Steuerung von Bewässerungssystemen im Gewächshaus mit Hilfe des Phytomonitoring Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum horticulturarum (Dr. rer. hort.) eingereicht an der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin von Dipl.-Agr. Evanthia Exarchou geb. 25.12.1971 in Thessaloniki Präsident der Humboldt Universität zu Berlin Prof. Dr. Jürgen Mlynek Dekan der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät Prof. Dr. Uwe Jens Nagel Gutachter: 1. Prof. Dr. Uwe Schmidt 2. Prof. Dr. Siegfried Kleisinger 3. Prof. Dr. Matthias Langensiepen Tag der mündlichen Prüfung: 23. 03. 2006 2 EINLEITUNG UND ZIELSTELLUNG DER STUDIE...................................................6 1. ÖKONOMISCHE UND ÖKOLOGISCHE BEWÄSSERUNGSANSPRÜCHE ..........................9 1.1. GLOBALE PROBLEME DER WASSERVERFÜGBARKEIT ........................................9 1.2. VERHÄLTNIS VON STICKSTOFFVERLUSTEN ZUR QUALITÄT DES TRINKWASSERS ....................................................................................................................11 1.3. INNOVATIVE TECHNOLOGIEN UND KULTURMETHODEN DER GEWÄCHSHAUS - BEWÄSSERUNG .............................................................................................13 1.3.1. Bewässerungsverfahren und –systeme zur Wassermengenkontrolle.........13 1.3.2. Hydroponische Kulturtechnologien in geschlossenen Kreisläufen ..............15 1.3.2.a Offene und geschlossene Bewässerungsführung.......................................16 1.3.2.b Produktivität und Qualitätserhaltung ...........................................................18 1.4. WASSERNUTZUNGSEFFIZIENZ IN PRODUKTIONSPROZESSEN ...........................19 1.4.1. Integration des WUE ...................................................................................21 1.4.2. Auswirkung der Wasserbilanzüberschüsse.................................................24 2. DER WASSERSTROM IM SPAC-SYSTEM ..............................................................26 2.1. WASSERBEWEGUNG IM BODEN – WASSERAUFNAHME DER WURZEL ...............26 2.2. WASSERFLUSS IN DER PFLANZE ....................................................................28 2.2.1. Transpirationsprozess im Wasserpotenzialgefälle ......................................30 2.2.2. Stomatäre Regelung der Transpirationsintensität .......................................34 2.2.3. Einflussfaktoren in der Stomatabewegung ..................................................35 3. SENSORISCHE UND MODELLIERENDE ERFASSUNG VON WASSERUMSÄTZEN..........41 3.1. BESTIMMUNG DER WASSERUMSÄTZE IM BODEN/SUBSTRAT............................43 3.1.1. Messverfahren zur Bewässerungssteuerung bzw. -regelung......................43 3.1.2. Modellierung der Wasserumsätze durch den Bodenwassergehalt .............46 3.2. BESTIMMUNG DES WASSERBEDARFS AN DER PFLANZE...................................48 3.2.1. Technische Erfassung von Pflanzendaten ..................................................48 3.2.2. Transpirationsmodelle .................................................................................52 3.3. BESTIMMUNG DER WASSERANFORDERUNGEN AUS DEN KLIMABEDINGUNGEN..58 3 3.3.1. Indirekte Erfassung durch Messung der Umweltfaktoren ............................58 3.3.2. Klimamodelle ...............................................................................................60 3.4. BEWERTUNG DER SENSOREN ........................................................................63 3.4.1. Bodenfeuchtigkeitssensoren........................................................................63 3.4.2. Sensoren zur Pflanzendatenmessung.........................................................66 3.5. SCHLUSSFOLGERUNGEN AUS DER BEWERTUNG DER SENSOREN UND MODELLE ....................................................................................................................70 3.5.1. Geeignete Messverfahren im SPAC-System...............................................70 3.5.2. Modellierungsansprüche zur exakten Bestimmung des Wasserum-satzes 73 4. PHYTOMONITORING UND BEWÄSSERUNG NACH BESTANDS- TRANSPIRATIONSSUMMEN .............................................................................75 4.1. ABLEITUNG DES VORHABENS.........................................................................75 4.2. VERSUCHSZIEL .............................................................................................76 4.3. MATERIAL UND METHODEN............................................................................77 4.3.1. Auswahl der Messverfahren zur Erfassung von Wasserbilanzen................77 4.3.2. Versuchsort..................................................................................................83 4.3.3. Technischer Aufbau der Versuchstation in Berlin........................................83 4.4. SENSORTEST ZUR MESSUNG VON WASSERUMSÄTZEN ...................................85 4.4.1. Räumliche und zeitliche Repräsentativität der Saugspannungsmesswerte 85 4.4.2. Erfassungsgenauigkeit von Verdunstungsmengen der Gaswechselmethode ....................................................................................................................88 4.4.3. Vergleich von Saftstrommessung und Gaswechselmessung......................91 4.5. ERFASSUNG VON TRANSPIRATIONSSUMMEN IN PFLANZENBESTÄNDEN ............93 4.5.1. Bestandstranspirationssummen von Capsicum anuum...............................93 4.5.1.a Versuchsaufbau ..........................................................................................93 4.5.1.b Versuchsdurchführung ................................................................................94 4.5.1.c Ergebnisse ..................................................................................................97 4.5.2. Bestandstranspirationssummen von Lycopersicon esculentum ................100 4.5.2.a Versuchsaufbau ........................................................................................100 4.5.2.b Versuchsdurchführung ..............................................................................100 4.5.2.c Ergebnisse ................................................................................................101 4.5.3. Bestandstranspirationssummen von Gerbera jamensonii .........................102 4.5.3.a Versuchsaufbau ........................................................................................102 4 4.5.3.b Versuchsdurchführung ..............................................................................103 4.5.3.c Ergebnisse ................................................................................................103 4.6. AUTOMATISCHE BEWÄSSERUNGSSTEUERUNG DURCH GEMESSENE TRANSPIRATIONSSUMMEN ...........................................................................105 4.6.1. Kurzzeitanalysen von Lycopersicon esculentum.......................................105 4.6.1.a Versuchsaufbau ........................................................................................105 4.6.1.b Versuchsdurchführung ..............................................................................106 4.6.1.c Ergebnisse ................................................................................................106 4.6.2. Bewässerungssteuerung von Gerbera jamensonii mit einer angestrebten Überschussmenge unter hohen Einstrahlungsbedingungen.....................111 4.6.2.a Versuchsaufbau ........................................................................................111 4.6.2.b Versuchsdurchführung ..............................................................................111 4.6.2.c Ergebnisse ................................................................................................112 4.6.3. Bewässerungssteuerung von Lycopersicon esculentum mit limitierenden Überschusswassermengen .......................................................................114 4.6.3.a Versuchsaufbau ........................................................................................114 4.6.3.b Versuchdurchführung ................................................................................115 4.6.3.c Ergebnisse ................................................................................................115 4.6.4. Bewässerungssteuerung von Cucumis sativus mit limitierenden Überschusswassermengen .......................................................................118 4.6.4.a Versuchsaufbau ........................................................................................118 4.6.4.b Versuchsdurchführung ..............................................................................118 4.6.4.c Ergebnisse ................................................................................................118 4.7. STICKSTOFFDYNAMIK IN DER BEDARFSGERECHTEN BEWÄSSERUNGS- STEUERUNG ................................................................................................121 4.7.1. Nmin-Gehalt im Substrat und im Überschusswasser ..................................121 4.7.2. EC- und pH-Werte im Drainagewasser und im Substrat ...........................124 4.7.3. Nt-Gehalt in Blättern, Stängeln und Früchten ............................................128 4.8. WASSEREFFIZIENZ IN DER BEWÄSSERUNGSSTEUERUNG ..............................129 4.8.1. Effiziente Stoffproduktion in der transpirationssummengesteuerten Bewässerung.............................................................................................129 4.8.2. Produktivität und Pflanzenwachstum.........................................................130 4.8.2.a Bewässerung