View
218
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
Bodenwasserwirtschaft815.301
Willibald Loiskandl
2
SPAC: Soil-Plant-Atmosphere-Continuum
3Einflussfaktoren der Evapotranspiration, FAO no. 56
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum
4
VerdunstungDer Prozess, bei dem ein flüssiger oder fester Stoff in den gasförmigen Zustand übergeht. Die Verdunstung wird definiert als jene Flüssigkeitsmenge, die in der Zeiteinheit pro Flächeneinheit verdampft.
Evaporation:Verdunstung, die von einer leblosen Substanz (z. B. vegetationsloser Boden, Schnee, Wasser) erfolgt:EE in mm d-1 bzw. m3 m-2 d-1
Transpiration:Verdunstung, die von einer belebten Substanz (z. B. Pflanzen) erfolgt:ET in mm d-1 bzw. m3 m-2 d-1
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum
5
EvapotranspirationEvaporation und Transpiration, bei dem Wasser in Form von Wasserdampf an die Atmosphäre abgegeben wird:E in mm d-1 bzw. m3 m-2 d-1
Potentielle Evaporation, Transpiration, bzw. EvapotranspirationDie bei den äußeren Verdunstungsbedingungen maximal mögliche Evaporation, Transpiration bzw.Evapotranspiration.
Aktuelle Evaporation, Transpiration, beziehungsweise EvapotranspirationDie bei den herrschenden inneren und äußeren Verdunstungsbedingungen auftretende Evaporation, Transpiration bzw. Evapotranspiration.
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum
6
Äußere Verdunstungsbedingungen:Meteorologische Elemente
Innere Verdunstungsbedingungen:Durch die Eigenschaften des Verdunstungsträgers (z. B. Boden) bestimmte
Verdunstungsbedingungen
Voraussetzung für Verdunstung:• Vorhandensein von flüssigen oder festen Wasser in ungebundener Form• Bereitstellung bzw. Zufuhr von Energie (aus Strahlung oder Wärmevorrat der
Luft, Boden oder Gewässer)• Es muss Sättigungsdefizit existieren bzw. gesättigte Luft muss abgeführt werden
(Wind)
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum
7
Feldkapazität(nach VEIHMEYER and HENDRICKSON, 1949): • Menge Bodenwasser, die im Boden festgehalten wird, wenn das
überschüssige Wasser entwässert wurde und die vertikale Abwärtsbewegung materiell aufgehört hat.
• In durchlässigen Böden gleichmäßiger Struktur und Textur erfolgt dies gewöhnlich 2 - 3 Tage nach einem Niederschlag oder Beregnung.
Definition ÖBG (1980)• Die Feldkapazität entspricht jenem Wassergehalt, den ein Boden nach
intensiver Durchfeuchtung nach einer bestimmten Zeit aufweist. • Als Zeitintervall werden zwei bis drei Tage gewählt.
• Standortfaktor abhängig von: Vegetation, Relief, Bodenaufbau, Lage des Grundwasserspiegels und Klima
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum
8
Permanenter Welkepunkt:Der Welkepunkt entspricht dem Wassergehalt eines Bodens, bei dem eine Pflanze irreversible Welkeerscheinungen bei sonst optimalen Standortbedingungen zeigt.
Als Bodenwasser- "Konstante" für den permanenten Welkepunkt wird der Wassergehalt bei einer Wasserspannung von 15 bar angeführt.
Aus dem SPACE - Modell kann man erkennen, dass es nicht auf die Wasserspannung sondern auf die Menge des zur Wurzel bewegten Wassers (das zur Aufrechterhaltung des Turgors bzw. der Transpiration benötigt wird) ankommt.
Verfügbares Wasser:Differenz: Feldkapazität - permanenter Welkepunkt
Soil-Plant-Atmosphere - Continuum
9
WASSERHAUSHALT
Evaporation(Bodenverdunstung, un-produktive Verdunstung)
Transpiration
Niederschlag
Versickerung
Oberflächenabfluss
Bodenwasservorrat (Sickerwasser, pflanzenverfügbares Wasser, Totwasser)
?Wieviel Wasser BRAUCHT die Kulturpflanze?
In welchem Entwicklungsstadium ist der Wasserbedarf am höchsten ?
Wie optimiert die Kulturpflanze ihren Wasserhaushalt?
Wie reagiert die Pflanze auf Wassermangel?
10
PFLANZE
ca. 50-500 Stomata / mm²
DER TRANSPIRATIONSKOEFFIZIENT
CO2Assimilation
H2O Transpiration WASSERMANGEL Reduktion des Wasser-
verlustes STOMATA-SCHLUSS ASSIMILATION (Biomassebildung) SINKT
DEFINITION: Menge an verbrauchtem Wasser pro Einheit gebildeter Trockenmasse
11
PFLANZE
Luzerne, Soja, Lein> 700Raps, Erbse, Ackerbohne, Hafer600 - 700Kartoffel, Sonnenblume, Weichweizen500 – 600 (350-400)
Gerste, Roggen, Durum Weizen400 – 500 (220-320)
Mais, Beta-Rübe300 – 400 (250)
Hirsen200 – 300
KulturartTranspirationskoeffizient (mm H2O / kg TM)(TK oft sehr hoch angegeben aus alten Versuchsergebnissen in den USA; neuere Ergebnisse aus Deutschland in rot)
DER TRANSPIRATIONSKOEFFIZIENT
Trockenmasseertrag (kg/ha)
Evap
otra
nspi
ratio
n (m
m) y=70+0.05 x
r2=0.80
MESSUNG1.) Im Topfversuch2.) Aus der (Feld-, Lysimeter)-Wasserbilanz
KEINE KONSTANTE (Höhe abhängig von Wetter, Stressbedingungen)
12
PFLANZE
1. Getreide (Weizen > Gerste > Hafer > Roggen)
SCHOSSEN
KORN-FÜLLUNG
BESTOCKUNG
Ährenzahl/m2
Kornzahl/Ähre
Korngewicht (+Kornqualität: N-Aufnahme - Eiweiß)
keine Beregnung
Hauptwasserbedarf in Entwicklungsstadien
13
2. Mais
Reduktion des Samen-ansatzes pro Kolben
BLÜTEKORN-FÜLLUNG
Reduktion des Kornge-wichtes
E r o s i o n !
Beregnung: Juli-August
PFLANZEHauptwasserbedarf in Entwicklungsstadien
14
3. Zuckerrübe
Beregnung: Mitte Juni – Mitte September
Reihenschluss
Leichter Wassermangel „zwingt“ Wurzel in die Tiefe
Entwickelte „Senken-Kapazität“ des Rübenkörpers
E r o s i o n !
PFLANZEHauptwasserbedarf in Entwicklungsstadien
15
4. Kartoffel (Reifegruppe!)
Beregnung: Juni –Mitte August
Knollenansatz bis Blüte
Knollenertrag und vermarktungs-fähiger Anteil
PFLANZEHauptwasserbedarf in Entwicklungsstadien
16
PFLANZEWasserbedarf landwirtschaftlicher Kulturpflanzen - Übersicht
Mitte Hülsen - Samenbildung750450-700 Sojabohne
Kritische EntwicklungsstadienTranspirations-koeffizient (mm/kg)
Wasserbedarf (mm)
Art
800550-650 Grünland
Blüte650350-500KörnererbseBlüte - frühe Reife600600-800SonnenblumeBlüte - frühe ReifeRapsBlüten(Knollen)bildungsphase500550-700 KartoffelReihenschluss-Blüte350550-750Zuckerrübe
Ende Schossen-Blüte350500-800Mais (C4)Schossen400350-650Getreide
Quellen: FAO Land and Water Division, Ehlers. 1996, Geisler, 1988)
17
FlachwurzlerHauptdurchwurzelungszone bis ca. 25 cm
TiefwurzlerWurzelbereich über Pflugtiefe (Luzerne, Rotklee)
Durchwurzelungstiefe ausgewählter KulturpflanzenDie Wurzel
Durchwurzelung abhängig von Standort und Witterung (effektiver Wurzelraum ~ tatsächlicher Wasserentzug als Richt-größe)
18
Wurzelsysteme
Ackersenf (Sinanpis arvenseL.)
Phacelia (Phacelia tanacetifoliaBenth.)
Roggen (Secale cerealeL.)
Die Wurzel
19
Material and MethodsVersuchsstandort Hollabrunn
1. KlimaPannonische Region (Weinviertel)KennwerteØ Niederschlag: 491 mmØ Temperatur: 9,1 °CØ Windgeschwindigkeit: 3 m s-1
Klimatisches Wasserbilanzdefizit
2004 / 2005 (ZF-Vegetationsperiode)
2004: Trockenheit zur Saat, ausreichend und regelmäßiger Niederschlag ab Oktober2005: Ausreichend Bodenfeuchte zur Saat.Trockenheit zwischen Oktober und Dezember (11,4 mm NS)
MATERIAL UND METHODEN
20
2. Boden
1,4Trockenrohdichte
28FC (Vol. % bei ψ 10 kPa)11PWP (Vol. % bei ψ 1500 kPa)170nFK (mm m-1)8,3Ks (cm h-1)
2,0Humusgehalt7,3pH
sLTexturklasse (ÖNORM)
15,9Lehm (%)
52,2Schluff (%)
31,9Sand (%)
Parameter
Bodenart (FAO):Schwarzerde auf Löß (A-AC-C)Tiefe A-Horizont: 35-80 cm
TexturklasseSandiger Lehm
EigenschaftenHohe WasserspeicherkapazitätVerkrustung, Erosion, Dichtlagerung
Versuchsstandort Hollabrunn
MATERIAL UND METHODEN
21
ERGEBNISSE und DISKUSSIONZwischenfrucht-Boden(wasser)interaktionen
0.750.51Ø0.950.54Mustard0.890.69Rye0.370.40Vetch0.770.40Phacelia20052004
Wurzel : Spross Verhältnis (-)
Biomassebildung und -verteilung
Höchste jahresabhängige Unterschiede bei WinterwickeSenf stabil gegenüber Jahreswitterung und FeuchteRoggen geringe oberirdische Masse, bei hoher Biomasseallokation zu den Wurzeln
22
105.7108.589.597.293.7132.6125.899.6108.0133.7∑ Evapotranspiration63.575.855.877.793.753.0102.481.071.8133.7Bodenevaporation42.232.733.719.5079.623.418.636.20∑ Transpiration
28.620.9--029.3---0Transpiration zr + Stresskompensation
11.78.517.88.7016.03.61.37.90Transpiration zr
13.611.815.910.8050.319.817.328.30Transpiration ze
SenfRoggenWickePhaceliaBracheSenfRoggenWickePhaceliaBrache
20052004Komponente
ze…Oberboden (0-20 cm), zr…Wurzelzone (20-60 cm)
Wasserverbrauch Gründecken vs. Brache
Wasserverlust der Brache über Bodenevaporation beinahe gleich hoch bis höher als bei Begrünungen ! (Wenn Herbst feucht => sowohl Bodenverdunstung als auch Pflanzenwasseraufnahme aus obersten Bodenschichten => höchste Verluste bei Brache; wenn Herbst trocken => höhere Verluste bei Begrünung durch Wasseraufnahme aus tieferen Schichten nach Abtrocknung des Oberbodens).
Da während der Hauptwachstumszeit der Begrünung im Herbst das atmosphärische Verdunstungs-potential gering ist, ist deren Wasserverbrauch zur Biomassebildung geringer als bei Hauptfrüchten. Die höchsten Verluste treten im Spätsommer auf (noch hohes Verdunstungspotential). Hier sind die Verluste jedoch bei Brache genauso hoch (höher) als bei einer jungen (schnell bodendeckenden) Begrünung.
23
Verdunstungsverluste
39,9 (31.8)30.1 (29.0)37.7 (52.6)20.1 (20.0)200560,0 (47.1)18.6 (17.2)18.7 (24.2)33.5 (41.6)*2004
%
MustardRyeVetchPhaceliaAnteil Transpiration an gesamten Verdunstungsverlusten
*Zahlen in Klammer aus Modellierung mit HYDRUS 1D
Geringes Verdunstungsdefizit zur Haupt-wachstumszeit der Zwischenfrüchte bedingt geringen Anteil der Transpiration an gesam-ten Wasserverlusten in die Atmosphäre.
Hoher Anteil Evaporation im Spätsommer!
24
ERGEBNISSE und DISKUSSION
Verdunstungsverluste
Wassernutzungseffizienz (Mittel 2004-2005)
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Phacelia Wicke Roggen SenfWas
sern
utzu
gnse
ffizi
enz
(g m
-2 m
m-1
)
WUET WUEET
Bei Berücksichtigung der unproduk-tiven Verdunstung effiziente Wassernutzung (höchste WUEET) bei Arten mit rasche Bodenabdeckung.( Wicke 2005, Senf in beiden Jahren)
25
ERGEBNISSE und DISKUSSION
Ausschöpfung Profilwassergehalt
Szenarioanalyse mit HYDRUS 1D: Gründecke vs. Brache
„Worst-case“ Szenario ZwischenfruchtHohe potentielle Verdunstung (ET)Hoher Anteil Transpiration an GesamtverdunstungTiefes Wurzelsystem (90 cm)Vollständige Stresskompensation
Maximal höhere ET vor Winter: 30 %Maximal höhere Ausschöpfung Frühjahr: 2.8 %Im Oberboden Ausgleich über WinterVerringerung der Sickerwassermenge ca. 28 %
Recommended