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 28.11.2013, 20 Uhr Gasthaus Zur Krone, Körle

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

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

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

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

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

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

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

Textur Kornfraktionen nach Bodenkundlicher Kartieranleitung (KA 5) IfÖL 2013

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

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

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

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

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

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. 40-50 Vol.-% besondere Bedeutung für Sandböden ! verbessert die Bodenstruktur und erhöht die Stabilität des Bodengefüges Schutz vor Wind- oder Wassererosion Erhöhung der Niederschlagsinfiltration IfÖL 2013

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

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

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

Porengrößenverteilung Kapillare Steighöhe = Druckhöhe = Saugspannung = Wasserspannung  Steighöhengleichung: h [cm] = 3000/d [µm] 1000 cm WS ≈ 1 bar ≈ pF 3 IfÖL 2013

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

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

Kennwerte des Bodenwasserhaushalts IfÖL 2013

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

Bodenkarte WRRL-Maßnahmenraum IfÖL 2013

Kennwerte des Bodenwasserhaushalts Von drei typische Böden im Maßnahmenraum IfÖL 2013

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

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

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

Klimadaten im Maßnahmenraum Niederschlag 30-jähriger mittlerer Jahresniederschlag [mm/a] 1981 - 2010 IfÖL 2013 Quelle: DWD, 2013  für weitere Berechnungen verwendet: Raum Gudensberg: 610 mm/a Raum Guxhagen: 740 mm/a

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

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

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.

Kennwerte des Bodenwasserhaushalts im MR IfÖL 2013

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

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

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

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

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

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

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

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.

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.

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

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 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 IfÖL 2013

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 150-200 130-160 Mais 200-220 ?

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

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

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 = 159 + (1,495 · Länge [d] B = 0,913

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

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

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

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

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

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

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

Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Ingenieurbüro für Ökologie und Landwirtschaft (IfÖL) Dr. Richard Beisecker Windhäuser Weg 8 34123 Kassel Tel.: 0561-701515 0 Fax 0561-701515 19 E-Mail: rb@ifoel.de www.ifoel.de www.ifoel-wrrl.de

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.