Schnellbestimmung des Futterwertes von Silagen im Betrieb

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).

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.

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.

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 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).

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.

Bei sämtlichen Merkmalen der Grassilagen war jedoch der Zusammenhang enger als bei den Maissilagen (Übersicht 4).

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.

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.

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.