¶ Pflanzensensoren
Pflanzensensoren sind Hilfsmittel, die meist auf optisch basierter Technik Unterschiede in der Reflektion von eingestrahltem oder emittierten Licht erfassen und daraus auf die Blattfläche, Biomasse, Chlorophyllaktivität und N-Aufnahme im Pflanzenbestand schließen [1]. Andere Messprinzipien zum Beispiel der Biegewiderstand für die Notwendigkeit der Wachstumsregler Applikation oder mit Infrarot Lichtschranken die Bestimmung der Wuchshöhe sind vielseitig einsetzbar zur Verbesserung der Stickstoffdüngung, Wachstumsregler Applikation oder Unkrautregulierung [2, 3].
¶ Beschreibung
Pflanzensensoren sind Bestandteil des Precision Farming, mit denen der Vegetationsbestand des Schlages auf für den Pflanzenbau interessante Parameter hin untersucht werden kann. Alle Techniken des Smart Farming arbeiten von der Informationsaufnahme hin zu ihrer Analyse und einer Entscheidungsfindung. Welche Variante abschließend durchgeführt wird, bleibt dem Landwirt überlassen [1].
¶ Sensorvarianten
Die Messprinzipien optischer Sensoren gleichen sich [1]. Die Ursprünge von Pflanzensensoren für das Stickstoff-Management liegen in den Chlorophyll-Metern. Sie schätzen indirekt den relativen Chlorophyllgehalt pro Einheit einer Blattoberfläche. Gemessen wird dann die Absorption und Durchlässigkeit der Strahlung für rotes Licht (vom Chlorophyll aufgenommen) und NIR (durchgelassen) [4] (Abb. 1).
Je höher der Chlorophyll-Gehalt, desto höher der absorbierte Rot Anteil [4]. Neuere Ansätze der letzten 20 Jahren sind Reflexionssensoren [4], die angebracht an einer Landmaschine über den Bestand fahren und das reflektierte Licht messen [1]. Die Unterscheidung teilt sich auf in:
- Passive Sensoren (Sonnenlicht)
- Aktive Sensoren (eigene Lichtquelle)
Erstere benötigen Sonnenlicht, während zweite mit künstlichem Licht arbeiten (Abb. 2) [1]. Aktive Systeme sind neuer und emittieren sowohl sichtbare als auch NIR Strahlung. Werden sie moduliert, sind sie im Stande äußere Strahlung von ihrer eigenen zu unterscheiden [4].
Beide Varianten zeigen gewisse Vor- und Nachteile für den Anwender. Passive Systeme können nur tagsüber arbeiten, während aktive auch nachts agieren. Die geringere Beleuchtungsstärke und Distanz zum Bestand beim aktiven Sensor, verringert jedoch auch seine Messgüte in Bezug auf die erfasste Fläche [1].
Fotodioden wandeln das reflektierte Licht in elektrische Signale um. Die Sensoren messen hierbei im Nahinfrarotbereich bei einer Wellenlänge zwischen etwa 730 – 1000 nm [1].
Das grün gesunder Pflanzen fällt in den sichtbaren Bereich, während rot und blau zur Photosynthese genutzt werden und nur geringfügig reflektiert werden. Kranke und beschädigte Pflanzen nehmen hingegen weniger Licht zur Photosynthese auf. Das menschliche Auge erkennt einen solchen Bestand an Gelb- und Brauntönen [1].
Die Sensoren befinden in einer Höhe zwischen 0,4 bis 3,0 m. Der N-Gehalt ergibt sich aus dem Grad des absorbierten und reflektierten sichtbaren und NIR Anteilen [4]. Durchschnittlich werden vom sichtbaren Licht (390-750 nm) ca. 90% absorbiert und vom NIR Bereich (750-1300 nm) etwa 50 % reflektiert [4]. Die beschriebenen Reflexionsgrade der verschiedenen Wellenlängenanteile variieren in Abhängigkeit des N-Gehalts. Früchte mit N-Mangel reflektieren mehr sichtbares Licht & weniger Licht im NIR-Bereich [4]. Bei Sensoren zur Reflexionsmessung der Vegetation sind die Wellenlängen zur Bestimmung des N-Gehalts nach Sensitivität hinsichtlich Chlorophyll-Gehalt, Blattdichte & Biomasse, verbunden mit Stickstoffmangel, ausgewählt. Aus diesen Korrelieren 4 Wellenlängenbänder [4]:
- 675 nm um das Rotabsorptionsmaxima
- 905 nm um das NIR-Reflexionsmaxima
- 720 nm um den mittleren Rot-Anteil
- 550 nm um das Grünreflexionsmaxima
Zur Erhöhung der Sensibilität an verschiedene Charakteristika werden mindestens 2-3 Wellenlängenreflexionen in Vegetationsindizes verwendet. Hier hat sich der “Normalized Difference Vegetation Index”, mit der nachfolgenden Formel, bewährt [4].
NDVI= (NIR-Red) / (NIR+Red)
Weitere Indizes sind unter anderem der Red Edge Infelction Point (REIP), der Simple Ratio (IR/R) und der "Normalized Difference Red Edge (NDRE). Bei der N-Aufnahme haben sich REIP & NDRE als geeignet erwiesen [7]. Der NDVI hat sich in der Fernerkundung mittels Satteliten bewährt, bei den Pflanzen Sensoren der NDRE und REIP [3] zur Bestimmung der N-Aufnahme. Blattfläche/bzw. Biomasse funktionieren mit NDVI oder Simple Ratio IR/R bzw. IR/G.
Zuletzt sind unter den Pflanzensensoren noch die Fluoreszenz-basierten Flavonol-Messgeräte zu nennen. Sie stellen eine der neueren Ansätze zur Messung dar [5]. Der N-Gehalt entspricht etwa der Schätzung an relativem Flavonol. Es handelt sich dabei um eine Polyphenol-Komponente, die mit geringerer Stickstoff Nachlieferung steigt [5]. Das Flavonol wird vorwiegend über die Chlorophyll Fluoreszenz (ChlF) screening Methode erfasst.
Gemessen wird die Emission der Fluoreszenz im roten bis weit roten Bereich des Lichts von Mesophyll Chlorophyll, welches mit Rot und UV Strahlung angeregt wird [4] (Abb. 3). Flavonole in der Blattepidermis absorbieren UV und mindern die Emission des fernen Rots. Dies ist nur für die Bestrahlung mit UV-Licht gegeben, nicht für Rot. Der geschätzte Flavonol-Gehalt erfolgt aus dem Vergleich der fern roten Fluoreszenz des Chlorophylls unter Rot und UV-Strahlung [5].
Grundlegend benötigen die N-Sensoren einfache Umverteilungsfunktionen oder komplexe Algorithmen [3]. Ersteres ist häufig beim Hersteller erhältlich. Benutzer stellen die durchschnittliche oder maximale bzw. minimale N-Rate ein, die dann appliziert wird [3]. Bei linearen Funktionen (vgl. Abb. 4-6) sorgen die frei wählbaren positiven Steigungen für eine höhere N-Applikation in Teilflächen mit höherer Biomasse. Negative Steigungen werden assoziiert mit N-Einsparung [3]. Komplexere Funktionen befassen sich mit dem Massenbilanz-Konzept. Damit kann beim auszubringenden Stickstoff aus dem N-Bedarf ermittelt werden, der zur Erreichung eines Zielertrages mit einem bestimmten Proteingehalt benötigt wird [3].
¶ Einsatzmöglichkeiten
Der Hauptarbeitsbereich von optischen Sensoren liegt in der N-Düngung und biomassegesteuerten Wachstumsreglerapplikation. Diese wird jedoch nicht direkt gemessen, sondern über die Zusammenhänge des Lichts, der Chlorophylldichte bzw. der Biomasse und dem Pflanzenstickstoff. Damit können direkte Messungen, Berechnungen und Anpassungen der Düngemenge während der Fahrt geschehen [1].
Bei den Sensoren muss darauf geachtet werden, dass Veränderungen der Reflexion nur mit dem Stickstoff zu tun haben! Es kann nicht zwischen anderen Pflanzennährstoffen unterschieden werden [1].
Im Pflanzenschutz lässt sich neben Wachstumsreglern gut der Grad der Verunkrautung in den Zwischenreihen bei Hackfrüchten messen, da nur der Lebendbestand der Vegetation gemessen wird [1]. Weiterhin sind Unterstützungen beim Einsatz von Wachstumsreglern gegeben. Sie werden eingesetzt um Lagerschäden zu vermeiden. Bei zu hohem Einsatz wirken sie dennoch schädlich. Daher werden vorab folgenden Parameter erfasst [1]:
- Sortenabhängige Standfestigkeit
- Aussaatzeitpunkt und –stärke
- Standort
- Nährstoffversorgung
- Wirkstoff
Damit kann eine angepasste Behandlung des Bestandes erfolgen [6]. Die Möglichkeit Schadorganismen zu erfassen und teilflächenspezifisch dagegen zu behandeln ist noch nicht absehbar [1].
¶ Anbieter im Überblick
Stand 2020 sind grundsätzlich 5 Hersteller von Pflanzensensoren auf dem Markt verfügbar, deren Anbieter nochmals variieren [1]. Diese sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet und mit einer Kurzbeschreibung versehen (Tab. 1).
Tabelle 1: Sensoranbieter im Überblick [1, 3, 10]
| Hersteller | Systemname | Funktionsweise |
|---|---|---|
| N-Tech Industries | GreenSeeker | Anbringung beliebig vieler Sensoren möglich. Der GreenSeeker verwendet LED´s. 60-120 cm über diesen, werden Rot und NIR-Wellenlängen ausgestrahlt und die „Bestandsreflexion über Fotodioden gemessen“. Der NDVI Index wird verwendet und über den N-Rechner eine angepasste Düngung ermittelt. Vorab muss das System kalibriert werden |
|
Fritzmeier Umwelttechnik
|
ISARIA | Der ISARIA Sensor ist auch als Crop Sensor von Claas verfügbar. Zwei Sensorköpfe sind am Frontgestänge befestigt. Das System arbeitet aktiv über vier LED´s. Der verwendete Vegetationsindex ist der REIP, ebenfalls aus dem Rot und NIR Wellenbereich ermittelt. Er zeigt dem Landwirt die N-Versorgung. |
| Ag Leader | OptRx | Der OptRx basiert auf dem System von Holland Scientific. Die Sensorköpfe sind am Frontanbau platziert. Auch dieses System arbeitet. Gemessen wird in 60-160 cm Höhe. Die verwendeten Vegetationsindizes sind NDVI und NDRE. Das System kann für Mais, Weizen und Raps verwendet werden. |
| Yara |
N-Sensor und N-Sensor ALS |
Vertrieben von der FA AgriCon werden unterschiedliche Varianten angeboten. Das System ist als Schlepperdach-Variante vorhanden. Im Vergleich zu den anderen Sensoren arbeitet der N-Sensor passiv. Der ALS arbeitet ebenfalls mit eigener Lichtquelle. |
| TopCrop | CropSpec | Vertrieben von Topconpositioning, wird der CropSpec Sensor wird in 2-4 m Höhe auf dem Kabinendach positioniert. Die Variante stellt keinen Eingriff dar und misst ein weites Feld |
¶ Diskussion und Fazit zur Technik
Pflanzensensoren existieren bereits seit Ende der 90er Jahre und wurden seitdem ständig weiterentwickelt, wobei opto-elektronische Systeme den Markt dominieren [10]. Sie erfassen die Reflexion vorwiegend im roten und Nahinfrarotbereich. Nachteilig ist, dass bei den Systemen die gesamte Arbeitsbreite nicht messtechnisch erfasst wird [4]. Ebenso sind die Ergebnisse stark von der Oberfläche der Vegetation abhängig. Ein Fehler, der sich in der Nacht potenziell steigert.
Am Beispiel der Chlorophyll-Meter, ist die Kalibration mittels N-Düngern immer problematisch, da die Varianz des Chlorophylls hoch ist, abhängig von der Bodenbeschaffenheit, Wasserzufuhr und saisonalen Abweichungen [5].
Es ist ratsam, dass sich Interessenten vorab über die Systeme und Kompatibilität informieren sollten [3].
Die Effekte durch den Einsatz von Sensoren zur Bestimmung der Heterogenität von Unterschieden im Bestand ist durchweg sinnvoll. Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass eine Verbesserung der Nährstoffnutzungseffizienz durch die gezielte und bedarfsgerechte Stickstoffdüngung zu höheren N-Abfuhren vom Feld führen und Lagergetreide vermieden werden kann [10].
¶ Anwendungsbereich
Hier folgen passende Praxisbeispiele von FARMPRAXIS
¶ Quellen
- Optische Sensoren im Pflanzenbau: DLG
- Vergleich von N-Sensorsystemen für die Betsnadesführung: Y. Reckleben und E. Isensee
- Optische Sensoren in der Landwirtschaft: Grundlagen und Konzepte: H. Lilienthal
- Techniken für eine sensorgestützte mineralische Düngung: D. Ehlert
- Do crop sensors promote improved nitrogen management in grain crops?: A. F. Colaco, R. G. V. Bramley
- Proximal optical sensors for nitrogen management of vegetable crops - a review: F. Padilla et al.
- Strategies to make use of plant sensors-based diagnostic information for nitrogen recommendations: S. Samborski et al.
- Verfahren zur Herbizidreduktion: J. P. Pohl et al.
- Crop Health Monitoring (CropSpec). Just-in-time crop health Management. Topconpositioning.
- Sensoren für die Stickstoffdüngung – Erfahrungen in 12 Jahren praktischem Einsatz: Y. Reckleben, FH-Kiel
¶ weiterführende Quellen
- Internet of things based wireless plant sensor for smart farming: M. Subashini et al.
- Crop sensor-based in-season nitrogen management of wheat with manure application: M. Aranguren et al.
- Airborne and ground level sensors for monitoring nitrogen status in a maize crop: J. L. Gabriel et al.
- Precision Farming - Sensoren für die Stickstoffdüngung: H. Drücker
¶ Autoren*innen
Yves Reckleben, Landtechnik, Fachhochschule Kiel-Fachbereich Agrarwirtschaft