Bewässerungslandwirtschaft in ariden / semiariden Gebieten Probleme Nachhaltigkeit Methoden

Einführung Konkurrenz der Wassernutzungssektoren Steigende Bevölkerungszahlen Ziel: Optimierung im Bereich Kulturpflanzen 63% des Wassers für Bewässerung Einsparpotenziale? In Zukunft: more crop per drop

Wo wird bewässert?

Wo wird bewässert? Vollarides Klima: Niederschlag < Verdunstung gilt für 10 bis 12 Monate im Jahr, unter 80 mm Abflusslosigkeit, niedrige Luftfeuchtigkeit Flüsse verdunsten in ihrem Verlauf vollständig oder enden in abflusslosen Seen oder Salzpfannen Im Mittel 5% des NS für Grundwasserneubildung

Wo wird bewässert? Semiarides Klima: Niederschlag < Verdunstung gilt für 6 bis 9 Monate im Jahr 250 mm – 500 mm Halbwüstenartig Mittlerer Gesamtabfluss ca. 7,5% des Niederschlags

Bedeutung der Bewässerung in trockenen Gebieten Künstliche Bewässerung zur Ausnutzung des Sonnenreichtums Bewässertes Land ist produktiver als unbewässertes 20% der Nutzfläche werden zusätzlich bewässert, sind aber für 40% der Nahrungserträge verantwortlich stark zunehmender Einsatz von Bewässerungssystemen

Konsequenz In einigen Regionen: Wasserverbrauch > Dargebot Verhältnis Verbrauch zu erneuerbarem Wasserdargebot: Libyen 3,74 Jemen 1,47 Saudi Arabien 1,06 auf Kosten des Grundwasserspiegels Eine über die Erneuerungsrate hinaus gehende Wasserentnahme ist nicht nachhaltig!

Was ist nachhaltig? Zugriff auf erneuerbare Wasserressourcen Verhinderung von Bodenversalzung-, erosion und Desertifikation Sparsamkeit / Effizienz im Umgang mit Wasser

Desertifikation/Wüstenbildung wenn in Gebieten mit relativ trockenem Klima die natürlichen Ressourcen (Boden, Vegetation, Wasser) als Folge einer zu intensiven Nutzung durch den Menschen beeinträchtigt oder zerstört werden Folgen: Vegetation verschwindet; Wassermangel; Böden erodieren, versalzen, versanden inzwischen in 70 Prozent aller Trockengebiete (36 Millionen km², eine Fläche dreieinhalb Mal so groß wie Europa)

Desertifikation/Wüstenbildung

Bodenversalzung betrifft 50% aller bewässerten Flächen in (semi-)ariden Gebieten Bedingt durch Salzanreicherung aufgrund der schlechten Qualität des Wassers Anstieg des Grundwasserspiegels a) Kumulation in tieferen Schichten b) Kapillarität leitet Wasser permanent an die Oberfläche, wo es verdunstet c) angehobener Grundwasserspiegel verhindert Auswaschung des Bodens 3. ineffiziente Drainagesysteme

Bodenversalzung Drainage Systems / Entwässerung Salinization Erhöhung der Salzkonzentration im Boden 3,000 - 6,000 ppm salt trouble für gewöhnliche Kulturpflanzen Absenkung des osmotischen Potentials des Bodens keine Wasseraufnahme mehr Boden: größere Konzentration gelöster Stoffe, als Wurzel (“Verdünnung” durch Osmose schwierig)

Bodenversalzung Drainage Systems / Entwässerung Ionenimbalance Überschuss an Natrium (kein K,Ca,N)  Natriumchlorid größte Toxizität und größtes Vorkommen Weitere:  Calciumchlorid,Magnesiumchlorid, Natrium- und Magnesiumsulfat Schlechte Entässerung / keine wirkliche Durchspülung (nat. oder artificial) Treatment: Durchspülen (Umweltschädigung?)

Waterlogging / Rückstau Drainage Systems / Entwässerung Übermäßige Bewässerung Undurchlässige Schicht Topographisch bedingt Irrigation Wasser oder Sickerwaser aus Gräben heben GWS an Sauerstoffmangel Australien

Optimale Bewässerung feuchter, aber ungesättigter Boden Bereitstellung des ermittelten Wasserbedarfs in der Wurzelzone Punktuelles Bewässern vermindert Evaporation und Ausbreitung von Unkraut Transport des Wassers über geschlossene Rohrleitungen high-frequency, on-site, low volume

Zur Effizienz Conveyance efficiency: Wassermenge nach Transport / Wassermenge vor Transport On-farm application efficiency: Aufgenommenes Wasser / Bewässerungsmenge

Zur Effizienz Gesamtwirkungsgrad Fag Fag= P/U P: crop production U: volume of water applied U= R + D + Ep + Es + Tw + Tc R: run-off D: deep percolation Ep: evaporation during transport Es: evaporation from the soil Tw: transpiration of weeds Tc: transpiration of crops Häufige Werte: R + Ep + Es + Tw ≈ 20- 30% D≈ 30- 40% Tc ≈ 30- 50%

Zur Effizienz

Einsparpotentiale Wie kann man die Verluste von 50- 70% reduzieren? Auskleidung oder Verrohrung der offenen Zuleiter ( Verminderung der Versickerung oder Verdunstung) Moderne wassersparende Bewässerungsmethoden Verbesserung des Bewässerungsmanagements Weniger wasseraufwendige Kulturen

Einsparpotentiale Wie kann man die Verluste von 50- 70% reduzieren? Sammlung und Rückführung des Dränwassers

Bewässerungsmethoden Unterirdische Bereitstellung Direkt zur Wurzelzone Perforierte oder poröse Behältnisse Eingelagert in 10-50 cm Tiefe Periodische oder permanente Füllung durch Oberflächenöffnung Individuelle Anpassung an Raum/Wurzelwerk (Bsp. Gitteranordnung)

Bewässerungsmethoden Unterirdische Bereitstellung Porous ceramic jar Verteilung der Feuchte bodenabhängig (carrot-shaped, onion-shaped) Bsp: erwachsener Obstbaum (canopy 10sqm) Wasserbedarf 50 l/d, kreisförmige Anordnung um den Stamm von 10 5-Liter-Behältnissen

Bewässerungsmethoden Unterirdische Bereitstellung Porous and sectioned pipes Perforated plastic sleeves

Bewässerungsmethoden Unterirdische Bereitstellung Problem: Porenangriff Verschluss möglich Durch: Suspendierte Sedimente Kalzium, Salze Algen/Bakterienwachstum

Bewässerungsmethoden Überirdische Aufbringung Full-system drip 10- 25mm Schläuche, perforiert oder mit spez. Auslässen (Tröpfchenemittenten) 1- 10 Liter pro Stunde und Auslass Druck 0,5- 2,5 atm Befeuchtung von nur ca. 50% der Anbauzone Sehr geeignet für sandige Böden

Bewässerungsmethoden Überirdische Aufbringung Mikrosprayer (Mini-sprinkler) Düsen (Spray, keine Tropfen) Druck 1- 2 atm Vergrößert die Feuchtzone (jeweis einige m2), wichtig für große Bäume

Bewässerungsmethoden Überirdische Aufbringung low-head bubbler 1- 3 cm vertikale Schläuche (keine Düse/kein Auslass) Geeignet für weit verteilte Pfanzen wie Obstbäume

Bewässerungsmethoden Überirdische Aufbringung Subirrigation Regulierung des Grundwasserspiegels durch Zu-/Abfluss von Wasser über Gräben

Irrigation scheduling Wann und wieviel bewässern? Am besten: high-frequently, sogar täglich genug um Bedarf hervorgerufen durch Evaporation und Transpiration zu decken Potentielle Evapotranspiration (PET): Wassermenge pro Feldfläche, die evaporiert und transpiriert, von dicht bewachsenem Rasen, bei immer ausreichendem Wasserangebot AET ≤ PET

Irrigation scheduling Wann und wieviel bewässern? PET und Wasseraufnahme der Wurzelzone hängen ab von: Wassergehalt des Bodens Menge der Biomasse und Artengefüge Bedeckung des Bodens und Sonneneinstrahlung Luftfeuchtigkeit Temperatur der Erdoberfläche Temperatur der bodennahen Luftschichten Windgeschwindigkeit an der Erdoberfläche

Irrigation scheduling Wann und wieviel bewässern? Rechnerische Evaporationsbestimmung E = Evaporationsrate (kg·m−2·s−1) Δ = Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve in Abhängigkeit von der Luft(Dampf-)temperatur (Pa·K−1) Rn = Nettostrahlung (W·m−2) G = Bodenwärmestrom (W·m−2) ρL = Luftdichte (kg·m−3) cp = Wärmekapazität der Luft (1004 J·kg−1·K−1) Cat = Atmosphärische Leitfähigkeit (m·s−1) δe = Wasserdampfsättigungsdefizit (Pa) γ = Psychrometerkonstante (ca 0,6 hPa·K−1) λw = Verdampfungswärme von Wasser (2,5 MJ·kg−1)

Irrigation scheduling Wann und wieviel bewässern? Simples Messen der Verdunstungsrate Mittels Evaporimeter/ Atmometer Bestimmung von Volumen(Skala)- oder Gewicht sabnahme (Drucksensor) Kann ein Indikator für Effekt von Radiation, Wind, Temperatur, Luftfeuchte auf ein Feld sein Voraussetzung: sinnvolle Lage (wind exposure, trinkende Tiere) The standard Class A pan evaporimeter, developed by the US Weather Bureau

Irrigation scheduling Wann und wie viel bewässern? Reaktion von Feld und pan auf gleiches Klima natürlich unterschiedlich Ursache: Reflexionsgrade, thermische Eigenschaften (heat storage), unterschiedliche Tag- und Nachttemperaturen, Wasserdurchlässigkeit des Bodens, … Trotz allem Korrelation zur tatsächlichen PET! Correction factor (CF)

Irrigation scheduling Wann und wieviel bewässern? CF zwischen 0,5 – 0,85 freies Waser verdunstet mehr als Feld Erfahrungswert / Feldbedeckung PETfull cover = 0.66 Epan PETpartial cover = 0.33 (1 + C) Epan

Irrigation scheduling Wann und wieviel bewässern? I = {0.33 x (W + L)} Epan (1 + C) – R = (0.33 x 0.9) Epan (1 + C) - R = 0.3 Epan (1 + C) – R irrigation requirements (I) crop water requirement (W) (80 percent of PET) leaching fraction (L) (10 percent of PET) rainfall that occurred since the previous irrigation (R) Ergibt eine einleitende Schätzung