Bewässerung
Betriebliche Möglichkeiten zur datenbasierten Bewässerungssteuerung
Ein Vergleich von Geisenheimer Steuerung, der ALB-App und agrowetter Beregnung
Bewässerung stellt eine effiziente Maßnahme dar, bei fortschreitendem Klimawandel hohe Erträge mit den geforderten Qualitäten sicherzustellen. Eine möglichst präzise Steuerung der Bewässerung kann dazu beitragen, die wertvolle Ressource Wasser nachhaltig zu nutzen. Neben langjährigen Erfahrungswerten der Kulturführung stehen der Praxis verschiedene Methoden der Bewässerungssteuerung zur Verfügung. Zur Entscheidungsunterstützung über den Startzeitpunkt und die Höhe der Zusatzbewässerung können Sensoren und Bewässerungssteuerungsmodelle eingesetzt werden (Grocholl et al. 2014).
Sensoren können punktuell genaue Messwerte über Bodenfeuchte oder Bodenwasserspannung liefern. Durch kontinuierliche Messreihen können Bewässerungsgaben kontrolliert und Niederschläge erfasst werden. Qualitativ hochwertige Messtechnik ist jedoch teuer in der Anschaffung und arbeitsintensiv im Einbau. Außerdem sind mehrere Sensoren erforderlich, um eine repräsentative Aussage über die Bodenfeuchteverhältnisse auf einer Fläche mit meist heterogenen Bodenverhältnissen treffen zu können. Die Auswahl repräsentativer Messstellen wird neben den natürlichen Bodenunterschieden durch technisch bedingte Ungleichmäßigkeiten in der Wasserverteilung erschwert (Paschold et al. 2009; Kleber 2014).
Eine gute Alternative ist die modellgestützte Bewässerungssteuerung. Während Sensoren messen, berechnen Modelle anhand verschiedener Umweltparameter die klimatische Wasserbilanz und leiten daraus die Höhe der Zusatzbewässerung ab. Außerdem kann mit Hilfe sogenannter Vegetationsindizes der Wasserbedarf von Pflanzenbeständen abgeleitet werden. Beispiele sind der NDWI (Normalized Difference Water Index) oder der CWSI (Crop Water Stress Index). Grundlage für die Berechnung sind Daten aus der Fernerkundung (Drohnen oder Satelliten). (Meinardi et al. 2021; Solgi et al. 2023).
Zwei wichtige Verlustgrößen für Wasser aus dem Boden sind die Verdunstung von Pflanzen über die Stomata (Transpiration) und die Verdunstung von Wasser über die Bodenoberfläche (Evaporation). Beide Prozesse werden als Evapotranspiration zusammengefasst. Wichtige meteorologische Kenngrößen zur Berechnung der Evapotranspiration sind die Sonneneinstrahlung, die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit und die Windgeschwindigkeit (DWD 2022).
Mit der klimatischen Wasserbilanz (Niederschlag – Evapotranspiration) leiten die Bewässerungsmodelle den Bewässerungsbedarf ab. Zur Feinabstimmung der Bewässerungsmodelle an die jeweiligen Bedingungen können modellspezifisch weitere Informationen zu Kultur, Entwicklungsstadium, Boden und Wetter berücksichtigt werden (Strobl et al. 2008).
Im Detail unterscheiden sich die verfügbaren Modelle zur Bewässerungssteuerung in Preis, Eingabeparametern, Kulturartenspektrum und Anwenderfreundlichkeit. Nachfolgend werden drei wichtige Bewässerungssteuerungen vorgestellt:
Geisenheimer Bewässerungssteuerung
Eines der wohl bekanntesten Hilfsmittel zur Bewässerungssteuerung in Landwirtschaft und Gartenbau ist die Geisenheimer Bewässerungssteuerung, die von der Hochschule Geisenheim am Institut für Gemüsebau entwickelt wurde. Eine Online-Anwendung dieser Bewässerungssteuerung wurde nicht erstellt. Für Software-Entwickler sind die Algorithmen jedoch auf GitHub frei verfügbar.
Ein zentrales Element der Geisenheimer Bewässerungssteuerung ist die Berechnung der Zusatzwassermenge aus dem kulturspezifischen kc-Wert, der Referenzverdunstung und der Niederschlagsmenge:
Zusatzwasserbedarf = Verdunstung * kc-Wert − Niederschlag
Bei der Verdunstung empfiehlt die Geisenheimer Bewässerungssteuerung die Nutzung der Referenzverdunstung nach FAO-Methode 56. Werte für die Referenzverdunstung nach FAO-56 können beispielsweise über das Online-Portal ISABEL (Informationssystem zur Agrarmeteorologischen Beratung für die Länder) oder das Online-Portal Climate Data Center (CDC) abgerufen werden. Beide Portale werden vom DWD angeboten. Eine weitere Quelle für Verdunstungsdaten bietet der LLH mit dem Portal Agrarmeteorologie Hessen an.
Der kc-Wert ist ein an das Entwicklungsstadium der Kultur angepasster Wert zur Charakterisierung des Wasserverbrauchs im Verhältnis zu einer definierten Referenzverdunstung. Vom Institut für Gemüsebau der Hochschule Geisenheim werden für eine Vielzahl von Gemüsekulturen kc-Werte für drei Entwicklungsstadien der Kultur zur Verfügung gestellt (https://www.hs-geisenheim.de/gemuesebau/bewaesserung/geisenheimer-bewaesserungssteuerung/).
Im Rahmen der Bewässerungsplanung muss neben der Berechnung des Verdunstungsdefizits die spezifische Höhe der Einzelwassergabe festgelegt werden. Eine Orientierung zur Höhe der Einzelwassergabe kann aus Tabelle 1 entnommen werden oder mittels Einzelgaben-App der ALB e.V. bestimmt werden.
| Bodenart | Puffer (mm) | Einzelwassergabe (mm) bei Wurzeltiefen von | Wassergehalt bei 100 % nFK (Vol. %) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Quelle: hs-geisenheim.de | |||||
| 0 – 30 cm | 0 – 60 cm | 0 – 90 cm | |||
| Sand (S) | 3 | 8 | 19 | 30 | 9 % |
| schwach lehmiger Sand (lS) | 4 | 12 | 28 | 44 | 13 % |
| stark lehmiger Sand (llS) | 5 | 14 | 33 | 52 | 16 % |
| sandiger Lehm (sL) | 6 | 17 | 40 | 63 | 19 % |
| schluffiger Lehm (uL) | 7 | 20 | 47 | 74 | 22 % |
| toniger Lehm (tL) | 5 | 15 | 35 | 55 | 17 % |
| lehmiger Ton (lT) | 4 | 13 | 30 | 47 | 14 % |
| Ton (T) | 3 | 9 | 21 | 33 | 10 % |
Bei der Planung der Zusatzbewässerung wird empfohlen, den pflanzenverfügbaren Bodenwasserspeicher im Rahmen der Zusatzbewässerung nicht vollständig aufzufüllen
(vgl. 100 % nFK) und einen bestimmten Teil der Bodenwasserspeicherkapazität als Puffer für Niederschläge freizuhalten.
Für die Bestimmung der Ausgangsbodenfeuchte zu Beginn der Vegetationsperiode kann beispielsweise die Berechnung der Tagesdefizite über den Winter fortgesetzt werden. Der kc-Wert für unbewachsenen Sandboden ist 0,2 und der für Lehmböden 0,3. Für Zwischenfrüchte wurden bisher keine kc-Werte ermittelt. Alternativ kann mit einem Sensor gemessen werden oder eine gravimetrische Bodenfeuchtebestimmung durchgeführt werden. Für eine Schätzung liefern beispielsweise das Wetterfax des LLH, das Online-Portal ISABEL oder der Bodenfeuchteviewer des DWD Anhaltspunkte (Zinkernagel et al. 2022).
Nach der Definition der Geisenheimer Bewässerungssteuerung ist die Startschwelle für die Zusatzbewässerung erreicht, wenn die Summe des täglichen Verdunstungsdefizits größer ist als die Höhe der Einzelwassergabe plus die Pufferwassermenge.
Die exakte Berechnung des Zusatzwasserbedarfs nach der Geisenheimer Bewässerungssteuerung kann mit einem Tabellenkalkulationsprogramm wie z.B. Microsoft Excel durchgeführt werden. Eine Beispiel-Rechnung ist in Tabelle 2 dargestellt.
| Datum | FAO56 [mm] | kc | Regen [mm] | Tagesdefizit [mm] | Bewässerungsmenge [mm] | Gesamtdefizit [mm] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Blumenkohl in Stadium 1, kc-Wert 0,7, ab 31. Juli in Stadium 2 mit kc-Wert 1,1 auf schwach lehmigem Sand und einer Wurzeltiefe von 30 cm. Die Höhe der Einzelwassergabe ist 12 mm und der Puffer 4 mm. (Quelle: hs-geisenheim.de) | ||||||
| 20. Jul. | Ausgangsdefizit | 0 | ||||
| 21. Jul. | 6,0 | x 0,7 | -2 | =2,2 | → | 0+2,2=2,2 |
| 22. Jul. | 4,6 | 0,7 | 3,2 | 2,2+3,2=5,4 | ||
| 23. Jul. | 5,6 | 0,7 | 3,9 | 9,3 | ||
| 24. Jul. | 4,0 | 0,7 | 2,8 | 12,1 | ||
| 25. Jul. | 3,6 | 0,7 | 2,5 | 14,6 | ||
| 26. Jul. | 3,6 | 0,7 | 2,5 | 17,1 | ||
| 27. Jul. | 2,4 | 0,7 | 1,7 | 12 | 17,1+1,7-12=6,8 | |
| 28. Jul. | 5,8 | 0,7 | 4,1 | 10,9 | ||
| 29. Jul. | 4,3 | 0,7 | 35 | -32,0 | 0,0 | |
| 30. Jul. | 5,2 | 0,7 | 3,6 | 0,0 | ||
| 31. Jul. | 4,5 | 1,1 | 5,0 | 0,0 | ||
| 1. Aug. | 5,2 | 1,1 | 5,7 | 5,7 | ||
ALB-App
Die Bewässerungs-App der ALB ist ein kostenloses Online-Tool zur Entscheidungshilfe für die Bewässerungssteuerung. Durch eine Registrierung ist es möglich, Daten für verschiedene Schläge zu speichern und ein Brunnentagebuch zu führen. Das Tool funktioniert auch ohne Anmeldung und kann sofort auf der Webseite der ALB genutzt werden.
Im ersten Schritt muss zunächst eine Auswahl zwischen Automatik- oder Expertenmodus getroffen werden. Wird im Automatikmodus gearbeitet, genügt es, den jeweiligen Standort auf der Karte, die Bodenart und die entsprechende Kultur auszuwählen, um eine Bewässerungsempfehlung zu erhalten. Zusätzlich können Vegetationsbeginn, maximale Durchwurzelungstiefe und Bewässerungsart eingestellt werden. Automatisch vorgegebene Werte erlauben eine erste Schätzung des Zusatzwasserbedarfs.
Im Gegensatz zum Automatikmodus erlaubt der Expertenmodus eine individuelle Anpassung. Unter anderem können die vorherrschenden Bodenbedingungen präziser abgebildet werden. Zudem ist eine Differenzierung der Bodenarten für Unter- und Oberboden möglich.
Unter dem Reiter „Bewässerungssteuerung“ kann die Dauer der Saison, die Bewässerungsschwelle in Prozent nutzbare Feldkapazität (% nFK), die Höhe der Einzelgaben, das Mindestintervall der Einzelgaben und eine Wasserangebotsstufe eingestellt werden. Bei der Wasserangebotsstufe wird der kc-Wert angepasst, um beispielsweise einen Puffer zur Aufnahme von Niederschlagswasser nach der Bewässerung offen zu lassen. Für die Bewässerungsschwelle gilt: Je niedriger sie gewählt wird, desto stärker trocknet der Boden aus, bevor eine Bewässerungsempfehlung ausgesprochen wird. Für Gemüsekulturen ist eine Bewässerungsschwelle ab einem Bodenwassergehalt nicht wesentlich geringer als 60 % nFK sinnvoll. Je nach Kultur, Bodenart und Schlagkraft des Betriebes muss die Bewässerungsschwelle angepasst werden. Dafür gibt die ALB-App bereits einen kulturspezifischen Rahmen vor.
Die ALB-App erlaubt auch die Verarbeitung eigener Wetterdaten. So besteht die Möglichkeit, die Niederschlagswerte der nächstgelegenen Wetterstation des Deutschen Wetterdienstes mit eigenen Daten zu überschreiben. Die Eingabe des tatsächlichen Niederschlags auf dem konkreten Schlag ist in jedem Fall vorzuziehen. Im Modell müssen die tatsächlich applizierten Beregnungsmengen eingetragen werden.
Mit Hilfe der ALB-Bewässerungs-App bekommt der Nutzer einen Überblick über Niederschlag, Verdunstung, Temperatur, Versickerung und die empfohlene Zusatzwassermenge ab Vegetationsbeginn. Informationen über die zukünftige Entwicklung können aus einer 7-Tage-Prognose abgeleitet werden (ALB Bayern e.V. 2022).
agrowetter Beregnung
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) bietet mit dem Produkt agrowetter-Beregnung eine Online-Plattform zur Bestimmung von Bewässerungszeitpunkt und Bewässerungsmenge. Die Lizenzgebühr beträgt pro Jahr und Wetterstation 88 Euro. Insgesamt können mit dieser Anwendung 99 individuelle Felder und Aufträge angelegt werden (Stand 26.03.2024).
Für die Neuanlage einer Fläche müssen Standortdaten, Höhe, Feldgröße, DWD-Wetterstation und Kultur hinterlegt werden. Zur Angabe von Welkepunkt und Feldkapazität gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Sind die Informationen bekannt, können diese direkte eingegeben werden. Alternativ können Welkepunkt und Feldkapazität aus der Bodenzahl oder der Bodengrobklassifizierung (leichter, mittlerer oder schwerer Boden) abgeleitet werden.
Nutzer von agrowetter Beregnung haben auch die Möglichkeit, eigene Wetterdaten über den Reiter „neuer Niederschlagsort“ in die Berechnung der Bewässerungssteuerung einfließen zu lassen.
Im nächsten Schritt wird die maximale Durchwurzelungstiefe eingetragen. Dieser Wert unterscheidet sich in Abhängigkeit von Bodenart und Kultur. Kulturspezifische Durchwurzelungstiefen sind von agrowetter Beregnung vorgegeben. Bei der Bewässerungsart kann Tropf- oder Überkopfbewässerung gewählt werden.
Anschließend muss die Startbodenfeuchte als nutzbare Feldkapazität (nFK) eingegeben werden. Neben der Eingabe eines exakten Wertes kann die Bodenfeuchte auch mit Hilfe von Faustzahlen grob abgeschätzt werden:
- Boden vorher bewachsen (70 % nFK)
- Boden vorher unbewachsen (90 % nFK)
- Boden mit Wasser gefüllt (100 % nFK)
In einem letzten Schritt wird der kulturspezifische Beginn der fünf wichtigsten Entwicklungsstadien angegeben. Für noch nicht erreichte Entwicklungsstadien der Kultur kann ein beliebiger Zeitpunkt in der Zukunft ausgewählt werden. Um die Aussagekraft der Prognose zu verbessern, ist jedoch erforderlich, die Zeitpunkte, zu denen der Bestand das jeweilige Entwicklungsstadium erreicht hat, im Programm zu hinterlegen. Außerdem sollten die tatsächlich applizierten Bewässerungsmengen regelmäßig eingepflegt werden. Alle zu Beginn gemachten Eingaben können jederzeit bearbeitet und angepasst werden. (DWD 2024).
Kulturartenspektrum der verschiedenen Bewässerungssteuerungen
Die drei vorgestellten Bewässerungssteuerungsmodelle unterscheiden sich in ihrem Kulturartenspektrum. Die folgenden Tabellen geben einen Überblick über die Abdeckung der Modelle in den Bereichen Ackerbau, Gemüsebau, Obstbau und Sonderkulturen:
Ackerbau
Im Ackerbau deckt die ALB-App die meisten Kulturen ab. Bei Getreide wird hier zwischen einzelnen Getreidearten unterschieden. agrowetter Beregnung deckt im Ackerbau ebenfalls einen großen Kulturbereich ab und unterscheidet bei Getreide zwischen Sommerung und Winterung. Dafür gibt es im Bereich Kartoffel eine Differenzierung in frühe und späte Kartoffeln. Die Geisenheimer Steuerung bietet derzeit nur für die am häufigsten beregneten Ackerbaukulturen kc-Werte an.
| Kulturen | ALB-App | agrowetter Beregnung | Geisenheimer Steuerung |
|---|---|---|---|
| Getreide | x | ||
| Kartoffeln | x | x | |
| Kartoffeln, früh | x | ||
| Kartoffeln, spät | x | ||
| Mais | x | x | x |
| Sojabohne | x | x | |
| Sommergerste | x | ||
| Sommergetreide | x | ||
| Sommerweizen | x | ||
| Triticale | x | ||
| Weide | x | ||
| Wintergerste | x | ||
| Wintergetreide | x | ||
| Winterraps | x | x | |
| Winterroggen | x | ||
| Winterweizen | x | ||
| Zuckerrüben | x | x | x |
| Gesamt | 12 | 8 | 4 |
Gemüsebau
Aufgrund der enormen Bedeutung von Zusatzbewässerung im Gemüsebau decken alle drei Modelle ein großes Kulturartenspektrum ab.
| Kulturen | ALB-App | Geisenheimer Steuerung | agrowetter Beregnung |
|---|---|---|---|
| Blumenkohl | x | x | x |
| Brokkoli | x | x | x |
| Bundzwiebel | x | ||
| Buschbohne | x | x | x |
| Chinakohl | x | x | x |
| Eissalat | x | ||
| Endivien | x | ||
| Erbsen | x | x | |
| Fenchelknollen | x | x | x |
| Grünkohl | x | x | x |
| Gurke, Einleger | x | x | |
| Kohlrabi | x | x | |
| Kopfkohl | x | x | |
| Kopfkohl gesät | x | ||
| Kopfkohl, gepflanzt | x | ||
| Kopfsalat | x | x | x |
| Kürbis | x | ||
| Möhre | x | x | x |
| Petersilie | x | x | |
| Porree | x | x | x |
| Puffbohne | x | x | |
| Radieschen | x | x | x |
| Rettich | x | x | |
| Rosenkohl | x | x | x |
| Rote Bete | x | ||
| Rote Bete, gepflanzt | x | ||
| Rote Bete, gesät | x | ||
| Sellerie, Knolle | x | x | x |
| Spargel, 1. Pflanzjahr | x | x | |
| Spargel, ab dem 1. Standjahr | x | x | |
| Spargel, mittelwüchsig | x | ||
| Spinat | x | x | |
| Tomate, Freiland | x | ||
| Winterzwiebel | x | ||
| Zucchini | x | x | x |
| Zwiebel, gesät | x | ||
| Zwiebel, gesetzt | x | ||
| Zwiebel, Sommer | x | x | x |
| Gesamt | 30 | 25 | 21 |
Obstbau und Sonderkulturen
Im Obstbau und für weitere Sonderkulturen bietet agrowetter Beregnung mit Abstand die größte Bandbreite an hinterlegten Kulturen an.
| Kulturen | Agrowetter Beregnung | ALB-App | Geisenheimer Steuerung |
|---|---|---|---|
| Apfel Pillnitz | x | ||
| Apfel, nackter Boden | x | ||
| Erdbeeren | x | x | |
| Heidelbeere | x | ||
| Himbeere | x | ||
| Hopfen | x | ||
| Johannisbeere, rot | x | ||
| Jungbäume | x | ||
| Rasen | x | ||
| Reben, bewachsen | x | ||
| Reben, unbewachsen | x | ||
| Schnurrbaum | x | ||
| Sportrasen | x | ||
| Stieleiche | x | ||
| Tabak | x | ||
| Ulme | x | ||
| Ungarische Eiche | x | ||
| Wechselflor | x | ||
| Winterlinde | x | ||
| Gesamt | 16 | 4 | 0 |
Fazit
Die drei vorgestellten Modelle zur Bewässerungssteuerung bieten der Praxis eine gute Entscheidungshilfe, um die Bewässerung noch genauer auf die Bedürfnisse der Kulturen abzustimmen.
Die Geisenheimer Bewässerungssteuerung hat einen wertvollen Beitrag im Bereich der Bewässerungssteuerungen geleistet. Hiervon profitieren die zwei anderen genannten Modelle, welche auf dieser Grundlage entwickelt wurden. Allerdings ist die Anwendung der Geisenheimer Bewässerungsteuerung für den Benutzer vergleichsweise zeitintensiv.
Sowohl die ALB-App, als auch die Anwendung von agrowetter Beregnung bieten eine intuitive Nutzeroberfläche und sind im Allgemein leichter zugänglich als die Geisenheimer Steuerung. Dafür kann das Kulturartenspektrum der Geisenheimer Steuerung individuell erweitert werden sofern kc-Werte vorliegen. Das Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum (DLR) bietet beispielsweise kc-Werte für einige Obstarten an.
Ein Vorteil der ALB-App ist, dass sie kostenlos genutzt werden kann. Für Nutzer, die sich intensiver mit dem Thema beschäftigen wollen und ihren Standort präzise beschreiben können, stellt der Expertenmodus eine gute Grundlage dar. Darüber hinaus kann das Modell der ALB die meisten Acker- und Gemüsekulturen abbilden.
Literaturverzeichnis
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Grocholl, J.; Anter, J.; Asendorf, R.; Feistkorn, D.; Mensching-Buhr, A.; Nolting, K. et al. (2014): Landwirtschaft im Klimawandel. Teil 4 Wassersparen im Ackerbau. In: KLIMZUG-NORD.
Kleber, Jürgen (2014): Bewaesserungssteuerung. Hg. v. Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft.
Meinardi, Dominic; Schröder, Johanna; Riedel, Angela; Röttcher, Klaus; Kraft, Martin; Grocholl, Jürgen; Dittert, Klaus (2021): Sensorgestützte Beregnung von Kartoffeln. Entwicklung des Crop Water Stress Index für Nordostniedersachsen. Thünen Working Paper 179.
Paschold, Peter-Jürgen; Kleber, Jürgen; Mayer, Norbert (2009): Bewässerungssteuerung bei Gemüse im Freiland. In: Landbauforschung (Sonderheft 328), S. 43–48.
Solgi, Shahin; Ahmadi, Seyed Hamid; Seidel, Sabine Julia (2023): Remote sensing of canopy water status of the irrigated winter wheat fields and the paired anomaly analyses on the spectral vegetation indices and grain yields. In: Agricultural Water Management 280, S. 108226. DOI: 10.1016/j.agwat.2023.108226.
Strobl, Josef; Blaschke, Thomas; Griesebner, Gerald (Hg.) (2008): Angewandte Geoinformatik 2008. Beiträge zum 20. AGIT-Symposium Salzburg; [2. bis 4. Juli 2008; agit-2008, Netzwerk für Geoinformatik. AGIT-Symposium. Heidelberg: Wichmann.
Zinkernagel, Jana; Kleber, Jürgen; Artelt, Bettina; Mayer, Norbert (2022): Geisenheimer Bewässerungssteuerung 2022 mit kc-Werten für Penman-Verdunstung. Hg. v. Hochschule Geisenheim. Online verfügbar unter https://www.hs-geisenheim.de/gemuesebau/bewaesserung/geisenheimer-bewaesserungssteuerung/, zuletzt geprüft am 02.01.2024.
