Entwicklung und OPtimierung eines gesamtheitlichen PflanzenSEnsorsystems für die teilflächenspezifische Ausbringung von Stickstoff(N)dünger zu unterschiedlichen Kulturpflanzen (OpSeN)

In der Praxis werden Ackerschläge in der Regel einheitlich bewirtschaftet, beispielsweise einheitlich mit Stickstoff gedüngt. Das bedeutet, dass ein Düngerstreuer zu Beginn der Feldbearbeitung einmal eingestellt wird, und diese Einstellung und N-Applikationsmenge für die gesamte Bearbeitung des Feldes nicht verändert wird. Das hat, je nach Bodenunterschieden innerhalb des Schlags eine mehr oder weniger suboptimale Stickstoffdüngung zur Folge, mit entsprechenden ökonomischen und/oder ökologischen Nachteilen. Unterschiedliche Wachstumsbedingungen innerhalb von Ackerschlägen, beispielsweise aufgrund von Bodenart, Relief oder Wasserspeicherfähigkeit des Bodens, können zu einer differenzierten Entwicklung von Pflanzenbeständen und somit zu starken Ertrags- und Qualitätsschwankungen, verbunden mit nicht ausgewogenen Stickstoffbilanzen, führen.

Effizienter und umweltschonender ist eine teilschlagspezifische Bewirtschaftung. Hierbei wird der Stickstoffeinsatz entsprechend den Wachstumsbedingungen der Pflanzen angepasst. Dies kann manuell durch den Bediener geschehen. Die Tendenz geht allerdings zur automatischen Steuerung der Maschinen. Im precision farming wird die Regelung über miteinander kommunizierende Sensorik und Aktorik als zukunftsweisende Technik verfolgt. Die Nachfrage nach Sensorik, die den Stickstoffversorgungszustand der Pflanzen erfasst und damit Grundlage für eine teilflächenspezifische N-Düngung darstellt, steigt ständig. Dies zeigt auch die Zunahme an Anbietern für derartige Systeme auf der weltgrößten Fachmesse für Technik in der Landwirtschaft, der AGRITECHNICA im Jahr 2009 (Reckleben, 2010).

Eine gute Sensorik alleine ist allerdings noch kein Garant dafür, dass die Pflanzen optimal ernährt werden (Schneider und Leithold, 2009). Die Sensorwerte müssen in Ernährungszustände übersetzt, und aus diesen Ernährungszuständen notwendige Düngermengen abgeleitet werden. Man spricht hierbei von Mess- und Regelalgorithmen, welche zusammen ein Düngesystem ergeben.

An der Technischen Universität München, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme, wurden in den vergangenen Jahren umfangreiche Untersuchungen zur berührungslosen Erfassung des Nährstoffstatus landwirtschaftlicher Kulturpflanzen mittels optischer Reflexionsmessungen durchgeführt. Mit Spektrometern wurden die spektralen Reflexionssignaturen der Pflanzen in sehr vielen schmalbandigen Spektralkanälen gemessen. Die vielfältigen Untersuchungen zeigten, dass mit Hilfe eines Vegetationsindex’, des sog. REIP1, der Stickstoffgehalt von landwirtschaftlichen Kulturpflanzen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.

Die Fritzmeier Umwelttechnik GmbH & Co. KG hat ein Sensorsystem-Konzept entwickelt, das es ermöglichen soll, die Reflexion an den Pflanzen in den vier Wellenlängenkanälen zu erfassen, die für die Berechnung des REIP notwendig sind. Als Lichtquelle dient die Sonne. Für die technische Umsetzung des Konzeptes hat die Fritzmeier Umwelttechnik GmbH & Co. KG zwei Lösungen konzipiert, die sich im optischen Aufbau voneinander unterscheiden. Ein Lösungsansätz wäre, dass ein drehendes Filterrad vor einem Detektor zirkuliert und so das von den Pflanzen reflektierte Licht in den REIP-Kanälen filtert, die alternative Lösung sieht keine beweglichen Teile, sondern eine starre Vierfach-Detektionsoptik vor. Im Rahmen des hier beantragten Projektes soll zunächst die Vorteilhaftigkeit einer dieser Lösungen herausgearbeitet werden. Da beide Konzepte ohne teure Lichtquellen, aufwändige optische und elektronische Komponenten wie Gitter, Strahlteiler und CCD-Zeilen oder gar -Arrays auskommen, wird das Gerät in jedem Fall sehr kostengünstig herzustellen sein.

Am Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme der TU München wurde bereits für Winterweizen ein Verfahren zur teilflächen-spezifischen Stickstoffdüngung entwickelt. Eine Besonderheit dieses Düngesystems besteht darin, dass neben dem Ernährungsstatus der Pflanze das Ertragspotential des Bodens in Form von hinterlegten Karten berücksichtigt wird. Auch die Verwertungsrichtung der Kultur, welche wesentlich den N-Düngerbedarf bestimmt, findet in Form entsprechender Applikationsalgorithmen Berücksichtigung. In entsprechenden Großflächenversuchen konnten sehr eindrucksvoll die Vorteile dieses Systems gezeigt werden. Auf diesem Gebiet ist eine Kooperation mit der Fa. Fritzmeier bereits erfolgreich durchgeführt worden.

In dem hier vorgestellten Projekt gilt es, entsprechende Düngesysteme für zwei weitere in Europa angebaute Hauptkulturen, Wintergerste und Winterraps, zu entwickeln. Die Entwicklung von Düngesystemen für weitere Kulturpflanzen (in diesem Projekt für Winterraps und Wintergerste) ist notwendig, um das Gesamtsystem einer wirtschaftlichen Verwertung zuzuführen. Mit Wintergerste ist dabei eine Kulturart gewählt, die hinsichtlich ihrer Anbaufläche die zweitwichtigste nach Weizen darstellt. Mit Raps wird nicht nur eine weitere produktionstechnisch relevante Kulturart bearbeitet; es soll hier auch untersucht werden, ob das Messsystem des zu entwickelnden Sensors auch auf zweikeimblättrige Pflanzen angewendet werden kann.

Parallel zur technischen Entwicklung des Sensorsystems, also von Projektbeginn an, können auf Grund des bereits vorhandenen Datenmaterials am Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme der TUM Arbeiten zur Entwicklung von Mess- und Regelalgorithmen für Düngesysteme von Wintergerste und Winterraps durchgeführt werden. Die Entwicklung derartiger Mess- und Regelalgorithmen erfordert umfangreiche Versuchsreihen, in denen möglichst alle zu erwartenden Feldsituationen nachgestellt werden. Aufgrund der stark witterungsabhängigen Pflanzenentwicklung müssen mehrjährige Datensätze miteinander verglichen und verarbeitet werden.

Die TUM verfügt durch vorangegangene Studien bereits über ausgiebiges Datenmaterial, das auch für dieses Projekt verwendet werden kann. Somit ist sichergestellt, dass in der Projektlaufzeit die Praxisreife erreicht wird. Die Umsetzung der Messmethode in ein verkaufbares Produkt ist sowohl wirtschaftlich als auch unter Umweltgesichtspunkten sehr interessant. Die Landwirte, die über wenig Anbaufläche verfügen, können die aktuell am Markt angebotenen Systeme nicht rentabel in ihrem Betrieb einsetzen, da diese recht teuer sind. Eine Erweiterung des Marktes hin zu einer preisgünstigen Lösung wäre mit dem hier zu entwickelnden System gegeben. Dadurch kann zum einen die nach wissenschaftlich fundierten Erkenntnissen gedüngte Ackerfläche von Weizen gesteigert werden, zum anderen würde das beantragte Projekt eine optimale Düngung umfangreicher weiterer Anbauflächen der in Europa wichtigsten Kulturarten sicherstellen.

Als wichtigste Vorteile und Alleinstellungsmerkmale des in diesem Projekt zu entwickelnden Pflanzensensors mit integriertem Düngesystem und Düngestreueransteuerung lassen sich anführen:

• Die Anwendbarkeit auf die drei wichtigsten europäischen Kulturarten stellt ein Alleinstellungsmerkmal für dieses System dar.
• Der Sensor verwendet – im Unterschied zu anderen Herstellern – das beste der aktuell bekannten physikalischen Prinzipien.
• Der sehr niedrige Zielpreis des Gerätes ermöglicht die Erschließung eines neuen Marktsegmentes mit dem in Mitteleuropa größten Volumen.
• Der breite Einsatz des Geräts wird die Düngereffizienz stark erhöhen und dadurch Umweltschäden durch Überdüngung minimieren.