Webbasiertes Nährstoff-Management im ökologischen Landbau

Projektziel ist die Entwicklung und Praxiserprobung eines webbasierten Nährstoffmanagementsystems für den ökologischen Landbau.


Gesamtziel des Vorhabens

Projektziel ist die Entwicklung und Praxiserprobung eines webbasierten Nährstoffmanagementsystems für den ökologischen Landbau, das dazu dient
- den Nährstoff-und Düngebedarf landwirtschaftlicher Kulturarten zu ermitteln,
- den Nährstoffanfall in der Tierhaltung und in Biogasanlagen zu berechnen,
- inner- und überbetriebliche Nährstoffkreisläufe zu analysieren,
- Handlungsempfehlungen zur optimalen Düngung und Fruchtfolgegestaltung im landwirtschaftlichen Betrieb zu geben.

Auf der Grundlage einer fruchtarten-, ertrags- und qualitätsbezogenen Düngebedarfsermittlung werden unter Beachtung betrieblich verfügbarer Düngermengen Handlungsempfehlungen zu Düngermenge und -qualität, Düngetermin und Staffelung von Düngergaben gegeben. Die Ableitung und Visualisierung der Handlungsempfehlungen erfolgt mit Entscheidungsbäumen, um eine hohe Transparenz der Düngeempfehlungen zu gewährleisten.

Das Nährstoffmanagementsystem wird mit dem Fruchtfolgeplanungsinstrument ROTOR vernetzt (Harmonisierung der Humus- und Nährstoffbilanzparameter und -algorithmen, Schnittstellen zum Datentransfer), um beide Instrumente gemeinsam in Ökobetrieben anwenden zu können. ROTOR ergänzt mit Aussagen zur Fruchtfolgeplanung und -optimierung (Integration von Leguminosen und symbiotischer N2-Fixierung in Fruchtfolgen) das Nährstoffmanagementsystem.

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele des Vorhabens

Ein grundlegendes Arbeitsziel des Vorhabens ist die Erarbeitung eines Düngungskonzepts für den ökologischen Landbau unter Beteiligung aller Projektpartner, externer Fachexperten sowie von Ökolandwirten und Beratern. Die Prinzipien des ökologischen Landbaus, die relevanten Verordnungen und Anbaurichtlinien werden bei der Konzepterarbeitung berücksichtigt. Das Konzept umfasst Strategien zur Nährstoffversorgung sowie allgemeine Regeln zur Düngung, die den Rahmen bilden für die Düngeplanung, die Ableitung standort- und bewirtschaftungsspezifischer Handlungsempfehlungen sowie die Gestaltung von Nährstoffkreisläufen. Das Konzept soll in einem neuentwickelten webbasierten Nährstoffmanagementsystem softwaretechnisch umgesetzt werden. Durch die Festlegung des Rahmens wird gewährleistet, dass in der Software alle Komponenten nach gleichen Grundprinzipien arbeiten.

Ein Schwerpunkt des Projektes ist die Entwicklung eines Moduls zur Düngebedarfsermittlung, das in das webbasierte Nährstoffmanagementsystem eingebunden wird. Hierzu werden ein Modellkonzept, Modellparameter und Algorithmen erarbeitet und für die Softwareentwicklung spezifiziert. Die Ableitung erfolgt auf Grundlage des PC-Programms BESyD , von Versuchsdaten und der Literatur. Erstmalig wird ein Modell zur Ermittlung des Stickstoffbedarfes im ökologischen Landbau, für Winterweizen (und weitere Getreidearten) sowie die Boden-Klima-Bedingungen in Sachsen, Bayern und Brandenburg entwickelt. Bei der Modellentwicklung wird auf eine Übertragbarkeit auf andere Fruchtarten und Standortbedingungen geachtet. In die Bedarfsermittlung gehen die Standortbedingungen (z.B. Boden, Klima), der Zielertrag und die Produktqualität (z.B. Rohproteingehalt) sowie die Fruchtfolge (Vorfrucht, N2-Fixierleistung, N-Transfer in der Fruchtfolge) ein. Es werden mehrere Workshops zur Stickstoffdüngeplanung durchgeführt, um externe Fachexperten in die Modellentwicklung einzubeziehen.

Zur Analyse betrieblicher und überbetrieblicher Nährstoffkreisläufe wird ausgehend von vorhandenen Methoden und Bewertungsansätzen (Modell REPRO ) ein neues Modul in der Software entwickelt. Hierzu werden für den Ökolandbau zutreffende Parameter (z.B. Nährstoffgehalte) und Algorithmen (z.B. Berechnung der N2-Fixierleistung) präzisiert und mit den Kooperationspartnern abgestimmt. Neben den Stoffflüssen im System Boden – Pflanze – Tier sollen mit dem neuen Modul auch Stoffflüsse über Biogasanlagen und überbetriebliche Nährstoffflüsse (regionaler Einsatz von Biogutkompost, Futter-Mist-Kooperationen) bilanziert werden. Als methodische Grundlagen werden vorhandene Bilanzierungsansätze zur Milchviehhaltung und zu Biogasanlagen integriert.

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Beispiel für einen betrieblichen Stickstoffkreislauf (Modell REPRO, Küstermann et al. 2010).

Um die Nährstoffversorgung in ökologischen Fruchtfolgen zu optimieren, wird das Fruchtfolgeplanungsinstrument ROTOR weiterentwickelt, mit dem webbasierten Nährstoffma-nagementsystem abgestimmt (Abgleich von Modellparametern und Algorithmen) und vernetzt. Einen Entwicklungsschwerpunkt bildet die Anwendbarkeit von ROTOR unter differenzierten Boden- und Klimabedingungen. ROTOR unterstützt die Integration von Leguminosen (symbiotische N2-Fixierung, N-Transfer), organischer und mineralischer Düngung in ökologische Fruchtfolgen und erlaubt eine ökonomische Bewertung. In ROTOR enthaltene Algorithmen (z.B. Ertragskalkulation, symbiotische N2-Fixierleistung, Humus- N-, P- und K-Bilanzierung, Deckungsbeitragskalkulation, Verunkrautungsrisiken) werden ergänzt bzw. überarbeitet, um deren Anwendbarkeit auf relevante Ackerstandorte zu verbreitern und mit den Projektpartnern abgestimmt und in eine überarbeitete Version von ROTOR integriert.

Das webbasierte Nährstoffmanagementsystem wird um grundlegende Module für den ökologischen Landbau (Düngebedarfsermittlung, Nährstoffkreisläufe) erweitert. Das modular aufgebaute Managementsystem besteht aus einem Kernsystem zum Verwalten von Stamm- und Betriebsdaten. Berechnungen und Algorithmen sind als Module (z.B. Modul Düngeempfehlung) in das System integriert. Durch die modulare Struktur ist eine einfache Erweiterung des Managementsystems möglich. Zur Integration der Module für den ökologischen Landbau muss das Kernsystem angepasst und um neue Stamm- und Betriebsdaten erweitert werden. Bei der Implementierung werden moderne Technologien eingesetzt. Hierzu gehören Entwicklungswerkzeuge, Versionsverwaltungssystem und Einsatz von Programmiertechnologien zur Erstellung webbasierter Systeme wie z.B. Java, Vaadin, Spring, Spring Boot, GeoServer und JRebel.

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Modularer Aufbau des webbasierten Managementsystems HERON . Das vorhandene Kernsystem wird durch neue Module für den ökologischen Landbau (z.B. Modul Düngeempfehlung) erweitert.

Es wird ein Entscheidungsunterstützungssystem Düngung und Nährstoffmanagement entwickelt. Die daran gestellten Anforderungen werden aus dem Düngungskonzept, den überbetrieblichen Nährstoffkreisläufen und dem Fruchtfolgeplanungsinstrument ROTOR abgeleitet. Neben Entscheidungsbäumen werden auch andere Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz, z.B. regelbasierte Systeme, Entscheidungswälder, Kombination mit neuronalen Netzen) auf ihre Anwendbarkeit im Nährstoffmanagement untersucht. Die Realisierung der Software erfolgt iterativ über mehrere Prototypen. Das Entscheidungsunterstützungssystem wird als neues Modul in das webbasierte Nährstoffmanagementsystem integriert. Die Software soll nach Fertigstellung auf Basis des vorhandenen Wissens (Düngungskonzept) Empfehlungen zu Düngung und Nährstoffmanagement geben.

Die neuen Module des webbasierten Nährstoffmanagementsystems werden in Verbindung mit dem Fruchtfolgeplanungsinstrument ROTOR einem umfassenden Praxistest unterzogen. Ziel ist die schrittweise Verbesserung beider Instrumente, die Sicherung der Praxistauglich-keit sowie eines effizienten Einsatzes als Beratungs- und Planungsinstrument für Betriebe des ökologischen Landbaus. Die Akzeptanz und die spätere Nutzung der Systeme wird wesentlich davon abhängen, inwieweit es gelingt, die für das Nährstoff- und Düngemanagement im ökologischen Landbau relevanten Fragestellungen der Praxis zu implementieren und für die Praxis nachvollziehbare Lösungsvorschläge des Nährstoffmanagements zu unterbreiten, die sich auch in einer höheren betrieblichen Wertschöpfung (Ertrag und Produktqualität) niederschlagen. Zusätzlich wird das System auf Anwenderfreundlichkeit, Plausibilität und Vollständigkeit getestet.

Projektpartner

Das Vorhaben ist Teil eines Verbundes. Das Verbundprojekt wird in Zusammenarbeit folgender Partner durchgeführt:

- Koordinator: Technische Universität München (TUM), Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme
- Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG), Abteilung7 Landwirtschaft,
- Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF), Programmbereich 2 „Landnutzung und Governance", AG „Ressourceneffiziente Anbausysteme"
- Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTW), Fakultät Landbau/Umwelt/Chemie, Fachgebiet Ökologischer Landbau,
- Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT), Fakultät Bioingenieurwissenschaften.

Die HSWT ist neben der Mitarbeit am Gesamtkonzept vor allem bei der Softwareentwick­lung, Programmierung und Umsetzung der erarbeiteten methodischen Grundlagen (Düngebe­darfsermittlung, Nährstoffkreisläufe) in Module des webbasierten Nährstoffmanagementsys­tems beteiligt. Außerdem ist die HSWT für die Identifizierung und Umsetzung von algorith­mischen Lösungen zur Erfassung und Nutzung von Expertenwissen innerhalb des webbasier­ten Nährstoffmanagementsystems mit verantwortlich. Dabei sollen Techniken zur Erfassung und Nutzung von Expertenwissen umgesetzt werden, die sich auf wissenbasierte Methoden der Informatik, wie z.B. Entscheidungsbäume oder regelbasierte Systeme stützen.

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Die Förderung des Vorhabens erfolgt aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die Projektträgerschaft erfolgt über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) im Rahmen des Bundesprogramm Ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft.