Bewässerungslandwirtschaft in ariden / semiariden Gebieten Probleme Nachhaltigkeit Methoden

Bewässerungslandwirtschaftin ariden / semiariden Gebieten

Probleme

Nachhaltigkeit

Methoden

Einführung

• Konkurrenz der Wassernutzungssektoren• Steigende Bevölkerungszahlen• Ziel: Optimierung im Bereich Kulturpflanzen• 63% des Wassers für Bewässerung• Einsparpotenziale?• In Zukunft: more crop per drop

Wo wird bewässert?

Wo wird bewässert?

• Vollarides Klima: Niederschlag < Verdunstung gilt für 10 bis 12 Monate im Jahr, unter 80 mm

Abflusslosigkeit, niedrige Luftfeuchtigkeit

• Flüsse verdunsten in ihrem Verlauf vollständig oder enden in abflusslosen Seen oder Salzpfannen

• Im Mittel 5% des NS für Grundwasserneubildung

Wo wird bewässert?

• Semiarides Klima: Niederschlag < Verdunstung gilt für 6 bis 9 Monate im Jahr

• 250 mm – 500 mm• Halbwüstenartig • Mittlerer Gesamtabfluss ca. 7,5% des

Niederschlags

Bedeutung der Bewässerung in trockenen Gebieten

• Künstliche Bewässerung zur Ausnutzung des Sonnenreichtums

• Bewässertes Land ist produktiver als unbewässertes

• 20% der Nutzfläche werden zusätzlich bewässert, sind aber für 40% der Nahrungserträge verantwortlich stark zunehmender Einsatz von Bewässerungssystemen

Konsequenz

• In einigen Regionen: Wasserverbrauch > Dargebot

• Verhältnis Verbrauch zu erneuerbarem Wasserdargebot: Libyen 3,74

Jemen 1,47 Saudi Arabien 1,06

auf Kosten des Grundwasserspiegels Eine über die Erneuerungsrate hinaus gehende

Wasserentnahme ist nicht nachhaltig!

Was ist nachhaltig?

• Zugriff auf erneuerbare Wasserressourcen• Verhinderung von Bodenversalzung-, erosion

und Desertifikation• Sparsamkeit / Effizienz im Umgang mit Wasser

Desertifikation/Wüstenbildung

• wenn in Gebieten mit relativ trockenem Klima die natürlichen Ressourcen (Boden, Vegetation, Wasser) als Folge einer zu intensiven Nutzung durch den Menschen beeinträchtigt oder zerstört werden

• Folgen: Vegetation verschwindet; Wassermangel; Böden erodieren, versalzen, versanden

• inzwischen in 70 Prozent aller Trockengebiete (36 Millionen km², eine Fläche dreieinhalb Mal so groß wie Europa)

Desertifikation/Wüstenbildung

Bodenversalzung• betrifft 50% aller bewässerten Flächen in (semi-)ariden Gebieten

Bedingt durch1.Salzanreicherung aufgrund der schlechten Qualität des Wassers2.Anstieg des Grundwasserspiegels a) Kumulation in tieferen Schichten b) Kapillarität leitet Wasser permanent an die Oberfläche, wo es verdunstet c) angehobener Grundwasserspiegel verhindert Auswaschung des Bodens3. ineffiziente Drainagesysteme

BodenversalzungDrainage Systems / Entwässerung

• Salinization Erhöhung der Salzkonzentration im Boden

• 3,000 - 6,000 ppm salt trouble für gewöhnliche Kulturpflanzen

• Absenkung des osmotischen Potentials des Bodens keine Wasseraufnahme mehr

• Boden: größere Konzentration gelöster Stoffe, als Wurzel (“Verdünnung” durch Osmose schwierig)

BodenversalzungDrainage Systems / Entwässerung

• Ionenimbalance– Überschuss an Natrium (kein K,Ca,N)

•  Natriumchlorid größte Toxizität und größtes Vorkommen

• Weitere:  Calciumchlorid,Magnesiumchlorid, Natrium- und Magnesiumsulfat

• Schlechte Entässerung / keine wirkliche Durchspülung (nat. oder artificial)

• Treatment: Durchspülen (Umweltschädigung?)

Waterlogging / RückstauDrainage Systems / Entwässerung

•Übermäßige Bewässerung

•Undurchlässige Schicht

•Topographisch bedingt

•Irrigation Wasser oder Sickerwaser aus Gräben heben GWS an

•Sauerstoffmangel

Australien

Optimale Bewässerung

• feuchter, aber ungesättigter Boden• Bereitstellung des ermittelten Wasserbedarfs

in der Wurzelzone• Punktuelles Bewässern vermindert Evaporation

und Ausbreitung von Unkraut• Transport des Wassers über geschlossene

Rohrleitungen

high-frequency, on-site, low volume

Zur Effizienz

• Conveyance efficiency: Wassermenge nach Transport / Wassermenge vor Transport

• On-farm application efficiency: Aufgenommenes Wasser / Bewässerungsmenge

Zur EffizienzGesamtwirkungsgrad Fag

Fag= P/U P: crop production

U: volume of water applied

U= R + D + Ep + Es + Tw + Tc R: run-off

D: deep percolation

Ep: evaporation during transport

Es: evaporation from the soil

Tw: transpiration of weeds

Tc: transpiration of crops

Häufige Werte:R + Ep + Es + Tw ≈ 20- 30%D≈ 30- 40%

Tc ≈ 30- 50%

Zur Effizienz

EinsparpotentialeWie kann man die Verluste von 50- 70% reduzieren?

• Auskleidung oder Verrohrung der offenen Zuleiter ( Verminderung der Versickerung oder Verdunstung)

• Moderne wassersparende Bewässerungsmethoden

• Verbesserung des Bewässerungsmanagements• Weniger wasseraufwendige Kulturen

EinsparpotentialeWie kann man die Verluste von 50- 70% reduzieren?

•Sammlung und Rückführung des Dränwassers

BewässerungsmethodenUnterirdische Bereitstellung

• Direkt zur Wurzelzone• Perforierte oder poröse Behältnisse• Eingelagert in 10-50 cm Tiefe• Periodische oder permanente Füllung durch

Oberflächenöffnung• Individuelle Anpassung an Raum/Wurzelwerk

(Bsp. Gitteranordnung)

BewässerungsmethodenUnterirdische Bereitstellung

• Porous ceramic jar• Verteilung der Feuchte bodenabhängig

(carrot-shaped, onion-shaped)

Bsp: erwachsener Obstbaum (canopy 10sqm)

Wasserbedarf 50 l/d, kreisförmige Anordnung um

den Stamm von 10 5-Liter-Behältnissen

BewässerungsmethodenUnterirdische Bereitstellung

• Porous and sectioned pipes

• Perforated plastic sleeves

BewässerungsmethodenUnterirdische Bereitstellung

• Problem: Porenangriff Verschluss möglich• Durch:

Suspendierte Sedimente

Kalzium, Salze

Algen/Bakterienwachstum

BewässerungsmethodenÜberirdische Aufbringung

• Full-system drip 10- 25mm Schläuche, perforiert oder mit spez. Auslässen

(Tröpfchenemittenten) 1- 10 Liter pro Stunde und Auslass Druck 0,5- 2,5 atm Befeuchtung von nur ca. 50% der Anbauzone Sehr geeignet für sandige Böden

BewässerungsmethodenÜberirdische Aufbringung

• Mikrosprayer (Mini-sprinkler) Düsen (Spray, keine Tropfen) Druck 1- 2 atm Vergrößert die Feuchtzone (jeweis einige m2), wichtig für große Bäume

BewässerungsmethodenÜberirdische Aufbringung

• low-head bubbler 1- 3 cm vertikale Schläuche (keine Düse/kein

Auslass) Geeignet für weit verteilte Pfanzen wie

Obstbäume

BewässerungsmethodenÜberirdische Aufbringung

• Subirrigation Regulierung des Grundwasserspiegels durch

Zu-/Abfluss von Wasser über Gräben

Irrigation schedulingWann und wieviel bewässern?

• Am besten: high-frequently, sogar täglich• genug um Bedarf hervorgerufen durch

Evaporation und Transpiration zu decken• Potentielle Evapotranspiration (PET):

Wassermenge pro Feldfläche, die evaporiert und transpiriert, von dicht bewachsenem Rasen, bei immer ausreichendem Wasserangebot

• AET ≤ PET

Irrigation schedulingWann und wieviel bewässern?

• PET und Wasseraufnahme der Wurzelzone hängen ab von:

Wassergehalt des Bodens Menge der Biomasse und Artengefüge Bedeckung des Bodens und Sonneneinstrahlung Luftfeuchtigkeit Temperatur der Erdoberfläche Temperatur der bodennahen Luftschichten Windgeschwindigkeit an der Erdoberfläche

Irrigation schedulingWann und wieviel bewässern?

Rechnerische Evaporationsbestimmung

E = Evaporationsrate (kg·m−2·s−1)

Δ = Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve in Abhängigkeit von der Luft(Dampf-)temperatur (Pa·K−1)

Rn = Nettostrahlung (W·m−2)

G = Bodenwärmestrom (W·m−2)

ρL = Luftdichte (kg·m−3)

cp = Wärmekapazität der Luft (1004 J·kg−1·K−1)

Cat = Atmosphärische Leitfähigkeit (m·s−1)

δe = Wasserdampfsättigungsdefizit (Pa)

γ = Psychrometerkonstante (ca 0,6 hPa·K−1)

λw = Verdampfungswärme von Wasser (2,5 MJ·kg−1)

Irrigation schedulingWann und wieviel bewässern?

Simples Messen der Verdunstungsrate

Mittels Evaporimeter/ Atmometer Bestimmung von Volumen(Skala)- oder Gewicht sabnahme (Drucksensor) Kann ein Indikator für Effekt von Radiation, Wind, Temperatur, Luftfeuchte auf ein Feld sein Voraussetzung: sinnvolle Lage (wind exposure, trinkende Tiere)

The standard Class A pan evaporimeter, developed by the US Weather Bureau

Irrigation schedulingWann und wie viel bewässern?

• Reaktion von Feld und pan auf gleiches Klima natürlich unterschiedlich

• Ursache: Reflexionsgrade, thermische Eigenschaften (heat storage), unterschiedliche Tag- und Nachttemperaturen, Wasserdurchlässigkeit des Bodens, …

• Trotz allem Korrelation zur tatsächlichen PET!

Correction factor (CF)

Irrigation schedulingWann und wieviel bewässern?

• CF zwischen 0,5 – 0,85 – freies Waser verdunstet mehr als Feld

• Erfahrungswert / Feldbedeckung

– PETfull cover = 0.66 Epan

– PETpartial cover = 0.33 (1 + C) Epan

Irrigation schedulingWann und wieviel bewässern?

• I = {0.33 x (W + L)} Epan (1 + C) – R

= (0.33 x 0.9) Epan (1 + C) - R

= 0.3 Epan (1 + C) – R

• irrigation requirements (I)• crop water requirement (W) (80 percent of PET)• leaching fraction (L) (10 percent of PET) • rainfall that occurred since the previous irrigation

(R)• Ergibt eine einleitende Schätzung