Satelliten- und modellgestützte · © VISTA 2019 No. 3 Sentinel-2 ESA UNCLASSIFIED –For Internal Use Was zeichnet COPERNICUS aus? Programm der EU und ESA zur Erdbeobachtung mit

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Dr. Heike BachGründerin und CEO

VISTA Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH, München

Satellitenbasierte Dienste in Hydrologie und Landwirtschaft

seit 2017 BayWa AG Mehrheitseigner

Satelliten- und modellgestützte Stickstoffdüngung

Symposium: Halle, 6. Mai 2019

Wege in eine nachhaltige Stickstoffwirtschaft

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TalkingFields Service Angebot

www.talkingfields.de

Kunden global verteilt, derzeit in 25 Ländern; Vertriebspartner

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Sentinel-2

ESA UNCLASSIFIED – For Internal Use

Was zeichnet COPERNICUS aus?Programm der EU und ESA zur Erdbeobachtung mit Satelliten. Alle Daten sind offen und frei. Finanziert vorerst bis 2035.

Sentinel-2 Satelliten für die Landwirtschaft besonders interessant.

Sentinel-2:Länge: 3.4 m, Breite: 1.8 m, Höhe: 2.35 mGewicht: 1140 kgWiederkehrzeit: 2-5 Tagekartierte landw. Fläche pro Tag: >100 Mio. haTägliche Daten: ca. 4.6 TByteKosten der Sensorik: 120 Mio. €Kosten je Satellit: 320 Mio. €

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Satelliten- und modellgestützte InformationsgewinnungVISTA‘s spezielles Know-how für Big Data Analysen

PROMET (Mauser & Bach, J. of Hydrology 2009)Multiskaliges Landoberflächenprozessmodell

SLC (Verhoef & Bach, RSE 2003, 2007 und 2012)Strahlungstransfermodell für Boden, Blatt, Bestand und Atmosphäre

Landoberflächenprozesse

Strahlungstransfer Atmosphäre

Strahlungstransfer Landoberfläche

Big Data Prozessierung z.B. mithttp://foodsecurity-tep.net/

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Zeitliche Entwicklung der Blattfläche ausgewählter Schläge und simulierte Ertragsbildung

Wie dynamisch ist das Monitoring mit Sentinel-2?4 Monate im Frühjahr 2018, Filderstadt/Hohenheim

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Stickstoffdüngung mit Hintergrundkarte Ertragspotential: Nutzung der TalkingFields Basiskarte und PROMET Simulationen

Ertragspotential [t/ha]

TalkingFieldsErtragspotentialkarte (letzte 15 Jahre)

Gemessener Ertrag Jahr x

TalkingFields Basiskarte (5-10 Jahre)

Kornertrag [t/ha]

Input:Karten und Tabellen

Soil Vegetation

Sortenspezifische Parameter

Wetterdaten15 Jahre

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Nutzung von Sentinel-2 für die Stickstoffdüngung: Monitoring der Stickstoffaufnahme der Bestände mit SLC

0

5

10

15

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30

35

40

0.45 0.65 0.85

Re

fle

xio

n [

%]

Wellenlänge [µm]

Chlorophylunter-schiede zeigen sich in speziellen Absorptionen und im “red edgeshift”

Chl = 34Chl = 68

(Gitelson, 2014)Nitr

atge

halt

Bes

tand

(g/m

²)

Chlorophyllgehalt Bestand (g/m²)

Blattfläche [m²/m²] Chlorophyllgehalt [µg/cm²]

Empirische Beziehung zwischen Chlorophyllgehalt des Bestandes und N-Aufnahme

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➢ Warum ist der Landwirt daran interessiert?➢ Sind die Verfahren denn schon operationell?➢ Wie kann der Landwirt den Service einfach nutzen?

Serviceangebot NManager und NManager Pro

Satelliten- und modellgestützte Stickstoffdüngung

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TalkingFields Ertragspotentialkarte, auf deren Basis die erste Düngung ausgebracht wird.

Teilflächenspezifische N-DüngungWarum macht das Sinn aus Sicht der Landwirte?

Quelle: J. Bosch, FarmFacts

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12 t

11 t

10 t

9 t

8 t

7 t

6 t

270

250

220

200

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160

135

kg N/ha

In Niedrigsertragszonen zuviel Dünger➔ Geldverschwendung➔ Umweltbelastung➔ N-Effizienz 75-90%

Tatsächlicher Ertrag im Schnitt

In Hochertragszonen zu wenig Dünger➔ Verlust von Ertrag/Qualität➔ Einnahmenverluste➔ Raubbau am Humus

N-Düngung

Ertrag

Ertragspotential im Schnitt

N-Düngung nach Düngeverordnung -gesetzeskonform aber suboptimal

Quelle: J. Bosch, FarmFacts

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12 t

11 t

10 t

9 t

8 t

7 t

6 t

270

250

220

200

180

160

135

Kg N/ha

Tatsächliche Ernte

N im Schnitt

Ertragspotential voll ausgeschöpft.

Keine UmweltbelastungBesser als die DüV

Optimale Düngermenge90 - 100% N-Effizienz

Teilflächenspezifische N-Düngung mit NManagernach dem TalkingFields Ertragspotential

Quelle: J. Bosch, FarmFacts

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7.08.09.0

10.0

0

1

2

3

4

5

01.03.2019 01.04.2019 01.05.2019 01.06.2019 01.07.2019

Bla

ttflä

che

[m²/m

²] Kalibrierung mitSatellitendaten

Ertragspotential*)

N-Aufnahme bis zu den Düngegaben

N2 N3N1

*) langjährig-

N-Applikationskarten

≤ 10203040

≤ 405060

> 70

Aktuelles Beispiel der Düngung mit NManagerPro:Weizenschläge 2019 in Württemberg

Erstellung der Applikationskarten unterstützt durch

60708090

Vorwärtssimulation mit Pflanzenwachstums-modell PROMET

t/ha kg N/ha

kg N/ha

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N-Bedarfsplanung zu Saisonbeginn nach Ertragspotential oder Gesamt- bedarf nach dynamischer Nutzung von NManagerPro

• NmanagerPro kann je nach aktueller Pflanzenentwicklung die Ausbringmuster noch verschärfen

• In 2019 wurden N Gaben zumeist nach unten geregelt wegen geringer beobachteter N-Aufnahmen

• Auswertungen zu Auswirkungen auf Ertrag und N-Effizienz für 2019 noch ausstehend

• Frühere Auswertungen z.B. von der FH Kiel (Reckleben) und der DLG zeigten sehr positive Ergebnisse.

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Wie kann die Satelliten- und modellgestützte Stickstoffdüngung noch verbessert werden?

Aktuelle Forschung zur besseren zeitlichen Empfehlung der Stickstoffdüngung in Abhängigkeit der Mineralisierung im Boden

Nnnovative

Verbundprojekt mit LMU München (Prof. Mauser, Dr. Hank)BMWi Förderung; Start: 1.1.19

Runoff

# 182.2.2017

Soi l

Veg

etat

ion

Atm

osph

ere

TranspirationH2O CO2

Photosynthesis

Allocation &Growth

Respiration

N Fertilization & Deposition

Precipitation Interception

Radiation

Sensible & Latent Heat Flux

Evap

ora

tio

n

Infi

ltra

tio

n

Soil Heat Flux

Lateral Flow

Percolation

Capillary Rise

Root N Uptake

N-Leaching

C-Storage

Root Water

UptakeN-Trans-

formation

PROMET attributes:• physically based• spatially distributed• raster based 10m–1km• hourly calculations

Simulation of plant growth + water, carbon and nutrient cycle

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Simulation der zeit-räumlichen Nährstoffdynmaik im Boden mit PROMET und unter Nutzung von Satelliteninformationen

Quelle: T. Hank, LMU

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Zusammenfassung und Fazit

• Satelliten und Simulationen können die Effizienz der Stickstoffdüngung deutlich erhöhen

• Ziel ist eine 100% Nährstoffeffizienz und kein Eintrag ins Grundwasser

• Angebote zur teilflächenspezifischer Düngung sind für Landwirte verfügbar aber mit variabler Güte / Nachvollziehbarkeit

• Einführungshürden in der Praxis sind klar erkennbar, auch wenn vorgestellte Techniken minimale Investitionskosten erfordern.

• Integration in normale Geschäftsprozesse der Landwirte essentiell.

• Aber: die Verfahren sind (noch?) nicht akkreditiert und somit besteht eine Gefahr, dass der Landwirt nicht rechtlich abgesichert ist, wenn er optimal Stickstoff düngen will.