Schnellbestimmung des Futterwertes von Silagen im Betrieb
Einleitung
Für die Gesunderhaltung und eine leistungsgerechte Versorgung der Tiere ist die Kenntnis der wertbestimmenden Inhaltsstoffe der eingesetzten Futtermittel unerlässlich. Die Rationsplanung basiert auf zuvor analysierten Proben. Vor allem Gras- und Maissilagen können jedoch innerhalb jedes einzelnen Silos in ihren TM- und Nährstoffgehalten z.T. stark schwanken, so dass es hierdurch bedingt zu mitunter erheblichen Abweichungen in den täglich vorgelegten Rationen kommen kann.
Für das Fütterungsmanagement ist es daher nötig, diese Schwankungen der Trockenmasse- und Nährstoffgehalte in einem Silostock zu kennen und zu berücksichtigen. Hierfür würden sich z.B. mobile Futterscanner eignen, die direkt am Silo in wenigen Minuten die wichtigsten Qualitätsparameter bestimmen. Dadurch können im betrieblichen Fütterungsmanagement Entwicklungen oder Veränderungen am Silostock entdeckt und bei der täglichen Rationsgestaltung berücksichtigt werden, um möglichst gleichbleibende Rationen zu füttern.
Die NIRS-Technologie
Die Abkürzung NIRS steht für Nahinfrarot-Spektroskopie. Dieses Messverfahren zur Bestimmung von Molekülverbindungen gibt es bereits seit mehr als 100 Jahren. Es arbeitet mit Lichtstrahlen zwischen 780 und 2.500 nm (Nanometer) Wellenlänge (WATSON 1977, TILLMANN 1996). Die NIRS-Technologie folgt dem Lambert-Beer'sche Gesetz, welches über die Schwächung der Strahlungsintensität durch eine absorbierende Substanz deren Konzentration bestimmt (LICHTI et al. 2018). Hierfür wird die zu untersuchende Substanz mit Nahinfrarotlicht bestrahlt. Ein Teil des Lichtes wird absorbiert, ein anderer Teil wird reflektiert und mithilfe mathematischer Verfahren in ein Spektrum umgewandelt, mit Referenzdaten verglichen und ausgewertet. Die verschiedenen Inhaltsstoffe reflektieren und adsorbieren unterschiedliche Wellenlängen, womit über die Messung der Reflektion die Inhaltsstoffmengenkonzentration ermittelt werden kann (LICHTI et al. 2018).
Die NIR-Strahlung dringt nur ein bis zwei Millimeter in das Probenmaterial ein, weshalb die Homogenität einer Probe entscheidend für die Gültigkeit des Ergebnisses ist. Die adsorbierte NIR-Strahlung versetzt die Moleküle in Schwingung, die daraus resultierenden Spektren sind für jede Probe spezifisch (WATSON 1977, TILLMANN 1996). Aus der gemessenen Reflektion wird dann ein Reflektionsspektrum erstellt. Dieses Muster wird entsprechend mit einer Datenbank aus nasschemischen Ergebnissen verglichen. Für die sichere Schätzung eines Inhaltsstoffes müssen zuvor Datensätze mit bekannten Konzentrationen der Inhaltsstoffe (z.B. anhand nasschemischer Analysen) erstellt werden, die sogenannte Kalibrierung (RICHARDT und BELLOF 202).
34 Mais- und 52 Grassilagen aus verschiedenen Praxisbetrieben Schleswig-Holsteins wurden vergleichend nasschemisch und mittels eines Hand-NIRS-Gerätes auf bedeutsame futterwertbestimmende Merkmale untersucht
Kalibration
Für die Kalibrierung werden die mit der NIRS-Technologie gemessenen Daten mit den in einer Datenbank hinterlegten abgeglichen. Insofern ist jede NIRS-Analyse nur so gut, wie die Datenbank mit der dazugehörigen Referenzmethode. Deshalb sollte diese ständig verbessert und erweitert werden.
Der Vorgang einer Kalibrationsentwicklung beruht im Wesentlichen auf statistischen Verfahren, da die Kalibrierung von NIRS-Geräten aufgrund der Komplexität der Spektren erschwert wird (TILLMANN 1996). Grundsätzlich beruht jede Kalibrierung auf einer Labormethode und ist nur so gut wie die jeweiligen Laborwerte. Die Güte einer Kalibration kann nach MALLEY et al. (2005) mit einem Bestimmtheitsmaß R2 größer als 0,80 als mäßig erfolgreich, größer als 0,90 als erfolgreich und größer 0,95 als exzellent beurteilt werden.
Anwendung von NIRS in der landwirtschaftlichen Praxis
Einer der wesentlichsten Vorteile der NIRS-Technologie besteht darin, dass die Nährstoffmessungen kontinuierlich und in Echtzeit erfolgen. Aufgrund eines hohen Probendurchsatzes ist die Analysemethode mit einem geringen Arbeitsaufwand verbunden. Außerdem kann eine Vielzahl von Inhaltsstoffen für das interne Betriebsmanagement ermittelt und dokumentiert werden (AGROCARES 2022).
Deshalb werden NIRS-Geräte schon seit Jahren für die Trockenmasse- und Nährstoffbestimmung flüssiger Wirtschaftsdünger wie Gülle und Gärreste verwendet (DÜNGEBEHÖRDE NIEDERSACHSEN 2022, LWK NIEDERSACHSEN 2022), um sie gezielter und entsprechend des tatsächlichen Bedarfes der Pflanzen auszubringen.
Mittlerweile haben sich ebenfalls NIRS-Sensoren in Feldhäckslern etabliert, sodass diese während der Ernte die Trockenmasse, aber auch z.B. Rohprotein, Rohfaser und Stärke des Erntegutes bestimmen können. Ebenso können NIRS-Geräte zur Überwachung des Fermentationsprozesses in Biogasanlagen eingesetzt werden und so die Anlagenstabilität sichern (LFL 2017, STOCKL und LICHTI 2017).
Auch die Möglichkeit der ständigen Überwachung der Trockenmassegehalte in verschiedenen Silagen und gemischten Rationen sowie die Inhaltsstoffkontrolle bestimmter Kraftfuttermittel bringen Vorteile im Fütterungscontrolling.
Grundsätzlich wird bei NIRS-Untersuchungen in Laboren futtermittelspezifisch für jeden Parameter eine gewisse Messunsicherheit ausgegeben, wie z.B. hier vom LKS Lichtenwalde für Maissilagen.
Untersuchungen der Fachhochschule Kiel
Von Anfang April bis Ende Juli 2022 wurden im Rahmen einer Studie 34 Maissilagen aus den Erntejahren 2020 und 2021 sowie 52 Grassilagen aus den Erntejahren 2021 und 2022 in verschiedenen Praxisbetrieben Schleswig-Holsteins (v.a. Milchkuhbetriebe, ferner Betriebe mit Biogasanlagen) vergleichend nasschemisch und mittels eines Hand-NIRS-Gerätes auf bedeutsame futterwertbestimmende Merkmale untersucht.
Die Probennahme und -aufbereitung erfolgten stets nach dem gleichen Schema:
- Entnahme von circa 600 g Probenmaterial aus einem geschlossenen Silo oder von der Anschnittfläche
- luftdichter Verschluss dieser Probe
- Untersuchung mit dem mobilen NIRS-Gerät im Labor innerhalb weniger Stunden nach Probennahme
- unmittelbar danach Vorbereitung desselben Probenmaterials für die nasschemische Analyse
Das eingesetzte mobile NIRS-Gerät (circa 25 cm hoch, 1,5 kg schwer) wird über das Smartphone via Bluetooth bedient. Das Spektrum der gemessenen Wellenlängen der Lichtstrahlen liegt zwischen 1300 bis 2550 nm. Die Lichtquelle besteht aus acht Halogenlampen.
Von jeder Probe erfolgen grundsätzlich fünf Einzelscans, deren Ergebnisse anschließend als Mittelwerte in dem Nährstoffbericht erscheinen. Dieser Vorgang wurde in der vorliegenden Untersuchung noch zwei Mal wiederholt, um das gesamte Probenmaterial zu scannen. Aus den drei Mittelwerten wurde ein erneuter Mittelwert gebildet, um ein möglichst repräsentatives Ergebnis für das gesamte Probenmaterial zu generieren. Dieser Mittelwert diente dem Vergleich mit den Ergebnissen der nasschemischen Untersuchungen im Labor.
Die nasschemisch analysierten Nährstoffgehalte wichen bei den Gras- bzw. Maissilagen im Mittel um 9 bis 18 % bzw. 1 bis 14 % (relativ) von denen mittels NIRS-Scanner ausgewiesenen Gehalten ab. Der TM-Gehalt hingegen wurde von dem eingesetzten mobilen Futterscanner fast immer akkurat bestimmt.
Ergebnisse
Die Gras- und Maissilagen wiesen im Durchschnitt erwartungsgemäße Trockenmasse- und Nährstoffgehalte auf. Auch die Spannweiten waren praxisüblich (Übersicht 1).
Im Durchschnitt, aber auch bei allen einzelnen Proben der Grassilage zeigte das Hand-NIRS-Gerät einen nahezu identischen TM-Gehalt im Vergleich zur Bestimmung im Umlufttrockenschrank im Labor. Bei den Maissilagen war zwar eine im Vergleich dazu etwas geringere, aber ebenfalls eine große Übereinstimmung festzustellen (Übersicht 2).
Übersicht 2: TM-Gehalte der Gras- und Maissilagen mittels der Bestimmung im Labor (nasschemische Analyse) und der NIRS-Untersuchung mit dem Handgerät
Daher war das Bestimmtheitsmaß R2, welches letztlich Auskunft darüber gibt, wie gut sich eine abhängige Variable mit der betrachteten unabhängigen Variablen vorhersagen lässt, mit 0,87 bei den Maissilagen gut und mit 0,98 bei den Grassilagen exzellent. Ein Wert von 1 zeugt von einer 100 %ig genauen Vorhersage der abhängigen Variable. In der Übersicht 2 wird deutlich, dass fast alle Punkte auf oder sehr dicht neben der Diagonalen liegen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass der Trockenmassegehalt der Silagen mit sehr großer Sicherheit mittels des eingesetzten NIRS-Handgerätes treffend eingeschätzt wurde.
Die Korrelationsanalyse wies stets einen signifikanten Zusammenhang der beiden Analyseverfahren auf.
So enge Beziehungen wurde bei den Nährstoffgehalten und vor allem beim Rohaschegehalt (Übersicht 3) nicht mehr gefunden.
Übersicht 3: Rohaschegehalte (XA) der Gras- und Maissilagen mittels der Bestimmung im Labor (nasschemische Analyse) und der NIRS-Untersuchung mit dem Handgerät
Bei sämtlichen Merkmalen der Grassilagen war jedoch der Zusammenhang enger als bei den Maissilagen (Übersicht 4).
Übersicht 4: Zusammenhang (dargestellt anhand des Bestimmtheitsmaßes R2) zwischen den nasschemisch analysierten und mittels Hand-NIRS-Gerät ermittelten Trockenmasse- und Nährstoffgehalten bei den Gras- und Maissilagen
Abweichungen
In der Übersicht 5 sind die relativen Abweichungen der mittels mobilem NIRS-Gerät bestimmten im Vergleich zu den nasschemisch analysierten Gehalten bei den Grassilagen dargestellt. Bei der Trockenmasse ergab sich eine sehr geringe, bei der Rohasche hingegen eine große Streuung. Mit dem mobilen NIRS-Gerät erfolgte tendenziell eine Unterschätzung des Rohaschegehaltes.
Übersicht 5: Relative Abweichung (%) der mittels mobilem NIRS-Gerät bestimmten TM- und Nährstoffgehalte zu den nasschemisch analysierten Gehalten bei den Grassilagen
Die relativen Abweichungen der NIRS-ermittelten Rohprotein-, Rohfaser-, ADF- und NDF-Gehalte von den im Labor analysierten waren ähnlich groß, allerdings lag der Median beim Rohprotein circa 10 % (relativ) oberhalb des nasschemisch analysierten Wertes, hingegen beim Rohfasergehalt um 4 %, beim NDF-Gehalt um 15 % und beim ADF-Gehalt um 18 % unterhalb der im Labor analysierten Gehalte. Die Hälfte der mit dem NIRS-Gerät ermittelten Rohproteingehalte befand sich 5 bis 15 % (relativ) oberhalb der nasschemisch analysierten Gehalte. Bei den Merkmalen NDF bzw. ADF lagen 50 % der mittels NIRS gemessenen Werte zwischen 12 und 18 % bzw. zwischen 15 und 23 % (relativ) unterhalb der nasschemisch untersuchten Gehalte.
Für den Nährstoff Zucker zeigten sich im Vergleich zu allen anderen Nährstoffen die größten Differenzen. Der Median aller Werte lag zwar nahe Null, dennoch zeigten 50 % der mittels NIRS gemessenen Werte eine um bis zu +35 %ige bzw. -23 %ige Abweichung vom im Labor nasschemisch analysierten Zuckergehalt.
Übersicht 6 zeigt einen ähnlichen Sachverhalt auf wie Übersicht 5, allerdings bezogen auf die Maissilagen. Dargestellt werden die relativen Abweichungen der mittels mobilem NIRS-Gerät bestimmten Gehalte zu den nasschemisch analysierten Gehalten. Auch hier zeigte sich die sehr geringe Streuung beim TM-Gehalt. 50 % der Beobachtungen lagen im Bereich zwischen +1 % bis -4 % (relativ). Bei der Rohasche hingegen wurde wieder, wie bereits bei der Grassilage, ein großer Streubereich ermittelt, nur diesmal in Richtung einer Überschätzung.
Übersicht 6: Relative Abweichung (%) der mittels mobilem NIRS-Gerät bestimmten TM- und Nährstoffgehalte zu den nasschemisch analysierten Gehalten bei den Maissilagen
Auch beim Rohproteingehalt wurde fast immer eine Überschätzung festgestellt und wesentlich stärker als bei den Grassilagen. So lagen 50 % der NIRS-ermittelten Rohproteingehalte zwischen 8 und 17 % (relativ) oberhalb der nasschemisch analysierten Werte.
Die Abweichungen der NIRS-ermittelten Rohfasergehalte von den im Labor chemisch analysierten waren größer als bei den Grassilagen und zeugten mehrheitlich, anders als bei den Grassilagen, nun von einer Überschätzung. 50 % der relativen Abweichungen lagen zwischen +16 % und -1 %. Hingegen waren die Abweichungen bei dem ADF- und NDF-Gehalt geringer als bei der Rohfaser. Beim NDF-Gehalt lag die Hälfte der Daten zwischen +2 und -9 % (relative Abweichung) und beim ADF-Gehalt lagen 50 % der relativen Abweichungen im Bereich zwischen +5 % und -7 %.
Der Stärkegehalt wurde im Mittel durch die NIRS-Messung leicht unterschätzt. Hier lag die Hälfte der Werte in dem Bereich zwischen +7 % und -8 % (relative Abweichung).
Zwar wurde das identische Probenmaterial (600 g) zuerst mit dem mobilen NIRS-Gerät in 3 Wiederholungen á 5 Einzelmessungen und sofort danach im Labor untersucht, aber aufgrund der verschiedenen Partikelgrößen ist es dennoch nicht auszuschließen, dass eine solche Probe nicht zu 100 % homogenisiert werden konnte. Dieses führt während der Messung mit dem mobilen NIRS-Gerät zu Ungenauigkeiten, da an den fünf Messpunkten nicht komplett identisches Material vorlag. Besonders die geringe Eindringtiefe der NIR-Strahlung in das Material macht aber eine ausgezeichnete Homogenität der Probe unverzichtbar. Aufgrund dessen wurde jede Gras- und Maissilageprobe (je 600 g) in 3 Teilproben von jeweils 200 g unterteilt und diese einzeln gemessen. Somit liegen für diesen Vergleich insgesamt 15 Einzelmessungen je Probe vor, die zu einem Mittelwert zusammengefasst wurden und so die tatsächliche Zusammensetzung der Probe bestmöglich widerspiegeln sollten.
Anschließend wurde das Probenmaterial aufgeteilt. Etwa die Hälfte der Probe diente der TM-Bestimmung, die andere den nasschemischen Analysen der Nährstoffe. Da grundsätzlich beim TM-Gehalt ein sehr großer Zusammenhang zwischen beiden Bestimmungsmethoden vorlag (Bestimmtheitsmaß R2 bei Grassilagen 0,98 und bei Maissilagen 0,87), kann davon ausgegangen werden, dass die Proben gut homogenisiert wurden.
Die allgemein nicht sehr hohen Bestimmtheitsmaße für eine Übereinstimmung der gemessenen und analysierten Nährstoffgehalte dürften zum einen der relativ geringen Probenanzahl geschuldet sein. Die Abweichungen waren bei den Maissilagen (n=34) z.T. wesentlich größer als bei den Grassilagen (n=52).
Zum anderen liegen bei der Grassilageanalyse mit dem mobilen NIRS-Gerät immer mehrere unterschiedliche Teile eines Grashalmes vor der Linse des NIRS-Gerätes. Somit wird eher eine repräsentative Probe gemessen. Hingegen kann es bei der Analyse von Maissilage vorkommen, dass beispielsweise ein größeres Lieschblatt einerseits oder aber mehrere Maiskörneranteile vor der Linse liegen und so das Ergebnis der Messung verfälschen. Aufgrund der harten Stängel und Spindel-Anteile können sich Hohlräume bilden. In diese dringt die Strahlung tief in die Probe, verändert die Reflektion und begründet so die große Streuung der NIRS-Werte zur chemischen Analyse.
Die Genauigkeit von NIRS-Untersuchungen hängt immer von den hinterlegten Kalibrationsgleichungen ab. Daher ist für eine exakte Schätzung der Trockenmasse- und Nährstoffgehalte von Futtermitteln über ein NIRS-Modell grundsätzlich ein sehr großes Probenkollektiv mit repräsentativen Gehalten aller Nährstoffe notwendig.
FAZIT
Die NIRS-Technologie stellt ein zusätzliches Controlling-Tool im betrieblichen Fütterungsmanagement dar, welches die tägliche Rationsgestaltung überwachen und ggf. verbessern kann. Futterwertbestimmungen mittels der NIRS-Technologie beruhen stets auf einer Schätzung der tatsächlichen Werte. Daher ist immer mit einer gewissen Abweichung von den im Labor nasschemisch analysierten Gehalten zu rechnen. Da bei unterschiedlichen NIRS-Geräten mehrerer Anbieter auch verschiedene Schätzfunktionen mit anderen Referenzwerten hinterlegt sind, werden die ausgewiesenen Nährstoffgehalte selbst vom identischen Probenmaterial je nach NIRS-Gerät bzw. -Anbieter unterschiedlich ausfallen.
Der in dieser Untersuchung eingesetzte mobile Futterscanner konnte den Trockenmassegehalt von Gras- und Maissilagen fast immer nahezu deckungsgleich wie bei der Bestimmung im Trockenschrank ermitteln. Bei den Gehalten der Nährstoffe hingegen waren größere Abweichungen festzustellen, die aber meistens innerhalb der auch von Speziallaboren angegebenen Bereiche für die Messunsicherheiten bei der NIRS-Analytik lagen.
Abgesehen davon ist innerhalb des Fütterungscontrollings eine Genauigkeit von 100 % nicht zwingend nötig. Relative Abweichungen von unter 5 % sind durchaus tolerierbar, geht es doch bei der praktischen Rationsanpassung vor allem um den Ausgleich von weitaus größeren Schwankungen.
Statement des Herstellers
Der mobile NIR-Scanner erreichte in dem Praxisversuch teils abweichende Werte, welche vor allem auf die Unterschiede in unseren hauseigenen Laboren und dem Versuchslabor zurückzuführen sind. Es ist bekannt, dass die Parameter Rohasche und Zucker einer Höhenschwankung unterliegen bzw. schwieriger mittels NIR-Technik zu untersuchen sind. In dem Versuch sehen wir allerdings eine gerichtete Abweichung bei den untersuchten Parametern.
Unsere Empfehlung ist es, den mobilen NIR-Sensor als Ergänzung zu einer klassischen Laboruntersuchung zu nutzen, wo auch die Untersuchung der Mineralien stattfindet. Dementsprechend kann die eventuelle Abweichung dann ausgeglichen werden. Die mobile NIR-Technik dient der regelmäßigen und kontinuierlichen Analyse vor Ort, um Schwankungen im Grundfutter aufzudecken. Durch die Kontinuität erreichen mobile NIR-Geräte ihre Genauigkeit, im Gegensatz zu meist einmaligen Laboruntersuchungen.
DER DIREKTE RAHT
Lasse Rohwer B. Sc.
E-Mail: lasse.rohwer@gmail.com
und
Prof. Dr. Katrin Mahlkow-Nerge
Fachhochschule Kiel, Fachbereich Agrarwirtschaft
Güner Kamp 11
D-24783 Osterrönfeld
E-Mail: katrin.mahlkow-nerge@fh-kiel.de
Das Literaturverzeichnis (wird nicht mitgedruckt) kann jederzeit beim Autoren angefragt werden.