Um Wassermangel entgegenzuwirken, wird in der Praxis häufig die doppelte Menge des täglichen Wasserbedarfs bewässert. Unter diesen nassen Bedingungen wird die Diffusion von Sauerstoff zum Wurzelsystem als der limitierende Faktor der Wurzelatmung, und damit für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze, angesehen. Durch Beeinträchtigung des Wurzelwachstums oder ihrer Funktion können unweigerlich auch das Pflanzenwachstum und schließlich der Ertrag in Mitleidenschaft gezogen werden. In der vorliegenden Arbeit wurde mit neuentwickelten Sauerstoffoptoden erstmals eine Messtechnik angewandt, welche eine kontinuierliche Überwachung des absoluten Sauerstoffgehalts sowohl in der flüssigen als auch in der gasförmigen Bodenphase erlaubt, und dadurch eine objektive Vergleichbarkeit, wie sie in dieser Weise bisher im Gartenbau nicht möglich war. Durch eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung konnte eine große Heterogenität des Sauerstoffgehalts in verschiedenen Substraten in unterschiedlichen Bodentiefen, das Wiederbelüftungsverhalten nach Flutung, der Eintrag von Sauerstoff durch das Gießwasser, als auch die Effizienz verschiedener Belüftungsmethoden in Substrat und Nährlösung exakt nachgewiesen werden. In den ersten Versuchen wurde die enorme Variabilität des Sauerstoffgehalts auch in einem homogenen Boden demonstriert. Die erstmals gemessenen absoluten Sauerstoffverläufe gaben Aufschluss über die große Bandbreite an Mikroklimata in Böden, welche auch bei Flutung unterschiedlich reagierten. Mit der vollständigen Drainage eines Substrates ist noch nicht gewährleistet, dass unmittelbar danach die Sauerstoffversorgung in allen Poren des Substrates wieder ausreichend für das dortige Wurzelwachstum ist. Der Grad der Variabilität wurde durch Bepflanzung noch erhöht, da sowohl durch die Pflanzenwurzeln, als auch durch die umgebende Mikroflora der Rhizosphäre weitere Sauerstoffverbraucher in den Boden eingebracht wurden. Bedingt durch die sehr langsame Diffusion von Sauerstoff in (Boden-)wasser führte dies zu enormen Sauerstoffgradienten im Boden. Die Messergebnisse legen die Komplexität der Vorgänge im Boden dar und die Schwierigkeit, genaue Prognosen bezüglich des Sauerstoffgehalts zu treffen. Zwischen den verschiedenen Pflanzenarten gibt es beträchtliche Unterschiede bezüglich des Sauerstoffbedarfs und der Empfindlichkeit auf Sauerstoffmangel im Wurzelbereich. In einem dreitägigen Flutungsversuch mit anschließender dreitägiger Drainage in einem mit Kompost aufgedüngten mineralischen Unterboden, bepflanzt mit Gurken, Tomaten, Zucchini, Blumenkohl, Chinakohl, Spinat bzw. Bohnen zeigten die Tomatenpflanzen die schnellste und intensivste Welkereaktion, gefolgt von Blumenkohl und Spinat. Viele der Probleme überbewässerter Böden können durch die Verabreichung adäquater Sauerstoffmengen in das Bodenwasser unmittelbar nach der Bewässerung überwunden werden. In einem zweijährigem Gewächshausversuch mit Tomaten in einem organischen Substrat wurde die Wirksamkeit der Belüftung mit einem Venturiinjektor (AirJector©, Mazzei, USA), zwei H2O2-Konzentrationen (0,1 und 0,2 %) und mit Druckluft durch perforierte Gummischläuche (Porous Pipes©) untersucht. Die Belüftung mit AirJector und H2O2 wurde durch die oberirdisch und in 10 cm Tiefe verlegten Bewässerungsschläuche appliziert, die Porous Pipes wurden separat in 15 cm Tiefe verlegt und nur für die Belüftung verwendet. Der Sauerstoffgehalt konnte in den einzelnen Bodenschichten durch die Belüftung mit H2O2 und Druckluft (durch porous pipes) gesteigert werden. Am stärksten war dieser Effekt durch Verwendung von H2O2, allerdings nur in unmittelbarer Nähe zur Tropfstelle (5 und 10 cm Tiefe). Mit dem AirJector ließen sich in keiner Bodentiefe Sauerstoffsteigerungen erreichen, die sich von den Kontrollvarianten unterschieden hätten. Jedoch erreichten in zwei der insgesamt drei Versuche die Belüftungvarianten 0,2 % H2O2 und die Porous Pipes einen signifikant höheren Ertrag als die normalbewässerte und unbelüftete Kontrolle, bzw. als die AirJectorbelüftung. Bei den pflanzenphysiologischen Messungen des Stressgrades der Pflanzen ergab sich kein eindeutiges Bild. Auch bei der Ermittlung des Durchwurzelungsgrades war das Ergebnis aufgrund der großen Streuung nicht eindeutig. Peroxide können O2-Mangel-Stress während und nach einer Flutung bis zu einem begrenzten Grad vermindern, haben jedoch ein unkalkulierbares Dissoziations- und Reaktionsverhalten. Neben dem variablen Sauerstoffbedarf der Pflanzen und der Bodenmikroorganismen ist der Abbau von H2O2 im Boden eine weitere unbekannte Variable. Unter Optimalbedingungen sind mitunter keine Wachstums- oder Ertragssteigerung möglich, sondern erst bei akutem Sauerstoffmangel. Hinsichtlich der Sauerstofffreisetzung zeigte die Belüftung mit H2O2 die besten Ergebnisse, jedoch mit den Nachteilen des Substratabbaus, der Schädigung der Wurzeln in unmittelbarer Nähe der Tropfer und des unberechenbaren H2O2-Abbaus. Für eine optimale Belüftung mit H2O2 sollten die Bewässerungsintervalle an die Abbaurate des Peroxids im Boden angepasst werden, um zu große Amplituden zu vermeiden. Um einem oxidativen Abbau des Substrates vorzubeugen, sollte das Peroxid so niedrig konzentriert, so häufig und so nah an den Wurzeln wie möglich angewandt werden. Nicht alle Kulturpflanzen reagieren gleich auf Peroxidbelüftung. Möglicherweise beruht der bessere Effekt von H2O2 auf den Ertrag bei wenigen Gaben auch auf einer antimikrobiellen Wirkung. Die Belüftung mit Druckluft durch Porous Pipes brachte zwar einen signifikanten Ertragsanstieg, für die praktische Anwendung empfiehlt sich diese Art der Belüftung kaum, da der Aufwand der Verlegung und der Bereitstellung von Druckluft sehr hoch und die Auswirkungen auf den Ertrag in keinem günstigen Verhältnis dazu stehen. Der Erfolg einer Belüftungs- als auch Bewässerungsmethode misst sich vor allen Dingen daran, inwieweit der Ertrag gesteigert werden kann. Da Pflanzen auf verschiedene Belüftungsmethoden höchst unterschiedlich reagieren und es trotz eines gesteigerten Wurzel- und Sproßwachstums nicht immer zu einer Ertragssteigerung kommt, muß für jede Art in dem ihr eigenen Anbausystem die pflanzenphysiologisch und auch ökonomisch optimale Belüftungsmethode ermittelt werden. In einer Serie von Nährlösungsversuchen mit Zucchini, Gurken, Paprika, Bohnen und Chinakohl wurde die Belüftung mit normaler Umgebungsluft und mit H2O2 (0,00136 % in der Nährlösung) verglichen. Ohne die reaktive Wirkung vorhandener organischer Substanz mit den enthaltenen Peroxidasen und Katalasen war die Wirkung von H2O2 schneller und stärker. Obwohl durch H2O2 der Sauerstoffgehalt in der Nährlösung auf mitunter über 100 % angereichert werden konnte, hatten die mit Druckluft belüfteten Pflanzen bei Zucchini, Gurken, Paprika und Bohnen ein stärkeres Wurzel- und Sproßwachstum und gesünderes Aussehen. Gründe für das allgemein schlechtere Wurzelwachstum in den H2O2-belüfteten Varianten können in einem nicht ausreichendem Sauerstoffgehalt in der Nährlösung (technisch bedingter Rückgang der O2-Konzentration auf 0 % in der Nacht), einer hemmenden Wirkung des H2O2 auf die (Adventiv)- Wurzelbildung als auch an einer CO2-Toxizität liegen. Trotz einfacher Handhabung des Peroxids (einfach in das Düngesystem zu injizieren und billig), ist die chemische Belüftung pflanzenbaulich noch nicht ausgereift. Bis heute ist in der Hydroponik die Belüftung mit Druckluft noch immer am effektivsten und sichersten.     «

Um Wassermangel entgegenzuwirken, wird in der Praxis häufig die doppelte Menge des täglichen Wasserbedarfs bewässert. Unter diesen nassen Bedingungen wird die Diffusion von Sauerstoff zum Wurzelsystem als der limitierende Faktor der Wurzelatmung, und damit für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze, angesehen. Durch Beeinträchtigung des Wurzelwachstums oder ihrer Funktion können unweigerlich auch das Pflanzenwachstum und schließlich der Ertrag in Mitleidenschaft gezogen werden. In der vorl...     »

To prevent watershortage, in practice often more than twice the daily required amount of water is irrigated. Under these wet conditions diffusion of oxygen to the root system is considered as a limiting factor for root respiration, and hence for growth and development of the whole plant. Affection of root growth and functions can inevitably lead to reduced plant growth and eventually reduced yield. In the presented thesis a new measuring technique has been established by means of newly developed oxygen optodes, which allow continuous monitoring of the absolute oxygen content as well in liquid as in solid soil phases. By this an objective comparability is achieved, which in this way in horticulture was not possible so far. Due to high temporal and spatial resolution of the optodes it was possible to exactly detect an unexpected high heterogenity of the oxygen content in variable substrates in variable depths, the re-aeration performance after flooding, insertion of oxygen to the soil trough/by irrigation water and the efficiency of several aeration methods in substrates and nutrient solution. In experiment 1 and 2 the enormous variability of the oxygen content even in an assumed homogenous soil was demonstrated. The oxygen courses measured for the first time gave information about the huge spectrum of different microclimates in soils, which react differently during flooding, too. After complete drainage of a soil it is not warranted that oxygen supply in all soil pores is adequate for root growth directly afterwards. The degree of variability was further increased by planting, because both plant roots as well as the surrounding microflora of the rhizosphere act as additional oxygen consumers. Due to the very slow diffusion of oxygen into (soil-)water this leads to enormous oxygen gradients within the soil. Results show the intricacy of soil activity and the difficulty to give accurate prognoses in terms of oxygen content. There are considerable varieties between oxygen demand and sensitivity to oxygen deprivation of the root system of different plant species. In a three day flooding experiment with subsequent three day drainage in fertilized subsoil with cucumber, tomatoes, zucchini, cauliflower, chinese cabbage, spinach and beans, tomato plants showed the most rapid and intense wilt reaction, followed by cauliflower and spinach. Many the problems of overirrigated soils can be overcome by supplying adequate amounts of oxygen to the soil solution immidiately after irrigation. In a two year greenhouse experiment with tomato in an organic substrate the efficacy of aeration with a venturi-injector (AirJector), of two concentrations of H2O2 (0,1 and 0,2 %) and of pressurized air through perforated rubber pipes (porous pipes) were investigated. Aeration with the AirJector and H2O2 was applied through overground and 10 cm deep placed drip tapes for fertigation. Porous pipes where placed in 15 cm depth and used for aeration only. It was possible to increase the oxygen content of the soil with H2O2 and pressurized air (porous pipes) – aeration. The strongest effect was by means of H2O2, however only in proximate distance to the emitters (5 and 10 cm depth). No increase of the oxygen content in any depth could be achieved with the AirJector (Mazzei, USA). However, in two of the total of three experiments aeration treatments of 0,2 % H2O2 and pressurized air (porous pipes) reached signifikantly higher yields compared to the normally irrigated and non-aerated control and to the AirJector aeration treatment, respectively. There were no precise results of the physiological stress measurements of the plants. Because of high variation it was not possible to obtain definite results of the rooting, either. Peroxides can lessen stress during and after flooding to a certain degree, but have incalculable dissociation as well as reaction characteristics. In addition to the variable oxygen demand of plants and soil microorganisms, degradation of H2O2 in soil is another unknown variable. With optimum growing conditions sometimes it is not possible to achieve any rise in growth or yield with aeration, not until acute oxygen deficiency. In regard to oxygen release aeration with H2O2 showed best results, however had the disadvantages of substrate decomposition, damage of roots in close proximity of drip emitters and unpredictable H2O2 dissociation. For optimal aeration with H2O2 irrigation intervals should be adjusted to the rate of dissociation of the peroxide in the soil to avoid too high concentration amplitudes of the peroxide. To prevent oxidative decomposition of the substrate peroxides should be applied as low concentrated, as often and as near to the roots as possible. Not all plant species react to peroxide aeration in the same way. Possibly the beneficial effect of H2O2 when administered only a few times is due to its antimicrobial virtue. Aeration with pressurized air through porous pipes lead to a signifikant rise in yield. However this way of aeration is not adviseable for commercial use, as investment for laying tapes and supply of pressurized air is very high and does not outweigh the beneficial yield effects. The success of any aeration method is mainly matched with its ability to rise yield. Plant species react very differently to different aeration methods, despite enhanced root and shoot growth there's not always a rise in yield. Therefore it is necessary to establish the optimum physiological as well as economical aeration method for each plant species in its own cultivation system. In a set of experiments in nutrient solution with zucchini, cucumber, bell pepper, beans and chinese cabbage, aeration with normal air and with H2O2 (0,00136 % in the nutrient solution) was compared. Without the reactive impact of organic substance with its soilborn peroxidases and catalases, the effect of H2O2 in nutrient solution on plant roots was faster and stronger. Although oxygen content in the nutrient solution could sometimes be rised to more than 100 % O2 with H2O2 aeration, root and shoot growth of zucchini, cucumber, bell pepper and bean plants was better in the normal-air-treatment and generally the plants looked healthier. Possible explanations for poor root growth of H2O2-aerated treatments can be an insufficient oxygen content of the nutrient solution (aeration with H2O2 was coupled with irrigation, which could only run during the day for technical reasons. Therefore oxygen content dropped to 0 % during the night), an inhibiting effect of H2O2 on the induction of adventitious roots or CO2-toxicity in the nutrient solution. Despite easy handling of the peroxide (easy to inject into the fertigation system and cheap), chemical aeration in hydroponic cultivation still is not technically mature. To this day aeration with normal (pressurized) air in hydroponic still is the most effective and secure.     «

To prevent watershortage, in practice often more than twice the daily required amount of water is irrigated. Under these wet conditions diffusion of oxygen to the root system is considered as a limiting factor for root respiration, and hence for growth and development of the whole plant. Affection of root growth and functions can inevitably lead to reduced plant growth and eventually reduced yield. In the presented thesis a new measuring technique has been established by means of newly developed...     »