Die negativen Auswirkungen auf den Boden schädigen die Landwirtschaft so stark, dass der Anbau von Pflanzen unmöglich geworden ist. Dies stellt einen schweren Schlag für die stabile Lebensmittelversorgung dar. Um eine nachhaltige Landwirtschaft zu gewährleisten, ist es daher unerlässlich, schnellstmöglich Maßnahmen gegen die Bodenschädigung zu ergreifen.

Der Tsunami infolge des Großen Ostjapanischen Erdbebens 2011 verursachte in Japan massive Schäden an landwirtschaftlichen Flächen. Es bestanden Befürchtungen hinsichtlich Salzschäden an den Ernten durch eindringendes Meerwasser. Daher wurden im Rahmen des Wiederaufbauprojekts großflächig Entsalzungsmaßnahmen auf den betroffenen Ackerflächen durchgeführt. Nach der Entsalzung wurde zudem ein Demonstrationsversuch zur Überwachung des Salzgehalts mithilfe von Bodensensoren auf den Ackerflächen durchgeführt. Welches Potenzial bieten Sensortechnologien für die Landwirtschaft? Wir sprachen mit Hitoshi Kanno, ehemaliger Dozent an der Graduiertenschule der Universität Tohoku, um einen Überblick über die Entsalzungsmaßnahmen und den Einsatz von Sensortechnologien in der intelligenten Landwirtschaft zu erhalten.

Welche Schäden verursacht die globale Erwärmung an Böden und landwirtschaftlichen Produkten?

Es heißt, Salzschäden schädigten die Landwirtschaft schwer. Wie wichtig ist der Boden für die Landwirtschaft?

Manche Böden eignen sich für den Pflanzenanbau, andere nicht. Selbst wenn man von „geeignet für den Pflanzenanbau“ spricht, müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften ist beispielsweise eine gute Drainage und ein ungehindertes Wurzelwachstum wichtig. Chemisch gesehen muss der Boden die benötigten Nährstoffe ausreichend liefern können. Darüber hinaus ist die Vielfalt der Mikroorganismen und anderer Bodenlebewesen entscheidend, um ein Ungleichgewicht der Bodeneigenschaften zu vermeiden und sicherzustellen, dass sich nur bestimmte Krankheitserreger vermehren.

Tatsächlich ist die Kategorisierung von Böden auf diese Weise nicht einfach. Die Eigenschaften von für die Landwirtschaft geeigneten Böden verändern sich je nach Verwendungszweck.

-- Erzählen Sie uns, welche Art von Forschung Sie konkret in Ihrem Spezialgebiet der Bodenkunde betreiben.

Die Bodenkunde ist eine Disziplin, die sich mit der Erforschung der Bodenbildung, seiner Zusammensetzung, seiner Eigenschaften und seiner Nutzung befasst. Mein Spezialgebiet ist die Bodendüngung. Meine Forschung konzentriert sich vor allem darauf, wie sich Pflanzenwachstum und Nährstoffaufnahme durch die Wechselwirkung zwischen Boden und Nutzpflanzen verändern.

Der Klimawandel breitet sich aufgrund der globalen Erwärmung weltweit aus. Welche Probleme stehen in diesem Zusammenhang für die Bodenkunde an?

In Japan werden Schäden durch Starkregen und andere Wetterereignisse häufig dem Klimawandel zugeschrieben. Weltweit gibt es jedoch auch Regionen, die sich aufgrund der Auswirkungen des Klimawandels Sorgen um abnehmende Niederschläge machen. Die Versalzung des Bodens und die daraus resultierenden Ernteschäden haben sich in diesen Gebieten zu erheblichen Problemen entwickelt.

Warum treten Salzschäden auch bei geringen Niederschlägen auf?

In feuchten Gebieten mit ganzjährigem Regen ist die Niederschlagsmenge größer als die Verdunstungsmenge. Dadurch verbleibt weniger Salz im Boden. In halbtrockenen Gebieten hingegen steigt die Menge an Grundwasser, die an die Oberfläche tritt und verdunstet, stärker als die Niederschlagsmenge. Infolgedessen verbleibt das im Grundwasser enthaltene Salz nahe der Bodenoberfläche (Salzanreicherung) und verursacht Salzschäden an Nutzpflanzen. Auch unsachgemäße Bewässerung kann zu Salzanreicherungen in landwirtschaftlichen Flächen führen.

Bei Salzschäden verändern sich die Eigenschaften des Bodens. Dies beeinträchtigt auch das Wachstum landwirtschaftlicher Produkte.

Die Hauptauswirkungen von Salzschäden auf landwirtschaftliche Produkte bestehen darin, dass sie die Feuchtigkeitsaufnahme hemmen und das Nährstoffgleichgewicht aufgrund der im Boden angereicherten Salzkonzentration erheblich stören. Folglich können die Pflanzen die notwendigen Nährstoffe nicht ausreichend aufnehmen.

Die physikalischen und biologischen Eigenschaften des Bodens können ebenfalls beeinträchtigt werden. Wenn sich beispielsweise Salz anreichert, wird der Boden für den Pflanzenanbau ungeeignet.

Einsatz von Bodensensoren zur Beurteilung von Salzschäden in den vom Tsunami nach dem Großen Ostjapanischen Erdbeben betroffenen Gebieten

Die landwirtschaftlichen Flächen, die sich hauptsächlich entlang der Pazifikküste in der Region Tohoku befinden, wurden durch den Tsunami infolge des Großen Ostjapanischen Erdbebens im Jahr 2011 schwer beschädigt. Neben den Schäden durch die Zerstörung von Bewässerungs- und Entwässerungsanlagen, dem Zustrom von Fremdmaterial wie Schutt und Bodenabfluss gab es große Bedenken, dass die Ernteerträge durch das Eindringen von Meerwasser (Salzschäden) beeinträchtigt würden (Foto 1).

Foto 1: Boden eines Reisfeldes, wo es aufgrund des Tsunamis infolge des Großen Ostjapanischen Erdbebens zu Erosion und Salzablagerungen gekommen ist.

Dies ist ein äußerst seltener Fall in Japan, in dem es zu großflächigen Schäden durch Meerwasserintrusion kam. Der Salzgehalt des Bodens stieg vorübergehend an, sodass der Anbau von Nutzpflanzen unmöglich wurde. Daher wurden im Rahmen eines Katastrophenhilfsprojekts umfangreiche Entsalzungsarbeiten durchgeführt, um Süßwasser in den Untergrund eindringen zu lassen und das Salz auszuwaschen.

Das Standardverfahren für Reisfelder bestand darin, nach dem Befüllen mit Frischwasser einige Tage lang abzuwarten, bis der Wasserstand sank, und dann den Salzgehalt des Bodens zu messen, bevor bei zu hohem Salzgehalt weiteres Frischwasser hinzugegeben wurde. Durch dieses Verfahren wurde der Salzgehalt des Bodens auf ein für den Pflanzenanbau unproblematisches Niveau (Standardwert) gesenkt.

Die Entsalzungsarbeiten wurden im Rahmen eines Katastrophenhilfeprojekts über drei Jahre hinweg ab 2011 durchgeführt. Im ersten Jahr lag der Fokus auf Binnenregionen, die von Meerwasserintrusion betroffen waren. Im zweiten und dritten Jahr verlagerte sich der Schwerpunkt auf die vom Tsunami schwer getroffenen Küstenregionen. Schließlich war die Entsalzung in fast 99 % der Katastrophenhilfegebiete abgeschlossen.

Man hat doch Bodensensoren eingesetzt, um den Salzgehalt in landwirtschaftlichen Flächen nach der Entsalzung im Laufe der Zeit zu messen, oder?

Die Universität Tohoku und Murata Manufacturing führten 2013, zwei Jahre nach dem Erdbeben, gemeinsam ein Demonstrationsprojekt zur multimodalen Sensorik in vom Tsunami betroffenen Ackerflächen durch. Landwirte in drei Katastrophengebieten der Präfektur Miyagi wurden gebeten, mithilfe von Bodensensoren, die in einigen ihrer entsalzten Reisfelder platziert wurden, Messungen durchzuführen. Die Sensoren wurden nach der Pflanzung an mehreren Stellen in den Reisfeldern in Tiefen von 10 cm, 20 cm und 30 cm versenkt. Das Demonstrationsprojekt wurde anschließend mit einem drahtlosen Umweltüberwachungssystem fortgesetzt, das während der gesamten Vegetationsperiode kontinuierlich Daten per Funk sammelte.

Die im Demonstrationsexperiment verwendeten Bodensensoren können gleichzeitig Bodentemperatur und elektrische Leitfähigkeit (EC) messen*1. Es handelt sich um einen multimodalen Bodensensor*2. Je höher der Salzgehalt im Boden ist, desto leichter fließt Strom. Dieses Wissen nutzten wir, um die gemessenen EC-Werte als Indikator für den Salzgehalt des Bodens zu verwenden und deren Veränderungen zu beobachten.

*1: Dies bezieht sich auf die elektrische Leitfähigkeit. Sie gibt an, wie leicht Strom fließen kann. Die Einheit ist S/m (Siemens pro Meter). Der Stromfluss ändert sich auch aufgrund von Schwankungen der Ionenkonzentration im Bodenwasser. Daher ist er ein Indikator für den Salzgehalt.

*2: Dieses System ermöglicht die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Datenpunkte. In diesem Demonstrationsexperiment wurden multimodale Sensoren mit Temperatur- und EC-Sensorfunktionen eingesetzt.

-- Bitte beschreiben Sie uns genau, wie Sie im Demonstrationsexperiment mithilfe von Bodensensoren die Veränderungen des Salzgehalts gemessen haben.

Anfangs wurden die Bodentemperatur und die elektrische Leitfähigkeit (EC) mithilfe von Bodensensoren alle 30 Minuten drahtlos an die Basisstation des drahtlosen Umweltüberwachungssystems übertragen, das wir neben den Reisfeldern installiert hatten, und anschließend auf einer Speicherkarte gespeichert. Die Speicherkarten wurden alle zwei Wochen von den Reisfeldern eingesammelt. Die Daten wurden in einen Computer importiert und die Veränderungen der numerischen Werte analysiert. Zusätzlich wurde bei der Einsammlung der Speicherkarten die elektrische Leitfähigkeit des Bodens mit einer herkömmlichen Methode anhand von Bodenproben aus jeder Tiefe gemessen. Diese Proben wurden durch Bohren um die Bereiche herum entnommen, in denen die Bodensensoren eingebettet waren. Die Messwerte wurden mit den EC-Werten der Bodensensoren verglichen (Foto 2).

Foto 2: Drahtloses Umweltüberwachungssystem, das drahtlos Daten von Bodensensoren erfasst [Oben links: multimodaler Bodensensor / Oben rechts: drahtloses Modul der Erweiterungseinheit, das im Testreisfeld installiert ist (drei dieser Sensoren sind im Boden eingebettet und dann per Kabel verbunden) / Unten rechts: im Boden eingebettete Sensoren / Unten links: Basiseinheit auf dem Damm des Reisfelds].

-- Welche Einsatzmöglichkeiten der Sensoren haben Sie mit diesem Demonstrationsexperiment entdeckt?

Mithilfe von Bodensensoren und dem drahtlosen Umweltüberwachungssystem können wir gleichzeitig und kontinuierlich vielfältige Daten von verschiedenen Punkten erfassen. Dies ermöglicht es uns, die Umweltfaktoren hinter den Schwankungen sowie die Veränderungen des Salzgehalts an jedem Standort und in jeder Tiefe zu analysieren. Ich bin beispielsweise überzeugt, dass es möglich sein wird, die Risiken von Salzschäden durch die Auswirkungen von Wetter- und landwirtschaftlichen Arbeitsvorgängen, etwa nach Regenfällen oder beim Entwässern von Reisfeldern zur Erntevorbereitung, genau zu beobachten. Glücklicherweise konnten wir in keinem der Reisfelder, die wir in diesem Demonstrationsversuch nutzten, während der Vegetationsperiode problematische Anstiege des Salzgehalts feststellen.

Die Herausforderung beim Einsatz von Sensoren in der intelligenten Landwirtschaft: Verknüpfung von Daten mit historischen Daten

-- Welche Bedeutung haben Detektionstechnologien Ihrer Meinung nach für die intelligente Landwirtschaft der Zukunft?

Die Möglichkeit, im Demonstrationsversuch 2013 alle 30 Minuten kontinuierlich Daten zu erfassen, war eine neue Erfahrung für mich. Die herkömmliche Methode zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit (EC) des Bodens bestand darin, die EC der Wassersuspension in der entnommenen Bodenprobe zu messen. Wir mussten jedes Mal zum Messort fahren, um die Probe zu entnehmen. Die Messungen erfolgten nur einmal wöchentlich oder monatlich. Ohne Sensoren war eine kontinuierliche Bodenmessung unmöglich. Anders ausgedrückt: Der Einsatz von Sensoren erleichtert die Erfassung großer Mengen landwirtschaftlicher Daten. Ich bin überzeugt, dass dies für die intelligente Landwirtschaft der Zukunft von enormer Bedeutung sein wird.

Die Methode zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit (EC) mithilfe von Bodensensoren unterscheidet sich jedoch geringfügig von der Methode, die zur Bestimmung des Salzgehalts im Boden in der Landwirtschaft verwendet wird. Üblicherweise wird der EC-Wert (Boden-EC-Wert) einer Wassersuspension, also eines Gemisches aus Wasser und Boden, gemessen und als Indikator für den Salzgehalt des Bodens herangezogen. Der EC-Wert von Bodensensoren hingegen ergibt sich aus einer komplexen Funktion des Salzgehalts des Porenwassers und verschiedener Bodeneigenschaften. Daher kann das Verhältnis zwischen dem Boden-EC-Wert und dem von einem Bodensensor ermittelten EC-Wert je nach Bodentyp und Wasserstatus variieren. Die Herausforderung besteht daher meines Erachtens darin, dieses Verhältnis detailliert zu verstehen.

Wie wird diese Lücke in der Datenbeziehung künftig geschlossen werden?

Zukünftige Forschungsarbeiten müssen die umfangreichen, in der Vergangenheit erhobenen Bodendaten mit den kürzlich von Sensoren erfassten Daten verknüpfen. Das Demonstrationsprojekt zur Analyse der Faktoren, die die Salztoleranz von flachwurzelndem Reis im Boden beeinflussen, wird von Juni 2022 bis März 2023 durchgeführt. Mir wurde mitgeteilt, dass mithilfe der neuen, fortschrittlichen Bodensensoren, die von der Universität Tohoku und Murata Manufacturing gemeinsam entwickelt wurden, neue Daten erhoben und mit früheren Daten verknüpft werden.

Die schrittweise Bewältigung der Herausforderungen wird auch zur Verwirklichung der digitalen Transformation (DX) und der intelligenten Landwirtschaft im Agrarsektor sowie zu weiteren Fortschritten führen.

Der Boden verändert sich nicht schnell. Daher ist für Bodenanalysen in der Regel keine Echtzeit-Datenerfassung in diesem Umfang erforderlich. Die Forschung an Pflanzenwachstumsmodellen benötigt jedoch diverse Daten (Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt, Sonneneinstrahlung, Windrichtung sowie Düngermenge und -zusammensetzung), um Ertragsunterschiede (die Menge der geernteten Pflanzen) zu ermitteln. Ertragsmodelle basieren seit Langem auf Durchschnittswerten von Lufttemperatur, Bodentemperatur und Feuchtigkeitsgehalt über einen bestimmten Zeitraum.

Die Nutzung von Daten aus dem Umweltüberwachungssystem, einschließlich Bodensensoren und anderer Technologien, wird wesentlich zu dieser Forschung beitragen. Wenn wir mithilfe mehrerer Sensoren große Mengen an Echtzeitdaten gewinnen können, werden wir noch genauere Ertragsprognosen erstellen können. Es wird auch möglich sein, Maßnahmen zur Korrektur bisheriger Wachstumsmodelle zu erwägen, und ich bin überzeugt, dass dies unsere Forschung voranbringen wird.

AUTOR: Hitoshi Kanno, MURATA