WO2017050548A1 - Verfahren zur bestimmung bodenartspezifischer parameter durch erfassung der bodenfeuchte von oberflächennahen bodenschichten - Google Patents

Verfahren zur bestimmung bodenartspezifischer parameter durch erfassung der bodenfeuchte von oberflächennahen bodenschichten Download PDF

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soil moisture
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Ole Peters
Karim Ahmed DHAOUADI
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Bayer Cropscience Ag
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N33/24—Earth materials
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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G25/00—Watering gardens, fields, sports grounds or the like
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    • A01G25/167—Control by humidity of the soil itself or of devices simulating soil or of the atmosphere; Soil humidity sensors
    • G—PHYSICS
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    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04—Investigating moisture content

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one soil-specific parameter.
  • Soil-specific parameters are understood to mean an influence variable on the water content in the soil, which is essentially independent of current events.
  • Such a soil-specific parameter represents, for example, the water retention capacity or field capacity of the soil.
  • the determination of the water-holding capacity or field capacity can be carried out using a soil sample in the laboratory.
  • Water retention capacity or field capacity is the amount of water that an initially water-saturated soil can still hold against gravity after two to three days. To determine this value, the soil-sample with water-saturated soil is dried at an elevated temperature level of 105 degrees for 24 hours. The sample is weighed before drying and after drying. From the difference of the determined weights, the amount of water in the water-saturated soil sample can be derived.
  • On-site measurements can reduce the effort required to acquire measurement data. These on-site measurements have in common with laboratory measurements that the values determined for the soil-specific parameter are confined to the specific soil sample or site in the area where the measurement was taken.
  • the soil type-specific parameters form input values for water balance models that estimate georeferenced and time-dependent the water content in the soil.
  • Such water balance models can be linked to plant growth models or modules of such plant growth models.
  • the importance of these plant growth models is great for agriculture, as it can be used to optimize agricultural tasks such as sowing, fertilizing, harvesting. High spatial resolution is helpful for making site-specific optimizations, such as the amount of fertilizer or pesticide dependent on location.
  • Plant growth models can also rely on data from geological services that provide soil science maps for specific areas that identify soil-specific parameters with some spatial resolution. Often these data are too inaccurate, especially if the desired spatial resolution of the plant growth model is higher than that of the pedigree maps. Also, for certain countries or areas such pedicural maps are not available at all. It can therefore be observed that high prices are obtained for maps with soil-specific parameters or maps from which input data for plant growth models can be derived.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method by which with manageable effort in high spatial resolution at least one location-dependent soil type-specific parameter can be determined.
  • the invention is characterized in that values for the soil moisture in a soil layer close to the surface of the soil are determined at different times with the aid of a non-contact sensor and the soil type-specific parameter is estimated or determined on the basis of the temporal change of the soil moisture.
  • the soil moisture is determined for a larger area in a certain spatial resolution by the non-contact sensor. If, for example, an area of 10 x 10 km is examined and the spatial resolution is 100 x 100 m, the soil moisture is recorded for a total of 100 x 100 patches or pixels. At least two values for the soil moisture can be assigned to each patches or pixels, these values being detected by the non-contact sensor at different times. Preferably, the values for the soil moisture are stored in a raster format (grid grid). The period between the adjacent times can be very different. In one embodiment, the period is two to five days. Also, a time series of values can be detected, wherein the distance of temporally adjacent measurements does not necessarily have to be constant, but can vary.
  • the regression function can also be non-linear, wherein the second derivative of the soil moisture or the derivative of a higher order can be estimated here and used for the determination of the soil-specific parameter.
  • a first pair of values or a first time series of the soil moisture is determined for at least one areal piece, wherein the respective times are before an event such as, for example, precipitation or a plant growth period.
  • a second value pair or a second time series of the soil moisture can be detected, whereby now the corresponding times of the soil moisture are after the event.
  • the soil type specific parameter may be the water holding capacity or field capacity. But also the saturated hydraulic conductivity or the unsaturated hydraulic conductivity can represent the soil-specific parameters that can be determined by the method according to the invention.
  • Another soil-specific parameter may be the layer structure of the soil. The capillary effect of the soil supplies the surface layer near the ground with water from lower layers. For example, a two meter thick loess will supply moisture to the surface for much longer than a 10 cm Rendzina on stone backing.
  • the determination of the soil type-specific parameter may include dividing into clusters or also the relative specification of values for patches of a region.
  • a soil map could be generated with the method according to the invention, which indicates relative values for the field capacity in a high spatial evaluation.
  • the map with relative values can be used to generate a map of absolute values after scaling.
  • the non-contact sensor may be attached to a remote sensing device such as a satellite. The sensor scans the earth's surface with microwaves. The penetration depth of the microwaves depends on their wavelength, which can be several cm (for example 2 to 40 cm). Thus, the soil moisture for the near-surface soil layer can be determined with a layer thickness of 1 to 20 cm.
  • the satellites from the Sentinel series enable spatial resolutions finer than 100 x 100 m.
  • the spatial resolution is preferably up to 5 ⁇ 5 m.
  • several satellites can be used simultaneously for the detection of soil moisture to reduce the overflight times and thus the period between two temporally successive measurements.
  • the measurement of soil moisture depends on many influencing factors, such as the roughness of the ground or the layers of straw lying on it. Insofar as corresponding data are available, the influence of these disturbances can be estimated by appropriate approaches and taken into account in the determination of soil moisture.
  • the soil moisture can also be determined by a non-contact sensor, which detects the soil temperature. For example, such a temperature sensor measures the temperature of the near-surface soil layer in the morning and in the afternoon in one day. Since a wet soil has a higher heat capacity than a rather dry soil, a wet soil, for example in sunshine, will warm up less during the day than the dry soil. Larger temperature differences during the day are therefore associated with smaller values for soil moisture.
  • the determined value for the soil-specific parameter can be calibrated by measuring results of a soil sample or by measurements in the field.
  • the measurements are carried out for the purpose of calibration in the immediate vicinity of the soil or the soil sample.
  • Meteorological parameters such as precipitation or air temperature can be taken into account when determining the soil specific parameter.
  • appropriate meteorological data are taken into account. For times when soil moisture measurements are made by the non-contact sensor, or for periods between times, appropriate meteorological data are taken into account. For example, it is thus possible to estimate the amount of water which is supplied by precipitation to a patch.
  • the amount of water that is evacuated from the soil can be estimated.
  • the soil moisture is preferably determined in one or more time series before a growth period (for example in winter or spring).
  • the influence of a possible plant cover does not have to be taken into account as it has not yet developed on the ground. Although there are attempts to quantify the influence of such a plant cover and to take it into account when determining the soil moisture, these approaches are subject to a certain degree of inaccuracy.
  • a plant stock is taken into account in the determination of the soil type-specific parameter.
  • the plant stock can be derived from remote sensing data and / or from a plant growth model.
  • the plant growth model it is possible, for example, to estimate the water requirement in a growing season or the amount of water supplied to the plant.
  • time series of soil moisture before and after a growing season can be evaluated, whereby via the plant growth model and the meteorological influencing variables the supplied or discharged water quantities can be estimated.
  • geographic data may be used to account for horizontal runoff and inflow of water into and out of the ground.
  • a possible determination of the field capacity according to the method according to the invention is to be outlined.
  • the soil moisture is to be analyzed via a sensor of a satellite at the times ti and t2 and, as described above, in a first measurement series the temporal variance for each surface assembly ABFA-12, ABFB-12, ABFc-12.
  • the period between the times ti and t2 should be characterized by a weather that deprives the soil by evaporation water.
  • a model possibly part of a plant growth model, can normalize the values for the temporal variance of soil moisture. These normalized values then correspond to a temporal change in the soil moisture that would occur under normalized weather conditions.
  • the corresponding time variances are also abf B-34 determined for each patch ABFA-34, ABFC-34. Again, the weather between the times t.3 and t4 to lead to evaporation of water from the ground.
  • the temporal variance has increased significantly due to the rainfall between the measurement series.
  • the surface piece B has significantly absorbed water by the rain.
  • the water content of sheet B was significantly removed from the field capacity.
  • the patch C it is assumed that there are only small changes in the temporal variance, which indicates that the water content of the patch C is in the vicinity of the field capacitance there.
  • maps can be created with location-dependent values for the relative field capacities, which can be converted into absolute values by means of measurements on soil samples for selected areal sections.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens eines bodenartspezifischen Parameters eines vorzugsweise landwirtschaftlich genutzten Bodens, wobei Werte für die Bodenfeuchte in einer oberflächennahen Bodenschicht des Bodens zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Hilfe eines berührungslosen Sensors ermittelt werden und anhand der zeitlichen Änderung der Bodenfeuchte der bodenartspezifische Parameter abgeschätzt oder ermittelt wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung bodenartspezifischer Parameter durch
Erfassung der Bodenfeuchte von oberflächennahen Bodenschichten
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens eines bodenartspezifischen Parameters. Unter bodenartspezifischer Parameter wird dabei eine Einflussgröße auf den Wassergehalt im Boden verstanden, die von aktuellen Ereignissen im Wesentlichen unabhängig ist. Einen solchen bodenartspezi- fischen Parameter stellt beispielsweise die Wasserhaltefähigkeit oder Feldkapazität des Bodens dar.
In bekannter Weise kann die Ermittlung der Wasserhaltefähigkeit oder Feldkapazität anhand einer Bodenprobe im Labor erfolgen. Unter Wasserhaltefähigkeit oder Feldkapazität versteht man die Wassermenge, die ein zunächst wassergesättigter Boden gegen die Schwerkraft nach zwei bis drei Tagen noch halten kann. Zur Ermittlung dieses Wertes wird die Bodenprobe mit wassergesättigtem Boden bei einem erhöhten Temperaturniveau von 105 Grad für 24 Stunden getrocknet. Die Probe wird vor der Trocknung und nach der Trocknung gewogen. Aus der Differenz der ermittelten Gewichte lässt sich die Wassermenge in der wassergesättigten Bodenprobe ableiten.
Auch sind Messanordnungen für beispielsweise die Ermittlung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit bekannt, die im Gelände vor Ort angewandt werden können. Messungen vor Ort können den Aufwand für die Erfassung von Messdaten reduzieren. Diese Messungen vor Ort haben mit Labormessungen gemein, dass sich die ermittelten Werte für den bodenartspezifischen Parameter nur auf die konkrete Bodenprobe bzw. die konkrete Stelle im Gelände be- schränken, an der die Messung durchgeführt wurde.
Derartige Einzelmessungen sind vergleichsweise aufwändig und stoßen dann an Grenzen, wenn für großräumige Flächen bodenartspezifische Parameter in einer gewissen räumlichen Auflösung benötigt werden. Dies würde zu einer Vielzahl von Einzelmessungen und entsprechend hohem Messaufwand führen.
Die bodenartspezifischen Parameter bilden Eingabewerte für Wasserhaushaltsmodelle, die georeferenziert und zeitabhängig den Wassergehalt im Boden abschätzen. Derartige Wasserhaushaltmodelle können mit Pflanzenwachs- tumsmodellen verlinkt bzw. Module solcher Pflanzenwachstumsmodelle sein. Die Bedeutung dieser Pflanzenwachstumsmodelle ist für die Landwirtschaft groß, da damit landwirtschaftliche Aufgaben wie Säen, Düngen, Ernten zeitlich optimiert werden können. Eine hohe räumliche Auflösung ist hilfreich, um auch ortsspezifische Optimierungen vorzunehmen, wie beispielsweise die vom Ort abhängige Menge an Dünger oder Pflanzenschutzmittel.
Pflanzenwachstumsmodelle können auch auf Daten von geologischen Diensten zurückgreifen, die für bestimmte Gebiete bodenkundliche Karten bereitstellen, die in gewisser räumlicher Auflösung bodenartspezifische Parameter auswei- sen. Oft sind diese Daten zu ungenau, insbesondere dann, wenn die angestrebte räumliche Auflösung des Pflanzenwachstumsmodells höher ist als die der bodenkundlichen Karten. Auch stehen für gewisse Länder oder Gebiete solche bodenkundlichen Karten überhaupt nicht zur Verfügung. Es ist daher zu beobachten, dass für Karten mit bodenartspezifischen Parametern oder Karten, aus denen sich Eingabedaten für Pflanzenwachstumsmodelle ableiten lassen, hohe Preise abgerufen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereit zu stellen, durch das mit überschaubarem Aufwand in hoher räumlicher Auflösung wenigstens ein ortsabhängiger bodenartspezifischer Parameter ermittelt werden kann.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit der Merkmalskombina- tion gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausführungsbeispiele der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Werte für die Bodenfeuchte in einer oberflächennahen Bodenschicht des Bodens zu unterschiedlichen Zeit- punkten mit Hilfe eines berührungslosen Sensors ermittelt werden und anhand der zeitlichen Änderung der Bodenfeuchte der bodenartspezifische Parameter abgeschätzt bzw. ermittelt wird.
Vorzugsweise wird die Bodenfeuchte für ein größeres Gebiet in einer gewissen räumlichen Auflösung durch den berührungslosen Sensor ermittelt. Wird beispielsweise eine Fläche von 10 x 10 km untersucht und beträgt die räumliche Auflösung 100 x 100 m, so wird die Bodenfeuchte für insgesamt 100 x 100 Flächenstücke oder Pixel erfasst. Jedem Flächenstück oder Pixel können dabei wenigstens zwei Werte für die Bodenfeuchte zugeordnet werden, wobei diese Werte von dem berührungslosen Sensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst werden. Vorzugsweise werden dabei die Werte für die Bodenfeuchte in einem Rasterformat (Rastergrid) abgelegt. Der Zeitraum zwischen den benachbarten Zeitpunkten kann dabei sehr unterschiedlich sein. In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Zeitraum zwei bis fünf Tage. Auch kann eine Zeitserie von Werten erfasst werden, wobei der Abstand zeitlich benachbarter Messungen nicht notwendigerweise konstant sein muss, sondern variieren kann.
Anhand der Bodenfeuchte BFi zu einem Zeitpunkt ti und der Bodenfeuchte BF2 zu einem Zeitpunkt h lässt sich die zeitliche Änderung, zeitliche Varianz oder zeitliche Ableitung der Bodenfeuchte ABF ermitteln (ÄBF = (BF2-BFi)/(t2-ti)). Wird eine Zeitreihe mit mehreren Werten für die Bodenfeuchte ausgewertet, so können diese Werte über der Zeit aufgetragen werden und daraus eine lineare Regressionsfunktion berechnet werden. Die Steigung dieser Geraden kann als Wert für eine gemittelte oder mittlere zeitliche Varianz der Bodenfeuchte be- trachtet werden. Die Regressionsfunktion kann auch nichtlinear sein, wobei hier auch die zweite Ableitung der Bodenfeuchte oder die Ableitung einer höheren Ordnung abgeschätzt und für die Ermittlung des bodenartspezifischen Parameters verwendet werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für wenigstens ein Flächenstück ein erstes Wertepaar oder eine erste Zeitreihe der Bodenfeuchte ermittelt wird, wobei die entsprechenden Zeitpunkte vor einem Ereignis wie beispielsweise Niederschlag oder eine Pflanzenwachstumsperiode liegen. Für dieses Flächenstück kann ein zweites Wertepaar oder eine zweite Zeitreihe der Bodenfeuchte erfasst werden, wobei nun die entsprechenden Zeitpunkte der Bodenfeuchte nach dem Ereignis liegen. Anhand des Vergleichs der zeitlichen Varianz vor Ereignis ÄBFVE und der zeitlichen Varianz nach Ereignis ABFnE lassen sich dann Vorgaben oder Werte für den bodenartspezifischen Parameter ableiten.
Der bodenartspezifische Parameter kann die Wasserhaltefähigkeit oder Feldkapazität sein. Aber auch die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit oder die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit können die bodenartspezifischen Parameter darstellen, der sich durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmen lässt. Ein weiterer bodenartspezifischer Parameter kann der Schichtaufbau des Bodens sein. Durch die Kapillarwirkung des Bodens wird die oberflächennahe Bodenschicht mit Wasser aus bodentieferen Schichten versorgt. Beispielsweise liefert ein zwei Meter dicker Löss viel länger Feuchtigkeit an die Oberfläche nach als ein 10 cm Rendzina auf Steinunterlage.
Die Bestimmung des bodenartspezifischen Parameters kann das Einteilen in Klastern oder auch die relative Angabe von Werten für Flächenstücke eines Gebiets umfassen. Im letzteren Fall könnte mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren eine Bodenkarte erzeugt werden, die in hoher räumlicher Auswertung relative Werte für die Feldkapazität ausweist. Anhand ausgewählter Flächenstücke, für die durch Bodenproben absolute Werte für die Feldkapazität vorliegen, lässt sich aus der Karte mit den relativen Werten nach erfolgter Skalierung eine Karte mit absoluten Werten erzeugen. Der berührungslose Sensor kann an einem Fernerkundungsgerät wie an einem Satelliten angebracht sein. Der Sensor tastet dabei die Erdoberfläche mit Mikrowellen ab. Die Eindringtiefe der Mikrowellen hängt dabei von deren Wellen- länge ab, die mehrere cm (beispielsweise 2 bis 40 cm) betragen kann. Somit lässt sich die Bodenfeuchte für die oberflächennahe Bodenschicht mit einer Schichtdicke von 1 bis 20 cm ermitteln. Die Satelliten aus der Sentinel-Serie ermöglichen räumliche Auflösungen, die feiner als 100 x 100 m sind. Vorzugsweise beträgt die räumliche Auflösung bis zu 5 x 5 m. Bevorzugt können auch mehrere Satelliten gleichzeitig für die Erfassung der Bodenfeuchte verwendet werden, um die Überflugzeiten und somit den Zeitraum zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Messungen zu reduzieren.
Die Messung der Bodenfeuchte hängt von vielen Einflussgrößen ab wie bei- spielsweise die Bodenrauigkeit oder aufliegende Strohschichten. Soweit dazu entsprechende Daten vorliegen, kann über geeignete Ansätze der Einfluss dieser Störgrößen abgeschätzt und bei der Ermittlung der Bodenfeuchte berücksichtigt werden. Die Bodenfeuchte kann auch über einen berührungslosen Sensor ermittelt werden, durch den die Bodentemperatur erfasst wird. Ein solcher Temperatursensor misst beispielsweise die Temperatur der oberflächennahen Bodenschicht morgens und nachmittags an einem Tag. Da ein nasser Boden eine höhere Wärmekapazität als ein eher trockener Boden aufweist, wird sich ein nas- ser Boden beispielsweise bei Sonnenschein weniger stark im Tagesverlauf aufwärmen als der trockene Boden. Größere Temperaturunterschiede im Tagesverlauf sind daher mit kleineren Werten für die Bodenfeuchte verbunden.
Der ermittelte Wert für den bodenartspezifischen Parameter kann durch Mess- ergebnisse einer Bodenprobe oder durch Messungen im Gelände kalibriert werden. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Sensor, der bevorzugt an einem Satelliten befestigt und somit einen Abstand zum untersuchten Boden von mehreren hundert Kilometern aufweisen kann, erfolgen die Messungen zwecks Kalibrierung in unmittelbarer Nähe zum Boden bzw. zur Bodenprobe. Meteorologische Einflussgrößen wie Niederschlag oder Lufttemperatur können bei der Ermittlung des bodenartspezifischen Parameters berücksichtigt werden. Für Zeitpunkte, an denen Messungen zur Bodenfeuchte durch den berührungs- losen Sensor durchgeführt werden, oder für Zeiträume zwischen den Zeitpunkten werden dabei entsprechende meteorologische Daten berücksichtigt. Beispielsweise kann somit die Wassermenge abgeschätzt werden, die durch Niederschlag einem Flächenstück zugeführt wird. Zudem kann anhand der Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und/oder und dem Bewöl- kungsgrad die Menge an Wasser abgeschätzt werden, die durch Verdunstung dem Boden entzogen wird.
Vorzugsweise wird die Bodenfeuchte in einer oder mehrerer Zeitreihen vor einer Wachstumsperiode ermittelt (beispielsweise im Winter oder Frühjahr). Der Einfluss einer etwaigen Pflanzendecke muss nicht berücksichtigt werden, da sich diese auf dem Boden noch nicht entwickelt hat. Zwar gibt es Ansätze, den Einfluss einer solchen Pflanzendecke zu quantifizieren und entsprechend bei der Ermittlung der Bodenfeuchte zu berücksichtigen, doch sind diese Ansätze mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet.
In einem Ausführungsbeispiel wird ein Pflanzenbestand bei der Ermittlung des bodenartspezifischen Parameters berücksichtigt. Der Pflanzen bestand kann dabei aus Fernerkundungsdaten und/oder aus einem Pflanzenwachstumsmodell abgeleitet werden. Mittels des Pflanzenwachstumsmodells lässt sich bei- spielsweise der Wasserbedarf in einer Wachstumsperiode oder die der Pflanze zugeführte Wassermenge abschätzen. So können Zeitreihen der Bodenfeuchte vor und nach einer Wachstumsperiode ausgewertet werden, wobei über das Pflanzenwachstumsmodell und über die meteorologischen Einflussgrößen die zugeführten bzw. abgeführten Wassermengen abgeschätzt werden können.
Auch können geographische Daten verwendet werden, um horizontale Abflüsse und Zuflüsse von Wasser aus bzw. in den Boden zu berücksichtigen. An einem Beispiel soll eine mögliche Ermittlung der Feldkapazität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren skizziert werden. Für ein Gebiet, das entsprechend der gewählten räumlichen Auflösung in mehrere Flächenstücke A, B, C aufgeteilt ist, soll über einen Sensor eines Satelliten zu den Zeitpunkt ti und t2 jeweils die Bodenfeuchte und daraus, wie oben beschrieben, in einer ersten Messreihe die zeitliche Varianz für jedes Flächenbestück ABFA-12 , ABFB-12 , ABFc-12 bestimmt werden. Der Zeitraum zwischen den Zeitpunkten ti und t2 (beispielsweise vier Tage) soll durch ein Wetter geprägt sein, das dem Boden durch Verdunstung Wasser entzieht. Ein Modell, möglicherweise Teil eines Pflanzenwachstumsmodells, kann dabei die Werte für die zeitliche Varianz der Bodenfeuchte normieren. Diese normierten Werte entsprechen dann einer zeitlichen Veränderung der Bodenfeuchte, die sich bei normierten Wetterbedingungen einstellen würden. In einer zweiten Messreihe mit den Messzeitpunkten t3 und t4, die nach erfolgten ausgiebigen Regen auf das untersuchte Gebiet der ersten Messreihe nachgeschaltet ist, werden die entsprechenden zeitlichen Varianzen ebenfalls für jedes Flächenstück ABFA-34 , ABFB-34 , ABFc-34 bestimmt. Auch hier wieder soll das Wetter zwischen den Zeitpunkten t.3 und t4 zu Verdunstungen von Wasser aus dem Boden führen. Es wird dabei angenommen, dass hinsichtlich der Verdunstung zwischen ti und t.2 bzw. zwischen t.3 und t4 jeweils eine vergleichbare Wetterlage herrschte bzw. die entsprechenden Varianzen der Bodenfeuchten für den Zeitraum t2 - ti und für den Zeitraum t.4 - 1.3 hinsichtlich des Wettereinflusses normiert werden.
Für das Flächenstück A soll sich ergeben, dass es praktisch keinen Unterschied zwischen der zeitlichen Varianz ABFA-12 und ABFA-34 gibt. Dies ist ein Hinweis dafür, dass trotz des ausgiebigen Regens der Wassergehalt im Boden des Flächenstücks A nicht gesteigert werden konnte. Hierbei wird unterstellt, dass bei ansonsten gleichen Bedingungen ein geänderter Wassergehalt im Boden zu einer anderen Menge an verdunstetem Wasser führen würde. Mit anderen Worten kann dem Flächenstück A eine Wassermenge zugeordnet werden, die der maximal speicherbaren Wassermenge, also der Feldkapazität entspricht. Zu- dem ist es möglich, der Feldkapazität für das Flächenstück A auch eine bestimmte (normierte) zeitliche Varianz der Bodenfeuchte zuzuordnen.
Für das Flächenstück B soll sich ergeben, dass die zeitliche Varianz durch den zwischen den Messreihen bedingten Regen deutlich angestiegen ist. Hier wird angenommen, dass das Flächenstück B durch den Regen deutlich Wasser aufgenommen hat. Zumindest zum Zeitpunkt ti war somit der Wassergehalt des Flächenstücks B deutlich von der Feldkapazität entfernt. Für das Flächenstück C sei unterstellt, dass sich nur geringe Änderungen in der zeitlichen Varianz ergeben, was darauf hindeutet, dass der Wassergehalt des Flächenstücks C sich in der Nähe der dortigen Feldkapazität befindet.
Die erste Messreihe und die zweite Messreihe können um weitere Messreihen ergänzt werden. Auf diese Weise kann für das Feldstück C und letztlich für das Feldstück B ebenfalls eine Aussage über die dortige Feldkapazität gemacht werden, wenn sich in der zeitlichen Varianz keine Unterschiede mehr zeigen (beispielsweise ABFc-34 = ABFc-56).
Wenn davon ausgegangen wird, dass die Feldstücke A, B, C beispielsweise im Spätsommer einen sehr geringen Wassergehalt nahe des Welkepunkts aufweisen und sich bedingt durch den Niederschlag im Herbst und Winter immer mehr mit Wasser anreichern, so ist - gleiche Niederschlagswerte unterstellt - die Feldkapazität eines Feldstücks groß, bei dem sich erst spät ein konstanter Wassergehalt einstellt, der sich durch die Analyse der zeitlichen Varianz der Bodenfeuchte nachweisen lässt. So lassen sich Karten mit ortsabhängigen Werten für die relative Feldkapazitäten erstellen, welche anhand von Messungen an Bodenproben für ausgewählte Flächenstücke in Absolutwerte überführt werden können.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Ermittlung wenigstens eines bodenartspezifischen Parameters eines vorzugsweise landwirtschaftlich genutzten Bodens, wobei Werte für die Bodenfeuchte in einer oberflächennahen Bodenschicht des Bodens zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Hilfe eines berührungslo- sen Sensors ermittelt werden und anhand der zeitlichen Änderung der
Bodenfeuchte der bodenartspezifische Parameter abgeschätzt bzw. ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der boden- artspezifische Parameter in räumlicher Auflösung für mehrere Flächenstücke oder Pixel ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bodenartspezifische Parameter die Wasserhaltefähigkeit oder die Feld- kapazität, die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit oder die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an einem Fernerkundungsgerät angebracht ist oder Teil davon ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Auflösung höher als 100 x 100 m ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Wert für den bodenartspezifischen Parameter durch Messergebnis einer Bodenprobe oder durch Ergebnisse von Messungen im Gelände kalibriert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass meteorologische Einflussgrößen wie Niederschlag oder Lufttemperatur bei der Ermittlung des bodenartspezifischen Parameters berücksichtigt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pflanzenbestand bei der Ermittlung des bodenartspezifischen Parameters berücksichtigt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pflanzenbestand durch einem an einem Fernerkundungsgerät angebrachten Sensor und/oder durch ein Pflanzenwachstumsmodell ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der bodenspezifische Parameter auf der Basis von Werten der Bodenfeuchte vor und nach einer Wachstumsperiode ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass geographische Daten verwendet werden, um horizontale Abflüsse und Zuflüsse von Wasser in den Boden zu ermitteln.
PCT/EP2016/070825 2015-09-25 2016-09-05 Verfahren zur bestimmung bodenartspezifischer parameter durch erfassung der bodenfeuchte von oberflächennahen bodenschichten WO2017050548A1 (de)

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