Können NIR-Sensoren in der Düngepraxis überzeugen?

NIR-Sensoren können die Nährstoffermittlung bei Wirtschaftsdüngern erleichtern. Zudem bieten sie Potential für eine exakte und gleichzeitig unkomplizierte Ausbringung. Jedoch fehlt der Technik in Niedersachsen die düngerechtliche Anerkennung. Vor diesem Hintergrund ist ein Modell- und Demonstrationsvorhaben gestartet.

Ein Landwirt darf nicht frei entscheiden, wieviel Gülle er auf seine Flächen ausbringt. Es gilt, die flächenspezifischen Nährstoffvorgaben zu befolgen und alle Düngevorgänge zu dokumentieren. Um unter diesen Umständen maximale Ernteerträge erzielen zu können, müssen die verfügbaren Nährstoffe möglichst effizient, bedarfsgerecht und in der Regel gleichmäßig ausgebracht werden. Auf diese Weise wird eine abwechselnde Über- und Unterdüngung vermieden.

Üblicherweise werden deshalb die Nährstoffgehalte der Gülle ermittelt, indem Proben genommen oder Richtwerte verwendet werden. Jedoch können in beiden Fällen deutliche Abweichungen zu den tatsächlichen Werten auftreten. Beispielswese können die Nährstoffgehalte in Abhängigkeit der Gülleart, der Fütterung und der Homogenität extrem schwanken.

Vor diesem Hintergrund ist eine exakte Nährstoffausbringung mit organischen Düngern schwer realisierbar. Das Ertragspotential wird nicht ausgeschöpft und Umweltbelastungen können hervorgerufen werden.

Ein Einsatz der Nahinfrarotspektroskopie (NIR) könnte deutliche Verbesserungen herbeiführen: Die Nährstoffermittlung könnte vereinfacht, eine exaktere Ausbringung ermöglicht, der überbetriebliche Nährstoffaustausch gefördert und der Dokumentationsaufwand minimiert werden.

Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden die Potentiale der NIR-Technik geprüft. Dafür wird ausgehend von dem praktischen Ablauf einer Nährstoffmessung die Funktionsweise der NIR-Technologie verdeutlicht. Auf dieser Grundlage werden die Vorteile des Verfahrens ermittelt. Anschließend wird die Eignung der NIR-Technologie für die Praxis kritisch hinterfragt. Zum Abschluss wird die Zielsetzung des gestarteten Modell- und Demonstrationsvorhabens verdeutlicht.

Ablauf einer NIR-Nährstoffmessung

Eine Messung der Nährstoffgehalte mit NIR-Technik kann bei nahezu allen Pumpvorgängen von Wirtschaftsdüngern erfolgen – insbesondere beim Be- und Entladen von Ausbring- und Transportfahrzeugen. Dafür werden die Mess-Komponenten in die Förderleitungen integriert oder über eine mobile Station mit den vorhandenen Rohren oder Schläuchen verbunden.

Eine mobile NIR-Station kann beim Befüllen eines Güllefasses zur Nährstoffmessung „zwischengeschaltet“ werden. Sie besteht im Wesentlichen aus der NIR-Einheit, dem Durchflussmengenmesser sowie dem Bedienterminal, siehe Abbildung 2. Sobald Gülle gefördert wird, werden die Gehalte an Stickstoff (N₂), Ammonium (NH₄), Phosphor (P₂O₅), Kali (K₂O) und Trockensubstanz ermittelt und über das Terminal ausgegeben.

Zudem besteht die Möglichkeit, ein Ausbringziel für einen Nährstoff festzulegen. In diesem Fall wurden 60 Kilogramm Stickstoff pro Hektar gewählt. Daraufhin wird dem Anwender aufgezeigt, dass dafür 13 Kubikmeter Gülle pro Hektar ausgebracht werden müssen.

Funktionsweise der NIR-Technologie

Bei einer NIR-Messung wird die vorbeifließende Gülle durch ein Fenster in der Rohrleitung mit nahinfrarotem Licht bestrahlt, siehe Abbildung 3. Das einfallende Licht wird von den unterschiedlichen Inhaltsstoffen teilweise absorbiert und reflektiert. Dabei entstehen spezielle Reflektionen. Diese werden vom Sensor erfasst und zum NIR-Detektor weitergeleitet. Aus einem Vergleich mit hinterlegten Daten sowie einer vom Hersteller entwickelten Kalibrierung können die Nährstoffgehalte der Gülle abgeschätzt werden.  

Vorteile NIR

Die wesentlichen Vorteile der NIR-Technologie bestehen darin, dass die Nährstoffmessung kontinuierlich, in Echtzeit und ohne Aufwand erfolgt. Das bedeutet zum einen, dass ein deutlich größerer Anteil der jeweils relevanten Gülle als bei einer einzelnen Probeentnahme berücksichtigt wird. Außerdem liegen die Nährstoffgehalte direkt vor, so dass sie für eine sofortige Ausbringung oder einen überbetrieblichen Nährstoffaustausch verwendet werden können. Zum anderen entfällt der Aufwand für eine umständliche Probeentnahme.

Darüber hinaus bietet die NIR-Technologie die Möglichkeit, den Güllestrom bei der Ausbringung auf Basis eines Nährstoffwertes zu regeln, siehe Abbildung 4. In diesem Fall liefern ein am Güllefass verbauter Durchflussmengenmesser und die NIR-Einheit Messwerte, auf deren Grundlage die Fahrgeschwindigkeit geregelt wird. Beispielsweise könnte der Fahrer durch eine Eingabe am ISOBUS-Terminal festlegen, dass 60 Kilogramm Stickstoff pro Hektar ausgebracht werden sollen. Daraufhin würde während der Ausbringung eine automatisierte Anpassung der Fahrgeschwindigkeit erfolgen. Alternativ kann eine Regelung des Güllestroms über die Pumpendrehzahl oder ein Drosselventil herbeigeführt werden. Während der Ausbringung erfolgt eine automatisierte Dokumentation der verteilten Nährstoffe. In Verbindung mit GPS können Applikationskarten erstellt werden.

Auf diese Weise könnte eine nährstoffbasierte und bedarfsgerechte Ausbringung inklusive der Dokumentation nahezu aufwandlos realisiert werden.

Kritische Betrachtung der NIR-Technik

Für eine Akzeptanz der NIR-Technologie in der Praxis müssen die gemessenen Nährstoffgehalte in einer ausreichenden Genauigkeit vorliegen. Ansonsten kann keine exakte Ausbringung realisiert werden.

Vor diesem Hintergrund hat die Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft (DLG) die Genauigkeit von verschiedenen NIR-Sensoren untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Messgenauigkeit von den unterschiedlichen Nährstoffen, der Gülleart und den Höhen der Nährstoffgehalte abhängt. Deshalb werden Zertifizierungen einzeln für Stickstoff, Ammonium, Phosphor, Kali und Trockensubstanz bei Rinder-, Schweine-, Mischgülle und Gärresten vergeben.

Eine jeweilige Zertifizierung erfolgt, wenn 3 von 5 Messungen eine maximale Abweichung von 25 % zu einem Referenzwert aufweisen und ansonsten keine Abweichung über 35 % auftritt.

Gegenwärtig erreichen NIR-Sensoren für die meisten Inhaltsstoffe eine Zertifikation. Dabei können beim Stickstoffgehalt in der Regel höhere Genauigkeiten erzielt werden.

Im Vergleich dazu können bei Laboranalysen Schwankungen von ca. 15 % auftreten. Jedoch sind die Abweichungen aus den vorangestellten Prozessschritten unbekannt. Dabei bietet insbesondere die Probeentnahme ein großes Fehlerpotential. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass Veränderungen der Gülle bis zum Start der Ausbringung nicht erfasst werden.

Vor diesem Hintergrund wird die Genauigkeit von Nährstoffgehalten, die mit zertifizierten NIR-Sensoren ermittelt wurden, bei üblichen Güllearten und unter Praxisbedingungen von der DLG als gleichwertig eingeschätzt.

Jedoch ist zu berücksichtigen, dass bei ungewöhnlichen Güllearten, die von der üblichen Kalibrierung nicht abgedeckt werden, größere Messfehler auftreten können.

Außerdem wird die NIR-Technik nicht als wissenschaftliches Verfahren anerkannt und es sind keine Bedingungen definiert, die den Ablauf, die Genauigkeit und die gleichbleibende Qualität einer Messung sicherstellen.

Daher wird eine Dokumentation auf NIR-Basis in Niedersachsen düngerechtlich nicht anerkannt.

Fazit

Die NIR-Technologie optimiert die Nährstoffermittlung, indem die Nährstoffgehalte flüssiger Wirtschaftsdünger kontinuierlich und in Echtzeit bestimmt werden. Zudem entfällt der Aufwand für eine Probeentnahme und eine automatisierte Dokumentation wird ermöglicht.

Eine exaktere Ausbringung wird herbeigeführt, indem Nährstoffgehalte fuhrenbezogen ermittelt werden, sofort vorliegen und eine nährstoffbasierte Regelung des Güllestroms erfolgen kann.

Der überbetriebliche Nährstoffaustausch wird gefördert, da die Nährstoffermittlung einfach, schnell und speziell für ein relevantes Güllevolumen vorgenommen werden kann.

Die Messgenauigkeit wird bei üblichen Güllearten und unter Praxisbedingungen von der DLG als gleichwertig eingeschätzt.

Ungewöhnliche Güllearten, welche Abseits der üblichen Kalibrationen liegen, können zu größeren Messfehlern führen und verhindern unter anderem eine düngerechtliche Anerkennung.

Modellvorhaben „Einsatz von NIR-Sensoren zur Quantifizierung der Nährstoffgehalte in flüssigen Wirtschaftsdüngern“

Die Potentiale der NIR-Technologie für die Düngung sind wesentlich und die technischen Lösungen der Hersteller vorhanden. Daher ist kürzlich ein BLE-gefördertes, bundesweites Modell- und Demonstrationsvorhaben (MuD) gestartet. In diesem soll der praktische Nutzen der NIR-Technik auf ausgewählten Betrieben ermittelt und Interessierten demonstriert werden. Zudem sollen mögliche Anwendungen für eine düngerechtliche Anerkennung ausgemacht werden. Die Landwirtschaftskammer leitet das Teilprojekt in Niedersachsen und veröffentlicht zukünftig die ermittelten Ergebnisse.