Qualitätskontrolle von Bewässerungswasser in der Landwirtschaft: Wie misst ein Wasserqualitätsanalysator Härte und Leitfähigkeit, um das Pflanzenwachstum zu gewährleisten?
Einführung
Kennen Sie den Begriff „unsichtbare Dürre“ für Nutzpflanzen? Wasser mit hohem Salzgehalt, erkennbar an einer hohen Leitfähigkeit, ist für Pflanzen osmotisch unzugänglich. Selbst bei sichtbar feuchtem Boden kann die Pflanze das Wasser nicht für ihr Wachstum nutzen. Ähnlich verhält es sich mit Wasser mit hoher Härte, also einem überdurchschnittlich hohen Magnesiumgehalt (Mg²⁺).2+ ) und Kalzium (Ca2+ Bei der Tropfbewässerung können sich kalkhaltige Ablagerungen auf dem Boden bilden, was zu ungleichmäßiger Bewässerung führt. Bei der Sprühbewässerung können Ablagerungen auf Blättern und Früchten deren Photosynthesekapazität verringern, was geringere Erträge und ein beeinträchtigtes Pflanzenwachstum zur Folge hat.
Die Überwachung der Wasserqualität und die Kontrolle ihrer Parameter sind für ein optimales Pflanzenwachstum unerlässlich. Moderne Sensoren ermöglichen es auch kleineren landwirtschaftlichen Betrieben, die Wasserqualität ohne aufwendige Laboranalysen zu gewährleisten. Dieser Artikel befasst sich mit Wasserhärte und Leitfähigkeit sowie deren Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum. Darüber hinaus wird erläutert, wie die Wasserqualität für die landwirtschaftliche Bewässerung mithilfe von Online-Analysegeräten kontrolliert werden kann.
Wasserhärte in der Bewässerung verstehen
Definition der Wasserhärte
Die Pflanzenhärte ist ein Maß für die Konzentration zweiwertiger Kationen, hauptsächlich Magnesium (Mg2+) und Calcium (Ca2+). Diese sind essenzielle Makronährstoffe für das Pflanzenwachstum, da sie für den Aufbau der Zellwände und die Chlorophyllproduktion wichtig sind.
Quellen, die die Wasserhärte erhöhen
Das Land ist reich an natürlich vorkommenden Gesteinen. Insbesondere Kalkstein (Calciumcarbonat) und Dolomit (Calcium-Magnesiumcarbonat) tragen zum Anstieg der Konzentration zweiwertiger Kationen im Grundwasser bei. Regenwasser weist eine geringere Härte auf, jedoch kann die Konzentration durch Verdunstung ansteigen.
Ideale Reichweiten für Bewässerungsaktivitäten
In der Praxis erfordert die landwirtschaftliche Bewässerung eine sorgfältige Überwachung der Wasserqualität und die Einhaltung von Parametern wie Härte und Leitfähigkeit. Wasser mit 0 bis 150 ppm CaCO₃ führt zu optimalem Pflanzenwachstum und liefert ausreichend Magnesium (Mg²⁺) .2+ ) und Kalzium (Ca2+ ) ohne das Risiko von Ablagerungen oder Verstopfungen der Anlagen.
Der Einfluss der Wasserhärte auf das Pflanzenwachstum
Hohe Härte und ihre Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum
Das Hauptproblem ist die Verschlechterung des Bewässerungssystems. Ablagerungen können die Tropfer in Tropfbewässerungssystemen verstopfen. Das Besprühen von Nutzpflanzen mit hartem Wasser kann zu Blattablagerungen führen, was die Photosyntheseleistung beeinträchtigen kann. Hohe Kalziumkonzentrationen2+ Osmotischer Stress kann die Aufnahme anderer essenzieller Kationen wie Magnesium und Phosphor beeinträchtigen. Dies kann zu Wachstumsstörungen und Blattvergilbung aufgrund von Magnesiummangel führen. Der osmotische Stress kann den Ernteertrag um 20–30 % reduzieren.
Geringe Härte und ihre Risiken
Liegt die Mikronährstoffkonzentration unter 50 ppm, kann dies aufgrund niedriger Kalziumionenkonzentrationen im Wasser zu Pflanzenkrankheiten wie Blütenendfäule bei Tomaten führen. Mikronährstoffempfindliche Pflanzen können zwar mit weichem Wasser (0 bis 60 ppm) bewässert werden, benötigen aber eine sorgfältige Nährstoffversorgung durch Düngung.
Management und Bodeninteraktion
Zur Bekämpfung einer hohen temporären Wasserhärte kann Schwefel- oder Phosphorsäure kontrolliert zugegeben werden. Diese reagiert mit den Bicarbonaten im Wasser und bildet lösliche Verbindungen. Die Zugabe sollte jedoch maßvoll erfolgen, um die negativen Auswirkungen der Versauerung zu vermeiden. Eine hohe Wasserhärte bzw. ein hoher Salzgehalt (2250–3150 ppm) reduziert den Maisertrag aufgrund von Wurzelstress um bis zu 50 %. Zudem korreliert eine hohe Wasserhärte mit einem erhöhten Mangangehalt, was zu versteckten Toxizitäten in Gemüse führen kann.
Elektrische Leitfähigkeit in der Bewässerung verstehen
Definition der elektrischen Leitfähigkeit (EC)
Es handelt sich um die Fähigkeit des Wassers, elektrischen Strom zu leiten. Typischerweise ist sie proportional zur Konzentration der im Wasser vorhandenen Ionen. Dazu gehören beispielsweise Na⁺ und Cl⁻ ., NO3-, K+ und Ca2+ Diese Werte werden in µS/cm (Mikrosiemens pro Zentimeter) für Trinkwasser bzw. in dS/cm für Bewässerungswasser gemessen. Üblicherweise werden alle Messwerte bei 25 °C standardisiert, um die Aussagekraft der Ergebnisse zu gewährleisten.
Quellen und optimaler Bereich
Es kann Gründe dafür geben, dass die elektrische Leitfähigkeit über den Normalwert hinaus ansteigt oder darunter sinkt. Schauen wir sie uns an:
- Ursachen für hohe EC-Werte: Düngemittelabfluss, Verdunstung in ariden Gebieten und verunreinigtes Grundwasser können die elektrische Leitfähigkeit durch die Zufuhr von Ionen erhöhen.
- Niedrige EC-Werte können beispielsweise durch Umkehrosmose gereinigtes Wasser, destilliertes Wasser und Regenwasser aufweisen, die nicht mit Mineralablagerungen in Kontakt kommen.
- Idealer EC-Bereich: Um einen hohen Ernteertrag zu gewährleisten, sollte der EC-Wert wie folgt gesteuert werden:
○ Allgemeine Nutzpflanzen: Unter 1,5 dS/m .
○ Empfindliche Stecklinge/Sämlinge: Unter 1,0 dS/m .
○ Das Risiko: Werte oberhalb dieser Grenzwerte erhöhen das Risiko von osmotischem Stress.
Die elektrische Leitfähigkeit (EC) hängt mit dem Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen (TDS) zusammen. Als Faustregel für die einfache Umrechnung gilt:
TDS (mg/L) ≅ 640 x EC (dS/m)
Der Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit auf das Pflanzenwachstum
Folgen hoher elektrischer Leitfähigkeit in der Bewässerung
Pflanzenphysiologie und -wachstum hängen direkt von der elektrischen Leitfähigkeit ab. Im Allgemeinen gelten Werte von 3 mS/cm oder 3 dS/cm als zu hoch und können die Bewässerung beeinträchtigen. Dies kann zu osmotischem Stress führen, wodurch die Wasseraufnahme der Pflanzen erschwert wird. Übermäßiger Salzgehalt kann toxisch wirken und bei empfindlichen Kulturpflanzen wie Salat zu Welkeerscheinungen, reduzierter Transpiration und erheblichen Ertragseinbußen führen.
Auswirkungen niedriger elektrischer Leitfähigkeit
Das richtige Gleichgewicht zu finden ist entscheidend. Selbst bei niedriger elektrischer Leitfähigkeit (EC) wird das Pflanzenwachstum beeinträchtigt. Werte unter 0,6 mS/cm können die Photosynthese verlangsamen und die Biomasse reduzieren, insbesondere in der Hydrokultur, wo die Nährstoffversorgung ausschließlich über das Wasser erfolgt.
Management und Kartierung
Um den EC-Wert zu senken, kann man Wasser mit niedrigem EC-Wert mit Wasser mit hohem EC-Wert verdünnen, bis der optimale Wert erreicht ist. Manche verwenden auch die Methode des überschüssigen Wassers, um Oberflächensalze unter die Wurzeln zu spülen und so gute Bodenbedingungen für die Pflanzen zu gewährleisten.
Moderne Techniken wie die elektrische Widerstandsmessung (ERI) bieten eine einzigartige, zerstörungsfreie Methode zur Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit eines Feldes. Sie ermöglichen Landwirten präzise Bewässerungs- und Auswaschungsstrategien.
Wie Wasserqualitätsanalysatoren die Wasserhärte erkennen
Einige Methoden beruhen auf der Isolierung und Quantifizierung des spezifischen Calciums (Ca2+ und Magnesium (Mg2+ ) Ionen in der Probe.
Ionenselektive Elektroden (ISE)
Eine Membran umgibt die Elektrode. Diese Membran lässt die Ionen selektiv durch, sodass sie detektiert werden und die Elektroden erreichen können. Typischerweise besteht die Membran aus Polymermatrices, die spezifische Ionophore, insbesondere für Calcium (Ca²⁺), enthalten.2+ und Magnesium (Mg2+ ) Ionen.
● Die ionenselektive Elektrode (ISE) besitzt eine selektive Membran und eine interne Referenzelektrode, typischerweise Ag/AgCl.
● Externe Referenzelektrode (RE): Eine stabile Elektrode (wie Ag/AgCl), die eine konstante, bekannte elektrische Potentialbasislinie liefert.
Wenn das Ion die ISE erreicht, erzeugt es eine Spannungsdifferenz. Die Messung dieser Spannungsdifferenz ermöglicht die Bestimmung der Ionenkonzentration im Wasser. Hierfür wird die Nernstsche Gleichung verwendet:
Wo:
E: Das gemessene Potenzial (Spannung).
E 0 : Das Standardpotential der Zelle (eine Konstante).
R: Die universelle Gaskonstante.
T: Die Temperatur in Kelvin.
z: Die Ladungszahl des Ions +2 für Ca2+ Die
F: Faradaysche Konstante.
a: Die Aktivität (effektive Konzentration) des Ions in der Probenlösung.
Hinweis: Die Spannung ändert sich logarithmisch mit der Ionenkonzentration.
Chemische Methoden (EDTA-Titration)
Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) dient als Titrationsmittel. Sie wird in der klassischen Methode zum Nachweis von Ionen in Wasser verwendet. Man gibt einen Komplexbildner wie EDTA hinzu und lässt ihn stabile Komplexe mit Calcium (Ca²⁺) bilden.2+ und Magnesium (Mg2+ ) Ionen. Wir machen das so lange, bis alle Ionen gebunden sind.
M2++EDTA4- → [M-EDTA]2-
Hier M2+ stellt entweder Ca dar2+ oder Mg2+
Ein spezieller Farbstoff, ein sogenannter metallochromer Indikator, zeigt visuell an, wann alle Ionen gebunden sind. Sobald alle freien Ionen gebunden sind, führt die weitere Zugabe von EDTA zur Verdrängung des Indikators, wodurch dieser seine ursprüngliche Farbe wieder annimmt und somit den Reaktionsabschluss signalisiert. Der Farbumschlag von weinrot nach blau ist sehr deutlich und macht dies deutlich sichtbar.
Indirekte und Feldschätzungen
Eine weitere Methode zur Bestimmung der Wasserhärte ist die indirekte Messung über die elektrische Leitfähigkeit (EC), die eine schnelle Näherung ermöglicht. Da Härtebildner im Wasser zur EC beitragen, lässt sich eine allgemeine Korrelation herstellen.
Eine elektrische Leitfähigkeit von 1,4–2 µS/cm entspricht etwa 1 ppm CaCO₃ .
Die meisten tragbaren Messgeräte ermöglichen eine direkte Messung vor Ort und sind somit die bequemste Methode zur Bestimmung der Wasserhärte.
Wie Wasserqualitätsanalysatoren die Leitfähigkeit messen
In der Praxis wird die EC-Sonde zur Qualitätsanalyse in die Wasserprobe eingeführt. Sobald sich die Sonde im Wasser befindet, wird eine Spannung an die Elektroden angelegt. Der Strom fließt durch die im Wasser vorhandenen Ionen. Die Stromstärke ist direkt proportional zur Konzentration der gelösten Ionen.
Warmes Wasser leitet Strom besser als kaltes, daher ist eine Standardisierung erforderlich. EC-Sonden verfügen über Prozessoren, die für verschiedene Temperaturbedingungen kalibriert sind. Das Feedback des Temperaturkompensationsmoduls liefert Echtzeit-Temperaturdaten und optimiert den EC-Wert. Wichtig ist jedoch, die Sonde sauber zu halten und regelmäßig zu kalibrieren.
Praktische Anwendungen in der Landwirtschaft und in Gewächshäusern
- Live-EC-Anpassung in der Landwirtschaft: In der Landwirtschaft dienen Analysatoren als wichtiger Kontrollmechanismus für die Wasserversorgung. Sie können das Grundwasser mit hohem EC-Wert mit Regenwasser mit niedrigem EC-Wert verdünnen, um die Wasserqualität zu optimieren. Dadurch wird das Wasser für den Anbau der gewünschten großflächigen Kulturen geeignet.
- Integration in Tropfbewässerungssysteme: Durch die Integration in Tropfbewässerungssysteme unterstützen sie die Präzisionslandwirtschaft. Das System erfasst die elektrische Leitfähigkeit (EC) und die Wasserhärte und passt die Pumpendrehzahl an oder gibt Start-/Stopp-Befehle basierend auf EC-Schwellenwerten aus.
- Drainagemanagement: EC bestätigt, dass die Salzauswaschung ihre Funktion erfüllt, indem sie schädliche Salzkonzentrationen unter die Wurzeln drückt, um die Pflanzengesundheit wiederherzustellen.
- Kulturspezifische Optimierung: Durch die Verwendung niedrigerer EC-Schwellenwerte während sensibler Entwicklungsstadien, wie z. B. bei Sämlingen oder Jungpflanzen, wird der osmotische Stress minimiert und die Überlebens- und frühen Wachstumsraten deutlich verbessert.
- Forschung und Anpassung: Analysegeräte zeigen saisonale Spitzenwerte der elektrischen Leitfähigkeit in Wasserquellen auf und liefern so wichtige Informationen für adaptive Bewässerungspläne zur Bewältigung von Perioden mit hohem Salzgehalt in landwirtschaftlichen Flusssystemen.
Abschluss
Die Kontrolle der elektrischen Leitfähigkeit (EC) und der Wasserhärte ist für das Pflanzenwachstum unerlässlich. Eine umfassende Überwachung der Wasserqualität ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Pflanzen die richtigen Nährstoffe erhalten und osmotischer Stress sowie Nährstoffüberschuss vermieden werden. Unter salzhaltigen Bedingungen (EC 4,5–6,5 dS/m) beispielsweise leidet Mais unter starken Wachstumsstörungen mit Reduzierungen von 50–75 % bei Höhe, Korngewicht und Gesamtertrag.
Wasserqualitätsanalysatoren ermöglichen die Überwachung und Steuerung des Nährstoffgehalts im Wasser mithilfe eines Systems aus Pumpen, Ventilen, Schiebern usw. Diese Analysatoren verwenden präzise Sensoren wie ionenselektive Elektroden (ISE) und Leitfähigkeitssonden, die Echtzeitdaten an Steuerungen zur automatisierten und genauen Nährstoffanpassung liefern. Wenn Sie auf der Suche nach hochwertigen, präzisen und speziell für die Landwirtschaft entwickelten Wasserqualitätsanalysatoren sind, empfehlen wir Ihnen Shanghai BOQU Instrument Co., Ltd. Das Angebot umfasst unter anderem den AH-800 zur Härtemessung sowie die Modelle ECG-2090Pro, DDG-2080Pro, SJG-2083CS und DDG-2080X zur Leitfähigkeitsmessung. Besuchen Sie https://www.boquinstrument.com/ .
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