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Digital technologies for looking into the soil
Digitale Technologien für den Blick in den Boden


Germany
December 4, 2020


 

 

Soil is a sensitive and as a result of intensive agriculture often strained resource. Scientists at the Leibniz Institute of Agricultural Engineering and Bioeconomy are therefore developing digital solutions for a resource-saving and environmentally sound soil management. With the World Soil Day on 5 December, the Food and Agriculture Organisation (FAO) and the United Nations (UN) are reminding us to stand up for a sustainable management of soil resources.


Kalkbedarfskarte einer Ackerfläche der Komturei Lietzen: Dunkelblaue Bereiche weisen einen erhöhten, gelbe Bereiche dagegen keinen Kalkbedarf auf (Copyright: Vogel/ATB)
Map of lime requirement at the site Komturei Lietzen: Dark blue areas indicate an increased, yellow areas no lime demand

 

Sometimes a glance from the edge of the field onto the acre is all it takes to detect the differences with the naked eye: There are areas where the soil provides better growing conditions for plants than in others. These differences should be taken into account when it comes to fertilisation and other soil management measures, for example, to avoid nutrient deficiencies in some areas, tantamount to yield losses. In other areas, it is important to avoid excessive nurtient supply, which would cause environmental pollution and waste resources. However, fertilisation and tillage are still mainly applied in a uniform manner. A detailed recording of the spatial variability in the soil is a prerequisite for a site-specific soil management, thus, optimizing yield and conserving resources.

Scientists at the Leibniz Institute of Agricultural Engineering and Bioeconomy are therefore developing sensor-based technologies to enable a detailed "look into the soil" - differentiated for almost every square metre.


Multisensorplattform RapidMapper (Foto: Gebbers/ATB)
Multi sensor plattform RapidMapper - Photo: Gebbers / Copyright: ATB


The I4S "Intelligence for Soil" project targets the development of a system of soil sensors, models and decision algorithms that will facilitate the demand-oriented management of fertilisation and thus enable the maintenance or improvement of soil fertility. The researchers are focusing on the development of a mobile sensor platform that will collect data on nutrient content, pH value, organic matter, texture, etc. while driving over the field. A wide range of sensors, including ion-selective electrodes, geoelectrics, laser-induced plasma spectroscopy, Raman, gamma, x-ray fluorescence as well as visible and infrared spectroscopy (VisNIR, MIR) on the platform will provide high-resolution sensor data from which soil maps can be generated. The information on physical and chemical soil properties is either directly used to calculate maps of nutrient requirements or is integrated into dynamic soil-process models in order to predict water and nutrient turnover and to forecast plant growth or yield on a site-specific basis. The result of the research will be a decision support system that provides farmers with tailor-made site-specific recommendations for fertilisation with a.o. nitrogen, phosphorus, potassium and lime.

The simultaneous measurement of several yield-relevant soil properties with only one passage requires the combination of different sensor systems. In order to adapt the sensor technologies for combined field use on the multi-sensor platform, a close interaction of basic research and application-oriented testing is required. "Some systems have been tested at laboratory level, others are already proven for mobile use in the field. Currently, we are working with terahertz spectroscopy which is tested for the first time on the medium soil," explains Dr. Sebastion Vogel, head of the I4S project. "The fusion of sensor data and their processing with machine learning methods will significantly improve the prediction of various soil properties".

One step closer to practical application is the project "pH-BB: Precision Liming in Brandenburg". This project aims at a feasible management of the soil acidity of agricultural farms in the State of Brandenburg. The pH value affects several yield-relevant soil properties, such as nutrient availability, pollutant mobility or soil structure. In Brandenburg, only about 30 percent of the arable land is optimally supplied with lime. In contrast, on around 70 percent of the land too high or too low pH values result in yield reductions. In order to facilitate a rapid access to precision liming using mobile soil sensors, researchers, agricultural service providers and practitioners are working closely together in the pH-BB project. The three soil properties relevant for liming - texture, soil organic matter content and pH - are measured by using a sensor platform (Veris Technologies). Our studies show that only a few chemically analysed reference samples are required to calibrate the many hundreds of sensor measurements and to create precise soil maps. "The mapping provides a data set of high resolution with tiles of about two square metres. These fine differences have to be taken into account in lime fertilisation, not least in order to compensate for the over- or undersupply as a result of the past fertilisation practice ", explains Dr. Sebastian Vogel. "All we need now is a suitable lime spreader that will be able to implement these small-scale differences in the future".

Technologies for site-specific fertilisation and tillage are not yet widely used in agricultural practice. They are considered too complex and expensive. "However, the necessity of more precise soil mapping and site-specific fertilisation is undeniable in view of ever stricter statutory fertilisation ordinance", ATB expert Vogel is convinced. "The additional expense of comprehensive soil mapping with sensors, carried out by a service provider for example, will pay off for farmers. In the long term, improved nutrient supply, biology and higher water storage capacity of soils and thus more stable and higher yields can be expected".

The project "pH-BB: Precise Liming in Brandenburg" is funded under the European Innovation Partnership "Agricultural Productivity and Sustainability" (EIP-AGRI). The funds are provided by the Investment Bank of the State of Brandenburg (ILB). http://ph-bb.com/

"Integrated System for Site-Specific Management of Soil Fertility (Intelligence for Soil - I4S)" is one of ten interdisciplinary consortia under the auspices of the BMBF's long-term funding measure "BonaRes - Soil as a Sustainable Resource for the Bioeconomy" (www.bonares.de), launched in 2015. The project, uniting ten research institutions, is coordinated by the Leibniz Institute of Agricultural Engineering and Bioeconomy (ATB). http://i4s.atb-potsdam.de


 

Original publication:

DWORAK, V.; MAHNS, B.; GEBBERS, R.; WELTZIEN, C.: Hyperspectral imaging Tera Hertz system for soil analysis: Initial results. Sensors 20 (19): 5660, 2020. https://doi.org/10.3390/s20195660

BÖNECKE, E.; MEYER, S.; VOGEL, S.; SCHRÖTER, I.; GEBBERS, R.; KLING, C.; KRAMER, E.; LÜCK, K.; NAGEL, A.; PHILIPP, G.; GERLACH, F.; PALME, S.; SCHEIBE, D.; ZIEGER, K.; RÜHLMANN, J.: Guidelines for precise lime management based on high-resolution soil pH, texture and SOM maps generated from proximal soil sensing data. Precision Agriculture: 1-31, 2020. https://doi.org/10.1007/s11119-020-09766-8


More information:

https://youtu.be/prRryb-frCY YouTube video "Why is precise liming important?" (in German)


Digitale Technologien für den Blick in den Boden

Böden sind eine empfindliche und in Folge intensiver Landwirtschaft auch häufig strapazierte Ressource. Wissenschaftler*innen des ATB entwickeln daher digitale Lösungen für eine ressourcenschonende und umweltgerechte Bodenbewirtschaftung. Mit dem Weltbodentag am 5. Dezember erinnern die Welternährungsorganisation (FAO) und die Vereinten Nationen (UN) daran, für eine nachhaltige Bewirtschaftung der Bodenressourcen einzutreten.

Manchmal genügt bereits ein Blick vom Feldrand auf den Acker, um die Unterschiede mit bloßem Auge zu erkennen: An manchen Stellen bietet der Boden den Pflanzen bessere Wachstumsbedingungen als an anderen. Bei der Düngung und anderen Bearbeitungsmaßnahmen sollten diese Unterschiede berücksichtigt werden, um beispielsweise auf manchen Teilflächen eine Nährstoffunterversorgung, gleichbedeutend mit Ertragsverlusten, zu vermeiden. Andernorts gilt es, eine Überversorgung zu verhindern, die Umweltbelastungen zur Folge hätte und einer Verschwendung von Ressourcen gleichkäme. Maßnahmen zur Düngung oder Bodenbearbeitung erfolgen allerdings häufig noch flächeneinheitlich. Für eine an Teilflächen angepasste und damit ressourcenschonende Bodenbewirtschaftung ist eine detaillierte Erfassung der räumlichen Unterschiede des Bodens Voraussetzung.

Wissenschaftler*innen des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie entwickeln daher sensorgestützte Technologien, um einen „Blick in den Boden“ zu ermöglichen - differenziert für nahezu jeden Quadratmeter.

Im Projekt I4S “Intelligence for Soil“ geht es um die Entwicklung eines Systems aus Bodensensoren, Modellen und Entscheidungsalgorithmen, das eine bedarfsgerechte Steuerung der Düngung und damit den Erhalt oder die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit ermöglichen soll. Im Fokus der Forscher steht die Entwicklung einer mobilen Sensorplattform, die bei der Fahrt über das Feld Daten zu Nährstoffgehalten, pH-Wert, organischer Substanz, Textur usw. erfassen soll. Verschiedenste Sensoren, u. a. ionenselektive Elektroden, Geoelektrik,  laserinduzierte Plasmaspektroskopie, Raman-, Gamma-, Röntgenfluoreszenz- sowie visuelle und Infrarotspektroskopie (VisNIR, MIR) auf der Plattform werden einmal räumlich hoch aufgelöste Daten liefern, aus denen sich Bodenkarten erstellen lassen. Die Informationen über physikalische und chemische Bodeneigenschaften werden entweder direkt in Karten zum Nährstoffbedarf verrechnet oder in dynamische Boden-Prozess-Modelle integriert, um Aussagen über den Wasser- und Nährstoffstoffumsatz zu treffen und das Pflanzenwachstum bzw. die Ertragsbildung teilflächenspezifisch vorherzusagen. Ergebnis der Forschung wird ein Entscheidungsunterstützungssystem sein, das Landwirten passgenaue ortsspezifische Empfehlungen u. a. für die Düngung mit Stickstoff, Phosphor, Kalium und Kalk liefert.

Eine simultane Messung mehrerer ertragsrelevanter Bodeneigenschaften mit nur einer Überfahrt bedarf einer Kombination verschiedener Sensorsysteme. Um die Sensortechnik für den kombinierten Feldeinsatz auf der Multisensorplattform anzupassen, ist ein enges Zusammenspiel aus Grundlagenforschung und anwendungsorientierter Erprobung erforderlich. „Manche Systeme sind auf Laborebene, andere bereits für den mobilen Einsatz im Feld erprobt. Die Terahertz-Spektroskopie testen wir hier erstmals am Medium Boden“, erläutert Dr. Sebastion Vogel, Leiter des Projekts I4S. „Die Fusion der Sensordaten und deren Verarbeitung mit Methoden des maschinellen Lernens wird die Vorhersage verschiedener Bodeneigenschaften deutlich verbessern.“

Einen Schritt weiter in der Praxis angekommen, ist das Projekt “pH-BB: Präzise Kalkung in Brandenburg". Hier geht es um ein praktikables Management der Bodenazidität von landwirtschaftlichen Betrieben in Brandenburg. Der pH-Wert beeinflusst gleich mehrere ertragsrelevante Bodeneigenschaften wie die Nährstoffverfügbarkeit, Schadstoffmobilität oder Bodenstruktur. In Brandenburg sind aktuell nur etwa 30 Prozent der Ackerflächen optimal mit Kalk versorgt. Auf rund 70 Prozent der Flächen verursachen dagegen zu hohe oder zu niedrige pH-Werte Ertragsminderungen. Um einen raschen Einstieg in die Präzisionskalkung mithilfe mobiler Bodensensoren zu entwickeln, arbeiten im Projekt pH-BB Forscher, landwirtschaftlicheDienstleister und Praktiker eng zusammen. Die drei kalkungsrelevanten Bodeneigenschaften Textur, Humusgehalt und pH-Wert werden mit Hilfe einer Sensorplattform (Veris Technologies) erfasst. Die Studien zeigen, dass nur wenige Referenzbeprobungen mit Hilfe chemischer Analysen erforderlich sind, um viele Hunderte von Sensormessungen zu kalibrieren und auf dieser Basis exakte Bodenkarten zu erstellen. „Die Kartierung liefert eine sehr genaue kleinräumige Auflösung mit Kacheln von etwa zwei Quadratmetern. Diese feinen Unterschiede gilt es bei der Kalkdüngung zu berücksichtigen, auch um die Über- bzw. Unterversorgung aufgrund der Düngungspraxis der vergangenen Jahre auszugleichen“, erklärt Dr. Sebastian Vogel. „Jetzt brauchen wir nur noch geeignete Kalkstreuer, die diese kleinräumigen Unterschiede in der Praxis künftig auch umsetzen können.“

Technologien für ortsspezifische Düngung und Bodenbearbeitung sind in der Landwirtschaft noch nicht weit verbreitet und gelten bisher als zu aufwendig und teuer. „Die Notwendigkeit einer genaueren Bodenkartierung und teilflächenspezifischen Düngung ist angesichts immer strengerer gesetzlicher Düngevorgaben aber unbestreitbar“, ist ATB-Experte Vogel überzeugt. „Der Mehraufwand einer umfassenden Bodenkartierung mit Sensoren, beispielsweise durch einen Dienstleister, wird sich für die Landwirte lohnen. Langfristig sind dadurch eine verbesserte Nährstoffversorgung, Bodenbiologie und höhere Wasserspeicherkapazität der Böden und damit stabilere und höhere Erträge zu erwarten.“

Das Projekt "pH-BB: Präzise Kalkung in Brandenburg" wird im Rahmen der Europäischen lnnovationspartnerschaft „Landwirtschaftliche Produktivität und Nachhaltigkeit" (EIP-AGRI) gefördert. Die Mittel werden über die Investitionsbank des Landes Brandenburg (ILB) ausgereicht. http://ph-bb.com/

"Integriertes System zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit (Intelligence for Soil – I4S)" ist einer von zehn interdisziplinären Verbünden, die unter dem Dach der 2015 gestarteten und langfristig angelegten Fördermaßnahme des BMBF „BonaRes – Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie“ (www.bonares.de) wissenschaftliche Grundlagen für eine nachhaltige Bodennutzung erarbeiten. Der Verbund, in dem zehn Forschungseinrichtungen intensiv zusammenarbeiten, wird vom Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) koordiniert. http://i4s.atb-potsdam.de

Publikationen im Kontext:

Dworak, V.; Mahns, B.; Gebbers, R.; Weltzien, C.: Hyperspectral imaging Tera Hertz system for soil analysis: Initial results. Sensors 20 (19): 5660, 2020. https://doi.org/10.3390/s20195660

Bönecke, E.; Meyer, S.; Vogel, S.; Schröter, I.; Gebbers, R.; Kling, C.; Kramer, E.; Lück, K.; Nagel, A.; Philipp, G.; Gerlach, F.; Palme, S.; Scheibe, D.; Zieger, K.; Rühlmann, J.: Guidelines for precise lime management based on high-resolution soil pH, texture and SOM maps generated from proximal soil sensing data. Precision Agriculture: 1-31, 2020. https://doi.org/10.1007/s11119-020-09766-8

Vogel, S.; Bönecke, E.; Kling, C.; Kramer, E.; Lück, K.; Philipp, G.; Rühlmann, J.; Gebbers, R.: Base neutralizing capacity of agricultural soils in a quaternary landscape of North-East Germany and its relationship to best management practices in lime requirement Determination. Agronomy 10 (877): 1-19, 2020. https://www.mdpi.com/2073-4395/10/6/877

Weitere Informationen auf unserem YouTube-Kanal: "Warum lohnt sich präzises Kalken" https://youtu.be/prRryb-frCY



More news from: Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.


Website: http://www.atb-potsdam.de/

Published: December 4, 2020

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