Entwicklung eines Online-Messverfahrens zur Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades bei der Stoppelbearbeitung zu Mulchsaatverfahren

Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Verbund-Forschungsprojektes mit dem Ziel, eine Präzisions-Bodenbearbeitung in Abhängigkeit von verschiedenen Bodenparametern sowie dem Bodenbedeckungsgrad zu realisieren. Ziel dieses Teilprojektes war die Bereitstellung einer Online-Messung des Bedeckungsgrades, um die Bearbeitungsintensität während der Feldüberfahrt regeln zu können: Ein Kamerasensor vorne am Schlepper ermittelt die Bodenbedeckung und ein Tiefen-Sollwert wird an das Regelsystem eines Gerätes zur teilfächenspezifischen Bodenbearbeitung ausgegeben. Da unter Feldbedingungen Methoden zur Bedeckungsgradmessung nur relativ zueinander verglichen werden können, wurde zunächst ein Laborvergleich mit wohldefinierten Bodenbedeckungen durchgeführt, um die prinzipiellen Stärken und Schwächen von Bildanalyse sowie zwei visuellen Methoden (Gitterraster-Methode und „Meterstick-Methode“) zu ermitteln: • Eine visuelle Methode, die auf einer begrenzten Anzahl von einfachen Stichprobenbeobachtungen beruht (Gitter), überschätzte den Bedeckungsgrad systematisch, wobei dieser Effekt unter Feldbedingungen vermutlich klein gegenüber der bekannten Schwankungsbreite zwischen Messungen verschiedener Beobachter ist. • Eine visuelle Methode, die auch Größe und Orientierung des Strohs berücksichtigt (Meterstick), lieferte präzise mittlere Messwerte. Diese Methode war die mit Abstand arbeitsaufwändigste. • Nach einer einfachen Korrektur des Abbildungsfehlers des Kameraobjektivs war auch die Bildverarbeitungs-Methode in der Lage, die bekannten tatsächlichen Bedeckungsgrade exakt darzustellen, bei gleichzeitig der geringsten Schwankungsbreite der Messwerte. Die Online-Messung der Bodenbedeckung durch Ernterückstände ist bisher jedoch ungelöst. Obwohl in früheren Untersuchungen Texturmerkmale oder Farbunterschiede erfolgreich genutzt wurden, um den Bedeckungsgrad zu bestimmen, wird eine Bedienperson zur interaktiven Festlegung bestimmter Parameter benötigt. Um den Prototypen eines onlinefähigen Kamerasensors zu entwickeln, wurden geeignete Ausrüstung und Bedingungen zur Bildaufnahme untersucht und verschiedene Auswertealgorithmen mit Hilfe einer wissenschaftlichen Bildanalysesoftware geschrieben und getestet: • Da im Nahinfraroten zwischen ca. 800 und 1400 nm der größte Intensitäts-Kontrast zwischen Stroh und Boden besteht wurde zur Bildaufnahme eine Schwarz-Weiss-CCD-Kamera mit aufgesetztem Infrarotfilter gewählt. Eine Diffusor-Box sorgte für homogene Beleuchtungsbedingungen. • Zwei auf Kantendetektion und automatischer Schwellwertsetzung basierende Versionen („A“ und „B“) eines „klassischen“ Segmentierungsalgorithmus wurden geschrieben. Durch einen iterativen Ansatz konnten geeignete Thresholding-Verfahren abhängig von der Größenordnung der Bodenbedeckung verwendet werden. Die zur Online-Regelung der Bearbeitungstiefe nötige Beschränkung der Prozesslaufzeit auf ca. 1000 ms/Bild konnte eingehalten werden. • Eine alternative automatisierbare Kontrollmethode wurde entwickelt, welche Merkmale der Grauwerthistogramme der Stroh/Boden-Bilder auswertet (Algorithmus „C“). Dieser Ansatz ist nochmals deutlich schneller als eine Bildsegmentierung (ca. 5 – 10 Bilder/s). • Der Sensor wurde an einem Quad montiert und die Bodenbedeckung auf drei Testfeldern untersucht. Zwischen den Messergebnissen eines Algorithmus vom Typ A/B und dem Ansatz C wurde eine Pearson-Korrelation von 0,967 für die Messwertegesamtheit gefunden. • Auf Versuchsparzellen mit definiert aufgebrachten Strohmengen (ein weiteres Teil-projekt) wurden an GPS-referenzierten Punkten Bilder mit dem Sensor aufgenommen und Referenzmessungen mit der visuellen Gitterraster-Methode durchgeführt. Zwischen der Bildverarbeitung (A, B) und dem Gitter ergaben sich befriedigende Pearson-Korrelationen im Bereich von 0,7 – 0,8. Allerdings waren für hohe Bedeckungen die Ergebnisse des Sensors meist signifikant niedrigere als der Mittelwert von drei das Gitter auszählenden Personen. Eine Kontrolle mit Ansatz C ergab, dass die Histogramm-Merkmale der einzelnen Bilder deutlich besser mit den per Bildverarbeitung ermittelten Bedeckungsgraden korrelierten als mit den Gittermessungen. – Insgesamt erwies sich die schnelle Bildverarbeitung als geeignet für den Einsatz als neue Referenzmethode zur Messung der Bodenbedeckung durch Ernterückstände. • Da der Aufbau des Sensors ohne die Diffusor-Box praxisgerechter ist, besteht weiterer Forschungsbedarf in Bezug auf die dann auftretenden Probleme durch stark wechselnde Beleuchtung und Schattenwurf. • In einem letzten Schritt wurde der Kamerasensor erfolgreich in ein bereits entwickeltes System zur teilflächenspezifischen Bodenbearbeitung an der Universität Kiel integriert. Eine Regelung der Arbeitstiefe durch den Kamerasensor war problemlos möglich, allerdings gilt es noch belastbare Kriterien für die Vorgabe von Tiefen-Sollwerten in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad zu entwickeln.

Fütterungsbedingte mikrobielle Zusammensetzung von Rinderkot und deren Einfluss auf Gasemissionen und N-Mineralisierung im Boden

Um die Nährstoffeffizienz im Boden zu erhöhen und klimarelevante Gasemissionen zu minimieren, sind quantitative Informationen zu den C- und N-Fraktionen im Kot sowie deren Mineralisierungspotential nötig. Da über die Hälfte des fäkalen N mikrobiell gebunden ist, sind Methoden zur Bestimmung der mikrobiellen Kotqualität hilfreich. Ziele der ersten Publikation waren die Anwendung der CFE-Methode zur Bestimmung der mikrobiellen Biomasse in Rinderkot, Ergosterolbestimmung als Marker für die pilzliche Biomasse und Aminozuckernachweis zur Analyse der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur (pilzliches Glucosamin und bakterielle Muramin-säure). Mit Hilfe der CFE-Methode sollten lebende Mikroorganismen im Kot, inklusive Bakterien, Pilze und Archaeen, erfasst werden. Verschiedene Extraktionsmittel wurden für diese Methode getestet, um stabile Extrakte und reproduzierbare mikrobielle Biomasse-C- und -N-Gehalte zu erhalten. Der Einsatz von 0.05 M CuSO4 als Extraktionsmittel löste vorherige Probleme mit der Extraktion CHCl3-labiler N-Komponenten und sorgte für stabile Kotextrakte. Die Methoden wurden in einem Kotinkubationsexperiment bei 25 °C verglichen. Mikrobielle Parameter zeigten dynamische Charakteristika und mögliche Verschiebungen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft. Im Kot von Färsen betrug das mittlere C/N-Verhältnis 5,6 und der mittlere Cmik/Corg-Quotient 2,2%, das Verhältnis von Ergosterol zum mikrobiellen Biomasse-C war 1,1‰. Ergosterol und Aminozuckeranalyse ergaben einen signifikanten Pilzanteil von über 40% des mikrobiellen Gesamt-C. Für die Analyse mikrobieller Parameter in Rinderkot erwiesen sich alle getesteten Methoden als geeignet. Diese wurden für die folgenden Fütterungsversuche weiter unabhängig voneinander angewendet und verglichen. Die zweite Publikation verglich eine N-defizitäre (ND) und eine ausgeglichene N-Bilanz (NB) bei der Fütterung von Milchkühen unter Berücksichtigung der Kot-inhaltsstoffe, der mikrobiellen Parameter und der Verdaulichkeit. Unterschiede zwischen Individuen und Probennahmetagen wurden ebenfalls miteinbezogen. Mittlerer mikrobieller Biomasse-C- und -N-Gehalt war 37 bzw. 4,9 mg g-1 TM. Der Pilzanteil lag diesmal bei 25% des mikrobiellen Gesamt-C. Die Fütterung zeigte signifikante Effekte auf die Kotzusammensetzung. Das fäkale C/N-Verhältnis der NB-Fütterung war signifikant niedriger als bei ND. Gleiches gilt für das C/N-Verhältnis der mikrobiellen Biomasse mit jeweils 9.1 und 7.0 für ND und NB. Auch die Verdaulichkeit wurde durch die Fütterung beeinflusst. Unverdauter Futterstickstoff, Faserstoffe (NDF) und Hemi-cellulose waren in der ND-Behandlung signifikant erhöht. Einige Parameter zeigten nur einen Einfluss der Probennahmetage, mit den angewendeten Methoden gelang jedoch der eindeutige Nachweis der Fütterungseffekte auf mikrobielle Parameter im Rinderkot, wobei sich die Fütterung in nur einer Variable unterschied. Weitere Fütterungseinflüsse auf die Kotqualität wurden schließlich auch für Rinder unterschiedlicher Leistungsstufen erforscht. Hier waren die Unterschiede in der Fütterung wesentlich größer als in den vorhergehenden Experimenten. Der Kot von Färsen, Niederleistungs- und Hochleistungskühen sowie dessen Einfluss auf N2O-Emissionen, N-Mineralisierung und pflanzliche N-Aufnahme wurden untersucht. Die Färsenfütterung mit geringem N- und hohem ADF-Anteil führte zu pilzdominiertem Kot. Besonders im Vergleich zum Kot der Hochleistungskühe war der Gehalt an mikrobiellem Biomasse-C niedrig, in Verbindung mit einem breiten mikrobiellen C/N-Verhältnis und hohem Ergosterolgehalt. Eingemischt in Boden zeigte Färsenkot die niedrigste CO2-Produktion und höchste N-Immobilisierung sowie niedrigste N2O-Emissionen während einer 14-tägigen Inkubation bei 22 °C. In einem 62-Tage-Gefäßversuch mit Welschem Weidelgras waren der Trocken-masseertrag und die pflanzliche Stickstoffaufnahme in den Färsenbehandlungen am niedrigsten. Die Stickstoffaufnahme durch die Pflanzen korrelierte positiv mit der Stickstoffkonzentration im Kot und negativ mit dem Rohfasergehalt, aber auch negativ mit dem C/N-Verhältnis der mikrobiellen Biomasse und dem Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem C. Mikrobielle Parameter im Kot zeigten einen größeren Zusammen-hang mit der pflanzlichen Stickstoffaufnahme als die mikrobiellen Bodenparameter.

Effects of tillage intensity on soil C, N, and P pools with different stability

Es ist bekannt, dass die Umsatzdynamik der organischen Substanz von der Bodenbearbeitungsintensität abhängt. Bis jetzt sind nur wenige Daten zum Einfluss der Bearbeitungsintensität und des Zwischenfruchtanbaus auf C-, N-, und P-Dynamik im Ober- (0-5 cm Tiefe) und Unterboden (5-25 cm Tiefe) von Lössböden verfügbar. Hauptziele dieser Arbeit waren die (i) Quantifizierung des Einflusses von verschiedenen langzeitig durchgeführten Bearbeitungssystemen auf labile, intermediäre, und passive C- und N-Pools; (ii) Quantifizierung des Einflusses dieser Systeme auf P-Fraktionen mit unterschiedlicher Verfügbarkeit für die Pflanzenaufnahme; (iii) Quantifizierung des Einflusses des Zwischenfruchtanbaus in Verbindung mit einer unterschiedlichen Einarbeitungstiefe der der Zwischenfrüchte auf mineralisierbares C und N. Die Ergebnisse des 1. und 2. Teilexperiments basieren auf Untersuchungen von 4 Langzeitfeldexperimenten (LFE) in Ost- und Süddeutschland, die zwischen 1990 und 1997 durch das Institut für Zuckerrübenforschung angelegt wurden. Jedes LFE umfasst 3 Bearbeitungssysteme: konventionelle Bearbeitung (CT), reduzierte Bearbeitung (RT) und Direktsaat (NT). Die Ergebnisse des 3. Teilexperiments basieren auf einem Inkubationsexperiment. Entsprechend den Hauptfragestellungen wurden folgende Untersuchungsergebnisse beschrieben: (i) Im Oberboden von NT wurden höhere labile C-Vorräte gefunden (C: 1.76 t ha-1, N: 166 kg ha-1), verglichen mit CT (C: 0.44 t ha-1, N: 52 kg ha-1). Im Gegensatz dazu waren die labile- C-Vorräte höher im Unterboden von CT mit 2.68 t ha-1 verglichen zu NT mit 2 t ha-1 und RT mit 1.87 t ha-1. Die intermediären C-Vorräte betrugen 73-85% der gesamten organischen C-Vorräte, intermediäre N-Vorräte betrugen 70-95% des Gesamt-N im Ober- und Unterboden und waren vielfach größer als die labilen und passiven C- und N-Vorräte. Nur im Oberboden konnte ein Effekt der Bearbeitungsintensität auf die intermediären N-Pools mit höheren Vorräten unter NT als CT festgestellt werden. Die passiven C- und N-Pools waren eng mit den mineralischen Bodeneigenschaften verbunden und unabhängig vom Bearbeitungssystem. Insgesamt hat sich gezeigt, dass 14 bis 22 Jahre durchgängige Direktsaatverfahren nur im Oberboden zu höheren labilen C- und N-Vorräten führen, verglichen zu konventionellen Systemen. Dies lässt eine tiefenabhängige Stärke der Dynamik der organischen Bodensubstanz vermuten. (ii) Die Konzentration des Gesamt-P (Pt) im Oberboden war höher in NT (792 mg kg-1) und ~15% höher als die Pt-Konzentration in CT (691 mg kg 1). Die Abnahme der Pt-Konzentration mit zunehmender Bodentiefe war höher in NT als in CT. Dies gilt auch für die einzelnen P-Fraktionen, ausgenommen der stabilsten P-Fraktion (residual-P). Generell hatte das Bearbeitungssystem nur einen kleinen Einfluss auf die P-Konzentration mit höheren Pt-Konzentrationen in Böden unter NT als CT. Dies resultiert vermutlich aus der flacheren Einarbeitung der Pflanzenreste als in CT. (iii) Im Zwischenfruchtexperiment war der Biomassezuwachs von Senf am höchsten und nimmt in der Reihenfolge ab (oberirdischer Ertrag in t / ha): Senf (7.0 t ha-1) > Phacelia (5.7 t ha-1) > Ölrettich (4.4 t ha-1). Damit war potentiell mineralisierbares C und N am höchsten in Böden mit Senfbewuchs. Kumulative CO2- und N2O-Emissionen während der Inkubation unterschieden sich nicht signifikant zwischen den Zwischenfruchtvarianten und waren unabhängig von der Verteilung der Pflanzenreste im Boden. Die kumulativen ausgewaschenen mineralisierten N (Nmin)-Vorräte waren in den brachliegenden Böden am höchsten. Die Nmin-Vorräte waren 51-72% niedriger in den Varianten mit Zwischenfrucht und Einarbeitung verglichen zur Brache. In den Varianten ohne Einarbeitung waren die Nmin-Vorräte 36-55% niedriger verglichen zur Brache. Dies weißt auf einen deutlichen Beitrag von Zwischenfrüchten zur Reduzierung von Nitrat-Auswaschung zwischen Winter und Frühjahr hin. Insgesamt führte reduzierte Bearbeitung zu einer Sequestrierung von C und N im Boden und der Zwischenfruchtanbau führte zu reduzierten N-Verlusten. Die P-Verfügbarkeit war höher unter Direktsaat verglichen zur konventionellen Bearbeitung. Diese Ergebnisse resultieren aus den höheren Konzentrationen der OS in den reduzierten, als in den konventionellen Systemen. Die Ergebnisse zeigen deutlich das Potential von reduzierter Bearbeitung zur Sequestrierung von intermediärem C und N zur Reduzierung von klimarelevanten Treibhausgasen. Gleichzeitig steigen die Konzentrationen an pflanzenverfügaren P-Gehalten. Zwischenfrüchte führen auch zu einem Anstieg der C- und N-Vorräte im Boden, offensichtlich unabhängig von der Zwischenfruchtart.