Bewässerungssteuerung im Obstbau

1. Hintergrund
Die sich verstärkenden Auswirkungen des Klimawandels führen generell zu einem höheren Wasserbedarf der Pflanzen durch eine erhöhte Evapotranspiration. Hinzu kommt die Wahrscheinlichkeit längerer Trockenperioden und insgesamt ungleichmäßigerer, d.h. extremerer Niederschläge. Dies hat auch zunehmend Auswirkungen auf die Baumobstproduktion, die lange Zeit als relativ trockenun-empfindlich galt und nur selten einer Zusatzbewässerung bedurfte. Die insgesamt ungünstigere Verteilung der Niederschläge und die parallel verlaufende Entwicklung zu kleineren Bäumen auf schwachwüchsigen Unterlagen haben aber in vielen Bereichen auch auf besseren Böden zur Einführung einer Bewässerung geführt. Besonders offensichtlich ist dies bei dem Trend zum geschützten Anbau bei Süßkirschen oder auch bei der heute routinemäßigen Nutzung des Wurzelschnitts bei fast allen wirtschaftlich wichtigen Baumobstarten. Ersteres hält Regen ab während letzteres die Wasseraufnahmekapazität der Bäume verringert. Beides sind jedoch logische Entwicklungen auf dem Weg zu einer optimierten Produktion von qualitativ hochwertigen Früchten bei einer hohen Ertragssicherheit, ohne die eine wirtschaftlich tragbare Produktion in vielen Anbaugebieten heute nicht mehr möglich wäre. Eine Zusatzbewässerung ist daher ebenfalls in vielen Ertragsanlagen zum Standard geworden.

Parallel dazu gilt es aber, die EU-Wasserrahmenrichtlinie (2000/60/EG) in Deutschland umzusetzen und eine nachweislich grundwasserschützende Bewirtschaftungsweise der Ressource Wasser einzuführen. Anbauer werden also in der Zukunft in der Pflicht stehen, einen minimalen und schonenden Umgang mit der Ressource Wasser nachzuweisen. Ein „grüner Daumen“ alleine oder aber das Motto „viel hilft viel“ müssen daher der Vergangenheit angehören. Es gilt, den Anbauern Werkzeuge in die Hand zu geben, die zum einen zu einem sparsamen Umgang mit Wasser führen, gleichzeitig aber die Sicherheit für eine qualitativ und quantitativ hochwertige Produktion von Früchten ermöglicht, um damit den Wasserverbrauch je Einheit produziertem Lebensmittel zu minimieren und so den ökologisch und ökonomisch sinnvollen Einsatz der Ressource Wasser zu rechtfertigen und nachzuweisen. 

2. Ziel des geplanten Innovationsvorhabens
Das geplante Innovationsvorhaben setzt an der sicheren, kontinuierlichen und einfach zu handhabenden Erfassung des für den Anbauer wichtigsten Parameters, des Fruchtwachstums an und bindet diese in ein umfassendes Kontrol- und Steuerungssystem ein. Dazu soll ein entsprechender Sensor entwickelt werden, der auf einer optischen Erfassung des Fruchtwachstums sowie der täglichen Schwellungs- und Schrumpfungsrate der Früchte basiert. So wird die Ermittlung einer minimal notwendigen Zusatzbewässerung bei einer hohen Anbausicherheit ermöglicht. Diese Sensoren werden in bereits bestehende Funknetzsysteme integriert, die eine zeitnahe Erfassung der geplanten Wasserausbringung sowie möglicher Fehlerquellen wie Leckagen oder nicht funktionierende Ausbringung ermöglichen. Eine integrierte Messung des Bodenwassergehaltes ermöglicht eine direkte Kontrolle der Bewässerungsgaben und verhindert eine Überbewässerung mit entsprechendem Wasser und Nährstoffverlust in tiefere Bodenschichten. Dieses Sensor – Aktor System mit dem zentralen Element der Erfassung des wichtigsten und direkt mit dem Ertrag und der Qualität verbundenen Parameters des Fruchtwachstums ermöglicht es Anbauern, Bewässerungsgaben zum richtigen Zeitpunkt bei einer Beschränkung der Ausbringung auf die minimal notwendige Menge auszubringen.

Ziel des geplanten Vorhabens ist es damit, eine autonome, aber vom Nutzer kontrollierbare Steuerung der Bewässerung mit dem zentralen Element der einfachen und dynamischen Messung des Fruchtwachstums zu schaffen.
Dabei wird eine hohe Sicherheit für den Anbauer geschaffen und gleichzeitig eine einfache und dokumentationsfähige Aufzeichnung von Wassergaben und der Begründung der Ausbringung ermöglicht. Geplant sind zu Beginn die Entwicklung bei einer im Fruchtwachstum extrem kritischen Beispielfrucht, der Süßkirsche und eine Übertragung der Erfahrungen auf den Apfel ab dem zweiten Versuchsjahr. Damit werden zwei in Deutschland ökonomisch wichtige Obstarten genutzt, wobei eine Übertragung auf andere Arten nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten einfach darzustellen ist.

3. Arbeitsplan
Das Fachgebiet Obstbau der Forschungsanstalt Geisenheim beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Messung des Fruchtwachstums bei Obstkulturen und einer darauf basierenden Steuerung der Bewässerung und hat damit z.B. in dem hier als Partner agierenden Betrieb Geiger die Bewässerung in einer Apfelanlage auf einen Bruchteil der vorher üblichen Mengen reduzieren können. Die dazu verwendeten Messinstrumente sind zwar sehr genau, aber schwierig zu installieren und bedürfen der häufigen Kontrolle. Es sind sogenannte LVDT´s, die Durchmesserveränderungen der Früchte erfassen können. Sie erfordern jedoch einen Rahmen, eine Fixierung der Frucht, Kabelverbindungen und Datenlogger. In diesem Vorhaben sollen diese Kenntnisse sowie die schon vorhandenen Geräte sozusagen als Standard genutzt werden, um einen einfachen, aber gut aufgelösten und genau auswertbaren optischen Sensor und seine Einbindung in die Regelung zu entwickeln, testen und in die Praxisreife zu überführen. In den beiden Praxisbetrieben Nickolaus (für Süßkirschen) und Geiger (für Apfel) werden jeweils diese Sensoren und die komplette Steuerung eingerichtet und bezüglich der Praxisreife getestet. Beim Partner DLR wird ein Bewässerungsversuch bei Süßkirschen eingerichtet, in dem die unteren Grenzen der Wasserverfügbarkeit für ein optimales Fruchtwachstum bestimmt werden, d.h. die maximalen Abweichungen vom Optimalwachstum bestimmt, um diese Information für die Steuerung der Bewässerung zu bekommen.
Das Fachgebiet Obstbau wird alle Feldversuche koordinieren, die von den Partnern entwickelten Sensoren sowie das zugrunde liegende Datenbanksystem auf ihre Genauigkeit und Praxisreife sowie die Einbindung in ein Bewässerungssteuerungssystem testen.
Zusätzlich werden verschiedene Bodenfeuchtemesssysteme eingesetzt, um einen besseren Überblick über die Veränderungen der Bodenfeuchte im Gesamtwurzel-volumen zu erhalten.

Die Versuche mit Süßkirsche werden zum einen in einem Bewässerungsversuch der Offizialberatung des Landes Rheinland Pfalz (DLR) in Oppenheim stattfinden, da dieser hier in einer schon mehrere Jahre alten Anlage etabliert werden kann. Ein Bewässerungssystem (praxisübliche Tröpfchenbewässerung) wird installiert, so dass die Bewässerungsintensität blockweise reguliert werden kann. Dies garantiert die Möglichkeit des Experimentierens mit wechselnder und vor allem geringer Bodenfeuchte. Dazu gehört auch das Abdecken des Bodens, um bei zu großen Niederschlagsmengen eine Austrocknung des Bodens zu gewährleisten. Hier sollen vor allem Grenzbedingungen gefunden und für die Erstellung des Regelalgorithmus Sicherheitsmargen in den Messgrößen Fruchtwachstum und Bodenfeuchte erstellt werden. Installiert und über einen Datenlogger erfasst werden neben den Fruchtwachstumssensoren auch Bodenfeuchte und Klimadaten sowie Wasserversorgung. Die Ernteergebnisse werden separat geerntet und bonitiert.

Weiterhin werden die Versuche zu Süßkirsche im Praxisbetrieb I stattfinden. Hier sollen sowohl die Praxistauglichkeit der zu entwickelnden Sensorik getestet und das Gesamtsystem aus Praxissicht beurteilt werden. Das direkte Feedback aus der Praxis wird hier die Tauglichkeit des Systems gewährleisten. Der Beitrag des Betriebes I besteht vor allem in der zur Bereitstellung entsprechender Kirschanlagen, der Trennung dieses Anlagenteils von der übrigen Bewässerung, um eine separate Steuerung der Teilflächen zu ermöglichen, der separaten Ernte und Größensortierung sowie der Testung und, ganz zentral, der Diskussion der Praxistauglichkeit der eingesetzten Komponenten. Die Versuche werden dabei zuerst mit einer Sorte mit sehr frühem Erntetermin durchgeführt, um danach zu einer zweiten Kirschsorte mit sehr spätem Erntetermin zu wechseln.

Im Betrieb II sowie in einem Bewässerungsversuch der FA Geisenheim werden dann in den Jahren 2 und 3 die Versuche mit Apfel durchgeführt. Hier steht ähnlich wie im Betrieb I die Praxistauglichkeit der zu entwickelnden Sensorik im Vordergrund, nur diesmal bei einer sehr großen Frucht mit hohen Wachstumsraten. Wieder wird das Gesamtsystem aus Praxissicht beurteilt werden. Das direkte Feedback aus der Praxis wird auch hier die Tauglichkeit des Systems gewährleisten. Der Beitrag des Betriebes II besteht vor allem in der zur Bereitstellung einer entsprechenden Apfelanlage, der Trennung dieses Anlagenteils von der übrigen Bewässerung, um eine separate Steuerung der Teilflächen zu ermöglichen, der separaten Ernte und Größensortierung sowie der Testung und der Diskussion der Praxistauglichkeit der eingesetzten Komponenten. Die Versuche werden bei einer kleinfrüchtigen Sorte, vermutlich Rubinette, durchgeführt, da hier das Fruchtwachstum immer optimal sein muss, um nicht noch kleinere Früchte als genetisch bereits in der Sorte verankert zu produzieren.

Die Fruchtwachstumsmessungen werden in den ersten beiden Jahren für Süßkirsche entwickelt und im Jahr 3 weitergetestet, da diese ökonomisch hoch interessante Kultur bei größeren Schwankungen des Fruchtwachstums leicht mit Platzen reagiert.