Methoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte

Informationen über den Feuchtigkeitszustand des Bodens sind entscheidend für die Festlegung präziser Zeitpunkte und Mengen für die Bewässerung. Der weltweite Trend in der Bewässerung zielt darauf ab, die genaue Wassermenge zu bestimmen, die für ein ungestörtes Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen notwendig ist, ohne die Erträge zu verringern. Um dies zu erreichen, gibt es verschiedene Methoden zur Bestimmung der aktuellen Bodenfeuchtigkeit. Bestimmung der Bodenfeuchte –>

Methoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte:

1. Visuell

2. Gravimetrisch

3. Mathematisch (Berechnung der Wasserbilanz)

4. Mit Sensoren:

4.1. Messung der elektrischen Leitfähigkeit (elektrometrisches Verfahren)
4.2. Messung der Saugspannung, mit der das Wasser im Boden gehalten wird
  4.2.1. Watermark-Sensor
  4.2.2. Volumetrischer Sensor
4.3. Messung der dielektrischen Konstante
4.4. Messung thermischer Eigenschaften
4.5. Messung/Abschätzung mittels spektraler Reflexion
4.6. Messung mittels radioaktiver Strahlung

Die Entscheidung, welche Methode ein Landwirt verwendet, hängt hauptsächlich vom Budget, dem Zeitaufwand, der Genauigkeit der Ergebnisse und der Praxistauglichkeit ab.

1. Visuelle Methode zur Bestimmung der Bodenfeuchte
Wie der Name schon sagt, basiert diese Methode auf der visuellen Beurteilung des Bodens auf dem Feld oder in der Plantage. Diese Methode ist unzuverlässig und subjektiv, daher können keine präzisen Bewässerungstermine oder -mengen bestimmt werden. Sie kann verwendet werden, um den Zeitpunkt bodenbearbeitender Maßnahmen festzulegen, wird jedoch zur Bewässerungsplanung nicht empfohlen.

2. Gravimetrische Methode
Die gravimetrische Methode (Trocknungsmethode) ist ein direktes Verfahren zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts durch Trocknung einer Bodenprobe und Messung der Differenz zwischen feuchtem und trockenem Gewicht.

Diese Methode ist sehr genau und wird für experimentelle Arbeiten empfohlen. Die Bodenprobe wird bei 105 °C getrocknet, bis das gesamte Wasser verdampft ist. Die Masse des verdampften Wassers wird in eine Formel eingesetzt, um den Feuchtigkeitsgehalt in Gewichtsprozent zu berechnen. Zur Umrechnung in Volumenprozent ist die Kenntnis der Bodendichte erforderlich, die im Labor bestimmt wird.

Aufgrund des hohen Aufwands und der Notwendigkeit vieler Proben ist die Methode für den täglichen Einsatz in der Praxis ungeeignet, kann aber zur Kalibrierung von Sensoren oder zu Versuchszwecken verwendet werden.

3. Mathematische Methode (Berechnung der Wasserbilanz)
Die Wasserbilanz wird durch tägliche Berechnung der Referenz-Evapotranspiration (ETo) ermittelt. Es gibt zahlreiche Formeln für die ETo-Berechnung; die bekannteste ist die Penman–Monteith-Formel, die als die genaueste für feuchtes und trockenes Klima gilt.

Zur Berechnung sind folgende Daten erforderlich:

• Lufttemperatur (min, max, Ø)
• Luftfeuchtigkeit (min, max)
• Sonneneinstrahlung
• Windgeschwindigkeit
• Niederschlagsmenge
• Kulturkoeffizient (Kc)
• Feldkapazität und verfügbarer Wassergehalt des Bodens
• Dokumentation der Bewässerung

Formel zur Wasserbilanz:
Dv = Dvpd + ETc – Oef – Irr

Wobei:

• Dv = Wasserdefizit
• Dvpd = Wasserdefizit des Vortages
• ETc = Kultur-Evapotranspiration
• Oef = effektive Niederschläge
• Irr = Bewässerung

Optional: Bodenwasser durch Kapillaraufstieg oder Oberflächenabfluss kann einbezogen werden, wird aber meist wegen der geringen Auswirkung und Komplexität weggelassen.

Derartige Berechnungen waren früher nur Universitäten und Instituten vorbehalten. Dank moderner Technologien gibt es heute erschwingliche agrometeorologische Stationen und Softwarelösungen, die diese Arbeit automatisieren.

Beispielhafte Anwendungen dieser Methode finden sich in Australien, Chile, Kalifornien u. a. – etwa im CIMIS-Projekt, bei dem Landwirte anhand veröffentlichter ETo-Werte ihre Bewässerung planen.

Im Weinbau ist auch RDI (Regulated Deficit Irrigation) verbreitet, wobei gezielt nur ein bestimmter Prozentsatz der ETc bewässert wird – je nach Wachstumsphase und Ziel des Weinbauern (z. B. mehr oder weniger Ertrag, kompakter Wuchs usw.).

4. Sensorische Methode zur Bestimmung der Bodenfeuchte

Die Messung der Bodenfeuchte mittels Sensoren ist heute die am weitesten verbreitete Methode. Sie zeichnet sich durch Einfachheit und Geschwindigkeit bei der Datenerfassung und Entscheidungsfindung über Zeitpunkt und Menge der Bewässerung aus.

4.1. Bestimmung der Feuchte mit einem Tensiometer

Diese Methode basiert auf der Messung der Saugspannung (Unterdruck), mit der das Wasser im Boden gehalten wird. Das Tensiometer ist bei höheren Feuchtigkeitsgehalten im Boden am zuverlässigsten. Es wird in der Wurzelzone der Pflanze platziert und fungiert wie eine „künstliche Wurzel mit Anzeige“.

Ein Beispiel für ein Tensiometer ist das Irrometer. Es besteht aus einem geschlossenen, mit Wasser gefüllten Rohr, einem speziell vakuumierten Manometer und einer porösen Spitze, die in die gewünschte Tiefe im Boden eingesetzt wird. Bei trockenen Bedingungen wird Wasser aus dem Gerät gezogen, was einen Unterdruck erzeugt, der auf dem Manometer angezeigt wird. Je trockener der Boden, desto höher der Wert. Bei Bewässerung wird Wasser wieder in das Gerät aufgenommen und der Druck sinkt.

Das Irrometer deckt den gesamten Feuchtebereich ab, der für optimales Pflanzenwachstum notwendig ist. Die Messwerte zeigen, wann mit der Bewässerung begonnen oder aufgehört werden sollte.

Vorteile dieser Methode sind die relativ niedrigen Kosten und die einfache Handhabung. Aufgrund seiner Konstruktion ist das Gerät jedoch bruchempfindlich.

4.2. Bestimmung der Feuchte mit elektrometrischer Methode

Diese Methode basiert auf der Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums, die vom Feuchtigkeitsgehalt des Bodens abhängt. Es gibt verschiedene Sensortypen, wie z. B. Gips-Sensoren (Watermark) und glasfaserbasierte Sensoren (volumetrische Sensoren).

Das Funktionsprinzip ist bei beiden gleich: Ein Elektrodenpaar sendet einen Strom, und das dazwischenliegende feuchte Medium erzeugt einen Widerstand. Je höher der Wassergehalt, desto geringer der Widerstand.

4.2.1. Watermark

Watermark-Sensoren werden seit 1978 eingesetzt. Ein großer Vorteil dieser Sensoren ist, dass sie während der gesamten Vegetationsperiode im Boden verbleiben können und so kontinuierliche Daten liefern. Sie sind kompakt, einfach zu installieren und zu warten sowie relativ preisgünstig. Daten können entweder über Datenlogger gesammelt oder über agrometeorologische Stationen in Echtzeit an Server gesendet werden.

Die Elektroden befinden sich in einem Gipsmedium, das konstant bleibt, sodass der Sensor nicht vom pH-Wert, Bodentyp oder der Temperatur beeinflusst wird. Die gemessene elektrische Leitfähigkeit wird in Centibar (cb) umgerechnet, was die Kraft angibt, die die Pflanze aufbringen muss, um Wasser aufzunehmen. Die Werte reichen von 0 bis 200 cb.

Interpretation der Messwerte laut Hersteller:

• 0–10 cb: Boden stark wassergesättigt
• 10–30 cb: Ausreichend Wasser für normales Wachstum (bei Sandboden kann ab 30 cb bereits ein Defizit auftreten)
• 30–60 cb: Übliche Werte für Bewässerung (außer bei schweren Böden)
• 60–100 cb: Übliche Werte für Bewässerung schwerer Böden
• 100–200 cb: Boden zu trocken für maximale Erträge

Ein weiterer Vorteil: Es können mehrere Sensoren in unterschiedlichen Tiefen eingesetzt werden.

4.2.2. Volumetrische Sensoren

Die Elektroden sind zwischen zwei Schichten Glasfaser eingebettet und isoliert. Sie messen die dielektrische Leitfähigkeit und berechnen daraus die Bodenfeuchte in Volumenprozent (Vol.%). Sie können ebenfalls über die ganze Saison hinweg auf verschiedenen Tiefen installiert werden.

Das Bodenvolumen, in dem die Feuchte gemessen wird, hängt von der Sensorgröße ab und liegt zwischen 0,3 l und 1 l. Kleinere Sensoren eignen sich für den Gewächshausanbau und Containerkulturen, größere für den Feldeinsatz. Sie sind werksseitig für die meisten Böden kalibriert.

4.3. Bestimmung der Feuchte durch Messung der dielektrischen Konstante

Hierzu zählen:

• TDR (Time Domain Reflectometry)
• FDR (Frequency Domain Reflectometry)

TDR gilt als sehr präzise Methode zur Bestimmung des Wassergehalts im Boden. Ein elektromagnetisches Signal wird durch Sonden gesendet, die im Boden stecken. Die Laufzeit des Signals und dessen Reflexion hängen von der dielektrischen Konstante ab, die durch den Wassergehalt beeinflusst wird.

Vorteile: hohe Genauigkeit, geringe Störung der Bodenstruktur, Unempfindlichkeit gegenüber pH, gleichzeitige Messung der Leitfähigkeit (EC) möglich, keine Kalibrierung erforderlich. Nachteile: hohe Kosten, eingeschränkte Nutzung bei hohem Salz- oder Tongehalt, geringe Sensitivität bei Feuchteveränderungen.

FDR basiert auf einem ähnlichen Prinzip wie TDR, allerdings wird hier die Spannung beobachtet. Die Abweichung zwischen gesendeter und reflektierter Spannung ergibt sich aus der dielektrischen Konstante, die vom Wassergehalt beeinflusst wird.

4.4. Messung der thermischen Eigenschaften

Dieser Ansatz ist eine indirekte Methode, die Veränderungen der thermischen Eigenschaften des Bodens in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt nutzt. Zu den thermischen Eigenschaften zählen die Wärmeleitfähigkeit, die thermische Diffusivität, die Temperatur und die spezifische Wärmekapazität.

Die Methode des Wärmetransports nutzt eine Energiequelle (meist eine beheizte Nadel) und Temperatursensoren (Thermoelemente oder Thermistoren), die in poröse Keramik eingebettet sind und mit dem umgebenden Boden in Feuchtigkeitsgleichgewicht gebracht werden. Die Nadel wird erhitzt, und die Geschwindigkeit des Wärmetransfers wird durch Temperatursensoren gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit bestimmt die Temperaturänderungen, die vor und nach dem Erhitzen gemessen werden.

Die Methode des Wärmestroms basiert auf dem Anlegen eines Wärmepulses an einem Ort und der Messung seines Eintreffens an einem anderen Punkt. Die Zeit, die die Wärme zur Übertragung benötigt, hängt von der Wärmeleitfähigkeit ab, welche wiederum vom Feuchtigkeitsgehalt im Boden beeinflusst wird, da Boden ein schlechter Wärmeleiter ist. Diese Methode wird auch zur Bestimmung von Wasserkonstanten eingesetzt, durch Kalibrierung der Sensoren.

4.5. Messung durch spektrale Reflexion

Dieser Ansatz gehört zu den berührungslosen Methoden und wird in der Fernerkundung eingesetzt. Die Methode misst nicht direkt, sondern schätzt die Bodenfeuchte auf größeren Flächen. Als Informationsquelle gewinnen heutzutage zunehmend Daten von Drohnen gegenüber Satellitenaufnahmen an Bedeutung.

Die Methode basiert auf dem Wissen über die spektrale Kurve von Wasser – Wasser absorbiert Strahlung im nahen Infrarotbereich, weshalb feuchte Böden weniger Strahlung reflektieren und mehr absorbieren. Basierend auf den gesammelten Daten, unterstützt durch Softwareanalysen und Feldverifikation, kann die Bodenfeuchte auf einer bestimmten Fläche geschätzt werden.

Diese Methode hat gewisse Nachteile, da Faktoren wie der Gehalt an organischer Substanz, Bodenbearbeitungsmethoden und Bodenstruktur die Reflexion beeinflussen. Dennoch ist sie aufgrund der großflächigen Erfassungsmöglichkeit in der modernen Landwirtschaft bedeutend.

4.6. Messung durch radioaktive Strahlung

Die Messung der Bodenfeuchte mit Neutronen- und Gammastrahlen liefert gute Ergebnisse, erfordert jedoch Fachkenntnisse und besondere Vorsicht.

Für den Einsatz dieser Geräte ist eine befugte Person notwendig. Das Messgerät muss an einem sicheren Ort aufbewahrt und mit einem speziellen Fahrzeug zum Messort transportiert werden, da von der Strahlung Gefahr ausgeht. Aufgrund dieser Anforderungen hat sich diese Methode in unserem Raum nicht durchgesetzt.

Dr. sc. Vedran Krevh

Tomislav Dvorski, mag.ing.agr.

Quellen:

Bittelli M. (2011). Measuring Soil Water Content: A Review. HortTechnology, vol. 21, no. 3, 293-300
Chard J. (2016). Watermark soil moisture sensors: Characteristics and Operating Instructions, Utah State University
IAEA (2008). Field Estimation of Soil Water Content, International Atomic Energy Agency, Vienna
Jaić M. (2017). Usporedba TDR metode (time domain reflectometry) i metode tenziometra u praćenju sadržaja vode u tlu, Poljoprivredni fakultet u Osijeku
Lukanu G., Savege M.J. (2006). Calibration of a frequency-domain reflectometer for determining soil-water content in a clay loam soil, University of KwaZulu-Natal
Madjar S., Šoštarić J. (2009). Navodnjavanje poljoprivrednih kultura, Poljoprivredni fakultet u Osijeku
Oluić M. (2001). Snimanje i istraživanje Zemlje iz Svemira, HAZU i GEOSAT d.o.o. Zagreb
Ondrašek G. et al. (2015). Voda u agroekosustavima, Sveučilište u Zagrebu
Oyeyemi K.D. et al. (2018). Data on the thermal properties of soil and its moisture content, Data in Brief, Vol. 900-906
Pernar N. et al. (2018). Terenska i laboratorijska istraživanja tla, Šumarski fakultet, Sveučilište u Zagrebu
Romić D. et al. (2016). Pilot projekt navodnjavanja, Agronomski fakultet, Sveučilište u Zagrebu
Šimunić I. (2013). Uređenje voda, Hrvatska Sveučilišna naklada
Tepšić D. (2017). Usporedba metoda elektrometrije i tenziometra, Poljoprivredni fakultet u Osijeku
Tomić F., Ondrašek G. (2009). Vodni režim supstrata, Agronomski fakultet, Sveučilište u Zagrebu