Article in yearbook 2023

Seeding Technology Seeding Technology

Abstract:

Interesting new and further developments of seed drills and precision planters were presented at Agritechnica 2023, but did not receive an innovation award. The manufacturers presented new solutions for machines suitable for strip-till and direct seeding, for the simultaneous variable application of several seeds and/or fertilizers and/or crop protection products, as well as for further improving precision. The development teams are working on technically very demanding topics such as precision planting of grain or automatic depth control for grain seeding, as well as on detailed improvements in order to make the setting and operation of the machines simpler and more user-friendly. Research projects deal with a wide range of topics, ranging from the study of the energy requirement when seeding maize to smartphone applications for the configuration, remote control and monitoring of an automated seeding combination.

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Long version

Einleitung

Die veränderten Klimabedingungen und die zunehmende Achtsamkeit der Landwirte im Umgang mit den Ressourcen Wasser, Energie und chemische Pflanzenschutzmittel führen zu wachsenden Ansprüchen der Kunden an Sämaschinen und zu einem breiteren und stärker differenzierten Angebot an Sätechnik. Die Agritechnica 2023 spiegelte diesen Trend vor allem bei streifen- und direktsaattauglicher Technik deutlich wider.

Flexiblere und meist breitere Fruchtfolgen, Untersaaten und Mehrfruchtanbau als Antwort auf klimatische Veränderungen und politische Vorgaben kennzeichnen die künftigen Anbaustrategien der Landwirte [1]. Diese Situation beflügelt die Suche der Hersteller nach neuen Lösungen in Richtung universell einsetzbarer Sätechnik sowohl hinsichtlich der Fruchtarten als auch hinsichtlich der Intensität der vorhergehenden Saatbettbereitung.

Den hohen Stellenwert der Sätechnik für die Landwirte bei Investitionsentscheidungen in den kommenden beiden Jahren zeigen die Ergebnisse einer im August 2023 veröffentlichten DLG- Umfrage unter 2300 europäischen Landwirtinnen und Landwirten [2]. Investitionen in Bodenbearbeitung und Saat planen 36% der Umfrageteilnehmer. Dies ist der höchste Wert nach den Traktoren. Befragt nach den wichtigsten Techniktrends im Ackerbau sehen die Landwirtinnen und Landwirte energieeffiziente, bodenschonende Laufwerke und Reifen an erster Stelle, gefolgt von teilflächenspezifischer Aussaat, mechanischer Unkrautbekämpfung sowie dem störungsfreien Zusammenwirken von Landmaschinen, Sensoren und Datendiensten [3].

Drillsaat

Der seit Jahren zu beobachtende Entwicklungstrend hin zu Drillmaschinen, die variabel mehrere Saatgüter und/oder Dünger und/oder Pflanzenschutzmittel wie z. B. Schneckenkorn ausbringen können [4], hält weiterhin an. Amazone entwickelte für die Universaldrillmaschine Cirrus 9004 ein flexibles Dosier- und Verteilsystem für bis zu drei Produkte, das neben der wahlweisen Produktplatzierung im Single-, Double- oder Triple-Shoot-Verfahren die Ansteuerung jeder einzelnen Reihe für die Umsetzung von Applikationskarten und/oder Teilbreitenschaltungen ermöglicht. Ein neu entwickelter Verteilerkopf dient der Einzelreihenabschaltung bei Maschinen bis zu 9 m Arbeitsbreite bei 16,6 cm Reihenabstand (54 Reihen) [5]. Darüber hinaus reduziert die sensorüberwachte Förderzeitermittlung vom Dosierer bis zum Ablagepunkt die Überlappungszonen an Feldrändern und Vorgewenden nach Angaben des Herstellers auf 1% [6]. Lemken stellt für die Ausbringung von Zwischenfrüchten oder Granulaten ein Aufbaugerät mit Teilbreitenschaltung vor [7]. Das System enthält eine neuartige Kombination aus Dosiermotor und Stellweichen, die beim Einsatz mit einer Drillmaschine die gleiche Anzahl Teilbreiten wie die Drillmaschine ermöglicht. Der Zwischenfrucht-/Granulatstreuer ist als zusätzlicher Sästrang vollständig in die Bedienoberfläche des ISOBUS - Terminals integriert. Ein multifunktionales Anbaumodul für das Trägerfahrzeug NEXAT umfasst ein Tanksystem für bis zu drei verschiedene Produkte [8]. Über die universelle Schnittstelle des NEXAT - Systems lässt sich das Tanksystem mit Bodenbearbeitungs- und/oder Sätechnikmodulen kombinieren, um die Produkte im Single- oder Double-Shoot-Verfahren gleichzeitig auszubringen.

Die automatische Regelung der Ablagetiefe gehört bei Einzelkornsämaschinen seit etwa zehn Jahren zum Stand der Technik [9-12]. Sie basiert auf der sensorgestützten Messung der Restkraft zwischen Tiefenführungsrollen und Boden (Auflagedruck) und verbreitet sich zunehmend in der Praxis. Horsch stellt jetzt ein ähnliches System für Drillmaschinen vor [13]. Ein Drucksensor ermittelt den Auflagedruck an einer Tiefenführungsrolle je Teilbreite. Basierend auf diesem Eingangssignal passt die Regelung die Position des für die Tiefeneinstellung verantwortlichen Hydraulikzylinders des zugehörigen Teilbreitensegments an. Horsch bietet das System ab Herbst 2025 an [14] und zeigte einen Prototyp dieser Technik zur Agritechnica 2023 an einer Pronto 7DC.

John Deere präsentiert eine mobile tragbare Kalibriereinheit für die Kalibrierung von Sämaschinen mit Saatgut und Dünger für alle Vorratstanks der Maschine [15]. Das Gerät verfügt über einen auf Wiegezellen montierten 10 l – Vorratstank und das an der Sämaschine vorhandene Dosiergerät mit den zugehörigen Dosierwalzen, Bild 1. Es ermöglicht das Kalibrieren an der Sämaschine z. B. während des Befüllens der Vorratstanks oder außerhalb der Sämaschine an jedem beliebigen Ort. Die Ergebnisse können über das John Deere Operations Center an weitere Sämaschinen mit gleicher Dosiertechnik übertragen werden.

Bild 1: Kalibriergerät für Saatgut und Dünger, Deere & Company [15].

Figure 1: Remote Seed & Fertilizer Calibration, Deere & Company [15].

 

Für eine exakte und einfache Anpassung der Arbeitstiefe bei der teilflächenspezifischen Saatbettbereitung entwickelte Kverneland eine Kreiseleggengeneration mit einem neuartigen Kinematikkonzept. Zentrales Element ist die Packerwalze, alle Tiefeneinstellungen von Kreiselegge, Säschiene und Planierschiene können unabhängig voneinander erfolgen ohne die  Ausrichtung der Kombination zum Traktor zu verändern, Bild 2 [16]. Durch die geschobene Aufhängung der Kreiseleggenwanne ist ein Nachführen der Oberlenkereinstellung nicht notwendig. Alle Einstellungen sind aus der Kabine über den ISOBUS möglich und werden über Wegmesszylinder realisiert.

Bild 2: Kreiselegge mit neuem Kinematikkonzept von Kverneland [16].

Figure 2: Power harrow with new kinematics concept from Kverneland [16].

 

Streifen- und direktsaattaugliche Sämaschinen gewinnen auch in Deutschland zunehmendes Interesse. Zur Agritechnica zeigten viele international etablierte Hersteller Neu- und Weiterentwicklungen ihrer individuellen Konzepte. Die auf Scheiben und Zinken basierenden Scharsysteme haben sich z.T. seit Jahrzehnten bewährt und werden ständig weiter perfektioniert. Direktsämaschinen verfügen über sehr hohe Schardrücke und ein entsprechend hohes Eigengewicht. Beispielsweise ist das zur Agritechnica 2023 gezeigte 9 m - Modell des französischen Herstellers Novag mit Raupenfahrwerk ausgestattet und hat im aufballastierten Zustand ein Leergewicht von 26 t bei 48 Scharen [17]. Die erforderliche Zugleistung für ein T-Slot Schar mit vorlaufender Schneidscheibe beträgt je nach Bodenverhältnissen ca. 7,3 kW (10 PS). Scheibenschare benötigen deutlich geringere Zugleistungen, Prospektangaben liegen im Bereich von 2,8 kW (3,9 PS) - 3,7 kW (5 PS) pro Säschar [18]; [19].

Einzelkornsaat

Auch bei Einzelkornsämaschinen hält der Trend zur gleichzeitigen, flexiblen Präzisionsapplikation mehrerer Saatgüter, Dünger und/oder Granulate an. Monosem erweitert den Funktionsumfang der 2022 vorgestellten ValoTerra Ultimate [20] und ermöglicht die reihenweise variable gleichzeitige Ausbringung von Saatgut, Dünger und zwei Mikrogranulaten einschließlich der lückenlosen Dokumentation der ausgebrachten Mengen [21]. Dazu kommen bis zu vier 56 VDC Motoren je Säaggregat zum Einsatz.

Die Einzelkornsaat von Getreide ist ein technisch sehr anspruchsvolles Thema, an dem mehrere Hersteller seit mehr als zehn Jahren verstärkt arbeiten [22]. Vor allem mit Blick auf universell einsetzbare Sämaschinen und gleichmäßige Jugendentwicklung von Getreidebeständen bei reduzierter Wasserverfügbarkeit bleibt das Thema für viele landwirtschaftliche Betriebe interessant. Nachdem Väderstad im Jahre 2021 die Universaleinzelkornsämaschine Proceed vorstellte, zeigte Horsch zur Agritechnica 2023 einen Prototypen einer "Solus SX" genannten Maschine, die sowohl Getreide als auch "klassische" Einzelkorn - Fruchtarten wie Mais mit bis zu 15 km/h Arbeitsgeschwindigkeit säen kann und für Arbeitsbreiten von 10 bis 12 m konzipiert ist [23]. Zur Kornvereinzelung kommen die mit Überdruck arbeitenden Airspeed - Dosierer [24] mit speziell entwickelten Getreidesäscheiben zum Einsatz. Die Kornablage erfolgt durch eine Kombination aus Doppelscheibenschar mit seitlicher Tiefenführung und der parallelogrammgeführten Säeinheit mit exakter Schardruckeinstellung, Bild 3. Die minimalen Reihenweiten von 22,5 und 25 cm lassen sich einfach auf 45, 50 oder 75 cm erhöhen.  

 

Bild 3: Säeinheit Universaleinzelkornsämaschine von Horsch [Eigene Darstellung].

Figure 3: Seeding unit of the Horsch universal precision planter [own presentation].

 

Amazone bündelte mehrere, z. T. neu vorgestellte Einzelfunktionen zu einem Gesamtpaket der präzisen Düngerapplikation granulierter Dünger mit der pneumatischen Einzelkornsämaschine Precea [25]. Grundlage des Systems sind Düngerportionierer, deren elektrisch gesteuerte Rotoren Düngerportionen erzeugen, Bild 4. Die Synchronisierung mit der Saatkornablage erfolgt durch Kommunikation zwischen der ECU und dem optischen Sensor des Säaggregats. Die Platzierung der Düngerportionen genau unter den Saatkörnern oder für empfindliche Saaten wie Zuckerrüben zwischen zwei Saatkörnern ist über Software einstellbar. Auch in Kurven bleibt die Düngermenge je Saatkorn konstant. Die notwendigen Signale für die Regelung liefert ein Gyroskop.

 

Bild 4: Düngerportionierer (1) FertiSpot von Amazone [5]

Figure 4: FertiSpot fertilizer portioner (1) from Amazone [5]

Forschungsergebnisse

Ein Forscherteam der University of Nebraska ermittelte den Energiebedarf bei der Maisausssaat [26]. Zum Einsatz kamen eine 16reihige John Deere 1775NT mit Traktor John Deere 7250R sowie eine 48reihige John Deere DB120 mit Traktor Claas Xerion 5000. Ziel der Studie war die Abschätzung der notwendigen Größe elektrischer Batterien, um die Maisaussaat mit elektrischer Antriebsenergie durchzuführen. CAN-Bus-Daten der Traktoren bei der Direktsaat von Mais dienten als Grundlage für die Ermittlung des Energiebedarfs. Die geschätzten Batteriekapazitäten unter Verwendung des Worst-Case-Feldeinsatzszenarios in dieser Studie betrugen 1117 kWh für den Betrieb der 16reihigen Sämaschine zur Aussaat von 68 ha mit einer durchschnittlichen Arbeitsgeschwindigkeit von 8,6 km/h in 14 Stunden und 2658 kWh für den Betrieb der 48reihigen Sämaschine zur Aussaat von 158 ha bei einer durchschnittlichen Arbeitsgeschwindigkeit von 8,9 km/h in 15 Stunden. Dies erfordert nach aktuellem Entwicklungsstand Batterien von 5.319 kg (3,33 m³) / 12.657 kg (7,93 m³) für den Betrieb der Sämaschinen mit 16 / 48 Reihen.

Über Untersuchungen zum Einfluss des Ablagewinkels von Maissaatgut in Bezug zur Richtung der Maisreihe auf die Ausrichtung der Blätter und den Ertrag wurde an dieser Stelle bereits 2015 berichtet [27]. Eine neue Studie der North Carolina State University präsentiert Messergebnisse für Blattrichtungswinkel bei Mais unter Feldbedingungen [28].  Drohnen erzeugten die Bildaufnahmen, die Auswertung erfolgt mittels angepassten YOLOv5 Deep-Learning-Algorithmen zur Erkennung der Blattrichtungswinkel. Das System beschleunigt derartige Messungen erheblich bei sehr guter Genauigkeit.

Mehrere chinesische Teams veröffentlichten Entwicklungs- und Testergebnisse zu pneumatischen Vereinzelungsgeräten von Maissaatgut [29; 30]. Die maximalen Geschwindigkeiten betrugen 16,2 und 18 km/h. Du und Kiu beschreiben und untersuchen ein Vereinzelungsgerät, dessen Aufbau dem des ExactEmerge-Systems von Deere & Co. [31] entspricht [32]. Die Autoren untersuchten den Geschwindigkeitsbereich von 8 - 16 km/h. Die Optimierung des Vereinzelungsverhaltens eines Vereinzelungsgerätes für Feinsaaten mittels DEM/CFD-Simulation und Prüfstandtests beschreiben Xu et al [33]. Mechanische Vereinzelungsgeräte für Reis und Mais untersuchten Li et al [34] und Baghooee et al [35].

Ein Vorhersagemodell zur Ermittlung der optimalen Ablagetiefe von Mais stellen Sun et al. vor [36]. Die Parameter Schüttdichte, Ablagetiefe und Bodenfeuchtigkeit wurden in den Laborexperimenten zur Bestimmung der Trainingsdaten variiert. Die Modellgüte ermittelten die Autoren in Feldexperimenten mit Ablagetiefen zwischen 25 und 85 mm.

Die Saugkraft ellipsenförmiger Saatgüter zur pneumatischen Unterdruckvereinzelung untersuchten Wang et al. mittels CFD - Simulation [37]. Die Autoren stellen Ergebnisse der Simulationen und vergleichenden Prüfstandmessungen für verschiedene Saatgutformen und drei unterschiedliche Bohrungsgeometrien an der Lochscheibe vor.

Die DEM - Modellierung von Weizenkörnern und der Samen des Feigenblatt-Kürbis (Cucurbita ficifolia) werden in [38] und [39] beschrieben.

Die Verzögerung des Keimens durch Pillierung von Zwischenfruchtsamen untersuchte ein Team in South Dakota [40]. Das Aufbringen einer hydrophoben Polymerschicht verzögert den Keimbeginn um 70 - 90 Tage. Dies ist eine Möglichkeit, Zwischenfrüchte auch in Gebieten mit kurzen Vegetationsperioden und Soja- und Maisanbau zu etablieren.

Die Entwickler der Firma Lemken optimieren den Gutfluss in pneumatischen Drillmaschinen durch gekoppelte CFD/DEM - Untersuchungen in Verbindung mit Labortests in einem neu gebauten Prüfstand [41]. Die gekoppelten CFD/DEM - Simulationen erfordern aufwändige Kalibrierungen und Validierungsmessungen während der Modellerstellung. Im weiteren Verlauf erzielte man sehr gute übereinstimmende Ergebnisse von Simulation und Labortests, die Anwendung finden bei der Optimierung von Verteilerköpfen.

Das Zukunftslabor Agrar ist ein durch die Universität Osnabrück koordiniertes Forschungskonsortium, das Forschungsthemen zu Datenhoheit, Nachhaltigkeit und Autonomisierung im Pflanzenbau sowie in der Tierhaltung bearbeitet. Zur Agritechnica 2023 präsentierte man im Rahmen des Spot Farming- Konzeptes den Prototyp einer variablen Einzelkornsämaschine, die die individuelle Verstellung sowohl der Reihenabstände als auch der Kornabstände ermöglicht [42]; [43].

Surmann und Hecheltjen präsentieren eine Smartphone- Anwendung zur Konfiguration, Fernsteuerung bestimmter Funktionen und Überwachung landwirtschaftlicher Maschinen am Beispiel einer hoch automatisierten Säkombination [44]. Die App nutzt die Mobilfunkanbindung der Maschine, um eine komfortable Bedienung von Teilfunktionen der Maschine zu ermöglichen und den Benutzer während der Feldarbeit mit wichtigen Informationen zu versorgen. Weitere Funktionen umfassen die Einsatzplanung der Maschine sowie den Abruf aktueller Maschinendaten wie Position, Prozessdaten und Statistiken. Die einfache Einrichtung und Bedienung der Smartphone-Anwendung wird durch direkte Verbindung über WLAN und über ein Mobilfunknetz möglich und bestimmt wesentlich die Akzeptanz bei den Landwirten.

Zusammenfassung

Aktuelle Weiterentwicklungen bei Drillmaschinen betreffen wie in den vergangenen Jahren auch die Möglichkeit, variabel mehrere Saatgüter und/oder Dünger und/oder Pflanzenschutzmittel ausbringen zu können. Der Beitrag stellt entsprechende Lösungen von Amazone, Lemken und Nexat vor. Eine Möglichkeit der automatischen Regelung der Ablagetiefe bei Drillmaschinen wird beschrieben. Weitere Themen sind eine Remote - Kalibriereinheit für Drillmaschinen, ein neues Kreiseleggenkonzept zur verbesserten teilflächenspezifischen Saatbettbereitung und Saat sowie streifen- und direktsaattaugliche Drillmaschinen.

Themen im Bereich der Einzelkornsaat sind die gleichzeitige, flexible Präzisionsapplikation mehrerer Saatgüter, Dünger und/oder Granulate (ähnlich wie bei Drillmaschinen), die Einzelkornsaat von Getreide sowie die weitere Verbesserung der Präzision bei der Saatgut- und Düngerablage durch die intelligente Verknüpfung mechanischer, pneumatischer, hydraulischer und elektronischer Komponenten.

Der Beitrag stellt Forschungsergebnisse zu folgenden Themen vor: Energiebedarf bei der Maisausssaat; Messung des Blattrichtungswinkels bei Mais unter Feldbedingungen; Vereinzelungsgeräte für Mais, Feinsaaten und Reis; Vorhersage zur Ermittlung der optimalen Ablagetiefe von Mais; pneumatische Unterdruckvereinzelung ellipsenförmiger Saatgüter; DEM - Modellierung von Weizen- und Kürbissaatgut; Keimverzögerung von Zwischenfruchtsamen durch Pillierung; Gutflussoptimierung in pneumatischen Drillmaschinen durch gekoppelte CFD/DEM - Simulationen; variable Einzelkornsämaschine; Fernsteuerung und Überwachung landwirtschaftlicher Maschinen mittels Smartphone - App.

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Autorendaten

Prof. Dr.-Ing. Till Meinel ist stellvertretender Institutsdirektor am Institut für Bau- und Landmaschinentechnik Köln der Technischen Hochschule Köln.

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Seed drills, precision planters
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Meinel, Till: Seeding Technology. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2023. Braunschweig: TU Braunschweig / Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2024. – pp. 1-11
Review date 06.02.2024

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