Berührungslose Verfahren zur Bonitur von Pflanzenbeständen bei

Revolutioniert die Sensortechnik die
Stickstoffdüngung?
F.-X. Maidl
Lehrstuhl Ökol. Landbau und Pflanzenbausysteme
TU München-Weihenstephan
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Gliederung
• Warum teilflächenspez. N-Düngung?
• Sensorik zur Erfassung des Nährstoffstatus
von Pflanzen: Reflexionsmessungen
• Mess-und Düngealgorithmen
am Beispiel Wi-Weizen
• Ergebnisse zur teilflächenspez. Düngung
• Zusammenfassung
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
N-Düngermenge [kg ha-1]
200
Niedrig
Mittel
Hoch
160
120
80
A15 / 1994
A20 / 1994
A16 /1995
A21 / 1995
Schlag / Jahr
Korn-Stickstoffaufnahme von Winterweizen auf ausgewählten
Schlägen des Versuchsgutes Scheyern
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Gliederung
• Warum teilflächenspez. N-Düngung?
• Sensorik zur Erfassung des Nährstoffstatus
von Pflanzen: Reflexionsmessungen
• Mess-und Düngealgorithmen
am Beispiel Wi-Weizen
• Ergebnisse zur teilflächenspez. Düngung
• Zusammenfassung
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Feldspektrometer im Einsatz
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Reflexionsspektren von Winterweizen
Reflexionsgrad
0,6
0N
20 N
40 N
60 N
0,4
0,2
0
360
450
540
630
720
810
900
Wellenlänge [nm]
Sorte Aristos (EC39)
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Vegetationsindices
Vegetationsindex
Berechnung
Beziehung zu
IR / R
ratio infrared/red
780/670
Biomasse
IR / I1
ratio infrared/infrared
740/730
Biomasse
IR / I2
ratio infrared/infrared
740/720
Biomasse
IR / G
infrared/green
780/550
N-Gehalt
(800-670)/(800+670)
Biomasse
NDVI normalized diff. veg. index
SAVI
soil adjusted veg. index
(1+B)(800-670)/800+670+B)
Biomasse
REIP
red edge inflection point
700+40((670+780)/2700)/(740-700)
N-Gehalt, LAI
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Anforderungen an Vegetationsindices
• Abbildung der Meßgröße (N-Aufnahme)
• Sortenunabhängigkeit
• Stabil geg. Umwelteffekten
(Strahlung...)
• Großer Messbereich (Sättigung)
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Bestimmtheitsmaße [R²] verschiedener
Vegetationsindizes zur N-Aufnahme von W-Weizen
(Dürnast, Mittel über alle Sorten und N-Stufen)
HWP
NDVI
IRR
IRG
IRI 1
IRI 2
SAVI
0,9
0,8
0,7
[r²]
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
EC 30
Department Pflanzenwissenschaften
EC 32
EC 37
EC 49
Vegetationsstadien 2002
F.-X. M a I d l
Cortez
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
EC 65
Bedeutung des Sortenhabitus von Winterweizen auf die
Ausprägung verschiedener Vegetationsindices
(Relativwerte)
Vegetationsindizes
Sorte
HWP
NDVI
IRR
IRG
115,7 b
Cortez
100,0 a 103,7 b
135,9 b
Flair
100,0 a 101,2 ab
99,3 a
IRI 1
98,5 a
IRI 2
SAVI
105,9 b
106,3 a
100,0 a 100,0 a
102,2 ab 102,1 a
Orestis
99,9 a 103,7 ab 114,5 a
102,9 a
99,3 a
101,1 ab 104,2 a
Pegassos
99,9 a 102,5 ab 107,6 a
95,7 a
98,5 a
101,6 ab 103,2 a
Xanthos
100,0 a 100,0 a
Department Pflanzenwissenschaften
100,0 a
100,0 a 100,0 a
100,0 a
100,0 a
F.-X. M a I d l
Relative Werte ausgewählter Vegetationsindices in
Abhängigkeit von der Tageszeit
(Mittel über Versuchsfaktoren 'Sorte', 'N-Düngung', 'EC-Stadium')
Vegetationsindex
Tageszeit
REIP
NDVI
RVI
IRI
morgens
99,9
98,4
92,6
96,3
mittags
99,9
92,4
66,3
97,2
abends
100
100
100
100
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Vergleich der Abbildung der N-Aufnahme von
Winterweizen durch den REIP bzw. den NDVI
zu EC 32
728
724
NDVI
HWP [nm]
726
722
720
y = -0,001x2 + 0,223x + 716,244
R2 = 0,882
718
0,95
0,90
0,85
0,80
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
y = -0,0001x2 + 0,0118x + 0,5532
R2 = 0,7761
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
N-Aufnahme [kg N ha-1]
N-Aufnahme [kg N ha-1]
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Gliederung
• Warum teilflächenspez. N-Düngung?
• Sensorik zur Erfassung des Nährstoffstatus
von Pflanzen: Reflexionsmessungen
• Mess-und Düngealgorithmen
am Beispiel Wi-Weizen
• Ergebnisse zur teilflächenspez. Düngung
• Zusammenfassung
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Definition „Messalgorithmen“
Gleichungen zur Umrechnung von Sensordaten
in pflanzenbaulich relevante Größen
(Vegetationsindex – Stickstoffaufnahme)
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Stadienabhängigkeit des Sensorwertes
300
N-Aufnahme [kg/ha]
250
200
EC 30
EC 32
EC 37
EC 49
EC 65
150
100
50
0
715
720
725
Sensorwert
REIP [nm]
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
730
735
Gliederung
• Warum teilflächenspezifische N-Düngung?
• Grundlagen der Reflexionsmessung
– Reflexionskurven
– Vegetationsindices
– Messalgorithmen
• Charakterisierung am Markt angebotener
Reflexionssensoren
• Regelalgorithmen
• Ergebnisse zur Teilschlagdüngung
• Zusammenfassung
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Verfahren der Teilschlagdüngung
• Mapping
9 Steuerung der Düngung anhand historischer
Schlaginformationen (z.B. Boden-, Ertragskarten)
• Online
9 Steuerung der Düngung anhand der aktuellen
Pflanzenentwicklung
• Online mit Map-Overlay
9 Kombination von historischen Schlaginformationen
mit aktuellen Pflanzenentwicklungsdaten
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Mapping-Ansatz
• Basis für die Bemessung der Düngermenge
sind Boden- oder Ertragskarten
• Aktuelle Pflanzenentwicklung findet keine
Berücksichtigung
• Düngung wird vorab im Büro geplant
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Düngerbemessung bei „Mapping“
N-Aufnahmesoll nach Ertragspotential
hoch (9 t ha-1)
230 kg N ha-1
mittel (8 t ha-1)
205 kg N ha-1
Düngermenge
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
niedrig (7 t ha-1)
160 kg N ha-1
Düngerbemessung bei „Online“
Biomasseaufwuchs
Dünge-Sollwert
Untergrenze
Department Pflanzenwissenschaften
Düngermenge
Obergrenze
F.-X. M a I d l
Online-Ansatz
• Sensor erfasst Nährstoffstatus der Pflanzen
• Sensordaten werden in Echtzeit in
Düngeempfehlung umgesetzt
• Eine Regelkurve für gesamten Schlag
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Düngerbemessung bei „Online mit Map-Overlay“
Biomasseaufwuchs
N-Aufnahmesoll nach Ertragspotential
Hohes
Ertragspotential
Mittleres
Ertragspotential
Niedriges
Ertragspotential
vom Sensor
vom Sensor
aus Karte
aus Karte
vom Sensor
aus Karte
Düngermenge
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Online with MapOverlay
• Sensor erfasst Nährstoffstatus der Pflanzen
• Karte enthält weitere Informationen (z.B.
Ertragspotential)
• mehrere Regelkurven für unterschiedliche
Bereiche im Schlag (Ertragsbereiche)
• Sensor- und Kartendaten werden in Echtzeit
in Düngeempfehlung umgesetzt
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Optimale N-Aufnahmekurven für Winterweizen
Pflanzenbeobachtungsmodell TUM
200
N-Aufnahme
N-Aufnahme [kg/ha]
250
150
60dt
80dt
100dt
100
50
0
Entwicklungsstadium
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Optimale N-Aufnahmewerte für
Winterweizen
• Für unterschiedliche Ertragspotentiale der
Teilschläge von 5 bis 11 t/ha
• Für verschiedene Verwertungsrichtungen
(z.B. E-, A-, B-, C-, K-Weizen)
• Für verschiedene Entwicklungsstadien von EC
30 bis EC 65
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
N-Aufnahme [kg/ha]
Ermittlung der Düngermenge bei
unterversorgtem Bestand, System TUM
80dt
N-Düngung
Entwicklungsstadium
N-Düngung = (Zielwert zum Düngetermin - Aktuelle N-Aufnahme
+ N-Bedarf bis zur nächsten Düngung) x DIMA
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Ermittlung der Düngermenge bei
überversorgtem Bestand, System TUM
200
N-Aufnahme [kg/ha]
N-Aufnahme [kg/ha]
250
150
100
N-Düngung
80dt
50
0
Entwicklungsstadium
N-Düngung = (Zielwert zum Düngetermin - Aktuelle N-Aufnahme
+ N-Bedarf bis zur nächsten Düngung) x DIMA
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Faktor DIMA
•
•
•
•
D: Wirkungsdauer Dünger
I : N-Immobilisierung
M: N-Mineralisierung
A: Düngerausnutzungsrate
• Werte für einzelne Phasen: EC 30-32,
EC32-37, EC 37-49, EC 49-Ernte
• Werte für verschiedene Ertragspotentiale
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
N-Düngung von Brotweizen auf Teilschlägen
unterschiedlicher Ertragfähigkeit, System TUM
200
N-Aufnahme [kg/ha]
N-Aufnahme [kg/ha]
250
150
60dt
80dt
100dt
100
N-Düngung
50
0
Department Pflanzenwissenschaften
Entwicklungstadien
F.-X. M a I d l
Erforderliche Daten für die
teilfächenspezifische N-Düngung
System TUM
•
•
•
•
Kulturart (z.B. Winterweizen)
Verwertungsrichtung
Aktuelles Entwicklungsstadium der Pflanzen
Entwicklungsstadium zum nächsten
Düngetermin
• Ertragspotential des Teilschlags (durch Karte
hinterlegt)
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Gliederung
• Warum teilflächenspez. N-Düngung?
• Sensorik zur Erfassung des Nährstoffstatus
von Pflanzen: Reflexionsmessungen
• Mess-und Düngealgorithmen
am Beispiel Wi-Weizen
• Ergebnisse zur teilflächenspez. Düngung
• Zusammenfassung
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Streifenversuche Roggenstein 2009
Varianten:
(blau) Online 1
(rot) Online mit Kartenhinterlegung
(gelb) Online 2
(orange) Mapping-Ansatz
(grün) Betriebsüblich/schlageinheitlich
Mittleres Ertragspotential: 8 t/ha
Fläche: 27,3 ha
Parzellenzahl: 268
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Kornerträge der verschiedenen Düngesysteme
(Streifenversuch Roggenstein3)
120
Kornertrag [dt/ha]
110
100
99,7
98,1
90
96,1
93,3
87,8
80
8 t/ha
9 t/ha
10 t/ha
11 t/ha
Mittel
70
60
Yara1
Online
Online +
Karte
Online 2
Online
Department Pflanzenwissenschaften
Mapping
Einheitlich
F.-X. M a I d l
Ausgebrachte Düngermenge
(Streifenversuch Roggenstein3)
98,8
95,6
83,7
80
54,9
55,0
40
20
90
80
80,0
EC 49
70
60
57,2
50
40
36,8
42,1
30
20
13,4
10
0
0
Yara1
Online
Online +
Karte
Online2
Online
250
Mapping
Einheitlich
Yara 1
Online
Online +
Karte
Gesamt
200
Düngung [kg N/ha]
Düngung [kg N/ha]
100
60
8 t/ha
9 t/ha
10 t/ha
11 t/ha
Mittel
EC 32
Düngung [kg N/ha]
120
197,3
205,9
205,9
200,0
150
133,8
100
50
0
Yara 1
Online
Department Pflanzenwissenschaften
Online +
Karte
Online
Online 2
F.-X. M a I d l
Mapping
Einheitlich
Online 2
Online
Mapping
Einheitlich
Stickstoff-kostenfreie Leistung
(Streifenversuch Roggenstein3)
1200
1100
NkfL [€/ha]
1049
1000
996
976
996
984
900
800
8 t/ha
9 t/ha
10 t/ha
11 t/ha
Mittel
700
600
Online
Yara 1
Online +
Karte
Department Pflanzenwissenschaften
Online
Online2
Mapping
Einheitlich
F.-X. M a I d l
Korn-N-Bilanz (bei 13 % Rohprotein)
(Streifenversuch Roggenstein3)
80
60
N-Bilanz [kg/ha]
40
20
5
0
-20
-40
Online
Yara 1
Online +
Karte
10
Online
Online2
-39
-60
-80
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
17
Mapping
17
Einheitlich
8 t/ha
9 t/ha
10 t/ha
11 t/ha
Mittel
Kornerträge der verschiedenen Düngesysteme
(Streifenversuch Hirschau B)
85
Kornertrag [dt/ha]
80
75
72,8
70
69,9
69,6
68,9
65
60
55
5 t/ha
6 t/ha
7 t/ha
8 t/ha
Mittel
50
45
40
Online
Yara 1
Online + Karte
Department Pflanzenwissenschaften
Online 2
Online
Einheitlich
F.-X. M a I d l
Ausgebrachte Düngermenge
(Streifenversuch Hirschau B)
90
EC 32
60
60
57,7
60,0
56,9
50
40
30
20
5 t/ha
6 t/ha
7 t/ha
8 t/ha
Mittel
Düngung [kg N/ha]
77,0
70
EC 49
60,0
50
40
43,2
30
20
18,7
17,2
10
10
0
0
Yara1
Online
Online + Karte
Online
Online 2
Düngung [kg N/ha]
Düngung [kg N/ha]
80
70
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Einheitlich
Gesamt
170,2
126,5
Online
Yara1
Department Pflanzenwissenschaften
Online
Yara 1
Online +
Karte
F.-X. M a I d l
Online + Karte
170,0
124,1
Online 2
Online
Einheitlich
Online 2
Online
Einheitlich
Stickstoff-kostenfreie Leistung
(Streifenversuch Hirschau B)
900
850
800
NkfL [€/ha]
750
759
742
700
650
668
663
600
550
5 t/ha
6 t/ha
7 t/ha
8 t/ha
Mittel
500
450
400
Online
Yara 1
Online + Karte
Department Pflanzenwissenschaften
Online 2
Online
Einheitlich
F.-X. M a I d l
Korn-N-Bilanz (bei 13 % Rohprotein)
(Streifenversuch Hirschau B)
80
N-Bilanz [kg/ha]
60
40
35
33
20
0
Online
Yara 1
Online + Karte
-10
-20
Online 2
Online
-19
-40
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Einheitlich
5 t/ha
6 t/ha
7 t/ha
8 t/ha
Mittel
ISARIA mit TUM-Düngealgorithmen
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Sensorkopf
Isaria
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Zusammenfassung I
Wichtige Komponenten eines Sensorsystems für eine
teilflächenspezifische N-Düngung sind:
• Geeigneter Vegetationsindex
• Stadienspezifische Messalgorithmen
• kultur- und verwertungsspezifische Applikationsalgorithmen
• Kombination von Sensordaten mit Daten zum Ertragspotential
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Zusammenfassung II
• Reflexionssensoren werden das Analysegerät für den Landwirt
der Zukunft werden.
• Der Trend geht zu multispektralen Sensoren.
• Künftige Sensoren werden mit viel „Intelligenz“ ausgestattet
werden.
• Reflexionssensoren mit entsprechender „Intelligenz“ werden
den Pflanzenbau revolutionieren!
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l
Vielen Dank,
ich freue mich auf eine angeregte
Diskussion!
Department Pflanzenwissenschaften
F.-X. M a I d l