Landesbetrieb Landwirtschaft Hessen

Boden

Test: Boden mittels Gamma-Strahlung kartieren

Eine teilflächenspezifische Bewirtschaftung setzt zahlreiche Informationen zu den räumlichen Variati­onen der Bodeneigenschaften und Nährstoffgehalte voraus. Bodenscanner können bei der Ermittlung dieser Werte helfen. Der Landesbetrieb Landwirtschaft Hessen hat ein Gerät untersucht, das die na­türliche Gamma-Strahlung des Bodens misst.

Neben den technischen Voraussetzun­gen setzt eine teilflächenspezifische Bewirtschaftung zahlreiche Informatio­nen zur räumlichen Variation der Boden­eigenschaften und zu Nährstoffgehalten voraus. Satellitendaten und Ertragsdaten von Erntemaschinen sind wertvolle Infor­mationsquellen, jedoch wird die Ursache der Ertragsunterschiede (z.B. Phosphor­mangel, Bodenart) daraus nicht ersicht­lich. Eine gezielte Beprobung von Teilflä­chen zur Einschätzung der Flächenvariati­on kann weiterhelfen, jedoch ist diese auf­wendig und kann teuer werden.
Bodenscanner können bei der kleinräu­migen Erfassung von Bodenparametern Abhilfe schaffen. Auf dem Markt sind ver­schiedenste Modelle mit unterschiedlicher Messmethodik verfügbar. Eine Metho­de besteht in der Messung der (scheinba­ren) Leitfähigkeit. Nachteilig hierbei ist die komplexe Interpretation der Daten, da die Leitfähigkeit von mehreren Bodeneigen­schaften abhängig ist, z.B. Bodenart, Hu­mus- und Wassergehalt.

Eine weitere Messmethode schätzt Bodenparameter mittels NIRS-(Nahinfrarotspektroskopie)-Messung di­rekt im Feld. Hierbei wird jedoch nur ein kleines Bodenvolumen analysiert. Um diese Messmethode für eine teilflächen­spezifische Bewirtschaftung zu nutzen, ist eine sehr große Probenanzahl erfor­derlich. Eine weitere Messmethode nutzt sogenannte Gamma-Spektrometer. Die­se messen berührungslos die natürli­che elektromagnetische Strahlung, wo­raus Bodenart und Nährstoffgehalte ge­schätzt werden. In Kombination mit ei­nem GNSS-(Global Navigation Satellite System)-Empfänger kann die räumliche Variation von Bodenparametern im Feld erfasst werden.
Auf Basis der Gamma-Strahlung arbei­tet der Bodensensor von Soiloptix. Er ver­spricht, eine große Anzahl an Bodenpara­metern erfassen zu können und zusätzlich eine hohe räumliche Auflösung (3,5 m bei 12 m Fahrgassen) zu bieten. Der Sensor ist etwa 60 cm breit, zylinderförmig und wird in der Front eines Traktors, Quads oder Au­tos montiert. Während der Überfahrt wird die elektromagnetische Strahlung (Gam­ma-Strahlung) von vier Isotopen (137Cäsium, 238 Uran, 232 Thorium und 40 Kalium) des Bodens gemessen.

An definierten Stellen werden zusätzlich Bodenproben gezogen, die nach Laborme­thoden analysiert werden. Auf Basis der Laborergebnisse wird der Sensor kalibriert und Nährstoffkarten mit spezieller Soft­ware generiert. Der Sensor verspricht eine genaue Schätzung von Bodenart (Sand-, Schluff- und Tongehalt), Makro- (Kalium, Magnesium, Phosphor und Schwefel) so­wie Mikronährstoffgehalten (Bor, Kupfer, Mangan, Zink und Natrium). Zusätzlich werden der pH-Wert und der Corg-Gehalt erfasst. Die während der Messfahrt erfass­ten Daten des Lenksystems können zu­sätzlich für die Erstellung eines digitalen Geländemodells genutzt werden.

Bodenkartierung mittels Soiloptix im Test

Die Fachinformation Pflanzenbau des Landesbetriebes Landwirtschaft Hessen hat im September 2021 fünf Versuchsflä­chen am Landwirtschaftszentrum Eichhof mit dem Soiloptix-Bodenscanner kartie­ren lassen. Bodenart, Gehalt organischer Masse, pH-Wert und Nährstoffgehalte der untersuchten Flächen sind der Tabelle zu entnehmen. Bei den Versuchsflächen han­delt es sich um Alluvialböden, wodurch die hohe Heterogenität in den Sand-, Ton- und Schluffgehalten erklärt ist.

Tabelle: Laborergebnisse der Bodenuntersuchungen zu den Versuchsflächen

EinheitMittel-
wert
Gehalts-
klasse
MinGehalts-
klasse
MaxGehalts-
klasse
Quelle: Landesbetrieb Hessisches Landeslabor
Ton (< 0,002 mm)%13,76,219,8
Schluff (0,002-0,063 mm)%37,818,257,1
Sand (0,063-2 mm)%48,523,175,6
pH6,5C6,0B6,9C
org. Masse%1,71,02,2
Pmg/100 g7,2C3,9B11,8D
Kmg/100 g5,3B2,5A12,5C
Mgmg/100 g9,6D5,0C16,0E
Bmg/kg0,4C0,2A0,5C
Cumg/kg2,8E1,7C4,7E
Femg/kg297,7192,0541,0
Mnmg/kg240,2146,0342,0
Namg/kg11,75,918,7
Smg/kg6,42,813,4
Znmg/kg4,72,47,0

 

Nach der Kartierung mittels Bodenscan­ner wurden für den Methodenvergleich 50 Punkte auf den Flächen festgelegt, an denen Bodenproben entnommen wur­den. Die Bodenprobenahmepunkte wur­den so gewählt, dass eine möglichst gro­ße Spannweite der Kartierungsergebnis­se abgedeckt wurde. Vorgewende wurden nicht beprobt. Die Punkte wurden mit RTK-Genauigkeit auf wenige Zentimeter eingemessen und die Proben im Umkreis von 1 m Anfang November 2021 entnom­men. Hierbei erfolgten zehn Einstiche bis auf 30 cm Tiefe. Die Bodenproben wurden durch den Landesbetrieb Hessisches Lan­deslabor (LHL) untersucht. Im Anschluss wurden die Soiloptix-Kartierungsergebnis­se und LHL-Laborergebnisse für den Me­thodenvergleich einer statistischen Aus­wertung unterzogen.

Methodenvergleich zeigt durchwachsene Ergebnisse

Sand-, Schluff- und Tongehalte wer­den mit Soiloptix vergleichsweise gut ge­schätzt. Die Regressionsanalyse zeigt für Sand und Ton zwar auch leichte Abwei­chungen, die jedoch nicht statistisch gesi­chert sind. Der Schluffanteil wird bei der Soiloptix-Methode hingegen signifikant unterschätzt.

Die Gehalte an Kalium, Magnesium und Zink sowie der Gehalt an organischer Masse haben zwar keine auffälligen Abweichun­gen, jedoch ist bei der Schätzung von ei­ner erhöhten Fehlerquote auszugehen. Bei Schwefel, Mangan, Kupfer, Bor, Phosphor, Natrium und Eisen sind die Ergebnisse von Soiloptix nicht wirklich zufriedenstellend. Für die Nährstoffe Phosphor, Bor, Eisen, Na­trium sowie den ph-Wert konnte keinerlei statistischer Zusammenhang zwischen bei­den Methoden gefunden werden.

Schätzgenauigkeit durch Düngemittel erschwert

Eine mögliche Ursache für die unter­schiedliche Qualität der Schätzgüte von Soiloptix kann in der Messmethode selbst begründet liegen. Der Sensor misst die Gamma-Strahlung verschiedener Isoto­pe. Abgesehen von 137Cäsium kommen die anderen Isotope natürlich im Boden vor. 238Uran, 232Thorium und 40Kalium sind in der Gitterstruktur einiger Minerale der Ur­sprungsgesteine zu finden.

Die natürliche Strahlungssignatur ist nach Verwitterung und Bodenbildung noch in den Agrarböden vorhanden. Die Art der Ursprungsgesteine bedingt auch die relativen Anteile der Korngrößenfrak­tionen. Sandfraktionen sind oft quarzdo­miniert und tragen daher kaum bis keine Radionuklide in sich. Die Tonfraktion be­steht hingegen aus Tonmineralen und Fe-Oxiden, die beide reicher an Radionukliden sind. Da die landwirtschaftliche Nutzung die Korngrößenverteilung nicht wesent­lich verändert, ist eine Schätzung über den Soiloptix-Scanner möglich.

Magnesium, Kalium und Zink sind eben­falls in den Ursprungsgesteinen vorhan­den und werden durch Verwitterungspro­zesse freigesetzt. Die räumliche Variation dieser Nährstoffgehalte ist somit prinzipi­ell auch über die natürliche Strahlung zu erklären. Jedoch werden Magnesium, Ka­lium und Zink sowohl als Dünger zusätz­lich ausgebracht als auch mit den Ernte­produkten abgefahren.

Ausgebrachte Düngemittel haben in Ab­hängigkeit ihrer Zusammensetzung auch eine unterschiedliche Gamma-Strahlung, die mit der Zeit die natürlich vorkommen­de Gamma-Strahlung des Bodens modi­fiziert. Dies kann die geringere Schätz­genauigkeit für diese Nährstoffe erklä­ren. Der Anteil organischer Masse steht in keinem direkten Zusammenhang zum Ur­sprungsgestein. Durch die Bindung orga­nischer Substanz an die Tonteilchen des Bodens (Ton-Humus-Komplexe) kann der Gehalt organischer Masse jedoch indirekt bestimmt werden, allerdings nur mit einer mittleren Schätzgenauigkeit.

Die Nährstoffe Schwefel, Mangan, Kup­fer, Bor, Phosphor und Eisen konnten al­lesamt nicht zufriedenstellend mittels Soiloptix erfasst werden. Begründet liegt die geringe Schätzgenauigkeit u. a. darin, dass diese Nährstoffe vor allem durch or­ganische Düngemittel aufgebracht werden, die vermutlich eine zu unterschiedliche Gammastrahlung aufweisen. Zusätzlich ist Schwefel stark auswaschungsgefährdet. Der pH-Wert gibt die Konzentration von H+-lonen in der Bodenlösung wieder. Die­ser steht vermutlich in keinem Zusammen­hang zu den Isotopen von Cäsium, Uran, Thorium oder Kalium und daher lässt sich der pH-Wert nicht über Soiloptix erfassen.

Abgesehen von der Messmethodik, die dafür verantwortlich ist, dass die Schät­zung für einige Bodenparameter nicht ak­zeptabel war, kann die Art der Bodenpro­benahme zur Streuung der Werte und da­mit einer geringeren Schätzgenauigkeit beigetragen haben. So lag eine Zeitspanne von etwa zwei Monaten zwischen der Kar­tierung und der Bodenprobenahme. Da­rüber hinaus können Unterschiede in der Nährstoffanalytik zu einer Erhöhung des Schätzfehlers geführt haben.

Bodenproben für die Kalibration von Soiloptix bzw. den Methodenvergleich wurden in unterschiedlichen Laboren ana­lysiert, deren Bestimmungsmethoden bei B, Cu, Fe, Mn, Na, S und Zn nicht identisch waren. Nicht zuletzt kann eine zu geringe Heterogenität der Bodenparameter eben­falls zu geringeren Schätzgenauigkeiten geführt haben.

Bodenart von Teilflächen über Soiloptix bestimmen

Die Ergebnisse des Tests lassen erken­nen, dass der Soiloptix-Sensor einige Bo­denparameter mit ausreichender Genau­igkeit schätzen kann, sodass nur für diese das Gerät auch eingesetzt werden sollte.

Sinnvoll ist ein Einsatz auf jeden Fall für die Erfassung der Bodenart, die ansons­ten im Labor aufwendig über Sieb- und Schlämmanalyse bestimmt werden muss. Als einzige weitere Informationsquelle zur Bodenart steht die Reichsbodenschätzung zur Verfügung. Deren räumliche Auflösung ist jedoch um einiges geringer im Ver­gleich zu einer Kartierung durch Soiloptix (Abbildung).

Abbildung: Kartierung der Bodenparameter (exemplarisch) mittels des Bodensensors Soiloptix

Ein Einsatzgebiet der Bodenkartierungs­ergebnisse wäre beispielsweise die teilflä­chenspezifische Aussaat. Je nach Bodenart unterscheidet sich die nutzbare Feldka­pazität, sodass die Saatstärke teilflächen­spezifisch angepasst werden kann. Weite­re Anwendungsmöglichkeit wäre die teil­flächenspezifische Beregnung, für welche die von der Bodenart abgeleitete nutzbare Feldkapazität eine entscheidende Steuer­g räße darstellt.

Für eine teilflächenspezifische Düngung ist die Kartierung mit dem Soiloptix-Sensor auf Grundlage der vorliegenden Untersu­chungsergebnisse nur bedingt zu empfeh­len, da ein gewisser Zusammenhang lediglich für einige wenige Nährstoffe gegeben war. Als alleinige Informationsquelle für die Bestimmung der auszubringenden Dünger­menge empfiehlt sich der Scanner nicht, da auch keine DLG-Zertifizierung vorliegt (le­diglich die Kalibrationsproben werden nach anerkannten Prüfmethoden untersucht) und der Einsatz bei Cross-Compliance-Kon­trollen zu Problemen führen könnte.

Jedoch kann die Kartierung dieser Nähr­stoffe für die Festlegung von Beprobungs­zonen genutzt werden. Diese sollten an­schließend mit einer Mischprobe je Zone im Labor untersucht werden, um abgesi­cherte Werte zu erhalten. Eine Kartierung für Schwefel, Mangan, Kupfer, Bor, Phos­phor, Natrium und Eisen ist nicht nutzbar. Auch eine teilflächenspezifische Kalkung er­scheint aufgrund der unzufriedenstellenden Schätzung des pH-Wertes nicht sinnvoll.

Fazit

Der Soiloptix-Sensor ist nur für die Kar­tierung der Korngrößenverteilung unein­geschränkt zu empfehlen. Wer in die teilflächenspezifische Aussaat einsteigen möchte, findet mit diesem Sensor ein gutes Werkzeug für die Bestimmung der Boden­art. Es ist hierbei auch nur eine einmalige Kartierung der Flächen notwendig, da sich die Bodenart über die Zeit nicht ändert.

Zusätzlich kann die Kartierung von Ka­lium, Magnesium und Zink sinnvoll sein. Jedoch sollten die Ergebnisse nur zur Zo­nenbildung genutzt werden und diese mit­tels konventioneller Bodenproben über ein herkömmliches Labor untersucht werden. Zur Bestimmung aller weiteren Nährstof­fe und des pH-Werts ist der Sensor bis­her nicht zu empfehlen. Für eine abschlie­ßende Beurteilung bei diesen Parametern müssten jedoch weitere Untersuchungen auf zusätzlichen Flächen durchgeführt werden.


Dieser Beitrag erschien erstmals im Getreidemagazin 4/2022.

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