Gewächs-hauses zeigte einen höheren Wert als eines mit einfacher Bedeckung (TEKINEL et al., 1994).

Bei einer regionalen Langzeitstudie zur Bewässerung von Citruskulturen variier-ten die zugeführten Wassermengen signifikant, wenn die Wasserzufuhr durch Tropf-systeme, Düsensysteme und Furchensysteme erfolgte (8128, 8890 und 9906m³/ha entsprechend). Der Übergang von der Furchenbewässerung zur Tröpfchenbewäs-serung brachte eine 18%ige Einsparung des zugeführten Wassers und eine Reduzierung des Drainagewassers (DINAR, 1993). LOVEYS et al. (2000) haben ein Bewässerungssystem für Weinkulturen entwickelt, dass die vegetative Entwicklung der Kultur einschränkt und den WUE verbessert. Mit der so genannten PRD-Technik wird nur ein Teil der Wurzel bewässert, so dass sich Abscisinsäure (ABA) im trockenen Teil der Wurzel bildet. Dadurch wird der Öffnungsgrad der Stomata reduziert, was die Wasserverluste (Transpiration) und die Photosyntheseleistung einschränkt. Der WUE der Kontrollvariante (voll bewässert) lag bei 6,4 t/ML und der der PRD-Variante bei 11,9 t/ML.

Weitere mögliche Effekte der technologischen Entwicklung, wie die Begrenzung der Umweltbelastung, haben besonders im Feldniveau einen positiven Einfluss auf die effiziente Wassernutzung (MEYER, 1990; DINAR et al., 1991 in: DINAR, 1993).

Nicht nur die Quantität, auch die Qualität des Wassers ist zu berücksichtigen. Angaben von HANKS et al. (1977) und STEWART et al. (1977) zeigen, dass das Verhältnis zwischen Ertrag und ET identisch ist bei einer ET-Einschränkung - wegen hoher Salzkonzentration des Wassers oder wegen limitierter Wasserverfügbarkeit (in: LETEY, 1993).

Der WUE_T–Wert, als Verhältnis der Transpiration zu den zugeführten Wasser-mengen, liegt in Israel bei 0,9 (STANHILL, 1991 in: DINAR, 1993). Trotz der bekannten Wasserknappheit ist dieser Wert in anderen Regionen viel niedriger. Obwohl durch die Wissenschaft die potentiellen WUE-Werte erhöht wurden, erreichen in der Praxis die aktuellen WUE-Werte nicht immer dieses hohe Niveau, da die Anbauer unter anderen wirtschaftlichen und ökologischen Konditionen praktizieren (DINAR, 1993).

1.4.2  Auswirkung der Wasserbilanzüberschüsse

Unter Gewächshausbedingungen können die unproduktiven, überschüssigen Was-sermengen präziser gemessen und besser kontrolliert werden. Der Einsatz neuer Kultur- und Bewässerungsverfahren (Ebbe-Flut-System, Container und Tischkultu-ren) erlauben eine einfache und unkomplizierte Messung der Sickerwassermenge.

Die Überschussbewässerung kann zu physiologischen Funktionsstörungen führen, die indirekt die Fruchtqualität beeinflussen. Epinastie, Verringerung der Triebverlängerung, vorzeitige Alterung der Blätter, hohe Konzentrationen von Abszissinsäure und eine mangelhafte Wurzelgesundheit können ebenso eine mindere Fruchtqualität verursachen (BASIOUNY et al., 1994). Reduktion der löslichen Zucker, Vitamine, Mineralien usw., oder auch die Tendenz der Früchte aufzuplatzen (ABBOT et al, 1985 und 1986; PEET, 1992; McAVOY, 1995; PEET et al., 1995), sind weitere Resultate einer erhöhten Wassergabe. Auch ein entstehen-der Wassermangel in entscheidenden Kulturperioden kann die Qualität der Früchte beeinflussen. Abnahme des Fruchtwassergehalts und Zunahme der löslichen Farbstoffe, der Sucrosen/Saccharosen, der Hexosen, der Zitronensäure und des Kaliums in der Frucht wurden festgestellt (ADAMS, 1990; MITCHELL et al., 1991; PULUPOL et al., 1996).

Wie in der Praxis wird für die Berechnung des WUE auch in den wissenschaftlichen Arbeiten diese verlorene - und somit ineffiziente Wassermenge - nicht berücksichtigt. Die Berechnung der Verbrauchsmenge, durch Versickerung und Transpiration, zu der gesamten Wasserzugabemenge wird hiermit als Koef-fizient der Wasserbilanz K_B bezeichnet:

Durch die Kenntnis des K_B jener spezifischen Kultur (unter bestimmten klimatischen Bedingungen) könnte die Bewässerung besser kontrolliert werden. Niedrige K_B verweisen auf hohe Überschusswassermengen oder/und eingeschränkte Transpiration der Pflanzen. Durch eine exakte Bewässerungssteuerung können die Versickerungsmengen vermindert werden. Andererseits ist es möglich, durch die Klimasteuerung im Gewächshaus, eine höhere Transpirationsleistung der Pflanzen zu erreichen.