Screening-Methoden zum kostengünstigen Nachweis einer Versorgung mit organischer Substanz auf Ackerböden und Grünland

Abstract

Die organische Bodensubstanz (OBS) steuert maßgeblich die Ökosystemleistungen von Böden. Die Untersuchung der Gehalte, Vorräte und Qualität von organischem Kohlenstoff (Corg) in Böden und von Bodenparametern, die zur OBS-Stabilisierung beitragen, ist daher fundamental und Aufgabe z.B. der Bodendauerbeobachtung. Spektroskopische Methoden, v.a. Verfahren im Bereich der sichtbaren Wellenlängen (Vis), des Nahen Infrarot (NIR) und des Mittleren Infrarot (MIR), bieten sich als Alternative zu chemischen Verfahren der Bodenanalyse an. Vorteile der Bodenspektroskopie sind die schnelle Durchführbarkeit und Reproduzierbarkeit von Messungen, ein geringer Aufwand in der Probenaufbereitung und die Abschätzung mehrerer Zielgrößen in einer Messung. So resultieren v.a. bei großen Probenzahlen Kostenvorteile, nicht zuletzt durch die Möglichkeit digitale Archive anzulegen. Ziel dieser Studie war es, die Eignung spektroskopischer Verfahren im Vergleich zu labor-analytischen Methoden zu testen. Parallel zu einer ausführlichen Literaturstudie wurden in einer Gelände- und Laborstudie Oberböden unterschiedlichen Stoffbestands (150 Acker- und 50 Grünlandstandorte) in vier Teilgebieten unterschiedlicher geologischer Ausgangssubstrate der Bodenbildung untersucht. Corg-Gehalte und OBS-Fraktionen unterschiedlicher Stabilität wurden mittels Spektroskopie sehr gut erfasst; z.B. lag die Detektionsschwelle auf der Feldskala mit kombinierten VisNIR-MIR- Geländemessungen bei 0,15 - 0,29% Corg. Insbesondere mit MIR-Daten oder auch kombinierten VisNIR-MIR-Daten wurden insgesamt - auch im Gelände auf der Regionalskala - die besten Ergebnisse erzielt. Die Bestimmung langfristiger Trends der Entwicklung des Corg-Gehaltes erscheint somit möglich. Die direkte Schätzung der Corg-Vorräte fiel deutlich ungenauer aus. Heterogene Stoffverteilungen wurden auf der Feldskala gut erfasst. Die dafür entwickelten Schätzmodelle konnten auch auf Basis externer Spektralbibliotheken erfolgreich kalibriert werden. Der Einsatz der Bodenspektroskopie synergistisch zu den 'klassischen' laboranalytischen Methoden kann empfohlen werden, insbesondere die Anwendung der MIR-Spektroskopie und die Auswertung der spektroskopischen Daten setzen jedoch Expertenwissen voraus. Es werden Handlungsempfehlungen für die Nutzung spektroskopischer Methoden zum zeitlich und räumlich hochaufgelösten, langfristigen Monitoring (bzw. zur Dauerbeobachtung) relevanter Bodenkenngrößen gegeben. Quelle: Forschungsbericht

Soil organic matter (SOM) largely controls the ecosystem services of soils. The study of content, storage and quality of organic carbon (Corg) in soils and soil parameters contributing to SOM stabilization is therefore fundamental and a task of the permanent soil observation. Spectroscopic methods especially methods in the range of visible wavelengths (Vis), the near infrared (NIR) and the middle infrared (MIR) are an alternative to chemical methods of soil analysis. Advantages of soil spectroscopy are the fast feasibility and reproducibility of measurements, lower efforts in sample preparation and the analysis of several target parameters in one measurement. This results in cost efficiency especially for large sample sets, not least due to the possibility of creating digital archives. The aim of this study was to test the suitability of spectroscopic methods in comparison to laboratory analytical methods. In parallel to a detailed literature study, topsoils with different material composition (150 arable and 50 grassland sites) were investigated in a field and laboratory study in four subregions of different parent material of soil formation. Soil organic carbon (SOC, deutsch: Corg) contents and SOM fractions of different stability were well detected by spectroscopy; for example the detection threshold on the field scale with combined VisNIR-MIR field measurements was 0.15 - 0.29 % Corg. Overall best results were achieved with MIR data or combined VisNIR-MIR data, which also applies to analysis in the field on a regional scale. The determination of long-term trends in the development of Corg-storage thus appears to be possible. Yet, the direct estimation of Corg-storage was much less accurate. Heterogeneous substance distributions were well recorded on the field scale. The estimation models developed for this purpose could also be successfully calibrated based on external spectral libraries. The use of soil spectroscopy in synergy with the 'classical' laboratory analytical methods can be recommended, but in particular the application of MIR spectroscopy and the analysis of spectroscopic data require expert knowledge. Recommendations for action are given for the use of spectroscopic methods for temporally and spatially resolved, long-term monitoring (or permanent observation) of relevant soil parameters. Quelle: Forschungsbericht

Die genaue Bestimmung von Humus-Konzentrationen und deren Veränderungen im Boden ist unter anderem entscheidend für die Bewertung der Bodenqualität und der Rolle der Böden im ⁠Klimawandel⁠. In vier verschiedenen Gebieten mit unterschiedlichen Böden wurde an 200 Proben Spektroskopie-Messungen durchgeführt. Die Studie bestätigt die Eignung spektroskopischer Verfahren zur Quantifizierung von Humus-Konzentrationen im Vergleich mit der konventionellen Methode auf Labor- und Feldebene. Die Ergebnisse können beispielsweise für die Treibhausgasberichterstattung, im Boden-⁠Monitoring⁠ oder für die Bewertung von Managementpraktiken genutzt werden.