soils of Brandenburg via Copter aerial surveys with NIR and RGB cameras
Sandra Münzel*1, Oswald Blumenstein*1, Daniel Spengler*2, Annegret Thieken*1
*1 Universität Potsdam, Karl-Liebknecht-Straße 24/25, 14476 Potsdam,
*2 Deutsches Geo-Forschungs-Zentrum, Telegrafenberg, 14473 Potsdam E-Mail: smuenzel@uni-potsdam.de
Zusammenfassung: Böden sind die essenzielle Grundlage einer landwirtschaftlichen Produktion. Aktuell geht man davon aus, dass die sich verändernden Klimabedingun-gen mit einer Zunahme von Extremwettereignissen verbunden sein werden. Durch zu-nehmende Trockenperioden wird das pflanzenverfügbare Wasser zu einem limitieren-den Faktor für das Pflanzenwachstum. Speziell für Standorte mit einer geringen Was-serhaltekapazität, wie z.B. die sandigen Böden Brandenburgs, stellt dieser Trend einen deutlichen Standortnachteil dar.
Ziel der Forschungsarbeit ist, eine langfristige Sicherung landwirtschaftlicher Erträge in Trockenregionen unter den sich verändernden Eigenschaften des Niederschlags zu gewährleisten. Im Rahmen der Untersuchungen werden das Wuchs- und Ertragsverhal-ten von Agrarpflanzen mit sowie ohne Trockenstress beobachtet und ausgewertet.
Durch den Einsatz von wasserspeichernden Zuschlagstoffen, die selbst entwickelt wur-den, sollen zukünftig die Auswirkungen der Klimaveränderungen auf die Landwirtschaft vermindert werden.
Die Auswertung biometrischer Daten von verschiedenen Feldfrüchten erfolgt synchron mit einer Ermittlung ihrer spektralen Eigenschaften mittels multispektraler Fernerkun-dung im Bereich des sichtbarer Lichts (RGB) und des nahen Infrarot (NIR) in definierten Intervallen. Eine Effizienzbewertung unterschiedlicher Zuschlagstoffe wird anhand der Erfassung der Pflanzenvitalität mittels verschiedener Vegetationsindizes vorgenommen.
Erste Ergebnisse von Gewächshausversuchen mit Hybridroggen zeigen deutlich den positiven Effekt wasserspeichernder Zuschlagstoffe auf die Vitalität der Pflanzen. Im nächsten Schritt soll eine Untersuchung von Weizen und Mais unter Freilandbedingun-gen mit und ohne zusätzliche Bewässerung erfolFreilandbedingun-gen.
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Deskriptoren: Trockenstress, Vitalität, NIR-Kamera, Pflanzenparameter, Hexacopter
Abstract: Soils are important for the agricultural production. Due to changing climate conditions, such as increasing drought, the plant available water is a limiting factor for plant growth.
The aim of the research is the long-term protection of agricultural yields in sandy soils of Brandenburg amid the changing characteristics of precipitation.
During the investigations, the behavior of agricultural plant growth and yield with and without drought stress should be observed and evaluated. The use of sustainable water-storing aggregates should reduce the impact of climate change on agriculture in the future.
Evaluation of the biometric data of various crops occurs synchronously with the evalua-tion of its multi-spectral (visible range (RGB) and near infrared (NIR)) data in defined time intervals. The evaluation takes place by means of various indices, including the NDVI (normalized differentiated vegetation index).Initial results from greenhouse exper-iments with hybrid rye clearly show the positive effect of water-storing aggregates on the vitality of plants. The next step is then an investigation of wheat and maize under field conditions with and without additional watering.
Keywords: Drought stress, vitality, NIR camera, plant parameters, Hexacopter
1 Einleitung
Der Boden ist Standort sowie Grundlage für das Pflanzenwachstum und deshalb für uns Menschen lebensnotwendig. Der Bedarf der Erdbevölkerung an landwirtschaftlich pro-duzierten Nahrungsmitteln nimmt dabei stetig zu.
Aufgrund dieses Intensivierungsdruckes in der Pflanzenproduktion und den anstehen-den Klimaveränderungen, gekennzeichnet durch Trockenperioanstehen-den und Temperatur-erhöhungen (PIK-REPORT 2003), sind Anpassungen im Bereich der Bewirtschaftung von Agrarflächen unabdingbar (THÜNEN REPORT 2015).
Ein Wassermangel in der Landwirtschaft kann zu verminderten Erträgen führen. Insbe-sondere das pflanzenverfügbare Wasser ist als limitierender Faktor anzusehen. In vie-len Regionen Nordostdeutschlands dominieren sandige Böden mit einer geringen Was-serspeicherfähigkeit (vgl. Abbildung 1). Eine Zusatzbewässerung (vgl. MLUV2005) ist meist teuer, zeitaufwendig oder uneffektiv. Sie ist auch unter der Sicht einer nachhalti-gen Bewirtschaftung der Flächen abzulehnen.
Abbildung 1: Landwirtschaftliche Produktionsfläche in Brandenburg mit extrem sandigen Arealen auf dem Schlag (Quelle: Google Earth 2014)
Andererseits sind jedoch Ertragsverluste zu verhindern und zunehmende Ertrags-schwankungen zu regulieren.
Vorrangiges Ziel der Forschungstätigkeit ist es, zur Sicherung langfristig stabiler land-wirtschaftlicher Erträge, unter Berücksichtigung der sich veränderten Eigenschaften des Niederschlags, beizutragen. Eine nachhaltige Handlungsweise wird dabei vorausge-setzt.
Die Basis für eine Problemlösung bildet das lokale Monitoring des Pflanzenwachstums verschiedener Kulturen auf agrarisch genutzten Flächen. Dieser Algorithmus garantiert ein rechtzeitiges Einsetzen von Gegenmaßnahmen sowie eine Bewertung deren Effek-tivität. Das Vorhaben zielt weiterhin auf die Analyse von Möglichkeiten und der Wirk-samkeit des Einsatzes nachhaltiger Zuschlagstoffe ab (vgl. Abbildung 2). Mit deren Hilfe können Auswirkungen der Klimaveränderungen auf die landwirtschaftliche Produk-tion vermindert werden. Weiterhin soll deren gezielter Einsatz zur Reduzierung von Ma-terial und Kosten führen.
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Abbildung 2: Wasser- und nährstoffspeichernde Zuschlagstoffe, die in den Untersuchungen zum Einsatz kommen
Konkrete Untersuchungsziele sind somit:
1. Bestimmung der Vitalitätsunterschiede von Feldfrüchten unter verschiedenen Standortbedingungen sowie ihre artenspezifische Analyse,
2. Erfassung der Wirkung von Zuschlagstoffen auf ihre Wuchseigenschaften bei Wassermangel.
Das Forschungsprojekt soll den Transfer zwischen Wissenschaft und Praxis fördern und die Zukunftsfähigkeit der ländlichen Räume stärken.
2 Material und Methoden
Der Untersuchungsraum ist gegenwärtig die Region Brandenburg. Auf den hier anste-henden sandigen Böden ist die Wasser- und Nährstoffspeicherfähigkeit stark vermin-dert. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das Monitoring von Abweichungen im Wuchs- und Ertragsverhalten der Kulturen bei extremen Veränderungen des Angebotes von pflanzenverfügbarem Wasser. Theoretische Basis bilden die Wechselwirkungen innerhalb des Systems Wasser, Boden und Pflanze (siehe auch LIPIEC et al. 2013).
Der Nachweis möglicher Trockenstresssymptome erfolgt sowohl mit optischen als auch pflanzenphysiologischen Methoden und wird anhand von Versuchen im Gewächshaus sowie unter Freilandbedingungen vorgenommen. Es werden verschiedene landwirt-schaftliche Kulturpflanzen beobachtet.
Im Zeitraum von einer Vegetationsperiode findet eine zweiwöchentliche Dokumentation der biometrischen Aufnahme der Vegetation zur Ermittlung von Biomasse, Bede-ckungsgrad sowie Vitalität statt. Stressindikatoren sind zudem die Wurzellänge sowie das Verhältnis von Trocken- zu Feuchtgewicht der Pflanzen. Mittels SPAD wird der Chlorophyllgehalt der Blätter ermittelt.
Zudem werden auch relevante Bodeneigenschaften bestimmt. Hierzu gehört einerseits die Erfassung bodenphysikalischer Parameter, wie Bodendichte, -feuchte und -temperatur sowie bodenchemischer Parameter, wie pH-Wert, Leitfähigkeit der Boden-lösung und Nährstoffgehalt. Weiterhin werden bodenbiologische Eigenschaften, wie der Glühverlust und der Gehalt an totalem Kohlenstoff und Stickstoff ermittelt.
Um effiziente, flächendeckende Erfassungsmethoden und Auswertealgorithmen mit ho-her Sensitivität für das Monitoring von Trockenstress landwirtschaftlicho-her Kulturen zu erhalten, werden die Felduntersuchungen vor Ort durch eine Analyse von multispektral-en Datmultispektral-en ergänzt (siehe MITIS 2009). Synchron hierzu erfolgt die Auswertung biometri-scher Daten der Kulturpflanzen, die sich mit bzw. ohne Trockenstress entwickeln. Für die Auswertung der Multispektraldaten werden der sichtbare Bereich (= RGB) und das Nahe Infrarot (= NIR) in den definierten Zeitintervallen hinzugezogen. Sie bilden die Ba-sis für eine Bewertung mittels verschiedener Vegetationsindizes (HELMHOLTZ-ZENTRUM
2015), unter anderem dem NDVI (normalisierter differenzierter Vegetationsindex).
Abbildung 3: Hexacopter „HP-Y6V2“ im Einsatz über agrarischen Versuchsflächen
Im Labor werden der Wasserfluss in den Pflanzen und damit ihre Trockenstressemp-findlichkeit analysiert. Die Dokumentation der Pflanzenparameter erfolgt mit RGB-Aufnahmen. Begleitend zu den Felduntersuchungen werden Spektrometer und hyper-spektrale Fernerkundungsdaten hinzugezogen. Für Wetterdaten der Untersuchungsre-gionen stehen Klimastationen vor Ort bzw. Messwerte des Deutschen Wetterdienstes (DWD) zur Verfügung.
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Bezugnehmend auf das Untersuchungsziel 1 findet in der Vegetationsperiode 2016 die Bestimmung der Vitalitätsunterschiede von Feldfrüchten unter verschiedenen Standort-bedingungen sowie eine artenspezifische Analyse im Freiland auf dem Versuchsgelän-de in Marquardt statt, Versuchsgelän-denn hier erfolgt bereits seit mehreren Jahren die Beobachtung von zwei Weizensorten, die mit bzw. ohne zusätzliche Bewässerung (vgl. Abbildung 4) aufwachsen. In Doppelversuchen wird dabei das Wuchsverhalten der Winterweizensor-ten von März bis zur Ernte im August dokumentiert (vgl. Abbildung 5). Eine Fläche un-terliegt dabei der natürlichen Niederschlagsdynamik, die Vergleichsfläche im Bedarfsfall einer künstlichen Bewässerung.
Dabei wird das Monitoring der vegetativen Entwicklung und der Ertragsbildung in situ durch regelmäßige Copterbefliegungen (Hexacopter „HP-Y6V2“ mit einer RGB- sowie NIR-Kamera) geleistet (vgl. Abbildung 3).
Abbildung 4: Versuchsaufbau der Felduntersuchungen in Marquardt
Abbildung 5: Verschiedene Winterweizenarten auf dem Versuchsfeld in Marquardt 9
Basis für die Realisierung des Untersuchungsziels 2, dem Nachweis der Wirkung von Zuschlagstoffen auf den Pflanzenwuchs bei Wassermangel, sind Gewächshausversu-che mit Hybridroggen sowie Koriander (vgl. Abbildung 6). Dabei wurde die gleiGewächshausversu-che An-zahl Roggensamen jedem Topf zugefügt. Neben reinen Sandböden sind Töpfe zudem mit wasserspeichernden Substraten in verschiedenen Gewichtsanteilen versehen wor-den. Die Hälfte der Versuchsreihe wurde bewässert, die andere ab einer bestimmten Wuchshöhe unterlag einem Wassermangel und damit Trockenstress. Die wöchentlich aufgenommen Bilder mit RGB-und NIR-Kamera erlauben die Bestimmung des NDVI und anderer Indizes.
Abbildung 6: Versuchsaufbau im Gewächshaus zur Wirkung von Zuschlagstoffen auf das Wuchsverhalten von Hybridroggen
Als Resultat dieser Topfversuche sollen optimale Mischungen von Zuschlagstoffen er-mittelt und im Maisanbau auf Sandboden unter Feldbedingungen entwickelt werden.
3 Ergebnisse und Diskussion
Erste Ergebnisse der Gewächshausversuche mit Hybridroggen unter Zusatz verschie-dener wasserspeichernder Zuschlagstoffe liegen vor. Die Untersuchungen zeigen deut-lich den positiven Effekt dieser Zuschlagstoffe auf die Vitalität der Pflanzen. In den NDVI-Aufnahmen spiegeln sich diese Effekte wider (Abbildung 7 und 8).
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Abbildung 7: NDVI von Roggen ohne Zu-schlagstoffe nach 1 Monat Trockenstress
Abbildung 8: NDVI von Roggen mit Zu-schlagstoffen nach 1 Monat Trockenstress
Aktuell erfolgen Topfversuche mit Koriander unter Anwendung der gleichen Zugabe-mengen der Zuschlagstoffe. Es wird erwartet, dass sich eine Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Versuche an Roggenpflanzen abzeichnet.
Abbildung 9: RGB-Aufnahme von Topfversuchen mit Koriander
Abbildung 10: Berechnete NDVI - Aufnah-me von Topfversuchen mit Koriander
Mitte März werden auf den Versuchsflächen in Marquardt weitere umfangreiche Feldun-tersuchungen beginnen.
Literaturverzeichnis
HELMHOLTZ-ZENTRUM GEESTHACHT ZENTRUM FÜR MATERIAL- UND KÜSTENFORSCHUNG GMBH (2015):
http://www.climate-service-center.de/033559/index_0033559.html.de (abgerufen am 23.11.2015)
LIPIEC J., DOUSSAN, C., NOSALEWICZ A., KONDRACKA K. (2013): Effect of drought and heat stresses on plant growth and yield: a review, International Agrophysics. Band 27, Heft 4, Seiten 463–477, ISSN (Print) 0236-8722, DOI: 10.2478/intag-2013-0017
MINISTERIUM FÜR LÄNDLICHE ENTWICKLUNG, UMWELT UND VERBRAUCHERSCHUTZ DES LANDES
BRANDENBURG (MLUV) (2005): Leitfaden zur Beregnung landwirtschaftlicher Kulturen, Frankfurt (Oder), unter
http://lelf.brandenburg.de/media_fast/4055/Leitfaden%20zu%20Beregnung.pdf (abgerufen am 24.09.2015)
MITIS G.(2009): „Globale Erwärmung - Einsatzmöglichkeiten der Fernerkundung gegen Dürre“, Diplomarbeit
PIK-REPORT (2003): No. 83 Studie zur klimatischen Entwicklung im Land Brandenburg bis 2055 und deren Auswirkungen auf den Wasserhaushalt, die Forst- und Landwirtschaft sowie die Ableitung erster Perspektiven
THÜNEN REPORT 30 (2015): Agrarrelevante Extremwetterlagen und Möglichkeiten von Risiko-managementsystemen: Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL); Abschlussbericht: Stand 3.6.2015., Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut
Dietz, Yu, Heimrich, Jäger, Pflanz, Zude 114