Vor Jahren erhielten wir einen Anruf von zwei Wissenschaftlern, Dr. Bryan Hopkins und Neil Hansen, über das Bewässerungsmanagement für Sportrasen, den sie in Zusammenarbeit mit den zertifizierten Sportplatzmanagern der Brigham-Young-Universität (BYU) und ihren Forschungs- und Ausbildungsprogrammen für Rasen anbauten. Sie wollten die Leistung in herausfordernden Situationen optimieren, z.B. bei Ausfall der Bewässerungssteuerung und mehr. Gemeinsam begannen wir, das Wasser in der Wurzelzone intensiv zu untersuchen.
Als wir im Laufe der Zeit Bewässerungs- und Leistungsdaten sammelten, entdeckten wir neue kritische Best Practices für das Management der Bewässerung von Rasen und anderen Kulturen, einschließlich der Messung des "Bodenwasserpotenzials". Wir kombinierten Sensoren für das Bodenwasserpotenzial mit herkömmlichen Sensoren für den Wassergehalt des Bodens, um den Aufwand zu verringern, der nötig war, um die Leistung des Rasens hoch zu halten und gleichzeitig Wasserkosten zu sparen und das Potenzial für Krankheiten und schlechte Belüftung zu verringern. Wir haben auch die Düngekosten gesenkt, indem wir die Auswaschungsverluste aus der Wurzelzone aufgrund von Überwässerung minimiert haben.
In diesem Artikel zeigen wir anhand von Rasen und Kartoffeln, wie Sie die Daten von Wasserpotenzial- und Wassergehaltssensoren kombinieren können. Diese bewährten Verfahren gelten jedoch für jede Art von Kulturpflanzen, die von Bewässerungswissenschaftlern, Agronomen, Anbauberatern, Freiland- oder Gewächshausanbauern angebaut werden. Ein Kartoffelanbauer aus Idaho konnte seinen Wasserverbrauch um 38% senken, indem er seine Wassergehaltssensoren mit Wasserpotentialsensoren ergänzte. Dadurch verringerten sich seine Wasserkosten (Pumpkosten) pro 100 Pfund Kartoffeln, so dass er in einem Jahr $13.000 einsparen konnte. Aber das ist noch nicht einmal das Beste daran. Sein Ertrag stieg um 8 % und er verbesserte die Qualität seiner Ernte - Fäulnis, die er normalerweise sieht, verschwand praktisch.
Einfach ausgedrückt, ist das Bodenwasserpotenzial ein Maß für den Energiezustand des Wassers im Boden. Es hat eine komplizierte wissenschaftliche Definition, aber Sie müssen nicht verstehen, was das Bodenwasserpotenzial ist, um es effektiv zu nutzen. Betrachten Sie es als eine Art Pflanzenthermometer, das das "Wohlbefinden" der Pflanzen anzeigt - so wie ein menschliches Thermometer das menschliche Wohlbefinden (und die Gesundheit) anzeigt. Hier ist eine Analogie, die das Konzept des Bodenwasserpotenzials im Hinblick auf die Optimierung der Bewässerung erklärt.
Nach einem Nachmittag auf dem Schlitten stapften zwei Kinder zurück zu einer vereisten Hütte. Sie beeilten sich, ein Feuer zu machen, um sich aufzuwärmen und auszutrocknen. Sie legten immer mehr Holzscheite nach, um es sich gemütlich zu machen, aber schon bald schwitzten sie in der Hütte. In dem Versuch, sich abzukühlen, ließen sie das Feuer ausgehen und zitterten bald darauf. Offensichtlich fehlte ihnen ein grundlegendes Verständnis für die "Menge" an Holzscheiten, die nötig war, um es in der Hütte warm und gemütlich zu haben.
Ein ähnliches Problem hatte ein Professor aus Wisconsin namens Warren S. Johnson in den späten 1800er Jahren. Es war eine ungenaue und zeitraubende Angelegenheit, den Hausmeister zu finden, der Kohle in den Ofen im Erdgeschoss einfüllen sollte, damit seine Studenten es bequem hatten. Er hätte versuchen können, zu berechnen, wie viel Wärme jedes Stück Kohle enthielt, wie groß der Raum war und wie viel Wärme bereits vorhanden war. Aber stattdessen erfand er ein einfaches Gerät, das er Thermostat nannte. Diese Erfindung nutzte die Temperatur und eine Glocke im Keller, um den Hausmeister darauf aufmerksam zu machen, dass er mehr Kohle nachlegen sollte, wenn der Raum unter den für den Komfort optimalen Temperaturbereich fiel. Der Thermostat wurde zum Hauptprodukt von Johnson Controls, einem Unternehmen, das noch heute existiert.
Die Verwaltung des Bodenwassers für das Pflanzenwachstum weist viele Parallelen zu diesen Geschichten auf. Wenn Menschen Bewässerungswasser verwalten, erkennen sie oft, dass eine Pflanze Probleme hat und geben Wasser hinzu, damit sie sich wieder wohl fühlt. Das Problem ist, dass sie, genau wie die Jungs in der Hütte, zu viel Wasser hinzufügen, weil sie nicht wissen, wo die Obergrenze liegt oder "wie viel" Wasser genug ist. Dann lassen sie den Boden wieder so weit austrocknen, dass er verdorrt. Dieser Kreislauf wiederholt sich immer und immer wieder. In anderen Fällen haben sie so viel Angst vor braunen Flecken, dass sie den Boden nahe der Sättigung halten, was Wasserverschwendung ist und den Pflanzen schadet. Viele Bewässerer denken, dass die Installation eines Sensors für den Wassergehalt des Bodens dieses Problem lösen wird, aber sie irren sich. Dieser Ansatz hat ähnliche Probleme wie das Nachlegen von Holzscheiten im Feuer.
Ein Wassergehaltssensor kann Ihnen nur sagen, "wie viel" Wasser im Boden ist. Er kann Ihnen nicht sagen, ob diese Menge für die Pflanzen optimal ist. Ein Sensor für das Wasserpotenzial im Boden liefert Ihnen diese Information. Mit dem Wasserpotenzial messen Sie einen Parameter, der - wie die Temperatur - Aufschluss über die Wasserenergie im Boden gibt oder darüber, wie viel Wasser im Boden für Ihre Pflanzen verfügbar ist.
Jeder ist mit der Temperatur vertraut. Wir überprüfen ständig die Temperatur, um Entscheidungen zu treffen, aber dabei denken wir selten, wenn überhaupt, über ihre komplizierte Definition als Energiezustand eines Systems nach. Wir wissen einfach, was sie für unser Wohlbefinden bedeutet. Wir verstehen die Einheiten (Grad), ohne zu wissen, wie sie mit dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik zusammenhängen.
Das Wasserpotenzial des Bodens ist ein weit weniger bekannter Begriff, der den Energiezustand des Wassers im Boden definiert und mit der Temperatur vergleichbar ist. Es definiert den Wasser-Komfortbereich von Pflanzen in ähnlicher Weise wie die Temperatur den Komfortbereich für Menschen definiert. Einfach ausgedrückt, ist es das Thermometer für Pflanzenwasser. Manche weigern sich, das Wasserpotenzial zu verwenden, weil es schwer zu verstehen ist. Aber während seine Definition komplex ist, sind die "Komfortbereiche" der Pflanzen gut bekannt. Es ist also nicht notwendig, die Messung genau zu verstehen, um von ihr zu profitieren.
Die folgende Tabelle stammt aus Physical Edaphology, einem Buch von Dr. Sterling Taylor, das einige etablierte Komfortbereiche für Pflanzen in kPa-Einheiten auflistet. Es gibt auch viele andere Forschungsarbeiten in der Literatur, die die Komfortbereiche verschiedener Pflanzen auflisten.
Der Komfortbereich einer Kartoffelpflanze liegt zum Beispiel bei -30 bis -50 kPa. Wenn Sie Ihre Pflanze innerhalb dieses Komfortbereichs halten, können Sie Pflanzenwasserstress vermeiden. Sie wissen vielleicht nicht, was ein kPa ist, genauso wie Sie vielleicht nicht genau wissen, was ein Grad Fahrenheit ist. Aber Sie können diese Skala trotzdem verwenden, um den "Komfort" Ihrer Pflanze zu messen. Nach unserer Erfahrung liegt der optimale Komfortbereich für eng gemähten Rasen zwischen -20 und -100 kPa.(L.J. Aronson, A.J. Gold, und R.J. Hull. 1987. Cool-Season Turfgrass Response to Drought Stress. Crop Science. 27:1261 - 1266).
Einen tieferen Einblick in den Unterschied zwischen Wassergehalt und Wasserpotenzial erhalten Sie in unserem Webinar Bodenfeuchtigkeit 101.
Da wir häufig mit Kartoffelanbauern zusammenarbeiten, um das Bewässerungsmanagement zu optimieren, werden wir diesen Punkt anhand von Daten zur Kartoffelbewässerung veranschaulichen, aber die gleichen Prinzipien gelten auch für Rasen und andere Kulturen. Abbildung 2 zeigt die Kartoffelerträge an sechs verschiedenen Standorten auf einem 40 Hektar großen Feld. Es wird deutlich, dass die Ertragseinbußen umso größer sind, je länger sich die Kartoffelpflanzen im Stressbereich (unter -100 kPa) befinden.
Das gleiche Konzept gilt für alle Pflanzen. Natürlich ist das Ziel für Rasen ein beständiges, robustes, stabiles Spielfeld, das gut aussieht (im Gegensatz zum Ertrag), aber die Konzepte sind dieselben. Die Bewirtschaftung des Rasens innerhalb seiner Wasser-Komfortzone führt zu gesünderen Pflanzen, da das richtige Gleichgewicht von Wasser und Luft in der Wurzelzone gewährleistet ist. Außerdem werden dadurch Krankheiten minimiert und Nährstoffe erhalten. Und es spart Wasser und verbessert die Qualität der Spielfläche. Das Gleiche gilt für andere Kulturen: Wenn Sie die Pflanzen innerhalb ihrer optimalen Zone halten, sind sie gesünder, was eine höhere Qualität und einen höheren Ertrag bedeutet. Bei der heutigen schwierigen Situation des Süßwassers sind dies mächtige Werkzeuge, die bei der Erhaltung helfen.
Einige Leute weigern sich, das Bodenwasserpotenzial für das Bewässerungsmanagement zu nutzen, weil es in der Vergangenheit schwer zu messen war. Aber das ist nicht mehr wahr. Im Laufe der Jahre wurden viele Geräte zur Messung des Bodenwasserpotenzials entwickelt, die jedoch in der Regel mit lähmenden Problemen wie Ungenauigkeit, schlechter Wiederholbarkeit und enttäuschender Langlebigkeit zu kämpfen hatten. Aber wie bei den meisten Technologien hat der Fortschritt viele dieser Probleme überwunden. Wir haben diese Sensoren der nächsten Generation in Rasen und anderen Kulturen installiert und dabei viel gelernt.
Bei allen Pflanzen besteht eine enge Beziehung zwischen dem Wasserpotenzial des Bodens und ihrer Leistung bzw. ihrem Verhalten. Warum messen Sie nicht einfach das Wasserpotenzial des Bodens, um die Bewässerung zu steuern? Das Gleiche tun Sie, wenn Sie die Temperatur des Thermostats einstellen. Es sagt Ihnen nicht, wie viel Energie zum Heizen oder Kühlen benötigt wird, aber wenn Sie die Temperaturschwelle einstellen, wissen Sie, dass Sie sich wohlfühlen werden. Können Sie das Gleiche mit dem Boden machen? Ja, Sie können einfach das Wasser lange genug laufen lassen, um das Wasserpotenzial wieder an den oberen Rand des Komfortbereichs zu bringen; das wird üblicherweise gemacht.
Es gibt jedoch ein paar potenzielle Probleme. Erstens möchten Sie vielleicht nicht genau zu dem Zeitpunkt bewässern, zu dem der Sensor es für nötig hält (z.B. mitten im Spiel oder bei hoher Verdunstung). Zweitens kann es bei manchen Böden zu einer Verzögerung zwischen der Bewässerung und dem Zeitpunkt kommen, an dem sich das Wasserpotenzial wieder auf ein "angenehmes" Niveau einpendelt, so dass es hilfreich wäre, zu wissen, wie viel Wasser verbraucht wird, um zu wissen, wie viel Sie bewässern müssen. Aus diesem Grund müssen Sie für ein optimales Bewässerungsmanagement neben dem Wasserpotenzial auch den Wassergehalt messen.
Da der Wassergehalt im Boden leichter zu messen ist, verwenden viele ihn, um die Bewässerung zu planen, aber manchmal tappen sie dabei im Dunkeln. Um zu sehen, warum das so ist, sehen wir uns einige Daten an, die auf dem Feld gesammelt wurden. Machen Sie sich keine Sorgen, wenn die Diagramme kompliziert aussehen. Wir erklären Ihnen, worauf Sie achten müssen.
Betrachten Sie die Entwicklung des Wassergehalts im Boden in Abbildung 5 bei regelmäßiger Bewässerung mit Sprinklern. Da der Wassergehalt während des gesamten Sommers nur um 3 % sinkt, könnten Sie zu dem Schluss kommen, dass die Pflanzen, die in diesem Boden wachsen, nicht unter Stress stehen. Sie könnten diese Schlussfolgerung sogar damit begründen, dass der Wassergehalt so hoch ist (fast 30% oder mehr). Aber denken Sie daran, so wie Sie nicht sagen können, wie viele Holzscheite nötig sind, um Sie warm zu halten, können Sie ohne weitere Informationen nicht sagen, "wie viel" Wasser die Pflanzen brauchen, um sich wohl zu fühlen.
Sehen Sie sich das Bodenwasserpotenzial in Abbildung 6 an. Dies sind Messungen am selben Standort! Einige der Standorte bleiben den größten Teil des Sommers über im Stressbereich. In diesem speziellen Fall war sich der Manager des Problems nicht bewusst und vermutete sogar (ohne den Standort gesehen zu haben), dass es ein Problem mit den Sensoren geben könnte. Wir besuchten den Standort und stellten fest, dass die Sensoren in Ordnung waren. Er hat nun eine Reihe von Bodenwasserpotenzialsensoren installiert und vertraut ihnen bei der Optimierung des Bewässerungsmanagements mehr als jeder anderen Messung.
Das Wasserpotenzial des Bodens ist ein Maß dafür, wie stark der Boden das Wasser festhält. Wenn das Wasserpotenzial (oder die Spannung) zu stark ist, steht das Wasser den Pflanzen nicht zur Verfügung. Während die Stressbedingungen in Abbildung 6 leicht zu erkennen sind, ist dies beim Wassergehalt (Abbildung 5) nicht der Fall.
Während der Manager im letzten Beispiel letztendlich nur das Wasserpotenzial für das Bewässerungsmanagement nutzte, hatte er auch den Luxus, einen schweren Boden zu bearbeiten. Werfen wir einen Blick auf ein anderes Beispiel. Wir haben Sensoren im und unter dem Wurzelbereich eines Hochleistungsrasenplatzes installiert, der in einem Sportplatz auf Sandbasis nach ASTM-Spezifikation (F2396 - 11) angelegt wurde. Das gab uns die Möglichkeit zu sehen, wie wir mit der kalenderbasierten gegenüber der sensorgesteuerten Bewässerung abschneiden.
Wir haben die Auswertung in drei Perioden unterteilt (siehe Abb. 7), die sich über einen ganzen Sommer erstrecken: Standardbewässerung nach Kalender, feste Trockenperioden (basierend auf dem Bodenwasserpotenzial) und schließlich eine extreme Trockenperiode. Die nächsten drei Abbildungen zeigen die Daten im Detail für jeden dieser Tests.
Die Wurzelzone dieses speziellen Rasens betrug etwa 15 cm, also installierten wir Wassergehalts- und Spannungssensoren bei 6 bzw. 15 cm und einen einzelnen Wassergehaltssensor bei 25 cm, um zu sehen, welches Wasser über die Wurzeln hinaus gespült und verschwendet wurde.
Als wir begannen, die in Abbildung 8 gezeigten Daten zu überprüfen, wussten wir, dass die Kalenderbewässerung zu einer Überbewässerung führte.
Das Bodenwasserpotenzial lag bei 0 kPa (ja, man kann auch oberhalb der Komfortzone liegen und Probleme verursachen). Und jede Bewässerung führte zu einem sprunghaften Anstieg des Wassergehalts unterhalb der Wurzelzone (25 cm). Es war klar, dass wir uns zurückhalten mussten. Unser Ziel war es, die Spannung in den optimalen Bereich zu bringen (-20 bis -100 kPa) und den Wassergehalt in 25 cm flach zu halten.
Unter sorgfältiger Beobachtung der Sensorausgabe bewegten wir uns auf eine optimale Bewässerung zu, wie Sie sie in der Regelung für die feste Trockenperiode sehen. Abbildung 9 zeigt, dass wir am 20. Juli gerade genug bewässert haben, um das Wasserpotenzial des Bodens wieder in den für die Pflanzen optimalen Bereich zu bringen, ohne den Wassergehalt in 25 cm Höhe zu überschreiten. Wir haben also kein Wasser unterhalb der Wurzelzone verloren. Sie können sogar die tägliche Wasseraufnahme bei sechs und 15 cm durch diese Wurzeln im Wassergehalt sehen. Wenn wir bewässerten und die Spannung wieder in den Komfortbereich zurückbrachten und den Wassergehalt bei 25 cm nicht ansteigen ließen, war das der optimale hohe Wert. Wir haben den Sensor für den Wassergehalt bei 6 cm verwendet, um den vollen Punkt der Bewässerung zu bestimmen. In diesem speziellen Boden sehen Sie, dass der Wassergehalt bei etwa 15% liegt.
Umgekehrt wurde unser "leerer" Punkt anhand des Bodenwasserpotenzials bestimmt. Im September ließen wir das Wasser abfließen, bis die Pflanzen es nicht mehr aufnahmen.
In Abbildung 10 bewegt sich der Wassergehalt bei 25 cm nicht, was sehr gut ist. Am 5. September nimmt der Rasen auf der Sechs-Zentimeter-Ebene kein Wasser mehr auf (kein täglicher Tropfen). Die Pflanzen können kein Wasser aus dem Boden holen, weil das Wasserpotenzial des Bodens zu hoch ist. Und wenn die Wasseraufnahme aufhört, vorausgesetzt, es ist nicht wegen eines bewölkten Tages (was nicht der Fall war), wissen wir, dass dies der höchste Wert des Bodenwasserpotenzials oder der "leere" Punkt ist, an dem das Gras in die Ruhephase geht (-500 kPa). Das ist der Bereich, dem wir uns niemals nähern wollen. Wir möchten, dass sich die Pflanzen in einem Komfortbereich von -20 bis -100 kPa bewegen. Wenn er unter den optimalen Bereich fällt, wissen wir, dass es Zeit ist, zu gießen.
Als wir diese beiden Messungen miteinander kombinierten, geschah etwas Gewaltiges (Abbildung 11). Durch die Kombination der Wassermenge im Boden (Wassergehalt) und des Wasserpotenzials des Bodens konnten wir einen Wasserumfang berechnen - die Wassermenge, die erforderlich ist, um von leer auf voll zu kommen - oder die maximale Wassermenge, die auf diesen Rasen aufgebracht werden sollte.
Abbildung 11 veranschaulicht dieses Konzept anhand eines vollen Eimers, der die maximale Wassermenge zeigt, die auf den Boden aufgebracht werden sollte. Alles, was darüber hinausgeht, läuft einfach über den "Eimerrand" und wird zusammen mit Düngemitteln usw. verschwendet. Der leere Eimer (wir wollen uns diesem Punkt nicht nähern) ist der Wassergehalt des Bodens, der einer Spannung von -500 kPa in Abb. 10 entspricht, bei der die Pflanzen kein Wasser mehr aufnehmen können; der damit verbundene Wassergehalt beträgt 8%. Der Wasserumschlag wäre (Wassergehaltsdifferenz) * (Bewurzelungstiefe) oder, in diesem Fall (16% - 8%) * 0,15 m = 12 mm Bewässerungswasser.
Die 12 mm Wasser sind die maximale Menge an Wasser, die auf den Rasen aufgebracht werden sollte. Für eine optimale Leistung sollten wir jedoch nur auf -100 kPa fallen. In diesem speziellen Boden wäre das etwa 12% VWC (volumetrischer Wassergehalt) oder eine Veränderung von 4% VWC und eine Bewässerung von 6 mm Wasser. Wir können also nicht nur den Komfortbereich sehen, sondern auch die Wassermenge bestimmen, die wir benötigen würden, um den Boden vom unteren Ende des optimalen Bereichs nach oben zu bringen.
Die Messung des Wasserpotenzials zusammen mit dem Wassergehalt für das Bewässerungsmanagement spart Ihnen Zeit und Geld. Und warum? Weil Sie damit die richtigen Informationen erhalten. Um auf den Vergleich mit der Hütte zurückzukommen: Wir wüssten nicht, ob wir es in unserer Hütte gemütlich hätten, wenn wir nur wüssten, wie viele Holzscheite wir ins Feuer legen würden. Genauso können wir nicht wissen, ob der Boden die optimale Feuchtigkeit für das Pflanzenwachstum hat, wenn wir nur wissen, wie viel Wasser vorhanden ist oder wie hoch der Wassergehalt ist. Das Wasserpotenzial des Bodens in Kombination mit dem Wassergehalt des Bodens liefert uns die genauen Voll- und Leerpunkte für eine optimale Leistung. Wenn das Wasserpotenzial außerhalb der Komfortzone oder des optimalen Bereichs der Pflanze fällt, wissen wir, dass wir Wasser hinzufügen müssen. Und wir wissen genau, wie viel Wasser wir zugeben müssen. Diese beiden Messungen zusammen sind leistungsstarke Werkzeuge, mit denen Sie das Wasser- und Nährstoffmanagement perfektionieren können - ohne Zeit und Geld für Probleme zu verlieren, die durch Überbewässerung entstehen.
Sehen Sie sich unsere Webinare zum Bewässerungsmanagement oder das aktuelle Webinar von Dr. Colin Campbell und Dr. Bryan Hopkin zum Rasenmanagement an, oder sprechen Sie mit einem Bewässerungsexperten. Unsere Bodenwissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Bewässerungsspezialisten bei der Messung der Bodenfeuchtigkeit zur Optimierung der Bewässerung.
Laden Sie den vollständigen Leitfaden zur Bodenfeuchtigkeit herunter
Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.
Erhalten Sie einen detaillierten Einblick in die wissenschaftliche Theorie, die Messmethoden und die Anwendung von NDVI und PRI.
Alles, was Sie über die Messung des Wasserpotenzials wissen müssen - was es ist, warum Sie es brauchen, wie man es misst, Methodenvergleiche. Und sehen Sie es in Aktion mit Retentionskurven.
Alles, was Sie über die Messung der Bodenfeuchtigkeit wissen müssen - alles an einem Ort.
Erhalten Sie regelmäßig die neuesten Inhalte.