57 Bodenbearbeitung Intensität teilflächenspezifisch anpassen Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde Technik zur Steuerung der Arbeitstiefe bei der Bodenbearbeitung erfolgreich erprobt. In Abhängigkeit von Bodenparametern sowie dem Bedeckungsgrad mit Stroh erfolgte ein flacher oder ein tieferer Einsatz der Grubber-Scheibeneggen-Kombination. Geringerer Kraftstoffverbrauch, höhere Flächenleistung und eine gewünschte Bedeckung des Ackers konnten als Vorteile der flacheren Bearbeitung nachgewiesen werden. Grubber-Scheiben eggenkombina tion Amazone Centaur mit hydraulisch höhenverstellbarem Grubberzinkenfeld. Birgit Wilhelm1, Florian Pforte 1, Oliver Hensel 1, Harm Drücker 2, Prof. Dr. Eberhard Hartung 2 E rosion und Bodendegradierung stellen ein weltweites Problem dar. Allein in der EU gehen im Mittel jährlich 17 t/ha an Ackerboden verloren, während die Bodenneubildung weniger als 1 t/ha beträgt. Als Lösungsansatz sind zunehmend Verfahren der konservierenden Bodenbearbeitung ins Fachgebiet Agrartechnik, Universität Kassel/Witzenhausen 2 Institut für Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik, Universität Kiel 1 Fotos:????????????? Gespräch gekommen, bei denen nur ein flacher, nicht wendender Eingriff in den Boden erfolgt, und welche einen nennenswerten Teil der Ernterückstände an der Bodenoberfläche belassen. Da größere Strohmengen allerdings den Feldaufgang der Folgefrucht beeinträchti- %1$6 / &*11 (' (! ' (1 *!$/1$% 11 ( /$ ". %**. $($. (./$ "1&$ " $/+*/$1$*( *(&$( $ &/$ ". 6$! 1$*( 84' & 4. "! (!$! *%4' (1 1$*( gen können, sind viele Landwirte skeptisch gegenüber flacher Bearbeitung. Gleichzeitig ist bekannt, dass sandige Teilflächen verstärkt zur Dichtlagerung neigen und eventuell einer tieferen Lockerung bedürfen. Hier setzt ein dreijähriges Verbund-Forschungsprojekt mit */1 (!5(/1$!.( $!(*/ / "$( (5.7 "4(! ( *(&$(./$ "1&$ " / */$1$*(/ 1 (1. %$(! && / %*( *.' 5&&. & %1.*($% ' *, - &, 9 3 ) 2 9 - $( * '4 &&. & %1.*($%, - 777,'4 &&. & %1.*($%, Neue Landwirtschaft 2 2010,
58 dem Ziel an, eine Präzisions-Bodenbearbeitung in Abhängigkeit von verschiedenen Bodenparametern sowie dem Bodenbedeckungsgrad zu realisieren. Projektpartner sind das Fachgebiet Agrartechnik der Universität Kassel/Witzenhausen, das Institut für Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik der Universität Kiel, die Fachhochschule Kiel sowie die Firma Amazone. Finanziell gefördert wird das Projekt durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt. Verfahren der ortsspezifischen Bodenbearbeitung Eine teilflächenspezifische Bearbeitung des Bodens und eine damit einhergehende automatische und permanente Regelung der Arbeitstiefe kann sowohl mit hinterlegten Karten (z.b. Ertragskarten, Bodenkarten, digitale Höhenmodelle) erfolgen (Offline-Ansatz) als auch in Echtzeit mit Hilfe von Sensoren (Online-Ansatz). Der Offline-Ansatz erfordert eine Beschaffung und Auswertung von teilflächenspezifisch vorliegenden Informationen im Vorfeld. Als Informationsquelle können Ertragskartierungen beim Mähdrusch, Bodenleitfähigkeitsmessungen mit dem EM38 oder digital erstellte Höhenprofile dienen. Den jeweiligen Bedingungen auf dem Feld können mit Hilfe von Regelalgorithmen entsprechende Bearbeitungstiefen zugeordnet und als Applikationskarte auf einem Job-Computer des Schleppers eingelesen werden. Mit Hilfe der Ermittlung des Strohbedeckungsgrades mit Trägerfahrzeug und Kamerasensor. GPS-Technik können nun die georeferenzierten Applikationen unterschiedlicher Bearbeitungstiefen automatisch während der Bearbeitung erfolgen. Beim Online-Ansatz erfolgen Datengewinnung und Analyse sowie die Einleitung der entsprechenden Maßnahmen während der Überfahrt in Echtzeit. Hierzu sind Sensorsysteme mit einer kurzen Prozesslaufzeit erforderlich. Im Rahmen des Projektes wird ein Photosensor entwickelt, der während der Bodenbearbeitung den Bedeckungsgrad bestimmt und anhand dessen Handlungsvorgaben zur Tiefenregelung an den Grubber gibt. Bedeckungsgrad online ermitteln Ziel des Fachgebietes Agrartechnik in Witzenhausen war die Entwicklung eines Kamerasensors, der den Strohbedeckungsgrad direkt während der Feldüberfahrt messen kann und so eine Online-Anpassung der Arbeitstiefe eines modernen Grubbers an die tatsächlich vorhandene Bodenbedeckung ermöglicht. Das Oberflächenstroh soll dabei gerade so tief eingemischt werden, dass die Folgefrucht möglichst ungestört wachsen kann, dass aber gleichzeitig ein ausreichender Erosionsschutz erhalten bleibt. Die Online-Messung der Bodenbedeckung durch Ernterückstände war bisher ein ungelöstes Problem. Um den Prototypen eines onlinefähigen Kamerasensors zu entwickeln, musste eine geeignete technische Ausrüstung ausgewählt, die Bedingungen zur Bildaufnahme untersucht und verschiedene Auswertealgorithmen mit Hilfe einer Bildanalysesoftware geschrieben und getestet werden: Da im nahinfraroten Wellenlängenbereich zwischen ca. 800 und 1.400 nm der größte Intensitäts-Kontrast zwischen frischem Stroh und Boden besteht, wurde zur Bildaufnahme eine Schwarz-Weiss- CCD-Kamera mit aufgesetztem Infrarotfilter gewählt. Ein auf Kantendetektion und automatischer Schwellwertsetzung basierender Algorithmus wurden geschrieben, wel- cher die eingelesenen Bilder in Stroh und Boden klassifiziert. Die zur Online-Regelung nötige Beschränkung der Prozesslaufzeit auf etwa eine Sekunde pro Bild konnte eingehalten werden. Für Feldversuche wurde der Online-Sensor an einem als Trägerfahrzeug dienenden Quad montiert. Auf Versuchsparzellen mit definiert aufgebrachten Strohmengen wurden an GPS-referenzierten Punkten Bilder mit dem Sensor aufgenommen und die Bodenbedeckung ausgewertet. Als Referenz wurden Messungen mit der visuellen Gitterraster- Methode von mehreren Personen durchgeführt. Zwischen der Bildverarbeitung und den Gittermessungen ergaben sich befriedigende Korrelationen, allerdings zeigte sich bei der Gittermethode eine große Schwankungsbreite zwischen verschiedenen Personen. Bei einer sorgfältigen Kalibrierung liefert der Kamerasensor die zuverlässigeren Messwerte. Da der Sensor ohne eine sperrige Diffusor-Box praxisgerechter ist, wird an einem Aufbau ohne diese Box gearbeitet. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf in Bezug auf die dann auftretenden Probleme durch stark wechselnde Beleuchtung und Schattenwurf, der Rechenaufwand der Bildverarbeitung wird dadurch ansteigen. In einem letzten Schritt wurde der Kamerasensor erfolgreich in das an der Universität Kiel entwickelte System zur teilflächenspezifischen Bodenbearbeitung integriert. Eine Regelung der Arbeitstiefe durch den Kamerasensor konnte problemlos erfolgen. Die GPS- Referenzierung bei der Aufnahme der Bilder lieferte Strohverteilungskarten. Pflanzenbauliche Begleitversuche Um belastbare Kriterien für die Vorgabe von Tiefen-Sollwerten in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad auszuarbeiten, wurden 2007 bis 2009 Feldversuche auf seit 1998 ökologisch Bedeckunngsgrad in % (Kamera) 40 30 20 10 0 W Grubber flach W Grubber tief Pflanzen/m 2 300 2 200 1 100 W Grubber flach W Grubber tief W Pflug Trockenmasse in g/m 2 175 1 125 100 75 0 W Grubber flach W Grubber tief W Pflug Abbildung 1: Per Kamerasensor gemessene Bedeckungsgrade im Parzellen-Exaktversuch 2007. Abbildung 2: Feldaufgang und Trockenmasse der vier verschiedenen Strohmengenvarianten für das Versuchsjahr 2008. Neue Landwirtschaft 2 2010
bewirtschafteten Flächen der Hessischen Staatsdomäne Frankenhausen durchgeführt. Die Versuchsanlage erfolgte auf Lößlehm-Flächen jeweils nach der Getreideernte, im ersten Versuchsjahr nach Weizen, in den beiden Folgejahren nach Triticale. Die Homogenität der Versuchsschläge wurde anhand von Bodenleitfähigkeitsmessungen mit einem EM38 sichergestellt. Das Stroh wurde zunächst abgefahren und anschließend in exakt abgewogen auf den Parzellen als Schwad wieder aufgebracht. Das Häckseln und Verteilen erfolgte mit einem Mähdrescher. Die Strohmulchauflage wurde dabei in vier Intensitätsstufen hergestellt: 0 dt/ha (nur Stoppel), 40 dt/ha, 60 dt/ha und 80 dt/ha. Die Stoppelbearbeitung erfolgte mit dem Centaur von Amazone mit hydraulisch verstellbarem Scharfeld. Die erste Bearbeitung wurde mit Stoppelscharen auf allen Parzellen einheitlich flach auf ca. 5 cm durchgeführt. Die zweite Bearbeitung erfolgte mit Wendelscharen in zwei Tiefen auf 5 cm bzw. 15 cm sowie als betriebsübliche Kontrollvariante mit dem Pflug auf 26 cm. Nach der zweiten Bearbeitung wurde Ölrettich (Sorte: Apoll, 20 kg/ha) als Zwischenfrucht mit einer Scheibenschar-Drillmaschine bestellt. Bereits nach der ersten Bodenbearbeitung waren je Parzelle sechs Messpunkte per GPS eingemessen worden. Dort wurden folgende Messungen und Bonituren durchgeführt: Nach jedem Bearbeitungsschritt wurden mittels Kamerasensor und Gitternetz methode die Bedeckungsgrade ermittelt. Rund 10 Tage nach der Aussaat wurde der Feldaufgang der aufgelaufenen Ölrettichpflanzen bestimmt. Auch der Trockenmasseertrag des Ölrettichs wurde ermittelt. Tiefe Bearbeitung gefährdet Strohbedeckung Exemplarisch für die Ergebnisse der Bedeckungsgradmessungen sind in Abbildung 1 die 2007 nach der zweiten Bearbeitung per OnlineKamerasensor ermittelten Bedeckungsgrade dargestellt. Die Boxen geben die Bandbreite der Bedeckungsgrade wieder, in jeder Box ist zusätzlich der Mittelwert markiert. Nicht wiedergegeben ist hier die Pflugvariante, welche ja einen reinen Tisch hinterlässt. Es zeigte sich, dass moderne Geräte zur konservierenden Bodenbearbeitung zwar gut mischen, dies wirkt sich jedoch nachteilig auf den Bodenbedeckungsgrad aus. In der flachen Bearbeitungsvariante (5 cm) wird 59 die angestrebte Bodenbedeckung von etwa 30 % außer für die 0 dt/ha-parzellen noch durchgängig erreicht, während praktisch alle Parzellen bei der tiefen Bearbeitungsvariante (15 cm) geringere Bodenbedeckungen mit Stroh aufweisen. Damit bietet diese Variante nur einen eingeschränkten Erosionsschutz. In den drei Versuchsjahren haben sich dagegen weder der Feldaufgang noch der Trockenmasseertrag für die beiden Grubber-Bearbeitungstiefen signifikant unterschieden. Exemplarisch sind in Abbildung 2 die Ergebnisse von 2008 dargestellt. In der Pflugvariante fielen beide Parameter zwar meist etwas höher aus, dabei ist aber zu berücksichtigen, dass der Pflug auf dem Versuchsbetrieb das übliche Verfahren darstellt. Eine Umstellung des Bodengleichgewichtes, wie es bei fortgesetzter konservierender Bearbeitung eintritt, lag hier also nicht vor. Zwischen der flachen und der tiefen Grubbervariante gab es keine signifikanten Unterschiede. Offline-Ansatz zur teilflächen spezifischen Bodenbearbeitung Für eine Variation bzw. eine Reduktion der Bearbeitungstiefe nach dem Offline-Verfahren gilt es, im Vorfeld die ortsspezifischen, " " " " " " " " ( ( *// $ ", $ ( / /* & ) %)*/ / /% Á& + +$ $( (. + -" / * Á& "! Neue Landwirtschaft 2 2010,,,", "
60 Parameter zu identifizieren, die eine intensive Bearbeitung bedürfen und von denjenigen zu unterscheiden, bei denen man auf eine tiefe Lockerung verzichten kann. Generell gelten sehr sandige Teilflächen als problematisch für eine flache Lockerung, da sie bereits von sich aus zu einer Dichtlagerung neigen und hier durch eine tiefere Lockerung genug pflanzenverfügbares Wasser und Sauerstoff verfügbar gemacht werden muss. Lehmigere Standorte mit einem höheren Tongehalt lagern nicht dicht und haben ein gewisses Selbstlockerungsvermögen durch Quellungs- und Schrumpfungsvorgänge über die Frostgare im Winter. Hier kann durchaus flach gearbeitet werden, ohne dass Nachteile in der pflanzlichen Entwicklung zu erwarten sind. Als Informationsquellen über die vorhandenen Bodenarten können zum einen die Karten der Reichsbodenschätzung dienen, die bereits sehr gute Rückschlüsse über die örtlichen Bodenbedingungen erlauben und in vielen Teilen Deutschlands schon digital vorliegen. Zum anderen können auch Messungen der Versuchstechnik zur teilflächenspezifischen Bodenbearbeitung für den Feldtag an der Universität Kiel im Oktober 2009 ausgestattet mit Online-Kamerasensor und Scheinwerfern am Frontgewicht des Schleppers (hier bereits ein Prototyp ohne schützende Diffusor-Box). Bodenleitfähigkeit mit dem Gerät EM38 genutzt werden. Ein weiterer wichtiger Parameter der bei der Bemessung der optimalen Bearbeitungstiefe berücksichtigt werden muss, ist die Strohmenge bzw. die Strohmulchauflage, die neben dem Online-Kamerasensor auch Offline mit Ertragskarten der Vorfrucht geschätzt werden kann. Die Mengen von Korn und Stroh befinden sich bestenfalls in einem konstanten Verhältnis zueinander. Es ist dann davon auszugehen, dass sich auf den Hochertragszonen auch die größeren Strohmengen befinden. Jedoch unterliegt das Korn-Strohverhältnis in Abhängigkeit von Sorten und Jahreseffekten Schwankungen, dies auch innerhalb eine Schlages, die durch die Ertragskarten nicht erfasst werden und zu Fehleinschätzungen der Strohmengen führen. Dieses Problem kann nur mit einem Online-Strohsensor gelöst werden. Als ein anderes Entscheidungskriterium zur Bestimmung der optimalen Arbeitstiefe können unterschiedliche Reliefausprägungen, insbesondere auf Kuppen, in Senken und auf ebene Teilflächen genutzt werden. Senken sind häufig hydromorph geprägt, bzw. durch Grundwasser beeinflusst, wohingegen Kuppen oft eine schlechte Bodenstruktur aufweisen. Sie sollten daher intensiver gelockert werden als ebene Teilflächen. Informationen über das Relief in Form von digitalen Geländemodellen erhält man über Befahrungen mit GPS-gestützten Systemen. Idealerweise liegen der Höhenkarte Daten von hochgenauen GPS- Geräten mit RTK-Referenzstation zu Grunde. Grubberzinkenfeld mit variabler Arbeitstiefe Für die Versuche zur teilflächenspezifischen Bodenbearbeitung wurde am Institut für Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik der Universität Kiel eine Bodenbearbeitungskombination bestehend aus der Grubber- Scheibeneggenkombination Amazone Centaur (Arbeitsbreite 3 m) und Traktoren Claas Axion (mit max. Leistung 177 bzw. 195 kw) mit Regeltechnik zur automatischen Einstellung unterschiedlicher Bearbeitungstiefen ausgestattet. Die Grubber-Scheibeneggen- Kombination verfügt über ein hydraulisch höhenverstellbares Grubberzinkenfeld. Die aus den Applikationskarten generierten Steuersignale sowie die jeweiligen Soll- und Ist-Arbeitstiefen werden von der elektronischen Steuereinheit an den zentralen Mess-PC auf dem Versuchsschlepper weitergeleitet und dort zeit- und georeferenziert gespeichert. Dieser Mess-PC erfasste neben den Messdaten und Steuersignalen des Bodenbearbeitungsgerätes und den Positionsdaten des GPS-Systems ebenso Messdaten vom zusätzlich angebrachten Radarsensor und der Zugkraftmessung. Somit war es möglich, die Reduzierung der Arbeitstiefen unter energetischen Gesichtspunkten zu beurteilen. In den Jahren 2007 bis 2009 wurden Mulchsaatversuche zur teilflächenspezifischen Bodenbearbeitung auf einem landwirtschaftlichen Betrieb in Schleswig-Holstein durchgeführt, in denen in verschiedenen Varianten gezielt sandige Teilflächen, Hochertragszonen und Kuppen und Senken mit einer Bearbeitungstiefe von 18 cm gelockert wurden. Die übrigen Teilflächen der entsprechenden Varianten wurden nur flach, etwa 10 cm tief, bearbeitet. Als Informationsgrundlagen wurden Karten der Bodenleitfähigkeit, Ertragskarten der Vorfrucht und digitale Höhenmodelle genutzt, aus denen im Vorfeld nach Regelalgorithmen Applikationskarten erstellt wurden. Geringerer Kraftstoffverbrauch und höhere Flächenleistung Die Verringerung der Arbeitstiefe von 18 cm auf 10 cm bewirkte eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs von etwa 4,2 Liter pro Hektar, entsprechend ca. 30 %. Zusätzlich konnte die Arbeitleistung um ca. 1,3 Hektar pro Stunde (39 %) gesteigert werden (Abbildung 3, rechts). Neben den absoluten Arbeitstiefen hängt das Einsparpotenzial vom Anteil der Kraftstoffverbrauch 2009 Tiergarten (l/ha) 15,0 15,8 13,8 9,8 10,7 5,0 EM 38-Klassen W < 16 m S/m W > 16 m S/m Kraftstoffverbrauch (l/ha), Arbeitsleistung (ha/h) 15,0 14,1 ca. 30 % 9,9 5,0 3,3 4,6 ca. +39 % W Kraftstoffverbrauch W Arbeitsleistung Weizenertrag 2009 (t/ha) 11,0 11,0 10,1 8,0 8,1 6,0 4,0 2,0 8,7 11,3 10,3 EM 38-Klassen W < 10 m S/m W 10 20 m S/m W > 20 m S/m Abbildung 3: Einsparpotential an Kraftstoff in Abhängigkeit von der Bodenleitfähigkeit auf einem Schlag (links) und durchschnittliches Einsparpotential der flachen Bodenbearbeitung auf den Versuchsschlägen 2008/2009 (rechts). Abbildung 4: Durchschnittlicher Weizenertrag der Versuchsflächen 2009 in Abhängigkeit der Bodenleitfähigkeit und der Arbeitstiefe. Neue Landwirtschaft 2 2010
jeweiligen Arbeitstiefen, also von den im Vorfeld gesetzten Grenzen der tiefen und flachen Bodenbearbeitung ab. Weiterhin zeigten die Versuchsergebnisse, dass sich eine tiefe Lockerung auf schwereren Böden besonders negativ auf den Schlupf und damit auch auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt, hier exemplarisch dargestellt am Versuchsschlag Tiergarten (Abbildung 3, links). Bei schweren Böden mit einem Leitfähigkeitswert von mehr als 16 ms/m betrug der Verbrauch bei der 18 cm tiefen Lockerung bis zu 2 l/ha mehr als die 18 cm-lockerung auf leichten Teilfläche mit einer Leitfähigkeit von weniger als 16 ms/m. Eine Arbeitstiefe von nur 10 cm benötigt hingegen auf schweren Teilstücken nur etwa 0,9 l/ha mehr Kraftstoff als eine entsprechende Bearbeitungstiefe auf leichten Standorten. Die Auswertung der Ertragskarten der Versuchsflächen nach der Ernte 2009 über alle Varianten beim Winterweizen ergab keine Mindererträge auf den Teilflächen, die flach bearbeitet wurden. Die Höhe der Erträge wurde in erster Linie durch die Bodenart und der damit verbundenen Wasserversorgung, weniger durch die Arbeitstiefe der Grundbodenbearbeitung festgelegt (Abbildung 4). Fazit: Wichtige Schlussfolgerung aus pflanzenbaulicher Sicht ist, dass in der Mulchsaatpraxis häufig zu tief bearbeitet wird, sofern die Flächen eine intakte Bodenstruktur aufweisen. Signifikante Ertragseinbußen bei flacher Bodenbearbeitung konnten in den Projektjahren nicht bestätigt werden. In jedem Fall ist Vorsicht bei der Bearbeitungstiefe geboten, wenn man eine Bo- Ausblick Der nächste Schritt besteht in der Zusammenführung des Online- und Offline-Ansatzes zu einem Algorithmus. Dieser soll Grenzen festlegen, ab welchen eine tiefere Bearbeitung angezeigt ist. Auf Teilflächen mit Bodenleitfähigkeitswerten unterhalb eines schlagspezifischen Wertes wird der vermuteten Dichtlagerung (Sand) durch eine tiefere Lockerung begegnet. Auf Teilflächen mit einer Mulchbedeckung oberhalb eines kritischen Wertes wird ebenfalls tiefer eingegriffen, um negative Effekte auf 61 denbedeckung erhalten will, die noch Erosionsschutz bietet. Ab welcher Strohmenge eine für die Folgefrucht signifikante Schadschwelle erreicht ist, ab der also eine (teilflächenspezifisch) tiefere Bearbeitung von z.b. 15 cm angezeigt ist, hängt u.a. von den Standortbedingungen ab. Aus Sicht der Kraftstoffeinsparung wirkt sich eine flache Bodenbearbeitung auf schweren Böden besonders vorteilhaft aus. (mö) NL den Feldaufgang zu verhindern. Hier ist auch die Kombination mit einem Neigungssensor denkbar, so dass je nach Hangneigung der Ertragssicherheit oder dem Erosionsschutz der Vorrang gegeben werden könnte. Befinden sich die beiden Tiefenvorgaben im Widerspruch zueinander, wird die größere Arbeitstiefe gewählt. Denkbar wäre auch eine abgestufte Vergrößerung der Arbeitstiefe, je nachdem ob lediglich das Oberflächenstroh etwas intensiver eingemischt werden soll (z.b. auf 12 cm), oder ob aufgrund der Bodenart eine effektive Lockerung von z.b. 18 cm erfolgen soll. - %.2. %9-5! -. - 9 $ 2 - - 4%. % - -"4% % -' $4%"- 42! - -( %"+.2 '-% 4$ 22 % "- 42 $ -" '7 -' %., 2 % 9 $ - 3::& - 2 $ %7 % 4%. %.2 % % 2- -2 %. - 6-2- ): :/ 0 %-4 4. $.2% 29 ' 4%" $ 8+ : 3 0 %+* Neue Landwirtschaft 2 2010