Wasser im Boden

Alle Lebewesen auf der Erde sind von Wasser abhängig. Wasser wird von Pflanzen kontinuierlich aufgenommen und ausgeschieden und erfüllt eine Vielzahl physiologischer und biochemischer Funktionen. Der Wasserbedarf unterscheidet sich je nach Pflanze und Pflanzenteil. Von allen Wachstums- und Entwicklungsfaktoren ist Wasser der wichtigste und mengenmäßig bedeutendste, da Pflanzen relativ große Mengen davon benötigen.

Der Boden besteht aus fester, flüssiger und gasförmiger Phase, also aus Bodenpartikeln, Wasser und Luft. Im festen Teil des Bodens befinden sich Poren, also Hohlräume verschiedener Formen und Größen. In diesen Poren befinden sich Wasser, Luft oder andere Gase. Der Porenraum ist ein natürlicher Speicher für Wasser oder Luft und seine Eigenschaften hängen vom Bodentyp und seinen physikalischen Eigenschaften ab.

Aus praktischen Gründen unterscheidet man Mikroporen, die Wasser speichern, und Makroporen, die Luft oder kurzzeitig Wasser enthalten. Für die Landwirtschaft ist sowohl die Gesamtanzahl der Poren als auch ihr Verhältnis wichtig. Als optimal gilt ein Verhältnis von Mikro- zu Makroporen von 3:2 bis 1:1. Die Gesamtporosität in Ackerböden liegt zwischen 50 und 65 %.

Die Gesamtporosität sowie das Verhältnis zwischen Mikro- und Makroporen, die Textur und Struktur des Bodens sowie der Gehalt an organischer Substanz beeinflussen die Wasserspeicherkapazität. Sandböden speichern weniger Wasser, während tonreiche Böden aufgrund ihrer größeren aktiven Oberfläche und Porenanzahl mehr Wasser halten. Organische Substanz besitzt eine hohe Wasserbindungskapazität. Zur Steuerung des Wasserhaushalts in der Landwirtschaft sind zeitnahe Informationen über die Bodenfeuchte erforderlich. Um die Wechselwirkungen zwischen Pflanze, Boden und Wasser zu verstehen, muss man die Wasserarten im Boden, das energetische Verhältnis zwischen Boden und Wasser, die Wasserkennwerte sowie die Wasserbewegung im Boden kennen.

Wasserarten im Boden

Wasser im Boden wird in chemisch gebundenes, hygroskopisches, Hüllen-, Kapillar- und Gravitationswasser unterteilt.

• Chemisch gebundenes Wasser ist kristallin (z. B. CaSO4 x 2H2O) oder konstitutionell (OH-), je nach Form. Es ist für Pflanzen nicht verfügbar und wird mit einer Kraft von über 5000 bar (500 MPa) gehalten.
• Hygroskopisches Wasser bildet einen molekularen Film auf Bodenpartikeln. Es ist unbeweglich und für Pflanzen nicht verfügbar. Es wird mit einer Kraft von 30 bis 1000 bar (3 bis 100 MPa) gehalten.
• Hüllenwasser liegt flüssig als Film um Bodenpartikel vor. Mit zunehmender Bodenfeuchte wird dieser Film dicker, die Haltekraft sinkt. Es ist für Pflanzen nicht verfügbar und wird mit 15 bis 30 bar (1,5 bis 3 MPa) gehalten.
• Kapillarwasser ist flüssig, befindet sich in Mikroporen und wird durch Oberflächenspannung gehalten. Es bewegt sich von feuchteren zu trockeneren Bodenteilen. Es wird mit 15 bis 0,33 bar (1,5 bis 0,033 MPa) gehalten. Man unterscheidet unbewegliches, schwer bewegliches und leicht bewegliches Kapillarwasser. Letzteres ist für Pflanzen am nutzbarsten (6,25 bis 0,33 bar).
• Gravitationswasser tritt auf, wenn alle Bodenporen mit Wasser gesättigt sind. Es sickert durch Makroporen ab, beeinflusst durch die Schwerkraft, und ist nicht an den Boden gebunden.

Energetisches Verhältnis zwischen Boden und Wasser

Die Wasserbewegung im Boden wird durch das Potentialgefälle angetrieben. Wasser bewegt sich vom feuchteren (höheres Potential, geringerer Unterdruck) zum trockeneren Bereich (niedrigeres Potential, höherer Unterdruck) bis ein Gleichgewicht erreicht ist.

Wasserkennwerte des Bodens

Wichtige Wasserkennwerte für die Regulierung des Bodenwasserhaushalts sind: maximale Hygroskopizität, Welkepunkt, Lentokapillarfeuchte, Feldkapazität und maximale Wasserkapazität. Diese Werte hängen von Textur, Struktur, Porosität, Verdichtung, chemischen Eigenschaften und organischem Material ab.

• Maximale Hygroskopizität: maximale adsorbierte Feuchtigkeitsmenge (30 bar = 3 MPa)
• Welkepunkt: Wasserstand, bei dem Pflanzen kein Wasser mehr aufnehmen können (15 bar = 1,5 MPa)
• Lentokapillarfeuchte: untere Grenze der optimalen Bodenfeuchte (6,25 bar = 0,625 MPa)
• Feldkapazität: Mikroporen mit Wasser, Makroporen mit Luft gefüllt (0,33 bar für tonige Lehmböden bis 0,1 bar für Sandböden)
• Maximale Wasserkapazität: Zustand der Sättigung (0 bar = 0 MPa)

Wasserbewegung im Boden

Es gibt drei Hauptformen flüssiger Wasserbewegung: Kapillarbewegung, Infiltration und Filtration. Bewegung erfolgt in ungesättigten und gesättigten Böden, abwärts, aufwärts und seitlich. Sie hängt von Wasserzustand, Menge, Textur, Struktur, Porosität, organischem Material und antreibenden Kräften ab. Hauptursachen sind Kapillarkräfte, Schwerkraft und hydrostatischer Druck.

• Kapillarbewegung: von feuchteren zu trockeneren Zonen, in Mikroporen ungesättigter Böden
• Infiltration: ungleichmäßige Aufnahme durch vertikale und laterale Bewegung, getrieben durch Kapillarkräfte, Schwerkraft und osmotische Kräfte
• Filtration: Abfluss von überschüssigem Wasser aus gesättigten Böden durch Makroporen nach unten, verursacht durch Schwerkraft (und hydrostatischen Druck)

Bestimmung des Bewässerungszeitpunkts

Die Bestimmung des optimalen Bewässerungszeitpunkts ist entscheidend, da falsche Bewässerung schädlich für die Produktion ist. Zu häufige und frühe Bewässerung verursacht höhere Kosten und verschlechtert langfristig die Bodenstruktur. Es kommt zu Nährstoffauswaschung, Wasserstau oder Versalzung. Zu geringe Wassermengen verschlechtern die Produktqualität.

Die Produktqualität ist für den wirtschaftlichen Erfolg entscheidend. Qualität von Obst, Gemüse oder Produkten wie Wein und Olivenöl hängt vom physiologischen Zustand der Pflanze ab, insbesondere vom Wasserstatus. Gutes Wassermanagement kann die Pflanzenqualität verbessern, da Wasser den physiologischen Zustand der Pflanze steuert. Dies ist besonders in mediterranen Regionen oder bei zunehmender Dürre wichtig. Auf Böden mit geringem Wasserspeicher besteht zusätzliches Risiko für Wasserstress.

In der Praxis nutzt man zur Bestimmung des Bewässerungszeitpunkts:

• das äußere Erscheinungsbild der Pflanze,
• physiologische Veränderungen in der Pflanze,
• kritische Phasen des Wasserbedarfs,
• Bodenfeuchteschätzung,
• Bodenfeuchtemessung,
• Tageswasserbilanz (Evapotranspiration).

Eine zunehmend verbreitete Methode ist die Kombination aus Bodenfeuchtewerten und aktueller Evapotranspirationsberechnung mithilfe mathematischer Modelle.

Dr. sc. Vedran Krevh

Quellen:

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