MonESCA: Mit der Drohne auf der Spur der Rebenkrankheit Esca

Im Spätsommer verfärben sich an manchen Rebstöcken die Blätter: Zwischen den grünen Adern werden sie gelb, dann braun, bis ein Muster wie ein Tigerfell entsteht. Ein Jahr später kann derselbe Stock wieder völlig gesund aussehen, oder er ist abgestorben. Das macht die Holzkrankheit Esca für Winzer so schwer zu fassen. 

Das Forschungsprojekt MonESCA in Luxemburg hat diese Lücke mit Drohnen geschlossen. Von 2019 bis 2024 flogen Forscher regelmäßig über Versuchsflächen an der Mosel, erfassten jede Rebe einzeln und werteten die Bilder mit maschinellem Lernen aus. Daraus entstanden Karten, die zeigen, welcher Stock in welchem Jahr Symptome hatte, und Handlungsempfehlungen für die Praxis. 

Esca: eine Holzkrankheit ohne Gegenmittel

Esca ist ein Komplex holzzerstörender Pilze, die den Rebstamm besiedeln. Als Haupterreger gelten Phaeomoniella chlamydospora und Phaeoacremonium minimum, die die Leitungsbahnen im Holz befallen, sowie der Mittelmeer-Feuerschwamm Fomitiporia mediterranea, der eine Weißfäule im Stamm auslöst. Als wichtigster Infektionsweg gelten Wunden am Holz, die vor allem beim Winterschnitt entstehen. 

Sichtbar wird die Krankheit an Blättern mit Tigerstreifen, an Beeren mit kleinen blauschwarzen Flecken und in der akuten Form, der Apoplexie: Dann vertrocknen innerhalb weniger Tage einzelne Triebe oder der ganze Stock. Ein wirksames Mittel gegen die Pilze im Holz fehlt. Das früher eingesetzte Natriumarsenit ist in Europa seit 2003 verboten, und nach einer Studie französischer Forscher von 2021 existiert derzeit keine wirksame Methode gegen die Holzkrankheiten der Rebe. In Frankreich sind demnach 13 Prozent der Rebstöcke unproduktiv geworden, die Ertragsverluste schätzen die Autoren auf rund eine Milliarde Euro im Jahr. 

In Luxemburg breitet sich Esca nach Angaben der Projektgruppe seit den 1990er-Jahren rasch aus. Dazu kommt ein Befund, der die Bekämpfung zusätzlich erschwert: Neuere Forschungsergebnisse lassen laut MonESCA-Bericht darauf schließen, dass bei 20 Prozent symptomatischen Reben bereits alle Pflanzen einer Anlage infiziert sind. 

Das Projekt: Forschungsinstitut, Drohnenfirma und Bio-Beratung

MonESCA ist eine sogenannte operationelle Gruppe der Europäischen Innovationspartnerschaft EIP-AGRI, finanziert vom Luxemburger Landwirtschaftsministerium. Die Koordination lag bei Miriam Machwitz vom Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST). Partner waren die Drohnenfirma Luxsense Geodata aus Contern und das Institut fir biologësch Landwirtschaft an Agrarkultur Luxemburg (IBLA), unterstützt vom Weinbauinstitut IVV (Institut viti-vinicole) in Remich. Dazu kamen vier Winzerbetriebe. Die erste Phase lief von 2019 bis Ende 2021 und wurde bis April 2022 verlängert, die zweite Phase MonESCA2 von 2022 bis 2024. 

Am Anfang stand eine Umfrage. 56 Winzer mit Flächen in Luxemburg, Deutschland und Frankreich nahmen teil, alle hatten Reben mit Esca-Symptomen. 34 Prozent schätzten den Befall auf 2 bis 5 Prozent ihrer Reben, 23 Prozent auf mehr als 5 Prozent, Für 55 Prozent schritt die Ausbreitung schnell voran, für weitere 13 Prozent sehr schnell. Im Vergleich mit Echtem Mehltau (Oidium), Peronospora und Botrytis bewerteten die Betriebe Esca als das am schwersten kalkulierbare Risiko. 

Wie die Drohne kranke Reben findet

Geflogen wurde an drei Standorten: am Hommelsberg, in Niederdonven/Dreiborn und auf der Versuchsfläche des IVV in Remich. Die Drohne trug zwei Kameras. Eine Hyperspektralkamera vom Typ Headwall Nano verrät laut Projektgruppe weit mehr über den Zustand der Rebe, als das Auge sieht, etwa kleine Veränderungen im Pigmentgehalt, in der Blattstruktur oder im Blattwinkel. Eine Thermalkamera von TEAX misst die Oberflächentemperatur des Laubs. 2019 flog das Team von Juli bis September etwa alle vier Wochen; allein die 17 Hyperspektralflüge dieses Jahres ergaben 1,3 Terabyte Rohdaten. 

Weil Esca an einzelnen Stöcken auftritt und nicht flächig, musste zuerst jede Rebe ihren festen Platz im Datensatz bekommen. Ein automatischer Arbeitsablauf extrahierte die Positionen aller Rebstämme zu einem Einzelstockinventar. Aus 3D-Modellen und einer Klassifikation in Boden, Gras, Schatten und Laubwand wurde der Hintergrund herausgerechnet. Um jeden Stamm legte die Software einen Halbkreis mit 75 Zentimetern Radius, in dem die zugehörige Laubwand liegt. Aus den Pixeln darin berechnete sie statistische Kennzahlen und Vegetationsindizes, die etwa den Chlorophyllgehalt abbilden. Ein Machine-Learning-Verfahren ordnete jede Rebe schließlich als symptomfrei oder symptomatisch ein. 

Die Wärmebilder liefern ein zweites Indiz. Eine gestresste Rebe verdunstet weniger Wasser über die Blätter und wird dadurch wärmer als ihre Nachbarn. Damit Flüge an verschiedenen Tagen vergleichbar sind, zogen die Forscher die Lufttemperatur zum Flugzeitpunkt ab, die zwischen den Terminen um bis zu 20 Grad schwankte. Daraus berechneten sie zusätzlich einen Wasserstressindex, der ebenfalls in die Klassifikation einfloss. 

Am Boden prüften Mitarbeiter parallel jede Rebe von Hand, die sogenannte Bonitur. Dafür entwickelte das Projekt eine Tablet-App, die alle Stöcke des Weinbergs als Punkte zeigt; per Antippen wird jeder Rebe eine Befallsklasse zugewiesen, inklusive Koordinaten. Diese Bodendaten dienten zum Trainieren und Prüfen der Klassifikation. Später kam ein zweiter Ansatz hinzu: Mit sogenannten hybriden, invertierten Strahlungstransfermodellen schätzten die Forscher aus den Hyperspektraldaten den Gehalt an Chlorophyll und Carotinoiden in den Blättern, der bei Esca-Symptomen deutlich sinkt. Diese Pigmentmodelle lassen sich laut Projektbericht zu MonESCA2 besser von einem Jahr aufs nächste übertragen als reine Vegetationsindizes, die stark vom wechselnden Hintergrund aus offenem Boden und Begrünung abhängen. 

Was die Daten zeigen

Auf der Versuchsfläche in Remich lagen aus dem Projekt BioViM Bonituren ab 2017 vor. Der Anteil gesunder, tragender Stöcke sank dort von 84 Prozent 2017 auf 72 Prozent 2020, der Anteil der Fehlstellen stieg von 14 auf 19 Prozent. Der wichtigste Befund kam aus dem Vergleich von Jahr zu Jahr: Im Mittel der Jahre 2018 bis 2020 waren 50,1 Prozent der symptomatischen Reben im Folgejahr wieder symptomfrei, 32 Prozent zeigten erneut Symptome, 18 Prozent waren abgestorben. Wer einen kranken Stock nach einem Jahr rodet, entfernt also womöglich eine Rebe, die im nächsten Jahr wieder normal trägt. 

Eine zweite Frage betraf die Ansteckung im Weinberg: Hat eine Rebe neben einem kranken oder toten Stock ein höheres Risiko? Für ihre Versuchsflächen fanden die Forscher keinen signifikanten Nachbarschaftseffekt. Deutlich messbar waren dagegen die Ertragsverluste. Bei einer Einzelstock-Lese an rund 200 Riesling-Reben im Jahr 2020 trugen Reben mit starkem Blattbefall 64 Prozent weniger als symptomfreie, bei starkem Traubenbefall waren es 87 Prozent weniger. Die Lese 2021 bestätigte das Bild: 

Die Tabelle zeigt mittlere Erträge im Riesling 2021 nach der Befallsklasse bei der letzten Bonitur. Reben mit Blatt- und Traubensymptomen sind beiden Gruppen zugeordnet. Das Mostgewicht litt weniger: Blattbefall senkte es bei der Versuchslese am 7. Oktober 2021 um bis zu 11 Prozent, Traubenbefall um bis zu 10 Prozent. Die Ergebnisse stellt das Projekt auf monesca.lu in einem Kartenwerkzeug bereit; die Flächen des IVV sind frei einsehbar, die Winzer sehen ihre eigenen Parzellen nach Anmeldung. 

MonESCA2: einfachere Kameras und Kurse für Winzer

In der zweiten Phase verschob sich der Schwerpunkt in die Praxis. Zusätzlich zur Hyperspektralkamera flog das Team auch mit einfachen Multispektralkameras, um Esca schneller und günstiger kartieren zu können, auch auf Flächen mehrerer Winzer entlang der Mosel. Das gelang nicht in jedem Jahr. 2022 überlagerte massiver Trockenstress die wenigen Esca-Symptome, die Ergebnisse erreichten nicht die Qualität der Vorjahre. Für 2023 meldet der Projektbericht sehr gute Ergebnisse, die vollständige Auswertung sollte erst im Abschlussbericht erscheinen. Die Forscher ziehen selbst die Grenze: In Extremjahren, die häufiger werden, erreichen die Methoden möglicherweise nicht die gewünschte Genauigkeit. 

Parallel bot IBLA Kurse zu drei Verfahren an. Beim sanften Rebschnitt nach Simonit und Sirch wird nur einjähriges Holz geschnitten, damit keine großen Wunden entstehen, durch die Pilze eindringen. Das Projekt hält ihn für die derzeit einzige effiziente Vorbeugung. Schon eine Weiterbildung im Jahr 2020 war innerhalb von 24 Stunden ausgebucht, ein zweiter Termin folgte. Bei der Rebchirurgie wird befallenes Holz mit einer kleinen Motorsäge aus dem Stamm gefräst, die außen liegenden gesunden Leitungsbahnen bleiben erhalten. Bei der Reset-Methode zieht der Winzer einen Stammtrieb, einen sogenannten Wasserschoss, zu einem neuen Stamm hoch und schneidet im Folgejahr den alten Stamm ab; laut Merkblatt eignen sich dafür Reben zwischen 15 und 25 Jahren am besten. Wann sich welches Verfahren eignet, erläutert ein im Projekt erstelltes Merkblatt für den biologischen Weinbau. Nach Angaben des EU-Netzwerks für die Gemeinsame Agrarpolitik helfen die Karten auch im Winter, wenn die Reben ohne Laub keine Symptome zeigen, die Stöcke für eine Rebchirurgie zu finden. 

Einordnung: Sensorplattform statt Roboterarm

MonESCA ist kein Roboter, der im Weinberg eingreift. Die Drohne ist eine fliegende Messplattform, die eigentliche Arbeit steckt in der Auswertung. Geschnitten, gefräst und nachgepflanzt wird weiter von Hand. Wie weit Automatisierung im Weinberg heute schon reicht, zeigt etwa der Hackroboter Ted des französischen Herstellers Naïo, der autonom per Satellitennavigation unter den Rebzeilen Unkraut bekämpft und dafür ebenfalls eine genaue Karte des Weinbergs braucht. Weitere Beispiele sammelt die Themenseite Landwirtschaftsroboter. 

Auch an der Luxemburger Mosel sind Drohnen kein Fremdkörper mehr. Das Weingut L & R Kox testete 2019 nach einem Bericht der Nachrichtenagentur AFP eine Sprühdrohne an den Hängen; Corinne Kox nahm später an den MonESCA-Kursen teil und nutzt den sanften Rebschnitt nach eigener Aussage als Vorbeugung. Eine echte Lösung für Esca liefert aber auch die beste Karte nicht. Sie zeigt nur, wo die Krankheit steckt, und sie verhindert, dass Winzer Reben roden, die sich im nächsten Jahr wieder erholt hätten. Mehr zu unbemannten Fluggeräten im zivilen Einsatz bündelt die Themenseite Drohnen.