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Anzeige der Artikel nach Schlagwörtern: LAI - IFZ

  • Hoffmann, C.
  • 2014
  • Zuckerrübe Nr. 5
  • 28-31
  • Sorte, Aussaat, Ernte, Blattflächenindex, Ertrag, Zuckergehalt,

Die Fernerkundung landwirtschaftlicher Flächen mit Flugzeugen oder Satelliten wird zunehmend genutzt, um flächendeckende Informationen über die Art der landwirtschaftlichen Nutzung oder über spezielle Eigenschaften eines Pflanzenbestandes zu gewinnen.

Ein großer Vorteil dieser Methode liegt darin, dass ein Pflanzenbestand ohne eigentliche Probenahme auf dem Feld, also nicht-destruktiv, charakterisiert werden kann.

 



Vegetationsindex NDVI eines Zuckerrübenbestandes aus Fernerkundungsaufnahme, 18. Juni 2002, ParensenIn der Fernerkundung werden die reflektierten Anteile des Sonnenlichts oder die thermische Eigenstrahlung von Pflanzenbeständen bei verschiedenen Wellenlängen gemessen. Die Ergebnisse werden zumeist bildhaft dargestellt.

Die wichtigsten Bereiche der Nutzung der Fernerkundung in der Landwirtschaft sind:

  • Nutzungskartierung (Überprüfung von Flächenprämien-ansprüchen, Erfassung des Anbauumfangs einzelner Feldfrüchte),
  • Zustandserhebung (Erfassen von großflächig auftretenden Pflanzenkrankheiten, tierischem Schädlingsbefall, Witterungsschäden, z.B. Hagelschlag, Erfassung des Zustandes von Boden und Vegetation)
  • Ertragsabschätzung.

VegetationindicesIn der Fernerkundung können mit Hilfe multispektraler Aufnahmen Vegetationsindices ermittelt werden. Diese geben durch Farbe und Helligkeit in einer Überfliegungsaufnahme Auskunft über Zustand und Dichte des Pflanzenbewuchses auf der Erdoberfläche. Sie machen sich die Tatsache zunutze, dass Blattpigmente von gesunder Vegetation die einfallende Sonnenstrahlung in ganz besonderer Weise reflektieren. Vom sichtbaren Licht reflektiert grüne Vegetation nur verhältnismäßig wenig. Im nahen Infrarot (NIR) dagegen ist die Reflexion von Pflanzenbeständen deutlich höher als die von trockenem Boden oder Wasserflächen.

Der am häufigsten genutzte Vegetationsindex ist der NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Er nutzt den starken Kontrast der Reflexion photosynthetisch aktiver Vegetation im sichtbaren Rot (ROT) und nahen Infrarot (NIR). Im sichtbaren Rot wird bei einer Wellenlänge von 650 nm gemessen, im nahen Infrarot bei einer Wellenlänge von 850 nm.

NDVI = (NIR – ROT) / (NIR + ROT)

Der NDVI schwankt zwischen –1 und +1. Werte kleiner 0 kommen nur für Gewässer und asphaltierte Flächen vor. Je höher die Bodenbedeckung und der Chlorophyllgehalt des Bestandes sind, desto höher ist der NDVI.

Vegetationsindices sind somit ein Maß für die pflanzlichen Biomasse und deren Vitalität. Mit ihrer Hilfe kann der Entwicklungsstand eines Pflanzenbestandes ermittelt werden.

NDVI von Zuckerrüben aus Fernerkundungs-aufnahme, 30. Juni 2001, Versuchsfeld „Ortfeld“ in HarsteAuf den Fernerkundungsaufnahmen ist die unterschiedliche Entwicklung der Zuckerrüben anhand der Farbgebung sehr gut zu erkennen. Dunkelrote Flächen kennzeichnen einen hohen NDVI, während hellrote, orange bis hin zu grünen Flächen einen niedrigen NDVI anzeigen.

Allerdings ist auf den Aufnahmen nicht zu erkennen, aus welchem Grund der NDVI hoch oder niedrig ist. Das muss vor Ort oder aus Erfahrungswerten geklärt werden.

Da der NDVI nur auf Grund von Blattmasse und Chlorophyllgehalt der Pflanzen differenziert, nicht aber zwischen verschiedenen Pflanzenarten, führt eine starke Verunkrautung auch zu einem hohen NDVI. Dies ist auf den Aufnahmen allerdings nicht von einem hohem NDVI in Folge guter Blattentwicklung der Zuckerrüben zu unterscheiden. Gut zu erkennen ist jedoch eine verzögerte Pflanzenentwicklung auf Grund von Bodenverdichtungen, hoher bzw. niedriger N-Versorgung der Zuckerrüben oder auch von unterschiedlichen Bestandesdichten. Auch Bereiche im Feld, in denen Krankheiten nesterweise auftreten (Nematoden, Rhizoctonia, Blattkrankheiten) können auf Fernerkundungsaufnahmen ausgemacht werden.

Mit Hilfe der Fernerkundung können Zuckerrübenflächen in hoher zeitlicher Auflösung großflächig erfasst werden. Im frühen Sommer kann die Entwicklung eines Bestandes sehr gut beschrieben werden, da die Beziehung zwischen Blatt- und Rübenertrag noch sehr eng ist und sich die meisten Einflussfaktoren auf den Blattapparat auswirken. Allerdings ist es nur möglich, einen Unterschied zwischen einzelnen Beständen auszumachen, die Ursache für eine verzögerte Blattentwicklung kann nicht mit Fernerkundung erfasst werden und muss vor Ort geprüft werden.

Eine Abschätzung des Ertrags im Herbst alleine über die Erfassung des Bestandes mit Fernerkundung während der Vegetationsperiode war nicht möglich. Dies kann ausschließlich mit Ertragsmodellen erfolgen, die die Prozesse der Ertrags- und evtl. Qualitätentwicklung von Zuckerrüben auf Grundlage der Witterung und physiologischer Prozesse in der Pflanze simulieren. Die Bestandeserfassung über Fernerkundung bietet jedoch die Möglichkeit, Daten zur Bestandesentwicklung großflächig für eine Simulation zu erheben.

Hier erhalten Sie Informationen zu Grundlagen und Methoden, die nicht einzelnen Projekten zugeordnet sind.


Für die Qualitätsanalyse wird der homogene Rübenbrei mit Aluminiumsulfatlösung geklärt, d.h. es werden insbesondere Proteine und Schwebstoffe ausgefällt. Aus den Filtraten werden folgende Inhaltsstoffe in der Routine bestimmt:

Standardanalyse:

  • Zuckergehalt: polarimetrisch
  • Kalium- und Natriumgehalt: flammenphotometrisch
  • Amino-N-Gehalt: Blauzahl-Methode (photometrisch, Stanek & Pavlas 1934, Kubadinow & Wieninger 1972)

Erweiterte Analyse:

  • Invertzucker: Nachweis reduzierender Zucker (Glucose + Fructose) (Nelson 1944, Somogyi 1945) bzw. mit HPLC (ICUMSA)
  • Betain: colorimetrisch (Storey & Wyn Jones 1977) bzw. mit HPLC (ICUMSA)
  • Raffinose: mit HPLC (ICUMSA)
  • Löslicher Gesamt-N/Schädlicher Stickstoff: Trockene Dumas-Veraschung mit Hilfe eines C/N- Analysers
  • Nitrat: ionenselektive Elektrode (Milham et al. 1970)

Weiterführende Literatur

  • Burba, M., Georgi, B., 1975. Die fluorometrische Bestimmung der Aminosäuren in Zuckerrüben und Zuckerfabriksprodukten mit Fluoreszamin und o-Phtalaldehyd. Zuckerindustrie 25,667-672.
  • Burba, M., Georgi, B., 1976. Die fluorometrische Bestimmung der Aminosäuren in Zuckerrüben und Zuckerfabriksprodukten mit Fluoreszamin und o-Phtalaldehyd. Zuckerindustrie 26, 322-328.
  • Stanek, V., Pavlas, P., 1934. Über eine schnelle, informative Methode zur Bestimmung des schädlichen Stickstoffes, der Amide und der Aminosäuren in der Rübe. Zuckerind. Cech-slov. Rep. 59, 129-142.
  • Milham, P j., Awad, A. S., Paull, R. E., Bull, J. H., 1970. Analysis of plants, soils and waters for nitrate by using an ion-selective electrode. Analyst 95, 751-757.
  • Kubadinow, N., Wieninger, L., 1972. Bestimmung des a-Aminostickstoffs in Zuckerrüben und Betriebssäften der Zuckerproduktion. Zucker 25, 43-47.
  • Nelson, N., 1944. A photometric adaptation of Somogyi method for the determination of glucose. J. boil. Chem. 153, 375-380.
  • Somogyi, M., 1945. A new reagent for the determination of sugars. J. biol. Chem. 160, 61-68.
  • Storey, R. & Wyn Jones, R.G. 1977: Quaternary ammonium compounds in plants in relation to salt resistance. Phytochemistry 16, 447-453.

 

Die Bewertung der Qualität von Zuckerrüben für die Verarbeitung dient der Abschätzung des aus Rüben gewinnbaren Zuckers. Ziel ist dabei nicht, die tatsächliche Ausbeute einer Zuckerfabrik abzuschätzen, sondern Rüben unterschiedlicher Qualitäten vergleichen zu können. Ein wichtiges Kriterium ist dabei der als kristalliner Weißzucker gewinnbarer Anteil des Zuckergehaltes bzw. Melassezuckeranfall.

Voraussetzung für eine Qualitätsbewertung ist eine standardmäßige Qualitätsanalyse mit vertretbarem Aufwand. Das bedeutet auch, dass Inhaltsstoffe, die nicht in der Routine analysiert werden können, auch nicht in die Qualitätsanalyse einbezogen werden können.  

Die Bewertung der Qualität von Zuckerrüben für die Verarbeitung erfolgt in Deutschland einheitlich mit der Braunschweiger Formel (Buchholz et al. 1995).

Braunschweiger Formel

SMV % a. Rb. = 0,12 w'K,Na + 0,24 w'α-N + 0,48

SMV % a. Rb. = Standardmelasseverlust (% auf Rübe-FM)
w'K,Na = Kalium- und Natrium-Gehalt der Rüben (mmol 100 g-1 Rübe)
w'α-N = α-Amino-N-Gehalt der Rüben (mmol 100 g-1 Rübe)

Bereinigter Zuckerertrag

BZE = RE x (ZG - SMV - 0,6)

RE = Rübenertrag (t FM ha-1)
BZE = Bereinigter Zuckerertrag (t ha-1)
ZG = Zuckergehalt (%)
0,6 = Standard-Fabrik-Verlust (%)

 
Schema der Zuckergewinnung


 

 

 

 

 

 

Ziel: Extraktion des zuckerhaltigen Zellsaftes aus den Rüben

Mechanische Öffnung der Zellwände:

  • Rüben werden zu Schnitzeln zerkleinert, dadurch entsteht ein günstiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, jedoch werden nur 5-15 % der Rübenzellen mechanisch beschädigt
    = Austreten des Zellsaftes aus den beschädigten Zellen durch Konvektion/Massenfluss.

Denaturierung der semipermeablen Zellmembran:

  • Durch Einfluss hoher Temperaturen (~ 65-70 °C) bei einer Extraktionszeit von ca. 75-85 min werden die Zellwände beschädigt
    = Austreten der Saccharose durch Diffusion auf Grund eines Konzentrationsgradienten.

Verfahren: Extraktion mit heißem Wasser im Gegenstromprinzip in einem Extraktionsturm.

Der gewonnene Rohsaft enthält neben Saccharose auch Nichtzuckerstoffe, die ebenfalls aus den Zellen extrahiert werden und die durch die Saftreinigung zum Teil wieder entfernt werden können.

Ziele:

  • Entfernen von Nichtzuckerstoffen aus dem Rohsaft mit ökonomisch vertretbarem Aufwand
  • Erhöhung des Verhältnisses von Saccharose zu Trockensubstanz = Reinheit des Saftes
  • Verhindern jeder chemischen oder mikrobiellen Saccharosezerstörung
  • Vermeiden der Bildung von Nichtzuckerstoffen, die die weitere Verarbeitung der Säfte stören

Kalkmilch/Kohlendioxid-Verfahren:

  • Zugabe von Kalkmilch Ca(OH)2 zur Ausfällung von Nichtzuckerstoffen
  • Ausfällen der Carbonate durch Zugabe von CO2, dabei Bildung von Carbonatationsschlamm (= Carbokalk)

Reihenfolge der ablaufenden Reaktionen:

  • Neutralisation der Säuren
  • Ausfällung der Ca2+ unlösliche Salze bildenden Säuren (Phosphor-, Oxal-, Citronen-, Schwefelsäure)
  • Koagulation von Kolloiden durch Einwirkung von Ca2+ und OH-, Ausfällung von Proteinen, Pektinen
  • Zerstörung des Invertzuckers (Gemisch von Glucose und Fructose, entstanden aus der Zersetzung von Saccharose)
  • Bei hohen Temperaturen Zersetzung des Invertzuckers zu einem Gemisch verschiedener Stoffe (Farbstoffe, Säuren mit hohem Anteil Milchsäure)
  • Verseifung der Amide: Umsetzung von Glutamin zu Pyrrolidoncarbonsäure unter Freisetzung von NH4+
  • Intermediär gebildetes Ammoniumsalz wird durch Ca(OH)2 in das Calciumsalz der Aminosäure unter Freisetzung von NH3 überführt

Zuckerrübenschnitzel
Zuckerrübenschnitzel fallen als Nebenprodukt der Zuckergewinnung an. In der Zuckerfabrik werden die Rüben gewaschen und anschließend zu Schnitzeln zerkleinert in den kontinuierlich arbeitenden Extraktionsturm transportiert. Dort findet die Extraktion des zuckerhaltigen Zellsaftes der Rüben mit Hilfe von etwa 70 °C heißem Wasser im Gegenstromverfahren statt. Die Schnitzel werden dabei zu etwa 99 % ausgelaugt. Die extrahierten Schnitzel werden als Viehfutter verwendet, wobei verschiedene Arten von Schnitzeln hergestellt werden können.

Nassschnitzel
Die direkt nach der Extraktion anfallenden Schnitzel mit ca. 8-10 % Trockensubstanz oder leicht abgepresste Schnitzel mit 10-16 % Trockensubstanz. Sie können frisch an Wiederkäuer und Schweine verfüttert werden.
Nassschnitzel wurden früher vielfach direkt an die Rübenanbauer abgegeben, haben aber heute aufgrund der hohen Transportkosten und ihrer leichten Verderblichkeit nur noch untergeordnete Bedeutung. Eine Möglichkeit der Konservierung ist das Einsilieren der Nassschnitzel.

Pressschnitzel
Pressschnitzel sind auf einen Trockensubstanzgehalt von ca. 23-25 % abgepresste Nassschnitzel. Sie können ebenfalls frisch verfüttert oder siliert werden. Durch den höheren Trockensubstanzgehalt fällt weder beim Transport noch beim Silieren Sickerwasser an.
Pressschnitzel sind energiereich und sehr gut verdaulich, sie werden insbesondere in der Milchviehfütterung eingesetzt.

Trockenschnitzel
Als Trockenschnitzel bezeichnet man getrocknete Pressschnitzel mit einem Trockensubstanzgehalt von 90 % und einem Zuckergehalt von 3-7 %.
Aufgrund des hohen Trockensubstanzgehaltes sind sie sehr energiereich und gut lagerfähig. Sie werden pelletiert und nicht pelletiert angeboten und überwiegend an Wiederkäuer, aber auch an Schweine und Pferde verfüttert.

Melasseschnitzel
Unter Beifügung von Melasse hergestellte pelletierte Trockenschnitzel mit einem Zuckergehalt von 13-28 %, je nach Melasseanteil.

In Deutschland werden etwa 80 % der anfallenden Schnitzel zu Melasseschnitzeln verarbeitet. Sie werden hauptsächlich in der Rindviehfütterung eingesetzt.

Die Photosynthese und CO2-Assimilation einer Pflanze erfolgt über das Blatt. Daher ist die Blattfläche eines Bestandes eine wichtige Kenngröße für die Wachstumsanalyse. Der Blattflächenindex gibt die einseitige Blattoberfläche eines Pflanzenbestandes je Einheit Bodenoberfläche (m2 m-2) an.

Der Blattflächenindex kann sowohl direkt, d.h. destruktiv durch Blattprobenahme, als auch indirekt ermittelt werden. Im Folgenden soll auf eine wesentlich einfachere und zeitsparende indirekte Messmethode (LAI-2000, LI-COR, Nebraska, USA) eingegangen werden. Das Messgerät erfasst mit einer optischen Einheit die Intensität der Lichtstrahlung im Bereich von 320 bis 490 nm.

Das Prinzip der Blattflächenbestimmung besteht darin, dass die Strahlung oberhalb (Referenzwert) und unterhalb des Bestandes verglichen wird. Aus der Differenz, die sich durch die Reflexion und Absorption des Lichtes durch den Bestand ergibt, wird die Blattfläche errechent.

 

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