Digitale Technologien für den Blick in den Boden

Weltbodentag

Böden sind eine empfindliche und in Folge intensiver Landwirtschaft auch häufig strapazierte Ressource. Wissenschaftler*innen des ATB entwickeln daher digitale Lösungen für eine ressourcenschonende und umweltgerechte Bodenbewirtschaftung. Mit dem Weltbodentag am 5. Dezember erinnern die Welternährungsorganisation (FAO) und die Vereinten Nationen (UN) daran, für eine nachhaltige Bewirtschaftung der Bodenressourcen einzutreten.

Manchmal genügt bereits ein Blick vom Feldrand auf den Acker, um die Unterschiede mit bloßem Auge zu erkennen: An manchen Stellen bietet der Boden den Pflanzen bessere Wachstumsbedingungen als an anderen. Bei der Düngung und anderen Bearbeitungsmaßnahmen sollten diese Unterschiede berücksichtigt werden, um beispielsweise auf manchen Teilflächen eine Nährstoffunterversorgung, gleichbedeutend mit Ertragsverlusten, zu vermeiden.

Andernorts gilt es, eine Überversorgung zu verhindern, die Umweltbelastungen zur Folge hätte und einer Verschwendung von Ressourcen gleichkäme. Maßnahmen zur Düngung oder Bodenbearbeitung erfolgen allerdings häufig noch flächeneinheitlich. Für eine an Teilflächen angepasste und damit ressourcenschonende Bodenbewirtschaftung ist eine detaillierte Erfassung der räumlichen Unterschiede des Bodens Voraussetzung.

Wissenschaftler*innen des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie entwickeln daher sensorgestützte Technologien, um einen „Blick in den Boden“ zu ermöglichen – differenziert für nahezu jeden Quadratmeter.

Im Projekt I4S „Intelligence for Soil“ geht es um die Entwicklung eines Systems aus Bodensensoren, Modellen und Entscheidungsalgorithmen, das eine bedarfsgerechte Steuerung der Düngung und damit den Erhalt oder die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit ermöglichen soll. Im Fokus der Forscher steht die Entwicklung einer mobilen Sensorplattform, die bei der Fahrt über das Feld Daten zu Nährstoffgehalten, pH-Wert, organischer Substanz, Textur usw. erfassen soll. Verschiedenste Sensoren, u. a. ionenselektive Elektroden, Geoelektrik, laserinduzierte Plasmaspektroskopie, Raman-, Gamma-, Röntgenfluoreszenz- sowie visuelle und Infrarotspektroskopie (VisNIR, MIR) auf der Plattform werden einmal räumlich hoch aufgelöste Daten liefern, aus denen sich Bodenkarten erstellen lassen.

Die Informationen über physikalische und chemische Bodeneigenschaften werden entweder direkt in Karten zum Nährstoffbedarf verrechnet oder in dynamische Boden-Prozess-Modelle integriert, um Aussagen über den Wasser- und Nährstoffstoffumsatz zu treffen und das Pflanzenwachstum bzw. die Ertragsbildung teilflächenspezifisch vorherzusagen. Ergebnis der Forschung wird ein Entscheidungsunterstützungssystem sein, das Landwirten passgenaue ortsspezifische Empfehlungen u. a. für die Düngung mit Stickstoff, Phosphor, Kalium und Kalk liefert.

Eine simultane Messung mehrerer ertragsrelevanter Bodeneigenschaften mit nur einer Überfahrt bedarf einer Kombination verschiedener Sensorsysteme. Um die Sensortechnik für den kombinierten Feldeinsatz auf der Multisensorplattform anzupassen, ist ein enges Zusammenspiel aus Grundlagenforschung und anwendungsorientierter Erprobung erforderlich. „Manche Systeme sind auf Laborebene, andere bereits für den mobilen Einsatz im Feld erprobt. Die Terahertz-Spektroskopie testen wir hier erstmals am Medium Boden“, erläutert Dr. Sebastion Vogel, Leiter des Projekts I4S. „Die Fusion der Sensordaten und deren Verarbeitung mit Methoden des maschinellen Lernens wird die Vorhersage verschiedener Bodeneigenschaften deutlich verbessern.“

Einen Schritt weiter in der Praxis angekommen, ist das Projekt “pH-BB: Präzise Kalkung in Brandenburg“. Hier geht es um ein praktikables Management der Bodenazidität von landwirtschaftlichen Betrieben in Brandenburg. Der pH-Wert beeinflusst gleich mehrere ertragsrelevante Bodeneigenschaften wie die Nährstoffverfügbarkeit, Schadstoffmobilität oder Bodenstruktur. In Brandenburg sind aktuell nur etwa 30 Prozent der Ackerflächen optimal mit Kalk versorgt.

Auf rund 70 Prozent der Flächen verursachen dagegen zu hohe oder zu niedrige pH-Werte Ertragsminderungen. Um einen raschen Einstieg in die Präzisionskalkung mithilfe mobiler Bodensensoren zu entwickeln, arbeiten im Projekt pH-BB Forscher, landwirtschaftlicheDienstleister und Praktiker eng zusammen. Die drei kalkungsrelevanten Bodeneigenschaften Textur, Humusgehalt und pH-Wert werden mit Hilfe einer Sensorplattform (Veris Technologies) erfasst. Die Studien zeigen, dass nur wenige Referenzbeprobungen mit Hilfe chemischer Analysen erforderlich sind, um viele Hunderte von Sensormessungen zu kalibrieren und auf dieser Basis exakte Bodenkarten zu erstellen.

„Die Kartierung liefert eine sehr genaue kleinräumige Auflösung mit Kacheln von etwa zwei Quadratmetern. Diese feinen Unterschiede gilt es bei der Kalkdüngung zu berücksichtigen, auch um die Über- bzw. Unterversorgung aufgrund der Düngungspraxis der vergangenen Jahre auszugleichen“, erklärt Dr. Sebastian Vogel. „Jetzt brauchen wir nur noch geeignete Kalkstreuer, die diese kleinräumigen Unterschiede in der Praxis künftig auch umsetzen können.“

Technologien für ortsspezifische Düngung und Bodenbearbeitung sind in der Landwirtschaft noch nicht weit verbreitet und gelten bisher als zu aufwendig und teuer. „Die Notwendigkeit einer genaueren Bodenkartierung und teilflächenspezifischen Düngung ist angesichts immer strengerer gesetzlicher Düngevorgaben aber unbestreitbar“, ist ATB-Experte Vogel überzeugt.

„Der Mehraufwand einer umfassenden Bodenkartierung mit Sensoren, beispielsweise durch einen Dienstleister, wird sich für die Landwirte lohnen. Langfristig sind dadurch eine verbesserte Nährstoffversorgung, Bodenbiologie und Wasserspeicherkapazität der Böden und damit stabilere und höhere Erträge zu erwarten.“

Das Projekt „pH-BB: Präzise Kalkung in Brandenburg“ wird im Rahmen der Europäischen lnnovationspartnerschaft „Landwirtschaftliche Produktivität und Nachhaltigkeit“ (EIP-AGRI) gefördert. Die Mittel werden über die Investitionsbank des Landes Brandenburg (ILB) ausgereicht. http://ph-bb.com/

„Integriertes System zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit (Intelligence for Soil – I4S)“ ist einer von zehn interdisziplinären Verbünden, die unter dem Dach der 2015 gestarteten und langfristig angelegten Fördermaßnahme des BMBF „BonaRes – Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie“ (https://www.bonares.de) wissenschaftliche Grundlagen für eine nachhaltige Bodennutzung erarbeiten. Der Verbund, in dem zehn Forschungseinrichtungen intensiv zusammenarbeiten, wird vom Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) koordiniert. http://i4s.atb-potsdam.de

Die Forschung des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) an der Schnittstelle von biologischen und technischen Systemen hat das Ziel, Grundlagen für nachhaltige bioökonomische Produktionssysteme zu schaffen. Dazu entwickelt und integriert das ATB neue Technologien und Managementstrategien für eine wissensbasierte, standortspezifische Produktion von Biomasse und deren Nutzung für die Ernährung, als biobasierte Produkte und Energieträger – von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Sebastian Vogel – Projektkoordination I4S
Tel.: 0331 5699-426, E-Mail: svogel@atb-potsdam.de

Originalpublikation:

DWORAK, V.; MAHNS, B.; GEBBERS, R.; WELTZIEN, C.: Hyperspectral imaging Tera Hertz system for soil analysis: Initial results. Sensors 20 (19): 5660, 2020. https://doi.org/10.3390/s20195660

BÖNECKE, E.; MEYER, S.; VOGEL, S.; SCHRÖTER, I.; GEBBERS, R.; KLING, C.; KRAMER, E.; LÜCK, K.; NAGEL, A.; PHILIPP, G.; GERLACH, F.; PALME, S.; SCHEIBE, D.; ZIEGER, K.; RÜHLMANN, J.: Guidelines for precise lime management based on high-resolution soil pH, texture and SOM maps generated from proximal soil sensing data. Precision Agriculture: 1-31, 2020. https://doi.org/10.1007/s11119-020-09766-8

Weitere Informationen:

https://youtu.be/prRryb-frCY Youtibe-Video „Warum lohnt sich präzises Kalken“

https://www.atb-potsdam.de