Tensiometer zur Messung der Bodenfeuchte

Mit Wasser sorgsam umgehen Mit Hilfe von Tensiometern ist es möglich in allen Bereichen des Pflanzenbaus ob-jektive Kriterien für die Steuerung und Kontrolle der Bewässerung zu ermitteln. Bei dem Einsatz von Tensiometern ist der Einbau, der maximale Messbereich, sowie die regelmäßige Überwachung der Wasserfüllung zu beachten. Bei lang anhaltender Trockenheit (>800 hPa) bzw. Undichtigkeiten dringt über die Tonzelle Luft in das System ein. Bei einer vollständigen Entleerung ist keine Messung mehr möglich. Messverfahren Generell werden zur Bestimmung der Bodenfeuchte zwei Messprinzipien unter-schieden. Während sog. Wassergehaltsmessungen den volumetrischen Wasserge-halt bestimmen wird durch Tensiometer die sog. Wasserspannung, auch Matrixpo-tential genannt, erfasst. Die Wasserspannung kann vereinfacht auch als die Kraft bezeichnet werden, mit der das Wasser von den Bodenteilchen gebunden wird. Es ist der Widerstand, den die Pflanze überwinden muss um das Wasser dem Boden zu entziehen. Da zwischen der Wasserspannung und dem Pflanzenwachstum ein enger Zusammenhang besteht, ist dieses Messverfahren zur Steuerung der Bewäs-serung besonders geeignet. Die Wasserspannung wird als Unterdruck, wobei meist das negative Vorzeichen weggelassen wird, angegeben. Bei 0 hPa ist das Wasser frei verfügbar. Bei einer Wasserspannung von 15.000 hPa ist der permanente Welkepunkt erreicht. Optimales Wachstum findet je nach Pflanzenart bei einer Was-serspannung zwischen 60 und 500 hPa statt. Der Messbereich des Tensiometers ist zwischen 0 und 800 hPa.

Tensiometer bestehen wie in Abb. 1 dargestellt aus einer Tonzelle, einem Plexiglas-rohr, das mit Wasser möglichst blasenfrei gefüllt werden muss und einem elektr. Druckmesskopf bzw. einem Manometer.

Tonzelle

Plexiglasrohr mit Wasserfüllung

DruckmesskopfManometer

Abb 1: Aufbau eines Tensiometers

Funktion des Tensiometers Durch die Kapillarkräfte versucht der austrocknende Boden über die poröse Tonzelle Wasser aus dem Plexiglasrohr zu ziehen. Da dieses verschlossen ist, entsteht ein Unterdruck, der kontinuierlich ansteigt. Bei einem Unterdruck über 800 hPa dringt Luft über die Tonzelle ein und das System entleert sich. Eine erneute Befüllung ist erst sinnvoll wenn die Trocken-heit im Messbereich beseitigt werden kann.

Bei Befeuchtung des Bodens wird, durch den vorher aufgebauten Unterdruck, Wasser in das Rohr zurückgezogen, der Unterdruck baut sich ab.

+-

+-

++

1

Vorbereitung der Tensiometer

Blasenfrei mit WasserBis zum oberen Rand füllen

Messkopflangsam Aufdrehen bzw. aufstecken

Befülltes Tensio in Wasser stellen Unterdruck muss sich binnen 1 h bis auf die Rohrlänge des Tensios (1 cm = 1 hPa abbauen

Wenn möglich sollte das Tensiometer vor dem Einsatz auf dem Feld vorbereitet werden. Das Plexiglasrohr wird blasen-frei mit Wasser befüllt. Mögliche Lufteinschlüsse sollten durch ruckartige Bewegungen eines eingeführter Drahtes oder mit einem Kapillarschlauch beseitigt werden. Durch zu schnelles Einfüllen des Wassers ist es möglich, dass an der Übergangsstelle Tonzelle Plexiglasrohr ein Luftpolster ent-steht, das verhindert, dass sich später ein Unterdruck auf-bauen kann. Nach dem Anbringen des Messkopfes sollte das Tensiometer bis zur Tonzelle in einen Behälter mit Wasser gestellt werden. Nachdem die trockene Tonzelle mit Wasser gesättigt ist (ca. 1 h), sollte am Mano-meter maximal die Länge des Plexiglasrohres (1 cm = 1 hPa) angezeigt werden. Kann das Tensiometer erst am Feld befüllt werden, ist es möglich, dass sich durch die trockene Tonzelle rel. rasch ein Unterdruck aufgebaut wird, der noch nicht der Wasserspannung des Bodens entspricht. Den richtigen Messort wählen Als Sensorstandort sollte eine sog. „repräsentative Stelle“, die sowohl von der Pflanzenart bzw. –entwicklung, von der Bodenart so-wie dem Bewässerungssystem für den gesamten Bestand typisch ist, gewählt werden. Soll der Sensor bei einer Tropfbewässerung zur

Steuerung und Überwachung eingesetzt werden so sollte dieser neben einer Tropf-stelle (ca. 5 cm) platziert werden.

Einbau von Tensiometern Ist der Boden frisch bearbeitet und locker, so kann der Tensiometer sofern nur Was-serspannungen bis 300 hPa und eine Messtiefe bis zur Bearbeitungstiefe (30 cm) notwendig ist, mit leichtem Druck ohne Hilfsmittel eingesetzt werden. Ist zu erwarten dass höhere Wasserspannungen auftreten, so sollte mit einem Bohrstock ein Loch, das etwas größer als der Durchmesser der Tonzelle ist, vorbereitet werden. Dieses wird mit einer feinen Bodenschlämme bzw. Quarzmehlschlämme aufgefüllt und an-schließend das Tensiometer auf die gewünschte Tiefe eingedrückt. An der Oberflä-che austretende Füllmasse wird nach dem Setzen entfernt. Aufgrund des hohen Wasseranteils der Füllmasse kann erst nach mehreren Stunden (ca. 1-24 h) mit einer dem Boden entsprechenden Anzeige gerechnet werden.

mit Bohrstockvorstechen,

Bodenschlämme bzw.Quarzmehlschlämme

einfüllen

Tensiometerlangsam in Schlämme Drücken, austretende

Masse entfernen

mit Bohrstockvorstechen,

Bodenschlämme bzw.Quarzmehlschlämme

einfüllen

Tensiometerlangsam in Schlämme Drücken, austretende

Masse entfernen

Abb: Einbau von Tensiometern Messwerte richtig interpretieren und Wartung Tensiometer eignen sich nicht für Kurzeit- bzw. Schnellmessungen an ständig wechselnden Messorten. Damit sich zwischen der Tonzelle und der Bodenmatrix ein guter Kontakt aufbauen kann, sind diese wenn möglich während der gesamten An-bauperiode am gleichen Standort zu belassen. Je nach Länge des Tensiometers entsteht bereits durch die Wasserfüllung, die als hängende Wassersäule interpre-tiert werden kann, ein Unterdruck. Dieser Unterdruck ist nicht durch die Bodenmat-rix bedingt und muss von dem Messwert abgezogen werden.

�������� ���������� ��

2

Inwieweit sich die hängende Wassersäule auf die Messung auswirkt, wie bei der Vorbereitung des Tensiometers beschrieben, kann durch das Einstellen der Tonzelle in ein Wasserglas ermittelt werden. Der einmal ermittelte Korrekturwert wird dann von dem abgelesenen Messwert abgezogen. In der Regel ist die Länge des Ten-siometers in cm vom Messwert in hPa abzuziehen. Bei kurzen Tensiometern bis 20 cm kann der abgelesene Wert auch ohne Korrektur verwendet werden. Verschiedene Druckmessköpfe Tensiometer können mit verschiedenen Druckmessköpfen ausgestattet werden

Mechanische Manometer

Wartungsfrei. Bei Druckbeaufschlagung dehnt sich eine Kapselfe-der definiert aus. Ein Segmentwerk wandelt dies in eine Rotations-bewegung des Zeigers um. Bei einigen Systemen kann der 0-Punkt justiert werden

Elektronischer Messkopf mit Digitaler Anzeige

Durch eine Krafteinwirkung ändert sich der Widerstand eines eingebauten Dehnungsmessstreifens und damit die gemessene Spannung. Messwert wird gewandelt und digital am Display ange-zeigt.

Elektronischer Messkopf mit analogem Datenausgang

Messglied ist ein piezoresistiver Drucksensor mit Signalumwandler für die jeweils gewünschte Signalart und - stärke (Strom, Span-nung)

Sonderformen sind sog. Tensiostaten bzw. Tensioschalter, die bei einem eingestell-ten Sollwert einen Schließer bzw. Öffner betätigen. Dieser kann vom Bewässe-rungscomputer registriert bzw. direkt ein Magnetventil mit einer Kleinspannung (z.B. 24 V) schalten. Einsatzgebiete Tensiometer können in allen Bereichen, bei denen die Bewässerung von Pflanzen eine Rolle spielt, eingesetzt werden. Voraussetzung ist, dass die Wasserspannung nicht über 800 hPa ansteigt. Tensiometer können auf der Fensterbank, im Gemüse-garten, im Erwerbsgartenbau sowie in der Landwirtschaft eingesetzt werden.

Durch die Kombination mehrerer Tensiometer ist es möglich die Wasserbewegung zu beobachten und eine mögliche Wasserversickerung zu verhindern. Tensiometer zur Steuerung der Tropfbewässerung

WasseruhrPumpe

WasseruhrPumpe

Platzieren Sie ein Tensiometer in einer Entfernung von ca. 5 cm neben der Tropf-stelle. Messtiefe ist die Hauptwurzelzone (ca. 15-20 cm) bei einjährigen Pflanzenar-ten wie z.B. Gemüse und Kartoffeln. Öffnen Sie die Bewässerung immer dann, wenn eine Wasserspannung zwischen 100 und 150 hPa, bei Freilandkulturen auch 150-300 hPa erreicht wurde. Pro Gießvorgang und Tropfstelle sollte dann maximal 1 l Wasser, wenn möglich nur 500 ml pro Tropfstelle ausgebracht werden. Dieser Vor-gang kann auch bei entsprechenden Steuergeräten automatisiert werden. Bei dem Einsatz von Tropfsystemen kann eine zu hohe Wassermenge pro Gießvorgang sehr schnell zu einer Wasserversickerung führen. Sind Sie sich in Bezug auf die zu ver-abreichende Wassermenge unsicher, so empfiehlt sich einen 2. Tensiometer unter-halb der Wurzelzone zu platzieren. Werden in diesem Bereich ständig Wasserspan-nungen im Bereich 0-50 hPa angezeigt, empfiehlt sich die Wassermenge zu redu-zieren. Trocknet der Boden stärker aus > 500 hPa sind die Wassermengen zu erhö-hen.

3

Tensiometer zur Kontrolle der Wasserbewegung

Sensor 1• im Wurzelraum der Pflanzen• Gibt Einschaltimpuls für die Bewässerung

Sensor 2• unterhalb des Wurzelraumes• kontrolliert die ausgebrachten Wassermengen• Gießwasser sollte nicht bis in diese Zone dringen

WasseruhrPumpe

Hersteller und Bezug squellen: Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit

Blumat Digital Elektronische Tensiometer Kontrolltensiometer SMS-Warner Tensiomailer Steuerungstechnik

Edith Bambach, Tensio-Technik Peter-Spring-Str. 18, 65366 Geisenheim Tel.: +49 (0)6722 - 972168 www.tensio.de

Bewässerungstechnik Tensiometer Wetterstationen

MMM - Mosler tech support Leuschnerdamm 3, 10999 Berlin Tel.: +49 (0)30 - 61 62 88 55 www.mmm-tech.de

Tensiometer und weitere Feuchte-sensoren Überwiegend wissenschaftliche Zwecke

UMS GmbH Gmunder Str. 37 , 81379 München Tel. +49 (0) 89 / 12 66 52-0 www.ums-muc.de

Bodenfeuchtesensoren Wetterstionen

STEP Systems GmbH Duisburger Str. 44, 90451 Nürnberg Tel.: +49 (0) 911-96 26 05-0 www.stepsystems.de

Weitere Anbieter durch Internetrecherche: Stichworte: „Tensiometer Bodenfeuchte“

4

Berechnungen zum Wasserhaushalt von Freilandböden

Zur Ermittlung des Rückhaltevermögens eines Bodens und der daraus resultierenden optimalen Bewässe-rungsmenge ist die sogenannte Boden-Wasser-Charakteristik ausschlaggebend. Diese wird aus der sog. pF-Kurve abgeleitet. Sie gibt Aufschluss bei welchen Saugspannungswerten Versickerung, optimale Pflanzen-versorgung und Wassermangel eintreten und ist somit wichtig bei der Bewässerungssteuerung mit Tensiome-tern. Optimalerweise sollte für jeden Standort eine Probe durchgeführt werden. Die Kosten pro Untersuchung liegen bei 25 €.

Untersuchungsergebnis eines Bodens in Niederbayern (Werte gerundet):

Feldkapazität 31%

Permanenter Welkepunkt 18%

Nutzbare Feldkapazität 13%

Aus den beiden festen Größen Feldkapazität (FK=maximal speicherbares Wasser, bevor Versickerung ein-tritt) und dem permanenten Welkepunkt (PWP=Punkt, an dem das gespeicherte Wasser von der Pflanze nicht mehr aufgenommen werden kann) lässt sich die nutzbare Feldkapazität bestimmen. Dazu wird eine Hilfslinie bei 18% und 31% (in der Abbildung rot) eingezeichnet. Die sich ergebende grüne Linie ergibt den prozentua-len Anteil an pflanzenverfügbarem Wasser.

Abb.: pF-Kurven unterschiedlicher Böden im Vergleich

An der Versickerungsgrenze (FK) beträgt der Saugspanungswert immer 60 hPa (pF 1,8). Beim permanenten Welkepunkt beträgt sie 15 000 hPa (pF 4,2). Bei vielen Gemüsearten im Freiland sollte die Bewässerung bei Werten zwischen 300 hPa (Einschaltpunkt Bewässerung) und 80 hPa (Ausschaltpunkt) liegen. Die untere Grenze sollte dabei nicht ganz erreicht werden, weil dadurch, bei einer rasch folgenden Bewässerung oder überraschendem Niederschlag kein Puffer zur Speicherung von Wasser im Boden mehr vorhanden ist und somit Sickerwasser auftreten kann. Herrschen dauerhaft Werte über 400 hPa können bei einigen Gemüsekulturen bereits Ertragsdepressionen eintreten. Durch eine optimale Beregnung kann der Ertrag insgesamt also gesteigert und die Auswaschung von Stickstoff verringert werden.

13% nFK

31% 18%

Beispielboden

5

Folgende Tabelle zeigt Richtwerte für den Zusatzwasserbedarf verschiedener Gemüsekulturen im Freiland nach Geisenheimer Steuerung und mit Über-Kopf-Beregnung in mm/m² bzw. l/m². 1

1 Quelle: Leitfaden „Umweltbetriebsführung im Gartenbaubei Kulturen im offenen Boden (Freiland)“, Zentral-verband Gartenbau e.V. (ZVG) (Hrsg.) 6

Nachfolgende Tabellen zeigen, wie viel Wasser (in mm) bei bestimmten gemessenen Saug-spannungswerten gegeben werden muss, um diese auf 80 hPa zu senken.2 Sie gilt für die Beregnung Über-Kopf und dient als Richtlinie. Eine Kontrolle durch Tensiometer sollte dennoch durchgeführt werden. Die rot gekennzeichneten Bereiche können bei dauerhafter Überschreitung zu Kulturproblemen führen. Tabelle 1: Messtiefe 0-10 cm (z.B. bei Aufgangsberegnung, Neupflanzungen, Flachwurzler)

Bodenart

/ S

augspan-nung

von 100 hPa

auf 80 hPa

von 200 hPa

auf 80 hPa

von 300 hPa

auf 80 hPa

von 400 hPa

auf 80 hPa

von 500 hPa

auf 80 hPa

von 600 hPa

auf 80 hPa

von 1000 hPa

auf 80 hPa

Sand 0,6 2,3 3,4 4,1 4,7 5,1 6,4

lehmiger Sand 0,7 2,9 4,2 5,1 5,8 6,3 7,9

sandiger Lehm 0,6 2,5 3,6 4,4 5,0 5,5 6,9

schluffiger Lehm 1,0 4,0 5,7 7,0 7,9 8,7 11,0

toniger Lehm 0,5 2,0 2,9 3,5 4,0 4,4 5,5

schluffiger Ton 0,4 1,8 2,6 3,2 3,6 4,0 5,0

Ton 0,3 1,4 2,0 2,4 2,8 3,0 3,8

Tabelle 2: Messtiefe 10-20 cm (verschiedene Salate, Frischgemüse)

Bodenart/

Saugspan-

nung

von 100 hPa

auf 80 hPa

von 200 hPa

auf 80 hPa

von 300 hPa

auf 80 hPa

von 400 hPa

auf 80 hP

a

von 500 hPa

auf 80 hPa

von 600 hPa

auf 80 hPa

von 1000 hPa

auf 80 hPa

Sand 1,1 4,6 6,7 8,2 9,3 10,2 12,8

lehmiger Sand 1,4 5,7 8,3 10,1 11,5 12,6 15,8

sandiger Lehm 1,2 5,0 7,2 8,8 10,0 11,0 13,8

schluffiger Lehm 1,9 7,9 11,5 14,0 15,9 17,5 21,9

toniger Lehm 1,0 4,0 5,8 7,0 8,0 8,8 11,0

schluffiger Ton 0,9 3,6 5,2 6,3 7,2 7,9 9,9

Ton 0,7 2,8 4,0 4,8 5,5 6,1 7,6

Tabelle 3: Messtiefe 0-30 cm (tiefer wurzelnde Gemüsearten)

Bodenart/

Saugspan-

nung

von 100 hPa

auf 80 hPa

von 200 hPa

auf 80 hPa

von 300 hPa

auf 80 hPa

von 400 hPa

auf 80 hPa

von 500 hPa

auf 80 hPa

von 600 hPa

auf 80 hPa

von 1000 hPa

auf 80 hPa

Sand 1,7 7,0 10,1 12,2 14,0 15,3 19,2

lehmiger Sand 2,1 8,6 12,5 15,2 17,3 19,0 23,8

sandiger Lehm 1,8 7,5 10,8 13,2 15,0 16,5 20,7

schluffiger Lehm 2,9 11,9 17,2 20,9 23,8 26,2 32,9

toniger Lehm 1,4 6,0 8,7 10,6 12,0 13,2 16,6

schluffiger Ton 1,3 5,4 7,8 9,5 10,8 11,9 14,9

Ton 1,0 4,1 6,0 7,3 8,3 9,1 11,4 2 Quelle: Dr. Tino Mosler in Monatsschrift 03/2010, verändert nach F. Hageneder

7

Die folgende Tabelle zeigt die optimalen Saugspannungswerte für verschiedene Gemüse -und Obst-kulturen 3

³ Quelle: Dr. Tino Mosler

8

Aktuell stehen viele Möglichkeiten zur Fernüberwachung der Klima- und Bodenfeuchtedaten zur Ver-fügung. Folgende Geräte haben sich nach bisheriger Erfahrung für den Feldeinsatz bewährt. Fernüberwachung über das Mobilfunknetz:

Wetterstation zur Speicherung verschiedener Klimadaten wie beispielsweise - Wind - Luft- und Bodentemperatur - Luftfeuchtigkeit - Blattnässedauer - Globalstrahlung - Regenmenge… Die Übertragung der Daten erfolgt kabellos an das Internet (über das Handynetz). Hierfür ist eine freige-schaltete SIM-Karte erforderlich. Es fallen Mobilfunk-gebühren an. Zur permanenten Stromversorgung dient ein integrierter Akku, der über ein Solarmodul ständig nachgeladen wird. Die Konfiguration der Stationen erfolgt je nach Kundenwunsch individuell. Preise: je nach Konfiguration auf Anfrage

Wetterstation zur Erfassung des Niederschlages Es bestehen Anschlussmöglichkeiten für verschiede-ne Bodenfeuchtesensoren Die Übertragung der Daten erfolgt ebenfalls über das Mobilfunknetz an das Internet (freigeschaltete SIM-Karte erforderlich). Die Stromversorgung wird durch einen integrierten Akku mit Solarladung ermöglicht. Preise und Konfigurationen auf Anfrage beim Her-steller

Tensiomailer: Übertragung der Bodenfeuchtewerte an eine frei wählbare Mailadresse. Es können unterschiedliche Benachrichtigungsinter-valle gewählt werden. Mehrere verschiedene Sensoren können an das Gerät angeschlossen werden. Die Stromversorgung erfolgt über einen integrierten Akku. Preis: ca. 600 € (ohne Sensoren) Preis für einen wartungsfreien Sensor zur Messung der Saugspannung (Tensiomark): ca. 200 €

9

SMS-Warner Dieses Gerät schickt, nach Erreichen eines bestimm-ten Saugspannungswertes, eine Warn-SMS an ein Handy. Dazu ist eine SIM-Karte erforderlich Die Stromversorgung erfolgt über einen Akku (optio-nal mit Solarladung) Preis: ca. 700 € (inkl. 2 Tensiometer)

Handauslesegerät für verschiedene Bodenfeuch-tesensoren Dieses Gerät kann auch Sensoren zur Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit, der Globalstrahlung, und der Bodentemperatur auslesen. Die Messwerte kön-nen intern gespeichert werden. Ein Anschluss an den PC zur Datenübertragung und Konfiguration des Gerätes ist möglich. Preis: ca. 500 € (ohne Sensor)

Handauslesegerät kostengünstiges Gerät zum Auslesen von Vegetronix VH 400 Sensoren. Diese Sensoren messen den Gehalt des Bodenwassers in %. Preis: ca. 80 €

Da laufend neue Produkte auf dem Markt erscheinen und oft individuelle Bewässerungslösungen zur Verfü-gung stehen, lohnt es sich oftmals direkt mit den Herstellern Kontakt aufzunehmen. Bei weiteren Fragen und Problemen stehen Ihnen auch folgende Personen zur Verfügung: Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Florian Hageneder Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau Dienstort: AELF Landshut Tel.: 0871/975189-558 Fax: 0871/975189-599 Mobil: 0162 21 68 388 Mail: florian.hageneder@lwg.bayern.de Dr. Michael Beck Hochschule Weihenstephan-Triesdorf Am Staudengarten 7 85354 Freising Tel. : 08161/714117 Fax : 08161/714571 Mail: michael.beck@hswt.de

10