Boden- und wasserschonende Bewässerungsmethoden und Alternativlösungen

 Titelbild: Bewässerung durch Wasserschutz für den Reisanbau. Boden- und Wasserkonservierung können mit Bewässerung kombiniert werden, z.B. bei der Flutbewässerung von Reis in Vietnam (oben). Wasser kann auch durch die Förderung der Infiltration in den Boden, die Speicherung in Tanks oder Dämmen oder eine effizientere Nutzung des Bewässerungswassers gespart werden.

Wasserversorgung

Wasser kann, wie bereits erwähnt, durch die Eindämmung von Wind- und Wassererosion, aber auch durch die Verbesserung der Wassernutzungseffizienz, z. B. durch eine geeignete Nährstoffversorgung und Bewässerung der Kulturen, eingespart werden.

• Kurz zusammengefasst wurden mehrere wesentliche Strategien zur Verbesserung des Wasserhaushalts auf den Feldern erörtert. Dazu gehören die Verringerung der windbedingten Verdunstung von Wasser und die Förderung der Wasserinfiltration in den Boden, des Gehalts an organischer Substanz, der Bodenstruktur und des Wurzelwachstums in der Tiefe. Auch Zwischenfruchtanbau und Agroforstwirtschaft können manchmal das wirtschaftliche Risiko der Landwirte bei Dürreproblemen verringern und mit wasser- und bodenschonenden Bodenstrukturen kombiniert werden. Abbildung 1 unten.
• Die Wassernutzungseffizienz ist der Ernteertrag pro eingesetzter Wassereinheit. Sie kann durch die Verringerung anderer Probleme wie Bodenfruchtbarkeit oder integrierter Pflanzenschutz oder durch eine effektivere Bewässerung verbessert werden.
• Begrenzende Wachstumsfaktoren. Wasserverfügbarkeit und Bodenfruchtbarkeit sind die häufigsten Herausforderungen für Kulturpflanzen. Investitionen in das eine ohne das andere sind möglicherweise nicht wirksam,was zumindest in Problemjahren gilt. Wie die Düngung kann auch die Bewässerung bei richtiger Anwendung helfen, bei falscher Anwendung aber auch schaden. Bei der Pflanzenernährung geht es nicht nur darum, ein weiteres Hindernis für das Pflanzenwachstum zu beseitigen, sondern auch um die Widerstandsfähigkeit gegen Dürre.
• Eine verbesserte Pflanzenernährung kann manchmal auch direkt Wasser einsparen. Kaliummangel (Element K) schwächt die Fähigkeit der grünen Teile, die Poren (Spaltöffnungen) zu schließen und die Transpiration bei Bedarf zu unterbrechen. K-Mangel führt oft zu gelben oder welken Rändern an reifen Blättern, bevor diese alt sind. Phosphat (P)-Mangel verzögert das Wachstum aller Teile und die Reife. Starker Nährstoffmangel führt in der Regel dazu, dass kleine Kronen nur mit einem kleinen und flachen Wurzelsystem Zucker produzieren, z. B. in einigen kleinen tropischen Betrieben.
• Ein sehr hoher Nährstoffgehalt in Verbindung mit ausreichend Wasser im Oberboden kann jedoch dazu führen, dass das Wurzelsystem kürzer und oberflächlicher wird. Das liegt daran, dass die gut versorgten Spitzen fast ihren gesamten Zucker für neues Wachstum verwenden können und den Wurzeln nur wenig übrig bleibt. Dies ist auch für Phosphat belegt, obwohl es in der Literatur widersprüchliche Aussagen dazu gibt.
• Die Bewässerungsmengen können effektiver sein, wenn man bei Bedarf gießt. Es gibt mathematische Formeln, mit denen man dies berechnen kann. Andernfalls kann die Bodenfeuchtigkeit in der entsprechenden Tiefe (Farbe und Haptik) beobachtet werden, und empfindliche Trockenheitsindikatorpflanzen können Trockenheitsstress deutlich anzeigen, bevor die Pflanze ihr Wachstum einstellt und ihn später anzeigt. Die Berechnungen können auf der Grundlage der täglichen Temperatur, des Windes, der Kulturen, der Boden- und Bewässerungseffizienz und des Regens erfolgen, z. B. mit Hilfe der FAO (www.fao.org/3/S2022E/s2022e08.htm) oder geeigneter Apps. Niederschlagsereignisse unter 2 mm können als unwirksam für das Pflanzenwachstum verworfen werden. Außerdem erhöht sich die Blatttemperatur, wenn die Pflanze die Transpiration durch Schließen der Spaltöffnungen (Stomata) einstellt. Eine Drohne, ein Ballon oder ein Flugdrachen mit einer Infrarotkamera können dabei helfen.

• Empfindliche Pflanzenstadien. Die Bewässerung kann auf trockenheitsempfindliche Pflanzenstadien wie Keimung, Bestäubung und Korn-/Fruchtfüllung ausgerichtet werden. Bei jungem Feuchtreis (=Paddy-Reis) genügt es, das Unkraut durch Überflutung zu reduzieren und zwar nur wenige Male. Im Vergleich zur ständigen Überflutung kann dadurch viel Wasser gespart werden. Dies kann mit der Aussaat oder dem Pflanzen von Reis in Reihen und neueren einfachen Instrumenten zur Unkrautbekämpfung kombiniert werden. Google z.B.: Intensivierungssystem für Reis (SRI, System of Rice Intensification). Allerdings kann die Bewässerung bei heißem, sonnigem Wetter auch dazu führen, dass die Wärme von der Oberfläche zum Saatgut gelangt, während trockener Boden besser isoliert. Die Bewässerung bei heißem Wetter kann in jedem Fall weniger wirksam sein.
• Die Bewässerungseffizienz kann durch Beregnung im Vergleich zur Flutbewässerung (auf den meisten Feldern) verbessert werden. Für die Überflutungsbewässerung sind das geeignete Gefälle und die Durchlässigkeit des Bodens wichtig. Tropfbewässerung und ähnliche Tropfbewässerungssysteme sind am effektivsten, erfordern aber relativ hohe Investitionen. Der Landwirt kann jedoch bewegliche Schläuche verwenden. In oberirdischen Leitungen kann das Wasser heiß werden, aber noch schwieriger ist es, wenn Öffnungen die unterirdischen Leitungen verstopfen. Kleinere Systeme können in der Nähe eines erhöhten Behälters mit Filtern aufgebaut werden. Fotos und eine Einführung sind hier zu finden:Tropfbewässerung.
• Häufige oberflächliche Bewässerung ist vor allem bei der Ansiedlung von Pflanzen erforderlich, z. B. bei der Verwendung von kleinen Samen oder Setzlingen. Die Zufuhr großer Wassermengen und großer, rasch sinkender Tropfen kann die Bodenstruktur schädigen. Eine weniger häufige Bewässerung führt jedoch zu einer geringeren Verdunstung an der Bodenoberfläche. Eine tiefere Durchfeuchtung des Bodens kann die Entwicklung tieferer Wurzeln fördern. Das Wurzelsystem kann Wasser und mobile Nährstoffe wie Nitrat-Stickstoff (NO^3-)  und Kalium (K⁺)  aufnehmen, die möglicherweise durch intensive Regenfälle auf nacktem Boden in tiefe Bodenschichten ausgewaschen (ausgelaugt) wurden. Flache Wurzeln können auch dazu beitragen, Nährstoffe aus dem Oberboden aufzunehmen. Außerdem sind lange (nicht tiefe) Wurzelsysteme mit gemeinsamen symbiotischen Pilzen und Feuchtigkeit besonders wichtig für die Aufnahme von Phosphat. Junge Pflanzen brauchen die höchste Verfügbarkeit. Wenn gleichzeitig viel Wasser zugeführt werden muss, können Erosion, Abfluss, Verdichtung und Oberflächenversiegelung der Poren ein Problem darstellen. Daher benötigen bewässerte Töpfe sandige oder faserige Topferde-Mischungen. Das Wasser kann langsam aus einem geeigneten Schlauch, einer Tasche oder einem anderen Behälter abfließen oder in ein Loch gegossen werden, in dem die Erdoberfläche versiegelt wird und das Wasser langsam abfließt. Sand speichert wenig Wasser, und es fließt schnell ab. Lehm hält viel Wasser zurück, so dass die Pflanzen nur wenig aufnehmen können, und der Welkegrad des Bodens wird zuerst erreicht. Die mittlere Struktur, also Schluff, hält das meiste pflanzenverfügbare Wasser zurück, ist aber erodierbar und sorgt für eine instabile Bodenstruktur. Gemischte Strukturen und organische Stoffe verbessern die Fähigkeit des Bodens, pflanzenverfügbares Wasser zu speichern, und verringern Probleme mit der Bodenstruktur. Künstliche Substanzen können ebenfalls die Wasserspeicherkapazität erhöhen, doch steht ein gängiger Stoff, Polyacrylamid, im Verdacht, ein erhöhtes Krebsrisiko zu verursachen.
• Tiefes Wurzelwachstum kann den Bewässerungsbedarf verringern, indem es den Zugang zu Wasser ermöglicht und das tiefe Wurzelwachstum der nachfolgenden Anbaukulturen fördert. Einige Pflanzen schaffen es, kompakte Böden zu durchwurzeln, z. B. die Taubenerbse (Cajanus cajan) in den halbtrockenen Tropen und z. B. die gelbe Lupine oder der Futterrettich in den gemäßigten Breiten. Große und tiefe Poren im Anschluss an einige abgestorbene Wurzeln können Wasser sehr rasch nach unten leiten, was der Erosion entgegenwirkt, aber manchmal gelangt das Wasser mit Nährstoffen, ja sogar Phosphat und Pestizide zu schnell in die Tiefe. Gut entwickelte Wurzeln von mehrjährigen Gräsern und Roggen können in Betracht gezogen werden, aber Pfahlwurzeln dringen am besten ein. Wurzeln werden möglicherweise durch harte Schichten aus rötlichen Eisenoxiden, kompaktem Ton und saurem Boden behindert – mit einem pH-Wert im Wasser (Boden: Wasser 1: 2,5) von weniger als 5,5 für empfindliche Pflanzen und 5,0 für die anderen Pflanzen. In solchen sauren Böden mit einem hohen Anteil an austauschbarem (säurelöslichem) Aluminium können sich die Wurzeln nicht gut ausbreiten und verkümmern bei empfindlichen Pflanzen. Die Kalkung tropischer Böden mit Wasser über einem pH-Wert von 5,5 führt häufig zu einem Mangel an Mikronährstoffen, der sich auf die Farbe, die Form oder die Früchte der jungen Blätter auswirkt. Der in verdünntem CaCl₂  oder KCl extrahierte pH-Wert wird um etwa 0,5 bzw. 1,0 Einheiten niedriger sein. Siehe auch das geplante Kapitel über integriertes Bodenfruchtbarkeitsmanagement.
• Die Entwässerung wird bei der Bewässerung oft vernachlässigt. Überschüssiges Wasser sollte abgeleitet werden können. In trockenen und halbtrockenen Gebieten ist der Regen in der Regel zu gering, um Salze aus dem Bewässerungswasser aus dem Boden zu spülen. Salze reichern sich ohne Pflege an und verursachen Pflanzengifte (so sind z. B. Natrium, Chlorid und Bikarbonat  für empfindliche Pflanzen giftig). Daher ist manchmal eine übermäßige Bewässerung mit Entwässerung erforderlich. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn wir die Salze im Bewässerungswasser schmecken können. Die elektrische Leitfähigkeit (EC) zeigt die Gesamtsalzkonzentration an, allerdings kommt es auf die Analysemethode (Konzentration und Maßeinheiten) an, wobei die Verträglichkeit für die Pflanzen sehr unterschiedlich ist. Natrium (Na⁺)  ist ebenfalls ein Problem für die Bodenstruktur, vor allem wenn der Gehalt an Kalzium und Magnesium niedrig ist. Der Boden kann auch stark alkalisch werden, und die organische Substanz löst sich auf, wodurch schwarze Alkaliböden entstehen. Auch salzbeeinflusste weiße Alkaliböden kommen vor. Die Verwendung von Gips (CaSO₄) und/oder Salzsträuchern (Atriplex spp.) können Abhilfe schaffen. Die Bewässerung, zumindest in halbtrockenen und trockenen Gebieten, erfordern mehr Einsicht oder Erfahrung, als hier behandelt werden kann.
• Eine Mulchabdeckung vermag manchmal den Wasserverlust von Oberflächen zu verringern.

Mulch ist eine Oberflächenabdeckung aus abgestorbener Pflanzenstreu oder anderen Materialien. Die Bodenoberfläche unter dem Mulch erscheint oft kühler und feuchter. Leichter Regen kann jedoch auch oben auf dem Mulch bleiben, ohne die Wurzeln zu berühren, mitunter beherbergt der Mulch Insekten, die Setzlinge anstechen oder zieht scharrende Hühner oder Schlangen an. Es besteht zudem die Gefahr, dass sich Feuer im Mulch ausbreitet oder dass Stickstoff als Ammoniak aus N-reichem Mulch in der Luft verloren geht. Eine sichtbar trockene Bodenoberfläche trocknet nur langsam aus, wenn es keine aktiven Pflanzen oder große Erdklumpen gibt. Dies wird durch den Sog (kapillare Wasserbewegung) verursacht, der durch die Oberflächentrockenheit unterbrochen wird.

• – In Gewächshäusern wird manchmal ein Großteil des verbrauchten Wassers wiederverwendet. Dennoch ist eine ausreichende Belüftung erforderlich, um den CO₂ -Gehalt während des Tages hoch zu halten. Im Vereinigten Königreich wird das CO₂  aus Kraftwerken in riesigen Gewächshäusern in der Nähe recycelt, aber das erfordert saubere und kontrollierte Abgase, z. B. giftiges Kohlenmonoxid (CO).
• – Trockenheitsresistente Pflanzen können helfen. Eine trockenheitsresistente Pflanze kann eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen:
  • Sie kann schnell Triebe und Wurzeln ausbilden, wenn es ausreichend regnet,
  • die Triebe und Wurzeln können Trockenperioden überstehen (verschiedene Gene),
  • sie kann sich fortpflanzen (z. B. Früchte oder Körner produzieren) und früh reifen, wenn noch reichlich Bodenfeuchtigkeit vorhanden ist, und der Trockenheit „entkommen“,
  • sie hat Wachsschichten/Haare und Blätter, die sich zusammenrollen.

• Obst und Gemüse konservieren, anstatt es in der Trockenzeit bewässert anzubauen. Um die Bräunung von getrockneten Früchten zu vermeiden, kann eine kontrollierte Erhitzung auf etwa 60-80°C für etwa 5-10 Minuten verwendet werden, um einige der Phenolase-Enzyme zu zerstören, die die Bräunung durch Oxidation verursachen. Auch Antioxidantien, z. B. Zitronensaft, können eine Zeit lang helfen (Zawawi u.a. 2022). Die Agroforstwirtschaft kann darüber hinaus Holz für gute Trocknungs- und Lagerungsstrukturen liefern.
• Eine kostengünstige Anbaumethode wie eine verbesserte Direktsaat erleichtert es den Pflanzen, Wasserknappheit zu ertragen, indem sie das frühe Wurzelwachstum fördert. Sie ermöglicht es, das empfindliche Stadium zu vermeiden, in dem geschädigte Wurzeln die Spitzen mit Wasser versorgen sollen, oder sie macht es erschwinglich, im Falle eines Misserfolgs neu anzupflanzen. Was während der Keimung in der heißen Sonne als Trockenheitsproblem erscheint, kann auf die Wärme der Bodenoberfläche zurückzuführen sein. In einigen Fällen kann die Aufzucht von Setzlingen, z. B. aus einem bewässerten Gewächshaus oder einem Schalthaus, bei richtiger Vorgehensweise Bewässerungswasser sparen.
• Integrierter Ansatz, mehr Bewässerung ist nicht die einzige Lösung für Wasserknappheit oder in der Landwirtschaft, wie viele behaupten. Wenn sie jedoch richtig angewandt wird, bringt sie oft eine deutliche Wirkung. Wird sie jedoch falsch angewandt, kann sie verheerend sein. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch ein integriertes, ganzheitliches Konzept für die Wasserversorgung der Pflanzen (und die Versorgung des Viehs mit Schatten und gutem Futter) viel Wasser gespart werden kann. Viele Details sind jedoch wichtig und werden oft vernachlässigt. Weitere Einzelheiten zu einigen Aspekten sind in anderen Abschnitten zu finden.

Abbildung 1.  Wassereinsparung vor Ort („in situ“). Der Wasserschutz kann die Versickerung von Wasser oder Rückhaltegräben umfassen (wenn Erdrutsche kein Problem darstellen).  Die meisten Boden- und Wasserschutzmaßnahmen können helfen, indem sie den Wind reduzieren und/oder die Wasserinfiltration durch die Bodenoberfläche und die organische Substanz im Boden erhöhen. Zum Wasserschutz können auch wirksame Bewässerungsmethoden gehören – und die Lösung anderer Probleme für Pflanzen, damit sie das verfügbare Wasser effektiv nutzen können. Nach Muriuki & Macharia (2011).

Verweise

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Zawawi N A F et al. 2022 How Thermal, High Pressure, and Ultrasound Inactivation of Various Fruit Cultivars’ Polyphenol Oxidase: Kinetic Inactivation Models and Estimation of Treatment Energy Requirement. Appl. Sci. 2022, 12, 1864; https://doi.org/10.3390/app12041864