Entwicklungen im Bereich der Anwendungstechnik im Pflanzenschutz gestern, heute und morgen

Development of application techniques in plant protection in the past, today and tomorrow

Journal für Kulturpflanzen, 73 (7-8). S. 276–283, 2021, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073/JfK.2021.07-08.12, Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart

Kontaktanschrift

Prof. Dr. Jens Karl Wegener, Julius Kühn-Institut (JKI) – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für Anwendungstechnik im Pflanzenschutz, Messeweg 11/12, 38104 Braunschweig, E-Mail: jens-karl.wegener@julius-kuehn.de

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4. März 2021/21. April 2021

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Am grundsätzlichen Aufbau der Spritz- und Sprühgeräte hat sich in den nachfolgenden Jahrzehnten wenig geändert: Spritzflüssigkeitsbehälter, Rührwerk, Pumpe, Regelung, Manometer, Leitungssystem und Filtereinrichtungen, Gestänge bzw. Gebläse und Düsen (vgl. Wegener & von Hörsten, 2019). Die technische Entwicklung spielte sich daher eher im Detail ab. Die größte Herausfor­derung lag in der gleichmäßigen, flächendeckenden Behandlung der Bestände in Raum- und Flächenkulturen. Dafür spielten in den nachfolgenden Dekaden insbesondere die Verbesserungen der Düsentechnik eine Rolle. Ziel war eine gleichmäßigere Verteilung, sowie in den Flächenkulturen ruhig und exakt geführte Gestänge, die einen einheitlichen Zielflächenabstand gewährleisten und Gestängeschwingungen dämpfen (vgl. ISO, 2013)

In den 1980er Jahren gewann zunehmend die Umweltrelevanz des chemischen Pflanzenschutzes an Bedeutung. 1988 forderte das Umweltbundesamt eine neue Abstands­auflage von mindestens 20 m für Mittel mit hoher aquatischer Toxizität, woraufhin sich neben der seit Jahrzehnten durchgeführten Aufgabe der Pflanzenschutzgeräteprüfung an der Biologischen Bundesanstalt in Braunschweig (vgl. Ganzelmeier, 2001) ein System zur Bewertung von abdriftmindernder Technik entwickelte (vgl. Rautmann & Streloke, 2001). Darauffolgend stand in der Geräte- und vor allem Düsenentwicklung nun neben der Verteilungsqualität zunehmend die abdriftarme Applikation im Fokus der Entwicklung. Vorläufiger Zwischenstand dieser Entwicklung sind Geräte und Bauteile, die eine Abdriftreduzierung gegenüber den Eckwerten (Ganzelmeier et al., 1995) von bis zu 95 % errei­chen (vgl. JKI, 2021).

Daneben haben sich, getrieben durch Elektronik und Automatisierung, die Möglichkeiten zur Prozessüber­wachung durch den Bediener während der Applikation immer weiter verfeinert, so dass die Applikationsqualität weiter gesteigert, der Anwenderschutz kontinuierlich verbessert und die tatsächliche notwendige Pflanzenschutzmittelmenge deutlich reduziert werden konnte.

Bis zur Jahrtausendwende haben sich nach Ganzelmeier (2001) in Deutschland am Markt folgende grundsätzliche Technologien durchsetzen können:

Nicht oder nur vereinzelt durchsetzen konnten sich nach Ganzelmeier (2001) dagegen Technologien wie:

Abb. 1. Komponenten eines modernen Pflanzenschutzgerätes.

Die heutigen Anforderungen aus der Praxis an moderne Düsen sind begründet in einer zuverlässigen und abdriftarmen Applikation bei gleichmäßiger Quer- und Längsverteilung, guter biologischer Wirksamkeit durch hohe Belagsdichten sowie ausreichender Bestandsdurchdringung auch bei höheren Fahrgeschwindigkeiten und niedrigeren Aufwandmengen (Wegener, 2013). Mit den seit vielen Jahren in der Praxis etablierten Injektordüsen können gute Belagsdichten und biologische Wirkungen erreicht werden, gleichzeitig ist mit ihnen eine abdriftarme Applikation möglich (Osteroth, 2013). Neue Baureihen zeichnen sich durch einen weiten Druckbereich aus, in denen sich das Tropfenspektrum im Vergleich zu anderen Düsentypen stärker verändert (Herbst et al., 2012; Wegener, 2013). Somit kann auch ohne Düsenwechsel eine verbesserte Anpassung der Wasseraufwandmenge und Fahrgeschwindigkeit an die jeweiligen Applikationsbedingungen ermöglicht werden. Mit der neuen Klasse der Injektor Doppelflachstrahldüsen in symmetrischer und asymmetrischer Ausführung können in speziellen Anwendungsgebieten (Ährenbehandlung, Kartoffelbau, frühe Herbizidmaßnahmen) und bei höheren Fahrgeschwindigkeiten zudem gleich gute oder bessere Belagsdichten und Wirkungen erzielt werden (Osteroth, 2013). Das hinsichtlich der Abdriftminderung bis heute viel erreicht wurde, zeigt das Verzeichnis „Verlustmindernde Geräte“, das nach aktuellem Stand 624 Eintragungen für den Ackerbau aufweist (vgl. JKI, 2021).

Möglichkeiten der Abdriftreduzierung werden von den Herstellern zunehmend auch losgelöst von der Düsentechnik bearbeitet, z. B. durch Geräte mit verringertem Düsenabstand von 25 cm statt 50 cm. Mit dieser Konstellation kann der Zielflächenabstand zwischen Gestänge und Bestand verringert werden, was ebenfalls die Abdriftanfälligkeit der Applikation vermindern kann (Wegener, 2013).

Beleuchtungseinrichtungen an den Gestängen helfen verstopfte Düsen zu erkennen, insbesondere bei der Durch­führung von Applikationsmaßnahmen während der Dämmerung oder im Dunkeln, wenn die Witterungsbedingungen für sachgerechten Pflanzenschutz i. d. R. besser als tagsüber sind. Noch komfortabler sind Düsen­monitore, welche die Verunreinigungen von Düsen sofort über die sensorische Überwachung der Durchflussmenge melden und auch die Position der Düse im Gestänge identifizieren können. Zudem können sie dem Anwender auch das Tropfenspektrum der Düse unter den aktuellen Druckbedingungen anzeigen (Wegener, 2018). Die Automatisierung ermöglicht einen weiteren Gewinn an Komfort. So kann der Düsenwechsel z. B. für das Zuschalten einer Randdüse oder die abdriftmindernde Applikation im Randbereich bequem per Knopfdruck aus der Kabine gesteuert werden.

Neue Technologien wie die Pulsweitenmodulation (PWM), bei der die Durchflussmenge jeder einzelnen Düse in großen Bereichen variabel verstellt werden kann, ermöglichen die Realisierung verschiedener Ausbringmengen bei annähernd gleichem Druck und gleicher Tropfengröße mit nur einem Düsenkaliber (Wegener, 2020a). Erreicht wird dies durch hochfrequentes An- und Ausschalten der Düsen, wobei die Länge der Einschaltzeit (Pulsweite) die Durchflussmenge bestimmt. Aktuelle Systeme arbeiten mit 15 bis 50 Hz. Die PWM ermöglicht darüber hinaus weitere Funktionen wie die Anpassung der Aufwandmenge innerhalb der Teilbreiten bei Kurvenfahrten (Kurvenkompensation) bis hin zum durchflussmengengesteuerten Ausgleich von Schwingungen im Gestänge durch die Durchflussmengenregelung einer jeden einzelnen Düse. Das JKI hat mittlerweile mehrere Düsen/PWM-System Kombinationen geprüft und anerkannt (AT, 2019).

Viel getan hat sich auch bei den Gestängen. Sensoren messen kontinuierlich den Abstand zum Boden und zum Bestand, regeln vollautomatisch die Gestängehöhe, den Hangausgleich und können z. T. auch die Gestängekontur an die Bodentopographie durch Segmentverstellung anpassen. Das entlastet den Anwender von Steuerungsaufgaben und hilft dabei, die Rahmenbedingungen für eine optimal geführte Anwendung zu verbessern (Wegener, 2013; 2018). Assistenzsysteme unterstützen den Anwen­der durch vollautomatische Hangsteuerung bei der präzisen Spurführung von Anhängespritzen auch unter schwierigen Einsatzbedingungen. Die Teilbreiten­schal­tung funktioniert automatisch über das GPS-Signal mit schaltbaren Teilbreiten bis hinunter zur Einzeldüse. Dadurch werden nicht nur pflanzenschädliche Doppel­behandlungen minimiert, sondern auch Pflanzenschutzmittel eingespart. Auch bereits bekannte Funktionalitäten wie das Restmengen- und Befüllmanagement wurden weiter verbessert und mit elektronischer Assistenz versehen (Wegener, 2013). Die Rührwerke arbeiten in Abhängigkeit vom Füllstand mit unterschiedlicher Intensität, um die Homogenität der Spritzbrühe in allen Situa­tionen sicherzustellen. Dies gilt auch für die Befüllung. Sensoren zur Bestimmung von Wassertemperatur und pH-Wert helfen dabei, die Mischbarkeit von Produkten besser einzuschätzen, so dass es bei der Befüllung von Tankmischungen mit unterschiedlichen Mischungspartnern nicht zu ungewollten Reaktionen kommt. Close Transfer Systeme (Kemmerling et al., 2018; Immenroth et al., 2019) ermöglichen zudem für den Anwender eine nahezu kontaktfreie Befüllmöglichkeit durch ein System von Adaptern und speziell dafür geeigneten Pflanzenschutzmittelgebinden. Die Anwendersicherheit wird dadurch erheblich erhöht.

Um Punkteinträge von Pflanzenschutzmitteln in Oberflächengewässer sowie phytotoxische Schäden bei Mittel- bzw. Kulturwechseln zu vermeiden, kommt es auf eine effektive Innen- und Außenreinigung der Spritzgeräte an (vgl. Wehmann, 2016). Auch hier spielen Assistenzsysteme mittlerweile eine bedeutende Rolle. Die automatische Gerätereinigung kann heute vom Schleppersitz aus gestartet werden und bietet unterschiedlich intensive Programme für jede Anforderung. Für eine gute Reinigung sind aber auch konstruktive Merkmale von Bedeutung. Hier geht es z. B. um kürzere Leitungen und optimale Behälterformen, um technische Restmengen zu mini­mieren. Auch die Oberflächenrauhigkeit der verwendeten Materialien spielt eine Rolle, weswegen einige Hersteller u. a. auf Edelstahlbehälter setzen (Eikel, 2013). Dass diese Bestrebungen zielführend sind, haben Untersuchungen des JKI aufzeigen können (Herbst et al., 2012). Mit Pflanzenschutzmittelrestkonzentrationen von 0,01 bis 0,04 % werden geltende Standards von den heutigen Geräten weit unterschritten.

In Sachen Anwenderschutz gibt es sowohl bei Selbstfahrern als auch zunehmend bei Traktoren Kabinen der Kategorie 4, die neben einem Grobstaubfilter zusätzlich einen Hepa- und einen Aktivkohlefilter besitzen. Damit kann der Anwender während der Applikation von Pflanzenschutzmitteln auf die persönliche Schutzausrüstung verzichten, da die Kabine selbst einen ausreichenden Schutz bietet.

Dass die Entwicklung trotz dieses hohen technischen Niveaus weitergeht, zeigen aktuelle Lösungen: In vielen Feldkulturen werden die Fahrgassen für spätere Pflege­arbeiten bereits bei der Aussaat durch das Weglassen von Drillreihen gezielt angelegt. Weil dort keine Kulturpflanzen stehen und außerdem die Gefahr des Run-off von Pflanzenschutzmitteln auf dem unbewachsenem Boden am größten ist, empfiehlt es sich, die Fahrgasse bei der Applikation auszusparen (Abb. 2). Mit der Fahrgassenschaltung, einer flexiblen Lösung für unterschiedliche Spur- und Reifenbreiten, kann der Pflanzenbestand randscharf zur Fahrgasse behandelt und die Spur sauber ausgelassen werden (Bröring & von Hörsten, 2019). Das Sys­tem kann per Knopfdruck ein- und ausgeschaltet werden. Je nach praxisüblichen Reifen- und Arbeitsbreiten sind damit Einsparungen an Pflanzenschutzmitteln in Höhe von etwa 3–5 % möglich.

Abb. 2. Aussparung der Fahr­gasse bei der Applikati­on von Pflanzenschutzmitteln durch eine Fahrgassen­abschaltung.

Vor dem Hintergrund einer nachhaltigeren Produktion aber auch dem Wegfall von Wirkstoffen findet auch die Kombination von Bandspritzung und mechanischer Unkraut­bekämpfung wieder mehr Beachtung. In der Vergangenheit wurden diese Verfahren „Hacken“ und „Spritzen“ in einer Maschine miteinander kombiniert. Weil aber die idealen Einsatzzeitpunkte beim Hacken – warm, windig und trocken – im Kontrast zum Spritzen – bedeckt und windstill – stehen, bieten einige Hersteller Lösungen zur Verfahrenstrennung an. Dabei übernimmt die klassische Feldspritze auch die Bandspritzung (vgl. Wegener, 2020a). So kann mit dem Feldspritzgerät wahlweise die gesamte Fläche oder eben nur die Bänder von Reihenkulturen behandelt werden. Die Anschaffung einer separaten Bandspritzeinrichtung entfällt damit und die Verfahren Hacken und Spritzen können zum jeweils optimalen Zeitpunkt voneinander getrennt durchgeführt werden.

Bislang konnte man die Leitfrage bei der Konstruktion von Pflanzenschutzgeräten folgendermaßen beschreiben: „Wie verteilt man einen Esslöffel voll Wirkstoff möglichst gleichmäßig auf einem Hektar Fläche?“ Wie bereits ausgeführt, hat die Landtechnikindustrie hier im Verlauf der Dekaden beeindruckende technische Lösungen gefunden. Die neue Leitfrage lautet nun: „Wie verteilt man eine Messerspitze voll verschiedener Wirkstoffe, unabhängig voneinander, nur auf die Stellen, wo tatsächlich eine individuell festgelegte Schadschwelle überschritten wird?“ Diese gewollt ungleichmäßige Verteilung erfordert Lösungen zur teilflächenspezifischen Applikation und eine stringente Anwendung des Schadschwellenprinzips.

Erste Ansätze zur teilflächenspezifischen Applikation sind bereits auf dem Markt. So gibt es z. B. seit mehreren Jahren Systeme zur Unkrauterkennung mit „Gründetektoren^*“, die bei der Ausbringung von Totalherbiziden auf dem Stoppelacker bei pfluglosen Bewirtschaftungsformen eingesetzt werden können. Diese sind in der Lage durch Spot Applikation erhebliche Mengen an Pflanzenschutzmitteln einzusparen. Leider lassen sich diese Sys­teme nur für diesen einzigen Einsatzzweck nutzen und sind aufgrund der aufwändigen Sensortechnik vergleichs­weise teuer, so dass sie in Deutschland kaum eine Rolle spielen (Wegener, 2018). Neuere Lösungen arbeiten in der Regel mit kamerabasierten Sensoren zur Unkraut­erkennung in Pflanzenbeständen, um eine Entscheidung zu treffen, ob teilflächig appliziert wird oder nicht (Wegener, 2020a). Weitere Lösungen liegen in einer dualen Applikation in Reihenkulturen durch Zweiteilung des Spritzsystems. Dabei kann der Zwischenreihenbereich (z. B. mit einem Herbizid) unabhängig vom Reihenbereich (z. B. mit einem Fungizid) behandelt werden (Wegener, 2020a). Neben diesen online-Ansätzen zur teilflächenspezifischen Applikation werden vermehrt auch UAV (Unmanned Aerial Vehicles) zur Erkennung von Unkräutern im offline-Verfahren vor der eigentlichen Applikation eingesetzt (Wegener, 2020a). Diese arbeiten auf Basis von Hyperspektralbildern sowie Bildanalyseverfahren mit selbstlernenden Algorithmen, um über die Erzeugung von Applikationskarten eine kleinräumige Bekämpfung unerwünschter Unkräuter zu ermöglichen. Dadurch entsteht zwar ein zusätzlicher Arbeitsschritt; die Problematik unkalkulierbarer Restmengen bei der online-Variante entfällt aber. Mit solchen Systemen lässt sich wahlweise ein Pflanzenschutzmittel oder eine Tankmischung teilflächenspezifisch ausbringen.

Eine „saubere“ teilflächenspezifische Applikation wird dagegen erst durch die Kombination von Methoden zur Erzeugung von Applikationskarten und Pflanzenschutzgeräten mit Direkteinspeisung möglich, weil dann auch die Restmengenproblematik entfällt. Die Grundidee der Direkteinspeisung im Pflanzenschutz ist über 30 Jahre alt, eine erste praxistaugliche Lösung (vgl. Wegener et al., 2016; Pohl et al., 2017; 2018; 2021a) kam jedoch erst 2017 auf den Markt. Bei der Direkteinspeisung wird das Pflanzenschutzmittel erst unmittelbar vor der Applikation mit Wasser zur gewünschten Aufwandmenge vermischt. Sie hat zudem den Vorteil, dass mehrere Mittel unabhängig voneinander ausgebracht werden können. Das bedeutet, dass auf einem Schlag unterschiedliche Schaderreger in einer Überfahrt behandelt werden können. Während Geräte zur Direkteinspeisung marktverfügbar sind, wird an den Lösungen zur praxisreifen Schaderregerdetektion noch gearbeitet. Diese sind erforderlich, um digitale Appli­kationskarten für die Geräte mit Direkteinspeisung zu ermöglichen. Dass der Ansatz prinzipiell funktioniert, zeigen Arbeiten von Pohl et al. (2020a; 2020b) und Wellhausen et al. (2020).

Eine weitere bedeutende Entwicklung für die Zukunft des Pflanzenschutzes liegt in digitalen Assistenzsystemen, welche den Anwender durch den gesamten kom­plexen Prozess des Pflanzenschutzes – von der Planung über die Arbeitsvorbereitung, Applikation, bis zur Dokumentation – begleitet, Entscheidungen unterstützt und ihm zudem bei der Einhaltung aller gesetzlichen Vorgaben hilft (Pohl et al., 2020a; 2020b). Auch die automatisierte Erstellung von Applikationskarten für die teilflächenspezifische Behandlung auf Grundlage von sensorgestützten Unkrautbonituren sowie einer prognosegestützten Erkennung von pilzlichen Schaderregern ist Teil solcher Assistenzsysteme. In der nachfolgenden Abbil­dung 3 sind die Komponenten eines solchen Systems dargestellt.

Abb. 3. Komponenten des digitalen Assistenzsystems.

Zentraler Baustein des Systems ist eine Web-GIS Anwendung, in der Informationen aus verschiedenen bereits vorhandenen oder in der Entwicklung befindlichen Quellen zusammengeführt und aufbereitet werden. Ergeb­nis ist eine digitale Applikationskarte, die auf das Terminal des Pflanzenschutzgerätes geladen wird und die nachfolgende Applikation automatisiert, unter Einhaltung aller gesetzlichen Vorgaben, steuert. Diese Karte beinhaltet u. a. auch die SOLL-Aufwandmengen und Abstands­auflagen. Während der Behandlung werden IST-Applikationsparameter sowie Umweltbedingungen erfasst und der digitalen Applikationskarte hinzugefügt. Diese kann nach Arbeitsende zur Dokumentation in das Farm-Management System übertragen werden. Darüber hinaus soll das System situationsgerecht Informationen (z. B. zu Anwenderschutzbestimmungen beim Anmischen, bei der Applikation, bei Nachfolgearbeiten) zur Verfügung stellen und dem Anwender während der Appli­kation vorhandene Risiken (z. B. dauerhaft höhere Windgeschwindigkeiten > 5 m/s) bedarfsgerecht kommunizieren. Nutzen mehrere Betriebe einer Region das digitale Assistenzsystem, dann kann über ein anonymisiertes Benchmarking eine Bewertung der eigenen Pflanzenschutzstrategie im regionalen Kontext vorgenommen werden. Das System soll auch auf konventionellen Spritzen mit Tankmischungen genutzt werden (Pohl et al., 2021b).

Weitere Zukunftsthemen und Chancen zur weiteren Verbesserung liegen zum einen in der Agrarrobotik, zum anderen in der Kombination mit neuen Pflanzenbausystemen wie z. B. dem Spot Farming (vgl. Wegener, 2020b; Wegener & Urso, 2020; Wegener et al., 2019). Hier ist das Ziel nicht mehr nur die teilflächenspezifische Behand­lung, sondern die Einzelpflanzenbehandlung. Dies kann nur durch kleine und langsam arbeitende autonome Roboter erreicht werden, welche die dafür notwendige Präzision erst ermöglichen. Erste kleine autonom agierende Feldroboter für den chemischen Pflanzenschutz befinden sich derzeit in der praktischen Erprobung. Eine Markteinführung wird in den kommenden zwei bis drei Jahren erwartet. Auch für alternative Pflanzenschutzverfahren bietet die Robotik neue Optionen, z. B. für das mechanische Hacken in Gleichstandsaat (vgl. Wegener et al., 2019) oder auch für völlig neue Ansätze, wie die Schneckenbekämpfung mit einem auto­nomen Schneckenroboter (Gödeke et al., 2019). UAVs können im Pflanzenschutz der Zukunft ebenfalls eine Rolle spielen, bieten sie doch auch Optionen für gezielte kleinflächige Maßnahmen. Derzeit ist ihre praktische Anwen­dung jedoch in Deutschland – als Ausnahmetatbestand (generelles Verbot des Einsatzes von Luftfahrzeugen in der EU) – auf den Bereich des Steillagenweinbaus begrenzt.

Fußnoten: