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Elisabethstraße 16/II, A-8010 Graz, Austria
1IS
O 9
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zert
ifizi
ert
© JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
Wirtschaft
Partner der.
JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbHJOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
Elisabethstraße 16/II, A-8010 Graz, Austria
2IS
O 9
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zert
ifizi
ert
© JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
SeminarWasserkreislaufparameter
SeminarWasserkreislaufparameter
Parameter des Wasserkreislaufs an der Forschungsstation Wagna(Auswertung und Ergebnisse)
Johann Fank01. April 2008 Seggauberg
2
ISO
900
1 ze
rtifi
zier
t3
Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
© JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
InhaltEinleitung
Datenkontrolle und Korrektur
AuswertemethodenGras – Referenzverdunstung aus WetterdatenWasserkreislaufparameter aus Lysimeterdaten
Auswerteergebnisse auf unterschiedlichen Zeitskalen
Ergebnisdokumentation
ZusammenfassungWasserbilanzMassenbilanz
Schlussfolgerungen und Ausblick
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Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
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Wasser- und Stoffbilanz(ebene homogene Standorte)
WasserbilanzP + I – ET – D - ∆S = 0
StoffbilanzDep + F – V – L – ∆M = 0Dep = atm. DepositionF = DüngungV = Vegetationsentzug und
gasförmige VerlusteL = Auswaschung∆M = Änderung des MasseinhaltsDep = P * Pc + I * IcL = D * Dc
Eine detailliert bekannteWasserbilanz ist Grundlagejeder Stoffbetrachtung
P + IP + I
DD
ETET
∆∆SS
DepDepVV FF
LL
∆∆MM
3
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Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
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Lysimeter in EuropaCh. Lanthaler (www.lysimeter.at/HP_EuLP)
2125.5
2126.0
2126.5
2127.0
2127.5
2128.0
2128.5
2129.0
2129.5
2130.0
10.07.200600:00
10.07.200606:00
10.07.200612:00
10.07.200618:00
11.07.200600:00
Lysi
met
erge
wic
ht [k
g]
VERD
UN
STUN
GVER
DU
NSTU
NG
VERD
UN
STUN
GVER
DU
NSTU
NG
NIE
DER
SCH
LAG
NIE
DER
SCH
LAG
4
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Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
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WiegegenauigkeitHYDROLYS (10.10.2007)
2150.53
2155.53
2160.53
2165.53
2170.53
2175.53
2180.53
2185.53
0 5 10 15 20 25 30 35
kumuliertes Hantelgewicht [kg]
Lysi
met
erge
wic
ht [k
g]
GewichtszugabeGewichtsabnahme
Zeitraum: 16:10 - 17:40Gewichtszugabe: 33.50 kg
Lysimetermessungen: 33.54 kgSickerwasser: 0.00 kgcalc. Diff.: -0.04 kgBilanz: 33.50 kg
Zeitraum: 17:40 - 19:04Gewichtsabnahme: -33.50 kg
Lysimetermessungen: -33.58 kgSickerwasser: 0.00 kgcalc. Diff.: 0.08 kgBilanz: -33.50 kg
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Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
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Datenkorrekturexterne Beeinflussung
4588
4590
4592
4594
4596
4598
4600
14.01.200614:00
14.01.200614:15
14.01.200614:30
14.01.200614:45
14.01.200615:00
Lysi
met
erge
wic
ht [k
g]
5
ISO
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Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
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DatenkorrekturBewirtschaftungsmaßnahmen
4427.0
4427.2
4427.4
4427.6
4427.8
4428.0
4428.2
4428.4
23.04.05 10:30 23.04.05 11:00 23.04.05 11:30
Lysi
met
erge
wic
ht [k
g]
Gewicht Gülledüngung
10:55 – 10:57∆ Gewicht = 1.382 kg
~ 12.830 kg ha-1
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Erfassung des Niederschlags-Überlaufs
Im Zuge von Wartungsarbeiten 2007 Einbau einer umlaufen-den Rinne
Registrierung des Überlauf-Niederschlagsüber eine eigene Wippe
Im ersten Jahr derBeobachtung (April 2007 bis März 2008)
5.3 mm NiederschlagIn erster Linie beiStarkregenereignissen imSommer
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Auswertung Gewichtsganglinie
2163
2163.1
2163.2
2163.3
2163.4
2163.5
2163.6
13.03.2008 15:00 13.03.2008 18:00 13.03.2008 21:00
Lysi
met
er [k
g]
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Sick
erw
asse
rkor
rekt
ur [k
g]
Gewicht originalgefiltertes GewichtSW-korrigiertes Gewichtkumulierte SW-korrekturmenge
WWss WWee
WWdd
-SWSW
-RWRWdd
>0
Y
N
PPLL ETETrr
+ P + P -- DD -- ET ET = = ∆∆SS
WWss WWee
WWdd
--SWSW
--RWRWdd
>0
Y
N
PPLLPPLL ETETrrETETrr
+ P + P -- DD -- ET ET = = ∆∆SS
ISO
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Tageswerte derWasserbilanzparameter (BIO)
300
250
200
150
100
50
0
50
01.0
1.05
01.0
7.05
01.0
1.06
01.0
7.06
01.0
1.07
01.0
7.07
01.0
1.08
Bod
enw
asse
r-Sp
eich
erän
deru
ng [k
g]
30
25
20
15
10
5
0
Out
put (
ET+S
W) [
mm
]
Niederschlag (P)Evapotranspiration (ET)Sickerwassermenge (SW)Änderung des Bodenwasserspeicherinhalts
Inpu
t [m
m]
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NiederschlagsmessungVergleich von Messgeräten
0
5
10
15
20
25
04.05.200716:15
04.05.200717:15
04.05.200718:15
04.05.200719:15
04.05.200720:15
04.05.200721:15
P [m
m]
ZAMG - METEOHYDROLYSSOPHYLYS - KONSOPHYLYS - BIO
0
10
20
30
40
50
60
70
01.0
2.05
08.0
2.05
15.0
2.05
22.0
2.05
01.0
3.05
kum
. Nie
ders
chla
g (S
chne
e) [m
m] Wippe (ZAMG)
Waage (PLUVIO)Lysimeter (KON)Lysimeter (ORG)
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Niederschlagsmessung(Vergleich Regen – Schnee)
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30
P Lysimeter [mm]
P Ti
ppin
g B
ucke
t (ZA
MG
) [m
m] Fallow Ground
Snow Cover
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30
P Lysimeter [mm]
P Ti
ppin
g B
ucke
t (Su
rface
) [m
m] Fallow Ground
UnterschätzungUnterschätzung SchneeniederschlagSchneeniederschlag > 20 %> 20 %
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Niederschlag 2007Vergleich Monats- und Jahressummen
2007 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr
Wippe (ZAMG) 38.7 35.3 96.3 7.7 122.6 64.4 125.6 122.8 146.9 54.2 26.8 50.8 892.1
Waage (PLUVIO) 35.8 32.3 91.6 6.6 117.4 57.0 113.0 110.7 133.2 47.5 24.8 47.1 817.0
Totalisator (UMS) 35.0 33.4 101.9 8.3 121.0 62.4 113.8 105.5 138.7 51.9 28.3 51.0 851.3
HYDROLYS 45.9 36.6 105.5 12.8 129.7 66.9 117.9 119.6 144.9 60.0 32.7 58.5 931.0
SOPHYLYS (KON) 47.0 36.8 97.8 15.2 130.7 62.0 120.3 119.1 144.9 60.6 33.9 56.4 924.6
SOPHYLYS (BIO) 43.0 35.7 105.6 13.6 129.4 63.1 146.9 134.6 157.2 58.3 31.9 53.3 972.6
2007 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr
Wippe (ZAMG) 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0%
Waage (PLUVIO) 92.5% 91.5% 95.1% 85.7% 95.8% 88.5% 90.0% 90.1% 90.7% 87.6% 92.5% 92.7% 91.6%
Totalisator (UMS) 90.5% 94.7% 105.8% 107.5% 98.7% 96.8% 90.6% 85.9% 94.4% 95.8% 105.7% 100.3% 95.4%
HYDROLYS 118.6% 103.6% 109.5% 166.4% 105.8% 103.9% 93.9% 97.4% 98.7% 110.7% 121.9% 115.1% 104.4%
SOPHYLYS (KON) 121.4% 104.2% 101.6% 196.8% 106.6% 96.2% 95.8% 97.0% 98.6% 111.9% 126.3% 111.0% 103.6%
SOPHYLYS (BIO) 111.1% 101.2% 109.7% 177.3% 105.5% 98.0% 117.0% 109.6% 107.0% 107.5% 119.0% 104.9% 109.0%
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FAO Penman-MonteithGleichung
Berechnung auf Tagesbasis Berechnung für kurze Zeitschritte ( ) ( )
( )
]
]
]]
]]
1273
900408.0
2
1
1
0
2
2
0
1-a
s
1-
1-
2-
2-
1-
1-
asn
m[s sbeiwertWiderstand scherAerodynamiC[kPa] Dampfdruck aktuellere[kPa] dampfdruckSättigungse
s[m Boden über Höhe m 2 in indigkeitWindgeschwuC][ Boden über Höhe m 2 in aturLufttemperT
[d] ttszeitschriBerechnungzC[kPa eerkonstantPsychromet
zm[MJ stromBodenwärmeGdm[MJ erflächeReferenzob der anbilanz StrahlungsRn
C[kPa kkurvesdampfdruc Sättigungder Steigung]d[mm rdunstungReferenzveET
uC
eeuT
zGRET
⋅===
⋅=°=
=°⋅=
⋅⋅=⋅⋅=
°⋅=∆⋅=
⋅+⋅+∆
−⋅⋅+
⋅⋅+−⋅∆⋅
=
−
−
γ
γ
γ
G = 0T = (Tmin+Tmax) / 2RH = (RHmin+RHmax) / 2
G = 0.5 * Rn during night time0.1 * Rn during day time
T, RH = mean value of time stepC = 0.96 during night time
0.24 during day time
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Auswertung VerdunstungVergleich berechnter ET0 and gemessener ETc
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
17.07.0600:00
17.07.0606:00
17.07.0612:00
17.07.0618:00
18.07.0600:00
cum
. ET
[mm
]
0
150
300
450
600
750
900
1050
Rad
iatio
n [W
*s-1
*m-2
]
cum. ETc (1') [mm] cum. ET0 (10') [mm]
ET0 (d) [mm] Radiation (10')
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
00:3
002
:30
04:3
006
:30
08:3
010
:30
12:3
014
:30
16:3
018
:30
20:3
022
:30
ET
[mm
*h-1
]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Kc
[ ]
ET0 [mm] ETc [mm]Kc (10') Kc (d)
ISO
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Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
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Referenzverdunstung : Pflanzenverdunstung
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006
ET /
P [m
m]
c. P [mm]c. ETc [mm]c. ET0 [mm]
Feucht-periode
TrockenTrocken--periodeperiode
Periode mit Trockenstress
ETc=ET0*(Ke+Kcb)
ETc=ET0*Kcb
ETc=ET0*Kcb*Ks
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006
ET /
P [m
m]
c. P [mm]c. ETc [mm]c. ET0 [mm]
Feucht-periode
TrockenTrocken--periodeperiode
Periode mit Trockenstress
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006
ET /
P [m
m]
c. P [mm]c. ETc [mm]c. ET0 [mm]
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006
ET /
P [m
m]
c. P [mm]c. ETc [mm]c. ET0 [mm]
Feucht-periode
TrockenTrocken--periodeperiode
Periode mit Trockenstress
ETc=ET0*(Ke+Kcb)
ETc=ET0*Kcb
ETc=ET0*Kcb*Ks
10
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Verdunstung abhängig von Wasser, Boden, Pflanze
0
100
200
300
400
500
600
11.0
4.20
07
25.0
4.20
07
09.0
5.20
07
23.0
5.20
07
06.0
6.20
07
20.0
6.20
07
04.0
7.20
07
18.0
7.20
07
01.0
8.20
07
15.0
8.20
07
29.0
8.20
07
12.0
9.20
07
26.0
9.20
07
Verd
unst
ung
[mm
]
TROCKENSTRESS
TRANSPIRATION
EVAPORATION
Mais auf konventionellbewirtschafteter Parzelle
geringere Bodenwasser-speicherkapazität
0
100
200
300
400
500
600
11.0
4.20
07
25.0
4.20
07
09.0
5.20
07
23.0
5.20
07
06.0
6.20
07
20.0
6.20
07
04.0
7.20
07
18.0
7.20
07
01.0
8.20
07
15.0
8.20
07
29.0
8.20
07
12.0
9.20
07
26.0
9.20
07
Verd
unst
ung
[mm
]
TROCKENSTRESS
TRANSPIRATION
EVAPORATION
Mais auf organisch - biologischbewirtschafteter Parzelle
bessere Bodenwasser-speicherkapazität
ISO
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t20
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SickerwasserregistrierungSOPHYLYS
KIPP100: digitaleKippwaage100 ml = 0.1 mm
3.5 % alsSammelprobe
WöchentlicheProbenahme fürDetailanalyse
Monatssummen-Proben für
Standard ChemieanalyseIsotopen-analysen
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SickerwasserwaageHYDROLYS
ISO
900
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Sickerwassermengen 20072007 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr
HYDROLYS (Wiese) 17.0 32.4 69.0 1.6 0.0 0.0 0.0 0.6 40.2 16.3 14.4 43.6 235.3
SOPHYLYS (KON - Mais) 15.1 33.4 63.8 15.9 6.2 21.7 6.8 3.7 40.0 26.5 23.6 39.1 295.8
SOPHYLYS (BIO - Mais) 0.0 5.5 55.3 12.4 10.0 37.4 6.7 1.1 0.3 20.6 24.3 43.6 217.2
0
10
20
30
40
50
60
70
Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Sick
erw
asse
r [m
m]
HYDROLYS (Wiese)SOPHYLYS (KON - Mais)SOPHYLYS (BIO - Mais)
12
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900
1 ze
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Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
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Änderung des Bodenwasserspeicherinhalts
-200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
01.0
1.07
01.0
2.07
01.0
3.07
01.0
4.07
01.0
5.07
01.0
6.07
01.0
7.07
01.0
8.07
01.0
9.07
01.1
0.07
01.1
1.07
01.1
2.07
01.0
1.08
∆ S
peic
herä
nder
ung
[kg]
SOPHYLYS (BIO)
SOPHYLYS (KON)
HYDROLYS
ISO
900
1 ze
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Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik
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Standörtliche Wasserbilanz10. 07. 2006 (BIO)
Precipitation P [mm] 3.68 ETr [mm] 4.16 Seepage Water SW [mm] 0.40 Weight Balance WB [kg] -0.88
Water balance P - ET - D - ∆S = 03.68 - 4.16 - 0.40 + 0.88 = 0
-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.01.02.03.04.05.0
10.0
7.20
0600
:00
10.0
7.20
0606
:00
10.0
7.20
0612
:00
10.0
7.20
0618
:00
11.0
7.20
0600
:00
kg /
mm
c. WB [kg] c. SW [mm] c. ETr [mm] c. P [mm]
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t25
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Monats- und Jahreswasserbilanz(HYDROLYS 2007)
2007 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez JahrP [mm] 45.9 36.6 105.5 12.8 129.7 66.9 117.9 119.6 144.9 60.0 32.7 58.5 931.0ETr [mm] 9.9 17.0 41.7 84.3 99.6 111.2 95.0 96.2 74.6 36.0 20.0 15.8 701.3SW [mm] 17.0 32.4 69.0 1.6 0.0 0.0 0.0 0.6 40.2 16.3 14.4 43.6 235.3∆S [kg] 18.9 -12.9 -5.3 -73.1 30.0 -44.3 23.0 22.8 30.1 7.7 -1.8 -0.9 -5.6
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
[mm
]
P [mm] ETr [mm] SW [mm]
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Bilanzierung der Verdunstung(HYDROLYS 2007)Wasserbilanzgleichung: P – D – ∆S = ET
P variabel aus unterschiedlichen MessgerätenD fix aus Lysimetermessungen
(= 235.3 mm)∆S fix aus Gewichtsänderung minus Sickerwasser
(= 229.6 mm – 235.3 mm = -5.7 mm)ET Bilanzergebnis
HYDROLYS – AuswertungP = 931 mm ET = 701 mm ET0 = 763 mm TS = 62 mm
ZAMG – NiederschlagswippeN = 892 mm ET = 663 mm ET0 = 763 mm TS = 100 mm
PLUVIO – NiederschlagswaageN = 817 mm ET = 587 mm ET0 = 763 mm TS = 176 mm
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Tracerversuch zur Klärung der Frage des Makroporenflusses nach der Entnahme und zurErmittlung von Massenbilanzen
Inner Circle Outer Circle Inner Circle Outer CircleArea [m²] 0.5 0.5 0.5 0.5Tracer ²H NaBr ²H NaBrTracer Amount 10 ml 99.8 % 50 g 10 ml 99.8 % 50 gSolution Amount 1000 ml 1000 ml 1000 ml 1000 mlStart Time 12.04.2005 16:46 12.04.2005 17:00 12.04.2005 16:53 12.04.2005 17:09End Time 12.04.2005 16:48 12.04.2005 17:01 12.04.2005 16:55 12.04.2005 17:11Weight Difference [kg] 0.98 0.98 0.99 0.98
ORGANIC FARMING CONVENTIONAL FARMING
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Tracerversuche zur Ermittlungvon Wasser- und Stoffbilanzen
0
300
600
900
1200
1500
01.04.2005 30.09.2005 01.04.2006 30.09.2006 01.04.2007 30.09.2007
Bro
mid
Mas
senf
luss
[mg]
0
10
20
30
40
50
Bro
mid
Kon
zent
ratio
n[m
g l-1
]
BMSK180 (Massenfluss) BMSK180 (Konzentration)
Massenbilanz [g]Inj.– V – L – ∆M = 038.3–24.1–13.9–0.3 = 0100%-63% -36% -1% = 0
Wasserbilanz [mm]P - ET - D -∆S = 01811-1155-584-72 = 0100%-64% -32%-4% = 0
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Sickerwasserverweilzeitvolumen in den obersten 2 m ungesättigte Zone
0
10
20
30
40
50
60
0 100 200 300 400 500 600 700 800cum. SW [mm]
Br [
mg/
l]
KMSK180
BMSK180
ISO
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Stickstoffaustrag aus den Lysimetern in Wagna
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Apr.06
Mai.06
Jun.0
6Ju
l.06
Aug.06
Sep.06
Okt.06
Nov.06
Dez.06
Jän.07
Feb.07
Mär.07
Apr.07
Mai.07
Jun.0
7Ju
l.07
Aug.07
Sep.07
Okt.07
Nov.07
Dez.07
Jän.08
Mon
atss
umm
en [k
g*ha
-1]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
kum
. Mon
atss
umm
en [k
g*ha
-1]Monatssummen konventionelle Bewirtschaftung
Monatssummen organisch - biologische Bewirtschaftung
kumulierte Monatssummen konventionelle Bewirtschaftung
kumulierte Monatssummen organisch biologische Bewirtschaftung
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Stoffaustrag in RichtungGrundwasser
Parameter EinheitKonventionelle Bewirtschaftung
Organisch - biologische Bewirtschaftung
Sickerwassermenge mm 497 300Mittelwert el. Leitfähigkeit µS cm-1 280 365Mittelwert pH-Wert - 6.98 7.24AuswaschungNatrium kg ha-1 33.93 14.60Kalium kg ha-1 3.56 1.37Magnesium kg ha-1 21.08 12.57Kalzium kg ha-1 252.49 197.99Chlorid kg ha-1 38.24 4.77Nitrat kg ha-1 168.69 68.33Sulfat kg ha-1 174.70 99.79Mittlere KonzentrationenNatrium mg l-1 7.05 5.19Kalium mg l-1 0.76 0.51Magnesium mg l-1 4.08 4.32Kalzium mg l-1 47.47 67.98Chlorid mg l-1 7.59 1.90Nitrat mg l-1 30.25 25.47Sulfat mg l-1 36.44 34.03
01.04.2006 - 31.01.2008
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Zusammenfassung und AusblickModerne monolithische Präzisionslysimeter vermeidendie meisten der bekannten Lysimeterfehler
Alle Parameter der standörtlichen Wasserbilanz könnenfür beliebige Zeitschritte aus den Lysimetermessungen abgeleitet werden
Dabei ist auf exakte Datenerfassung, -bearbeitung und –auswertung zu achten
Lysimetermessungen bilden eine unverzichtbare Basisfür die Modellentwicklung und -validierungfür Stofftransportuntersuchungen
Lysimeter-Mess- und Auswerteergebnisse sollten künftigin die hydrografische Dokumentation Eingang finden