DE202015000747U1

DE202015000747U1 - N-Düngesteuerung mittels in-situ Nitrat-Messung, Bedarfsberechnung und N-Dosiereinheit

Info

Publication number: DE202015000747U1
Application number: DE202015000747.3U
Authority: DE
Original assignee: BISCHOFF WOLF ANNO
Current assignee: BISCHOFF WOLF ANNO
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2015-04-20
Anticipated expiration: 2025-02-03

Abstract

N-Düngesteuerung mittels in-situ Nitrat-Messung, Bedarfsberechnung und N-Dosiereinheit („NITROM”), dadurch gekennzeichnet, dass in situ Bodenlösung mit Saugkerzen durch einen angelegten Unterdruck mit Vakuumpumpe oder Vakuumreservoir gewonnen und mit geringer zeitlicher Verzögerung durch eine Messzelle geleitet wird. In der Messzelle wird mit UV-Spektrometrie mit Xenon-Lichtquelle die Absorption der Bodenlösung zwischen 200–300 nm erfasst (Mess-Modul). Die Spektralinformation wird durch Kalibrierung und spektralanalytische Eliminierung der Interferenzen durch Störstoffe, insbesondere gelöste organische Stoffgemische, mittels einer Software automatisch auf Nitrat analysiert. Diese Nitrat-Konzentrationsmesswerte werden übertragen und in einer weiteren Software umgerechnet, mit sorten- und entwicklungsspezifischen Düngebedarfsdaten verglichen und die benötigten Düngemengen berechnet (zentraler Dünge-Rechner). Diese benötigten Düngemengedaten werden an ein Düngemodul übertragen, das über eine Durchflusskontrolle in einer bereits vorhanden, automatischen Bewässerung und ein Durchflussregelventil an einem Düngevorrat die zuvor berechneten Düngemengen über die automatische Bewässerung mit der berechneten Düngemenge an die Kulturpflanzen bringt.

Description

1 Technisches Gebiet
Die Stickstoff(N)-Düngung im bewässerten Anbau von Kulturpflanzen, insbesondere im intensiven Gemüsebau erfolgt entweder ungesteuert durch pauschale Gaben (feste Dünger) oder gesteuert zusammen mit dem Bewässerungswasser (Fertigation mit Flüssigdünger aus einem Vorratstank). Stickstoff (N), meist als Nitrat in der Fertigation zugegeben, ist der Hauptnährstoff, der den Landwirten die größten Kosten verursacht. N-Überdüngung führt zu unnötigen Kosten und erheblichen Umweltschäden, im Gemüsebau teilweise auch zu minderer Qualität. N-Unterdüngung (Mangel) führt zu Ertragseinbußen und Qualitätsverlusten, die insbesondere im Gemüsebau häufig zur Unverkäuflichkeit der Ernte führen. N wird weit überwiegend als Nitrat gelöst im Bodenwasser von den Pflanzenwurzeln aufgenommen. Ein N-Mangel ist also durch zu geringe Konzentrationen von N in der Bodenlösung verursacht.
2 Stand der Technik
Nach dem Stand der Technik wird die Zudosierung der N-Düngung bei der Fertigation manuell, nach Zeitintervall, nach Lichtsumme, nach Bewässerungsmenge oder sehr selten nach Blattgrünmessung der Pflanzen (Chlorophyllgehalt) gesteuert. Dabei kann die manuelle Steuerung auf Messungen der N-Gehalte im Boden basieren. Diese Messungen beruhen, wenn sie direkt vor Ort gemacht werden, immer auf Verfahren, bei denen die Zugabe von Chemikalien nötig ist oder bei denen Chemikalien in Form von Teststäbchen bereits vorgegeben sind. Dazu ist immer eine vor Ort befindliche Person zur N-Bestimmung nötig.
Am häufigsten werden jedoch Proben von Bodenmaterial, z. B. mit Erdbohrer, oder Bodenwasser, z. B. mittels Saugkerzen, entnommen, die in das Labor gebracht und dort analysiert werden. Hierdurch kommt es zu einem mindestens 1-tägigen Versatz zwischen Probenahme + Messung und manueller Nachdüngung.
Die bisherigen Fertigationsverfahren sind daher

a) nicht vollautomatisch
b) beruhen nicht oder nur mit Zeitverzug auf dem verfügbaren N-Gehalt der Böden oder der N-Bodenwasserkonzentration
c) können daraus keinen aktuellen Düngebedarf ableiten und
d) diesen in einen Düngersteuerungsbefehl umsetzen.

Die bisherigen Nitrat-Messverfahren sind bisher

a) nicht kontinuierlich in situ möglich
b) nicht chemikalienfrei oder fehlerhaft in Anwesenheit von natürlichen, gelösten organischen Substanzen im Wasser.

3 Problem
Der in Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, vollautomatisch Bodenwasserproben zu entnehmen, diese chemikalienfrei und ohne oder mit geringem Zeitverzug vor Ort auf Nitrat zu messen, die Messung zu verarbeiten, in einen N-Düngebedarf umzurechnen und diesen in die bedarfsgerechte Steuerung der Düngung/Fertigation umzusetzen.
4 Lösung/Erfindung
Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Mit der Erfindung wird erreicht, dass nach einer Eich- und Kalibrierphase die Fertigation basierend auf den aktuell gemessenen Nitrat-Konzentrationen der Bodenlösung optimal und vollständig automatisch gesteuert wird.
Dies geschieht mit mehreren Teillösungen mit einem Messmodul, einer Düngeberechnungssoftware und einem Düngemodul. Zunächst wird im Messmodul das pflanzenverfügbare Bodenwasser in situ gesammelt und unmittelbar durch eine Messzelle gesaugt. In der Messzelle wird spektroskopisch und chemikalienfrei die Nitrat-Konzentration bestimmt. Dazu werden spektroskopische Interferenzen durch Störstoffe, insbesondere gelöste organische Verbindungen, durch Spektralanalyse rechnerisch eliminiert. Die berechnete Nitratkonzentration wird in der Düngeberechnungssoftware mit der in einer kulturspezifischen Datenbank hinterlegten und vom Entwicklungsstadium der Kultur abhängigen Bedarfsmenge verglichen. Wird ein Bedarf berechnet, wird dieser an das Düngemodul übermittelt, das als Plug-in in einem konventionellen Fertigationssystem sitzt und die Zudosierung des flüssigen Düngers in das Bewässerungswasser übernimmt.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der 1 erläutert:
Mit einer oder mehreren Saugkerzen (1) wird frische in situ-Bodenlösung gewonnen, indem mit einer Vakuumpumpe (3) das Bodenwasser angesaugt und in Schläuchen zunächst zu einer Messzelle in einem UV-Spektrometer mit gepulster Xenon-Lichtquelle (2) und dann weiter in eine Abfallflasche (4) transportiert wird. Pumpe und Spektrometer werden von einem Microcontroller im Mess-Modul (5) gesteuert, der auch nach externer Kalibrierung die Nitratkonzentrationen berechnet. Das Messmodul beinhaltet eine Datenübertragung (6) z. B. per Internet, in diesem Beispiel mit einem GPRS-Modul, zu einem Dünge-Rechner (7), auf dem die Software zur Düngeberechnung mit hinterlegter Datenbank sowie die Steuerungs- und Update-Software für die Microcontroller des Messmoduls (5) und des Dünge-Moduls (8) liegen. Ergibt die Düngeberechnung einen Düngebedarf, wird dieser per Datenübertragung (6) über Internet und GPRS an das Dünge-Modul (8) übergeben. Das Dünge-Modul (8) ist als Plug-In in das konventionelle Bewässerungs- und Düngungssystem eingehängt. Über einen Durchflusssensor (9) wird erfasst, wann die automatische Bewässerung (12) an ist. Wenn die Bewässerung läuft und Düngebedarf besteht, wird ein Durchflussregelventil (10) vom Dünge-Modul (8) geöffnet und die Düngerflüssigkeit aus dem Düngevorrat (11) mit Druck in die automatische Bewässerung eingeleitet, bis der berechnete Düngebedarf gedeckt ist. Das Dünge-Modul (8) kann in einer anderen Ausführung auch die automatische Bewässerung (12) mit steuern. Das Mess-Modul (5) kann in einer anderen Ausführung auch den Wasserstatus des Bodens mitmessen und dem Dünge-Modul (8) oder der automatischen Bewässerung (12) ein Signal zum Start der Bewässerung geben.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 9 dargestellt. Eine Saugkerze mit 0,45 μm-Membran ermöglicht die Ausfilterung von Mikroorganismen und verhindert somit den Abbau des Nitrats im Messbereich durch Mikroorganismen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 2 dargestellt. Mehrere Saugkerzen, deren Bodenlösung parallel oder sequentiell gemessen wird, vermeiden das Problem, dass ein Messpunkt nicht repräsentativ für die Bewässerungsfläche sein könnte und zu Fehldüngung führt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 5 dargestellt. Statt einer Xenon-Lichtquelle können auch Dioden oder Laser mit einzelnen Emissionswellenlängen von 230 nm bis 260 nm eingesetzt werden. Dadurch wird der Energiebedarf nochmals gesenkt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 10 dargestellt. Die Energieversorgung kann durch 12 V-Stromquellen wie Solarpanele oder Batterien erfolgen, um die Düngesteuerung auch autark an entlegenen Standorten einsetzen zu können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 4 dargestellt. Die Spektrometer-Einheit kann mit der Berechnungssoftware einzeln oder in Kombination mit Saugkerzen durch die Eliminierung der Interferenzen zur Nitrat-Messung unabhängig von einer Düngersteuerung benutzt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 14 dargestellt. Die Spektrometer-Einheit kann mit der Berechnungssoftware einzeln oder in Kombination mit Saugkerzen durch die Quantifizierung der Interferenzen und Eliminierung des Nitrat-Signals aus den Spektren im Umkehrschluss nach entsprechender Kalibrier- und Eichphase auch zur Quantifizierung von gelösten organischen Substanzen als Summenparameter unabhängig von einer Düngersteuerung benutzt werden. Die Messung dieser Verbindungen war bisher ebenfalls zeitlich aufgelöst nicht möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 6 dargestellt. Die Datenverbindung Mess-Modul, Dünge-Rechner und Dünge-Modul kann je nach Infrastruktur per LAN, WLAN, Funk, Mobiltelefonie erfolgen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 11 dargestellt. Bei entsprechender Standardisierung ist für einfache Anwendungen nur die Kommunikation zwischen Mess- und Düngemodul notwendig. Ein Düngerechner entfällt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 12 dargestellt. Die Software zur Berechnung der Nitrat-Konzentration eliminiert die Interferenzen mit den Messwerten der Kalibrier- und Eichphase mit polynomialer multipler Regression aus 3 oder mehr Wellenlängen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 13 dargestellt. Die Software zur Berechnung der Nitrat-Konzentration eliminiert die Interferenzen mit den Messwerten der Kalibrier- und Eichphase mit linearer oder nicht-linearer Spektralanalyse aus 3 oder mehr Wellenlängen.
Bezugszeichenliste

1: Saugkerze
2: UV-Spektrometer
3: Vakuumpumpe
4: Abfallflasche
5: Messmodul (Microcontroller GPRS-Modem)
6: Datenübertragung
7: Düngerechner
8: Düngemodul (Microcontroller GPRS-Modem)
9: Durchflusssensor
10: Durchflussregelventil
11: Düngevorrat
12: automatische Bewässerung

Claims

N-Düngesteuerung mittels in-situ Nitrat-Messung, Bedarfsberechnung und N-Dosiereinheit („NITROM”), dadurch gekennzeichnet, dass in situ Bodenlösung mit Saugkerzen durch einen angelegten Unterdruck mit Vakuumpumpe oder Vakuumreservoir gewonnen und mit geringer zeitlicher Verzögerung durch eine Messzelle geleitet wird. In der Messzelle wird mit UV-Spektrometrie mit Xenon-Lichtquelle die Absorption der Bodenlösung zwischen 200–300 nm erfasst (Mess-Modul). Die Spektralinformation wird durch Kalibrierung und spektralanalytische Eliminierung der Interferenzen durch Störstoffe, insbesondere gelöste organische Stoffgemische, mittels einer Software automatisch auf Nitrat analysiert. Diese Nitrat-Konzentrationsmesswerte werden übertragen und in einer weiteren Software umgerechnet, mit sorten- und entwicklungsspezifischen Düngebedarfsdaten verglichen und die benötigten Düngemengen berechnet (zentraler Dünge-Rechner). Diese benötigten Düngemengedaten werden an ein Düngemodul übertragen, das über eine Durchflusskontrolle in einer bereits vorhanden, automatischen Bewässerung und ein Durchflussregelventil an einem Düngevorrat die zuvor berechneten Düngemengen über die automatische Bewässerung mit der berechneten Düngemenge an die Kulturpflanzen bringt.
N-Düngesteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenlösung mehrerer Saugkerzen parallel oder sequentiell gefördert und gemessen wird.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenlösung ohne Saugkerzen mit einfachem Ansaugen gewonnen wird.
in-situ-Nitrat-Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keine Düngesteuerung erfolgt.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gepulste Xenonlampe, Dioden oder Laser als Lichtquelle eingesetzt werden.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung zwischen Mess-Modul, zentraler Steuer- und Bereschnungssoftware und Düngemodul per LAN, WLAN, Funk oder Mobilfunk erfolgt.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünge-Modul zusätzlich die automatische Bewässerung steuert.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mess-Modul die Bodenfeuchte oder Bodenwasserspannung mit misst und mit dieser Information die automatische Bewässerung steuert.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Saugkerzen mit 0,45 μm oder kleinerer Porenweite eingesetzt werden.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung statt mit Leitungsstrom mit Batterien oder Solarpanelen gewährleistet wird.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen des Dünge-Rechners auf die Microcontroller der Mess- und Düngemodule übertragen werden und dieser entfällt.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Software die Nitrat-Werte mittels polynomialer multipler Regression aus 3 oder mehr Wellenlängen berechnet.
N-Düngesteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Software die Nitrat-Werte mittels linearer oder nicht-linearer Spektralanalyse aus 3 oder mehr Wellenlängen berechnet.
in-situ-Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Umkehrschluss das Nitrat-Signal als Interferenz von der Software eliminiert wird und die gelösten organischen Verbindungen spektralanalytisch gemessen werden.