Minderung von Nitratausträgen durch digitales Stickstoffmanagement und sensorgestützte Düngung in der Modellregion Burghausen/Burgkirchen (digisens)

Kurzinhalt

In der Modellregion Burghausen/Burgkirchen werden in enger Zusammenarbeit von Wissenschaft, Landwirtschaft und Beratung innovative Technologien des digitalen Nährstoffmanagements und der sensorgestützten Stickstoff (N)-Düngung weiterentwickelt. Diese Technologien werden dann an die regionalen Standort- und Bewirtschaftungsbedingungen angepasst und in Landwirtschaftsbetrieben umfassend getestet. Das Nährstoffmanagementsystem soll sowohl im ökologischen als auch konventionellen Landbau einsetzbar sein.

Hintergrund und Zielsetzung des Projekts

In einem interdisziplinären Forschungsprojekt in der Modellregion Burghausen/Burgkirchen werden in enger Zusammenarbeit mit Landwirten und Trinkwasserversorgern die Zusammenhänge zwischen Standortbedingungen, landwirtschaftlicher Flächennutzung und Nitratverlusten untersucht. Dabei kommen innovative Ansätze des digitalen Stickstoffmanagements und der sensorgestützten teilflächenspezifischen Düngung zum Einsatz, mithilfe derer Maßnahmen zur Nitratminderung abgeleitet und umgesetzt werden.

Die Ursachen von Nitratverlusten werden auf landwirtschaftlichen Nutzflächen in Betrieben unterschiedlicher Struktur und Bewirtschaftungsintensität (vom extensiven ökologischen Marktfruchtbau bis zum konventionell- intensiven Biogasbetrieb) analysiert. Hierzu werden die betrieblichen N-Kreisläufe, die N-Salden (N-Verlustpotenziale), die N-Effizienz, die potenziellen Nitratverluste sowie die Nitratkonzentration des Sickerwassers mit einem neuentwickelten webbasierten N-Managementsystem untersucht. Es werden Algorithmen zur Berechnung von teilflächenspezifischen N-Salden und Nitrataustragspotentialen entwickelt. Die berechneten Nitratverluste werden in Beziehung zu Nitrat-Tiefenprofilen gesetzt, die durch Rammkernsondierung ermittelt werden (Vergleich von Mess- und Modellwerten, Modellvalidierung).

Modularer Aufbau des webbasierten Managementsystems. Das Kernsystem kann durch neue Module, z.B. für den ökologischen Landbau (Modul Düngeempfehlung), erweitert werden

Ein wesentlicher Vorteil des webbasierten N-Managementsystems als Beratungsinstrument in Trinkwasserschutzgebieten besteht darin, dass neben betriebsbezogenen Aussagen (N-Düngung, N-Kreislauf, Stoffstrombilanz), auch schlag- und teilschlagbezogene N-Salden und Nitratverluste in Kopplung mit der teilflächenspezifischen Düngung und der Nutzung von Sensordaten berechnet werden können. In Abstimmung mit den am Projekt beteiligten Landwirten werden auf dieser Datengrundlage standortspezifische Maßnahmen zur Minderung von Nitratausträgen abgeleitet und die potenziellen Effekte der Umsetzung dieser Maßnahmen modellgestützt berechnet. Die bisher in der Region geförderten und umgesetzten Trinkwasserschutzmaßnahmen werden bezüglich ihrer Wirksamkeit bewertet, ggf. angepasst und weiterentwickelt.

Düngeempfehlung zu EC 32 nach Schlepper-Sensorfahrt und N-Düngealgorithmus auf einem Praxisschlag mit Wintergerste (Hohenthann)

Erstmals kommt in der Modellregion ein neuentwickeltes N-Düngesystem nach dem Prinzip „Online + Map-overlay“ zum Praxiseinsatz. Hierbei werden Standortinformationen (Bodenheterogenität, teilflächenspezifische Ertragspotenziale) und Daten multispektraler Sensoren zur aktuellen Bestandsentwicklung (Biomassebildung, N-Entzug) verknüpft. Mit wissenschaftlich begründeten Düngealgorithmen wird der N-Bedarf von Weizen, Gerste, Raps und Mais in verschiedenen Wachstumsstadien berechnet. Die in vorangegangenen Forschungen erarbeiteten wissenschaftlichen Grundlagen zur teilflächenspezifischen Düngung werden in diesem Projekt in eine praxisnahe Lösung überführt (Anwendung des Düngesystems unter Praxisbedingungen, Erarbeitung von Düngerapplikationskarten, Umsetzung der Algorithmen durch Steuerung eines Düngerstreuers über ISOBUS).

Die Ergebnisse der sensorgestützten, teilflächenbezogenen N-Düngung werden evaluiert. Auf Messparzellen und Streifenversuchen erfolgt ein Vergleich zur betriebsüblichen N-Düngung hinsichtlich der Parameter Ertrag, Produktqualität (Proteingehalt), N-Saldo und N-Effizienz. Für den Einsatz als Instrument im Trinkwasserschutz erfolgt die Ableitung und Erprobung von am Wasserschutz orientierten N-Düngealgorithmen (Wasserschutzgebietsalgorithmen). Hierbei wird nicht nach dem Ertragsmaximum oder dem ökonomischen Optimum gedüngt, sondern eine besonders grundwasserschonende N-Düngung realisiert (z. B. Verzicht auf 5 bis 10 % des Ertrages, dadurch deutliche Einsparung von Mineral-N und Minderung der N-Salden). Die notwendigen Ausgleichszahlungen zur Kompensation der Ertrags- und Einkommensverluste werden ermittelt. Die Düngealgorithmen kommen auf Flächen mit hohem Nitrataustragsrisiko zur Anwendung.

Publikationen

Weckesser, F.; Leßke, F.; Luthardt, M.; Hülsbergen, K. (2021): Conceptual Design of a Comprehensive Farm Nitrogen Management System. Agronomy 11, 2501 (12). DOI: 10.3390/agronomy11122501
Abstract mehr Open Access

Data that are required for nutrient management are becoming increasingly available in digital format, leading to a high innovation potential for digital nitrogen (N) management applications. However, it is currently difficult for farmers to analyze, assess, and optimize N flows in their farms using the existing software. To improve digital N management, this study identified, evaluated, and systematized the requirements of stakeholders. Furthermore, digital farm N management tools with varying objectives in terms of system boundaries, data requirements, used methods and algorithms, performance, and practicality were appraised and categorized. According to the identified needs, the concept of a farm N management system (FNMS) software is presented which includes the following modules: (1) management of site and farm data, (2) determination of fertilizer requirements, (3) N balancing and cycles, (4) N turnover and losses, and (5) decision support. The aim of FNMS is to support farmers in their farming practices for increasing N efficiency and reducing environmentally harmful N surpluses. In this study, the conceptual requirements from the agricultural and computer science perspectives were determined as a basis for developing a consistent, scientifically sound, and user-friendly FNMS, especially applicable in European countries. This FNMS enables farmers and their advisors to make knowledge-based decisions based on comprehensive and integrated data.