Report Düngemittel

Sensoren suchen nach der richtigen Kalkdosis

Während der Überfahrt mit dem Veris-Gerät ändert sich laufend die Zusammensetzung der organischen Substanz auf dem Feld.
-- , Fotos: Gebbers
Während der Überfahrt mit dem Veris-Gerät ändert sich laufend die Zusammensetzung der organischen Substanz auf dem Feld.

Die Kalkung dient insbesondere der Erhöhung zu niedriger pH-Werte. Zugleich liefern diese Dünger Nährstoffe wie Calcium und Magnesium. Der pH-Wert ist eine der wichtigsten bewirtschaftungsrelevanten Bodeneigenschaften. Er gibt die Konzentration der gesamten Säure in Form von H+-Ionen wieder. Bei pH-Werten unter 7 handelt es sich um saure Böden, pH-Werte über 7 werden als basisch bezeichnet.

Der pH-Wert beeinflusst die Pflanzenverfügbarkeit vieler Nähr- und Schadstoffe und wirkt sich ebenfalls auf die Gefügestabilität und Bodenorganismen aus. Diese vielfältigen Wirkungen begründen die große praktische Bedeutung des pH-Wertes. Liegen pH-Werte außerhalb des optimalen Bereichs von 5,5 bis 7,2, kann dies je nach Kultur und Bodenart zu Ertragsverlusten von mehr als 40 % führen. Aufgrund der Auswaschung und des Entzugs von Basen unterliegen die meisten Ackerböden in Deutschland einer Versauerung. Diese kann durch Kalkung ausgeglichen werden.

Die Ableitung des Kalkungsbedarfs des Bodens nach VDLUFA basiert auf dem pH-Wert, der Textur (Tongehalt) und dem Humusgehalt. Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass diese drei Bodeneigenschaften innerhalb eines Schlages erheblich variieren können. Unserer Erfahrung nach sind Beprobungsabstände von weniger als 30 m notwendig, um die räumlichen Unterschiede hinreichend genau zu erfassen. Mit den konventionellen Methoden der Probenahme und Laboranalyse ist eine solche Kartierung jedoch viel zu aufwendig. Eine Lösung dieses Problems ist der Einsatz mobiler Bodensensoren, die während der Feldüberfahrt automatisch eine hohe Anzahl von Messungen durchführen und per GPS verorten.

Im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte testen und entwickeln das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) und die Hochschule für Nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE) Sensoren für die mobile Bodenkartierung. Das Sensorsystem misst direkt den pH-Wert und schätzt indirekt die Textur aus der elektrischen Leitfähigkeit und den Humusgehalt aus der optischen Reflektion.

Robuste Elektroden im Einsatz

Mit der Sensorplattform MSP hat die Firma Veris Technologies aus Salinas im Bundesstaat Kansas in den USA, das erste kommerzielle System herausgebracht, das die drei für die Kalkdüngung wesentlichen Bodendaten liefern kann. Der pH-Wert wird durch robuste Elektroden gemessen. Die Textur wird mithilfe der elektrischen Leitfähigkeit geschätzt und ein Spektrometermodul dient der Erfassung der organischen Substanz.

Der pH-Bodensensor arbeitet dabei nach folgendem Prinzip: Über einen hydraulischen Bodensammler wird während der Messfahrt Material aus dem Oberboden entnommen und zu zwei Elektroden geführt, die den pH-Wert direkt im entnommenen Boden messen. Nach erfolgter Messung senkt sich der Sammler wieder in den Boden und nimmt neues Material auf. Durch ein Waschsystem werden die Elektroden nach jeder Messung gereinigt. Ein Messzyklus dauert etwa 10 bis 25 Sekunden. Die Beprobungstiefe lässt sich im Oberboden zwischen etwa 5 und 25 cm variieren. Das Geoelektrik-Modul misst die elektrische Leitfähigkeit des Bodens über sechs rollende Elektroden: zwei davon speisen den Strom ein und vier messen den Spannungsabfall. Durch die unterschiedlichen Abstände der messenden Elektrodenpaare werden verschiedene Bodentiefen erfasst. Die Messung erfolgt im Sekundentakt. Das Spektrometermodul erfasst die Intensität des vom Boden reflektierten Lichts in einem Bereich von 400 bis 2300 nm. Das aus einer Lampe im Spektrometerkopf stammende Licht wird im Spektrometer in rund 500 Wellenlängenbereiche aufgespalten (Spektrum). Der Spektrometerkopf läuft während der Messung permanent im Boden, um das Sonnenlicht auszuschließen. Durch ein Saphirglasfenster an der Unterseite des Sensorkopfs bestrahlt die Lampe den Boden. Je nach Bodeneigenschaft werden bestimmte Anteile des Lichts reflektiert und andere absorbiert. Das reflektierte Licht wird über Glasfasern zum Spektrometer geleitet. Der dazugehörige Computer zeichnet die Daten im Sekundentakt auf. Die Messtiefe lässt sich ebenfalls zwischen etwa 5 und 25 cm variieren. Aus den optischen Reflexionsspektren lassen sich neben der organischen Substanz viele weitere Bodeneigenschaften schätzen, darunter insbesondere Nährstoffgehalte.

Da das Spektrometermodul jedoch relativ teuer und empfindlich ist, bietet der Hersteller unter dem Namen OpticMapper mittlerweile einen wesentlich einfacheren optischen Sensor an, der mittels zweier Wellenlängen ausschließlich die organische Substanz bestimmen soll. Ein sehr wichtiger, die Kartierung ergänzender Schritt ist die Gewinnung von Referenzproben zur Kalibrierung der Sensoren. Die mitgelieferte Software macht Vorschläge zur Auswahl geeigneter Probenahmepunkte.

Auf Grundlage der Untersuchungen des Leibniz-Instituts empfehlen die Wissenschaftler vier Proben zur Kalibrierung des pH-Sensors und mindestens zehn Proben zur Kalibrierung aller drei Sensoren. Die Kalibrierung des pH-Meters, der elektrischen Leitfähigkeit und des OpticMappers kann durch einfache Regression erfolgen (zum Beispiel in Excel). Für die Kalibrierung des Spektrometers sind dagegen kompliziertere multivariate Verfahren nötig.


In der Nahaufnahme ist der hydraulische Bodensammler gut erkennbar. Die Schaufel sammelt organisches Material, das zu den Elektroden geleitet wird, um den pH-Wert direkt zu messen.
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In der Nahaufnahme ist der hydraulische Bodensammler gut erkennbar. Die Schaufel sammelt organisches Material, das zu den Elektroden geleitet wird, um den pH-Wert direkt zu messen.

Angepasste Geschwindigkeit

Die Flächenleistung des Systems hängt von der Fahrgeschwindigkeit und dem Fahrspurabstand ab. Unserer Erfahrung nach sind Geschwindigkeiten bis 10 km/h möglich; wir haben bevorzugt bei 6 km/h gemessen. Auf den vorwiegend sandigen Böden Brandenburgs hat sich das System bewährt. Auf tonigeren Böden kann es leichter zu Verstopfungen des pH-Probenehmers kommen. Hier hilft mitunter eine Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit. Ebenfalls sind Verstopfungen durch Ernterückstände möglich.

Das für die landwirtschaftliche Praxis geeignete Paket aus Geoelektrik-, pH- und OpticMapper-Modul bietet die Firma Veris unter dem Namen MSP3 mit Datenlogger und Software für 37600 US-$ an. Hinzu kommen die Frachtkosten und optionale Zusatzausstattung.

Dr. Robin Gebbers, Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB), Potsdam
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