I ngenieurbüro f ür Ö kologie und L andwirtschaft (IfÖL) Dr. Richard Beisecker Theresa Seith

Ingenieurbüro für Ökologie und Landwirtschaft (IfÖL)

Dr. Richard Beisecker

Theresa Seith

28.11.2013, 20 Uhr

Gasthaus Zur Krone, Körle

2. Informationsveranstaltung 2013im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung

Bodenwasserhaushalt, Versickerung und Nitratauswaschung

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I. Kennwerte des BodenwasserhaushaltsDr. Beisecker (IfÖL)

II. Bodenwasserhaushalt von drei typischen Böden im MaßnahmenraumFr. Seith (IfÖL)

III. Versickerung und NitratauswaschungFr. Seith (IfÖL)

IV. Wasserbedarf der wichtigsten KulturpflanzenDr. Beisecker (IFÖL)

V. Ergebnisse der Demonstrationsflächen zum ZwischenfruchtanbauFr. Seith (IfÖL)

Programm

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Ein Ackerbauer, der in der Lage ist, Wasser dem Boden nach Bedarf zu entnehmen und

zu geben, hat den größten Grad der Vollkommenheit erreicht.

Albrecht D. Thaer

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Dr. Richard Beisecker (IfÖL)


Kennwerte des Bodenwasserhaushalts

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Gliederung

I. Bedeutung des Bodenwasserhaushalts

II. Textur (Korngrößenklassen / Bodenart)

III. Vergleich Bodenschätzung mit bodenkundlicher Kartieranleitung

IV. Porengrößenverteilung

V. Kennwerte des Bodenwasserhaushalts

VI. Bodenwasserhaushalt im Maßnahmenraum- Klimatische Daten- WasserspeicherkapazitätIfÖ

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Bedeutung des Bodenwasserhaushalts

• Wasserversorgung der Pflanzen• Speicherung des Niederschlagswassers• Sickerwasserbildung• Auswaschung von Nähr- und Schadstoffen

(z.B. Nitratauswaschung)

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Uni Münster

• Einflussgrößen auf das Wasserspeichervermögen des Bodens• Bodenart• Lagerungsdichte (Trockenrohdichte)• Humusgehalt

Bodenwasserhaushalt

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• Texturkennzeichnet die Größenverhältnisse der Bodenpartikelder mineralischen Festsubstanz

• man unterscheidet• Grobboden = Skelettanteil (Steine, Kies, Grus) Ø > 2 mm• Feinboden = Mischung der 3 Korngrößen Sand, Schluff, Ton

(Äquivalentdurchmesser Ø < 2 mm)

• In der Natur kommen Gemenge mit unterschiedlichen Anteilen an S, U, T vor!!

• Kornform (rund, eckig, kantig) wird nur bei der Benennung des Bodenskeletts berücksichtigt

Textur

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• Kornfraktionen nach Bodenkundlicher Kartieranleitung (KA 5)

Textur

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• Bodenarten des Feinbodens: Körnungsdreick

Bodenart – Bodenkundliche Kartieranleitung

Quelle: Bodenkundliche Kartieranleitung (2005)

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• Vergleich der Korngrößen-einteilung nach Boden-kundlicher Kartieranleitung und nach Bodenschätzung(Angaben im Katasterauszug)

Bodenart

Quelle: Pfeiffer et al. (2003)

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• Ackerschätzungsrahmen• Bodenart• Zustandsstufe• Entstehung

• Grünlandschätzungsrahmen• Bodenart• Bodenstufe• Klima• Wasserverhältnisse

Bodenart – BodenschätzungKürzel Bodenart

S Sand

Sl anlehmiger Sand

lS lehmiger Sand

SL stark lehmiger Sand

sL sandiger Lehm

L Lehm

LT schwerer Lehm

T Ton

Mo Moor

Kürzel Bodenart

S Sand

lS lehmiger Sand

L Lehm

T Ton

Mo Moor

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Kurzzeichen Bezeichnung Bereich [g/cm3]ρt1 sehr gering < 1,2ρt2 gering 1,2 bis < 1,4ρt3 mittel 1,4 bis <1,6ρt4 hoch 1,6 bis <1,8ρt5 sehr hoch ≥ 1,8

Trockenrohdichte (Rohdichte trocken)

• Die Dichtlagerung des Bodens wird als– Trockenrohdichte (auch Trockenraumgewicht TRG)

oder nach Schätzung im Felde als– Lagerungsdichte bezeichnet

Lagerungsdichte

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Kurzzeichen Bezeichnung Masse-%h0 humusfrei 0h1 sehr schwach humos < 1h2 schwach humos 1 bis < 2h3 mittel humos 2 bis < 4h4 stark humos 4 bis < 8h5 sehr stark humos 8 bis < 15h6 anmoorig 15 bis < 30h7 organisch (Torf) ≥ 30

• Humus = Gesamtheit der abgestorbenen organischen Substanz (Pflanzen- und Tierreste)

• Mittlerer C-Gehalt der organischen Masse ca. 58%

Humusgehalt in % = C-Gehalt x 1,724

Humusgehalt

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• Heute erfolgt Nährstoffersatz überwiegend über die Mineraldüngung

• Bedeutung des Humus für die Nährstoffversorgung der Pflanzen spielt daher eine untergeordnete Rolle

• aber: hohe Bedeutung für die Bodenfruchtbarkeit erhöht die Wasserspeicherkapazität

Humus speichert das 3- bis 4-fache des Eigengewichtes an Wasser, das heißt die WK der OBS beträgt ca. 40-50 Vol.-%

besondere Bedeutung für Sandböden ! verbessert die Bodenstruktur und erhöht die Stabilität des

Bodengefüges Schutz vor Wind- oder Wassererosion Erhöhung der Niederschlagsinfiltration

Humusfunktionen

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• Zwischen den Partikeln der Bodenmatrix (feste Phase) bilden sich unterschiedliche Porenräume, die mit Wasser oder Luft gefüllt sein können (flüssige Phase, Gasphase)

Porenraumgliederung des Bodens

Wassershaushalt

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• Porengrößenverteilung– Poren haben in Abhängigkeit des Durchmessers

unterschiedliche Bindungskräfte (Kapillarität)– Lagerung der Primärpartikel bzw. Aggregate bestimmt den

Wasser- und Lufthaushalt eines Bodens

Wasserhaushalt

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Bezeichnung Durchmesser Kriterien

Makroporen Mit bloßem Auge sichtbar Röhren, Risse, Spaltennicht-kapillar!

Weite Grobporen > 50 µm schnell dränende Poren (Belüftung)

Enge Grobporen 50-10 µm langsam dränende Poren

Mittelporen 10-0,2 µm pflanzenverfügbares Wasser

Feinporen < 0,2 µm „Totwasser“

• Unterscheidung

Porengrößenverteilung

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• Kapillare Steighöhe

= Druckhöhe = Saugspannung = Wasserspannung Steighöhengleichung:

h [cm] = 3000/d [µm]1000 cm WS ≈ 1 bar ≈ pF 3

Porengrößenverteilung

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• typische Beziehungen zwischen Wasserspannung und dem Wassergehalt eines Sand-, Schluff- und Tonbodens(n. Hartge und Horn, 1992)

pF-Kurve

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• Feldkapazität (FK) = Menge an Haftwasser, die ein Boden gegen die Schwerkraft zu speichern vermag – als Konvention der Wassergehalt [Vol.-%], welcher bei pF ≥ 1,8 gebunden ist

• Luftkapazität (LK) = Porenraum des Boden, der bei Feldkapazität mit Luft erfüllt ist

• Totwasser (TW) = permanenter Welkepunkt – Wassergehalt bei pF 4,2 [Vol.-%]

• nutzbare Feldkapazität (nFK) = Wassergehalt [Vol.-%], der in Poren zwischen 50 μm - 0,2 μm gebunden ist; entspricht dem Wassergehalt zwischen pF 1,8 und 4,2


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Definition der Kennwerte zum Wasser- und Lufthaushalt

Saugspannung [hPa] < 60 60 bid < 300 300 bis < 15 000 ≥ 15 000

pF-Wert < 1,8 1,8 bis < 2,5 2, 5 bis < 4,2 ≥ 4,2

Porenäquivalent [μm] > 50 50 bis > 10 10 bis > 0,2 ≤ 0,2

Porenbezeichnung weite Grobporen enge Grobporen Mittelporen Feinporen

schnell bewegliches langsam bewegliches pflanzenverfügbares nicht pflanzenverfügbares

TotwasserSickerwasser Haftwasser

Bodenwasser

Kennwertenutzbare Feldkapazität

FeldkapazitätGesamtporenvolumen

Luftkapazität

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Theresa Seith (IfÖL)


Kennwerte des Bodenwasserhaushalts im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung

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Bodenkarte WRRL-Maßnahmenraum

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• Von drei typische Böden im Maßnahmenraum


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• Lehm (L) dominierend (3235 ha)• sandiger Lehm (sL) auch verbreitet (635 ha)• Lehmiger Sand (lS) und anlehmiger nSand (Sl) in den

Auengebieten an Fulda und Eder ( jeweils 225 ha)

Bodenarten WRRL-Maßnahmenraum

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24 ha

19 ha

225 ha

244 ha

635 ha

3235 ha

90 ha

10 ha

1 ha

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Niederschlag30-jähriger mittlerer Jahresniederschlag [mm/a]1981 - 2010

Klimadaten im Maßnahmenraum

Quelle: DWD, 2013

Name der Station Höhe ü. NN Breite Länge Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez J ahrFRITZLAR (BW) 172 51° 07' 09° 17' 48 36 43 39 64 63 64 56 53 45 49 49 609GUXHAGEN-ALBSHAUSEN 279 51° 12' 09° 31' 58 44 55 46 72 73 77 65 69 54 62 63 738MELSUNGEN-BUERSTOSS 253,5 51° 08' 09° 31' 49 38 52 50 67 75 71 59 71 60 59 59 711

für weitere Berechnungen verwendet:- Raum Gudensberg: 610 mm/a- Raum Guxhagen: 740 mm/a

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• Verdunstung30-jährige mittlere Grasreferenzverdunstung [mm/a]1981 – 2010

Klimadaten im Maßnahmenraum

Quelle: Umweltatlas Hessen, 2013

für weitere Berechnungen verwendet: 600 mm/aIfÖ

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berechnet:Raum Gudensberg: KWB 10 mm

Raum Guxhagen: KWB 140 mm

• Differenz aus Niederschlag und Verdunstung

Klimatische Wasserbilanz KWB

Quelle: Umweltatlas Hessen, 2013

Fazit: positive Wasserbilanz Differenz innerhalb des MR aufgrund

JahresniederschlagsmengeIfÖL 2

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Kennwerte des Bodenwasserhaushalts im MR

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• Feldkapazität in den Gemarkungen

Wasserspeicherkapazität im Maßnahmenraum

Höchste FK 480 mm in Albshausen

Geringste FK 106 mm in Haldorf

Fazit: generell hohe Wasserspeicher-kapazität der Böden im MaßnahmenraumIfÖ

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• Nutzbare Feldkapazität des Bodens (nFK We)Annahmen: grundwasserfern

mittlere Durchwurzelungstiefe sL, L von 10 dm; lS von 8 dm

Wasserspeicherkapazität im Maßnahmenraum

Ableitung der nFKWe im effektiven Wurzelraum nach Vorderbrügge et al., 2004

Nach AD-hoc AG Boden, 2005

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Theresa Seith (IfÖL)


Versickerung und Nitratauswaschung

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• Mittlere jährliche Sickerwasserrate anhand der Klimatische Wasserbilanz KWB

berechnet:Fritzlar:hohe Verdunstung 600 mm

KWB 10 mmGeringe Verdunstung 550 mm

KWB 60 mm

Albshausen:hohe Verdunstung 600 mm

KWB 140 mmGeringe Verdunstung 550 mm

KWB 190

Jährliche Sickerwasserrate im Maßnahmenraum

Quelle: Umweltatlas Hessen, 2013IfÖL 2

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• Mittlere jährliche Sickerwasserrate (nach TUB-BGR-Verfahren; Wessolek et al., 2009)

– Für Nutzungsart Acker und WVPfl < 700 mm:

Jährliche Sickerwasserrate im Maßnahmenraum

Fazit: Lehmböden: SWR ca. 100 mm a-1

leichtere Böden: SWR über 200 mm a-1 IfÖ

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• Aus Feldkapazität und SWRAH = (SWR / FKWe) * 100 [% a-1]

Austauschhäufigkeit des Bodenwassers

Fazit: im ganzen Maßnahmenraum geringe Austauschhäufigkeit des Bodenwassers: Lehmböden: alle 4 JahreSandiger Lehm: alle 3 JahreLehmiger Sand: ca. 1 mal pro Jahr

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Gruppe Einflussgröße

Klima Niederschlagsmenge und –Verteilung 1,2

Beregnung 1,2

Klimatischer Verdunstungsanspruch 1

Boden Relief 1

Grundwasserflurabstand 1

Bodenart und Bodenartschichtung 1,2

N-Vorrat und N-Umsetzungsvermögen 2

Nutzung Pflanzenart 1,2

Dauer und Jahreszeit der Bodenbedeckung 1,2

Häufigkeit und Intensität der Bodenbearbeitung 2

Düngung Düngerart (mineralisch, organisch) 2

Düngermenge und Aufteilung 2 Düngezeitpunkt 2

Nitratverlagerung

1 Einfluss auf die Grundwasserneubildung2 Einfluss auf die Nitratkonzentration im Sickerwasser

Quelle: Bouwer, 1995 IfÖ

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• Ziel: Einhaltung des Grenzwertes der TrinkwV (2001) von 50 mgl-1 im Rohwasser

Maximal zulässige Nitratkonzentration im Sickerwasser

N-Überschuss Bodenart L: 40 kg N/haN-Überschuss Bodenart sL: 35 kg N/haN-Überschuss Bodenart lS: 25 kg N/ha

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• Was können Sie tun, um den Nitrataustrag möglichst gering zu halten?– Angepasste Düngung auf Grundlage der Nmin-Gehalte– Stickstoff-Gehalte Ihres Wirtschaftsdüngers kennen– Stickstoff-Nachlieferung aus dem Bodenvorrat

berücksichtigen– Zwischenfrüchte zur Stickstoff-Speicherung über Winter

anbauen

Handlungsoptionen

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Dr. Richard Beisecker (IfÖL)


Wasserbedarf der wichtigsten Kulturpflanzen

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Wasserbedarf von Kulturpflanzen

• Daten der Lysimeterstation Buttelstedt in Thüringen:(Roth et al., 2005)– Östlicher Rand des Thüringer Beckens, 230 m ü. NN;

mittlerer Jahresniederschlag Ø 550 mm; Jahresmitteltemperatur 8,2 °CBoden: tiefgründiger Braunerde-Tschernosem aus Löß

– Evapotranspiration 1983-2001 ohne Bewässerung Ø 553 mm; Versickerung 38 mm (unberegnet) bis 55 mm (beregnet)

– Langjähriges Defizit der klimatischen Wasserbilanz (KWB) im Zeitraum von April bis September ca. 140 mm

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• Gesamtwasserverbrauch des Pflanzenbestandes ist abhängig von– Furchtart– Durchwurzelung– Boden (Bodenart, Humusgehalt, Wasserspeicherkapazität)– Witterung– Nährstoffversorgung

• Bis zu welcher Tiefe nutzen die Kulturpflanzen das Bodenwasser?

Fruchtart max. Durchwurzelungstiefe [cm] max. Wasserentzug bis Bodentiefe [cm]

Zuckerrübe 210 160

Kartoffeln 90-150 135

Getreide 150-200 130-160

Mais 200-220 ?IfÖ

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• Pflanzenverfügbare Wassermenge im Sommerhalbjahr

WPfl = nFKWe + KA + NSSo [mm]


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Wasserverbrauch von Kulturpflanzen

• Wasserverbrauch ausgewählter Kulturpflanzen (bei weitgehend potenziellen Verdunstungsbedingungen in der Hauptwachstumszeit = Bestandesschluss und Reifebeginn/Ernte; Roth et al., 2005)

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• Beziehung zwischen der Wachstumslänge (L) und dem Wasserverbrauch (WV) zwischen Aufgang und Ernte bei weitgehend potenziellen Verdunstungsbedingungen in der Hauptwachstumszeit (Roth et al. 2005)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

100 150 200 250 300 350 400

Wass

erv

erb

rauch

[m

m]

Länge Wachstumszeit [d]

WV = 159 + (1,495 · Länge [d]B = 0,913

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• Einflussfaktoren auf Verdunstung (Evapotranspiration) von Pflanzenbeständen– Strahlungsenergie (intensive Sonneneinstrahlung, Advektion)– Wind– Bedeckungsgrad (Blattflächenindex BFI)– Funktionsfähigkeit des Blattapparates (Blattflächendauer BFD)– Wuchshöhe (Bestandesklima)– Durchwurzelung (Wurzellängendichte, Gesamtwurzellänge)

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• Tageswasserverbrauch in Hauptwachstumsperiode– Unterschiede zwischen den Fruchtarten relativ gering– bei voll transpirationsfähigen Beständen

Zeitraum Mai-Sept. 3,7 – 4,3 mm/d (Spanne 1,3-7,9 mm/d)

Minimum 0,1 - 0,9 mm/d (z. B. Raps, Silomais, W. Weidelgras) Maximum 9 – 10 mm/d (z. B. ZR, W. Weidelgras, Phacelia)

Faustzahlen Ø Schönwettertage 4-6 mm/d Ø Vegetationsperiode 2 mm/dØ Winter 0,1-0,2 mm/d

• Mittlere Tagesniederschläge Hauptwachstumsperiodeim deutschen Binnenland (Mai-Sept.) ca. 1,5 – 2 mm/d

Ausreichende Versorgung aus Bodenwasservorrat entscheidend für Ertrag und Qualität der Kulturen !!

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• Zeitspannen des Hauptwasserbedarfs der Fruchtarten

Fruchtart Zeitspanne Hauptwasserbedarf

optimaler Beregnungszeitraum

Zuckerrüben n. Bestandesschluss im Juli-Aug. Ende Juni/Anf. Juli bis Ende Aug.

Kartoffelneinsetzende Knospenbildung Mitte/Ende Juni

ab Vollblüte + 3 Wochen

W. WeizenSchoßbeginn bis Gelbreife; Anfang Mai-Ende Juli

gilt prinzipiell für alle Getreidearten

S. GersteSchoßbeginn bis Gelbreife; Anfang Mai-Ende Juli

hat allerdings bereits schon vor Schoßbeginn hohen Wasserbedarf

Silomaisab 6/7-Blattstadium bis Teigreife; höchster Wasserbedarf im Juli/Aug.

vor Beginn Kolbenansatz bis beginnende Teigreife

W. Rapsab Ende April; höchster Wasserbedarf Ende Mai-Ende Juni

Weißkohl ab 12-Blattstadium bis kurz vor Ernte; Mitte Mai-Ende Juli

Einlegegurkenzw. Bestandesschluss bis Ende Aug./Anf. Sept.

ab Ausbildung erntefähiger Gurken (Ende Juni) bis Ertragszuwachs nachlässt

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• (Evapo)-Transpirationskoeffizient (E)TK = kg Wasser / kg TS– Verhältnis zwischen Wasserverbrauch während der Wachstumsperiode

und erzeugte Biomasse– gibt an, wie viel Wasser eine bestimmte Kultur zur Erzeugung von 1 kg

Trockensubstanz (TS) benötigt

• Wasserausnutzung – „water use efficiency“ = Kehrwert des Transpirationskoeffizienten TK– Quotient zwischen erzeugter TS je kg verbrauchter Wassermenge

(g TS pro kg Wasser)

• Transpirationskoeffizient TK ist abhängig von– Klima (Sättigungsdefizit der Luft)– Boden-(Wasserhaushalt)– Kulturart– Nährstoffversorgung

Kennwerte der Wasserausnutzung

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Wasserausnutzung

• Evapotranspirationskoeffizienten (ETK) einiger Kulturpflanzen (verschiedene Quellen: Ehlers, 1996; Larcher, 2001; Roth et al., 2005;)

KulturartETK

[kg H2O/kg TS]

(Winter)-Weizen 330…390

(Sommer)- Gerste 217…312

Hafer 243…313

Zuckerrüben 176…311

Kartoffeln 185…218

Mais 180…214

Weißkohl 241…420

Gurken 431…540IfÖL 2

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Wasserausnutzung

• Wasserausnutzungskoeffizient (WUE) einiger Kulturpflanzengruppen (nach Larcher, 2001; Roth et al., 2005)

PflanzengruppeWUE

[g TS/kg H2O]

Getreide 1,5-2 (4)

Leguminosen 1,3-1,4

Kartoffeln, Rüben 1,5-2,5 (4-5)

C4-Pflanzen (Mais, Hirse) 3-5 (5-6)

Bäume 3-5IfÖL 2

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• Welche Größen können wir beeinflussen ?– Verbesserung der Infiltration

(Bodenstruktur, Bodenbedeckung, Gefügeaufbau)– Verminderung der unproduktiven Verdunstung

(Bodenbedeckung, Mulchsaat, Stoppelbearbeitung)– Erhöhung der Wasserspeicherkapazität im Wurzelraum

(Humushaushalt, Vermeidung von Bodenverdichtungen, Gründüngung, Durchwurzelbarkeit)

– Ackerbauliche Maßnahmen (Fruchtfolge, Sortenwahl, Saattermin, Bestandesdichte, Düngung)

– Bewässerung

Wasserausnutzung von Kulturpflanzen

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Ingenieurbüro für Ökologie und

Landwirtschaft (IfÖL)

Dr. Richard Beisecker

Windhäuser Weg 834123 Kassel

Tel.: 0561-701515 0Fax 0561-701515 19E-Mail: [email protected]

www.ifoel.de www.ifoel-wrrl.de

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Quellennachweise:

• Ad-Hoc-Arbeitsgruppe Boden (2006): Bodenkundliche Kartieranleitung. Druckhaus Thomas Müntzer Bad Langensalza.

• Bouwer, W. (1995) Wasser- und Stickstoffumsatz im Boden- und Grundwasserbereich eines Wassereinzugsgebietes in Niedersachsen. Boden und Landschaft. Schriftenreihe zur Bodenkunde, Landeskultur und Landschaftsökologie. Justus-Liebig Universität, Gießen.

• Ehlers, W. (1996): Wasser in Boden und Pflanze. Ulmer Verlag Stuttgart.• Hartge, K., Horn, R. (1992): Die physikalische Untersuchung von Böden. Enke, Stuttgart.• Larcher, W. (2001): Ökophysiologie der Pflanzen. 6. Auflage, Ulmer Verlag Stuttgart.• LBEG (2011): GeoBerichte 19. Auswertungen im Bodenschutz. Dokumentation zur Methodenbank des

Niedersächsischen Bodeninformationssystems (NIBIS). • Pfeiffer, E.-M., S. Sauer & E. Engel (Hrsg.) (2003): Bodenschätzung und Bodenbewertung. Nutzung und

Erhebung von Schätzungsdaten. Verlag Chmielorz, Wiesbaden.• Roth, D.; Günther, R., Knoblauch, S., Michel, H. (2005): Wasserhaushaltsgrößen von Kulturpflanzen unter

Feldbedingungen. Ergebnisse der TLL-Lysimeterstation. Schriftenreihe Heft 1/2005 der TLL, Erfurt.• Wessolek, G., Kaupenjohann, M., Renger, M. (2009): Bodenökologie und Bodengenese. Bodenphysikalische

Kennwerte und Berechnungsverfahren für die Praxis. Heft 40. Technische Universität Berlin, Selbstverlag.• Vorderbrügge, T., Miller, R., Peter, M., Sauer, S. (2004): Ableitung der nutzbaren Feldkapazität aus den

Klassenzeichen der Bodenschätzung. DBG-Mitteilungen, Band 104, S. 33-34.• Universität Münster: http://hypersoil.uni-muenster.de/0/03/04.htm• Meyer, L.D., Wischmeier, W.H., Foster, G.R. (1970): Mulch rates required for erosion control on steep slopes. Soil

Sci. Soc. Am. Proc. 34: 928-931.

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