Projekt 34515/01

N-PHONE Nutzung von Smartphones zur spektralphotometrischen Vor-Ort-Bestimmung des Mineralstickstoffs im Boden als Basis einer bedarfsgerechten Stickstoffdüngung im Feldgemüsebau

Projektdurchführung

Hochschule Weihenstephan-Triesdorf Präsident
Am Hofgarten 4
85354 Freising

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Wie der aktuelle Nitratbericht der Bundesregierung zeigt, ist unter anderem in Gebieten mit intensivem Feldgemüseanbau weiterhin eine hohe Nitratbelastung des Grundwassers zu verzeichnen. Dieser Sachverhalt beruht darauf, dass viele Gemüsekulturen zur Erzielung hoher Erträge in den vom Markt geforder-ten guten Qualitäten intensiv mit Stickstoff gedüngt werden müssen, was eine erhebliche Gefahr übermä-ßiger Nitrateinträge ins Grundwasser nach sich zieht. Um dies zu vermeiden, sollte der im Boden vorhandene Mineralstickstoff regelmäßig gemessen und dann bei der Düngebedarfsberechnung berücksichtigt werden. Dieses, dem kulturbegleitenden Nmin-Sollwert (KNS)-System zu Grunde liegende Prinzip wird allerdings kaum in der Praxis umgesetzt, da die notwendigen Nmin-Analysen einen erheblichen finanziellen und logistischen Aufwand bedeuten. Schnelltest-Verfahren zur Nmin-Bestimmung vor Ort sind wegen der mangelnden Genauigkeit bzw. der z. T. sehr hohen Anforderungen an den Anwender keine Alternative.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAlle Arbeiten im Rahmen des Projektes erfolgten schrittweise. Den Anfang machte jeweils eine intensive Literatur- und Marktrecherche, um potentiell geeignete Konzepte, Verfahren und Geräte zu identifizieren. Die potentiell geeigneten Ansätze wurden im nächsten Schritt auf ihre grundlegende Eignung geprüft. Basierend auf dieser Eignungsprüfung wurde ein möglicher Lösungsweg skizziert und die einzelnen Komponenten – egal ob Software, Hardware oder Methodenvorschriften – in mehreren Feedback-Schleifen auf einen Praxiseinsatz hin optimiert. Als Referenz für die analytische Leistungsfähigkeit diente dabei immer die etablierte VDLUFA-Methode zur Nmin-Bestimmung.


Ergebnisse und Diskussion

Im Grundsatz konnten alle gesteckten Ziele erreicht werden. Für die volumendefinierte Probenahme wurde ein spezielles Probenahmewerkzeug entwickelt. Es handelt sich um ein sich nach unten verjüngendes Rohr mit einem sich außen befindlichen Bohrgewinde. Das Rohr wird mithilfe eines Akkuschlagschraubers in den Boden ein- und wieder herausgedreht. Aus der Anzahl der Einstiche und dem Gesamtgewicht des entnommenen Bodens kann die aktuelle Lagerungsdichte des Bodens berechnet werden. Die Messungen zeigen, dass unabhängig von der Bodenart bzw. dem Gehalt an organischer Bodensubstanz eine sehr gute Übereinstimmung zur mittels Stechzylindern ermittelten Lagerungsdichte besteht. Die Modellierung ergab eine Abweichung von im Mittel 0,12 kg/l. Einschränkend ist allerdings zu sagen, dass bei bindigen Böden für das Eindrehen des Bohrers sehr viel Kraft benötigt wird, was einen erheblichen Materialverschleiß zur Folge hat. Gut geeignet ist das Verfahren für sandige sowie vor allem sehr humusreiche Böden, bei denen das Fehlerrisiko bei der Umrechnung über Faustzahlen besonders groß ist. Ein Problem bleibt allerdings der Wassergehalt der Proben und die damit einhergehende Verdünnung des Extrakts. Dieses Problem ließ sich nicht abschließend lösen.
Neben dem Werkzeug zur volumendefinierten Probenahme wurde ein Schnelltest zur Bestimmung des Mineralstickstoffs in der entnommenen Bodenprobe entwickelt. Das Verfahren basiert auf der etablierten VDLUFA-Nmin-Methode. Im ersten Schritt wird die Probe mit CaCl2 extrahiert, wobei das Extraktionsverhältnis aus Gründen der Praktikabilität auf 1:1 eingeengt und die Suspension mit einem Pürierstab homogenisiert wird. Vom Filtrat werden zwei Aliquote entnommen und mit Salzsäure auf einen pH-Wert von 2 angesäuert. Anschließend wird einem der beiden Aliquote Zinkpulver zugegeben, wodurch das enthaltende Nitrat zu Ammonium reduziert wird (Ausbeute 75 %). Im nächsten Schritt werden die beiden Aliquote mit NaOH wieder alkalisiert und das enthaltene Ammonium durch die Zugabe von Trinatriumcitrat, Dichlorisocyanursäure, Natriumnitroprussid und Salicylat (Berthelot-Reaktion) angefärbt. Die Zudosierung aller Reagenzien erfolgt entweder über Glasspritzen oder über einen Mikrolöffel.
Für die eigentliche Endbestimmung wurde ein einfaches LED-Photometer im 3D-Druck gefertigt, das mit dem Smartphone als Detektor gekoppelt wird. Die Ermittlung des Ammonium-N-Gehaltes erfolgt über die Auswertung des R-Farbwertes. Die Messungen bei Standardlösungen und Bodenextrakten zeigen eine sehr hohe Übereinstimmung zur Bestimmung mittels Continuous-Flow-Analyzer im Labor. Mit einer Abweichung von weniger als 10 kg N/ha ist das Verfahren durchaus für einen Praxiseinsatz geeignet. Für die Nutzerführung bei der Messung (inklusive Anfärbung, Kalibration und Auswertung) wurde eine Smart-phone-App entwickelt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der breiten Öffentlichkeit wurde das Forschungsprojekt zusätzlich zur Pressemitteilung der DBU im Internetangebot der HSWT vorgestellt (Meldung in den Forschungsnews und Einrichtung einer Projektseite). Basierend auf diesen Bekanntmachungen haben zudem verschiedene Webportale (z.B. das Online-Portal der Zeitschrift Fruchthandel) über das angelaufene Projekt berichtet.
Zudem wurde das Projekt Fachleuten aus unterschiedlichen Bereichen (Universitä-ten und Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Behörden, Ministerien) im Zuge von Führungen am Institut für Gartenbau, z. B. im Rahmen einer vom BMEL organisierten und der HSWT durchgeführten Fachveranstaltung im Jahr 2022, vorgestellt. Hinzu kamen zwei Posterbeiträge bzw. Kurzvorträge auf der 55. Jahrestagung der Deutschen Garten-bauwissenschaftlichen Gesellschaft in Osnabrück (03/23) und auf dem 134. VDLUFA-Kongress in Weihenstephan (09/23).

Publikationen:
Czech, L., Glaubke, J., Lohr., D., Meinken, E. (2023): NPhone – Spektralphotometrische Nmin-Bestimmung mit dem Smartphone. Posterbeitrag auf der 55. Jahrestagung der Deutschen Gartenbauwissenschaftli-chen Gesellschaft in Osnabrück (03/23).
Czech, L., Glaubke, J., Lohr., D., Meinken, E. (2023): Volumendefinierte Entnahme von Bodenproben für die Nmin-Bestimmung. Posterbeitrag auf dem 134. VDLUFA-Kongress in Freising (09/23).


Fazit

Im Rahmen des Forschungsprojektes konnte gezeigt werden, dass das gesetzte Ziel einer Vor-Ort-Bestimmung des Nmin-Gehaltes im Boden mittels Smartphone möglich ist und das Fehlerrisiko bei der Umrechnung der Messwerte auf den Flächenbezug mit Faustzahlen bei humusreichen bzw. anmoorigen und moorigen Böden durch eine volumenbasierte Probenahme deutlich reduziert werden kann. Allerdings wurde bei keiner der Komponenten das angestrebte TRL von 7 bis 8 erreicht. Bis zu einem Praxiseinsatz sind noch umfangreiche Feldtests und darauf aufbauend Optimierungsmaßnahmen im Hinblick auf das Handling notwendig.