Author:

Keywords:

manure, automatic control, NIR spectroscopy, fertiliser

Abstract:

Om de steeds verder toenemende wereldbevolking te kunnen voeden, dient d e wereldwijde voedselproductie opgevoerd te worden. Hoewel het nog steed s mogelijk is om de beteelde oppervlakte in de ontwikkelingslanden te ve rhogen, is dit meestal niet eenvoudig en zeker niet onbeperkt. Daarom za l de hoogste toename in voedselproductie moeten komen van hogere opbreng sten. Op land waar voedselproductie mogelijk is, zijn het beschikbare wa ter en de nutriënten meestal de limiterende factoren voor opbrengstverho ging. Om de gewasopbrengst te verhogen, moet er dan ook voor gezorgd wor den dat de plant voldoende water (vb. door irrigatie) en nutriënten (doo r bemesting) ter beschikking heeft. De benodigde nutriënten voor gewaspr oductie kunnen ofwel aan de grond toegediend worden onder de vorm van ku nstmest ofwel onder de vorm van organische mest. De wereldbevolking is echter niet homogeen verdeeld over de aardbol. Aan gezien de consumptie van dierlijke producten het hoogst is in de dichtbe volkte gebieden, heeft de dierlijke productie zich geconcentreerd rond d eze gebieden. De omliggende akkers zijn echter niet in staat om al deze mensen en dieren te voeden, zodat deze gebieden netto importeurs zijn va n plantaardige producten (vb. granen). Deze netto invoer van nutriënten verhoogt de hoeveelheid nutriënten in het ecosysteem, wat in eerste inst antie tot hogere gewasproductiviteiten leidt. Hoewel deze intensificatie zeer succesvol is in het produceren van voldoende kwaliteitsvoedsel teg en een competitieve prijs, zijn er grenzen aan de toename in gewasopbren gst die kan verwezenlijkt worden door deze geïmporteerd nutriënten. Op e en gegeven moment is de bodemvruchtbaarheid immers niet langer de limite rende factor voor gewasproductie, zodat de extra nutriënten (vooral N en P) beginnen uit te spoelen naar de grond- en oppervlaktewaters. De resu lterende hoge nitraatconcentraties in het oppervlaktewater stimuleren ma ssale algengroei (eutrofiëring). Bij afsterven consummeren deze algen gr ote hoeveelheden zuurstof, wat leidt tot vissterfte. De hoge nitraatconc entraties in het grondwater belemmeren daarentegen de drinkbaarheid erva an door hun toxiciteit. In 1991 vaardigde de Europese Commissie haar directieve (91/676/EEG) uit ter bescherming van de grond- en oppervlaktewaters tegen vervuiling met nitraat door de landbouw. Deze directieve poneerde dat een limiet van 5 0 mg NO3- per liter water niet zou mogen overschreden worden. Om deze doelstelling te bereiken vertaalde de Vlaamse overheid deze dire ctieve in mest-actieplannen die de overtollige nutriënten uit het Vlaams e ecosysteem proberen te verwijderen via drie sporen: aanpak aan de bron , meer oordeelkundige bemesting en mestverwerking. To nu toe is het twee de spoor er enkel in geslaagd om de overbemesting te verminderen, maar w as het nog niet in staat om overtollige nutriënten uit de Vlaamse nutrië ntencyclus te verwijderen. Dit onderzoek was dan ook gericht op de ontwi kkeling van een precise-mesttoedieningssysteem dat van dierlijke mest ee n waardevol alternatief maakt voor een groot deel van het huidige kunstm estgebruik. On-line samenstellingsmeting In een eerste deel richt dit onderzoek zich op de ontwikkeling van een on-line mestsamenstellingssensor op basis van VIS/NIR spectroscopie . De ontwikkeling van deze sensor omvatte verschillende stappen. Aangezien andere onderzoekers verschillende staalpresentatiemodes gebrui kt hebben voor de spectroscopische analyse van drijfmest, werd het effec t van de transflectantie- en reflectantie-staalpresentatiemodes op de pe rformantie van de spectroscopische mestsamenstellingssensor vergel eken in het labo op een scannende monocrhomator. Ondanks dat de transfle ctantiemode iets betere resultaten gaf, werd op basis van dit experiment de reflectantiemode als beste keuze voor on-line mestsamenstellingsmeti ng geselecteerd. Naast de verschillende staalpresentatie bestaan er ook verschillende typ es sensoren met verschillende golflengtebereiken en verschillende meetpr incipes. Voor vier verschillende instrumenten werd dan ook de performant ie voor spectrocopische mestanalyse vergeleken. Op basis van deze vergel ijking werd een mobiel diode-lijn-instrument met een golflengtebereik va n 306 tot 1710 nm geselecteerd als basis voor de on-line sensor. Eens de staalpresentatiemode en het toestel geselecteerd waren, werd de sensor gecalibreerd met behulp van ‘partial least squares’ (PLS) regress ie in cross-validatie op een dataset van 420 varkensdrijfmeststalen. De predictiekracht van deze modellen werd geëvalueerd met behulp van een on afhankelijke set van 164 varkensdrijfmeststalen. De meetnauwkeurigheid w erd vervolgens vergeleken met nauwkeurigheid van de referentie-analyse i n het labo en met de diepte-afhankelijke variatie in mestsamenstelling i n een mestkelder. Hoewel de spectroscopische sensor 3 tot 8 keer minder nauwkeurig was dan de referentie-analyse, is een spectroscopische meting op een bepaalde diepte in de mestkelder 2 tot 4 keer meer representatie f dan de labo-analyse op basis van een mengstaal voor de hele mestkelder . Aangezien PLS mogelijks niet het ideale calibratiealgoritme is, werd de bruikbaarheid van enkele recent geïntroduceerde niet-lineaire (LS-SVMs) en functionele (FDA) calibratietechnieken onderzocht. Deze methoden vert oonden een hogere neiging to overfitting van de data, omdat ze in cross- validatie duidelijk beter presteerden dan PLS, maar niet in validatie op de test set. Op basis van deze vergelijking werd besloten dat de relati e tussen de opgemeten spectra en de chemische samenstelling hoofdzakelij k lineair is en PLS werd behouden als calibratietechniek. De sensor zal moeten werken tijdens mestinjectie in het veld onder varië rende omstandigheden van staal- en omgevingstemperatuur. Daarom werd de significantie van deze temperatuurseffecten op de verschillende delen va n het spectrum onderzocht met behulp van functionele variantie-analyse ( FANOVA). Op basis van deze analyse werden de significant termperatuursge voelige regios uit het spectrum verwijderd om de mogelijkheden van meer temperatuurrobuuste calibraties te onderzoeken. Hieruit bleek dat de sen sor meer robuust kan gemaakt worden voor temperatuursvariaties met een m inimaal verlies aan meetnauwkeurigheid. Eens de sensor in het labo gecalibreerd was en robuust gemaakt was voor temperatuurvariaties werd hij op een mesttank gemonteerd en gecalibreerd voor on-line mestsamenstellingsmeting. Mestinjectieregeling In een tweede deel van dit onderzoek werd een electro-hydraulisch regels ysteel voor samenstellingsafhankelijke precisie-applicatie van mest ontw ikkeld. Precisie-applicatie verondersteld dat de juiste hoeveelheid nutr iënten beschikbaar gemaakt wordt voor de plant. Aangezien een deel van d e nutriënten in de mest naar de omgeving geëmitteerd wordt, volstaat het niet om gewoon de gepaste hoeveelheid mest op het veld te brengen. Om a an de nutriëntenbehoefte van de plant te voldoen met een minimale impact op het milieu, moeten de nutriëntenverliezen naar de omgeving onder de vorm van gasvormige emissies, afspoeling en uitspoeling dan ook geminima liseerd worden. Op basis van een literatuurstudie werd ondiepe mestinjec tie hiervoor geselecteerd, omdat deze techniek een aanzienlijke reductie van de emissies bereikt in één werkgang en bovendien kan gebruikt worden op velden met gewas. Om gebruiksvriendelijke precisie-mestinjectie te bekomen werd een vacuum tanker met ondiepe injector geautomatiseerd. Voor dit doel werd het sys teem uitgerust met een reeks electro-hydraulische kleppen met lastdrukco mpensatie, verschillende sensoren en een electronische regeleenheid. In een eerste stap werd een gebruiksvriendelijke regelaar ontwikkelde voor de verschillende stappen die aan het begin en einde van elke injectiewer kgang doorlopen moeten worden. Dit maakt het mogelijk om de mestinjectie met één druk op de knop te starten of te stoppen. De emissiereductie en gewasbeschadiging bij deze mestinjectietechniek zi jn sterk afhankelijk van de injectiediepte. Daarom werd een diepteregeli ng ontwikkeld om de injetiediepte binnen nauwe grenzen rond de gewenste diepte te houden en dat enkel oliedruk vraagt als het een correctie moet doorvoeren. Dit systeem meet de afstand van de injectorbalk tot de gron d met behulp van een ultrasone afstandssensor en corrigeert het verschil door middel van een simpele proportionele regelaar. De performantie van dit diepteregelingssysteem werd vergeleken met deze van het traditionel e constante-druksysteem voor diepteregeling bij mestinjectie. Het nieuw ontworpen systeem overtrof het traditionele systeem in alle tests, voora l met betrekking tot de ‘bias’. Op zachte bodem vermeed het nieuwe syste em dat de injector te diep wegzakte en het gewas beschadigde terwijl de injector niet uit de grond geduwd werd op harde bodem. Het effect van di t diepteregelinssysteem op de nutriëntenverliezen en op de gewasopbrengs t dient echter nog onderzocht te worden. Samenstellingsafhankelijke precieze mestinjectie verondersteld dat het m estdebiet doorheen de injector naar de bodem nauwkeurig en vrij snel ger egeld kan worden. Daarom werd op de vacuumtank een electro-hydraulische debietsregeling ontwikkeld die gebruik maakt van een hydraulisch aangedr even tankafsluiter en een magneto-rheologische debietsmeter. De tijdsver traging van de magneto-rheologische debietsmeter verhinderde stabiele de bietsregeling met behulp van één enkele terugkoppeling en een propo rtionele of ‘lead’-regelaar. Aangezien de mestschuif snel en nauwkeurig gecontroleerd kon worden met behulp van een ‘lead’-regelaar, werd ervoor geopteerd om het debiet te regelen door middel van de klepopening. De r elatie tussen beide is echter variabel, zodat een schatting van de verst erkingsfactor geïmplementeerd diende te worden. Hiervoor werden zowel ee n recursieve kleinste kwadraten-algoritme als een ‘sliding mode observer ’-benadering succesvol getuned op het systeem. Er wordt verwacht dat de peformantie van het resulterende systeem voldoende zal zijn voor samenst ellingsafhankelijke, precieze aanwending van dierlijke mest. Dit dient e chter nog gecontroleerd te worden in de praktijk.