Messwert bietet. Es wird bei diesem Verfahren zwar dynamisch, aber nicht punktgenau in ho-her Messwertauflösung gemessen. Daho-her ist das System nur bedingt für das Vorhaben einer dynamischen Messung der Bodenfeuchte ge-eignet.
Bei der Messung von Bodenfeuchte durch ei-nen Infrarotsensor (IR-Sensor) macht man sich die Tatsache zu nutze, dass feuchter Boden durch ein anderes Reflexionsverhalten charak-terisiert wird, als das bei trockenem Boden der Fall ist. Das IR-Verfahren arbeitet mit einer Sender–Empfänger-Kombination. Im einzelnen wird Lichtstrahlung einer bestimmten Wellen-länge emittiert, deren Reflexion von einer spe-ziellen IR–Diode aufgenommen wird. Proble-matisch für die feldbezogene Anwendung ist, dass für jedes Substrat kalibriert werden muss, um gesicherte Aussagen hinsichtlich der Bo-denfeuchte zu treffen [2]. Außerdem muss zu jeder Messung Boden ausgestochen werden.
Dadurch ist dieses Verfahren als Basis dynami-scher Messungen wegen hohen Messaufwan-des und umständlicher Kalibrierung nicht ge-eignet.
Neben den genannten werden Radiometrische Verfahren ebenfalls zur Bestimmung der Bo-denfeuchte eingesetzt. Von einer radioaktiven Quelle (Radium/Beryllium oder Americium /Beryllium), welche in den Boden eingebracht wird, werden Neutronen mit hoher Geschwin-digkeit emittiert. Das Verfahren beruht auf der Messung der Zählrate von Neutronen. Nach ei-ner großen Anzahl von sogenannten Kollisio-nen mit AtomkerKollisio-nen haben sie eiKollisio-nen großen Teil ihrer Geschwindigkeit verloren und befin-den sich im thermischen Gleichgewicht mit ih-rer Umgebung. Der mittlere Weg, den ein Neutron zurücklegt, bevor es thermalisiert wird, hängt von der Konzentration leichter Atomkerne ab, mit denen es kollidieren kann.
Die Intensität der verbleibenden, nicht kolli-dierten Neutronen kann mit einem BF3-Detektor (Proportionalzählrohr) gemessen und
in eine Beziehung zum volumetrischen Boden-wassergehalt gebracht werden. Die Anzahl der im Boden befindlichen leichten Atomkerne birgt aber nur bedingte Aussagestärke über die enthaltene Bodenfeuchte, da neben freiem Wasser ebenfalls kristallines Wasser und orga-nische Bestandteile eine Thermalisierung und damit höhere Kollisionshäufigkeit einen höhe-ren Messausschlag bewirken. Daneben entste-hen Messfehler auch durch begrenzte Tiefen-reichweite dieses Verfahrens. Durch den Um-stand, dass die Neutronen–Strahlung, neben freiem Wasser, auch durch kristallines Wasser und organische Stoffe gebremst wird, ist es schwer, mit diesem System eine eindeutige Aussage über den Bodenwassergehalt ohne weitere Abhängigkeiten zu treffen [3,4].
Die Time Domain Reflectometry (TDR) wurde ursprünglich zur Aufspürung von Kabelschäden entwickelt. Bei diesem Verfahren wird die Laufzeit der Ausbreitung einer elektromagneti-schen Welle beispielsweise im Boden gemes-sen. Nach Gleichung 1 ist die Geschwindigkeit c einer elektromagnetischen Welle im Vakuum gleich der Lichtgeschwindigkeit co. Tritt die Welle aber aus dem Vakuum aus, ist ihre Ge-schwindigkeit nur noch von der relativen Di-elektrizitätskonstanten
ε
r und der magneti-schen Permeabilität mr des Materials abhängig.Da die magnetische Permeabilität eines durch-schnittlichen landwirtschaftlich genutzten Bo-dens in der Regel gleich dem Wert 1 gesetzt werden kann, hängt sie folglich nur noch von der Dielektrizitätskonstanten ab. Die Dielektri-zitätskonstante von trockenem, porösen Mate-rial (
ε
r < 5) liegt charakteristisch niedriger, als die von Wasser (ε
r = 81). Damit stehen Lauf-zeit und Bodenfeuchte in direkter Korrelation, die weitestgehend unabhängig von der Leitfä-higkeit ist. [5].Gleichung 1:
4 Versuche Dabei ist die Ermittlung der aktuellen
Boden-feuchte abhängig von Textur, Bodenart und Porengrösse. Bei der Messung der Boden-feuchte mit einem TDR-Sensor ist daher mit dem Ziel eines unverfälschten Messergebnisses stets auf guten Bodenkontakt zu achten. Die Geometrie des Sensors schränkt das gemesse-ne Bodenvolumen je nach Bauform stark ein und gibt so ein präzises Messvolumen. Die TDR–Technik bietet für die Konzeption eines dynamischen Feuchte–Sensors entscheidende Vorteile, wie die exakte Begrenzung eines Messvolumens und vor allem die relative Un-abhängigkeit von Einzelkalibrierungen vor den Messungen.
Nach den ersten Labor-Versuchen zur Bestim-mung von Einflüssen stark erhöhter Leitfähig-keit konnte festgestellt werden, dass die Son-den innerhalb der üblichen Schwankungsbreite von TDR-Sensoren dieser Art um +/- 3 % des gemessenen Mittelwertes agierten [6] (Abb.
1). So steht zur Bestimmung der aktuellen Bo-denfeuchte auf einem Schlag mittels TDR–
Messung selbst bei einem hohen Düngungsni-veau und damit erhöhter Leitfähigkeit nichts entgegen. Die erste Konzeption von Prototy-pensystemen zur Handmessung der Boden-feuchte bei absetziger Überfahrt über den Schlag beinhaltete bereits die Verknüpfung von Feuchtedaten mit der Koordinatenbestimmung durch GPS (Global Positioning System). „Off-line-Betrieb“ erster Sonden beinhaltete das Ziel der Kartierung von Feldern.
3 Projektbeschreibung
Das Projekt zur Konzeption eines dynamischen TDR - Echtzeit Sensors für die Bestimmung der Bodenfeuchte zur landwirtschaftlichen Anwen-dung wird in Zusammenarbeit des Instituts für Agrartechnik in den Tropen und Subtropen der Universität Hohenheim (http:\\www.ats.uni-hohenheim.de) mit der Firma IMKO–Micromo-dultechnik GmbH in Ettlingen bearbeitet (http:\\www.imko.de).
Nach der weiterführenden Entwicklung vollmo-biler, dynamischer Sonden, die in einer nicht- absetzigen Überfahrt die Bodenfeuchte erfas-sen sollen, sind im Anschluss erste Regelungen landwirtschaftlicher Geräte vorgesehen. Dies kann beispielsweise der Regulierung von Rei-fendruck, Aussaatstärke und –tiefe, sowie Düngungsintensität dienen. Durch die Berück-sichtigung weiterer aktuell gewonnener Mess-werte, wie Windgeschwindigkeit, Boden- und Lufttemperatur lässt sich die beschriebene Re-gulierung weiter präzisieren (Abb. 2). Die ers-ten Messwerte auf dem Feld erreichers-ten aber noch nicht den im Labor erzielten Gütestan-dard. Die Messwerte der eingesetzten TDR-Sonden lagen in einer Schwankungsbreite von
< 1 % bis ca. 15 % abweichend vom gravi-metrisch bestimmten Bodenwassergehalt. Die höchsten ermittelten Feuchteschwankungen auf homogenen Schlägen lagen bei 21 %.
0 5 10 15 20 25 30
46 Sondentypen
p3 p3s p3z Mittelwert
TRIME - Feuchte [%]
Versuchslaufzeit [h]
Zur dynamischen Messung der Bodenfeuchte in Echtzeit werden im Moment geeignete Bear-beitungswerkzeuge konzipiert und erprobt. Die Firma IMKO übernimmt als Projektpartner die Problemstellung der Beschleunigung des bis-Abb. 1: Messreihe - NPK in wassergesättigtem
Dra-gonit entsprechend kg NPK / ha
Konzeption einer Echtzeitmessung des Bodenwassergehaltes mit einem dynamischen TDR-Sensor
herigen Messverfahrens auf online-fähige Messzeiten, die es auch erlauben wird, wäh-rend tatsächlich praktizierten Bearbeitungsge-schwindigkeiten die Feuchte im Oberboden zu detektieren. Dies soll durch Optimierung der bisherigen TRIME–Technologie geschehen. Da-neben besteht zur Verbesserung der Messge-nauigkeit während einer dynamischen Erfas-sung von Messwerten ebenfalls großer For-schungsbedarf bei der Verbesserung des Bo-denkontaktes der entsprechend entwickelten und eingesetzten dynamischen Sondenträger.
Denn nur durch ein geringes mitgemessenes Luft - Volumen bleibt das Messergebnis präzi-se. Um selbst bei weitestgehend optimierten Sondenträgern zusätzliche Messsicherheit zu schaffen werden zusätzlich stichprobenweise Bodenproben entnommen, um später im Labor
die reelle Bodenfeuchte durch gravimetrische Verfahren zu verifizieren. Zur Zuordnung der verschiedenen Messwerte und Proben läuft auf dem selben Datensatz ein GPS-Signal, das für die räumliche Zuordnung auf dem Feld sorgt (Abb. 3).
5 Zusammenfassung
Nach ersten Versuchen mit einer modifizierten TDR - Messtechnik lassen sich bereits die Vor-teile eines Online-Feuchte Messverfahrens in landwirtschaftlicher Anwendung klar erkennen.
Das „Offline“ bereits zur Kartierung eingesetzte System erbrachte (trotz frühen Versuchsstadi-ums) bereits schlüssige Werte, welche sich a-ber mit einem verbesserten Design des Son-denträgers noch weiter hinsichtlich der Mess-
Abb. 2: Konzeption eines dynamischen Bodenfeuchtesensors
10 – 14 % 14 – 18 % 18 – 22 % 22 – 26 % 26 – 30 % 30 – 34 % 34 – 38 %
genauigkeit optimieren lassen. Die als gut zu bewertende Unempfindlichkeit der vom System erfassten Messwerte gegenüber hoher Dün-gergabe garantiert eine praktische Einsetzbar-keit in der Landwirtschaft. Insgesamt präsen-tiert sich das angestrebte dynamische Mess-system also bereits bei Vorversuchen als prak-tikabel, obwohl der Messaufwand momentan bei absetziger Überfahrt und hinzukommender Probenentnahme zur Verifizierung der Werte zu hoch ist. Momentan bietet sich hiermit die Möglichkeit der Kartierung von Schlägen unter einigem Zeitaufwand, was aber unter Kenntnis der vorliegenden Wetterverhältnisse und Bo-denarten großen Aufschluss über die Wasser-verteilung auf dem Schlag bietet.
Literatur
/1/ Lück, E. et al.: Geophysik für Landwirt-schaft und Bodenkunde, Hrsg.: Arbeitsgruppe Stoffdynamik in Geosystemen in der Mathema-tisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Uni-versität Potsdam, Band 4, Potsdam, 2000 /2/ Henle, W.: Diplomarbeit, Untersuchun-gen zur mobilen Erfassung des Wassergehalts in Rasentragschichten mittels IR–Remission, Institut für Agrartechnik, Verfahrenstechnik für Intensivkulturen, 2002
Abb. 3: Verteilung der gemessenen
Bodenfeuch-te auf einem Schlag /3/ Melchior, S.: Wasserhaushalt und Wirk-samkeit mehrschichtiger Abdecksysteme für Deponien und Altlasten, Hamburger boden-kundliche Arbeiten, Band 22, 1993
/4/ Bohleber, A.: Quantifizierung von Bo-denwasserbewegungen unter kombiniertem Einsatz von Neutronen und Gamma-Gamma-Sonde, Schriftenreihe angewandte Geologie Karlsruhe, Band 18, Karlsruhe 1993
/5/ Stacheder, M.: Die Time Domain Reflec-tometry in der Geotechnik, Schriftenreihe an-gewandte Geologie Karlsruhe, Band 40, Karls-ruhe 1996
/6/ Produktbeschreibung, TRIME, Firma Im-ko, Ettlingen, http:\\www.imko.de