Sensoren für die Stickstoffdüngung – Erfahrungen in 12 Jahren praktischem Einsatz^*

Sensors for nitrogen fertilization – experiences of 12 years practical use

Abb. 3. Cropmeter (Pendelsensor) im Frontanbau des Traktors.

Die anderen Mess-Systeme, die derzeit am Markt zur Erfassung des Ernährungs- und Entwicklungszustandes von Pflanzen erhältlich sind, arbeiten indirekt also mit optischen Messgrößen. Diese berührungslosen Systeme erfassen Messgrößen wie Reflektion (YARA N-Sensor & ALS, Crop Circle, CropSpec, Greenseeker und ISARIA) oder Fluoreszenz (MiniVeg N, CropSpec) und schließen von deren Intensität auf den Ernährungszustand. Der große Vorteil der indirekten, berührungslosen Messung ist, dass je nach Montagepunkt des Sensors relativ große Messflächen betrachtet und für die Düngeentscheidung berücksichtigt werden können (Abb. 4 bis Abb. 8). 

Abb. 4. Isaria-Sensor im Feldeinsatz.

Abb. 8. CropSpec zur Montage auf dem Schlepperdach.

Abb. 5. YARA N-Sensor ALS auf dem Schlepperdach.

Abb. 6. Greenseeker im Frontanbau des Schleppers.

Abb. 7. Crop Circle im Bestand.

Die Photosynthese ist der grundlegende Stoffwechselprozess auf der Erde (Schilling et al., 2000). Über ihn wird Biomasse gebildet, Energie für Lebensvorgänge gebunden und Sauerstoff für die Atmung freigesetzt. Wird ein Chloroplast belichtet, fangen die Pigmente der Thylakoide Strahlungsenergie ein. Die Pigmente, die in zwei photochemischen Reaktionseinheiten (Photosystem I und II) zusammengefasst werden, können aufgrund unterschiedlicher Zusammensetzung auch unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichtes absorbieren, was den Absorptionsquerschnitt also die Energieausbeute vergrößert. Die Absorptionsmaxima (= Reflektionsminima), der an der Lichtreaktion beteiligten Pigmente, liegen im blauen und roten Spektralbereich des sichtbaren Lichtes. In Abb. 1 ist ein typisches Reflektionsspektrum von Weizen dargestellt. In den markierten blauen und roten Spektralbereichen wird weniger Licht reflektiert als im gekennzeichneten grünen Wellenlängenbereich.

Abb. 1. Reflektionsspektren und zu messende Farbbereiche im sichtbaren Licht und nahen Infrarot (Reckleben, 2004).

Wenn dem sichtbaren „weißen“ Licht blaue und rote Lichtanteile durch Absorption im Chloroplast entzogen werden, so bleibt die Komplementärfarbe grün im reflektierten Lichtanteil zurück, woraus sich die Blattfärbung erklärt (Reckleben, 2004). Je dunkelgrüner die Pflanze ist, desto größer ist der absorbierte blaue und rote Licht­anteil durch das Chlorophyll, was auf eine gute Ernährungssituation der Pflanze schließen lässt (Thiessen, 2002). Je besser eine Pflanze versorgt ist, desto mehr Strahlung wird im nahen Infrarotbereich reflektiert (Reusch, 1997). Das Verhältnis zwischen Infrarotreflek­tion und Reflektion im sichtbaren roten Wellenlängen­bereich wird oftmals als Indikator für die Biomasseentwicklung genutzt (Thiessen, 2002).

In der Fachwelt (Reusch, 1997; Thiessen, 2002 und Lilienthal, 2012) sind bereits verschiedene Indices verbreitet. Der Infrarot zu Rot Index, der Infrarot zu Grün Index und der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) für die Biomasse oder der Red Edge Inflection Point (REIP), der als Indikator für die Chlorophyllkonzentration (Cchl) und N-Aufnahme genutzt wird. Der NDVI als Biomasseindex ist zu bestimmten Entwicklungsstadien des Pflanzenbestandes nicht mehr geeignet, da bei zu geringer Bestandsentwickelung der Boden das Reflektionsspektrum beeinflusst. Ebenso bei geschlossenem Pflanzenbestand, da hier kaum Variationen im Messwert auftreten – also eine Sättigung eintritt und damit der NDVI schwer als Indikator für eine differenzierte Düngung genutzt werden kann.

Die Chlorophyllkonzentration kann auch über die kurzzeitige Zunahme der Fluoreszenz bei aktiver Belichtung mit einem Laser gemessen werden – wie es zum Beispiel beim MiniVeg N geschieht (Thiessen, 2002).

Die Bemessung der Referenz N-Menge kann durch verschiedene N-Bedarfs-Tester wie dem Nitracheck, dem Nitrat-Schnelltest oder dem N-Tester abhängig von der Sorte und dem Entwicklungsstadium durchgeführt werden.

Das Beispiel in Abb. 2 veranschaulicht den Wechsel des mit dem N-Tester gemessenen N-Bedarfs im Bestand mit der daraus resultierenden N-Gabe. Die Kurve beruht auf der „Kalibrierfahrt“ – der Schlepper nimmt mit dem Sensor die gesamte Fahrgasse oder Schlaglänge auf. Anschließend müsste man die gesamte Fläche mit den N-Bedarfsmessgeräten bonitieren – was je nach Schlaggröße einen hohen Zeitaufwand bedeutet. Praktischerweise nutzt man die Spot-Kalibrierung an einer Teil­fläche. Die Spot-Kalibrierung an einer Referenzfläche stellt einen guten Kompromiss aus Genauigkeit und Zeitaufwand dar. Es ist jedoch unbedingt erforderlich, dem N-Bedarfs-Tester zu vertrauen, selbst wenn, wie in dem Beispiel in Abb. 2 ein Bedarf von 30 kg/ha angezeigt wird – anstelle der aus der Bilanz geplanten 70 kg/ha.

Abb. 2. Möglichkeiten der Kali­brierung eines Sensors, schematisiert (Reckle­ben et al., 2007).

Der Landwirt muss außerdem bei der Kalibrierung die maximale und die minimale N-Menge definieren und so den Regelbereich für die jeweiligen Sensoren einstellen. Der Kalibrieraufwand ist nach eigenen Erfahrungen für den YARA N-Sensor mit etwa 10–15 Minuten pro Feld einzuschätzen. Die freie Kalibrierung ist besonders am Anfang als problematisch einzuschätzen, da das Risiko von Fehleinschätzungen groß ist. Eigene Erfahrungen zeigen, dass je länger man mit einem N-Sensor arbeitet, je sicherer wird man in bestimmten Entscheidungen und je näher kommt man an das zu düngende Optimum heran.

Die Systeme zeigen unterschiedliche technische Ausstattungen. Die Sensoreigenschaften und die freie Kalibrierung bieten prinzipiell die Möglichkeit, die Sensoren in allen Pflanzenbeständen einzusetzen. Der Pendelsensor benötigt einen schossenden Bestand und der MiniVeg N benötigt einen definierten Abstand zur Messfläche (3 cm), der zum Ährenschieben kaum eingehalten werden kann.

Der Anbaupunkt erscheint besonders wichtig, denn hierdurch wird die Praktikabilität entscheidend beeinflusst und auch die Größe der erfassten Messfläche. Die Montage der Sensoren auf dem Schlepperdach erleichtert die Arbeit und reduziert die Anfälligkeit für Beschädigungen. Der Abstand zur Messfläche ist dann fix und der schräge Blick des Sensors in den Bestand nötig. Der senkrechte Blick in den Bestand erfordert größere Abstände oder mehr Sensoren, um vergleichbare Mess­flächen zu erhalten. Je nach Sensorsystem und Sensor­position werden hier im Stand von 0,144 m² bis 4 m² Bestand erfasst.

Die Kosten für die genannten Sensorsysteme sind in der Tab. 2 aus den Herstellerangaben zusammengestellt und beziehen sich auf die Standardsysteme ohne Zusatzausstattung.

Die Preise schwanken enorm von 13 000 Euro bis 33 500 Euro, daher kommt der Frage nach der Aus­lastung eine besondere Bedeutung zu. Die Kalkulationen der Hersteller beginnen hier bei 100 ha Getreidefläche, wenn alle positiven Effekte (Mehrertrag, N-Einsparung, Steigerung der Druschleistung und des Proteingehaltes) durch den Sensoreinsatz erreicht werden können. Der Einfluss der Region auf das Ergebnis ist hier nicht zu vernachlässigen. Die Kieler Ergebnisse zeigen, dass bei gleichem Stickstoffaufwand Mehrerträge und höhere Proteingehalte zu erreichen sind. Aus den eigenen Ergeb­nissen ist eine Mindesteinsatzfläche pro Jahr von 300 bis 400 ha zu empfehlen.

Fußnoten: