Der Einsatz großer Mengen an Düngemitteln führt weltweit zu einer steigenden Nitratbelastung von Ackerland. Bisher gibt es aber kein Verfahren, mit dem der Nitratgehalt im Boden kontinuierlich über eine größere Fläche hinweg gemessen werden kann. Ein neues Forschungsvorhaben an der Universität Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer will dies jetzt ändern. Auf der Grundlage der elektrischen Impedanzspektroskopie soll eine Technik entwickelt werden, die auf landwirtschaftlich genutzten Feldern großflächige Nitratmessungen ermöglicht.
„Bisher wird der Nitratgehalt in Ackerböden meistens dadurch ermittelt, dass vereinzelte Bodenproben im Labor analysiert werden. Wenn die Messungen dagegen vor Ort vorgenommen werden, mit Hilfe einer an landwirtschaftlichen Geräten oder Fahrzeugen befestigten Apparatur, können sie sich im Idealfall über eine große landwirtschaftliche Fläche erstrecken und ein vollständiges Bild der Nitratbelastung liefern. Dies hätte enorme ökologische und wirtschaftliche Vorteile“, sagt Fischerauer, Inhaber des Lehrstuhls für Mess- und Regeltechnik an der Universität Bayreuth.
Eine für Umweltschutz und Landwirtschaft wegweisende Entwicklung
„Die Relevanz unseres Vorhabens zeigt sich auch daran, dass es zu den wenigen Projekten zählt, die von der VolkswagenStiftung für das Programm „Experiment!“ ausgewählt wurden. Die Aussicht, eine für den Umweltschutz und die Landwirtschaft wegweisende technische Entwicklung auf den Weg bringen zu können, ist auch für mich persönlich ein besonderer Ansporn“, sagt Projektmitarbeiter Luca Bifano, M. Sc., der entscheidend an der Antragstellung beteiligt war.
Fischerauer verweist auf die umfangreichen Informationen zur Bodenqualität, die aus dem angestrebten Verfahren hervorgehen und eine effizientere Bewirtschaftung der Felder ermöglichen. So können Landwirte durch den gezielten Einsatz von Düngemitteln die Produktionsk denosten senken. Zudem werden die Kosten, die im Fall einer ständiger Überdüngung für die Grundwasserreinigung aufgebracht werden müssen, beträchtlich sinken.
Bei Laboranalysen von Materialien hat sich die elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) hervorragend bewährt. Anhand der gemessenen Spektren kann man Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung von Materialien schließen, beispielsweise von Gießerei-Sand, Sandmischungen (Quarz, Chromit) oder organischem Material (Kohlenstoff). Auch die prozentualen Anteile der jeweiligen Bestandteile lassen sich zuverlässig ermitteln. Doch es ist unklar, ob sich diese Informationen mit gleicher Zuverlässigkeit auch in der freien Natur gewinnen lassen.
Daher wollen Fischerauer und sein Team die elektrische Impedanzspektroskopie so weiterentwickeln, dass sie auf Ackerflächen zur Messung von Nitratkonzentrationen anwendbar ist. Eine wesentliche Herausforderung liegt darin, dass es eine Reihe von Faktoren gibt, welche die Messungen beeinflussen oder sogar verfälschen könnten. Zu diesen Einflussgrößen zählen beispielsweise die Temperatur und die Feuchtigkeit im Boden sowie die Gesamtheit der chemischen Verbindungen, die neben dem Nitrat im Boden enthalten sind. Das angestrebte Messsystem muss in der Lage sein, alle diese Einflüsse aus den Messdaten herauszurechnen.
Die Agrarwissenschaft für solche Probleme gute technische Lösungen finden
„Wenn unsere Forschungsergebnisse erfolgversprechend sind, wollen wir ein Pilotprojekt starten: Wir werden ein Demonstratorsystem bauen und es auf landwirtschaftlichen Geräten, beispielsweise auf Traktoren, installieren. Diese Apparatur wird es grundsätzlich ermöglichen, Nitratkonzentrationen im Boden kostengünstig, schnell und flächendeckend zu messen. In Einzelfällen werden vermutlich geländebedingte Schwierigkeiten auftreten, die einem reibungslosen Einsatz des neuen Systems entgegenstehen können. Aber ich bin sicher, dass die Agrarwissenschaft für solche Probleme gute technische Lösungen finden wird“, sagt Fischerauer.