Fallstudie zur Bedeutung erhöhter Salzkonzentrationen im Beregnungswasser unter den humiden Bedingungen Mitteleuropas

Abstract

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die in den langjährigen Salinitätsversuchen gewonnenen Ergebnisse bei den demRheinwasser entsprechenden Na- und Cl-Konzentrationen eine die Bodenfruchtbarkeit dauerhaft beeinträchtigendeSalzakkumulation im Boden nicht zeigen. Wie die Versuche im Jahre 1992 jedoch erkennen lassen, sind zumindest einjährigeNachwirkungen überhöhter Salzgaben zu erwarten, wie dies auch schon die Ergebnisse der Untersuchungen vonRheinüberflungsparzellen ergaben.Bei der Beurteilung von Salzwirkungen auf den Boden sind jedoch natürlich bedingte, in einzelnen Jahren auftretendeSchwankungen verschiedener Bodenkennwerte zu berücksichtigen. Aus der Applikation überhöhter Salzkonzentrationen mit demBeregnungswasser resultierende Ertragsdepressionen, wie sie in einzelnen Versuchsjahren feststellbar waren, sollten eher auf diedirekte Wirkung der in dem jeweiligen Jahr ausgebrachten Salzwasserberegnung zurückzuführen sein. Das Ausmaß solcherErtragsdepressionen wird offenbar durch die Wechselwirkungen zwischen dem nach der Beregnung einsetzenden Witterungsverlaufund dem jeweiligen Entwicklungszustand der beregneten Pflanzen beeinflußt (s. Kap. 11). Damit spielt in erster Linie dieNiederschlagsverteilung eine Rolle, wobei bei starken Regenfällen auch während der Vegetationsperiode Na und Cl in tiefereBodenschichten mit der Ausbildung von Versalzungshorizonten verlagert werden können, in denen es zu einer Beeinträchtigung derWurzelentwicklung mit negativen Einflüssen auf die Ertragsbildung der beregneten Pflanzen kommen kann. Demnach sollte bei derVerregnung von aufbereitetem Rheinwasser beim Auftreten von von pflanzenphysiologisch bedingter GrenzkonzentrationenGrundwasser dem Beregnungswasser beigemischt werden. Die Grenzwerte sind in den einzelnen Jahren jedoch verschieden. Alsgenerelle Richtwerte können 80 mg/l Natrium und 150 mg/l Chlorid angenommen werden. Ausgehend von den Feststellungen, daß die Wirkung erhöhter Salzzufuhr auf den Ertrag in einzelnen Jahren durch dieFrühjahrswerte der Bodenuntersuchungen immer wieder anderer (auf einzelnen Standorten auch verschiedene) Parameter bedingtist, ist folgendes zu berücksichtigen: Durch die vor der Bearbeitung und Aussaat im Frühjahr ermittelten Werte für die bodenchemischen Faktoren und die Ende April/Anfang Mai gewonnenen bodenphysikalischen Daten wird lediglich das Ertragspotential des betreffenden Jahres erfaßt. Diese Werte hängen von der Vorfrucht (und anderen Faktoren der Bewirtschaftung) des Vorjahres und dem Witterungsverlauf während der vorheringen Herbst-/Winterperiode ab. Die Realisierung des durch die Bodenuntersuchungen ermittelten Ertragspotentials wird durch den Witterungsverlauf der jeweiligen Vegetationsperiode bestimmt, wobei neben Witterungseinflüssen auf Bodenfaktoren auch der daraus resultierende Entwicklungsverlauf der angebauten Pflanzenarten zu berücksichtigen ist. Entscheidend für die Beurteilung der Wirkung salzhaltigem Wassers für die Ertragsbildung ist der Zeitpunkt der als Folge des Witterungsverlaufes notwendigen Beregnung. Wie bereits beschrieben, ist die Empfindlichkeit auf erhöhte Salzzufuhr in einzelnen Entwicklungsstadien der angebauten Pflanzen verschieden. Da sowohl der Zeitpunkt des Beregnungsbedarfs als auch die Niederschläge unmittelbar nach der Salzwasserberegnung sowie der Entwicklungsverlauf der Pflanzen witterungsabhängig sind, kommt offenbar dem Witterungsverlauf des betreffenden Jahres eine zentrale Bedeutung für die Beurteilung der Zufuhr überhöhter NaCl-Konzentrationen für den Ertrag zu. Darin liegt die Schwierigkeit der Beurteilung der Wirkung von Beregnungswasser mit überhöhten Salzkonzentrationen im humiden Klima wie dem Hessischen Ried im Vergleich zu den subtropischen Trockengebieten mit einer m.o.w. festliegenden Regenzeit, die zwar unterschiedlich ergiebig oder auch für variable Zeiträume ganz ausfallen kann (z.B. Monsungebiete in Indien), aber doch zu annähernd vorhersehbaren Zeiten im Verlaufe des Jahres eintritt. Auch entspricht unter solchen Bedingungen der Entwicklungsverlauf der Pflanzen eher langjährigen Mittelwerten. Obwohl unter den klimatischen Bedingungen des Hessischen Rieds auch bei hohen Salzapplikationen langfristig keine Akkumulation von Natrium und Chlorid beobachtet wurde, konnten langfristig sich kontinuierlich aufbauende Korrelationstendenzen zwischen der ausgebrachten Salzkonzentration und verschiedenen Bodenparametren wie z.B. der Krümelstabilität, in diesem Falle mit negativem Vorzeichen, festgestellt werden. Als Erklärung wird angenommen, daß sich durch mehrjährige Zufuhr von hohen NaCl-Konzentrationen eine an diese Bedingungen angepaßte Bodenflora entwickelt und schließlich dominiert, in deren Gefolge dann die in einem "gesunden" Boden vorhandene, eine hohe Krümelstabilität fördernde Mikrobenpopulation zurückgedrängt wird. Daraus könnte dann eine Erklärung für die gleichzeitig feststgestellte positive Tendenz zu einer engen Korrelationsentwicklung des Bodenwassergehaltes im Frühjahr abgeleitet werden usw.Die Frage nach der Ausbildung von Versalzungshorizonten während der Vegetationszeit, deren Einfluß auf die Wurzelentwicklungund die Beziehung zwischen der Beeinträchtigung der Wurzelentwicklung, dem jeweiligen Entwicklungszustand der beregnetenPflanzenarten und Ertragsdepressionen sollte vor einer Verallgemeinerung der obigen Vorstellungen durch gezielte Versuche nochnäher erfaßt und charakterisiert werden. Ausgehend von den auch in den Salinitätsversuchen nur bedingt simulierbaren Wirkung des durch einen für die Pflanzenproduktionungünstigem Verhältnisses der Konzentrationen von Na zu den beiden zweiwertigen Kationen Ca und Mg des aufbereitetemRheinwassers und den oben dargestellten Beziehungen zwischen der Niederschlagsverteilung und dem Entwicklungszustand derdamit beregneten Pflanzenarten empfielt es sich, wie in dem ursprünglich formulierten Untersuchungsvorschlag bereits angeführt,vergleichende Untersuchungen über die Ertragsbildung bei Rheinwasserverregnung durchzuführen. Dabei auftretende Abweichungenim Rheinwasser-Versuchsglied von der Kontrollparzelle mit Brunnenwasser sollten nach dem oben angeführtenBeweissicherungsverfahren überprüft und bewertet werden. Schließlich ist der betroffene Landwirt ohne dazugehörigeVergleichsparzelle nicht in der Lage, eventuelle Ertragsdepressionen von 10-15 % zu erkennen. Bei den mit dem Rheinwasser als Beregnungswasser dem Boden zugeführten Salzkonzentrationen und den vorgegebenenKonzentrationsverhältnissen befinden wir uns in einem Bereich, der als Grenzsituation bezeichnet werden kann. Während intropischen und subtropischen Gebieten, wie z.B. in Rajasthan (Indien) in denen auch die Salinität der Böden und derBewässerungswässer eine zentrale Rolle spielen, Ertragsrückgänge in der oben angeführten Größenordnung nur von untergeordneterBedeutung sind (man will einfach überleben), sind solche Ertragsdepressionen für unsere Bauern von zentraler Bedeutung für dieFortführung ihrer Betriebe. In an area called "Hessisches Ried" about 10 km south of Darmstadt (Germany) intensive agriculture is practised with about 30 %of the acarage used for intensive production of vegetables. Here natural precipitation is low (average 480-500mm per year) ifcompared to other parts of Germany and for efficient production of vegetables and also of sugar beets irrigation is required tocorrect shortages of rain fall at some periods of the vegetation period. Due to a lowering of the ground water table following a highexport of water to the nearby highly populated Rhein-Main area the possibility to irrigate is seriously restricted. As a way to stabilizewater supply for irrigation it was decided to obtain surface water from the river Rhein which flows nearby. In the late seventies andthe eighties of last century the River Rhein carried relatively high concentrations of sodium and chloride at varying levels at low Caand Mg concentration resulting in unfavourable SAR-values according to the season and even the day of the week. The aim of thestudy reported here was to investigate influences of the use of saline water on yield production and soil fertility at the climaticsituation of this area.Investigations including extensive field experiments lasting for more than 10 years indicated that in respect to salinity surface waterfrom the river Rhein can be regarded as usable for irrigation without longterm negative effects on soil fertility. However, someexamples exist to indicate negative aftereffects for at least one year. This could be found for plots with artificially salinized irrigationwater as well as for plots with natural overflooding by Rhein-water.Evaluating the effect of salinity hazards on soil properties natural variations of soil characteristics have to be considered. Generally,yield depressions in experiments irrigated with salt enriched water are due to the salt applied in the particular year. The extend ofinfluences on yield seem to be the result of interactions between the weather following the application of salt water, mainly naturalprecipitation, and the developmental state of the plants at irrigation. Concentrations of 80 mg/l of Na and 150 mg Cl/ l can betolerated in irrigation water under the conditions of the area without negative effects on yield of the plant used in these experiments(Spring Wheat, Sugar beets, Phaseolus beans, potatoes and onions). If these concentrations are detected in Rhein water, fresh waterfrom wells should be mixed with Rhein water before irrigation.The influence of saline water on performance of a given field is related to soil factors in spring with changing significance ofindividual parameters for a given year. Values obtained in spring for chemical and physical soil factors supposedly related to yieldproduction are only usefull to describe the potential of a given field in a given year. Such variabilities are due to differences in thepreceding crop, the coures of weather during the preceding winter and during the vegetation period etc.. An important factor is thecourse of weather at specific developmental stages of the crops planted. Further, it depends also on the course of weather, in particular natural precipitation, after the application of irrigation water with highsalt concentrations. If the application of saline water is followed by heavy rain fall also during the vegetation period, salt horizons canbe observed in varying depth in soil. It depends on the developmental stage of the root system to which extend such salt horizonsaffect the yield of the crop.This dependence on the course of the weather in a given year renders it more difficult to evaluate thesignificance of elevated salt concentration for yield production and soil fertility in an humic climate as compared to areas with moreor less predictable periodic precipitation, e.g.monsoon affected locations. Further, in these areas also the developmental course ofcrops is more predictable than in humic climates.Although in the experiments no continous accumulation of sodium and chlorid was observed over the years, however, correlationbetween the application of high salt concentrations and some soil factors were observed. An example is crumb stability, which isreduced with all consequences on soil physical parameters in treatments with saline water. As an explanation it is assumed thatfollowing the application of saline water for several years an adapted microbial population develops in these fieldes, dominating theoriginal population responsible for high soil fertility. No experiments, however, were conducted to follow this problem.It has to be considered that the experiments with the application of high salt concentration lasted only for ten years and conclusionsand recommendations for practical irrigation are still limited. To evaluate the effects of Rhein water as irrigation water on yieldproduction and soil fertility an experimental set up is suggested in which selected control plots are used to compare the influence ofirrigation water either derived from the river Rhein or from ground water wells and a statistical model is described to distinguishbetween influences which can be attributed to saline hazard or any other negative factor for yield production. Otherwise a farmerwill not know whether in a particular year the application of Rhein water influences his yield or some other factor is responsible,possible mistakes in tillage, in fertilizer application and others. Such distinction is decisive to sue for compensation from commercialwater suppliers responsible for lowering the ground water table which required to use Rhein water instead of water from groundwater wells as done for decades in the own rights of the farmers.The rather high concentration of sodium and chloride and their ratio to the divalent cations Mg and Ca (unfavourable SAR-value)indicate an incipient situation. In subtropical and tropical regions such situations are regarded as negligible and lower yield isaccepted. In Rajasthan ( India ) per example with vast areas of salinity affected soil water with much higher salt concentration isused for irrigation as the only water available. The population just will survive. In our highly developed environment in Europe,however, such yield depressions as described in the report following irrigation with saline water may be of importance for our highlyspecialized farms economically to survive.