Bodenfeuchte Messung

Warum Bodenfeuchte messen?

Tagtäglich fokussieren wir unser Wissen und unser Tun auf das Thema Bewässerung, d.h. Wasser zielgenau dorthin zu bringen wo es benötigt wird und das in der möglichst genau richtigen Menge. Dabei stellt die Frage wo es benötigt wird meist keine große Herausforderung dar und auch nicht die Aufgabe wie es dort hinkommen soll. Aber die in den meisten Fällen viel kompliziertere und leider auch oft unbeantwortete Frage ist, wieviel soll bewässert werden.

Um das zu beantworten gibt es 2 Möglichkeiten, erstens die Pflanze oder Kultur Daumen x Pi zu bewässern und zu beobachten was passiert, nicht sehr effektiv und trotzdem noch bei weitem die häufigste Methode bei den meisten Freilandbewässerungen. Als viel bessere Möglichkeit bleibt dann noch die Bodenfeuchte zu messen und zielgenau zu bewässern. Das spart Wasser, Energie und Geld und erhöht dabei auch noch die Erträge.

Für eine Bodenfeuchtemessung gibt es mehrere Varianten bzw. Messverfahren es wird jedoch nur zwischen zwei grundlegenden Messmethoden unterschieden.

Messmethoden für die Bodenfeuchte

Im Groben wird zwischen der Volumetrischen und Tensiometrischen Methode unterschieden. Volumetrische Methode bedeutet, die gesamte Wassermenge in einem gewissen Volumen im Boden zu erfassen.

Tensiometrische Methode bedeutet, die Kraft zu messen, die eine Pflanze in einem gewissen Bodentyp aufbringen muss, um mit der Wurzel Wasser aus dem Boden zu ziehen und aufnehmen zu können, gemessen in Centibars oder hPa.

Betrachten wir die beiden Methoden nun etwas genauer:

Wie funktioniert die tensiometrische Messmethode bei Feuchtigkeitsmessungen?

Grundsätzlich muss man dazu erst einmal das Verhältnis zwischen Wasser und Boden etwas näher betrachten. Wasser ist im Boden entweder in verschiedenen Mineralien chemisch gebunden (nicht Pflanzenverfügbar), in feinsten Poren gespeichert (tlw. Pflanzenverfügbar) oder frei verfügbar in größeren Mengen vorhanden. Je weniger Wasser im Boden vorhanden ist, desto mehr zieht es sich in feinste Poren zurück und desto schwieriger ist es für Wurzeln dieses Wasser entgegen der Kapillarkräfte wieder aus diesen Poren heraus zu ziehen.

Zur Beschreibung der Verfügbarkeit des Bodenwassers wird die physikalische Größe Saugspannung (Einheit: Pascal, Pa) verwendet. Sie wird als negativer Druck angegeben und nimmt Werte zwischen 100 und –15.000 hPa (Hektopascal) an.

Allgemein spricht man auch in diesem Zusammenhang von einem Bodenwasserpotential. Sehr nasser, durchweichter Boden hat ein Bodenwasserpotential von 0 hPa. Das bedeutet nichts anderes als das keine Kraft aufgebracht werden muss um das Wasser aus dem Boden zu lösen. Oder bildlich dargestellt, die Saugkraft die nötig ist um Wasser mit einem Strohhalm aus dem Boden zu saugen ist 0.

Ist der Boden trocken erhöht sich das Potential in den negativen Bereich. Das heißt es muss jetzt eine Kraft dafür aufgewendet werden dieses Rest-Wasser aus dem Boden zu ziehen.

Es gibt einen Bereich zw. 0 hPa und 15.000 hPa oder 1,5 MPa der von Pflanzen genutzt werden kann. Die 1,5 MPa Saugspannung wird auch permanenter Welkepunkt genannt und dieser Bereich gilt für Pflanzen als unumkehrbar bzw. ab hier kann kein Wasser mehr vom Boden aufgenommen werden.

Generell werden für Kulturen Saugspannungen zw. 300 hPa und 500 hPa für den Einschaltzeitpunkt einer Bewässerung gewählt und 50 hPa – 80 hPa gelten als genug zum Stoppen der Bewässerung.

Der große Vorteil einer tensiometrischen Messmethode ist, dass man sich dadurch unabhängig vom Bodentyp bei der Feuchtigkeitsmessung macht. Bei genau derselben Wassermenge in einem Kubikmeter Boden macht es einen sehr großen Unterschied für die Pflanze, ob diese Wassermenge in einem Lehmboden oder in einem Sandboden gespeichert ist. Im ersteren kann es für die Wurzel schon schwierig werden Wasser aufzunehmen und es kann schon zu Welk-Erscheinungen kommen und im sandigen Boden kann es noch gar keine Trockenheitsprobleme geben, da das Wasser immer noch leicht verfügbar für die Pflanze zwischen den Sandkörnern durchfließen kann.

Tensiometer für die Tensiometrische Messung

Tensiometer wurden in den 1920er Jahren erfunden und werden seitdem erforscht. Seit den Anfang 1950er Jahren sind sie kommerziell verfügbar. Durch diese lange Zeitspanne weiß man heute sehr genau, welche Pflanzen welche Saugspannung benötigen und bei welchen Werten sie zu trocken oder zu nass haben. Es gibt sogar für alle Arten von Ackerfrüchten und sonstigen Kulturen Saugspannungswerte in Tabellen zur Orientierung für den Einschalt- und Ausschaltzeitpunkt einer Bewässerung.

Das typisches Tensiometer besteht aus einer feinporigen Keramikspitze, einem transparenten Kunststoffschaft, Dichtungen und einem Manometer mit einer Farbskala. Das Manometer misst den Unterdruck (Trockenheit) im Tensiometer, wobei der Zeiger im blauen Bereich einen zu nassen Boden, im grünen Bereich den optimalen Feuchtebereich und im roten Bereich Trockenheit anzeigt.

Doch wie funktioniert die Tensiometer Messung jetzt im Boden?

Das Tensiometer misst die Saugspannung des Wassers im Boden, d.h. es misst die Kraft mit dem Wasser im Boden zurückgehalten wird, und somit auch die Kraft wie oben beschrieben, die Pflanzenwurzeln aufbringen müssen, um das notwendige Wasser aufzunehmen.

Um diese Saugspannung messen zu können, füllt man den Schaft des Tensiometers mit Wasser, setzt das Manometer luftdicht auf und verschlemmt den Schaft mit der Keramikspitze dicht im Boden. Das Wasser im Tensiometer steht jetzt mit dem Wasser des umgebenden Bodens über Wasserbrücken durch die feinporige Keramikspitze in Verbindung.

Trocknet der Boden ab, so „zieht“ der umgebende Boden am Wasser im Inneren des Tensiometers, was wiederum zu einem Unterdruck im Tensiometer führt – dieser Unterdruck entspricht der Saugspannung. Bei Regen oder Bewässerung kehrt sich dies natürlich um, da der Unterdruck im Tensiometer dann größer ist, als die Saugspannung des Bodens und somit über die Keramikspitze Wasser ins Innere des Tensiometers gesaugt wird, was letztendlich zu einem Rückgang des Unterdrucks führt.

Zu beachten ist, dass nach Regen bzw. Bewässerung das Tensiometer erst nach einiger Zeit den wahren Wert anzeigt (das Wasser benötigt etwas Zeit um mit dem Tensiometer zu kommunizieren und vor allem um in die unteren Bodenschichten zu gelangen)!

Tensiometer sind in verschiedenen Längen erhältlich und sollten auch je nach Kultur in verschiedenen Tiefen platziert werden (um ein Tiefen-Feuchte-Profil zu erhalten).

Watermark Sensoren

Ein weiteres tensiometrisches Messgerät stellt der Watermark Feuchtesensor dar. Watermark Sensoren bestehen aus zwei Elektroden, die in ein spezielles Matrixmaterial eingebettet und von einem gelochten Edelstahlmantel umhüllt sind.

Dieses Granulat-Matrixmaterial absorbiert jetzt wie ein Tensiometer die umgebende Bodenfeuchte und je nachdem ob der Sensor mehr oder weniger feucht, ist ergibt sich ein niedriger oder hoher Widerstand zwischen den Elektroden und der Auslesewert verändert sich. Watermark Auslesewerte sind auf Tensiometerwerte kalibriert und können wie Tensiometer benützt werden. Laut Hersteller sollten Watermarksensoren vor allem bei sehr tonigen und schluffigen Böden eingesetzt werden. Wenn es in sandige Böden geht, eignen sich eher Tensiometer als Messmethode.

Besonders empfehlenswert ist auch der Einsatz von Watermark Sensoren, wenn längere Pausen zwischen den einzelnen Wassergaben liegen (also die Bodenfeuchte stärker schwankt), als auch beim Einsatz von Beregnungsmaschinen. Im Gegensatz zum Tensiometer reagiert der Bodensensor aber etwas träger auf wechselnde Bodenfeuchtigkeit.

Übrigens verwendet Hunter bei Ihren Soil-Clik Bodenfeuchtesensoren auch einen Watermark Sensor.

Volumetrische Feuchte-Sensoren

Die zweite Gruppe an Bodenfeuchtemessungen stellen die volumetrischen Feuchtemesser dar. Bei diesen Messgeräten wird versucht den gesamten Bodenwasservorrat zu messen m³ Wasser / m³ Boden (egal wie leicht oder schwierig das Wasser für die Pflanze verfügbar ist).

Es wird ermittelt, wie viel Wasser sich im Verhältnis zum Bodenvolumen im Boden befindet. Die Einheit wird normalerweise als Prozentsatz im Verhältnis zum Volumen des Bodens oder des Kultursubstrats angegeben. Ein vollständig wassergesättigter Boden hat max. ca. 55% VWC (Volumetric Water Content). Die üblichen VWC-Messmethoden sind TDR (Time Domain Reflectometry) und FDR (Frequent Domain Reflectometry). Diese Methoden und die dazugehörigen Messgeräte sind aber für die einfache Bewässerungssteuerung sehr teuer und werden vor allem bei Spezialkulturen und in High End Anwendungen eingesetzt.

In der Massenanwendung versucht man den Wasseranteil indirekt zu messen.

Eine der Hauptmessmethoden ist eine Widerstandsmessung zwischen zwei Elektroden. Dieser Widerstand ist direkt abhängig vom Wassergehalt des Bodens (Wasser leitet). Es gibt unzählige Feuchtemessgeräte am Markt, die auf diesem Widerstandsprinzip beruhen.

Ein Problem bei diesen Widerstandsfeuchtemessern ist jedoch, dass die elektrische Leitfähigkeit nicht nur vom Wassergehalt, sondern maßgeblich auch von den gelösten Salzen abhängt und beeinflußt wird. Messverfahren, die auf diesem Prinzip beruhen sind deshalb häufig sehr unzuverlässig und nicht geeignet. Die meist sehr günstig angebotenen Sensoren auf dieser Basis zeigen zwar irgendeine Abhängigkeit vom Wassergehalt, die sich aber mit der Zeit verändert. Zudem erfordert die elektrische Leitfähigkeitsmessung einen direkten metallischen Kontakt mit dem Boden und das führt langfristig zur Korrossion der Elektroden.