Hightech im Dienste der Umwelt
Bedarfsgerechte Düngung durch „Smart Farming“
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Ohne Stickstoff können Pflanzen nicht wachsen. Er ist eine wichtige Komponente beim Aufbau von Aminosäuren und Nucleinsäuren. Außerdem wird er benötigt, um das Pigment Chlorophyll zu bilden, das beim pflanzlichen Stoffwechsel eine entscheidende Rolle spielt. Ein Großteil der Erdatmosphäre besteht zwar aus Stickstoff, doch die Atome der N2-Moleküle können nur mit hohem Energieaufwand voneinander getrennt werden. Daher nehmen die Pflanzen das im Boden befindliche Nitrat (NO3-) auf, aus dem sich der Stickstoff besser lösen lässt. Später gelangt er über verrottende organische Stoffe wieder zurück in den Boden: Das sind zum Beispiel abgestorbene Pflanzenteile oder die Ausscheidungen von Tieren, die sich wiederum an Pflanzen gütlich getan haben. Nitrat, das im Boden verbleibt, wird dort von anaeroben Bakterien zersetzt und gelangt als Lachgas (N2O) und gasförmiger Stickstoff wieder in die Atmosphäre; oder es wird ausgeschwemmt und gelangt ins Grundwasser. Das Lachgas gilt als gefährliches Treibhausgas, während eine hohe Nitratkonzentration im Wasser ein Gesundheitsrisiko darstellt, da es im Körper zu krebserregendem Nitrit umgewandelt wird. ²
Das Stickstoff-Dilemma
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Der Landwirt steckt beim Pflanzenanbau also in einer Zwickmühle: Einerseits will er das Pflanzenwachstum fördern und muss dafür sorgen, dass genug lebenswichtiges Nitrat im Boden enthalten ist. Andererseits will er möglichst umweltschonend arbeiten und vermeiden, dass Atmosphäre und Grundwasser in Mitleidenschaft gezogen werden. Beides kann er nur erreichen, wenn er stets genau weiß, wie viel Stickstoff sein Getreide im Moment benötigt.
Erschwerend kommt hinzu, dass die Anbaufläche keine im Labor hergestellte homogene Masse ist. Der Nitratgehalt im Boden kann mitunter von einem Quadratmeter zum nächsten schwanken. Entsprechend unregelmäßig fällt der Ertrag aus. In der konventionellen Landwirtschaft wird meist eine Durchschnittsmenge an Dünger ermittelt, die dann über den gesamten Acker ausgebracht wird.
Die Kunst ist dabei, den Anteil an überdüngten und unterdüngten Flächen so gering wie möglich zu halten. Dies kann mit Silizium-Avalanche-Photodioden von LASER COMPONENTS realisiert werden
Das richtige Grün
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Dieses Dilemma will die sogenannte „teilflächenspezifische Bestandsführung“ lösen. Dabei wird der Zustand des Bodens und der Pflanzen möglichst kleinteilig ermittelt und die Menge Düngemittel dynamisch an den aktuellen Bedarf angepasst. Die Herausforderung besteht darin, die Düngermenge zu bestimmen, während das Getreide bereits auf den Feldern steht. Die Fritzmeier Umwelttechnik GmbH & Co. KG hat dafür eine lichtgestützte Lösung entwickelt. Dabei spielt das Chlorophyll der Pflanzen eine entscheidende Rolle. Es ist allgemein bekannt, dass dieser Stoff für die Photosynthese zuständig ist und damit einen entscheidenden Platz im Stoffwechselkreislauf der Pflanzen einnimmt. Gleichzeitig ist die Menge von Chlorophyll in den Blättern ein gutes Indiz für den Stickstoffbedarf, denn die Pflanze nutzt diesen unter anderem, um das Pigment auszubilden. Stickstoffmangel ist also dadurch zu erkennen, dass zu wenig Chlorophyll zur Verfügung steht.
Vor allem ältere Blätter erscheinen hellgrün oder gelb und weisen oft bräunliche Spitzen auf. Die Pflanze wächst kaum noch. Sie erscheint kleiner und mickriger als die anderen. Bei Stickstoffüberversorgung wächst sie dagegen zu schnell. Sie produziert zu viele Aminosäuren und Eiweiße und hat nicht mehr die Kraft, um auch das nötige Festigungsgewebe auszubilden. Die Folge sind weiche, labile, blaugrün gefärbte Blätter. Die Pflanzen sind geschwächt und anfällig für Parasiten und Krankheiten. Diese Unterschiede der Blattfarbe sind für das bloße Auge nicht immer zu erkennen. Ein empfindlicher Sensor kann jedoch die Unterschiede in der Strahldichte erfassen, aus denen sich dann auf die Stickstoffversorgung der Pflanzen schließen lässt. ³
Unsichtbarer Indikator
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Die grüne Farbe entsteht durch das Absorptionsverhalten des Chlorophylls. Bei der Photosynthese wird die Energie des Sonnenlichts genutzt, um Wasser und Kohlendioxid in Glucose umzuwandeln, die für den Stoffwechsel benötigt wird. Die Pflanze nutzt dazu vor allem den kurzwelligen blauen und den langwelligen roten Anteil des Lichts. Die grünen Wellenlängen werden dagegen reflektiert, sodass die Blätter grün erscheinen.
Da die Chlorophyllproduktion mit der Stickstoffversorgung zunimmt, steigt damit auch der absorbierte blaue und rote Lichtanteil. Gleichzeitig wird aber auch mehr Strahlung im nahen Infrarotbereich reflektiert, weil mit zunehmender Biomasse die Mehrfachreflexionen an Gewebestrukturen der Pflanze zunehmen. Über das Verhältnis zwischen dieser Infrarotreflexion und der Reflexion im sichtbaren roten Spektrum lässt sich der Stickstoffbedarf der Pflanze errechnen.4
Mehr Ertrag – weniger Umweltschäden
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Diese Messmethode nutzt die Firma Fritzmeier bei ihren Systemen ISARIA PRO Active und ISARIA PRO Compact. Dabei sind die Sensoren direkt am Traktor befestigt, mit dem der Landwirt seinen Dünger ausbringt. Mit Hilfe einer Software lässt sich nun die Düngemittelmenge bedarfsgerecht steuern, sodass jede Pflanze so viel Stickstoff erhält wie sie gerade benötigt. Dabei ist das günstigere ISARIA PRO Compact-System für den Einsatz bei Tageslicht ausgelegt, während ISARIA PRO Active über eigene LED-Lichtquellen verfügt und unabhängig von den bestehenden Lichtverhältnissen eingesetzt werden kann. Der Hersteller konnte in Versuchen nachweisen, dass sich die Wirtschaftlichkeit, beispielsweise im Getreideanbau, um mehr als 10 % erhöhen lässt. Unter dem Strich profitieren also Landwirt und Umwelt gleichermaßen vom Smart Farming.
2 | de.wikipedia.org/wiki/Stickstoffkreislauf www.youtube.com/watch?v=nrKRDg4k-bE |
3 | www.duenger-und-erde.de/hintergrundwissen/pflanzen-naehrstoffe.html www.bio-gaertner.de/Pflanzenkrankheiten/Naehrstoffmangel-ueberschuss |
4 | Sonderdruck aus Getreidemagazin 1/2019, S.2f |
Si Avalanche Photodioden
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Mit einem empfindlichen Bereich von 260 nm bis 1100 nm decken Silizium-Photodioden das gesamte sichtbare Spektrum bis in den nahen Infrarotbereich ab. Daher eignen sie sich besonders gut für den Einsatz im sichtbaren Spektrum. Sie sind kostengünstig, leicht herzustellen und gelten als besonders rauscharm. Für Anwendungen, bei denen bereits kleine Lichtmengen erkannt werden müssen, empfehlen wir Si-Avalanche Photodioden. Mit entsprechenden Bandpassfiltern lassen sich spezifische Wellenlängen gezielt nutzen.

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