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Allgemeine Anmerkungen zum Messprinzip

Auf welchen Messprinzipien beruht der TSM?

Der Topsoil Mapper ist ein hochempfindliches Messgerät zur Messung der bodennahen elektromagnetischen Leitfähigkeit mittels elektromagnetischer Induktion. Das Gerät umfasst ein Multispulen Array, bestehend aus einer Sendespule (Tx) und vier Empfangsspulen (Rx). Der Sender erzeugt ein elektromagnetisches Feld, während von den Sendern das induzierte Sekundärfeld, mit einer vordefinierten Samplingfrequenz gemessen wird.

Die elektrische Leitfähigkeit wird üblicherweise in S/m (Siemens per Meter) angegeben, wobei Siemens den Kehrwert von Ohm in der Widerstandsmessung darstellt. Elektromagnetische Induktion und Leitfähigkeit sind stabile Eigenschaften des Bodens und hängen nicht von der Leitergeometrie ab. In der Praxis können Leitfähigkeit und Widerstand mit den gleichen Geräten gemessen werden.

Die elektrische Leitfähigkeit die der TSM misst, bezeichnet man als scheinbare Leitfähigkeit. Zu unterscheiden ist diese von der tatsächlichen Leitfähigkeit, die im Labor an homogenen Materialproben mit gleichmäßigen elektrischen Feldern gemessen wird.

Der Boden ist ein heterogenes Medium, bestehend aus festen, flüssigen und gasförmigen Phasen. Die festen und flüssigen Phasen spielen eine wesentliche Rolle bei den zu beobachtenden elektrischen Bodenphänomenen oder beim Verhalten elektrischer Felder, die im Boden künstlich erzeugt werden.

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Bodenanalysen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen brauchen unmittelbare, wenn möglich den Boden nicht beeinflussende Abschätzungen, von zahlreichen Bodeneigenschaften, wie Salzgehalt, Textur, Steinanteil, Grundwassertiefe sowie von Horizontabfolgen in Bodenprofilen.

Nutzt man nun geophysikalischen Messmethoden, so liefern diese die gemessenen elektrischen Parameter zunächst in Form von Informationen über die Volumen-Dichte beweglicher elektrischer Ladungen im Boden. In einem zweiten Schritt wird untersucht, wie diese Bodeneigenschaften die Volumen-Dichte beeinflussen und dann anhand von gemessenen elektrischen Bodenparametern bewertet werden können.

Elektrische Leitfähigkeit und Bodenverdichtung

Die Dichte der mobilen elektrischen Ladungen nimmt mit der Bodenverdichtung zu. Jüngste Studien zeigten, dass es eine starke positive Korrelation zwischen den EC-Messungen und dem Ertrag gibt. Bei Bodenverdichtung besteht ebenfalls eine Korrelation mit der Leitfähigkeit.

Es besteht daher der Bedarf an einer Technologie zur Bestimmung der Bodenbearbeitungstiefe, basierend auf der Dicke und Tiefe der kompaktierten Bodenschicht, um die Bearbeitungstiefe entsprechend anzupassen.

Diese Form der tiefenabhängigen Bodenbearbeitung bringt positive Effekte beim Verbrauch von Betriebsmitteln (reduzierter Treibstoffverbrauch und Maschinenverschleiß). Weiters ermöglicht sie eine Reduktion der Arbeitszeit und steigert die Erträge.

Elektrische Leitfähigkeit und Wassergehalt des Bodens

Der Wassergehalt des Bodens beeinflusst die Beweglichkeit elektrischer Ladungen auf komplexe Art und Weise. Entsprechend haben Veränderungen des Wassergehalts auch Auswirkungen auf ECa Messungen. Wie auch der Salzgehalt, variiert der Wassergehalt des Bodens in der Tiefe und in der Breite, normalerweise aber mit geringen lokalen Unterschieden. Wo einheitliche Bewässerung betrieben wird, ist die Variabilität des räumlichen Wassergehalts in der Regel gering, sofern keine starken Unterschiede in der Bodentextur vorliegen.

Trotzdem zeigen einige Felder graduelle Unterschiede im Wassergehalt über ihre gesamte Fläche. Dies kann unterschiedliche Ursachen haben, wie z.B. die schrittweise Veränderung des Grundwasserspiegels in der Nähe der Messtiefe, plötzliche Unstetigkeit in der Bodentextur, oder unregelmäßige Bewässerung (Bewässerung führt tendenziell zu höherem Oberflächenwassergehalt).

In Fällen, in denen allmähliche Veränderungen im Bodenwassergehalt auftreten, können Trendoberflächenparameter im Regressionsmodell verwendet werden.

Elektrische Leitfähigkeit und Bodentextur

Die elektrische Leitfähigkeit des Bodens ist ein Messwert, der mit den Bodeneigenschaften korreliert, die wiederum die Produktivität der Ernteerträge beeinflussen. Hierzu zählen unter anderem die Kationenaustauschkapazität, Entwässerungsbedingungen, Gehalt organischer Stoffe im Boden, Salzgehalt sowie die Eigenschaften des Unterbodens.

Die elektrische Leitfähigkeit des Bodens variiert je nach Anteil der von Bodenpartikeln gehaltenen Feuchtigkeit. Sande besitzen eine niedrige, Lehme eine mittlere und Tone eine hohe Leitfähigkeit. Entsprechend korreliert die Leitfähigkeit stark mit der Größe und Textur von Bodenpartikeln.

Sowohl aus der wissenschaftlichen Literatur als auch aus umfassenden Feldtests geht hervor, dass zwar EC Werte über das Jahr gemessen je nach Bodenfeuchte variieren, die Zonierung jedoch unverändert blieb. Das bedeutet, dass Unterschiede in der Bodentextur das ganze Jahr über unabhängig vom Feuchtigkeitszustand festgestellt werden können.

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Vorteile gegenüber anderen Technologien

Bei kommerziell erhältlichen Sensoren unterscheidet man bodengebundene und berührungslose Verfahren. Messungen mit beiden Messsystemen liefern vergleichbare Ergebnisse.

Sensoren mit Bodenkontakt verwenden Pflugmesser um den Bodenkontakt herzustellen und so die elektrische Leitfähigkeit zu messen. Bei dieser Vorgansweise werden zwei bis drei Paare von Pflugmessern auf einer Leiste montiert, wobei ein Paar elektrischen Strom in den Boden induziert (Sendeelektrode) während das andere Paar (Empfangselektrode) den Spannungsverlust zwischen den beiden misst.

Berührungslose EC Sensoren nutzen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion (EMI). EMI Geräte haben keinen direkten Bodenkontakt. Sie bestehen aus einer Sende- und mindestens einer Empfangsspule, die normalerweise an den gegenüberliegenden Enden der Einheit angebracht sind. Ein Sensor im Gerät misst dann das durch den Strom generierte elektromagnetische Feld.

Der Topsoil Mapper gehört zu den kontaktlosen Sensoren. Nach der Installation des Sensors in der Fronthydraulik des Traktors, kann der TSM bei jedem Arbeitsgang auf dem Feld eingesetzt werden, und bietet somit größtmögliche Flexibilität. Die Tatsache, dass kein Bodenkontakt notwendig ist verlängert darüber hinaus die Nutzungsperiode im landwirtschaftliche Bearbeitungszyklus. Der TSM ist ein Anwendersystem – er funktioniert autonom und bedarf keinerlei Expertise bei der Installation oder im Betrieb.

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