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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Einsatzes von Düngemitteln oder dergleichen in der Landwirtschaft, insbesondere zur ökonomischen und ökologischen Optimierung des Stickstoffeinsatzes bei der Düngung landwirtschaftlicher Kulturpflanzen.
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Die Verfahrensweise nach der Erfindung ist selbstverständlich auch auf artverwandten Gebieten mit der Landwirtschaft einsetzbar, wie zum Beispiel bei der Schädlingsbekämpfung oder ähnlichem.
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Es ist bekannt, daß das Ertragspotential landwirtschaftlicher Nutzflächen selbst kleinräumig, das heißt innerhalb einzelner Schläge, beträchtliche Schwankungen aufweisen kann. In den letzten Jahren sind im Rahmen der sogenannten Präzisionslandwirtschaft Methoden entwickelt worden, die diese Heterogenität aufzeigen können. Dazu zählen neben der Ertragskartierung auch die Fernerkundung sowie die Leitfähigkeitsmessung des Bodens. Ferner sind auch bereits Verfahren entwickelt, die beim Überfahren der Flächen über Sensoren den Chlorophyllgehalt der Pflanzenblätter messen, daraus auf die Stickstoffversorgung schließen und die Stickstoffdüngermenge automatisch variieren.
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Für eine ortsspezifische ökonomisch optimale Düngung ist allerdings nicht nur der aktuelle Versorgungszustand der Pflanzen entscheidend, sondern auch das Ertragspotential des Bodens an der betreffenden Stelle. Vor allem in Gebieten mit einer negativen klimatischen Wasserbilanz während der Haupwachstumsperiode ist das Wasserhaltevermögen der Böden im durchwurzelbaren Raum eine der Hauptertragsdeterminanten. Die oben beschriebenen Verfahren berücksichtigen in der Praxis diese Unterschiede nicht, da sie über die Messung des aktuellen Chlorophyllgehaltes nur eine Momentaufnahme zur Bemessung der Düngermenge zu Grunde legen und nicht potentialorientiert vorgehen. Ferner werden bisher Wetter- und Preisschwankungen nicht berücksichtigt. Die Stickstoffdüngung ist ein nach vorne gerichteter Inputprozess, auf dessen Optimum in Zukunft zufällig schwankende Variablen einen Einfluss haben. Zum einen ist das zukünftige Wetter zum Entscheidungszeitpunkt nicht bekannt, zum anderen sind auch die Preise für die landwirtschaftlichen Produkte infolge der Agrarreform den Weltmarktinstabilitäten unterworfen und damit ebenfalls zum Entscheidungszeitpunkt nicht eindeutig determiniert.
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DE 199 13 971 A1 zeigt ein Verfahren zum teilflächenspezifischen Düngen von Pflanzen, bei dem die Düngermenge aufgrund des Ernährungszustands der Pflanzen berechnet wird. Die Planmenge kann sortenspezifisch oder abhängig von Wachstumsstadien oder Witterungseinflüssen korrigiert werden. Ein Messen und Verarbeiten von Messwerten erfolgt mit Hilfe von GPS-Satelliten.
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DE 101 42 865 A1 betrifft ein Verfahren zum kontrollierten Behandeln landwirtschaftlicher Nutzflächen mit einer Nährlösung unter Verwendung elektronischer Datenverarbeitungseinrichtungen.
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WO 02/103588 A2 betrifft die Ermittlung von risikooptimiertem Vorgehen mittels Monte Carlo Algorithmus.
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In
WO 03/009669 A1 , welches Dokument als nächstliegend angesehen wird, ist beschrieben, dass aufgrund der Analyse von Bodenproben Düngermengen berechnet werden können, welche notwendig sind, um einen maximalen Ertrag auf der entsprechenden Fläche zu erzielen, und die Korrektur der Planmenge durch Ermittlung des tatsächlichen Ernährungszustands erfolgen kann.
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Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Optimierung des Einsatzes von Düngemitteln oder dergleichen bereitzustellen, bei welchem zur ökonomischen und ökologischen Optimierung ortsspezifische Eigenheiten mit berücksichtigt werden können, sowie auch Schwankungen und Unsicherheiten hinsichtlich künftiger Witterungs- bzw. Preisentwicklungen. Insbesondere soll das Verfahren eine Optimierung der Stickstoffdüngung ermöglichen.
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Nach der Erfindung wird hierzu ein Verfahren zur Optimierung des Einsatzes von Düngemitteln bereitgestellt, dessen nähere Einzelheiten im unabhängigen Patentanspruch 1 angegeben sind. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.
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Bei dieser Verfahrensweise können insbesondere in bevorzugter Weise kurz die nachstehend näher erläuterten Verfahrensschritte durchgeführt:
- 1. Als Basis für zukünftige Düngeentscheidungen wird mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems (GIS) eine schlagspezifische Intensitätskarte erstellt, die aus praktischen Gründen nur drei qualitative Intensitätszonen (gering, mittel und hoch) unterscheidet. Dazu werden historische Daten wie multitemporale Fernerkundungsdaten von Satelliten, Ertragskarten aus dem Mähdrusch und Daten der Reichsbodenschätzung in digitale Bilder überführt und über die bekannten Verfahren multivariabler Klassifikation (unüberwachte bzw. überwachte Klassifikation) ausgewertet. Das Ergebnis sind räumlich (vektoriell) definierte Zonen eines Schlages.
- 2. Zur Bestimmung der optimalen Stickstoffmenge für die 3 Intensitätszonen werden Produktionsfunktionen in Form von Polynomen 2. Grades geschätzt. In der Fachliteratur ist die praktische Eignung dieses Funktionstypes zur Beschreibung der Dosis-Wirkungsbeziehungen von Stickstoff eingehend beschrieben. Als Eingangsparameter zur analytischen Ableitung der Funktionsgleichung werden das erwartete Ertragsmaximum einer Zone, der dafür erforderliche Stickstoffeinsatz sowie das geschätzte Ertragsminimum bei Verzicht auf Stickstoff benötigt. Im Regelfall verfügen Landwirte bzw. Berater über gute Schätzwerte für diese Größen, sie können aber auch aus der Fachliteratur bzw. regionalen Ackerschlagkarteien annähernd genau abgeleitet werden. Aus der Lösung eines entsprechenden Gleichungssystems mit den gesuchten Variablen „a“ und „b“ lässt sich dann aus den Ertragsangaben eine Standardproduktionsfunktion der Form „Ertrag = -a*N2 + b*N + c“ für Stickstoff (N) berechnen. Dieser Vorgang wird für die 3 Intensitätszonen unter 2 gegensätzlichen Witterungsszenarien (beste bzw. schlechteste klimatische Bedingungen) durchgeführt. Als Ergebnis stehen für den Einzelschlag 6 Produktionsfunktionen zur Verfügung.
- 3. Zur Ermittlung einer „Stickstoffstrategie unter Risiko“ müssen die stochastischen Größen „Wetter“ und „Produktpreis“ in die Entscheidungsfindung einbezogen werden. Dazu wird auf Basis der unter 2. ermittelten Produktionsfunktionen ein ökonomisches Produktionssimulationsmodell aufgestellt, das wegen des umfangreichen Rechenaufwandes auf einem Computer zu installieren ist Zielgröße des Simulationsmodells ist die stickstoffkostenfreie Leistung, eine Rentabilitätsgröße, die in der einschlägigen Fachliteratur definiert ist. Mit Hilfe des Zufallszahlengenerators eines Computers werden die Parameter der Produktionsfunktionen „a“ , „b“ und „c“ so variiert, das das Modell in Abhängigkeit von der Stickstoffmenge normalverteilte Ertragsverteilungen in den zuvor aufgestellten klimatischen Szenarien simuliert. Ebenso werden auch die Schwankungen der Preise für die landwirtschaftichen Produkte durch eine entsprechende Programmierung des Zufallszahlengenerators in den Bandbreiten simuliert, die am Markt zum Emtezeitpunkt erwartet werden dürfen. In Anlehnung an das in der Literatur eingehend beschriebene Monte-Carlo Verfahren werden nun verschiedene Stickstoffstrategien unter Berücksichtigung von Wetter- und Preisrisiko sowie des ortsspezifischen Ertragspotentials simuliert. Als Ergebnis dieses Verfahrensschrittes erhält der Anwender vor Beginn der Produktionsperiode eine risikooptimale Soll-Vorgabe, die im Frühjahr einer Kontrolle und je nach Witterungsablauf einer Korrektur zu unterziehen ist.
- 4. Zur Korrektur der Soll-Vorgabe aus 3. wird im Frühjahr auf Fernerkundungsverfahren zurückgegriffen, die den Chlorophyllgehalt der Pflanzenblätter bzw. die Photosyntheserate je Flächeneinheit messen können. Dazu eignen sich die in der Literatur beschriebenen Verfahren der Satelliten- und Flugzeugfernerkundung sowie die auf dem Markt befindlichen terrestrischen Sensorsysteme zur Chlorophyllmessung. Zur Überprüfung einer eventuellen Korrektur der Sollmenge wird zunächst der relative Chlorophyllgehalt in einer Zone im Vergleich zum Schlagmittel gemessen und in eine von 3 möglichen Gehaltsklassen (tief, mittel und hoch) eingeteilt. Zur Klasseneinteilung dienen der Median sowie die durchschnittliche Abweichung davon. Es hat sich gezeigt, daß diese Klasseneinteilung besser ist als die oft für derartige Klassifikationen gewählte Verwendung der Standardabweichung sowie des Mittelwertes. Es wird nur dann über den Sollwert aufgedüngt, wenn der relative Chlorophyllgehalt an einer Stelle des Schlages in der niedrigsten Klasse liegt, das Ertragspotential aber in der mittleren bzw. höchsten Klasse der Intensitätskarte an dieser Stelle liegt. Als Maß für die Aufdüngung dient die prozentuale Abweichung des relativen Chlorophyllwertes vom Mittelwert des Schlages. Der durchzuführende Abgleich der Chlorophyllkarte mit der Intensitätskarte kann computergestützt erfolgen. Die dazu gängigen Verfahren der multitemporalen Bildanalyse in Form von Differenzbildem (Change Detection) sind in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben. Als Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ergibt sich eine korrigierte Applikationskarte für Stickstoffdüngemittel. Diese wird mit Hilfe von Navigationstechnologie (GPS) entweder durch manuelle Variation der Düngermenge oder in automatisierten Verfahren umgesetzt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt der bisherigen Außerachtlassung des ortsspezifischen Ertragpotentials dieses bereits in die Planung der Düngung vor Produktionsbeginn einbezogen wird. Durch die zonenspezifische Schätzung und anschließende Verwendung von quadratischen Produktionsfunktionen in der Verfahrensweise wird der Notwendigkeit Rechnung getragen, bei intensiver und zugleich umweltschonender Pflanzenproduktion gerade den Maximumbereich der Stickstoffwirkung genauer zu erfassen und das für Stickstoff geltende Gesetz vom abnehmenden Ertragszuwachs in die ortsspezifsche Planung aufzunehmen. Die gleichzeitige Verwendung von Monte-Carlo-Verfahren zur Bestimmung der optimalen Stickstoffstrategie trägt der Tatsache Rechnung, daß die Stickstoffdüngung ein stochastischer Prozess und damit eine Entscheidung unter Risiko darstellt. Durch die verfahrensbedingte Kontrolle im Frühjahr im Rahmen eines Chorophyll-Monitorings wird eine Steuerungsfunktion in das Verfahren eingebaut, die tatsächliche Entwicklung der Pflanzenbestände gegenüber der Planung berücksichtigt und ggf. eine Korrektur der Stickstoffmenge ermöglicht Mit dem Verfahren können gegenüber der herkömmlichen Düngungspraxis Verbesserungen in der Wirtschaftlichkeit des Düngereinsatzes sowie Reduktionen in der möglichen Umweltbelastung durch eine ertragspotentialorientierte Stickstoffdüngung erreicht werden. Das Verfahren kann durch entsprechende Verwendung bzw. Programmierung von Computern in der Praxis durchgeführt werden.
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Obgleich vorangehend im wesentlichen auf den Einsatz von Stickstoff als Düngemittel eingegangen worden ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren natürlich auch für den Einsatz von anderen Düngemitteln oder auch für den Einsatz von Schädlingsbekämpfungsmitteln oder dergleichen in gleicher oder ähnlicher Weise geeignet Insbesondere ist es bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wesentlich, daß einerseits basierend auf geographisch-spezifischen Bodenbeschaffenheitsangaben und auf Erfahrungswerten beruhenden ertragsspezifischen Daten eine Verknüpfung mit dem einzusetzen landwirtschaftlichen Behandlungsmittel, wie Düngemittel oder dergleichen, in der Weise erfolgt, daß man den angestrebten und gewünschten Einsatzzweck auch unter Nutzung von Navigationsgeräten auf ökonomisch und ökologisch optimierte Weise erreicht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung soll an Hand den nachstehenden 1 b is 3 näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine 3-Zonen-Intensitätskarte,
- 2 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung von Daten, erhalten beispielsweise mittels einer Chlorophyll-Überwachung oder -Ermittlung, und
- 3 eine schematische Ansicht einer beim erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Differenzanalyse zur Korrektur und zur Optimierung des Einsatzes des jeweiligen Behandlungsmittels in der Landwirtschaft
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Es zeigt 1 eine 3-Zonen-lntensitätskarte, in der die dunkelste Zone das geringste Ertragspotential des Schlages darstellt und damit auch die Zone geringster Stickstoffintensität. Die hellen Bereiche repräsentieren die Zone höchster Stickstoffintensität. Für die drei Zonen werden gemäß Erfindungsbeschreibung die Sollwerte für die Stickstoffdüngung bestimmt.
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Es zeigt 2 das Ergebnis des Chlorophyll-Monitorings gemäß Verfahrensschritt 4 der Erfindungsbeschreibung. Die dunkelsten Areale stellen die Zonen mit den höchsten relativen Chlorophyllgehalten dar. Die hellen Bereiche verkörpern die Zonen der geringsten relativen Chlorophyllgehalte.
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Es zeigt 3 das Ergebnis der Differenzanalyse gemäß Verfahrensschritt 4 der Erfindungsbeschreibung. Die schwarzen Zonen sind diejenigen Bereiche, für die keine Korrektur des Sollwertes erforderlich. Der graue Bereich zeigt diejenige Zone, die gemäß Erfindungsbeschreibung eine Korrektur in Form eines Zuschlages für den Sollwert der zweiten Stickstoffgabe erhält.
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Nach der Erfindung wird ein Verfahren zur Optimierung des Einsatzes von Düngemitteln oder dergleichen in der Landwirtschaft vorgesehen, welches im einem ersten Schritte eine ertragspotentialorientierten Intensitätskarte auf der Basis von bereits früher erfaßten Bodeneigenschaftswerten erstellt, in einem zweiten Schritt unter Berücksichtigung der Ermittlungsergebnisse des ersten Schrittes ertragsspezifische Produktionsabhängigkeitsfunktionen ermittelt, anschließend nach der Monte-Carlo-Methode risikooptimierte Behandlungsmitteleinsatzstrategien ermittelt, in einem weiteren Schritt vorzugsweise mit Hilfe von optoelektrischen Sensoren und digitaler Bildverarbeitung die erhaltenen Planmengen für das einzusetzende Behandlungsmittel korrigiert, und abschließend an Hand der erhaltenen Daten das Behandlungsmittel ortsspezifisch ausbringt, vorzugsweise unter Einsatz von Navigationssystemen.
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Obgleich die Erfindung voranstehend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert worden ist, sind selbstverständlich zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Insbesondere sind auch noch andere Einsatzgebiete zusätzlich zu der Optimierung der Stickstoffdünung möglich.
