Wie genau sind NIR-Sensoren für die Gülleinhaltsstoffbestimmung?
Wie stark Richtwerte für Gülle, einzelne Behälterproben und die Messwerte von NIRS-Systemen von Laborwerten abweichen, hat die Landwirtschaftskammer Niedersachsen untersucht.
Aufgrund der hohen Mineraldüngerpreise weiten viele Betriebe die organische Düngung aus. Allerdings sind die Nährstoffe aus der Gülle unter Umständen lediglich zu fünfzig Prozent wirksam. Um unnötige Ertragseinbußen zu verhindern, müssen die vorhandenen Nährstoffe effizienter genutzt werden. Dafür ist eine exakte Kenntnis der Nährstoffgehalte der Gülle erforderlich. Auf deren Grundlage kann das ideale Ausbringvolumen pro Hektar festgelegt und damit eine gleichmäßige und bedarfsgerechte Nährstoffverteilung realisiert werden.
NIRS als Alternative
Üblicherweise werden zur Ermittlung der Nährstoffe in Gülle entweder Richtwerte verwendet oder Laboranalysen von einzelnen Behälterproben erhoben. Allerdings können in beiden Fällen deutliche Abweichungen zu den tatsächlichen Werten auftreten. Beispielsweise können die Nährstoffgehalte in Abhängigkeit von der Gülleart, der Fütterung und der Homogenität extrem schwanken. Deshalb bildet die NIRS-Technik eine vielversprechende Alternative. Sie kann die Inhaltsstoffe beim Befüllen der Fässer bestimmen und so auftretende Nährstoffschwankungen erfassen. Auf Basis der Messungen lässt sich das Ausbringvolumen pro Hektar entweder automatisiert über eine Durchflussmengenregelung oder manuell über die Fahrgeschwindigkeit anpassen.
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Aufgrund der hohen Mineraldüngerpreise weiten viele Betriebe die organische Düngung aus. Allerdings sind die Nährstoffe aus der Gülle unter Umständen lediglich zu fünfzig Prozent wirksam. Um unnötige Ertragseinbußen zu verhindern, müssen die vorhandenen Nährstoffe effizienter genutzt werden. Dafür ist eine exakte Kenntnis der Nährstoffgehalte der Gülle erforderlich. Auf deren Grundlage kann das ideale Ausbringvolumen pro Hektar festgelegt und damit eine gleichmäßige und bedarfsgerechte Nährstoffverteilung realisiert werden.
NIRS als Alternative
Üblicherweise werden zur Ermittlung der Nährstoffe in Gülle entweder Richtwerte verwendet oder Laboranalysen von einzelnen Behälterproben erhoben. Allerdings können in beiden Fällen deutliche Abweichungen zu den tatsächlichen Werten auftreten. Beispielsweise können die Nährstoffgehalte in Abhängigkeit von der Gülleart, der Fütterung und der Homogenität extrem schwanken. Deshalb bildet die NIRS-Technik eine vielversprechende Alternative. Sie kann die Inhaltsstoffe beim Befüllen der Fässer bestimmen und so auftretende Nährstoffschwankungen erfassen. Auf Basis der Messungen lässt sich das Ausbringvolumen pro Hektar entweder automatisiert über eine Durchflussmengenregelung oder manuell über die Fahrgeschwindigkeit anpassen.
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Um unter Praxisbedingungen auftretende Abweichungen von Richtwerten, einzelnen Behälterproben und der NIRS-Technik aufzuzeigen, hat die Landwirtschaftskammer Niedersachsen in einem Versuch einen mit Mastschweinegülle gefüllten Hochbehälter vollständig geleert und dabei fassweise die Nährstoffgehalte ermittelt.
Zu Beginn des Versuchs wurden die Nährstoffgehalte der Gülle bestimmt, indem wie praxisüblich eine Einzelprobe aus dem aufgerührten Behälter entnommen und in einem anerkannten Labor nach Standardmethode analysiert wurde. Anschließend wurde der Behälter fassweise entleert.
Während des Befüllens des Güllewagens wurde die Gülle aus dem Behälter erst durch eine mobile NIRS-Station (NIRS 1) gepumpt. Außerdem waren am Güllewagen ein Hahn zur Entnahme von Proben sowie ein zweites NIRS-System (NIRS 2) eingebaut. Dieses NIRS-System stammte von einem anderen Hersteller als das NIRS-System in der mobilen Station.
So konnten die Nährstoffgehalte der Gülle fassweise über die beiden NIRS-Systeme bestimmt und zusätzlich Proben für fassweise Laboranalysen gezogen werden. Die Laborwerte spiegeln die tatsächlichen Verläufe der Nährstoffgehalte über die Behälterleerung wider und dienten als Referenz.
Während des Versuchs wurde durchgehend gerührt. Allerdings kam nach dem Befüllen des neunzehnten Fasses eine Anhäufung an ungelösten Feststoffen zum Vorschein. Um den Behälter maximal zu entleeren, wurde das Rührwerk daraufhin gegen die Anhäufung ausgerichtet und im Anschluss mehrmals nachjustiert.
Die mobile NIRS-Station von Zunhammer wird zwischen Behälter und Güllefass geschaltet. Sie ermittelt bei der Befüllung das Ausbringvolumen zur gewünschten Nährstoffgabe.
(Bildquelle: Schlagge)
Während des Entleerens gab es trotz Rührens Anhäufungen an ungelösten Feststoffen. Das Rührwerk wurde daher zwischenzeitlich umgesetzt.
(Bildquelle: Schlagge)
NIRS 1 besser als NIRS 2
Die Ergebnisse für die Stickstoff-, die Phosphor- und Trockensubstanz (TS)-Gehalte in der Gülle sind in den Grafiken auf der nächsten Doppelseite dargestellt. Für die Beurteilung der beiden Abschätzvarianten NIRS 1 und NIRS 2 wurden zusätzlich zu den im Labor ermittelten Werten die Richtwerte der Düngebehörde herangezogen. Außerdem hatte der landwirtschaftliche Betrieb im Vorfeld selbst eine Behälterprobe gezogen und analysieren lassen. Somit sind alle praxisüblichen Möglichkeiten zur Nährstoffermittlung berücksichtigt.
Bei den Verläufen des Stickstoffgehalts ist zu erkennen, dass der Richtwert, die Einzelprobe des Betriebes und die beim Versuch entnommene Behälterprobe deutlich unterschiedliche, und durch die einmalige Entnahme bedingt konstante Stickstoffgehalte vorgeben. Im Gegensatz dazu ermittelte das System NIRS 1 in der mobilen Station einen ansteigenden Stickstoffgehalt, der im Bereich des Richtwerts blieb. Dagegen lagen die Messwerte des im Fass eingebauten Systems NIRS 2 zunächst auf konstant niedrigem Niveau, bis nach dem Umsetzen des Rührwerks ein Sprung nach oben erfolgte. Danach schwankten die Werte auf dem deutlich höheren Niveau.
Die Ergebnisse der fassweise erhobenen Laboranalysen zeigen, dass der Stickstoffgehalt mit zunehmender Behälterentleerung tatsächlich angestiegen ist. Beim ersten Fass liegt der Wert bei ca. 3,5 kg N/m³. Anschließend erfolgte ein relativ konstanter Anstieg bis auf ca. 4,5 kg N/m³. Augenscheinlich wird dieser Verlauf von NIRS 1 und dem Richtwert am besten angenähert.
Im Vergleich zum Stickstoffgehalt schwankt der reale Phosphorgehalt viel extremer, wie der Verlauf der Laborwerte zeigt. Bis zur achtzehnten Fassfüllung trat ein moderater Anstieg auf. Jedoch nach dem Umsetzen des Rührwerks schnellte der Phosphorgehalt nach oben und der Anstieg setzte sich mit jeder weiteren Fassfüllung fort. Dieser Verlauf konnte keine der beiden Abschätzvarianten NIRS 1 und NIRS 2 hinreichend genau abbilden.
Der Verlauf des im Labor ermittelten TS-Gehalts ähnelte dem des Phosphorgehalts. Doch in diesem Fall lagen die Schätzwerte von NIRS 1 (bis auf zwei Ausreißer) relativ gut in der Nähe der Laborwerte.
Die ermittelten Nährstoffverläufe bestätigen den beim Versuch gewonnenen Eindruck, dass die Gülle trotz des permanenten Aufrührens nicht homogenisiert werden konnte. Das äußert sich unter anderem darin, dass der Stickstoffgehalt in den Fässern über die Behälterleerung um knapp 30 % zugenommen hat. Zudem haben sich der Phosphor- und der TS-Gehalt sogar mehr als verdoppelt.
Diese extreme Inhomogenität ist einerseits auf das unterdimensionierte Rührwerk des Betriebes zurückzuführen. Andererseits ist eine vollständige Homogenisierung selbst unter optimalen Bedingungen kaum realisierbar, da insbesondere Schweinegülle zu einer sehr schnellen Ausbildung von Schwimm- und Sinkschichten mit unterschiedlichen Nährstoffgehalten neigt. Für eine möglichst gezielte und gleichmäßige Nährstoffausbringung sollte daher in jedem Fall rechtzeitig, ordentlich und dauerhaft aufgerührt werden.
Um die ermittelten Erkenntnisse zu bestätigen, will die Landwirtschaftskammer Niedersachsen in nächster Zeit sowohl weitere Behälterleerungen als auch pflanzenbauliche Versuche durchführen.
Interessierte Betriebe, die innerhalb eines Tages oder weniger Tage ein gefülltes Güllelager vollständig leeren, können sich für die Teilnahme an weiteren Versuchen melden und so einen betriebsindividuellen Verlauf der Nährstoffgehalte ihrer Gülle ermitteln lassen.
Um die Genauigkeit der verschiedenen Varianten zur Abschätzung der Gülleinhaltsstoffe beurteilen zu können, wurden mittlere Abweichungen zum Referenzverlauf der Laboranalysen berechnet.
In der Tabelle „Fassweise Laboranalyse contra NIRS“ ist zu erkennen, dass die Richtwerte in diesem Fall relativ genau mit denen als wahr angenommenen Nährstoffgehalten der Gülle übereinstimmten. Da bei Richtwerten allerdings kein direkter Bezug zur vorhandenen Gülle besteht, können die Abweichungen in anderen Fällen wesentlich höher ausfallen. Diese Annahme hat sich in durchgeführten Stichproben bestätigt.
Bei den Einzelproben aus dem Behälter (Betrieb und Versuch) liegen dagegen deutlich größere Abweichungen vor. Denn wie die Grafiken zeigen, fand im Verlauf der Entleerung ein Anstieg der Gehalte statt – insbesondere bei Phosphor und Trockensubstanz, aber auch bei Stickstoff. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass bei der Probenahme durch den Betrieb im Vorfeld des Versuchs entweder Fehler begangen wurden oder Veränderungen der Gülle zwischen dem Probenahme- und Ausbringzeitpunkt stattfanden.
Am genausten bestimmte das NIRS 1 die Nährstoffgehalte in der Schweinegülle. Dieses Ergebnis beweist vor allem im Zusammenhang mit den ermittelten Nährstoffverläufen während der Behälterentleerung, dass mit NIRS-Technik sowohl genaue Werte über die Nährstoffgehalte gewonnen als auch Nährstoffschwankungen zwischen einzelnen Fässern erfasst und kompensiert werden können.
Dadurch lassen sich sehr ungünstige Ausbringvorgänge mit extremer Unter- oder Überdüngung vermeiden. Insofern konnte die NIRS-Technik tatsächlich eine Steigerung der Wirksamkeit der Gülle durch eine gleichmäßigere und gezieltere Ausbringung herbeiführen.
Die Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die vorhandene Gülle von der hinterlegten Kalibrierung abgedeckt wird. Dieser Fall lag bei NIRS 2 augenscheinlich nicht vor. Außerdem treten beim Phosphorgehalt in der Regel größere Abweichungen auf.
Fazit
Die Gehalte an Stickstoff, Phosphor und Trockensubstanz können – selbst bei ständigem Aufrühren - über den Zeitraum einer Behälterleerung erheblich schwanken. Wäre auf Grundlage der Einzelprobe des Betriebes die Gülle ausgebracht worden, dann wäre die Fläche mit Stickstoff unterversorgt gewesen.
Die NIRS-Technik kann unter Voraussetzung einer geeigneten Kalibration sowohl genaue Werte zu Nährstoffgehalten liefern als auch Nährstoffschwankungen zwischen den einzelnen Fässern erfassen. So konnte beispielsweise das NIRS-System an der mobilen Station (NIRS 1) den Stickstoffgehalt im Durchschnitt auf acht Prozent genau im Vergleich zu im Labor ermittelten Referenzwerten bestimmen.
Sowohl bei den Richtwerten als auch bei einzelnen Behälterproben sowie bei ungenügend kalibrierten NIRS-Systemen können deutlich größere Abweichungen auftreten. So war es zumindest in dem Versuch der Landwirtschaftskammer Niedersachsen, der im Zuge des BLE Projektes „Einsatz von NIR-Sensoren zur Quantifizierung der Nährstoffgehalte in flüssigen Wirtschaftsdüngern“ gefördert wurde.
