PlantCare smart irrigation (Optimierung einer selbstregulierenden Bewässerungssteuerung für die ressourcenschonende Anwendung im Agrarbereich)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 448.04.13

Schlüsselwörter (Deutsch)

intelligente Steuerung, sensorbasierende Bewässerung, Perioden mit Wassermangel, Bewässerungssystemen, Einsparungen beim Wasserverbrauch

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Wasservorkommen sind in der Schweiz regional sehr unterschiedlich und man muss auf Grund des Klimawandels davon ausgehen, dass es künftig auch in der Schweiz während den Sommermonaten vermehrt zu Perioden mit Wassermangel kommen wird. Dies hat zur Folge, dass der lokale Wasserbedarf zur Bewässerung in der Landwirtschaft zunehmen wird, um eine ausreichende Ertragssicherheit zu gewährleisten.

Bei heutigen Bewässerungssystemen sind die eingesetzten Wassermengen nicht immer auf die von den Pflanzen benötigten Wassermengen abstimmbar. Eine intelligente und bedarfs­gerechte Bewässerung beim Pflanzenanbau kann wesentliche Einsparungen beim Wasserverbrauch zur Folge haben und trägt dazu bei, dass weniger Nährstoffe und Pflanzenschutzmittel durch Auswaschung ins Grundwasser gelangen.

Die Firma PlantCare AG hat im Vorgängerprojekt «Moistick» UTF 255.09.08 mit Finanzhilfen von CHF 200‘000.- einen Sensor zur Bestimmung der Bodenfeuchtigkeit weiterentwickelt und somit eine solide technische Ausgangsgrundlage geschaffen.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1     Ergebnisse aus den 1. Versuchsjahr
Daten aus den durchgeführten Versuchen im Folientunnel in Wädenswil und im Freiland am 1. Standort zu Wasserverbrauch, Schaderregern, Pflanzenschutzmitteleinsatz, Nährstoffeintrag und Pflanzenertrag sowie zu Bodenchemie und Bodenphysik sind quantitativ erfasst und beurteilt.
Zudem sind die optimierten Steueralgorithmen und Regelparameter zur Bewässerung der ausgewählten Kulturen mit der jeweils eingesetzten Bewässerungstechnik dokumentiert. Meilenstein 1.

 

2     Ergebnisse aus dem 2. Versuchsjahr
Daten aus den durchgeführten Versuchen im Folientunnel in Wädenswil und im Freiland am 2. Standort zu Wasserverbrauch, Schaderregern, Pflanzenschutzmitteleinsatz, Nährstoffeintrag und Pflanzenertrag sowie zu Bodenchemie und Bodenphysik sind quantitativ erfasst und beurteilt.
Zudem sind die optimierten Steueralgorithmen und Regelparameter zur Bewässerung der ausgewählten Kulturen mit der jeweils eingesetzten Bewässerungstechnik dokumentiert.

 

3     Ergebnisse aus dem 3. Versuchsjahr
Daten aus den durchgeführten Versuchen im Folientunnel in Wädenswil und im Freiland am 3. Standort zu Wasserverbrauch, Schaderregern, Pflanzenschutzmitteleinsatz, Nährstoffeintrag und Pflanzenertrag sowie zu Bodenchemie und Bodenphysik sind quantitativ erfasst und beurteilt.
Zudem sind die optimierten Steueralgorithmen und Regelparameter zur Bewässerung der ausgewählten Kulturen mit der jeweils eingesetzten Bewässerungstechnik dokumentiert. Meilenstein 2.

 

4     Die Vergleichskostenrechnung für ausgewähltem Versuche mit den verschiedenen Bewässerungssystemen ist erstellt.

 

5     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4

 

6     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets

 

7     Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Projektziele (Deutsch)

Eine intelligente Steuerung zur sensorbasierenden Bewässerung wird für den Agrarbereich weiterentwickelt und unter Praxisbedingungen im Feld an 3 unterschiedlichen Standorten mit 3 unterschiedlichen Gemüsearten getestet.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

In der Schweiz wird eine wassersparende Bewässerung in Zukunft immer wichtiger. Dabei sind mögliche Auswaschungen, der Einfluss der Bewässerung auf die Pflanzengesundheit und veränderte Rahmenbedingungen mit der Klimaänderung zu beachten.

In praxisnahen Bewässerungsversuchen wurden die Einstellungen einer auf Bodenfeuchtesensoren gestützten Bewässerungssteuerung bezüglich Wasserbedarf und Ertrag optimiert. Wichtige Elemente der  Steuerung  sind der Trockenschwellwert und der Zielwert der Bewässerung, wobei der Zielwert maximal Feldkapazität entsprechen durfte, um Auswaschung zu verhindern.  Die Bewässerungsversuche wurden in den Jahren 2013 - 2015 einerseits im Freiland an Rosenkohlkulturen (Tröpfchenbewässerung) und an Zwiebelkulturen (Sprinklerbewässerung) und andererseits mit gedeckten Tomaten-, Auberginen- und Gurkenkulturen (Tröpfchenbewässerung) durchgeführt.

Durch die sensorbasierte selbstregulierende Bewässerungssteuerung konnte der Wasserverbrauch ohne Ertragsminderung gegenüber der manuellen Bewässerung um bis zu Zweidrittel reduziert werden, da die Bewässerung nicht zu früh einsetzte, aber immer bevor Trockenstresssymptome auftraten.

Auswirkungen der Bewässerung auf die Pflanzengesundheit waren teilweise signifikant oder konnten sonst wegen anderer Einflüsse nur als Tendenzen beobachtet werden. Ein direkter Einfluss zeigte sich bei  bodenbürtigen Krankheiten.

Beschreibung der Resultate (Englisch)

In Switzerland, water-saving irrigation will become more important in future. Potential leaching, the influence of irrigation on plant health and the consequences of climate change have to be considered.

In practically relevant irrigation experiments the settings of an irrigation control based on soil moisture sensors were optimized with respect to water demand and yield. The most important parameters of the control are the dry threshold value and the target value of irrigation. In order to avoid leaching the target value was always below field capacity. The irrigation experiments were conducted in the years 2013 - 2015 as field trials with Brussels sprouts (drip irrigation) and onion crops (sprinkler irrigation) on the one hand and with tomato, eggplant and cucumber crops in greenhouses (drip irrigation) on the other part.

The sensor-based self-regulating irrigation control resulted in an up to three times better water efficiency compared to manually controlled irrigation without yield reduction, because irrigation never started too early, but always before drought stress symptoms have occurred.

Impacts of irrigation on plant health were significant in some cases or they could otherwise only be seen as trends due to other influences. A direct influence was evident in soil-borne diseases.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Versuche zeigten, dass die untersuchte sensorbasierte Bewässerungssteuerung ein relativ grosses Wassersparpotenzial ermöglicht bei vergleichbaren Erträgen. Das System hat sich im Gewächshaus wie auch bei Freilandkulturen bewährt. Weil der optimierte Trockenschwellwert nah bei Werten liegt, die in der Regel zu Ertragseinbussen führen, kommt den Bodenfeuchtesensoren eine wichtige Rolle zu. Ohne Sensorunterstützung ist daher bei einem vergleichbaren Wasserregime die Gefahr von Ernteeinbussen gross.

 

Die untersuchte vollautomatische Bewässerungssteuerung kann mit entsprechend höherem zeitlichen Aufwand auch durch ein Monitoring der Bodenfeuchte mit Sensoren erreicht werden, bei dem am Trockenschwellwertes ein Alarm ausgelöst wird.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Für den Einsatz der automatischen, sensorbasierten Bewässerungssteuerung bei Freilandkulturen ist der konsequente Einsatz von Funktechnologie wichtig, da Kabel die Bewirtschaftung stören und auch relativ leicht zerstört werden können. Damit die Bewässerungssteuerung möglichst zentral geschehen kann, ist dazu eine Erweiterung der Funkdistanz wichtig.

 

Alternativ zur Bestückung aller betroffenen Flächen mit Sensoren könnte ein ausgebautes Bodenfeuchtesensornetz in Kombination mit einem Tool zur Interpolation und Modellierung von kulturspezifischen Bodenfeuchtewerten eine wertvolle Entscheidungshilfe für eine wassersparende Bewässerung sein.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

keine bekannt