Vergleich von Spektralindizes zur Erfassung der Stick­stoffaufnahme bei Winterweizen (Triticum aestivum L.)

Comparison of spectral indices to detect nitrogen uptake in winter wheat

Journal für Kulturpflanzen, 71 (8/9). S. 238–248, 2019, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073/JfK.2019.08-09.02, Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart

Kontaktanschrift

Mathias Westermeier, Technische Universität München, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme, Liesel-Beckmann-Str. 2, 85354 Freising, E-Mail: mathias.westermeier@tum.de

Dr. Franz-Xaver Maidl, Technische Universität München, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme, Liesel-Beckmann-Str. 2, 85354 Freising, E-Mail: maidl@wzw.tum.de

Zur Veröffentlichung angenommen

27. Juni 2019

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Material und Methoden

Abb. 1. Luftaufnahme des Stic­kstoffsteigerungsversu­ches auf Gut Roggenstein, die unter­suchte Fläche ist rot um­rahmt

Als Sorte wurde die A-Winterweizensorte RGT Reform (RAGT, Deutschland) gewählt. Jede Parzelle war als Doppelparzelle angelegt. Eine der beiden Parzellen diente zur Durchführung der Reflexionsmessungen und der Ernte mit dem Parzellenmähdrescher, während aus der anderen Parzelle die Biomasseproben zu EC 32, EC 39 und EC 65 gewonnen wurden.

Die Düngung erfolgte über alle Varianten hinweg mit NH₄NO₃ + CaCO₃ (Kalkammonsalpeter), der einen Stickstoffgehalt von 27% beinhaltet. Die jeweiligen Düngungszeitpunkte und N-Mengen sind aus Tabelle 1 zu entnehmen.

Mit einem Öffnungswinkel von 180° nach oben wird die globale Einstrahlung detektiert und mit einem senkrecht nach unten gerichteten Kanal, Öffnungswinkel 25^o, die von der Sonneneinstrahlung verursachte Reflexion des Pflanzenbestandes gemessen.

Die spektrale Reflexionssignatur errechnet sich somit aus der Rückstrahlung des Pflanzenbestandes, dividiert durch die globale Einstrahlung. Der gebildete Quotient wird im Anschluss auf geräteinterne Weißstandardwerte normalisiert und korrigiert. Auf Grundlage der ASCII-Datei des spektralphotometrischen Sensors wurden die einzelnen Reflexionswerte in ein Tabellenkalkulationsblatt von Excel 2010 importiert. Ausgehend davon konnte die Verrechnung verschiedener Wellenlängen, in Abhängigkeit der zu betrachtenden Vegetationsindizes (Tab. 3) vorgenommen werden.

Auf der Basis von detektierten Reflexionsspektren des Spektralsensorsystems tec5 wurde ein Spektralbereich von 400–850 nm ausgewählt. Die Analysemethode PLSR wird primär zur Entdeckung von fundamentalen Zusammenhängen zwischen Variablen verwendet (Albers et al., 2009).

Die Vorgehensweise lässt sich dadurch erklären, dass zuerst Wellenlängen (X) im Spektralbereich 400–850 nm identifiziert werden, die eine bestmögliche Korrelation mit den Zielparametern besitzen. Diese Datenpunkte werden als T-Werte bezeichnet (Mevik und Wehrens, 2007). Anschließend erfolgte die Gewichtung der Wellenlängen zu den Zielparametern z.B. N-Aufnahme. Die Werte der Gewichtungen geben also Auskunft über die Abhängigkeit der Variablen zu den Hauptkomponenten. Diese Gewichtung, auch als U-Wert deklariert, wird mit T über eine Konstante in Beziehung gebracht. Durch das Maximieren der Kovarianz zwischen den einzelnen Wellenlängen (X) und den Zielparametern (Y), wird idealerweise eine lineare Beziehung zwischen T und U hergestellt. Mithilfe der Anzahl der Hauptkomponenten (Anzahl an Variablen) sollte die Varianz erklärt und eine Differenzierung innerhalb der verschiedenen Düngevarianten dargestellt werden können (Mevik und Wehrens, 2007). Eine multivariante Hauptkomponentenanalyse bündelt bzw. komprimiert die abhängigen Variablen und deren Informationen zu einigen, wenigen zentralen Faktoren, den Hauptkomponenten (Albers et al., 2009).

Die Ergebnisse des multiplen Mittelwertvergleiches nach Tukey sind im Ergebnisteil neben den Versuchs­ergebnissen angegeben. Unterscheiden sich die Prüf­glieder nicht signifikant voneinander, wurden diese mit demselben Buchstaben gekennzeichnet.

Zur Bestimmung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit der ausgegebenen Regressionsgleichungen, wurde der mittlere quadratische Fehler (RMSE, %-Wert) berechnet. Die Vorhersage gilt als hervorragend mit RMSE-Werten von < 10% gut, wenn 10–20% und ausreichend wenn > 30% erreicht wird (Loague und Green, 1991).

Ergebnisse

Abb. 2. Reflexionsspektren von Winterweizen mit unterschied­licher Stick­stoffdüngung zu Vege­tationsbeginn (Mess­termin EC 32)

Beobachtet wird eine höhere Remission im blauen bis roten Wellenlängenbereich bei abnehmendem N-Angebot. Im Gegenzug steigt die Reflexion im nahinfraroten Bereich mit zunehmendem Düngeniveau. Ein Charak­teristikum für grüne Pflanzen ist der steile Anstieg des Reflexionsgrades am Übergang des sichtbaren Lichtes zur infraroten Strahlung.

Abb. 3. Regressionsgeraden und Bestimmtheitsmaße zwischen der Stickstoff­aufnahme und den Spektralindizes zu EC 32 (grün), EC39 (rot) und EC 65 (blau)

Bei der Betrachtung der einzelnen Spektralindizes über alle Messtermine, ist zum Stadium EC 32 ein steiler Anstieg der Kurven in einem N-Aufnahmebereich von 0 bis 70 kg N/ha zu verzeichnen (A-F). Im Laufe der Vegetationsperiode, mit ansteigender Stickstoffaufnahme der Weizenbestände, verringerten sich die Steigungen der Regressionsgeraden (Abb. 3).

Bereits zu EC 39 konnte bei NDVI und, SAVI (E, F) bei gut versorgten Beständen (> 130 kg N/ha) ein Trend der Sättigung festgestellt werden. Andere Indices zeigten zu EC 39 keine Sättigung. In EC 65 waren bei den Indices IR/G und besonders bei IR/R Sättigungseffekte feststellbar. Der PLSR als auch der REIP_700 (A, G) hingegen zeigten auch bei Stickstoffaufnahmen von über 150 kg N/ha Unterschiede auf. Ausgeprägte Sensitivitätsver­luste sind ebenfalls zu Mitte der Blüte deutlich erkennbar (Abb. 3), an der geringen Veränderung der Wertebereiche über einen weiten N-Aufnahmebereich der Weizenbestände von 150–300 kg N/ha (E, F).

Geeignet für die Abschätzung der Stickstoffaufnahme in späteren Entwicklungsstadien sind gemäß der (Abb. 3) die Indizes PLSR und REIP_700. NDVI- und SAVI Werte konnten zu EC 65 zwar die N-Aufnahme mit R²-Werten von größer 0,5 abbilden, jedoch war eine Differen­zierung von praxisüblichen N-Aufnahmemengen von 200 kg N/ha nicht möglich.

Hinsichtlich der Eignung von Spektralindizes zur Abbildung der N-Aufnahme in die oberirdische Biomasse wurden mithilfe eines linearen Regressionsansatzes zuzüglich zum Bestimmtheitsmaß (R²) der jeweilige RMSE-Wert (%) berechnet. Zu Beginn der Messungen zu EC 32, unabhängig von den einzelnen Indizes, konnten Determinationskoeffizienten im Mittel aller Messungen von 0,76 und ein Schätzfehler von 12% ermittelt werden (Tab. 4). Hohe Korrelationswerte erwies der Vegetationsindex REIP_700 zu Beginn des Schossens mit einem R² von 0,79 und einem RMSE-Wert von 11,86%. Dahingegen fiel der NDVI mit R²-Werten von circa 0,74 und einem durchschnittlichen Schätzfehler von über 12% nicht wesentlich schlechter aus.

Die Bestimmtheitsmaße der Indizes haben vergleichend zu EC 32 in EC 39 eine gesteigerte Güte von circa 11%. Eine besonders gute Abbildung der N-Aufnahme konnte zu Ende des Schossens mit Regressionswerten von über 0,94 und einem RMSE-Wert von 7% der Hyperspektral-Index PLSR konstatieren. Mit einer Ungenauigkeit von mehr als 14% zeigten der NDVI und SAVI einen geringeren Zusammenhang zur N-Aufnahme auf. Besonders durch die frühen Sättigungseffekte ab einer N-Aufnahme von 130 kg N/ha stieg der prozentuale Fehler­anteil an (Abb. 3). Daraus geht hervor, dass anhand des Bestimmtheitsmaßes keine konkrete Beurteilung für den Zusammenhang zwischen spektraler Messung und Parameter getroffen werden konnte.

Zu EC 65 ist gegenüber EC 39 ein Absinken der R²-Werte über alle Vegetationsindizes zu verzeichnen (Tab. 4). Mit der Zunahme der Seneszenz und der Abnahme des Blattgrüns konstatierten die Indizes NDVI und SAVI weiter­hin die schwächste Beziehung, erkennbar an den geringen Bestimmtheitsmaßen von etwa 0,5 und den höchsten relativen Schätzfehlern von > 18%. In Bezug auf die Eignung eines Vegetationsindizes zur Abbildung der N-Aufnahme erreichten der PLSR und REIP_700 über alle Mess­termine hinweg die geringsten RMSE und höchsten R²-Werte.

Zur Beurteilung der Unterscheidbarkeit der verschiedenen Düngestufen mit Hilfe von Vegetationsindizes wurde zum Termin EC39 ein multipler Mittelwertsvergleich für die verschiedenen Indices durchgeführt (Tab. 5). Neben der Summe der gedüngten N-Mengen (kg N/ha) zu Vegeta­tionsbeginn (VB) und zu EC 32 ist die tatsächliche N-Aufnahme (kg N/ha) der Weizenpflanzen zu EC 39 aufgelistet. Unterschiedliche Buchstaben zeigen sowohl für die N-Aufnahme als auch den jeweiligen Index signifikante Unterschiede an. Die Indizes PLSR, IR/G, IR/R und REIP_700 ergaben zu EC 39 die meisten signifikanten Unterschiede und daraus resultierend die höchste Sensitivität gegenüber der aufgenommenen N-Menge bis zu EC 39.

Eine geringe Differenzierung der N-Aufnahme zu EC 39 ergaben die Indizes NDVI und SAVI. Ab einer N-Aufnahme von 136 kg N/ha konnten keine signifikanten Unter­schiede nachgewiesen werden, erkennbar an den identischen Signifikanzbuchstaben.

Abb. 4. Korrelationsmatrix zur Darstellung des Bestimmt­heitsmaßes (R² linear) zwischen den einzelnen Spektralindizes und der Stickstoff-Aufnahme zu EC 32

Abb. 5. Korrelationsmatrix zur Darstellung des Bestimmt­heitsmaßes (R² linear) zwischen den einzelnen Spektralindizes und der Stickstoff-Aufnahme zu EC 39

Zu EC 32 konnte eine Korrelation zur N-Absorption von maximal 0,79–0,8 detektiert werden. Dazu sind ausgewählte Reflexionsverhältnisse im nahinfraroten Bereich (750–850 nm) und roten Spektralbereich (700–750 nm) von besonderer Bedeutung. Zum Vergleich der beiden Zwei-Band-Indizes von IR/G (R₇₈₀/R₅₅₀) und IR/R (R₇₈₀/R₆₇₀) wird deutlich, dass der Spektralquotient aus 780 nm und 500–570 nm höhere Korrelationen als im Bereich von 670 nm ergibt (Tab. 4).

Die höchsten Korrelationen zur Abbildung des N-Status der Weizenpflanzen errechneten sich zu EC 39 mit einem R²-Wert von 0,9447. Als geeignete Reflexionsverhältnisse zeichneten sich die Wellenlängen im Bereich 780–900 nm und 700–740 nm ab. Im Vergleich zu EC 32 verkleinerte sich der geeignete Spektralbereich, auch wenn eine gewisse Überschneidung der Bereiche sichtbar ist.

Durch das ungünstige Wellenlängenverhältnis von IR/R (780 nm und 670 nm) konnte ein Unterschied des Bestimmtheitsmaßes zu IR/G von 0,05 ermittelt werden (Tab. 4).

Diskussion

Das geringe Reflexionsvermögen von hochversorgten Pflanzenbeständen im sichtbaren Reflexionsbereich war mit der zunehmenden Chlorophyllkonzentration und daraus resultierend, einer stärkeren Absorption des einfallenden Lichtes verbunden (Hinzman et al., 1986; Buschmann, 1993). Steigende Biomassemengen führten zu einer Zunahme der Reflexion im Spektralbereich von 680–750. Serrano et al. (2003) und Schächtl (2004) erklären das mit geringer Absorption von Wellenlängen im Nahinfrarotbereich. Ebenfalls konnten Untersuchungen von Hinzman et al. (1986) belegen, dass maximale Nahinfrarotreflexionen gleichzeitig mit einem maximalen Blattflächenindex auftraten.

Zur Abbildung der N-Aufnahme in Winterweizen durch Spektralindizes wurden lineare Schätzgleichungen ermittelt und deren Güte mit dem relativen Schätzfehler (RMSE-Wert) abgeglichen und bewertet. Bei der Betrachtung der Zusammenhänge zwischen den Vegetationsindizes und der N-Aufnahme im Laufe der Vegeta­tionsperiode, zeigten sich in frühen Entwicklungsstadien (EC 32) die geringsten R²- und höchsten RMSE-Werte. Als Ursache für die mäßige Abbildung der N-Aufnahme ist die geringe Bodenbedeckung verantwortlich (Reusch, 1997; Maidl, 2011b). Aufgrund der Störsignale des Bodens können Messergebnisse verfälscht und fehlgedeutet werden. Die Veränderung der reflexionsoptischen Messungen durch den Boden zeigten ebenfalls Unter­suchungen von Baret und Guyot (1991), Nilsson (1995) und Quemada und Daughtery (2016). Höchste Korrela­tionswerte von > 0,93 und einem relativen Schätzfehler von < 8% wurden zum Messtermin Ende des Schossens ermittelt.

Die Abschätzung der N-Aufnahme im Mittel über alle Indizes erwies sich bei Winterweizen über alle Mess­termine mit durchschnittlichen linearen R²-Werten von 0,78 und einem Schätzfehler von 14% als effektiv. Eine weitere Kenngröße zur Beurteilung der Güte von Indizes stellt der Sättigungseffekt dar. Besonders die Vegetationsindizes SAVI und NDVI waren über alle Mess­termine hinweg nicht in der Lage gutversorgte Weizen­bestände entsprechend zu differenzieren. Die ausgeprägten Sättigungseffekte zu praxisüblichen N-Düngermengen wurden auch von diversen vorangegangenen Untersuchungen bestätigt (Serrano et al. 2003; Gitelson, 2004; Schmid, 2007; Erdle et al., 2011; Spicker, 2016). Aus der Berechnungsformel hervorgehende Werte des NDVIs sind abhängig von der Absorption des Lichtes im roten und nahinfraroten Wellenlängenbereich (670 und 780 nm). Insbesondere bei 670 nm konnten bei mittleren bis hohen Chlorophylldichten nur sehr geringe und kaum veränderte Reflexionsgrade nachgewiesen werden. Resultierend daraus ergab das Verhältnis von (R₇₈₀-R₆₇₀) zu (R₇₈₀+R₆₇₀) bei hohen N-Aufnahmen annähernd gleiche Ergebnisse, da bei geringen Reflexionswerten im roten Spektralbereich, der Zähler als auch der Nenner hauptsächlich aus dem Wert der Reflexion im Nahinfrarot Bereich bestand (Erdle et al., 2013). Aufgrund dessen pendelte sich der Wertebereich des NDVI bei gutversorgten Beständen auf einem konstanten Niveau zwischen 0,95 und 0,97 ein.

Vergleichbare Sättigungseffekte konnten ebenfalls bei dem Index SAVI festgestellt werden. Grund dafür ist die identische Verrechnung der Wellenlängen von 780 und 670 nm. Ein wesentlicher Unterschied zur Berechnungsformel des NDVIs ist die Eingliederung von empirisch festgelegten Korrekturfaktoren zur Minderung des Boden­einflusses. Die geringe Sensitivität von SAVI und NDVI gegenüber zunehmender N-Aufnahme konnte auch anhand der Mittelwertvergleiche und den relativ geringen Wertebereichen zu den EC-Stadien 39 und 65 belegt werden. Bei den Indizes IR/R und IR/G konnten ausgeprägte Sättigungseffekte erst ab einer N-Aufnahme von 170 kg N/ha zu EC 65 detektiert werden. Zurückzuführen auf die geringe Änderung der Reflexionswerte im roten Wellenlängenbereich. Jedoch nimmt bei gut versorgten Weizenbeständen der prozentuale Reflexions­anteil bei Wellenlängen von 670 und 780 nm gleicher­maßen zu, sodass Sättigungseffekte stärker ausgeprägt sind. Zum praxistauglichen Einsatz von Spektralindizes unter Hochertragsbedingungen ist eine Unterscheidung von Düngestufen in einem Wertebereich von 180–240 kgN/ha wichtig. Nur so ist eine präzise Düngung möglich. Eine hohe Genauigkeit zur Abbildung der N-Auf­nahme konnte von den Vegetationsindizes REIP_700, YARA_ALS und PLSR erreicht werden. Je nach Messstadium waren R²-Werte von > 0,95 und eine ausgeprägte Differenzierung auch im Bereich hoher N-Aufnahmen zu verzeichnen (Abb. 3). Zu ähnlichen Ergebnissen kamen auch Fillela et al. (1995), Schmid und Maidl (2005), Jasper et al. (2009), Portz et al. (2012), Li et al. (2014). Die Auswertung ergab jedoch, dass mit verringerter Differenz zwischen den applizierten N-Mengen und demzufolge kleineren Unterschieden in der N-Aufnahme die Signifikanz deutlich abnahm und eine Unterscheidbarkeit nicht mehr gegeben war. Grund für hohe Korrelationen zwischen dem Index REIP_700 und der N-Aufnahme dürfte die sensitive Verschiebung der Hauptwendepunkte im nahinfraroten Bereich sein (Reusch, 1997; Schächtl, 2004; Liebler, 2002; Martinez und Ramos, 2015).

Beim Index YARA_ALS verwendete Wellenlängen im Nahinfrarot-Bereich (730 und 760 nm) zeigen nach Buschmann (1993) und Serrano et al. (2003) eine Abhängigkeit von Chlorophyllkonzentration und der Menge an Biomasse. Dies hat zur Folge, dass mit höheren N-Applikationen sich die Absorption des eintreffenden Lichtes durch das Chlorophyll verstärkt und die Reflexionswerte im Spektralbereich von 730 nm absinken. Dagegen nimmt der Reflexionsgrad durch die steigende Biomasse im Wellenlängenbereich von 760 nm zu. Anhand der Eingliederung der ermittelten Reflexionswerte in eine logarithmische Funktion wird mit zunehmenden Reflexionsgraden die relative Zunahme verkleinert, sodass die Gewichtung der Reflexion von 760 nm vermindert wird. Daraus resultierend ergibt sich eine sukzessiv geringere Einbeziehung der Biomassenentwicklung in die Berechnungsformel (vgl.Tab. 1). Durch die gegensätzlich verlaufenden Reflexionsgrade bei den erwähnten Wellenlängen in hoch versorgten Weizenbeständen, war auch eine gute Differenzierung der N-Aufnahmeraten möglich (Jasper et al., 2009).

Als weiterer Index stellte der Hyperspektral-Vegeta­tionsindex PLSR ein potenziell robustes Verfahren dar. Durch die Bereitstellung eines Regressionsmodels, in dem der gesamte spektrale Datensatz in einem gewichteten Verhältnis eingeht, können verschiedene Kulturen, Wachstumsstadien und Standorte berücksichtigt werden (Li et al., 2014). Außerdem erfolgte durch die Gewichtung der Wellenlängen eine Detektion von Schlüsselwellenlängen, die verantwortlich für eine hohe Korrelation zur N-Aufnahme und auch Sättigungseffekte bei hohen N-Applikationen weitgehend reduzierte. Die Auswertung des einjährigen Versuchs ermöglichte jedoch mit der PLSR-Analyse in der vorliegenden Arbeit keine signifikant bessere Erfassung der Stickstoffaufnahme von Weizen im Vergleich zu bekannten guten Indices, wie beispielsweise den REIP.

Zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zweier Wellenlängen mit der N-Aufnahme der Pflanzen wurden sogenannte Konturkarten angefertigt (Abb. 4 und 5). Auffällig bei der Betrachtung der Korrelationsmatrizen über alle Messtermine ist der identische Farbverlauf mit weitgehend gleichbleibenden Korrelationswerten. Das Verhältnis von nahinfraroten Reflexionsbanden von 750–900 nm zu 710–730 nm ergab die höchste Beziehung zur N-Aufnahme. Nach Chen et al. (2010) werden die Wellenlängen 710–730 nm vom Chlorophyllgehalt und dem Blattflächenindex beeinflusst, während der Infrarot-Bereich (750–900 nm) auf den N-Gehalt reagiert (Zhu et al., 2007; Yao et al., 2014). Der Spektralbereich 520–550 nm wird überwiegend von der Chlorophyllkonzen­tration bestimmt (Buschmann, 1993). Xue et al. (2004) fanden ebenfalls eine gute Korrelationen zur Abbildung der N-Aufnahme mit einem Reflexionsverhältnis von 860 zu 560 nm. Eine Beziehung der Spektralindizes und der N-Aufnahme konnte zum Stadium EC 39 mit > 0,95 detek­tiert werden, wobei im Gegenzug zu EC 32 und EC 65 Bestimmtheitsmaße von < 0,85 erreicht wurden.

Interessant zu beobachten war außerdem der geringe Zusammenhang zwischen der N-Aufnahme und dem sichtbaren Spektralbereich von 520–580 nm zu 400–510 nm zu allen EC-Stadien (vgl. Abb. 4 und 5). In mehreren wissenschaftlichen Arbeiten wurden bereits Photochemical-Reflexions-Indizes (PRI) im sichtbaren Spek­tralbereich untersucht (Nilsson, 1995; Sims und Gamon, 2002; Rasmussen et al., 2015). Dabei wurden Beziehungen zum Xanthophyllprozess hergestellt (Sims und Gamon, 2002). Anhand der Konturkarten konnte auch bewiesen werden, dass mit der visuellen Bonitur des menschlichen Auges keine eindeutige Aussage über den Versorgungszustand der Pflanzenbestände getroffen werden kann. Beweis dafür sind die geringen Korrelationen im sicht­baren Spektralbereich.

Die Versuchsdauer von einem Jahr ermöglichte den Nachweis der Effektivität der untersuchten Methodik. Sie sollte jedoch in mehrjährigen Versuchen validiert werden. Anhand eines solch kurzen Zeitraumes kann keine allgemein gültige Schlussfolgerung für folgende Jahre formuliert werden. Bei der Auswertung der Messdaten sind neben dem Regressionsverfahren auch die verwendeten Düngestufen, die in der Studie bewusst eng gewählt wurden, um die Grenzen der Untersuchungen zur ermitteln, für den Erfolg eines Index verantwortlich. Für die Optimierung der Düngung ist von ebenso großer Bedeutung eine signifikante Differenzierung im Bereich hoher N-Aufnahmemengen (200–240 kgN/ha). Viele der untersuchten Spektralindizes konnten lediglich N-Aufnahmemengen bis 130 kg N/ha bei EC 39 und 170 kg N/ha zum Messtermin EC 65 detektieren. Darüber hinaus zeigten sich Sensitivitätseffekte, so dass für diese Bestände keine Aussage abgeleitet werden kann.