Abschlussbericht. Evaluierung der Messmethoden zur Leitfähigkeitskartierung im Feldmaßstab

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1 Evaluierung Geoelektrik 1 Dr. Erika Lück, Dipl.-Ing. agr. Robin Gebbers Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam Karl-Liebknecht-Str Potsdam Ortsteil Golm Abschlussbericht Evaluierung der Messmethoden zur Leitfähigkeitskartierung im Feldmaßstab Forschungs-Projekt-Nr.01HS081 Projektlaufzeit = Berichtszeitraum

2 Evaluierung Geoelektrik 2 Zusammenarbeit mit anderen Stellen: - Institut für Agrartechnik Bornim - Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau Großbeeren - Institut für Zuckerrübenforschung Göttingen - Leibnitz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung - TU München, Lehrstuhl für Pflanzenernährung - TU Berlin, Institut für Angewandte Geowissenschaften - Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Pflanzenernährung u.bodenkunde - Fachhochschule Osnabrück, Fakultät Agrarwissenschaften und Landschaftsarchitektur - Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft, Versuchsgut Köllitsch - Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) Braunschweig - Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) Hannover - Landesamt für Geowissenschaften und Rohstoffe (LGRB) Kleinmachnow - Landmaschinen-Vertrieb Deuben (LVD) GmbH - Agrarbetriebe in Beckum, Golzow, Großbeeren, Kassow, Lindau, Lüttewitz, Niedergörsdorf, Querenhorst (Täger-Farny) Dieses Projekt wurde gefördert durch Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung

3 Evaluierung Geoelektrik 3 Inhaltverzeichnis 1 Ziele und Aufgabenstellung des Projektes Planung und Ablauf des Projekts Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde Nutzung des Parameters Leitfähigkeit zur Flächendifferenzierung Bewertung der Technik zur Leitfähigkeitskartierung Material und Methoden Geräte Standorte und Messtrassen Geophysikalische Untersuchungs- und Auswertungsmethoden Vergleich kinematischer Messungen mit einer Referenz Inversion von Pseudosektionen Prüfung der Referenz durch in-situ-messungen Statische Dauermessungen Kinematische Wiederholungsmessungen Vergleich mit laboranalytisch bestimmten Bodenparametern Laborexperimente Eingesetzte Verfahren der Geostatistik Weitere Bewertungsmethoden Bestimmung anderer Bodenparameter Ergebnisse Aussagen zur zeitlichen Stabilität der Messwerte Wiederholungsmessung mit dem 4-punkt-light und der Geotom Wiederholungsmessungen mit dem EM Wiederholungsmessungen mit dem CM Wiederholungsmessungen mit dem Veris 3100 und dem ARP Erfasster Bodenraum Theoretische Überlegungen Beobachtungen im Freiland Einfluss des Wassers auf die ECa Trogexperiment Beobachtungen im Freiland Bodenbearbeitung und ECa Bodenverdichtung und ECa Vorfrucht und ECa Das EM38 MK Der Bodensensor der Fachhochschule Osnabrück Der OhmMapper Laboranalytische bestimmte Bodenparameter und ECa Zusammenhänge zwischen verschiedenen Bodenparametern und Textur Korrelationen zwischen ECa und Textur Korrelationen zwischen ECa und diversen Bodeneigenschaften Warum sind die Korrelationen zwischen Bodenparametern und EM38-Werten schlechter? Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse Zusammenfassung Planerfüllung und weiterführende Fragestellungen Planerfüllung Weiterführende Fragestellungen Danksagung... 49

4 Evaluierung Geoelektrik 4 7 Publikationen Im Bericht zitierte Literatur Im Verlauf des Projektes entstandene Veröffentlichungen Im Verlauf des Projektes durchgeführte Öffentlichkeitsarbeit... 53

5 Evaluierung Geoelektrik 5 1 Ziele und Aufgabenstellung des Projektes Große zusammenhängende landwirtschaftliche Nutzflächen führen dazu, dass neben kleinskaligen Variationen von Bodeneigenschaften auch weiträumige Änderungen beobachtet werden. Auf Heterogenitäten, die sich in unterschiedlichen Wachstumsbedingungen für die Pflanzen auswirken, will die moderne Landwirtschaft in Form von Precision Agriculture reagieren. Arbeitsgänge wie Aussaat, Düngung, Bodenbearbeitung und die Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln werden den Erfordernissen des jeweiligen Standortes angepasst und innerhalb eines Schlages entsprechend gesteuert. Damit wird ein wichtiger Beitrag für die ökologische Zielsetzung einer nachhaltigen, integrativen und umweltschonenden Landwirtschaft geleistet. Die teilschlagspezifische Nährstoffausbringung z.b. kann wesentlich dazu beitragen, den Austrag zu reduzieren und die Belastung von Grundwasser und Oberflächengewässern zu minimieren. Die Einführung einer teilflächenspezifischen Bewirtschaftung setzt die Kenntnis der räumlichen Variabilität der entsprechenden Bodeneigenschaften voraus. Die herkömmlich genutzten Daten zur Flächendifferenzierung sind alle hilfreich, lösen aber die Probleme bei der Erstellung der notwendigen Steuerparameter in Form einer Applikationsdatei nicht hinreichend. Umfangreiche Studien haben gezeigt, dass geophysikalische Kartierungen der elektrischen Leitfähigkeit des Bodens eine sehr wertvolle Ergänzung zur Charakterisierung der Bodeneigenschaften liefern können. Prinzipiell gibt es physikalisch unterschiedliche Messmethoden, die eine Bestimmung der elektrischen Bodenleitfähigkeiten erlauben. Jede Methode hat Vor- und Nachteile. Es wurde im Projekt untersucht, ob eine Methode bevorzugt einzusetzen ist. Nach einigen Jahren Erfahrung mit der elektromagnetischen Methode (EM38), kleinräumigen Tests gleichstromgeoelektrischer Messungen und den bisherigen Ergebnissen aus Frankreich und den USA stellte sich die Frage, warum in Deutschland bisher nur das EM38 in die Landwirtschaft eingeführt wurde, die anderen Verfahren bisher wenig Beachtung fanden. In dem durchgeführten Projekt wird eine Wertung der verfügbaren geophysikalischen Leitfähigkeits-Messverfahren und ihrer gerätetechnischen Umsetzung für den Einsatz in der Landwirtschaft vorgenommen. Dazu mussten die verschiedenen Technologien und Verfahren, die für großflächige Kartierungen einsetzbar sind, im Feldmaßstab erprobt und evaluiert werden. Das Gesamtziel ist die Bereitstellung effizienter, stabil arbeitender Methoden zur Flächendifferenzierung im Online-Betrieb. Aus den eigenen Testserien, die die Praktikabilität der unterschiedlichen Methoden unter verschiedenen Bedingungen zum Inhalt haben, sollen Handlungshilfen für Dienstleistungsbetriebe und Praktiker abgeleitet werden. Das Hauptziel des Projektes war es, die verfügbaren Leitfähigkeits-Messverfahren hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit in der Landwirtschaft zu bewerten. Daher galt das Augenmerk den Methoden und Geräten, die unter Praxisbedingungen zur flächendeckenden Kartierung von Schlägen geeignet sind. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in einem Leitfaden für Dienstleister und Praktiker zusammengefasst (KTBL-Loseblattsammlung)

6 Evaluierung Geoelektrik 6 In die Bewertung gehen folgende Parameter ein: Messgenauigkeit (Reproduzierbarkeit, Störgrößen) Bias (systematische Abweichungen) Erfasster Bodenraum (Messtiefen, Seiteneinflüsse) Auflösungsvermögen (horizontal und vertikal) Anzahl der Output-Parameter Handhabung (Einsetzbarkeit, Ergonomie) Qualität von Hardware, Software und Support Bezug zu relevanten Bodenparametern 1.1 Planung und Ablauf des Projekts Durch die Verschiebung des Projektbeginns vom Frühjahr in den Spätherbst konnte der ursprüngliche Zeitplan nicht detailgenau umgesetzt werden. Ein Soll-Ist-Vergleich zeigt aber, dass alle geplanten Untersuchungen durchgeführt wurden. In Folge der Zusammenarbeit mit verschiedensten Einrichtungen und Partnern sind während der Projektlaufzeit Zusatzfragen aufgetaucht, die zu ergänzenden Messungen geführt haben. Auf Grund des hohen Informationsbedarfs und der Möglichkeit, auf Fragen durch Anwender noch während der Projektlaufzeit zu reagieren, dient es der Gesamtzielstellung, Informationen über das Internet bereitzustellen. Aus diesem Grund wurden Internetseiten erstellt, die unter dem Link: abrufbar sind. Weitere, bereits während der Projektlaufzeit entstandene Publikationen sind im Bericht unter Punkt 6 aufgeführt. Die geplanten Untersuchungen können in drei Gruppen eingeteilt werden: 1. Untersuchungen zur zeitlichen Stabilität bzw. Reproduzierbarkeit der Messwerte jedes Gerätes 2. Vergleich verschiedener Verfahren unter Feldbedingungen (Freiland) 3. Evaluierung der Messergebnisse im Vergleich mit Bodenanalysen Im Verlauf des Projektes wurden folgende Geräte eingesetzt und einer Bewertung unterzogen: 1. Geräte der Elektromagnetik: - EM38, EM38-DD, EM38-MK2 und EM31der Firma GEONICS Canada - CM138 (gf Instruments Brno) 2. Geräte der Gleichstromgeoelektrik im stationären Modus - GeoTom ( GeoLog Deutschland) - 4-punkt-light (LGM Lippmann, Geophysikalische Geräte) - Impetus 12 F (Big-M Büro für ingenieurgeophysikalische Messungen Greifswald) 3. Geräte der Gleichstromgeoelektrik im rollenden Modus - VERIS3100 (VERIS technologies, USA) - ARP 03 früher unter dem Namen MUCEP eingesetzt (Geocarta, Frankreich) - in der Entwicklung befindliche Geräte (Universitäten Potsdam und Kiel) 4. Geoelektrik nach dem direct-push-verfahren (Messungen in kleinen Bohrlöchern) - ERM (Earth Resistivity Meter) der Firma Ejkelkamp - VERIS-Profiler der Firma VERIS technologies 5. Kapazitätssensor der Fachhochschule Osnabrück 6. Kapazitiv ankoppelndes Elektrodensystem Ohmmapper der Firma Geometrics USA Für einen Teil der Messgeräte konnten Untersuchungen zur Stabilität der Messwerte im stationären Modus (ortsfeste Messung über einen längeren Zeitraum) durchgeführt werden.

7 Evaluierung Geoelektrik 7 Stationäre Wiederholungsmessungen mit dem VERIS 3100 und dem ARP 03 waren aus technischen Gründen nicht möglich. Die jeweilige Software beider Geräte verhindert, dass hintereinander Messungen an der gleichen Position aufgezeichnet werden. Beim VERIS 3100 war dies ursprünglich möglich, in der aktuellen Software ist diese Option nicht mehr vorhanden. Für diese beiden Geräte kann die Genauigkeit der Messungen nur über Wiederholungsmessungen während der Befahrung beurteilt werden. Als Testgebiete sind ackerbauliche Nutzflächen in verschiedenen geologischen Regionen und Bodenlandschaften Deutschlands ausgewählt worden. Dies sollte die Ergebnisse verallgemeinerungswürdig zu machen. Die Abb. 1 gibt einen Überblick über die Lage der Untersuchungsflächen. Abb. 1: Lage der Untersuchungsflächen und Geologie Ergänzend zum ursprünglichen Projektantrag wurden auf Grund von Nachfragen zusätzliche Fragestellungen aufgenommen. Sie betreffen die Nutzbarkeit der Geoelektrik - auf hydromorphen Böden (Standort mit Grund, Stau- oder Hangwasser ) Großbeeren - zum Aufspüren von Bodenverdichtungen Göttingen - und zum Nachweis unterschiedlicher Bodenbearbeitung Seelow, Lüttewitz Dies hat zu geringfügigen Änderungen in der Lage der Testflächen geführt und uns insbesondere dazu veranlasst, den Lößstandort Barnstädt durch die Lößstandorte Göttingen und Lüttewitz auszutauschen.

8 Evaluierung Geoelektrik 8 Die Messungen bei Beckum erfolgten als Alternative zum Standort Hamminkeln, da dort aus dem bmbf+t Projekt preagro und speziell aus dem Teilprojekt Stickstoff-Dynamik (C. Kersebaum, K. Lorenz) Daten zur Verfügung stehen. Da Qualität und Anwendbarkeit der Verfahren nicht zuletzt wesentlich von den Materialeigenschaften selbst bestimmt werden, war es notwendig, Böden mit sehr unterschiedlichen elektrischen Widerständen zu untersuchen. Mit der Auswahl der Untersuchungsstandorte ergibt sich ein breites Spektrum von Böden, die teilweise unter verschiedenen klimatischen Situationen einheitlich oder mit differenzierten Bearbeitungsmethoden bewirtschaftet werden. Die Tabelle 1 gibt einen Überblick über die beobachteten Wertebereiche für Leitfähigkeiten und elektrische Widerstände (In der Tabelle sind auch Werte enthalten, die im Verlauf anderer Projekte erhoben wurden). Tabelle1: Wertebereiche für die elektrischen Leitfähigkeiten bzw. elektrischen Widerstände in Abhängigkeit vom Messgebiet (Zusammenstellung aus verschiedenen Projekten) Versuchsstandort Elektrischer Widerstand [Ohm m] Elektrische Leitfähigkeit [ms/m] Beckum < 45 Bornim < 40 Braunschweig < 5 Döberitzer Heide < 2.5 Golm < 6 Golzow < 100 Göttingen < 50 Greifswald < 303 Großbeeren < 110 Güterfelde < 8.5 Hörsingen < 46 Köllitsch < 30 Kassow < 30 Lindau < 16 Lüttewitz < 42 Müncheberg < 9 Niedergörsdorf < 11 Osnabrück < 3.5 Querenhorst < 75 Schwaan < 30 Tharandt < 5 Thyrow < 6 Welzow < 77 Die Widerstandswerte in dem untersuchten Tiefenbereich zwischen 0 und 2 m streuen zwischen 3.3 Ohm m und Ohm m, die an der Oberfläche gemessenen Leitfähigkeitswerte bewegen sich in einem Wertebereich von 2.5 ms/m bis 303 ms/m. Damit ist ein breites Band beobachteter Leitfähigkeiten im Gelände überdeckt worden, so dass die gewonnenen Ergebnisse wohl auf alle Böden Deutschlands übertragen werden können. Die zum Gerätevergleich durchgeführten Messungen an unterschiedlichen Standorten sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

9 Evaluierung Geoelektrik 9 Tabelle 2: Übersicht über die an verschiedenen Standorten eingesetzten Verfahren Messgebiet EM38 EM38DD EM38-MK2 CM-138 EM31 Geotom 4-punkt-light Impetus VERIS3100 ARP03 div. rollende Technik ERM Ejkelkamp VERIS-Profiler Bodensensor Osnabrück OhmMapper Georadar Beckum x x x x x x Beelitz x x x Bornim x x x x x x x x x x x x Borsdorf x x Braunschweig x x Cunnersdorf x x x Golm/Potsdam x x x x x Golzow x x x x x x x x Göttingen x x x x Großbeeren x x x x x x x x x Kassow x x x x x x x Kiel x x x Köllitsch x x x x x x x Lindau x x x x Lüttewitz x x x x x x x Müncheberg x x x x x x München x x x x Niedergörsdorf x x x Osnabrück x x x x x x x x Querenhorst x x x Schwaan x x x x x x x x Seelow x x x Tharandt x x Es wurden teilweise Wiederholungsmessungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt, um den Einfluss von Boden- und Lufttemperatur, des Wassergehaltes und des Zustandes der Bodenoberfläche (Bedeckungsgrad, Rauhigkeit usw.) zu untersuchen. Dabei hat sich gezeigt, dass auch Einflüsse der früheren Bewirtschaftung in den Daten sichtbar werden, was bei einer Interpretation von Leitfähigkeitsdaten Berücksichtigung finden muss. Aus logistischen und finanziellen Gründen konnten nicht alle Vergleichsmessungen jeweils exakt zum gleichen Zeitpunkt durchgeführt werden. Häufig gibt es nur ein kleines Zeitfenster, in denen die Felder für die entsprechenden Untersuchungen freigegeben werden können. Wir haben uns bemüht, zeitnahe Vergleichsmessungen durchzuführen, wissen aber auch aus einer Vielzahl von Messreihen, dass der Zeitpunkt der Messung für grundwasserferne Standorte wenig Einfluss auf die abgebildeten Strukturen hat und somit auch Ergebnisse unterschiedlicher Messtermine gut miteinander zu vergleichen sind.

10 Evaluierung Geoelektrik Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde Wenn man den Stand von Wissenschaft und Technik umreißen will, muss man zwischen folgenden Punkten differenzieren: a) Nutzen des Parameters Leitfähigkeit zur Flächendifferenzierung b) Bewertung der Technik zur Leitfähigkeitskartierung Nutzung des Parameters Leitfähigkeit zur Flächendifferenzierung Nachdem in München (DURLESSER, 1999) und Potsdam (LÜCK u.a., 2000, LÜCK u.a., 2002) Projekte zur Evaluierung der elektrischen Leitfähigkeit für die Landwirtschaft erfolgreich abgeschlossen wurden, wird die Methode heute in Deutschland bereits in größerem Umfang eingesetzt. Einen großen Anteil an der Verbreitung von Geoelektrik-Kartierungen in Deutschland hat das vom BMBF geförderte Verbundprojekt preagro (Managementsystem ortspezifischer Pflanzenbau). Die Ziele von preagro I waren es, allgemeingültige und übertragbare Bewirtschaftungsregeln zu erarbeiten, um schlaginterne Standortunterschiede in die Gestaltung von Bewirtschaftungsmaßnahmen einzubeziehen. Für alle in diesem Projekt genutzten Beispielschläge wurden Leitfähigkeitskarten angefertigt, um Hinweise auf die Bodenheterogenität innerhalb der Flächen zu erhalten (SCHMIDHALTER, 2002). Dem Teilprojekt Digitale Hof-Bodenkarten diente die Leitfähigkeitskarten als wertvolle Informationsgrundlage (LAMP, HERBST, REIMER 2002) In dem vom ATB koordinierten Projekt Entwicklung einer low-input Lösung für die teilflächenspezifische Bewirtschaftung im Betriebsmaßstab wurden Leitfähigkeitskartierungen und Luftbildaufnahmen zur Flächendifferenzierung eingesetzt (DOMSCH, 2001). Das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie in Niedersachsen (LBEG) kombiniert in seinem Projekt Digitale Hofbodenkarte und ihre Anwendungen - ein Beitrag zur Optimierung der Produktionsprozesse in landwirtschaftlichen Betrieben Bodenleitfähigkeitsmessungen und vorliegende Bodendaten miteinander. In den letzten zwei Jahren wurden hierzu wiederholt Leitfähigkeitskartierungen mit dem VERIS3100 eingesetzt. Der Einsatz der Leitfähigkeitskartierung erfolgt nicht mehr nur im Rahmen von Forschungsprojekten, sondern hält auch Einzug in die landwirtschaftliche Praxis. In der teilflächenspezifischen Bewirtschaftung (Precision Farming) ist die Bodenleitfähigkeitsmessung ein etabliertes Verfahren und wird in Deutschland von mehreren Agrar- Dienstleistern angeboten. Bereits 1998 wurde ein Veris 3100 durch die Firma SATCON nach Deutschland importiert und zu Testzwecken auf verschieden Betrieben eingesetzt. Die Resonanz war allerdings gering, sodass das Gerät bald an die Firma Kerkenpaß verkauft wurde. Allerdings hatte auch dieser Dienstleister zunächst keinen Markterfolg. Die Marktakzeptanz in Deutschland wurde vermutlich erst durch das Projekt preagro geschaffen, für das die Firma Durlesser & Sperl GbR (Ausgründung der TUM München) zwischen 1999 und 2001 über 1000 ha Fläche mit dem EM38 kartiert hat. Kurz darauf hat auch der gegenwärtig größte Agrar-Dienstleister im Bereich Precision Farming, die Firma AgriCon, Kartierungen mit dem EM38 in sein Angebot aufgenommen. Unter dem Namen Bodenscanner nutzt AgriCon das EM38 zur Erstellung von Hof-Bodenkarten, Optimierung der Bodenbeprobung und zur Auswertung landwirtschaftlicher Feldversuche (On-Farm- Research, AGRICON, 2001). Weitere Dienstleistungsbetriebe haben sich mittlerweile ebenfalls ein EM38 angeschafft. Während der Projektlaufzeit war zu beobachten, dass auch zunehmend das VERIS 3100 Akzeptanz findet. Durch Kooperation mit der LUFA Nord-West IfB (Niedersachsen) und dem Niedersächsisches Landesamt für Bodenforschung (jetzt

11 Evaluierung Geoelektrik 11 Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie) konnte die Firma Kerkenpaß mehrere tausend ha kartieren und hat seinen Gerätepark um den VERIS 3000 Profiler erweitert. Die während der 3. Europäischen Konferenz zu Precision Agriculture 2001 speziell der Leitfähigkeitskartierung gewidmete Session Soil and Precision Agriculture 1 zeigte, dass im europäischen Maßstab diesem Thema eine große Bedeutung beigemessen wird. Besonders deutlich wird dies, wenn man nach Dänemark schaut. Düngeverordnungen und das Fehlen von Bodenkarten haben hier dazu geführt, dass elektrische Leitfähigkeitskartierungen in großem Maßstab gefragt waren und praktisch eine Grundinventur zahlreicher Flächen mittels EM38 erfolgte. (http://www.agrsci.dk/plb/precisionagriculture, KRISTIANSEN et al, 2002). Etwa 15% der Beiträge auf der 6. Internationalen Konferenz zu Precision Agriculture bauen auf Leitfähigkeitskartierungen als Mittel zur Flächendifferenzierung auf. Während in Deutschland vorwiegend das EM38 eingesetzt wird, beobachtet man in den USA ein ausgewogenes Verhältnis von EM38 und Gleichstromgeoelektrik. Bodeninformationen werden zur Abschätzung von Ertragspotenzialen und als Datengrundlage zur Regulierung des Wasser- und Stoffhaushaltes im Schlag benötigt. Für zeitlich stabile Parameter, darunter insbesondere für die Textur ist eine einmalige Erhebung ausreichend. Verschiedene Studien in der Vergangenheit haben gezeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit wesentlich von der Textur bestimmt wird und Wiederholungskartierungen zu unterschiedlichen Jahreszeiten ähnliche Heterogenitätsmuster ergeben (LUND et al. 1998, JAMES et al. 2000, LÜCK et al. 2000, SCHMIDHALTER et al. 2001, LAMP, HERBST, REIMER 2002). In vielen kleineren und größeren Projekten wurden in der Vergangenheit Leitfähigkeitskartierungen zur Flächendifferenzierung eingesetzt. Dabei kam in Deutschland hauptsächlich das EM38 zum Einsatz. Es gibt wohl kaum ein anderes kommerziell verfügbares geophysikalisches Gerät, über welches soviel publiziert wurde und wird wie das EM38. Eine Durchsicht der Publikationen aus der Sicht eines Geophysikers führt zu der Schlussfolgerung, dass der Parameter der elektrischen Leitfähigkeit zur Bodenbeschreibung zwar anerkannt wird, dass der Umgang mit geophysikalischen Techniken und Methoden aber nicht problemlos von Fachfremden möglich ist. Bei einer Reihe von Arbeiten wird sichtbar, dass es sich um den ersten Kontakt mit geophysikalischen Verfahren handelt und es zur unbedarften Anwendung und Interpretation kommt, die den aktuellen Erkenntnisstand nicht berücksichtigt Bewertung der Technik zur Leitfähigkeitskartierung Bei den meisten Untersuchungen auf nationaler und internationaler Ebene standen die Fragen der Korrelation zwischen der Leitfähigkeit einerseits und anderen, landwirtschaftlich und bodenkundlich relevanten Parametern im Vordergrund. Bisher ging es darum zu zeigen, dass die Methoden eine wertvolle Datengrundlage für die Landwirtschaft liefern können. Die Frage nach der Datenqualität und insbesondere nach der Eignung der unterschiedlichen geoelektrischen Verfahren ist bisher nur selten gestellt worden. Prinzipiell gibt es drei physikalisch sehr unterschiedliche Messmethoden, die eine Bestimmung von elektrischen Bodenleitfähigkeiten erlauben. Es sind Verfahren, die auf der Grundlage einer galvanischen oder einer kapazitiven Ankopplung arbeiten und solche, die auf dem Prinzip der Induktion (Elektromagnetik) beruhen, entwickelt worden (Abb. 2).

12 Evaluierung Geoelektrik 12 Abb. 2: Prinzipskizze für Gleichstrommesseinrichtung mit galvanischer Ankopplung an den Boden (A), berührungslos arbeitende elektromagnetische Messeinrichtung (B) und kapazitiv ankoppelndes System (C) Aus geophysikalischer Sicht (vgl. Tabelle 3) hat jedes Verfahren Vor- und Nachteile, die gegeneinander abgewogen werden sollten. Momentan sind einige davon bekannt (DABAS, 2001, LÜCK et al. 2002), andere haben sich durch entsprechende Testreihen dieses Projekts ergeben. Tabelle 3: Vergleich von elektromagnetischer Induktion und elektrischer Widerstandsmessung Elektromagnetische Induktion (EMI) Berührungslose Messung Kleine, leichte und handliche Messgeräte Bedienung erfordert aufgrund der Störempfindlichkeit mehr Know-how Erkundungstiefe bei den praxisrelevanten Geräten durch Änderung der Orientierung (zwei Positionen) und durch Höhe über den Boden beeinflussbar (hochheben verschlechtert jedoch die Signalqualität) Eine Tiefe pro Messdurchgang, beim EM38 DD zwei Misst Relativwerte, Gerätekalibrierung erforderlich. Daher nur relative räumliche Variationen erfassbar, kaum absolute Relativ temperaturempfindlich Empfindlich gegenüber Metall, an der Oberfläche und im Untergrund Empfindlich für elektromagnetische Felder z.b. Stromkabel, Gewitter Reagiert stärker auf gut leitfähige Strukturen Zerstörungsfreies Arbeiten im Bestand bis 30 cm Höhe Elektrische Widerstandsmessung (EWI) Direkter Kontakt (galvanische Ankopplung) notwendig Große und schwer zu transportierende Geräte Robuste Messgeräte Erkundungstiefe durch Elektrodengeometrie steuerbar Relativ einfach auf mehrere Messtiefen erweiterbar Misst bei sorgfältigem Gerätedesign Absolutwerte, damit ist ein zeitliches Monitoring möglich Wenig temperaturempfindlich Metall stört kaum Unempfindlich für elektromagnetische Felder Reagiert stärker auf schlecht leitfähige Strukturen Schäden am Bestand können nicht ganz ausgeschlossen werden Nach Größe der kartierten Fläche dominierte zu Projektbeginn in Deutschland das EM38. Ein wohl wesentlicher Grund für die Bevorzugung des EM38 liegt in der Tatsache, dass dieses Gerät klein, leicht und handlich ist und ohne große Probleme von einem Einsatzgebiet zum nächsten transportiert werden kann. Die zum Einsatz kommenden Geräteträger (Schlitten) sind so konstruiert, dass sie bequem in einen PKW verladen werden können. Somit haben

13 Evaluierung Geoelektrik 13 auch kleinere Institute und Dienstleister die Möglichkeit, ohne großen technischen Aufwand die Methode einzusetzen und für landwirtschaftliche Fragestellungen zu evaluieren. Die Nachteile der Elektromagnetik dürfen aber nicht verschwiegen werden und die Zukunft wird zeigen müssen, inwieweit die notwendigen Datenkorrekturen und Nachbearbeitungen vertretbar sind. In der Vergangenheit wurden viele Anstrengungen unternommen, um Ertragsdaten zu korrigieren und zu glätten. Dagegen wurden wenig Gedanken der Korrektur und Anpassung von EM38-Daten gewidmet. Hier herrscht ein gewisses Ungleichgewicht, auf das hingewiesen werden soll. Auch geophysikalische Daten bedürfen einer Nachbearbeitung. Auf Grund des interessierenden Tiefenbereiches von 1.5 m kommt bei elektromagnetischen Untersuchungen derzeit das von GEONICS (Kanada) entwickelte EM38 zum Einsatz. Einige Nachteile des EM38 sind von verschiedenen Forschergruppen erkannt worden. In der Arbeit von SUDDUTH et al. (2001) findet man eine sehr eingehende Diskussion zu der Frage der Stabilität der EM38-Messwerte. Hier wird angenommen, dass Änderungen der Lufttemperatur die größten Messfehler herbeiführen. Auch eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass die Messwerte des EM38 durch die Temperatur des Gerätes beeinfluss werden. Vom Hersteller wird auf Nachfrage für die Messungen im Q-Mode (Leitfähigkeitsmessung) eine Temperaturdrift von 0.15 ms/grad angegeben, die Drift für die Messungen der Inphase-Komponente ist höher und liegt bei 2.5 ms/grad. Eigene Messungen haben insbesondere auch für die Messungen im Q-Mode sogar zum Teil höhere Werte ergeben (LÜCK et al. 2000, LÜCK et al. 2002). Das folgende Beispiel soll zeigen, welche Fehlkartierungen durch die Unzulänglichkeiten des EM38 entstehen können. In der Abb.3 ist die Rekonstruktion möglicher Effekte zu sehen, die alle bereits an Datensätzen beobachtet wurden. Während in (A) die ungestörte Kartierung zu sehen ist, beobachtet man in (B) einen Niveausprung in den Daten, der z.b. durch Unterbrechung der Feldarbeiten zustande kommt. In (C) ist ein Langzeittrend in den Daten enthalten, der eine Temperaturänderung z.b. in Form einer langsamen Erwärmung als Ursache hat. Dem Datensatz in (D) ein ondulierender Trend überlagert worden, d.h. Erwärmungs- und Abkühlphasen (z.b. durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung) wechseln einander ab. Im letzten Beispiel (E) ist der Einfluss der Feldgeometrie erkennbar. Erst im letzten Abschnitt der Feldarbeiten weisen die Daten einen linearen Trend auf.

14 Evaluierung Geoelektrik 14 Abb.3: Gerätebedingte Datenfehler unter Nutzung des EM38 Es laufen verstärkte Forschungsanstrengungen, Korrekturalgorithmen zu entwickeln, die diese Messfehler beseitigen sollen (ZIPPRICH et al. 2002). Verfahren basierend auf räumlichen Beziehungen können nur dann eine wirkliche Korrektur bewirken, wenn es sich um Niveauunterschiede zwischen benachbarten Messreihen handelt. Effekte einer langsamen Messwertänderung infolge von Temperaturänderungen sind damit kaum zu fassen. Für nicht aneinandergrenzende Schläge versagen derartige Betrachtungen ebenfalls. Erschwerend kommt hinzu, dass Leitfähigkeitssprünge an Feldrändern nicht nur durch Geräteeffekte sondern z.b. auch durch Bewirtschaftungsunterschiede entstehen können. Dies zu trennen, wird kaum möglich sein. Wenn Störeffekte nicht bereits im Gelände erkannt und entsprechende Korrekturdaten erfasst werden, ist später eine Korrektur nahezu unmöglich. Das EM38 kann aufgrund seiner Historie und der großen Verbreitung mittlerweile als Klassiker bezeichnet werden. Daher ist es kaum verwunderlich, dass es direkte Konkurrenzprodukte gibt, die ebenfalls auf die elektromagnetische Technik setzen und ähnliche Parameter wie das EM38 aufweisen. Zu diesen Konkurrenten zählt das durch gf Instruments in Tschechien entwickelte Gerät CM138 (http://www.gfinstruments.cz), das mit gleichem Spulenabstand und gleicher Frequenz wie das EM38 arbeitet. Als Vorteil gegenüber dem EM38 soll das CM138 laut Hersteller keine subjektive Gerätekalibrierung benötigen und außerdem keinen Temperaturgang aufweisen hatte das Gerät noch den Nachteil, dass die Werte zeitlich diskret bestimmt werden. Wir standen damals mit dem Hersteller in

15 Evaluierung Geoelektrik 15 Kontakt. Es war kein Problem, die auf dem Display sichtbare kontinuierliche Datenerfassung auch digital umzusetzen. Die für das Projekt umgerüstete Variante des CM138 lässt eine Datenerfassung über den Laptop zu. Elektromagnetikgeräte, welche hier ebenfalls erwähnt werden sollen, kommen von der kanadischen Firma DUALEM. Diese Geräte sind erst so jung auf dem Markt, dass bisher keine Angaben dazu gemacht werden können. In Frankreich werden durch die Firma Geocarta derzeit massive Anstrengungen unternommen, das dort entwickelte Gerät MUCEP (Multipole Continous Electrical Profiling), welches auf der Basis der Gleichstromgeoelektrik arbeitet, unter dem Namen ARP (Automatic Resistivity Profiling) in die Praxis zu überführen (DABAS et al., 2001, DABAS et al., 2002). Neben dem Einsatz in Landwirtschaft und Archäologie wird das Gerät nach entsprechender Weiterentwicklung (Fahrmöglichkeit auf geneigten Flächen) auch im Weinbau eingesetzt. Aus den USA sind zahlreiche Beispiele einer gleichstromgeoelektrischen Kartierung bekannt. Mit dem von Veris Technologies in Kansas entwickelten Gerät VERIS 3100 sind in den USA bereits viele Felder kartiert und die Leitfähigkeitskarten anderen im Feld bestimmten Größen gegenübergestellt worden (LUND et al. 1998, LUND et al , LUND et al. 2002). Mit dem Ohmmapper stellt die Firma Geometrics eine Entwicklung bereit, die auf einer kapazitiven Ankopplung beruhend große Flächen kartieren kann (www.geometrics.com). Hier fehlten allerdings bisher noch Felderfahrungen, da das Verfahren und das Gerät relativ neu auf dem Markt waren. Über erste Vergleichsmessungen wurde auf der 65. Konferenz der EAGE berichtet (Allred et al, 2003). Nicht unerwähnt bleiben darf der sog. SoilDoctor (CTI Crop Technology, Inc., USA), der auch auf der Messung der elektrischen Bodeneigenschaften beruht, allerdings von einer anderen Philosophie ausgeht. Der SoilDoctor steuert teilflächenspezifisch die Düngung im Online-Betrieb. Eine Einschätzung fällt schwer, da das eigentliche Messprinzip seitens des Entwicklers JOHN W. COLBURN nicht ausreichend offen gelegt wird. Auch die direkte Korrespondenz mit Herrn Colburn hat wenig Aufklärung gebracht. Auf den Internetseiten der Firma CTI wird versprochen, dass das System Bodenart, Kationenaustauschkapazität, organische Substanz, Bodenfeuchte, Wasserspeicherfähigkeit, Gründigkeit und verfügbares Nitrat im Ap-Horizont erfasst. Solche Fähigkeiten sind erstaunlich, bedenkt man, wie viel Forschungsarbeit in die schnelle Messung dieser Parameter bereits investiert wurde - bislang ohne durchschlagenden Erfolg. Zu hinterfragen bleiben diese Angaben auch deshalb, weil außer auf den Internetseiten von CTI, keine Informationen von unabhängigen Stellen zu dem System zu finden sind. Der SoilDoctor ist auf wissenschaftlichen Tagungen, wie z.b. der 6. Internationalen Tagung zu Precision Agriculture, weder als Aussteller noch in Vorträgen präsent. Solange, vermutlich aus patentrechtlichen Gründen, über die Messmethode des Gerätes nichts bekannt wird, ist selbst eine vorläufige Einschätzung nicht möglich. Die physikalisch bedingten Mehrdeutigkeiten der Interpretation geoelektrischer Messungen werden sicherlich auch vom SoilDoctor nicht außer Kraft gesetzt werden. Möglicherweise werden sie durch die Betrachtung des elektrischen Widerstandes als komplexe Größe etwas eingeschränkt. Es ist von Bodenkundlern und landwirtschaftlichen Forschungseinrichtungen erkannt worden, dass der Parameter der Bodenleitfähigkeit zur Erfassung von Bodenunterschieden herangezogen werden kann, die auch für diese Fachgebiete relevant sind. Aus diesem Grund starten momentan insbesondere landwirtschaftlich orientierte Forschungsinstitute mit Geräteentwicklungen, die den kontinuierlichen Feldeinsatz anstreben. Aufgabe der Geophysik

16 Evaluierung Geoelektrik 16 muss es an dieser Stelle sein zu prüfen, inwieweit die in der Geophysik bereits existierenden bzw. methodisch vorbereitete Geräte ebenfalls für eine kontinuierliche Datenerfassung im sog. rollenden Modus geeignet sind. Auf Grund der Tatsache, dass die elektrische Leitfähigkeit des Bodens von mehreren Faktoren beeinflusst wird, sind die Entwicklungen in Richtung der komplexen elektrischen Leitfähigkeit zu befürworten. So ist im Rahmen des interdisziplinären Forschungsschwerpunktes Intelligente Sensorsysteme ISYS an der Fachhochschule Osnabrück ein Sensor zur Kapazitätsmessung entwickelt worden (EMEIS et al, 2002), welcher weiterer Erprobungen und Vergleichsmessungen bedarf. Entsprechende Feldkampagnen wurden in diesem Projekt realisiert. Aus der Tabelle 3 geht hervor, dass die Elektromagnetik ungeeigneter erscheint, wenn es darum geht, Aussagen zur Schichtung vorzunehmen. Derzeit laufen sowohl in Deutschland als auch international verschiedene Anstrengungen, dem entgegen zu wirken. - Auf der Suche nach einer tiefenaufgelösten Strukturierung des Bodens wird u.a. an der Universität Gent und im ATB Potsdam Bornim das EM38DD eingesetzt. Die damit erhältlichen Informationen über zwei unterschiedliche Tiefenbereiche des Bodens (0-75cm und cm) sind bei Nutzung des herkömmlichen EM38 nur durch eine wiederholte Befahrung der Felder zu erhalten (http//soilman.rug.ac.be). - An der TU München steht seit Herbst 2002 eine Geräteentwicklung zur Verfügung, die sich noch in der Erprobungsphase befindet (SCHMIDHALTER, mdl. Mitteilung). Das speziell für die TU München angefertigte EM38-MK2 ist eine Umrüstung des EM38 auf den halben Spulenabstand bei gleichzeitiger Erhöhung der Frequenz mit dem Ziel, verstärkt den Oberboden zu erfassen. Allerdings liegen beim Hersteller GEONICS selbst bisher nur wenig Testergebnisse und Erfahrungen vor. - Das im Multifrequenzbetrieb ( Hz) arbeitende, von GSSI (USA) auf den Markt gebrachte GEM300 basiert auf der Annahme, dass die Eindringtiefe umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Mit verschiedenen Frequenzen können unterschiedliche Eindringtiefen abgebildet werden. Im praktischen Einsatz sind allerdings derartig massiv Fehler (Sprünge, Drift usw.) aufgetreten, dass das Gerät sich auf dem deutschen Markt bisher nicht durchsetzen konnte. - Über den Breitbandsensor GEM-2 von Geophex, Ltd. ist bisher wenig bekannt. Auch dieses Gerät arbeitet im Frequenzbereich zwischen 330 Hz und 24 khz und kann sowohl mit einer Frequenz als auch im Multifrequenzbetrieb genutzt werden. - An der Universität Aarhus (Dänemark) steht seit einigen Jahren Technik für die kontinuierliche Leitfähigkeitskartierung zur Verfügung, die ebenfalls Aussagen zur Schichtung des Bodens erlaubt. Ein auf der Basis der Geoelektrik arbeitendes Systems PACES (pulled array continuous electrical sounding) und eine auf dem Prinzip der Elektromagnetik im Zeitbereich funktionierende Einheit PATEM (pulled array continuous transient sounding) finden insbesondere ihren Einsatz für hydrologische Fragestellungen (SØRENSEN, 1999). Da mehrere Dipole gleichzeitig messen, ist die gezielte Erfassung unterschiedlicher Tiefenbereiche gleichzeitig möglich. Auch wenn die derzeit erreichte Flächenleistung mit km/tag unter der bleibt, wie sie mit anderen Systemen erreicht wird, so ist hier der große Vorteil in der Aufklärung der Schichtung zu sehen.

17 Evaluierung Geoelektrik 17 Die Frage nach der Datenqualität ist bisher wenig gestellt worden. Bei der Bewertung der geophysikalischen Verfahren sind folgende methodischen Probleme zu berücksichtigen: - Messungen werden teilweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt - Messungen an nicht exakt den gleichen Positionen - Frage nach der geeigneten Referenzmethode - Kausalanalyse nur eingeschränkt, da Bodenuntersuchungen nie in dem gewünschten Umfang möglich sind - Diverse Fehlerquellen (Lagebestimmung im Raum Positionierung, Messgerätefehler, Datenverarbeitung bei der Datenerfassung z.b. Filter) - Während die elektromagnetischen Verfahren deutlich besser geeignet sind, um gutleitfähige Strukturen zu studieren, sind die gleichstromgeoelektrischen Methoden geeigneter für die Arbeit in Gebieten mit hohen Widerstandswerten. Die Umrechnung der Widerstandswerte in Leitfähigkeiten und die sich anschließenden parametrische Korrelationsanalysen können insbesondere für Extremsituationen (hochohmig oder niederohmig) zu verzerrten Resultaten führen. - Bei Messungen von der Oberfläche aus kommt hinzu, dass die Messwerte immer von der gesamten Bodensäule beeinflusst werden. Messungen, die Schichten in größeren Tiefen erfassen, enthalten ebenfalls Informationen des Oberbodens. Die Trennung der einzelnen Schichteinflüsse kann bei hinreichender Datenmenge über Inversionsverfahren erfolgen. Die Verwendung von invertierten Daten bedeutet, dass die Werte durch entsprechende Theorien und Algorithmen manipuliert sind. Hinzu kommt das Problem, dass die Daten unterbestimmt sind und damit die Inversionsergebnisse zu Mehrdeutigkeiten führen.

18 Evaluierung Geoelektrik 18 2 Material und Methoden 2.1 Geräte Die angewendeten geoelektrischen Verfahren umfassen die elektrische Widerstandsmessung (EWM), die Leitfähigkeitsmessung durch elektromagnetische Induktion (EMI) und die Kapazitätsmessung nach dem Kondensatorprinzip. Die im Projekt verwendeten Geräte lassen sich neben dem Messprinzip u.a. nach der Position der Sensoren und ihrer Mobilität einteilen. Nach der Position der Sensoren sind Oberflächenmessungen und in-situ-messungen zu unterscheiden. Typische Vertreter der in-situ-messung sind die Bohrlochsonden ERM (Ejkelkamp) und Veris 3000 Profiler. Aber auch der Bodensensor der Fachhochschule Osnabrück zählt hierzu, da seine Messschare für die Messung bis ca. 30 cm in den Boden eindringen. Nach zunehmender Mobilität sind die Geräte klassifizierbar als quasistationäre, absätzig und kinematisch. Vertreter der quasistationären Messgeräte ist die GeoTom sie lässt sich nur mit einigem Zeitaufwand umbauen und auch die Messung selbst beansprucht gewisse Zeit. Absätzig arbeitet der auf einer mobilen Plattform montierte Veris 3000 Profiler. Während der Messung muss er etwa 1 Minute fest an einem Ort stehen, danach lässt er sich schnell fortbewegen. Kinematische Geräte sind dafür ausgelegt, aus der kontinuierlichen Bewegung heraus zu messen. Prinzipiell sind kinematische Geräte auch zu absätzigen oder stationären Messungen verwendbar. Allerdings sind diese Optionen in der Messsoftware einiger Geräte abgeschaltet (ARP03, Veris 3100). Tabelle 4: Klassifizierung elektrischer Messgeräte Gerät Messmethode Sensorposition Mobilität GeoTom EWM Oberfläche quasistationär ERM Ejkelkamp EWM in-situ absätzig Veris 3000 Profiler EWM in-situ absätzig EM38 EMI Oberfläche kinematisch EM38 DD EMI Oberfläche kinematisch EM38-MK2 EMI Oberfläche kinematisch CM-138 EMI Oberfläche kinematisch ARP03 EWM Oberfläche kinematisch Veris 3100 EWM Oberfläche kinematisch Pluripol Kiel EWM Oberfläche kinematisch Bodensensor Kapazität in-situ kinematisch Osnabrück OhmMapper EWM mit kapazitiver Ankopplung Oberfläche kinematisch Um eine gewisse Vorstellung über die eingesetzten Geräte zu ermöglichen, werden in der Abbildung 4 alle eingesetzten Geräte durch ein Foto vorgestellt.

19 Evaluierung Geoelektrik 19 Abb. 4: Bilder der hauptsächlich eingesetzten Messgeräte

20 Evaluierung Geoelektrik Standorte und Messtrassen Für die Auswahl der Untersuchungsstandorte war eine Reihe von Aspekten relevant: a) Bodenlandschaft b) Verfügbare Vorinformationen c) Kooperationsbereitschaft des Landwirtschaftsbetriebes d) Erreichbarkeit und Zugänglichkeit der Flächen e) Spezielle Fragestellungen durch den Landwirt Die Messungen sollten in verschieden Bodenlandschaften vorgenommen werden um vor allem den Einfluss von Textur und Texturschichtung zu prüfen. Eine Sichtung aller aufgenommen Daten zeigt, dass dies gelungen ist. Es sind alle denkbaren Schichtungen in den Daten enthalten: - hochohmig über niederohmig (Sand über Lehm) - niederohmig über hochohmig (Lehm über Sand) - Dreischichtfälle mit Einbettung hoch- oder niederohmiger Bereiche - horizontale und geneigte Schichtungen - vertikale Grenzen zwischen Lehm und Sand sowie Lehm und Ton - Sand- und Tonlinsen Weitere Einflussfaktoren der Bodenlandschaft sind z.b. Geogenese (Mineralogie), Relief und Wasserverhältnisse. Mit den begrenzten Ressourcen des Projektes war es selbstverständlich nicht möglich, alle vorhandenen Bodenlandschaften bzw. geologischen Regionen Deutschlands zu bereisen. Es musste daher eine Auswahl getroffen werden, für die die weiteren Kriterien von Bedeutung waren. Die Verfügbarkeit von Vorinformationen wie Bodenkarten, Luftbilder, Bodenuntersuchungen und Schlagkartei war wichtig für die Auswahl der Messtrassen und die weitere Interpretation der Daten. Wenn etwa auf vorliegende geoelektrische Kartierungen zurückgegriffen werden konnte, war es möglich, besonders repräsentative Trassen auszuwählen. Für die Interpretation der Daten war es sehr wertvoll, wenn Vorinformationen wie z.b. Labordaten vorlagen. Nicht zuletzt war die Kooperationsbereitschaft des Landwirtes entscheiden für die Auswahl der Flächen. Da Schäden nie ganz auszuschließen waren, war eine gewisse Toleranz des Betriebsleiters sehr wichtig. Um Reisezeiten und kosten gering zu halten, wurden Flächen in der näheren Region bevorzugt. Eine gewisse Rolle spielte auch die Zugänglichkeit der Flächen, da teilweise schweres Gerät von Hand getragen werden musste. Im Projektverlauf ergaben sich die speziellen Fragestellungen nach der Kartierbarkeit von Bodenverdichtungen und Bodenbearbeitungsunterschieden. Standorte, an denen diese Fragen untersucht werden konnten, wurden daher zusätzlich in das Programm aufgenommen. 2.3 Geophysikalische Untersuchungs- und Auswertungsmethoden Durch die geophysikalischen Untersuchungs- und Auswertungsmethoden sollten die Messcharakteristik und die Messgenauigkeit der Geräte in verschiedenen Bodenlandschaften geprüft werden. 1) Vergleich kinematischer Messungen mit einer Referenz 2) Inversion von Pseudosektionen 3) Prüfung der Referenz durch in-situ-messungen 4) Statische Dauermessungen 5) Kinematische Wiederholungsmessungen 6) Vergleich mit laboranalytisch bestimmten Bodenparametern 7) Laborexperimente

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