Wie digitale Geodaten Entscheidungen in der Landwirtschaft erleichtern

Mit solchen Fragen beschäftigt sich das Projekt DG-RR – Digitales Geosystem Rheinisches Revier. Im Blick ist dabei nicht nur die einzelne Fläche, sondern das gesamte Geoökosystem, also das Zusammenspiel von Boden, Wasser, Vegetation und Atmosphäre. Bei Wasser bedeutet das etwa: Es versickert und gelangt ins Grundwasser oder es wird von Pflanzen aufgenommen und kehrt durch Verdunstung in die Atmosphäre zurück.

Der Wasserkreislauf ist ein besonders anschauliches Beispiel, der Fokus von DG-RR reicht aber darüber hinaus. Automatisierte Nitratmessungen können etwa helfen, den Düngebedarf genauer zu bestimmen und unnötige Einträge ins Grundwasser zu vermeiden. Eine weitere Frage betrifft die Böden auf rekultivierten Flächen des Braunkohletagebaus. Sie müssen nach dem Abbau wieder fruchtbar gemacht werden, um sie landwirtschaftlich nutzen zu können. Dabei spielt Humus eine wichtige Rolle, denn er enthält viel organischen Kohlenstoff und verbessert die Bodenfruchtbarkeit und Wasserspeicherung. Deshalb wird untersucht, wie Maßnahmen zum Humusaufbau die Kohlenstoffbilanz der ehemaligen Tagebauflächen beeinflussen.

Um die Daten vom Feld in die Anwendung zu bekommen, verknüpft das Forschungsprojekt Messtechnik, Modellierung sowie Dateninfrastruktur. Messungen liefern Informationen über die Zustände vor Ort, Modelle berechnen räumliche Zusammenhänge und zukünftige Entwicklungen, und die Dateninfrastruktur macht die gewonnenen Geodaten für eine nachhaltigere und effizientere Nutzung von Ressourcen verfügbar.

Ein Teil der Forschungsinfrastruktur von DG-RR steht direkt auf landwirtschaftlichen Flächen. Nieberding betreibt im Projekt ein Messnetz mit knapp 20 Stationen in Nordrhein-Westfalen, mit Schwerpunkt im Rheinischen Revier. Sie erfassen unter anderem Bodenfeuchte und Wetterdaten und übertragen die Messwerte nahezu in Echtzeit an die Projektserver.

Bei der Bodenfeuchte erproben die Forschenden auch neue Verfahren. „Das funktioniert mit kosmischer Neutronenstrahlung, das ist die Hintergrundstrahlung, die uns aus dem All erreicht“, erklärt Nieberding. Aus dieser Strahlung lassen sich Rückschlüsse auf den Wassergehalt des Bodens ziehen. Wie gut sich die noch junge Methode für die Landwirtschaft eignet, wird an Pilotstandorten gemeinsam mit den Betrieben untersucht.

Auch für Nitrat wurde im Projekt neue Messtechnik entwickelt. Ein mobiler Roboter kann direkt auf dem Feld messen, wie viel des Nährstoffs im Boden vorhanden ist. Das soll aufwendige Bodenproben und Laboranalysen ergänzen und künftig eine genauere Bestimmung des Düngebedarfs unterstützen.

Messstationen liefern detaillierte Informationen – aber nur dort, wo sie stehen. Um Prozesse flächenhaft abzubilden und Entwicklungen vorherzusagen, kommt die Modellierung ins Spiel. Beim Wasserkreislauf koppeln die Forschenden mehrere Modelle. Das integrierte hydrologische Modell ParFlow beschreibt Prozesse des Wasserkreislaufs, wie die Bewegung des Wassers im Untergrund und im Boden. Das Landoberflächenmodell CLM bildet Austauschprozesse zwischen Untergrund, Pflanzen und Atmosphäre an der Landoberfläche ab. Hinzu kommen Wettervorhersagen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF), die als atmosphärischer Antrieb genutzt werden.

Das gekoppelte System berechnet den Wasserkreislauf mit einer räumlichen Auflösung von rund 600 Metern und über zahlreiche Bodenschichten hinweg. Die Simulationen laufen auf Supercomputern in Jülich. „Das rechnet tatsächlich physikalisch aus, wo jetzt das Wasser von A nach B fließt, für jeden Zeitschritt“, erklärt Nieberding. Vereinfacht berechnet das Modellsystem mit aktuellen Wetterdaten Schritt für Schritt, wie sich Wasser bewegt: Was versickert? Was fließt oberirdisch ab? Wie verändern sich Bodenfeuchte und Verdunstung? Die Messstationen helfen zugleich, die Berechnungen zu überprüfen. Laut Nieberding arbeitet das Projekt derzeit an einer Studie dazu, wie gut sich die Wasserverfügbarkeit an konkreten Standorten mit dem Modell abbilden lässt.

Bei räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Modellrechnungen entstehen große Datenmengen. Die Dateninfrastruktur soll diese Mess- und Modelldaten effizient verarbeiten und bereitstellen. Ein öffentlich sichtbares Ergebnis ist der Wasser-Monitor. Die Website zeigt für Deutschland und angrenzende Gebiete, wie viel Wasser den Pflanzen in den oberen 30 Zentimetern des Bodens zur Verfügung steht. Die Werte werden prozentual dargestellt, die weitere Entwicklung lässt sich für bis zu neun Tage verfolgen. So werden komplexe Modellrechnungen in einer Karte sichtbar, auf der sich für den jeweiligen Standort erkennen lässt, ob Pflanzen ausreichend mit Wasser versorgt sind oder Trockenstress drohen könnte. Eine längerfristige Perspektive bietet das experimentelle Wasserressourcen-Bulletin. Statt einzelner Wetterereignisse zeigt es saisonale Trends der Wasserverfügbarkeit für die kommenden Monate im Vergleich zum langjährigen Mittel.

Die Daten aus DG-RR können auch jenseits der Landwirtschaft genutzt werden. Nieberding berichtet etwa von einem anderen Forschungsprojekt, in dem Bodenfeuchtedaten aus Messnetz und Modell in ein Hochwasserfrühwarnsystem einfließen. Denn ob Starkregen zu einer Flut beiträgt, hängt auch davon ab, wie viel Wasser der Boden bereits aufgenommen hat.

In der Landwirtschaft wird der Nutzen besonders deutlich. Die Messdaten an den Pilotstandorten stehen den beteiligten Landwirtinnen und Landwirten zur Verfügung. Die Bodenfeuchtedaten werden bereits für Bewässerungsentscheidungen genutzt. „Kann ich noch warten oder muss ich jetzt schon bewässern? Hat meine Kultur schon den totalen Stress und wie kann ich jetzt bestmöglich mein Personal einsetzen?“, beschreibt Nieberding einige der praktischen Fragen.

Geodaten nehmen den Betrieben solche Entscheidungen nicht ab, können aber zusätzliche Informationen liefern. Bei Trockenheit helfen Bodenfeuchtedaten etwa, den Bewässerungsbedarf einzuschätzen. Informationen über den Nitratgehalt im Boden können wiederum eine bedarfsgerechtere Düngung unterstützen. Wetterbericht, Erfahrung und Beobachtung werden so um Daten ergänzt, die Zustände im Boden genauer erfassen. Die Pilotstandorte sind jedoch kein flächendeckendes Messnetz. Sie dienen dazu, neue Messtechnik unter realen Bedingungen zu erproben und Anwendungen gemeinsam mit landwirtschaftlichen Betrieben zu testen.

Das Rheinische Revier bildet den regionalen Schwerpunkt von DG-RR. Mit dem Ende der Braunkohleförderung steht die Region im Westen Nordrhein-Westfalens vor einem tiefgreifenden wirtschaftlichen Strukturwandel. Die Initiative BioökonomieREVIER will diesen Wandel zum Aufbau einer Modellregion für Bioökonomie nutzen, für nachhaltige und biobasierte Wertschöpfung in der Region. Die Landwirtschaft spielt dabei als Primärproduzentin eine wichtige Rolle. Sie ist ein bedeutender Wirtschaftszweig und profitiert von sehr produktiven Böden. Zugleich erhöhen zunehmende Trockenperioden im Zuge des Klimawandels den Druck, Wasser möglichst bedarfsgerecht einzusetzen.

DG-RR ist Teil des Innovationsclusters „Innovative Landwirtschaft“ von BioökonomieREVIER, das vom Forschungszentrum Jülich koordiniert und vom Bundesforschungsministerium gefördert wird. Mit digitalen Geodaten, neuen Messverfahren und Modellierungen schafft das Projekt Grundlagen für eine effizientere und nachhaltigere Nutzung von Ressourcen. Die entwickelten Ansätze sind dabei nicht auf das Rheinische Revier beschränkt: Die hydrologische Modellierung umfasst Deutschland und angrenzende Einzugsgebiete, auch Mess- und Datenmethoden lassen sich grundsätzlich auf andere Regionen übertragen.

Wie wirtschaftlicher Transfer aus der Forschung gelingen kann, zeigt die von Nieberding mitinitiierte Ausgründung Drought Analytics. Den Anstoß dafür gab nach seiner Aussage vor allem die direkte Zusammenarbeit mit landwirtschaftlichen Betrieben. Dort habe sich gezeigt, dass die entwickelten Ansätze einen praktischen Nutzen haben und auf Interesse stoßen. Für Nieberding entstand daraus die Motivation, die wissenschaftlichen Erkenntnisse zu einem dauerhaft nutzbaren Produkt weiterzuentwickeln.

Drought Analytics greift Erfahrungen aus den Pilotstandorten auf, übernimmt Teile der erprobten Messtechnik und kombiniert sie mit eigenen Modellen, um konkrete Bewässerungsempfehlungen zu geben. Ziel ist es, Lösungen für mehr Betriebe bereitzustellen als diejenigen, auf deren Flächen im Forschungsprojekt Messstationen installiert werden konnten.

DG-RR läuft noch bis Ende 2026. Die Modellsysteme, die dem Wasser-Monitor zugrunde liegen, werden auch noch darüber hinaus weiterbetrieben. Auch die Messdaten sollen weiter ausgewertet und wissenschaftlich veröffentlicht werden. „Wir haben da noch viele Datenschätze. Es sind viele gute Ideen da, die noch gehoben werden können“, sagt Nieberding. Damit schafft das Forschungsprojekt Grundlagen dafür, digitale Geodaten praktisch nutzbar zu machen. Mit Drought Analytics werden diese Ansätze zusätzlich in konkrete Angebote für landwirtschaftliche Entscheidungen überführt.

von Friederike Kißling