Erfassung des aktuellen Stickstoffstatus von Kulturpflanzen mit ...

Andreas Schmid
Erfassung des aktuellen Stickstoffstatus von
Kulturpflanzen mit berührungsloser Sensorik
zur Optimierung der teilflächenspezifischen
Bestandesführung
Herbert Utz Verlag · München

Agrarwissenschaften
Zugl.: Diss., München, Techn. Univ., 2007
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ISBN 978-3-8316-0774-7
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Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt
der Technischen Universität München in Freising-Weihenstephan
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
Erfassung des aktuellen Stickstoffstatus von Kulturpflanzen mit
berührungsloser Sensorik zur Optimierung der teilflächenspezifischen
Bestandesführung
Dipl.-Agr.Biol.
Andreas Schmid
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für
Ernährung, Landnutzung und Umwelt der Technischen Universität München zur Erlangung
des akademischen Grades eines
Doktors der Agrarwissenschaften (Dr. agr.)
genehmigte Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. agr. habil. Kurt-Jürgen Hülsbergen
Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Gerhard Wenzel
2. Univ.-Prof. Dr. sc. techn. (ETH Zürich) Urs Schmidhalter
Die Dissertation wurde am 31.05.2007 bei der Technischen Universität München eingereicht
und durch die Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung
und Umwelt am 04.09.2007 angenommen.

Meinem lieben Vater
Hans Georg Schmid
�13.06.1942
†29.11.2006

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielsetzung 1
2 Material und Methode 6
2.1 Standorte der Feldversuchsanlagen 6
2.2 Geologie und Bodenverhältnisse 6
2.3 Klima und Witterungsverlauf 2002 bis 2004 8
2.4 Anlagen der Feldversuche 13
2.4.1 Feldversuchsanlage Winterweizen (Triticum aestivum L.) 13
2.4.2 Feldversuchsanlage Mais (Zea mays L.) 16
2.4.3 Feldversuchsanlage Wintergerste (Hordeum vulgare L.) 21
2.4.4 Feldversuchsanlage Kartoffeln (Solanum tuberosum L.) 24
2.5 Nicht-destruktive Datenerhebung 26
2.5.1 Reflexionsoptisches Sensorsystem 26
2.5.2 Feldspektrometrische Meßmethode 28
2.6 Destruktive Datenerhebung 31
2.6.1 Winterweizen (Triticum aestivum L.) und Wintergerste
(Hordeum vulgare L.) 31
2.6.2 Kartoffeln (Solanum tuberosum L.) 32
2.6.3 Mais (Zea mays L.) 33
2.7 Pflanzeninhaltsstoffanalyse 34
2.7.1 Stickstoffanalyse 34
2.7.2 Analyse photosynthetisch aktiver Pigmente 35
2.8 Auswertung und Statistik 36
3 Ergebnisse 38
3.1 Ausgewählte Vegetationsindizes und ihre Eignung zur Charakterisierung
agronomisch wichtiger Bestandesparameter im Winterweizen
(Triticum aestivum L.)
38
3.1.1 Reflexionsoptische Abbildung der Trockenmasse und N-Aufnahme im
Winterweizen 38
3.1.2 Einflußfaktoren auf die Position des Hauptwendepunktes 54

Inhaltsverzeichnis
3.1.3 Reflexionsverhalten der Bestände während einzelner Vegetationsjahre
und Entwicklungsstadien 58
3.1.4 Optimierte N-Düngung zu Winterweizen 62
3.1.5 Bidirektionales Reflexionsverhalten von Winterweizen 65
3.2 Reflektionsoptische Bonitur von Wintergerste
(Hordeum vulgare L.)
69
3.2.1 Spektraloptische Verhalten unterschiedlicher Sorten von Hordeum vulgare
L. zu unterschiedlichen Vegetationsindizes
3.2.2 Spektraloptisches Verhalten der Vegetationsindizes auf morphologische
69
Eigenschaften von Wintergerste 75
3.2.3 Quantifizierung externer Einflußgrößen auf die reflexionsoptische Bonitur
der Bestandesparameter 79
3.2.4 Optimierte N-Düngung zu Wintergerste 86
3.2.5 Spektraloptische Betrachtung von Wintergerste mit BRDF-Methode
89
3.3 Spektraloptisches Verhalten der N-Aufnahme in die oberirdische
Biomasse von Kartoffeln (Solanum tuberosum L.)
92
3.3.1 Eignung verschiedener Vegetationsindizes zur Abbildung des aktuellen
Stickstoffstatus im Kartoffelkraut 92
3.3.2 Beeinflussende Faktoren bei der spektralradiometrischen Bonitur agronomischer
Parameter 96
3.3.3 Charakterisierung der Einflußfaktoren auf die Position des HWP 100
3.3.4 Einfluß von Meßwinkel und Stickstoffdüngung auf die spektrale Reflexion
von Kartoffelbeständen 123
3.4 Reflexionsoptische Bonitur der N-Aufnahme in die oberirdische
Biomasse von Mais (Zea mays L.)
126
3.4.1 Eignung der Vegetationsindizes zur Abbildung des aktuellen Stickstoffstatus
in der oberirdischen Biomasse von Zea mays L. 126
3.4.2 Einfluß nehmende Faktoren auf die spektroradiometrischen
Bonitur 128
3.4.3 Optimierte N-Düngung zu Mais 154
3.4.4 Bidirektionales Reflexionsverhalten von Mais mit ausgewählten Vegetationsindizes
158

Inhaltsverzeichnis
4 Diskussion 163
4.1 Erhebung der destruktiven und nicht-destruktiven Meßmethode
164
4.2 Beschreibung der Bestandesparameter mit spektraloptischen
Informationsgehalten
165
4.3 Bewertung der N-Aufnahme aus Reflexionsdaten 178
4.4 Bidirektionale Reflexionsmessungen 180
4.5 Düngesystem für eine sensorgesteuerte teilflächenspezifische
Stickstoffapplikation
182
4.6 Vergleich der sensorgestützten N-Applikation zu den landwirtschaftlichen
Kulturpflanzen
185
5 Zusammenfassung 187
Abstract 189
6 Literaturverzeichnis 191

Einleitung und Zielsetzung 1
1 Einleitung und Zielsetzung
Die agrarpolitischen Rahmenbedingungen landwirtschaftlicher Betriebe sind speziell im
modernen Pflanzenbau in Deutschland von sinkenden Preisen bei parallel steigenden Produktionskosten
gekennzeichnet. Die Betriebe sehen sich mit einer rapiden Zunahme von Maßnahmen
(Agenda 2000, GAP-Reform-Beschluß 2003, Besteuerung von Betriebsmitteln) konfrontiert.
Eine Folge der Reformen ist der landwirtschaftliche Strukturwandel. Er führte zu
einer Intensivierung der Produktion bei einem Rückgang der Gesamtzahl der landwirtschaftlichen
Betriebe und gleichzeitiger Zunahme der Anzahl der Großbetriebe (� 50 ha). Diese Entwicklung
bedingt Flächenzuwächse und -rotation, was zu einer Variabilität der Standortbedingungen
und damit räumlich und zeitlich unterschiedlichen Verfügbarkeiten der Ressourcen
führt. Diese Heterogenität landwirtschaftlicher Nutzflächen führt zu stark differenzierenden
Erträgen und Nährstoffaufnahmen bzw. -verteilungen auf den Ackerschlägen. Betriebsüblich
praktizierte schlageinheitliche Düngemaßnahme führen so zu Bereichen mit Nährstoffüberschüssen
und Zonen mit Unterversorgung. Bei Überversorgung steigt die Umweltbelastung,
Nährstoffunterversorgung führt indes zu Ertragseinbußen und langfristig zu einer Absenkung
der Bodenfruchtbarkeit. Hierdurch wird auf Dauer die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt.
Die ökonomischen und ökologischen Nachteile einer schlageinheitlichen Bewirtschaftung
könnten künftig durch konsequent durchgeführte teilflächenspezifische Bewirtschaftungsmaßnahmen
und somit einer Anpassung der pflanzenbaulichen Produktion an variable Standort-
und Bestandsfaktoren vermieden werden.
Die differenzierte Betrachtung von Teilschlägen gewinnt zunehmend an Bedeutung und
wurde durch verschiedene Konzeptionen und Begriffe wie „prescription farming“ (HOLMES,
1993), „precision farming“ (BLACKMORE et al., 1995; PINTER et al., 2003), „Teilschlagbewirtschaftung“
(Amon et al., 1990), „kleinräumige Bestandesführung“ (WERNER, 1995) oder
„teilflächenspezifische Pflanzenproduktion“ (JÜRSCHIK und SCHMERLER, 1995) beschrieben.
Die erste Erwähnung einer teilflächenbezogenen Bewirtschaftungsmaßnahme basiert auf Beobachtungen
von LINDSLEY und BAUER (1929). Diese erkannten pH-Wert-Unterschiede innerhalb
eines Schlages und propagierten bereits 1929 eine differenzierte Kalkung. Jedoch erst
die Weiterentwicklung der Sensortechnik und deren Auswertungverfahren ermöglichten die
Dokumentation wichtiger agronomischer Parameter wie beispielsweise die Abbildung der
oberirdischen Biomasse, der Blattchlorophyllkonzentration (KNIPLING, 1970; LICHTENTAH-

2 Einleitung und Zielsetzung
LER et al., 1996; GITELSON und MERZYLAK, 1997; LICHTENTHALER und BUSCHMANN, 2001;
CARTER und KNAPP, 2001), den aktuellen N-Status der Pflanze oder des Blattflächenindex
(BFI). So wurden mit den Möglichkeiten des „Precison Farming“ seit den 80er und 90er Jahren
intensive Forschungsaktivitäten vorangetrieben (AASE und SIDDOWAY, 1980; ALLEN und
SCOTT, 1980; AASE und SIDDOWAY, 1981; AHLRICH und BAUER, 1983; AASE und TANAKA,
1984; CARD et al., 1988; PETERSON et al., 1988; CURRAN, 1989; GUYOT, 1990).
Grundlage der Arbeit ist mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen im sichtbaren und
nah-infraroten Wellenlängenbereich teilflächenspezifische Informationen über die Möglichkeit
der landwirtschaftlichen Nutzung, im Speziellen der Bestandesentwicklung und des aktuellen
Stickstoffstatus von Kulturpflanzen, abzuschätzen. Bei allen in dieser Arbeit untersuchten
Kulturen wurden mit einem Spektrometersystem Meßreihen während den Vegetationsperioden
2002 bis 2004 erfaßt. Ziel war, den Einsatz des nicht-destruktiven Meßverfahrens zur
Abschätzung agronomisch relevanter Parameter für die Nutzung der teilflächenspezifischen
Bestandesführung, zu untersuchen. Das Interesse richtete sich auf die Genauigkeit des Meßverfahrens
sowie die Begrenzung möglicher Einflußfaktoren auf die Bonitur der Bestandeseigenschaften
der Pflanzenbestände (optische Eigenschaften, indirekt beeinflussend), besonders
zu sehr frühen Entwicklungsstadien. Zum genaueren Verständnis wird das Meßverfahren exemplarisch
anhand einer Reflexionssignatur der Winterweizensorte Xanthos demonstriert
(Abb.1). Die Spektren zeigen bereits während des Zwei-Knoten-Stadiums (EC 32) eine Differenzierung
der Stickstoffversorgung mit 0 bis 90 [kg N ha -1 ]. Beobachtet wird dabei ein starker
Anstieg der Reflexion im Übergangsbereich vom sichtbaren Licht zum nah-infraroten
Wellenlängenbereich. Deutlich erkennbar ist die Abnahme der Reflexionskurve im grünen
und roten Wellenlängenbereich (sichtbarer Spektralbereich) mit steigendem N-Angebot. Verantwortlich
hierfür ist der mit dem Stickstoffangebot korrelierende Chlorophyllgehalt pro
Blatt- und Bodenfläche. Die in Abbildung 1 markierten Bereiche für den Pigmentgehalt,
Hauptwendepunkt (HWP) und der Biomasse repräsentiert das charakteristische Reflexionsverhalten
grüner Pflanzen. Im sichtbaren Bereich nimmt der Reflexionsgrad mit erhöhter
Stickstoffversorgung ab, da die Eindringtiefe des Lichts durch den zunehmenden Chlorophyllgehalt
verringert wird. Das höhere Stickstoffniveau führte zu einer Zunahme der Biomasse
und des Blattflächenindex (Bedeckungsgrad des Bodens) (Abb.2).

Einleitung und Zielsetzung 3
Abb. 1: Reflexionssignaturen der Winterweizensorte Xanthos mit differenzierter N-
Düngung zu EC 32 (Mitterfeld 2004, Mittel über vier Wiederholungen)
Epidermale (externe) und interne Blattstrukturen verursachen diffuse Reflexionen und führen
zu einer Erhöhung des Reflexionsgrads im rot-infraroten Bereich: Resultat ist die typische
Verschiebung der Rot-Infrarot-Schulter (Abb. 1).
Abb. 2: Biomassezuwachs der Weizensorte Xanthos zu EC 32 in Abhängigkeit der
Stickstoffdüngung (links N 1 = 0 [kg N ha -1 ]; rechts N 4 = 90 [kg N ha -1 ])

4 Einleitung und Zielsetzung
Aus dem Reflexionsverhalten eines Pflanzenbestandes können so über die Berechnung
verschiedener Vegetationsindizes Rückschlüsse auf agronomisch relevante Parameter gezogen
werden. Da für die pflanzenbauliche Fragestellung die Güte eines Index von der Sensitivität
gegenüber dem gewünschten Bestandesparameter und der Unempfindlichkeit gegen störende
Umwelteinflüsse im Vordergrund steht, wurden Indexgleichungen wie die Wendepunktsposition
(HWP) und Zwei-Band-Indizes (NDVI, SAVI), gegen einfache Reflexionsverhältnisse
wie den Infrarot-Grün Index (IRG), Infrarot-Rot Index (IRR), sowie dem IRI 1
(R740/R730) und IRI 2 (R740/R720) verglichen.
Während relevanter Entwicklungsstadien kann die Biomasse mit steigenden Bestimmtheitsmaßen
zunehmend besser ermittelt werden und wird von verschiedenen Autoren (ASRAR
et al., 1984; WIEGAND et al., 1992; BELLAIRS et al. 1996; APARICIO et al., 2002) vergleichend
beschrieben. Die spektrale Bonitur der `N-Aufnahme´ in die oberirdische Biomasse folgt denselben
Gesetzmäßigkeiten und kann als analog der Aufwuchsleistung der TM-Produktion
beschrieben werden; sie führt zu der typischen Verschiebung im längeren Wellenlängenbereich
(PATEL et al., 2001).
Anhand dieses Informationsgehalts wird der Produzent über den aktuellen Ernährungszustand
der Bestände informiert und kann einer Überversorgung oder Mangelsituationen gezielt
entgegenwirken. Entsprechende Regelkurven mit der optimalen Stickstoffversorgung der Kulturpflanzen
über die gesamte Vegetationsperiode, dienen als N-Sollwert zum Erreichen bestimmter
Bestandesentwicklungen bzw. Ertragspotentiale für die Düngerbedarfsermittlung
mittels Sensortechnik zu relevanten EC-Stadien. Die erforderliche Düngermenge ergibt sich
aus der Differenz zwischen der aktuellen N-Aufnahme des Bestandes und dem Zielwert zum
Düngezeitpunkt, einschließlich der N-Aufnahme zum Erreichen des Sollwertes der nächsten
Düngung. So gibt es beim Sensoransatz für den gesamten Schlag eine Regelkurve („optimale
mittlere N-Aufnahmekurve“) für die Stickstoffgabe.
Beim Sensoransatz mit Map-Overlay könnte für jeden Teilbereich unterschiedlichen Ertragspotentials
auf differenzierte Regelkurven zugegriffen werden; die Ertragsfähigkeit wird
in die Düngung einbezogen. Dies ermöglicht auf allen Teilschlägen die gleiche Nährstoffeffizienz
und wäre aus ökonomischen wie auch aus ökologischen Gründen anderen Verfahren
vorzuziehen.

Einleitung und Zielsetzung 5
Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit aus pflanzenbaulicher Sicht war es, eine nichtdestruktive
Methode zur Bonitur des aktuellen Stickstoffstatus von Kulturpflanzen zu erarbeiten.
Des Weiteren die Güte verschiedener Vegetationsindizes zu prüfen, die einerseits sensitiv
gegenüber Bestandesparametern, andererseits unempfindlich gegen störende Umwelteinflüsse
sind. Die so gewonnenen Informationsgehalte sind für eine teilflächenspezifische Stickstoffdüngung
bzw. der Entwicklung entsprechender N-Düngungssysteme von größtem Nutzen.

6
2 Material und Methoden
2.1 Standorte der Feldversuchsanlagen
Material und Methode
Die vorliegenden Datenerhebungen zur Ermittlung des spektralen Informationsgehaltes
von monokotylen (Triticum aestivum L.; Hordeum vulgare L.; Zea mays L.) und dikotylen
(Solanum tuberosum L.) Kulturpflanzen wurden auf Versuchsflächen der Staatsgüter Dürnast,
Thalhausen und Viehausen im Tertiärhügelland, ca. 30 bis 40 km nordöstlich Münchens im
Landkreis Freising durchgeführt.
2.2 Geologie und Bodenverhältnisse
Standort Großeisenbach, Kartoffelversuch 2002
Bei der ca. 28 km nordöstlich Münchens gelegenen Fläche handelt es sich um einen
Standort mit leichter Braunerde auf Löß, der nach SCHÄCHTL (2004) eine gute Eignung für die
Kartoffelproduktion aufweist. Die Klasse der Bodenreaktion (pH (CaCl2)) konnte in pH-
Werte von 5,4 bis 6,8 eingestuft werden. Die Korngrößenzusammensetzung des mineralischen
Bodenmaterials mit einem Anteil von 10,7% Ton, 22,9% Schluff und 66,4% Sand, ließ nach
DIN 4220 (1998) eine Einordnung in Sl3, einem mittel lehmigen Sand zu. Sowohl der Phospat-
mit 16 mg/100 g Boden, als auch der Kali-Gehalt mit 18 mg/100 g Boden, lagen nach
HEGE et al. (2003) in der Gehaltsstufe C.
Standort Lamprecht, Kartoffelversuch 2003
Auf dem sandigen Lehm eines im Ampertal bei Unterberg/Wippenhausen gelegenen
Schlages des Staatsgut Thalhausen wurde ein N-Optimierungsversuch zu Kartoffeln konzipiert.
Die Fläche mit der Ackerzahl (AZ) 42 konnte nach der Korngrößenzusammensetzung
als Ls4 klassifiziert werden. Der pH-Wert lag zwischen 5,4 bis 6,1, mit 17,9 mg P2O5/100 g
Boden und 10,9 mg K2O/100 g Boden lag der Boden in der Versorgungsstufe C.

Material und Methode 7
Standort Kleinbachernfeld, Wintergerstenversuch 2002/03 und Kartoffelversuch 2004
Auf dem 14 km westlich Freisings gelegenen Ls3 bzw. Ls4 Standort (sandiger Lehm) mit
einer AZ von 58 wurde 2002 und 2003 ein N-Optimierungs- und Sortenversuch angelegt. Zur
Verbesserung der Bodenstruktur und zur Ertragssicherheit der Wintergerste wurde am
09.07.2002 eine Gabe von 70 dt ha -1 CaCO3 gedüngt. Die Bodenreaktion des Schlages lag
nach dieser Maßnahme im Vegetationsjahr 2003 bei einem pH-Wert von 6,1 und 2004 bei pH
5,9. Mit diesen Bodeneigenschaften bot sich die Fläche auch als geeignet für den 2004 geplanten
Stickstoff-Optimierungsversuch zu Kartoffeln an.
Standort Eisenmann II, Wintergerstenversuch 2004
Die diluviale Braunerdefläche des Eisenmann II liegt östlich der Ortschaft Untergartelshausen,
2,8 km nördlich von Freising. 2004 wurde auf dem Ls2-Standort (schwach sandiger
Lehm) der N-Optimierungs- und Sortenversuch angelegt. Die Fläche zeichnet sich durch eine
AZ von 60 und einem pH-Wert von 6,5 aus. Der Phosphor- und Kali-Gehalt der Ackerfläche
lag mit 16,3 mg P2O5/100 g Boden bzw. 16,7 mg K2O/100 g Boden in der Versorgungsstufe
C.
Standort Dürnast und Mitterfeld, Weizen- und Mais-Sortenversuche
Auf dem Staatsgut Dürnast wurden von 2002 bis 2004 auf den Braunerdeschlägen D 01,
D 04, D 08 sowie Mitterfeld Sortenversuche angelegt. Der schluffige Lehmboden (uL) hatte
auf allen vier Schlägen mit 160 bis 180 nFK [mm] vergleichbare bodenphysikalische Eigenschaften.
Die bodenchemischen Kennwerte lagen im Durchschnitt mit s1 im sehr schwach
sauren Bereich (Tab. 1).
Standort Thalhausen, Weizen- und Mais-N-Optimierungsversuche
Am Standort Thalhausen wurden die in sich sehr heterogenen Schläge Sieblerfeld und
Krohberg für die N-Steigerungsversuche in den Vegetationsperioden 2002 bis 2004 konzipiert.
Durch eine intensive Bestandesaufnahme des Bodens nach der BODEN-
KUNDLICHEN KARTIERUNG (1982) (LIEBLER, 2003) sowie EM-38-Messungen
(SCHMIDHALTER et al., 1999), wurden die beiden Schläge in zwei in sich homogene Teilberei-

8
Material und Methode
che, eine Hochertrag- (HE) und eine Niedrigertragzone (NE) mit unterschiedlicher Wasserspeicherkapazität
(nFK) und Korngrößenzusammensetzung des mineralischen Bodenmaterials
unterteilt (Tab. 2).
Tab. 1: Standortkenndaten der Schläge Dürnast und Mitterfeld
Standort D 01 D 04 D 08 Mitterfeld
Bodenart uL uL uL uL
nFK [mm] 160 180 - 170
pH (CaCl2) 6,0 6,6 - 6,3
AZ/GZ 58 55 64 -
P2O5 [mg P2O5/100 g Boden] 17,2 27,1 - 11,0
K2O [mg K2O/100 g Boden] 12,7 32,3 - 12,0
Ct [%]
Nt [%]
C/N
1,30
0,14
9,3
1,34
0,15
8,9
-
-
-
1,36
0,15
9,1
nFK = nutzbare Feldkapazität; AZ/GZ = Acker-/Grünlandzahl; Ct = Kohlenstoff; Nt = Stickstoff total; C/N =
Kohlenstoff zu Stickstoff Verhältnis
Tab. 2: Standortkenndaten der Schläge Krohberg und Sieblerfeld, Thalhausen
Standort
Krohberg Sieblerfeld
Hochertrag Niedrigertrag Hochertrag Niedrigertrag
Bodenart Lu Ls4 Ls2 Sl2
nFK [mm] 150 90 160 100
pH (CaCl2) 6,4 5,8 6,2 6,1
AZ/GZ 62 44 57 44
P2O5 [mg P2O5/
100 g Boden]
18,8 10,1 14,6 12,1
K2O [mg K2O/
100 g Boden]
24,9 14,0 22,0 16,5
Kies [%] 2 27 9 26
nFK = nutzbare Feldkapazität; AZ/GZ = Acker-/Grünlandzahl
2.3 Klima und Witterungsverlauf 2002 bis 2004
Das Tertiärhügelland gehört nach HÄCKEL (1986) der alpinen warmgemäßigten immerfeuchten
Klimazone an. Der Wetterverlauf in den drei Versuchsjahren wurde anhand des
„AGRARMETEOROLOGISCHER MONATSBERICHT FÜR BAYERN“ der Niederlassung
Weihenstephan, des Deutschen Wetterdienstes in Zolling dokumentiert (DWD, 2001 bis
2004).

Material und Methode 9
Vegetationsjahr 2002
Im langjährigen Mittel liegen die Niederschlagsmengen in diesem Gebiet bei 785,5 mm.
Die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt 7,9 °C. Hohe Niederschlagsmengen im Herbst
und Winter 2001, wie auch die hohen Niederschlagsmengen Mitte März des Versuchsjahres
2002 (Abb. 6) führten zu relativ geringen Nmin-Gehalten im durchwurzelbaren Raum. Die
daraus resultierende vertikale und horizontale Verlagerung des mineralischen Stickstoffs, sowie
die unter dem Durchschnitt liegenden Niederschläge, gepaart mit kalten Temperaturen,
führten beim Getreide zu einer gehemmten Jugendentwicklung. Dieser Vegetationsrückstand
konnte jedoch durch die feuchtwarme Witterung im Mai ausgeglichen werden (Abb. 5 und 6).
Unter dem Durchschnitt liegenden Niederschläge und hohen Temperaturen im Juni (Abb. 5
und 6) führten zur frühzeitigen Abreife der Bestände.
Der am 23. April gesäte Mais konnte sich durch die feuchtwarme Witterung im Mai gut
etablieren. Das Starkregenereignis Mitte Mai führte jedoch in Thalhausen, Schlag Krohberg,
zu Staunässe im unteren Bereich des Hochertrag (HE). In den Folgemonaten profitierte die
C4-Pflanze Mais mit ihrem vergleichsweise niedrigen Transpirationskoeffizienten jedoch von
den hohen Temperaturen.
Die überdurchschnittlichen Temperatur- und Niederschlagsverhältnisse des Monats Mai
begünstigten die Entwicklung der am 9. April gelegten Kartoffeln. Ein Befallsdruck mit Phytophtora
infestans, konnte infolge der feuchtwarmen Witterung des Monats Juli beobachtet
werden. Der Befallsdruck führte Mitte bis Ende August zum Absterben des Krautes.
Vegetationsjahr 2003
Die starken, über den gesamten Herbst andauernden Niederschläge beeinträchtigten die
Aussaat der Getreidebestände. Extrem hohe Niederschläge im Herbst 2002 führten zu einer
starken Verlagerung, beziehungsweise Auswaschung des Stickstoffs. In diesem Jahr wurden
nach HEGE (2005) die geringsten Nmin-Gehalte in den Bodenschichten des durchwurzelbaren
Raumes der letzten zehn Jahre gemessen. Der harte Winter mit deutlich unter dem durchschnittlichen
Monatsmittel liegenden Temperaturen (Abb. 5), gefolgt von Wechselfrösten im
beginnenden Frühjahr, beeinträchtigte die Entwicklung der Getreidebestände. Besondere
Schwächen hinsichtlich der Winterfestigkeit zeigten die Gerstenbestände. Die Gerstenbestände
litten unter erheblichen Auswinterungsschäden (Abb. 3).

38 Ergebnisse
3 Ergebnisse
3.1 Ausgewählte Vegetationsindizes und ihre Eignung zur Charakterisierung
agronomisch wichtiger Bestandesparameter zu Winterweizen
3.1.1 Reflexionsoptische Abbildungen der Trockenmasse und N-Aufnahme zu Winterweizen
Die verschiedenen Indizes wurden auf Ihre Güte in Bezug auf die Sensitivität gegenüber
dem Bestandesparameter geprüft und zu physiologisch relevanten Vegetationsstadien errechnet,
im speziellen der N-Aufnahme und beim Weizen noch respektive der Biomasseproduktion.
Des Weiteren stand die Unempfindlichkeit gegenüber störenden Umwelteinflüssen im
Interesse der Analysen, da für pflanzenbauliche Fragestellungen die Qualität eines Vegetationsindex
einerseits sensitiv gegenüber Bestandesparametern, andererseits unempfindlich gegen
störende Umwelteinflüsse sein muß. Der spektroradiometrische Informationsgehalt wurde
regressionsanalytisch zur Erhebung der agronomisch relevanten Parameter in den jeweiligen
Meßterminen ermittelt. Da ein hohes Bestimmtheitsmaß nicht alleine zur Beurteilung eines
Index als Maß für den Zusammenhang zwischen spektraler Bonitur und Parameter herangezogen
werden kann, wurde zusätzlich der prozentuale Fehleranteil der reflexionsoptischen
Messung berechnet.
Informationsgehalt der spektralen Biomasseerhebung von Winterweizen
In der Abbildung 13 ist der Zusammenhang zwischen den errechneten Indizes und dem
Trockenmasseaufwuchs der Versuchsjahre 2002 bis 2004 dargestellt. Das Bestimmtheitsmaß
der linearen Regression wurde über das Mittel der fünf Sorten und vier N-Stufen mit je vier
Wiederholungen errechnet. Auffallend sind die großen Unterschiede der R 2 -Werte zu Schoßbeginn
(EC 30) zwischen den Versuchsjahren 2002 und 2004.
Im Vegetationsjahr 2004 wurde im Vergleich zu 2002 jedoch zu Schoßbeginn mit 7,4 [dt
ha -1 ] 39,3 % mehr Trockenmasse gebildet. Die Streuung des Variationskoeffizienten (CV) der
TM lag im Mittel aller N-Stufen mit 37,5% (2002) zu 34,4% (2004) nahezu gleich. Grund des
Unterschieds beziehungsweise der niedrigen Bestimmtheitsmaße ist die relativ große Spannweite
der REIP-Werte (HWP).

Ergebnisse 39
[r²]
[r²]
[r²]
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
HWP NDVI IRR IRG IRI 1 IRI 2 SAVI
EC 30 EC 32 EC 37 EC 49 EC 65
Entwicklungsstadien 2002
HWP NDVI IRR IRG IRI 1 IRI 2 SAVI
EC 30 EC 32 EC 37 EC 49 EC 65
Entwicklungsstadien 2003
HWP NDVI IRR IRG IRI 1 IRI 2 SAVI
EC 30 EC 32 EC 37 EC 49 EC 65
Entwicklungsstadien 2004
Abb. 13: Bestimmtheitsmaß zwischen Vegetationsindizes und dem Biomasseaufwuchs in
Abhängigkeit vom Meßtermin (Dürnast, Mittel über 5 Sorten und 4 N-Stufen)

40 Ergebnisse
Im Versuchsjahr 2004 lag die Variationsbreite des HWP mit 4,4 [nm] und einem CV von
0,2% um ein Drittel höher als im Versuchsjahr 2002, was auf einen Fehler bei der Messung
zurückgeführt werden kann. Verläßliche Werte sind unabhängig vom Index erst ab dem Zwei-
Knoten-Stadium mit einem ausreichenden Blattflächenindex (BFI) und minimiertem Bodenanteil
im Sensorfeld zu erwarten (Abb. 13).
Die Beziehung zwischen den Indizes und der oberirdischen Biomasse der Weizenbestände
hält von der Schoßperiode bis zum Termin EC 65 (Mitte der Blüte) an. So werden ab EC 32
mit der Wendepunktposition HWP, aber auch mit dem IRI 1 und IRI 2 ähnlich hohe Werte
erzielt. Die Zwei-Band-Indizes NDVI, SAVI und die Reflexionsverhältnisse IRR und IRG
erreichten weniger gute Beziehungen (Abb. 13).
Der Biomasseaufwuchs des Winterweizens konnte bei der feldspektrometrischen Bestimmung
der oberirdischen Trockenmasse mit den ausgewählten Indizes weitestgehend gut
abgebildet werden. Im Durchschnitt traten die geringsten relativen Schätzfehler der Biomasseschätzung
beim HWP, dem IRI 1 und IRI 2 auf (Abb. 14). Zwischen EC 32 und EC 65 verringert
sich der relative Fehler beim HWP im Durchschnitt von ca. 15,5% auf 11,8% (Abb.
14). Der relative Schätzfehler beschreibt im Detail die prozentuale mittlere Abweichung der
auf Basis des HWP, NDVI, etc. geschätzten, zum jeweiligen Entwicklungsstadium tatsächlich
gemessenen Biomassewerte (Abb. 14).
Zu Schoßbeginn (EC 30) liegen alle Indizes mit durchschnittlich 31% relativem Meßfehler
auf dem selben Niveau der Biomasseabschätzung. Der geringe Anteil an grüner Blattmasse
läßt die Abschätzung der oberirdischen Trockenmasse mit einer großen mittleren Abweichung
zur tatsächlichen Biomasse mit allen Indizes zu EC 30 gleich schlecht abbilden. Die spektrale
Bonitur ist mit einer vertikalen Messung zu Schoßbeginn wegen des mangelnden Bedekkungsgrades
und der Störsignale durch den Boden daher nicht sinnvoll (Abb. 14).

Ergebnisse 41
relativer Schätzfehler [%]
35
30
25
20
15
10
5
0
HWP NDVI IRR IRG IRI 1 IRI 2 SAVI
EC 30 EC 32 EC 49 EC 65
Vegetationsstadien
Abb. 14: Relativer Schätzfehler des Biomasseaufwuchses in Abhängigkeit vom Meßtermin
(Mittel über 3 Jahre, 5 Sorten und 4 N-Stufen)
Spekraloptische Abbildung der N-Aufnahme in die oberirdische Biomasse
Die Abbildung 15 zeigt jeweils für den Meßzeitpunkt, den Zusammenhang zwischen Vegetationsindizes
und der Stickstoffaufnahme in die oberirdische Trockenmasse. Die R 2 -Werte
der linearen Regression sind deutlich höher als bei der Biomasse (Abb. 13 und Abb. 14). Die
Beziehung der Indizes zur N-Aufnahme spricht für die Eignung des HWP, IRI 1 und IRI 2 mit
den durchschnittlich höchsten R 2 -Werten.
Die Bestimmtheitsmaße der Indizes, besonders zu Schoßbeginn (EC 30) haben vergleichend
zur Biomasse eine gesteigerte Güte um ca. 5 bis 10%. Das Absinken der R 2 -Werte gegen
EC 65 ist zum einen mit der Ausbildung der Infloreszenz und somit einem Störsignal aus
Pollen und Ähren zu erklären. Zum anderen mit dem Vergilben des Blattgrüns infolge der
Seneszenz. Der NDVI, IRR, IRG und SAVI zeigten wie bereits zur Biomasse eine deutlich
schwächere Beziehung zwischen spektraloptischer Bonitur und dem Bestandesparameter
(Abb. 15).

Diskussion 163
4 Diskussion
Die Ziele einer teilflächenspezifischen Düngemaßnahme sind in erster Linie das Einsparen
von Betriebsmitteln, die Ertragssicherung und die Verbesserung der Ertragsqualität der
Kulturpflanzen, um eine umweltverträgliche Bewirtschaftung zu erreichen. Die ökonomischen
Vorteile hängen dabei im wesentlich von der lokalen Heterogenität der Standortparameter
ab. Eine der maßgeblichen Zielgrößen für den praktizierenden Landwirt ist der Ertrag, so
kann der lokalen und temporalen Ertragsvariabilität ein ökonomischer Nutzen zugesprochen
werden. Der Ertrag unterliegt komplexen Wechselwirkungen wie dem Standortparameter Bodenwasser
(CARR et al., 1991; WIBAWA et al., 1993; WANING et al., 2000; KASPAR et al.,
2004). Auch das Relief (BASSO et al., 2001; AVENDANO et al., 2004) und die Nährstoffgehalte
bzw. -verfügbarkeit der Nährstoffe auf einem Schlag sind von größter Bedeutung (Raun et al.,
1998; REID, 2002; GANDAH et al., 2003; MUNK et al., 2005). Der Witterungsverlauf (STAF-
FORD et al., 1991; WERNER, 1995), sowie phytosanitäre Aspekte (TREDAWAY-DUCAR et al.,
2003) und Bewirtschaftungsweise beeinflussen die Erträge der Kulturpflanzen (SUDDUTH und
BARGELT, 1993, O´HALLORAN et al., 2004; RASHID und VORONEY, 2005). Der Ertrag wird
nach SCHNUG et al., (1993) als „biologischer Indikator“ und von O´CALLAGHAN (1988) als
„diagnostic tool“ für die Variabilität dieser Parameter beschrieben.
Für die Konzeption einer teilflächenspezifischen Bewirtschaftungsweise wird die Dokumentation
der räumlichen und zeitlichen Heterogenität der Erträge (STAFFORD et al., 1991 und
1996; WOLLENHAUPT und BUCHHOLZ, 1993; ZARCO-TEJADA et al., 2005), sowie die Variabilität
der Bodenparameter und der damit verbundenen Stickstoffverfügbarkeiten (COX et al.,
2003; SHAHANDEH et al., 2005) als sinnvoll erachtet. Aus dieser Variabilität und dem aktuellen
N-Status der Pflanzen, kann durch teilflächenspezifische Stickstoffdüngung ein ökonomischer
Vorteil erzielt werden (KITCHEN et al., 1995; SCHMIDT und LABARGE, 1995; PIERCE et
al., 1995). Für die Umsetzung der teilflächenspezifischen Bewirtschaftung wird der Ackerschlag
in Zonen mit gleichen Ertragsniveaus unterteilt. Mehrjährige Ertragskarten können als
hilfreiches Instrumentarium teilflächenspezifische Informationen zur Ertragsfähigkeit eines
Schlages liefern. Die lokale Heterogenität der Standortfaktoren kann in Form von Zonen differenzierter
Ertragsfähigkeit innerhalb eines Schlages räumlich zusammengefaßt werden. Die
räumliche und zeitliche Ausprägung von Veränderungen in Pflanzenbeständen landwirtschaftlicher
Ackerflächen kann nach Meinung von GUYOT et al. (1989) und BARET et al. (2000) mit
Hilfe der Fernerkundung gut kartiert und erfaßt werden.

164 Diskussion
In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde auf Grundlage raum-zeit-bezogener Bestandesinformationen
die Eignung eines Zwei-Kanal-Spektrometers zur Bonitur der Aufwuchsleistung
und der aktuellen Stickstoffversorgung von Wintergetreide-, Kartoffel- und Maisbeständen
betrachtet, mit Blick auf ihre Anwendungsmöglichkeit bei einer teilflächenspezifisch variablen
Stickstoffdüngung.
4.1 Erhebung mit destruktiven und nicht-destruktiven Meßmethoden
Während drei Vegetationsperioden wurden die Bestandesparameter der Kulturen Winterweizen,
Wintergerste, Mais und Stärkekartoffeln durch destruktive Biomassebeprobung entnommen
und parallel feldspektrometrische Reflexionsaufnahmen durchgeführt. Ein grundsätzliches
Problem des Versuchsaufbaus liegt insbesondere an der ungenauen Biomasseentnahme
zu sehr frühen Entwicklungsstadien der Bestände. Bei sehr kleinen Pflanzen, z.B.
Wintergetreide mit 10 cm Wuchshöhe im Entwicklungsstadium EC 30, wirken sich Ungenauigkeiten
in der Schnitthöhe, die standardmäßig zwei Fingerbreit über der Halmbasis
liegt, sehr stark aus und machte sich bei der Beprobung der Wintergetreide zu EC 30 mit hohen
relativen Schätzfehlern bis zu 37 % bemerkbar. Diese Annahme wird von CURRAN und
WILLIAMSON (1985) unterstützt. Sie ordnen die Biomassebeprobung als wesentlich höhere
Fehlerquelle ein als die nicht-destruktive Reflexionsmessung, deren Meßdaten eine hohe Reproduzierbarkeit
haben und in der Literatur bereits beschrieben wurden (CURRAN und HAY,
1986; HYDRO, 2001).
Des weiteren können analytische Fehler bei der Messung der Stickstoffkonzentrationen in
der Biomasse, deren Ergebnisse eine Aussage über den Qualitätszustand der Proben, beziehungsweise
über die Wirkung von Düngemaßnahmen haben, beobachtet werden. Die Untersuchung
der Stickstoffaufnahme in die oberirdische Biomasse erfolgte durch eine photometrische
Gehaltsbestimmung mittels kontinuierlicher Durchflußanalyse (Continuous-Flow-
Verfahren) nach SKALAR (1997). Die Nachweisgrenze der photometrischen Bestimmung lag
durchschnittlich bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 1 %, respektive bei einem Wert von
19,4 [mg N/l], die Berechnung erfolgte nach DIN 32645 (SCHMITT, 1998), nur das Kartoffelkraut
wies mit erhöhten Lage- und Streumaßen der untersuchten Parameter (Abb. 56 und 57)
auf einen Fehler in der Analyse hin. Eine Inhomogenität sowohl innerhalb einer Parzelle als
auch zwischen Proben- und Mähdruschparzelle kann ebenso als Fehlerquelle für die Meßdaten
in Betracht gezogen werden (PETERSEN et al., 2002).

Agrarwissenschaften
Sung-Wook Nam: Contemporary Food Shortage of North Korea and Reform of Collective Farm
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2003 · 210 Seiten · ISBN 978-3-8316-0294-0
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Kartoffel gegenüber Phytophthora infestans und von Gerste gegenüber Drechslera teres
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officinalis L. (Eisenkraut) als Rohstoff für die pharmazeutische Industrie
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Gerhard Schwarz: Physikalische Eingrenzung des Mla-Locus in Gerste
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Markus Peter Herz: Kartierung quantitativ vererbter Eigenschaften einschließlich Brauqualität und
Resistenz gegen Krankheiten mit molekularen Markern in Gerste
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Tropfbewässerung am Beispiel der Tomate (Lycopersicon esculentum M.)
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Wintergerste
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Einfluß auf Ertrag und Verarbeitungsqualität
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Hubert Siegl: Flüchtige Aromastoffe des Chinakohls (Brassica pekinensis [Lour.] Rupr.) · –
Abhängigkeit von Sorten –
1999 · 200 Seiten · ISBN 978-3-89675-579-7

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Belastungslauten junger Hühnerküken (Gallus gallus dom.) in Glucke-Küken-Gruppen
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Klaus Georg Wiesinger: Naturschutzmaßnahmen in der Landwirtschaft – eine sozioökonomische
Fallstudie aus der Münchner Ebene
1999 · 173 Seiten · ISBN 978-3-89675-562-9
Susanne Ehlers: Untersuchungen zum Anbau und zur pharmakologischen Wirkung des
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1999 · 231 Seiten · ISBN 978-3-89675-561-2
Hongju He: Studies for Growth Adaptation and Identification of Glucosinolates on Chinese
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copersicon lycopersicum (L.) Karst. Ex Farw.) und Kopfsalat · (Lactuca sativa L. var.
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Christoph Mosler: Vergleichende Untersuchungen von Bewässerungs- und Kulturverfahren unter
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Astrid Lux-Endrich: Effekte von biotischen Elicitoren auf den Phenolstoffwechsel von
Zellsuspensionskulturen des Apfels (Malus domestica)
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Yong Yang: Rechnergestützte Östrusüberwachung bei Milchkühen unter Anwendung der Fuzzy-
Logic-Methode
1998 · 156 Seiten · ISBN 978-3-89675-356-4
Peter Lezovic: Beitrag zur Methodik der Dauerfeldversuche
1998 · 186 Seiten · ISBN 978-3-89675-348-9
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