Water use and productivity of Cannabis sativa L., KwaZulu-Natal Midlands, South Africa

Authors: Denton GM, Clulow A, Hill TR, Gokool S, Kunz R Year: 2025 DOI: 10.1186/s42238-025-00325-4 Source: PMC12398160 Tags: cannabis, non-medical, environmental

Südafrika steht vor einer akuten Wasserkrise. Die Landwirtschaft verbraucht 66 % der verfügbaren Wasserressourcen (DWS, 2021). Der National Water Act (No. 36 von 1998) schreibt vor, dass flächenbasierte Aktivitäten mit signifikantem Wasserverbrauch als Streamflow Reduction Activities (SFRA) reguliert werden müssen – doch bislang fehlten belastbare Felddaten für Cannabis sativa L. als mögliche SFRA.

Obwohl Hanf international als wasserintensive Pflanze gilt, gab es vor dieser Studie keine einzige peer-reviewte Publikation mit direkten Evapotranspirations(ET)-Messungen von Hanf in Südafrika, und international nur wenige Studien mit indirekten Methoden.

Ziele der Studie:

• Erste direkte ET-Messungen von Hanf in Südafrika mittels Eddy-Covariance-System
• Bestimmung des Crop Coefficient (Kc) nach FAO-56
• Berechnung der Wasserproduktivität (kg Blüte pro m³ Wasser)
• Bewertung, ob bewässerter Hanf als SFRA eingestuft werden muss

• Standort: 29°31'37“ S, 30°28'03” E – kommerzieller Farmbetrieb nahe Pietermaritzburg, KwaZulu-Natal, Südafrika
• Fläche: 7 Hektar, aufgeteilt in drei Felder (Nord, Ost, Süd)
• Pflanzdichte: 2.000 Pflanzen/ha – sehr geringe Dichte (2 m × 2,5 m Reihenabstand), gewählt zur Vermeidung von Krankheitsausbreitung aus früheren Saisons
• Sorten:
  • Nord/Ost: Cherry Blossom (Klone)
  • Süd: Charlotte's Angel (Sämlinge, feminisiert)
• Pflanzung: Ende November 2022 (Vorkultivierung im Gewächshaus)
• Ernte: April 2023
• Bewässerung: Drip-Irrigation (Tropfschlauch, 5 cm vom Stamm), Fertigation über Bewässerungsleitungen
• Management: Topping (Kappung des Apex) ab 1 m Höhe zur Förderung der Verzweigung und Blütenbildung im Südfeld
• Jede 5. Reihe als unbepflanzter Fahrweg gelassen

Das Kernstück war ein Eddy-Covariance (EC)-System (EC150 EasyFlux, Campbell Scientific), installiert auf einem Gittermast im Südfeld:

Messkonfiguration:

• EC-System auf 2 m über Kronendach, Fetch ≥ 100 m in Hauptwindrichtung
• Abtastrate: 10 Hz, gemittelt auf 30-Minuten-Intervalle
• Standard-Koordinatenrotation und Korrekturen (Campbell Scientific, 2018)
• Bodenfeuchte in 5, 12, 25 und 45 cm Tiefe
• Mikrometeorologische Daten aller 5 s (langsame Sequenz)
• Niederschlagsdaten: 3-wöchige Lücke durch eine 16 km entfernte Station ergänzt (R² = 0,82)
• Referenz-ET₀ nach FAO-56 Penman-Monteith berechnet
• Messzeitraum: 7. Dezember 2022 – 15. April 2023

Tagesgang: Typisch war ein Anstieg der ET ab Sonnenaufgang mit einem Maximum zwischen 11:00 und 14:00 Uhr (Spitzenwerte bis 4,5–5 mm/Tag). Die geringe Pflanzdichte (2000 Pfl./ha) führte zu einem hohen Anteil an Bodenverdunstung (E) im Verhältnis zur Transpiration (T), was die relativ hohe ET pro Fläche mit erklärt.

• Mittlerer Kc über die Saison: 0,74 (Spanne 0,73–0,77)
• Kc-Verlauf: Anstieg von ~0,6 (Jungpflanzenstadium) auf ~0,9 (maximale vegetative Entwicklung), Abfall auf ~0,6 in der späten Blütephase
• Im Vergleich: Literatur-Kc für Hanf (FAO-56 standard): Keine Angabe – Pereira et al. (2021) fanden in ihrem Review keine einzige Kc-Publikation für Hanf

Einordnung der Wasserproduktivität:

• Internationale Hanf-Studien berichten 1,0–3,8 kg/m³ (Schnitt-/Faserhanf)
• Die niedrige Produktivität in dieser Studie wird auf die sehr geringe Pflanzdichte (2000 vs. üblich 20.000–60.000 Pfl./ha bei Faserhanf) zurückgeführt
• Ein hoher Anteil der ET geht auf Bodenverdunstung zurück, da der Boden zwischen den Reihen lange unbeschattet blieb

• Der volumentrische Wassergehalt (VWC) in 5 cm Tiefe schwankte zwischen 0,1 und 0,38 m³/m³
• In 45 cm Tiefe: relativ konstant ~0,25–0,30 m³/m³ – kein Wasserstress feststellbar
• LAI (Blattflächenindex): 0,5 (Jan.) → 3,5 (Feb.) → Rückgang auf ~1,5 (April)
• Pflanzenhöhe: bis ca. 1,8 m (Südfeld, durch Topping begrenzt)

Die südafrikanische Regierung benötigt ET-Daten, um zu entscheiden, ob Hanf als Streamflow Reduction Activity eingestuft wird. Mit einer saisonalen ET von 377 mm liegt Hanf in einer Größenordnung, die eine Prüfung als SFRA rechtfertigt – vergleichbar mit Eukalyptus-Plantagen, aber niedriger als Zuckerrohr.

Wichtig: Die gemessene ET von 377 mm ist niedriger als viele vorherige Annahmen (bis zu 700 mm), allerdings bei sehr geringer Pflanzdichte. Bei höheren Pflanzdichten (20.000+ Pfl./ha) wäre mit deutlich höherer ET zu rechnen. Die Einstufung als SFRA hängt daher stark von der Anbaumethode ab.

• Tropfbewässerung ist essentiell für wassereffizienten Hanfanbau in Südafrika
• Höhere Pflanzdichten verbessern die Wasserproduktivität durch reduzierte Bodenverdunstung
• Die Kc-Werte (0,73–0,77) können als Grundlage für präzise Bewässerungsplanung nach FAO-56 dienen
• Für kleine »Emerging Farmers« im ländlichen KwaZulu-Natal ist die Wirtschaftlichkeit bei diesem Wasserverbrauch kritisch zu prüfen

Dies ist die erste Studie weltweit, die Hanf-ET mittels Eddy-Covariance gemessen hat – dem Goldstandard der ET-Messung. Bisherige Studien nutzten indirekte Methoden (Class-A-Pan, Sap-Flow, Fernerkundung), deren Validierung oft fehlte.

Methodische Stärken:

• Direkte, nicht-invasive Messung bei hoher zeitlicher Auflösung
• Berücksichtigung aller ET-Komponenten (E + T)
• Validierte Korrekturverfahren

Limitationen:

• Nur eine Saison an einem Standort
• Geringe Pflanzdichte (2000 Pfl./ha) – nicht repräsentativ für kommerzielle Hanfproduktion
• Nur ein Feld mit EC-Messung (keine Replikation)
• Drei Wochen Niederschlagsdaten extern ergänzt

• Allen RG et al. (1998) – FAO-56: Crop Evapotranspiration. FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56
• Bajić et al. (2022) – Hemp ET measurements in Serbia (Class-A Pan)
• Cosentino et al. (2013) – Hemp ET in semi-arid Mediterranean climate: 320 mm
• Pereira et al. (2021) – Updated FAO-56 crop coefficients review – keine Kc für Hanf
• Thevs & Aliev (2022) – Hemp transpiration in Kazakhstan: 353 mm (Sap-Flow)
• Thevs & Nowotny (2023) – Hemp ET in Germany: 343 mm (S-SEBI remote sensing, 4 Jahre)

• Denton GM et al. (2025) – Water use and productivity of Cannabis sativa L. – Journal of Cannabis Research
• PMC: Volltext (Open Access)
• South African National Water Act (No. 36 of 1998)
• Pereira et al. (2021) – Standard single and basal crop coefficients for field crops. Updates and advances to the FAO56 crop water requirements method – Agricultural Water Management

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Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0 | Quelle: Open-Access-Publikation (Journal of Cannabis Research)