Analysing soil organic carbon using near infrared spectroscopy in the laboratory and in the field on-line

Miltz, Jasmin

Der organische Bodenkohlenstoff (OBK) spielt für die Erhaltung der Bodenqualität eine wichtige Rolle. Da er räumlich und zeitlich veränderlich ist, ist es erforderlich, den Gehalt des OBK zu messen und dessen Veränderungen festzustellen, um eine nachhaltige Bodenbewirtschaftung gewährleisten zu können. Der OBK kann mit konventionellen Laboranalysemethoden bestimmt werden, jedoch kann die Aufbereitung und Messung zahlreicher Bodenproben sehr teuer sein. Mit der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist eine zerstörungsfreie Messtechnik gegeben, mit der Bodenanalysen zeiteffektiv und kostengünstig durchgeführt werden können. Mit der vorliegenden Arbeit werden zwei Aspekte der NIRS behandelt: die Anwendung im Labor und auch die Anwendung im Feld on-line. Auch wenn die NIRS eine im Labor bewährte Anwendung darstellt, gibt es nach wie vor kein standardisiertes Messverfahren, das die Vergleichbarkeit von Bodenspektren verschiedener NIR-Geräte bzw. die Vergleichbarkeit von Spektren, welche von einem Gerät über einen längeren Zeitraum aufgenommenen wurden, vereinfacht. Daher wurde in dieser Arbeit eine Optimierung der Probenvorbereitung und -messung angestrebt, um Empfehlungen für ein einheitliches Labormessprotokoll geben zu können. Die NIRS Anwendung im Feld ist noch recht neu, so dass das speziell in dieser Arbeit verwendete NIR-System der nordamerikanischen Firma VERIS Technologies Inc. einer weiteren Bewertung bedarf. Hierbei wurden horizontale NIR-Messungen mit einem Pflug für eine zweidimensionale und vertikale NIR-Messungen mit einem Bohrgerät für eine dreidimensionale Datenaufnahme durchgeführt und die aufgenommen Bodendaten miteinander verglichen. Ebenso wurde die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der mit dem Pflug aufgenommen Bodendaten untersucht. Alle hier durchgeführten Messungen dienten der Datenaufnahme und Charakterisierung von Ackerböden Norddeutschlands mit dem Ziel, OBK- und Gesamtstickstoffgehalte sowie OBK-Vorräte zu kalibrieren und zu schätzen. Grundsätzlich bestätigt diese Arbeit, dass labor- und feldbasierte NIR-Messungen ein großes Potential haben, den OBK- und Gesamtstickstoffgehalt von Ackerböden zu bestimmen.

Soil organic carbon (SOC), as a key property of soil quality maintenance, varies over space and time. The assessment and monitoring of SOC is important to ensure sustainable soil management. SOC can be determined by conventional laboratory analytical techniques, but the preparation and measurement of numerous soil samples can be costly. Near infrared spectroscopy (NIRS) offers a novel, non-destructive technique allowing for rapid and low-cost soil analyses. The work for this thesis comprised two aspects of NIRS analysis: its application in the laboratory as well as in the field on-line. Although laboratory NIRS is an established method, there are no standard measurement procedures simplifying the comparability of spectral data from different NIR-devices and spectra collected over time from the same device. Therefore, the laboratory application of NIRS was investigated with the aim to optimise soil sample preparation and measurement in order to give recommendations for a standard measurement protocol. Furthermore, the on-line field application of NIRS is relatively new, and thus there is still a need for an evaluation of the NIR-system, manufactured by the North American company VERIS Technologies Inc., used in this study. The field application of NIRS was examined via a comparison between horizontal measurements with a shank and vertical measurements with a probe for a two- and three-dimensional view into the soil. Further investigations were carried out to test the accuracy and reproducibility of the horizontal mapping. All measurements were used to map and characterise agricultural soils in Northern Germany, with the main focus on the calibration and prediction of SOC and total nitrogen (N) concentrations and SOC stocks. Generally, this work confirmed that laboratory- and field-based NIR measurements have a great potential for assessing the organic carbon and total nitrogen content in agricultural soils.

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Miltz, Jasmin: Analysing soil organic carbon using near infrared spectroscopy in the laboratory and in the field on-line. 2016.

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