Intelligente Bewässerung: Wasser und Energie effizienter einsetzen
Trockenheit gefährdet die Ernte. Erträge sichern durch zusätzliche Bewässerungs-Gaben, wenn die Vorräte im Boden und die Nachlieferung durch Niederschlag nicht ausreichen, ist die Lösung. Aber das ist aufwendig und muss genehmigt werden. Der Trend geht zu moderner Bewässerungstechnik mit intelligenter Steuerung.
Von Dr. Klaus Spohrer, Universität Hohenheim
Der Trend zur Effizienzsteigerung beim Wasser- und Energieverbrauch ist ungebrochen und vor dem Hintergrund eines höheren Bewässerungsbedarfs bei gleichzeitig schwindenden Wasserressourcen wichtiger denn je. Hierbei spielt die Digitalisierung in der Bewässerung eine immer wichtigere Rolle. Der Bewässerungsbedarf wird durch unterschiedliche Bodeneigenschaften (z.B. Wasserspeichervermögen oder Gründigkeit) und durch wechselhaftes Wetter bestimmt. Zudem ändert sich der Pflanzenwasserbedarf in einzelnen Wachstumsphasen und Kulturen. Die Folge ist ein heterogenes Muster der Bewässerungsbedürftigkeit. Ziel der Bewässerung ist es, für jeden Pflanzenstandort den besten Bewässerungszeitpunkt, die richtige Bewässerungshöhe und die ideale Bewässerungsrate zu bestimmen und zu realisieren.
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Digitalisierung und Künstliche Intelligenz
Unter dem Begriff digitale Bewässerung wird die Vernetzung von Systemen und Komponenten mit dem Ziel der optimalen Bewässerung von Pflanzenbeständen verstanden. Damit ist je nach eingesetzter Bewässerungstechnik auch eine teilweise oder gar vollständige Automatisierung der Bewässerung möglich. Das Smartphone wird dabei immer mehr zum zentralen Element für den Nutzer, der mittels entsprechender Apps nicht nur den aktuellen Stand der Bewässerung überwachen, sondern z. B. bei Problemen gewarnt wird und eingreifen oder auch Echtzeit-Informationen zum Bewässerungsbedarf der Pflanzen abrufen kann.
Digitalisierung und die Möglichkeit zum Prozessieren großer Datenmengen sind die Voraussetzungen für den Einsatz der Künstlichen Intelligenz (KI). KI wird die Bewässerung der Zukunft deutlich mitprägen. Bereits heute wird KI zur Auswertung von Luftbildern angewandt. Hierzu lernt der zugrundeliegende Algorithmus zuerst anhand von Trainingsdaten die Zusammenhänge zwischen Eingangsgrößen und Zielgröße. Eingangsgrößen sind bei Luftbildern üblicherweise Lichtreflexionen bestimmter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche. Zielgrößen können räumlich aufgelöste Informationen zu verschiedenen Pflanzeneigenschaften oder auch zum Pflanzenwasserstatus und somit zum Bewässerungsbedarf der Pflanzen sein.
Der Einsatz von KI bei der Bewässerung ist jedoch nicht auf die Bildauswertung beschränkt. Sensordaten von z. B. Bodenfeuchtesensoren können mittels KI ausgewertet werden, und damit lassen sich absolute Bodenfeuchtewerte bestimmen. Bei der Bewässerungsplanung kann KI die kombinierte Auswertung von Messdaten aus unterschiedlichen Bereichen (Boden, Pflanze, Wetter) realisieren und ortsspezifische Bewässerungsempfehlungen geben. Erste luftbildbasierte KI-Lösungen für die Bewässerung werden bereits auf dem Markt angeboten.
Bildergalerie: BewässerungsanLagen in der Praxis
Kreisberegnungsanlagen sind auf großen Flächen weit verbreitet. © Jörg Möbius
Trommelregner sind flexibel einsetzbar. Umsetzen und Schlauch neu auslegen erfordern aber immer wieder Arbeitsaufwand. © Werkbild
Beregnung von Erdbeeren mit Regnern auf Rohrleitungen. Das sollte vor allem nachts erfolgen, weil dann weniger Wasser verdunstet. © Thea von Hartz
Regner in verschiedenen Größen: Gut, wer etwas selbst oder beim Händler im Lager hat. © Jörg Möbius
Tröpfchenbewässerung in einer Apfelplantage. © Thea von Hartz
Bewässerung in Unterschiedlichen Gaben auf Teilflächen
Die Effizienzsteigerung beim Wasser- und Energieeinsatz kann nur durch ein optimiertes Bewässerungsmanagement erzielt werden. Dies beinhaltet das Monitoring der Flächen zur Bestimmung des Bewässerungsbedarfs, die Planung der Bewässerungsaktivitäten, die Steuerung der Bewässerung, Warnmöglichkeiten bei Systemfehlern sowie die Dokumentation der Bewässerung. Nach wie vor wird das Monitoring des Bewässerungsbedarfs in der Praxis oft vernachlässigt.
Stand der Technik ist die Abschätzung von Bewässerungsbedarf und Bewässerungshöhe über erfasste Klimagrößen (Klimatische Wasserbilanz), bzw. die Erfassung der Bodenwasservorräte mittels Bodenfeuchtesensoren. Beide Ansätze sind jedoch nicht geeignet, das eingangs erwähnte raumzeitlich heterogene Muster der Bewässerungsbedürftigkeit detailliert zu erfassen. Vielversprechend sind hier bildbasierte Ansätze mit Drohnen oder Satelliten. So werden bereits Dienstleistungen angeboten, die z. B. ein hydrologisches Pflanzenstandortsmodell mit Satellitenbildern kombinieren und daraus teilflächenspezifische Bewässerungsempfehlungen im 10-m-Raster ableiten. Nachteilig bei Satellitenbildern sind mögliche Störungen durch Wolken oder die geringe Auflösung (Pixel) der Bilder.
Die drohnenbasierte Bildgebung kann aufgrund der geringen Flughöhe eine deutlich bessere Auflösung erreichen und dabei einzelne Pflanzen oder Blätter erfassen. Hierfür gibt bereits mehrere Anbieter, die unterschiedliche Kameras (v. a. Spektral-, Infrarot- oder RGB-Kamera) einsetzen. Die Bewässerungsplanung wird auf Basis des Monitorings durchgeführt. Sie bestimmt Zeitpunkt, Bewässerungshöhe und Dauer der Bewässerung und wird durch die Bewässerungssteuerung im Feld umgesetzt. Die Komplexität der Bewässerung ist dabei abhängig von der Größe und Anzahl der ausgewiesenen Teilflächen. Ortsfeste Bewässerungssysteme sollten so aufgebaut sein, dass Teilflächen individuell bewässert werden können. Bei der mobilen Bewässerung müssen Änderungen bei Bewässerungshöhe und Bewässerungsrate während der Fahrt möglich sein. Bei Kreisberegnungen kann das bereits realisiert werden.
Zusammenarbeit über Firmengrenzen
Mit dem Trend zur Digitalisierung und zum optimierten Bewässerungsmanagement kann das raumzeitlich heterogene Muster der Bewässerungsbedürftigkeit immer besser und kleinräumiger erfasst werden und eine darauf basierende optimale (teilflächenspezifische) Bewässerung ist möglich. Das Umsetzen erfordert jedoch ein perfektes Zusammenspiel unterschiedlichster Fachleute und Spezialisten aus den Bereichen Drohnenflug/Satelliten, Bildauswertung, Datenmanagement und Bewässerungstechnik. So muss z. B. gewährleistet sein, dass eine drohnenbasierte Bewässerungsplanung auf dem Feld auch umgesetzt werden kann.
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Da durch einen Anbieter alleine nur schwer alle nötigen Fachbereiche abgedeckt werden können, müssen einzelne Produkte kompatibel zueinander sein. Es ist zu beobachten, dass Schnittstellen zu Produkten von Mitbewerbern oder Drittanbietern geöffnet oder neu geschaffen werden oder dass andere Formen der Zusammenarbeit wie die Schaffung gemeinsamer Datenstandards stattfinden, um den Datenaustausch zwischen Produkten zu gewährleisten.
Verbesserungen bei der Bewässerungstechnik
Der Schwerpunkt von Entwicklungen und Neuerungen in der Bewässerung liegt gegenwärtig klar auf der Digitalisierung und dem optimierten Bewässerungsmanagement. Aus dem Fokus gerückt ist dagegen die Bewässerungstechnik, wo sich Neuerungen zumeist auf die Verbesserung bereits bestehender Techniken beschränken. Grundlegende technische Innovationen waren in den letzten Jahren selten. Ohne Bewässerungstechnik ist keine Bewässerung möglich. Schläuche erlauben den Wassertransport zu und auf den Feldern, Steuerungen kontrollieren den Wasserfluss und auf den Feldern selbst wird das Wasser mit Regnern, Sprühdüsen oder Tropfern mittels ortsfester oder mobiler Systeme bzw. Maschinen aufgebracht.
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Den Entwicklungen und Neuerungen bei der Digitalisierung werden Anpassungsentwicklungen in der Bewässerungstechnik folgen, um die neu zur Verfügung stehenden räumlich hochaufgelösten Informationen in teilflächenspezifische Wassergaben umsetzen zu können. So werden Lösungen zur kleinräumig variablen Wasserapplikation, wie z. B. der hydraulische Teleskop-Ausleger für die Bewässerungsmaschine zur homogenen Bewässerung unregelmäßiger Flächen immer wichtiger werden.
Darüber hinaus werden in der Zukunft weitere Neuerungen zu sehen sein, die eine Verringerung der Verdunstungsverluste und die Verhinderung von Versickerung während der Bewässerung zum Ziel haben. Für entsprechende angewandte Forschungs- und Entwicklungsvorhaben stehen nach wie vor unterschiedlichste Förderprogramme zur Verfügung, in deren Rahmen Firmen aus der Bewässerungsbranche innovative Ideen auch zusammen mit einschlägigen Forschungseinrichtungen entwickeln und realisieren können.
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