Bodenanalyse mittels NIR-Spektroskopie

Boden ist eine komplexe Matrix aus organischer und anorganischer mineralischer Substanz, Wasser und Luft. Das organische Material reicht von zersetztem und stabilem Humus bis hin zu frischen partikulären Rückständen aus verschiedenen Quellen [1]. Die Textur beeinflusst das Bodenverhalten (z. B. Wasserspeicherfähigkeit, Nährstoffbindung und -versorgung, Drainage und Nährstoffauswaschung [2]) und hängt vom Gewichtsanteil von Sand, Schluff und Ton ab. Die Kationenaustauschkapazität (CEC), ein Maß für die Fähigkeit, positiv geladene Ionen zu halten, beeinflusst die Stabilität der Bodenstruktur, die Nährstoffverfügbarkeit, den pH-Wert und die Reaktion auf Dünger und andere Bodenverbesserer. Die wichtigsten mit der CEC im Boden verbundenen Ionen sind Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ und K⁺ [3]. Der Boden-pH-Wert beeinflusst direkt die Verfügbarkeit von Nährstoffen für Pflanzen, die mikrobielle Aktivität und die allgemeine Bodengesundheit, was sich auf das Pflanzenwachstum, die Ernteerträge und die Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Praktiken auswirkt. Diese Studie beschreibt, wie der Gehalt an organischer Substanz, der pH-Wert, der Gehalt an Schluff, Ton und Sand, austauschbares Calcium und Magnesium sowie der Kalkgehalt im Boden innerhalb von Sekunden mithilfe der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) gemessen wurden.

Luftgetrocknete Bodenproben [4] wurden mit einem NIR-Analysator von Metrohm gemessen. Alle Messungen wurden im Reflexionsmodus (1000-2250 nm) unter Verwendung des großen Becherzubehörs durchgeführt. Die Proben wurden in Rotation gemessen, um Spektraldaten von mehreren Bereichen zu sammeln. Die spektrale Mittelwertbildung der Signale von mehreren Stellen half, die Inhomogenität der Proben zu verringern. Die Metrohm-Software wurde für die gesamte Datenerfassung und die Entwicklung von Vorhersagemodellen verwendet.

Die erhaltenen NIR-Spektren von Bodenproben (Abbildung 1) wurden zur Erstellung von Vorhersagemodellen für die Quantifizierung von organischer Substanz, pH-Wert, Schluff, Sand, Kalkstein, Ton und austauschbarem Kalzium und Magnesium verwendet. Die Qualität der Vorhersagemodelle wurde anhand von Korrelationsdiagrammen (Abbildungen 2-9) bewertet, die eine hohe Korrelation zwischen der NIR-Vorhersage und den mit den in Tabelle 1 beschriebenen Standardmethoden gemessenen Referenzwerten zeigen. Die entsprechenden Gütezahlen (FOM) zeigen die erwartete Genauigkeit einer Vorhersage bei Routineanalysen.

Diese Application Note zeigt die Vorteile des Einsatzes der NIR-Spektroskopie für die Bodenanalyse. Alle vorgestellten Bodenqualitätsparameter können gleichzeitig in nur wenigen Sekunden gemessen werden. Im Vergleich zu anderen konventionellen Methoden (Tabelle 1) sind für die Bodenanalyse mittels Nahinfrarotspektroskopie weder Probenvorbereitung noch Lösungsmittel erforderlich. Dies führt letztlich zu einer Verringerung des Arbeitsaufwands und der damit verbundenen Kosten sowie zu mehr Sicherheit für das Laborpersonal.