Projekt TONIA "Teilflächendifferenziert-optimiertes Nährstoffmanagement im Ackerbau"

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Projektleiter: Prof. Dr. Eckart Kramer

Laufzeit: 06/2022 - 12/2024

Fördersumme: ca. 1,632 Mio. €

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Projektbeschreibung

Auf Ackerschlägen mit heterogener Verteilung von Bodeneigenschaften kommt es bei konstanter Düngung zwangsläufig zu einer Diskrepanz zwischen Nährstoffgabe und Nährstoffaufnahme. Während in Bereichen mit zu geringer Düngemenge das Ertragspotenzial nicht ausgeschöpft wird, kontaminieren Nährstoffe in Bereichen mit zu hoher Düngemenge die Umwelt durch Auswaschung. Das Ziel von „TONIA“ ist die Ermittlung von Algorithmen für optimale teilflächenspezifische Düngemengen. Hierfür werden aus Daten mobiler Bodensensoren hochaufgelöste 3D-Bodentexturkarten in einem Raster von 10 x 10 m bis zu einer Tiefe von 150 cm modelliert. Diese Daten gehen einerseits in ein Bodenfeuchtemodell ein und andererseits dienen sie, wie auch das Bodenfeuchtemodell, als Grundlage für die Einteilung der Schläge in homogene Teilflächen. Schließlich wird der Düngebedarf für die Teilflächen ermittelt. In Zukunft wird die Nährstoffgesamtmenge nicht mehr ungeachtet der Bodenparametermuster gleichmäßig auf dem gesamten Acker, sondern umweltverträglich und bedarfsgerecht ausgebracht.

Praxisbedarf

Für eine Ertragsprognose stellen die Bodentextur und die Bodenfeuchte im Wurzelhorizont sowie der Wetterverlauf eine wichtige Datengrundlage dar. Die verfügbaren Bodengruppeninformationen sind zu grob, bilden meist keine Schichtungen ab und sind oft fehlerhaft. Zudem ist eine optimierte Berücksichtigung von mittel- sowie langfristigen Wettervorhersagen für eine Ertragsmodellierung notwendig. Mit einer verbesserten und hoch aufgelösten Ertragsmodellierung wird eine bessere Abschätzung der Nährstoffentzüge durch die Ernte möglich. Auf dieser Grundlage können sehr kleinteilige Düngebedarfskarten gerechnet werden.

Ziele

Durch Nutzung hochaufgelöster Düngebedarfskarten ist es möglich, die aus der schlagbezogenen Bedarfsermittlung nach Düngeverordnung resultierenden Düngerhöchstmengen innerhalb des Schlages bedarfsgerecht zu verteilen. Durch die damit verbesserte Abstimmung des Nährstoffangebotes auf den Nährstoffbedarf innerhalb der Fläche werden die kleinräumigen Ertragspotenziale besser ausgeschöpft. Durch das optimierte Nährstoffmanagement können Betriebskosten eingespart, Erträge stabilisiert und die aus gesamtgesellschaftlicher Sicht problematischen Umweltbelastungen vermieden werden. Mit einem Webportal wird die Berechnung aller Applikationskarten unterstützt.

Durchführung

Für die Berechnung hochaufgelöster 3D Bodentexturkarten wird ein Algorithmus zur schichtenweisen Auflösung der geoelektrischen Daten des Geophilus Sensorssystems entwickelt. Die Bodentexturkarten werden in Kombination mit Bodenfeuchtemessungen und Wetterprognosemodellen genutzt, um den Bodenwasserhaushalt in der Saison kleinräumig abzubilden. Hierzu wird der DWD-Bodenfeuchteviewer für einen größeren Maßstab weiterentwickelt. Mit Pflanzenwachstumsmodellen und weiteren Daten werden Ertragsprognosen und damit die erwarteten Ernteentzüge ermittelt. Diese Entzüge sind Grundlage für die Berechnung von Düngeapplikationskarten mit einer Auflösung von 10x10 m.

Veröffentlichungen

2023

Conference Paper

Post, S., Tavakoli, H., Ostermann, M., Marek, M., Bourouah, M., Rühlmann, J., Bönecke, E., Kramer, E., Vogel, S. (2023): Improving estimates of plant-available phosphorus through sensor data fusion at field scale. 14th European Conference on Precision Agriculture (ECPA) 2-6 July, Bologna, Italy.

Post, S., Schröter, I., Bönecke, E., Vogel, S., Kramer, E. (2023): Modellierung des organischen Kohlenstoffs in Ackerböden – Sentinel 2- und Naherkundungsdaten im Vergleich. 43. Jahrestagung der Gesellschaft für Gesellschaft für Informatik in der Land-, Forst- und Ernährungswirtschaft, 13.-14. Februar, Osnabrück, Germany.

Schmidinger, J., Schröter, I., Bönecke, E., Gebbers, R., Rühlmann, J., Kramer, E., Mulder, V.L., Heuvelink, G., Vogel, S., 2023. Effect of sample size, sampling design and calibration model on generating soil maps from proximal sensing data for precision liming. BONARES Conference 2023 – Soil as a Sustainable Resource 15–17 May, Berlin, Germany.

Schröter, I., Vogel, S., Bönecke, E., Post, S., Rühlmann, J., Kramer, E., 2023. A comparative study to estimate soil organic matter at field scale using VHR-RGB satellite imagery. BONARES Conference 2023 – Soil as a Sustainable Resource 15–17 May, Berlin, Germany.

Vogel, S., Schröter, I., Bönecke, E., Schwanghart, W., Rühlmann, J., Kramer, E., Gebbers, R., 2023. The effect of soil moisture content and soil texture on fast in situ pH measurements with two types of robust ion-selective electrodes. BONARES Conference 2023 – Soil as a Sustainable Resource 15–17 May, Berlin, Germany.

Peer-reviewed Paper

Paasche, H., Schröter, I., 2023. Quantification of data-related uncertainty of spatially dense soil moisture patterns on the small catchment scale estimated using unsupervised multiple regression. Vadose Zone Journal n/a, e20258. https://doi.org/10.1002/vzj2.20258

Poster

Bönecke, E.; Schröter, I.; Meyer, S.; Kling, C.; Vogel, S.; Post, S.; Kramer, E.; Rühlmann, J.: Yield and texture-based management zones in a heterogeneous old morainic landscape, Annual Conference of the DBG 2023, Halle, Germany, 02-08 Sep 2023

Bönecke, E.; Schröter, I.; Meyer, S.; Kling, C.; Vogel, S.; Post, S.; Kramer, E.; Rühlmann, J.: Yield and texture-based management zones in a heterogeneous old morainic landscape, 14th European Conference on Precision Agriculture, Bologna, Italy, 02-06 Jul 2023