Multidisciplinary studies on sustainable nitrogen fertilisation considering the potential of satellite-based precision agriculture

Um herauszufinden, ob eine Bereitschaft vorhanden ist, neue, teilflächenbasierte Lösungen im Bereich Stick-stoffmanagement anzuwenden, startete die Freie Universität Amsterdam (IVM) in Kooperation mit der BOKU eine Umfrage unter niederösterreichischen LandwirtInnen. Die Umfrage wurde in persönlichen Interviews von Studierenden der BOKU im Zeitraum November 2016 bis Februar 2017 mit Unterstützung der Landwirtschaftskammer Niederösterreich (NÖ) durchgeführt. Der Fragebogen bestand aus einem allgemeinen Teil mit Fragen zum Betrieb und einem Diskreten Entscheidungsexperiment (Choice Experiment), in dem die LandwirtInnen aus verschiedenen innovativen Optionen des Düngemanagements wählen konnten.

Den LandwirtInnen wurden drei Kategorien von Technologien für teilflächenspezifische Stickstoffausbringung vorgestellt: -

Voll automatisierte Technologien: automatisch gesteuerte variable Ausbringung des Stickstoffs auf Basis von Spektralmessungen durch den Sensor während der Fahrt über den Schlag.

Den TeilnehmerInnen wurden die drei Optionen unter Berücksichtigung verschiedener Eigenschaften der einzelnen Technologien vorgestellt. Die drei vorgestellten Technologiegruppen wiesen beispielsweise unterschiedliche Kosten, N-Düngeeinsparungspotenziale, Ertragssteigerungspotenziale, Beratungsangebote und Grundwasserverbesserungspotenziale auf. Den LandwirtInnen wurden sogenannte choice cards präsentiert, auf denen sie die für ihren Betrieb am besten geeignete Lösung auswählen konnten. Auch die Wahl keines der drei Systeme war möglich. Aus den Antworten konnte die Investitionsbereitschaft, aber auch die Wichtigkeit der einzelnen Kriterien abgeleitet werden. Eine detaillierte Beschreibung der Methode findet sich bei Blasch et al. (2020).

An der Studie nahmen 242 niederösterreichische Land-wirtInnen teil. Die befragten LandwirtInnen stammten aus den Regionen Marchfeld, Weinviertel, Wiener Becken und Tullnerfeld. Sie waren zumeist EigentümerInnen (82 %) von Familienbetrieben (95 %). Die Betriebsgrö-ßen bewegten sich etwas über dem niederösterreichischen Durchschnitt von 42 ha (Grüner Bericht, 2016).

Zwei Drittel der befragten LandwirtInnen bewirtschafteten mehr als 50 ha, 26 % sogar mehr als 100 ha.

Die LandwirtInnen waren zudem meist TeilnehmerInnen der Arbeitskreise der Landwirtschaftskammer Niederösterreich. Die Untersuchung der Charakteristika der UmfrageteilnehmerInnen ergibt einen im Vergleich zum Durchschnittsbetrieb (NÖ Agrarstrukturerhebung 2016) jüngeren, mit mehr landwirtschaftlich genutzter Fläche ausgestatteten und an Neuigkeiten im Agrarsektor inter-essierten männlichen Betriebsführer. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Betriebskennzahlen und Eigenschaften der LandwirtInnen.

Im Zuge des Projekts FATIMA konnte in zwei Jahren der Einsatz verschiedener N-Düngemengen für Winterweizen auf Probeflächen getestet werden. Feldversuche mit Winterweizen (Sorte „Capo“) wurden 2015/16 und 2016/17 am Standort „Engelhartstetten” im Marchfeld (Niederösterreich) (48°11'N, 16°55'E) auf zwei benachbarten Feldern durchgeführt. Die Beschreibung des Standortes (Klima und Boden) ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Bodenprobe wurde am 21.03.2016 als Mischprobe von allen Parzellen in 0–25 cm Tiefe genommen. Die in Tabelle 2 angegebenen Werte entsprechen dem Mittelwert der 12 Parzellen, wenn nicht anders angegeben. Die Winterweizenversuche bestanden neben der Nulldüngungsvariante N0 (0 kg N ha⁻¹) aus drei unterschiedlichen Düngungsstufen mit folgenden Gesamtdüngungsmengen (N1: 60 kg N ha⁻¹; N2: 120 kg N ha⁻¹; N3: 180 kg N ha⁻¹; Abbildung 5), die als Kalkammonsalpeter ausgebracht und gleichmäßig auf drei Düngungstermine im März, April und Mai aufgeteilt wurden. Die Feldversuche bestanden aus einem randomisierten Blockdesign mit drei Wiederholungen, wobei die Parzellen jeweils 100 m × 100 m maßen. Ein Beispiel für die Anlage der Feldversuche (Winterweizen im Jahr 2015/16) ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Phosphor- und Kaliumdüngung wurde entsprechend den Richtlinien für die sachgerechte Düngung (BMLFUW, 2017) durchgeführt. Als Pflanzenschutzmaßnahme wurden 1,2 l ha⁻¹ des Herbizids Tomigan XL jeweils im April ausgebracht. Die Bewirtschaftungsdaten der Anbauperioden 2015/16 und 2016/17 sind in Tabelle 2 dargestellt.

Der Feldversuch diente einerseits der Validierung der Satellitendaten und wurde darüber hinaus als Basis für die Bewertung der Wirtschaftlichkeit der unterschiedlichen N-Düngemengen herangezogen. Unter Berücksichtigung der Kosten für Dünger, Arbeitszeit, Maschineneinsatz, den Marktpreisen für Weizen im Juni der beiden Jahre und dem mit dem eingesetzten N-Dünger erwirtschafteten Ertrag und den erzielten Qualitäten wurde eine vereinfachte ökonomische Analyse der Wirtschaftlichkeit der Düngemaßnahmen durchgeführt (Eq.1): Ertrag [kg t-1]×erzielter Getreidepreisfu¨r entsprechende Qualita¨t [€ t-1]-Du¨ngerkosten [€ ha-1]-Arbeits‐ und Maschineneinsatz fu¨r Du¨ngung [€ ha-1]=Umsatz abzu¨glich der variablenStickstoffmanagementkosten [€ ha-1] \matrix{{{\rm{Ertrag}}\,[{\rm{kg}}\,{{\rm{t}}^{- 1}}] \times {\rm{erzielter}}\,{\rm{Getreidepreis}}} \cr {{\rm{f}}{\ddot u}{\rm{r}}\,{\rm{entsprechende}}\,{\rm{Qualit{\ddot a}t}}\,[\$ \,{{\rm{t}}^{- 1}}]} \cr {- {\rm{D{\ddot u}ngerkosten}}\,[\$ \,{\rm{h}}{{\rm{a}}^{- 1}}]} \cr {- {\rm{Arbeits}} - \,{\rm{und}}\,{\rm{Maschineneinsatz}}\,{\rm{f{\ddot u}r}}\,{\rm{D{\ddot u}ngung}}\,[\$ \,{\rm{h}}{{\rm{a}}^{- 1}}]} \cr {= {\rm{Umsatz}}\,{\rm{abz{\ddot u}glich}}\,{\rm{der}}\,{\rm{variablen}}} \cr {{\rm{Stickstoffmanagementkosten}}\,[\$ \,{\rm{h}}{{\rm{a}}^{- 1}}]} \cr}

Abbildung 1

Abbildung 2

Die Daten stammen von den Webseiten der Agrar-MarktAustria AMA (Kalkammonsalpeterpreise) und der Landwirtschaftskammer Niederösterreich (Getreidepreise) sowie aus eigenen Quellen. Die Angaben des Vergleichsbetriebs aus dem Marchfeld wurden mit Daten aus dem KTBL-Feldarbeitsrechner (https://daten.ktbl.de) verglichen und auf Plausibilität geprüft. Für die Studie wurden aufgrund der regionalen Berechnung die österreichischen Daten herangezogen. Detaillierte Angaben finden sich in Tabelle 3.

Die technische Komponente der Studie umfasste die Auswertung von Satellitendaten, um einerseits die wissenschaftlichen Aspekte der Projektaktivitäten zu unterstützen (Vuolo et al., 2017) und andererseits ein praktisch einsetz-bares Werkzeug für die N-Düngung zu entwickeln. Das entwickelte web-basierte Tool wird nachfolgend behandelt. Für die praktische Anwendung wurden Sentinel-2-Daten verwendet, um die zeitliche Entwicklung des Blattflächenindex (Leaf Area Index LAI) während der gesamten Vegetationsperiode zu erfassen. Der LAI korreliert stark mit der vorhandenen Biomasse (Beadle et al., 1985) und die zeitliche Entwicklung des LAI gibt Aufschluss über die Produktivität der Kulturen unter den gegebenen Wachstumsbedingungen.

Die Satellitendaten und die LAI-Karten wurden aus dem Sentinel-2-Portal des Instituts für Geomatik der Universität für Bodenkultur bezogen (Vuolo et al., 2016). Die verarbeiteten Daten wurden automatisch in einer Datenbank gespeichert. Die potenzielle Produktivität wurde aus Zeitreihen des LAI gewonnen. Die LAI-Daten werden zunächst geglättet und die Lücken gefüllt, um regelmäßig verteilte LAI-Zeitreihen (7-Tage-Intervall) zu erhalten. Anschließend wurden die LAI-Daten zeitlich vom Beginn bis zum Ende der Vegetationsperiode für jedes Jahr einzeln bestimmt und dann ein z-Wert für jedes Feld berechnet. Basierend auf dem LAI wurde ein einheitsloser Indikator für die potenzielle Produktivität im Bereich von 0−255 errechnet und für eine Optimierung der N-Düngung verwendet.

Für die Erstellung der N-Applikationskarten standen sowohl einzelne Satellitenbildaufnahmen als auch die historischen Produktivitätskarten zur Verfügung. Für die zukünftige Anwendung können daher je nach Einsatzzeitpunkt aktuelle oder historische Karten für die optimierte N-Düngung verwendet werden.

Die TeilnehmerInnen wurden nach den für sie zurzeit größten Herausforderungen des Landwirtschaftssektors befragt. Die Marktbedingungen (1) wurden am öftesten genannt, gefolgt von den hohen bürokratischen Anforderungen (2) und extremen Wetterereignissen (3). Im Mittelfeld finden sich Themen mit Bezug zu Ressourcenverfügbarkeit wie Zugang zu Wasser (4) und Land (5). Umweltthemen, wie z. B. Bodendegradation und Stick-stoffanreicherung im Grundwasser, wurden nur von wenigen LandwirtInnen als direkte Herausforderungen für den Betrieb angesehen. Dennoch betrachten es die LandwirtInnen als Notwendigkeit, die Umwelt zu schützen und Maßnahmen für Umweltschutz am Betrieb zu treffen.

Um herauszufinden, ob eine generelle Innovations- und Investitionsbereitschaft besteht, wurden die UmfrageteilnehmerInnen nach ihren Investitionen innerhalb der letzten fünf Jahre gefragt. Zwei Drittel der Befragten hatten sowohl in verbessertes Management (z. B. Farm Management Software) als auch in bessere technische Ausrüstung investiert. Immerhin 40 % konnten des Weiteren auf geänderte Methoden unter Berücksichtigung von Umweltaspekten im Bereich ihrer landwirtschaftlichen Praxis verweisen (z. B. Umstieg auf biologische Wirtschaftsweise oder reduzierte Bodenbearbeitung). Diese Werte zeigen eine generell hohe Innovationsbereitschaft der TeilnehmerInnen im Vergleich zu den Umfragewerten in Italien, wo die Umfrage ebenfalls durchgeführt wurde (Blasch et al., 2020).

Die Bereitschaft der TeilnehmerInnen, die bereits vorgestellten Optionen (voll-, teilweise oder nicht automatisiertes N-Düngemanagement) auf ihrem Betrieb einzusetzen, wurde in einem Choice-Experiment abgefragt.

Alle drei Formen der teilflächenspezifischen N-Düngung, die vorgestellt wurden, waren den LandwirtInnen bekannt. Die Hälfte der Befragten gab an, den Erwerb von teilweise (51 %) oder nicht (47 %) automatisierten Technologien bereits in Erwägung gezogen zu haben. Das Interesse für die voll automatisierte Lösung war mit 14 % weniger stark ausgeprägt.

Die Auswertung des Choice-Experiments ergab, dass 75 % der LandwirtInnen generell bereit dazu sind, Technologien, die der teilflächenspezifischen Ausbringung von Stickstoff dienen, anzuwenden. Die TeilnehmerInnen haben allerdings unterschiedliche Präferenzen bezüglich der einzelnen vorgeschlagenen Technologien. Die voll automatische Sensorlösung wurde von der Mehrheit der TeilnehmerInnen abgelehnt. Bei den anderen beiden Technologiegruppen ergab sich ein differenziertes Bild.

Das Choice-Experiment zeigte, dass Technologieoptionen mit höheren Erträgen und Düngereinsparpotential von den LandwirtInnen nicht durchgehend bevorzugt wurden, jedoch eine persönliche Beratung sowie eine potenzielle Verbesserung der Grundwasserqualität einen signifikant positiven Einfluss auf die Investitionsbereitschaft haben. Auch die Kosten der Technologie spielen eine Rolle bei der Anschaffung. Ein hoher Anschaffungspreis stößt erwartungsgemäß auf Ablehnung. Auch die Größe des Betriebs hatte Einfluss auf die Auswahl. Größere Betriebe sind eher an teil- bzw. vollautomatisierten Systemen interessiert.

Eine weitere Beobachtung konnte gemacht werden: Konventionell wirtschaftende LandwirtInnen sind an teilflächenspezifischer Ausbringung interessierter als biologisch arbeitende LandwirtInnen. Dies kann auf die limitierten technischen Möglichkeiten der Ausbringung von biologischem Dünger, wie zum Beispiel Gülle, sowie auf alternative Stickstoffversorgung über Leguminosen, zurückgeführt werden.

Das Ziel von Düngemaßnahmen ist vorrangig die Erzie-lung eines höheren Ertrags und einem daraus resultierenden höheren Erlös. Die FATIMA-Versuchsflächen sind Grundlage für die Untersuchung der Wirtschaftlichkeit von variierenden N-Düngemengen in Winterweizen.

Beim Vergleich von Stickstoffzufuhr und Ertrag zeigte sich, dass ab einem gewissen Versorgungsgrad die Kurve des Ertragszuwachses mit steigender N-Düngemenge abflacht (Abbildung 3).

Abbildung 3

Die ökonomische Analyse zeigt den folgenden Trend (Abbildung 4): Beim gänzlichen Verzicht auf Stickstoffdünger bewegen sich die Einkommenseinbußen im Vergleich zur höchsten Stufe im Bereich von 192–253 € ha⁻¹, sind also durchaus beträchtlich. Anders zeigt sich die Situation beim Vergleich von 120 kg N/ha mit 180 kg N ha⁻¹. Die Unterschiede liegen im Bereich von 25–71 € ha⁻¹, wobei sich besonders 2016 aufgrund niedriger Abnahmeund höherer Stickstoffpreise der erhöhte Düngereinsatz kaum auszahlte. Eine Untersuchung der Energieeffizienz der verschiedenen Düngeoptionen des Feldversuches von Moitzi et al. (2020) kommt zu dem Ergebnis, dass diese ab 120 kg N ha⁻¹ abnimmt. Die Daten basieren auf der Evaluierung der Versuchsflächen und können daher kein allgemeingültiges Bild geben. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass der höhere N-Düngereinsatz nicht mit entsprechend höherem Einkommenszuwachs gleichzusetzen ist. Des Weiteren machen die Ergebnisse deutlich, dass externe Einflussfaktoren eine große Rolle spielen. So unterschieden sich Witterungsbedingungen und die aktu-ellen Marktpreise von Dünger und Weizen in den beiden Jahren erheblich. Im Jahr 2016 betrug der Niederschlag von Jänner bis Mai 256 mm, während es im Jahr 2017 nur 164 mm waren (ZAMG, 2017).

Abbildung 4

Abbildung 5 (rechts) zeigt einen Ausschnitt der Produktivitätskarte, die für ganz Österreich erstellt wurde. Die Karte zeigt deutlich die räumlichen Muster, die für die Variabilität der Böden in Ostösterreich typisch ist. Grüne Zonen sind Zonen hoher Produktivität, rote Zonen weisen niedriges Biomassewachstum aus. Ähnliche Strukturen sind auch auf Orthofotos in Echtfarbe der Region zu erkennen (links). Eine Validierung mit der Österreichischen Bodenkarte war aufgrund der großen Unterschiede in der Auflösung der beiden Karten nicht möglich. Daher wurde als Alternative eine Validierung auf Feldebene für zwei Felder vorgenommen.

Abbildung 5

Abbildung 6 zeigt den Vergleich zwischen den Werten der Produktivitätskarte und den Erntemengen der betreffenden Punkte für zwei Felder, die von LandwirtInnen der Region unter konventionellen Bedingungen bewirtschaftet wurden und deren mittels Drescher mit integriertem Wiegesystem ermittelten Ertragsdaten dem Projektteam zur Verfügung gestellt wurden. Die Ergebnisse zeigen eine positive Korrelation des Ertragspotenzials mit dem tatsächlich erzielten Ertrag für beide Felder. Weitere Validierungsarbeiten werden notwendig sein, um zukünftig noch aussagekräftigere Resultate zu erzielen.

Abbildung 6

Die Produktivitätskarte wurde Testnutzern in einer Online-Anwendung (Abbildung 7) zur Verfügung gestellt. Der Nutzer kann zwischen dem aktuellen Satellitenbild oder der auf historischen Bildern basierenden Produktivitätskarte wählen, um die Zonen für teilflächenspezifische N-Düngung zu definieren.

Abbildung 7

Die notwendigen Eingabeparameter sind die Mindestfläche der einzelnen Zonen, die Unter- und Obergrenze der Stickstoffgabe sowie die gewählte Düngestrategie.

Welche Datengrundlage für die Erstellung der Karte herangezogen wird, entscheiden die NutzerInnen. Wichtig ist hier insbesondere die aktuelle Pflanzenentwicklung. Typischerweise erfolgt bei Wintergetreide die erste Düngergabe vor dem Auflaufen der Pflanze. Zu diesem Zeitpunkt ist noch keine räumliche Variabilität der Biomasse sichtbar. In diesem Fall wird die historische Produktivitätskarte für die Erstellung der Applikationskarte herangezogen. Für die zweite und dritte Düngung können dagegen aktuelle Satellitenbilder verwendet werden, die den aktuellen Wachstumszustand darstellen. Zwei verschiedene Strategien sind für die teilflächenspezifische Düngung möglich: mehr Dünger in weniger entwickelten Zonen (catch up) oder mehr Dünger in besser entwickelten Zonen (top up).

In einem letzten Schritt können die Daten vom Endnutzer im benötigten Datenformat heruntergeladen werden und dann direkt an das Traktorterminal für eine teilflächenspezifische Düngung übertragen werden.