Boden und Wasser TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN. Prof. Dr. Urs Schmidhalter TP-Leiter

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1 Boden und Wasser TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Prof. Dr. Urs Schmidhalter TP-Leiter Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt Department Pflanzenwissenschaften Lehrstuhl für Pflanzenernährung IKB Abschluss-Symposium 11./ Weihenstephan

2 Boden und Wasser Teilflächenspezifischer Boden- und Wasserstatus Dr.rer.nat. Dieter Geesing / Dipl.Biol. Frank Ruthenkolk Validierung von Spektralmessungen in Winterweizen und Mais Dipl.-Ing.agr. Bodo Mistele sowie Beiträge der Projektmitarbeiter Dr. K. Heil, dipl.-ing.agr. Stefan Jungert, Dr. T. Ebertseder, Dr. R. Gutser

3 Allgemeine Ziele Untersuchung der räumlichen Ertrags- und Wachstumsvariabilität der Pflanzen hinsichtlich der ursächlichen Beziehung zur Variabilität in der Wasser- und Stickstoffversorgung Flächendeckende Beschreibung von Bodenparametern (Textur und Wasserstatus) und Pflanzenbeständen (N-Status und Wasserstatus) durch elektromagnetische und feldspektroskopische Methoden Ableitung von Handlungsmaßnahmen zur Realisierung der ökologischen und ökonomischen Vorteile einer teilflächenspezifischen Produktionstechnik

4 Teilziele Güte der nicht-destruktiven Erfassung der Biomasse, des Stickstoffstatus und des Wasserstatus von Pflanzen Güte der Erfassung der nutzbaren Feldkapazität (nfk) über die spektrale Signatur von Pflanzen Auswirkungen mehrjähriger ortsfester Bewirtschaftung auf die teilflächenspezifische Nitratauswaschung in reliefbetontem Gelände

5 Nicht-destruktive geophysikalische Untersuchungen (EM38) emitter coil primary magnetic field Receiver coil Induced current lines Secondary magnetic field

6 Geophysikalische Ergebnisse Charakterisierung der standörtlichen Heterogenität (keine Ertragskarten vorhanden): Abgrenzung von Niedrig- und Hochertragsstandorten basierend auf kleinräumiger Bodenkartierung. Validierung geophysikalischer Untersuchungen mit EM38 Engste Korrelationen zu Tongehalt (R 2 = ) und Wassergehalt (R 2 = ) Kleine Veränderungen des Wassergehalts lassen sich nicht eindeutig nachweisen Hauptpotenzial von EM-38 Messungen: vereinfachte Abbildung von Managementeinheiten, gerichtete Bodenbeprobung Weiterentwicklung der geophysikalischen Induktion als vereinfachte Methodik zur berührungsfreien Erfassung von Bodenunterschieden

7 Weiterentwicklungen Vereinfachte Kalibration vor Ort: Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und des Wassergehaltes in situ in Bodenkernen. Entwicklung volumetrischer Entnahmen von Bodenproben: - hydraulisch - händisch Verbesserung der Güte der Erfassung der tiefenaufgelösten Bodeninformation (Neuentwicklung)

8 Volumetrische Bodenprobeentnahme

9 Volumetrische Bodenentnahme

10 Neuentwicklung: EM38MK2

11 Beziehung der räumlichen Ertragsvariabilität zur Wasser- und Stickstoffversorgung Intensive Bodenuntersuchungen zeigen auf, dass die teilflächenspezifische Ertragsleistung wesentlich durch Stickstoff und Wasser beeinflusst wird (Ausschluss anderer Faktoren) Nachweis für humidere Gebiete (800 mm): Zweifaktorielle Versuchsanlage auf Hoch- und Niedrigertragsstandorten Ergebnisse erlauben es, Strategien zu formulieren: Stickstoffdüngung ist vorrangig dem aus dem Wasserangebot resultierenden Ertragsangebot anzupassen

12 Einflussfaktor Wasserangebot (Sieblerfeld 2000) plant available soil water capacity (mm/ 90 cm soil depth)

13 Einfluss von Bodenvariabilität und Wasserversorgung auf die Wirkung der N-Düngung Ertrag von Winterweizen Mineraldüngung: 120 kg N ha kg N ha -1 dt ha trocken normal feucht trocken normal feucht Boden: sl - ls nfk : 120 mm ul - tl nfk : 160 mm

14 Erfassung des Bodenwasser- und Pflanzenwasserstatus Bodenwasserstatus Schwierigkeit zeitliche Veränderungen teilflächenspezifisch und nicht destruktiv zu erfassen kapazitative Erfassung des Bodenwasserhaushalts: stationär und nicht stationär bildet der Pflanzenwasserstatus oder die Biomasse den Bodenwasserstatus ab? - aktuelle Situation - nfk (spektrale Abbildung über Pflanzen)

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16 Terrestrische spektrale Abbildung der nfk nfk in mm G nfk (berechnet Gemessene nfk aus Textur) vorhergesagte nfk Biomasse Index nfk [mm] = A - B * (Bomasse-Index) C * (lok. Einzugsgebiet) R 2 = 0,64**

17 Pflanzenwasserstatus bisherige Messungen sind sehr zeitaufwändig und erlauben nur punktuelle Aussagen nicht-destruktive Erfassung des Wasserstatus oder einer korrelierenden Größe

18 Nicht-destruktive Erfassung des Pflanzenwasserstatus Wasserstatus: Wassermenge, relativer Wassergehalt, Wasserpotenzial terrestrische Erfassungen der Oberflächentemperatur haben sich aufgrund der zeitlichen Variabilität nicht durchgesetzt

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20 Reflectance (%) Zunehmende Differenzierung der spektralen Signaturen von trockengestresstem und bewässertem Sommerweizen Reflectance (%) Kontrolle, 0 Grad,parallel Kontrolle, 0 Grad,schräg Kontrolle, 15 Grad, parallel Kontrolle,15 Grad,schräg Kontrolle, 30 Grad, parallel Kontrolle, 30 Grad, schräg Trockenstreß, 0 Grad,parallel Trockenstreß, 0 Grad, schräg Trockenstreß, 15 Grad, parallel Trockenstreß, 15 Grad, schräg Trockenstreß, 30 Grad, parallel Reflectance (%) Wave Length (nm) Trockenstreß, 30 Grad, schräg Blau: Trockenstreß Rot: Kontrollen Schwarze Kreise: Wasserabsorption Grüne Kreise: Chlorophyllabsorption

21 NDVI = Normalized Difference Vegetation Index: (NIR - R) / (NIR + R) WP (bar) R² adj. = 0.81** NDVI 1 (780; 670) WP (bar) R² adj. = 0.92*** nm

22 Spektrale Abbildung des Wasserstatus Potenzial reflektionsbasierter spektraler Untersuchungen: - relativ enge Zusammenhänge auf dem Niveau von bepflanzten Töpfen, weniger gute jedoch auf dem Niveau des Einzelblattes - positive Ergebnisse deuten sich bei bestandesähnlichen Situationen an (Kistenversuche) - Differenzierung der spektralen Signaturen in den Wasserabsorptionsbanden des nahen Infrarots erhöht sich mit zunehmendem Stress; engste Zusammenhänge bei 2000 nm

23 Spektrale Abbildung des Wasserstatus - Differenzierbarkeit zwischen Biomasse und Wasserstatus ist bisher nicht geklärt - bisherige Messsysteme nicht optimal; Neuentwicklung einer im Nahinfrarot operierenden Sensorik, die eine zeitgleiche Erfassung der spektralen Information der Pflanzenbestände und der Atmosphäre erlaubt

24 Automatische rain-shelter Anlage mit Bewässerungseinrichtungen und nicht-destruktiver Sensorik

25 Spektralsensorische Erfassung des Ernährungszustandes von Pflanzen und online N-Düngung Messung Berechnung Ausbringung

26 Flächenhafte Erfassung der Biomasse und des Stickstoffstatus Der YARA N-Sensor erlaubt flächendeckende Erhebungen des N-Status und der Biomasse und die teilflächenspezifische Düngerapplikation Eine unabhängige Überprüfung und Bewertung des Systems lag nicht vor (spektrale Information und Düngungsalgorithmen)! Black-box YARA N-Sensor

27 seit 1999 Einsatz des N-Sensors im IKB: der N-Sensor lieferte ein Abbild des N-Status der Vegetation, das jedoch vom werkseigenen Düngungsalgorithmus überlagert war (Biomasseindex) seit 2001 Freischaltung von 5 spektralen Banden Eigenentwicklungen seit 2002 ermöglichen vollspektrale Messungen mit vergleichbarer oder modifizierbarer Geometrie

28 Skalierbarkeit der Information und relative Ertragserfassung Bisherige Sensoranordnung war aus messgeometrischen Gründen nicht ideal für Streifenversuche seitliche Trägeranordnung deckungsgleiche sensorische Erfassungen und groundtruth Erhebungen Potenziale relativer Ertragserfassung zur Ableitung von Standortpotenzialen

29 Naherkundung

30 Destruktive Erfassung der Biomasse Ground-truth Erhebungen in den sensorisch erfassten Messflächen

31 Messungen in hohen Beständen

32 Vergleich von Ertragskarte (Mähdrescher) und Sensorertragskarte

33 Entwicklung von teilflächenspezifischen Düngungsstrategien in mehrjährigen, ortsfesten Untersuchungen Strategien für teilflächenspezifische N-Düngung: ortsfeste Streifenversuchsanlage Kombination von Biomasse-/Stickstoffinformation mit bodenbürtiger Information Auswirkungen teilflächenspezifischer Bewirtschaftung auf die Biomasse, den Ertrag und die Umwelt Entwicklung von verbesserten Düngungsalgorithmen

34 Teilflächenspezifische Managementstrategien flächeneinheitliche Bewirtschaftung teilflächenspezifische Bewirtschaftung N4 N3 H4 H3 H1 H2 H5 H6 N5 N6 N1 N2 100 m 19

35 FAM A17 Düngung und Ernte 2002, Winterweizen Versuchsglied 1: (einheitlich) Düngung 2002: 60/70/70 = 200 kg N ha Versuc hsglied 2: (mapping) -1 Ertrag niedrig Düngung 2002: 60/50/50 = 160 kg N ha -1 Ertrag hoch, Kolluvium Düngung 2002: 60/60/60 = 180 kg N ha -1 Ertrag niedrig Düngung 2002: 60/50/50 = 160 kg N ha -1 Ertrag mittel Düngung 2002: 60/70/70 = 200 kg N ha -1

36 Einfluss der Stickstoff-Düngestrategie auf die N-Effizienz von Getreide Parzellendrusch N-Abfuhr (Korn) N-Effizienz = [%] N-Düngung Scheyern Ertragszone niedrig mittel hoch % 2002 einheitlich W.Weizen mapping einheitlich W.Weizen mapping einheitlich W.Weizen mapping

37 Auswirkungen flächeneinheitlicher gegenüber teilflächenspezifischer Bewirtschaftung Scheyern, A17, 2002 Winterweizen Flächeneinheitlich Teilflächenspezifisch N-Düngung (kg ha -1 ) Ertrag (dt ha -1 ) 95,3 95,0 N min (kg ha -1 ) N min (kg ha -1 ) Potentieller % 17 5 Nitrataustrag ( bis )

38 Dr. Wenlong LU Chinese Academy of Agricultural Sciences

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40 Offenbart der Sensor seine Geheimnisse?