Bodenwasserwirtschaft 815 - wau.boku.ac.at · Evaporation und Transpiration, bei dem Wasser in Form von Wasserdampf an die ... Transpiration z e 0 28.3 17.3 19.8 50.3 0 10.8 15.9

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Bodenwasserwirtschaft815.301

Willibald Loiskandl

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SPAC: Soil-Plant-Atmosphere-Continuum

3Einflussfaktoren der Evapotranspiration, FAO no. 56

Soil-Plant-Atmosphere - Continuum

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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


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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.


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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)


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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


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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


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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?

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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

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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)

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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

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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

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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 !


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4. Kartoffel (Reifegruppe!)

Beregnung: Juni –Mitte August

Knollenansatz bis Blüte

Knollenertrag und vermarktungs-fähiger Anteil


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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)

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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)

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Wurzelsysteme

Ackersenf (Sinanpis arvenseL.)

Phacelia (Phacelia tanacetifoliaBenth.)

Roggen (Secale cerealeL.)

Die Wurzel

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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

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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

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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

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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.

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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!

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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)

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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 %

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