Ressourcenschonendes Bewässerungs- und Stickstoffdüngungsmanagement für Kartoffel und Winterweizen
Projektdurchführung
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung
Abt. Acker- und Pflanzenbau
Hermann-Rodewald-Str. 9
24118 Kiel
Zielsetzung
Im Zuge des Klimawandels, insbesondere durch einen steigenden Verdunstungsanspruch bei gleichzeitig stagnierenden Niederschlagsmengen, steigen die Anforderungen der Landwirtschaft an Wasserressourcen für die Feldberegnung. Diese stoßen aber regional auf Einschränkungen, da das nachhaltig verfügbare Bewässerungswasser begrenzt ist und konkurrierende Nutzungsansprüche bestehen. Dadurch können optimale Wassergehalte im Boden für das Pflanzenwachstum nicht durchgehend gewährleistet werden.
Aus diesem Grund sollte sich die mengenmäßige und zeitliche Verteilung der Bewässerungsgaben am zu erwartenden Ertragseffekt orientieren. Ziel ist es, ineffiziente Wassergaben, also solche ohne relevanten Mehrertrag oder ohne Beitrag zur Produktqualität, zu vermeiden. Ein enger Zusammenhang besteht zudem zwischen der Wasserversorgung, der Ertragsbildung und der Stickstoffnutzungseffizienz. Eine bedarfsgerechte Bewässerung steigert nicht nur die Effizienz der Stickstoffnutzung, sondern ermöglicht auch, das Wasserangebot bei der schlagbezogenen Abschätzung des Ertragspotenzials zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird eine gezieltere Düngung möglich, wodurch Emissionen reaktiver Stickstoffverbindungen vermieden werden können.
Zur Entscheidungsunterstützung im Bereich der Beregnungssteuerung werden derzeit verschiedene methodische Ansätze genutzt, darunter Messungen des Wasserzustands in Boden und Pflanze sowie wasserhaushaltsbasierte Berechnungen. Diese Verfahren sind jedoch in der Praxis oft zu aufwändig, insbesondere bei einer einzelschlagbasierten Anwendung.
Fernerkundliche Messverfahren bieten hier Vorteile, da sie leichter anwendbar sind, schlagbezogen repräsentativere Daten liefern und dadurch in der landwirtschaftlichen Beratungspraxis auf größere Akzeptanz stoßen können. Die bislang dominierenden Wasserhaushaltsberechnungen berücksichtigen allerdings keine Rückkopplungseffekte auf das Pflanzenwachstum und sind daher nicht in der Lage, mögliche Ertragswirkungen zu quantifizieren. Ein vielversprechender Ansatz ist die Nutzung gekoppelter Pflanzenwachstums- und Bodenwasserhaushaltsmodelle. Diese Modelle können Ertragseffekte in Abhängigkeit von Wasserverfügbarkeit besser abbilden, vorausgesetzt, es stehen hinreichend genaue Modelle zur Ertragsbildung der betreffenden Kulturen sowie präzise Felddaten für die Modellkalibrierung zur Verfügung.
Ziel des Vorhabens ist es, ein Entscheidungsunterstützungssystem zur Optimierung von Bewässerung und Stickstoffdüngung für die Kulturen Kartoffel und Winterweizen zu entwickeln und in die landwirtschaftliche Beratungsplattform ISIP (Informationssystem Integrierte Pflanzenproduktion) zu integrieren. Für Winterweizen kann dabei teilweise schon auf bestehenden Ansätzen aufgebaut werden.
Auf Basis von Feldversuchen sollen Methoden und Modelle entwickelt oder weiterentwickelt werden, um, differenziert nach lokalem Boden- und Wetterregime, funktionale Zusammenhänge zwischen Bewässerungsmenge und -zeitpunkt sowie Ertragsbildung zu erfassen. Hieraus erfolgt dann die Entwicklung optimierter Düngungs- und Bewässerungsstrategien, wobei auch die Allokation knapper Ressourcen innerhalb der Fruchtfolge des Betriebs berücksichtigt wird. Nach der Implementierung soll das Entscheidungsunterstützungssystem in der Beratungspraxis etabliert und evaluiert werden.
Arbeitsschritte
Das Arbeitsprogramm gliedert sich in 5 Hauptarbeitspakete (AP):
AP1: Feldversuche:
In 3-jährigen Feldversuchen auf der Versuchsstation Hamerstorf der LWK-Niedersachsen erfolgt der Anbau der Prüfkulturen Kartoffeln und Winterweizen unter differenzierter Stickstoff- und Wasserversorgung im Rainout-Shelter und im Freiland zur Ermittlung von Ertrags- und Qualitätsparametern für die Modellparametrisierung und Validierung
AP2: Vegetationsbegleitende Messungen
Zur Weiterentwicklung der Pflanzenwachstumsmodelle für Kartoffeln und Winterweizen und zur Evaluierung der Düngungs- und Bewässerungseffekte werden Zeitreihen von Boden- und Bestandesparametern erhoben. Dafür werden sowohl destruktive als auch fernerkundliche Messungen genutzt.
AP3: Weiterentwicklung Simulationsmodelle
Die vorliegenden Simulationsmodelle für Bodenwasser- Stickstoffhaushalt und Ertragsbildung für Kartoffeln und Winterweizen sollen gestützt auf die Daten der Zeiternten und die fernerkundlich abgeleiteten Bestandesparameter weiterentwickelt werden. Mit den kalibrierten Modellen sind umfangreiche Sensitivitätsanalysen und Szenarienrechnungen geplant, aus deren Ergebnisse wiederum Metamodelle zur Ableitung ökonomisch optimaler Bewässerungszeitpunkte – und mengen entwickelt werden sollen.
AP4: Entscheidungsunterstützungssystem Düngung/Bewässerung
In Zusammenarbeit mit ISIP sollen Linux-Versionen der Systemmodelle für Winterweizen und Kartoffeln entwickelt und in die ISIP-Infrastruktur eingebunden werden. Hierfür sollen auch die Benutzerschnittstellen zur Generierung von Modell-Inputdaten und Darstellung des Outputs der Systemmodelle weiterentwickelt und optimiert werden.
AP5: Praxisimplementierung und Evaluation
Durch die Erstellung von Fachartikeln zum Projekt und die Durchführung von Berater- und Praktikerworkshops soll das Entscheidungsunterstützungssystem in der Beratungspraxis etabliert werden. Eine abschließende Evaluierung des Beratungssystems ist anhand von Experteninterviews und einer Onlineumfrage unter ersten Nutzern geplant.
Ergebnisse
Das Projekt befindet sich noch in der Umsetzungsphase.
AP1: Feldversuche:
Es wurden 2 Feldversuchsjahre erfolgreich abgeschlossen, das dritte Feldversuchjahr ist angelaufen, wobei der geplante Versuch mit Winterweizen wegen Auswinterungschäden durch einen Versuch mit Sommerweizen ersetzt werden musst.
AP2: Vegetationsbegleitende Messungen
Es wurde zur Weiterentwicklung der Pflanzenwachstumsmodelle für Kartoffeln und Winterweizen und zur Evaluierung der Düngungs- und Bewässerungseffekte Zeitreihen von Boden- und Bestandesparametern erhoben. Dafür werden sowohl destruktive als auch fernerkundliche Messungen genutzt.
AP3: Weiterentwicklung Simulationsmodelle
Die vorliegenden Simulationsmodelle für Bodenwasser- Stickstoffhaushalt und Ertragsbildung für Kartoffeln und Winterweizen wurden gestützt auf die Daten der Zeiternten und die fernerkundlich abgeleiteten Bestandesparameter weiterentwickelt. Die geplanten Sensitivitätsanalysen und Szenarienrechnungen stehen noch aus. Ebenso die geplante Ableitung von Metamodellen zur Ableitung ökonomisch optimaler Bewässerungszeitpunkte.
AP4: Entscheidungsunterstützungssystem Düngung/Bewässerung
Für die Zusammenarbeit mit dem ISIP e.V. wurden Linux-Versionen der Systemmodelle für Winterweizen und Kartoffeln entwickelt. Die Einbindung in die ISIP-Infrastruktur hat begonnen. Für die Entwicklung von Benutzerschnittstellen zur Generierung von Modell-Inputdaten und Darstellung des Outputs der Systemmodelle ist eine Web-Seite entwickelt worden (https://agronomykiel.shinyapps.io/shinyHUMEWheat/).
AP5: Praxisimplementierung und Evaluation
Es sind Fachartikel zum Projekt sowie die Durchführung von Berater- und Praktikerworkshops in Vorbereitung.
Öffentlichkeitsarbeit
- Vorstellung des Posters „Optimale Bewässerungsintensität – Schritte zu einer modellgestützten Ableitung“ auf der Tagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften 2023 (https://www.pflanzenbau.uni-kiel.de/de/publikationen/tagungsbeitraege/tagungsbeitraege-als-pdf/279.pdf).
- In der praxisnahen Zeitschrift Kartoffelbau wurde in der Ausgabe 11/2023 in Kooperation von der LWK Niedersachsen mit der CAU Kiel ein Artikel mit dem Titel „Ein Regenschutzdach für die Bewässerungsforschung“ veröffentlicht, der im letzten Zwischenbericht kurz beschrieben wurde.
- Vorstellung von Projektergebnissen auf dem LWK Niedersachsen Feldtag „Bewässerung im Ackerbau“ am 31.05.2024 – u. a. mit Erläuterung der Webapp "shinyHUMEWheat" und dem zugrunde liegenden Pflanzenwachstumsmodell für den Winterweizen (Prof. Kage) und Ergebnissen aus den Feldversuchen zur Prüfkultur Kartoffel sowie Simulationsergebnissen des Kartoffelmodells (Caroline Weißflog).
- Die Masterarbeit von Paul Stein wurde 2024 mit dem Förderpreis der Kartoffelwirtschaft ausgezeichnet.
Fazit
In drei Feldversuchsjahren mit unterschiedlicher Witterung wurde die Reaktion des Kartoffel- und Weizenwachstums auf Trockenstress, Stickstoffmangel und die Interaktion dieser beiden Faktoren untersucht. Besonders für die Kultur Kartoffel konnten belastbare Datensätze generiert werden. Die gesammelten Daten ermöglichten eine präzise Modellanpassung.
Bei der Vorhersage historischer Kartoffelerträge vom Standort Hamerstorf konnten große Fortschritte erzielt werden. Eine lauffähige Webapp für das Kartoffelwachstum wird zeitnah fertiggestellt und kann dann in der laufenden Saison 2025 getestet werden. Die Rückmeldung von Praktiker*innen wird dabei helfen, die Benutzeroberfläche (inkl. Ein- und Ausgabegrößen) zu verbessern.
Durch die Einbindung in die Systeminfrastruktur von ISIP wird die Anwendung in ihrer Funktionalität erweitert und durch eine erhöhte Geschwindigkeit nutzerfreundlicher. Die auf Praxisanwendungen ausgerichteten Arbeitspakete werden im laufenden Jahr durch einen saisonbegleitenden Austausch mit Erstnutzern, eine praxisnahe Publikation zur Webanwendung und die Präsentation der durch die Praxis verbesserten Anwendung im kommenden Winter abgeschlossen.
Weiterhin können mit dem Pflanzenwachstumsmodell Szenarienrechnungen durchgeführt werden. Begleitend zur Modellentwicklung und -implementierung werden wissenschaftliche Publikationen erstellt.