B.Sc. agr.
Madlen Grobe
Projekte zum Nährstoffmanagement
Precise Nitrogen
Neuartiges Sensorsystem zur teilflächenspezifischen Stickstoffapplikation auf Basis von IoT-Sensornetzwerken und Bildanalysen
Beginn: 28.02.2020 / Ende: 30.04.2023
Ausgangslage
Kleinräumig heterogene Bodeneigenschaften können dazu führen, dass einzelne Bereiche eines Schlages eine überzogene bzw. zu geringe Stickstoff-(N-)Düngung erhalten. Die teilflächenspezifische N-Düngung optimiert die räumliche N-Verteilung innerhalb eines Schlages, steigert damit die N-Effizienz und verringert potentiell diffuse N-Austräge in die Umwelt. Eine immer passende Düngestrategie gibt es nicht, denn die mikrobielle N-Mineralisation und auch die Entwicklung der Bestände variiert bekanntlich witterungsbedingt von Jahr zu Jahr.
Zielsetzung
Im Projekt nutzen wir ein Ökosystemmodell, das Fernerkundungsdaten, Feldmessdaten und Echtzeit-Mikroklimamessungen durch Feldsensoren miteinander kombiniert. So werden Informationen zur Entwicklung des Bestands während der Vegetation kleinräumig erfasst. Diese bessere Datengrundlage hilft dabei, die Simulation zu Pflanzenwachstum und N-Freisetzung maßgeblich zu verbessern. Vier Projektlandwirt*innen testen dieses integrierte Düngesystem 2021 und 2022 im Winterweizen.
Projektdurchführung
Die teilnehmenden Projektbetriebe legen verschiedene Düngevarianten im Winterweizen an. Eine Variante ist die sogenannte Ökosystemmodellvariante, die die Daten von installierten Mikroklimasensoren, Feldmessdaten und Satellitenbildern zur räumlich differenzierten Simulation des N-Bedarfs nutzt. Als Vergleich dient eine über die gesamte Arbeitsbreite gleich bemessene N-Düngehöhe. Die Ertragsergebnisse 2021 und 2022 zeigen, inwiefern die Ökosystemmodellvariante zu gesteigerten Erträgen und/oder N-Düngereinsparung beiträgt.
Die Projektergebnisse werden in einem Leitfaden für Landwirt*innen zum Ende des Projekts veröffentlicht.
Kontakt
Drittmittelgeber
Europäische Innovationspartnerschaften
Beiträge aus dem Projekt-Blog
30.05.2023
Methodenübersicht Precise Nitrogen
Die Veranstaltung informierte über die gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen. Darüber hinaus wurden weitere Forschungsansätze vorgestellt und die praktische Umsetzung einer teilflächenspezifischen Stickstoffdüngung diskutiert.
Die Erkenntnisse sind nachfolgend zusammenfassend dargestellt:
Bei den Großflächenversuchen unter Praxisbedingungen wurde festgestellt, dass der Effekt der Teilflächen und somit der Bodenunterschiede auf die Stickstoffeffizienz größer war als der Effekt der Düngevarianten. Die Düngevarianten unterschieden sich zu wenig in der Stickstoffmenge. Zudem war nicht das Stickstoffangebot der begrenzende Faktor, sondern die aufkommende Trockenheit im Frühsommer beider Versuchsjahre.
Mit Blick auf die Technologien zeigte sich, dass die Datenübertragung der Feldsensoren in einem lokalen Netzwerk im Jahr 2021 unzureichend war. Im Jahr 2022 war die Übertragung zuverlässiger, weil ein Mobilfunknetz genutzt wurde. Die Datenqualität der Sensorik wurde innerhalb einer Teilfläche durch den Vergleich von benachbarten Sensoren überprüft. Bei den Messzusammenhängen zeigten die Luft- sowie die Bodentemperatur sehr gute Werte. Bei der Luftfeuchtigkeit wurden auch noch gute Werte gemessen. Bei der Bodenfeuchte ergab sich ein differenziertes Bild: es gab Anteile mit sowohl sehr guten als auch sehr schlechten Zusammenhängen. Die grundlegende Erkenntnis ist, dass die Sensorik Erfahrungen der Landwirte messbar macht und damit für die Verwendung in Modellen geeignet ist. Die Abschätzung der Stickstoffnachlieferung durch das Ökosystemmodell war in den beiden Versuchsjahren mäßig, denn die Berücksichtigung von Wetterextremen war schwierig. Zudem lässt eine zu geringe Höhe der Stickstoff-Auf- und Abschläge kaum eine differenzierte Betrachtung zu.
Damit spiegeln die erzielten Ergebnisse das Potential dieser Technologie wider. Es bleibt jedoch festzuhalten, dass weitere Forschung notwendig ist, um die Ergebnisse des Projektes zu validieren, zu ergänzen und die vorhandenen Technologien weiterzuentwickeln. In den dreijährigen Laufzeiten der EIP-Agri-Projekte lassen sich zwar Innovationen in Großflächenversuchen, die auf die einjährigen Vegetationszyklen im Ackerbau angewiesen sind, testen, aber für die Validierung – also die Prüfung auf Anwendbarkeit unter praktischen Verhältnissen – ist der Zeitraum zu kurz.
Ein Erfolg des Projekts war die Vernetzung zwischen Wissenschaft und Praxis als eine wesentliche Voraussetzung, um die vorgestellten Technologien in der landwirtschaftlichen Praxis testen zu können. Das Engagement der teilnehmenden landwirtschaftlichen Betriebe an Forschungsvorhaben kann daher nicht hoch genug geschätzt und sollte zukünftig auch entsprechend honoriert werden.
Wer mehr zur fernerkundungsbasierten teilflächenspezifischen Stickstoffapplikation erfahren möchte, kann sich eine Methodenübersicht herunterladen (siehe unten). Diese gibt einen Überblick der Messprinzipien und der marktverfügbaren Anwendungen. Der Abschlussbericht des Projektes wird nach Freigabe durch den Fördermittelgeber umgehend veröffentlicht.
25.05.2023
Die Broschüren liegen zur Mitnahme im Grünen Zentrum Braunschwieg sowie in der Geschäftsstelle des Landvolksverbandes Gifhorn-Wolfsburg aus. Zudem kann es unter folgendem Link als e-Paper abgerufen und heruntergeladen werden.
09.08.2021
Das Projekt Precise Nitrogen untersucht, ob Mikroklimasensoren und Fernerkundungsdaten dabei helfen können, die Stickstoffdüngung im Winterweizen auf Schlagebene zu optimieren.
Finanziert durch die Europäische Innovationspartnerschaft (EIP Agri) arbeiten Wissenschaftler der Universität Göttingen, des Julius Kühn-Instituts, der LUFA Nord-West, der LWK Niedersachsen und des NAN e.V. zusammen mit vier Projektbetrieben daran, digitale Techniken in der Praxis nutzbar zu machen.
Teilflächenbewirtschaftung
Die Teilflächenbewirtschaftung oder Präzisionslandwirtschaft gilt als Schlüssel um Dünge- und Pflanzenschutzmengen innerhalb eines Schlages besser zu verteilen. Denn in der Praxis ist die Entwicklung der Pflanzenbestände oft sehr heterogen und so auch der Bedarf an Dünge- und Pflanzenschutzaufwendungen. Neben landwirtschaftlichem Erfahrungswissen liefern Satellitendaten, elektrische Leitfähigkeitsmessungen oder die gründliche Kartierung des Bodens zusätzliche Informationen, um bei der Bewirtschaftung innerhalb eines Schlags zu differenzieren. Das Ziel ist letztlich immer, das Ertragspotenzial in allen Teilarealen auszuschöpfen, die Qualitätsziele des Produkts zu erreichen (Stichwort Proteingehalt im Weizen) und gleichzeitig die Emissionen in die Umwelt so gering wie möglich zu halten.
Dynamischer Boden
Die große Unbekannte ist und bleibt die Pflanzenverfügbarkeit des im Boden befindlichen Stickstoffs. Je nach Standort ist ein sehr großer Stickstoffvorrat von mehreren Tonnen pro Hektar vorhanden, doch davon ist nur ein Bruchteil pflanzenverfügbar. Zwar kann die etablierte Nmin-Methode den verfügbaren Bodenstickstoff zu Beginn der Vegetationsperiode bestimmen, die weitere Nährstoffdynamik von Frühjahr bis Herbst lässt sich hiermit aber nicht zuverlässig erfassen. Dies liegt vor allem daran, dass verschiedene Bodenbedingungen und das von Jahr zu Jahr unterschiedliche Witterungsgeschehen starke Auswirkungen auf die mikrobielle N-Freisetzung im Boden haben. Neben pH-Wert und Schadstoffen beeinflussen vor allem Bodentemperatur und -feuchte die Stickstoffdynamik im Boden maßgeblich. Da Niederschläge oft nur kleinräumig fallen, bilden die Daten von fest installierten Wetterstationen die Bedingungen im Feld oft nicht genau genug ab.
Erfassung von Mikroklimadaten
Eine Abhilfe könnten kostengünstige Mikroklimasensoren schaffen, die in Precise Nitrogen erstmalig großflächig unter Praxisbedingungen getestet werden. Die Sensoren werden mitten im Weizenbestand installiert und messen über einen Elektroimpuls fortlaufend Bodentemperatur und -feuchte. Die so ermittelten Daten senden sie unter Nutzung eines niederfrequenten Funksignals an eine ans Internet angeschlossene Funk-Basisstation. Somit sind die erhobenen Mikroklimadaten in Echtzeit abrufbar. Diese Datengrundlage bietet die Möglichkeit, vorhandene Simulationsmodelle zu Boden- und Pflanzendynamik zu verbessern. Zusätzlich werden frei verfügbare Satellitendaten sowie Bewirtschaftungsdaten im Modell verarbeitet. Das so entstandene On-Farm-Management-System ermöglicht es eine individuelle Düngeempfehlung abzuleiten.
Praxisversuche sind geplant
Ob die Modellprognose gegenüber herkömmlicher Verfahren besser geeignet ist die Nährstoffdynamik im Boden abzubilden, wird sich in den Versuchsjahren 2021 und 2022 zeigen. Hier werden die Düngeempfehlungen nach dem On-Farm-Management-System im Vergleich zu anderen Düngevarianten auf vier Betrieben im Praxiseinsatz getestet.
Dabei reichen die betrachteten Standorte, die alle im Raum Braunschweiger Land liegen, von sehr fruchtbaren Böden mit mächtiger Lössauflage bis zu sandigen Böden unter Bewässerung. Neben sehr homogenen Schlägen werden auch solche mit stark wechselnden Bodenbedingungen untersucht. So kann der Frage nachgegangen werden, ob sich die Teilflächenbewirtschaftung auch auf vermeintlich homogenen Standorten lohnt.
Der Einfluss der verschiedenen Düngesysteme wird durch vegetationsbegleitende Messungen wie der Bestimmung des Nitratgehalts im Pflanzensaft fortlaufend begleitet. Auch Drohenüberfliegungen mit moderner Kameratechnik sind innerhalb des Projekts eingeplant.
Letztlich entscheidet das Ertragsergebnis, ob das innovative Düngesystem durch eine optimierte N-Düngung dazu beitragen kann Ansprüche von Ökonomie und Ökologie miteinander zu vereinen.
Das Projekt wird im Rahmen der Europäischen Innovationspartnerschaft “Produktivität und Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft” (EIP Agri) gefördert.
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05.01.2021
19.05.2020
Wie kann die N-Düngung effizienter gestaltet werden, indem das Wissen der Landwirte über die Teilflächen des Bestandes durch Sensornetzwerke und Satellitendaten ergänzt wird? Dieser Frage widmet sich das kürzlich gestartete, von der Europäischen Innovationspartnerschaft (EIP Agri) geförderte Projekt Precise Nitrogen (2020-2023), das von der Bezirksstelle Braunschweig der Landwirtschaftskammer Niedersachsen koordiniert wird.
Ziel ist es, die Ressourceneffizienz bei der N-Düngung durch teilflächenspezifische Anpassung an das Mikroklima zu erhöhen.
Abbildung 1: Vorgehen im EIP-Projekt Precise Nitrogen
Hierzu werden auf Praxisflächen verschiedener Betriebe in Südostniedersachsen unter Nutzung von Satellitendaten Teilflächen identifiziert, die über vergleichbare Bodeneigenschaften und ein ähnliches Ertragsniveau verfügen. Neben den Bodeneigenschaften wird die N-Mineralisation der verschiedenen Teilflächen maßgeblich von Temperatur und Feuchte im Boden beeinflusst. Um diese mikroklimatische Dynamik zu erfassen, werden auf den Teilflächen Bodensensoren installiert, die im Zehn-Minuten-Intervall mithilfe eines elektromagnetischen Feldes Bodentemperatur und -feuchte sowie die Temperatur im Pflanzenbestand aufzeichnen und per Funk an ein lokales Gateway senden. Diese mikroklimatischen Informationen fließen in ein Ökosystemmodell ein, das spezifische mikroklimatisch bedingte N-Mineralisationsraten berechnet. Die so prognostizierte N-Verfügbarkeit wird mittels Bonituren, Boden- und Pflanzenbeprobungen, weiteren vegetationsbegleitenden Messungen und den Erfahrungen der Betriebsleiter validiert.Durch die Verknüpfung dieser verschiedenen Datenquellen entsteht ein sogenanntes Farm-Management-System, das dazu genutzt werden kann, konkrete N-Düngeempfehlungen abzuleiten. Im Idealfall kann so das Ertragspotenzial einzelner Teilflächen durch eine, genau auf den Pflanzenbedarf zugeschnittene N-Düngung, besser ausgenutzt werden. Gleichzeitig besteht das Potenzial die N-Auswaschung ins Grundwasser so weiter zu reduzieren.
Da sowohl Einbau als auch Betrieb der Funksensoren kostengünstig zu realisieren sind, sind die Projektergebnisse potenziell auch für mittlere und kleinere Betriebe interessant.
„Das Projekt wird im Rahmen der Europäischen Innovationspartnerschaft “Produktivität und Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft” (EIP Agri) gefördert.“
Abbildung 2: Verschiedene Informationsquellen fließen in das On-farm-Management-System ein.
Neben der Landwirtschaftskammer Niedersachsen sind die Abteilung Agrartechnik der Georg-August-Universität, das Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde des Julius-Kühn-Instituts, das Netzwerk Ackerbau Niedersachsen e. V. sowie die Güterverwaltung Reinau am Projekt beteiligt.
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