Experimentelle Untersuchungen zur Optimierung infrarotspektroskopischer Charakterisierungen und Quantifizierungen von organischer Bodensubstanz auf Skalen ansteigender Komplexität: Bedeutung von Bandenverschiebungen, Spektralvariablenselektion und Subtraktionsansätzen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Ruth Ellerbrock; Professor Dr. Bernard Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501354812

Die Genauigkeit der Spektroskopie im sichtbaren und nahen Infrarot (Vis/NIR) sowie im mittleren Infrarot (MIR) zur Charakterisierung und Quantifizierung der organischen Bodensubstanz (OBS) fällt in vielen Beobachtungsstudien unterschiedlich aus. Die Ursachen hierfür sind allerdings nicht ausreichend bekannt. Eine wichtige Rolle können IR-aktive Eigenschaften von OBS und OBS-Fraktionen spielen, die durch Wechselwirkungen von OBS mit (mineralgebundenen) Ionen beeinflusst werden und zu Verschiebungen von OM Banden in Vis/NIR- und MIR-Spektren relativ zu denen ohne Kationen, Minerale und Böden führen.Projektziele sind, (i) ein verbessertes mechanistisches Verständnis der Wechselwirkung zwischen organischer Substanz (OS) und Ionen mit Hilfe von MIR und Mikro-MIR; (ii) die Entwicklung eines Anpassungsverfahrens zur Quantifizierung der Auswirkungen von Kationen auf Bandenverschiebungen und -intensitäten; und (iii) die Optimierung linearer und nichtlinearer chemometrischer Regressionsansätze zur Abschätzung des Gehalts an organischem Kohlenstoff und der OBS-Fraktionen im Boden. Salze, Minerale und Böden werden definierten OS zugesetzt, um OS-Kationen-Assoziate zu erhalten. Die Komplexität der OS reicht von niedermolekularer OS bis zu Huminsäuren, Weizenstroh und Oa-Material. Die Vis/NIR- und MIR-Spektren (einschließlich Mikro-MIR) der Mischungen werden mit denen der OS verglichen, um das mechanistische Verständnis der Beziehungen zwischen OS-Kationen-Interaktionen und Bandenverschiebungen zu verbessern. Das Anpassungsverfahren, mit dem die Auswirkungen von Kationen auf Bandenverschiebungen und -intensitäten quantifiziert werden können, wird das Lambert-Beersche Gesetz nutzen, um mit Daten aus den OM-Kationen-Experimenten wellenzahlabhängige Gewichtungsfaktoren zu berechnen und diese Gewichtungsfaktoren zur Neuberechnung der Bandenintensitäten der OM-Komponenten verwenden. Die Genauigkeit der neu berechneten OM-Spektren wird durch Vergleich mit den Spektren des ursprünglichen OM und im Falle von nativem OM durch ein spektrales Subtraktionsverfahren nach chemischer Oxidation überprüft.Lineare und nichtlineare chemometrische Regressionsansätze für die Abschätzung des C-Gehalts und der OBS-Fraktionen in Böden auf Feld- und regionaler Ebene werden anschließend optimiert. Für die Optimierungen wird die Anwendbarkeit von Bandverschiebungskorrekturen und verbesserten chemometrischen Regressionen untersucht, die erweiterte Ansätze zur Auswahl von Spektralvariablen und kationen-/mineralbezogene Informationen berücksichtigen.Es wird erwartet, dass die Spektraldaten von Experimenten, die auf Skalen zunehmender Komplexität angelegt sind, das Verständnis der Auswirkungen von OS-Kationen-Wechselwirkungen auf Bandenverschiebungen erweitern wird, was zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und zur Optimierung linearer und nichtlinearer chemometrischer Regressionsansätze genutzt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen