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Sensoren für die variable Stickstoffdüngung - Funktionsprinzipien und Marktübersicht

Egal ob ökonomische Gesichtspunkte, Nachhaltigkeitsaspekte oder sich ändernde rechtliche Rahmenbedingungen wie die Novellierung der Düngeverordnung, der Landwirt ist stets bestrebt den Einsatz von Stickstoffdüngern hinsichtlich Zeitpunkt und Ausbringmenge zu optimieren. Sensoren für die teilflächenspezifische Stickstoffdüngung können hier behilflich sein.

Ziele der variablen Stickstoffdüngung
Bei der N-Düngung mittels Stickstoffsensoren sollen die Pflanzenbestände optimal mit Nährstoffen versorgt werden, nicht zu wenig und auch nicht zu viel. Das Vermeiden einer Überdüngung von gut versorgten Beständen schont den Geldbeutel und die Umwelt durch verminderte Nährstoffausträge. Letzteres ist vor allem aus Gründen einer anzustrebenden nachhaltigen Landwirtschaft von zunehmender, auch gesellschaftlicher Bedeutung. Auf Teilflächen mit erhöhtem Bedarf, z.B. aufgrund besserer Bodeneigenschaften, oder Bestände die durch eine verzögerte Entwicklung etwas „angeschoben“ werden müssen, wird hingegen das Ertragspotenzial voll ausgeschöpft und die Ausbringmenge damit gegebenenfalls gegenüber einer konstanten Gabe erhöht.

Weitere Effekte können sich im Zusammenhang mit einer variablen, optimierten Stickstoffgabe ergeben. Hierzu zählen die Reduktion des Lagerrisikos durch das Vermeiden einer Überdüngung und eine bessere Qualität des Korns. Einheitliche Bestände und eine gleichmäßige Abreife, können dann wiederum auch mit einer erhöhten Mähdruschleistung einhergehen kann. Die Möglichkeiten der vereinfachten GPS-gestützten Dokumentation der durchgeführten Düngungsmaßnahmen auf den Schlägen und den Teilflächen hinsichtlich der Düngungsniveaus bietet einen weiteren wichtigen Vorteil, der sich für die Landwirte ergeben kann.

Wie funktionieren Stickstoffsensoren
Alle Sensoren nutzen die Lichtreflexion der Pflanzen als Parameter für die Ableitung der Stickstoffversorgung. Die Stickstoffversorgung wird dabei keinesfalls bestimmt, sondern anhand der speziellen Reflexionseigenschaften unterschiedlich versorgter Bestände abgeschätzt. Prinzipiell nutzen die Sensoren die Eigenschaften der Pflanzen, dass sie je nach Versorgung mit Chlorophyll und vorhandener Biomasse Licht verschiedener Wellenlängen in unterschiedlichem Ausmaß absorbieren und reflektieren. Chlorophyll in den Blättern reflektiert vom sichtbaren Licht das grün intensiver, was von den Sensoren und auch unseren Augen wahrgenommen wird. Deshalb erscheinen uns Blätter immer grün und gut mit Stickstoff versorgte Blätter eben noch grüner. Da Stickstoff ein Hauptbestandteil der Chlorophyll-Pigmente in den Pflanzenzellen ist, wird so indirekt der Stickstoffbedarf abgeschätzt. Aber auch das Ermitteln der Blatt- und Biomassen ist über die Reflexionscharakteristiken möglich und wird ebenfalls zur Ableitung der Düngekurven über die hinterlegten pflanzenbaulichen Algorithmen herangezogen. Je nach Index kann beispielweise einmal der Pflanzenmasse, Blattfläche oder der Stickstoffaufnahme eine unterschiedliche Bedeutung beigemessen werden.

Voraussetzung für eine genaue sensorische Erfassung des N-Bedarfs ist grundsätzlich, dass ein Einfluss weiterer Faktoren, die sich auf die Blattfarbe und damit auf die Reflexionseigenschaften der Pflanzen auswirken, ausgeschlossen werden kann. Hierzu zählt z.B. ein Mangel an anderen Nährstoffen wie Schwefel oder Mangan. Auch Pflanzenkrankheiten, Bodenverdichtungen, Trockenstress oder Staunässe können zu aufgehellten Beständen und damit zu falsch interpretierten Messwerten führen.

Die anhand der sensorisch erfassten Messwerte und über die Algorithmen errechneten Soll-Düngermengen werden an den Düngerstreuer weitergegeben. Dieser muss nun zügig die Ausbringmenge anpassen, damit der Dünger auch wirklich auf die gemessene Fläche fällt.

Marktsituation
Derzeit sind sechs verschiedene Stickstoffsensoren auf dem deutschen Markt erhältlich, die eine nennenswerte, aber unterschiedliche Verbreitung in die landwirtschaftliche Praxis erlangt haben. Die Firma Agricon vertreibt die als Yara N-Sensor und Yara N-Sensor ALS bekannten Sensoren, die am häufigsten auf hiesigen Äckern zu finden sind. Diese Systeme sind in einem kompakten Gehäuse untergebracht und werden auf dem Schlepper mittels Dachmontage geführt. Die hohe Anbringung in Verbindung mit einem schrägen Blick in den Bestand bedingt ein relativ großes Messfenster in dem die Stickstoffversorgung der Pflanzen erfasst wird. Der Unterschied zwischen dem Yara N-Sensor und dem Yara N-Sensor ALS und liegt in der genutzten Lichtquelle, mit der die Pflanzen bestrahlt werden, um die reflektierte Strahlung dann zu messen. Der Yara N-Sensor nutzt ausschließlich das natürliche Umgebungslicht wohingegen beim Yara N-Sensor ALS ist ein Xenon-Blitz zum Bestrahlen der Pflanzen dient. Das bedingt zwar einen höheren Produktpreis, ermöglicht aber einen Einsatz auch bei völliger Dunkelheit. Die Kalibrierung des N-Sensors erfolgt über das langsame Messen einer etwa 30 m langen für das Feld repräsentativen Referenzfläche in einer Fahrspur. Um dieser Fläche die optimale Ausbringmenge zuzuordnen, empfiehlt Yara den Einsatz eines sogenannten N-Testers, mit dem die Pflanzen beprobt und dann unter Berücksichtigung der Sorteneigenschaften auf den Bedarf geschlossen werden kann. Neben Softwarepaketen zur N-Düngung nach unterschiedlichen Prinzipien und in mehreren Kulturen bietet die Firma Agricon für den Einsatz des Systems in anderen Anwendungen entsprechende Module an. Dazu zählen z.B. die Applikation von Fungiziden und Wachstumsreglern und die Sikkation in Kartoffeln.

Die Firma Fritzmeier hat ein Sensorsystem entwickelt, welches unter dem Namen ISARIA vermarktet wird. Es besteht aus zwei aktiven Sensorköpfen, ist damit tageslichtunabhängig einsetzbar und wird mittels klappbarem Gestänges in der Fronthydraulik des Schleppers beim Düngerstreuen geführt. Als Besonderheit verfügt der ISARIA über das Düngesystem Winterweizen, welches ein Kalibrieren des Sensors nicht erfordert. Dazu muss eine sogenannte Ertragspotenzialkarte im System als Hintergrundinformation hinterlegt werden. Der Sensor zieht dann zum Bemessen der optimalen Stickstoffmenge nicht nur den Sensormesswert der Bestände, sondern auch weitere örtliche Informationen, wie z.B. digitale Bodenschätzungskarten, Bodenleitfähigkeitsdaten, Satellitendaten oder das langjährigen Ertragsmittels, herrührend aus Ertragskartierungen mit heran. Neben dem separat erwerbbaren Düngesystem Winterweizen gibt es auch den ebenfalls käuflichen Einpunkt-, sowie den Zweipunktmodus, mit dem der Sensor zunächst ausgeliefert wird.  Bei diesen einfacheren Algorithmen, die eine Kalibrierfahrt erfordern, müssen dem System an ein- oder entsprechend zwei Punkten im Bestand Sollmengen zugeordnet werden und anhand dessen dann eine Regelfunktion vom Sensor generiert wird. Im Gegensatz zum Absolutdüngesystem Winterweizen, welches im Moment noch nicht für andere Kulturen angeboten wird, sind der Ein- und Zweipunktmodus grundsätzlich auch für andere Früchte geeignet. Der ISARIA wird auch von der Firma Claas Agrosystems in einer isobustauglichen und grüngefärbten Variante als Claas Cropsensor ISARIA angeboten. Er ist damit für Betriebe geeignet, die mit den Maschinen und Terminals voll auf die ISOBUS-Technologie setzen.

Der Agrarsoftware Entwickler Farm Facts vertreibt mit dem GreenSeeker einen Sensor, der ebenfalls mittels 6 m oder 9 m breiten Frontgestänge am Schlepper montiert wird und in der Grundausstattung entweder aus zwei oder aus vier Sensorköpfen besteht. Aktive LED Lichtquellen sorgen auch hier für einen Einsatz rund um die Uhr. Der GreenSeeker versteht sich als ein Hilfsmittel des Landwirts zur Optimierung der Bestandesführung. Dem Landwirt oder entsprechend dem pflanzenbaulichen Berater obliegt dabei allein die Bemessung der richtigen N-Menge bei den verschiedenen Messwerten. Der Sensor übernimmt dann die richtige Verteilung nach den eingegebenen Vorgaben. Kalibriert wird durch das Messen einer von der Entwicklung her repräsentativen Fahrgasse, um Zeit zu sparen ist dabei bereits eine Düngeverteilung mit einer konstanten Menge möglich. Gearbeitet werden kann mit diesem System grundsätzlich in allem Getreide und im Raps. Auch das Verarbeiten von Messwerten mehrerer Sensorköpfe, z.B. am Gestänge eines pneumatischen Düngerstreuers, ist möglich.

Ein Stickstoffsensor mit einer bisher geringen Verbreitung in Deutschland ist der OptRx der Firma AgLeader. Ähnlich wie beim GreenSeeker übernimmt er auch lediglich die Verteilung des Düngers nach eingegebenen Werten bei den verschiedenen vom Sensor erfassten Entwicklungszuständen der Pflanzenbestände. Auch bei diesem System ist eine Kalibrierfahrt im Bestand erforderlich. Es können zwei oder vier Sensorköpfe mittels separat erhältlichen Gestänges im Frontanbau geführt werden, es sind aber auch einzelne Sensorköpfe erhältlich, die je nach Bedarf am Schlepper an eigenen Konstruktionen angebracht werden können. Eine solche Low Budget Version bietet sich als preisliche Alternative an.

Fazit
Stickstoff-Sensoren bieten Potenzial die Düngung hinsichtlich des teilflächenspezifischen Bedarfs zu optimieren und zu dokumentieren. Neben der klassischen N-Düngung im Weizen werden die erhältlichen Systeme auch bereits in anderen Kulturen und ebenfalls zunehmend in anderen Verfahren, wie z.B. der teilflächenspezifischen Applikation von Wachstumsreglern, eingesetzt. Wohingegen die Messprinzipien grundsätzlich ähnlich sind, gibt es doch Unterschiede in den hinterlegten Algorithmen, der Anwendung und der Einsatz-Philosophie der Systeme. Anwender sollten grundsätzlich bereit sein sich mit den Geräten zu beschäftigen und Zeit für eine ordnungsgemäße Anwendung zu investieren. Wie sich zukünftig andere Informationen, z.B. aus Drohnenbefliegungen oder Satellitenbildern, in Verfahren der teilflächenspezifischen Stickstoffdüngung etablieren wird die Zukunft zeigen.

 


Kontakt:
Dr. Harm Drücker
Leiter Fachbereich Energie, Bauen, Technik
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Stand: 26.11.2018