WO2020200967A1 - Vorrichtung und verfahren zum ermitteln einer elementzusammensetzung eines bodens - Google Patents

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WO2020200967A1
WO2020200967A1 PCT/EP2020/058388 EP2020058388W WO2020200967A1 WO 2020200967 A1 WO2020200967 A1 WO 2020200967A1 EP 2020058388 W EP2020058388 W EP 2020058388W WO 2020200967 A1 WO2020200967 A1 WO 2020200967A1
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soil
elemental composition
depth
determining
core sample
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PCT/EP2020/058388
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Michael SCHÜNGEL
Daniela VOGT
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Rwe Power Ag
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light

Definitions

  • the present invention relates to devices and methods for determining an elemental composition in a soil, in particular in an agriculturally used, geogenically or anthropogenically designed soil.
  • the invention is directed to a method for determining the element composition of the soil as a function of the depth and to a method for determining the element composition of the soil and to corresponding devices.
  • the invention is directed to a method for treating an agriculturally used soil using a determined element composition of the soil.
  • the object of the present invention is to at least partially overcome the problems known from the prior art and, in particular, to provide methods and devices with which the quality of a soil can be determined particularly efficiently and reliably across the board.
  • a method for determining an element composition of a soil as a function of the depth includes:
  • a soil can be characterized automatically.
  • the element composition of a soil in particular can be determined with the method described. This means the distribution of the chemical elements in the soil.
  • the element composition can also be referred to as the distribution of the element concentrations.
  • the chemical bond state of the elements is not important.
  • the composition of the elements is an important quality parameter in many applications.
  • the determination of the element composition can also be referred to as a multi-element analysis.
  • the method described is preferably applied to an agriculturally used soil, such as an agricultural area or a forestry area.
  • the method described can also be used on soils influenced by anthropogenic influences, such as in a landfill.
  • the described method can also be used in the context of geological exploratory drilling, for example for the development of deposits, for the development of groundwater or for the investigation of the ground.
  • the raw material extraction potential of a soil can be determined, the solution potential of environmentally relevant substances in the groundwater development can be monitored or the potential use of a building site such as a former landfill can be determined.
  • Possible contamination of the soil can also be assessed when dismantling industrial plants such as petrol stations.
  • time delays caused by laboratory tests can be avoided. Any additional examinations that may be required can thus be carried out particularly easily because their necessity can be identified immediately.
  • the quality of the soil in the form of the element composition can be determined particularly efficiently and reliably.
  • Samples of the soil are taken and analyzed using LIBS.
  • LIBS has the advantage that an analysis of the samples taken can be carried out on site, ie directly at the location where the sample was taken. The samples can therefore be analyzed particularly quickly.
  • the element composition can be determined depending on the depth of the soil.
  • depth is to be understood as a distance between the surface of the ground and a point under consideration within the ground. This can also be referred to colloquially as “depth”. For example, a depth of 1 m describes a point one meter below the ground surface.
  • the core sample is preferably taken vertically. This means that one axis of the core sample is aligned vertically before the core sample is taken. It is also possible that the core sample is taken tilted against the vertical.
  • the process can cover different depths.
  • a maximum depth of 1 m can be sufficient because the roots of agriculturally used plants usually do not extend deeper into the ground.
  • Considerably greater depths can be investigated in the case of anthropogenically influenced soils and, in particular, geological exploration boreholes.
  • a depth-dependent determination of the element composition is possible with the method described in that the samples are taken in the form of core samples.
  • a core sample is to be understood as a sample that is taken, for example, in the form of a drill core. If the method described is used on geological For exploratory drilling, a drill core obtained from a drilling represents a core sample.
  • a core sample is a sample that is representative of a certain depth range of the soil.
  • the depth-dependent elemental composition of the soil can thus be determined using the core sample.
  • the core sample is preferably taken by means of a probe such as a ramming core probe, in particular by means of a so-called Pürckhauer.
  • a ram core probe is a device with which a typically cylindrical core sample can be taken from the ground.
  • the core sample preferably extends from the soil surface to a depth of 0.5 m, preferably even to a depth of 1 m. Such depth coverage is particularly well suited for many applications, especially in agriculture.
  • the depth range over which the elemental composition of the soil can be determined by means of the method described.
  • the method described has the advantage that it is not just an analysis of the surface of the soil.
  • the core samples are preferably taken automatically. This means that a device for taking samples is used which automatically takes the core samples after switching on and setting. This can reduce the effort required to carry out the described method or, alternatively, enable a higher number of samples to be used with the same effort.
  • the elemental composition of the soil is preferably determined as a function of the depth by direct analysis of the core sample taken using laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS. "Directly" means that LIBS is applied directly to the core sample.
  • the position of the removal is preferably determined, for example by GPS.
  • the position can also be determined by means of the 5G cellular network.
  • the core sample taken is analyzed using LIBS.
  • the core sample is scanned along its length with a laser.
  • the result is an element composition depending on the position along the core sample and, to that extent, depending on the depth of the soil.
  • the core sample can be stored after it has been taken and then analyzed using LIBS. This has the advantage that the device used for the LIBS does not have to be subject to any special requirements, in particular in terms of size and shape.
  • a fresh section of the core sample is preferably analyzed.
  • the outermost 5 mm of the core sample in the radial direction can be peeled off by means of a burr. This can follow when pulling out and / or afterwards.
  • the core sample can also be analyzed without peeling. This is particularly possible when smearing effects only occur to a small extent and / or when only a low level of accuracy with regard to the depth dependency is required.
  • the core sample is analyzed during removal.
  • a LIBS device is preferably used which is designed and arranged in such a way that the core sample is guided past the LIBS device when it is pulled out of the ground.
  • the analysis be performed on a fresh gate. Analyzing the core sample while pulling it out has the advantage that the sample can be stored immediately after it has been taken without having to pay attention to the fact that individual parts of the core sample are displaced or mixed. If that were to happen, a subsequent analysis would no longer be able to obtain a correct depth dependency.
  • depositing the drill core can also be difficult or even impossible for reasons of space. According to the present embodiment, however, the core sample is analyzed as soon as it is pulled out of the ground, so that it is not necessary to carefully deposit the entire core sample.
  • a plurality of measurements preferably 10 to 50 measurements per second, is preferably carried out during the extraction of the core sample from the soil.
  • the core sample can be analyzed with a high spatial resolution, so that the elemental composition can be determined with a correspondingly high-resolution depth dependency.
  • other parameters of the soil can be determined, for example using optical cameras, infrared analysis, NIR, Radar measurement, microwave measurement, ultrasound measurement and / or gamma ray backscatter and absorption.
  • a device for determining an element composition of a soil as a function of the depth comprises:
  • a LIBS device for determining the elemental composition of the soil as a function of the depth by analyzing the core sample removed by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS.
  • the described particular advantages and design features of the method for determining the elemental composition of the soil as a function of the depth are applicable and transferable to the device for determining the element composition of the soil as a function of the depth, and vice versa.
  • the method described is preferably carried out with the device described.
  • the device described Vorrich is preferably set up to carry out the method described.
  • the LIBS device is preferably set up in such a way that the core sample can be analyzed during extraction.
  • a method for determining an element composition of a soil includes:
  • step c) Determining the elemental composition of the soil from the results of step a) and / or b).
  • step b) the special features of step b) are described in particular.
  • the result of the method described is preferably a profile of the element composition of the floor.
  • a profile is preferably dependent on location and depth, and to that extent three-dimensional.
  • the depth dependency can be achieved through step a).
  • a two-dimensional profile can also be created which is only location-dependent and includes a value for each location.
  • Such a profile can also be created without step a).
  • a two-dimensional profile can also be obtained, for example, by projecting the values of a three-dimensional profile.
  • the profile obtained can be used, for example, to identify the pollutant concentration in anthropogenically influenced soils. This can make it easier for operators of such floors to provide the necessary official evidence.
  • Environmentally relevant parameters in particular can be systematically be captured. Based on this, pressures on soil and water can be minimized.
  • the profile obtained can be used to draw conclusions for the development of the soil quality, especially together with other parameters.
  • steps a) and c) can be carried out without step b), steps b) and c) without step a) or steps a), b) and c).
  • steps a) and b) can be carried out completely or partially at the same time or one after the other in any order.
  • step c) only begins after the beginning of step a) and / or b). However, it is possible for step c) to be carried out partially or completely in parallel with steps a) and / or b).
  • step a) the method described above for determining the elemental composition of the soil is carried out as a function of the depth for at least one sample location, preferably for a plurality of sample locations.
  • the sample locations are preferably arranged on the basis of a grid and distributed over the entire floor.
  • step b) the soil is analyzed using PGNAA and / or using PFTNA.
  • the elemental composition of an upper soil layer can be obtained by means of PGNAA and / or PFTNA.
  • the elemental composition can be obtained in the form of average values, which are formed, for example, over the 50 cm of the soil immediately below the soil surface.
  • the Neutrons can be emitted into the ground from a neutron source, for example a suitable radioactive material. Within the soil there is an interaction between these neutrons and the nuclei of the atoms that make up the soil. In this core interaction, gamma radiation is generated, which can be detected by a radiation detector. On the basis of the detected radiation, conclusions can be drawn about the atoms in the ground. In this respect, the elemental composition of the soil can be determined. This can be done across the board by moving a corresponding device over the floor in such a way that the floor is continuously scanned. Alternatively, it is possible to take individual measurements, for example at points on a grid, and to interpolate the results.
  • a scanning unit which has a neutron source and a radiation detector.
  • the scanning unit is preferably brought into the vicinity of the floor surface with a slide or a lifting device and moved over it.
  • the scanning unit can also be mounted on a plow so that the device can be inserted into depressions in the ground.
  • the element composition of the soil is determined from the results of step a) and / or b).
  • step c) takes place on the basis of the results from step a).
  • the results from step a) can be supplemented, for example, by interpolation between the sample locations to form a comprehensive profile of the elemental composition. This profile can be location- and depth-dependent and thus be three-dimensional. If, in addition to step c), only step b) is carried out, step c) takes place on the basis of the results from step b).
  • step c) can consist, for example, in bringing the result of step b) into the form of a seamless two-dimensional element distribution map of the soil.
  • step c) the elemental composition of the soil is created based on the result of step a) and with correction based on the result of step b) or based on the result of step b) and with correction based on the result of step a).
  • the advantages of the analysis methods used in steps a) and b) are combined with one another. By linking the methods, the analytical advantages of the respective method are integrated into an overall system with particularly high measurement potential. Using PGNAA and / or PFTNA, the elemental composition of the soil can already be determined across the board. In this respect it can be sufficient to use only this method.
  • PGNAA and PFTNA are limited. In addition, these methods are only sensitive to certain elements. A higher measurement accuracy can be achieved with LIBS than with PGNAA and / or PFTNA. More elements can also be analyzed with LIBS than with PGNAA and / or PFTNA. However, LIBS is more complex than PGNAA and / or PFTNA due to the required sampling. An analysis of core samples using LIBS is different from an analysis using PGNAA and / or PFTNA - more information with regard to the element spectrum and the depth dependency.
  • a model of the elemental composition of the soil is created using PGNAA and / or PFTNA and corrected using the LIBS, or vice versa. Correcting is understood to mean that in step c) the elemental composition of the soil is determined in such a way that - as far as possible - the values obtained with the two different measurement methods coincide with one another.
  • the element composition between the sample locations determined in step c) can include values that are based on the results of the PGNAA and / or PFTNA.
  • a profile of the elemental composition of the soil is created which covers the soil from a soil surface down to a depth in the range from 0.3 to 1 m.
  • the specified depth coverage for many applications is a suitable compromise between the measurement accuracy, the required effort and the knowledge of the element composition required for the respective application at certain depths.
  • PGNAA and / or PFTNA average values for maximum depths in the range from 0.3 m to 0.5 m can be obtained. If, together with LIBS, a profile of the elemental composition of the soil is created, this can be particularly accurate down to a depth of 0.3 m and, down to a depth of 1 m, it can be sufficiently accurate for many purposes.
  • the present embodiment is particularly suitable for agricultural soils. Especially when analyzing anthropogenic influences Soils and geological exploratory boreholes using LIBS can, as described above, be relevant to significantly greater depths.
  • moisture of the soil is additionally determined in step a) and / or b) and taken into account when determining the elemental composition of the soil.
  • the water content in the soil can have an impact on the neutron flux through the soil. Knowing the moisture of the soil can therefore improve the accuracy of the LIBS, PGNAA and / or PFTNA.
  • the moisture in the soil can be determined, for example, by means of microwave technology, near infrared technology, gamma backscattering, measurement of the capacitive resistance, or by Terra-Hz measurement technology.
  • the humidity is preferably determined as a function of the depth. This can be done in particular while a core sample is being taken.
  • At least one parameter of the soil is further determined by means of near-infrared spectroscopy, NIR, and / or by means of a camera.
  • NIR can also be used to determine the depth-dependent additional information on the soil as a soil parameter and to compare it with the results obtained by LIBS, PGNAA and / or PFTNA.
  • a corrected element composition can be determined as the overall result, for example by correcting and / or calibrating the result of the LIBS, PGNAA and / or PFTNA on the basis of the result of the NIR.
  • NIR can be used to determine other parameters of the soil, such as a water content of the soil and / or a proportion of certain organic compounds in the soil. These parameters are preferably determined depending on the depth. Alternatively, it is preferred to determine these parameters independently of the temperature, for example as average values over a core sample and / or by direct analysis of the surface of the soil.
  • the camera is preferably a high performance camera.
  • the camera preferably has such a high resolution that properties of the soil can be determined optically.
  • the camera can be used to determine soil parameters such as the cohesion of the soil, a grain size distribution pattern and / or a clay content in the soil. These parameters are preferably determined as a function of the depth, for example by analyzing a core sample.
  • the core sample is preferably analyzed with the camera during removal. Thus the surface of the core sample can be analyzed without having to move the camera. Alternatively, it is preferred to determine these parameters independently of the depth, for example as average values over a core sample and / or by direct analysis of the surface of the soil.
  • the soil is agricultural soil.
  • the profile obtained with the method described can be used for the systematic monitoring of agricultural areas, forest areas and natural areas. This can facilitate the monitoring of the Elm environment and / or water protection that is required by the authorities.
  • the device comprises:
  • the described special advantages and design features of the method and the device for determining the elemental composition of the soil depending on the depth and the previously described method for determining the elemental composition of the soil can be applied and transferred to the device for determining the elemental composition of the soil , and vice versa.
  • the method described above is preferably carried out with the device described here.
  • the device described here is preferably set up to carry out the method described above.
  • the device preferably comprises both a sample unit and a scanning unit, so that both step a) and step b) can be carried out.
  • the evaluation device is preferably set up to create the profile of the elemental composition of the soil in step c) based on the result of step a) and with correction based on the result of step b) or vice versa.
  • the sample unit and / or the scanning unit are preferably set up to analyze the soil from a soil surface to a depth in the range from 0.3 to 1 m.
  • the device preferably further comprises a device for determining the moisture content of the soil. In that case, the evaluation device is preferably set up to take the moisture into account when determining the element composition of the soil.
  • the device for determining the moisture in the soil is preferably arranged in such a way that the moisture in the soil can be determined as a function of the depth when a core sample is taken.
  • the device for determining the moisture in the soil can in particular be part of the sample unit.
  • the device preferably further comprises a device for determining at least one parameter of the soil by means of near-infrared spectroscopy (NIR), and / or by means of a camera.
  • NIR near-infrared spectroscopy
  • the camera is preferably arranged in such a way that the soil can be analyzed depending on the depth with the camera when a core sample is taken.
  • the camera can in particular be part of the sample unit.
  • a method for treating an agriculturally used soil includes:
  • step A location-dependent application of a fertilizer to the soil based on a result from step A).
  • step A) the elemental composition of the soil is determined using the method described for determining the elemental composition of the soil as a function of the depth or using the method for determining the elemental composition of the soil.
  • the information obtained in this way can be used to fertilize the soil as required.
  • a homogenization of the elemental composition in the soil can be aimed for by the location-dependent application of a fertilizer according to step B).
  • a homogeneous soil quality can thus be achieved, which can promote a homogeneous quality of agricultural products obtained with the soil.
  • Lime / mineral substance and / or organic fertilizers are particularly suitable as fertilizers.
  • the location-dependent application of the fertilizer in step B) is preferably automated, in particular by means of GPS or 5G.
  • Fig. 1 a schematic sequence of a method according to the invention for
  • Fig. 2 a schematic sequence of a method according to the invention for
  • FIG. 3 a schematic side view of a device according to the invention on a soil
  • Fig. 4 a schematic plan view of a soil to be analyzed according to the invention.
  • FIGS. 3 and 4. The method comprises:
  • an elemental composition of the soil 1 is determined depending on the depth t by:
  • step c) Determining the elemental composition of the soil 1 from the results of steps a) and b).
  • a profile of the elemental composition of the soil 1 can be created based on the result of step b) and, with correction, based on the results of step a), or vice versa.
  • the profile of the element composition obtained covers the soil 1 from a soil surface 8 down to a depth t in the range from 0.3 to 1 m.
  • a moisture content of the soil 1 is determined and taken into account when determining the elemental composition of the soil 1.
  • At least one parameter of the soil 1 is determined by means of near-infrared spectroscopy (NIR) and / or by means of a camera.
  • NIR near-infrared spectroscopy
  • FIG. 2 shows a schematic sequence of a method for treating agriculturally used soil 1. The method comprises:
  • step A location-dependent application of a fertilizer to the soil 1 using a result from step A).
  • FIG. 3 shows a device 3 with which the method described in FIG. 1 can be carried out.
  • the device 3 can be used in the method according to FIG. 2 in step A).
  • the device 3 is shown on an upper floor surface 8 of a floor 1.
  • the device 3 is set up to determine an elemental composition of a soil 1 as a function of the depth t.
  • the device 3 comprises a device 4 for taking a core sample 2 from the soil 1 and a LIBS device 5 for determining the element composition of the soil 1 as a function of the depth t by analyzing the core sample 2 removed by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS.
  • the device 4 for removing a core sample 2 from the soil 1 preferably comprises an element (not shown) for peeling off the core sample 2.
  • the device 3 is also set up to determine the element composition of the soil 1.
  • the device 4 for removing a core sample 2 from the soil 1 and the LIBS device 5 can be understood as a sample unit 11 for removing and analyzing core samples 2 according to step a) of the method from FIG.
  • the sample unit 11 can include further analytics such as a camera, a moisture meter and / or an NIR device.
  • the device 3 comprises a scanning unit 10 for scanning the floor 1 according to step b) of the method from FIG. 1.
  • the device 3 comprises an evaluation device 9 which is set up according to step c) of the method from FIG. 1, the element composition of the soil 1 to be determined.
  • FIG. 4 shows a schematic top view of a soil 1 which can be analyzed using the method from FIG.
  • FIG. 5 shows a device 3 which is a concretization of the device 3 shown in FIG. 3.
  • the device 3 shown in FIG. 5 also comprises a device 4 for removing a core sample and a LIBS device 5 as a sample unit 11, a scanning unit 10 and an evaluation device (not shown).
  • the device 3 is shown on a floor surface 8 of a floor 1.
  • a core sample 2 is shown.
  • the depth t is also shown.

Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Bodens (1) in Abhängigkeit von der Teufe (t), umfassend: - Entnehmen einer Kernprobe (2) des Bodens(1), und - Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens (1) in Abhängigkeit von der Teufe (t) durch Analyse der entnommenen Kernprobe (2) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS. Mit den beschriebenen Verfahren und mit der beschriebenen Vorrichtung (3) kann ein Boden (1), beispielsweise ein landwirtschaftlich genutzter Acker oder ein auf Schadstoffe zu untersuchender Baugrund, analysiert werden. Durch eine Analyse mittels PGNAA, PFTNA und/oder LIBS kann die Qualität des Bodens (1) besonders effizient und zuverlässig flächendeckend ermittelt werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln einer
Elementzusammensetzung eines Bodens
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung in einem Boden, insbesondere in einem landwirt schaftlich genutzten, geogen oder anthropogen gestalteten Boden. Die Erfindung ist auf ein Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe und auf ein Verfahren zum Ermitteln der Elementzu sammensetzung des Bodens sowie auf entsprechende Vorrichtungen gerichtet. Außerdem ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Behandeln eines landwirt schaftlich genutzten Bodens unter Verwendung einer ermittelten Elementzusam mensetzung des Bodens gerichtet.
Insbesondere in der Landwirtschaft besteht das Bedürfnis, die Zusammensetzung des zu bestellenden Bodens zu kennen, weil diese einen erheblichen Einfluss auf das Pflanzenwachstum hat. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Zu sammensetzung eines landwirtschaftlich genutzten Bodens durch Probenentnahme und Analyse der Probe zu ermitteln. Die Analyse erfolgt üblicherweise in einem Labor zeitlich beanstandet von der Probenahme. Dieses Vorgehen ist aufwendig und teuer. Zudem ist dieses Vorgehen insoweit ungenau, als dass die Bodenquali tät nur stichprobenartig lokal untersucht werden kann. Die erhaltene Informati onsdichte ist also sehr gering. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Me thoden bekannt, die Entnahme von Proben zu erleichtern. Damit soll eine feinere Rasterung der Probenentnahme ermöglicht werden und insoweit eine genauere Analyse der Bodenqualität ermöglicht werden. Trotz derartiger Entwicklungen ist es aber bisher nicht möglich, einen landwirtschaftlich genutzten Boden zuverläs sig flächendeckend hinsichtlich seiner Zusammensetzung zu analysieren. Weiter hin haben Laboruntersuchungen den Nachteil, dass durch diese typischerweise mehrere Tage zwischen einer Probenentnahme und beispielsweise einer auf die Ergebnisse der Analyse gestützten Düngung eines landwirtschaftlich genutzten Bodens liegen. Basierend auf bekannten Methoden zur Analyse der Boden qualität kann also nur eine ungenaue Düngung des Bodens erfolgen. Insbesondere ist es nicht möglich, Inhomogenitäten in der Zusammensetzung eines Bodens durch gezielte Düngung effizient auszugleichen. Die Folge kann insbesondere eine Überdüngung oder Unterversorgung des Bodens sein.
Ein ähnliches Bedürfnis besteht bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen. So ist es regelmäßig erforderlich, anthropogen geprägte Böden wie beispielsweise bei Deponien auf Schadstoffe zu untersuchen. Im Rahmen von geologischen Erkun dungsbohrungen beispielsweise zur Lagerstättenerschließung, zur Grundwasserer schließung oder zur Baugrunduntersuchung ist dies ebenfalls erforderlich. Die standardisierte Vorgehensweise bei geologischen und anthropogenen Bohrsondie rungen von Untergründen besteht darin, anhand eines Rasters Analysen vorzu- nehmen und dabei gewonnene Bodenproben in einem Labor zu analysieren. Der artige Analysen werden in Laboren für Umweltanalytik, an Fachinstituten von Universitäten und Forschungseinrichtungen durchgeführt und sind meist sehr aufwendig. Eine flächendeckende zuverlässige Analyse der stofflichen Zusam mensetzung ist gemäß Stand der Technik wie auch bei landwirtschaftlich genutz- ten Böden nicht möglich.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu überwin den und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Qualität eines Bodens besonders effizient und zuverlässig flächendeckend ermit telt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formu- lierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinan der kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Be- Schreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltun gen der Erfindung dargestellt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammenset zung eines Bodens in Abhängigkeit von der Teufe vorgestellt. Das Verfahren um- fasst:
- Entnehmen einer Kernprobe des Bodens,
und
- Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe durch Analyse der entnommenen Kernprobe mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann ein Boden automatisiert charakterisiert werden. Dazu kann mit dem beschriebenen Verfahren insbesondere die Element zusammensetzung eines Bodens bestimmt werden. Damit ist die Verteilung der chemischen Elemente in dem Boden gemeint. Die Elementzusammensetzung kann auch als Verteilung der Elementkonzentrationen bezeichnet werden. Auf den chemischen Bindungszustand der Elemente kommt es dabei nicht an. Die Ele mentzusammensetzung ist bei vielen Anwendungen ein wichtiger Qualitätspara meter. Die Ermittlung der Elementzusammensetzung kann auch als Multielement- Analyse bezeichnet werden.
Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise auf einen landwirtschaftlich ge nutzter Boden angewendet, wie beispielsweise auf eine Agrarfläche oder auf eine forstwirtschaftliche Fläche. Alternativ kann das beschriebene Verfahren auch auf anthropogen beeinflusste Böden wie beispielsweise bei einer Deponie angewendet werden. Auch kann das beschriebene Verfahren im Rahmen von geologischen Erkundungsbohrungen bei- spielsweise zur Lagerstättenerschließung, zur Grundwassererschließung oder zur Baugrunduntersuchung eingesetzt werden. Dabei können mit dem beschriebenen Verfahren das Rohstoff-Gewinnungspotential eines Bodens ermittelt werden, das Lösungspotential umweltrelevanter Stoffe bei der Grundwassererschließung überwacht werden beziehungsweise das Nutzungspotential eines Baugrunds wie beispielsweise einer ehemaligen Deponie ermittelt werden. Auch kann beim Rückbau von industriellen Anlagen wie beispielsweise von Tankstellen eine mög liche Kontamination des Bodens bewertet werden. Mit dem beschriebenen Ver fahren können zeitliche Verzögerungen durch Laboruntersuchungen vermieden werden. Gegebenenfalls erforderliche Zusatzuntersuchungen können somit be- sonders einfach durchgeführt werden, weil deren Notwendigkeit unmittelbar er kannt werden kann.
Mit einer an einem Fahrzeug montierten automatisierten Vorrichtung für größere Teufen können natürliche Untergründe und anthropogene Untergründe wie bei- spielsweise von Deponien, Tankstellen oder Industrieanlagen systematisch in Echtzeit und in 3D bezüglich Schadstoff- und Wertstoffkonzentrationen analysiert werden. Dass die Vorrichtung als„an“ einem Fahrzeug montiert beschrieben ist, schränkt die Art und Position der Anordnung der Vorrichtung an dem Fahrzeug nicht ein. So ist von dem Begriff„an“ insbesondere umfasst, dass die Vorrichtung auf, unter, in, vorne an, hinten an oder seitlich an dem Fahrzeug befestigt ist.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Qualität des Bodens in Form der Ele mentzusammensetzung besonders effizient und zuverlässig ermittelt werden. Da zu werden Proben des Bodens entnommen und mittels LIBS analysiert. LIBS hat den Vorteil, dass damit eine Analyse der entnommenen Proben vor Ort, d. h. un mittelbar am Ort der Entnahme der Probe, durchgeführt werden kann. Die Proben können also besonders schnell analysiert werden. Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Elementzusammensetzung in Abhän gigkeit der Teufe des Bodens bestimmt werden. Unter der Teufe ist in diesem Zusammenhang ein Abstand zwischen Bodenoberfläche und einem betrachteten Punkt innerhalb des Bodens zu verstehen. Dies kann umgangssprachlich auch als „Tiefe“ bezeichnet werden. Eine Teufe von 1 m beschreibt beispielsweise einen Punkt einen Meter unter der Bodenoberfläche.
Die Kernprobe wird vorzugsweise vertikal genommen. Das bedeutet, dass eine Achse der Kernprobe vor der Entnahme der Kernprobe vertikal ausgerichtet ist. Es ist auch möglich, dass die Kernprobe gegen die Vertikale verkippt entnommen wird.
Je nach Anwendung kann das Verfahren unterschiedliche Teufen abdecken. Im Bereich der Landwirtschaft kann eine maximale Teufe von 1 m ausreichen, weil die Wurzeln von landwirtschaftlich genutzten Pflanzen meist nicht tiefer in den Boden reichen. Bei anthropogen beeinflussten Böden und insbesondere bei geolo gischen Erkundungsbohrungen können erheblich größere Teufen untersucht wer den.
Die teufenabhängige Ermittlung der Elementzusammensetzung ist bei dem be- schriebenen Verfahren dadurch möglich, dass die Proben in der Form von Kern proben genommen werden. Unter einer Kernprobe ist in diesem Zusammenhang eine Probe zu verstehen, die beispielsweise in der Form eines Bohrkerns entnom men wird. Im Falle einer Anwendung des beschriebenen Verfahrens auf geologi- sche Erkundungsbohrungen stellt ein bei einer Bohrung erhaltener Bohrkern eine Kernprobe dar.
Eine Kernprobe ist eine Probe, die repräsentativ für einen bestimmten Teufenbe- reich des Bodens ist. Somit kann die teufenabhängige Elementzusammensetzung des Bodens anhand der Kernprobe ermittelt werden. Die Kernprobe wird vor zugsweise mittels einer Sonde wie einer Rammkemsonde, insbesondere mittels eines sogenannten Pürckhauers, entnommen. Bei einer Rammkernsonde handelt es sich um ein Gerät, mit dem eine typischerweise zylinderförmige Kernprobe aus dem Boden entnommen werden kann. Die Kemprobe reicht vorzugsweise von der Bodenoberfläche bis in eine Teufe von 0,5 m, vorzugsweise sogar bis in eine Teu fe von 1 m. Eine derartige Teufenabdeckung ist für viele Anwendungen, insbe sondere in der Landwirtschaft, besonders gut geeignet. Aus der Längsausdehnung der Kernprobe, insbesondere entsprechend der Länge der zur Probennahme ver- wendeten Sonde, ergibt sich, über welchen Teufenbereich mittels des beschriebe nen Verfahrens die Elementzusammensetzung des Bodens ermittelt werden kann. Durch die Entnahme von Kernproben hat das beschriebene Verfahren den Vorteil, dass nicht bloß eine Analyse der Oberfläche des Bodens erfolgt. Die Kernproben werden vorzugsweise automatisiert entnommen. Das bedeutet, dass eine Einrich- tung zur Entnahme von Proben verwendet wird, die nach Einschalten und Einstel len selbsttätig die Kernproben entnimmt. Das kann den Aufwand zur Durchfüh rung des beschriebenen Verfahrens reduzieren oder alternativ die Verwendung einer höheren Anzahl von Proben unter gleichbleibendem Aufwand ermöglichen. Vorzugsweise wird die Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe durch direkte Analyse der entnommenen Kernprobe mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, ermittelt. Dabei bedeutet„direkt“, dass LIBS unmittelbar auf die Kernprobe angewendet wird. Bei Entnahme der Kernprobe wird vorzugsweise die Position der Entnahme be stimmt, beispielsweise per GPS. Insbesondere im Zusammenhang mit einem au tonom fahrenden Fahrzeug kann die Positionsbestimmung auch mittels des 5G- Mobilfunknetzes erfolgen. Dadurch kann bei Entnahme mehrerer Kemproben aus den jeweils aufgenommenen Messdaten ein zwei- oder dreidimensionales Modell des Bodens erstellt werden, beispielsweise durch Interpolation zwischen den Ent nahmeorten. Es wird also ein Teufenmodell des Bodens erhalten.
Die entnommene Kernprobe wird mittels LIBS analysiert. Dabei wird die Kern- probe ihrer Länge nach mit einem Laser abgetastet. Das Ergebnis ist eine Ele mentzusammensetzung in Abhängigkeit von der Position entlang der Kernprobe und insoweit in Abhängigkeit von der Teufe des Bodens.
Die Kernprobe kann nach der Entnahme abgelegt werden und anschließend mit- tels LIBS analysiert werden. Das hat den Vorteil, dass an die zur LIBS verwende te Vorrichtung keine besonderen Anforderungen, insbesondere an Größe und Form, gestellt werden müssen.
Vorzugsweise wird ein frischer Anschnitt der Kernprobe analysiert. Dazu können beispielsweise mittels eines Grats die in radialer Richtung äußersten 5 mm der Kernprobe abgeschält werden. Das kann beim Herausziehen und/oder danach er folgen. Bei der Analyse mittels LIBS können so Schmiereffekte insbesondere durch Verschleppung beim Herausziehen vermieden werden. Die Kernprobe kann auch ohne Abschälen analysiert werden. Das ist insbesondere dann möglich, wenn Schmiereffekte nur in geringem Maße auftreten und/oder wenn nur eine geringe Genauigkeit hinsichtlich der Teufenabhängigkeit erforder lich ist. Alternativ wird die Kernprobe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens während der Entnahme analysiert.
In dieser Ausführungsform wird vorzugsweise eine LIBS-Einrichtung verwendet, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Kernprobe beim Herausziehen aus dem Boden an der LIBS-Einrichtung vorbeigeführt wird. Auch in dieser Aus führungsform ist es bevorzugt, dass die Analyse an einem frischen Anschnitt er folgt. Das Analysieren der Kernprobe beim Herausziehen hat den Vorteil, dass die Pro be unmittelbar nach der Entnahme abgelegt werden kann, ohne dass darauf geach tet werden müsste, dass sich einzelnen Teile der Kernprobe verschieben oder vermischen. Würde das passieren, würde bei einer nachträglichen Analyse keine korrekte Teufenabhängigkeit mehr erhalten werden können. Insbesondere bei ei- ner Kernproben in Form eines Bohrkerns einer geologischen Erkundungsbohrung kann das Ablegen des Bohrkerns zudem aus Platzgründen erschwert oder sogar unmöglich sein. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Kernprobe aber bereits beim Herausziehen aus dem Boden analysiert, so dass ein sorgfältiges Ablegen der gesamten Kernprobe nicht erforderlich ist.
Weiterhin wird das beschriebene Verfahren durch die vorliegende Ausgestaltung beschleunigt. Während des Herausziehens der Kernprobe aus dem Boden erfolgt vorzugsweise eine Vielzahl von Messungen, vorzugsweise 10 bis 50 Messungen pro Sekunde. Damit kann die Kernprobe mit einer hohen Ortsauflösung analysiert werden, sodass die Elementzusammensetzung mit einer entsprechend hoch aufge lösten Teufenabhängigkeit ermittelt werden kann.
Neben der Elementzusammensetzung können weitere Parameter des Bodens er mittelt werden, beispielsweise mittels optischer Kameras, Infrarot-Analyse, NIR, Radarmessung, Mikrowellenmessung, Ultraschallmessung und/oder Gammastrah lenrückstreuung und -absorption.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzu sammensetzung eines Bodens in Abhängigkeit von der Teufe vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
- eine Einrichtung zum Entnehmen einer Kernprobe des Bodens,
- eine LIBS-Einrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bo dens in Abhängigkeit von der Teufe durch Analyse der entnommenen Kern probe mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfah rens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe sind auf die Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammenset zung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere wird das beschriebene Verfahren vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. Insbesondere ist die beschriebene Vorrich tung vorzugsweise zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Die LIBS-Einrichtung ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass die Kemprobe während der Entnahme analysiert werden kann.
Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusam mensetzung eines Bodens vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
a) für mindestens einen Probenort analysieren des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens,
und/oder b) für eine Abtastfläche analysieren des Bodens durch Abtasten des Bodens mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
und
c) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens aus den Ergebnissen von Schritt a) und/oder b).
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des zuvor beschriebenen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe sind auf das vorliegend beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammenset zung des Bodens anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Das gilt insbeson dere, soweit Schritt a) des vorliegend beschriebenen Verfahrens betroffen ist. Im Folgenden werden insbesondere die Besonderheiten von Schritt b) beschrieben.
Ergebnis des beschriebenen Verfahrens ist vorzugsweise ein Profil der Element zusammensetzung des Bodens. Ein derartiges Profil ist vorzugsweise orts- und teufenabhängig und insoweit dreidimensional. Die Teufenabhängigkeit kann durch Schritt a) erreicht werden. Es kann aber auch ein zweidimensionales Profil erstellt werden, welches lediglich ortsabhängig ist und für jeden Ort einen Wert umfasst. Ein solches Profil kann auch ohne Schritt a) erstellt werden. Ein zweidi mensionales Profil kann aber auch beispielsweise durch Projektion der Werte ei nes dreidimensionalen Profils erhalten werden. Anhand des erhaltenen Profils kann beispielsweise die Schadstoffkonzentration in anthropogen beeinflussten Böden erkannt werden. Das kann es für Betreiber ent sprechender Böden erleichtern, die erforderlichen behördlichen Nachweise zu erbringen. So können insbesondere umweltrelevante Parameter systematisch er- fasst werden. Darauf basierend können Belastungen für Böden und Gewässer mi nimiert werden.
Weiterhin kann das erhaltene Profil dazu dienen, um insbesondere auch zusam- men mit anderen Parametern Schlussfolgerungen für die Entwicklung der Boden qualität zu ziehen.
Bei dem beschriebenen Verfahren können die Schritte a) und c) ohne Schritt b), die Schritte b) und c) ohne Schritt a) oder die Schritte a), b) und c) durchgeführt werden. In letztgenanntem Fall können die Schritte a) und b) in beliebiger Reihen folge vollständig oder teilweise zeitgleich oder nacheinander durchgeführt wer den. Schritt c) beginnt in jedem Fall erst nach Beginn von Schritt a) und/oder b). Es ist aber möglich, dass Schritt c) teilweise oder vollständig parallel zu den Schritten a) und/oder b) durchgeführt wird.
In Schritt a) wird das zuvor beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Element zusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe für mindestens ei nen Probenort, vorzugsweise für eine Vielzahl von Probenorten, durchgeführt. Die Probenorte sind vorzugsweise anhand eines Rasters angeordnet und über den ge- samten Boden verteilt.
In Schritt b) wird der Boden mittels PGNAA und/oder mittels PFTNA analysiert. Mittels PGNAA und/oder PFTNA kann die Elementzusammensetzung einer obe ren Bodenschicht erhalten werden. Die Elementzusammensetzung kann in Form von Durchschnittswerten erhalten werden, die beispielsweise jeweils über die 50 cm des Bodens unmittelbar unter der Bodenoberfläche gebildet werden.
Bevorzugt ist die Analyse mittels PGNAA. Bei beiden genannten Verfahren han delt es sich um Methoden zur Analyse unter Verwendung von Neutronen. Die Neutronen können ausgehend von einer Neutronenquelle, beispielsweise einem geeigneten radioaktiven Material, in den Boden ausgesendet werden. Innerhalb des Bodens kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen diesen Neutronen und den Kernen der den Boden bildenden Atome. Bei dieser Kernwechselwirkung wird Gammastrahlung erzeugt, die von einem Strahlungsdetektor detektiert wer den kann. Anhand der detektieren Strahlung kann auf die im Boden befindlichen Atome geschlossen werden. Insoweit kann die Elementzusammensetzung des Bo dens ermittelt werden. Das kann flächendeckend erfolgen, in dem eine entspre chende Vorrichtung derart über den Boden bewegt wird, dass der Boden kontinu- ierlich abgetastet wird. Es ist alternativ möglich, Einzelmessungen beispielsweise an Punkten eines Rasters vorzunehmen, und die Ergebnisse zu interpolieren.
Für Schritt b) kann insbesondere eine Abtasteinheit verwendet werden, die eine Neutronenquelle und einen Strahlungsdetektor aufweist. Die Abtasteinheit wird vorzugsweise mit einem Schlitten oder einer Hub Vorrichtung in die Nähe der Bo- denoberfläche gebracht und über diese bewegt. Auch kann die Abtasteinheit an einem Pflug montiert sein, so dass die Einrichtung in Vertiefungen des Bodens eingeführt werden kann. In Schritt c) wird aus den Ergebnissen von Schritt a) und/oder b) die Elementzu sammensetzung des Bodens ermittelt.
Sofern neben Schritt c) nur Schritt a) durchgeführt wird, erfolgt Schritt c) anhand der Ergebnisse aus Schritt a). Dazu können die Ergebnisse aus Schritt a) bei- spielsweise durch Interpolation zwischen den Probenorten zu einem flächende ckenden Profil der Elementzusammensetzung ergänzt werden. Dieses Profil kann orts- und teufenabhängig und insoweit dreidimensional sein. Sofern neben Schritt c) nur Schritt b) durchgeführt wird, erfolgt Schritt c) anhand der Ergebnisse aus Schritt b). Da die Elementzusammensetzung des Bodens mit tels PGNAA und/oder mittels PFTNA in Form von Durchschnittswerten ermittelt werden kann, kann Schritt c) hier beispielsweise darin bestehen, das Ergebnis von Schritt b) in die Form einer lückenlosen zweidimensionalen Elementverteilungs karte des Bodens zu bringen.
Bevorzugt ist jedoch die Ausführungsform des Verfahrens, gemäß der sowohl Schritt a) als auch Schritt b) neben Schritt c) durchgeführt werden. In Schritt c) wird die Elementzusammensetzung des Bodens ausgehend von dem Ergebnis von Schritt a) und unter Korrektur anhand des Ergebnisses von Schritt b) oder ausge hend von dem Ergebnis von Schritt b) und unter Korrektur anhand des Ergebnis ses von Schritt a) erstellt. In dieser Ausführungsform werden die Vorteile der in den Schritten a) und b) ein gesetzten Analysemethoden miteinander kombiniert. Mit der Verknüpfung der Methoden werden die analytischen Vorteile der jeweiligen Methode zu einem Gesamtsystem mit besonders hohem Messpotential integriert. Mittels PGNAA und/oder PFTNA kann die Elementzusammensetzung des Bo dens bereits flächendeckend ermittelt werden. Insoweit kann es genügen, nur die se Methode einzusetzen. Allerdings ist die Genauigkeit von PGNAA und PFTNA begrenzt. Zudem sind diese Methoden nur für bestimmte Elemente sensitiv. Mittels LIBS kann eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden als mit PGNAA und/oder PFTNA. Auch können mit LIBS mehr Elemente analysiert werden als mit PGNAA und/oder PFTNA. Allerdings ist LIBS durch die erforderliche Pro bennahme aufwendiger als PGNAA und/oder PFTNA. Eine Analyse von Kern proben mittels LIBS ist aber - anders als eine Analyse mittels PGNAA und/oder PFTNA - informationsreicher hinsichtlich des Elementspektrums und der Teufen- abhängigkeit.
Daher wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform mittels PGNAA und/oder PFTNA ein Modell der Elementzusammensetzung des Bodens erstellt und anhand der LIBS korrigiert, oder umgekehrt. Unter Korrigieren ist zu verstehen, dass in Schritt c) die Elementzusammensetzung des Bodens derart ermittelt wird, dass - soweit möglich - die mit den beiden verschiedenen Messmethoden erhaltenen Werte miteinander übereinstimmen. Anstelle von interpolierten Werten kann die in Schritt c) ermittelte Elementzusammensetzung zwischen den Probenorten Wer te umfassen, die auf den Ergebnissen der PGNAA und/oder PFTNA beruhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Profil der Elementzusammensetzung des Bodens erstellt, welches den Boden von einer Bodenoberfläche bis in eine Teufe im Bereich von 00,3 bis 1 m abdeckt.
Es hat sich herausgestellt, dass die angegebene Teufenabdeckung für viele An wendungen ein geeigneter Kompromiss zwischen der Messgenauigkeit, dem er forderlichen Aufwand und der für die jeweilige Anwendung erforderlichen Kenntnis der Elementzusammensetzung in bestimmten Teufen ist. Mittels PGNAA und/oder PFTNA können Durchschnittswerte für maximale Teufen im Bereich von 0,3 m bis 0,5 m erhalten werden. Wenn zusammen mit LIBS ein Pro fil der Elementzusammensetzung des Bodens erstellt wird, kann dies bis in eine Teufe im Bereich von 0,3 m besonders genau sein und bis in eine Teufe von 1 m eine für viele Anwendungszwecke ausreichende Genauigkeit haben.
Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für landwirtschaftlich genutzte Böden geeignet. Insbesondere bei der Analyse von anthropogen beeinflussten Böden und von geologischen Erkundungsbohrungen mittels LIBS können wie weiter oben beschrieben erheblich größere Teufen relevant sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt a) und/oder b) zusätzlich eine Feuchtigkeit des Bodens ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Bodens berücksichtigt.
Der Wassergehalt im Boden kann einen Einfluss auf den Neutronenfluss durch den Boden haben. Durch Kenntnis der Feuchtigkeit des Bodens kann daher die Genauigkeit der LIBS, PGNAA und/oder der PFTNA verbessert werden. Die Feuchtigkeit des Bodens kann beispielsweise mittels Mikrowellentechnik, Nah- Infrarot-Technik, Gammarückstreuung, Messung des kapazitiven Widerstands, oder durch Terra-Hz-Messtechnik ermittelt werden. Vorzugsweise wird die Feuchtigkeit teufenabhängig ermittelt. Das kann insbesondere während des Ent- nehmens einer Kernprobe erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird weiter hin mindestens ein Parameter des Bodens mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie, NIR, und/oder mittels einer Kamera ermittelt.
Durch NIR kann die Messgenauigkeit des Messverfahrens erhöht werden. Dazu kann neben LIBS, PGNAA und/oder PFTNA auch mittels NIR die teufenabhän- gigen Zusatzinformationen des Bodens als ein Parameter des Bodens ermittelt und mit den durch LIBS, PGNAA und/oder PFTNA erhaltenen Ergebnissen vergli- chen werden. Als Gesamtergebnis kann eine korrigierte Elementzusammenset zung bestimmt werden, beispielsweise in dem das Ergebnis der LIBS, PGNAA und/oder PFTNA anhand des Ergebnisses der NIR korrigiert und/oder kalibriert wird. Darüber hinaus können mittels NIR weitere Parameter des Bodens wie beispiels weise ein Wassergehalt des Bodens und/oder ein Anteil bestimmter organischer Verbindungen in dem Boden ermittelt werden. Diese Parameter werden vorzugs weise teufenabhängig ermittelt. Alternativ ist es bevorzugt, diese Parameter teu- fenunabhängig zu ermitteln, beispielsweise als Durchschnittswerte über eine Kernprobe und/oder durch unmittelbare Analyse der Oberfläche des Bodens.
Die Kamera ist vorzugsweise eine Hochleistungskamera. Vorzugsweise hat die Kamera eine derart hohe Auflösung, dass damit Eigenschaften des Bodens optisch ermittelt werden können. Mit der Kamera können Parameter des Bodens wie bei spielsweise eine Bindigkeit des Bodens, ein Korngrößenverteilungsmuster und/oder ein Tonanteil im Boden ermittelt werden. Diese Parameter werden vor zugsweise teufenabhängig ermittelt, beispielsweise durch Analyse einer Kempro be. Mit der Kamera wird die Kernprobe vorzugsweise während der Entnahme analysiert. Somit kann die Oberfläche der Kernprobe analysiert werden, ohne dass die Kamera bewegt werden muss. Alternativ ist es bevorzugt, diese Parameter teufenunabhängig zu ermitteln, beispielsweise als Durchschnittswerte über eine Kernprobe und/oder durch unmittelbare Analyse der Oberfläche des Bodens. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Boden ein landwirtschaftlich genutzter Boden.
Das mit dem beschriebenen Verfahren erhaltene Profil kann zur systematischen Überwachung von Agrarflächen, forstwirtschaftlichen Flächen und natürlichen Flächen genutzt werden. Damit kann ein behördlich erforderliches Monitoring zum Elmwelt- und/oder Gewässerschutz erleichtert werden.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzu sammensetzung eines Bodens mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
eine Probeneinheit zum Entnehmen und Analysieren von Kernproben gemäß Schritt a),
und/oder
eine Abtasteinheit zum Abtasten des Bodens gemäß Schritt b),
und
eine Auswerteeinrichtung, die eingerichtet ist, gemäß Schritt c) die Element zusammensetzung des Bodens zu ermitteln.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfah rens und der Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bo dens in Abhängigkeit von der Teufe sowie des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens sind auf die Vorrich- tung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere wird das zuvor beschriebene Verfahren vorzugsweise mit der vorliegend beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. Insbe sondere ist die vorliegend beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchfüh rung des zuvor beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise sowohl eine Probeneinheit als auch eine Abtasteinheit, so dass sowohl Schritt a) als auch Schritt b) durchgeführt werden können. Die Auswerteeinrichtung ist in dem Fall vorzugsweise dazu eingerichtet, in Schritt c) das Profil der Elementzusammensetzung des Bodens ausgehend von dem Ergebnis von Schritt a) und unter Korrektur anhand des Ergebnisses von Schritt b) oder umgekehrt zu erstellen. Die Probeneinheit und/oder die Abtasteinheit sind vorzugsweise dazu eingerich tet, den Boden von einer Bodenoberfläche bis in eine Teufe im Bereich von 0,3 bis 1 m zu analysieren. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zur Bestim mung der Feuchtigkeit des Bodens. In dem Fall ist die Auswerteeinrichtung vor zugsweise dazu eingerichtet, die Feuchtigkeit bei der Ermittlung der Element zusammensetzung des Bodens zu berücksichtigen. Vorzugsweise ist die Einrich tung zur Bestimmung der Feuchtigkeit des Bodens derart angeordnet, dass die Feuchtigkeit des Bodens bei Entnahme einer Kernprobe teufenabhängig ermittelt werden kann. Die Einrichtung zur Bestimmung der Feuchtigkeit des Bodens kann insbesondere Teil der Probeneinheit sein.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Ermitteln mindestens eines Parameters des Bodens mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIR), und/oder mittels einer Kamera. Vorzugsweise ist die Kamera derart ange ordnet, dass der Boden mit der Kamera bei Entnahme einer Kernprobe teufenab hängig analysiert werden kann. Die Kamera kann insbesondere Teil der Proben einheit sein.
Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zum Behandeln eines landwirtschaft lich genutzten Bodens vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
A) Ermitteln einer Elementzusammensetzung des Bodens mittels eines der zuvor beschriebenen Verfahren,
und
B) ortsabhängiges Aufbringen eines Düngers auf den Boden anhand eines Er gebnisses aus Schritt A). Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfah rens und der Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bo dens in Abhängigkeit von der Teufe sowie des Verfahrens und der Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens sind auf das Verfahren zum Behandeln des landwirtschaftlich genutzten Bodens anwendbar und über tragbar, und umgekehrt.
In Schritt A) wird die Elementzusammensetzung des Bodens anhand des be schriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe oder anhand des Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens ermittelt. Die so gewonnenen Informatio nen können genutzt werden, um den Boden bedarfsgerecht zu düngen. Durch ortsabhängiges Aufbringen eines Düngers gemäß Schritt B) kann eine Homogeni sierung der Elementzusammensetzung im Boden angestrebt werden. Damit kann eine homogene Bodenqualität erreicht werden, die eine homogene Qualität von mit dem Boden gewonnenen landwirtschaftlichen Erzeugnissen begünstigen kann. Als Dünger kommen insbesondere Kalk-/Mineral Stoff- und/oder Organikdünger in Betracht. Das ortsabhängige Ausbringen des Düngers in Schritt B) erfolgt vor zugsweise automatisiert, insbesondere mittels GPS oder 5G.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Fi guren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Fi- guren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und
Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinie ren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
Fig. 1 : einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Erstellen eines Profils einer Elementzusammensetzung eines Bodens,
Fig. 2: einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Behandeln eines landwirtschaftlich genutzten Bodens, Fig. 3: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem Boden,
Fig. 4: eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäß zu analysie renden Boden, und
Fig. 5: eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen
Vorrichtung auf einem Boden.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Erstellen eines Profils einer Elementzusammensetzung eines Bodens 1. Die verwendeten Be zugszeichen beziehen sich auf die Fig. 3 und 4. Das Verfahren umfasst:
a) für mindestens einen Probenort 6 analysieren des Bodens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t. Dazu wird eine Elementzusammensetzung des Bodens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t ermittelt durch:
- Entnehmen einer Kernprobe 2 des Bodens 1 am Probenort 6,
und
Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t durch Analyse der entnommenen Kernprobe 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS während der Entnahme der Kemprobe 2.
und
b) für eine Abtastfläche 7 analysieren des Bodens 1 durch Abtasten des Bodens 1 mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
und
c) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens 1 aus den Ergebnissen von Schritt a) und b). Dazu kann ein Profil der Elementzusammensetzung des Bodens 1 ausgehend von dem Ergebnis von Schritt b) und unter Korrek tur anhand der Ergebnisse von Schritt a), oder umgekehrt, erstellt werden. Das erhaltene Profil der Elementzusammensetzung deckt den Boden 1 von einer Bodenoberfläche 8 bis in eine Teufe t im Bereich von 0,3 bis 1 m ab. Zusätzlich wird in Schritt a) und/oder b) eine Feuchtigkeit des Bodens 1 ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Bodens 1 berücksich tigt.
Weiterhin wird mindestens ein Parameter des Bodens 1 mittels Nah-Infrarot- Spektroskopie (NIR), und/oder mittels einer Kamera ermittelt.
Das Verfahren kann insbesondere auf einen landwirtschaftlich genutzten Boden angewendet werden. Fig. 2 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Behandeln eines landwirtschaftlich genutzten Bodens 1. Das Verfahren umfasst:
A) Ermitteln einer Elementzusammensetzung des Bodens 1 mittels des Verfah rens aus Fig. 1,
und B) ortsabhängiges Aufbringen eines Düngers auf den Boden 1 anhand eines Er gebnisses aus Schritt A).
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 3, mit der das in Fig. 1 beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung 3 kann in dem Verfahren nach Fig. 2 in Schritt A) genutzt werden. Gezeigt ist die Vorrichtung 3 auf einer Bodenober fläche 8 eines Bodens 1.
Die Vorrichtung 3 ist zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Bo dens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t eingerichtet. Dazu umfasst die Vorrich tung 3 eine Einrichtung 4 zum Entnehmen einer Kernprobe 2 des Bodens 1 und eine LIBS-Einrichtung 5 zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bo dens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t durch Analyse der entnommenen Kern probe 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS. Die Einrichtung 4 zum Entnehmen einer Kernprobe 2 des Bodens 1 umfasst vorzugsweise ein (nicht dargestelltes) Element zum Abschälen der Kernprobe 2.
Die Vorrichtung 3 ist darüber hinaus dazu eingerichtet, die Elementzusammenset zung des Bodens 1 zu ermitteln. Insoweit können die Einrichtung 4 zum Entneh men einer Kernprobe 2 des Bodens 1 und die LIBS-Einrichtung 5 als eine Pro beneinheit 11 zum Entnehmen und Analysieren von Kernproben 2 gemäß Schritt a) des Verfahrens aus Fig. 1 aufgefasst werden. Die Probeneinheit 11 kann weite re Analytik wie beispielsweise eine Kamera, einen Feuchtigkeitsmesser und/oder eine NIR-Einrichtung umfassen. Zudem umfasst die Vorrichtung 3 eine Abtast einheit 10 zum Abtasten des Bodens 1 gemäß Schritt b) des Verfahrens aus Fig. 1. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 3 eine Auswerteeinrichtung 9, die eingerichtet ist, gemäß Schritt c) des Verfahrens aus Fig. 1 die Elementzusammensetzung des Bodens 1 zu ermitteln. Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Boden 1, der mittels des Ver fahrens aus Fig. 1 analysiert werden kann, insbesondere mittels der Vorrichtung 3 aus Fig. 3, und/oder der mittels des Verfahrens aus Fig. 2 behandelt werden kann. Eingezeichnet sind eine Vielzahl von Probenorten 6, die nach einem durch gestri- chelte Linien dargestellten Raster angeordnet sind. An den Probenorten 6 werden gemäß dem Verfahren nach Fig. 1 Kernproben 2 zur Analyse mittels LIBS ent nommen. Weiterhin ist eine Abtastfläche 7 eingezeichnet. Diese umfasst die ge samte Fläche des Rechtecks mit durchgezogener Linie, also den gesamten Boden 1. Für die Abtastfläche 7 wird gemäß dem Verfahren aus Fig. 1 die Element- Zusammensetzung des Bodens 1 in durch Abtasten des Bodens 1 mittels PGNAA und/oder PFTNA ermittelt.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung 3, die eine Konkretisierung der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 3 ist. Auch die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung 3 umfasst eine Einrich- tung 4 zum Entnehmen einer Kernprobe und eine LIBS-Einrichtung 5 als Proben einheit 11, eine Abtasteinheit 10 und eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrich tung. Die Vorrichtung 3 ist auf einer Bodenoberfläche 8 eines Bodens 1 gezeigt. Eine Kernprobe 2 ist eingezeichnet. Auch die Teufe t ist eingezeichnet. Mit den beschriebenen Verfahren und mit der beschriebenen Vorrichtung 3 kann ein Boden 1, beispielsweise ein landwirtschaftlich genutzter Acker oder ein auf Schadstoffe zu untersuchender Baugrund, analysiert werden. Durch eine Analyse mittels PGNAA, PFTNA und/oder LIBS kann die Qualität des Bodens 1 beson ders effizient und zuverlässig flächendeckend ermittelt werden. Bezugszeichenliste
1 Boden
2 Kernprobe
3 Vorrichtung
4 Einrichtung zum Entnehmen einer Kemprobe
5 LIBS-Einrichtung
6 Probenort
7 Abtastfläche
8 Bodenoberfläche
9 Auswerteeinrichtung
10 Abtasteinheit
11 Probeneinheit t Teufe

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Bodens (1) in Abhängigkeit von der Teufe (t), umfassend:
- Entnehmen einer Kernprobe (2) des Bodens (1),
und
- Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens (1) in Abhängigkeit von der Teufe (t) durch Analyse der entnommenen Kernprobe (2) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kernprobe (2) während der Entnahme analysiert wird.
3. Vorrichtung (3) zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Bodens (1) in Abhängigkeit von der Teufe (t), umfassend:
- eine Einrichtung (4) zum Entnehmen einer Kernprobe (2) des Bodens (1),
- eine LIBS-Einrichtung (5) zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens (1) in Abhängigkeit von der Teufe (t) durch Analyse der ent nommenen Kernprobe (2) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
4. Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Bodens (1), umfassend
a) für mindestens einen Probenort (6) analysieren des Bodens (1) in Ab hängigkeit von der Teufe (t) mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2,
und/oder
b) für eine Abtastfläche (7) analysieren des Bodens (1) durch Abtasten des Bodens (1) mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, und
c) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens (1) aus den Ergeb nissen von Schritt a) und/oder b).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei sowohl Schritt a) als auch Schritt b) durchgeführt werden, und wobei in Schritt c) die Elementzusammensetzung des Bodens (1) ausgehend von dem Ergebnis von Schritt a) und unter Korrek tur anhand des Ergebnisses von Schritt b) oder ausgehend von dem Ergebnis von Schritt b) und unter Korrektur anhand des Ergebnisses von Schritt a) er stellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei ein Profil der Element zusammensetzung des Bodens (1) erstellt wird, welches den Boden (1) von einer Bodenoberfläche (8) bis in eine Teufe (t) im Bereich von 0,3 bis 1 m abdeckt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei in Schritt a) und/oder b) zusätzlich eine Feuchtigkeit des Bodens (1) ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Bodens (1) berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei weiterhin mindestens ein Parameter des Bodens (1) mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIR), und/oder mittels einer Kamera ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Boden (1) ein land wirtschaftlich genutzter Boden (1) ist.
10 Vorrichtung (3) zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Bo dens (1) mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, umfas send:
eine Probeneinheit (11) zum Entnehmen und Analysieren von Kernpro ben (2) gemäß Schritt a),
und/oder
eine Abtasteinheit (10) zum Abtasten des Bodens (1) gemäß Schritt b), und
eine Auswerteeinrichtung (9), die eingerichtet ist, gemäß Schritt c) die Elementzusammensetzung des Bodens (1) zu ermitteln.
11. Verfahren zum Behandeln eines landwirtschaftlich genutzten Bodens (1), umfassend:
A) Ermitteln einer Elementzusammensetzung des Bodens (1) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2 oder 4 bis 9,
und
B) ortsabhängiges Aufbringen eines Düngers auf den Boden (1) anhand ei- nes Ergebnisses aus Schritt A).
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