Landwirte müssen Wasser künftig sparsamer einsetzen: Für jeden Schlag und jede Kultur ist der richtige Zeitpunkt und die optimale Wassermenge festzulegen. Doch den aktuellen Bewässerungsbedarf, den u. a. die im Wurzelraum gespeicherte Wassermenge bestimmt, kann man nicht mit bloßem Auge erfassen. Auch Bodenfeuchtemessungen oder die klimatische Wasserbilanz lassen nur ungefähre Schlüsse auf den tatsächlichen Wasserbedarf zu.

Infrarot-Sensoren können hingegen den Wasserversorgungszustand der Kulturen sehr genau und zeitnah erfassen und diesen dann mittels Algorithmus in eine Bewässerungsempfehlung umsetzen. Mit diesem Thema beschäftigen sich in Brandenburg ein Projekt der Europäischen Innovationspartnerschaft, kurz EIP.

Zuerst Temperatur messen

Die Projektgruppe untersucht den optimalen Einsatz von Zusatzwasser, unter nachhaltigen und ökonomischen Gesichtspunkten. Im Mittelpunkt steht dabei die Temperatur der Pflanzen. Sie gibt Auskunft darüber,

• ob die Pflanze gerade optimal mit Wasser versorgt ist und somit durch ihre Verdunstung gekühlt wird,

• oder, ob die Pflanze unter Wassermangel leidet. Dann verdunstet sie nur geringe Mengen und zeigt dies durch eine erhöhte Blatttemperatur. Die Forscher messen die Pflanzentemperaturen mittels Infrarot-Thermographie. Das ist berührungslos und auf großer Fläche möglich. Hinter dem sperrigen Begriff verbergen sich Sensoren wie z. B. Wärmebildkameras, die die Wärmestrahlung von Objekten erfassen. Die Strahlungsenergie der Pflanzen bzw. Pflanzenbestände lässt sich in Temperaturen umrechnen. In Verbindung mit weiteren Faktoren wie Lufttemperatur, Globalstrahlung und Luftfeuchte kann man aus den Temperaturen schließlich den Wasserversorgungszustand der Kultur ableiten. Der größte Vorteil der Infrarot-Thermographie gegenüber herkömmlichen Methoden besteht darin, dass die Information direkt von den Pflanzen stammt. Alle anderen Einflussfaktoren auf die Wasserversorgung, wie die Bodenbeschaffenheit, werden automatisch berücksichtigt. Doch die Thermaldaten aus den Sensoren lassen sich nicht ohne Weiteres in praktische Bewässerungsempfehlungen umsetzen. Dazu müssen sie in Kennzahlen des Wasserversorgungszustandes der Kulturpflanzen umgerechnet werden. Diese Kennzahlen ermitteln die beiden Projektgruppen auf unterschiedlichen Wegen.

Brandenburger Projektteam „Precision Irrigation“

Einen erweiterten Ansatz verfolgt das Brandenburger Projektteam „Precision Irrigation“. Um den schlag- oder teilschlagbezogenen Bewässerungsbedarf von Winterweizen, Silomais und Kartoffeln zu ermitteln, setzen sie das Berechnungsmodell Irrigama ein. Das Modell berechnet die Bodenfeuchte und darauf aufbauend die Verdunstung. Fällt die Verdunstung unter ein Referenzniveau und sind für die kommenden Tage keine Niederschläge in Sicht, empfiehlt der Algorithmus eine für die jeweilige Kulturart optimale Bewässerungsgabe. Die Infrarot-Thermografie, also die Temperaturmessung der Pflanzen, nutzen die Forscher, um ihre Ergebnisse zu überprüfen.

Irrigama ist bereits seit vielen Jahren im Praxiseinsatz. Seine Vorläufer wurden in der DDR für die großflächig wirtschaftenden Produktionsgenossenschaften entwickelt. Auch heute konzentriert sich der Einsatz in den ostdeutschen Bundesländern. Das Projekt will Irrigama treffsicherer und anwenderfreundlicher gestalten. Dazu gehört auch, den aktuellen Wasserversorgungszustand der Pflanzen zu erfassen und die Information an das Steuerprogramm weiterzugeben.

Im Brandenburger Team ging es zunächst darum, eine Methodik für die Aufnahme und Auswertung der Drohnen-Thermalbilder zu entwickeln – eine Lösung „von der Stange“ existiert dafür bisher nicht. Für die über 25 ha großen und mit Kreisregnern ausgerüsteten Flächen sind Methoden mit einer guten Flächenabdeckung notwendig – z. B. eine Drohne mit Wärmebildkamera. Auch Karten der Sentinel-Satelliten dienen als Entscheidungshilfe. Diese erlauben eine Aussage über den Wasserversorgungszustand, ähnlich wie die Aufnahmen der Wärmebildkamera.

Inzwischen ist das Team in der Lage, exakte Temperaturbilder zu erzeugen und in Verdunstungsmengen umzurechnen. Die Ergebnisse bestätigen die aus Bodenuntersuchungen bekannten großen räumlichen Schwankungen der Wasserversorgung auf den Versuchsschlägen. Da die Fläche voll erfasst ist, fällt es leicht, daraus detailliert den Bewässerungsbedarf abzuleiten, wie die Übersicht unten beschreibt:

Anmerkung der Redaktion:In der aktuellen top agrar Printausgabe informiert der Beitrag „Mit Sensoren gegen Trockenstress“ darüber, wie sich mit Hilfe von Sensoren den genauen Wasserbedarf von Kulturen unter Beregnung bestimmen lässt. Auf der Seite 70 veranschaulicht eine Übersicht, wie von den Aufnahmen einer Wärmebildkamera auf den Wasserversorgungszustand geschlossen werden kann. Dabei ist in der Legende zum Wasserversorgungszustand ein Fehler unterlaufen. Die Beschriftung der Farbfelder ist verkehrt herum. Richtig ist: die hellblauen Felder stehen für den ausreichenden Versorgungszustand, während die dunkelblauen den unzureichenden darstellen. Die korrigierte Version des Artikels finden Sie hier als pdf.

Die Wärmebildkamera an der Drohne ermittelt die Temperaturunterschiede im Maisbestand (links). Daraus berechnet ein Modell, wie viel Wasser der Mais verdunstet (Mitte). Wie gut der Wasserversorgungszustand ist (rechts), ermittelt das Modell Irrigama über ein hinterlegtes Referenzniveau. Seit Anfang Juni 2018 können die Projektteilnehmer zwei Versuchsflächen erfolgreich teilflächenspezifisch beregnen, auf Basis der Irrigama-Empfehlung. Das soll Wasser- sowie Energiekosten sparen und zudem gleichmäßigere Erträge bringen.

Allerdings sind auch der Drohne Grenzen gesetzt. Mehr als 12 ha pro Tag kann sie nicht erfassen. Zudem nimmt die Datenverarbeitung viel Zeit in Anspruch. Deshalb sucht das Team nun nach Lösungen, mit denen sie bis zum Projektende 2020 Thermaldaten mit vertretbarem Aufwand erfassen (Drohne) bzw. abrufen (Satellit) und in die Irrigama-Bewässerungssteuerung einbinden können. Bereits jetzt hat das Steuermodell durch das Projekt einen neuen Namen bekommen: Irrigama steering. Zudem sind Oberfläche und Funktionen modernisiert. Nach Abschluss der aktuell laufenden Testphase soll Irrigama steering als Software zusammen mit Beratungsdienstleistungen für die Landwirtschaftspraxis verfügbar sein.