Hightech auf dem Acker

Die optimalen Beregnungszeitpunkte richtig zu treffen, ist gerade in wechselhaften Jahren nicht einfach. Zu späte Bewässerungen können dazu führen, dass die Pflanzen unter Wassermangel stehen und es zu Ertragsverlusten kommt. Andererseits können eine zu starke Beregnungs­gabe und anschließende Niederschläge zu einer Auswaschung von Nährstoffen führen. Bodenfeuchte­sensoren helfen bei der Optimierung der Bewässerung, indem sie Wasserdefizite erkennen.

Um die Eignung verschiedener Sensoren zur Erfassung des Bewässerungsdefizites zu ermitteln, wurde zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich ein Acker in Heinsberg mit verschiedenster Sensorik ausgestattet.

Standort auf dem Schlag

Bevor man an beliebiger Stelle ­eines Ackers Bodensonden einbaut, sind einige Dinge zu beachten: Wie heterogen ist der Boden? Gibt es Bereiche auf dem Acker, die eventuell durch die Beregnungstechnik mehr oder weniger Wasser abbekommen? Gibt es ­Senken oder Anhöhen? Bei Bodensonden ist sogar die genaue Platzierung im Bestand zu beachten. So stellt sich beispielsweise bei Dammkulturen wie der Kartoffel die Frage, ob man die Sonde besser in den Damm oder zwischen den Dämmen einbaut.

In unserem Fall stand eine 14 ha große Parzelle in Heinsberg auf dem Modellbetrieb Jäger der Wasserrahmenrichtlinie zur Verfügung. Es war bekannt, dass der Standort sehr heterogen ist. Deswegen wurde vor der Pflanzung die Parzelle mit einer Geophysikalischen Messung mittels Elek­tromagnetischer Induk­tion (EMI) untersucht.

Mehrere Sensoren

Auf Basis der EMI-Untersuchung haben wir für die Parzelle drei Standorte ermittelt, die die unterschiedlichen Zonen des Schlages abbilden. An allen drei Standorten wurde die gleiche Sensorik installiert, bestehend aus zwei verschiedenen Typen von Bodenfeuchteprofilsensoren, die die Bodenfeuchte bis in einer Tiefe von 50 cm erfassen, sowie Luftfeuchtigkeits- und Lufttemperatursensor. An der mittleren Station wurde zusätzlich eine Wetterstation installiert, die auch Sonneneinstrahlung und Niederschlag erfasst.

Deuten der Ergebnisse

Die gestrichelten Kreise in der Abbildung stellen den Messbereich der CRNS-Sensoren dar. Wir waren daran interes­siert, wie die Sensoren mit Überkopfregnern zurechtkommen würden, da sich die Bodenfeuchtigkeit zuerst entlang der ersten Beregnungs­gasse und dann zeitversetzt bei der zweiten, dritten und vierten ändert.

Die von den CRNS-Sensoren während des Untersuchungszeitraums ermittelte Bodenfeuchte ist in der Abbildung unten dargestellt. Die zeitlich versetzte Reaktion der Sensoren auf die Bewässerungsereignisse ist gut zu erkennen. Es fällt auch auf, dass die zweite CRNS-Station stärker auf Niederschlagsereignisse reagiert, was darauf zurückzuführen ist, dass der Standort in einer Senke liegt, weshalb sich das Wasser dort sammelt.

Generell ist der Bodenfeuchtigkeitsverlauf typisch für das Jahr 2023. Die Parzelle wurde relativ spät, Ende Mai, mit Industriekartoffeln bepflanzt. Die Parzelle war nach dem feuchten Frühjahr bei der Bestellung ausreichend abgetrocknet. Nach der Pflanzung und der Installation der Sensorik fehlte es an Niederschlag. Der Verbrauch der kleinen Kartoffelpflanzen war jedoch noch gering, sodass mit der Beregnung erst Anfang Juli begonnen wurde.

Aufgrund der relativ großen Fläche, die von dem Brunnen versorgt werden musste, reichte die Kapazität nicht aus, um die Bodenfeuchtigkeit in dieser Trockenphase dauerhaft zu erhöhen.

Ab Ende Juli setzte eine niederschlagsreiche Periode ein, sodass die Bewässerung vorerst unterbrochen werden konnte. Da Mitte ­August der Regen ausblieb und laut Wetterbericht keine nennenswerten Niederschläge gemeldet waren, wurde die Beregnung fortgesetzt.

Darauf folgte allerdings unerwartet ein größeres Niederschlagsereignis, weswegen nur eine Beregnungsgasse beregnet wurde. Diese Situation ist aber typisch für diesen Hochsommer, da zu dieser Zeit eher kleinräumige Niederschläge auftreten, die sich nur ungenau vorhersagen lassen.

Merkmale der Sensoren

Beim Vergleich zwischen Bodensonden und dem CRNS-Sensor sieht man unterschiedliche Reaktionszeiten zu den Beregnungs- bzw. Niederschlagsereignissen. Die CRNS-Sensoren reagieren deutlich einheitlicher, was an der großen Messfläche liegt.

Bei den Bodensonden führten zudem Setzungsrisse und Steine zu unsicheren Messergebnissen. Dafür ist der CRNS-Sensor bei der Bewirtschaftung ein größeres Hindernis als die Bodensonden. Da lediglich zwei Beregnungsgänge durchgeführt wurden, ist die Beeinflussung der Beregnungsgassen auf die Messungen noch nicht vollumfänglich zu beurteilen.

Wie auch bei allen anderen Sen­soren muss man sich intensiv mit dem CRNS-Sensor auseinandersetzen. Wie reagieren die Werte bei Niederschlag, Hitzetagen oder wie sehen die Pflanzen bei der jewei-lig gemessenen Feuchtigkeit aus? Nur mit diesem Bezug lässt sich in den Folgejahren die Bewässerung steuern. Empfehlenswert sind die Trendlinien der Messwerte. Habe ich leicht sinkende Werte, sind meine Beregnungsintervalle zu weit auseinander bzw. der Beregnungs­gang zu gering. Die Profilsonden ermöglichen es, die Eindringtiefe der Niederschlags­ereignisse/Beregnungsgänge nachzuvollziehen, wohingegen der CRNS-Sensor keine Tiefendifferen­zierung ermöglicht.

Funktionsweise des CRNS-Sensors

Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS)-­Sensoren erfassen ebenfalls die Bodenfeuchte. Sie nutzen kosmische Strahlung, die fortlaufend aus dem Weltraum auf unsere Erde trifft und in Wechselwirkung mit der Atmosphäre dort Neutronenstrahlung erzeugt.
Abhängig von der Menge an Wasser im ­Boden oder in den Pflanzen wird diese Neutronenstrahlung unterschiedlich an der Landoberfläche reflektiert und verrät so etwas da­rüber, wie viel Wasser in der Landschaft gespeichert ist.

Die CRNS-Methode hat gegenüber herkömmlichen Bodenfeuchtemessungen einen entscheidenden Vorteil: ­Anstatt eine Vielzahl einzelner ­Sensoren mühsam zu vergraben, wird nur ein CRNS-Detektor an der Landoberfläche aufgestellt, der kontaktfrei einen repräsentativen Messwert der Neutronen für die Fläche innerhalb eines Radius von 150 bis 200 m liefert. Hierdurch lassen sich Einbauprobleme, etwa bei steinigen Böden, vermeiden.
Um die Bewirtschaftung, etwa bei der Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln oder bei der Bewässerung, nicht einzuschränken, wurden die CRNS-­Sensoren mittig zwischen den Fahrgassen installiert.

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