Andreas Schmid. Herbert Utz Verlag München

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1 Andreas Schmid Erfassung des aktuellen Stickstoffstatus von Kulturpflanzen mit berührungsloser Sensorik zur Optimierung der teilflächenspezifischen Bestandesführung Herbert Utz Verlag München

2 Agrarwissenschaften Zugl.: Diss., München, Techn. Univ., 2007 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf fotomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwendung vorbehalten. Copyright Herbert Utz Verlag GmbH 2008 ISBN Printed in Germany Herbert Utz Verlag GmbH, München

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Material und Methode Standorte der Feldversuchsanlagen Geologie und Bodenverhältnisse Klima und Witterungsverlauf 2002 bis Anlagen der Feldversuche Feldversuchsanlage Winterweizen (Triticum aestivum L.) Feldversuchsanlage Mais (Zea mays L.) Feldversuchsanlage Wintergerste (Hordeum vulgare L.) Feldversuchsanlage Kartoffeln (Solanum tuberosum L.) Nicht-destruktive Datenerhebung Reflexionsoptisches Sensorsystem Feldspektrometrische Meßmethode Destruktive Datenerhebung Winterweizen (Triticum aestivum L.) und Wintergerste (Hordeum vulgare L.) Kartoffeln (Solanum tuberosum L.) Mais (Zea mays L.) Pflanzeninhaltsstoffanalyse Stickstoffanalyse Analyse photosynthetisch aktiver Pigmente Auswertung und Statistik 36 3 Ergebnisse Ausgewählte Vegetationsindizes und ihre Eignung zur Charakterisierung agronomisch wichtiger Bestandesparameter im Winterweizen (Triticum aestivum L.) Reflexionsoptische Abbildung der Trockenmasse und N-Aufnahme im Winterweizen Einflußfaktoren auf die Position des Hauptwendepunktes 54

4 Inhaltsverzeichnis Reflexionsverhalten der Bestände während einzelner Vegetationsjahre und Entwicklungsstadien Optimierte N-Düngung zu Winterweizen Bidirektionales Reflexionsverhalten von Winterweizen Reflektionsoptische Bonitur von Wintergerste (Hordeum vulgare L.) Spektraloptische Verhalten unterschiedlicher Sorten von Hordeum vulgare L. zu unterschiedlichen Vegetationsindizes Spektraloptisches Verhalten der Vegetationsindizes auf morphologische Eigenschaften von Wintergerste Quantifizierung externer Einflußgrößen auf die reflexionsoptische Bonitur der Bestandesparameter Optimierte N-Düngung zu Wintergerste Spektraloptische Betrachtung von Wintergerste mit BRDF-Methode Spektraloptisches Verhalten der N-Aufnahme in die oberirdische Biomasse von Kartoffeln (Solanum tuberosum L.) Eignung verschiedener Vegetationsindizes zur Abbildung des aktuellen Stickstoffstatus im Kartoffelkraut Beeinflussende Faktoren bei der spektralradiometrischen Bonitur agronomischer Parameter Charakterisierung der Einflußfaktoren auf die Position des HWP Einfluß von Meßwinkel und Stickstoffdüngung auf die spektrale Reflexion von Kartoffelbeständen Reflexionsoptische Bonitur der N-Aufnahme in die oberirdische Biomasse von Mais (Zea mays L.) Eignung der Vegetationsindizes zur Abbildung des aktuellen Stickstoffstatus in der oberirdischen Biomasse von Zea mays L Einfluß nehmende Faktoren auf die spektroradiometrischen Bonitur Optimierte N-Düngung zu Mais Bidirektionales Reflexionsverhalten von Mais mit ausgewählten Vegetationsindizes 158

5 Inhaltsverzeichnis 4 Diskussion Erhebung der destruktiven und nicht-destruktiven Meßmethode Beschreibung der Bestandesparameter mit spektraloptischen Informationsgehalten Bewertung der N-Aufnahme aus Reflexionsdaten Bidirektionale Reflexionsmessungen Düngesystem für eine sensorgesteuerte teilflächenspezifische Stickstoffapplikation Vergleich der sensorgestützten N-Applikation zu den landwirtschaftlichen Kulturpflanzen Zusammenfassung 187 Abstract Literaturverzeichnis 191

6 Einleitung und Zielsetzung 1 1 Einleitung und Zielsetzung Die agrarpolitischen Rahmenbedingungen landwirtschaftlicher Betriebe sind speziell im modernen Pflanzenbau in Deutschland von sinkenden Preisen bei parallel steigenden Produktionskosten gekennzeichnet. Die Betriebe sehen sich mit einer rapiden Zunahme von Maßnahmen (Agenda 2000, GAP-Reform-Beschluß 2003, Besteuerung von Betriebsmitteln) konfrontiert. Eine Folge der Reformen ist der landwirtschaftliche Strukturwandel. Er führte zu einer Intensivierung der Produktion bei einem Rückgang der Gesamtzahl der landwirtschaftlichen Betriebe und gleichzeitiger Zunahme der Anzahl der Großbetriebe ( 50 ha). Diese Entwicklung bedingt Flächenzuwächse und -rotation, was zu einer Variabilität der Standortbedingungen und damit räumlich und zeitlich unterschiedlichen Verfügbarkeiten der Ressourcen führt. Diese Heterogenität landwirtschaftlicher Nutzflächen führt zu stark differenzierenden Erträgen und Nährstoffaufnahmen bzw. -verteilungen auf den Ackerschlägen. Betriebsüblich praktizierte schlageinheitliche Düngemaßnahme führen so zu Bereichen mit Nährstoffüberschüssen und Zonen mit Unterversorgung. Bei Überversorgung steigt die Umweltbelastung, Nährstoffunterversorgung führt indes zu Ertragseinbußen und langfristig zu einer Absenkung der Bodenfruchtbarkeit. Hierdurch wird auf Dauer die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt. Die ökonomischen und ökologischen Nachteile einer schlageinheitlichen Bewirtschaftung könnten künftig durch konsequent durchgeführte teilflächenspezifische Bewirtschaftungsmaßnahmen und somit einer Anpassung der pflanzenbaulichen Produktion an variable Standort- und Bestandsfaktoren vermieden werden. Die differenzierte Betrachtung von Teilschlägen gewinnt zunehmend an Bedeutung und wurde durch verschiedene Konzeptionen und Begriffe wie prescription farming (HOLMES, 1993), precision farming (BLACKMORE et al., 1995; PINTER et al., 2003), Teilschlagbewirtschaftung (Amon et al., 1990), kleinräumige Bestandesführung (WERNER, 1995) oder teilflächenspezifische Pflanzenproduktion (JÜRSCHIK und SCHMERLER, 1995) beschrieben. Die erste Erwähnung einer teilflächenbezogenen Bewirtschaftungsmaßnahme basiert auf Beobachtungen von LINDSLEY und BAUER (1929). Diese erkannten ph-wert-unterschiede innerhalb eines Schlages und propagierten bereits 1929 eine differenzierte Kalkung. Jedoch erst die Weiterentwicklung der Sensortechnik und deren Auswertungverfahren ermöglichten die Dokumentation wichtiger agronomischer Parameter wie beispielsweise die Abbildung der oberirdischen Biomasse, der Blattchlorophyllkonzentration (KNIPLING, 1970; LICHTENTAH-

7 2 Einleitung und Zielsetzung LER et al., 1996; GITELSON und MERZYLAK, 1997; LICHTENTHALER und BUSCHMANN, 2001; CARTER und KNAPP, 2001), den aktuellen N-Status der Pflanze oder des Blattflächenindex (BFI). So wurden mit den Möglichkeiten des Precison Farming seit den 80er und 90er Jahren intensive Forschungsaktivitäten vorangetrieben (AASE und SIDDOWAY, 1980; ALLEN und SCOTT, 1980; AASE und SIDDOWAY, 1981; AHLRICH und BAUER, 1983; AASE und TANAKA, 1984; CARD et al., 1988; PETERSON et al., 1988; CURRAN, 1989; GUYOT, 1990). Grundlage der Arbeit ist mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen im sichtbaren und nah-infraroten Wellenlängenbereich teilflächenspezifische Informationen über die Möglichkeit der landwirtschaftlichen Nutzung, im Speziellen der Bestandesentwicklung und des aktuellen Stickstoffstatus von Kulturpflanzen, abzuschätzen. Bei allen in dieser Arbeit untersuchten Kulturen wurden mit einem Spektrometersystem Meßreihen während den Vegetationsperioden 2002 bis 2004 erfaßt. Ziel war, den Einsatz des nicht-destruktiven Meßverfahrens zur Abschätzung agronomisch relevanter Parameter für die Nutzung der teilflächenspezifischen Bestandesführung, zu untersuchen. Das Interesse richtete sich auf die Genauigkeit des Meßverfahrens sowie die Begrenzung möglicher Einflußfaktoren auf die Bonitur der Bestandeseigenschaften der Pflanzenbestände (optische Eigenschaften, indirekt beeinflussend), besonders zu sehr frühen Entwicklungsstadien. Zum genaueren Verständnis wird das Meßverfahren exemplarisch anhand einer Reflexionssignatur der Winterweizensorte Xanthos demonstriert (Abb.1). Die Spektren zeigen bereits während des Zwei-Knoten-Stadiums (EC 32) eine Differenzierung der Stickstoffversorgung mit 0 bis 90 [kg N ha -1 ]. Beobachtet wird dabei ein starker Anstieg der Reflexion im Übergangsbereich vom sichtbaren Licht zum nah-infraroten Wellenlängenbereich. Deutlich erkennbar ist die Abnahme der Reflexionskurve im grünen und roten Wellenlängenbereich (sichtbarer Spektralbereich) mit steigendem N-Angebot. Verantwortlich hierfür ist der mit dem Stickstoffangebot korrelierende Chlorophyllgehalt pro Blatt- und Bodenfläche. Die in Abbildung 1 markierten Bereiche für den Pigmentgehalt, Hauptwendepunkt (HWP) und der Biomasse repräsentiert das charakteristische Reflexionsverhalten grüner Pflanzen. Im sichtbaren Bereich nimmt der Reflexionsgrad mit erhöhter Stickstoffversorgung ab, da die Eindringtiefe des Lichts durch den zunehmenden Chlorophyllgehalt verringert wird. Das höhere Stickstoffniveau führte zu einer Zunahme der Biomasse und des Blattflächenindex (Bedeckungsgrad des Bodens) (Abb.2).

8 Einleitung und Zielsetzung 3 Abb. 1: Reflexionssignaturen der Winterweizensorte Xanthos mit differenzierter N- Düngung zu EC 32 (Mitterfeld 2004, Mittel über vier Wiederholungen) Epidermale (externe) und interne Blattstrukturen verursachen diffuse Reflexionen und führen zu einer Erhöhung des Reflexionsgrads im rot-infraroten Bereich: Resultat ist die typische Verschiebung der Rot-Infrarot-Schulter (Abb. 1). Abb. 2: Biomassezuwachs der Weizensorte Xanthos zu EC 32 in Abhängigkeit der Stickstoffdüngung (links N 1 = 0 [kg N ha -1 ]; rechts N 4 = 90 [kg N ha -1 ])

9 4 Einleitung und Zielsetzung Aus dem Reflexionsverhalten eines Pflanzenbestandes können so über die Berechnung verschiedener Vegetationsindizes Rückschlüsse auf agronomisch relevante Parameter gezogen werden. Da für die pflanzenbauliche Fragestellung die Güte eines Index von der Sensitivität gegenüber dem gewünschten Bestandesparameter und der Unempfindlichkeit gegen störende Umwelteinflüsse im Vordergrund steht, wurden Indexgleichungen wie die Wendepunktsposition (HWP) und Zwei-Band-Indizes (NDVI, SAVI), gegen einfache Reflexionsverhältnisse wie den Infrarot-Grün Index (IRG), Infrarot-Rot Index (IRR), sowie dem IRI 1 (R 740 /R 730 ) und IRI 2 (R 740 /R 720 ) verglichen. Während relevanter Entwicklungsstadien kann die Biomasse mit steigenden Bestimmtheitsmaßen zunehmend besser ermittelt werden und wird von verschiedenen Autoren (ASRAR et al., 1984; WIEGAND et al., 1992; BELLAIRS et al. 1996; APARICIO et al., 2002) vergleichend beschrieben. Die spektrale Bonitur der `N-Aufnahme in die oberirdische Biomasse folgt denselben Gesetzmäßigkeiten und kann als analog der Aufwuchsleistung der TM-Produktion beschrieben werden; sie führt zu der typischen Verschiebung im längeren Wellenlängenbereich (PATEL et al., 2001). Anhand dieses Informationsgehalts wird der Produzent über den aktuellen Ernährungszustand der Bestände informiert und kann einer Überversorgung oder Mangelsituationen gezielt entgegenwirken. Entsprechende Regelkurven mit der optimalen Stickstoffversorgung der Kulturpflanzen über die gesamte Vegetationsperiode, dienen als N-Sollwert zum Erreichen bestimmter Bestandesentwicklungen bzw. Ertragspotentiale für die Düngerbedarfsermittlung mittels Sensortechnik zu relevanten EC-Stadien. Die erforderliche Düngermenge ergibt sich aus der Differenz zwischen der aktuellen N-Aufnahme des Bestandes und dem Zielwert zum Düngezeitpunkt, einschließlich der N-Aufnahme zum Erreichen des Sollwertes der nächsten Düngung. So gibt es beim Sensoransatz für den gesamten Schlag eine Regelkurve ( optimale mittlere N-Aufnahmekurve ) für die Stickstoffgabe. Beim Sensoransatz mit Map-Overlay könnte für jeden Teilbereich unterschiedlichen Ertragspotentials auf differenzierte Regelkurven zugegriffen werden; die Ertragsfähigkeit wird in die Düngung einbezogen. Dies ermöglicht auf allen Teilschlägen die gleiche Nährstoffeffizienz und wäre aus ökonomischen wie auch aus ökologischen Gründen anderen Verfahren vorzuziehen.

10 Einleitung und Zielsetzung 5 Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit aus pflanzenbaulicher Sicht war es, eine nichtdestruktive Methode zur Bonitur des aktuellen Stickstoffstatus von Kulturpflanzen zu erarbeiten. Des Weiteren die Güte verschiedener Vegetationsindizes zu prüfen, die einerseits sensitiv gegenüber Bestandesparametern, andererseits unempfindlich gegen störende Umwelteinflüsse sind. Die so gewonnenen Informationsgehalte sind für eine teilflächenspezifische Stickstoffdüngung bzw. der Entwicklung entsprechender N-Düngungssysteme von größtem Nutzen.