Projekt 10470/01

Erarbeitung eines übertragbaren Modells zur Abbildung der Gestaltungsprinzipien von Untersaaten und Zwischenfrüchten in Getreideanbauverfahren als Komponente für Landschaftsmodelle

Projektdurchführung

Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. Institut für Landnutzungssysteme und Landschaftsökologie
Eberswalder Str. 84
15374 Müncheberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Erarbeitung eines computergestützten Entscheidungshilfesystems zur Gestaltung von Untersaat- und Zwischenfruchtanbauverfahren. Durch regelbasierte Wissensspeicherung wird ein Modell generiert, dass alle relevanten Anbauentscheidungen unter Zugrundelegung variierender Zielstellungen für die Belange von pflanzenbaulicher Produktion und Umwelt sowie verschiedene Rahmenbedingungen beratend unterstützt und so zu einem verbesserten Landnutzungsmanagement beiträgt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenArbeitsschritt 1:
Zusammenstellung des vorhandenen und bereits erarbeiteten Wissens zu den Gestaltungsprinzipien von Untersaat- und Zwischenfruchtsystemen unter Einbeziehung von Landwirtschaftsbetrieben und Beratungsorganisationen; Abbildung des Wissens in Form eines regelbasierten Modells mit abschließender Formulierung eines Modelprototyps
Arbeitsschritt 2:
Anlage von Validierungsversuchen zur Überprüfung und Anpassung des Modellprototyps; Faktorisierung der Versuche nach unterschiedlichen Zielkategorien für Untersaaten und Zwischenfrüchte; Durchführung der Versuche unter Zugrundlegung unterschiedlicher Standortbedingungen, Betriebssysteme (mit/ohne Viehhaltung) und Nutzungssysteme (ökologisch/integriert)


Ergebnisse und Diskussion

In der Arbeit wurde ein computergestütztes Entscheidungsunterstützungssystems (decision support system, DSS) für die landwirtschaftliche Praxis konzipiert, entwickelt und validiert. Es soll den Nutzern aus Praxis, Beratung und Planung ermöglichen, standort-, situations- und zielbezogene Entscheidungen zur Etablierung von Zwischenfruchtbeständen zu treffen. Das DSS wurde als ein wissensbasiertes System konzipiert, das Wissen und Erfahrungen von Experten verarbeitet. Das Expertenwissen ließ sich sowohl aus mehreren Befragungen von Experten aus Wissenschaft und landwirtschaftlicher Praxis, als auch aus der wissenschaftlichen und landwirtschaftlichen Fachliteratur akquirieren.
Es konnte gezeigt werden, dass sich die Entscheidungsproblematik im Zwischenfruchtanbau mithilfe der Theorie der rationalen Entscheidungsfindung systematisch darstellen lässt. Die Entscheidungsfindung betrifft die Auswahl geeigneter Anbauverfahren, die sowohl von vielfältigen Anbauzielen (z.B. Nährstoffkonservierung, Bodenschutz), als auch von nicht bzw. nicht direkt beeinflussbaren Zustandsgrößen im Entscheidungsfeld (z.B. Anbausituation, Standorteigenschaften) bestimmt wird. Die Entscheidungsvariablen der Zwischenfruchtanbauverfahren wirken sich auf Ziel- bzw. Ergebnisgrößen und Bewertungsgrößen aus.
Mit dem Softwarepaket Matlab 5.3 (Simulink 2.2, Fuzzy Toolbox 2.0) wurde ein UNIX-basierter DSS-Prototyp entwickelt. Aus den dort abgebildeten Feldern Entscheidungen und Zielsystem werden Potenziale bzw. Anforderungen an die Zielgrößen Biomasse, Deckungsgrad sowie aufgenommene Stickstoffmenge zu den charakteristischen Zeitpunkten Spätherbst und Frühjahr bestimmt. Angelehnt an die Entscheidungssituation eines Landwirtes erfolgt die Bewertung der Anbauverfahren durch Abgleich von Zielgrößenanforderungen und Zielgrößenpotenzialen. Über eine Fuzzy-Nutzenbewertung erhalten die Verfahren spezifische Zielerfüllungsgrade: diejenigen Anbauverfahren, deren Leistungspotenziale die Anforderungen zu einen bestimmten Grad erfüllen, werden in einer Matrix empfehlenswerter Verfahren zusammengefasst. Die Planung von Zwischenfruchtanbauverfahren erfolgt unter Unsicherheit (Anbauziele, standortspezifische Eigenschaften, Fruchtfolgesituationen). Auch das Expertenwissen ist mit Unsi-cherheiten verbunden (ungenaue Angaben, Verwendung unscharfer verbaler Bezeichnungen). Die Expertenangaben ließen sich mit unscharfen Mengen (Fuzzy-Sets) darstellen. Unscharfe Schlussfolgerungen werden durch Fuzzy-Inferenzsysteme formalisiert.
Die entwickelten Modellstrukturen in die objektorientierte Programmiersprache Python 2.0 für PC übersetzt und mit einer graphischen Benutzeroberfläche (GTK+ 1.3) gekoppelt. Über diese können die notwendigen Informationen eingegeben, Modellempfehlungen berechnet und die Ergebnisse abgefragt werden. Das DSS benötigt nur wenige Eingabegrößen, für die häufig Unsicherheiten und räumliche Schwankungsbreiten eingegeben und verrechnet werden können.
Die Ergebnisse des DSS wurden anhand weiterer Experteninterviews und Literaturdaten überprüft. In die Befragungen wurden sowohl Wissenschaftler, als auch Landwirte und Berater einbezogen. Durch diese Validierung konnte gezeigt werden, dass die einzelnen DSS-Komponenten stabile und plausible Ergebnisse liefern. Für unterschiedliche Fallbeispiele (Szenarien) kann das DSS situationsspezifische Informationen und Startbedingungen verarbeiten sowie entsprechende Experteneinschätzungen abbilden. Dabei werden Unsicherheiten der Expertenangaben gut durch die Bandbreite der vorgeschlagenen Zwischenkulturen bzw. Anbauverfahren und durch die Streubreite der Ausprägungen der Verfahrenselemente nachvollzogen. In der Aussagequalität kommt das DSS damit der von Experten sehr nahe.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Werner, A., Bachinger, J., Sodtke, R., Roth, R., Jarfe, A., Zander, P., Schuler, J. (2001): Decision support systems in crop production on the farm and field level. In: Kukula, S., M. Fotyma, T. Gor-ski, M. Jurzysta, J. Kus, S. Martyniuk, J. Mazurek, H. Terelak [eds.]: Development of sustainable ag-riculture on the verge of the 21th century: 511-535.
- Sodtke, R., Pauly, J., Werner, A. (1999): A Fuzzy-Based Decision-Support System for Cover Crop Management Strategies. In: Schiefer, H. [ed.]: Perspectives of Modern Information and Communica-tion Systems in Agriculture, Food Production and Environmental Control - EFITA 99. Proceedings of the Second European Conference of the European Federation of Information Technology in Agricul-ture, Food and Environment, Sept. 27-30, 1999, Univ. of Bonn: 275-287.


Fazit

Mit dem Entscheidungshilfesystem ist es nun möglich, Landwirten produktions- und umweltzielbezogene Empfehlungen zu Etablierung und Management von Zwischenfruchtbeständen zu geben. Unterschiedliche klimatische und bodenbezogene Standortbedingungen, wie sie innerhalb Deutschlands auftreten, als auch unterschiedliche Anbausituationen und Anbauziele des Zwischenfruchtanbaus finden Berücksichtigung.