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Untersuchungen zur raum-zeitlichen Differenzierung der Bodenwasserdynamik auf obstbaulich genutzten Standorten in Südtirol unter Bewässerungseinfluss


Projektstatus: Im Juli 2007 abgeschlossen.


Die Studie entstand im Rahmen eigeninitiativer Untersuchungen in den Jahren 2003-2006 vor dem Hintergrund die raum-zeitliche Fluktuation der Bodenwasserdynamik unter Bewässerungseinfluss näher zu quantifizieren. Als Untersuchungsgebiet wurde die Region Südtirol in Italien ausgewählt, welche mit etwa 18.000 ha das größte zusammenhängende Obstanbaugebiet in Europa darstellt. Der intensive Obstanbau benötigt dort nach gängiger Meinung eine Bewässerung der Pflanzanlagen, um optimale Ernteerträge in qualitativer und quantitativer Hinsicht gewährleisten zu können. Die Durchführung der Bewässerung erfolgt dabei jedoch noch nach sehr subjektiven Kriterien. Damit stellt die Bewässerung in der Region einen sehr kostenintensiven Produktionsfaktor dar, welcher aus ökonomischen, aber auch aus ökologischen Gründen zunehmend diskutiert und kritisch hinterfragt wird.

Aus diesen Aspekten heraus wurden mehrere Zielsetzungen verfolgt. Zum einen sollten prinzipielle Kenntnisse über die Muster der regionalen Bodenwasserdynamik unter dem Einfluss der Bewässerung und natürlicher Einflussparameter gewonnen werden, um daraus eine Beurteilung von Notwendigkeit und bedarfsgerechtem Ausmaß einer räumlich differenzierten und nach objektiven Kriterien durchgeführten Bewässerung ableiten zu können. Darüber hinaus wurde der Ansatz verfolgt, durch eine zeitlich hochaufgelöste Erfassung verschiedener Parameter standort- und tiefenspezifische Transfergleichungen zu ermitteln, welche die Bodenwasserdynamik einzelner Standorte, eventuell auch standortüber-greifend, beschreiben und erklären können.

Um die raum-zeitliche Fluktuation der Bodenwasserdynamik unter dem Einfluss der Bewässerung quantifizieren zu können, wurde im Vorfeld der Untersuchungen eine Auswahl von neun repräsentativen Standorten getroffen. Durch die Konstruktion geeigneter Datalogger konnten verschiedene Einflussparameter in hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden. Dabei stand eine tiefendifferenzierte und den Hauptdurch-wurzelungsbereich der Obstbäume abdeckende tensiometrische Erfassung der Saugspannungen (in 20 cm, 40 cm, 60 cm und 80 cm Bodentiefe) als maßgebende Zielgröße im Vordergrund. Auf Basis dieser Daten konnte die Bodenwasserdynamik durch die Berechnung hydraulischer Potential-gradienten im Zeitverlauf quantifiziert werden. Durch die zeitgleiche und loggergekoppelte Erfassung potentieller Einflussparameter (natürliche und künstliche Niederschläge, Dauer der Bewässerungsintervalle, relative Luftfeuchten, Bodentemperaturen, Lufttemperaturen innerhalb und außerhalb der Pflanzenbestände, Fluss- und Grundwasserpegel), detaillierte Bodenprofilanalysen im Gelände und Labor sowie Messungen zur Infiltration und pF-WG-Charakteristik der Einzelstandorte, konnte eine umfangreiche Datenbasis für die analytische Annäherung an die genannten Zielsetzungen geschaffen werden.

Neben einer initialen Analyse der Messergebnisse wurden die erhobenen Messdaten dazu eingesetzt, quantitative Beziehungen und wechselseitige Abhängigkeiten zwischen den erfassten Größen zu ermitteln. Hierbei kamen nach einer intensiven Überprüfung und Aufbereitung des Datenmaterials verschiedene Verfahren aus dem Bereich der mathematisch-statistischen Datenanalyse zielgerichtet zur Anwendung. Durch den Einsatz numerischer Tiefpassfilter konnten verbesserte Aussagen über längerfristige Variationen und markante Anomaliephasen im Gesamtverlauf der Saugspannungen ermöglicht werden, während hingegen die Anwendung numerischer Hochpassfilter zur Optimierung von Hochfrequenz-Variabilitätsanalysen eingesetzt wurde. Bivariate und partielle Korrelationsrechnungen dienten einer initialen Überprüfung und Quantifizierung vermuteter Zusammenhänge zwischen den Saugspannungen und den erfassten Einflussgrößen. Die Berechnungen (partieller) Autokorrelationsfunktionen gestattete die Identifikation standort- und tiefenspezifischer Trägheitsmaße und Wiederholungsmuster. Um die natürlichen Zeitverzögerungen sowie die damit verbundenen Abhängigkeiten und Reaktionsgeschwindigkeiten im bodenhydrologischen Prozessgeschehen quantifizieren zu können, wurden für alle Korrelationspaare die entsprechenden time-lags durch Kreuzkorrelationen berechnet.

Hauptkomponentenanalysen dienten durch die Informationsverdichtung und Mustererkennung dazu, grundlegende Typen der Saugspannungsvariabili-täten zu extrahieren. Letztendlich konnten dann im Zuge schrittweiser Regressionsverfahren aus der Gesamtmenge der erfassten Parameter diejenigen Einflussgrößen ermittelt werden, welche als Prädiktoren einen signifikanten Erklärungsanteil zur Variation der Zielgröße "Saugspannung" beitragen. Durch diese multiplen Regressionsrechnungen ergaben sich somit standort- und tiefenspezifische Transfergleichungen, die das Beziehungs-geflecht der Bodenwasserdynamik quantitativ beschreiben.

Die berechneten Transfergleichungen erbrachten nicht die Qualität, welche für einen regionalisierenden Ansatz erforderlich ist. Dies kann unter anderem mit dem Fehlen potentieller zeitgereihter Einflussgrößen erklärt werden, wobei insbesondere die nur schwer erfassbaren Evapotranspirationsraten zu nennen sind, welche mutmaßlich einen signifikanten Einfluss auf die vertikale Bodenwasserdynamik haben.

Dennoch konnten wertvolle Erkenntnisse über die Standortheterogenität und damit auch hinsichtlich der Bewässerungsoptimierung gewonnen werden. So erweist sich den Analysen und Berechnungen nach die Saugspannung als ein sehr tiefenabhängiger Parameter. In den oberen Bodenbereichen bis etwa 40 cm zeigt sich teilweise eine deutliche Steuerung der Saugspannungen durch die atmosphärischen Einflussgrößen. Im Bereich grundwassernaher Standorte erweist sich der Grundwasserflurabstand als signifikanter Parameter, welcher die Saugspannungen in den Bodentiefen 60 cm und 80 cm maßgebend beeinflusst. Dies weist daraufhin, dass der Hauptdurchwurzelungsbereich grundwassernaher Standorte durch kapillare Aufstiegsprozesse ausreichend mit Wasser versorgt werden kann. Dass damit stellenweise auch eine ganzheitliche Wasserversorgung der Obstbäume gegeben ist, konnte an einem grundwassernahen Referenzstandort nachgewiesen werden, der über die gesamte Beobachtungsdauer nicht bewässert wurde und dabei die gleichen Ertragsleistungen erbrachte wie benachbarte Standorte mit Bewässerung.

Insbesondere aber zeigt sich ein bedeutender Einfluss pedologischer Eigenschaften, welche durch ihre vielfältige horizontspezifische Differenzierung nicht nur die Infiltrationseigenschaften und pF-WG-Charaktere eines Standortes entscheidend mitbestimmen, sondern auch über die Wirksamkeit von kapillaren Aufstiegsprozessen aus dem Grundwasser entscheiden. Die Bedeutung pedologischer Eigenschaften kann somit als ein wesentliches Kriterium für die raum-zeitliche Fluktuation der Bodenwasser-dynamik gelten und müsste sich daher auch in einem Regionalisierungsansatz wiederfinden. Hierzu existieren für die untersuchte Region jedoch noch keine verwertbaren Daten.

Um die Bewässerungspraxis für die Region in ökonomischer und ökologischer Hinsicht zu optimieren, ist eine Bewässerung auf objektiver Basis essentiell. Dabei dürfen die atmosphärischen Parameter und auch die Grundwassernähe als objektive Kriterien nicht überbewertet werden, sondern die Beachtung der pedologischen Verhältnisse muss in den Vordergrund gestellt werden. Mit der Kenntnis der pedologischen Verhältnisse, lässt sich die Wirksamkeit atmosphärischer und hydrologischer Einflussgrößen wesentlich besser abschätzen. Daher kann nur auf Basis einer flächendeckenden und detaillierten Kenntnis der Bodenverhältnisse ein regionalisierender Ansatz von hoher Qualität erfolgen und damit wertvolle Informationen für eine bedarfsgerechte Bewässerung liefern.



Summary


The aim of this study was a detailed investigation to provide data to help quantify in greater detail the spatial and temporal fluctuation of soil water dynamics under the influence of irrigation; the basis were data collected personally between 2003 and 2006. The region selected was South Tyrol in northern Italy: with about 18.000 hectares the biggest coherent apple growing area in Europe.

It is generally believed that intensive fruit cultivation there has to rely on regular irrigation of the fruit trees to guarantee optimum results in both quantity and quality of the produce. However, the way irrigation is applied there follows very subjective criteria. The consequence is that irrigation in this region is a very cost-intensive factor of production which is increasingly being discussed and criticized for both economical and ecological reasons.

These conditions provided several targets for this study:

One was to provide fundamental information and data on the patterns of the regional soil water dynamics under the influence of irrigation as well as parameters of natural influences. These data were then used as a basis from which to evaluate the necessity and the real amount of irrigation needed, based on regional differentiation and objective criteria. A further target was to provide various parameters by collecting a vast number of data taken at hourly intervals and, as a result, to establish transfer models specific to locations and depths that were to describe and explain the soil water dynamics of specified locations and, if possible, locations in general.

Nine representative locations were selected prior to the investigation to be able to quantify the spatial and temporal fluctuation of soil water dynamics under the influence of irrigation. By devising suitable data log instruments it was possible to measure various influence parameters at regular short intervals. The primary objective was to gain – as data of particular significance – tensiometrical records of soil water tension at various depths (at depths of 20 cm, 40 cm, 60 cm and 80 cm), encompassing the main root systems of the apple trees. Based on these data the soil water dynamics could then be quantified by calculating the hydraulic potential-gradients in their temporal sequence.

An extensive data base was created for an analytical approach to the targets mentioned above by collecting the following data:

Records of potential influence parameters (simultaneous and with the aid of the data log instruments) such as: natural downpour as well as irrigation, duration of irrigation intervals, relative humidities, ground temperatures, air temperatures inside and outside the orchards, river and groundwater levels.

In addition to that: detailed soil analyses, performed on site as well as in the laboratory; data on the infiltrations and the characteristics of the relation between soil water tension and water content at the individual locations.

Apart from an initial analysis of the collected data the data results were also used to definee the quantitative relations and reciprocal dependencies between the various recorded data. After extensive checks and processing of the data material a variety of methods from the fields of mathematical and statistical data anlysis were selected and applied. By using numerical low pass filters improved statements could be made about longer lasting variations and significant phases of anomalies within the total sum of data collected on soil water tension. Numerical high pass filters were used to optimize high frequency analyses of variability. Bivariate and partial correlation calculations were used for initial checks and for the quantification of connections assumed to exist between the soil water tension and the data for possible sources of influence. Calculations of (partial) auto correlation functions served to identify location and depth specific inertia-influenced reaction speed and repetition patterns.

In order to be able to quantify in the soil-hydrological processes the natural temporal delays as well as the dependencies and reaction speeds connected with them, the relevant time-lags were calculated by cross correlations for all correlation pairs.

By condensing information and through pattern recognition, analyses of the principal components helped to extract the basic types of varieties of soil water tension.

In the course of gradual regression processes it was possible to select from the total sum of parameters those parameters of influence which – being predictors – contribute significantly to explain the variations of the target parameters: soil water tension. From these multiple regression calculations thus resulted location and depth specific transfer equations that quantitatively describe the interrelations of dependencies in the soil water dynamics.

However, the calculations of transfer equations did not produce the quality required for a regionalized approach.

Among other explanations this may be due to the lack of potential time series influence parameters, especially the rates of evapotranspiration that are difficult to obtain and which presumably have significant influence on the vertical soil water dynamics.

Still, valuable results could be gathered about the heterogeneity of the locations as they are important for optimizing irrigation methods.

According to these analyses and calculations the soil water tension proves to be a parameter very much dependent on the respective depths. In upper soil areas until ca. 40 cm atmospheric influences in part clearly have an impact on the soil water tension. At locations with a proximity to ground water the ground water level turns out to be a significant parameter that strongly influences the soil water tension at the depths of 60 cm and 80 cm. This indicates that the main root system of locations with proximity to ground water can be sufficiently supplied with water through capillary rising processes.

The fact that this can provide sufficient water supply for orchards under certain conditions was proved at one location with proximity to groundwater that was not irrigated at all in any year while the research took place and yet the amount of fruit harvested was no les than that of a neighbouring location where irrigation was used.

In particular, the important influence of pedological characteristics has become obvious: through various horizon-specific differentiations not only do they contribute to influence the infiltration characteristics and the relation of soil water tension and water content of a given location, but they also determine the effectiveness of capillary rising processes from the groundwater.

Therefore the importance of pedological characteristics should be regarded as an essential factor for the spacial and temporal fluctuation of soil water dynamics and should therefore definitely be employed in any attempt at regionalization. But in this respect there are no usable data for the region in question so far.

To optimize the irrigation practice in this region economically and ecologically it is esssential to provide an objective basis for the irrigation process.

However, atmospheric parameters as well as groundwater proximity must not be overrated there: close attention to the pedological conditions should be a primary consideration.

Once these pedological conditions are known it is much easier to evaluate the effectiveness of atmospheric and hydrological sources of influence. Only on the basis of large-scale and detailed information on the soil conditions a promising and serious attempt at tackling this task for the whole region can be undertaken and thus provide valuable information for an irrigation method strictly orientated on the specific requirements.



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