Intelligente, Sensorik-gesteuerte Bewässerung in der Land- und Forstwirtschaft Prof. Dr. Ulrich Zimmermann ZIM Plant Technology GmbH Hennigsdorf bei Berlin

Hintergrund ZIM Plant Technology adressiert eines der wichtigsten Probleme des 21. Jahrhunderts: die zunehmende Verknappung der Wasserreserven Über 50% der weltweiten Nahrungsmittelproduktion ist auf künstliche Bewässerung angewiesen. Dafür werden fast 71% des weltweit verbrauchten Süßwassers eingesetzt. Von den etwa 260 Mio. Hektar bewässerter Ackerfläche weltweit drohen rund 80 Mio. Hektar die Verödung durch Versalzung aufgrund künstlicher Bewässerung. Jährlich gehen dadurch mehrere hunderttausend Hektar Ackerland unwiederbringlich verloren. In Europa bedroht Überdüngung die vorhandenen Trinkwasserreserven; Erosion durch falsche Bewässerung verursacht Schäden in Milliardenhöhe. Nachwachsende Rohstoffe wie Agrarholz (als alternative und CO2-neutrale Energiequelle) können in vielen Regionen der Welt (z.B. auch im Land Brandenburg) nicht ohne zusätzliche Bewässerung angebaut werden.

Monitoring-Technologien: IST-Zustand Bodenfeuchte, Evapotranspiration und Blattdruckmessung nach Scholander Bodenfeuchte indirekt Ungenauigkeit durch Inhomogenität der Bodenbeschaffenheiten und Wurzel-verteilung sehr oft keine eindeutige Aussage über den Wasserhaushalt Wetter-basiert (Evapotranspiration) indirekt beruht auf Annahmen und Modellen Auswertung nur auf Wochenbasis möglich muss speziell auf jedes Gebiet und Anbauprodukt eingeeicht werden Druckbombe nach Scholander destruktiv nicht automatisierbar Hohe Streuung der Messergebnisse sehr arbeitsintensiv nicht bei allen Pflanzen anwendbar

Zukünftiges Marktvolumen Das Marktvolumen für sensorbasierte Bewässerungssysteme (smart irrigation) wird in Zukunft exponentiell steigen Wasserknappheit und zunehmende Klimaerwärmung erfordern ein Umdenken in der Landwirtschaft und Investitionen in Sensor-basierte Bewässerungstechnologien (smart irrigation) (Siehe jährliche Berichte der FAO) Smart irrigation ist Teil eines Gesamtmarktes (Wassereinsparung) für den jährliche Investitionen in Höhe von 50 – 60 Milliarden USD für die nächsten 20 Jahre vorausgesagt werden (Mckinsey: The business opportunity in water conservation, 2009 ) Öffentlich geförderte Investitionen im Sektor Bewässerungsoptimierung (Bsp. Programm der australischen Regierung zur Erhöhung der „On-Farm Irrigation Efficiency“ über 300 Mio. USD, 2008) zeigen das große öffentliche Interesse Für Unternehmen im Bewässerungsmanagement (v.a. US amerikanische Firmen) wird ein Umsatz von ca. 6 Mio. USD für 2011 prognostiziert (mit jährlichen Wachstumsraten von 100%). (Demand-based Water Use: Focus on Smart Irrigation, 2010) Die fortschreitende Entwicklung von Informations- und Kommunikationstechnik wird den Markt der Bewässerungssteuerung zusätzlich wachsen lassen (Demand-based Water Use: Focus on Smart Irrigation, 2010)

Unternehmensgegenstand Zimmermann Irrigation Monitoring

Der Blutdruck der Pflanzen : der sog Turgordruck Pflanzenzellen sind wie ein Fahrradreifen aufgebaut: Fahrradschlauch: Zelle umgeben von einer hauchdünnen Zellmembran, über die der Stoffaustausch mit der Umgebung erfolgt Fahrradmantel: Starre Zellwände aus Zellulose, die die Zelle mechanisch stabilisieren und den Aufbau eines hydrostatischen Überdruckes durch Stoffaustausch ermöglichen. Dieser Überdruck wird Turgor genannt. Er liegt in der Regel bei guter Wasserversorgung morgens bei 5 bis 7 bar (Überdruck bei einem Fahrradreifen: 2.2 bar) Bei hoher Transpiration (Wasserverlust durch Photosynthese; meistens mittags, wenn die Temperaturen maximale und die relative Luftfeuchtigkeit minimale Werte erreichen) kann der Turgor auf Werte unter 1 bar fallen Bei Turgordruck Null löst sich wie beim Fahrradreifen die Zellmembran von der Zellwand ab. Dieser Prozess ist irreversibel; die Zelle stirbt. Ein Turgordruck von > 3 bar ist für das Wachstum einer pflanzlichen Zelle, sowie für die Produktivität (und Qualität) notwendig. Zellsaft / Wasser Zellsaft Zellmembran Zellwand

Das innovative Messprinzip der ZIM-Sonde ZIM-Technologie Das innovative Messprinzip der ZIM-Sonde Der Überdruck in den Zellen, der sog. Turgordruck (0-7 bar), Pc, wirkt dem magnetischen Druck, Pclamp, entgegen. Die ZIM-probe misst die Differenz Pp (patch pressure) zwischen dem magnetischen Druck und dem Turgordruck.

ZIM-Technologie Pp = patch pressure Pc = turgor pressure Pclamp = clamp pressure Fa = attenuation factor (compression of cuticle, cell walls and air-filled interspaces a, b = elasticity constants

ZIM-Technologie Tages- und Nachtänderungen des ZIM-Sondensignals von Weinreben in Abhängigkeit vom Mikroklima A Turgordruck- bzw. Wasserverlust B C A: Sonnen exponiertes Blatt B: beschattetes Blatt C: Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit

Blattober- und Unterseiten nach 3-4 Monaten kontinuierlicher Messung ZIM-Technologie Die ZIM-Sonden erlauben eine nicht-invasive und nutzerfreundliche Echtzeit-Überwachung des Wassergehaltes von Pflanzen ohne Schädigung des Blattes Banane Orange Olive Blattober- und Unterseiten nach 3-4 Monaten kontinuierlicher Messung

Räumliche und zeitliche Dynamik der Wasserversorgung eines 4-m hohen ZIM-Technologie Räumliche und zeitliche Dynamik der Wasserversorgung eines 4-m hohen Avocado Baumes in Australien rot = Osten blau = Norden grau = Süden schwarz = Westen Pfeile markieren kurzzeitige Sonnen-exposition

Klimawandel und seine Folgen in Westaustralien. ZIM-Technologie Klimawandel und seine Folgen in Westaustralien. Die große Trockenheit hat zu großen Schäden an Eukalyptus- Bäumen im Kings Park, der grünen Lunge von Perth geführt.

ZIM Technologie Zeitliche und räumliche Dynamik der Wasserversorgung von Eukalyptusbäumen im Kings Park, Perth. 38 Sonden, verteilt über den gesamten 30 m hohen Eukalyptus-Baum, messen seit August 2011 den Wasserstress in Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen

Weizen Banane ZIM-Technologie Oszillationen in den Stomataöffnungen induzieren Turgordruck- Oszillationen und vermindern die Wasserverluste Turgordruck- bzw. Wasserverlust Weizen Banane Aber: Periodisches Schließen der Stomata führt zu einer geringeren Produktivität, da die CO2 Aufnahme stark reduziert ist

Part of a 2- to 3-month Pp-readings under field conditions ZIM-Technologie Part of a 2- to 3-month Pp-readings under field conditions grapevine grapefruit Arrows mark irrigation

ZIM-Technologie Part of 2- to 3-month Pp-readings on olive under laboratory (A) and field (B) conditions A B non-irrigation irrigation

ZIM-Technologie Inverted diurnal Pp-changes measured on olive under non-irrigation conditions A B A B Arrows mark inverted diurnal Pp-changes non-irrigation irrigation (A: laboratory and B: field )

ZIM-Technologie Durstige Pflanzen senden Notruf SOSS

ZIM-Technologie Das ZIM System für das Bewässerungsmanagement informiert den Nutzer weltweit über die Wasserversorgung seiner Pflanzen

Industrielle Landwirtschaft Geschäftsmodell Aufbau einer weltweiten Datenbank für die Anzucht von Kulturpflanzen und Kulturbäumen in Abhängigkeit vom Mikroklima und Bodenbeschaffenheit EFRE gefördert ZIM-database Industrielle Landwirtschaft ZIM-probe extremer Wasserstress milder Wasserstress kein Wasserstress Forstwirtschaft (Agrarholz)

Markteintritt Bereits fortgeschrittener Markteintritt: Zahlreiche Kunden und Kooperationspartner im In- und Ausland Australien: Department of Agriculture, Food & Wine, Adelaide (Wein) Department of Agriculture and Food Systems, Horsham (Weizen) The University of Western Australia, Perth (Weizen, Eukalyptus) Mining Industrie, Western Australia (Aufforstung) CSIRO Plant Industry, Canberra (Weizen) Brasilien: Agronomia Pricicaba, Sao Paolo (Soja) Deutschland: FH Freising, Gartenbau (Tomate, Paprika) HNE Eberswalde (Agrarholz) Bundesanstalt für Ernährung und Landwirtschaft (Wein) Winzergenossenschaft Sommerach (Wein) Pflanzenphysiologisches Institut Hannover (Bohne) Forschungsanstalt Geisenheim, Germany (Wein) Universtät Würzburg (HOBOS, Education portal using the example of the honey bee) Landschaftssystemanalyse des ZALF Müncheberg (Mais) TU München (Arabidopsis) BASF SE, Ludwigshafen (Soja, Mais) YARA GmbH & Co. KG, Hanninghof, Mucia (Zitrus, Raps) Israel: Hebrew University, Campus for Agriculture (Banane, Wein) Gilat Research Center (Olive, Orange) Golan Research Institute (Avokado) Niederlande: Inst. for Greenhouse Horticulture, Wageningen (Tomate) Österreich: Universität Salzburg (Tropenhaus) Portugal: Technologia e Inovacao da Rega (Pflaume) Schweiz: Eidgenössische Forschungsanstalt WSL (Eiche) Spanien: Institute for Natural Resources and Agrobiology, Sevilla (Olive, Pfirsich, Tabak) Campus Universitario Espinardo, Murcia (Pfirsich) Departament de Biologia, Palma de Mallorca (Wein)

Alleinstellungsmerkmale Die Vorteile der ZIM-Technologie Hochpräzise Messung der Wasserversorgung von Pflanzen Leichte Einstellung von Schwellwerten für die Bewässerung: Turgordruck ist ein wesentlicher Faktor für das Pflanzenwachstum Nicht-invasives Echtzeit-Messverfahren mit telemetrischer Datenübermittlung Zentrale Datenverarbeitung ermöglicht Langzeit-Monitoring und proaktive (Fern-)Steuerung von Bewässerungssystemen Einfache Handhabung, geringster Mess- und Betreuungsaufwand Vielseitige Einsatzmöglichkeiten bei allen Blattpflanzen Maximaler Nutzen bei geringsten Kosten 20-30% Einsparung bei der Bewässerung (>100 € p. ha) Stark reduzierte Kosten für Aufbereitung von Wasser (ca. 0,40 € pro m3) Deutlich reduzierte Erosionsschäden (Weinbau: Kosten von > 1.400 € pro ha p.a.) Stark reduzierte Bodenversalzung in ariden und semi-ariden Gebieten Optimierter Einsatz von Düngungs- und Pflanzenschutzmitteln Spürbare Ertrags- und Qualitätssteigerung

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Kurzprofil des Unternehmens ZIM Plant Technology GmbH ist ein junges KMU mit Sitz in Hennigsdorf. Die Firma, die am 15.12.2010 gegründet wurde, wird von der Investitionsbank und Zukunftsagentur des Landes Brandenburgs (ILB, ZAB) und dem HighTech Gründerfonds gefördert. Gesellschafter sind: Prof. Dr. Ulrich Zimmermann (51%) Dipl. Biol. Simon Rüger (17%) Dipl. Biol. Wilhelm Ehrenberger (17%) High-Tech-Gründerfonds (15%) Die Firma umfasst zurzeit 11 festangestellte Mitarbeiter und drei weitere Mitarbeiter im Außendienst, die auf Provisionsbasis arbeiten (Zug, Schweiz; Sevilla, Spanien und Perth, Australien). ZIM Plant Technology GmbH vertreibt ein in Brandenburg entwickeltes, Internet-basiertes Sondensystem, über das die Bewässerung von Kulturpflanzen und Bäumen optimal gesteuert werden kann. Das System geht auf 40-jährige Forschungsarbeiten von Prof. Zimmermann (bis 2010 Vorstand des Lehrstuhles für Biotechnologie der Universität Würzburg) zurück. Das ZIM-Sondensystem (ZIM= Zimmermann Irrigation Monitoring) wurde zum Patent von der Firma ZIM Plant Technology angemeldet.

ZIM-irrigation management / actor Industrielle Landwirtschaft ZIM-Technologie Nächste Entwicklungsstufe: Ein Aktuatorsystem, das ein voll automatisiertes, effizientes Bewässerungsmanagementsystem ermöglicht EFRE gefördert ZIM-database ZIM-irrigation management / actor Industrielle Landwirtschaft ZIM-repeater ZIM-probe ZIM-radio controller ZIM-transmitter ZIM-control center Kabel Funk Mobilfunk

Verbundforschung Forschungsverbund zwischen ZIM Plant Technology und der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (Projektleiter Prof.Dr. D. Murach) ist Grundlage für den Aufbau einer Datenbank ZIM AgroForst – Optimierung des Gehölzanbaus in der Land- und Forstwirtschaft im Hinblick auf den Klimawandel Analyse der Wechselbeziehungen zwischen Wasserversorgung und Biomasseproduktion mit der von ZIM Plant Technology GmbH entwickelten Sonden zur Messung des Blattturgors. Optimierung von Anlagen zur Tröpfchenbewässerung. Brandenburg ist ideal geeignet als Modellregion für Projekte mit Bezug zum Wasserhaushalt: -große Variabilität in der Wasserversorgung -sandige Böden mit einer geringen Wasserspeicherkapazität -sehr geringe Niederschläge

ZIM-Technologie Pp = patch pressure Pc = turgor pressure Pclamp = clamp pressure Fa = attenuation factor (compression of cuticle, cell walls and air-filled interspaces a, b = elasticity constants