Bodenfeuchtigkeit, Wasserbewegung und Messmethoden
Wasser ist der kritischste Bestandteil der landwirtschaftlichen Produktion. Die Pflanze nimmt Wasser aus dem Boden auf; sie transportiert es in ihrem Körper, wandelt es um und setzt ihren Lebenszyklus fort. Die Pflanze braucht jedoch nicht nur Wasser, sondern die richtige Menge an Wasser. Zu wenig ist ebenso schädlich wie zu viel.
Um dieses Gleichgewicht zu gewährleisten, müssen die physikalischen, chemischen und biologischen Mechanismen, die die Boden-Wasser-Beziehung definieren, richtig verstanden werden. Bodenfeuchtigkeit, Wasserbewegung und Messmethoden sind in der Bewässerungsplanung sehr wichtig.
In diesem Artikel werden:
✔ die Wasserspeicherkapazität
✔ Prinzipien der Wasserbewegung
✔ Wasserformen
✔ Porenstruktur
✔ Infiltrations-Perkolations-Mechanismus
✔ Feuchtigkeitsmessmethoden
✔ dielektrische Sensortechnologien
✔ Kapillarverhalten
✔ Laborberechnungen
✔ frequenzbasierte Feuchtigkeitsmessungen
✔ EC (Elektrische Leitfähigkeit) Beziehung
✔ volumetrische und gravimetrische Feuchtigkeitsdaten
✔ Sensorvalidierungstests im Feld
des Bodens in einer wissenschaftlichen und praktischen Integrität erklärt.
Was ist Boden? Materiephasen und innere Struktur
Boden besteht aus drei Phasen:
| Phase | Beschreibung |
|---|---|
|
Fest |
Mineralische und organische Struktur |
|
Flüssig |
Wasser und gelöste Salze |
|
Gasförmig |
Lufträume |
In der Regel macht der feste Teil (mineralische und organische Minerale) die Hälfte dieser drei Phasen aus. Die andere Hälfte besteht aus Wasser-Luft. Das Verhältnis zwischen diesen drei Phasen bestimmt das Wasser des Bodens:
- wie er es hält
- wie er es leitet
- wie er es der Pflanze zur Verfügung stellt
bestimmt. Es gibt zwei Hauptmerkmale, die die innere Struktur des Bodens beeinflussen:
Textur (Bodenart)
Sand-Schluff-Ton-Verhältnis. In Bezug auf die Textur sind lehmige Texturen am besten.
- Tonboden feine Poren → hohe kapillare Wasserhaltung
- Sandboden grobe Poren → hohe Drainage
Struktur (Gefüge)
Die Art und Weise, wie die Bodenteilchen verbunden sind. Wenn die Struktur gestört ist, verschlechtern sich Wasserinfiltration und Wurzelentwicklung. Granular (am besten), blockig, prismatisch, plattenförmig (am schlechtesten), massiv (kein Aggregat*).
Aggregat: Klumpen.
Schüttdichte und Reindichte des Bodens
Schüttdichte (Bulk Density, BD):
Verhältnis des Bodentrockengewichts zum Gesamtvolumen. Wird im ofentrockenen (105°C) Boden durchgeführt. Einheit: g/cm³.
ρb = Mtrocken / Vgesamt
ρb : Bulk Density (Schüttdichte)
Schüttdichte Sandig > Lehmig > Tonig > Organisch.
Wenn die Schüttdichte steigt:
- Poren nehmen ab.
- Nutzbares Wasser nimmt ab.
- Welkepunkt steigt.
- Wasser wird gehalten, kann sich aber nicht bewegen.
- Wasserleitfähigkeit sinkt.
Reindichte (Particle Density, PD):
Dichte nur der festen Phase. Wird normalerweise als konstant angenommen:
ρk = Mk / Vk
Boden ρk ≈ 2.65 g/cm³
ρk : Particle Density (Reindichte).
Mit zunehmender organischer Substanz sinkt die Reindichte. Meist verändert sie sich wenig.
Was ist Porosität? Wie lautet die Formel?
Porosität ist das Verhältnis des gesamten Hohlraumvolumens im Boden zum Gesamtvolumen. Sie ist einheitenlos und wird in der Regel in % ausgedrückt:
Wenn die Porosität steigt:
✔ Infiltration steigt
✔ Wasserbewegung beschleunigt sich
✔ Luftaustausch wird stärker
Mit steigender Schüttdichte sinkt die Porosität → Infiltration nimmt ab.
Wasserarten im Boden
Hygroskopisches Wasser
Es ist Wasser, das in einer sehr dünnen Schicht auf der Oberfläche der Bodenteilchen adsorbiert ist.
Eigenschaften:
- Kann von der Pflanze nicht aufgenommen werden
- Wird sehr fest gehalten
- Der pF-Wert ist hoch
- Verdunstet nicht / bewegt sich nicht
- Es ist vorhanden, auch wenn der Boden völlig „trocken“ erscheint
Dieses Wasser trennt sich nicht ab, selbst wenn der Boden trocken ist; nur Ofentrocknung kann es entfernen.
Kapillarwasser
Es ist Wasser, das in den Bodenporen durch Kapillarkräfte gehalten wird.
Eigenschaften:
- Das von der Pflanze aufnehmbare Hauptwasser
- Der Energiebedarf ist gering
- pF ist auf mittlerem Niveau
- Es ist in feinporigen (Ton-)Böden reichlicher vorhanden
- Die Pflanzenwurzel entnimmt das Wasser von hier
Dieses Wasser ist der Bereich, in dem die eigentliche Feuchtigkeitssensibilität auf dem Feld gemessen wird.
Sickerwasser (Gravitationswasser)
Es ist Wasser, das unter dem Einfluss der Schwerkraft schnell nach unten sickert und nicht im Boden gehalten wird.
Eigenschaften:
- Nicht nützlich für die Pflanze
- Überschüssiges Wasser → Perkolationsverlust
- Fließt durch große Poren
- In sandigen Böden deutlicher ausgeprägt
Es ist das Wasser, das nach der Bewässerung als überschüssiges Wasser abfließt.
| Wasserart | Pflanzenverfügbar? | Energieniveau | Bewegungszustand | Porentyp |
|---|---|---|---|---|
|
Hygroskopisch |
Nein |
Sehr hoch |
Kein |
Mikroporen |
|
Kapillar |
Ja |
Mittel |
Begrenzt |
Kleine Poren |
|
Sickerwasser |
Nein |
Sehr niedrig |
Hoch |
Große Poren |
Bodenfeuchtigkeitskonstanten
Die richtige Beziehung zwischen Bodenfeuchtigkeit, Pflanzenwasserstress und Bewässerungszeitpunkt ist von entscheidender Bedeutung für ein gesundes Pflanzenwachstum und Wassereffizienz.
Nutzbare Wasserkapazität (nWK/STK)
Sie drückt die Gesamtmenge an Wasser aus, die Pflanzen dem Boden entziehen können.
STK = TK – SN
TK = Feldkapazität: Das höchste Niveau, auf dem der Boden Wasser halten kann.
SN = Welkepunkt: Die Schwelle, ab der die Pflanze kein Wasser mehr aufnehmen kann.
Der Bereich von der Feldkapazität bis zum Welkepunkt stellt das für die Pflanze nutzbare Wasser dar.
Zulässiger Verbrauch (RAM)
Wasser, das die Pflanze ohne Stress nutzen kann:
RAM = TK – KS
KS = Kritisches Niveau: Die untere Schwelle, ab der die Pflanze beginnt, Stress zu erleben.
Der Bereich zwischen TK und KS ist „leicht verfügbares Wasser“.
Stressbereich (SB)
Bereich vom kritischen Niveau bis zum Welkepunkt:
SB = KS – SN
Beim Eintritt in diesen Bereich sinkt der Stoffwechsel der Pflanze, und Ertragsverluste beginnen.
Feuchtigkeitsprozentsätze – Gravimetrische und volumetrische Messung
Bodenfeuchtigkeit wird auf zwei grundlegende Arten ausgedrückt:
Gewichtsprozentsatz (Pw) – Gravimetrische Feuchtigkeit
Berechnet nach der Massenänderung.
γt = Schüttdichte des trockenen Bodens (g/cm³)
D = Wurzeltiefe
Volumenprozentsatz (Pv) – Volumetrische Feuchtigkeit
Ausgedrückt nach dem Bodenvolumen.
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