Kulturpflanzenerfassung im Dienste einer verbesserten Klimaresilienz
Die Verbesserung der Wassernutzungseffizienz stellt in der Landwirtschaft eine zentrale Herausforderung dar. Sie ist von zentraler Bedeutung, um die landwirtschaftlichen Erträge zu sichern, den Bedarf einer wachsenden Bevölkerung in Sachen Nahrungsmittelerzeugung zu decken und die Lebensgrundlagen der Menschen unter den sich verschlechternden Klimabedingungen zu erhalten. Mithilfe des Einsatzes fortgeschrittener Technologien hat das Team des EU-finanzierten Projekts SenseFuture unser Verständnis dafür vertieft, wie die Kulturenbewirtschaftung die Wasserdynamik im Boden beeinflusst und die Wasserzufuhr für die Pflanzen optimiert, was insbesondere in tiefen Bodenschichten wichtig ist. Das Projekt SenseFuture wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt. Dabei kam ein breites Spektrum an Erfassungsverfahren in verschiedenen Maßstäben einschließlich unbemannter Luftfahrzeuge (UAV), proximaler Baumkronensensoren und Pflanzenwurzelbildgebung, um die Wassernutzungseffizienz auf großen Feldflächen zu überwachen, zusammen mit KI-gestützter Datenverarbeitung und -analyse zum Einsatz. „Die Integration fortgeschrittener Technologien gestattete ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Boden, wobei sich offenbarte, auf welche Weise eine neuartige Agronomie die Wassernutzungseffizienz unter variablen Klimabedingungen verbessert“, erklärt Eusun Han, Koordinator des Projekts SenseFuture.
Einsatz von Hochtechnologie
Ein breites Spektrum von Sensoren erfasste hochauflösende Bilder und Echtzeitdaten, um den Wasserzustand der Pflanzen zu ermitteln. Auf diese Weise konnten die Forschenden bewerten, wie unterschiedliche Anbaustrategien die Wassernutzungseffizienz auf Betriebsebene beeinflussen. Geforscht wurde sowohl in Australien als auch in Dänemark. Angesichts der stark schwankenden Wetterbedingungen setzte das Team von SenseFuture auch bodengestützte Wärmesensoren ein, die unter Bedingungen wie zum Beispiel bedecktem Himmel und extremer Hitze zuverlässiger sind. Zudem konnte mit KI-gesteuerten Instrumenten wie der Software RootPainter die Phänotypisierung von Pflanzenwurzeln, d. h. der Prozess der Analyse und Messung von Wurzelmerkmalen wie Wachstumsmuster, Struktur und Reaktion auf Umweltbedingungen, erheblich beschleunigt werden. Somit konnten im Zuge des Projekts in kürzerer Zeit als mit traditionellen Methoden genauere und detailliertere Daten über komplexe Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Boden gesammelt werden.
Innovative Strategien für Dürreresilienz
Anhand seiner innovativen Ansätze hat das SenseFuture-Team herausgefunden, dass das Entfernen eines Teils des Pflanzendaches den Pflanzen hilft, eine Dürrezeit zu überstehen, indem die Transpiration reduziert wird. Mit dieser Strategie wird Bodenfeuchtigkeit eingespart, wenn der Wasserbedarf geringer ist, wobei sie für kritische Phasen wie die Kornfüllung bewahrt wird, wenn das Wasser am meisten benötigt wird. „Im Wesentlichen wird mit diesem Ansatz die zeitliche Abstimmung der Wassernutzung durch die Pflanzen optimiert, wodurch ihre Resilienz ausgenutzt wird, um trotz des Verlusts des Kronendachs tiefere Wurzeln zu entwickeln“, bestätigt Han. Eine weitere wirkungsvolle Strategie, die vom SenseFuture-Team ermittelt wurde, ist die Mehrzweckkultur, bei der Kulturpflanzen sowohl der Beweidung als auch der Getreideproduktion dienen. Die Projektarbeit hat ergeben, dass der Erfolg dieses Ansatzes in hohem Maße von der Jahreszeit und insbesondere von den Niederschlagsmengen abhängt. In Trockenzeiten dient er als Sicherheitsnetz, indem zwei landwirtschaftliche Einkommen geschaffen und gleichzeitig die Risiken von Ernteausfällen durch aufgeschobene Wassernutzung verringert werden. „Mehrzweckkulturen können eine mächtige Strategie zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und der Pflanzenresilienz bilden, insbesondere in dürregefährdeten Gebieten“, fügt Han hinzu. Diese Methoden können in verschiedenen Anbausystemen breitgefächert zur Anwendung kommen. Während Weizen und Raps in Australien gut auf diese Anbaupraktiken ansprachen, könnten ähnliche Ansätze in der nördlichen Hemisphäre auch auf mehrjährige Anbausysteme angewendet werden.
Bessere Vorhersagen anhand von Daten, bessere Entscheidungen für landwirtschaftliche Betriebe
Die Ergebnisse von SenseFuture stellen einen wichtigen Schritt in Richtung der Verbesserung der landwirtschaftlichen Praktiken dar und sind dazu geeignet, zukünftige landwirtschaftliche Entscheidungen zu beeinflussen. Es werden beispielsweise wertvolle Erkenntnisse über das Verhalten der Pflanzen, insbesondere über die Reaktionen im Boden auf den Blattverlust, in Bezug auf die Verbesserung von Strategien für den Anbau von Mehrzweckkulturen, die Optimierung des Weidezeitpunkts und die Entwicklung von Sorten mit schnellerer Erholung von Wurzeln und Trieben von entscheidender Bedeutung sein. bebZudem werden die innovativen datengesteuerten Pipelines zur Pflanzenphänotypisierung, die projektintern validiert wurden, den Forschenden bei der Entwicklung resilienter Kulturpflanzen für das zukünftige Klima von Nutzen sein. Zu den nächsten Schritten bei der Anwendung dieser Erkenntnisse im praktischen landwirtschaftlichen Umfeld gehört die Weiterentwicklung von Vorhersagemodellen für Wassernutzungseffizienz und Ressourcenoptimierung. „Durch die Verfeinerung dieser Vorhersagen können wir den landwirtschaftlichen Betrieben genauere und umsetzbare Erkenntnisse in Echtzeit liefern und ihnen auf diese Weise helfen, bessere Entscheidungen über Ressourceninvestitionen zu treffen, die angesichts des sich verschärfenden Klimawandels auf höhere Erträge bei geringerem Risiko abzielen“, erklärt Han. Die Integration von Daten aus verschiedenen Sensoren und die Nutzung von KI-gesteuerten Instrumenten in Entscheidungsunterstützungssystemen könnte die digitale Landwirtschaft weiter voranbringen. Dies würde eine präzisere Überwachung, Visualisierung und Verwaltung der landwirtschaftlichen Systeme gestatten, was letztlich in nachhaltigen und resilienten Praktiken sowie in der Verbesserung der täglichen Arbeit der landwirtschaftlichen Betriebe münden würde.
Schlüsselbegriffe
SenseFuture, Wassernutzungseffizienz, UAV, KI, Mehrzweckkultur, nachhaltige Landwirtschaft, unbemannte Luftfahrzeuge
