Verdunstungswiderstände und Gras-Referenzverdunstung · Gutachter: Prof. Dr. Gerd Wessolek Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 7.2.2003 Berlin 2003 D83 . Danksagung ... gräber

Verdunstungswiderstände und Gras-Referenzverdunstung

Lysimeteruntersuchungen zum Penman-Monteith-Ansatz im Berliner Raum

Eingereicht von:

Dipl.-Geogr. Thomas Zenker

aus Düsseldorf

Von der Fakultät VII – Architektur, Umwelt und Gesellschaft – der Technischen Uni-versität Berlin zu Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat -

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuß:

Vorsitzender: Prof. Dr. Berndt-Michael Wilke 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Heiko Diestel

2. Gutachter: Prof. Dr. Gerd Wessolek

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 7.2.2003

Berlin 2003

D83

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei Herrn Prof. Diestelund Herrn Prof. Wessolek bedanken, die mir in vielerleiHinsicht weitergeholfen und zum Gelingen der Arbeitmaßgeblich beigetragen haben.

Auch die kollegiale Arbeitsgruppe am Fachgebiet Was-serhaushalt und Kulturtechnik und die damit verbundenekonstruktive Arbeitsatmosphäre trug sehr zum Werdendieser Arbeit bei. Insbesondere Frau Reinhild Schwarten-gräber sei an dieser Stelle für die vielen fachlichen Aus-einandersetzungen gedankt.

Nicht zuletzt sei auch meiner Frau Silke gedankt, die michbei der Erstellung der Dissertation sehr unterstützt hat.

Inhalt I

Verdunstungswiderstände und Gras-Referenzverdunstung

Lysimeteruntersuchungen zum Penman-Monteith-Ansatzim Berliner Raum

Inhalt IAbbildungsverzeichnis IVTabellenverzeichnis VIFormelzeichen und Abkürzungen VIIIZusammenfassung XISummary XII

1. Einleitung 1

2. Die Lysimeteranlage mit agrarmeteorologischer Station 42.1 Naturräumliche Grundlagen 4

2.2 Die agrarmeteorologische Station 42.2.1 Datenregistrierung 42.2.2 Parameter der Wetterstation 5

2.3 Die Lysimeteranlage 72.3.1 Technischer Aufbau der Lysimeter 92.3.2 Böden der Lysimeter 102.3.3 Stationsumgebung 122.3.4 Fruchtfolgen 12

3. Grundlagen der Verdunstungsermittlung 143.1 Einführung 14

3.2 Verfahren zur Messung der Verdunstung 153.2.1 Atmometer 153.2.2 Verdunstungsgefäße 163.2.3 Lysimeter 17

3.3 Verfahren zur Berechnung der Verdunstung 203.3.1 Die Verdunstung als Teil der Wasserbilanz 203.3.2 Einfache empirische Verfahren 213.3.3 Energiebilanzverfahren 233.3.4 Aerodynamisches Verfahren 253.3.5 Das Kombinationsverfahren nach PENMAN 263.3.6 Der Verdunstungsansatz nach PENMAN-MONTEITH 263.3.7 Die Gras-Referenzverdunstung 28

Inhalt II

4. Messungen der Verdunstung und der Bodenwassergehaltsänderung 304.1 Berechnung der realen Evapotranspiration aus den Lysimetermessungen 30

4.2 Datengrundlage und Datenauswahl 32

4.3 Verdunstungsmessungen 344.3.1 Klimacharakteristik 344.3.2 Bodenwassergehalt 364.3.3 Messwerte der Evapotranspiration und der 38

Bodenwassergehaltsänderung

4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 54

5. Widerstandswerte für die Penman-Monteith-Formel 565.1 Aerodynamischer Widerstand ra 56

5.2 Kulturspezifische Bestandeswiderstände rc 605.2.1 Berechnungsmethoden 625.2.2 Eigene Berechnungen 63

5.2.2.1 Mais 665.2.2.2 Sommerweizen 695.2.2.3 Kurze Grasdecke 715.2.2.4 Luzerne 72

5.2.3 Zusammenfassung der Ergebnisse 74

5.3 Ableitung des Widerstandswertes rc aus dem pF-Wert 765.3.1 Einführung 765.3.2 Methodisches Vorgehen 775.3.3 Ergebnisse 78

5.4 Diskussion 82

6. Gras-Referenzverdunstung 856.1 Bestimmung der Kc-Faktoren 85

6.1.1 Der Transpirationskoeffizient Kcb 886.1.2 Der Evaporationskoeffizient Ke 91

6.2 Vergleich berechneter mit gemessenen Kc-Werten 96

6.3 Vergleich gemessener (ETr) mit berechneter (ETc) Evapotranspiration 100

7. Klimatische Wasserbilanz für den Berliner Raum 1027.1 Niederschlag 102

7.1.1 Grundlagen der Niederschlagskorrektur nach RICHTER (1995) 1037.1.2 Benetzungs- und Verdunstungsfehler in Berlin Dahlem 1077.1.3 Korrektur der Niederschlagsmessungen für Berlin Dahlem 1087.1.4 Überprüfung der Korrekturen anhand von Lysimeterdaten 109

7.2 Potentielle Verdunstung 111

7.3. Klimatische Wasserbilanz: Methodenvergleich 113

Inhalt III

8. Abflussbildung aus Lysimetern 1178.1 Grundwasserneubildung und –zehrung der Jahre 1997/98 117

8.2 Dynamik einzelner Sickerwasserereignisse 119

8.3 Zusammenfassung 123

9. Methodische Betrachtungen 124

10. Zusammenfassung und Ausblick 127

11. Literatur 130

12. Anhang 134

Abbildungsverzeichnis IV

Abbildungsverzeichnis

2-1 Wasserhaushaltskomponenten in Lysimetern 8

2-2 Funktionsskizze Unterdrucklysimeter 9

2-3 Funktionsskizze Grundwasserlysimeter 10

4-1 Gemessene Evapotranspiration von Körnermais 39

4-2 Wassergehalte 1994 41

4-3 Gemessene Evapotranspiration von Sommerweizen 42


4-5 Gemessene Evapotranspiration einer Grasdecke 45

4-6 Wassergehalte 1996 – 1998 46

4-7 Gemessene Evapotranspiration von Luzerne 47


4-9 Gemessene Evapotranspiration von Mais bei zwei Grundwasserständen 53

4-10 Gemessene Evapotranspiration von Luzerne bei zwei Grundwasserständen 53

5-1 Widerstandswert ra nach verschiedenen Methoden für Mais, 1994 59

5-2 Widerstandswert ra nach verschiedenen Methoden für Sommerweizen, 1995 59

5-3 Ermittlung des Schwellenwertes von rc 66

5-4 Verlauf der Bestandeswiderstände einer Maiskultur für verschiedene Bodenvarianten 67

5-5 Bestandeswiderstand einer Maiskultur als Funktion des Bodenwasserdefizits 68

5-6 Bestandeswiderstand von Sommerweizen als Funktion desBodenwasserdefizits 69

5-7 Bestandeswiderstand von Sommerweizen bis zum Einsetzen der generativenPhase als Funktion des Bodenwasserdefizits 70

5-8 Bestandeswiderstand einer kurzen Grasdecke als Funktion desBodenwasserdefizits 72

5-9 Bestandeswiderstand einer Luzernekultur als Funktion desBodenwasserdefizits 73

5-10 Ermittlung des effektiven Wurzelraumes nach RENGER (1982) 78

5-11 Verhältnis zwischen Verdunstungswiderstand rc und pF-Wert für Gras-vegetation auf Sandboden 1997 und 1998, Grundwasserfern 79

5-12 Verhältnis zwischen Verdunstungswiderstand rc und pF-Wert für Gras-vegetation auf Lehmboden 1997 und 1998, Grundwasserfern 80

5-13 Verhältnis zwischen Verdunstungswiderstand rc und pF-Wert für Gras-vegetation auf Schluffboden 1997 und 1998, Grundwasserfern 80

6-1 Transpirationskoeffizient Kcb für Körnermais 90

Abbildungsverzeichnis V

6-2 Transpirationskoeffizient Kcb für Sommerweizen 91

6-3 Ke-Werte für Sommerweizen 94

6-4 Ke-Werte für Mais 94

6-5 Ke-, Kcb- und Kc-Werte für Mais 95

6-6 Ke-, Kcb- und Kc-Werte für Sommerweizen 96

6-7 Gemessene und berechnete Kc-Werte für Mais und Sommerweizen 98

6-8 Verhältnis von ET0 und ETc zu ETr 100

6-9 Gemessene (ETr) und berechnete (ETc) Evapotranspiration für Maisund Sommerweizen 101

7-1 Niederschlagsmessungen mit Lysimetern und dem Hellmann-Nieder-schlagsmesser mit und ohne Korrektur 111

8-1 Perkolation aus den Bodenmonolithen nach Bodenvarianten 118

8-2 Perkolation aus den Bodenmonolithen nach Bodenvarianten infolgestarker Niederschläge 120

8-3 Entwicklung des Bodenwasserdefizits nach Bodenvarianten 121

8-4 Versickerung aus den Bodenmonolithen (GW-fern) 122

Tabellenverzeichnis VI

Tabellenverzeichnis

2-1 Entnahmeorte und Typen der Lysimeter 10

2-2 Bodenparameter der Lysimetervarianten 11

2-3 Kurzbezeichnung der Lysimeterböden 12

2-4 Untersuchungszeiträume und Anbaufrüchte 13

4-1 Anzahl der Datensätze der jeweiligen Vegetationsperioden 33

4-2 Klimacharakteristik 35

4-3 Pflanzenverfügbare Bodenwassermenge der Lysimetervarianten 37

4-4 Durchschnittliche Tagesverdunstung der Varianten 50

4-5 Durchschnittliche Tagesverdunstung für zwei Bodenarten mitunterschiedlichen Grundwasserständen 52

5-1 Angaben zu Bestandeswiderstandswerten verschiedener Autoren 61

5-2 Kennwerte für die Entwicklung des Bestandeswiderstandes rc fürverschiedene Kulturen 74

5-3 Maximale Tiefe des effektiven Wurzelraumes Weeff,abgeleitet aus dem Bodenwasserdefizit 79

5-4 Basiswerte der Bestandeswiderstände verschiedener Autoren undeigene Ergebnisse 82

5-5 Effektive Wurzeltiefe We in [dm] für verschiedene Nutzungsformen undBodenarten 83

5-6 Mindestanforderungen an die bauliche Ausführung von Lysimetern 83

6-1 Länge der Entwicklungsstadien in Tagen 87

6-2 Basis-Koeffizienten Kcb 88

6-3 Klimakorrigierte Basis-Koeffizienten Kcb 89

6-4 Wassergehalte der Lysimeterböden zur Berechnung der Evaporation 92

6-5 Mittelwerte von Kc für die Entwicklungsphasen 97

7-1 Durchschnittliche Benetzungs- und Verdunstungsverluste für dasnord-ostdeutsche Tiefland in [%] des Niederschlages 104

7-2 Mittlere Windfehler der Tageswerte der Niederschlagshöhe fürRegen (N4) in [%] und in [mm] sowie Streuung (s) der Einzelfehler um

den Mittelwert, Stationslage frei bis stark geschützt 106

7-3 Abhängigkeit der Koeffizienten ε und b der Niederschlagskorrektur-funktion ∆N = bNε von der Niederschlagsart und derHorizontabschirmung 107

7-4 Korrekturwerte für die Benetzungs- und Verdunstungsverluste für dieNiederschlagsmessung mit einer Aufstellhöhe von 1 m 108

Tabellenverzeichnis VII

7-5 Bodengleicher (NS 0 m), unkorrigierter in 1 m Höhe gemessener(NS 1 m) und nach RICHTER (1995) um den Windfehler korrigierterNiederschlag (NSk 1 m) 109

7-6 Verdunstungswerte nach Haude und Gras-Referenzmethode sowieMesswerte der Lysimeteranlage 112

7-7 Klimatische Wasserbilanz in Berlin-Dahlem auf der Grundlage vonHaude und Gras-Referenzverdunstung mit drei Niederschlagsvarianten 114

8-1 Kapillarer Aufstieg und Sickerwasser [mm] 1997/98 117

Formelzeichen und Abkürzungen VIII

Formelzeichen und Abkürzungen

ρ Dichte der Luft [kg/cm3]

γ Psychrometerkonstante [hPa/K]

pc Spezif. Wärme der Luft bei konst. Druck [J/(kg K)]

∆B Benetzungs- und Verdunstungsverluste [mm]

(es(T)-e) Sättigungsdefizit der Luft [hPa]

(es(T)-e) Sättigungsdefizit der Luft [hPa]

θFK Bodenwassergehalt bei Feldkapazität [m³/m³]

∆N Niederschlagsverluste [mm]

(R – B) Rücklage – Aufbrauch, entspricht der Vorratsänderung

des gespeicherten Wassers eines Gebietes [mm]

(Rn-G) Effektive Strahlungsbilanz [W/m2]

θWP Bodenwassergehalt beim permanenten Welkepunkt [m³/m³]

A Abfluss [mm]

BWD Bodenwasserdefizit [%nFK]

D Verdrängungsschicht, 2/3 * Länge der Vegetation (Hveg) [m]

dBW Änderung des Bodenwassergehalts [mm]

De,i-1 Kumulierte Evaporation aus der Bodenoberfläche am Ende

des vorhergehenden Tages [mm]

e Dampfdruck der Luft [hPa]

es(TW0) Sättigungsdampfdruck bei der Temp. der Wasseroberfläche TW0 [hPa]

ET0 Gras-Referenzverdunstung [mm]

ETc Reale Evapotranspiration auf der Grundlage der

Gras-Referenzverdunstung [mm]

ETp Potentielle Evapotranspiration [mm]

ETr Reale Evapotranspiration [mm]

Ew Verdunstung von der Wasserfläche [mm]

FK Feldkapazität [Vol %]

Formelzeichen und Abkürzungen IX

f(v) Windfunktion nach Dalton [m/s]

fc Von Vegetation bedeckte Oberfläche []

fc(h) Bestandesfaktor abhängig von der Bestandeshöhe h []

few Freiliegende benetzbare Oberfläche des Bodens []

G Bodenwärmstromdichte [W/m2]

H Sensible Wärme [W/m2]

h Wuchshöhe während des mittleren oder Endstadiums [m]

k v. Karman-Zahl (= 0,41) []

kA kapillarer Aufstieg [mm]

Kc Faktor für Gras-Referenzverdunstung []

Kcb Transpirationsfaktor für Gras-Referenzverdunstung []

Ke Evaporationsfaktor für Gras-Referenzverdunstung []

Kr Reduktionskoeffizient für die Gras-Referenzverdunstung []

KWB Klimatische Wasserbilanz [mm]

L* Spezif. Verdampfungswärme [J/kg]

L Spezielle Verdampfungswärme des Wassers, Strahlungsäquivalent [W/m2]

für die Verdunstung von 1 mm/d = 28,4 Wm-2mm-1d

LE Latente Wärme [W/m2]

n Länge des betrachteten Zeitintervalls [d]

N Niederschlag [mm]

nFK Nutzbare Feldkapazität [Vol %]

Perk Perkolation / Versickerung [mm]

pF Wasserspannung []

PWP Permanenter Welkepunkt [Vol %]

ra Aerodynamischer Widerstand [s/m]

rc Mittl. Bestandeswiderstand [s/m]

REW Kumulierte Evaporation aus der Bodenoberfläche am Ende

des ersten Stadiums (Kr = 1) [mm]

RG Globalstrahlung [J/m²]

Formelzeichen und Abkürzungen X

RHmin (Mittleres) Tagesminimum der Luftfeuchte während des

mittleren oder Endstadiums [%]

Rn Strahlungsbilanz [W/m2]

Rn/L Verdunstungsäquivalent [W/m2]

rs Mittl. Stomatawiderstand [s/m]

s Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve [hPa/K]

So mittlere tägliche astronomisch mögliche Sonnenscheindauer [h]

T Lufttemperatur [C°]

TEW Maximale kumulierte Evaporation aus der Bodenoberfläche

bei kompletter Ausschöpfung (Kr = 0) [mm]

U Tagesmittel der Luftfeuchte [%]

u Windgeschwindigkeit [m/s]

ua Windgeschwindigkeit in Höhe za [m/s]

V Verdunstung [mm]

vz Windgeschwindigkeit in m/s in der Messhöhe z(m) [m/s]

z Messhöhe über Grund [m]

za Messhöhe über Pflanzenbestand [cm]

zo Rauhigkeitslänge (hier: 0,13 * Länge der Vegetation (Hveg)) [m]

∆ Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve [Pa/k]

λ Psychrometerkonstante [Pa/k]

Zusammenfassung XI

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zu den Wasserhaushaltskomponenten Verdunstung,Niederschlag, Grundwasserneubildung/-zehrung, Bodenwassergehaltsänderung und Dynamikdes Sickerwasseranfalls durchgeführt. Die Untersuchungen basierten auf den Daten der Lysi-meterstation Berlin-Dahlem. Es wurden Messwerte für drei Bodenvarianten mit zwei ver-schiedenen Grundwasserständen über einen Zeitraum von 6 Jahren mit wechselnden Anbauf-rüchten betrachtet.

Pflanzenspezifische Verdunstungswiderstände rc des Verdunstungsansatzes nach Penman-Monteith wurden für verschiedene Pflanzenkulturen bestimmt. Es wurden Basiswerte für guteWasserversorgung, Schwellenwerte des Bodenwassergehaltes für den Anstieg der Widerstän-de bei Trockenheit und maximale Widerstandswerte ermittelt. Dabei wurden bodenspezifi-sche Unterschiede aufgezeigt. Darüber hinaus wurde eine Methodik zur Ableitung der Wider-standswerte aus pF-Werten entwickelt.

Für den Ansatz der Gras-Referenzverdunstung der Food and Agricultural Organization derVereinten Nation (FAO) wurden die K-Faktoren zur Berechnung der Evapotranspiration be-stimmt. Dabei wurde eine Abweichung zwischen den aus den Messwerten abgeleiteten unddenen nach FAO-Methodik ermittelten Faktoren deutlich, so dass eine entsprechende Anpas-sung der Berechnungsgrundlagen für hiesige Klimabedingungen zu diskutieren ist.

Für die klimatische Wasserbilanz wurde ein Methodenvergleich mit einer Bewertung der Er-gebnisse auf der Grundlage der Lysimeter- und Klimamessungen durchgeführt.

Die Dynamik des Sickerwasseranfalls wurde anhand der Perkolationswerte der Lysimeteranalysiert und Abhängigkeiten von Bodeneigenschaften und Vorsättigung des Bodens aufge-zeigt.

Abschließend finden sich einige methodische Anmerkungen zur Lysimetertechnologie. DieLysimeter erwiesen sich insgesamt als ein geeignetes Instrument zur Beantwortung der Frage-stellungen dieser Arbeit, wobei teilweise bauliche Veränderungen im Hinblick auf weiterge-hende Untersuchungen zu empfehlen sind.

Summary XII

Summary

In this thesis, the water components evapotranspiration, precipitation, groundwater rechargeand depletion, variation in soil water content, and the dynamics of water seepage through thesoil are derived.

The evaluations are based on the data gained in the Lysimeter-station in Berlin-Dahlem. Val-ues of three soil types and two heights in groundwater table were measured over a period ofsix years in which crops grown on the lysimeters varied.

Plant specific values of the bulk-stomata-resistance rc in the Penman-Monteith approach weredetermined for different crops. Base values for good water-supply, soil water content thresh-old values indicating an increase in resistance values by drought, and maximum resistancevalues are derived for the specific soils assessed. Furthermore a method to deduce resistancevalues from pF-Values was developed.

The k-factors for calculating evapotranspiration are derived for the grass-reference method ofthe Food and Agricultural Organization of the United Nations (FAO). Here a deviation be-came evident between the measured values and those calculated using the FAO-method val-ues, so that an adaptation for the local climate should be discussed.

For the calculation of the climatic water balance a comparison of different methods was real-ised. These were evaluated, based on lysimeter and climate measurements.

The water seepage dynamics in the soil were analysed on the bases of the percolation valuesin the lysimeters. Relations to soil characteristics and water content are pointed out.

Finally some methodical comments to the lysimetertechnologie are made. The lysimetersturned out to be a suitable instrument in evaluating the objectives of this thesis. In the case offurther investigations some structural changes are recommended.

1. Einleitung 1

1. Einleitung

Von den Landflächen der Erde verdunsten im Mittel 75 % des Niederschlagswassers, inMitteleuropa sind es zwischen 65 und 80 % (DVWK 1996). In Mitteleuropa gelangen mehrals 2/3 des anfallenden Niederschlagswassers durch die Verdunstung wieder in dieAtmosphäre. Die Verdunstung oder auch Evapotranspiration stellt damit eine wesentlicheGröße des globalen und auch des regionalen Wasserhaushaltes dar.

Über den Standort hinaus wirkt sich die Evapotranspiration durch den Energieumsatz vonVerdunstung und Kondensation bzw. Niederschlagsbildung auf das Klimageschehenentfernterer Regionen aus. Die Verdunstung ist einer der wesentlichen steuernden Faktorendes Klimageschehens.

Aus Sicht der Wasserwirtschaft stellt die Verdunstung neben dem Niederschlag dieentscheidende Größe für die Bewirtschaftung der Wasservorräte und Sicherung derTrinkwasserreserven dar. Für die Landwirtschaft ist die Verdunstung eine wichtigeEingangsgröße bei der Bewässerungssteuerung und Optimierung der Pflanzenerträge.

Die Messung und Berechnung der Verdunstung und ihre Beeinflussbarkeit bleiben allerdingsein bisher ungenügend gelöstes Problem. Die reale Evapotranspiration von Pflanzenbeständenkann nur durch aufwendige Lysimeteranlagen, umfangreiche Installationen zur Erfassung desBodenwasserhaushaltes oder sehr störungsanfällige Messungen von Temperatur-Feuchte-Gradienten gemessen werden. Bei solchen Messungen werden immer nur punktuelle Werteerfasst, die die Realität nur für die lokal vorliegenden Boden- und Klimaverhältnissewiedergeben können. Der mit Messungen verbundene große technische und personelleAufwand kann nur für wenige Problemstellungen betrieben werden.

Vor diesem Hintergrund ist das Interesse an Modellen zu sehen, mit deren Hilfe dieVerdunstung mit wesentlich weniger Aufwand, evtl. auf der Grundlage bereits vorhandenerklimatologischer Standardmesswerte, für beliebige Standorte berechnet wird. Die in großerZahl vorliegenden Verdunstungsmodelle sind jedoch häufig nur für die klimatischenBedingungen gültig, unter denen sie entwickelt wurden. Die Übertragung dieser Modelle aufandere Klimabedingungen kann zum Teil durch das Einfügen von Faktoren geleistet werden.Berechnet wird dabei in der Regel die potentielle Evapotranspiration. Für die Berechnung derrealen Evapotranspiration konkreter Pflanzenbestände müssen vegetationsspezifischeFaktoren eingesetzt werden. In komplexeren Modellen kann auch der Wasserhaushalt desBodens berücksichtigt werden.

Das PENMAN-MONTEITH-Modell (MONTEITH 1965) stellt ein solches komplexes physikalischbegründetes Verdunstungsmodell dar, das aufgrund seiner guten Ergebnisse internationalverbreitet ist. Durch den Einsatz von pflanzenspezifischen Widerstandswerten, die die Werteder potentiellen Evapotranspiration einschränken, kann die reale Evapotranspiration ermitteltwerden. Die Qualität der Ergebnisse hängt wesentlich von der Güte der Widerstandswerte ab.

1. Einleitung 2

Trotz der Verbreitung des Modells ist ein Mangel an experimentell gut abgesichertenzuverlässigen Widerstandswerten und damit ein erheblicher Forschungsbedarf zuverzeichnen. Die Gründe hierfür sind in dem hohen methodischen Aufwand und der großenAnzahl der notwendigen Untersuchungen zu sehen, da für eine große Anzahl vonPflanzenkulturen und für ein breites Spektrum an Klimabereichen relevante Werte bestimmtwerden müssen.

Einen neueren Ansatz in der Verdunstungsmodellierung stellt die auf dem PENMAN-MONTEITH-Modell basierende, von der Food and Agriculture Organization der VereintenNationen (FAO) entwickelte Gras-Referenzverdunstung (ALLEN 1998) dar. Die Gras-Referenzverdunstung ist ein von der FAO als internationaler Standard empfohlener Ansatzzur Berechnung der Evapotranspiration von landwirtschaftlichen Pflanzenbeständen.Grundlage der Methodik bildet der Ansatz von PENMAN-MONTEITH. Abweichend vombisherigen Vorgehen, in dem die Verdunstung für die Pflanzenkulturen mit denentsprechenden Widerstandswerten berechnet wurde, wird hier das Konzept einerReferenzvegetation in Form einer gut mit Wasser versorgten Grasdecke gewählt. Für dieseReferenzvegetation werden die Widerstandswerte festgelegt. Die reale Evapotranspirationanderer Pflanzenkulturen wird durch den Einsatz von k-Faktoren berechnet, in die auchEinschränkungen der Wasserversorgung einfließen.

In der vorliegenden Arbeit werden zunächst einige Messmethoden und Modelle zurBestimmung der Verdunstung vorgestellt.

Methodische Basis der Arbeit bilden die Daten der Lysimeteranlage und der zugehörigenagrarmeteorologischen Station in Berlin-Dahlem. Mit der Lysimeteranlage lassen sich sowohldie Verdunstung, als auch die Sickerwassermengen bzw. der kapillare Aufstieg fürverschiedene Pflanzenkulturen bestimmen. Die Daten liegen jeweils für verschiedene Bödenund Grundwasserstände vor.

In der Arbeit werden Untersuchungen zur Ermittlung der Widerstandswerte für den PENMAN-MONTEITH-Ansatz durchgeführt. Das Ziel dieses Teils der Arbeit ist die Ableitung derWiderstandswerte auf der Grundlage der Lysimetermessungen für verschiedenePflanzenkulturen und die Analyse der zeitlichen Dynamik für verschiedene Klima- undBodensituationen.

Im folgenden Teil der Arbeit werden die k-Faktoren für die Gras-Referenzverdunstung aufder Grundlage der Lysimetermessungen ermittelt und ein Vergleich dieser K-Werte mit denWerten nach FAO-Angaben durchgeführt. Es soll festgestellt werden, inwieweit die Faktorenfür die hiesigen Verhältnisse Gültigkeit haben und ob Ergänzungen empfohlen werdenkönnen.

1. Einleitung 3

Anschließend werden vergleichende Berechnungsvarianten der klimatischen Wasserbilanz(KWB) unter Einsatz des Verdunstungsansatzes nach HAUDE (SCHROEDTER 1985) und derGras-Referenzverdunstung der Food and Agriculture Organization der Vereinten Nationen(FAO) (ALLEN u.a. 1998) unter Verwendung verschiedener Niederschlagsmessreihendurchgeführt. Die Fragestellung dieses Kapitels besteht in der Quantifizierung des Einflussesder Niederschlagskorrektur und der Methodenwahl zur Berechnung der Verdunstung auf dieErgebnisse der klimatischen Wasserbilanz. Zur Verifizierung der Berechnungsergebnisse wirdein Abgleich mit den Lysimeterdaten durchgeführt.

Als letzte der Wasserhaushaltskomponenten werden die Sickerwassermengen untersucht.Dabei wird die Menge und die zeitliche Dynamik des Sickerwasseranfalls der einzelnenLysimetervarianten mit dem Ziel analysiert, bodenabhängige Unterschiede zu ermitteln.

Abschließend ergibt sich eine kritische Auseinandersetzung mit der Lysimetertechnologie alsMethodik zur Beantwortung der oben formulierten Fragestellungen. Hierbei werdenaufgetretene Schwierigkeiten zusammengefasst und Empfehlungen für weitereUntersuchungen ausgesprochen.

2. Die Lysimeteranlage mit agrarmeteorologischer Station 4

2. Die Lysimeteranlage mit agrarmeteorologischer Station

2.1 Naturräumliche Grundlagen

Die Lysimeteranlage mit der agrarmeteorologischen Station befindet sich im Süden Berlins, inder Lentzeallee 76 in Berlin-Dahlem. Die Koordinaten betragen 52° 28' nördliche Breite und13° 18' östliche Länge, die Höhe über NN beträgt 51 m. Nach den mittleren Werten der lang-jährigen Messreihe von 1961-1990 beträgt die Durchschnittstemperatur am Standort 9,3 °C.Die durchschnittliche Niederschlagssumme beläuft sich auf 545 mm/Jahr, die mittlere Jahres-summe der Globalstrahlung auf 3377 MJ/m².

Die Versuchsflächen der Technischen Universität Berlin (TU-Berlin) in Dahlem liegen auf derpleistozänen Hochfläche des Teltow, die im Zuge der Weichsel-Eiszeit gebildet wurde. DieBodenverhältnisse sind durch eine engräumige Wechsellagerung von Geschiebemergeln undGeschiebesanden geprägt.

Bei den Böden an diesem Standort handelt es sich um lehmige Sandböden, teilweise mit Ein-lagerung eines schwächeren Lehmhorizontes. Der Grundwasserspiegel befindet sich beica. 15 m unter der Geländeoberkante.

Der Standort der Lysimeteranlage befindet sich nach der Klimaklassifikation von KÖPPEN-GEIGER (GEIGER 1954, HANTEL 1989) im Bereich des Cfb-Klimas. Er ist im Übergangsbe-reich zwischen dem stärker maritim beeinflussten norddeutschen Flachland und dem konti-nentalen osteuropäischen Festland.

2.2 Die agrarmeteorologische Station

2.2.1 Datenregistrierung

Alle in der Folge erwähnten meteorologischen Parameter werden elektronisch registriert. Die-se Registrierung erfolgt mit vier Datenloggern (Firma Phytec). Die Datenlogger spei-chern alle 15 Minuten einen Messwert ab, wobei dieser Wert je nach Parameter einen Mit-telwert oder eine Summe aus Werten kleinerer Zeiteinheiten darstellt. Werte mit geringererzeitlicher Auflösung können auf dieser Grundlage generiert werden.

Die agrarmeteorologische Station befindet sich in unmittelbarer Nähe der Lysimeteranlage, sodass die erfassten Messgrößen repräsentativ für die Lysimeteranlage sind. Die Abbildung A 2-1 im Anhang gibt einen Eindruck der räumlichen Anordnung der Anlage. In Abb. A 2-1 ist dieWetterhütte neben anderen Messinstrumenten und dem Eingang in den Lysimeterkeller zusehen. Im Vordergrund ist die Lysimeterfläche mit einigen Lysimetern zu erkennen.


2.2.2 Parameter der Wetterstation

Folgende Parameter werden durch die Instrumente in der agrarmeteorologischen Station in derangegebenen Aufstellhöhe erfasst:

- Niederschlag 0 m / 1 m je manuell und elektronisch- Lufttemperatur (+ Min/Max) 2 m- Bodentemperatur (+ Min/Max) 0 m / 0,1 m / 0,2 m / 0,3 m- Relative Luftfeuchte 2 m- Windgeschwindigkeit 2 m / 1 m- Windweg 2 m

- Globalstrahlung 1 m- Diffuse Strahlung 1 m- Strahlungsbilanz 1 m

- Verdunstung- Class-A-Pan Bodennah

- Czeratzki 1,7 / 0,7 m

In den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit werden nicht alle erfassten Parameter berück-sichtigt. Wesentliche Grundlage für die Berechnungen bildeten die Messungen des Nieder-schlags, der Lufttemperatur, der Luftfeuchte, der Windgeschwindigkeit in zwei Meter Höheund der Strahlungsbilanz. Die anderen Parameter boten jedoch die Möglichkeit des Vergleichsund gaben so eine größere Sicherheit, bzw. ließen Fehler leichter auffinden. Im Folgendenwerden die Messgrößen detailliert beschrieben:

• Niederschlag

Der Niederschlag wird durch insgesamt vier Hellmann-Niederschlagsmesser erfasst. ZweiInstrumente werden dabei täglich von Hand ausgelitert, während die beiden anderen elektro-nisch ausgewertet werden. Die Messungen erfolgen jeweils in der Standardmeßhöhe 1 m so-wie niveaugleich mit der umgebenden Fläche. Um den durch die elektronischen Kippwaagenverursachten systematischen Fehler auszugleichen, werden die elektronischen Werte mit de-nen der Handmessungen abgeglichen. Der durch den Wind verursachte Fehler in 1 m Auf-stellhöhe wird durch Abgleich mit der bodengleichen Messung korrigiert.

Auf die Messfehler der Niederschlagsmessung und deren Korrekturmöglichkeiten wird imKapitel 7.1 auf der Grundlage der Ergebnisse von RICHTER (1995) detailliert eingegangen.


• Luftfeuchte

Die Messung der relativen Luftfeuchte erfolgt in zwei Meter Höhe in einer Wetterhütte, dienachden Vorschriften des DEUTSCHEN WETTERDIENSTES (DWD) (1986) konstruiert und auf-gebaut wurde. Die Messung der Luftfeuchte erfolgt über ein Haarhygrometer (Firma Lam-brecht) mit elektronischer Meßwerterfassung. Zur Kontrolle werden parallel dazu mit einemThermo-Hygrographen des gleichen Herstellers mit mechanischer Schreibtrommel die Luft-feuchte und Lufttemperatur registriert.

• Lufttemperatur

Die Lufttemperatur wird in der gleichen Wetterhütte ebenfalls in einer Höhe von zwei Metergemessen. Der Messfühler (PT 100) ist in dem beschriebenen Haarhygrometer integriert. EineMeßwertkontrolle erfolgt anhand eines einfachen elektronischen Min/Max-Temperaturfühlersund durch den bereits erwähnten Thermo-Hygrographen.

• Bodentemperatur

Die Bodentemperaturen werden in den Tiefen 0 cm, 10 cm, 20 cm und 30 cm im Bereich deragrarmeteorologischen Station erfasst. Die Messungen erfolgen mit PT 100 – Messfühlern.

• Windgeschwindigkeit

Die Windgeschwindigkeit wird in dem Pflanzenbestand der Lysimeteranlage gemessen. Diebeiden Messinstrumente messen in zwei Meter und in einem Meter Aufstellhöhe. Es handeltsich um Meßwertgeber für die Windgeschwindigkeit mit einem dreiarmigen Schalenstern(Firma Lambrecht). Als Ergänzung wird in ebenfalls zwei Meter Höhe der Windweg mit ei-nem entsprechenden Meßwertgeber (Firma Lambrecht) gemessen.

• Solare Strahlung

Die solare Einstrahlung wird mit drei verschiedenen Messinstrumenten (Firma Lambrecht) ineinem Meter Aufstellhöhe gemessen. Bei zwei Instrumenten handelt es sich um Sternpyrano-meter nach Dirmhirn zur Messung der Intensität der sichtbaren Sonnen-, Himmels- und Re-flexionsstrahlung (Gesamtstrahlung). Eins der beiden Geräte wird mit einem Metallband ge-gen direkte Einstrahlung abgedeckt, so dass mit diesem Instrument die diffuse Strahlung ge-messen werden kann. Das zweite Gerät misst zudem die direkte Strahlung und gibt somit ei-nen Messwert für die Globalstrahlung.


Der dritte Strahlungsparameter ist die Gesamtstrahlungsbilanz. Gemessen wird die Strah-lungsbilanz mit einem Strahlungsbilanzmesser, der oben und unten jeweils mit gleichen Sola-rimetern besetzt ist. Auf diese Art wird von der einfallenden Strahlung die reflektierte Strah-lung subtrahiert und so die Energiebilanz berechnet. Das Instrument ist in dem Pflanzenbe-stand installiert und misst so die von der jeweiligen Vegetation reflektierte Strahlung.

• Bodenwärmestrom

Als Ergänzung der Erfassung der Energiekomponenten wurde der Bodenwärmestrom in denLysimetern und in der umgebenden Fläche gemessen. Hierzu wurden Peltier-Elemente in Ei-genbau mit Epoxydharz vergossen, in 8 cm Tiefe eingebaut und an einen Datenlogger ange-schlossen. Mit diesen Instrumenten wird der Wärmefluss in den Boden und aus dem Bodenheraus erfasst.

• Verdunstung

Für die direkte Messung der potentiellen Evapotranspiration stehen zwei Verdunstungsschei-ben nach Czeratzki zur Verfügung. Die beiden Scheiben wurden in zwei verschiedenen Höhen(1,7 und 0,7 m) aufgebaut, um so Differenzen der Verdunstung in Abhängigkeit von derMesshöhe feststellen zu können. Durch Druckaufnehmer in den beiden Messgefäßen werdendie Wasserstandsschwankungen elektronisch erfasst und können in mm Verdunstung umge-rechnet werden.

Darüber hinaus wird die Verdunstung durch eine Verdunstungspfanne (Class-A-Pan) erfasst.Die Ablesung der Wasserstände der Verdunstungspfanne findet einmal täglich statt, es erge-ben sich also Tageswerte.

Alle aufgeführten Geräte sind Teil der agrarmeteorologischen Station und damit direkt nebender Lysimeterfläche.

2.3 Die Lysimeteranlage

Ein Lysimeter ist ein bewachsener Ausschnitt aus den oberen Bodenhorizonten. Die Entnah-me des Lysimeters erfolgt durch Einpressen des Zylinders in den Boden, so dass der entspre-chende Bodenausschnitt im natürlichen Aufbau erhalten bleibt. Stauchungen und damit Dich-te- und Strukturänderungen sind dabei unbedingt zu vermeiden. Mit der entsprechendenMesstechnik können zu gewünschten Zeitpunkten Messungen hinsichtlich Qualität undQuantität des Bodenwassers gemacht werden.

Mit den Lysimetermessungen der Dahlemer Anlage ist es durch das doppelte Wägesystem


(s. Abb. 2-2 und 2-3) möglich, die einzelnen Bodenwasserhaushaltskomponenten in engenZeitschritten zu quantifizieren. Die reale Evapotranspiration kann dabei für verschiedenePflanzenbestände auf verschiedenen Böden mit unterschiedlichen Grundwasserständen be-stimmt werden. Bei der Auswertung der Messergebnisse wird von dem Gedankenmodell aus-gegangen, dass nur vertikale Strömungsrichtungen vorliegen.

Grundlage für diese Berechnungen stellt die Wasserhaushaltsgleichung für Lysimeter dar:

N = Etr + Perk - kA + dBW (Gleichung 2-1)

Mit:N = NiederschlagETr = reale EvapotranspirationPerk = Perkolation / VersickerungkA = kapillarer AufstiegdBW = Änderung des Bodenwassergehalts

In Abb. 2-1 sind die Wasserhaushaltskomponenten für die Lysimeter graphisch dargestellt.Für einen definierten Zeitraum ergibt sich die Änderung des Bodenwassergehaltes durch dieVerrechnung der in den Boden gerichteten Größen (N, kA) mit den aus dem Boden herausgerichteten Größen (ETr, Perk). Durch das doppelte Wägesystem können die KomponentenkA, Perk und dBW direkt gemessen werden. Der Niederschlag wird in Form der Messwerteder Hellmann-Niederschlagsmesser auf Bodenniveau berücksichtigt. Die reale Evapotranspi-ration eines Pflanzenbestandes lässt sich auf dieser Grundlage als Restgröße aus der oben auf-geführten Gleichung berechnen.

Abbildung 2-1: Wasserhaushaltskomponenten in Lysimetern


2.3.1 Technischer Aufbau der Lysimeter

Die Dahlemer Lysimeteranlage wurde bereits 1959 errichtet und wird seitdem ständig ausge-baut und modernisiert. In HUSEMANN u.a. (1964), DIESTEL u.a. (1993), MARKWARDT, N. u.a.(1993) und MARKWARDT, N. u.a. (1994) ist die Entwicklung der Lysimeteranlage dokumen-tiert. Die Anlage in ihrer heutigen Form besteht aus zwölf Lysimetergefäßen aus Edelstahl, diesich in einer begehbaren Kellerkonstruktion befinden (vgl. Abb. A 2-1).Diese zylindrischen Lysimeter haben eine Oberfläche von 1 m² und eine Tiefe von 1,5 m. Siestehen jeweils auf Brückenwaagen, die über eine Umlenkung mit elektronischen Waagen ver-sehen sind (vgl. Abb. A 2-2). Die Gewichtsänderung der Lysimeter wird mit einer Auflösungerfasst, die umgerechnet 0,1 mm Niederschlag/Verdunstung entspricht. Über ein zweites Wä-gesystem wird mit einer noch höheren Auflösung die Perkolation bzw. der kapillare Aufstiegermittelt (vgl. Abb. A 2-3).

• Unterdrucklysimeter

Die Lysimeter der Dahlemer Anlage sind mit einem doppelten Wägesystem ausgestattet(s. Abb. 2-2). Mit der Brückenwaage (5) können die Gewichtsänderungen des Bodenmonoli-then durch Niederschlag, Verdunstung oder Perkolation/kapillarem Aufstieg und mit einerzweiten Waage (6) die Perkolation getrennt erfasst werden. Über den Niveaubehälter (1), in

dem der Grundwasserstand reguliert wird, fin-det die Perkolation in einen Auffangbehälter(4) statt. Der kapillare Aufstieg erfolgt aus demVorratsbehälter (2) über den Niveaubehälter(1) in den Bodenmonolithen. Der Wasserstandim Niveaubehälter (1) wird mit Hilfe einesMagnetventils (3) konstant gehalten. Bei demhier dargestellten Lysimetertyp handelt es sichum einen Unterdrucklysimeter, bei dem derGrundwasserstand über ein Unter-drucksystemunterhalb des Gefäßbodens simuliert wird.Über den Niveaubehälter lässt sich die ge-wünschten Höhe einstellen. In 8 der 12 Lysi-

meter wurde ein Grundwasserstand von 2,10 m physikalisch simuliert. Der Grundwasseran-schluss in das Niveaugefäß erfolgt über ein Schlauchsystem von sechs PVC-Schläuchen, diein die Lysimeter geführt werden. Der Niveauunterschied zwischen Lysimeterboden und Was-serstand im Niveaugefäß beträgt konstant 63 cm. Der Unterdruck, der sich durch die hängendeWassersäule in den Schläuchen aufbaut, entspricht einem pF-Wert von 1,8. Der Wasseran-schluss der Lysimeterböden an das Unterdrucksystem erfolgt über jeweils 86 Saugkerzen, diean das Schlauchsystem angeschlossen und gleichmäßig über den Lysimeterboden verteilt sind.

Abbildung 2-2: Funktionsskizze Unterdruck-lysimeter


Um einen optimalen Wasseranschluss der Saugkerzen an die Böden der Lysimeter zu ge-währleisten, wurden diese in den Lysimeterboden eingeschlämmt. Als Schlämmmaterial wur-de ein spezielles Quarzmehl eingesetzt.

• Grundwasserlysimeter

Bei vier Lysimetern handelt es sich um den Typ des Grundwasserlysimeters. Bei diesem Ly-simetertyp wird über ein perforiertes Rohrkreuz, das am Lysimeterboden in einen Kiesfiltereingesetzt wurde, der Wasseraustausch sichergestellt (s.

Abbildung 2-3). Der Aufbau dieses Typs istähnlich dem Unterdrucklysimeter, aller-dings mit dem Unterschied, dass sich dasNiveaugefäß (1) und damit der Grundwas-serspiegel über dem Lysimeterboden befin-det. Bei der Dahlemer Lysimeteranlagewurde für die vier Grundwasserlysimeterein Grundwasser-stand von 1,35 m unterGeländeoberkante eingestellt. Mit dieserVariante wird ein grundwassernaher Stand-ort simuliert.

2.3.2 Die Böden der Lysimeteranlage

Die 12 Lysimeter sind mit drei verschiedenen Bodentypen ausgestattet. Bei allen Lysimeternhandelt es sich um ungestört entnommene Bodenmonolithe. Der natürliche Bodenaufbau derjeweiligen Entnahmeorte ist in den Lysimetern weitestgehend erhalten geblieben. In der fol-genden Tabelle sind die Entnahmeorte, Bodentypen sowie der Lysimetertyp und Grundwas-servariante aufgeführt:

Tabelle 2-1: Entnahmeorte und Typen der Lysimeter

Lysi-meter

Herkunft Bodentyp Lysimetertyp GW-Stand

Einbau

1-2 Wildeshausen/ Nieders. Podsol Unterdruck 2,10 m Aug 1990

3-4 Wildeshausen/ Nieders. Podsol Grundwasser 1,35 m Aug 1990

5-8 Parlow-Glambeck/ Brdbg. Parabraunerde-Pseudogley Unterdruck 2,10 m Juni 1992

9-10 Weckesheim/ Hessen Braunerde Grundwasser 1,35 m Aug 199011-12 Weckesheim/ Hessen Braunerde Unterdruck 2,10 m Aug 1990

Abbildung 2-3: FunktionsskizzeGrundwasserlysimeter


Der Entnahmeort des Podsols (Bodenart: schwach schluffiger Sand) liegt bei Wildeshau-sen/Oldenburg in Niedersachsen. Die Braunerde (Bodenart: lehmiger Schluff) wurde in derNähe des Ortes Weckesheim in Hessen entnommen. Die pseudovergleyte Parabraunerde (Bo-denart: lehmiger Sand auf sandigem Lehm) entstammt einer landwirtschaftlichen Nutzflächebei Parlow-Glambeck im Nordosten Brandenburgs. Bei allen Entnahmestellen handelt es sichum landwirtschaftliche Nutzflächen. Der Pflanzenbewuchs während des Untersuchungszeit-raumes ist in Tabelle 2-4 zu finden. In der folgenden Tabelle sind die Bodenkennwerte imeinzelnen aufgeführt:

Tabelle 2-2: Bodenparameter der Lysimetervarianten

Herkunft: Wildeshausen (Niedersachsen)Bodentyp: Podsol

Horizont Tiefe Textur Kornverteilung [%] Org.Sub.

pH NFk pF [Vol. %] kf

(cm) (KA 4) Sand Schluff Ton % Vol. % 1,8 2,5 4,2 cm/dAp 0-40 Su 2 81,5 14,9 3,6 4,0 6,2 18,0 23,0 16,5 5,0 140,0

Bsh 1 40-60 Su 2 80,4 15,1 4,5 1,3 6,1 14,5 16,8 10,7 2,3 221,0Bsh 2 60-150 Su 2 87,5 9,0 3,5 0,5 5,9 21,0 25,3 16,6 4,3 49,0

Herkunft: Weckesheim (Hessen)Bodentyp: Braunerde

Horizont Tiefe Textur Kornverteilung [%] org.Sub. pH NFk pF [Vol. %] kf(cm) (KA 4) Sand Schluff Ton % Vol. % 1,8 2,5 4,2 cm/d

Ap 0-20 Tu 4 3,7 66,9 29,4 2,8 7,0 13,0 34,5 34,0 21,5 25,5Bv 1 20-60 Tu 4 4,5 68,8 26,7 1,0 7,4 15,5 35,2 33,7 19,7 3,3Bv 2 60-150 Ut 4 6,4 74,3 19,3 0,4 7,7 17,0 32,5 30,5 15,5 4,8

Herkunft: Parlow-Glambeck (Brandenburg)Bodentyp: Parabraunerde-Pseudogley

Horizont Tiefe Textur Kornverteilung [%] Org.Sub.

pH NFk pF [Vol. %] kf

(cm) (KA 4) Sand Schluff Ton % Vol. % 1,8 2,5 4,2 cm/dAp/Al 0-40 Sl.4 62,3 29,8 7,9 1,6 5,8 12,6 21,6 14,8 9,0 217,3

Bt 40-90 Sl 4 52,7 28,7 18,6 0,5 6,2 8,0 23,1 16,7 15,1 16,4Cc 90-150 Ls 3 52,5 33,7 13,8 0,3 7,6 16,9 30,1 22,6 13,2 1,3

Durch die verschiedenen Böden und durch die zwei Grundwasserstände ist es möglich, mitder Lysimeteranlage bodenspezifische Differenzierungen und den Einfluss des Grundwasser-standes herauszuarbeiten.

Angesichts der dominierenden Wirkung des Faktors „Bodenart“ auf die Dynamik des Boden-wassers wurde für die vorliegende Arbeit der Einfachheit halber die Bezeichnung der Bödenauf die prägenden Bestandteile der Bodenart reduziert, auch wenn diese Bezeichnung auf-grund der groben Vereinfachung irreführend sein kann. Die beiden Grundwasserstände wer-den mit „grundwassernah“ (GW-nah) für den Grundwasserstand von 1,35 m und „grundwas-serfern“ (GW-fern) für 2,10 m bezeichnet. Es entstehen damit folgende Kurzbezeichnungen:


Tabelle 2-3: Kurzbezeichnung der Lysimeterböden

Bodentyp GW-Stand KurzbezeichnungPodsol 2,10 m Sand, GW-fernPodsol 1,35 m Sand, GW-nahParabraunerde-Pseudogley 2,10 m Lehm, GW-fernBraunerde 2,10 m Schluff, GW-fernBraunerde 1,35 m Schluff, GW-nah

2.3.3 Stationsumgebung

Die Lysimeter sind in eine Agrarfläche eingebettet, die entsprechend den Lysimetern bewirt-schaftet wird, um den Oaseneffekt (vgl. Kap. 3.2.3) möglichst klein zu halten. Die Agrarflä-che hat eine Ausdehnung von ca. 12 mal 22 Metern. Die direkte Umgebung der Agrarflächeist in der Regel mit einer kurzen Grasdecke bewachsen. Da es sich um eine innerstädtischeAnlage handelt, befinden sich in der weiteren Umgebung (100 - 300 m) größere Bäume undHäuser, die eine windgeschütztere Lage erzeugen. Zudem sind die Klimawerte durch denstädtischen Charakter des Standorts beeinflusst.

2.3.4 Fruchtfolgen

An dieser Stelle sollen ausschließlich die Pflanzenbestände aufgeführt werden, die in die Un-tersuchungen einbezogen wurden. In den Jahren 1994 bis 2000 wurden verschiedene acker-bauliche Fruchtarten angebaut. Es wurde nach gängiger Praxis verfahren, die Bestandsdichteauf der Fläche und den Lysimetern entsprach der eines ackerbaulichen Betriebes.

Im Jahre 1994 wurde auf der Lysimeteranlage Körnermais angepflanzt. Die Aussaat erfolgteam 2.5.94, geerntet wurde am 12.9.94. Die Bestandsdichte auf den Lysimetern entsprach derauf der Fläche, wobei die Pflanzen einzeln abgezählt wurden, so dass auf jedem Lysimeter diegleiche Anzahl Pflanzen vorhanden war. Es waren keine Wuchsunterschiede zwischen denPflanzen auf den Lysimetern gegenüber denen der umgebenden Fläche festzustellen.

Im Jahr 1995 wurde am 3.4. Sommerweizen ausgesät, der am 31.7. geerntet wurde. Der imallgemeinen gut entwickelte Bestand zeigte Unterschiede in der Wuchshöhe zwischen denverschiedenen Lysimeterböden, die sich in einer Endhöhe von ca. 97 cm bei den Sand- undLehmböden sowie ca. 106 cm auf dem schluffigen Boden bemerkbar machte.

Im Mai 1996 wurde die Lysimeteranlage mit Nutzrasen bepflanzt. Es etablierte sich einedichte, kurz gehaltene Grasdecke, die bis April 1999 auf der Anlage verblieb. Für die Unter-suchungen konnte der gesamte Zeitraum als Datengrundlage verwendet werden. SichtbareWuchsunterschiede nach Bodenarten bildeten sich nicht aus.

Die im Mai 1999 ausgesäte Luzerne entwickelte sich aus verschiedenen Gründen leider nichtzufriedenstellend. Ursachen hierfür waren das trockene, heiße Klima in Verbindung mit ge-


ringer Bewässerung, da die Wasserbilanz der Lysimeter nicht zu stark beeinflusst werdensollte. Durch eine Nachsaat und stärkere Bewässerung wurde der Bestand dann so dicht, daseine gute Ausgangsbasis für das nächste Jahr bestand. Die Luzerne entwickelte sich jedochnicht mehr ausreichend, um die Untersuchungen für das Jahr 1999 durchführen zu können.Für Luzerne ist es allerdings nicht ungewöhnlich, dass sich der Bestand erst im zweiten Jahrvoll entwickelt.

Erst im Frühjahr 2000 entstand deshalb ein dichter, brauchbarer Luzernebestand. Auf den Ly-simetern mit Sandboden kam es allerdings auch dann nur zu einem spärlichen Wuchs. Ver-mutlich war der pH-Wert der Sandböden (Lysimeter 1 – 4) zu niedrig. Trotz Kalkung konntesich im Jahr 2000 kein solider Pflanzenbestand auf diesen Lysimetern etablieren, die Variantemusste deshalb außer acht gelassen werden. Der restliche Bestand entwickelte sich gut, wobeihier Wuchshöhendifferenzen zwischen 3 und 10 cm zu den jeweiligen Ernteterminen zwi-schen dem Lehm- (niedriger) und dem Schluffboden (höher) zu verzeichnen waren, die sichauch auf die Dichte der Vegetation und somit auf die Blattfläche auswirkten. Zusammenfas-send werden in Tabelle 2-4 die jeweiligen Zeiträume mit der dazugehörigen Anbaufrucht dar-gestellt:

Tabelle 2-4: Untersuchungszeiträume und Anbaufrüchte

Zeitraum Anbaufrucht 5/94 – 9/94 Körnermais 4/95 – 8/95 Sommerweizen

Ab 5/96 – 10/96 Kurze Rasendecke 4/97 – 10/97 Kurze Rasendecke 4/98 – 10/98 Kurze Rasendecke 4/00 – 10/00 Luzerne

Mit der oben beschriebenen Ausstattung entspricht die Dahlemer Lysimeteranlage dem derzeitüblichen internationalen Standard. Durch die vielen Varianten ist eine differenzierte Bearbei-tung verschiedenster Fragestellungen möglich. Die Dahlemer Lysimeteranlage stellt für dieBearbeitung der Fragestellung ein ideales Instrument dar.

In Kapitel 4 werden die im Laufe der Untersuchungen aufgetretenen Probleme und die damitverbundenen Konsequenzen genauer beschrieben. Es wird auf einige technische Problemehingewiesen, die bei einem zukünftigen Projekt berücksichtigt werden müssen, um weiterge-hende Untersuchungen durchführen zu können. In einer zusammenfassenden Diskussion wirdin Kap. 9 eine kritische Auseinandersetzung mit der Lysimetertechnologie für die bearbeitetenFragestellungen geführt.

3. Grundlagen der Verdunstungsermittlung 14

3. Grundlagen der Verdunstungsermittlung

3.1 Einführung

Physikalisch betrachtet ist die Verdunstung der Übergang von flüssigem oder auch festemWasser in Wasserdampf bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes. Da durch dieVerdunstung von Wasser Energie verbraucht und bei der Kondensation wieder abgegebenwird, findet durch diese Prozesse global gesehen ein erheblicher Energieumsatz in derAtmosphäre statt. Die Verdunstung zählt zu den wichtigsten steuernden Größen desWettergeschehens, indem an der Erdoberfläche Energie für den Verdunstungsprozessverbraucht bzw. gebunden und Verdunstungskälte erzeugt wird. Durch Wind findet einTransport des Wasserdampfs an andere Stellen der Atmosphäre statt, wo durchKondensationswärme wieder Energie freigesetzt wird.

Um diese wichtige Wasserhaushaltsgröße möglichst genau bestimmen zu können, wurdeneinige Messmethoden und Modelle entwickelt. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick überdie wichtigsten Methoden gegeben.

Für die in dieser Arbeit häufig verwendete Begriffe werden vorab einige Begriffsdefinitionennach DIN 4049, Teil 3 „Begriffe zur quantitativen Hydrologie„ (DVWK 1996) aufgeführt:

Verdunstung: Vorgang, bei dem Wasser bei Temperaturen unter dem Siedepunkt vomflüssigen oder festen Zustand in den gasförmigen (Wasserdampf) übergeht. Der umgekehrteProzess der Verflüssigung des Wasserdampfes heißt Kondensation, der Übergang vonWasserdampf in die Eisphase heißt Sublimation.

Evaporation: Verdunstung der unbewachsenen Erdoberfläche (Bodenverdunstung,Schneeverdunstung, Eisverdunstung), des auf Pflanzenoberflächen zurückgehaltenenNiederschlags (Interzeptionsverdunstung) und von freien Wasserflächen (Seeverdunstung).Dabei sind biotische Vorgänge ausgeschlossen.

Transpiration: Verdunstung von Oberflächen lebender Organismen (in der RegelPflanzenoberflächen) aufgrund biotischer Prozesse.

Evapotranspiration: Summe von Evaporation und Transpiration, d. h. vonBodenverdunstung, Interzeptionsverdunstung und Pflanzenverdunstung.

Potentielle Verdunstung: Verdunstung von Oberflächen bei gegebenen meteorologischenBedingungen und unbegrenzt verfügbarem Wasser. Die potentielle Verdunstung ist eineRechengröße, die aus gemessenen meteorologischen Werten bestimmt wird. Man verwendetin der Fachliteratur meist den Begriff der potentiellen Verdunstung und unterscheidetzwischen potentieller Evaporation, potentieller Transpiration und potentieller


Evapotranspiration. Letztere ist die potentielle Verdunstung einer natürlich bewachsenenFläche und besteht aus den oben angeführten Komponenten der Boden- undPflanzenverdunstung.

Reale Verdunstung: Verdunstung von Oberflächen bei gegebenen meteorologischenBedingungen bei tatsächlichen Wasservorrat im Boden. Man unterscheidet bei der realenVerdunstung zwischen realer Evaporation, realer Transpiration und realer Evapotranspiration.Letztere ist die reale Verdunstung einer natürlich bewachsenen Fläche und besteht aus denKomponenten der Boden- und Pflanzenverdunstung, sowie ggf. der Verdunstung desInterzeptionswassers. Der gleichbedeutende englische Begriff "actual evapotranspiration"sollte m. E. nicht als „aktuelle Verdunstung“ übersetzt werden, da das Wort "aktuell" imDeutschen einen zeitlichen Bezug angibt.

In der vorliegenden Arbeit wird sowohl der Begriff Evapotranspiration als auch Verdunstunggebraucht. Die Bedeutung ist dabei synonym.

3.2 Verfahren zur Messung der Verdunstung

Im vorliegenden Kapitel werden einige Verfahren aufgeführt, mit denen die Verdunstunggemessen werden kann. Es werden zunächst zwei Gruppen von Geräten zur Messung derpotentiellen Verdunstung unterschieden (DVWK 1996), die Atmometer bzw. Atmographenund die Verdunstungsgefäße. Beide Gruppen messen generell nur eine gerätespezifischeVerdunstung bei optimaler Wasserversorgung, durch die mit Hilfe von Umrechnungsfaktorendie potentielle Verdunstung von Pflanzenbeständen, Bodenoberflächen oder Wasserflächenberechnet werden kann.

Eine Methode zur Messung der realen Evapotranspiration eines Pflanzenbestandes stellenLysimeter dar, die in diesem Kapitel ausführlich beschrieben werden.

3.2.1 Atmometer

Die Atmometer oder Atmographen sind Messgeräte, bei denen die Verdunstung von feuchtenFlächen gemessen wird. Bei dem Verdunstungsmesser nach PICHE wird dabei ein ständigfeuchtgehaltenes Filterpapier verwendet, beim Verdunstungsmesser nach CZERATZKI einefeuchte Keramikscheibe. Beide Geräte ermöglichen die direkte Ablesung derVerdunstungshöhe in einem Zeitraum durch eine Skala in mm oder eine ständigeRegistrierung durch Schreibstreifen. Die Geräte stellen eine ständige Wasserversorgung derVerdunstungsflächen sicher und registrieren daher eine Form der potentiellen Verdunstung.


Durch spezielle empirisch ermittelte Umrechnungsfaktoren lässt sich jeweils die potentielleVerdunstung eines Pflanzenbestandes berechnen. Um die mikrometeorologischenBedingungen bei der Messung zu berücksichtigen, bietet sich als Aufstellungsort der zumessende Bestand an. Die Messhöhe kann sich dabei an der Höhe der Blätter orientieren.

3.2.2 Verdunstungsgefäße

Verdunstungsgefäße sind offene, mit Wasser gefüllte Messgeräte, die auch alsVerdunstungspfannen bezeichnet werden. Diese Geräte existieren in unterschiedlicher Größeund Form, am verbreitetsten ist die Class-A-Evaporation-Pan. Ausführliche Beschreibungendieser Geräte finden sich im DVWK-HEFT 238 (1996) und in SCHROEDTER (1985). Gemessenwird die Verdunstung durch den Wasserverlust aus der Wasseroberfläche heraus. DieserWasserverlust wird durch Wasserstandsschwankungen, Nachfüllmenge oderGewichtsänderung registriert. Dabei wird diese Differenz mit den Niederschlägen verrechnet,die an anderer Stelle gemessen werden. Die Aufstellung dieser Gefäße kann in oder nebenPflanzenbeständen erfolgen. Es ist möglich, die Geräte auf den Boden zu stellen oder soeinzugraben, dass die Wasseroberfläche mit der Geländeoberfläche übereinstimmt. DieMesswerte repräsentieren dann die jeweiligen mikrometeorologischen Bedingungen desAufstellortes.Um aus diesen Messwerten die potentielle Verdunstung eines Pflanzenbestandes zuberechnen, werden Umrechnungsfaktoren (k-Faktoren) durch Vergleiche mit anderenVerfahren, wie z.B. in ROTH u.a. (1992) beschrieben, ermittelt. PEREIRA u.a. (1994)beschreiben ein Modell zur Berechnung solcher k-Faktoren auf der Grundlage vonWindgeschwindigkeits- und Feuchtemessungen. In JACOBS u.a. (1998) werden dieTemperaturentwicklung des Wassers in einer Class-A-Evaporation-Pan untersucht, sowieweitere Korrekturwerte für verschiedene Klimasituationen ermittelt.

Zusammenfassend lässt sich für die beiden umrissenen Verfahrensgruppen sagen, dass diegewonnenen Messwerte sehr stark von der Gerätekonstruktion in Verbindung mit denenergetischen sowie mikrometeorologischen Verhältnissen des Aufstellungsortes abhängigsind. Insofern sind die gewonnenen Werte nur bedingt geeignet, die Verdunstung vonPflanzenbeständen zu beschreiben.

Ein Verfahren zur direkten Messung der realen Bestandesverdunstung stellenLysimeteranlagen dar.


3.2.3 Lysimeter

Die Verdunstung eines Systems Boden-Pflanze als Reaktion auf klimatische Situationen inVerbindung mit dem Bodenwasserhaushalt, lässt sich wirklichkeitsnah nur mit Hilfe vonLysimetern messen. Lysimeter sind Behälter, in die ein Bodenausschnitt so eingebrachtwurde, dass der natürliche Bodenaufbau und somit auch der natürliche Wasserhaushaltweitgehend erhalten bleiben. Sie sind nach Möglichkeit so in eine Agrarfläche oder auchnatürliche Umgebung eingebaut, dass das obere Ende des Lysimeters mit dem Oberboden derumgebenden Fläche abschließt und genau so wie die Umgebung bewirtschaftet werden kann.Nach unten wird der Behälter so abgedichtet, dass das bei Perkolation austretende Wasseraufgefangen und die Sickerwassermenge bestimmt werden kann. Wägbare Lysimeter stehendabei auf Waagen, um so Gewichtsänderungen der Bodensäule, d.h. also desBodenwassergehalts (∆W), registrieren zu können. Lysimeter mit doppeltem Wägesystemerlauben die Registrierung des Sickerwassers bzw. des Perkolats (∆Perk) mit einer zweitenWaage (vgl. Abbildung 2-2). Die Verdunstung ergibt sich dann aus:

tWPerkNETr

∆∆−∆−= (Gleichung 3-1)

Dabei bezeichnet ∆t den betrachteten Zeitabschnitt und N die Niederschlagshöhe.Die so berechnete Verdunstung ist die reale Evapotranspiration des betrachtetenBodenausschnitts mit der entsprechenden Vegetation. Lysimeter stellen Instrumente dar, mitdenen die reale Evapotranspiration eines Pflanzenbestandes gemessen werden kann.Oberflächenabfluss und laterale Grundwasserflüsse werden dabei nicht berücksichtigt. Durchdie elektronische Registrierung der Daten ist es möglich, den Verlauf der Evapotranspirationzeitlich hoch aufgelöst zu erfassen.

Bei dem Einsatz von Lysimetern sind einige baulich-konstruktive und agrartechnische Dingezu beachten, um unerwünschte Fehlerquellen möglichst klein zu halten oder auszuschließen.

In ROTH (1994) und ATV-DVWK (2002) sind Anforderungen an eine moderneLysimeteranlage zur Messung der Verdunstung aufgeführt (vgl. auch MARKWARDT u.a. 1993).Im Heft 238 der DVWK (1996) und in SCHRÖDTER (1985) sind Lysimetertypen und zubeachtende mögliche Fehlerquellen detailliert beschrieben.


Im folgenden wird ein kurzer Überblick über die wichtigsten Anforderungen an eineLysimeteranlage und die wesentlichen Fehlerquellen gegeben:

• der Oaseneffekt tritt dann auf, wenn die Lysimeter nicht in einen größerenBestand eingebettet sind. Steht der Lysimeterbewuchs alleine und ragt über dieUmgebung (Vegetation oder andere Flächen) heraus, kann sich kein typischesBestandesklima ausbilden. Es herrschen inselartige Temperatur-, Wind-, undStrahlungsverhältnisse vor, die in der Regel zu erhöhten Verdunstungswertenführen. Um dieser Fehlerquelle zu begegnen ist es ratsam, die Lysimeter in einenmöglichst großen Pflanzenbestand einzubetten.

• der Staueffekt bezeichnet die Ausbildung einer wassergesättigten Zone über demLysimeterboden. Durch diesen Wasserstau bildet sich ein Kapillarsaum, der zuerhöhten Verdunstungswerten führt, wenn er die verdunstungsbeeinflussteBodenzone erreicht. Dem Fehler kann durch ausreichend tiefe Lysimeter oderdurch ein Unterdrucksystem, dass den Grundwasserstand in größerer Tiefesimuliert, begegnet werden.

• Randeffekte treten durch bevorzugte Fließbahnen zwischen der Lysimeterwandund dem Bodenmonolith auf. Vermieden werden können diese Fehler durchmöglichst guten Kontakt zwischen Boden und Wandung. Generell gilt: je größerdie Lysimeter desto geringer fällt dieser Effekt ins Gewicht.

• durch die große Empfindlichkeit der Lysimeterwaagen führt der Winddruck aufdie Lysimeteroberfläche zu fehlerhaften Änderungen des Lysimetergewichts. Beistarkem Wind kann es zu regelrechtem Aufschaukeln der Lysimeter kommen.Diese Abweichungen der Messwerte vom Mittelwert lassen sich durchMittelwertbildung auf der Grundlage möglichst vieler Einzelwerte ausgleichen.Die Genauigkeit steigt dabei mit der Anzahl der Messwerte.

• um die Bodenstruktur des natürlichen Bodens am Untersuchungsstandort zuerhalten, muss sorgfältig auf die Entnahme des Monolithen geachtet werden.Kommt das Lysimetergefäß bei der Entnahme oder auch beim Transport inSchräglagen oder wird es abrupt abgesetzt, können Stauchungen undVerdichtungen des Bodenmonolithen entstehen, die unbedingt zu vermeiden sind.Nur durch sorgfältiges gerades Ausstechen sind Randeffekte zu vermeiden. Beigeschütteten Böden ist darauf zu achten, dass der natürliche Bodenaufbau mit derjeweiligen Dichte wiederhergestellt wird.

• für die Untersuchung der Verdunstung von Pflanzenbeständen ist eineLysimeteroberfläche empfehlenswert, die einen geschlossenen Bestand mit einer


Bestandesdichte ähnlich der der umgebenden Agrarfläche erlaubt (vgl. ROTH

1994). Darüber hinaus ist eine Ausbildung des Wurzelraumes durch eineausreichende Tiefe der Lysimeter zu gewährleisten (vgl. Kap. 9).

Je nach Fragestellung werden unterschiedliche Lysimetertypen eingesetzt. Für die Erfassungvon Sickerwassermengen und deren Inhaltsstoffe, sowie für die Bestimmung langjährigerMittelwerte der Verdunstung reichen nicht wägbare Lysimeter aus. Großlysimeter,beispielsweise zur Bestimmung des Wasserhaushalts von Waldstandorten, sind aus baulichenGründen in der Regel nicht wägbar.

Ebenfalls nicht ständig wägbar sind Mikrolysimeter, die so klein sind, dass sie jederzeit imFeldeinsatz mit einer transportablen Waage zu wiegen sind. Mikrolysimeter sind kleinetragbare Behälter mit Bodenfüllung und Bewuchs. Sie haben den Vorteil, dass sie leicht zutransportieren sind und ohne größere Baumaßnahmen schnell im Feld eingesetzt werdenkönnen. In PLAUBORG (1995) sind Mikrolysimeter mit einer Oberfläche von ca. 26 cm² undeiner Tiefe von 15 cm als Verdunstungsmesser für unbewachsenen Boden im Feldeinsatzbeschrieben.

Wägbare Lysimeter erlauben dagegen die kontinuierliche Messung derWasserhaushaltskomponenten. Durch ein zweites Wägesystem, mit dem das Sickerwassergetrennt erfasst wird, ist es möglich, die Wasserhaushaltskomponenten und letztlich dieEvapotranspiration zeitlich hoch auflösend zu erfassen.

Konstruktionsbedingt, bzw. aus Kostengründen, ist die Größe bei den wägbaren Lysimeternbeschränkt. Die Ausmaße der meisten Lysimeter bewegen sich deshalb in einem Rahmen, dersich zum einen durch die Finanzierbarkeit und zum anderen durch die wissenschaftlichenBelange ergibt. In der Regel handelt es sich bei den Lysimetern um Monolithe von 1 m²Oberfläche mit einer Tiefe von 1,5 – 3 m. Eine Auflistung der Lysimeterstationen inDeutschland ist in dem DVWK Heft 238 (1996) aufgeführt und zeigt die Variationsbreite derbestehenden Anlagen. Ein Beispiel für eine Anlage mit zwei sehr großen wägbarenLysimetern von annähernd 8 m² Oberfläche bei einer Tiefe von 4 m ist in YOUNG (1996)beschrieben.

Die Dahlemer Lysimeteranlage ist in Kapitel 2.3 detailliert beschrieben. Durch ihreAusstattung ist die Anlage hervorragend geeignet, die Verdunstung von Pflanzenbeständenmit hoher zeitlicher Auflösung zu messen. Einschränkungen müssen lediglich aufgrund dermangelnden Tiefe der Monolithe gemacht werden, die die Bearbeitung bestimmterFragestellungen einschränken. Im Laufe der Arbeit werden diese Probleme detailliertausgeführt.


3.3 Verfahren zur Berechnung der Verdunstung

Erheblich weniger technischer und finanzieller Aufwand als die direkte Messung derVerdunstung, bedeutet deren Berechnung mit Hilfe von Verdunstungsformeln bzw. Modellen.Eingangsparameter sind meist Klimamessungen, die üblicherweise von meteorologischenStationen aufgenommen werden. Befindet sich eine solche Station in ausreichender Nähe istes möglich, die potentielle Evapotranspiration für einen Standort auf der Grundlagevorhandener Daten ohne eigenes Messprogramm zu berechnen. Eine Auswahl aus dem breitenSpektrum der zahlreichen Verdunstungsformeln wird im folgenden dargestellt.

Über die Ansätze einfacher empirischer Verfahren zur Berechnung der potentiellenEvapotranspiration soll hier zu dem komplexen physikalischen Modell von Penman-Monteith(MONTEITH 1965) zur Berechnung der realen Evapotranspiration von Pflanzenbeständengeführt werden.

3.3.1 Die Verdunstung als Teil der Wasserbilanz

Sind die notwendigen Daten vorhanden, lässt sich die Gebietsverdunstung aus derallgemeinen Wasserhaushaltsgleichung berechnen. Für lange Zeitreihen kann dabei derSpeicher vernachlässigt werden. Für die gesamte Erde als geschlossenes System ist dieVerdunstung gleich dem Niederschlag. Die allgemeine Wasserhaushaltsgleichung formuliertden allgemeinen Zusammenhang zwischen den Wasserhaushaltskomponenten für einebeliebige Zeit- und Raumeinhebbit:

N = A + V + (R - B) (Gleichung 3-2)

Mit:N = NiederschlagA = AbflussV = Verdunstung(R – B) = Rücklage – Aufbrauch, entspricht der Vorratsänderung des gespeicherten Wassers eines Gebietes

Der Abfluss A ist hierbei Null, wenn es zu keinem Ausfluss aus dem betrachteten Gebietkommt. Bei Flusseinzugsgebieten besteht diese Größe aus dem Gebietsabfluss des Vorfluters,der den oberflächlichen Abfluss, den Zwischenabfluss und den Zustrom aus dem Grundwasserbeinhaltet. Die Größe ist in dieser Gleichung in der Regel mit einem negativen Vorzeichenversehen, da es sich um eine Verlustgröße handelt. Einträge in das betrachtete Gebiet sindjedoch durch den Vorfluter oder laterale Grundwasserströmung möglich.


Die Größe (R – B) bezeichnet die Änderung des Wasservorrats, der in der Regel aus demBodenwassergehalt und dem Grundwasser besteht, sofern dieses an den Austauschprozessenbeteiligt ist. Das Vorzeichen dieser Größe kann positiv oder negativ sein und,je nach betrachteter Zeiteinheit, häufig wechseln. Der Niederschlag N ist immer in das Gebietgerichtet, also mit positivem Vorzeichen versehen, während das bei der Verdunstung V genauumgekehrt ist. Die Verdunstung kann nach dieser Formel als Restglied berechnet werden:

V = N – A – (R – B) (Gleichung 3-3)

3.3.2 Einfache empirische Verfahren

Einfache empirische Verfahren berechnen die potentielle Evapotranspiration auf derGrundlage von nur einem oder wenigen gemessenen Parametern. Der Vorteil solcherVerfahren liegt darin, dass mit einfachen Mitteln ohne großen Mess- oder RechenaufwandSchätzwerte der Verdunstung ermittelt werden können. Die benötigten Parameter liegen vor,wenn sich eine entsprechende meteorologische Messstation in ausreichender Nähe befindet,oder können mit relativ geringem Aufwand gemessen werden. Der Nachteil dieser Verfahrenbesteht darin, dass nur relativ grobe Schätzwerte ermittelt werden und komplexerephysikalische Vorgänge nicht berücksichtigt werden können.

Methodenvergleiche zwischen den im folgenden beschriebenen und auch anderen Verfahren,werden u. a. in den Veröffentlichungen von ALLEN u.a. (1986), WENDLING (1991), ROTH

(1992), VÖRÖSMARTY u.a. (1998) und BEYAZGÜL u.a. (2000) vorgestellt. DieVerdunstungsansätze wurden unter verschiedenen Bedingungen gewonnen und haben häufignur eine begrenzte Gültigkeit.

Die einfachsten Verfahren beruhen auf einer einzigen Messgröße. Als Beispiel für einVerfahren, dass auf der Temperaturmessung beruht sei hier das Verfahren nachTHORNTHWAITE (1957) angeführt (vgl. DVWK 1996):

ao

T JTS

nETp ��

�= *10*12

**533,0 (Gleichung 3-4)

Mit:T Mittlere Lufttemperatur für den Zeitintervall [C°]So mittlere tägliche astronomischmögliche Sonnenscheindauer [h]n Länge des betrachteten Zeitintervalls [d]


Es gilt:

514,1

5�

��

�

�=

Dez

Jan

TJ und 523 10*)49239*1792*71,7*0675,0( −++−= JJJa

Dieses Verfahren eignet sich hauptsächlich für Abschätzungen über größere Zeiträume, wobeizu beachten ist, dass es aufgrund der Phasenverschiebung des Temperaturgangs gegenüberdem Strahlungsgang zu erheblichen Fehleinschätzungen vor allem in der zweiten Jahreshälftekommen kann. Für deutsche Klimaverhältnisse ist diese Formel nur sehr bedingt zuempfehlen.

Die Formel nach BLANEY-CRIDDLE (1950) kommt wie die oben beschriebene Formel mit dermittleren Tagestemperatur (T) und der möglichen Sonnenscheindauer So aus. SJahr bezeichnethier die Jahressumme der möglichen Sonnenscheindauer.

Jahr

oCB S

STETp

100**)*457,0128,8( +=− (Gleichung 3-5)

Für Mitteleuropa gibt SCHRÖDTER (1985) einen Korrekturfaktor für die im Westen der USAentwickelte Formel an:

CBETpETp −+−= *96,055,1 (Gleichung 3-6)

Auch die Ergebnisse nach der Formel von BLANEY-CRIDDLE bedürfen der kritischenBetrachtung und können nur als Schätzwerte verwendet werden, da auch hier teilweise rechtgroße Abweichungen von Messwerten der Verdunstung festzustellen sind.

Ein in Deutschland sehr verbreitetes Verfahren wurde von HAUDE (1955) entwickelt. Inseinem empirischen Ansatz verwendet HAUDE das Sättigungsdefizit der Luft (es(T) – e)14

[hPa], wobei es(T) den temperaturabhängigen Sättigungsdampfdruck und e den Dampfdruckjeweils um 1430 Uhr MEZ, dem Maximum des Tagesgangs, bezeichnen:

14))((* eTefETp sH −= (Gleichung 3-7)


Der Faktor f [mm/hPa] ist hier ein empirisch für eine gut wasserversorgte Grasdeckeermittelter monatsabhängiger Faktor (s. Tab. A 3.1 im Anhang).

Die so berechneten Verdunstungswerte geben die potentielle Evapotranspiration inDeutschland recht gut wider, wobei die Betrachtung einzelner Tage zu stärkerenAbweichungen führen kann. Monats- oder Dekadenwerte bringen dagegen gute Ergebnisse.

Als Beispiel für komplexere Verfahren die mehrere Eingangsgrößen und deren physikalischenZusammenhang berücksichtigen wird an dieser Stelle das Verfahren nach TURC aufgeführt(vgl. DVWK 1996):

15*)209(**0031,0

++=

TTRCETp GTurc (Gleichung 3-8)

Mit:RG Globalstrahlung [J/m²]T Tagesmittel der Lufttemperatur in [C°]U Tagesmittel der Luftfeuchte [%]

Es gilt: 70

501 UC −+= für U < 50% und 1=C für U > 50%

Das Verfahren wurde für Frankreich und Nordafrika entwickelt, liefert aber für Deutschlandnur nach einer Korrektur von +10% verhältnismäßig realistische Verdunstungswerte (vgl.DVWK 1996). Die Formel berücksichtigt ausschließlich positive Temperaturwerte und kannfür negative Temperaturbereiche durch eine Modifikation ersetzt werden.

3.3.3 Energiebilanzverfahren

Eine grundsätzlich andere Herangehensweise an die Ermittlung der Evapotranspiration bestehtin der Betrachtung des Energiehaushalts. Grundlage ist hier die Überlegung, dass ein großerTeil des Energieumsatzes der einfallenden Sonnenenergie in der Atmosphäre durch dieVerdunstung, den Wasserdampftransport und die Kondensation bestritten wird. Der durch dieVerdunstung verbrauchte und als Wasserdampf transportierte Anteil der Strahlungsenergiewird dabei durch die latente Wärme ausgedrückt.


Die gesamte Energiemenge über einen langen Zeitraum betrachtet ist konstant, d. h. dieeinfallende und die ausgehende Strahlungsenergie sind gleich groß. Dieser Zusammenhanglässt sich in der folgenden Formel fassen (DVWK 1996):

0 LE G H R n =+++ (Gleichung 3-9)

Die Strahlungsbilanz Rn bezeichnet dabei die den Erdboden erreichende gesamte Einstrahlungminus der vom Erdboden reflektierten bzw. abgegebenen Strahlung. Dabei werden sowohlkurz- als auch langwellige Strahlungsbereiche berücksichtigt.

Der Bodenwärmestrom G ist der Anteil der Strahlungsenergie, der von der Erdoberflächeinfolge der Erwärmung des Oberbodens durch die Wärmeleitung in den Boden geleitet wird.Nachts, während die Einstrahlung gleich Null ist, ist der Bodenwärmestrom in dieentgegengesetzte Richtung gerichtet, die gespeicherte Energie wird wieder freigegeben. DieGröße des Bodenwärmestroms ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Bodens, die durchStruktur, Textur und vor allem durch die Bodenfeuchte bestimmt wird. Durch denBodenwärmestrom steht also tagsüber weniger Energie für die Verdunstung zur Verfügung,die aber nachts wieder verdunstungswirksam freigegeben wird. Über lange Zeit betrachtet istder Bodenwärmestrom also gleich Null.

Die fühlbare oder sensible Wärme H ist der Energieanteil der Globalstrahlung, der inWärmeenergie umgewandelt wird. Dieser Energieanteil führt zur Erwärmung der Luft undinfolge der Advektion zu Luftbewegungen in große Höhen. Der Anteil der sensiblen Wärmeerreicht in unseren Breiten ca. 25 % der Strahlungsbilanz.

Die latente Wärme LE entspricht der Verdunstungswärme bzw. dem Energieanteil, der für dieVerdunstung der in der Luft enthaltenen Wasserdampfmenge benötigt wurde. ZurVerdunstung von Wasser werden ca. 2500 Ws g-1 benötigt (TIERSCH 1988). Der Anteil derlatenten Wärme an der Strahlungsbilanz beträgt zur Vegetationsperiode ca. 75 %.

Für die Berechnung der Verdunstung ergibt sich aus (Gleichung 3-9) folgende Form:

H G R LE- n ++= (Gleichung 3-10)

Der Wärmestrom aus der Pflanzenmasse, der durch chemische Umsetzungen freiwerdendeWärmestrom, sowie Wärmeflüsse aus Niederschlägen, radioaktiven Zerfallsprozessen undtiefenthermische Wärmeflüsse, werden aufgrund ihrer geringen Bedeutung meist nichtberücksichtigt oder als Teil des Bodenwärmestroms behandelt. Advektive Energieströme, d.h.horizontaler Energietransport durch den Wind, können unter ariden/semiariden Verhältnissen


einen großen Anteil an der Energiebilanz erreichen (vgl. TIERSCH 1988). Untermitteleuropäischen Verhältnissen kann der Advektionswärmestrom allerdings vernachlässigtwerden.

3.3.4 Aerodynamisches Verfahren

Das aerodynamische Verfahren verbindet die Verdunstung von einer Wasserfläche mit derTemperatur der Wasseroberfläche, der Windgeschwindigkeit und der Luftfeuchte bzw. demSättigungsdefizit der Luft. Zugrunde liegt dabei die Überlegung, dass die Menge derWassermoleküle welche die Wasseroberfläche verlassen, abhängig ist von derWassertemperatur an der Oberfläche und dem davon abhängigen Sättigungsdampfdruck,sowie dem Dampfdruckgradienten über der Wasseroberfläche. Aufgrund dieses Gradientenfindet ein vertikaler Wasserdampftransport in die Atmosphäre statt. Ohne den Wind, der füreinen horizontalen Austausch der wasserdampfgesättigten Luft sorgt, würde es allerdings baldzur Sättigung der Luftschichten unmittelbar über dem Wasser und einem Rückgang derVerdunstung kommen. Der Ansatz von DALTON verknüpft die genannten Parameter zufolgender Formel (DVWK 1996):

))((*)( 0 eTevfE Wsw −= (Gleichung 3-11)

Mit:Ew = Verdunstung von der Wasserfläche [mm]f(v) = Funktion der Windgeschwindigkeites(TW0) = Sättigungsdampfdruck bei der

Temperatur der Wasseroberfläche TW0 [hPa]e = Dampfdruck der Luft [hPa]

Die empirisch zu bestimmende Windfunktion für Tagesmittel der Windgeschwindigkeit in 2m Höhe gemessen hat folgende Form:

cvbavf ++=)( (Gleichung 3-12)

Die Koeffizienten a, b und c bezeichnen dabei klimatische und physiogeographischeEinflussfaktoren. Von RICHTER (1977) wurden für norddeutsche Seen folgende Faktorenentwickelt: a : 0,16 ; b : 0,20 ; c : 0,5.

Die Dalton-Formel hat sich für Tageswerte bewährt, für kürzere Zeitabschnitte ist sie wenigergut geeignet. Berechnet wird mit dieser Formel die potentielle Verdunstung auf der Grundlagevon Klimaparametern. Um die reale Evapotranspiration eines Pflanzenbestandes zu


berechnen, müssen vegetationsspezifische und jahreszeitliche Koeffizienten eingeführtwerden.

3.3.5 Das Kombinationsverfahren nach PENMAN

In dem Kombinationsverfahren nach PENMAN (1948) werden das Energiehaushaltsverfahrenund das aerodynamische Verfahren miteinander verknüpft. Der Ansatz wurde für dieVerdunstung von freien Wasserflächen und gut versorgten kurzen Grasdecken entwickelt. Erstellt eine der ausgereiftesten physikalisch begründeten Methoden dar, die mittlerweile eineweite Verbreitung gefunden hat und Grundlage vieler weiterer Ansätze ist. ALLEN (1986)zeigt in seinem Beitrag die Bandbreite des Ansatzes und die Vielfalt der Variationen auf,indem er 10 Varianten miteinander vergleicht.

Der ursprüngliche PENMAN-Ansatz hat folgende Form:

γγ

+−+=

seTevfLRnsETp s ))((*)(*/* (Gleichung 3-13)

Mit:L Verdampfungswärme des Wassers,

Strahlungsäquivalent für die Verdunstungvon 1 mm/d = 28,4 Wm-2mm-1d [W/m2]

s Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve [hPa/K]Rn Strahlungsbilanz [W/m2]Rn/L Verdunstungsäquivalent [W/m2] (es(T)-e) Sättigungsdefizit der Luft [hPa]γ Psychrometerkonstante [hPa/K]f(v) Windfunktion nach Dalton [m/s]

Trotz der komplexen physikalischen Hintergründe sind die für die Berechnung derVerdunstung notwendigen Parameter auf wenige Standardmessgrößen zurückzuführen. DieWindfunktion wird nach Gleichung 3-12 berechnet.

3.3.6 Der Verdunstungsansatz nach Penman-Monteith

Die wohl bekannteste Verdunstungsformel auf der Grundlage der PENMAN-Gleichung ist dieWeiterentwicklung durch MONTEITH (1965). Der durch MONTEITH modifizierte Ansatz dientder Berechnung der realen Evapotranspiration eines Systems Boden-Pflanze-Atmosphäre.

Wie sich in vielen Veröffentlichungen, in denen Modellvergleiche durchgeführt undverschiedene Modifikationen dieses Ansatzes eingesetzt wurden, zeigt, liefert der PENMAN-MONTEITH-Ansatz gute Ergebnisse bei der Berechnung der realen Evapotranspiration von


Pflanzenbeständen. Zur Validierung der Modellergebnisse werden häufig Messwerte derrealen Evapotranspiration z.B. durch Lysimeter oder Messungen des Bowen-Verhältnisses,dem Verhältnis zwischen der durch Konvektion und der durch Verdunstung verbrauchtenWärmemenge (MANIAK 1988), herangezogen (vgl. u. a. ABTEW u.a. 1995, FARAHANI u.a.1995, KJELGAARD u.a. 1994, RANA 1993, STANNARD 1993). Daneben existieren vieleVersuche, den Ansatz an verschiedene klimatische Verhältnisse oder Vegetationsbedingungenanzupassen oder ihn mit neueren Meßmethoden, wie z.B. der Fernerkundung, zu kombinieren(vgl. u. a. BRADEN 1995, MORAN u.a. 1996). Zu großer Bedeutung und internationalerVerbreitung kommt das PENMAN-MONTEITH-Modell als Grundlage für die Entwicklung derGras-Referenzverdunstung der FAO (ALLEN u.a. 1989, 1994, 1998) (vgl. Kap. 6).

Im wesentlichen wird die reale Evapotranspiration in diesem Modell durch die Steigung derSättigungsdampfdruckkurve, das Sättigungsdefizit der Luft und die effektiveStrahlungsbilanz, sowie verschiedene Konstanten berechnet. Neben diesen diemeteorologischen Verhältnisse kennzeichnenden Parametern werden durch MONTEITH (1965)zwei vegetationsspezifische Faktoren in Form von an den elektrischen Widerstandangelehnten Verdunstungswiderständen eingeführt. Hierbei handelt es sich um den von derBestandesstruktur abhängigen aerodynamischen Widerstand ra und den pflanzenphysiologischdefinierten und die Wasserversorgung der Pflanzen kennzeichnende Stomatawiderstand rs

bzw. Bestandeswiderstand rc.

Der Ansatz nach PENMAN-MONTEITH hat folgende Form:

)1(*

))((**)(**/1

a

c

sa

p

rrs

eTer

cGRnsLETa

++

−+−= ∗

γ

ρ

(Gleichung 3-14)

Mit:L* Spezif. Verdampfungswärme [J/kg]s Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve [hPa/K]Rn Strahlungsbilanz [W/m2]Gb Bodenwärmstromdichte [W/m2](Rn-G) Effektive Strahlungsbilanz [W/m2]ρ Dichte der Luft [kg/cm3]cp Spezif. Wärme der Luft bei konst. Druck [J/(kg K)](es(T)-e) Sättigungsdefizit der Luft [hPa]ra Aerodynamischer Widerstand [s/m]rc Mittl. Bestandeswiderstand [s/m]γ Psychrometerkonstante [hPa/K]

ra cz

f hv

= ( ) *1

Gleichung 3-15


Mit:fc(h) Bestandesfaktor abhängig von der Bestandeshöhe hvz Windgeschwindigkeit in m/s in der Messhöhe z(m)

Gegenüber dem PENMAN-Ansatz stellt die Einführung der Verdunstungswiderstände denentscheidenden Schritt zur Berechnung der realen Evapotranspiration von Pflanzenbeständendar. Die Widerstände schränken die maximal mögliche Verdunstung in Abhängigkeit derUmweltfaktoren ein und ermöglichen so die Berechnung der realen Evapotranspiration einesPflanzenbestandes. Entsprechend der Einflussgrößen auf die Pflanzenverdunstung, dieverdunstungsrelevante Oberfläche des Pflanzenbestandes in Abhängigkeit von derBestandeshöhe und dem physiologischen Verhalten der Pflanzen durch die Stomata, wurdender aerodynamische Widerstand ra und der die Wasserversorgung der Pflanzenkennzeichnende Stomatawiderstand rs eingeführt. Da bei der Berechnung derEvapotranspiration aus Messwerten häufig nicht zwischen der Transpiration derPflanzendecke und der Evaporation aus dem Boden zu unterscheiden ist, wurde derBestandeswiderstand rc eingeführt, der den Pflanzenbestand inklusive der Bodenoberflächerepräsentiert.

3.3.7 Die Gras-Referenzverdunstung

Die in ALLEN (1994) beschriebene Gras-Referenzverdunstung basiert auf der Grundlage derPENMAN-MONTEITH-Beziehung. Die PENMAN-MONTEITH-Beziehung wurde von der Food andAgriculture Organization der Vereinten Nationen (FAO) im Rahmen einer Experten-Konsultation als alleinige Grundlage für die Berechnung der Gras-Referenzverdunstungausgewählt (vgl. SMITH 1992). Mit dieser von der FAO als internationaler Standardempfohlenen Methode wird ein neuer Ansatz zur Berechnung der Verdunstung vonPflanzenbeständen geschaffen (vgl. WENDLING 1995). Die oft etwas unklaren und sich nichtauf die Verdunstung von Pflanzen beziehenden Begriffe der potentiellen und der aktuellenbzw. realen Verdunstung werden durch den Begriff der Referenzverdunstung mit einereindeutigen Definition ersetzt. Die Referenzvegetation ist eine kurze dichte Grasdecke mit0,12 m Wuchshöhe und ausreichender Wasserversorgung, so dass keine Einschränkung derVerdunstung aufgrund von Wassermangel zu erwarten ist. Der Bestandeswiderstand ist mitdem geringen Wert von rc = 70 s/m festgelegt, während der ebenfalls niedrige aerodynamischeWiderstand nach der FAO-Methode ra = 208/u s/m beträgt. Die Albedo beträgt 0,23.

Durch die Festlegung dieser Randbedingungen wird eine einheitliche Methodik geschaffen,mit der die Referenzverdunstung aus den Klimaparametern eines Standortes berechnet werdenkann. Die Gras-Referenzverdunstung ist zunächst unabhängig vom Pflanzenbestand, der


Pflanzenentwicklung sowie den Bodenwasserverhältnissen eines Standortes und erlaubtdadurch einen Vergleich zwischen verschiedenen Standorten.

Bei der Referenzverdunstung handelt es sich um einen Verdunstungswert, der durch die realeEvapotranspiration von Pflanzenbeständen sowohl unter- als auch überschritten werden kann.Höhere Pflanzenbestände mit größerem Blattflächenindex wie Luzerne, Mais oder Weizenverdunsten bei ausreichender Wasserversorgung mehr, eine kurze Grasdecke unterTrockenstress dagegen weniger als der entsprechende Wert der Referenzverdunstung.

Durch Einsetzen der Randbedingungen in die PENMAN-MONTEITH-Formel (Gleichung 3-14)ergibt sich für die Gras-Referenzverdunstung für tägliche Verdunstungswerte [mm] folgendeForm:

)100

1(*273

)(***90*2**

*0

UT

Tevss

RnsET s −++

++

=γγ

γ Gleichung 3-16

Mit

γ* = γ * (1 + 0,34 * v2) Gleichung 3-17

Der Ausdruck γ* bezeichnet dabei die modifizierte Psychrometerkonstante und Rn* dasVerdunstungsäquivalent in [mm] (vgl. ATV-DVWK 2002). Rn* wird in der vorliegendenArbeit berechnet, indem für den Messwert der Strahlungsbilanz Rn über die spezielleVerdunstungswärme L das Verdunstungsäquivalent in [mm] bestimmt wird. Es gilt [J/cm²]:

TL *242,08,249 −= (Gleichung 3-18)

Die reale Evapotranspiration von Pflanzenbeständen kann auf der Grundlage der Gras-Referenzverdunstung ET0 berechnet werden, indem ET0 mit einem Faktor K multipliziert wird(s. Kap. 6). Dieser Faktor berücksichtigt sowohl die Pflanzenentwicklung als auch derenWasserversorgung. Die K-Faktoren lassen sich aus den Differenzen der berechnetenReferenzverdunstung mit gemessenen Verdunstungswerten ableiten.

In DOORENBOS u.a. (1977), WRIGHT (1982), ALLEN u.a. (1989) und in TYAGI u.a. (2000)werden für verschiedene Pflanzenbestände und Klimaverhältnisse Ergebnisse für die K-Faktoren angegeben. Eigene Ergebnisse auf der Grundlage der Lysimetermessungen sindneben einer detaillierten Beschreibung der Methodik in Kapitel 6 aufgeführt und werden dortmit den Literaturangaben verglichen.

4. Messungen der Verdunstung und der Bodenwassergehaltsänderung 30

4. Messungen der Verdunstung und der Bodenwassergehaltsänderung

In dem folgenden Kapitel werden die Ergebnisse der Verdunstungsmessungen mit derLysimeteranlage dargestellt. Sie bilden die Grundlage der Untersuchungen der anschließendenKapitel.

Zunächst wird die Gleichung für die Berechnung der Verdunstung aus denLysimetermessungen vorgestellt und die Parameter mit ihren Fehler- undKorrekturmöglichkeiten im einzelnen beschrieben. Nachfolgend werden die Datengrundlageund die Kriterien für die Auswahl der Daten erläutert.

Anschließend werden die Messergebnisse der Bestandesverdunstung der untersuchtenKulturen dargestellt. Darüber hinaus wird der Einfluss des Bodenwassergehaltes auf dieVerdunstung untersucht.

4.1 Berechnung der realen Evapotranspiration aus den Lysimetermessungen

Wie bereits beschrieben, lässt sich die reale Evapotranspiration (ETr) auf der Grundlage derLysimeterdaten durch Umformung der Gleichung 2-1 für definierte Zeitschritte ∆t berechnen:

tBWPerkNETr

∆∆−∆−= (Gleichung 4-1)

Die Evapotranspiration ist als Restglied aus den Messungen der Parameter Niederschlag (N),Perkolation/kapillarer Aufstieg (∆Perk) und Gewichtsänderung der Lysimeter (∆BW) zubestimmen. Dabei ergibt sich die Genauigkeit der Werte für die Evapotranspiration aus derGenauigkeit der Einzelmessungen. Es handelt sich bei den gemessenen Verdunstungswertenum die reale Bestandsverdunstung für den betrachteten Zeitraum, also die Transpiration derPflanzen und die Evaporation von Pflanzen- und Bodenoberflächen.

Die Perkolation bzw. der kapillare Aufstieg (∆Perk) wird mit den Perkolatwaagen gemessen(vgl. Abb. 2-3 und 2-4). Die Empfindlichkeit der Perkolatwaagen liegt bei 5 g bzw.dementsprechend 0,005 mm. Das Vorzeichen von ∆Perk wechselt, je nachdem ob Wasser ausden Lysimetern austritt (Perkolation) oder als kapillarer Aufstieg durch die Bödenaufgenommen wird.

Durch die Brückenwaagen wird das Lysimetergewicht (∆BW) gemessen. Es werden, wie beiden Perkolatwaagen, nur die Gewichtsänderungen betrachtet. Gewichtsänderungen bedeutenÄnderungen des Bodenwassergehaltes der Bodenmonolithe infolge von Niederschlag,


Perkolation oder kap. Aufstieg.

Als dritte Eingangsgröße wird der Niederschlag gemessen. Die Messungen erfolgen miteinem Niederschlagsmesser nach Hellmann. Der Aufstellort ist hier im Pflanzenbestand, dieAufstellhöhe ist mit der Bodenoberfläche abschließend.

Fehlerbetrachtungen

Die Perkolation ist die mit der Lysimeteranlage am zuverlässigsten zu bestimmende Größe, dadie Perkolatwaagen in einem Kellerraum stehen und dort kaum Umwelteinflüssen ausgesetztsind, die die Messungen stören könnten. Es treten demzufolge kaum Fehlmessungen auf, dieGenauigkeit der Messwerte entspricht damit ungefähr den erwähnten 0,005 mm.

Die Registrierung des Lysimetergewichts gestaltet sich allerdings problematisch. Da dieLysimeter an ihrer Oberfläche Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, kommt es zu mehr oderweniger starken Schwankungen des Lysimetergewichts, die insbesondere durch Windverursacht werden. Vereinzelt kann das Gewicht der Lysimeter auch durch Verwehungen vonLaub und Schnee sowie auch durch größere Tiere (hier häufig Krähen) verändert werden.Einzelne „Ausreißer“ können leicht korrigiert werden, solange sie als solche zu erkennen sind.Dem über den größten Teil der Zeit auftretenden Fehler infolge des Winddrucks kann dagegennur schwer begegnet werden. Rechnerisch kann der in Intensität und Richtung häufigwechselnde Einfluss des Windes nicht berücksichtigt werden. Eine Dämpfung der Waagenkommt nicht in Betracht, da die Empfindlichkeit der Waagen gegenüber Gewichtsänderungenerhalten bleiben muss um auch kleine Änderungen über kurze Zeiträume registrieren zukönnen. Bei den vorliegenden Messungen wurde versucht, den Fehler durch erhöhteRegistrierungsrate mit anschließender Mittelwertbildung auszugleichen, indem alle 20 bzw.30 Sekunden ein Messwert erhoben und aus diesen Werten dann ein 15-Minuten-Wert erzeugtwurde. Eine Mittelwertbildung mit höherer Taktrate war aufgrund der Ausstattung derDatenlogger nicht möglich. Generell gilt, je mehr Werte in die Mittelwertbildung einbezogenwerden, desto besser können die durch den Wind verursachten Schwankungen ausgeglichenwerden. Es stellte sich heraus, dass diese Mittelwertbildung zwar zu einer Verbesserungführte, jedoch nicht ausreichte, den Windeinfluss vollkommen auszugleichen.Viertelstundenwerte und auch Stundenwerte sind aus diesem Grund nicht ohne weiteres zuverwenden. Auf Tagesbasis ist die Datengrundlage allerdings von ausreichender Genauigkeit.

Die Mittelwertbildung birgt allerdings die Gefahr, dass einzelne Fehlwerte in derMittelwertbildung untergehen, den Endwert jedoch trotzdem geringfügig verändern. Bei deranschließenden Datenkorrektur sind diese Fehler häufig nur sehr schwer zu erkennen.

Ein weiteres großes Problem bei der Berechnung der Verdunstung auf der Grundlage derLysimetermessungen besteht in der Niederschlagsmessung. Der für die Berechnungen


verwendete Niederschlagswert, der ja aus den Gewichtsänderungen der Lysimeterherausgerechnet werden muss, beruht dabei auf Messungen mit dem Hellmann-Niederschlagsmesser. Die Fehler bei der Niederschlagsmessung sind in RICHTER (1995)eingehend beschrieben. Wird ein Niederschlagswert verwendet, der geringer ist als dertatsächliche Niederschlag, äußert sich dies nach Gleichung 4-1 in einem zu niedrigenVerdunstungswert, sogar negative Verdunstungswerte sind möglich. Besonders bei derBetrachtung kürzerer Zeitphasen ergeben sich durch den Fehler derNiederschlagsregistrierung, der anteilig an der geringen Verdunstung während einerNiederschlagsphase sehr hoch werden kann, starke Fehleinschätzungen der Verdunstung. DieGenauigkeit der Niederschlagsmessung hat also direkten Einfluss auf die Genauigkeit derVerdunstungsmessung.

In den Wintermonaten fallen die oben beschriebenen Einflüsse besonders ins Gewicht, weildie Verdunstung sehr gering ist, die Fehlerquellen sich aber nicht ändern und so einen höherenprozentualen Anteil an der Bestandesverdunstung erreichen. Die sehr problematischeNiederschlagsmessung bei Schnee führt zu dementsprechend größeren Fehlwerten, zumal derSchneeeintrag auf die Lysimeter durch Verwehungen ständig verändert werden kann.

Änderungen des Lysimetergewichts treten auch durch die Ernte oder Mahd der Pflanzen auf.Bei der Datenkorrektur der Lysimeterdaten wurde dieser Gewichtsverlust auf diezurückliegende Wachstumsphase verteilt und so die Gewichtszunahme der Lysimeter durchden Pflanzenwuchs ausgeglichen.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Winddruck und die Niederschlagsmessungdie Hauptfehlerquellen bei der Berechnung der Verdunstung darstellen. Dem Windfehler kanndabei mit einer hohen Mittelwertbildung begegnet werden, die Fehler durch dieNiederschlagsmessung können durch Korrekturverfahren wie RICHTER (1995) oder das inKap. 2.2.2 beschriebene Verfahren verringert werden. Eine komplette Vermeidung dieserFehler ist allerdings nicht möglich. Durch die Generierung von Tageswerten verringern sichdie Windfehler aufgrund der Mittelwertbildung, während die prozentualenNiederschlagsfehler bei dem gleichen Wert verbleiben.

4.2 Datengrundlage und Datenauswahl

Im folgenden werden die Auswahlkriterien der Datengrundlage für die Berechnungen in denanschließenden Kapitel beschrieben. Die Bestimmung der Bestandesverdunstung, derVerdunstungswiderstände (Kap. 5) und die Berechnung der Kc-Werte für die Gras-Referenzverdunstung (Kap. 6) erfolgte auf der Grundlage von Tageswerten. Die


Betrachtungen zur klimatischen Wasserbilanz (Kap. 7) basieren auf Monats- undJahreswerten, die Zeitschritte für die Sickerwasseranalysen (Kap. 8) sind Stunden. DieDatengrundlage für alle Messwerte stellen die 15-min-Werte dar.

Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Fehlerquellen wurden die Datensätze undZeitphasen nach folgenden Kriterien ausgewählt:

Da die Verdunstung von Pflanzenbeständen den Untersuchungsgegenstand der vorliegendenArbeit darstellt, wird nur die Vegetationsperiode betrachtet. Für die mehrjährigen KulturenGras und Luzerne wird der Zeitraum zwischen dem 1.4. und 31.10. als Datengrundlageausgewählt. Bei den Pflanzenbeständen mit kürzerer Vegetationsperiode fällt dieDatengrundlage entsprechend kürzer aus. Die Unsicherheiten der Messungen in denWintermonaten kommen so nicht zum tragen.

Aufgrund des großen Fehlers bei der Berechnung der Verdunstung infolge von fehlerhaftenNiederschlagsmessungen werden Tage mit Niederschlagsereignissen nicht in dieBetrachtungen einbezogen. Eine ähnliche Vorgehensweise ist in Menzel (1997) zu finden, woebenfalls nur niederschlagsfreie Tage betrachtet werden. Für die Bearbeitung der Zielsetzungder Arbeit ist es nicht erforderlich dass die Tageswerte der Datengrundlageaufeinanderfolgend sind.

Einzelne Datensätze mit Fehlern durch äußere physikalische Einflüsse oder elektronischeFehlwerte werden, soweit sie nicht korrigiert werden konnten, ebenfalls außer acht gelassen.

Als Datengrundlage für die Untersuchungen auf Tageswertbasis ergeben sich nach diesenKriterien für die einzelnen Varianten die folgende Anzahl von Datensätzen:

Tabelle 4-1: Anzahl der Datensätze der jeweiligen Vegetationsperioden

Vegetationsphase Anbaufrucht Anzahl der Datensätze5/94 – 9/94 Körnermais 754/95 – 8/95 Sommerweizen 64Ab 5/96 – 10/96 Gras 694/97 – 10/97 Gras 1394/98 – 10/98 Gras 1074/00 – 10/00 Luzerne 138

Zur Überprüfung der Berechnungsergebnisse ist es sinnvoll, die einzelnen Lysimetervariantenmiteinander zu vergleichen. Eine Absicherung der Ergebnisse konnte durch die Vergleiche derjeweiligen Lysimeter mit gleicher Ausstattung untereinander durchgeführt werden. Es zeigtesich, dass eine gute Übereinstimmung zwischen diesen Wiederholungen festzustellen war,während Unterschiede zu anderen Varianten auftraten.

Da die Handhabung der Daten aller 12 Lysimetervarianten sehr umständlich undunübersichtlich ist, bietet es sich an, Zusammenfassungen der Wiederholungen vorzunehmen.


Aufgrund der guten Übereinstimmungen zwischen den Wiederholungen ist derInformationsverlust durch die Zusammenfassung sehr gering, die Handhabung aber deutlicherleichtert.

Durch entsprechende Mittelwertbildungen der Wiederholungen ergeben sich die folgenden 5Varianten als Datengrundlage für die weiteren Untersuchungen (vgl. Tabelle 2-3):

Sand, grundwasserfern (2 Lys.)

Sand, grundwassernah (2 Lys.)

Lehm, grundwasserfern (4 Lys.)

Schluff, grundwasserfern (2 Lys.)

Schluff, grundwassernah (2 Lys.)

In verschiedenen Abbildungen wird ein Zeitformat verwendet, das durch dieDatumsverarbeitung der Datengrundlage erzeugt wird. Es wird mit je zwei Ziffern das Jahr,der Monat und der Tag bezeichnet. Für den 16.1.95 ergibt sich z.B. so die Ziffernfolge950116.

4.3 Verdunstungsmessungen

4.3.1 Klimacharakteristik

In der Tabelle 4-2 soll ein kurzer Überblick über das Klima während desUntersuchungszeitraumes gegeben werden.

In der ersten Zeile sind die Werte des langjährigen Mittels 1961-1990 angegeben, um eineEinordnung der Einzeljahre zu ermöglichen. Die jährliche klimatische Wasserbilanz ist mitder Verdunstung nach Haude und der Standardniederschlagsmessung nach Hellmannberechnet. Die Klimadaten basieren auf Angaben des Fachgebietes für Agrarmeteorologie derHumboldt-Universität (s. Homepage „AGROMET“), deren Messanlagen sich in unmittelbarerNähe der Lysimeteranlage befinden.


Tabelle 4-2: Klimacharakteristik des Untersuchungszeitraumes

Jahr Jahres-mittel-temp.

Nieder-schlags-summe

Trockene / feuchtePhasen

Bewertung

1961-1990 9,3 545 KlimatischeWasserbilanz (KWB): -111 mm

Langjähriges Mittel

1994 10,1 753 Jan., März, Apr., Mai.,Aug., Sept. sehr feuchtFeb. sehr trocken(KWB: -41 mm)

Durchgehend guteWasserversorgungwährend derVegetationszeit, sehrfeucht, mit 0,8 °C überdem Mittel zu warm

1995 9,3 567 Jan., Feb., Juni, Sept.etwas feuchter, Juli,Aug., Okt. etwastrockener(KWB: -155 mm)

DurchgehendausreichendeWasserversorgungwährend derVegetationszeit,

1996 8,1 533 Jan. bis Apr. sehrtrocken, Mai, Juli, Aug.sehr feuchtTrockene Phasen: Apr.,Ende Juni, Anfang Sept.(KWB: -29 mm)

Ausgleich des N-Defizits im Sommer,meist guteWasserversorgungwährend derVegetationszeit, mit 1,2°C unter dem Mittel zukalt

1997 9,9 480 Aug. und Sept. sehrtrocken, Juli sehr feucht(KWB: -264 mm)

Durch hohe N im Julimeist ausreichendeWasserversorgung,Trockenheit Ende Aug.- Sept., mit 0,6 °C überdem Mittel zu warm

1998 10,1 577 Mai etwas trocken, Okt.sehr feucht(KWB: -70 mm)

Durchgehend guteWasserversorgungwährend derVegetationszeit, mit 0,8°C über dem Mittel zuwarm

2000 10,9 558 Apr.- Juni und Okt.,Nov. trocken, Apr.- Juniextreme Trockenheitdurch sehr hoheVerdunstung(KWB: -172 mm)

SchlechteWasserversorgungdurch extremeTrockenheit infolge sehrhohemVerdunstungsanspruchder Atmosphäre, mit 1,6°C über dem Mittel sehrwarm


Es zeigt sich, dass es sich bei dem Jahr 1994 mit 138 % des durchschnittlichenJahresniederschlages um ein sehr feuchtes Jahr gehandelt hat mit einem dementsprechendgeringen Wasserbilanzdefizit von –41 mm. Das Jahr 1997 war ein trockenes Jahr mit 88 %des langjährigen Mittels, was sich in einem Wasserbilanzdefizit von –264 äußert. Dasgeringste Wasserbilanzdefizit ist allerdings 1996 zu finden, was auf die niedrigeJahresmitteltemperatur und der dadurch geringen Verdunstung zurückzuführen ist.

4.3.2 Bodenwassergehalt

Aus der Änderung des Lysimetergewichts über die Zeit kann die Änderung derBodenwassermenge über die gesamte Bodentiefe abgeleitet werden. In dieserBodenwasserbilanz sind die Ein- und Austräge durch Niederschlag, Verdunstung, Perkolationund kapillaren Aufstieg enthalten.

Für die Berechnungen des Verlaufs des Bodenwassergehaltes im Lysimeter über ein Jahr wirdangenommen, dass der Wassergehalt des Bodens im Winter bis ins Frühjahr hinein derFeldkapazität entspricht. Feldkapazität kann insbesondere dann angenommen werden, wenndie Perkolation infolge auch kleinerer Niederschlagsereignisse zunimmt, um dann auf einenAnfangswert nahe Null zurückzugehen. Die Perkolatmenge entspricht dann derNiederschlagsmenge, der Bodenspeicher ist gefüllt.

Wenn das Wachstum der Vegetation beginnt und die Verdunstung ansteigt verringert sich derBodenwassergehalt infolge des Wasserverbrauchs. Der permanente Welkepunkt (PWP) gibtdabei die untere und die Feldkapazität (FK) die obere Grenze des von Pflanzen nutzbarenWassergehaltes, also der nutzbaren Feldkapazität (nFK), an. Die pflanzenverfügbareWassermenge lässt sich durch den Wassergehalt zwischen dem permanenten Welkepunkt undder Feldkapazität definieren (vgl. EHLERS 1996, S. 116 ff, SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 1992,S.197).

Anhand der in Tabelle 2-2 dokumentierten Werte für die nutzbare Feldkapazität der einzelnenBodenvarianten kann die potentielle pflanzenverfügbare Wassermenge für jeweils dreiBodenhorizonte der Lysimeter abgeleitet werden. Durch die Multiplikation der nutzbarenFeldkapazität [Vol. %] mit der Horizontmächtigkeit [dm] ergibt sich der Wassergehalt in Liter[l] oder bei einem m² Oberfläche in [mm]. Durch Addition der Wassergehalte der einzelnenHorizonte lässt sich die für Pflanzen nutzbare Wassermenge über die gesamte Lysimetertiefeberechnen. Der so errechnete Wert kann dabei nicht die Durchwurzelungstiefe oder -intensitäteinzelner Kulturarten berücksichtigen. Diese Einflüsse werden erst im Rahmen der Ergebnissefür die einzelnen Varianten diskutiert. In Tabelle 4-3 sind die Ergebnisse der Berechnungenfür die pflanzenverfügbare Wassermenge festgehalten.


Tabel1e 4-3: Pflanzenverfügbare Bodenwassermenge der Lysimetervarianten

SandHorizont Tiefe NFk Wasser

gehaltGesamt-

wassergehalt(cm) Vol. % (l)

Ap 0-40 18,0 72,0Bsh 1 40-60 14,5 29,0Bsh 2 60-150 21,0 189,0

290,0

SchluffHorizont Tiefe NFk Wasser

gehaltGesamt-


Ap 0-20 13,0 26,0Bv 1 20-60 15,5 62,0Bv 2 60-150 17,0 153,0

241,0

LehmHorizont Tiefe nFk Wasser

gehaltGesamt-


Ap/Al 0-40 12,6 50,4Bt 40-90 8,0 40Cc 90-150 16,9 101,4

191,8

Aus der Gewichtsänderung der Lysimeter lässt sich jetzt die Wassergehaltsänderung inProzent der nutzbaren Feldkapazität [% nFK] ausdrücken. Auf diese Weise ist es möglich, dieÄnderung des Bodenwassergehalts als Zeitreihe zu erfassen.

Eine Abnahme des Bodenwassergehaltes erfolgt dann, wenn der Wasserentzug durchVerdunstung größer ist als die Nachlieferung durch kapillaren Aufstieg aus dem Grundwasser.

Die Raten für den kapillaren Aufstieg sind von der Bodenart und der Aufstiegshöhe abhängig.Überschneiden sich der effektive Wurzelraum und die kapillare Aufstiegshöhe wird Wasserdurch das Wurzelsystem aufgenommen.

In WESSOLEK (1989) und SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL (1992) sind Angaben über die Tiefedes effektiven Wurzelraumes (We) für verschiedene Bodenarten zu finden. Für dieLysimeterböden ergeben sich Tiefen von 70 – 90 cm für den Sandboden, 1,1 m für denSchluffboden und 70 – 100 cm für den Lehm. Die z.T. breiten Spannen sind dadurch zuerklären, dass sich Uneindeutigkeiten bei der Einstufung der Bodenarten in den verschiedenenBezeichnungen der Autoren ergeben.

Darüber hinaus lassen sich in SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL (1992) Angaben über die kapillare


Aufstiegsrate für verschiedene Aufstiegshöhen nach Bodenarten finden. Demnach sind für dieVarianten mit hohem Grundwasserstand und für den Schluff, GW-fern Aufstiegsraten ausdem Grundwasser in den jeweiligen effektiven Wurzelraum von mindestens 5 mm/Tag zuerwarten. Für den Sand, GW-fern, ergibt sich 2 mm/Tag und für den Lehmboden 1,5 mm/Tag.Bei Abnahme des Bodenwassergehaltes überschreiten die Werte der Verdunstung denkapillaren Aufstieg. Es ist allerdings zu bedenken, dass die Wurzelsysteme der Pflanzen dengrößten Teil des Wassers den oberen Horizonten entnehmen (EHLERS 1996) und dort dieAufstiegsraten aufgrund der größeren Aufstiegshöhe geringer sind (vgl.SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 1992, S. 200). Es ist von daher zu vermuten, dass eineAustrocknung des Bodens zuerst in den oberen Bodenbereichen stattfindet, sofern keineNiederschläge zu verzeichnen sind.

Aufgrund der technischen Ausstattung der Lysimeteranlage sind keine Aussagen darübermöglich, in welchem Bodenhorizont Änderungen des Bodenwassergehaltes stattfinden. Ausdiesem Grund ist ein unmittelbarer Vergleich der Gewichtsänderungen der Lysimeter mitÄnderungen der pflanzenverfügbaren Wassermenge des effektiven Wurzelraumes nichtmöglich.

In den Abbildungen 4-2 bis 4-8 sind die Wassergehaltsänderungen für die Untersuchungsjahregrafisch dargestellt.

4.3.3 Messwerte der Evapotranspiration und der Bodenwassergehaltsänderung

Im Folgenden werden die Ergebnisse der Verdunstungsmessungen auf der Basis der bereitsbeschriebenen Grundlagen aufgeführt. Es werden zunächst die Ergebnisse für die einzelnenuntersuchten Kulturen dargestellt. Die Messwerte der Evapotranspiration basieren auf den in4.2 beschriebenen Zusammenfassungen der Wiederholungen nach Bodenvarianten. Um alleBodenvarianten miteinander vergleichen zu können ohne auf unterschiedlicheGrundwasserstände eingehen zu müssen, werden zunächst nur die drei Lysimetervarianten miteinem Grundwasserstand von 2,10 m (für die Variante Lehm gibt es nur diesen einenGrundwasserstand) in die Betrachtungen einbezogen. In einem gesonderten Teil wird dann aufdie Variation des Grundwasserstandes innerhalb einer Bodenvariante eingegangen.Abschließend wird eine Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse durchgeführt.


Mais 1994

Die reale Evapotranspiration des Maisbestandes im Beobachtungszeitraum 1994 ist inAbbildung 4-1 dargestellt. Es handelt sich dabei um Tageswerte, die Einheit ist mm/Tag.

Die Verdunstung des Mais-Bestandes nimmt, ausgehend von einem relativ geringen Wert,Anfang Mai bei beginnender Vegetationsentwicklung, bis zu einem Maximum von 8 mm/Taggegen Ende Juli zu. Anschließend fallen die Verdunstungswerte wieder ab. DieBestandesverdunstung erreicht auf den Bodenvarianten unterschiedliche Größen mit einemMaximalwert auf dem Schluffboden am 24.7.94 von 8 mm. Auf dem Lehmboden wird zumgleichen Zeitpunkt ein Wert von 6,4 mm und auf dem Sandboden von 5,5 mm erreicht.Während in der vorhergehenden Phase der Lehmboden durchaus gleichwertigeVerdunstungswerte aufweist, zeigt im weiteren Verlauf der Schluffboden in der Regel diehöchsten Verdunstungswerte. Durchgehend fällt die Verdunstung auf dem Sandbodengeringer aus.

Insbesondere in Phasen mit hohem Verdunstungsanspruch der Atmosphäre, wenigNiederschlag und der sich daraus ergebenden Abnahme des Bodenwassergehaltes, wie z.B.Ende Juli 1994 in Abbildung 4-2, machen sich Unterschiede zwischen den Bodenvarianten inder Verdunstung bemerkbar. Bei welchen Wassergehalten des Bodens die Pflanzenbeständedie Verdunstung durch Schließung der Stomata einschränken wird im anschließenden Kapiteleingehend beschrieben.

Abbildung 4-1: Gemessene Evapotranspiration von Körnermais

06.05

.94

13.05

.94

20.05

.94

27.05

.94

03.06

.94

10.06

.94

17.06

.94

24.06

.94

01.07

.94

08.07

.94

15.07

.94

22.07

.94

29.07

.94

05.08

.94

12.08

.94

19.08

.94

26.08

.94

ETr SandETr Lehm

ETr Schluff

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

[mm

/d]

Datum


Zusammenfassend verdeutlichen die folgenden Zahlen, wie sich diese Unterschiede auf dieSumme der Verdunstung über die gesamte Vegetationsperiode auswirken: Der Maisbestandverdunstet auf dem Sandboden 184 mm, auf dem Lehmboden 229 mm und auf dem Schluff259 mm. Wie in Abbildung 4-2 deutlich wird, wirken sich diese erheblichen Unterschiede derEvapotranspiration entsprechend auf den Verlauf der Wassergehalte aus, der Wassergehaltnimmt durch höhere Verdunstung deutlicher ab. Zu vermuten ist für den Sandboden, dassaufgrund der geringeren ungesättigten Wasserleitfähigkeit in Verbindung mit einem kleinereneffektiven Wurzelraum (vgl. SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 1992) der Wasservorrat des Bodensdurch das Wurzelsystem der Maispflanzen weniger gut ausgenutzt werden kann als bei denanderen Varianten. Die geringere Verdunstung des Mais auf dem Sandboden bei sehr hohenVerdunstungswiderständen (vgl. Tab. 5.2) und die geringere prozentuale Abnahme desWassergehaltes zeigen dies deutlich.


Abbildung 4-2: Bodenwassergehalte (BW) 1994 [% nFK]

Bewuchs: Körnermais


Sommerweizen 1995

Die gemessene Evapotranspiration des Sommerweizenbestandes im Jahr 1995 ist inAbbildung 4-3 dargestellt.

Die Verdunstung des Sommerweizenbestandes nimmt, ausgehend von einem geringen Wertum 1 mm bei beginnender Vegetationsentwicklung, bis zum Juli 1995 stark zu. DasMaximum wird mit über 9 mm Tagesverdunstung am 27.6.95 erreicht, wobei ein zweitesMaximum ähnlicher Höhe am 9.7.95 auftritt. Der starke Abfall der Verdunstung nach dem20.7. ist auf das Einsetzen der generativen Phase des Weizens zurückzuführen und insofernein pflanzenspezifischer Effekt.

Es zeigen sich beim Sommerweizen deutliche Unterschiede in der Verdunstungshöhezwischen dem Schluffboden und den beiden anderen Bodenvarianten. Während der Sand- undder Lehmboden nah beieinander liegen, ist die Verdunstung auf dem Schluffboden deutlichhöher. Dies wird auch durch die Summe der Verdunstung über den gesamtenUntersuchungszeitraum bestätigt. Die Verdunstung auf dem Sandboden liegt bei 179 mm, aufdem Lehmboden bei 173 mm und auf dem Schluffboden bei 256 mm.

Eine ganz ähnliche Entwicklung ist für den Bodenwassergehalt in Abbildung 4-4 zu erkennen.Die Ausschöpfung der Feldkapazität ist bei Sand- und Lehmboden zumindest während derTrockenphase Juli/Aug. mit bis zu 50 % nFK nahezu identisch, während der Schluffbodendurch die hohe Verdunstung eine Ausschöpfung von annähernd 70 % nFK erfährt.

Abbildung 4-3: Gemessene Evapotranspiration von Sommerweizen

03.04

.95

10.04

.95

17.04

.95

24.04

.95

01.05

.95

08.05

.95

15.05

.95

22.05

.95

29.05

.95

05.06

.95

12.06

.95

19.06

.95

26.06

.95

03.07

.95

10.07

.95

17.07

.95

24.07

.95

31.07

.95

ETr SandETr Lehm

ETr Schluff

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

[mm

/d]

Datum



Bewuchs: Sommerweizen


Es ist davon auszugehen, dass der Weizen auf dem schluffigen Boden eine bessereDurchwurzelung bzw. einen größeren effektiven Wurzelraum aufweist und dadurch einebessere Ausnutzung des Bodenwasserspeichers, nicht zuletzt durch die bessere ungesättigteWasserleitfähigkeit des Bodens (vgl. SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 1992), erreichen konnte.

Zu beachten ist die schnelle Auffüllung des Wasserdefizits bei dem Lehmboden infolge derNiederschläge am 22.9.95. Durch das geringe Volumen der nutzbaren Feldkapazität wird dasBodenwasserdefizit schneller wieder aufgefüllt als bei den anderen Varianten.

Grasdecke1996-1998In Abbildung 4-5 ist die Verdunstung der kurzen Grasdecke für die Vegetationsperioden derJahre 1996 bis 1998 dargestellt. Um den Verlauf der Verdunstung besser sichtbar zu machenwurde die Skalierung hier mit einem Höchstwert von 6 mm/d gewählt. Die Extremwertebewegen sich zwischen 0,2 und 4,2 mm/d, der Maximalwert ist damit wesentlich niedriger alsder der anderen Kulturen. Die Datenlücken beim Sand- und beim Schluffboden (nichtsichtbar) vom 5.7. – 24.7.97 sind auf elektronische Ausfälle bei der Datenregistrierungzurückzuführen.

Die bodenspezifischen Unterschiede der Bestandesverdunstung sind bei Grasbewuchs etwasgeringer als bei den anderen Kulturen. Aus der Abbildung 4-5 lässt sich dies nur schwererkennen, wird aber durch die Verdunstungssummen bestätigt. Die Verdunstung auf Sandbeläuft sich über den gesamten Zeitraum auf 585 mm, die auf dem Lehmboden auf 608 mmund auf dem Schluffboden auf 652 mm (zwei Vegetationsperioden).


Durch die geringere Verdunstung wird das Bodenwasser weniger stark ausgeschöpft als beiden anderen Kulturen. Die Ausschöpfung des Bodenwassergehaltes in Abbildung 4-6 bewegtsich mit Spitzenwerten um 40 % nFK auf einem deutlich niedrigeren Niveau. Darüber hinaussind kaum bodenspezifische Unterschiede in der Ausschöpfung des Wassergehaltes zwischenden einzelnen Varianten festzustellen. Da während der Trockenphasen durchaus Trockenstressbei der Grasvegetation zu bemerken war (vgl. Tab. 5-2), ist davon auszugehen, dass sich dieAustrocknung des Bodens nur im Bereich des effektiven Wurzelraumes, also in den oberenDezimetern, vollzog. Aufgrund der relativ hoch liegenden Untergrenze des effektivenWurzelraumes ist für diese große kapillare Aufstiegshöhe nach SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL

(1992) mit einer kapillaren Aufstiegsrate von maximal 1,5 mm/Tag zu rechnen. Über dengesamten effektiven Wurzelraum gemittelt wird diese Rate deutlich geringer sein, so dass eszu der gemessenen Austrocknung der oberen Horizonte kommen konnte.

Abbildung 4-5:Gemessene Evapotranspiration einer Grasdecke

9607

03

9607

23

9608

18

9609

03

9610

03

9610

24

9704

17

9705

04

9705

30

9706

17

9707

09

9707

28

9708

15

9709

03

9709

24

9710

16

9710

31

9804

30

9805

16

9806

06

9807

06

9808

01

9808

20

9809

22

9810

15

ETr SandETr Lehm

ETr Schluff

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

Datum

[mm

/d]


Abbildung 4-6: Bodenwassergehalte (BW) 1996 - 1998 [% nFK]

Bewuchs: Kurze Grasdecke


Luzerne 2000

Die Evapotranspiration der Vegetationsperiode des Jahres 2000 ist in Abbildung 4-7dargestellt.

Die Skalierung geht aufgrund der starken Verdunstung der Luzerne bis 14 mm/d. Wie bereitsbeschrieben wurde, konnten die Messwerte für den Sandboden nicht verwendet werden, dasich die Vegetation dort nicht ausreichend entwickelte. Zu Beginn und auch zum Ende derVegetationsperiode werden relativ geringe Verdunstungswerte von ein bis zwei mmgemessen. Der Maximalwert wird mit über 12 mm am 21. Juni erreicht. Generell sind vordem Schnitt durch die hohe Vegetation mit ihrer großen Blattfläche jeweils hoheVerdunstungswerte zu verzeichnen, die dann nach dem Schnitt der Luzerne auf einen geringenWert zurückfallen.

Die Verdunstung der Luzerne auf dem Schluffboden ist in der Regel höher als auf dem Lehm.Aufgrund von Datenausfällen beim Schluffboden vom 12.8. bis 19.9., vom 28.9. bis 5.10. undab dem 17.10., in Abbildung 4-7 ist deshalb der Verlauf für den Schluffboden nichterkennbar, können diese Zeitabschnitte nicht berücksichtigt werden. Für die anderenZeitabschnitte zeigt sich, dass die Evapotranspiration des Luzernebestandes auf demSchluffboden im Laufe der Vegetationsentwicklung stärker zunimmt und höhere Werteerreicht als auf dem Lehmboden.

Die Verdunstungssummen über den gesamten Zeitraum belaufen sich auf 414 mm auf demLehm und 524 mm auf dem Schluffboden. Die Werte liegen damit absolut gesehen deutlich

Abbildung 4-7: Gemessene Evapotranspiration von Luzerne

01.04

.00

09.04

.00

21.04

.00

28.04

.00

06.05

.00

15.05

.00

31.05

.00

09.06

.00

18.06

.00

07.07

.00

17.07

.00

30.07

.00

09.08

.00

24.08

.00

10.09

.00

18.09

.00

26.09

.00

04.10

.00

17.10

.00

25.10

.00

ETr LehmETr Schluff

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

[mm

/d]

Datum

Schnitt

Schniit

Schnit


über denen der anderen Kulturen.

Anhand der Abbildung 4-8 ist erkennbar, dass für den Zeitraum vom 20.4. bis 20.8. durch diestarke Verdunstung der Bodenwasservorrat sehr stark ausgeschöpft wurde. Insbesondere istdies für den Lehmboden mit bis zu ca. 90 % nFK festzustellen. Der Schluffboden erreichtWerte von immerhin fast 70 % nFK. Es ist bei allen Varianten sicherlich von einer guten undtiefen Durchwurzelung auszugehen. Für den Lehmboden lässt sich die starke Ausnutzung desBodenwasserspeichers durch die geringere Bodenwassermenge und die kleinere kapillareAufstiegsrate dieses Bodens erklären (vgl. SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 1992, S. 200).

Die Auffüllung des Bodenspeichers durch Niederschläge und kapillaren Aufstieg geht beimSchluff etwas schneller als bei den anderen Varianten, hier wirkt sich die höhere kapillareAufstiegsrate aus.



Bewuchs: Luzerne


Interpretation der ErgebnisseUm die Evapotranspiration der Vegetationsbestände differenziert nach Bodenvariantenmiteinander vergleichen zu können, wurden für einen ersten ÜberblickTagesdurchschnittswerte auf der Grundlage der Lysimetervarianten mit tiefemGrundwasserstand gebildet. Auf diese Weise ist ein direkter Vergleich der Varianten möglich,allerdings ohne den zeitlichen Verlauf der Verdunstung berücksichtigen zu können. In derTabelle 4-4 sind die Mittelwerte der Tagesverdunstung aufgeführt.

Tabelle 4-4: Durchschnittliche Tagesverdunstung der Varianten

Mais Weizen Gras LuzerneSand 2,5 2,8 1,9 -Lehm 3,1 2,6 1,9 3,7Schluff 3,5 4,0 2,1 5,2

Die maximalen Verdunstungswerte für den Schluff- und den Lehmboden werden dabei vonder Luzerne mit 5,2 bzw. 3,7 mm/d erreicht. Die Ergebnisse von Luzerne auf Sandboden sindhier nicht aufgeführt, da die Luzerne auf diesem Boden nicht ausreichend entwickelt war. Diegeringsten Werte weist die Grasdecke mit 1,9 bzw. 2,1 mm/d auf. Für alle Kulturen ist aufdem Schluffboden die höchste Verdunstung festzustellen während Weizen auf Lehmbodenund Mais auf dem Sandboden die geringsten Werte aufweisen. Bei der kurzen Grasdecke sinddie Werte gleich.

Beim Vergleich der einzelnen Verdunstungsverläufe über die gesamte Vegetationsperiode,fällt auf, dass sich die Unterschiede zwischen den Bodenvarianten häufig erst im späteren Teilder Vegetationsperiode, also bei voll entwickeltem Pflanzenbestand, deutlich ausprägen. Beider Luzerne tritt dies im späteren Teil zwischen zwei Schnitterminen auf.

Es liegt nahe, die Ursache in der unterschiedlichen Wasserversorgung während derverdunstungsintensiven Phasen zu suchen. Der Verlauf des Bodenwassergehaltes, gleichzeitigFolge und Ursache für den Verdunstungsverlauf, muss dabei in die Betrachtungen einbezogenwerden. So treten bodenspezifische Unterschiede besonders deutlich in Phasen mit geringemBodenwassergehalt auf. Durch hohe Verdunstungsraten wird der Bodenspeicher stärkerausgeschöpft. Der so entstehende Wassermangel bewirkt bei den Pflanzen eine Einschränkungder Verdunstungsleistung, sofern eine gewisse Grenze überschritten wird.

Besonders deutlich wird der Zusammenhang bei der Betrachtung der Bodenwassergehalteunter Weizenbestand. Die hohe Verdunstung auf den Schluffböden verursacht ein stärkeresAbsinken der Wassergehalte als bei den anderen Böden. Beim Mais, bei dem die Unterschiedein der Verdunstung weniger ausgeprägt sind, liegt auch die Entwicklung der Wassergehalte


näher beieinander. Offenbar ist der kapillare Aufstieg in die effektive Wurzelzone zu diesemZeitpunkt nicht so groß, dass ein ausreichender Ausgleich des Bodenwasserdefizits stattfindet,die Wassergehalte nehmen stark ab. Für Gras sind die Aussagen nicht deutlich zu treffen, dader effektive Wurzelraum sich auf die oberen Dezimeter beschränkt und die Entwicklung derWassergehalte nur bedingt Aussagen über die Wasserversorgung der Grasdecke zulässt.Durch die geringere Verdunstungsleistung des Grases werden die Bodenwassergehalte nichtderart stark reduziert wie bei den anderen Kulturen, der Verlauf der Varianten liegt sehr nahbeieinander.

Trotz der höheren Verdunstung der Luzerne auf dem Schluffboden nimmt der Wassergehaltdes Lehmbodens stärker ab und erreicht äußerst niedrige Werte. Die kapillare Aufstiegsrateaus dem Grundwasser heraus ist beim Schluffboden höher und gleicht die hohe Verdunstungteilweise aus.

Es ist festzuhalten, dass dem in SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL (1992) (s. S. 196) beschriebenenZusammenhang zwischen nFK und Evapotranspiration, nach dem die Pflanzenverdunstungbei höherer Feldkapazität größer ist, eine Differenzierung der Ausschöpfung desBodenwasserspeichers hinzugefügt werden kann. Bei den vorliegenden Untersuchungen ergabsich ebenfalls die höchste Verdunstungsleistung immer auf dem Schluffboden mit derhöchsten Feldkapazität. Der Grad der Ausschöpfung des Bodenwasserspeichers ist allerdingsje nach Pflanzenkultur in Folge der unterschiedlichen Durchwurzelungsintensitäten und –tiefen und der dadurch unterschiedlich Größe des effektiven Wurzelraums zu differenzieren.

Nicht auszuschließen ist, dass die tiefwurzelnde Luzerne mit den Wurzeln in den Bereich derSaugkerzen vorgedrungen ist. Dort kann mit ausreichender Saugspannung unabhängig vonBodenparametern die Wasserversorgung aufrechterhalten werden. Für diesen Effekt sprichtdie hohe Verdunstungsleistung der Luzerne auf dem Lehmboden, obwohl die nutzbareFeldkapazität sehr stark ausgeschöpft wurde. Nach GEISLER (1988) sindDurchwurzelungstiefen von 1,45 m bei der Luzerne möglich, die damit in den unmittelbarenBereich der Saugkerzen vorgedrungen wäre. Ähnliche Vermutungen lassen sich auch für dieanderen Kulturen, ausgenommen Gras, anstellen. Da durch die Lysimeter nur maximal 2,1 mGrundwasserflurabstand simuliert werden können und der reale Bodenkörper nur 1,5 mmächtig ist, ist davon auszugehen, dass tiefwurzelnde Pflanzen den Kapillarsaum bzw. denBereich hoher kapillarer Aufstiegsraten im Bereich der Saugkerzen erreichen. GEISLER (1988)gibt für Weizen eine maximale Durchwurzelungstiefe von 96 cm und für Mais von 90 cm an.Diese beiden Kulturen sind damit in einem Bereich, für den nachSCHEFFER/SCHACHTSCHABEL (1992) und auch WESSOLEK (1989) von kapillarenAufstiegsraten über 5 [mm/Tag] ausgegangen werden kann. Nach EHLERS (1996) wirdallerdings mit ca. 80 % der weitaus größte Teil der Wasserversorgung durch die Wurzeln inden oberen 80 cm des Bodenprofils sichergestellt. Es ist also von einer zusätzlichenWasserversorgung in der Größenordnung von maximal 20 % der Gesamtwasseraufnahme aus


dem Kapillarsaum bzw. der Umgebung der Saugkerzen auszugehen.

Der Einfluss des Grundwasserstandes auf die EvapotranspirationUm den Einfluss des Grundwasserstandes auf die Verdunstung erfassen zu können, werdennur die beiden Bodenvarianten Sand und Schluff herangezogen, weil nur für diese beidenje zwei Grundwasserstände vorhanden sind. Einen Überblick gibt die Tabelle 4-5, in derdie jeweilige Bestandesverdunstung für die beiden Bodenarten in den Varianten„grundwassernah“ (GW-nah) und „grundwasserfern“ (GW-fern) dargestellt ist.

Tabelle 4-5: Durchschnittliche Tagesverdunstung für zwei Bodenarten mit unterschiedlichenGrundwasserständen

Boden/Vegetation Mais Weizen Gras LuzerneSand GW-fern 2,5 2,8 1,9 -Sand GW-nah 3,1 3,2 2,2 -Schluff GW-fern 3,5 4,0 2,1 5,2Schluff GW-nah 3,3 4,3 2,2 4,3

Für die Bodenvariante Sand lässt sich dabei feststellen, dass die Verdunstung bei allenPflanzenbeständen im grundwassernahen Fall höher ist als beim grundwasserfernen.Bemerkenswerterweise ist dies bei dem Schluffboden z.T. anders. Bei Mais und Luzerne,beide sehr tiefwurzelnde Pflanzen (HAASE 1967), ist die Verdunstung bei tiefemGrundwasserstand größer als bei hohem, bei Weizen und Gras genau andersherum.

In Abbildung 4-9 ist beispielhaft der Verlauf der Verdunstung des Maisbestandes aufTagesbasis dargestellt. Es wird deutlich, dass bei der Variante „Schluff, grundwasserfern“(ETR Schluff) die Evapotranspiration nur zu den beiden Extremwerten am 12.7. und 18.7.höher ist als bei der Variante „grundwassernah“ (ETR Schluff-h). Während der übrigen Zeitist keine eindeutige Tendenz zwischen den beiden Varianten zu erkennen. Anders verhält sichdie Evapotranspiration auf dem Sandboden. Hier ist die höhere Evapotranspiration auf derVariante „grundwassernah“ zu finden, wobei die Unterschiede vor allem nach dem 15.7. inVerbindung mit hohen Bodenwasserdefiziten auftreten. Das Verhältnis derVerdunstungssummen beläuft sich bei Sand auf 184 mm (GW-fern) zu 232 mm (GW-nah),beim Schluff auf 259 mm (GW-fern) zu 247 mm (GW-nah).

Ein ähnlicher Verlauf ist auch für die Luzerne in Abbildung 4-10 zu erkennen, wo ebenfalls inPhasen starker Evapotranspiration die grundwasserferne Variante mehr verdunstet. In beidenFällen fallen diese Termine mit einem hohen Bodenwasserdefizit zusammen (vgl. Abbildung4-2 und Abbildung 4-8).


Für die beiden anderen Kulturen Sommerweizen und Gras wurde die höhereEvapotranspiration auf den grundwassernahen Standorten gemessen. Der Verlauf ist imAnhang als Abbildung A 4-1 und A 4-2 zu finden.

Abbildung 4-10: Gemessene Evapotranspiration von Luzerne bei zwei Grundwasserständen

Abbildung 4-9: Gemessene Evapotranspiration von Mais bei zwei Grundwasserständen

06.05

.94

13.05

.94

20.05

.94

27.05

.94

03.06

.94

10.06

.94

17.06

.94

24.06

.94

01.07

.94

08.07

.94

15.07

.94

22.07

.94

29.07

.94

05.08

.94

12.08

.94

19.08

.94

26.08

.94

ETR SandETR Sand-h

ETR Schluff-hETR Schluff

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0[m

m/d

]

Datum

01.04

.00

09.04

.00

21.04

.00

28.04

.00

06.05

.00

15.05

.00

31.05

.00

09.06

.00

18.06

.00

07.07

.00

17.07

.00

30.07

.00

09.08

.00

24.08

.00

10.09

.00

18.09

.00

26.09

.00

04.10

.00

17.10

.00

25.10

.00

ETR Schluff-hETR Schluff

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

[mm

/d]

Datum

Schnitt

SchnittSchnit


Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass auf der Grundlage der durchgeführtenUntersuchungen keine einheitliche Aussage über die Auswirkung des Grundwasserstandesgetroffen werden kann. Neben dem Grundwasserstand beeinflussen noch bodenphysikalischeFaktoren wie die Durchlüftung des Bodens und spezifische Ansprüche der Vegetation dieEvapotranspiration von Pflanzenbeständen. Durch einen zu geringen Wurzelraum sindEinschränkungen der Vegetationsentwicklung möglich, was zu geringerenVerdunstungsleistungen führen kann. Dabei überwiegt bei den tiefwurzelnden Pflanzen Maisund Luzerne die Einschränkung der Entwicklung des Wurzelsystems die leichtereWasserverfügbarkeit des hohen Grundwasserstandes.

4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse

In den vorangegangenen Ausführungen konnte gezeigt werden, dass dieBestandesverdunstung je nach Bodenvariante variiert. Die Verdunstungshöhen derPflanzenkulturen sind unterschiedlich, die Unterschiede innerhalb einer Kultur hängen vonden Bodeneigenschaften, im wesentlichen der nutzbaren Feldkapazität, dem effektivenWurzelraum und der kapillaren Aufstiegsrate ab. Es kann festgestellt werden, dass dieVerdunstung auf dem schluffigen Boden generell höher ist als auf den anderen Varianten. DieUnterschiede treten besonders deutlich in Phasen mit starkem Bodenwasserdefizit hervor.Offenbar ist hier die gute Wasserversorgung der Vegetation aufgrund der großen nutzbarenFeldkapazität und Wasserleitfähigkeit ausschlaggebend. Gegenüber den anderenBodenvarianten fällt hier der große Anteil von Mittelporen ins Gewicht, die daspflanzenverfügbare Wasser halten und durch hohe Leitfähigkeiten zur Verfügung stellenkönnen. Beim Sand- und Lehmboden ist die durch die Mittelporen gehaltene Wassermengegeringer. Ein weiterer Aspekt dieser Bodeneigenschaften ist die bessere Durchwurzelungdurch die Pflanzen und die damit verbundene Fähigkeit zur Ausschöpfung desBodenspeichers. Nach den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit kann festgestellt werden, dassdie Ausschöpfung des Bodenwasserspeichers als Folge von unterschiedlicherDurchwurzelungsintensität und -tiefe je nach der Größe des effektiven Wurzelraumes derKulturen unterschiedlich verläuft.

Ein weiterer Aspekt bei diesen Betrachtungen ist die Wuchshöhe, die bei der Luzerne auf demSchluffboden etwas höher war als auf dem Lehmboden. Es ist davon auszugehen, dass diehöhere Verdunstung z.T. auf die sich daraus ergebende Blattfläche zurückzuführen ist. Diegrößere Wuchshöhe wiederum ist auf die guten Eigenschaften des Bodens zurückzuführen.Obwohl bei den anderen Kulturen keine Unterschiede in der Wuchshöhe festzustellen waren,sind geringe Unterschiede in der Ausbildung der Blattflächen vor diesem Hintergrund nichtauszuschließen.


Als weiterer Einflussfaktor auf die Verdunstung wurde der Grundwasserstand untersucht. DerEinfluss des Grundwasserstandes ist bei den Bodenvarianten unterschiedlich. Für denSandboden konnte festgestellt werden, dass der höhere Grundwasserstand bei allen Varianteneine höhere Verdunstung verursacht. Beim Schluffboden ist eine solche eindeutige Tendenznicht festzustellen.

Für Mais und Luzerne sind bei der Variante „grundwasserfern“ höhere Verdunstungswertefestzustellen, für die anderen Kulturen bei „grundwassernah“.

Es ist zu vermuten, dass die Nähe des Grundwassers bei den tiefwurzelnden Pflanzen aufSchluffboden eine Einschränkung des Wurzelraumes und der Durchlüftung darstellt. DasWurzelsystem, dass sich das Wasser auch aus tieferen Bereichen holen kann, wird imWachstum behindert und kann durch den geringeren Wurzelraum weniger Wasser für diePflanze bereitstellen als ein normal entwickeltes System.

Beim Sandboden ist die Durchlüftung durch die gröberen Poren auch bei hohemGrundwasserstand besser, zumal der Kapillarsaum etwas geringer ausgebildet sein dürfte.Zudem ist die Wasserversorgung durch kapillaren Aufstieg infolge des geringeren Anteils anMittelporen beim Sand schlechter, ein hoher Grundwasserstand wirkt sich also eher positivauf die Wasserversorgung des Pflanzenbestandes aus.

Anders würde es sich vermutlich bei einem tiefen Grundwasserstand ohne kapillaren Aufstiegverhalten, bei dem die Pflanzen kein Grundwasser mehr erreichen können. Für eine solcheUntersuchung mit Lysimetern müssten diese allerdings sehr viel tiefer sein oder den kapillarenAufstieg ausschließen. Für die vorliegende Untersuchung muss festgestellt werden, dass mitder Lysimeteranlage ein tiefer Grundwasserstand in diesem Sinne nicht simuliert werdenkann.

Trotz dieser Einschränkung kommt es in den Sommermonaten zu einer starken Ausschöpfungdes Bodenwasserspeichers, da die Verdunstung dann den kapillaren Aufstieg deutlichübersteigt. Der Bodenwassergehalt entwickelt sich dann in Abhängigkeit von derVerdunstung. Der Grad der Ausschöpfung der nutzbaren Feldkapazität (% nFK) hängt von derVerdunstungsleistung der Vegetation und der ungesättigten Leitfähigkeit der Böden ab.

5. Widerstandswerte für die Penman-Monteith-Formel 56

5. Widerstandswerte für die Penman-Monteith-Formel

In Kapitel 3.5 wurde bereits der von MONTEITH (1965) erweiterte Verdunstungsansatz vonPENMAN (1948) eingeführt. Entscheidend ist dabei die Verwendung der Verdunstungswider-stände, welche die potentielle Verdunstung unter Berücksichtigung der entsprechenden Um-weltfaktoren einschränken und so die Berechnung der realen Evapotranspiration erlauben.Durch pflanzenspezifische Widerstände ist es möglich, die reale Evapotranspiration verschie-dener Pflanzenkulturen zu berechnen. Das sich daraus ergebende Problem besteht darin,Werte für diese Widerstände zu ermitteln, die zu realitätsnahen Ergebnissen führen. In derLiteratur sind einige Widerstandswerte für verschiedene Kulturen zu finden, die in der Regelaber nur für den Fall ausreichender Wasserversorgung gelten (vgl. Tab. 5-1). Die Bestimmungvon Widerstandswerten für Trockenphasen, in denen die Pflanzen die Transpiration ein-schränken, stellt sich als methodisch komplexes Problem dar. Die Ermittlung der Wider-standswerte ist nur auf der Grundlage von gemessenen Verdunstungswerten, wie z.B. mit ei-ner Lysimeteranlage, möglich.

In diesem Kapitel werden die Widerstandswerte auf der Grundlage der Lysimetermessungenberechnet. Es werden die Verläufe der Widerstandswerte für verschiedene Kulturen herausge-arbeitet und die Abhängigkeit vor allem vom Bodenwassergehalt untersucht. Ziel ist dabei dieBestimmung von Widerstandswerten für verschiedene Feuchtezustände des Bodens und ins-besondere die Reaktionen der Vegetation auf Wassermangel.

Zunächst wird der aerodynamische Widerstand ra einer Betrachtung unterzogen. Im zweitenTeil wird der Bestandeswiderstand rc, der die Reaktion des Pflanzenbestandes auf Trockenheitim wesentlichen bestimmt, untersucht.

5.1 Aerodynamischer Widerstand ra

Aerodynamisch gesehen weist die Oberfläche eines Pflanzenbestandes eine Rauhigkeit auf,die in der darüber streichenden Luft Turbulenzen erzeugt. Diese Turbulenzen fördern denAustausch von Wasserdampf aus dem Pflanzenbestand heraus in Abhängigkeit von Rauhig-keitsparametern. Bei geringen Turbulenzen oder einer stabilen Schichtung der Atmosphäreüber dem Bestand findet nur ein geringer Austausch von Luft und somit auch von Wasser-dampf statt, die Bestandesverdunstung wir dann gehemmt. Kommt es zu instabilen Schich-tungsverhältnissen infolge turbulenter Strömungen in der atmosphärischen Grenzschicht steigtdie Verdunstung durch die Auftriebskräfte an. Für diese Varianten können durch Stabilitäts-funktionen Korrekturen für die Berechnung des aerodynamischen Widerstandes durchgeführtwerden, für die allerdings Profilmessungen der Windgeschwindigkeit, der Luftfeuchte und derLufttemperatur nötig sind. In der vorliegenden Arbeit wird in Anlehnung an die Ergebnisse


von HENNIG (1992) und MENZEL (1997) auf diese sehr aufwendigen und vom Ergebnis herunsicheren Berechnungen verzichtet. Bestätigung für diese Vorgehensweise lässt sich vor al-lem in MENZEL (1997) finden, wo begründet auf vorausgehende Erfahrungen, auf diese Kor-rekturen verzichtet wurde. Generell besteht das Problem, dass sich die Stabilitätsverhältnisseim Tagesverlauf ändern und eine Korrektur von Tageswerten nur begrenzt möglich ist.

Der aerodynamische Widerstand beschreibt die physikalischen Austauschprozesse zwischendem Pflanzenbestand und der Atmosphäre. Es gibt einige Verfahren zur Berechnung diesesWiderstandswertes, von denen drei im folgenden kurz vorgestellt werden. Bei allen drei Ver-fahren kommen den Messungen der Wuchshöhe in Form der Bestandeshöhe und der Windge-schwindigkeit und daraus berechneten Rauhigkeitsparametern eine zentrale Bedeutung zu.

In den Veröffentlichungen von RUSSEL (1980), THOM UND OLIVER (1977) und MENZEL (1997)wird der nachfolgend aufgeführte Ansatz vorgestellt und verwendet:

rz

zua =

� �

+

4 72

1 0 540

2

, ln

, (Gleichung 5-1)

Mit:z = Messhöhe über Grund [m]zo = Rauhigkeitslänge (hier: 0,13 * Länge der Vegetation) [m]u = Windgeschwindigkeit in Höhe z [m/s]

In einer Arbeit von HENNIG (1992) wird eine Formel für die Berechnung von ra vorgestellt,die auf Untersuchungen von SZEICZ UND LONG (1969) zurückgeht:

]/[*

))/)(ln((2

20 ms

ukzDzra

−= (Gleichung 5-2)

Mit:z = Messhöhe über Grund [m]z0 = Rauhigkeitslänge [m]D = Verdrängungsschicht [m]u = Windgeschwindigkeit [m/s]k = v. Karman-Zahl (=0,41) []

wobeiz0 = 0,13 * Hveg (Hveg = Bestandeshöhe [m])D = 2/3 * Hvegist.


Einen recht ähnlichen Berechnungsansatz stellt VAN BAVEL (1967) in seiner Veröffentlichungdar:

a

aa uk

zzr

*)/ln(

2

20= (Gleichung 5-3)

Mit:za = Messhöhe über Pflanzenbestand [cm]z0 = Rauhigkeitslänge [cm]ua = Windgeschwindigkeit in Höhe za [m/s]k = v. Karman-Zahl (=0,41) []

Alle drei vorgestellten Ansätze beinhalten das Verhältnis von Messhöhe und Rauhigkeitslängezur Windgeschwindigkeit. Ein Vergleich der Berechnungsergebnisse und eine Bewertungwird im folgenden durchgeführt.

Um eine Vorstellung von der Größenordnung des Widerstandswertes zu vermitteln, sei auf diePublikation von BEVEN (1979) verwiesen, in der ein ra-Wert für Gras von 46 sm-1 und fürWald von 4 sm-1 angegeben wird. Solche festen Werte stellen eine Art Orientierungswert dar,der für moderate Windverhältnisse und mittlere Wuchshöhe gültig ist. Sie können für Über-schlagsrechnungen, falls keine Messwerte vorhanden sind, dienen. Um einen dynamischen ra-Wert zu ermitteln, sollte allerdings auf einen der physikalisch begründeten Ansätze zurückge-griffen werden.

Zur Durchführung der beabsichtigten Berechnungen mit dem PENMAN-MONTEITH-Ansatzmuss eine Methode zur ra-Berechnung ausgewählt werden. Zu diesem Zweck wurde eine ver-gleichende Berechnung des aerodynamischen Widerstandes auf der Grundlage der aufgeführ-ten Ansätze nach THOM und OLIVER (1977), SZEICZ und LONG (1969) und VAN BAVEL (1977)durchgeführt.

Die drei ausgewählten Ansätze verwenden als einzige Messgrößen die Windgeschwindigkeitund die Vegetationshöhe und berechnen daraus die Rauhigkeitsparameter. Mit diesen Ansät-zen wurden vergleichende Berechnungen durchgeführt. Ziel dieser Vergleiche war die be-gründete Auswahl eines Verfahrens, das für die hiesigen Verhältnisse gute Ergebnisse bringtund als Grundlage für alle weiteren Berechnungen dient.

In den folgenden Abbildungen sind beispielhaft die Ergebnisse nach den drei Methoden fürdie Jahre 1994 und 1995 dargestellt. Es handelt sich dabei um Tageswerte, die auf derGrundlage von Tageswerten der Windgeschwindigkeit und der Wuchshöhe ermittelt wurden.


Abbildung 5-1: Widerstandswert ra nach verschiedenen Methoden für Mais, 1994

Abbildung 5-2: Widerstandswert ra nach verschiedenen Methoden für Sommerweizen, 1995

DATUM [Tage]

940830

940815

940804

940728

940722

940713

940704

940627

940621

940612

940530

940512

940506

ra [s

/m]

600

500

400

300

200

100

0

RAHE

RABA

RATO

DATUM [Tage]

950728

950720

950708

950701

950620

950527

950521

950505

950429

950421

950403

ra [s

/m]

600

500

400

300

200

100

0

RAHE

RABA

RATO


Die Ergebnisse nach SZEICZ und LONG (1969) (RAHE) und VAN BAVEL (1977) (RABA) lie-gen so nahe beieinander, dass sie in den Grafiken kaum zu unterscheiden sind. Der Verlaufder Ergebnisse nach THOM und OLIVER (1977) (RATO) unterscheidet sich von den anderenvor allem zu Beginn der Vegetationsentwicklung (besonders 1994) durch geringere Werte,nähert sich aber dann den anderen Ansätzen an. Generell ist die Schwankungsbreite bei die-sem Ansatz geringer. Bei allen drei Methoden wird in beiden Jahren bei voll entwickeltemPflanzenbestand eine Art Basiswert von ca. 20 s/m erreicht.

Als Bewertungsgrundlage wurde die Verdunstungsberechnung nach Penman-Monteith mitden verschiedenen ra-Werten durchgeführt. Diese Ergebnisse wurden mit den Verdunstungs-messungen der Lysimeteranlage verglichen. Es zeigte sich, dass der Ansatz von THOM UND

OLIVER (1977) zu Verdunstungswerten führte, die den Messwerten der Lysimeteranlage amnächsten kamen. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde diese Methode als Grundlage für denaerodynamischen Widerstand für alle weiteren Berechnungen nach Penman-Monteith ausge-wählt.

5.2 Kulturspezifische Bestandeswiderstände rc

Die Stomataöffnungen

Die Verdunstung von Wasser durch Pflanzen in die Atmosphäre erfolgt im wesentlichendurch die Spaltöffnungen (Stomata) die sich sowohl an der Blattoberseite wie auch der Blat-tunterseite der Pflanzen befinden. Die Pflanzen haben dabei nach MONTEITH (1978) meist 100bis 200 Stomata pro mm2, EHLERS (1996) gibt eine Spanne von 50 bis 500 Stomata pro mm²an. Die Spaltöffnungen verteilen sich auf die obere und untere oder nur die untere Epidermis(Ausnahme Wasserpflanzen, die nur über die obere Epidermis verdunsten). Der von den Sto-mata besetzte Flächenanteil des Blattes variiert wenig zwischen den Arten und liegt bei ca. 18%. Die Form der Stomata weist dagegen stärkere Unterschiede auf (MONTEITH 1978). Durchdie Formung der Stomata ist es den Pflanzen möglich, eine fast ebenso große Menge Wasserüber die Stomata zu verdunsten wie von einer freien Wasserfläche, obwohl der Flächenanteilder Stomata an der Gesamtfläche eines Blattes nur einen geringen Anteil hat. EHLERS (1996)gibt hier sogar nur einen Anteil von 2 % an der Gesamtblattfläche an. Die unterschiedlichenAngaben der Autoren beruhen vermutlich darauf, das hier verschiedene Anteile der Stomatabetrachtet werden. EHLERS (1996) bezieht sich auf die reine Fläche des Spaltes währendMONTEITH (1978) vermutlich den gesamten Aufbau mit Schließ- und Nebenzellen beschreibt.

Die Transpiration der Pflanze wird durch Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen mit Hilfeder Schließzellen reguliert, die dadurch dem ungehinderten Wasserdampftransport einen Wi-derstand entgegensetzen können. Der Widerstand der Spaltöffnungen gegen die Transpiration


hängt von ihrer Geometrie, Größe und dem Abstand der Poren und den damit zusammenhän-genden anatomischen Gegebenheiten ab (MONTEITH 1978).

Der Bestandeswiderstand rc

Der Bestandeswiderstand stellt einen Mittelwert dar, in den neben der Transpiration über diePflanzenblätter die Evaporation von anderen Oberflächen der Pflanze und vor allem des Bo-dens einfließen. Er stellt somit eine Integration verschiedener Einzelwiderstände dar, von de-nen der Stomatawiderstand der stark dominierende ist.

Bei Angaben von Werten des Widerstandes rc in der Literatur wird meist von einem minima-len Verdunstungswiderstand bzw. einer maximalen Wasserleitfähigkeit aufgrund optimalerWasserversorgung des Bestandes ausgegangen.

Es handelt sich dabei also um eine Art Basiswert, der bei Einschränkung der Wasserversor-gung der Pflanze ansteigt. In Tabelle 5-1 sind Angaben für Basis-Widerstandswerte nach ver-schiedenen Autoren für eine Reihe von Vegetationstypen zusammengestellt.

Tabelle 5-1: Angaben zu Bestandeswiderstandswerten verschiedener Autoren

Autor Pflanzenkultur Widerstandswert rc [s/m]KELIHER u.a. (1995) Verschiedene Graslandtypen 40 – 91

Verschiedene Weizensorten 20 – 45Luzerne 20Getreide 40 – 50Zuckerrohr 34Sojabohnen 33

LÖPMEIER (1987) Wi-Weizen 46So-Weizen 38Wi-Gerste 55Mais 73Hafer 69Zuckerr 79Roggen 82Kartoffeln 92

BEVEN (1979) Gras 50

DVWK (1996) Minimum eines Bestandes 30 – 90Maximum eines Bestandes 600 – 800

Die Werte der aufgeführten Autoren ergeben eine mögliche Spanne von 20 bis 92 s/m. EinMaximum von bis zu 800 s/m ist nach DVWK (1996) möglich, Untersuchungsergebnisse zumaximalen Widerstandswerten einzelner Kulturen sind allerdings nur unzureichend doku-mentiert. Vergleiche eigener Messungen mit Angaben anderer Autoren zu den untersuchten


Kulturen sind in Tabelle 5-4 zu finden.

5.2.1 Berechnungsmethode

Für die physikalisch begründete Berechnung der Widerstände wird davon ausgegangen, dassdie Pflanze mit der Regulierung des Wasserdampftransports durch Öffnen oder Schließen derStomata auf Umwelteinflüsse wie Solarstrahlung, Lufttemperatur, Wasserdampfsättigungsde-fizit der Luft und den Wassergehalt des Bodens reagiert. Der maximal mögliche Wassertrans-port wird dadurch eingeschränkt. Ein verbreiteter Ansatz zur Berechnung des Widerstandes rc

sind daher Modelle des in LHOMME u.a. (1998) beschriebenen „Jarvis-Typs“, in dem der Wertfür die maximale Leitfähigkeit oder den minimalen Widerstand rcmin mit diversen Funktionenmultipliziert wird, die jeweils einen der genannten Umweltfaktoren repräsentieren und Ein-schränkungen des maximalen Wertes hervorrufen können. Eine andere Herangehensweiseberuht auf der Berechnung des Widerstandswertes eines einzelnen Blattes in Verbindung mitdem Blattflächenindex LAI. Dieser ebenfalls sehr verbreitete Ansatz wird neben vielen weite-ren Veröffentlichungen in ALLEN u.a. (1989), SMITH u.a. (1992), RANA (1994) sowie ALVES

u.a.(1998) eingehend beschrieben. Beide Gleichungen zur Berechnung des Widerstandswertessind im Anhang in Kapitel A 5 aufgeführt.

Eine weitere Methode der Berechnung des Widerstandswertes rc ergibt sich aus der Penman-Monteith-Beziehung selbst. Wenn der aerodynamische Widerstand ra und die realeEvapotranspiration (ETr) bekannt sind, dann lässt sich durch Umformung und Auflösung nachrc der Widerstandswert wie folgt berechnen:

( )( )eTec

LETrLETrGRnrr spac −+��

�

� −−= ∗∗ ****

1*

* ργ

(Gleichung 5-4)

Mit:L Spezif. Verdampfungswärme [J/kg]s Steigung der Sättigungsdampdruckkurve [hPa/K]Rn Strahlungsbilanz [W/m2]G Bodenwärmstromdichte [W/m2](Rn-G) Effektive Strahlungsbilanz [W/m2]ρ Dichte der Luft [kg/cm3]

pc Spezif. Wärme der Luft bei konst. Druck [J/(kg K)](es(T)-e)Sättigungsdefizit der Luft [hPa]ra Aerodynamischer Widerstand [s/m]rc Mittl. Bestandeswiderstand [s/m]γ Psychrometerkonstante [hPa/K]

In der dargestellten Form ist diese Formel allerdings nicht sehr komfortabel zu handhaben.Eine Gleichung die zu nahezu identischen Ergebnissen kommt ist in SEICZ und LONG (1969)und RUSSEL (1980) dokumentiert. Der Widerstand rc wird dabei im wesentlichen aus demVerhältnis zwischen ETp und ETr berechnet. Die verlangte potentielle Evapotranspiration(ETp) kann berechnet werden, indem man in der Penman-Monteith-Formel rc = 0 setzt.


In Gleichung 5-5 ist diese Formel dargestellt:

( ) ( )( )1/*1* −∆+= rpac ETETrr λ (Gleichung 5-5)

Mit:∆===Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve [Pa/k]λ===Psychrometerkonstante [Pa/k]ETr = Reale Evapotranspiration [mm]ETp = Potentielle Evapotranspiration [mm]

Weicht der Quotient aus ETp und ETr von eins ab, wirkt er sich sehr stark auf das Ergebnisfür rc aus (vgl. SEICZ und LONG 1969). Die Widerstandswerte sind direkt abhängig von denAbweichungen der gemessenen gegenüber der potentiellen Evapotranspiration. Für die Be-rechnung des Verdunstungswiderstandes rc nach diesen Verfahren sind zuverlässige Werte fürdie reale Evapotranspiration eine unverzichtbare Voraussetzung. Diese Voraussetzung zu er-füllen, stellt die größte Schwierigkeit bei diesen beiden Gleichungen dar.

Die Idee der vorliegenden Arbeit besteht darin, den erprobten PENMAN-MONTEITH-Ansatz fürdie Berechnung des Bestandeswiderstandes zu nutzen. Auf der Grundlage der Messungen mitder Lysimeteranlage liegen für alle Parameter bis auf den Bestandeswiderstand Werte vor.Durch Auflösung der PENMAN-MONTEITH-Formel nach rc (Gleichung 5-4) lässt sich so mit dervorhandenen Datengrundlage der Bestandeswiderstand berechnen. Aufgrund der leichterenHandhabung und angesichts der nahezu identischen Ergebnisse mit Gleichung 5-4 wurde al-lerdings Gleichung 5-5 für die Widerstandsberechnungen in der vorliegenden Arbeit zugrun-degelegt.

5.2.2 Eigene Berechnungen

Als äußerst sensibel erwies sich bei der Berechnung von rc mit Gleichung 5-5 das Verhältniszwischen der potentiellen Evapotranspiration ETp und der realen gemessenen Evapotranspi-ration ETr. Die potentielle Evapotranspiration wurde mit dem Penman-Monteith-Ansatz be-rechnet, indem der Bestandeswiderstand auf Null gesetzt und der aerodynamische Widerstandnach Thom und Oliver (1977) bestimmt wurde. Schwankungen der Messwerte, insbesondereinfolge von Messfehlern wie dem Windeinfluss, verändern das Verhältnis ETp/ETr und wir-ken sich stark auf die berechneten rc-Werte aus. Messfehler führen hier sehr schnell zu unrea-listischen Größen bis hin zu negativen Widerstandswerten. Um zu realistischen Widerstands-werten zu kommen ist dementsprechend auf eine genaue Datenauswahl und Datenkorrektur zuachten.

Trotz aller Datenkorrekturen musste allerdings realisiert werden, dass mit dieser Methodik


eine zeitliche Auflösung der Widerstandswerte von Viertelstunden oder Stunden nicht mög-lich ist. Da der einzelne Verdunstungswert dann viel geringer ist als beispielsweise ein Ta-geswert, fallen Messfehler so stark ins Gewicht, dass die sich ergebenden Widerstandswertehäufig nicht zu verwenden sind. Die Betrachtung von Tagesgängen konnte deshalb nichtdurchgeführt werden. Für eine solche Arbeit muss vor allem der durch den Winddruck verur-sachte Fehler minimiert werden, was durch eine zeitlich sehr hoch auflösende Messung (Se-kunden) mit anschließender Mittelwertbildung erreicht werden kann. Ein Stundenwert würdedann auf 3600 Einzelmessungen basieren, Schwankungen würden weitgehend ausgeglichen.Eine derart hohe zeitliche Auflösung ist mit den vorhandenen Datenloggern nicht möglich.

Grundsätzlich zeigt sich jedoch, dass für Tageswerte die mit der Lysimeteranlage gemesseneVerdunstung der Realität entspricht und trotz aller Probleme eine gute und ausreichende Da-tengrundlage darstellt, um die beschriebenen Untersuchungen durchzuführen. Es muss aller-dings genau überprüft werden, unter welchen Bedingungen hier Einschränkungen gemachtwerden müssen. Für die vorliegende Arbeit führte dies zu der in Kapitel 4.2 beschriebenenDatenauswahl.

Ein Ziel der Arbeit besteht darin, die Einflussgrößen auf den Bestandeswiderstand zu analy-sieren. Durch Korrelation der Bestandeswiderstände mit Klimaparametern konnte auf der Ta-geswertbasis kein direkter Zusammenhang zu Klimagrößen nachgewiesen werden, obwohldieser physikalisch natürlich besteht. Da die Systeme jedoch sehr komplex sind und z.T. zeit-lich versetzt reagieren ist ein solcher Zusammenhang nur schwer herzustellen.

Eindeutiger lässt sich allerdings ein Zusammenhang zwischen dem Widerstandswert rc unddem Bodenwassergehalt bzw. dem Bodenwasserdefizit (BWD) aufzeigen. Bei der Betrach-tung des Bodenwassergehaltes ist eine hohe zeitliche Auflösung nicht notwendig, ein Zusam-menhang ergibt sich im Jahresverlauf. Die Methodik zur Ermittlung des Bodenwasserdefizitsist in Kapitel 4.3 eingehend beschrieben. Durch die Berechnung des BWD als %-Wert dernutzbaren Feldkapazität auf der Grundlage der Lysimetergewichte lässt sich eine Zeitreiheerstellen, die zu der Entwicklung des Bestandeswiderstandes in Beziehung gesetzt werdenkann.

Über den Bodenwassergehalt und damit die Wasserversorgung der Pflanzen lässt sich diestomatäre Reaktion der Vegetation physikalisch erklären, was durch eine alleinige Betrach-tung von Klimaparametern nicht möglich ist. Darüber hinaus gibt der Parameter BWD dieMöglichkeit, den Einfluss der Bodenvarianten und der Grundwasserstände der Lysimeteranla-ge zu berücksichtigen. Im Folgenden wird deshalb das Verhältnis zwischen Bestandeswider-stand und Bodenwasserdefizit analysiert. Durch die Darstellung in Form von Streudiagram-men verdeutlicht sich der Zusammenhang zwischen diesen beiden Parametern. Es lässt sichfür jede Variante ein Basiswert des Widerstandes bei ausreichender Wasserversorgung fest-stellen. Ebenso einen Schwellenwert, oberhalb dessen ein Anstieg des Widerstandswertes in


Abhängigkeit vom Bodenwasserdefizit zu verzeichnen ist.

Ermittlung des Basis- und des Schwellenwertes

Der Basiswert ergibt sich aus der Ausgleichsgeraden, die den Teil der Werte repräsentiert, diebei geringen BWD-Werten anfallen. Es handelt sich dabei um eine einfache Regressionsgera-de. Der Kreuzungspunkt der Geraden mit der y-Achse ergibt den Basiswert.

Die Ermittlung des Schwellenwertes erfolgte über ein Verfahren, bei dem zunächst eine

Funktion des Typs axbexf =)( an den Verlauf der Messwerte angepasst wurde. Auf der x-

Achse des Streudiagramms ist das Bodenwasserdefizit, auf der y-Achse der Widerstandswertaufgetragen (Abb. 5-3). Der relativ einfache Funktionstyp gibt den Verlauf der Messwerte gutwieder. Dabei bezeichnet b den y-Achsenabschnitt, also den Parameter rc, a definiert denVerlauf der Parabel. Für jede Pflanzenkultur auf den jeweiligen Bodenvarianten wurde dieAnpassung der Parabel optimiert.

Anschließend wurde in den Extrembereichen des Bodenwasserdefizits, also im anfänglichenBereich der Feldkapazität und im trockenen Bereich mit hohem Bodenwasserdefizit, eineTangente an je einen ausgewählten Punkt der Parabel angepasst. Der Verlauf der Geradenwurde durch die Punkt-Richtungs-Gleichung ermittelt. Dabei steht die Annahme im Hinter-grund, dass die Messwerte dieser beiden Bereiche durch die auslaufenden Teile der Parabel sogut wiedergegeben werden, dass sie eine Art Ausgleichsgerade an dieser Stelle bilden. Dem-entsprechend repräsentiert die Tangente 1 in Abbildung 5-3 den Basiswert der Widerständeund die Tangente 2 die aufgrund von Trockenstress ansteigenden Widerstandswerte. DerKreuzungspunkt dieser beiden Tangenten definiert den Punkt, an dem der Übergang von demBasiswert zu einem Anstieg der Widerstandswerte stattfindet. So wird ein Schwellenwert derrc-Werte definiert, ab dem ein Anstieg aufgrund von Trockenheit festzustellen ist. Senkrechtunter dem Schnittpunkt ist der Grenzwert des Bodenwasserdefizits abzulesen, bei dem derAnstieg beginnt. Die Horizontale durch den Schnittpunkt repräsentiert den Basiswiderstands-wert der Kultur.


Beispielhaft ist dieses Verfahren in Abbildung 5-3 anhand des Datensatzes Mais auf Sandbo-den dargestellt. Der so ermittelte Schwellenwert liegt bei 43 % nFK.

Die Ergebnisse nach diesem Verfahren für die jeweiligen Kulturen werden im folgenden ein-zeln als Streudiagramm dargestellt. Die nach der oben beschriebenen Methode ermitteltenSchwellenwerte sowie die Basis- und Maximalwerte sind in Tabelle 5-2 zusammenfassendaufgeführt.

5.2.2.1 Mais

Zu Beginn der Vegetationsperiode, bevor die Pflanzen sich entwickeln konnten, sind sehr ho-he rc-Werte festzustellen. Diese sind dadurch zu erklären, dass der Blattapparat noch nichtentwickelt ist und nur eine geringe Verdunstungsleistung aufweist. Es handelt sich dabei umWerte, die eher den Widerstandswert des Bodens als den des Bestandes bezeichnen. DieseAnfangsphase wird in den folgenden Darstellungen nicht berücksichtigt, weil in erster Liniedas Verhalten des Pflanzenbestandes betrachtet werden soll.

In der Abbildung 5-4 ist der Verlauf des Bestandeswiderstandes rc für die grundwasserfernenVarianten dargestellt. Der zu beobachtende Anstieg der Widerstände ist auf die Abnahme desBodenwassergehalts und die entsprechende stomatäre Regulierung der Vegetation als Reakti-on auf den Trockenstress zurückzuführen. Der deutliche Rückgang der Widerstände am15.8.94 ist durch Niederschläge verursacht, die das hohe Bodenwasserdefizit z.T. aufgefüllt

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50 60

Bodenwasserdefizit [% nFK]

rc [s

/m] rc-Sand

ModellTangente 1Tangente 2

Abbildung 5-3: Ermittlung des Schwellenwertes von rc

Mais auf Sandboden, GW-fern


haben und dadurch die Wasserversorgung der Pflanzen verbesserten (vgl. Abbildung 4-2).

Datum

04.09.94

23.08.94

15.08.94

07.08.94

02.08.94

28.07.94

24.07.94

20.07.94

13.07.94

09.07.94

rc [s

/m]

800

600

400

200

0

Lehm, GW-fern

Sand, GW-fern

Schluff, GW-fern

Abbildung 5-4: Verlauf der Bestandeswiderstände einer Maiskultur für verschiedeneBodenvarianten

Zu Beginn und gegen Ende der Hauptwachstumsphase nähern sich aufgrund der in diesenPhasen ausreichenden Wasserversorgung die gemessenen Verdunstungswerte denen der po-tentiellen Verdunstung an, das Verhältnis ETp/ETr aus Gleichung 5-5 ist in dieser Phase naheeins. Die resultierenden Bestandeswiderstände um den 13.7. und den 23.8. herum, können alsvegetationsspezifischer Basiswert angesehen werden.

Um die Abhängigkeit des Basiswertes vom Bodenwasserdefizit herauszuarbeiten ist für denMaisbewuchs des Jahres 1994 in der Abbildung 5-5 beispielhaft der Verlauf des Bestandeswi-derstandes auf dem Sandboden für die grundwasserferne Variante im Verhältnis zum Boden-wasserdefizit (BWD) dargestellt.


Mais auf Sandbodengrundwasserfern

BWD (% nFK]

605040302010

rc [s

/m]

700

600

500

400

300

200

100

0

Abbildung 5-5: Bestandeswiderstand einer Maiskultur als Funktion des Bodenwasserdefizits

Es wird deutlich, dass der Bestandeswiderstand sich bei ausreichender Wasserversorgung umeinen Wert von 100 s/m bewegt. Oberhalb eines Schwellenwertes des Bodenwasserdefizitsvon ca. 40 % nFK steigt der Widerstandswert steiler an und erreicht ein Maximum von annä-hernd 700 s/m. Ähnliche Verläufe sind auch für die anderen Bodenvarianten festzustellen. Dieentsprechenden Diagramme sind als Abbildungen A 5-1 bis A 5-5 im Anhang dargestellt. DieWerte für den Basiswiderstand, den Schwellenwert und den maximalen Widerstand wurdenmittels des oben beschriebenen Verfahrens ermittelt. Die Ergebnisse dieser Analysen sind inTabelle 5-2 aufgelistet.

Als Ergebnis kann festgestellt werden, dass für den Maisbestand ein Schwellenwert in Ab-hängigkeit vom Bodenwasserdefizit herauszufiltern ist. Dieser Wert liegt nach dem "Tan-genten-Verfahren" bei 43 % nFK.

Ähnliche Verläufe der Widerstandswerte finden sich in HENNIG (1992), MENZEL (1997),RUSSELL (1980) und SZEICZ & LONG (1969), wodurch die angewandte Methodik in ihrer Gül-tigkeit bestätigt wird.


5.2.2.2 Sommerweizen

Auch beim Sommerweizen sind zu Beginn der Vegetationsperiode, bevor der Weizen einenBlattapparat entwickeln konnte, sehr hohe rc-Werte festzustellen. Es handelt sich auch hier umWerte, die eher den Widerstandswert des Bodens als den des Bestandes bezeichnen und damitnicht Gegenstand der Untersuchung sind. In den folgenden Darstellungen wird diese Anfangs-phase nicht berücksichtigt.

In der Abbildung 5-6 ist für die grundwasserferne Variante des Sandbodens das Verhältnis desBestandeswiderstandes zum Bodenwasserdefizit dargestellt. Zunächst zeigen die rc-Werte desSommerweizens einen sehr deutlichen Anstieg bei einem Bodenwasserdefizit von ca. 48 %nFK.

Sommerweizen auf Sandboden(grundwasserfern)

BWD [% nFK]

605040302010

rc [s

/m]

1900

1400

900

400

-100

Abbildung 5-6: Bestandeswiderstand von Sommerweizen als Funktion des Bodenwasserdefizits

Dieser auffällig starke Anstieg der Widerstandswerte des Sommerweizens ist in dieser Deut-lichkeit und ähnlicher Größenordnung bei allen Bodenvarianten festzustellen. Der Anstieg derWiderstände ist allerdings nicht mit stomatären Reaktionen zu erklären, sondern ist viel eherein Effekt, der durch das Entwicklungsstadium des Weizens, also unabhängig von Bodenei-genschaften, begründet ist. Bestätigt wird diese Interpretation durch den gleichzeitigen An-stieg von rc bei allen Varianten unabhängig von Bodeneigenschaften oder Grundwasserstand.

Gegen Ende der Vegetationsperiode mit Einsetzen der generativen Phase beginnt der Weizen


seine Kraft auf die Entwicklung der Ähren zu konzentrieren. Der Blattapparat wird wenigerversorgt und der Blattflächenindex geht zurück (vgl. Geisler 1988, S. 263 ff). Der Weizenschränkt dadurch die Verdunstung stark ein. Der scheinbare Zusammenhang mit der Abnahmedes Bodenwassergehaltes entsteht dadurch, dass das Minimum des Wassergehaltes und derEinsatz dieses Effektes zum gleichen Zeitpunkt erreicht wird. Um den Zusammenhang desBestandeswiderstandes mit dem Bodenwassergehalt zu betrachten, werden in der folgendenAbbildung die hohen, durch die Entwicklung des Weizens bedingten Werte gegen Ende derVegetationsperiode außer acht gelassen, ohne dass mit Sicherheit festgestellt werden kann,wieweit stomatäre Reaktionen oder Blattwelke zum Anstieg der Widerstände führen. So er-gibt sich für die beabsichtigten Betrachtungen ein Zeitfenster vom 14.5. bis 19.7.. In Abbildung

5-7 zeigt sich dann ein vollkommen neues Bild.

Sommerweizen auf Sandboden(grundwasserfern)

BWD [% nFK]

5040302010

rc [s

/m]

300

200

100

0

Abbildung 5-7: Bestandeswiderstand von Sommerweizen bis zum Einsetzen der generativen Phase alsFunktion des Bodenwasserdefizits

Trotz der großen Streuung lässt sich ein Zusammenhang zwischen Bodenwasserdefizit undBestandeswiderstand erkennen. Der Widerstand bewegt sich zunächst zwischen 0 und 100s/m. Mit der Abnahme des Bodenwassergehaltes steigt er auf ca. 250 s/m an. Ein Schwellen-wert lässt sich dabei kaum ableiten, das beschriebene "Tangenten-Verfahren" wurde aufgrunddieser großen Unsicherheiten nicht angewandt.

Eine ähnliche Entwicklung lässt sich für den Sandboden mit hohem Grundwasserstand und


den Lehmboden feststellen (s. Abbildung A 5-6 und A 5-7), nachdem hier ebenfalls die ent-wicklungsbedingten Phasen des Weizens aus der Betrachtung herausgenommen wurde. Beiallen drei Varianten ist die Streuung hoch, jedoch in der Tendenz eine Zunahme mit abneh-mendem Wassergehalt erkennbar. Ein Schwellenwert ist nicht auszumachen. Anders verhaltensich dagegen die beiden Varianten des Schluffbodens (s. Abbildung A 5-8 und A 5-9). Unab-hängig vom Grundwasserstand weisen die Widerstände für diese beiden Varianten keinenZusammenhang mit dem Verlauf des Bodenwassergehalts auf, sondern verbleiben auf einemNiveau von ca. 30 s/m. Die Wasserversorgung durch den Schluffboden war für den Weizentrotz aller Trockenheit soweit ausreichend, dass keine Einschränkung der Transpiration durchdie Stomata zu verzeichnen ist. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5-2 zusammenfassend darge-stellt.

5.2.2.3 Kurze Grasdecke

Da die Grasdecke als Rollrasen verlegt wurde, war unmittelbar nach der Ansaat eine voll ent-wickelte Vegetationsdecke vorhanden. Eine Veränderung der Bestandeswiderstände durch dieSchwankung der Wuchshöhe infolge der Mahd ist nicht festzustellen. Die z.T. sehr hohenWiderstandswerte von 800 - 1000 s/m sind auf Trockenphasen zurückzuführen, in denen dereffektive Wurzelraum austrocknete und das Gras infolge von Trockenstress die Transpirationeinschränkte. Obwohl der Wurzelraum des Grasbewuchses sich nur auf die oberen Dezimetererstreckt (s. Tabelle 5-4), ist eine deutliche Korrelation der Entwicklung der Bestandeswider-standswerte mit dem Bodenwasserdefizit (über die gesamte Tiefe der Lysimeter) festzustellen.In der Abbildung 5-8 ist der Verlauf des Bestandeswiderstandes über dem des Bodenwasserdefi-zits für die Variante Schluff, grundwassernah dargestellt.


Gras auf Schluffboden (grundwassernah)

BWD [% nFk]

50403020100

rc [s

/m]

800

600

400

200

0

Abbildung 5-8: Bestandeswiderstand einer kurzen Grasdecke als Funktion desBodenwasserdefizits

Bis zu einem Bodenwasserdefizit von ca. 35 % nFK streuen die Widerstandswerte um einenWert von ca. 80 um dann anzusteigen und einem Maximum entgegenzustreben. Ein ähnlicherVerlauf ist für die anderen Bodenarten in Abbildung A 5-10 bis A 5-14 und Tabelle 5-2 fest-zustellen, wobei der Anstieg der Widerstände bei dem Sandboden bei einem etwas geringeremWasserdefizit einsetzt als bei den beiden anderen Böden. Ein Einfluss des Grundwasserstan-des kann für die Varianten auf Schluffboden nicht festgestellt werden, während beim Sandbo-den die Widerstände bei hohem Grundwasserstand deutlich geringere Spitzenwerte haben(vgl. Tabelle 5-2).

5.2.2.4 Luzerne

Bei der Luzerne treten, anders als bei Mais und Weizen, keine hohen rc-Werte zu Beginn derVegetationsperiode auf, weil erst das zweite Jahr mit bereits gut entwickelter Luzerne in dieUntersuchungen einbezogen wurde.

Ein Anstieg der Widerstandswerte mit der Zunahme des Bodenwasserdefizits ist nicht festzu-stellen (vgl. Abbildung 5-9), obwohl der Wasservorrat des Bodens stärker ausgeschöpft wird alsin den anderen Jahren.


Luzerne auf Schluffboden(grundwassernah)

BWD [% nFK]

80706050403020100

rc [s

/m]

400

300

200

100

0

Abbildung 5-9: Bestandeswiderstand einer Luzernekultur als Funktion des Bodenwasserdefizits

Der Grund hierfür ist sicherlich in der großen Durchwurzelungstiefe der Luzerne zu sehen, diees ermöglicht, das Wasser aus großen Tiefen zu nutzen. Zu bedenken ist dabei, dass bei der„grundwassernahen“ Variante direkt das Grundwasser im Lysimeter genutzt werden kann undauch bei der „grundwasserfernen“ Variante durch das Unterdrucksystem eine ständige Nach-lieferung von Wasser im unteren Bereich der Lysimeter gewährleistet ist. So ist es zu erklären,dass trotz extremer Verdunstungsraten von ca. 12 mm/d und einer starken Ausschöpfung desBodenwasservorrats die Luzerne nicht in Trockenstress geriet.

Die Schnitttermine, zu denen die Luzerne von ca. 1 m auf ca. 8 cm zurückgeschnitten wurde,sind dagegen deutlich durch einen Anstieg der Bestandeswiderstände bei ca. 30 und 50 % nFKauszumachen. Der rc-Wert erhöht sich dabei zum Einen durch die Erhöhung von ra infolge dergeringeren Wuchshöhe, zum Anderen ist direkt nach dem Schnitt kein Blattapparat vorhan-den, der eine hohe Verdunstung erreichen könnte. Das Verhältnis ETp/ETr und damit rc wirddann groß. In der Abbildung 5-9 ist beispielhaft für den Schluffboden der Verlauf des Bestan-deswiderstandes rc dargestellt. Die Schnitttermine bei jeweils unterschiedlichen Bodenwasser-defiziten sind deutlich zu erkennen. Die Verläufe der anderen Varianten sind im Anhang auf-geführt. Die Ergebnisse für alle Bodenvarianten sind in Tabelle 5-2 aufgelistet.


5.2.3 Zusammenfassung der Ergebnisse

In Tabelle 5-2 sind die Ergebnisse der vorangegangenen Betrachtungen aufgeführt. Es wirdfür alle Bodenvarianten und die jeweiligen Grundwasservarianten je ein Wert für den Basis-wert, den maximalen Wert und den Schwellenwert der verschiedenen Kulturen angegeben.

Tabelle 5-2: Kennwerte für die Entwicklung des Bestandeswiderstandes rc für verschiedene Kulturen

Varianten rcBasiswert bei ausreichen-der Wasserversorgung[s/m]

rcMaximaler Wertebereich

[s/m]

Schwellenwert BWD

[% nFK]Mais

Sand GW-fern 100 600 43

Sand GW-nah 100 220 **

Lehm GW-fern 100 350 55

Schluff GW-fern 90 230 55

Schluff GW-nah 130 230 52

Sommerweizen

Sand GW-fern ** 200 **

Sand GW-nah 50 130-170 **

Lehm GW-fern ** 180-200 **

Schluff GW-fern 30 50 Nicht vorhanden

Schluff GW-nah 30 50 Nicht vorhanden

Gras

Sand GW-fern 75 800-1000 36

Sand GW-nah ** 580 **

Lehm GW-fern 80 800 40

Schluff GW-fern 75-90 600-700 36

Schluff GW-nah 75-85 600 36

Luzerne

Sand GW-fern * * *

Sand GW-nah * * *

Lehm GW-fern 50 250 **

Schluff GW-fern 20-50 270 Nicht vorhanden

Schluff GW-nah 20-50 230 Nicht vorhanden* Wurde nicht in die Betrachtungen einbezogen, ** nicht mit ausreichender Sicherheit festzustellen


Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass für die untersuchten Kulturen bei guter Was-serversorgung ein von Bodenparametern weitestgehend unabhängiger Basiswiderstandswertermittelt werden kann. Bekräftigt wird diese Aussage dadurch, dass die Differenzen zwischenden verschiedenen Lysimetervarianten meist sehr gering sind, also eine Abhängigkeit vonBodenart oder Grundwasserstand nicht festgestellt werden kann.

Eine Bestätigung der Größenordnung der Basiswerte lässt sich durch Angaben in der Literaturableiten, von denen einige in Tabelle 5-3 aufgelistet sind. Durch diese Bestätigung lässt sichgrundsätzlich die Funktionstüchtigkeit der angewandten Methodik belegen.

Anders als für den Basiswert ergeben sich für die maximalen Widerstandswerte deutlicheUnterschiede zwischen den Kulturen. Mais und Gras erreichten dabei Maxima von ca. 600bzw. 900 s/m und entsprechen damit den Erwartungen, die sich aus den Angaben der DVWK(1996) ergeben. Diese Maximalwerte werden für Gras auf allen Varianten, für Mais allerdingsnur auf dem Sandboden erreicht. Die Maxima von Sommerweizen, Luzerne sowie auch zumgrößten Teil von Mais bewegen sich nur um 200 bzw. 250 s/m und bleiben damit deutlichunter den erwarteten Maximalwerten von bis zu 800 s/m. Es ist davon auszugehen, dass hierder Maximalwert nicht erreicht wird obwohl offenbar ein Anstieg der Widerstände als Folgeschlechterer Wasserversorgung zu verzeichnen ist. Bemerkenswert sind die geringen rc-Wertedes Sommerweizens auf Schluff, die nur unwesentlich über dem Basiswert liegen. Auf demSchluffboden kam es nicht zu einem Anstieg der Widerstände des Weizens.

Bei der Variante Mais auf Sandboden ist festzustellen, dass der Grundwasserstand einen er-heblichen Einfluss darauf hat, welche maximalen Widerstände erreicht werden. Bei dergrundwasserfernen Variante gerät der Mais offenbar deutlich mehr in Trockenstress und rea-giert darauf mit höheren Stomatawiderständen, als dies bei der grundwassernahen Varianteder Fall ist. Für den Schluffboden sind keine Unterschiede zwischen den beiden Grundwas-servarianten festzustellen.

Bei den Schwellenwerten ergibt sich ein uneinheitliches Bild. Für Mais und Gras lassen sichSchwellenwerte für die Ausschöpfung der nutzbaren Feldkapazität feststellen, bei denen dieBestandeswiderstände deutlich ansteigen (vgl. Abbildung A 5-1 bis A 5-5 und A 5-10 bis A 5-14). Die Schwellenwerte unterscheiden sich nach Bodenarten voneinander, der Wert fürSandboden ist niedriger als der für Schluffboden, der Lehmboden liegt dazwischen. Unter-schiedliche Schwellenwerte innerhalb einer Bodenart in Abhängigkeit vom Grundwasserstandsind nicht feststellbar. Diese Tatsache überrascht nicht wenn man bedenkt, dass es sich beidiesem Schwellenwert um einen reinen Bodenparameter handelt. Der jeweilige Schwellenwertwird allerdings in Abhängigkeit vom Grundwasserstand zu unterschiedlichen Zeitpunktenerreicht.

Für den Sommerweizen ist nicht festzustellen, inwieweit der sehr deutliche Anstieg der Wi-


derstände bei einem Wert von 48 % nFK auf den Entwicklungsstand des Blattapparates oderauf eine Reaktion der Stomata zurückzuführen ist. Es ist allerdings mit Sicherheit davon aus-zugehen, dass ein pflanzenphysiologischer Effekt einen Anstieg der Widerstände zur Folgehat. Da dieser Effekt zeitlich nicht genau eingegrenzt werden kann muss eingeräumt werden,dass der Anstieg der Widerstände zu Anfang durch die Stomata verursacht wurde. Eine ein-deutige Grenze zu finden ist hier nicht möglich, da es sich bei beiden Effekten um dynamischeProzesse handelt.

Nachdem dieser deutliche Anstieg aus der Darstellung entfernt wurde, ist der Zusammenhangzwischen Bodenwassergehalt und Widerstand nur als Tendenz feststellbar (vgl. Abbildung a5-6 bis A 5-9). Trotzdem lässt sich ein Anstieg von rc im Bereich von über 40 % nFK fest-stellen. Es ist zu vermuten, dass in diesem Bereich des Wassergehaltes eine Reaktion der Ve-getation in Form von Schließung der Stomata einsetzt.

Die Widerstandswerte für Luzerne verbleiben sowohl auf Schluff- als auch auf Lehmbodenauf dem gleichen Niveau, eine Abhängigkeit vom Bodenwassergehalt existiert nicht (vgl. Ab-bildung A 5-15 bis A 5-17). Offenbar bestand für die Luzerne keinerlei Einschränkung derVersorgung. Die Erklärung ist in der guten und tiefen Durchwurzelung in Verbindung mitdem Grundwasseranschluss der Lysimeter zu suchen. Die vorhandenen Anstiege der Wider-tandswerte sind durch die Mahdtermine verursacht (vgl. Kap. 4).

5.3 Ableitung des Widerstandswertes rc aus dem pF-Wert

5.3.1 Einführung

Im folgenden Kapitel wird versucht, den Verdunstungswiderstandswert rc mit Berechnungser-gebnissen für die Wasserspannung in den Lysimeterböden in Beziehung setzen. Dabei wirddie im Folgenden beschriebene Methodik exemplarisch auf ihre Funktionstüchtigkeit über-prüft.

Bei dem die Wasserspannung eines Bodens charakterisierenden pF-Wertes handelt es sich umden logarithmierten Wert der Wasserspannung, also der Bindungskräfte des Wassers im Bo-den (vgl. SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 2002). Für den hier betrachteten Bereich zwischenFeldkapazität und permanentem Welkepunkt, also dem pflanzenverfügbarem Wassergehalt,ergeben sich die charakteristischen pF-Werte zwischen 1,8 und 4,2. Aus dem Verhältnis zwi-schen der Wasserspannung und dem Wassergehalt eines Bodens lassen sich charakteristischeVerläufe für verschiedenen Bodenarten ableiten. Da das Verhältnis zwischen Wasserspannungund Wassergehalt im wesentlichen von den Bindungskräften im Boden und damit vom Ma-trixpotential des Bodens abhängig ist, lassen sich aus den pF-Werten die jeweiligen Wasser-


gehalte ableiten (vgl. SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 2002).

Das Ziel der vorliegenden Untersuchungen besteht darin, den Verdunstungswiderstand rc inein Verhältnis zum pF-Wert und damit zu den Bindungskräften des Wassers im Boden zusetzen. Dabei wird nicht, wie im vorangegangenen Kapitel, die Bodenwassermenge betrachtet,sondern die Bindungskräfte, die die Pflanzenverfügbarkeit des Wassers beschreiben. Aufdiese Weise lässt sich ein Verhältnis angeben, mit dem der Verlauf derVerdunstungswiderstände unabhängig von weiteren Bodeneigenschaften beschrieben werdenkann.

5.3.2 Methodisches Vorgehen

Da in den Lysimetern selber keine Messungen der Bodenfeuchte möglich waren, liegen keineMesswerte vor, aus denen sich der Wassergehalt für einzelne Horizonte oder auch für dengesamten Bodenmonolith ableiten ließe. Für die Bestimmung des Wassergehaltes wurde des-halb auf den Verlauf des Bodenwasserdefizits (BWD) zurückgegriffen, der bereits den imvorangegangen Kapitel durchgeführten Betrachtungen zugrunde lag. Ausgehend von einemWassergehalt bei Feldkapazität (FK) im Frühjahr, nimmt der Wassergehalt bis auf das Jah-resminimum ab. Es ergibt sich ein Bodenwasserdefizit in kg bzw. in mm.

In Anlehnung an das Gedankenmodell von RENGER u.a. (1982) (vgl. SCHEF-

FER/SCHACHTSCHABEL 2002, S. 240) wird der effektive Wurzelraum (Weeff) aus dem Boden-wasserdefizit abgeleitet. Es wird die Annahme zugrundegelegt, dass die jeweils oberen Bo-denhorizonte bis zum Permanenten Welkepunkt (PWP) ausgeschöpft werden, bevor der Was-servorrat tieferer Horizonte in Anspruch genommen wird. Durch die in Kapitel 2.3.2 angege-benen Bodenkennwerte lässt sich der Wassergehalt bzw. das Bodenwasserdefizit der Hori-zonte bei pF 4,2, dem Permanentem Welkepunkt, ermitteln. Über die Angaben zum Boden-wasserdefizit und der Modellannahme, dass das Bodenwasser immer bis zum PermanentenWelkepunkt ausgeschöpft wird, lässt sich der effektive Wurzelraum für die jeweilige Aus-schöpfung des Bodenwassers errechnen. Grundlage für die Berechnung des Weeff sind dabeiextreme Trockenphasen, in denen die maximale Durchwurzelungstiefe der Vegetation er-reicht wird. Für diesen Fall ist nach dem Modell von RENGER u.a. (1982) eine Wassernachlie-ferung aus tieferen Bodenbereichen auszuschließen, die Pflanzen geraten spätesten hier inTrockenstress, die Verdunstungswiderstände steigen an. Diese Annahme wurde durch die Be-obachtung der Reaktionen der Vegetation auf den Lysimetern in solchen Phasen überprüft undbestätigt, indem Welkeerscheinungen beobachtet und ein Anstieg der Verdunstungswider-stände ermittelt werden konnten. Die Annahme, dass hier der Permanente Welkepunkt ohneeine weitere Versorgung aus tieferen Horizonten erreicht wurde, konnte also untermauert undder maximale Weeff auf dieser Grundlage errechnet werden.


Aus den Angaben zu den Bodenkennwertenlässt sich für die pF-Stufe 2,5 der Wasserge-halt für die jeweiligen Horizonte und damitfür den effektiven Wurzelraum ermitteln.Wieder steht die Annahme im Hintergrund,dass eine gleichmäßige Verteilung des pF-Wertes im Weeff vorliegt.

Da der Wassergehalt bei Feldkapazität eben-falls bekannt ist, sind so drei Punkte abzulei-ten, für die der pF-Wert und der Wassergehaltim Weeff bekannt sind. Auf dieser Grundlagewurde eine mathematische Beziehung abge-leitet, aus der auch für andere pF-Werte der

Wassergehalt näherungsweise ermittelt wur-de. Andersherum konnte für die aus den Mes-sungen abgeleiteten Wassergehalte der Lysi-meterböden der jeweilige pF-Wert ermittelt

wK

Deazs

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5

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I

Abbildung 5-10: Ermittlung des effekti-ven Wurzelraumes nach RENGER u.a.1982 (aus SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL

2002)

erden. Die mathematische Formulierung für die drei Bodenvarianten ist im Anhang unterapitel A 5.18 aufgeführt.

er nächste methodische Schritt bestand nun in der Ableitung einer Beziehung zwischen demrmittelten pF-Wert und dem Verdunstungswiderstandswert rc der Vegetation. Dies erfolgtenhand der im vorhergehenden Kapitel beschriebenen Beziehung zwischen Bodenwasserdefi-it und rc. So ließ sich den pF-Werten über das Bodenwasserdefizit ohne weiteres ein Wider-tandswert zuordnen und damit eine Beziehung zwischen pF-Wert und rc-Wert ableiten.

ufgrund dieser mathematisch formulierbaren Beziehung ist es möglich, eine Aussage überen Verlauf der Verdunstungswiderstände aus dem pF-Wert heraus abzuleiten. Es muss aller-ings bedacht werden, dass die hier verwendeten pF-Werte nach einem relativ groben Verfah-en ermittelt wurden. Genauere Betrachtungen sind aufgrund der fehlenden direkten Messun-en mit entsprechender räumlicher Auflösung nicht möglich, wären aber bei entsprechenderechnischer Ausstattung machbar.

.3.3 Ergebnisse

ie oben beschriebene Methodik wurde versuchsweise exemplarisch auf die Datensätze derahre 1997 und 1998 angewendet und dabei auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft. Die Ve-etation bestand in diesen beiden Jahren aus einer kurzen Grasdecke. Das Klima war 1997berdurchschnittlich trocken, während es 1998 eher feucht zu war (vgl. Tab. 4-2).

n der Tabelle 5.3 sind die aus dem Bodenwasserdefizit abgeleiteten maximalen Tiefen des


effektiven Wurzelraumes Weeff dargestellt. Auffällig sind hier die relativ großen Tiefen desWeeff. Als mögliche Erklärung ist dabei zu bedenken, dass die Grasvegetation nicht bewässertwurde und das geringe Wasserangebot möglicherweise zu großen Durchwurzelungstiefenführte.

Tabelle 5-3: Maximale Tiefe [dm]des effektiven Wurzelraumes Weeff, abgeleitet aus dem Bo-denwasserdefizit

Außerdem ist zu vermuten, dass sich der Humusgehalt des Ap-Horizontes im Laufe der Jahreseit der Entnahme der Lysimeterböden durch die veränderte Bewirtschaftung gegenüber derfrüheren landwirtschaftlichen Nutzung erhöht hat. Durch einen höheren Humus-Anteil erhöhtsich die Wasserspeicherfähigkeit des Ap-Horizontes. Dies würde nach dem oben beschriebe-nen Verfahren rechnerisch zu einem überhöhten effektiven Wurzelraum führen. Insbesonderewirkt sich dies vermutlich auf den Lehmboden aus, für den mit 9 dm ein unrealistisch hoherWert ermittelt wurde. Aufgrund des geringen Porenvolumens im Bereich höherer pF-Wertewirkt sich ein solcher Fehler hier besonders stark aus.

In den Abbildungen 5.10 bis 5.12 ist das Verhältnis zwischen pF-Wert und rc-Wert für diedrei Bodenvarianten dargestellt. Die Werte der Jahre 97 und 98 wurden zusammengefasst.

Sand 97-98

0

200

400

600

800

1000

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5pF-Wert

rc-W

ert [

s/m

]

Abbildung 5-11:Verhältnis zwischen Verdunstungswiderstand rc und pF-Wert für Grasvegeta-tion auf Sandboden 1997 und 1998, Grundwasserfern

Sand Lehm Schluff

6 9 7


Lehm 97

0

200

400

600

800

1000

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5pF-Wert

rc-W

ert [

s/m

]

Abbildung 5-12:Verhältnis zwischen Verdunstungswiderstand rc und pF-Wert für Grasvegeta-tion auf Lehmboden 1997 und 1998, Grundwasserfern

Schluff 97-98

0

200

400

600

800

1000

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5pF-Wert

rc-W

ert [

s/m

]

Abbildung 5-13:Verhältnis zwischen Verdunstungswiderstand rc und pF-Wert für Grasvegeta-tion auf Schluffboden 1997 und 1998, Grundwasserfern

Die Widerstandswerte bewegen sich zwischen 100 und 1000, die pF-Werte zwischen 1,8 und4,2. Bei allen drei Bodenvarianten ist ein ähnlicher Verlauf festzustellen. Die Widerstands-werte verbleiben im wesentlich zunächst auf einem Niveau von ca. 100 s/m. Die entsprichtdem im vorangegangen Kapitel beschriebenen Basiswert. Bei erreichen eines pF-Wertes vonca. 3,8 ist dann ein deutlicher Anstieg der Widerstandswerte festzustellen. Das Maximum desWiderstandes rc ist dann bei einem pF-Wert von 4,2, dem Permanenten Welkepunkt, erreicht.

An die Punkteschar wurde eine Kurve angepasst, die den Verlauf möglichst gut wiedergibt.Dabei wurde keine rein mathematische Optimierung gewählt, die den Bereich der hohenWerte nicht befriedigend wiedergeben würde. Vielmehr wurden bestimmte Randbedingungenvorgegeben, die unbedingt erfüllt sein sollten. So sollte die Kurve zu Beginn auf einem Ba-siswert verbleiben, um dann im hinteren Teil einen deutlichen Anstieg zu erfahren. Auf dieseWeise sollen die physikalischen Vorgänge möglichst realistisch abgebildet werden. Der mi-nimale und der maximale pF-Wert von 1,8 und 4,2 sollten dabei nicht unter- bzw. überschrit-


ten werden. Unter diesen Randbedingungen wurden jeweils Kurven für die drei Bodenvarian-ten angepasst, wobei bewusst darauf abgezielt wurde, nur eine Funktion für alle drei Bodenva-rianten zu erhalten. Es zeigte sich, dass ein und derselbe Kurvenverlauf alle drei Varianten inangemessener Weise wiedergibt. Die in den drei Grafiken dargestellte Kurve hat mathema-tisch folgende Form:

5*025,0*100 pFc er =

Auf der Grundlage dieser Beziehung lässt sich aus den pF-Werten der Verdunstungswider-standswert rc für eine kurze Grasdecke näherungsweise ableiten. Dies gilt unabhängig von derBodenvariante, da hier nur die Bindungskräfte des Bodenwassers herangezogen werden .

Der große Vorteil einer solchen Beziehung liegt darin, dass der Verdunstungswiderstand aus-schließlich aus einem Parameter, und zwar aus einem rein bodenspezifischen, ermittelt wer-den kann. Auf dieser Grundlage ist es theoretisch möglich, durch Bodenwassergehaltsmes-sungen im Feld den Verdunstungswiderstand mit hoher zeitlicher Auflösung zu bestimmen.Dies würde eine deutliche Reduzierung des hohen Aufwandes bedeuten, der in der Regel zurBestimmung des Verdunstungswiderstandes in Form von Lysimetermessungen oder mikro-meteorologischen Messungen betrieben werden muss.

Eine Ableitung des Verdunstungswiderstandes aus dem pF-Wert ist insofern naheliegend, alsdas dieser Wert die Stärke der Bindungskräfte des Wassers kennzeichnet, das die Pflanzennutzen. Sind diese Kräfte sehr hoch, muss die Pflanze viel Kraft aufwenden, um dem BodenWasser zu entziehen. Auf sehr starke Wasserbindung nahe des Permanenten Welkepunktesreagiert die Pflanze dann mit einer Einschränkung der Verdunstung durch das Schließen derStomata. Dieser an sich klare Zusammenhang spricht für die Ableitung von rc aus dem pF-Wert.

Es lässt sich jedoch keine Aussage über der Pflanze zur Verfügung stehende Wassermengeableiten. Die jeweiligen pF-Stufen können also je nach Bodenvariante zu sehr unterschiedli-chen Zeitpunkten erreicht werden. Dies ist abhängig von der Verdunstungsleistung der Vege-tation die davon abhängig ist, wie das zur Verfügung stehende Bodenwasser für die Pflanzeerreichbar ist. Dies ist wiederum vom Porengefüge des Bodens und der Durchwurzelungsin-tensität abhängig. Aussagen über Verdunstungsleistung und zeitlichen Verlauf lassen sich ausder oben genannten Beziehung nicht ableiten.

Zur Absicherung der Gültigkeit der Ergebnisse für die Grasvegetation, evtl. auch für andereGrundwasserstände, müssen weitere Untersuchungen vorgenommen werden. Auch die Über-tragungsmöglichkeit der abgeleiteten Beziehung auf andere Kulturen muss durch weitere Un-tersuchungen ermittelt werden, die den Rahmen der vorliegenden Arbeit gesprengt hätten.Denkbar wäre darüber hinaus eine Absicherung der Ergebnisse für weitere Bodenvarianten.


Generell konnte allerdings gezeigt werden, dass die angewandte Methodik am Beispiel derGrasvegetation zu den gewünschten Ergebnissen führte. Sie kann also die Grundlage für wei-tere Untersuchungen zu Ableitung einer Beziehung zwischen pF-Wert und rc-Wert bilden.

5.4 Diskussion

Die Ergebnisse der Tabelle 5-4 zeigen, dass die ermittelten Basiswerte der Bestandeswider-stände mit Angaben anderer Autoren weitgehend übereinstimmen.

Tabelle 5-4: Basiswerte der Bestandeswiderstände (rc) verschiedener Autoren und eigene Ergebnisse

Autoren/Kulturen Methode Mais Weizen Gras Luzerne

KELIHER u.a. (1995) Zusammenstellung v. An-gaben verschied. Autoren 20 – 45 40 - 91 20

Löpmeier (1987) Bodenfeuchtemessungen 73 38

ALLEN (1986) Lysimeter 40 - 80 45 – 70DVWK-Merkblätter 238(1996) Allgemeine Abgaben 30 - 90 30 - 90 30 - 90 30 – 90

Szeicz & Long (1969) Verschiedene Berech-nungsmethoden 26

SZEICZ u.a. (1969) Bowen-Verhältnis 30 – 70

RUSSELL (1980) Wassergehaltsmessungen 40

Menzel (1997) Lysimeter 10 - 100

Eigene Erhebungen Lysimeter 90 - 130 30 - 50 75 - 85 20 – 50

Es kann daraufhin festgestellt werden, dass mit der eingesetzten Methodik zur Bestimmungder Basiswerte für rc auf der Grundlage der beschriebenen Lysimetermessungen glaubwürdigeErgebnisse erzielt werden. Grundsätzlich ist damit die Eignung der Methodik gezeigt.

Eine Einschränkung muss für trockene Phasen gemacht werden. Aufgrund der nicht immerausreichenden Tiefe der Lysimeter tritt eine Austrocknung des gesamten effektiven Wurzel-raumes bei tiefwurzelnden Pflanzen nicht auf. Zumindest ein Kontakt zwischen Kapillarsaumund effektiver Wurzeltiefe besteht in aller Regel. Dadurch kommt ein extremer Wassermangelfür die Vegetation nicht vor und dementsprechend stellen sich keine Maximalwerte der Be-standeswiderstände ein. Die Extremwerte, die in der Literatur angegeben werden, werden des-halb im wesentlichen nur für Gras erreicht.

Es zeigt sich also, dass die Tiefe der Lysimeter nicht ausreichend ist, um eine Wasserversor-gung tiefwurzelnder Pflanzenbestände über die Kapillarwasserzone auszuschließen. Die ef-fektive Wurzeltiefe bei Ackergesellschaften erreicht nach DVWK (1996) in der Regel 1 m,


wobei für die untersuchten Kulturen (außer Gras) von größeren Tiefen ausgegangen werdenkann. In der Tabelle 5-5 sind die mittleren effektiven Wurzeltiefen für Acker und Rasen nachDVWK (1996) aufgeführt.

Tabelle 5-5: Effektive Wurzeltiefe We in [dm] für verschiedene Nutzungsformen und Bodenarten(DVWK 1996)

Nutzung / Bodenart Sand Lehm Schluff

Acker 9 11 10

Rasen 4 – 9 5 – 6 5

Beim Gras ist eine starke Austrocknung des Wurzelraumes und damit ein Anstieg der Wider-stände aufgrund der geringen effektiven Durchwurzelungstiefe von ca. 50 cm durchgehend beiallen Böden der Fall. Der Effektive Wurzelraum und die Kapillarwasserzone berühren sichhier offenbar nicht.

Durch die Analyse der Widerstandsverläufe zeigt sich für die anderen Kulturen, dass diePflanzen in der Lage sind entweder aus der kapillarwasserbeeinflussten Zone oder aus demunmittelbaren Bereich der Saugkerzen des Unterdrucksystems am Lysimeterboden Wasser zuziehen. Dies ergibt sich daraus, dass die Maximalwerte bei weitem nicht erreicht werden, ob-wohl der Wassergehalt des Bodens dies stark zurückging. Die Simulation natürlicher Verhält-nisse mit einem tiefen Grundwasserstand ist so nicht möglich.

Die Mindestanforderungen an die bauliche Ausführung von Lysimetern sind in dem ATV-DVWK (2002), Kap. 3, Anhang 1 beschrieben. In der folgenden Tabelle 5-6 sind die dort ge-forderten Lysimetertiefen für landwirtschaftliche Kulturen aufgeführt:

Tabelle 5-6: Mindestanforderungen an die bauliche Ausführung von Lysimetern (ATV-DVWK 2002)

hET [m ] (Sommer) hK [m] hL [m]

Sandböden 0,7 - 1,0 0,4 - 0,6 > 1,0 - 1,6Lehmig-schluffige Böden 0,9 - 1,3 0,9 - 1,6 > 1,7 - 2,9

(hET = verdunstungsbeeinflusste Bodenzone, hk = Kapillarwasserzone, hL = Lysimetertiefe)

Die Eignung von Lysimetern hängt also stark von der Fragestellung ab. Die hier eingesetztenLysimeter erscheinen geeignet, die Basiswerte der Bestandeswiderstände zu bestimmen undeine Abhängigkeit vom Bodenwassergehalt aufzuzeigen. Möchte man das gesamte Spektrumder Widerstände mit allen denkbaren Bodenwassergehalten eines natürlichen grundwasserfer-nen Standortes abdecken, erweisen sich die Lysimeter mit der vorhandenen baulichen Aus-stattung für tiefwurzelnde Kulturen als nicht ausreichend. Um das Spektrum der Bodenwas-sergehalte zu erweitern, wäre es möglich, die ständige Nachspeisung durch den kapillarenAufstieg, also die Speisung aus dem Grundwasser, auszuschließen. So wären in verdun-stungsintensiven Phasen sehr viel niedrigere Bodenwassergehalte und somit auch höhere Wi-derstandswerte zu erwarten. Für sehr tiefwurzelnde Pflanzen stellt die Tiefe von 1,5 m aller-


dings immer noch eine Einschränkung gegenüber natürlichen Verhältnissen dar.

Es stellt sich dann die Frage, welche Tiefe die Lysimeter haben sollten und ob das technischund ökonomisch noch realisierbar ist, wenn, wie bei der Luzerne, ein Wurzelraum bis zu dreim Tiefe möglich ist. Für solche Untersuchungen muss dann evtl. auf andere Methoden zu-rückgegriffen werden.

Abschließend kann trotz der Einschränkungen hervorgehoben werden, dass die Methodikgrundsätzlich zur Ermittlung von Widerstandswerten geeignet ist. Die ermittelten Basiswerte,die Verläufe der Widerstände sowie die abgeleiteten Schwellenwerte sind weitgehend vertrau-enswürdig. Mit einer modifizierten Ausstattung zur Datenerfassung ist darüber hinaus einesehr hohe zeitliche Auflösung der Messungen und somit eine ereignisbezogene Betrachtungder Widerstandsverläufe möglich.

Durch die Ermittlung der Schwellenwerte wird es im Prinzip möglich, durch gezielte Bewäs-serung landwirtschaftlicher Kulturen den Anstieg des Bestandeswiderstandes zu vermeidenund so Ertragseinbußen bei minimaler Bewässerung entgegenzusteuern. Dabei kann sich derBodenwassergehalt durchaus in einem niedrigen Niveau bewegen, solange der Schwellenwertnicht erreicht wird. Die Bewässerungskosten können dadurch minimiert werden.

Durch die Anwendung der beschriebenen Methodik zur Ableitung einer Beziehung zwischenpF-Wert und Verdunstungswiderstandswert rc erscheint es möglich, aus dem Verlauf des pF-Wertes den Anstieg von rc und damit den Bewässerungsbedarf abzuleiten.

6. Gras-Referenzverdunstung 85

6. Gras-Referenzverdunstung

Die Grundlagen des Konzeptes der Gras-Referenzverdunstung wurden bereits eingeführt(s. Kap. 3.3.7). Sie stellt eine Definition der potentiellen Evapotranspiration dar, die auf derVerdunstung einer optimal versorgten Referenzvegetation basiert. Als Referenzvegetationwurde eine Grasdecke mit festgelegten Eigenschaften ausgewählt.

Die reale Evapotranspiration beliebiger Pflanzenbestände lässt sich durch Multiplikation derReferenzverdunstung ET0 mit den bereits erwähnten pflanzenspezifischen K-Faktorenberechnen. Vorraussetzung für die Berechnung der realen Evapotranspiration ist die möglichstgenaue Bestimmung dieser Faktoren. Die K-Faktoren für die jeweiligen Pflanzenkulturenlassen sich auf der Grundlage von zuverlässigen Messwerten der Bestandesverdunstung ETr

ableiten. Die Reaktionen der Pflanzenbestände auf Wassermangel lassen sich durch dasVerfahren nicht nachbilden, da keine Informationen über den Wassergehalt des Bodensverarbeitet werden.

In diesem Kapitel wird zunächst das Verfahren der Food and Agriculture Organization derVereinten Nationen (FAO) (ALLEN u.a. 1998) zur Berechnung der K-Faktoren vorgestellt undauf dieser Grundlage die K-Faktoren ermittelt. Dabei werden die Daten der Lysimeteranlageals Grundlage verwendet. Desweiteren werden eigene K-Faktoren für zwei Pflanzenkulturen,Mais und Weizen, auf der Grundlage der Verdunstungsmessungen der Lysimeteranlageermittelt. So können eigene gemessene K-Werte zur Absicherung dieses Verfahrensbeigetragen werden.

Die Ergebnisse für die K-Faktoren werden miteinander verglichen, um so eine Bewertung derGültigkeit des FAO-Verfahrens für die hiesigen Bedingungen ableiten zu können. Es solluntersucht werden, unter welchen Bedingungen es zu Übereinstimmungen oder auchDifferenzen kommt. Alle Berechnungen werden auf Tagesbasis durchgeführt.

6.1 Bestimmung der Kc-Faktoren

Eine detaillierte Darstellung der Gras-Referenzverdunstung und des Verfahrens für dieAbleitung der K-Faktoren ist in ALLEN u.a. (1998) zu finden. Im Folgenden werden die für dievorliegende Arbeit bedeutsamen Aspekte für die Ableitung der K-Faktoren aus dieserVeröffentlichung aufgeführt.


Die Berechnung der realen Evapotranspiration für Pflanzenbestände ETc auf der Grundlageder Referenzverdunstung erfolgt durch die Multiplikation der Referenzverdunstung ET0 miteinem Faktor Kc:

0* ETKET cc = (Gleichung 6-1)

Mit dieser Gleichung lässt sich zunächst die Evapotranspiration von Pflanzenbeständen unterden lokal vorherrschenden klimatischen Bedingungen berechnen. Den Randbedingungen derReferenzverdunstung entsprechend, handelt es sich dabei um eine geschlossenePflanzendecke. Die Differenzen zwischen der Verdunstung der Referenzvegetation und derbetrachteten Vegetation werden in dem Faktor Kc subsummiert.Diese Unterschiede werden durch einen in Folge der Wuchshöhe anderen aerodynamischenWiderstand und einen pflanzenphysiologisch begründeten Bestandeswiderstand verursacht.Dabei ist zu beachten, dass sich die Referenzvegetation ausschließlich auf einen gutversorgten Bestand bezieht. Die Reaktion auf Trockenheit wird im Kc-Faktor subsummiert.Abweichungen von der Referenzvegetation treten auch durch eine andere Albedo vor allembei unvollständigem Bedeckungsgrad zu Beginn der Vegetationsperiode auf. In dervorliegenden Arbeit werden diese Einflüsse durch die Messung der Strahlungsbilanz direkt imBestand erfasst.

Neben den Eigenschaften der Vegetation ist das Klima ein wesentlicher Einflussfaktor für Kc.Generell gilt, dass zunehmende Humidität und abnehmende Windgeschwindigkeiten einesgemäßigten Klimas geringere Kc-Werte verursachen, während Aridität und hoheWindgeschwindigkeiten für höhere Kc-Werte und somit für eine höhere Verdunstung sorgen(vgl. Allen (1998) S. 91 ff.).

Der Kc-Faktor bewegt sich um den Wert eins und nimmt für große Pflanzen wie Mais unterhumidem Klima mit moderaten Windgeschwindigkeiten einen Wert von 1,2 an (vgl. ALLEN

(1998) S. 91 ff.). Für andere Pflanzenbestände kann Kc sich aber durchaus auch unter einsbewegen. Für Mais wird in ALLEN (1998) innerhalb extremer Klimabedingungen eineSpannweite für Kc in Abhängigkeit der genannten Einflussgrößen von 1,05 bis 1,44angegeben.

Um der unterschiedlichen Verdunstungsleistung von Pflanzenbeständen in Abhängigkeit vonEntwicklungsstufen gerecht zu werden, werden in ALLEN (1998) S. 95 ff. vier Stadien derPflanzenentwicklung eingeführt. Es handelt sich dabei um ein Initialstadium (Lini), einEntwicklungsstadium (Ldev), ein mittleres Stadium (Lmid) und ein Endstadium (Llate). Angabenzur Dauer der Stadien für verschiedene Pflanzenbestände sind Tabellen zu entnehmen, wobeidie jeweiligen lokalen Verhältnisse zu berücksichtigen sind und sich dadurch Abweichungenvon den vorgeschlagenen Werten ergeben können.


In Tabelle 6-1 sind die Längen dieser Entwicklungsstadien für die hier untersuchtenPflanzenbestände Mais und Sommerweizen nach FAO-Angaben und nach eigenenErhebungen aufgeführt. Die Länge der Stadien der Versuchsvegetation wurde anhand dererhobenen Daten der Pflanzenentwicklung auf der Lysimeteranlage ermittelt. Dabei wurdendie Stadien anhand der Entwicklung der Wuchshöhe in Kombination mit der Veränderung derPflanzenverdunstung ermittelt. So ist beispielsweise davon auszugehen, dass die größteZunahme der Wuchshöhe durch die hohe biologische Aktivität in der Entwicklungsphase Ldev

mit hohen Verdunstungswerten zusammenfällt, während in der Endphase Llate trotz großerWuchshöhe aufgrund der verstärkten Ausbildung des Fruchtstandes und einer Einschränkungder Versorgung des Blattwerkes die Verdunstung zurückgeht. Der Verlauf derPflanzenverdunstung gibt dabei Anhaltspunkte für die Identifizierung der Grenzen zwischenden einzelnen Stadien.

Tabelle 6-1: Länge der Entwicklungsstadien in Tagen (ALLEN 1998)

Lini Ldev Lmid Llate Gesamt

Mais, FAO 30 40 50 30 150

Mais,Messungen 14 36 48 34 133

Weizen, FAO 20 25 60 30 135

Weizen,Messungen 20 22 64 12 120

In der FAO-Anleitung werden zwei Vorgehensweisen zur Berechnung von ETc beschrieben.Das erste Verfahren arbeitet mit einem Kc-Wert, der Transpiration und Evaporation desPflanzenbestandes zusammenfasst. Dieses Verfahren wird durch Gleichung 6-1 beschrieben.

Um differenziertere Angaben über die Evapotranspiration eines Pflanzenbestandes machen zukönnen, wird in einem zweiten Verfahren der Kc-Wert in zwei Faktoren aufgesplittet, die dieTranspiration der Pflanze (Kcb) und die Evaporation aus dem Boden (Ke) beschreiben.

Es ergibt sich dann für ETc:

0*)( ETKKET ecbc += (Gleichung 6-2)

Der Basis-Koeffizient Kcb beschreibt nur die Transpiration der Vegetation. Wenn der Bodenvollkommen ausgetrocknet ist, entspricht Kcb dem Faktor Kc. Werte für Kcb verschiedener


Pflanzenkulturen und für die jeweiligen Entwicklungsstadien sind einer Tabelle in ALLEN

(1998), S. 136 zu entnehmen. Diese Werte gelten für einen definierten Klimabereich undmüssen bei abweichenden Bedingungen angepasst werden.

Der Faktor Ke beschreibt dagegen die Evaporation aus dem Boden. Dieser Wert ist nach einerBewässerung oder einem Niederschlagsereignis hoch, nimmt aber mit der Austrocknung desOberbodens schnell ab (vgl. ALLEN (1998), S. 99 ff).

Die Aufsplittung in die beiden K-Werte ermöglicht somit ein genaueres Bild über denVerdunstungsverlauf als der einfache Kc-Wert.

Die Vorgehensweise zur Ermittlung der beiden K-Werte wird im folgenden eingehendbeschrieben. Es werden anhand der FAO-Angaben auf der Datengrundlage der Station inDahlem die Faktoren für Mais und Weizen bestimmt, um die Ergebnisse für die realeEvapotranspiration ETc mit den Messdaten ETr zu vergleichen.

6.1.1 Der Transpirationskoeffi zient Kcb

Die Kcb-Werte sind in einer Tabelle der FAO-Publikation aufgeführt. Diese Angaben geltenallerdings für einen Pflanzenbestand ohne Wassermangel in subhumiden Klimaten mit einemLuftfeuchte-Minimum (Tageswert) von ca. 45 % und einer durchschnittlichenWindgeschwindigkeit von 2 m/s. Entsprechen die lokalen Verhältnisse nicht diesenBedingungen, müssen Korrekturen der Kcb-Werte vorgenommen werden. In der folgendenTabelle sind zunächst die unkorrigierten Werte aufgeführt. Es wird dabei eine Aufteilung indrei Hauptentwicklungsphasen, einer Initialphase (Kcb ini), einer mittleren Hauptphase (Kcb mid)mit den höchsten Aktivitäten und einer Endphase (Kcb end) mit geringerer Aktivität, inAnlehnung an die bereits eingeführten Entwicklungsphasen der Vegetation vorgenommen.Durch die Arbeit mit einer Lysimeterstation sowie anderer Feldarbeiten verfüge ich über eineumfangreiche experimentelle Erfahrung auch in der Erhebung bodenkundlicher Daten. DieDatenerhebung, die weitere Datenverarbeitung und die Visualisierung von Ergebnissengehörte dabei zum Arbeitsalltag.

Tabelle 6-2: Basis-Koeffizienten Kcb (ALLEN 1998)

Kcb ini Kcb mid Kcb end

Mais 0,15 1,10 0,15

Weizen 0,15 1,15 0,5

Mit der Gleichung 6-3 werden die Koeffizienten an die Klimaverhältnisse in Berlin-Dahlemangepasst. Das Luftfeuchte-Minimum weicht im Versuchszeitraum für Dahlem nur


unwesentlich von den geforderten 45 % ab, die mittlere Windgeschwindigkeit ist durch diegeschützte Stationslage allerdings deutlich kleiner als die Bedingung von 2 m/s. Die deshalbnötige Korrektur wurde nach Gleichung 6-3 durchgeführt:

3,0

min2)( 3*)]45(004,0)2(04,0[ ��

�−−−+= hRHuKK Tabcbcb(Gleichung 6-3)

Mit:Kcb(Tab): unkorrigierter Kcb-WertU2: Mittlere Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe während des mittleren oder EndstadiumsRHmin: (Mittleres) Tagesminimum der Luftfeuchte während des mittleren oder Endstadiumsh: Wuchshöhe während des mittleren oder Endstadiums

Für den Sommerweizen 1995 wurden mittlere Tagesminima der Luftfeuchte von 44,7 % fürdas mittlere und 46,9 % für das Endstadium gemessen. Die mittlere Windgeschwindigkeitbetrug 1,1 m/s für beide Stadien. Die mittlere Wuchshöhe für die Zeiträume betrug 0,66 mund 0,99 m. Kcb ini wird nicht angepasst, da nur Werte über 0,45 korrigiert werden müssen.

Für das Jahr 1994 mit Maisbewuchs wurden nur die Werte für das mittlere Stadium ermittelt,da für das Endstadium laut FAO-Angaben der Kcb ini-Wert verwendet werden konnte. Dasmittlere Tagesminimum der Luftfeuchte betrug 46,3 %, die mittlere Windgeschwindigkeitbelief sich auf 0,9 m/s. Die mittlere Wuchshöhe liegt bei 1,1 m. Kcb ini wurde nicht angepasstda der Wert kleiner als 0,45 ist.

Somit ergeben sich für Kcb folgende klimakorrigierte Werte, die nur unwesentlich von denursprünglichen Werten abweichen:

Tabelle 6-3: Klimakorrigierte Basis-Koeffizienten Kcb (ALLEN 1998)

Kcb ini Kcb mid Kcb end

Mais 0,15 1,06 0,15

Weizen 0,15 1,17 0,52


Die Kcb-Werte können jetzt den eingangs erläuterten Stadien der Pflanzenentwicklungzugeordnet werden. Für die jeweiligen Stadien kann dann der entsprechende Kcb-Wert mit derGras-Referenzverdunstung ET0 multipliziert werden, um so die Transpiration der Vegetationin dieser Entwicklungsphase zu bestimmen. Für den Kcb-Wert für Mais ergibt sich damit diefolgende grafische Darstellung:

Auf dieser Grundlage lässt sich die Transpiration des Maisbestandes mit den Klimadaten derLysimeteranlage nach der FAO-Methodik berechnen. Die Kcb-Werte für dasEntwicklungsstadium Ldev und für die Phase zwischen Lmid und Lend wurden durch lineareInterpolation ermittelt. Für den Sommerweizen ergibt sich entsprechend eine sehr ähnlicheDarstellung in Abblildung 6.2.

Abbildung 6-1: Transpirationskoeffizient Kcb für Körnermais

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

02.05

.94

09.05

.94

16.05

.94

23.05

.94

30.05

.94

06.06

.94

13.06

.94

20.06

.94

27.06

.94

04.07

.94

11.07

.94

18.07

.94

25.07

.94

01.08

.94

08.08

.94

15.08

.94

22.08

.94

29.08

.94

05.09

.94

Kcb

[ ]

Kcb mid

Kcb end

Kcb ini

L ini L dev L mid L late


Der Unterschied zwischen den Kcb-Faktoren für Mais und Weizen liegt neben dem etwasunterschiedlichen zeitlichen Verlauf in dem Wert für die Hauptwachstumsphase Kcb mid. FürMais liegt dieser Faktor, der im wesentlichen die Differenz der Transpiration gegenüber derder Referenzvegetation steuert, bei ca. 1,05, für Weizen bei ca. 1,18. Für die anderen Phasenunterscheiden sich die Werte nicht.

6.1.2 Der Evaporationskoeffizient Ke

Der Koeffizient Ke beschreibt die Evaporationskomponente der realen EvapotranspirationETc. Ke bewegt sich zwischen einem Maximum von über eins bei feuchter Oberfläche undeinem Wert gleich Null bei trockenem Oberboden. Wesentlich für die Genauigkeit derVerdunstungsberechnungen ist die genaue Beschreibung der Speicherverhaltens des Teils desOberbodens, der das für die Evaporation zur Verfügung stehende Wasser zwischenspeichert.Nach ALLEN (1998) gilt für Ke:

)),(min( maxmax cewcbcre KfKKKK −= (Gleichung 6-4)

Abbildung 6-2: Transpirationskoeffizient Kcb für Sommerweizen

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

02.04

.95

09.04

.95

16.04

.95

23.04

.95

30.04

.95

07.05

.95

14.05

.95

21.05

.95

28.05

.95

04.06

.95

11.06

.95

18.06

.95

25.06

.95

02.07

.95

09.07

.95

16.07

.95

23.07

.95

30.07

.95

Kcb

Kcb mid

Kcb end

Kcb ini



Die Gleichung besteht aus zwei eigenständigen Teilen. Es wird jeweils das kleinere Ergebnisdieser beiden Teile verwendet. Der aus Kc = (Kcb + Ke) berechnete Faktor Kc kann dabei einenmaximalen Wert Kc max, der sich aus der maximal für die Verdunstung zur Verfügungstehenden Energie ergibt, nicht überschreiten (s. Gleichung 6-7). Kr bezeichnet einenReduktionskoeffizienten, der die Evaporation in zwei Stadien einteilt. Im ersten Stadium mitausreichender Wasserversorgung der Oberfläche wird die Evaporation nur durch dieverfügbare Verdunstungsenergie begrenzt, es gilt hier Kr = 1. In dem zweiten Stadium wirddie Evaporation durch die Abnahme der Wassergehaltes des Oberbodens und der mehr undmehr reduzierten Nachlieferung an Wasser bestimmt. In dieser Phase fällt Kr von eins auf nullfür völlig ausgetrockneten Boden zurück. Kr berechnet sich nach:

REWTEWDTEW

K ier −

−= −1, (Gleichung 6-5)

Mit:TEW : Maximale kumulierte Evaporation aus der Bodenoberfläche bei kompletter Ausschöpfung (Kr = 0) [mm]REW : Kumulierte Evaporation aus der Bodenoberfläche am Ende des ersten Stadiums (Kr = 1) [mm]De,i-1 : Kumulierte Evaporation aus der Bodenoberfläche am Ende des vorhergehenden Tages

TEW kann mit

eZWPFKTEW )50,0(1000 θθ −= (Gleichung 6-6)

berechnet werden. Für TEW und REW finden sich in ALLEN (1998) Angaben für ein weitesSpektrum an Bodenarten. In Tabelle 6-4 sind nur die notwendigen Werte für die Berechnungvon Kr für die Bodenvarianten der Lysimeteranlage aufgeführt. Die Wassergehalte beiFeldkapazität (θFK) und Welkepunkt (θWP) entstammen eigenen Messungen, die Werte fürTEW wurden auf dieser Grundlage berechnet, während REW den FAO-Angaben entnommenwurde, da keine Meßwerte für die Evaporation vorlagen. Die angenommene Mächtigkeit derevaporationswirksamen Bodenschicht (Ze) beträgt 0,1 m.

Tabelle 6-4: Wassergehalte der Lysimeterböden zur Berechnung der Evaporation

Bodenwasser/

BodenartθθθθFK

[m³/m³]θθθθWP

[m³/m³]

TEW[mm]

REW[mm]

Sand 0,24 0,05 21 10

Lehm 0,24 0,11 18 9

Schluff 0,35 0,22 24 10


Der für die Berechnung von Ke nach Gleichung 6-4 benötigte Parameter Kc max errechnet sichaus:

[ ] { }�

��

�

�+

�

��

��

�

��

��

�−−−+= 05,0,3

*)45(004,0)2(04,02,1max3,0

min2max cbc KhRHuK (Gleichung 6-7)

Mit:Kcb(Tab): unkorrigierter Kcb-WertU2: Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe während des mittleren oder EndstadiumsRHmin: Mittleres Tagesminimum der Luftfeuchte während des mittleren oder Endstadiumsh: Wuchshöhe während des mittleren oder Endstadiums

Die für den ersten Teil der Gleichung 6-4 jetzt noch fehlenden Werte für Kcb wurden bereitsberechnet und können dem vorangegangenen Kapitel entnommen werden.Der zweite Teil der Gleichung 6-4 besteht aus dem Produkt aus der freiliegenden undbenetzbaren Oberfläche des Bodens (few) und Kc max.

Der Parameter few wird nach der folgenden Formel ermittelt:

),1min( wcew fff −= (Gleichung 6-8)

Mit:1 - fc : Anteil der freiliegenden nicht bedeckten oder beschatteten Bodenoberflächefw : Anteil der Bodenoberfläche, die durch Niederschlag oder Bewässerungswasser benetzt wird

Für die benetzbare Oberfläche (fw) wird für Niederschlagsereignisse der Wert 1 angegeben,was einer Befeuchtung der gesamten Bodenoberfläche entspricht. Für verschiedeneBewässerungsmethoden können hier andere Werte eingegeben werden.Die Berechnung der von Vegetation bedeckten Bodenoberfläche fc erfolgt durch folgendeFormel:

)5,01(

minmax

minh

cc

ccbc KK

KKf+

��

�

−−

= (Gleichung 6-9)

Kc min wird hier gleich dem von Kcb ini mit 0,15 angenommen, die anderen Parameter wurdenbereits ermittelt.

Die Berechnungen der K-Werte nach der FAO-Anleitung wurden auf der Grundlage derMaßwerte der kompletten Datensätze inklusive der Niederschlagstage durchgeführt. FürVergleiche mit den Messwerten der Evapotranspiration, bei der die Niederschlagstage nichtberücksichtigt wurden, wurden die Datensätze entsprechend um die Niederschlagstagereduziert.


Der Verlauf der auf der Grundlage der vorangegangenen Betrachtungen berechneten Ke-Werte ist für die untersuchten Bodenvarianten (S, L, U) in den Abbildungen 6-3 und 6-4dargestellt.

Abbildung 6-4: Ke-Werte für Sommerweizen

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

01.05

.94

08.05

.94

15.05

.94

22.05

.94

29.05

.94

05.06

.94

12.06

.94

19.06

.94

26.06

.94

03.07

.94

10.07

.94

17.07

.94

24.07

.94

31.07

.94

07.08

.94

14.08

.94

21.08

.94

28.08

.94

04.09

.94

Ke [

]

Ke_S Ke_L Ke_U

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

01.04

.95

08.04

.95

15.04

.95

22.04

.95

29.04

.95

06.05

.95

13.05

.95

20.05

.95

27.05

.95

03.06

.95

10.06

.95

17.06

.95

24.06

.95

01.07

.95

08.07

.95

15.07

.95

22.07

.95

29.07

.95

Ke [

]

Ke_S Ke_L Ke_U

Abbildung 6-3: Ke-Werte für Körnermais


Es wird deutlich, wie Ke mit zunehmender Vegetationsentwicklung (L dev) immer weiterabnimmt, bis ein Wert nahe Null während der Hauptentwicklungsphase (L mid) erreicht wird.Während der Initialphase (L ini), in der noch keine Vegetationsdecke vorhanden ist, bestimmtdie Evaporation mit einem Ke-Wert von ca. 1,05 zu 100 % das Verdunstungsgeschehen desBestandes. In der Hauptwachstumsphase (L mid) dagegen ist der Anteil der Evaporation ander gesamten Bestandsverdunstung nur sehr niedrig, da die Transpiration durch die Pflanzenstark dominiert. Der Boden ist weitestgehend von der Vegetation bedeckt, so dass an derBodenoberfläche die Einstrahlung, die Windgeschwindigkeit und der Wasserdampfgradientnur sehr gering sind und es dadurch zu nur minimalen Verdunstungswerten kommt. An derGrößenordnung des Ke-Wertes (Kc max von ca. 1,2 kann nicht überschritten werden) lässtsich ablesen, dass in dieser Phase ca. 95 % der Verdunstungsleistung durch die Transpirationgeleistet wird.

Differenzen zwischen den Bodenvarianten treten in beiden Fällen nur unmittelbar vor demAbfall des Ke-Wertes auf das niedrige Niveau der mittleren Phase auf. An dieser Stelle wirkensich die TEW- und REW-Werte aus Tabelle 6-4. aus. Die unterschiedliche Speicherkapazitätder Bodenvarianten bewirkt eine Differenzierung der Ke-Werte solange die Evaporation dieVerdunstung bestimmt. Der Speicherraum des Oberbodens wird ausgeschöpft, für dieEvaporation ET0 * Ke ergeben sich so verschiedene Werte für die Bodenvarianten. Für dieübrigen Phasen ist diese Differenzierung nicht mehr festzustellen, da der Boden nicht denoben genannten Klimafaktoren ausgesetzt ist.

Abbildung 6-5: Ke-, Kcb- und Kc-Werte für Mais

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

02.05

.94

09.05

.94

16.05

.94

23.05

.94

30.05

.94

06.06

.94

13.06

.94

20.06

.94

27.06

.94

04.07

.94

11.07

.94

18.07

.94

25.07

.94

01.08

.94

08.08

.94

15.08

.94

22.08

.94

29.08

.94

05.09

.94

Kcb mid

Kcb end

Kcb ini


Ke

Kc


Zur leichteren Handhabung der Daten wurde im Weiteren auf die Unterscheidung nachBodenvarianten verzichtet und die Ke-Werte zu einem Wert zusammengefasst.

In den Abbildungen 6-5 und 6-6 ist der Verlauf des Kcb-Wertes, des Ke-Wertes, sowie der ausder Summe resultierende Kc-Wert für Mais und Sommerweizen dargestellt.

Es zeigt sich, dass sich der Kc-Wert durchgehend in der Größenordnung des maximalenWertes Kc max bewegt. Die Ausnahme bildet in bei beiden Kulturen der Rückgang des Ke-Wertes zu einem Zeitpunkt, zu dem die Verdunstung noch nicht von der Transpirationbestimmt wird.

6.2 Vergleich berechneter mit gemessenen Kc-Werten

Um die errechneten Kc-Werte zu überprüfen, werden sie mit den Werten verglichen, die ausden Messungen der Lysimeteranlage abgeleitet wurden. Die gemessenen Kc-Werte ergebensich aus dem Verhältnis ETr / ET0 = Kc, wobei ETr den Mittelwert der Evapotranspirationaller Lysimetervarianten darstellt.

In Tabelle 6-5 sind zunächst die Mittelwerte der Kc-Werte für die Entwicklungsphasen derPflanzenbestände aufgeführt. Kc FAO stellt den nach FAO-Angaben ermittelten Wert für dasjeweilige Jahr da, während der andere Kc-Wert den aus den eigenen Messungen berechnetenWert bezeichnet.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

02.04

.95

09.04

.95

16.04

.95

23.04

.95

30.04

.95

07.05

.95

14.05

.95

21.05

.95

28.05

.95

04.06

.95

11.06

.95

18.06

.95

25.06

.95

02.07

.95

09.07

.95

16.07

.95

23.07

.95

30.07

.95

Kcb mid

Kcb end

Kcb ini


Ke

Kc

n
Abbildung 6-6: Ke-, Kcb- und Kc-Werte für Sommerweize


Tabelle 6-5: Mittelwerte von Kc für die Entwicklungsphasen

L ini L dev L mid L end

Kc FAO, 1994 0,8 1,1 1,2 1,1Kc Mais, 1994 0,3 0,7 1,1 1,2Kc FAO, 1995 1,2 1,2 1,2 1,2Kc Weizen, 1995 0,8 0,6 1,6 0,7

Für den Mais ergibt sich für die Haupt- und Endphase eine gute Übereinstimmung, für dieAnfangsphasen sind die gemessenen Werte niedriger. Beim Weizen sind die gemessenenWerte in allen Phasen außer der Hauptphase niedriger, in der Hauptphase allerdings deutlichhöher.

Um zu einem differenzierteren Bild zu kommen, wird im Folgenden die zeitliche Dynamikdieser Parameter auf Basis von Tageswerten analysiert. In der Abbildung 6-7 sind die nachdem FAO-Ansatz ermittelten und die aus den Messungen abgeleiteten Kc-Werte im zeitlichenVerlauf auf Tageswertbasis dargestellt.

Bei der Betrachtung des Verlaufs dieser Werte sind deutliche Unterschiede zwischenerrechneten und gemessenen Werten festzustellen. Die Messwerte schwanken stark, obwohles sich bereits um gemittelte Werte aus allen Lysimetern handelt, Messfehler durch einzelneAusreißer also weitgehend auszuschließen sind. Beide Messreihen beginnen mit niedrigenWerten, die unter den berechneten liegen. Nach Ende der Initialphase (L ini) steigen dieMesswerte beider Kulturen an.


Für den Mais sind während der Hauptwachstumsphase (L mid) zwei verschiedene Phasenauszumachen. In einer ersten Phase werden die berechneten Kc-Werte deutlich unterschritten,in einer zweiten dagegen überschritten. Die Messwerte der Verdunstung liegen in der erstenPhase also unter denen der Gras-Referenzverdunstung und in der zweiten Phase darüber. DerSchwankungsbereich der gemessenen Kc-Werte liegt zwischen 0,4 und 1,5. BeimSommerweizen liegen die gemessenen Kc-Werte während der gesamtenHauptwachstumsphase deutlich über den berechneten Werten. Die gemessene Verdunstungüberschreitet hier also durchgehend die Referenzverdunstung. Gegen Ende derVegetationszeit geht die Transpiration des Weizens durch das Einsetzen der generativenPhase stark zurück, dementsprechend liegen hier die Kc-Werte weit unter den berechneten.Die Schwankungsbreite der gemessenen Kc-Werte beim Sommerweizen liegt zwischen 0,4und ca. 1,8 (das Maximum von zwei kann als Ausreißer betrachtet werden).Bemerkenswert ist die Tatsache, dass in beiden Messreihen der maximale Kc-Wert (Kc max),laut FAO-Angaben ein nicht überschreitbarer Maximalwert, überschritten wird. FürSommerweizen und für Mais ergeben sich für die Hauptwachstumsphase durchschnittlicheerrechnete Kc max-Werte von 1,2. Der maximal mögliche Wert für die Gras-Referenzverdunstung wird von der FAO mit einer Spanne von 1,05 bis 1,3 angegeben. Ananderer Stelle wird der maximale Kc-Wert für Mais allerdings mit 1,44 aufgeführt (ALLEN

1-Mai-94

11-Mai-94

21-Mai-94

31-Mai-94

10-Jun-94

20-Jun-94

30-Jun-94

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

Kc berechnetKc gemessen

3-Apr-95

13-Apr-95

23-Apr-953-Mai-95

13-Mai-95

23-Mai-95

2-Jun-95

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

Kc berechnetKc gemessen

Sommerweizen

Körnermais

Abbildung 6-7: Gemessene und berechnete Kc-Werte für Mais und Sommerweizen


1998, S. 92). Der Mais erreicht gemessene Kc-Spitzenwerte von ca. 1,5, der Sommerweizensogar als Durchschnittswert für die Hauptwachstumsphase 1,6. Da der energetisch begründeteKc max-Wert hier nicht in Frage gestellt werden soll, ergeben sich verschiedeneErklärungsmöglichkeiten für diese hohen gemessenen Kc-Werte.

Zunächst ist einmal festzustellen, dass Differenzen zwischen Messwerten und Berechnungeninsofern zu erwarten sind, als dass die Messwerte Reaktionen der Pflanzen aufWasserknappheit enthalten, die bei der Referenzverdunstung, die immer von ausreichenderWasserversorgung ausgeht, nicht berücksichtigt werden. Dies erklärt die niedrigen Wertebeim Mais im ersten Teil der Hauptwachstumsphase, in der ein deutlicher Rückgang desBodenwassergehaltes zu verzeichnen ist (vgl. Abb. 4-1 und 4-2), die noch nicht vollentwickelten Pflanzen also einem Trockenstress ausgesetzt werden.

Auch die hohen Kc-Werte in der Hauptwachstumsphase entsprechen insofern denErwartungen, als dass hohe Pflanzenbestände mit größerem Blattflächenindex mehrverdunsten als eine Grasdecke. Dass es in verdunstungsintensiven Phasen durchaus zu derdoppelten Verdunstungsleistung von Pflanzenkulturen gegenüber der Verdunstung der kurzenGrasdecke der Lysimeteranlage kommen kann, wird in Kapitel 4 belegt, wenn auch dieGrasdecke auf den Lysimetern nicht immer den Anforderungen der Referenzverdunstungentspricht, da die Wuchshöhe und die Wasserversorgung nicht immer den gefordertenRandbedingungen entsprechen können. Dieses Verhältnis würde sich auch unter derAnnahme, dass die Lysimeteranlage generell zu hohe Verdunstungswerte ermittelt, nichtändern.

Eine Erklärungsmöglichkeit für sehr hohe Kc-Werte wäre der Oaseneffekt. DiePflanzenkulturen der Lysimeteranlage sind zwar in einen Bestand eingebettet, der sich jedochals zu klein erweisen könnte. Durch diesen Oaseneffekt würden vor allem größere Pflanzenmehr verdunsten als wenn sie in einen sehr großen Bestand eingebettet wären, da dieseInselartig aus der Umgebung herausragen. Die Folge wären zu hohe Kc-Werte. Inwieweit sichein sicherlich nicht auszuschließender Oaseneffekt bei der vorliegenden Anlage bemerkbarmacht, konnte im Rahmen dieser Untersuchung nicht ermittelt werden.

Abschließend kann festgehalten werden, dass die ermittelten Kc-Werte den maximalen WertKc max teilweise überschreiten. Aufgrund des Oaseneffektes kann es durchaus zu erhöhten Kc-Werten kommen, m. E. sollten dies jedoch nicht überbewertet werden. Als alleinige Erklärungreicht der Oaseneffekt hier nicht aus. Vielmehr ist die eingesetzte Methodik der FAOdaraufhin zu prüfen, ob sie für die hiesigen Klimaverhältnisse die Ergebnisse für dieBerechnung von Kc mit ausreichender Genauigkeit erbringt oder womöglich Anpassungenfür den hiesigen Klimaraum erwogen werden sollten.

Zu bedenken ist dabei, dass die Verfahren in der Regel unter anderen Klimaverhältnissenentwickelt wurden und nicht universell übertragbar sein müssen.


6.3 Vergleich gemessener (ETr) mit berechneter (ETc) Evapotranspiration

Im Folgenden sind die Ergebnisse der Verdunstungsberechnungen (ETc) im Vergleich mit denMesswerten der Lysimeteranlage (ETr) aufgeführt. Für ETr wurde der Mittelwert über alleLysimeter verwendet.

In den Streudiagrammen in Abbildung 6-8 ist das Verhältnis der gemessenenEvapotranspiration (ETr) zur Gras-Referenzverdunstung (ET0) und der mit dem nach FAOermittelten Faktor Kc multiplizierten Referenzverdunstung (ETc) dargestellt. Es wird deutlich,dass die Streuung um die Regressionsgerade durch den Einsatz von Kc nahezu unverändertbleibt. Dies äußert sich auch in dem Bestimmtheitsmaß (r²), das diese Streuung beschreibt.Das Maß für den Grad der Übereinstimmung zwischen ET0 und ETr beträgt bei Mais 0,86,zwischen ETc und ETr 0,89. Beim Sommerweizen betragen diese Werte 0,81 und 0,82. Es istalso in beiden Fällen ein deutlicher Zusammenhang zwischen den Parametern festzustellen,der sich durch den Einsatz von Kc nur unwesentlich verbessert. Dies entspricht denErwartungen, da mit einem zwar dreigliedrigen aber trotzdem starren Faktor multipliziertwird, der keine Verringerung der Streuung verursachen kann. Die Streuung ist u.a. auf dieErhöhung der Verdunstungswiderstände der Pflanzen als Reaktion auf Wassermangelzurückzuführen, die durch die Gras-Referenzmethode nicht nachvollzogen werden kann.

Die Höhe der Verdunstungswerte nähert sich durch den Einsatz von Kc allerdings denMesswerten an. Dies äußert sich in der Lage der Regressionsgeraden, die sich der 1:1-Linienähert. Es wird also durch den Einsatz von Kc eine Verbesserung gegenüber denAusgangswerten der Gras-Referenzverdunstung erzielt. Die berechnete Verdunstungshöhekommt den gemessenen Werten näher, wobei die 1:1-Linie beim Mais nahezu erreicht wird,während die Verdunstungswerte des Weizens zu niedrig ausfallen. Für den Weizen sind alsooffenbar die Kc-Werte noch immer zu niedrig, obwohl sie den Kc-max-Wert wie beschriebenbereits überschreiten. In Abbildung 6-9 wird der Verlauf der Evapotranspiration für die

Abbildung 6-8: Verhältnis von ET0 (gestrichelte Linie) und ETc (durchgezogene Linie) zu ETr

Mais

ETr [mm]

76543210

ETo,

ETc

[mm

]

7

6

5

4

3

2

1

0

Sommerweizen

ETr [mm]

876543210

ETo,

ETc

[mm

]

8

7

6

5

4

3

2

1

0


beiden Kulturen dargestellt. Der Verlauf von ETc stimmt in der Regel gut mit dem von ETr

überein. Es treten allerdings z.T. starke Unterschiede zwischen den absoluten Werten auf. Inder Anfangsphase der sich entwickelnden Vegetation liegt ETc erwartungsgemäß über denMesswerten. Ebenfalls sehr deutlich tritt dies gegen Ende der Vegetationsperiode beimWeizen auf. Hier ist der starke Rückgang der Verdunstung durch das fortgeschritteneEntwicklungsstadium des Weizens zu erklären. Während der Hauptwachstumsphase ist diegemessene Verdunstung bei beiden Kulturen z.T. deutlich höher als die berechnete. BeimMais treten jedoch auch Phasen mit geringer Verdunstung auf, in denen dieReferenzverdunstung unterschritten wird.

Generell zeigen diese Ergebnisse, dass durch den Kc-Wert die Referenzverdunstung ET0 zwarbesser an die jeweilige Bestandesverdunstung angepasst wird, in vielen Phasen jedoch nachwie vor große Differenzen auftreten. Es liegt in der Anlage der Referenzverdunstung, dasstrockene Phasen mit eingeschränkter Verdunstung nicht entsprechend berücksichtigt werdenkönnen, da die Referenzverdunstung nur für ausreichende Wasserversorgung konzipiert ist.Die Verdunstungsintensiven Phasen bei ausreichender Wasserversorgung sollten jedochbesser modelliert werden. Hier sind die nach FAO ermittelten Kc-Werte, wie bereits obenfestgestellt, zu niedrig.

Die empirische Überprüfung des Verfahrens zur Ermittlung der K-Werte für die Gras-Referenz-Methode mit Messdaten der Dahlemer Lysimeteranlage zeigt, dass diese Methodeauf die vorhandenen Klimaverhältnisse mit gewissen Einschränkungen anwendbar ist.

Es bedarf einer Anpassung des Verfahrens an die hiesigen Klimabedingungen für Phasenausreichender Wasserversorgung der Vegetation. Phasen mit Wassermangel und darausfolgenden erhöhten Verdunstungswiderständen können generell nicht nachgebildet werden.

Abbildung 6-9: Gemessene (ETr) (durchgezogene Linie) und berechnete (ETc) (gestrichelte Linie)Evapotranspiration für Mais und Sommerweizen

Mais

DATUM

940831

940822

940809

940804

940729

940725

940721

940716

940710

940702

940626

940622

940614

940608

940518

940511

940507

ET [m

m]

7

6

5

4

3

2

1

0

Sommerweizen

DATUM

950728

950724

950718

950708

950704

950629

950620

950603

950525

950521

950514

950503

950429

950423

950413

950403

ET [m

m]

8

6

4

2

0

7. Klimatische Wasserbilanz für den Berliner Raum 102

7. Klimatische Wasserbilanz für den Berliner Raum

Die klimatische Wasserbilanz (KWB) gibt für einen Zeitraum (häufig Monate oder Jahre) undeinen Ort die Differenz zwischen der Gesamtniederschlagsmenge (N) und der potentiellenVerdunstung (ETp) an. Dieses Verhältnis ist in Gleichung 7-1 dargestellt:

pETNKWB −= (Gleichung 7-1)

Mit:KWB = klimatische WasserbilanzN = NiederschlagETp = potentielle Verdunstung

Sie ist somit ein Indikator, anhand dessen der Wasserhaushalt und damit die zur Verfügungstehende Wassermenge an einem Standort abgeschätzt werden kann. Die KWB erlaubt eineAussage darüber, ob an einem Standort für einen Zeitraum Wassermangel oderWasserüberschuss vorherrscht. Wenn der Speicherinhalt konstant bleibt, findet bei einerpositiven KWB Grundwasserneubildung statt (WOHLRAB u.a. 1992, DYCK u.a. 1983). DieKWB für längere Zeiträume (Jahre) erlaubt somit die Charakterisierung eines lokalen Klimasals arid oder humid.

Eine einfache und häufig angewandte Vorgehensweise zur Berechnung der KWB ist dieMessung der Niederschläge mit dem Hellmann-Niederschlagsmesser und der Berechnung derpotentiellen Verdunstung nach HAUDE. Für die zunächst sehr einfach erscheinende Beziehungder KWB liegen die Probleme der Praxis in der möglichst exakten Bestimmung der beidenParameter N und ETp. Das vorliegende Kapitel behandelt die Problematik derNiederschlagsmessung und deren Korrekturmöglichkeiten sowie einen Vergleich der KWBauf der Grundlage verschiedener Methoden zur Bestimmung der potentiellen Verdunstung.Die Datengrundlage bilden die Messwerte der Station in Berlin-Dahlem der Jahre 1997 und1998.

7.1 Niederschlag

Die Niederschlagsmessung am Standort Dahlem erfolgt durch Hellmann-Niederschlagsmesserin zwei Messhöhen von einem und null Meter. Die Messungen erfolgen im Pflanzenbestand,wobei eine direkte Beeinflussung der Messungen durch überwachsender Messgeräteausgeschlossen wurde. Für beide Messhöhen werden parallel elektronische Messungen undHandmessungen durchgeführt.


Im folgenden Kapitel wird für die Jahre 1997 (trocken) und 1998 (feucht) aufMonatsbasis eine genauere Betrachtung der Niederschlagsmessung und derMesswertkorrektur für die Standardmesshöhe in einem Meter Aufstellhöhe durchgeführt.

7.1.1 Grundlagen der Niederschlagskorrektur nach RICHTER (1995)

Die mit den Hellmann-Niederschlagsmessern vorgenommenen Messungen sind mitsystematischen Fehlern behaftet, die durch Korrekturen ausgeglichen werden müssen. Die imfolgenden aufgeführten Fehler und deren Korrekturmöglichkeiten basieren im wesentlichenauf der Arbeit von RICHTER (1995), bei der ausschließlich Meßgeräte betrachtet werden, dievon Hand ausgelitert werden. Elektronisch erfasste Meßwerte von Niederschlagsmengen, diemit Kippwaagen registriert wurden, weisen neben den bei Hellmann beschriebenen Fehlernzusätzliche konstruktionsbedingte Fehler auf. Dieser Fehler entsteht durch Verluste bei derRegistrierung der Niederschlagsmengen durch die Kippwaagen, bei denen Spritzverlusteauftreten. Die Höhe dieser Verluste wächst mit der Niederschlagsintensität. Dieser beiRICHTER (1995) nicht behandelte Fehler der elektronischen Messwertregistrierung wurde beiden vorliegenden Messungen durch die Werte der Handablesungen korrigiert, indem aus denhandabgelesenen und den elektronisch erfassten Niederschlagsmengen ein Korrekturfaktorabgeleitet wurde, mit dem die elektronischen Messwerte korrigiert wurden. DieseKorrekturfaktor wurde für jeden Tag getrennt ermittelt, um verschiedeneNiederschlagsintensitäten zu berücksichtigen. Der Fehler der elektronischen Messung wird soausgeglichen und hier nicht näher betrachtet.

Benetzungs- und Verdunstungsfehler

Eine der Ursachen für Messfehler bei der Niederschlagsmessung nach Hellmann sind dieBenetzungs- und Verdunstungsverluste am Messgerät. Unter Benetzungsverlust verstehtRICHTER (1995) die Menge des Niederschlagswassers, die an den Innenseiten desAuffangtrichters des Hellmann-Niederschlagsmessers und an den Innenwänden derzugehörigen Sammelkanne haften bleibt und von dort verdunstet.

Der Verdunstungsverlust entsteht durch die Verdunstung des gesammelten Wassers aus derSammelkanne zwischen zwei Messungen.

Der Benetzungsverlust ist beim Hellmann-Niederschlagsmesser nach RICHTER (1995)aufgrund des bauartbedingten ungünstigen Verhältnisses zwischen der benetzbarenInnenfläche des Trichters und der Auffangfläche verglichen mit anderen Messinstrumentenrelativ groß.

Untersuchungen ergaben einen starken Einfluss der Witterungsverhältnisse auf denBenetzungsverlust aufgrund der unterschiedlichen Dauer bis zum Abtrocknen der benetzten


Flächen. So ergab sich für feucht-kühles Wetter ein Verlust von 0,12 mm und für warm-trockenes Wetter ein Verlust von 0,18 mm für jedes Niederschlagsereignis. Da der erste Fallfür den gesamten Winter und für den halben Sommer angenommen werden kann ergibt sichein Durchschnittsverlust durch die Benetzung von 0,15 mm pro Niederschlagsereignis. Zubeachten ist bei diesen Betrachtungen, dass ausreichend Zeit zum abtrocknen zwischen zweiNiederschlagsereignissen vergangen sein muss. RICHTER (1995) gibt an, dass dafür bei feucht-kühler Witterung 1,5 Stunden und bei warm-trockener Witterung 20 Minuten anzusetzen sind.

Die Benetzungsverluste durch das Haftwasser an der Innenwand der Sammelkanne belaufensich auf eine Höhe von 0,022 mm pro Niederschlagsereignis, spielen also nur eineuntergeordnete Rolle.

Der Verdunstungsverlust entsteht durch die Verdunstung aus der Sammelkanne durch dielangen Verweilzeiten des aufgefangenen Wassers in der Kanne. Die Höhe der Verluste kannnach RICHTER (1995) mit 0,8 % des Jahresniederschlages angesetzt werden und ist somitrelativ gering.

Einen Einfluss auf beide Arten von Verlusten hat die Höhe eines Niederschlagsereignisses.Bei geringen Niederschlägen werden nicht alle Flächen benetzt und die Verluste bleibenentsprechend geringer. Erst bei Niederschlagshöhen über 3 mm kann von einer vollständigenBenetzung der beschriebenen Flächen ausgegangen werden.

Gesamtfehler aus Benetzungs- und Verdunstungsverlust

Die bisherigen Betrachtungen und die folgenden Schlüsse beziehen sich nur auf langjährigeNiederschlagsreihen und sind nicht ohne weiteres auf einzelne Tage übertragbar, da dann dieAnzahl der Niederschlagsereignisse und deren Höhe berücksichtigt werden muss.

Für langjährige Reihen ergibt sich für das nord-ostdeutsche Tiefland ein Durchschnittswertaus Benetzungs- und Verdunstungsverlust von 6,7 %. Aus der folgenden Tabelle wird einJahresgang ersichtlich. Im Sommer sind die Verluste höher als in den Wintermonaten.

Tabelle 7-1: Durchschnittliche Benetzungs- und Verdunstungsverluste für das nord-ostdeutscheTiefland in [%] des Niederschlages (RICHTER 1995)

Januar 5,1 % Juli 7,5 %Februar 5,4 % August 7,2 %März 5,8 % September 8,5 %April 7,3 % Oktober 6,4 %Mai 8,1 % November 4,6 %Juni 7,2 % Dezember 4,0 %


Die Berechnung der mittleren Höhe der monatlichen Niederschlagsverluste ∆N in mm/Monaterfolgt nach der Beziehung:

∆ ∆N N B n= ( / ) /100 (Gleichung 7-2)

Der prozentuale Benetzungs- und Verdunstungsverlust ∆B kann dabei der obigen Tabelleentnommen werden, die Monatssumme der Niederschlagshöhe N und die Anzahl derNiederschlagstage n wird nach der jeweiligen meteorologischen Messreihe ermittelt.

Windfehler

Der Windfehler entsteht durch die höheren Windgeschwindigkeiten, die bei der Umströmungdes Hellmann-Niederschlagsmessers entstehen. Durch diese höheren Geschwindigkeiten wirdein gewisser Anteil des Niederschlages, der normalerweise in den Trichter fallen würde,darüber hinweggeweht. Auf diese Weise kommt es zu geringerenNiederschlagsregistrierungen. RICHTER (1995) geht davon aus, dass dieser Fehler beibodengleich angebrachten Niederschlagsmessern nicht auftritt.

Für die Höhe des Windfehlers sind die lokalen Windbedingungen der Klimastation, also dieStationslage, von großer Bedeutung. RICHTER (1995) unterscheidet die möglichenStationslagen in vier Kategorien: freie Stationslage, leicht geschützte Stationslage, mäßiggeschützte Stationslage und stark geschützte Stationslage. Die Station Dahlem kann hiernachals mäßig geschützte Stationslage eingestuft werden.

Neben der Stationslage hat die Niederschlagsart, die hier in Regen, Schnee undMischniederschlag unterschieden wird, einen erheblichen Einfluss auf die Höhe desWindfehlers. Durch den unterschiedlichen Windwiderstand der Niederschlagsarten und dieunterschiedlichen Fallgeschwindigkeiten wirkt sich der Wind unterschiedlich stark aus.

Für langjährige Mittelwerte werden für die mäßig geschützte Stationslage folgendeprozentuale Fehler angegeben (RICHTER 1995):

Regen 4,5 %Regen (Sommer) 3,2 %Regen (Winter) 7,2 %Mischniederschlag 10,4 %Schnee 24,5 %


Für Angaben über den Messfehler für kürzere Zeiträume, wie z.B. Tageswerte, müssengenauere Daten über die Windverhältnisse an der Station gemacht werden. In der folgendenTabelle sind die Ergebnisse RICHTERS für die Niederschlagsart Regen auf Tagesbasis nachStationslagen unterschieden dargestellt. Die anderen Niederschlagsarten sollen hier nichtgenauer betrachtet werden, da sie von der Niederschlagsmenge her nur eine untergeordneteRolle spielen.

Tabelle 7-2: Mittlere Windfehler der Tageswerte der Niederschlagshöhe für Regen (N4) in [%] und in[mm] sowie Streuung (s) der Einzelfehler um den Mittelwert, Stationslage frei bis stark geschützt

(RICHTER 1995)

Stationslage: frei leicht geschützt mäßig geschützt stark geschütztNiederschlagshöhein mm/d

∆N4%

∆N4mm

smm

∆N4%

∆N4mm

smm

∆N4%

∆N4mm

smm

∆N4%

∆N4mm

Smm

0,1 64,2 0,06 0,09 49,2 0,05 0,08 30,4 0,03 0,01 27,0 0,03 0,080.2-0,3 42,2 0,10 0,15 33,4 0,08 0,10 2S,5 0,06 0,09 19,5 0,05 0,090,4-0.6 28,4 0,14 0,14 22,5 0,11 0,11 16,5 0,08 0,10 8,7 0,04 0,090,7-1.0 21,3 0,18 0,20 16,0 0,14 0,14 11,1 0,09 0,13 7,3 0,06 0,131,1-1,5 17,6 0,23 0,25 13,3 0,17 0,17 10,1 0,13 0,17 6,4 ~,08 0,141,6-2,0 13,3 0,24 0,27 11,7 0,21 0,23 5,1 0,15 0,14 4,7 0,08 0.192,1-2,5 11,2 0,26 0.31 9,1 0,21 0,20 6,9 0,16 0,17 4,9 0,11 0,172,6-3,0 9,4 0,26 0,26 8,4 0,24 0,24 6,3 0,18 0,16 2,5 0,07 0,193,1-4,0 8.2 0,29 0,32 7,4 0,26 0,26 5,3 0,19 0,19 2,2 0,06 0,184,1-5,0 7,5 0,34 0,37 5,6 0,25 0,32 4,4 0,20 0,20 1,2 0,05 0,215,1-7,0 6,6 0,39 0,40 5,4 0,33 0,32 4,0 0,24 0,25 1,2 0,07 0,26

7,1-10,0 5,1 0,43 0,46 3,9 0,33 0.38 3,4 0,29 0,34 0,8 0,07 0,3510,1-15,0 4,3 0,53 0,60 3,5 0,43 0,40 2,7 0.33 0,40 0,9 0,11 0,4915,1-20,0 3,7 0,63 0,67 2,7 0,47 0,49 1,7 0,29 0,46 0,9 0,15 0,5320,1-30,0 3,0 0,71 0,80 2,7 0,64 0,79 1.6 0,38 0,67 1,7 0,40 0,5830,1-50,0 2,3 0,86 1,14 2,2 0,78 0,87 1,6 0,57 1.29 1.2 0,46 0,52>=50,1 0,7 0,54 0,66 2,6 1,93 1,19 0,8 0,53 0,52 0,0 0,00 0,92

Es zeigt sich für die mäßig geschützte Stationslage der Lysimeteranlage, dass die Fehler mitZunahme der Niederschlagsintensität von 30,4 % auf 0,8 % abnehmen. Die absolute Höhe desMessfehlers beläuft sich nach dieser Tabelle auf 0,03 bis 0,57 mm/d. Es wird deutlich, dassder Messfehler abnimmt, je geschützter die Stationslage ist und je geringer damit dieauftretenden Windgeschwindigkeiten sind.

Berechnung der mittleren Gesamtfehler

Aus den bisherigen Ausführungen ergibt sich im wesentlichen eine Abhängigkeit dergesamten Niederschlagsfehler von der Niederschlagsart und –höhe, sowie denWindverhältnissen. RICHTER (1995) entwickelt aus diesem Zusammenhang in seiner Arbeitfolgende einfache Formel, mit der die mittlere Gesamtkorrektur der Niederschlagswerte fürTageswerte errechnet werden kann:

∈=∆ bNN (Gleichung 7-3)


Der folgenden Tabelle sind die Angaben für die Faktoren zu entnehmen. DieWindverhältnisse sind in diesem Ansatz durch die Stationslage in Form derHorizontabschirmung berücksichtigt, während die Niederschlagsart durch dieunterschiedlichen Faktoren repräsentiert wird. Die Niederschlagshöhe fließt durch N direktein.

Tabelle 7-3: Abhängigkeit der Koeffizienten εεεε und b der Niederschlagskorrekturfunktion ∆∆∆∆N = bNεεεεvon der Niederschlagsart und der Horizontabschirmung (RICHTER 1995)

Horizontabschirmung*Niederschlagsart

εεεε 2° 5° 9,5° 16°

Regen (Sommer) 0,38 0,345 0,310 0,220 0,245Regen (Winter) 0,46 0,340 0,280 0,240 0,190Mischniederschl. 0,55 0,535 0,390 0,305 0,185Schnee 0,82 0,720 0,510 0,330 0,210

* freie Stationslage: H'= 2°, leicht geschützte Stationslage: H'= 5°,mäßig geschützte Stationslage: H'= 9,5°, stark geschützteStationslage: H'= 16°

Die Formeln für den Korrekturfaktor ∆N für den Standort Dahlem, unterschieden nachSommer und Winter lauten also: ∆N = 0,22N0,38 (Sommer) bzw. ∆N = 0,24N0,46 (Winter).Für die Korrektur des bodengleichen Niederschlags muss lediglich die Korrektur derBenetzungs- und Verdunstungsverluste durchgeführt werden, da der Windfehler bei dieserMesshöhe gleich Null ist.

7.1.2 Benetzungs- und Verdunstungsfehler für Berlin-Dahlem

Nach der Berechnung der Benetzungs- und Verdunstungsverluste für die Messwerte derLysimeterstation laut Gleichung 7-2, ergibt sich bei der Messhöhe 1 m für die Jahre 1997 und1998 ein Korrekturwert der Niederschlagsereignisse, der sich zwischen 0,6 und 6,8mm/Monat bewegt. Der Korrekturwert für die Jahressumme beläuft sich für 1997 auf ca. 29mm/a und dementsprechend 6,7 % und für 1998 auf 38 mm/a und 6,5 %. In der Tabelle 7-4sind die Ergebnisse der Korrekturrechnungen für die Benetzungs- und Verdunstungsverlustebezogen auf den Niederschlagsmesser in einer Aufstellhöhe von 1 m dargestellt. DieKorrekturwerte für die bodengleiche Niederschlagsmessung sind nicht aufgeführt, daallenfalls geringfügige Unterschiede des Korrekturwertes zu erwarten sind. EineUnterscheidung nach Aufstellhöhe wird bei dieser Fehlerkorrektur nicht vorgenommen. DerWert Diff. [%] bezeichnet die Korrekturen Prozent.


Tabelle 7-4: Korrekturwerte für die Benetzungs- und Verdunstungsverluste für die Niederschlags-messung mit einer Aufstellhöhe von 1 m

1997 1998NS 1 m[mm]

NSkor 1 m[mm]

Diff.[%]

NS 1 m[mm]

NSkor 1 m[mm]

Diff.[%]

Jan.* 1 2 7,1 52 55 5,2Feb. 52 55 5,4 10 10 5,2Mrz.* 22 23 5,9 58 61 5,9Apr. 31 33 7,2 36 39 7,2Mai 46 50 8,1 24 26 8,2Juni 55 59 7,3 63 68 7,3Juli 90 97 7,6 47 51 7,6Aug. 36 39 7,1 71 76 7,2Sept. 14 16 8,4 39 42 8,5Okt. 32 34 6,5 102 109 6,4Nov. 13 13 4,7 43 45 4,7Dez. 46 48 4,1 40 42 4,0Gesamt 438 468 6,7 585 624 6,5

* teilweise Datenausfall

Die Durchschnittswerte der Jahre 1997 und 1998 stimmen mit den Angaben RICHTERS zumDurchschnittswert des langjährigen Mittels in der Höhe von 6,7 % gut überein. In einzelnenMonaten kann dieser Wert in Abhängigkeit der Dynamik der Niederschlagsereignisse höhereoder geringere Werte annehmen wobei in den Sommermonaten höhere Werte zu erwartensind.

Abschließend ist festzuhalten, dass bei der Betrachtung einzelner Monate eine sehr großeDynamik auftritt, so dass eine Durchschnittsangabe wie die von RICHTER nur einOrientierungswert sein kann. Trotzdem ergeben die errechneten Korrekturen eine sehr guteÜbereinstimmung mit den von Richter angegebenen Durchschnittswerten für dasnordostdeutsche Tiefland.

7.1.3 Korrektur der Niederschlagsmessungen für Berlin-Dahlem

In der Tabelle 7-5 sind die in 1 m Höhe gemessenen und um den Benetzungs- undVerdunstungsverlust korrigierten Monatswerte der Niederschläge der Jahre 1997 und 1998aufgeführt. Dieser Wert wird dem nach RICHTER (1995) um den Windfehler korrigiertenNiederschlag gegenübergestellt. Der Prozentwert bezeichnet die Differenz zwischen denbeiden Größen. Die Windkorrektur wurde nach den Prozentangaben der Tabelle 7-2 auf Basisvon Tageswerten durchgeführt.


Tabelle 7-5: Niederschlag ohne (NS) und mit Windkorrektur nach RICHTER (1995) (NS_k)

1997 1998

NS NS_k Diff. NS NS_k Diff.[mm] [mm] [%] [mm] [mm] [%]

Jan.* 2 2 0,0 55 57 3,6Feb. 55 57 3,6 10 11 10,0Mrz.* 23 24 4,3 61 64 4,9Apr. 33 35 6,1 39 41 5,1Mai 50 52 4,0 26 28 7,7Juni 59 61 3,4 68 71 4,4Juli 97 99 2,1 51 54 5,9Aug. 39 40 2,6 76 79 3,9Sept. 16 17 6,3 42 44 4,8Okt. 34 36 5,9 109 113 3,7Nov. 13 14 7,7 45 47 4,4Dez. 48 51 6,3 42 44 4,8Gesamt 468 473 4,3 624 636 4,6* teilweise Datenausfall (Die %-Werte bezeichnen die Differenz zwischen NS und NS_k, die Werte für NS und NS_k sind bereits um den Benetzungs- und Verdunstungsverlust korrigiert)

Der jahresdurchschnittliche Gesamtfehler der Messungen mit dem Hellmann-Niederschlagsmesser in einer Aufstellhöhe von 1 m addiert sich aus den Benetzungs- undVerdunstungsverlusten und dem Windfehler zu einer Größenordnung von ca. 11 %. DieErgebnisse werden im wesentlichen durch die Angaben von RICHTER (1995) bestätigt.Inwieweit diese Korrekturen zu Niederschlagswerten führen, die den wahren Verhältnissennahe kommen ist nur sehr schwer festzustellen. Eine Möglichkeit zur Überprüfung derHellmann-Niederschlagsmesser bieten die Lysimeter.

7.1.4 Überprüfung der Korrekturen anhand von Lysimeterdaten

Im folgenden werden die Niederschlagsmessungen mit Hilfe der Lysimeterdaten überprüft,indem die Lysimeter als Niederschlagsmesser eingesetzt werden. Da Lysimeter mit doppeltemWägesystem das Lysimetergewicht und das Perkolat getrennt erfassen, können sie im Prinzipals Niederschlagsmesser genutzt werden. Es kann angenommen werden, dass während einesNiederschlagereignisses die Verdunstung gleich Null ist. Die Gewichtsänderung derLysimeter ist dann nach Berücksichtung der Perkolation ausschließlich auf den Niederschlagzurückzuführen. Der aus dieser Gewichtsänderung abgeleitete Niederschlagswert ist derBestandesniederschlag. Dieser Bestandesniederschlag weist keinen Windfehler auf, da dieLysimeter in einen Pflanzenbestand eingebettet sind und dadurch keine erhöhtenWindgeschwindigkeiten an den Lysimetern auftreten. Durch die große Oberfläche desBlattwerks treten allerdings Interzeptionsverluste auf, die als Interzeptionsverdunstung wiederverloren gehen. Um Fehler durch diese Verluste möglichst auszuschließen, wurden für die


folgenden Berechnungen ausschließlich 15-Min-Einheiten ausgewählt, in denen tatsächlichNiederschläge fielen und für die von nur minimaler Verdunstung ausgegangen werden kann.Der so ermittelte Niederschlagswert kommt dem wahren Niederschlag sehr nahe, weil dieVerluste der Hellmann-Messgeräte nicht auftreten und durch die zeitliche Auflösung Verlustedurch Verdunstung weitgehend ausgeschlossen werden können.

In der Abbildung 7-1 sind der unkorrigierte (durchgezogene Linie) und der korrigierteNiederschlag (durchbrochene Linie) gegen die Niederschlagswerte der Lysimeter der Jahre 97und 98 aufgetragen. Die einzelnen Monatswerte werden durch die jeweiligeRegressionsgerade repräsentiert. Mit dieser Darstellung kann die Übereinstimmung derNiederschlagsreihen mit den Lysimeterwerten überprüft und die Auswirkung der Korrekturenum den Wind- und die Benetzungs- und Verdunstungsfehler beurteilt werden. Zunächst zeigtein hohes Bestimmtheitsmaß von r² = 0,95 zwischen den beiden Niederschlagsreihen und denLysimeterwerten sowie die Regressionsgleichungen mit Steigungen nahe eins eine hoheÜbereinstimmung an. Auch die durchschnittlichen Jahressummen von 537 mm für dieLysimeterwerte, 513 mm für den unkorrigierten und 571 mm für den korrigiertenNiederschlag weisen auf ein hohes Maß an Übereinstimmung hin.

Anhand der Lage der Regressionsgeraden und der Niederschlagssummen ist festzustellen,dass die unkorrigierten Messwerte niedriger als die Lysimeterwerte liegen. Dies entsprichtden Erwartungen, wenn man annimmt, dass die Lysimeterwerte den wahren Niederschlagwiedergeben und die Hellmann-Werte einem Windfehler unterliegen. Durch dieWindkorrektur werden die Messwerte allerdings soweit angehoben, dass sie damit höher alsdie Lysimeterwerte liegen.

y = 1,0718xR2 = 0,9522

y = 0,966xR2 = 0,9497

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

NS-Lys [mm]

NS

(1m

) [m

m]

Abbildung 7-1: Niederschlagsmessungen mit Lysimetern und dem Hellmann-Niederschlagsmesser mit(. . . .) und ohne (------) Korrektur


Ausgehend von der Annahme, dass die Lysimeterwerte den wahren Niederschlagswerten amnächsten kommen, muss festgestellt werden, dass die Korrektur nach RICHTER (1995) für denStandort Dahlem etwas zu hoch ausfällt. Inwieweit dies auf die Benetzungs- undVerdunstungsverluste oder den Windfehler zurückzuführen ist wurde in diesem Rahmen nichtuntersucht. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Datengrundlage der statistischenAuswertungen RICHTERS in erster Linie aus dem ländlicheren Bereich stammt während dieDahlemer Anlage im Berliner Stadtgebiet liegt und dort mit merklich geringerenWindgeschwindigkeiten und kleinerem Windfehler gerechnet werden muss. Darüber hinaussind durch die höheren Lufttemperaturen im Stadtgebiet höhere Verdunstungsverluste zuerwarten. Die etwas zu hohe Korrektur könnte also auf diese Ursachen zurückzuführen sein.

7.2 Potentielle Verdunstung

Wie bereits in Kapitel 3.3 beschrieben, gibt es einige Verfahren zur Berechnung derpotentiellen Evapotranspiration. Zur Berechnung der klimatischen Wasserbilanz wird inDeutschland häufig der Ansatz nach HAUDE (1955) (vgl. Kap. 3.3.2) verwendet. Grundlagehierbei bildet das Sättigungsdefizit der Luft um 14:30 Uhr, wobei die potentielle Verdunstungdurch einen Faktor f auf eine optimal versorgte Grasdecke bezogen wird.

Ein wesentlich komplexeres Verfahren zur Berechnung der potentiellen Evapotranspirationstellt die Gras-Referenzverdunstung der Food and Agriculture Organization der VereintenNationen (FAO) dar (vgl. Kap. 3.3.7). Durch die Festlegung der Verdunstungswiderständewird die Gras-Referenzverdunstung ebenfalls auf eine kurze optimal versorgte Grasdeckebezogen.

Die Gras-Referenzverdunstung ist ein sehr komplexes, der HAUDE-Ansatz ein sehr einfachesVerfahren. Beide sind verbreitet, wobei das einfache HAUDE-Verfahren immer mehr von derGras-Referenzverdunstung verdrängt wird, weil dieses deutlich bessere Ergebnisse erbringt.Es soll im folgenden untersucht werden, inwieweit sich die Verdunstungswerte dieser beidenVerfahren für den Standort Berlin-Dahlem unterscheiden und vor allem, inwieweit sich dieErgebnisse damit auf die berechnete klimatische Wasserbilanz auswirken. Zur Bewertung derVerfahren werden die Verdunstungswerte der Lysimeteranlage herangezogen.

In der Tabelle 7-6 sind die Ergebnisse der Berechnungen der Evapotranspiration nach diesenbeiden Verfahren im Vergleich mit den Verdunstungswerten der Lysimeteranlage dargestellt.Der Verdunstungswert der Lysimeter ist dabei ein Mittelwert über alle Lysimetervarianten.


Tabelle 7-6: Verdunstungswerte nach Haude und Gras-Referenzmethode sowie Messwerte derLysimeteranlage

Haude Gras-Ref. LysimeterJan 1997 * 8Feb 97 24 12 8Mrz 97 * 38 28Apr 97 58 44 44Mai 97 89 71 76Jun 97 114 88 81Jul 97 109 92 95Aug 97 145 91 75Sep 97 75 52 44Okt 97 36 21 20Nov 97 16 4 7Dez 97 9 0 2

Summen 1997 721 503 452Jan 98 16 1 9Feb 98 23 13 13Mrz 98 33 25 26Apr 98 63 38 48Mai 98 115 78 68Jun 98 92 82 75Jul 98 99 79 73Aug 98 94 74 50Sep 98 42 35 34Okt 98 24 17 18Nov 98 9 2 5Dez 98 10 0 2

Summen 1998 620 444 421

* Teilweise Datenausfall

Auf der Grundlage der Jahressummen lässt sich erkennen, dass die Gras-Referenzverdunstungetwas höhere Werte ergibt als von der Lysimeteranlage gemessen werden. Im Sommer kommtdiese Methode zu teilweise höheren Ergebnissen als die Messwerte ergeben, was auf dieEinschränkung der Verdunstung in Trockenphasen zurückzuführen ist. Insgesamt ist einerecht gute Übereinstimmung mit den Lysimeterwerten zu finden. In der Jahresbilanz für 1997wird eine um 51 mm (ohne die Datenausfälle im Jan. und Mrz. wäre diese Differenz nochgeringer) und für 1998 um 23 mm gegenüber den Messwerten erhöhte Verdunstungausgewiesen.

Die Berechnungen nach HAUDE ergeben durchgehend für alle Monate sehr viel höhere Werte.So ergibt sich eine gegenüber dem Messwerten erheblich erhöhte Verdunstung von 268 mmfür 1997 und 199 mm für 1998.

Bei diesen Betrachtungen muss berücksichtigt werden, dass beide Berechnungsmethoden dieVerdunstung einer optimal versorgten Grasdecke und nicht, wie die Lysimeterwerte, die realeVerdunstung unter Einfluss von Wassermangel wiedergeben. Von daher sind nach denBerechnungsmethoden höhere Verdunstungswerte zu erwarten. Im Vergleich ergeben sich


durch die Gras-Referenzmethode deutlich bessere Verdunstungswerte als durch den Haude-Ansatz.

Die unterschiedlichen Verdunstungswerte verdeutlichen, dass die Wahl des Verfahrens zurBerechnung der Verdunstung einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse der klimatischenWasserbilanz hat. Die Differenzen zwischen den beiden Methoden betragen 218 mm für 1997und 176 mm für 1998.

7.3 Klimatische Wasserbilanz: Methodenvergleich

In diesem Kapitel wird untersucht, wie sich die klimatische Wasserbilanz (KWB) für dieStation Berlin Dahlem unter Verwendung der beiden Verdunstungsansätze nach HAUDE undder Gras-Referenz-Verdunstung in Kombination mit nach RICHTER (1995) korrigierten undunkorrigierten Niederschlagsmessreihen der Standardmesshöhe 1 m verhält. Als Vergleichwerden Lysimetermessungen der klimatischen Wasserbilanz herangezogen. In Tabelle 7-7werden die Ergebnisse dieser Varianten vorgestellt.


Tabelle 7-7: Klimatische Wasserbilanz in Berlin-Dahlem auf der Grundlage von HAUDE undGras-Referenzverdunstung mit drei Niederschlagsvarianten

H1u H1k R1u. R1k L1u L1kJan 97 * -7 -6 1 2 0 1Feb 97 28 33 40 45 44 49Mrz 97 * -16 -14 -6 -4 22 24Apr 97 -27 -23 -13 -9 -13 -9Mai 97 -43 -37 -25 -19 -30 -24Jun 97 -59 -53 -33 -27 -26 -20Jul 97 -19 -10 -2 7 -5 4Aug 97 -109 -105 -55 -51 -39 -35Sep 97 -61 -58 -38 -35 -30 -27Okt 97 -4 0 11 15 12 16Nov 97 -3 -2 9 10 6 7Dez 97 37 42 46 51 44 49

ΣΣΣΣ Apr–Sept -318 -286 -166 -134 -143 -111

ΣΣΣΣ 1997 -283 -233 -65 -15 -15 35Jan 98 36 41 51 56 43 48Feb 98 -13 -12 -3 -2 -3 -2Mrz 98 25 31 33 39 32 38Apr 98 -27 -22 -2 3 -12 -7Mai 98 -91 -87 -54 -50 -44 -40Jun 98 -29 -21 -19 -11 -12 -4Jul 98 -52 -45 -32 -25 -26 -19Aug 98 -23 -15 -3 5 21 29Sep 98 -3 2 4 9 5 10Okt 98 78 89 85 96 84 95Nov 98 34 38 41 45 38 42Dez 98 30 34 40 44 38 42

ΣΣΣΣ Apr–Sept -225 -188 -106 -69 -68 -31

ΣΣΣΣ 1998 -35 33 141 209 164 232* teilweise DatenausfallErläuterungen:H1u: Etp nach Haude, unkorrigierter Niederschlag in 1m AufstellhöheH1k: Etp nach Haude, nach Richter korrigierter Niederschlag in 1mAufstellhöheR1u: Etp nach der Gras-Referenzmethode, unkorr. Niederschlag in 1mAufstellhöheR1k: Etp nach der Gras-Referenzmeth., nach Richter korr. Niederschl. in 1mAufstellh.L1u: Etr gemessen mit Lysimetern, unkorrigierter Niederschlag in 1mAufstellhöheL1k: Etr gemessen mit Lysimetern, nach Richter korr. Niederschlag in 1mAufstellh.

Das langjährige Mittel der KWB auf der Grundlage der Messreihe 1961-90 beträgt für Berlin-Dahlem –111 mm. Die Berechnung der KWB nach Haude sowie die Verwendung derunkorrigierten (nur von Fehlwerten beseitigten) Niederschläge aus 1 m Aufstellhöheentspricht dabei häufig der Praxis. Die nach dieser Praxis berechnete KWB auf der Grundlageder Dahlemer Messwerte beläuft sich auf –283 mm für 1997 und –35 mm für 1998. Für denZeitraum 1.4. bis 30.9. ergibt sich erwartungsgemäß ein größeres Defizit von -318 mm bzw. -


225 mm. Die Werte stimmen im wesentlichen mit den Ergebnissen des FachgebietesAgrarmeteorologie der Humboldt-Universität (HOMEPAGE « AGROMET ») überein, derenMessfelder sich in unmittelbarer Nähe befinden (1997: -264 mm; 1998: -68 mm).

Um der wirklichen Wasserbilanz näher zu kommen ist es ratsam, Eingangswerte zuverwenden, die ein möglichst realistisches Bild wiedergeben. Bereits durch die Verwendungdes korrigierten Niederschlags ergeben sich gegenüber der unkorrigierten VarianteÄnderungen von 50 mm in der Jahresbilanz 1997 und 68 mm für 1998. Für dieVegetationsperiode entsprechend 32 mm und 37 mm. Noch deutlicher werden dieÄnderungen durch die Verwendung der Gras-Referenzmethode anstatt des Haude-Ansatzes.In Verbindung mit der unkorrigierten Standardniederschlagsmessung betragen dieUnterschiede gegenüber Haude 1997 218 mm und 1998 176 mm, wobei hier der größere Teilin den Sommermonaten (152 bzw. 119 mm) verursacht wird. Verwendet man dieReferenzverdunstung mit dem korrigierten Niederschlag belaufen sich die Differenzengegenüber der Ausgangsberechnung sogar auf 268 bzw. 244 mm für die Jahre 1997 und 1998(Vegetationsperiode: 184 bzw. 156 mm).

Dies bedeutet eine drastische Änderung der klimatischen Wasserbilanz, die zu einerwesentlich genaueren Einschätzung des vorherrschenden Wasserhaushaltes und zu einervollkommen veränderten Charakterisierung eines Standortes führen kann.

Um diese Ergebnisse verifizieren und bewerten zu können, werden die Messungen derWasserbilanz auf der Grundlage der Lysimeterwerte herangezogen. Anstatt der potentiellenEvapotranspiration wird die gemessene Evapotranspiration eingesetzt, wodurch ein Einblickin die realen Verhältnisse des Wasserhaushaltes ermöglicht wird. Um Vergleichbarkeitherzustellen wird diese Berechnung ebenfalls mit den beiden Niederschlagsreihendurchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7-7 aufgeführt. Erwartungsgemäß zeigt sich,dass die Varianten der Gras-Referenzmethode wesentlich besser mit den Messwertenübereinstimmen als die des HAUDE-Ansatzes und insofern ein realistischeres Bild derWirklichkeit wiedergeben.

Eine zuverlässige Größe zur Beurteilung der Wasserbilanz in die weder Fehler derVerdunstungsmessung noch der Niederschlagsregistrierung eingehen, stellen die über ein Jahraufsummierten Perkolationswerte dar. Diese Werte geben an, wie viel Wasser im Laufe einesJahres als Perkolat bzw. Grundwasser angefallen ist. Sie stellen somit einen Jahreswert derWasserbilanz dar. Im Hintergrund steht dabei die Annahme, dass zum Jahreswechsel derBodenspeicher nach der Austrocknung im Sommer wieder aufgefüllt und der Ausgangswerterreicht worden ist. So ist es möglich, einen genauen Jahreswert der Perkolation und damitder Wasserbilanz zu berechnen. Die hier aufgeführten Perkolationswerte sindDurchschnittswerte über alle Lysimetervarianten, eventuelle Unterschiede zwischen denBodenvarianten werden dadurch weggemittelt.


Für das Jahr 1997 ergab sich durch dieses Verfahren eine gesamte Perkolationsmenge von 48mm, für das Jahr 1998 von 240 mm, die damit gut mit den Lysimeterwerten L1k der Tabelle7.7 übereinstimmen. Durch den Abgleich mit den Ergebnissen der Varianten aus Tabelle 7-7ergibt sich, dass die Variante Gras-Referenzverdunstung in Verbindung mit dem korrigiertenNiederschlag (R1k) mit –15 mm bzw. 209 mm diesen Perkolationswerten am nächstenkommt und somit die besten Ergebnisse aufweist. Die auftretenden Differenzen zu denPerkolatmengen sind durch die gegenüber der berechneten Verdunstung geringere realeVerdunstung und den dadurch höheren Sickerwasseranfall zu erklären.

Die Ergebnisse zeigen, wie groß die Variationsbreite der berechneten klimatischenWasserbilanz allein durch die Wahl der aufgeführten Verfahren ist. Da durch dieLysimeteranlage ein verlässlicher Wert für die Perkolation eines Jahres vorliegt, kann eineBewertung der Verfahren vorgenommen werden. Zur Berechnung der klimatischenWasserbilanz ist eindeutig die Gras-Referenzmethode zu bevorzugen. Auf dieNiederschlagswerte sollte dabei das Korrekturverfahren nach RICHTER (1995) angewandtwerden.

Für die Charakterisierung des Wasserhaushaltes eines Standortes ist die Wahl der Methodiksomit von entscheidender Bedeutung. Es konnte aufgezeigt werden, dass eine grundlegendandere Bewertung eines Standortes durch den Einsatz eines anderen Verdunstungsansatzes,hier der Gras-Referenzmethode, notwendig werden kann.

Durch den Abgleich mit den Messwerten der Lysimeteranlage konnte gezeigt werden, dassdie berechnete klimatische Wasserbilanz auf der Grundlage der Verdunstungsberechnungennach der Gras-Referenzmethode zu realitätsnahen Ergebnissen kommt.

8 Abflussbildung aus Lysimetern 117

8. Abflussbildung aus Lysimetern

Im vorliegenden Kapitel werden die Sickerwassermengen der Lysimeter unter Grasvegetationder Jahre 1997/98 einer genaueren Betrachtung unterzogen. Das Jahr 1997 ist mit 480 mmJahresniederschlag ein sehr trockenes während das Jahr 1998 mit 577 mm über demlangjährigen Mittel von 545 mm liegt (vgl. Tab. 4-2). Durch die kurze Grasdecke liegtdurchgehend ein einheitlicher Bewuchs vor.

Im ersten Teil werden die auftretenden Sickerwassermengen und deren Verteilung imJahresverlauf für die verschiedenen Bodenvarianten betrachtet. Dabei werdenbodenspezifische Unterschiede aufgezeigt und interpretiert. Die Zeitschritte der Werte sindMonate.

Mit Hilfe einer zeitlich höheren Auflösung wird im zweiten Teil für je einen ausgewähltenZeitpunkt im Sommer- und im Winterhalbjahr analysiert, unter welchen Bedingungen und mitwelcher Dynamik Sickerwasser bei den jeweiligen Bodenmonolithen auftritt.

8.1 Grundwasserneubildung und –zehrung der Jahre 1997/98

In der Tabelle 8-1 sind die Sickerwassermengen (positive Werte) sowie dieGrundwasserzehrung (negative Werte) der Jahre 97/98 für das gesamte Jahr und für dasSommer- und das Winterhalbjahr dargestellt. Die komplette Tabelle mit Monatswerten ist alsAbbildung A 8-1 im Anhang zu finden.

Tabelle 8-1: Grundwasserneubildung und –zehrung [mm] 1997/98

MONAT SandGW-fern

SandGW-nah

LehmGW-fern

SchluffGW-fern

SchluffGW-nah

1997 83 22 63 28 501.4.-30.9. 17 -131 -13 -43 -111.10.-31.3. 66 154 76 71 611998 254 236 256 205 2321.4.-30.9. 23 -48 2 -39 -61.10.-31.3. 230 284 254 244 238Positive Werte entsprechen Perkolation, negative Werte kapillarem Aufstieg

In der Abbildung 8-1 wird der Verlauf der Sickerwassermengen für die Jahre 97/98 aufMonatsbasis grafisch dargestellt. Positive Werte bedeuten Sickerwasseranfall (Perkolation)oder Grundwasserneubildung, negative Grundwasserzehrung. In den Monaten Januar bisMärz überwiegt bei allen Varianten in beiden Jahren stark die Grundwasserneubildung, abMai ist dann ein Aufbrauch zu verzeichnen. Im "trockenen" Jahr 1997 setzt die Perkolationerst im Dezember ein während im "feuchten" 1998 bereits im Oktober hohe Perkolationswerte


zu verzeichnen sind. Das späte Einsetzen der Perkolation und die um durchschnittlich 186mm geringere Gesamtmenge ist auf die um ca. 100 mm geringeren Niederschläge des Jahres1997 sowie die um ca. 50 mm höhere Verdunstung zurückzuführen. Die höherenNiederschläge des Jahres 1998 führen in Verbindung mit der geringeren Verdunstungdementsprechend zu höherer Perkolation. Die verbleibende Differenz von über 30 mm kanndurch die Datenausfälle der Monate Januar und März 1997 erklärt werden.

Im Vergleich mit den Ergebnissen des vorangegangenen Kapitels (Tab. 7.7) zeigt sich der zuerwartende Zusammenhang zwischen Sickerwasseranfall und klimatischer Wasserbilanz.

Monate mit einem hohen Wasserbilanzdefizit weisen Grundwasserzehrung auf währendGrundwasserneubildung zusammen mit einer positiven Wasserbilanz auftritt. ZeitlicheVerschiebungen zur Wasserbilanz entstehen durch die Pufferwirkung desBodenwasserspeichers. Dadurch kommt es im Sommer zunächst zu wenigerGrundwasserzehrung als allein von der Wasserbilanz her zu erwarten wäre. Im Herbst gehtder Überschuss der positiven Wasserbilanz in die Auffüllung des Bodenspeichers, es kommtzunächst nur zu geringen Sickerwassermengen.

In Abbildung 8-1 sind die Monatswerte der Sickerwassermengen für die einzelnenBodenvarianten dargestellt. Die Datengrundlage auf Monatsbasis ist der Tabelle A 8-1 imAnhang zu entnehmen.

Dez. 97

Nov. 97

Okt. 97

Sep. 97

Aug. 97

Jul. 97Jun. 97

Mai 97

Apr. 97

Mrz. 97

Feb. 97

Jan. 97

Gru

ndw

asse

rzeh

rung

- G

rund

was

sern

eubi

ldun

g [m

m]

80

60

40

20

0

-20

-40

-60

Sand, GW-fern

Sand, GW-nah

Lehm

Schluff, GW-fern

Schluff, GW-nah

Abbildung 8-1: Perkolation aus den Bodenmonolithen nachBodenvarianten

Monatswerte


Deutlich treten die hohen Sickerwassermengen der Wintermonate als auch der sommerlicheAufbrauch der Variante „Sand, grundwassernah“ hervor.

Der Sand, GW-nah weist im August und September 1997 überdurchschnittlich starkeGrundwasserzehrung und im Februar und Dezember 1997 sowie Januar, September undOktober 1998 überdurchschnittliche Grundwasserneubildungswerte auf.

Da das Porenvolumen des Bodenspeichers infolge des hohen Grundwasserstandes kleiner alsbei tiefem Grundwasserstand ist, wird er schneller gefüllt und es kommt eher zu Perkolation.Die oben erwähnte Pufferwirkung fällt bei dieser Variante geringer aus.

Der Grundwasserstand der Variante Sand, GW-nah befindet sich in einem Bereich, in demaufgrund der kapillaren Aufstiegshöhe nach WESSOLEK (1989, S. 66) eine ausreichendeWasserversorgung der Vegetation von bis zu 5 mm/d erreicht wird. DieBestandesverdunstung ist deshalb hoch, kapillarer Aufstieg tritt schnell ein, derBodenwasserspeicher wird nur wenig ausgenutzt. Bei der Variante Sand, GW-fern ist dieAufstiegsrate bereits geringer, eine gleichwertige Pflanzenversorgung durch den kapillarenAufstieg findet nicht statt, der Bodenspeicher wird mehr in Anspruch genommen.

Die trotz des hohen Grundwasserstandes geringe Neubildung bzw. der geringe Aufbrauch beihoher Verdunstung der Variante Schluff, GW-nah ist durch die bessere Versorgung derVegetation aufgrund leichter verfügbaren Wassers aus dem Bodenspeicher heraus zu erklären.Grundwasserzehrung als auch -neubildung ist bei allen Varianten mit tiefemGrundwasserstand geringer, weil hier der Bodenwasserspeicher einen Puffer darstellt, der erstaufgefüllt werden muß.

8.2 Dynamik einzelner Sickerwasserereignisse

Im Folgenden soll die zeitliche Dynamik zweier Sickerwasserereignisse als Folge vonNiederschlägen betrachtet werden. Es wird je ein Ereignis im Sommer bei hohemBodenwasserdefizit und im Winter bei Wassergehalten von nahezu Feldkapazität ausgewählt(vgl. ZENKER u.a. 1999).

Sickerwasseranfall nach einem Starkniederschlagsereignis im Sommerhalbjahr

Trotz der negativen Wasserbilanz kommt es im Sommerhalbjahr unter bestimmtenBedingungen zum Anfall von Sickerwasser. Im Folgenden soll dies an einem ausgewähltenEreignis beispielhaft illustriert werden. In Abbildung 8-2 ist eine entsprechende Situationherausgefiltert worden. Die Datengrundlage sind Tageswerte. Es handelt sich um eine Folgestärkerer Niederschlagsereignisse nach einer Periode, in der dem Bodenwasserspeicher durchdie Pflanzenverdunstung viel Wasser entzogen wurde.


Die negativenbedeuten eineLehm und SchAuf die Niedkaum eine RPerkolation biAbbildung 8-3des Bodenwaausgehend voüberschritten BodenvarianteWert von ca. Perkolation sNiederschlags

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

07.07

.97

09.07

.97

11.07

.97

13.07

.97

15.07

.97

17.07

.97

19.07

.97

21.07

.97

23.07

.97

25.07

.97

27.07

.97

29.07

.97

31.07

.97

02.08

.97

04.08

.97

06.08

.97

08.08

.97

10.08

.97

12.08

.97

14.08

.97

16.08

.97

Perk

olat

ion

[mm

]

00

05

10

15

20

25

30

35

40

Nie

ders

chla

g [m

m]

Nieders. S_GW-nah L_GW-fern U_GW-nah

Abbildung 8-2: Perkolation aus den Bodenmonolithen nach Bodenvarianteninfolge starker Niederschläge

Werte beim Sand, GW-nah vor und nach den Niederschlagsereignissenn ständigen kapillaren Aufstieg aus dem Grundwasser. Die Bodenvariantenluff, GW-nah weisen dagegen weder Perkolation noch kapillaren Aufstieg auf.

erschlagsereignisse von insgesamt ca. 60 mm ist bei diesen beiden Varianteneaktion festzustellen, während der Sand dagegen schnell mit einer starkens über 12 mm/d reagiert. Die Auswirkungen auf den Bodenwassergehalt sind in abzulesen. Die Auffüllung des Bodenspeichers ist deutlich durch den Anstiegssergehaltes zu erkennen. Beim Sandboden übersteigt der Wassergehalt,

n einem Bodenwasserdefizit von -40 mm, die Nulllinie, d. h. Feldkapazität wirdund es kommt zu ca. 20 mm Perkolation. Bei den beiden anderenn ist der Ausgangswert ca. -90 mm und erreicht nach den Niederschlägen einen-30 mm. Bei den nicht dargestellten übrigen Varianten findet ebenfalls keinetatt, das Bodenwasserdefizit ist dort überall größer als die 60 mm desereignisses.


Bei dem dargSommermonatBodenwasserdBereich, der 4annähernd 10Niederschlagsmm überschrez.T. sehr starkFall, während wird und es de

Sickerwassera

In den WintLysimeterbödeist bei allen NiederschlagsNiederschlagsAuflösung vonahe der Feldkvon ca. 29 mm

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.97

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Nieders. Sand GW-nah

Lehm GW-fern Schluff GW-nah

Abbildung 8-3: Entwicklung des Bodenwasserdefizits nach Bodenvarianten

estellten Beispiel handelt es sich um eine typische Situation, die in denen häufiger vorkommt. Wie in Abbildung 8-3 zu erkennen ist, bewegt sich dasefizit des Sandbodens bei hohem Grundwasserstand durchgehend in einem0 mm kaum unterschreitet. Die anderen Böden erreichen hier Werte von bis0 mm. Dementsprechend kommt es infolge von einzelnen hohen

ereignissen oder durch eine Folge kleinerer Ereignisse, die in der Summe die 40iten, zum Anfall von Sickerwasser. In den Sommermonaten ist dies durch dieen Sommerniederschläge für die Variante „Sandboden GW-nah“ häufiger derder Schwellenwert für die anderen Varianten wesentlich seltener überschrittenmentsprechend selten zu Sickerwasseranfall kommt.

nfall nach einem Starkniederschlagsereignis im Winterhalbjahr

ermonaten bis ins Frühjahr hinein bewegt sich der Wassergehalt dern nahe der Feldkapazität. Finden dann stärkere Niederschlagsereignisse statt,

Bodenvarianten Perkolation festzustellen. Die als Reaktion auf ein solchesereignis perkolierte Wassermenge bewegt sich in der Größenordnung derhöhe. In der Abbildung 8-4 ist eine solche Situation mit einer zeitlichenn Stundenwerten dargestellt. Als Ausgangssituation kann von Verhältnissenapazität ausgegangen werden. Das Niederschlagsereignis hat eine Gesamthöhe.


Wenn auch die Gesamtmenge der Perkolation bei allen betrachteten Bodenvarianten nahezugleich ist und dabei der Niederschlagsmenge entspricht, zeigen sich beim zeitlichen Verlauferhebliche Unterschiede. Die Perkolation des Schluffbodens weist dabei einen sehr deutlichenSpitzenwert auf, um jedoch relativ schnell auf den Ausgangswert zurückzukommen. DerLehmboden zeigt eine weniger stark ausgeprägte Spitze mit einem leicht verzögertemAbklingen bis zum Ausgangswert. Der Sandboden weist ein vollkommen anderes Bild auf.Die Kurve der Perkolation verläuft hier sehr viel flacher und zudem noch zeitlich verzögert.Es dauert erheblich länger, bis der Ausgangswert wieder erreicht wird, die Gesamtmenge desPerkolats entspricht jedoch der der anderen Varianten.

Ausschlaggebend für den Verlauf der Perkolation des Sandes ist hier die geringe ungesättigteWasserleitfähigkeit von Sandböden in den Wasserspannungsbereichen der nutzbarenFeldkapazität (vgl. SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 1992, S. 183). Sandböden bleiben dabeideutlich hinter den Schluff- und Tonböden zurück, die Wasserabgabe durch die Perkolationverläuft sehr viel langsamer und führt zu dem dargestellten Verlauf. Beim Sandboden mithohem Grundwasserstand (ohne Abbildung) ist eine verzögerte Perkolation nichtfestzustellen. Es ist zu vermuten, dass bei hohem Grundwasserstand im unteren Bereich desBodenmonolithen einschließlich des Kapillarsaums z.T. hohe Leitfähigkeiten bei gesättigtenVerhältnisse zum tragen kommen. Diese sind beim Sand höher als bei den anderen Varianten.

Die kürzeren Wege im ungesättigten Bereich und die schnellere Abführung von Wasser nachErreichen des Kapillarsaums erklärt, warum die beiden Sand-Varianten ein derart

-0,40

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m/h]

NS 0mS (GW-fern)U (GW-fern)L (GW-fern)

Abbildung 8-4: Versickerung aus den Bodenmonolithen (GW-fern)

1997, Stundenwerte


unterschiedliches Verhalten aufweisen.

Eine Erklärung für den sehr schnellen Abfluss insbesondere aus dem Schluffboden könnte imMakroporenfluss zu suchen sein. Makroporen sind grobe Bodenporen durch die das Wassersehr schnell fließen kann. Da der Makroporenfluss erst bei Verhältnissen bei annäherndFeldkapazität auftritt, ist er in den Sommermonaten zumindest der Jahre 97/98 nicht zubeobachten.

8.3 Zusammenfassung

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Variante Sand, GW-nah beidurchschnittlichen Jahressickerwassermengen eine deutlich höhere Dynamik aufweist als dieanderen Varianten. In den Wintermonaten ist ein höherer Sickerwasseranfall, in denSommermonaten eine höhere Grundwasserzehrung festzustellen. Dies kann durch diegesättigten und ungesättigten Leitfähigkeiten der Bodenvarianten sowie die unterschiedlichenPorenvolumina interpretiert werden.

Durch einen Wechsel in der zeitlichen Betrachtungsebene von Monats zu Tages- oderStundenwerten können einzelne Phasen mit Grundwasserneubildung festgestellt werden, dieaufgrund der klimatischen Wasserbilanz nicht zu erwarten gewesen wären und bei einerBetrachtung auf Monatsebene nicht zu erkennen sind.

Im Sommer kommt es bei negativer klimatischer Wasserbilanz zu Perkolation, wenn dieNiederschläge das Bodenwasserdefizit der Bodenmonolithen ausgleichen und dieFeldkapazität überschritten wird. Je geringer die nutzbare Feldkapazität, desto eher führensommerliche Starkregenereignisse zu Perkolation. Für die Lysimeteranlage tritt dieser Fallmeist bei der Variante Sand, GW-nah auf. Maximale Werte des Bodenwasserdefizits liegenbei dieser Variante bei ca. 40 mm, die anderen Varianten erreichen eher 100 mm.

Gegen Ende des Winterhalbjahrs sind die Lysimeter in der Regel soweit mit Wasser gefüllt,dass von Erreichen der Feldkapazität ausgegangen werden kann. Niederschläge führen dannzu Sickerwassermengen in der gleichen Größenordnung wie das Niederschlagsereignis. DasNiederschlagswasser wird komplett abgeführt bis sich wieder Feldkapazität einstellt.

Der zeitliche Verlauf der Perkolation ist in Abhängigkeit von der Wasserleitfähigkeit sehrunterschiedlich. Der Schluffboden zeigt sehr hohe Leitfähigkeiten und eine schnelle Reaktionauf das Niederschlagsereignis während der Sandboden das Wasser nur sehr verzögert abgibt.Bei den vorliegenden Varianten sind Laufzeitdifferenzen von zwei Wochen und mehrdurchaus zu erwarten. In einer natürlichen Umgebung sind eine größere Pufferwirkung unddamit verzögertere Speisung von Grundwasser und Vorflutern die Folge.

9 Methodische Betrachtungen 124

9. Methodische Betrachtungen

Zentrales methodisches Instrument war bei allen Untersuchungen die Lysimeteranlage mit derzugehörigen agrarmeteorologischen Station. Im Laufe der Untersuchungen zeigten sichsowohl die sehr vielseitigen Möglichkeiten, als auch die Grenzen dieser Technik. Imfolgenden werden einige Möglichkeiten dieser Technik, aber auch entstandene Problemeaufgeführt und Lösungsansätze diskutiert.

Als methodischer Erfolg kann die generelle Funktionstüchtigkeit der angewandten Methodiksowohl für die Untersuchungen der Wasserhaushaltskomponenten Evapotranspiration,Grundwasserneubildung und Bodenwassergehalt, als auch für die aus denVerdunstungsmessungen abgeleiteten Widerstandswerte für die Penman-Monteith-Formelund die K-Faktoren für die Gras-Referenzverdunstung der FAO gesehen werden. Ein großerVorteil der Lysimeteranlage gegenüber Feldmessungen ist die Möglichkeit der zeitgleichenMessung der Wasserhaushaltsgrößen für verschiedene Bodenvarianten in Verbindung mitverschiedenen Grundwasserständen und Pflanzenkulturen. So ist der direkte Vergleich beiexakt gleichen Klimaverhältnissen möglich.

Die Parameter Perkolation/kapillarer Aufstieg, Wassergehaltsänderung, Evapotranspirationund Niederschlag werden einzeln erfasst und können dementsprechend einzeln oder inVerbindung mit anderen Parametern betrachtet werden. Dies ist mit hoher zeitlicherAuflösung möglich, da alle Parameter im gleichen Zeittakt erfasst werden. DieMessgenauigkeit der Lysimeteranlage liegt bei 0,1 mm und ist damit hoch.

Durch diese methodischen Möglichkeiten wurde die Bearbeitung der Fragestellungen dieserArbeit überhaupt erst möglich.

Die aufgeführten Einsatzmöglichkeiten bringen allerdings auch spezifische Probleme derLysimetermessungen mit sich. Auf einige der Hauptprobleme, die sich im Laufe der Arbeitergaben, soll an dieser Stelle hingewiesen werden.

Die Messung der Evapotranspiration erwies sich bei höherer zeitlicher Auflösung wie 15-Min.-Werte als sehr problematisch. Als Folge des Winddrucks, der auf der Oberfläche derLysimetermonolithen lastet und diese zum Schwingen bringt, ist es unmöglich, aus einzelnenWerten auf die Verdunstung zu schließen. Der einzelne Messwert des Lysimetergewichts istaufgrund der Schwingungen mehr oder weniger ein Zufallswert, die auf dieser Grundlageberechnete Verdunstung dementsprechend auch. Für die Verdunstungsmessung muss also dietechnisch mögliche Auflösung von 0,1 mm relativiert werden.

Dem Problem des Winddrucks kann jedoch durch die folgenden Überlegungen begegnetwerden. Geht man von einer gleichmäßigen Schwingung der Lysimeter durch denWindeinfluss aus, so stellt der Mittelwert der Schwingungen den gesuchten Gewichtswert dar.


Als Lösung des Problems bietet sich eine Mittelwertbildung aus möglichst vielen Messwertenan. Aus technischen Gründen war bei der Lysimeteranlage in Dahlem nur eine Registrierungvon einem Messwert alle 30 Sekunden möglich, was sich für die Generierung vonStundenwerten als ein zu langer Zeitschritt erwies. Die auf dieser Basis ermitteltenTageswerte der Verdunstung waren jedoch zuverlässig. Aufgrund dieser Überlegungen lässtsich ableiten, dass eine Mittelwertbildung auf der Grundlage von ca. 3000 Werten (einTageswert basiert bei einer Registrierungshäufigkeit von 30 Sek. auf 2880 Werten)ausreichend ist. Empfehlenswert für eine weitergehende Bearbeitung der Fragestellung istdeshalb eine Registrierung von einem Messwert jede Sekunde, um dann aus 3600Einzelwerten einen Stundenwert zu generieren.

Ein weiteres Problem ergab sich durch die bauliche Ausführung der Lysimeter. Für dieBearbeitung von Fragestellungen der Evapotranspiration von Kulturpflanzen unterTrockenstress erwiesen sich die Monolithe als nicht immer ausreichend tief. So istfestzustellen, dass auch bei sehr geringen Bodenwassergehalten die Verdunstung dertiefwurzelnden Pflanzen nicht wesentlich zurückging und nur geringe Anstiege derVerdunstungswiderstände zu verzeichnen sind. Es ist deshalb zu vermuten, dass dieVegetation in der Lage war, in unmittelbarer Nähe des Lysimeterbodens Wasser aus demfeuchteren Bereich der Saugkerzen des Unterdrucksystems zu ziehen oder zumindest istdavon auszugehen, dass sich der effektive Wurzelraum, der nachSCHEFFER/SCHACHTSCHABEL (1992) für Getreide mit 7 – 11 dm angegeben wird, und derKapillarsaum überschneiden und so eine gewisse Grundversorgung gesichert wird. Bestätigtwerden die Ausschöpfungstiefen durch Untersuchungen an Lysimetern der Station Brandisbei Leipzig, die eine bauliche Tiefe von 3 m aufweisen (vgl. HAFERKORN 2000). Hier werdenin Jahren, in denen das Bodenwasserdefizit im Winter nicht aufgefüllt wurde, sogar deutlichgrößere Ausschöpfungstiefen gemessen.

Bei weniger tief wurzelnden Pflanzen, wie der kurzen Grasdecke, tritt das Problem derWasserversorgung durch die Saugkerzen bzw. den Kapillarsaum nicht auf, bei Trockenheitwerden deshalb Maximalwerte der Widerstände erreicht.

Die unzureichende Tiefe der Bodenmonolithe kann nur durch eine tiefere Auslegung derLysimeter ausgeglichen werden. Um Fragestellungen, bei denen die Wasserversorgung derPflanzen über das Saugkerzensystem ausgeschlossen werden muss, zu bearbeiten, ist einebauliche Tiefe von mind. 3 m zu empfehlen (vgl. ATV-DVWK 2001). Ist diese Bauhöhe nichtmöglich, kann jedoch auf die Möglichkeit des kapillaren Aufstiegs verzichtet und sogrundwasserferne Bedingungen simuliert werden. In längeren Trockenphasen kann es dannallerdings zu starker Austrocknung des gesamten Bodenprofils kommen.

Als methodischer Nachteil erwies sich, dass die Messung von Bodenwassergehalten inverschiedenen Bodenhorizonten von Lysimetern mit hohem technischen Aufwand verbundenist und zu Störungen des natürlichen Aufbaus des Bodenmonolithe führt. Frühere


Untersuchungen an der Lysimeteranlage ergaben eine merkliche Störung des kapillarenAufstiegs durch den seitlichen Einbau von Saugkerzen zur Bodenfeuchtebestimmung.Aufgrund dessen können keine Aussagen über den Wassergehalt einzelner Horizonte, sondernnur über den gesamten Bodenmonolithen getroffen werden.

Die Bodenfeuchtebestimmung für einzelne Bodenhorizonte im Lysimeter lässt sich nur durchden Einbau entsprechender Messgeräte durchführen, die immer zu einer Störung desBodenaufbaus führen. Hier ist die Verwendung von möglichst kleinen TDR-Sonden zubevorzugen, um die Störung des Bodengefüges zu minimieren.

Prinzipiell sind Lysimeter hervorragend geeignet, den Niederschlag zu erfassen, da sie dieFehlerquellen, die zum systematischen Fehler beim Hellmann-Niederschlagmesser führen,nicht aufweisen. Der ermittelte Niederschlagswert entspricht dem Bestandesniederschlag. Esist allerdings zu beachten, dass der Niederschlag nur dann bestimmt werden kann, wenn dieVerdunstung gleich Null gesetzt wird. Dies ist nur für exakt die Phasen möglich, in denenNiederschlag fällt und die Luftfeuchte so hoch ist, dass die Verdunstung ausgeschlossenwerden kann. Um Fehler weitgehend auszuschließen sind also möglichst kleine Zeiteinheitenzu betrachten, in denen Niederschläge zu verzeichnen sind.

Abschließend kann festgehalten werden, dass die aufgeführten technischen Probleme beiweiteren Untersuchungen zu berücksichtigen sind. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmensind die Probleme m. E. jedoch in ausreichendem Maß zu lösen. Lysimeter stellen dann einhervorragend geeignetes Instrumentarium für die Untersuchung von Fragestellungen desWasserhaushaltes dar. Lysimeteruntersuchungen sind sogar die einzig möglicheHerangehensweise, wenn zeitgleich Untersuchungen verschiedener Bodenvarianten unterFeldbedingungen unter gleichen klimatischen Bedingungen durchgeführt werden sollen.

10, Zusammenfassung und Ausblick 127

10. Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zu den WasserhaushaltskomponentenVerdunstung, Niederschlag, Grundwasserneubildung/-zehrung und Bodenwasser-gehaltsänderung durchgeführt. Die Untersuchungen basieren auf den Daten der Lysimetersta-tion Berlin-Dahlem. Im folgenden werden die Ergebnisse der jeweiligen Kapitel kurz zusam-mengefasst. Abschließend wird ein Ausblick auf zukünftige Forschungen und damit verbun-dene Entwicklungen der Methodik gegeben.

Als Grundlage dieser Arbeit wird zunächst die reale Evapotranspiration und die Entwicklungdes Bodenwasserhaushaltes auf der Grundlage der Lysimetermessungen ermittelt. Dabei wer-den Messwerte für drei Bodenvarianten mit zwei verschiedenen Grundwasserständen erho-ben. Durch die Betrachtungen eines Zeitraumes von 6 Jahren mit wechselnden Anbaufrüchtenlassen sich darüber hinaus Aussagen für vier Pflanzenkulturen treffen.

In der Arbeit werden, aufbauend auf den Messungen mit der Lysimeteranlage, Widerstands-werte für den Verdunstungsansatz nach Penman-Monteith (MONTEITH 1965) für Körnermais,Sommerweizen, Luzerne und eine kurze Grasdecke bestimmt. Die pflanzenspezifischen Ver-dunstungswiderstände reduzieren dabei bei geringem Wasserangebot die potentielleEvapotranspiration. Für verschiedene Pflanzenkulturen können Basiswerte für gute Wasser-versorgung, Schwellenwerte des Bodenwassergehaltes für den Anstieg der Widerstände beiTrockenheit und maximale Widerstandswerte ermittelt werden. Dabei werden bodenspezifi-sche Unterschiede aufgezeigt. Der Vergleich der Basiswerte mit den Ergebnissen andererAutoren beweist dabei die Funktionstüchtigkeit dieser Methodik. Des weiteren wird ein Ver-fahren entwickelt und exemplarisch getestet, nach dem die Widerstandswerte aus den pF-Werten des Bodens abgeleitet werden. Für tiefwurzelnde Kulturen erweist sich die baulicheTiefe der Lysimeter für die Ermittlung von hohen Widerstandswerten bei Trockenheit aller-dings als unzureichend.

Auf der Basis der Verdunstungsmessungen der Lysimeteranlage werden die K-Faktoren fürden Ansatz der Gras-Referenzverdunstung der Food and Agricultural Organization der Ver-einten Nation (FAO) (ALLEN 1998) zur Berechnung der Evapotranspiration für die Kultur-pflanzen Körnermais und Sommerweizen bestimmt. Die Gras-Referenzverdunstung der FAOist eine auf dem Penman-Monteith-Ansatz basierende Methode zur Berechnung der potenti-ellen Evapotranspiration. Grundlage bildet dabei die Evapotranspiration einer kurzen, gutversorgten Grasdecke als Referenzvegetation. Durch die pflanzenspezifischen K-Faktorenlässt sich die Evapotranspiration anderer Pflanzenbestände berechnen, die aktuellen Klimabe-dingungen fließen dabei mit ein.

Im Vergleich mit den aus den Messwerten abgeleiteten K-Faktoren fielen die nach FAO-Methodik ermittelten Faktoren teilweise zu niedrig aus, so dass eine entsprechende Anpas-


sung der Berechnungsgrundlagen für hiesige Klimabedingungen nach weiterer eingehenderPrüfung zu erwägen wäre. Trockene Phasen werden generell unzureichend repräsentiert, dader Bodenwassergehalt keine Berücksichtigung findet. Die in dieser Arbeit erzielten Ergeb-nisse stellen einen Beitrag zur Absicherung der FAO-Methodik unter hiesigen Bedingungendar. Die Lysimeter erwiesen sich dabei als geeignetes Instrument zur Ermittlung vor allemauch zeitlich hochauflösender K-Werte und zur Verifizierung der Ergebnisse des FAO-Ansatzes.

Die klimatische Wasserbilanz für den Standort Dahlem wird durch Einsatz von zwei Metho-den zur Berechnung der potentiellen Evapotranspiration, dem HAUDE-Ansatz (HAUDE 1955)und der Gras-Referenzmethode, unter Verwendung von unkorrigierten und korrigierten Nie-derschlagswerten ermittelt. Es zeigte sich die so entstehende große Bandbreite der Ergebnisseder klimatischen Wasserbilanz. Anhand der Lysimetermessungen konnte gezeigt werden, dassdie Niederschlagskorrektur nach RICHTER (1995) für den Berliner Standort zu hoch ausfälltund eine standortangepasste Korrektur erfolgen muss. Für die Verdunstungswerte ergab sicheine gute Übereinstimmung mit der Gras-Referenzmethode, wobei Trockenphasen z.T. etwaszu gering berechnet werden. In Verbindung mit den korrigierten Niederschlagswerten erzieltedie Gras-Referenzverdunstung die besten Resultate.

In der Arbeit kann anhand der Lysimeterwerte eine Bewertung der gewählten Methodendurchgeführt werden, die teilweise große Differenzen aufweisen. Aus diesen Betrachtungenzur klimatischen Wasserbilanz ergibt sich gegenüber der herkömmlichen Berechnungsmetho-de nach HAUDE (1955) eine grundlegend andere Wasserhaushaltssituation eines Standortes.

Abschließend wurde die Dynamik des Sickerwasseranfalls analysiert. In Abhängigkeit derBodeneigenschaften treten hier Unterschiede in Menge und zeitlichem Verlauf auf. Währendim Sommer nur bei Überschreiten der Menge des Bodenwasserdefizits durch auftretende Nie-derschläge Sickerwasser anfiel, hier nur bei einer Bodenvariante, konnte anhand der Winter-daten gezeigt werden, dass die zeitliche Dynamik des Sickerwasseranfalls eine Funktion derungesättigten Leitfähigkeit darstellt und nach Bodenarten stark variiert.

Die Perkolationswerte der Lysimeter stellten dabei eine sehr zuverlässige Datengrundlage mithoher zeitlicher Auflösung dar, mit der die zeitliche Dynamik des Sickerwasseranfalls exaktbeschrieben werden kann.

In der vorliegenden Arbeit werden einige Problembereiche angerissen, die in diesem Rahmennicht abschließend behandelt werden können, die aber m. E. durchaus lohnenswerte Frage-stellungen für weiterführende Forschungsarbeiten darstellen können.

Hervorzuheben wäre hier die Bestimmung von Verdunstungswiderstandswerten für die Pen-man-Monteith-Formel für weitere Pflanzenkulturen und verschiedene klimatische Bedingun-gen. Obwohl dieser Ansatz sich immer mehr durchsetzt und gute Ergebnisse liefert, fehlenimmer noch gut abgesicherte Widerstandswerte. Insbesondere für den Verlauf der Wider-standswerte bei Austrocknung des Bodens und den Schwellenwert, ab dem ein Anstieg der


Widerstände zu verzeichnen ist, fehlen Angaben in der Fachliteratur. Hier sollte unbedingt derAnsatz weiterverfolgt werden, nach dem der Verlauf der Widerstandswerte aus den pF-Werten des Bodens abgeleitet werden können.

Darüber hinaus liegen für viele Vegetationsformen noch keine Untersuchungsergebnisse fürWiderstandswerte vor, hier ist ein grundlegender Forschungsbedarf festzustellen. Nicht zu-letzt für Fragestellungen der Praxis wie Deponieabdeckungen und Dachbegrünungen fehlensolche Ergebnisse.

Ziel weiterführender Untersuchungen sollte sowohl die Ermittlung von Widerstandswerten fürnoch nicht bearbeitete Pflanzenkulturen als auch der Verlauf von Tagesgängen der Wider-stände und deren Abhängigkeiten von beeinflussenden Klimafaktoren und Bodenfeuchtever-hältnissen mit dem Ziel der Modellierung sein. Dazu bietet es sich an, Stundenwerte der Wi-derstandswerte zu berechnen, was mit der derzeitigen Ausstattung der Lysimeteranlage nichtmit ausreichender Genauigkeit möglich ist. Eine zeitlich hochauflösenden (Sekundenwerte)Datenerfassung wäre dabei eine notwendige technische Vorraussetzung.

Weiterführende Fragestellungen ergeben sich ebenfalls im Bereich der Gras-Referenzverdunstung. Da die berechneten K-Faktoren zu niedrig ausfallen, ist eine Überprü-fung und gegebenenfalls eine Anpassung der Berechnungsgrundlagen auf der Grundlageweiterer Verdunstungsmessungen notwendig. Zu überprüfen ist dabei insbesondere, inwieweitdie Abweichungen auf die hiesigen Klimabedingungen zurückzuführen sind.

Im Bereich der Dynamik des Sickerwasseranfalls bietet sich die Lysimetertechnik an, Auf-kommen, Quantität und Dynamik präferentieller Flüsse zu untersuchen, da Fragestellungen zudiesem Thema durch reine Felduntersuchungen nicht zu beantworten sind.

Ein unzureichender Forschungsstand ist m. E. ebenso in der Verwendung der Lysimeter alsNiederschlagsmesser zu sehen. Es ist zu klären, inwieweit die Lysimeter zuverlässige Nieder-schlagswerte liefern und ob systematische Fehler bei diesem Verfahren zu verzeichnen sind.Eigene Untersuchungen ergaben eine gute Übereinstimmung mit den korrigierten Messwertendes Hellmann-Niederschlagsmessers, wobei sich standortbedingt eine etwas zu hohe Korrek-tur ergab. Da die Lysimeterwerte die Fehlerquellen des Hellmann-Messers wie Windfehleroder Benetzungs- und Verdunstungsverluste nicht aufweisen, kann davon ausgegangen wer-den, dass Lysimeter zuverlässige Werte des Bestandsniederschlages liefern.

Literatur 130

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Anhang 134

12. Anhang

A 2. Die Lysimeteranlage

Abbildung A 2-1: Agrarmeteorologische Station mit Lysimeteranlage

e

Abbildung A 2-3:Brückenwaage mitlektronischer Waage

Abbildung A 2-2:Perkolatwaage imLysimeterkeller

Anhang 135

A 3. Grundlagen der Verdunstungermittlung

Tabelle A 3-1: Haude-Faktor f

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sept Okt Nov DezfT 0,22 0,22 0,22 0,29 0,29 0,28 0,26 0,25 0,23 0,22 0,22 0,22fM 6,82 6,22 6,82 8,70 8,99 8,40 8,06 7,75 6,90 6,82 6,60 6,82

A 4. Messungen und Ergebnisse

Abbildung A 4-1: Gemessene Evapotranspiration von Sommerweizen bei zwei Grundwasserständen

03.04

.95

10.04

.95

17.04

.95

24.04

.95

01.05

.95

08.05

.95

15.05

.95

22.05

.95

29.05

.95

05.06

.95

12.06

.95

19.06

.95

26.06

.95

03.07

.95

10.07

.95

17.07

.95

24.07

.95

31.07

.95

ETR SandETR Sand-h

ETR SchluffETR Schluff-h

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

[mm

/d]

Datum

Anhang 136

Abbildung A 4-2: Gemessene Evapotranspiration eines Grasbestandes bei zwei Grundwasserständen

9607

03

9607

17

9608

04

9608

19

9608

31

9609

19

9610

07

9610

18

9704

08

9704

22

9705

03

9705

18

9706

05

9706

17

9707

05

9707

14

9707

30

9708

12

9708

24

9709

08

9709

22

9710

05

9710

19

9710

30

9804

22

9805

07

9805

16

9805

31

9806

17

9807

07

9807

25

9808

10

9809

02

9809

20

9810

02

9810

22

ETR SandETR Sand-h

ETR SchluffETR Schluff-h

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

Datum [d]

[mm

/d]

Anhang 137

A 5. Widerstandswerte für die Penman-Monteith-Formel

Gleichung des „Jarvis-Typs“ zur Berechnung des Widerstandes rc (LHOMME u.a. 1998):

rc = rcmin F1(S) F2(T) F3(D) F4(Ψ)

Mit:F1(S) = Funktion der SonnenstrahlungF2(T) = Funktion der LufttemperaturF3(D) = Funktion des Sättigungsdefizits der LuftF4(Ψ)== Funktion des Wassergehalts der Pflanze oder des Bodens

Ein auf dem Widerstandswert eines einzelnen Blattes in Verbindung mit demBlattflächenindex LAI beruhender Ansatz zur Berechnung des Widerstandswertes wird inALLEN u.a. (1989) und dem FAO-REPORT (1990) sowie in einer Veröffentlichung von RANA

(1994)beschrieben:

LAI / 200 LAI 0,5 / r r 1s ==

Für geschnittenes Gras wird hier ein Blattflächenindex von LAI = 24 hc und für Luzerne undandere Feldfrüchte von LAI = 5,5 + 1,5 ln (hc) angegeben.Es gilt:hc : Wuchshöhe [m]r1 : Durchschnittl. tägl. (24 Std.) Stomata-Widerstand eines

einzelnen Blattes = 100 (ca. für Luzerne und Gras) [sm-1]

Für die FAO-Gras-Referenzverdunstung ergibt sich damit ein LAI von 24 * 0,12 cm = 2,88und ein rs von 200 / 2,88 = 69,4.

Anhang 138

Mais auf Sandbodengrundwassernah

BWD [% nFK]

8070605040302010

rc [s

/m]

300

200

100

0

Abbildung A 5-1: Bestandeswiderstand einer Maiskultur als Funktion des Bodenwasserdefizits

Mais auf Sandbodengrundwasserfern

BWD (% nFK]

605040302010

rc [s

/m]

700

600

500

400

300

200

100

0


Anhang 139

Mais auf Lehmbodengrundwasserfern

BWD [% nFK]

8070605040302010

rc [s

/m]

400

300

200

100

0


Mais auf Schluffbodengrundwasserfern

BWD [% nFK]

8070605040302010

rc [s

/m]

300

200

100

0


Anhang 140

Mais auf Schluffbodengrundwassernah

BWD [% nFK]

8070605040302010

rc [s

/m]

300

200

100

0


Sommerweizen auf Sandboden(grundwassernah)

BWD [% nFK]

70605040302010

rc [s

/m]

250

200

150

100

50

0

Abbildung A 5-6: Bestandeswiderstand einer Sommerweizenkultur als Funktion desBodenwasserdefizits

Anhang 141

Sommerweizen auf Lehmboden(grundwasserfern)

BWD [% nFK]

5040302010

rc [s

/m]

250

200

150

100

50

0

Abbildung A 5-7: Bestandeswiderstand einer Sommerweizenkultur als Funktion des Bodenwasserdefizits

Sommerweizen auf Schluffboden(grundwasserfern)

BWD [% nFK]

70605040302010

rc [s

/m]

250

200

150

100

50

0


Anhang 142

Sommerweizen auf Schluffboden(grundwassernah)

BWD [% nFK]

70605040302010

rc [s

/m]

250

200

150

100

50

0


Gras auf Sandboden(grundwasserfern)

BWD [% nFK]

50403020100

rc [s

/m]

1000

800

600

400

200

0

Abbildung A 5-10: Bestandeswiderstand einer kurzen Grasdecke als Funktion desBodenwasserdefizits

Anhang 143

Gras auf Sandboden(grundwassernah)

BWD [% nFK]

50403020100

rc (s

/m]

600

500

400

300

200

100

0

Abbildung A 5-11: Bestandeswiderstand einer kurzen Grasdecke als Funktion des Bodenwasserdefizits

Gras auf Lehmboden(grundwasserfern)

BWD [% nFK]

6050403020100

rc [s

/m]

1200

1000

800

600

400

200

0


Anhang 144

Gras auf Schluffboden(grundwasserfern)

BWD [% nFK]

50403020100

rc [s

/m]

800

600

400

200

0


Gras auf Schluffboden (grundwassernah)

BWD [% nFk]

50403020100

rc [s

/m]

800

600

400

200

0


Anhang 145

Luzerne auf Schluffboden(grundwasserfern)

BWD [% nFK]

80706050403020100

rc [s

/m]

400

300

200

100

0

Abbildung A 5-15: Bestandeswiderstand einer Luzernekultur als Funktion des Bodenwasserdefizits

Luzerne auf Lehmboden(grundwassefern)

BWD [% nFK)

100806040200

rc [s

/m]

300

200

100

0

Abbildung A 5-17: Bestandeswiderstand einer Luzernekultur als Funktion des Bodenwasserdefizits

Anhang 146

A 5.18: Ableitung des pF-Wertes aus dem Bodenwasserdefizit (BWD) der Lysimetervarianten

Sand: 8,1015,000009,0 ++= BWDBWDpF

Lehm: 8,10159,00005,0 +−= BWDBWDpF

Schluff: 9742,10212,0 += BWDpF

Anhang 147

A 8. Abflussbildung aus Lysimetern

MONAT SandGW-fern

SandGW-nah

LehmGW-fern

SchluffGW-fern

SchluffGW-nah

Jan. 97 5 6 4 2 4

Feb. 97 20 60 46 56 47

Mrz. 97 44 13 16 13 16

Apr. 97 17 -4 3 6 8

Mai. 97 6 -18 2 -4 1

Jun. 97 0 -27 -3 -10 -5

Jul. 97 0 -3 -5 -12 -2

Aug. 97 -2 -54 -5 -11 -7

Sep. 97 -3 -25 -5 -10 -6

Okt. 97 -3 5 -4 -8 -4

Nov. 97 -2 8 -2 -5 -3

Dez. 97 1 63 16 13 1

Jahr 83 22 63 28 50

1.4.-30.9. 17 -131 -13 -43 -11

1.10.-31.3. 66 154 76 71 61

Jan. 98 37 49 48 45 42

Feb. 98 14 10 12 11 14

Mrz. 98 38 51 45 44 45

Apr. 98 19 7 8 5 10

Mai. 98 7 -39 3 -4 2

Jun. 98 -1 -30 -2 -13 -4

Jul. 98 -2 -6 -4 -10 -5

Aug. 98 -2 1 -4 -12 -7

Sep. 98 3 18 1 -5 -2

Okt. 98 23 77 56 53 40

Nov. 98 78 50 52 50 52

Dez. 98 41 48 41 40 45

Jahr 254 236 256 205 232

1.4.-30.9. 23 -49 2 -39 -6

1.10.-31.3. 230 284 254 244 238

Documents

Verdunstungswiderstände und Gras-Referenzverdunstung · Gutachter: Prof. Dr. Gerd Wessolek Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 7.2.2003 Berlin 2003 D83 . Danksagung ... gräber