Bodensensoren helfen Landwirten, Wachstumsbedingungen wie Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, pH-Wert des Bodens, Temperatur und Topographie zu beurteilen

Tomaten (Solanum lycopersicum L.) zählen zu den wertvollsten Nutzpflanzen auf dem Weltmarkt und werden überwiegend unter Bewässerung angebaut. Der Tomatenanbau wird jedoch häufig durch ungünstige Bedingungen wie Klima, Boden und Wasserressourcen beeinträchtigt. Weltweit wurden Sensortechnologien entwickelt und installiert, um Landwirte bei der Beurteilung der Wachstumsbedingungen wie Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, pH-Wert des Bodens, Temperatur und Topologie zu unterstützen.
Faktoren, die mit der geringen Produktivität von Tomaten in Zusammenhang stehen. Die Nachfrage nach Tomaten ist sowohl auf dem Markt für Frischwaren als auch in der industriellen (Verarbeitungs-)Produktion hoch. In vielen landwirtschaftlichen Sektoren, beispielsweise in Indonesien, wo weitgehend traditionelle Anbausysteme verwendet werden, sind niedrige Tomatenerträge zu beobachten. Die Einführung von Technologien wie IoT-basierten Anwendungen und Sensoren hat den Ertrag verschiedener Nutzpflanzen, darunter auch Tomaten, deutlich gesteigert.
Auch der mangelnde Einsatz heterogener und moderner Sensoren aufgrund unzureichender Informationen führt zu geringen Erträgen in der Landwirtschaft. Ein kluges Wassermanagement spielt eine wichtige Rolle bei der Vermeidung von Ernteausfällen, insbesondere in Tomatenplantagen.
Die Bodenfeuchtigkeit ist ein weiterer Faktor, der den Tomatenertrag bestimmt, da sie für die Übertragung von Nährstoffen und anderen Verbindungen vom Boden auf die Pflanze entscheidend ist. Die Aufrechterhaltung der Pflanzentemperatur ist wichtig, da sie die Reife von Blättern und Früchten beeinflusst.
Die optimale Bodenfeuchtigkeit für Tomatenpflanzen liegt zwischen 60 und 80 Prozent. Die ideale Temperatur für maximale Tomatenproduktion liegt zwischen 24 und 28 Grad Celsius. Oberhalb dieses Temperaturbereichs sind Pflanzenwachstum sowie Blüten- und Fruchtentwicklung suboptimal. Schwanken Bodenbedingungen und Temperaturen stark, ist das Pflanzenwachstum langsam und verkümmert, und die Tomaten reifen ungleichmäßig.
Sensoren im Tomatenanbau. Für ein präzises Management der Wasserressourcen wurden verschiedene Technologien entwickelt, die hauptsächlich auf Nah- und Fernerkundung basieren. Zur Bestimmung des Wassergehalts von Pflanzen werden Sensoren eingesetzt, die den physiologischen Zustand der Pflanzen und ihrer Umgebung erfassen. Beispielsweise können Sensoren, die auf Terahertz-Strahlung in Kombination mit Feuchtigkeitsmessungen basieren, den Druck auf die Blätter bestimmen.
Sensoren zur Bestimmung des Wassergehalts von Pflanzen basieren auf verschiedenen Instrumenten und Technologien, darunter elektrische Impedanzspektroskopie, Nahinfrarotspektroskopie (NIR), Ultraschalltechnologie und Blattklammertechnologie. Bodenfeuchtesensoren und Leitfähigkeitssensoren werden zur Bestimmung der Bodenstruktur, des Salzgehalts und der Leitfähigkeit eingesetzt.
Bodenfeuchtigkeits- und Temperatursensoren sowie ein automatisches Bewässerungssystem. Für optimale Erträge benötigen Tomaten ein geeignetes Bewässerungssystem. Wachsende Wasserknappheit bedroht die landwirtschaftliche Produktion und die Ernährungssicherheit. Der Einsatz effizienter Sensoren kann eine optimale Nutzung der Wasserressourcen gewährleisten und die Ernteerträge maximieren.
Bodenfeuchtesensoren messen die Bodenfeuchte. Neu entwickelte Bodenfeuchtesensoren bestehen aus zwei leitfähigen Platten. Werden diese Platten einem leitfähigen Medium (z. B. Wasser) ausgesetzt, wandern Elektronen von der Anode zur Kathode. Diese Elektronenbewegung erzeugt einen elektrischen Strom, der mit einem Voltmeter gemessen werden kann. Dieser Sensor erkennt das Vorhandensein von Wasser im Boden.
In einigen Fällen werden Bodensensoren mit Thermistoren kombiniert, die sowohl Temperatur als auch Luftfeuchtigkeit messen können. Die Daten dieser Sensoren werden verarbeitet und erzeugen einen einzeiligen, bidirektionalen Ausgang, der an das automatische Spülsystem gesendet wird. Wenn die Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten bestimmte Schwellenwerte erreichen, wird der Wasserpumpenschalter automatisch ein- oder ausgeschaltet.
Bioristor ist ein bioelektronischer Sensor. Bioelektronik wird zur Steuerung der physiologischen Prozesse von Pflanzen und ihrer morphologischen Eigenschaften eingesetzt. Kürzlich wurde ein In-vivo-Sensor auf Basis organischer elektrochemischer Transistoren (OECTs), allgemein als Bioresistoren bezeichnet, entwickelt. Der Sensor wurde im Tomatenanbau eingesetzt, um Veränderungen in der Zusammensetzung des Pflanzensaftes im Xylem und Phloem wachsender Tomatenpflanzen zu erfassen. Der Sensor arbeitet in Echtzeit im Körper, ohne die Funktion der Pflanze zu beeinträchtigen.
Da der Biowiderstand direkt in Pflanzenstängel implantiert werden kann, ermöglicht er die In-vivo-Beobachtung physiologischer Mechanismen der Ionenbewegung in Pflanzen unter Stressbedingungen wie Trockenheit, Salzgehalt, unzureichendem Dampfdruck und hoher relativer Luftfeuchtigkeit. Biostor wird auch zur Erkennung von Krankheitserregern und zur Schädlingsbekämpfung eingesetzt. Der Sensor dient außerdem zur Überwachung des Wasserzustands von Pflanzen.