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Precision Farming

Digitaler Acker mit Sensoren und GPS

Die Landwirtschaft ist bereits digital: Software warnt vor Schädlingen und Sensoren mit GPS analysieren das Feld. Bonner Forscher arbeiten mit Hochdruck an einer Bodenanalyse in Echtzeit.  // Von Steffen Schurr und Benjamin Freundt

07.06.2017//Ein Versuchsfeld in Poppelsdorf, direkt neben der Autobahn gelegen; ab und zu ist ein LKW-Horn zu hören. Auf dem Feld lenkt der Forscher Stefan Pätzold den Traktor. Geladen hat er einen länglichen Kasten, der den Boden misst. Nur 200 Meter entfernt vom Feld liegt Pätzolds eigentlicher Arbeitsort: das Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn. Seit den 2000er Jahren arbeiten Forscher wie Pätzold an Sensor-Techniken, die automatisch herausfinden sollen, wie sich Böden zusammensetzen. Das Schlagwort ihrer Forschung heißt Precision Farming. Warum? Weil der Landwirt damit Dünger spart, was gut für die Umwelt ist. Die durch Gülle verursachten Nitratkonzentrationen in den Böden sind in Deutschland nämlich hoch.

Bodenart wird automatisch erkannt

Bisher läuft es so: Der Landwirt entnimmt an verschiedenen Stellen des Ackers Bodenproben, die dann im Labor untersucht werden. Am Ende erhält er einen Mittelwert, wie sein Boden zusammengesetzt ist. Mit den Empfehlungen der Landwirtschaftskammer kann er nun die auszubringende Menge an Dünger festlegen.


Das Versuchsfeld in Poppelsdorf wird zu Demonstrationszwecken mit einem Gammaspektrometer abgefahren // Quelle: Benjamin Freundt

Der Ansatz der Forscher aus Bonn ist anders: Die Probenentnahme soll zukünftig entfallen, die Messung übernimmt das Gammaspektrometer kombiniert mit GPS. Das ist präziser, weil das Gerät meterweise die Zusammensetzung des Bodens misst. Zudem beauftrage der Landwirt auf großen landwirtschaftlichen Flächen häufig Dienstleister, die die Felder einheitlich düngen, weil sie die Flächen im Detail nicht kennen. Daher helfe es, die neue Technik dort einzusetzen, um Dünger zu sparen, so Pätzold. Laut Bauernverband nimmt die Zahl der kleinen Betriebe in Deutschland stetig ab, große Betriebe mit mehr als 100 Hektar landwirtschaftlich genutzer Fläche nehmen hingegen zu.

Dafür wird an zwei Verfahren geforscht

Es ist wichtig zu verstehen, dass sich Böden in Schluff, Sand und Ton einteilen lassen. Tonböden beispielsweise können Nährstoffe besser speichern als Sandböden und benötigen daher weniger Dünger. Zudem haben alle Böden eine natürliche radioaktive Strahlung, weil sie Kalium, Uran und Thorium enthalten. Diese Elemente befinden sich seit Entstehung der Erde in unseren Böden.

Natürliche Strahlung und Licht werden genutzt

Durch diese natürliche Strahlung lässt sich die Bodenart bestimmen. Die Forscher wissen, dass jedes 5555. Kaliumisotop im Boden radioaktiv ist und nutzen dies: Das Teilchen wird durch ein Gammaspektrometer gemessen. Wenn die Strahlung auf den im Messgerät verbauten Natrium-Iodid-Kristall trifft, blitzt es. Dieser Blitz wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und als Messpunkt auf einem Laptop ausgegeben. Das zweite Verfahren ist die optische Spektroskopie. Hier misst ein streichholzgroßer Sensor die Reflexion langwelliger Lichtstrahlen und stellt sie in einem Spektrum dar. Ein aktives Verfahren, das eine künstliche Strahlenquelle braucht. Es sei daher am besten, wenn der Acker kurz vor oder nach der Saat mit der optischen Spektroskopie gemessen wird, so Pätzold.

Algorithmen werten die gesammelten Daten aus

Beide Verfahren sammeln erst einmal nur Daten. Die Übersetzung und die bodenkundliche Interpretation ist die eigentliche Arbeit der Forscher.


Die gesammelten Daten werden mittels Software dargestellt // Quelle: Benjamin Freundt

Mit Hilfe mathematischer Modelle und Vergleiche mit Referenzbodenproben können die Forscher aus den Messwerten für Kalium, Uran und Thorium eine Beziehung zu den Bodenarten Ton, Schluff und Sand herstellen. Die Messpunkte sind mit GPS-Koordinaten versehen und auf einer Karte farblich dargestellt. Anhand einer solchen Karte, die die unterschiedlichen Bodenarten im Feld anzeigt, könnte ein Landwirt zukünftig sein Düngeverhalten an die Unterschiede im Boden anpassen. "Fragestellungen kommen zwar aus der Praxis, unsere primäre Aufgabe als Universität ist es nicht, Verfahren bis zur kommerziellen Praxisreife zu entwickeln", so Pätzold.

Bilderstrecke 1/2: Forschung am Versuchsfeld

Wetterstation und Software geben Empfehlungen ab

Landwirt Cornel Lindemann-Berk hat einen großen Ackerbaubetrieb in Frechen bei Köln. 390 Hektar, das entspricht 550 Fußballfeldern. Um diese Fläche zu bewirtschaften, setzte er früh auf moderne Technik: GPS-gesteuerte Maschinen, ultraschallgesteuerte Spritz-Gestänge und eine Wetterstation mit einer Software für das Pflanzenmanagement.


Landwirt Cornel Lindemann-Berk vor seinem Gut Neu-Hemmerich // Quelle: Benjamin Freundt

Die Software kennt alle Felder seines Guts und weiß, was wo und wann wächst. So ein Prognosesystem in Verbindung mit Daten aus seiner Wetterstation sagt mögliche Krankheiten voraus und empfiehlt Pflanzenschutz. Betriebsleiter Martin Krist möchte sich darauf nicht verlassen. "Technik und Prognoseprogramme sind toll, um zu sehen, wie lange der Pflanzenschutz reicht. Es geht aber nichts über Erfahrung und Fingerspitzengefühl." Das System ist in der Anwendung kostengünstig, da keine weiteren Sensoren für die Bodenanalyse benötigt werden.

Bilderstrecke 2/2: Moderne Technik im Ackerbau

Lindemann-Berk kennt seine Böden, er lässt sie seit 40 Jahren im Labor analysieren. Ganz ohne Sensoren geht es aber auch bei ihm nicht: Neben Sensoren der Wetterstation, die die Bodenfeuchte messen, nutzt er auch Ultraschallsensoren. Sie halten die 32 Meter langen Spritz-Gestänge für Dünger und Pflanzenschutz in Position. Da der Abstand zum Feld beim Spritzen geringer ist, spart er Dünger und Pflanzenschutz. Eine einzige Erfassung mit GPS reicht aus, damit die Traktoren präzise die Spur halten. Das Feld wird dadurch perfekt genutzt und Überlappungen beim Spritzen vermieden.

Ein Landwirt ernährt heute mehr Menschen

Interview mit Prof. G. Günter Voß // Video: Steffen Schurr und Benjamn Freundt

1950 ernährte ein Landwirt in Deutschland zehn Menschen, heute sind es dagegen 155. Trotz dieser Steigerung führte der Einsatz von neuen Techniken laut Bauernverband dazu, dass die Arbeitszeiten in der Landwirtschaft stetig zurückgegangen seien. Ob der Landwirt durch Precision Farming bald nur am Bürotisch sitzt, kann niemand vorhersagen. Fraglich ist auch, ob sich kleine Betriebe die neuen Techniken überhaupt leisten können. Zumindest kann Precision Farming dem Landwirt Arbeit abnehmen, denn die Überalterung der Gesellschaft macht auch vor der Landwirtschaft keinen Halt. Ein Drittel der Landwirte in Deutschland ist älter als 55 Jahre.

Vision der Forscher: Bodenerkundung in Echtzeit

Die Vision der Bonner Forscher ist ein ganzheitliches System. Böden sollen gezielt nach der von ihnen entwickelten Bodenkarte bewirtschaftet werden können, so dass neben dem Dünger auch die Pflanzengesundheit beachtet werden kann.


Die Karte zeigt die Unterschiede im Boden // Quelle: Universität Bonn

Ein erster Schritt ist das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Verbundprojekt "BonaRes-I4S", bei dem Agraringenieure mit Elektrotechnikern und Informatikern interdisziplinär zusammenarbeiten. Ziel ist es, ein Multi-Sensor-System zu entwickeln, das die Bodenart, Nährstoffe, den Humus und pH-Wert im Boden misst. In Echtzeit!

Ein Artikel von Benjamin Pablo Freundt und Steffen Schurr

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Die Autoren

 

Steffen Schurr und Benjamin Pablo Freundt