Synergetische Nutzung mobiler und laborbasierter spektroskopischer Verfahren (Vis-NIR, Labor- und hand-held MIR, hyperspektrale Framekamera) zur optimierten Bestimmung von zeitlich und räumlich variablen Bodeneigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Bernard Ludwig; Professor Dr. Michael Vohland
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387000394

Für Untersuchungen des Bewirtschaftungseinflusses (z.B. Düngungen oder Bodenbearbeitungen) auf die Bodenfruchtbarkeit eignen sich Gesamtgehalte an bodenbürtigem organischen Kohlenstoff (SOC), Stickstoff (N) und Phosphor (P) nur eingeschränkt; deutlich sensitiver reagieren insbesondere SOC- und N- Fraktionen sowie bodenbiologische Kenngrößen. Eine hohe räumliche und zeitliche Stichprobendichte kann aber nur über nicht-destruktive Verfahren realisiert werden. Untersucht wird, inwiefern die Genauigkeit spektroskopischer Verfahren zur Bestimmung geeigneter Bodenkenngrößen (SOC, N, pH, SOC- und N-Fraktionen, P, Schwefel, Kalium, Eisen, Kationenaustauschkapazität, Bodentextur und mikrobielles und heißwasserlösliches C und N) durch die Kombination von nicht-abbildender Messung im nahen und mittleren Infrarotbereich (Vis-NIR und MIR) mit abbildender Hyperspektraltechnik optimiert werden kann. Dabei steht neben der Laborskala die Feldskala (on-site Erhebung) im Vordergrund, was aufgrund instrumenteller Neuentwicklungen (portables MIR, portable hyperspektrale Framekamera) möglich ist. Der MIR-Bereich erscheint für die Detektion essenziell, da in diesem Spektralbereich Grundschwingungen von chemischen Gruppen erfasst werden können (anders als der NIR-Spektralbereich, in dem lediglich Ober- und Kombinationsschwingungen gemessen werden). Für acht Ackerstandorte unterschiedlicher Textur in unterschiedlichen Regionen Deutschlands soll daher für Oberböden und Bodenprofile untersucht werden, welche Schätzgenauigkeiten im Labor und im Vergleich dazu auf der Basis von on-site Messungen für die Bodenkenngrößen aus der kombinierten Anwendung der unterschiedlichen spektroskopischen Techniken realisiert werden können. Dazu gehören methodische Optimierungen im Bereich der multivariaten Kalibration wie die Anwendung verschiedener Kalibrationstechniken (z.B. PLSR, Support Vector Machines, Random Forest), Verfahren der Spektralvariablenselektion, die Definition lokaler Kalibrationssets oder auch das Spiking zur lokalen Anpassung von Kalibrationsmodellen. Die genannten Verfahren werden nach Optimierung an existierenden Datensätzen validiert. Zudem wird systematisch untersucht, ob und inwiefern Störgrößen wie unterschiedliche Rauigkeiten der Bodenoberfläche und verschiedene Wassergehalte kompensiert werden können. Existierende Boden-Spektralbibliotheken (LUCAS, ICRAF-ISRIC) werden ausgewertet, um Schätzmodelle mit geeigneten Proben zu etablieren bzw. zu optimieren. Detailliert analysiert werden die spektralen Wirkmechanismen, die zur Vorhersage der untersuchten Konstituenten relevant sind (z.B. durch 2D-Korrelationsspektroskopie), um unter anderem die Frage der direkten oder indirekten Korrelation der einzelnen Bodengrößen mit Spektraldaten zu beantworten, da dies entscheidend ist für die grundsätzliche Generalisierbarkeit der jeweiligen Schätzmodelle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen