2. Informationsveranstaltung 2013 im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung Bodenwasserhaushalt, Versickerung und Nitratauswaschung IfÖL 2013 Ingenieurbüro.

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1 2. Informationsveranstaltung 2013 im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung Bodenwasserhaushalt, Versickerung und Nitratauswaschung IfÖL 2013 Ingenieurbüro für Ökologie und Landwirtschaft (IfÖL) Dr. Richard Beisecker Theresa Seith , 20 Uhr Gasthaus Zur Krone, Körle

2 Programm Kennwerte des Bodenwasserhaushalts Dr. Beisecker (IfÖL) Bodenwasserhaushalt von drei typischen Böden im Maßnahmenraum Fr. Seith (IfÖL) Versickerung und Nitratauswaschung Fr. Seith (IfÖL) Wasserbedarf der wichtigsten Kulturpflanzen Dr. Beisecker (IFÖL) Ergebnisse der Demonstrationsflächen zum Zwischenfruchtanbau Fr. Seith (IfÖL) IfÖL 2013

3 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 IfÖL 2013

4 Kennwerte des Bodenwasserhaushalts
IfÖL 2013 Dr. Richard Beisecker (IfÖL) 2. Informationsveranstaltung 2013 im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung

5 IfÖL 2013 Gliederung Bedeutung des Bodenwasserhaushalts
Textur (Korngrößenklassen / Bodenart) Vergleich Bodenschätzung mit bodenkundlicher Kartieranleitung Porengrößenverteilung Kennwerte des Bodenwasserhaushalts Bodenwasserhaushalt im Maßnahmenraum - Klimatische Daten - Wasserspeicherkapazität IfÖL 2013

6 Bedeutung des Bodenwasserhaushalts
Wasserversorgung der Pflanzen Speicherung des Niederschlagswassers Sickerwasserbildung Auswaschung von Nähr- und Schadstoffen (z.B. Nitratauswaschung) IfÖL 2013 Uni Münster

7 IfÖL 2013 Bodenwasserhaushalt
Einflussgrößen auf das Wasserspeichervermögen des Bodens Bodenart Lagerungsdichte (Trockenrohdichte) Humusgehalt IfÖL 2013

8 Textur Textur kennzeichnet die Größenverhältnisse der Bodenpartikel der 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 IfÖL 2013

9 Textur Kornfraktionen nach Bodenkundlicher Kartieranleitung (KA 5) IfÖL 2013

10 Bodenart – Bodenkundliche Kartieranleitung
Bodenarten des Feinbodens: Körnungsdreick IfÖL 2013 Quelle: Bodenkundliche Kartieranleitung (2005)

11 Bodenart Vergleich der Korngrößen- einteilung nach Boden- kundlicher Kartieranleitung und nach Bodenschätzung (Angaben im Katasterauszug) IfÖL 2013 Quelle: Pfeiffer et al. (2003)

12 Bodenart – Bodenschätzung
Kürzel 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 Ackerschätzungsrahmen Bodenart Zustandsstufe Entstehung Grünlandschätzungsrahmen Bodenstufe Klima Wasserverhältnisse IfÖL 2013 Kürzel Bodenart S Sand lS lehmiger Sand L Lehm T Ton Mo Moor

13 IfÖL 2013 Lagerungsdichte Die Dichtlagerung des Bodens wird als
Trockenrohdichte (auch Trockenraumgewicht TRG) oder nach Schätzung im Felde als Lagerungsdichte bezeichnet IfÖL 2013

14 Humusgehalt Humus = Gesamtheit der abgestorbenen organischen Substanz (Pflanzen- und Tierreste) Mittlerer C-Gehalt der organischen Masse ca. 58%  Humusgehalt in % = C-Gehalt x 1,724 IfÖL 2013

15 Humusfunktionen 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 Vol.-% besondere Bedeutung für Sandböden ! verbessert die Bodenstruktur und erhöht die Stabilität des Bodengefüges Schutz vor Wind- oder Wassererosion Erhöhung der Niederschlagsinfiltration IfÖL 2013

16 Wassershaushalt 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 IfÖL 2013

17 IfÖL 2013 Wasserhaushalt Porengrößenverteilung
Poren haben in Abhängigkeit des Durchmessers unterschiedliche Bindungskräfte (Kapillarität) Lagerung der Primärpartikel bzw. Aggregate bestimmt den Wasser- und Lufthaushalt eines Bodens IfÖL 2013

18 Porengrößenverteilung
Unterscheidung Bezeichnung Durchmesser Kriterien Makroporen Mit bloßem Auge sichtbar Röhren, Risse, Spalten nicht-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“ IfÖL 2013

19 Porengrößenverteilung
Kapillare Steighöhe = Druckhöhe = Saugspannung = Wasserspannung  Steighöhengleichung: h [cm] = 3000/d [µm] cm WS ≈ 1 bar ≈ pF 3 IfÖL 2013

20 pF-Kurve typische Beziehungen zwischen Wasserspannung und dem Wassergehalt eines Sand-, Schluff- und Tonbodens (n. Hartge und Horn, 1992) IfÖL 2013

21 Kennwerte des Bodenwasserhaushalts
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 IfÖL 2013

22 Kennwerte des Bodenwasserhaushalts
IfÖL 2013

23 Kennwerte des Bodenwasserhaushalts im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung
IfÖL 2013 Theresa Seith (IfÖL) 2. Informationsveranstaltung 2013 im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung

24 Bodenkarte WRRL-Maßnahmenraum
IfÖL 2013

25 Kennwerte des Bodenwasserhaushalts
Von drei typische Böden im Maßnahmenraum IfÖL 2013

26 Bodenarten WRRL-Maßnahmenraum
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) IfÖL 2013

27 24 ha 19 ha 225 ha 244 ha 635 ha 3235 ha 90 ha 10 ha 1 ha IfÖL 2013

28 24 ha 19 ha 225 ha 244 ha 635 ha 3235 ha 90 ha 10 ha 1 ha IfÖL 2013

29 Klimadaten im Maßnahmenraum
Niederschlag 30-jähriger mittlerer Jahresniederschlag [mm/a] IfÖL 2013 Quelle: DWD, 2013  für weitere Berechnungen verwendet: Raum Gudensberg: 610 mm/a Raum Guxhagen: 740 mm/a

30 Klimadaten im Maßnahmenraum
Verdunstung 30-jährige mittlere Grasreferenzverdunstung [mm/a] 1981 – 2010 IfÖL 2013  für weitere Berechnungen verwendet: 600 mm/a Grasreferenzverdunstung geringer als auf Getreidebestand Quelle: Umweltatlas Hessen, 2013

31 Klimatische Wasserbilanz KWB
Differenz aus Niederschlag und Verdunstung berechnet: Raum Gudensberg:  KWB 10 mm Raum Guxhagen:  KWB 140 mm IfÖL 2013 Fazit: positive Wasserbilanz Differenz innerhalb des MR aufgrund Jahresniederschlagsmenge Differenz aus Niederschlag und Verdunstung Quelle: Umweltatlas Hessen, 2013

32 Kennwerte des Bodenwasserhaushalts im MR
IfÖL 2013 Die Feldkapazität ist die Wassermenge, die ein Boden in natürlicher Lagerung maximal gegen die Schwerkraft zu­rückhalten kann und ein Maß für die Wasserspeicherkapazität des Bodens.

33 Kennwerte des Bodenwasserhaushalts im MR
IfÖL 2013

34 Wasserspeicherkapazität im Maßnahmenraum
Feldkapazität in den Gemarkungen Höchste FK 480 mm in Albshausen IfÖL 2013 Fazit: generell hohe Wasserspeicher-kapazität der Böden im Maßnahmenraum Geringste FK 106 mm in Haldorf

35 Wasserspeicherkapazität im Maßnahmenraum
Nutzbare Feldkapazität des Bodens (nFK We) Annahmen: grundwasserfern mittlere Durchwurzelungstiefe sL, L von 10 dm; lS von 8 dm IfÖL 2013 Nach AD-hoc AG Boden, 2005 Ableitung der nFKWe im effektiven Wurzelraum nach Vorderbrügge et al., 2004

36 Versickerung und Nitratauswaschung
IfÖL 2013 Theresa Seith (IfÖL) 2. Informationsveranstaltung 2013 im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung

37 Jährliche Sickerwasserrate im Maßnahmenraum
Mittlere jährliche Sickerwasserrate anhand der Klimatische Wasserbilanz KWB berechnet: Fritzlar: hohe Verdunstung 600 mm  KWB 10 mm Geringe Verdunstung 550 mm  KWB 60 mm Albshausen: hohe Verdunstung 600 mm  KWB 140 mm Geringe Verdunstung 550 mm  KWB 190 IfÖL 2013 Differenz aus Niederschlag und Verdunstung Quelle: Umweltatlas Hessen, 2013

38 Jährliche Sickerwasserrate im Maßnahmenraum
Mittlere jährliche Sickerwasserrate (nach TUB-BGR-Verfahren; Wessolek et al., 2009) Für Nutzungsart Acker und WVPfl < 700 mm: IfÖL 2013 Fazit: Lehmböden: SWR ca. 100 mm a-1 leichtere Böden: SWR über 200 mm a-1

39 Austauschhäufigkeit des Bodenwassers
Aus Feldkapazität und SWR AH = (SWR / FKWe) * 100 [% a-1] IfÖL 2013 Fazit: im ganzen Maßnahmenraum geringe Austauschhäufigkeit des Bodenwassers: Lehmböden: alle 4 Jahre Sandiger Lehm: alle 3 Jahre Lehmiger Sand: ca. 1 mal pro Jahr

40 IfÖL 2013 Nitratverlagerung 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 IfÖL 2013 Sommerniederschalg: 1.4. – 30.9. 1 Einfluss auf die Grundwasserneubildung 2 Einfluss auf die Nitratkonzentration im Sickerwasser Quelle: Bouwer, 1995

41 Maximal zulässige Nitratkonzentration im Sickerwasser
Ziel: Einhaltung des Grenzwertes der TrinkwV (2001) von 50 mgl-1 im Rohwasser IfÖL 2013 N-Überschuss Bodenart L: 40 kg N/ha N-Überschuss Bodenart sL: 35 kg N/ha N-Überschuss Bodenart lS: 25 kg N/ha Sommerniederschalg: 1.4. – 30.9.

42 IfÖL 2013 Handlungsoptionen
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 IfÖL 2013 Sommerniederschalg: 1.4. – 30.9.

43 Wasserbedarf der wichtigsten Kulturpflanzen
IfÖL 2013 Dr. Richard Beisecker (IfÖL) 2. Informationsveranstaltung 2013 im WRRL-Maßnahmenraum Guxhagen und Umgebung

44 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 °C Boden: tiefgründiger Braunerde-Tschernosem aus Löß Evapotranspiration 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 IfÖL 2013

45 Wasserbedarf von Kulturpflanzen
Gesamtwasserverbrauch des Pflanzenbestandes ist abhängig von Furchtart Durchwurzelung Boden (Bodenart, Humusgehalt, Wasserspeicherkapazität) Witterung Nährstoffversorgung Bis zu welcher Tiefe nutzen die Kulturpflanzen das Bodenwasser? IfÖL 2013 Fruchtart max. Durchwurzelungstiefe [cm] max. Wasserentzug bis Bodentiefe [cm] Zuckerrübe 210 160 Kartoffeln 90-150 135 Getreide Mais ?

46 Wasserbedarf von Kulturpflanzen
Pflanzenverfügbare Wassermenge im Sommerhalbjahr WPfl = nFKWe + KA + NSSo [mm] IfÖL 2013

47 Wasserverbrauch von Kulturpflanzen
Wasserverbrauch ausgewählter Kulturpflanzen (bei weitgehend potenziellen Verdunstungsbedingungen in der Hauptwachstumszeit = Bestandesschluss und Reifebeginn/Ernte; Roth et al., 2005) IfÖL 2013

48 Wasserverbrauch von Kulturpflanzen
Beziehung zwischen der Wachstumslänge (L) und dem Wasserverbrauch (WV) zwischen Aufgang und Ernte bei weitgehend potenziellen Verdunstungsbedingungen in der Hauptwachstumszeit (Roth et al. 2005) IfÖL 2013 WV = (1,495 · Länge [d] B = 0,913

49 Wasserverbrauch von Kulturpflanzen
Einflussfaktoren auf Verdunstung (Evapotranspiration) von Pflanzenbeständen Strahlungsenergie (intensive Sonneneinstrahlung, Advektion) Wind Bedeckungsgrad (Blattflächenindex BFI) Funktionsfähigkeit des Blattapparates (Blattflächendauer BFD) Wuchshöhe (Bestandesklima) Durchwurzelung (Wurzellängendichte, Gesamtwurzellänge) IfÖL 2013

50 Wasserverbrauch von Kulturpflanzen
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/d Ø Winter 0,1-0,2 mm/d Mittlere Tagesniederschläge Hauptwachstumsperiode im deutschen Binnenland (Mai-Sept.) ca. 1,5 – 2 mm/d  Ausreichende Versorgung aus Bodenwasservorrat entscheidend für Ertrag und Qualität der Kulturen !! IfÖL 2013

51 Wasserverbrauch von Kulturpflanzen
Zeitspannen des Hauptwasserbedarfs der Fruchtarten Fruchtart Zeitspanne Hauptwasserbedarf optimaler Beregnungszeitraum Zuckerrüben n. Bestandesschluss im Juli-Aug. Ende Juni/Anf. Juli bis Ende Aug. Kartoffeln einsetzende Knospenbildung Mitte/Ende Juni ab Vollblüte + 3 Wochen W. Weizen Schoßbeginn bis Gelbreife; Anfang Mai-Ende Juli gilt prinzipiell für alle Getreidearten S. Gerste hat allerdings bereits schon vor Schoßbeginn hohen Wasserbedarf Silomais ab 6/7-Blattstadium bis Teigreife; höchster Wasserbedarf im Juli/Aug. vor Beginn Kolbenansatz bis beginnende Teigreife W. Raps ab Ende April; höchster Wasserbedarf Ende Mai-Ende Juni Weißkohl ab 12-Blattstadium bis kurz vor Ernte; Mitte Mai-Ende Juli Einlegegurken zw. Bestandesschluss bis Ende Aug./Anf. Sept. ab Ausbildung erntefähiger Gurken (Ende Juni) bis Ertragszuwachs nachlässt IfÖL 2013

52 Kennwerte der Wasserausnutzung
(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 IfÖL 2013

53 IfÖL 2013 Wasserausnutzung
Evapotranspirationskoeffizienten (ETK) einiger Kulturpflanzen (verschiedene Quellen: Ehlers, 1996; Larcher, 2001; Roth et al., 2005;) IfÖL 2013 Kulturart ETK [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…540

54 IfÖL 2013 Wasserausnutzung
Wasserausnutzungskoeffizient (WUE) einiger Kulturpflanzengruppen (nach Larcher, 2001; Roth et al., 2005) IfÖL 2013 Pflanzengruppe WUE [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 3-5

55 Wasserausnutzung von Kulturpflanzen
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 IfÖL 2013

56 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Ingenieurbüro für Ökologie und Landwirtschaft (IfÖL) Dr. Richard Beisecker Windhäuser Weg 8 34123 Kassel Tel.: Fax

57 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 Universität Münster: 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: