Article in yearbook 2021

Plant Protection, Fertilizing and Irrigation Procedure comparison irrigation technique

Abstract:

Irrigation is an essential means of production to stabilize yields and quality in dry locations. The requirements for economical and efficient water distribution are increasing and the capital outlay for the technology is high. The mobile hose reel irrigation machine with a rain gun is still the most important irrigation method in Germany because of its flexible application possibili-ties and reasonable costs. Center Pivot irrigation is more energy efficient, requires very little labor and distributes the water more evenly. For smaller areas of less than 20 ha, the use of a nozzle boom cart can make sense. The manufacturers are working on technical solutions to make it more user-friendly in terms of handling and road transport. Self-propelled machines are rather heavy and expensive, but can be beneficial on areas that are short in length or ir-regular in shape. Drip irrigation has the best water efficiency, but the costs are very high.

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Long version

Einleitung

Bewässerung ist ein wesentliches Produktionsmittel zur Stabilisierung der Erträge und Qualitäten, wenn an einem Standort die natürliche Wasserzufuhr für eine bedarfsgerechte Versorgung der Kulturen nicht ausreicht.

Der finanzielle Aufwand für die Investitionen in die Technik ist jedoch hoch. Auch die variablen Kosten für den Betrieb sind nicht zu unterschätzen. Die Wasserentnahme aus dem Grundwasser oder Oberflächengewässern ist nur auf der Grundlage wasserrechtlicher Erlaubnisse möglich und die Menge ist meistens begrenzt. Für eine bedarfsgerechte Versorgung der Kulturen muss das Zusatzwasser daher möglichst zielgerichtet und effizient verteilt werden. Bei der Auswahl der Bewässerungstechnik ist diese Vorgabe ebenso zu beachten, wie die Kosten-/ Nutzenrelation, die sich auch aus der wirtschaftlichen Vorzüglichkeit der zu bewässernden Kulturen ergibt.

Viele Beregnungsbetriebe, aber auch Neueinsteiger, die bisher ohne Beregnung auskamen, stellen sich die Frage nach den optimalen technischen Maßnahmen. Hierfür ist immer betriebs‑, kultur-, und schlagspezifisch nach der besten Möglichkeit zu suchen. Der Fokus in diesem Beitrag liegt darauf, einen Überblick über die Technik zur Wasserverteilung (ohne die Frostschutzberegnung) zu geben. Eine schnelle Übersicht bietet Tabelle 1.

Tabelle 1: Kennwerte verschiedener Bewässerungsverfahren [1]

Table 1: Characteristic values of different irrigation methods [1]

Mobile Beregnungsmaschine mit Großflächenregner

Auf etwa 98 % der beregneten Fläche Deutschlands findet eine Beregnung über die mobile Beregnungsmaschine mit Großregner, die sogenannte „Kanone“, statt. Dieses Verfahren bietet die größtmögliche Einsatzflexibilität, wodurch eine individuelle Anpassung an die Schlaggröße, die Schlagform und die Kulturart möglich ist [2]. Im Vergleich zu anderen Bewässerungsverfahren ist der Kapitalbedarf bei der mobilen Regenmaschine am geringsten. Er liegt durchschnittlich bei etwa 1500 €/ha.

Es sind jedoch auch einige Nachteile mit dieser Technik verbunden. Ein wesentlicher Kritikpunkt ist die schlechte Querverteilung bei windigem Wetter [2]. Eine gleichmäßige Längsverteilung ist dagegen bei modernen Maschinen durch die automatische Einzugsregelung gegeben. Störend können hier allerdings Druckschwankungen in der Leitung wirken. Es gibt am Markt satellitengestützte Steuerungssysteme als Zusatzausrüstung, die dennoch eine gleichmäßige Längsverteilung und auch eine automatische Einstellung des beregneten Sektors ermöglichen [3].  

Bild 1: Mobile Beregnungsmaschine mit Großregner und mobilem Wasserzähler am Zuleitungsrohr

Figure 1: Mobile irrigation machine with rain gun and mobile water meter on the supply pipe

 

Negativ ist auch der hohe Energiebedarf zu beurteilen, der zur Erzeugung eines Wasserdrucks von mindestens 8-9 bar am Eingang in die Maschine nötig ist. Außerdem ist der Arbeitszeitaufwand relativ hoch, weil die Maschine regelmäßig umgestellt werden muss, sobald eine Gasse fertig beregnet ist. Pro Aufstellung ist mit durchschnittlich 45 Minuten zu rechnen. Besonders vorteilhaft sind daher möglichst lange Schläge, bei denen pro Aufstellung eine relativ große Fläche beregnet werden kann. Wegen der begrenzten Rohrlänge sind aber nur maximal 1000 m möglich, was bei 81 m Arbeitsbreite etwa 8 ha je Aufstellung bedeutet [4]. In der Praxis sind jedoch eher kleinere und leichtere Beregnungsmaschinen mit 400-600 m Rohrlänge üblich, die etwa 3-5 ha je Aufstellung schaffen. Die variablen Kosten liegen etwa im Bereich zwischen 2,30 und 2,80 € je mm, je nach Art der Energiebereitstellung und der betrieblichen Situation. Hierbei ist der Pumpenbetrieb mit Diesel teurer als mit Strom [5].

Düsenwagen

Um die Wassereffizienz zu steigern, kann anstelle der „Kanone“ ein Düsenwagen zur Wasserverteilung an der mobilen Beregnungsmaschine genutzt werden. Günstig zu beurteilen ist hier besonders die gleichmäßigere und schonendere Wasserverteilung, die über kleine Niederdruckdüsen erfolgt. Die Windempfindlichkeit ist durch die bodennahe Ausbringung zudem geringer. Die niedrigere Energie der feinen Tropfen beim Aufprall auf Pflanzen und Boden wirkt sich besonders positiv bei empfindlichen Kulturen wie Gemüse oder (Speise-)Kartoffeln aus und fördert zudem ein schnelleres Einsickern des Wassers in den Boden.

Ein weiterer Vorteil ist der um etwa 2 bar niedrigere Wasserdruck, was einen um etwa 20 % verringerten Energiebedarf ausmacht [2]. Diese Einsparung lässt sich allerdings nur dann realisieren, wenn auch die Leistung der Pumpe bei der Wasserförderung entsprechend geringer ist. Das ist allerdings in einem Leitungs-Verbund schwierig umzusetzen, wenn dort auch die herkömmliche Technik („Kanone“) mitläuft, die höhere Drücke benötigt. Eine Lösung wäre hier eine frequenzgeregelte Pumpe.

Nachteilig beim Düsenwagen ist jedoch der erhöhte Arbeitszeitaufwand beim Auf- und Abbau sowie der zusätzliche Kapitalbedarf [1]. Einige Düsenwagen mit großer Arbeitsbreite weisen Transportbreiten von über 3 Metern auf und sind daher für den Straßenverkehr nur bedingt geeignet.

Selbstfahrende Beregnungsmaschinen

Diese Technik erlaubt eine kurvige Verlegung des Rohrs und ist dadurch nicht auf eine einzelne Gasse angewiesen. Der Einzug der kompletten Maschine erfolgt dann während der Beregnung selbstständig entlang des verlegten Rohrs. Das ist besonders günstig bei keiligen, unregelmäßigen oder kurzen Schlägen, weil sich die Arbeitszeit durch weniger Umstellungen erheblich verringert. Die Verlegung ist bis zu einer Länge von etwa 1000 m möglich. Üblich ist die Bestückung mit einem oder bis zu drei an einem Ausleger befestigten Großregnern. Neu ist die Möglichkeit, ein 66 m breites Düsengestänge wie bei einem Düsenwagen anzubringen, welches hydraulisch teleskopierbar ist (Bilder 2 und 3), wodurch die Maschinenbreite für Straßenfahrten nicht überschritten und die Arbeitszeit verringert wird [6]. Hierbei sind jedoch das hohe Eigengewicht und die hohen Kosten zu berücksichtigen.

Bild 2: Düsengestänge an selbstfahrender Beregnungsmaschine

Figure 2: Nozzle boom on self-propelled irrigation machine

 

 

Bild 3: Einfahrbarer Düsenbalken

Figure 3: Retractable nozzle boom

Kreisberegnung

Ab einer Flächengröße von etwa 20 ha ist die Kreisberegnung eine Überlegung wert. Dieses Beregnungsverfahren vereint die Vorteile des Düsenwagens und einen sehr geringen Arbeitszeitbedarf durch den hohen Grad an Automatisierung. Dabei muss eine Kreisberegnung, je nach Flächengröße und Ausstattung, kaum teurer sein als eine mobile Beregnungsmaschine mit Großflächenregner. Gegenüber der Technik mit Düsenwagen kann sie sogar günstiger sein [1].

Funktionsweise: um einen Drehpunkt, den Zentralturm, rotiert ein fahrbares, aus mehreren Traversen (Spans) zusammengesetztes Gestänge mit Rohrleitung und Niederdruck-Düsen. Die einzelnen Fahrwerke zwischen den Spans werden meistens elektrisch, bei manchen Herstellern auch hydraulisch, angetrieben. Dabei gibt das äußerste Fahrwerk die Geschwindigkeit vor und die inneren Fahrtürme erkennen nacheinander über einen Sensor die Abwinkelung, wodurch die Fahrantriebe entsprechend aktiviert werden. Die Düsengröße nimmt wegen der steigenden Vorschubgeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung vom Zentralturm zu. Damit wird eine gleichmäßige Wasserverteilung auf der gesamten Arbeitslänge realisiert.

Für eine gute Wassereffizienz sorgt auch die relativ geringe Windempfindlichkeit, weil die Düsen auf einer geringen Höhe über dem Pflanzenbestand geführt werden. Der benötigte Wasserdruck ist mit 2 - 3,5 bar vergleichsweise niedrig. Dadurch ist eine Energieeinsparung im Vergleich zum mobilen Großregner von rund 50 bis 60 % möglich [2]. Der geringe Energie- und Arbeitszeitbedarf bei der Kreisberegnung bewirkt relativ niedrige variable Kosten, die ungefähr in der Größenordnung von 1 € je mm liegen.

Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Großregner ist auch darin zu sehen, dass bei der Kreisberegnung kleinere Regengaben möglich sind und ein kompletter Umlauf bereits in 2-3 Tagen erfolgen kann (je nach Gabenhöhe und Volumendurchfluss), wodurch die Pflanzen in einem optimalen Bodenfeuchtebereich gehalten werden können. Außerdem ist der feine Regen für die Pflanzen und den Boden sehr schonend.

Der Einsatz einer Kreisberegnungsmaschine ist jedoch deutlich weniger flexibel als bei mobilen Beregnungsmaschinen. Erforderlich sind relativ große, passend geschnittene Flächen ohne störende Elemente wie Strommasten oder Bäume. Bei einem Radius von z.B. 300 m (plus Endregner) können 33 ha Fläche beregnet werden. Es gibt zwar auch deutlich kleinere Anlagen, aber dann steigen die Kosten je ha überproportional an. Die Verziehbarkeit auf eine benachbarte Fläche ist nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Außerdem ist es zur Absicherung der Investition vorteilhaft, wenn die Fläche im Eigentum ist oder eine lange Pachtdauer aufweist.

Ein weiterer Nachteil der Kreisberegnung ist die schlechte Flächenabdeckung bei rechteckig geschnittenen Schlägen. Von einem quadratischen Feld kann nur ein Anteil von ca. 80 % beregnet werden [7]. Um diesen Anteil zu erhöhen, bieten die Hersteller verschiedene Lösungen zum Eckenausgleich an. So lässt sich über eine Boosterpumpe zur Druckerhöhung und einen Mittelstarkregner am Ende der Maschine nochmals etwa 3 % mehr Fläche beregnen. Bei einer Flächengröße von 30 ha und einer Abdeckung von 83 % sind hingegen immer noch gut 5 ha unberegnet. Wer eine noch bessere Flächenausnutzung erreichen will, kann zusätzlich in ein schwenkbares Eckenausgleichssystem investieren (Bild 4), was aber mit hohen Zusatzkosten zu Buche schlägt. In den Ecken, wo der Kreisregner nicht hinkommt, wird der Einsatz der mobilen Regenmaschine nötig. Alternativ sollte man prüfen, ob Maßnahmen zur Extensivierung oder zum Naturschutz für die entsprechenden Randbereiche möglich und sinnvoll sind.

Bild 4: Kreisberegnung mit schwenkbarem Eckenausgleichssystem

Figure 4: Pivot irrigation with swiveling corner compensation system

Linearberegnung

Ein weiteres Verfahren, welches der Kreisberegnung sehr ähnlich ist, ist die Linearberegnung. Durch kontinuierliche Vorwärtsbewegung der gesamten Maschine können hiermit rechteckige Felder beregnet werden. Unterschiede zur Kreisberegnung ergeben sich im Wesentlichen im Verfahrensablauf sowie der Wasser- und Energieversorgung. Feldlängen von 400 bis 1200 m können hierbei pro Aufstellung beregnet werden. Nachteile dieses Verfahrens sind jedoch der etwas höhere Kapital- und Energiebedarf. Durch das notwendige Umkuppeln des Rohrs in bestimmten Abständen ist außerdem ein größerer Arbeitsaufwand nötig als bei der vollautomatisch arbeitenden Kreisberegnung.

Tropfbewässerung

Eine sehr wassereffiziente Bewässerungstechnik stellt die Tropfbewässerung dar. Wegen des hohen Kapitalbedarfs von 2000 bis zu 5000 €/ha lohnt sich der Einsatz jedoch nur in Dauerkulturen oder Kulturen mit hoher Wertschöpfung wie Gemüse und Obst und wird in den klassischen Ackerkulturen daher vor allem in Kartoffeln eingesetzt.

Der Arbeitszeitbedarf während der Beregnungssaison ist weitgehend automatisiert und daher sehr gering. Für das Installieren und Abbauen ist der Arbeitsaufwand mit etwa 10 Stunden pro ha in der Summe jedoch vergleichsweise hoch.

Für die Tropfbewässerung sprechen in erster Linie die sehr gleichmäßige, windunabhängige Wasserverteilung und die sehr geringen Wasserverluste. Zudem bietet der niedrige Wasserdruck von weniger als 2 bar ein deutliches Energiesparpotenzial. Im Vergleich zu den Techniken mit Überkopfberegnung werden zudem die Blätter der Pflanzenbestände nicht nass, wodurch ein vermindertes Auftreten von bestimmten Blattkrankheiten möglich sein kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass dem System mit der „Fertigation“ auch Düngergaben gezielt in den Wurzelbereich verabreicht werden können [8].

Die Tropfbewässerung besteht in der Regel aus drei Einheiten. Die Kopfeinheit beinhaltet die notwendigen Armaturen und Filter und führt das Wasser über Zuleitungen hin zu den Tropfschläuchen (Bild 5, links).

 

Bild 5: Links: Kopfstation, Zuleitungen und Tropfrohre in Kartoffeln. Rechts: Tropfrohr in jeder 2. Furche

Figure 5: Left: Head station, supply lines and drip tubes in potatoes. Right: Drip tube in every 2nd furrow

 

Für den erfolgreichen Einsatz einer Tropfbewässerung ist eine sorgfältige Planung vor der Beregnungssaison wichtig. Es gibt hierbei einige Fragen, die vorab geklärt sein müssen. So ist beispielsweise nicht jedes Wasser für die Tropfbewässerung geeignet. Besonders eisenhaltiges Wasser kann hier zum Problem werden. Kommt es zu Verockerungen, verstopfen die Tropfer und eine gleichmäßige Bewässerung der Fläche ist nicht mehr möglich. Auch stellt sich die Frage nach der Art der Schläuche. Soll der Schlauch über mehrere Jahre verwendet werden, ist besondere Sorgfalt bei der Aufnahme vor der Ernte geboten. Werden dünne 1-jährige Tropfschläuche verwendet, verringert das zwar die Investitionskosten im ersten Jahr, es muss aber mit jährlichen Materialkosten für neue Schläuche in Höhe von etwa 1.000 €/ha gerechnet werden. Dafür vereinfachen sich die Verlegung und die Herausnahme, was den Arbeitsaufwand verringert.

Auch die Frage nach der Lage der Tropfschläuche muss vorab geklärt werden. Sandige Böden mit geringer Kapillarität benötigen für eine gleichmäßige Wasserversorgung auf jedem Damm einen Tropfschlauch. Bei Böden mit höherer Kapillarität reicht auch ein Schlauch in jeder zweiten Kartoffelfurche aus (Bild 5, rechts). Das „M-Damm-Verfahren“ stellt einen Kompromiss dar. Hier wird der Tropfschlauch in die höher gelegene Furche des Doppeldamms gelegt, wodurch die Querverteilung des Wassers auch bei leichten Böden etwas verbessert wird [8]. Neben der Ablage der Tropfschläuche auf oder knapp unter der Bodenoberfläche gibt es auch noch die Ablage in größerer Tiefe (40-60 cm) als sogenannte Unterflurbewässerung. Der Vorteil ist, dass die Schläuche hier in der Erde bleiben und nicht jährlich ein- und ausgebaut werden müssen. Problematisch wird das aber bei flachwurzelnden Kulturen wie der Kartoffel oder der Zwiebel, weil die Hauptwurzelzone bzw. der Damm in Abhängigkeit von der Kapillarität des Bodens nicht sicher mit ausreichend Wasser versorgt werden kann. Zudem ist ein Erkennen von Leckagen schwierig und eine Bergung der Schläuche sehr aufwändig [9].

Beim Einsatz der Tropfbewässerung muss darauf geachtet werden, die Gabenhöhe an die Aufnahmefähigkeit des Bodens im Bereich des Tropfers anzupassen, damit kein Wasserverlust durch Versickerung auftritt. Das ist besonders wichtig beim Zusatz von Düngern, damit keine Verlagerung von leicht löslichen Nährstoffen in den Unterboden auftritt. Das kann ein Problem darstellen, wenn bei der Anwendung der Fertigation auch in regnerischen Zeiten bewässert werden muss, um die Pflanzen mit Nährstoffen zu versorgen.

Fazit

Die Frage nach der richtigen Beregnungstechnik ist nicht leicht zu beantworten und betriebsindividuell zu prüfen. Die mobile Beregnungsmaschine mit „Kanone“ ist immer noch das flächenmäßig bedeutsamste Beregnungsverfahren, bekommt jedoch zunehmend Konkurrenz. Sind große, hindernisfreie Flächenstrukturen vorhanden, macht die Kreisberegnung häufig Sinn, wenn die Flächen im Eigentum oder langfristig gepachtet sind. Bei kleineren Flächen ohne Keile kann der Einsatz des Düsenwagens sinnvoll sein, wenn nicht zu häufig umgesetzt werden muss. Die Hersteller arbeiten an technischen Lösungen, um den Düsenwagen anwenderfreundlicher zu machen, sodass die Handhabung beim Umstellen und der Straßentransport erleichtert werden. Selbstfahrermaschinen können bei Flächen mit kurzer Länge oder unregelmäßiger Form vorteilhaft sein. Sie sind jedoch relativ schwer und teuer. Die Tropfbewässerung hat große Vorzüge in der Wassereffizienz und dem Energieaufwand, ist aber verhältnismäßig teuer, sodass dieses Verfahren eher den Spezialkulturen vorbehalten ist.

 

Literatur

[1]     Fricke, E.; Riedel, A.: Das kostet eine Beregnungsanlage. top agrar Ratgeber Beregnung, S. 12-15, Landwirtschaftsverlag Münster-Hiltrup, 2019.

[2]     Fricke, E.: Effiziente Bewässerungstechnik und -steuerung. In: Schimmelpfennig, S. (Hrsg): Bewässerung in der Landwirtschaft, S. 65-76, Thünen Working Paper 85, Braunschweig, 2018.

[3]     Bauernverband Nordostniedersachsen e.V.: Kooperationsprojekte „Entwicklungsvorhaben Energieeffizienz in der landwirtschaftlichen Bewässerung“ und „Sektorgesteuerte Feldberegnung mit innovativer Trommeleinzugssteuerung“. URL: https://www.bvnon.de/seite/492394/leader-projekte.html, Zugriff am: 29.04.2022.

[4]     KTBL: Freilandbewässerung, Betriebs- und arbeitswirtschaftliche Kalkulationen. 2013, ISBN: 978-3-941583-86-3.

[5]     Gödecke, H.; Riedel, A.: Rationell beregnen in unruhigen Zeiten. Land und Forst 17/2022, S. 27-29, Deutscher Landwirtschaftsverlag, Hannover.

[6]     DLG-Neuheitenkommission: Innovation Award Agritechnika 2022. URL: https://www.agritechnica.com/de/ausgezeichnete-innovationen-und-konzepte/innovation-award/medaillen-gold-und-silber-2022, Zugriff am: 29.04.2022.

[7]     Sourell, H.: Technik - Planung und Anlage der Bewässerung. In: Bewässerung in der Landwirtschaft S. 65-72, ERLING Verlag 2014, ISBN: 978-3-86263-089-9.

[8]     Kupke, S.; Demmel, M.: Blumental, B.; Marx, M.; Brandhuber, R.; Müller, M.: Tropfbewässerung im Kartoffelbau. LfL Schriftenreihe 1/2016, ISSN: 1611-4159.

[9]     Lamm, F.: Advantages and Disadvantages of Subsurface Drip Irrigation. Kansas State University, 2002, URL: https://www.researchgate.net/publication/228854922_Advantages_and_Disadvantages_of_Subsurface_Drip_Irrigation, Zugriff am: 29.04.2022.

Autorendaten

Dipl.-Ing. agr. Angela Riedel und M.Sc. agr. Henning Gödeke sind in der Beratung für Pflanzenbau und Beregnung im Geschäftsbereich Landwirtschaft, Fachbereich Wassermanagement, Wasser- und Bodenschutz der Landwirtschaftskammer Niedersachsen tätig.

Keywords:
mobile irrigation machine, rain gun, center pivot, nozzle boom cart, drip irrigation
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Recommended form of citation:
Riedel, Angela; Gödeke, Henning: Procedure comparison irrigation technique. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2021. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2022. – pp. 1-10

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