bewässerungslandwirtschaft in ariden / semiariden gebieten probleme nachhaltigkeit methoden
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Bewässerungslandwirtschaftin ariden / semiariden Gebieten
Probleme
Nachhaltigkeit
Methoden
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Einführung
• Konkurrenz der Wassernutzungssektoren• Steigende Bevölkerungszahlen• Ziel: Optimierung im Bereich Kulturpflanzen• 63% des Wassers für Bewässerung• Einsparpotenziale?• In Zukunft: more crop per drop
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Wo wird bewässert?
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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
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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
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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
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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!
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Was ist nachhaltig?
• Zugriff auf erneuerbare Wasserressourcen• Verhinderung von Bodenversalzung-, erosion
und Desertifikation• Sparsamkeit / Effizienz im Umgang mit Wasser
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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)
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Desertifikation/Wüstenbildung
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Bodenversalzung• betrifft 50% aller bewässerten Flächen in (semi-)ariden Gebieten
Bedingt durch1.Salzanreicherung aufgrund der schlechten Qualität des Wassers2.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 Bodens3. ineffiziente Drainagesysteme
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BodenversalzungDrainage 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)
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BodenversalzungDrainage 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?)
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Waterlogging / RückstauDrainage Systems / Entwässerung
•Übermäßige Bewässerung
•Undurchlässige Schicht
•Topographisch bedingt
•Irrigation Wasser oder Sickerwaser aus Gräben heben GWS an
•Sauerstoffmangel
Australien
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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
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Zur Effizienz
• Conveyance efficiency: Wassermenge nach Transport / Wassermenge vor Transport
• On-farm application efficiency: Aufgenommenes Wasser / Bewässerungsmenge
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Zur EffizienzGesamtwirkungsgrad 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%
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Zur Effizienz
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EinsparpotentialeWie 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
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EinsparpotentialeWie kann man die Verluste von 50- 70% reduzieren?
•Sammlung und Rückführung des Dränwassers
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BewässerungsmethodenUnterirdische 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)
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BewässerungsmethodenUnterirdische 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
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BewässerungsmethodenUnterirdische Bereitstellung
• Porous and sectioned pipes
• Perforated plastic sleeves
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BewässerungsmethodenUnterirdische Bereitstellung
• Problem: Porenangriff Verschluss möglich• Durch:
Suspendierte Sedimente
Kalzium, Salze
Algen/Bakterienwachstum
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BewässerungsmethodenÜberirdische 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
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BewässerungsmethodenÜberirdische Aufbringung
• Mikrosprayer (Mini-sprinkler) Düsen (Spray, keine Tropfen) Druck 1- 2 atm Vergrößert die Feuchtzone (jeweis einige m2), wichtig für große Bäume
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BewässerungsmethodenÜberirdische Aufbringung
• low-head bubbler 1- 3 cm vertikale Schläuche (keine Düse/kein
Auslass) Geeignet für weit verteilte Pfanzen wie
Obstbäume
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BewässerungsmethodenÜberirdische Aufbringung
• Subirrigation Regulierung des Grundwasserspiegels durch
Zu-/Abfluss von Wasser über Gräben
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Irrigation schedulingWann 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
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Irrigation schedulingWann 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
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Irrigation schedulingWann 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)
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Irrigation schedulingWann 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
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Irrigation schedulingWann 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)
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Irrigation schedulingWann 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
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Irrigation schedulingWann 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