Digitales Wassersparen
Das Projekt AgriSens Demmin 4.0 untersucht Fernerkundungstechnologien für die Digitalisierung der Landwirtschaft. Der Anwendungsfall „Bewässerung“ erforscht die ressourcenschonende Zusatzberegnung.
Von Dr. Julia Pöhlitz, Jan Lukas Wenzel, Thomas Piernicke, Hartmut Giermann
Der Wasserbedarf ist definiert als eine bestimmte Menge Wasser, die für jede Pflanze vorhanden sein muss. Dies ist aufgrund der zunehmend ungleich verteilten Niederschläge im Jahresverlauf nicht immer gegeben. Der Bewässerungsbedarf ergibt sich aus dem mengenmäßigen Defizit des pflanzenverfügbaren Wassers im Wurzelraum.
Die Bewässerungszeitpunkte werden sowohl durch die Rate der Wasserverteilung im Boden beeinflusst als auch durch die vorhergesagte Menge an Niederschlag innerhalb der folgenden Tage und durch die Fähigkeit der Pflanze, mit kurzeitigem Wasserstress umgehen zu können.
Vom Bewässerungsbedarf abzugrenzen ist die Bewässerungswürdigkeit. Diese ergibt sich aus den vorhandenen Kulturen und aus dem Wasserspeichervermögen des Bodens. Kennzeichnend ist die Beachtung von wirtschaftlichen Faktoren und natur- und umweltschutzspezifischer Aspekte.
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Das sind die Probleme
In Zeiten zunehmender extremer Witterungsereignisse erfordert das landwirtschaftliche Beregnungsmanagement eine genauere Planung der Beregnungsgänge bei gleichbleibenden Erträgen und konstanter Qualität. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der teilschlagspezifischen Beregnungsplanung. Unterschiedliche Beregnungsmengen sollen je nach den physikalischen und hydraulischen Bodeneigenschaften, dem Entwicklungsstand der Pflanze und den aktuellen meteorologischen Bedingungen innerhalb eines Schlages ausgebracht werden. Dies erfordert die Nutzung von vielfältigen Feldmessdaten und Tools zur effizienten Beregnungssteuerung unter Einbindung der praktischen Erfahrung und Expertise.
Zudem bedingt es für die Umsetzung einer optimal gestalteten Beregnung verlässliche Wetterdaten und einer möglichst genauen Wettervorhersage. Die Wetterdaten der nächstgelegenen Wetterstation können auch bei kleinräumiger Entfernung ungenau sein. Vor allem der Niederschlag kann lokal sehr variabel ausfallen, sodass der an der Wetterstation gemessene Niederschlag für den Schlag nicht repräsentativ ist.
Bewässerung: Das ist der Ansatz
Das Verbundprojekt AgriSens Demmin 4.0 untersucht die Eignung von Fernerkundungstechnologien für die Digitalisierung in der Landwirtschaft anhand mehrerer, thematisch unterschiedlich gerichteter Anwendungsfällen den Bereichen Ertragsabschätzung, nachhaltige Bewirtschaftung, Steinerfassung und Bewässerung. Wir untersuchen innerhalb des Anwendungsfalls „Bewässerung“ die ressourcenschonende Anwendung von Zusatzberegnung zur Ertrags- und Qualitätssicherung, welche eine der größten landwirtschaftlichen Herausforderungen darstellt.
Damit wird modelliert
Der Anwendungsfall „Bewässerung“ verbindet aus Fernerkundungsdaten abgeleitete Informationen zur räumlichen Verteilung von Bodenparametern, in-situ-Messungen der Bodenfeuchte und kulturspezifischen Faktoren in Modellen, welche eine räumliche Verteilung des Bewässerungsbedarfs zum Ergebnis haben. Diese Modelle sollen die Grundlage für eine Implementierung von digitalen Prozessen in die Landwirtschaft und somit als Entscheidungshilfe dienen.
Das vorhandene Klimamessnetz in Demmin (betrieben durch das Geoforschungszentrum Potsdam, GFZ, und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR) liefert ausreichend Daten, um die benötigten Wassermengen für einen Schlag zu berechnen, hingegen können diese noch nicht teilflächenspezifisch geplant werden.
Genau hier setzt der Anwendungsfall „Bewässerung“ an: Eine teilflächenspezifische Planung der Beregnungsmengen und -Zeitpunkte würde das Wasser bedarfsgerecht ausbringen, sodass eine Übernutzung des Wassers vermieden wird und gleichzeitig die Wasserentnahmeorgane entlastet werden.
In Feldversuchen wird untersucht, wie sich die Ertrags- und Qualitätssicherheit durch unterschiedliche Bewässerungsstrategien, Bodenbedingungen und Kartoffelsorten verändern. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) werden anhand dieser Informationen in Kombination mit aktuellen Wettervorhersagemodellen optimierte teilflächenspezifische Bewässerungsszenarien erarbeitet.
Um eine ressourcen- und umweltschonende Ausbringung von Beregnungswasser zu ermöglichen, sollen Informationsprodukte, die von existierender Software aufgegriffen werden nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich differenziert den aktuellen Bewässerungsbedarf aufzeigen.
Zusätzlich bietet die Verbindung von Fernerkundungsdaten und Daten der lokalen Messstationen die Chance einer Optimierung von Betriebsabläufen zur effizienteren Beregnungsplanung und -steuerung. Zielführend ist daher eine Verringerung der unproduktiven Wasserverluste durch die Anpassung der Diagnose- und Prognosemodelle für das Beregnungsmanagement, d. h. eine schnellere Anpassung an den aktuellen Witterungsverlauf. Zusätzlich findet kein Verlust über eine Tiefenversickerung statt und die Pflanze wird in einem guten Wasserversorgungsstadium gehalten. Optional kann das eingesparte Wasser für eine Zusatzversorgung parallel wachsender Bestände genutzt werden.
Ressourcenschonende Zusatzberegnung: Das sind die Gründe
Für das Beregnungsmanagement wie auch für den Wasserhaushalt selbst ist die genaue Kenntnis über den Niederschlag als Eingangsgröße und die Verdunstung als Ausgangsgröße von enormer Wichtigkeit.
Die Wirkung von Niederschlag und Verdunstung auf die Veränderung des Wasservorrates im Boden können über Methoden zur Berechnung des Bodenfeuchteverlaufes (Bodenfeuchtemodelle) bilanziert werden. In der Vielzahl bestehender Berechnungs- und Modellansätze werden die notwendigen Einflussgrößen von Pflanze, Boden, Wetter usw. in unterschiedlichem Ausmaß berücksichtigt und errechnen dem jeweiligen Modell entsprechend geeignete Werte.
Kriterien der Bodenfeuchte und der Verdunstung können die aktuelle und auch prognostische Situation des Bodens und des Pflanzenbestandes sehr einfach und vor allem zuverlässig kennzeichnen. Beispielsweise ist es üblich, die Bodenfeuchte in unterschiedlichen Tiefenmächtigkeiten des Bodens zu charakterisieren (z. B. in Prozent der nutzbaren Feldkapazität). Für die Beurteilung der Bodenfeuchtesituation ist es dann hilfreich, tiefenbezogene Bodenfeuchteunterschiede zu erkennen.
Diese Ausführungen bilden auch die Grundlage der zwei Ansätze, die im Anwendungsfall „Bewässerung“ zuerst separat verfolgt werden. Einerseits wird das Bodenfeuchtedefizit über die Wurzelwasseraufnahme mithilfe von Feldmessungen zu Bodenkenndaten, Phänologie und Wetterdaten ermittelt. Andererseits wird der Verdunstungs- (und somit Beregnungs-)bedarf über den Blattflächenindex, welcher integraler Bestandteil von Verdunstungsmodellen ist, ermittelt.
Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit, der Kombination flächenhaft verfügbarer Fernerkundungsinformationen mit Bodenkenndaten, Phänologie und Wetterdaten auf einer rasterbasierten Anwendung. Anschließend sollen beide Ansätze in einem Programmtool kombiniert werden und somit zur landwirtschaftlichen Entscheidungsfindung auf digitaler Basis beitragen.
Hier wird untersucht
Der Untersuchungsort Bentzin liegt in Mecklenburg-Vorpommern, unmittelbar südlich der Peene. Das Gebiet hat einen mittleren Jahresniederschlag von etwa 550 mm bei ausgeprägter Vorsommertrockenheit. In den Monaten April bis Juni fallen ca. 70 bis 150 mm Niederschlag. Die Böden der Region besitzen Bodenpunkte im Bereich 18–37.
Aufgrund der zu geringen Niederschläge reagieren vor allem die wasserintensiven Kulturen Zuckerrübe und Kartoffel mit deutlichen Ertragseinbußen. Letztere vertritt ein Drittel in der Fruchtfolge der Bentziner Ackerbau GmbH, die insgesamt 1.700 ha Fläche bewirtschaftet. Im Zuge des Einsatzes der Beregnung zeigte sich immer mehr, dass nicht nur die Stärke- und Verarbeitungskartoffeln, sondern ebenso Pflanzkartoffeln, Zuckerrüben und auch das Getreide unter den gegebenen klimatischen und betrieblichen Bedingungen beregnungswürdig sind. So folgte auch die Ausweitung der Beregnung auf andere Kulturen wie Zuckerrübe, Weizen, Roggen und Gerste.
Elektrisch und Diesel
In den letzten Jahren hat sich in Bentzin gezeigt, dass eine optimal eingesetzte Beregnung den Ertragseinbußen erfolgreich entgegenwirken. Der gegenwärtige Stand der Beregnung wird durch zwei elektrisch und eine mit Dieselaggregat betriebene Pumpstationen mit einer Leistung von insgesamt 1.500 m3/h realisiert. Die Wasserentnahme erfolgt aus der Peene (110 kW, ca. 1.300 m3/h bei 12 bar) und dem Kiessee Zarrenthin (200 m3/h bei 12 bar). Dabei werden 13 mobile Beregnungsmaschinen (Schlauchtrommel), teils mit Regnereinzug oder Maschinenvorschub, verwendet. Damit können 90 % der Fläche beregnet werden. Die Pumpstationen können mittels PC oder Smartphone überwacht und alle Steuerungsaktionen ausgelöst werden.
Das wird untersucht
Für eine teilschlagspezifische Beregnungsplanung sind neben Wetterdaten insbesondere Bodeninformationen und die Besonderheiten bestimmter Kulturen und Sorten erforderlich. Diese lassen sich ganzheitlich üblicherweise nur im Rahmen großflächiger Feldversuche erfassen. Zentrales Element ist die Erfassung der Matrixpotenzialdynamik innerhalb der Vegetationsperiode über Messungen der Bodenfeuchte. Zusammen mit phänologischen Informationen erfolgt eine Modellierung der im Feld getesteten Bedingungen. Voraussetzung dafür ist die Bestimmung bodenphysikalischer und bodenhydrologischer Randbedingungen (Horizontmächtigkeiten, Textur, Trockenrohdichte, Retentionseigenschaften und hydraulische Wasserleitfähigkeit) am Ort der Messsensorik durch horizontspezifische bzw. den Sonden entsprechende Tiefenbeprobungen und anschließende Laboranalysen.
Vordergründig sind die Analyse und die anschließende Modellierung der Bodenfeuchtedynamiken bei unterschiedlichen Bewässerungsmengen unter Beachtung von möglichen Ertrags- und Qualitätsveränderungen der Hochamylopektin-Kartoffelsorte „Henriette“. Dieses Feldexperiment findet in der Vegetationsperiode 2021 auf dem Schlag „Schwämme“ des Bentziner Ackerbaubetriebes am Beispiel der Kartoffelsorte „Henriette“ statt.
In dem diesjährigen Versuch befinden sich auf einer homogenen, sandig-lehmigen Fläche vier Plots innerhalb eines Bewässerungstransektes mit einer Größe von 75x 172 m. In Plot 1 erfolgt eine defizitäre Bewässerung (ca. 80 % der Normalberegnung). Diese umfasste 2021 (je nach Witterungsbedingungen) ca. 90 mm/m² bei fünf Bewässerungsdurchgängen (1 x 15 mm/m², 1 x 16 mm/m², 1 x 17,6 mm/m², 2 x 20 mm/m²). In Plot 2 erfolgt eine weitere defizitäre Bewässerung von 90 % der Normalberegnung (= 1 x 15 mm/m², 1 x 18 m/m², 1 x 19,8 mm/m², 2 x 22,5 mm/m²) und in Plot 3 eine stärkere Bewässerung von 120 % (= 1 x 15 mm/m², 1 x 24 mm/m², 1 x 26,4 mm/m², 2 x 30 mm/m²).
In Plot 4 wird die übliche Wassermenge ausgebracht (1 x 15 mm/m², 1 x 20 mm/m², 1 x 22mm/m², 2 x 25 mm/m²). In jedem Plot befindet sich eine Klimastation der Firma „Arable Labs“ die vor allem Lufttemperatur, Niederschlag und über zugeschaltete Bodenfeuchtesensoren die Bodenfeuchte in 10-cm-Schritten bis 60 cm Tiefe in dreimaliger Feldwiederholung aufnimmt. In separaten Klimastationen werden zusätzlich die Windgeschwindigkeit am Beginn und Ende des Plotstreifens aufgenommen. Es handelt sich um Messsysteme, die die notwendige Infrastruktur zur Datenspeicherung und –übertragung bereits enthalten. Somit wird eine Datenübertragung in Echtzeit ermöglicht. Zusätzlich ist auch ein Kontrollstreifen mit ähnlicher Instrumentierung eingerichtet. Zur modellhaften Nachbildung der Bodenfeuchtedynamik im Versuch sind zusätzlich phänologische Informationen notwendig.
Die Ergebnisse bisher
Zurzeit befindet sich unser diesjähriger Feldversuch in den letzten Stadien. Die bisher erhobenen Feldmesswerte der Meteorologie, der phänologischen Entwicklung und der Bodenfeuchtedynamik werden zusammen mit den Labordaten der bodenphysikalischen und bodenhydraulischen Eigenschaften (Porosität, Wasserhalte- und -leitfähigkeit des Bodens, Korngrößenverteilung) in einen integrativen Zusammenhang zueinander gebracht.
Die Grundlage dafür stellt das „Agrarmeteorologische Modell zur Berechnung der aktuellen Verdunstung“ (AMBAV) des Zentrums für Agrarmeteorologische Forschung (ZAMF) des Deutschen Wetterdienstes in Braunschweig dar. AMBAV ist ein Modell u. a. zur Berechnung und Simulation der standörtlichen Bodenfeuchtedynamik.
Insbesondere in Bezug auf die Überschaubarkeit der Parametrisierung und einer vorhandenen Benutzeroberfläche als EDV-Anwendung stellt AMBAV ein interessantes Tool zur agrarmeteorologischen Modellierung für verschiedene Bereiche der landwirtschaftlichen Praxis dar.
Mithilfe von AMBAV wurden die verschiedenen Beregnungsstrategien sowie deren Auswirkungen auf die standörtliche Bodenfeuchte gegeneinander getestet und mit Messwerten validiert. Die simulierten Bodenfeuchtewerte werden in m3/m3 angeben und die Dynamik des volumetrischen Anteils des pflanzenverfügbaren Wassers in Prozent der jeweiligen Bodenschicht (10-cm-Auflösung). Verglichen werden dort die mengenmäßig defizitäre Beregnung (80 %) sowie die mengenmäßig höhere Beregnungsstrategie (120 %).
Deutlich zu erkennen ist, dass die mengenmäßig höhere Beregnung (120 %) einen wesentlich stärkeren Einfluss auf die Wasserverfügbarkeit im Wurzelraum hat, insbesondere in tieferen Bodenschichten sowie bei Betrachtung der Rückgangszeit des volumetrischen Bodenwassergehaltes. Der Bodenfeuchtespeicher verbleibt länger in einem optimalen Bereich der nutzbaren Feldkapazität.
Zum Ende der Vegetationsperiode wird im Rahmen einer umfassenden Ernte und anschließenden Ertrags- und Qualitätsmessung untersucht, wie stark die untersuchte Stärkekartoffelsorte „Henriette“ auf ein unterschiedliches Wasserdargebot reagiert. Im Optimalfall finden sich weder Ertrags- noch Qualitätsunterschiede, woraus geschlossen werden kann, dass für die Sorte „Henriette“ auf einem anlehmigen Sand eine defizitäre Beregnung ausreichend ist. Nichtsdestotrotz muss bei solchen Rückschlüssen stets die aktuelle meteorologische Situation berücksichtigt werden.
Der Blick in die Zukunft
Die Beregnung ist in der Bentziner Ackerbau GmbH ein wesentlicher Produktionssicherungs- und Risikominimierungsfaktor. Sie ist eine kosten- und arbeitsintensive Maßnahme, welche die Erträge im Pflanzenbau absichert, insbesondere auf leichten Standorten. Besonders im Qualitätskartoffelanbau ist die Beregnung unabdingbarer Bestandteil der Anbautechnologie. In den kommenden Vegetationsperioden werden weitere Bodentypen und Kartoffelsorten beprobt, um eine genauere Vorhersage der Bodenfeuchtigkeit auf Betriebsebene zu ermöglichen. Darüber hinaus steht die Gewinnung weiterer Modellkategorien zur ganzheitlichen Parametrisierung räumlicher Bodenfeuchtemodelle im Vordergrund.
Fazit
In Kürze wird im Rahmen des Projekts Agri-Sens Demmin 4.0 ein Instrument für das Bewässerungsmanagement auf Betriebsebene entwickelt, das von den Bodenbedingungen und der Fruchtfolge abhängig ist. Dadurch wird es möglich sein, wissenschaftlich fundierte Entscheidungen zum Beregnungsmanagement auf Basis verschiedener Datenquellen (Wetter, Boden, Pflanze, Fernerkundung) digital treffen zu können.
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