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Salze verwalten: Warum Sie sich mehr Gedanken machen sollten/de/measurement-insights/about-us-meter-environment

Eine falsche Handhabung des bei der Bewässerung ausgebrachten Salzes führt letztendlich zu einem Produktionsrückgang - in vielen Fällen sogar drastisch. Falsche Bewässerung erhöht auch die Wasserkosten und die für die Ausbringung benötigte Energie. Das Verständnis des Salzgleichgewichts im Boden und die Kenntnis des Auswaschungsanteils bzw. der Menge an zusätzlichem Bewässerungswasser, die ausgebracht werden muss, um einen akzeptablen Salzgehalt in der Wurzelzone aufrechtzuerhalten, ist für den Erfolg jedes Bewässerungsmanagers entscheidend. Doch die Überwachung des Salzgehalts im Boden wird oft nur unzureichend verstanden.

Messen Sie EC für konstant hohe Ernteerträge

In dem folgenden Webinar erklärt der weltbekannte Bodenphysiker Dr. Gaylon Campbell die Grundlagen der Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Bodens (EC) und die Verwendung eines Instruments, an das nur wenige denken, das aber für die Erhaltung der Ernteerträge und des Gewinns absolut wichtig ist. Lernen Sie:

• Die Quellen von Salz in der Bewässerungslandwirtschaft
• Wie und warum Salz Pflanzen beeinflusst
• Wie Salz im Boden gemessen wird
• Wie gängige Messungen mit der Salzmenge im Boden zusammenhängen
• Wie Salz verschiedene Pflanzenarten beeinflusst
• Wie Sie die Berechnungen durchführen, die erforderlich sind, um zu wissen, wie viel Wasser Sie für eine bestimmte Wasserqualität ausbringen müssen

Warum EC messen?

Bewässerte Anbauflächen machen 40 % unserer Nahrungsmittelversorgung aus, und Salze beeinträchtigen die Erträge auf etwa einem Fünftel dieser Anbauflächen. Jedes Bewässerungswasser enthält zumindest etwas Salz. Wenn sich Salze in der Wurzelzone einer Kulturpflanze ansammeln, schädigen sie die Pflanzen, verringern die Erträge und verändern sogar die Bodenstruktur, was dem Boden selbst langfristig schadet. Um die Produktivität von bewässerten Flächen zu erhalten, ist es wichtig zu wissen, wie man mit Salzen umgeht.

Die Schritte zur Verwaltung von Salzen sind:

• Messen Sie, wie viel Salz sich derzeit im Boden befindet
• Bestimmen Sie, wie viel Salz durch die Bewässerung zugeführt wird
• Überwachen Sie kontinuierlich während der Bewässerung, um Salze zu verwalten

Die elektrische Leitfähigkeit (EC) ist der Schlüssel zur Durchführung dieser Messungen. Reines Wasser leitet keinen Strom, aber das meiste Wasser, sogar Leitungswasser, enthält genügend gelöste Salze, um leitfähig zu sein. Da die Salzkonzentration im Wasser die Leitfähigkeit direkt beeinflusst, ist die Messung der elektrischen Leitfähigkeit eine sehr effektive Methode zur Messung der Salzkonzentration im Bodenwasser.

Salz und Pflanzen: Wo liegt das Problem?

Die meisten Menschen haben schon einmal die Erfahrung gemacht, dass sie - vielleicht aus Versehen - zu stark gedüngt haben und dabei Gras oder andere Pflanzen abgetötet haben. Oft wird gesagt, dass der Dünger die Pflanzen "verbrannt" hat, aber im Allgemeinen sind es nicht die Nährstoffe selbst, die den Schaden verursachen. Es ist oft ihre Wirkung auf das Wasser. Pflanzen nehmen Wasser auf, aber sie nehmen Salze nicht in nennenswerter Menge auf. Wenn dem Boden durch Düngung und Bewässerung Salz zugeführt wird, konzentriert es sich dort. Salz kann für Pflanzen eine Vielzahl von Problemen verursachen. Na+ kann beispielsweise Konzentrationen erreichen, die für Pflanzen giftig sind, auch wenn die Pflanze keine nennenswerte Menge davon aufnimmt. Salz zieht auch Wasser an und erschwert es den Pflanzen, Wasser aus dem Boden aufzunehmen. Manche Pflanzen reagieren empfindlicher auf Salz im Boden als andere. Der Ertrag von Bohnen wird beispielsweise beeinträchtigt, wenn der EC-Wert des Sättigungsextrakts im Boden 2 dS/m übersteigt, während Gerste bei einem Sättigungsextrakt im Boden von bis zu 16 dS/m ohne Ertragseinbußen angebaut werden kann. Letztlich wirkt sich ein hoher Salzgehalt jedoch auf alle Pflanzen aus.

Empfindlich	Mäßig tolerant	Hochgradig tolerant
Rotklee	Weizen	Dattelpalme
Erbsen	Tomate	Gerste
Bohne	Mais	Zuckerrübe
Birne	Alfalfa	Baumwolle
Orange	Kartoffel	Spinat

Tabelle 1. Salztoleranz bei Nutzpflanzen

Gemeinsame Einheiten für EC

Die SI-Einheit für den elektrischen Leitwert ist das Siemen, also hat die elektrische Leitfähigkeit die Einheit S/m. Die in älterer Literatur verwendeten Einheiten sind mho/cm (mho ist der Kehrwert von Ohm). Die EC des Bodens wurde üblicherweise in mmho/cm angegeben. 1 mmho/cm entspricht 1 mS/cm, aber da SI von der Verwendung von Teilern im Nenner abrät, wird diese Einheit in deciSiemen pro Meter (dS/m) geändert, was numerisch mmho/cm oder mS/cm entspricht.

• Elektrischer Widerstand - Ohm
• Leitwert - 1/Ohm
• mho - jetzt Siemens
• Alte Einheiten - mmho/cm
• Moderne Einheiten - mS/cm oder dS/m

 

USDA-Klasse	Sättigungsextrakt (dS/m)	Salz im Boden (g Salz/100g Boden)	Osmotisches Potential (kPa)	Kulturpflanzen-Toleranz	Beispiel-Kulturen
A	0-2	0-0.13	0 bis -70	Empfindlich	Bohne
B	2-4	0.13-0.26	-70 bis -140	Mäßig empfindlich	Mais
C	4-8	0.26-0.51	-140 bis -280	Mäßig empfindlich	Weizen
D	8-16	0.51-1.02	-280 bis -560	Tolerant	Gerste

Tabelle 2. Salzgehaltsklassen für Böden (Richards, L.A. [Ed]. 1954. Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils, USDA AG Handbook 60, Washington DC)

Mehr als eine Möglichkeit, EC zu messen

Es gibt drei Möglichkeiten, den EC in Böden zu messen: Messung des Porenwasser-EC, des Bulk-EC oder des Sättigungsextrakt-EC. Alle drei sind miteinander verwandt, aber es gibt Hilfsmittel, um den einen in den anderen umzurechnen. Um die Messdaten zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, welche Art von EC gemessen wird.

Porenwasser EC: was viele Forscher glauben zu messen

Der Porenwasser-EC oder Bodenwasser-EC(_σw) ist die elektrische Leitfähigkeit des Wassers in den Bodenporen. Forscher verwechseln oft den Wert, der aus einem Boden-EC-Sensor kommt, mit dem Porenwasser-EC. Es wäre ideal, die elektrische Leitfähigkeit des Porenwassers einfach an Ort und Stelle zu messen. Versuchen Sie sich jedoch vorzustellen, wie das funktionieren würde. Winzige Sensoren müssten in mikroskopisch kleine wassergefüllte Poren eingeführt werden. Offensichtlich ist es nicht möglich, den EC von Wasser in diesem Maßstab zu messen. Die einzige Möglichkeit, den EC-Wert des Porenwassers zu messen, besteht darin, eine Bodenwasserprobe zu entnehmen und den EC-Wert dieser Probe zu messen.

Bulk EC

Bulk EC(_σb) ist die elektrische Leitfähigkeit des Bodens (Boden, Wasser und Luft). In den Boden eingebrachte Bodenfeuchtesensoren messen alle den Bulk-EC. Empirische oder theoretische Gleichungen können verwendet werden, um den EC des Porenwassers und den EC des Sättigungsextrakts(_σe) aus gemessenen EC-Werten zu bestimmen. Der Gesamt-EC-Wert ist die einzige EC-Messung, die kontinuierlich an Ort und Stelle überwacht werden kann.

Sättigungsextrakt EC: die traditionelle Methode

Der Sättigungsextrakt EC(_σe) gibt genau an, wie viel Salz sich im Boden befindet und kann in den Salzgehalt des Bodens umgerechnet werden. Dies ist die traditionelle Methode zur Messung des EC. Er wird gemessen, indem eine Bodenprobe entnommen, eine gesättigte Paste aus Boden und entionisiertem Wasser hergestellt, das Wasser extrahiert und dann der EC-Wert der extrahierten Lösung gemessen wird. Bei den in der Literatur veröffentlichten EC-Werten handelt es sich fast immer um den EC des Sättigungsextrakts.

Umrechnung von Bulk EC in Porenwasser EC

Wie bereits erwähnt, messen In-Situ-Sensoren die elektrische Leitfähigkeit des Bodens in der Umgebung der Sensoren(_σb). Es wurde viel geforscht, um die Beziehung zwischen _σb und der Leitfähigkeit des Porenwassers(_σw) zu bestimmen. Hilhorst (2000) hat sich die lineare Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstante des Bodens(_εb) und _σw zunutze gemacht, um eine Umrechnung von _σb in _σw zu ermöglichen, wenn _εb bekannt ist. Die TEROS 12 Sensoren messen _εb und _σb fast gleichzeitig im gleichen Bodenvolumen. Sie sind für diese Methode gut geeignet. Die Porenwasserleitfähigkeit kann bestimmt werden aus (siehe Hilhorst, 2000 für die Herleitung)

 

wobei _σw die elektrische Leitfähigkeit des Porenwassers (dS/m) ist; _εw ist der Realteil der Dielektrizitätskonstante des Porenwassers (ohne Einheit); _σb ist die elektrische Leitfähigkeit des Bodens (dS/m), die direkt vom Sensor gemessen wird; _εb ist der Realteil der Dielektrizitätskonstante des Bodens (ohne Einheit); _εσb=0 ist der Realteil der Dielektrizitätskonstante, wenn _σb = 0 (ohne Einheit). _εw ( Gleichung 2) hat einen Wert von etwa 80. Ein genauerer Wert kann aus der Bodentemperatur berechnet werden, indem man

 

wobei _Tsoil die Bodentemperatur (ºC) ist, die von einem Temperatursensor gemessen wird, der mit der EC-Messung verbunden ist, wie es bei den EC-Sensoren von METER üblich ist.

_εb wird auch von den meisten Sensoren für den volumetrischen Wassergehalt in der Forschung gemessen.

_εσb=0 schließlich ist ein Offset-Term, der grob die Dielektrizitätskonstante des Bodens bei EC=0 darstellt. Hilhorst (2000) empfiehlt, _εσb=0= 4,1 als allgemeinen Offset zu verwenden. Hilhorst (2000) bietet eine einfache und leichte Methode zur Bestimmung von _εσb=0 für einzelne Bodentypen an, die die Genauigkeit der Berechnung von _σw in den meisten Fällen verbessern wird.

Unsere Tests zeigen, dass die oben beschriebene Methode zur Berechnung von _σwin Böden und anderen Wachstumsmedien bei hohem Wassergehalt (über 25%) eine angemessene Genauigkeit (± 20%) aufweist. Wenn der Wassergehalt sinkt, wird der Nenner von Gleichung 1 klein, was zu großen potenziellen Fehlern in der Berechnung führt. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, empfehlen wir, bei hohem Wassergehalt die Hilhorst-Gleichung zu verwenden, um den Sättigungsextrakt-EC(_σe) zu erhalten, und dann den Porenwasser-EC bei niedrigerem Wassergehalt (unter 25%) zu berechnen, unter der Annahme, dass das Salz im Boden verbleibt, während das Wasser entzogen wird (siehe Gleichung 3). Unter dieser Annahme

Dabei ist θ der volumetrische Wassergehalt des Bodens und _θs der Wassergehalt bei Sättigung, der aus der Schüttdichte des Bodens berechnet werden kann

_ρb ist die Schüttdichte des Bodens (^Mg/m3) und _ρs ist die Dichte der Feststoffe (2,65 ^Mg/m3 für Mineralboden).

Umrechnung von Porenwasser EC in Sättigungsextrakt EC

Der EC des Sättigungsextrakts (oft als _ECe oder _σe bezeichnet) ist die elektrische Leitfähigkeit des Porenwassers, das einer gesättigten Paste des Bodens entzogen wird. Der Boden wird mit destilliertem Wasser befeuchtet, bis der Boden gesättigt ist. Dann wird der Boden auf Filterpapier in einen Vakuumtrichter gelegt und angesaugt. Eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers, das der Probe entzogen wurde, ergibt _σe. Der _σeeines Bodens ist der Wert, der für fast alle Empfehlungen zum Salzgehalt verwendet wird (siehe z.B. Richards, 1954) und ist daher ein wichtiger Wert. Er kann mit Hilfe der folgenden Gleichung aus dem EC des Porenwassers errechnet werden

Die Kombination der Gleichungen 1 und 4 ergibt

Gleichung 6 ist wahrscheinlich die nützlichste Gleichung für die Bewertung des Salzgehalts im Feld. Auch hier sollten Sie sie verwenden, wenn der Wassergehalt am höchsten ist, um die Genauigkeit zu maximieren.

Nehmen wir als Beispiel an, dass die Schüttdichte unseres Bodens 1,33 ^Mg/m3 beträgt. Nach Gleichung 4 würde dies einen Sättigungswassergehalt von 1 - 1,33/2,65 = 0,5 ergeben. Nehmen wir an, wir haben einen EC-Wert von 0,3 dS/m gemessen, wenn der Wassergehalt 0,345 ^m3/m3 beträgt und die Dielektrizität(_εb) = 20. Das _σe wäre dann

Berechnung des Porenwasser-EC aus dem Bulk-EC

Die Berechnung des Porenwasser-EC aus dem Bulk-EC ist nicht dasselbe wie die Umrechnung von einer Einheit in eine andere - es ist tatsächlich ein Modell. Oder besser gesagt, es geht um viele verschiedene Arten von Modellen. Einige sind empirisch, andere sind theoretisch, aber alle haben ihre eigenen Stärken und Schwächen. Wir haben das Hilhorst-Modell vorgestellt, aber es gibt noch andere beliebte Modelle, darunter das Rhodes-Modell und das Modell von Mualem und Friedman.

Tabelle 3. Methoden zur Messung verschiedener Arten von EC

Anwendung 1: Minimierung der Salzablagerung

Einer der häufigsten Gründe für die Messung des EC-Werts im Boden ist die Minimierung des Salzgehalts in der Wurzelzone von aktiv wachsenden Pflanzen. Wenn der EC-Wert in der Wurzelzone zu hoch wird, kann ein Gärtner zusätzliches Bewässerungswasser hinzufügen, um die Salze unterhalb der Wurzelzone auszulaugen. Die nachstehende Abbildung zeigt, wie sich die Sättigungsextraktwerte relativ zueinander verhalten können Gegenüberstellung , wobei eine hellere Farbe einen niedrigeren Sättigungsextrakt EC und eine dunklere Farbe einen höheren Sättigungsextrakt EC anzeigt.

Anwendung 2: Berechnung des Auslaugungsanteils

Der Auswaschungsanteil (LF) ist definiert als die Tiefe des aus dem Boden der Wurzelzone abfließenden Wassers(_Ddrain) geteilt durch die Tiefe des (durch Bewässerung und Niederschlag) in das Bodenprofil eingebrachten Wassers(_Dapplied).

Berechnen Sie mit dem Versickerungsanteil, wie viel Wasser durch das Profil fließen muss, um eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit in der Wurzelzone aufrechtzuerhalten.

Wenn zum Beispiel der EC-Wert des flüssigen Bewässerungswassers 0,3 dS/m beträgt und das Wasser, das an der Wurzelzone vorbeifließt, einen EC-Wert von höchstens 3 dS/m haben sollte, sollten die Bewässerer ein Zehntel des ausgebrachten Wassers durch das Profil laufen lassen.

All dies setzt jedoch voraus, dass die Drainage (wie viel Wasser am Boden der Wurzelzone abfließt) genau gemessen wird. In der Praxis ist dies sehr schwer zu messen. Ein innovativer Ansatz besteht darin, die Gleichungen für den Sickerwasseranteil umzudrehen und den EC-Wert des Drainagewassers zur Berechnung der Tiefenentwässerung zu verwenden. Der EC-Wert des Drainagewassers kann durch die Installation von Sonden unterhalb der Wurzelzone gemessen werden.

Wenn Sie die Gleichungen umstellen, ist die Tiefe des Drainagewassers gleich der Tiefe des ausgebrachten Wassers, multipliziert mit dem EC des ausgebrachten Wassers (Niederschlag und Bewässerung), dividiert durch den EC des Drainagewassers.

In den meisten Gebieten spielt der Regen - der keine Salze enthält - eine wichtige Rolle für die gesamte Salzbilanz. Eine gute Möglichkeit, den EC-Wert des ausgebrachten Wassers(_ECapplied) um den Beitrag des Regens zu bereinigen, besteht darin, den EC-Wert des Bewässerungswassers mit der Tiefe der Bewässerung zu multiplizieren und durch die Tiefe des Regens plus die Tiefe der Bewässerung zu dividieren.

Beispielrechnungen für den Auslaugungsanteil anhand von EC-Messungen in der Masse

Der Anteil der Auslaugung beträgt 0,4/4, also 10%. Der gesamte Wasserverlust durch die Drainage beträgt 2,5 cm.

Anwendung 3: Nährstoffe in der Wurzelzone verfolgen

Abbildung 2 zeigt die Werte des Bodenwassergehalts in drei Tiefen im Laufe der Zeit, unmittelbar nach der Düngung. Aber wo ist der Dünger? Die Bodenfeuchtigkeitswerte geben keinen Hinweis auf die Auswaschung oder Drainage von Nährstoffen

In Abbildung 3 wurden Messungen des EC in der Masse und des volumetrischen Wassergehalts von einem GS3 verwendet, um den EC im Porenwasser in denselben drei Tiefen zu berechnen. Beachten Sie, wie der Dünger vorübergehend in der Wurzelzone verbleibt, aber mit dem Wasser, das aus der Wurzelzone abfließt, ausgelaugt wird. Beide Diagramme sind aus Stirzaker (2010) entnommen.

Sammeln von Daten für EC

Mit den folgenden Sensoren können Sie Daten für bestimmte EC-Modelle und Anwendungen sammeln.

5TE, GS3, TEROS 12

Diese Bodenfeuchtesensoren können zur Bestimmung verwendet werden:

• Bulk EC des Drainagewassers(_σb) - Bodenfeuchte-/Temperatur-/EC-Sensoren, die unterhalb der Wurzelzone installiert sind
• EC des Bodens oder des erdlosen Substrats(_σb) - in der Wurzelzone installierte Sensoren für Bodenfeuchte, Temperatur und EC
• Bodenfeuchte - volumetrischer Wassergehalt (θ) oder dielektrische Permittivität(_εb)
• Die Temperaturwerte des Bodens werden mit den EC-Messungen des Bodens(_Tsoil) zusammengeführt.

G3 Drain Gauge und CTD + DG (EC/Temp/Tiefensensor)

Das G3 und das HYDROS 21 + DG können zur Bestimmung des Porenwasser-EC des Bodenabflusses(_σw, _ECdrain) verwendet werden, wenn sie unterhalb der Wurzelzone installiert sind. Auch Porenwasserprobenehmer können zur Bestimmung des Porenwasser-EC(_σw) verwendet werden.

ES-2 Temperatur- und EC-Sensor

Das ES-2 kann verwendet werden, um den EC-Wert des Bewässerungswassers(_σw, _ECirrig) zu bestimmen, wenn er in der Bewässerungsleitung installiert ist (dies erfordert eine kundenspezifische Kalibrierung).

Regenmesser

Der Regenmesser kann zur Bestimmung der Regentiefe(_Drain) verwendet werden.

Badger Durchflussmesser

Mit diesem Gerät können Sie die Bewässerungstiefe (_Dirrig) bestimmen, wenn Sie die gesamte bewässerte Fläche kennen.

Referenzen

Hamed, Yasser, Magnus Persson, und Ronny Berndtsson. "Messungen der elektrischen Leitfähigkeit von Bodenlösungen mit verschiedenen dielektrischen Techniken". Soil Science Society of America Journal 67, no. 4 (2003): 1071-1078.(Link zum Artikel)

Hilhorst, Max A. "Ein Sensor für die Porenwasserleitfähigkeit". Soil Science Society of America Journal 64, Nr. 6 (2000): 1922-1925.(Artikel-Link)

Mualem, Y., und S. P. Friedman. "Theoretische Vorhersage der elektrischen Leitfähigkeit in gesättigten und ungesättigten Böden". Water Resources Research 27, no. 10 (1991): 2771-2777.(Link zum Artikel)

Rhoades, J. D., P. A. C. Raats und R. J. Prather. "Effects of liquid-phase electrical conductivity, water content and surface conductivity on bulk soil electrical conductivity. Soil Science Society of America Journal 40 (1976): 651-655.

Rhoades, J. D., N. A. Manteghi, P. J. Shouse, und W. J. Alves. "Elektrische Leitfähigkeit des Bodens und Salzgehalt des Bodens: Neue Formulierungen und Kalibrierungen". Soil Science Society of America Journal, Nr. 2 (1989): 433-439.(Link zum Artikel)

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