Unterstützung von oben Möglichkeiten der Fernerkundung für mehr Präzision im Ackerbau. Referent: Prof. Dr. Bernd Dohmen, Hochschule Anhalt
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- Nadine Schreiber
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1 Unterstützung von oben Möglichkeiten der Fernerkundung für mehr Präzision im Ackerbau Referent:, Hochschule Anhalt Inhaltsüberblick - Warum brauchen wir mehr Präzision im Ackerbau - Überblick über die Verfahren der Fernerkundung - Aktuelle Anwendungsbeispiele aus der Landwirtschaft - Ausblick: Was ist ggf. morgen machbar Werbung in eigener Sache Die Hochschule Anhalt Bundesland Sachsen Anhalt Landkreise Bernburg - Salzlandkreis Köthen- Anhalt-Bitterfeld Dessau - Dessau-Rosslau Entfernungen Bernburg -Köthen: 20 km Köthen-Dessau: 23 km 1 1
2 Mein beruflicher Wirkungskreis - Werbung in eigener Sache Warum mehr Präzision im Ackerbau? Verletzung der EU-Trinkwasserrichtlinie in D (50% der Messungen) 2
3 Warum mehr Präzision im Ackerbau? Verletzung der EU-Trinkwasserrichtlinie in D Auch auf/unter Ackerbaustandorten Kann man weder sehen noch riechen: Nitrat im Wasser Warum mehr Präzision im Ackerbau Gesetzliche Änderungen Nach den Vorgaben der EG-Nitratrichtlinie muß die Düngeverordnung in vierjährigen Abständen auf ihre Wirksamkeit überprüft werden. Zudem hält die EU-Kommission Änderungen der Düngeverordnung zur Umsetzung der EG-Nitratrichtlinie für notwendig. Sie hat wegen unzureichender Umsetzung der Richtlinie im Oktober 2013 ein Vertragsverletzungsverfahren gegen Deutschland eingeleitet und im Juli 2014 hierzu die mit Gründen versehene Stellungnahme übermittelt. 3
4 Warum mehr Präzision im Ackerbau Gesetzliche Änderungen Grundsätze für die Anwendung von Düngemitteln (1) Die Anwendung von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln ist unter Berücksichtigung der Standortbedingungen auf ein Gleichgewicht zwischen dem voraussichtlichen Nährstoffbedarf der Pflanzen, der Nährstoffversorgung aus dem Boden und aus der Düngung auszurichten. (2) Vor dem Aufbringen von wesentlichen Nährstoffmengen an Stickstoff oder Phosphat mit Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln hat der Betriebsinhaber den Düngebedarf der Kultur für jeden Schlag oder jede Bewirtschaftungseinheit nach den Vorgaben des 4 zu ermitteln. Konsequenz: Wir müssen den Bedarf bzw. das Ertragspotential eines jeden Schlages (noch) besser einschätzen und danach düngen Quellen der N-Bereitstellung Wird im Entwurf voll angerechnet Quelle: N-Düngung effizient gestalten, DLG Merkblatt Messung erforderlich 4
5 Variabilität der Nmin-Gehalte in einem 28 ha-praxis-schlag Je nachdem, wo wir die Proben ziehen, erhalten wir unterschiedlich Werte. Daraus folgt, dass Nmin-Beprobung nach Wachstumszonen (u.a. bodenartbedingt) erfolgen sollte! Mögliche Variabilität der P-Versorgung Entwurf der Gesetzesänderung: Die Ermittlung des Düngebedarfs an Phosphat kann auch im Rahmen der Fruchtfolge erfolgen. Die Ergebnisse der Bodenuntersuchung nach Absatz 4 Satz 1 Nummer 2 sind zu berücksichtigen. Für Phosphat auf Grundlage der Untersuchung repräsentativer Bodenproben, die für jeden Schlag ab ein Hektar, in der Regel im Rahmen einer Fruchtfolge, mindestens alle sechs Jahre durchzuführen sind. Je nachdem, wo wir die Proben ziehen, erhalten wir unterschiedliche Werte. Daraus folgt, dass auch die P-Beprobung nach Wachstumszonen (u.a. bodenartbedingt) erfolgen sollte! 5
6 Mögliche Variabilität der P-Versorgung Zusammenhang zwischen AZ und Ertragspotential (MVP) Quelle: MICHEL, V., ZENK, A., MICHEL, M. (2007). Neue Möglichkeiten in der komplexen Sekundärauswertung von Erhebungen am Beispiel der Besonderen Ernteermittlung. In: Beiträge zum Sorten- und Versuchswesen und zur Biostatistik (S ). Internet-Version des Heftes 37 der Mitteilungen der LFA Für eine Abschätzung der Entzüge müssen wir die Potential (noch) besser kennen! 6
7 Ziel unserer Strategie auf größeren Schlägen muss sein: Mangel und Überfluß räumlich genau und kostengünstig zu definieren! Unterstützung von oben - Möglichkeiten Fernerkundung (Remote Sensing): Gesamtheit von Verfahren zur Erfassung der Umwelt und ihrer Veränderungen ohne direkten physikalischen Kontakt Passive Verfahren Aktive Verfahren Spektrale Auflösung: - Filme: SW, RGB, CIR - Monospektral, multispektral, hyperspektral Räumliche Auflösung: - Bildgebende Verfahren und Spektrometer - Je nach Sensor und Flughöhe - Von 2 mm 5 m je Pixel Trägerplattformen - Satelliten - Flugzeuge - Drohnen - Zeppeline, Ballons - Schlepper & Co 7
8 Messung des reflektierten Lichtes Grundlagen (1) Licht ist eine Form der sogenannten elektromagnetischen Energie, die auch Strahlung genannt wird. Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums. Die verschiedenen Wellenlängen des sichtbaren Lichts nehmen wir als Farben wahr. Das sichtbare Licht ist der "Motor " der Fotosynthese. Blau und rot sind die Wellenlängen, die das Chlorophyll am wirksamsten absorbieren kann. Fernerkundung Unterschiedliche Informationen in den Kanälen 8
9 Fernerkundung: Vergleich von Luft- und Satellitenfernerkundung anhand ausgewählter Kriterien Kriterium Luftbild Sat-Bild - Auflösung räumlich 0,02-3,00 m m - Auflösung spektral UV - TIR UV - TIR - Kosten/ha? (je nachdem) 0,00 -? - "Schlagkraft"/Tag 60 x 60 km je nach Typ - zeitliche Flexibiliät groß starr Gegenüberstellung von Satellitendaten mit unterschiedlicher räumlicher Auflösung World View: 2x2 m RapidEye: 5x5 m 9
10 Satellitenfernerkundung: Schlag-Analyse durch Change Detection Vergleich zweier Aufnahmezeitpunkte: Wo ist was? 1. Trockenzone? 2. Bereiche mit hohem Ertragspotential (+ nfk; + Org.)? 3. Vernässungszone (zuviel des Guten) Variabilität von Silomaisschlägen (Brandenburg 2014) Neutrebbin Neutrebbin Digitale Luftbildtechnik 10
11 Anwendungsbeispiel Fernerkundung: Chorophyll-Monitoring (N-Versorgung) Zone höchster Gehalte Zone geringster Gehalte Absorptionsunterschiede der Extrem-Zonen: Feld oben: 3,7% Feld unten: 5,6 % 2xF Kontr 3xF 1xF Wo sind die Fungizidbehandlungen und wo die Kontrolle? 11
12 Wie funktioniert das - Entstehung digitale Bilder CCD-Sensoren die digitalen Augen Grauwerte : Scannen des Feldes Digitale Bilder - Thematische Karten Eine digitale Figur ist eine zwei-dimensionale Ansammlung von Pixeln. Jeder Pixel hat einen Wert, der durch eine digitale Zahl und eine Stelle (Reihe und Spalte) numeriert ist. Abbildung einer mehrschichtigen Figur bestehend aus: -unterschiedlichen Kanälen (RGB, NIR u.a.) und/oder - thematischen Karten als Einzelkanal-Darstellung 12
13 Beispiel: Optimierung der N-Düngung über Mehrfachbilder NIR-Bild Frucht: KM Variabilität 55% Beispiel: Optimierung der N-Düngung über Mehrfachbilder Ertragskartierung Kultur: WW 13
14 Beispiel: Optimierung der N-Düngung über Mehrfachbilder In die Klassifikation eingegangene Informationen NIR KM EK 2000 WW Karte aus der Reichsbodenschätzung Reichsbodenschätzung 1937 Variabilität 55% NIR WRA Variabilität 13% 14
15 Die Intensitätskarte als Basis für eine optimierte N-Bemessung hoch mittel tief Management-Zonen: Abgleich Bodenkarten und Satellitenauswertung 15
16 Wasser als die Ertragslimitante bedeutet potentielle N-Überschüsse Die Photosynthesegleichung: Licht 6 H 2 O + 6 CO 2 C 6 H 12 O O 2 Bodenarten und Ertragspotential Unsere Schläge sind +/- variabel Bestimmungsfaktoren der Ertragsfähigkeit ebener Böden (ohne Grundwasseranschluß) PWC ++ [ ] Ertragsfähigkeit PWC -- [<=100] Ausgangsgestein (C) Speicherung des pflanzenverfügbaren Wassers S Su Sl Us U Ls Lu Lts Lt Tl T Bei negativer klimatischer Wasserbilanz (April - Juni) sind die Bodenarten und ihre Mächtigkeiten diejenigen Faktoren, die das Ertragspotential innerhalb des Schlages vorgeben! 16
17 Berücksichtigung des verfügbaren Wassers: Ermittlung der nutzbaren Feldkapazität des effektiven Wurzelraums (PWC) Quellen: Mit freundlicher Unterstützung der AGRO-SAT Consulting GmbH, Baasdorf Monitoring der Bodenfeuchte (P1) 17
18 Monitoring der Bodenfeuchte (P2) Reaktion im Feld: Reduzierte N-Aufwandmengen in Zonen mit geringerem Etragspotential bei geringer nfk 18
19 Anwendungsbeispiel Nr. 2: Optimierung der N-Düngung in Winterraps Raps 4/2012 (30. Jg.) Autor: Wilfried Schliephake F.-X. Maidl und A. Spicker, TU München Departement Pflanzenwissenschaften, Freising-Weihenstephan WRaps: N-Aufnahmeschätzung im Herbst über Biomasse W. Schliephake, Schriftenreihe des LfULG, Heft 17/2011 Mittels Biomasseschnitte lässt sich die N- Aufnahme relativ genau bestimmen. Für den Herbst ermittelten wir den Faktor 42, dies bedeutet, in 1 kg Frischmasse pro Quadratmeter im Herbst sind 42 kg N/ha enthalten, 1 kg FM pro m2 zu Schossbeginn bedeuten eine N-Aufnahme von 47 kg N/ ha usw. In französischen und norddeutschen Untersuchungen wurde für die Umrechnung von Frischmasse Herbst zu N-Aufnahme Herbst der Faktor 45 ermittelt. F.-X. Maidl und A. Spicker, TU München Departement Pflanzenwissenschaften, Freising-Weihenstephan 19
20 Aufnahmen vom in der Region Köthen - Bernburg Oberirdische Biomasse schwankt zwischen 0,5 kg/ha 6 kg/ha! Rapsbeprobung 2014 in Schleswig-Holstein (1) 20
21 Rapsbeprobung 2014 in Schleswig-Holstein (2) GPS-Punkte Frischmasse = N-Aufnahme Nr. M.. gr./qm kg N/ha Mittelwert Var. in % 18,8 Quelle: Projektarbeit Moritz Böttger Schätzung der N-Aufnahme in WRa über Satellitenbilder (Nov. 2011) 21
22 Berechnung einer durchschnittliche N-Empfehlung (kg Nges./ha) (Prototyp einer kommerziellen Entwicklung) Frischmasse/qm: MW = 3,0 kg Ihre Ackerzahl AZ? = Ertragserwartung: dt/ha (berechnet aus eigenen Klimadaten, etc.) Ihre Korrektur (in dt/ha)? = korrigierter Ertrag: dt/ha = N-Bedarf in kg/ha Geschätzter Nmin-Wert zur 1. N-Gabe: kg N/ha Ihre Korrektur (in kg/ha)? = korrigierter Nmin-Wert: kg N/ha Ihre durchschnittliche Frischmasse: kg/ha = N über Biomasse: kg/ha Ihr Anrechnungsfaktor für N in Biomasse (0-1,00)? Unsere N-Gesamtempfehlung für 2014: kg N/ha 55,0 38,2-3,0 35,2 211,2 35,0 0 35,0 3,0 60,0 0,50 146,0 3,5 5,5 kg/qm (-80 bis-160 kg N/ha) 2,5 3,5 kg/qm (-40 bis-80 kg N/ha) 1,5 2,5 kg/qm (-20 bis-40 kg N/ha) 1,0-1,5 kg/qm (+/0 kg N/ha) < 1,0 kg/qm (+10 kg N/ha) Zielertrag dt/ha Ertragserwartung und AZ y = 17,154Ln(x) - 30,534 R 2 = 0, AZ Nmin Nmin-Werte (Mittelwerte) Ende Feb Quelle: LLG LSA R 2 = 0, AZ N-Optimum und Herbst-Biomasse Quelle: Sächsische Landesanstalt, Schliephake 22
23 Nutzung der Satellitenfernerkundung für die P-Düngung Gesetzliche Rahmenbedingungen ab 2018: Maximal zulässige P-Salden: Bei Werten über 20 mg P2O5: 0 kg P-Düngung? Bei Werten unter 10 mg Aufdüngung erlaubt? Oder generell 10 kg Überschuss erlaubt? Auszüge aus dem Entwurf (6/2015): Die Ermittlung des Düngebedarfs an Phosphat kann auch im Rahmen der Fruchtfolge erfolgen. Die Ergebnisse der Bodenuntersuchung nach Absatz 4 Satz 1 Nummer 2 sind zu berücksichtigen. Für Phosphat auf Grundlage der Untersuchung repräsentativer Bodenproben, die für jeden Schlag ab ein Hektar, in der Regel im Rahmen einer Fruchtfolge, mindestens alle sechs Jahre durchzuführen sind. Konsequenz: Wir müssen wissen, was im Schlag wirklich los ist Aufsprüren von potentiellen P-Mangelzonen über Satelliten 1. Wachstumsmonitoring im Frühjahr 2. Gezielte Bodenprobe oder Blattanalyse 3. Geziele P-Düngung im Rahmen der FF (ggf. nur die blaue Zone düngen) Maximal zulässige P-Salden nach der neuen Verordnung: > 20 mg P2O5: 0 kg ab 2018 und < 10 mg Aufdüngung erlaubt 23
24 Begrenzung der herkömmlichen Fernerkundung: Mittlere Anzahl der wolkenfreien Tage (Basis für Satellitenbilder) in den NBL D I. Quartal II. Quartal III. Quartal IV. Quartal I. Quartal II. Quartal III. Quartal IV. Quartal Monte Carlo Simulation von "Satellitentreffern" Monatstreffer 15Tagetreffer 1,000 0,900 0,800 P (kum.) 0,700 0,600 0,500 0,400 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 Simulierter Wert 24
25 Auch das ist Fernerkundung Ortsspezifische N-Düngung (On-Line) über Pflanzensensoren N-Sensoren: Grundprinzip der optischen Chlorophyllmessung C h lo r o p h y llm o le k ü l Porphyrinring: Magnesium-Zentralatom mit 4-N-Atomen: Molekülabschnitt mit leicht anregbaren pi- Elektronen, die vor allem Lichtquanten der Wellenlänge Blau und Rot absorbieren. 25
26 Naherkundung mit Pflanzensensoren auf Schleppern und Maschinen Quelle: AgLeader 2013 Mögliche Strategien für eine variable Ausbringung von Düngemitteln 26
27 Möglichkeiten des Einsatzes von UAVs (Drohnen) Ausblick: Sensorgesteuerte Flüssigdüngung mit gleichzeitiger Bestandsanalyse 27
28 Ausblick in die Zukunft: Hyperspektraldaten: Sehen was im Schlag fehlt Lage (Wellenlänge) von speziellen Spektralkennziffern bei Kalium-Mangel Spektraler Fingerprint Kalium - 1µ 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, ,20 Nur K_10 K_10 und K_50-0,40-0,60-0,80-1,00 28
29 Ja mein Lieber, mehr Präzision im Ackerbau Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit - Fragen/Diskussion 29
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