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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 11 / Ökologische Agrarwissenschaften  → Boden- und Pflanzenbauwissenschaften  → Fachgebiet Grünlandwissenschaft und Nachwachsende Rohstoffe  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2010060433103

Titel: Determination of yield and quality parameters of energy crops applying laboratory and field spectroscopy
Autor(en): Perbandt, Daniela
Schlagworte (SWD): MaisKleegrasBioenergieQualitätNIR-Spektroskopie
Klassifikation (DDC): 630 - Landwirtschaft, Veterinärmedizin (Agriculture)
Issue Date: 4-Jun-2010
Zusammenfassung: A real-time analysis of renewable energy sources, such as arable crops, is of great importance with regard to an optimised process management, since aspects of ecology and biodiversity are considered in crop production in order to provide a sustainable energy supply by biomass. This study was undertaken to explore the potential of spectroscopic measurement procedures for the prediction of potassium (K), chloride (Cl), and phosphate (P), of dry matter (DM) yield, metabolisable energy (ME), ash and crude fibre contents (ash, CF), crude lipid (EE), nitrate free extracts (NfE) as well as of crude protein (CP) and nitrogen (N), respectively in pretreated samples and undisturbed crops. Three experiments were conducted, one in a laboratory using near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) and two field spectroscopic experiments. Laboratory NIRS measurements were conducted to evaluate to what extent a prediction of quality parameters is possible examining press cakes characterised by a wide heterogeneity of their parent material. 210 samples were analysed subsequent to a mechanical dehydration using a screw press. Press cakes serve as solid fuel for thermal conversion. Field spectroscopic measurements were carried out with regard to further technical development using different field grown crops. A one year lasting experiment over a binary mixture of grass and red clover examined the impact of different degrees of sky cover on prediction accuracies of distinct plant parameters. Furthermore, an artificial light source was used in order to evaluate to what extent such a light source is able to minimise cloud effects on prediction accuracies. A three years lasting experiment with maize was conducted in order to evaluate the potential of off-nadir measurements inside a canopy to predict different quality parameters in total biomass and DM yield using one sensor for a potential on-the-go application. This approach implements a measurement of the plants in 50 cm segments, since a sensor adjusted sideways is not able to record the entire plant height. Calibration results obtained by nadir top-of-canopy reflectance measurements were compared to calibration results obtained by off-nadir measurements. Results of all experiments approve the applicability of spectroscopic measurements for the prediction of distinct biophysical and biochemical parameters in the laboratory and under field conditions, respectively. The estimation of parameters could be conducted to a great extent with high accuracy. An enhanced basis of calibration for the laboratory study and the first field experiment (grass/clover-mixture) yields in improved robustness of calibration models and allows for an extended application of spectroscopic measurement techniques, even under varying conditions. Furthermore, off-nadir measurements inside a canopy yield in higher prediction accuracies, particularly for crops characterised by distinct height increment as observed for maize.Für die Bereitstellung biogener Energieträger ist eine möglichst zeitnahe Erfassung ausgewählter Qualitätsparameter von entscheidender Bedeutung. Diese rückt umso stärker in den Fokus als auch ökologische und biodiversitäre Aspekte bei der Pflanzenproduktion Berücksichtigung finden, um eine möglichst nachhaltige Energieversorgung durch Biomasse zu gewährleisten. Die vorliegende Untersuchung evaluiert das Potenzial spektroskopischer Messverfahren zur Erfassung von Kalium (K), Chlorid (Cl) und Phosphat (P), des Trockenmasseertrags (TM-Ertrag), der metabolisierbaren Energie (ME), des Aschegehaltes (Asche), des Rohfasergehaltes (RF), des Rohfetts (RL), nitratfreier Extraktstoffe (NfE) und des Rohproteins (RP) bzw. Stickstoffs (N) in aufbereiteten Proben und am ungestörten Pflanzenbestand. Dazu wurden eine laborspektroskopische und zwei feldspektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Die laborspektroskopischen Messungen (NIRS) dienten zur Klärung inwieweit eine Qualitätsbestimmung an Presskuchen aus dem Zweikulturen-Nutzungssystem und extensiv genutzter Grünlandbestände möglich ist. Die insgesamt 210 Proben sind durch sehr heterogenes Ausgangsmaterial gekennzeichnet, die im Rahmen des IFBB-Verfahrens mechanisch entwässert und anschließend getrocknet wurden. Die Presskuchen dienen in pelletierter Form als thermischer Festbrennstoff. Die feldspektroskopischen Messungen wurden unter dem Aspekt der Verfahrensweiterentwicklung an unterschiedlichen Freilandbeständen durchgeführt. Ein einjähriger Versuch im Kleegras diente der Prüfung des Einflusses unterschiedlicher Bewölkungsgrade auf die Vorhersagegenauigkeit bestimmter Pflanzenparameter. Zudem wurde untersucht, inwieweit der Einsatz einer künstlichen Lichtquelle dem Einfluss von Wolken auf die Vorhersagegenauigkeit entgegen wirken kann. Ein dreijähriger Versuch im Mais sollte den Einsatz seitlicher, innerhalb des Bestandes durchgeführter spektroskopischer Messungen evaluieren, um eine möglichst hohe Vorhersagegenauigkeit ausgewählter Pflanzenparameter mittels eines Sensors zu erzielen. Kalibrationsergebnisse senkrechter Messungen wurden diesem Ansatz gegenübergestellt. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen bestätigen die Eignung spektroskopischer Messungen für die Bestimmung ausgewählter Pflanzenparameter, sowohl im Labor als auch unter Feldbedingungen. Die Vorhersage der Parameter erfolgte in allen Untersuchungen weitestgehend mit sehr hoher Güte. Die erweiterte Kalibrationsgrundlage im Labor- und ersten Feldversuch (Kleegras) zeigt eine Verbesserung der Robustheit von Kalibrationsmodellen und ermöglicht somit erweiterte Einsatzmöglichkeiten des jeweiligen Verfahrens, auch unter sich ändernden Umweltbedingungen. Zudem wird deutlich, dass mithilfe seitlicher Messungen innerhalb eines Pflanzenbestandes höhere Schätzgenauigkeiten erreicht werden können, insbesondere dann, wenn die Bestände durch ausgeprägtes Höhenwachstum gekennzeichnet sind wie dies beim Mais der Fall ist.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2010060433103
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