Satelliten- und modellgestützte Stickstoffdüngung - Acatech
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Satelliten- und modellgestützte
Dr. Heike Bach
Stickstoffdüngung Gründerin und CEO
VISTA Geowissenschaftliche
Fernerkundung GmbH, München
Satellitenbasierte Dienste in
Hydrologie und Landwirtschaft
Symposium: Halle, 6. Mai 2019 seit 2017 BayWa AG
Wege in eine nachhaltige Stickstoffwirtschaft Mehrheitseigner
© VISTA 2019 No. 1
TalkingFields Service Angebot Kunden global verteilt, derzeit in 25 Ländern; Vertriebspartner © VISTA 2019 www.talkingfields.de No. 2
Sentinel-2
Was zeichnet COPERNICUS aus?
Programm der EU und ESA zur
Erdbeobachtung mit Satelliten.
Alle Daten sind offen und frei.
Finanziert vorerst bis 2035.
Sentinel-2 Satelliten für die Landwirtschaft
besonders interessant.
Sentinel-2:
Länge: 3.4 m, Breite: 1.8 m, Höhe: 2.35 m
Gewicht: 1140 kg
Wiederkehrzeit: 2-5 Tage
kartierte landw. Fläche pro Tag: >100 Mio. ha
Tägliche Daten: ca. 4.6 TByte
Kosten der Sensorik: 120 Mio. €
Kosten ESA
je Satellit: 320– For
UNCLASSIFIED Mio. € Use
Internal
© VISTA 2019 No. 3
Satelliten- und modellgestützte Informationsgewinnung
VISTA‘s spezielles Know-how für Big Data Analysen
SLC (Verhoef & Bach, RSE 2003, 2007 und 2012)
Strahlungstransfermodell für Boden, Blatt, Bestand
und Atmosphäre
Strahlungstransfer Atmosphäre
Strahlungstransfer Landoberfläche
Landoberflächenprozesse
PROMET (Mauser & Bach, J. of Hydrology 2009)
Big Data Prozessierung z.B. mit Multiskaliges Landoberflächenprozessmodell
http://foodsecurity-tep.net/
© VISTA 2019 No. 4
Wie dynamisch ist das Monitoring mit Sentinel-2?
4 Monate im Frühjahr 2018, Filderstadt/Hohenheim
Zeitliche Entwicklung der Blattfläche ausgewählter
Schläge und simulierte Ertragsbildung
© VISTA 2019 No. 5
Stickstoffdüngung mit Hintergrundkarte Ertragspotential:
Nutzung der TalkingFields Basiskarte und PROMET Simulationen
TalkingFields Basiskarte
TalkingFields
(5-10 Jahre)
Ertragspotentialkarte (letzte 15 Jahre)
Wetterdaten Ertragspotential
15 Jahre [t/ha]
Input:
Karten und Tabellen
Gemessener Ertrag Jahr x
Soil Vegetation
Kornertrag [t/ha]
Sortenspezifische
Parameter
© VISTA 2019 No. 6
Nutzung von Sentinel-2 für die Stickstoffdüngung:
Monitoring der Stickstoffaufnahme der Bestände mit SLC
40
Blattfläche [m²/m²] Chlorophyllgehalt [µg/cm²] 35
30
Reflexion [%]
25
Chlorophylunter-
20
schiede zeigen
15
Chl = 34 sich in speziellen
10 Chl = 68 Absorptionen und
5 im “red edge
shift”
0
0.45 0.65 0.85
Wellenlänge [µm]
Nitratgehalt Bestand (g/m²)
Empirische
Beziehung
zwischen
Chlorophyllgehalt
des Bestandes
(Gitelson, 2014)
und N-Aufnahme
Chlorophyllgehalt Bestand (g/m²)
© VISTA 2019 No. 7
Satelliten- und modellgestützte Stickstoffdüngung
➢ Warum ist der Landwirt daran interessiert?
➢ Sind die Verfahren denn schon operationell?
➢ Wie kann der Landwirt den Service einfach nutzen?
Serviceangebot NManager und NManager Pro
© VISTA 2019 No. 8
Teilflächenspezifische N-Düngung
Warum macht das Sinn aus Sicht der Landwirte?
Quelle: J. Bosch, FarmFacts
TalkingFields Ertragspotentialkarte, auf deren Basis die erste Düngung ausgebracht wird.
© VISTA 2019 No. 9
N-Düngung nach Düngeverordnung -
gesetzeskonform aber suboptimal
12 t 270
11 t 250
10 t 220
Ertragspotential im Schnitt
9t 200
Tatsächlicher Ertrag im Schnitt
8t 180
7t In Niedrigsertragszonen zuviel Dünger In Hochertragszonen zu wenig Dünger 160
➔ Geldverschwendung ➔ Verlust von Ertrag/Qualität
6t ➔ Umweltbelastung ➔ Einnahmenverluste 135
➔ N-Effizienz 75-90% ➔ Raubbau am Humus
kg N/ha
N-Düngung
Ertrag Quelle: J. Bosch, FarmFacts
© VISTA 2019 No. 10Teilflächenspezifische N-Düngung mit NManager
nach dem TalkingFields Ertragspotential
12 t 270
11 t 250
N im Schnitt
10 t 220
Tatsächliche Ernte
9t 200
8t 180
7t 160
Keine Umweltbelastung Optimale Düngermenge Ertragspotential voll
6t Besser als die DüV 90 - 100% N-Effizienz ausgeschöpft. 135
Kg N/ha
Quelle: J. Bosch, FarmFacts
© VISTA 2019 No. 11Aktuelles Beispiel der Düngung mit NManagerPro:
Weizenschläge 2019 in Württemberg
Ertragspotential*)
t/ha kg N/ha N-Aufnahme bis zu
7.0 ≤ 10 den Düngegaben
8.0 20
9.0 30
10.0 *) langjährig- 40
kg N/ha N-Applikationskarten
60
≤ 40
70
50
80
60 Erstellung der Applikationskarten
90
> 70 unterstützt durch
N1 N2 N3
5
4 Kalibrierung mit
Blattfläche [m²/m²]
Satellitendaten
3 Vorwärtssimulation mit
Pflanzenwachstums-
2
modell PROMET
1
0
01.03.2019 01.04.2019 01.05.2019 01.06.2019 01.07.2019
© VISTA 2019 No. 12N-Bedarfsplanung zu Saisonbeginn nach Ertragspotential oder
Gesamt- bedarf nach dynamischer Nutzung von NManagerPro
• NmanagerPro kann je nach aktueller Pflanzenentwicklung die
Ausbringmuster noch verschärfen
• In 2019 wurden N Gaben zumeist nach unten geregelt wegen
geringer beobachteter N-Aufnahmen
• Auswertungen zu Auswirkungen auf Ertrag und N-Effizienz für 2019
noch ausstehend
• Frühere Auswertungen z.B. von der FH Kiel (Reckleben) und der DLG
zeigten sehr positive Ergebnisse.
© VISTA 2019 No. 13Wie kann die Satelliten- und modellgestützte
Stickstoffdüngung noch verbessert werden?
Aktuelle Forschung zur besseren Simulation of plant
Atmosphere
growth + water,
zeitlichen Empfehlung der carbon and Sensible &
Latent Transpiration
Heat Flux H2O CO2
Stickstoffdüngung in Abhängigkeit nutrient cycle Radiation
Photosynthesis
der Mineralisierung im Boden Allocation &
Precipitation Interception
Growth
Vegetation
Evaporation
Nnnovative Respiration
Infiltration
Soil Heat N Fertilization
Flux & Deposition
Runoff
Verbundprojekt mit LMU München PROMET attributes: Lateral C-Storage
• physically based Flow
(Prof. Mauser, Dr. Hank)
Soi
Root N
l
• spatially distributed Root Uptake
Percolation
Water N-Trans-
BMWi Förderung; Start: 1.1.19 • raster based 10m–1km Uptake formation
• hourly calculations N-Leaching
Capillary Rise
2.2.2017 # 18
© VISTA 2019 No. 14Simulation der zeit-räumlichen Nährstoffdynmaik im Boden
mit PROMET und unter Nutzung von Satelliteninformationen
Quelle:
T. Hank, LMU
© VISTA 2019 No. 15Zusammenfassung und Fazit
• Satelliten und Simulationen können die Effizienz der Stickstoffdüngung
deutlich erhöhen
• Ziel ist eine 100% Nährstoffeffizienz und kein Eintrag ins Grundwasser
• Angebote zur teilflächenspezifischer Düngung sind für Landwirte
verfügbar aber mit variabler Güte / Nachvollziehbarkeit
• Einführungshürden in der Praxis sind klar erkennbar, auch wenn
vorgestellte Techniken minimale Investitionskosten erfordern.
• Integration in normale Geschäftsprozesse der Landwirte essentiell.
• Aber: die Verfahren sind (noch?) nicht akkreditiert und somit besteht eine
Gefahr, dass der Landwirt nicht rechtlich abgesichert ist, wenn er optimal
Stickstoff düngen will.
© VISTA 2019 No. 16Sie können auch lesen
