TY  - THES
T1  - Spektralphotometrische Bestimmung des pflanzenverfügbaren Nitrats in der Bodenlösung : Entwicklung einer in-situ Messmethode zur Optimierung der Fertigation im intensiven Gemüsebau
A1  - Mayer,Stephan
Y1  - 2015/03/19
N2  - Bei vielen Sonderkulturen, hauptsächlich aber im intensiven Gemüsebau, kann sich bereits ein geringer Mangel an Stickstoff stark qualitäts- und ertragsmindernd auswirken. Daher wird besonders dort häufig im Überschuss gedüngt. Dies bedeutet, im Vergleich zu dem tatsächlichen N-Bedarf einer Kultur, oft einen erhöhten Aufwand an Dünger, was zu starken N-Verlusten durch Auswaschung führen kann. Stark nitratbelastete Grund- und Oberflächengewässer sind vielerorts die Folge. 
Eine in-situ Methode zur fortlaufenden Bestimmung des aktuellen, für die Pflanzen verfügbaren Nitratgehalts in der Bodenlösung, welche die Grundlage für eine angepasste, kulturgerechte Düngung sein kann, fehlt bisher für die Praxis. Mit einer solchen Methode könnten Nitratüberschüsse minimiert, Dünger eingespart und durch das Wegfallen von Nmin-Probennahmen auch der Arbeitsaufwand verringert werden. Aus Tröpfchenbewässerungssystemen könnten so verbesserte Fertigationssysteme entstehen. 
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde eine solche in-situ Methode, mit der Nitrat in Bodenlösungen spektralphotometrisch im UV-Bereich detektiert und quantifiziert werden kann, entwickelt. Auf Grundlage von Messdaten und deren Abgleich mit dem N-Bedarf der wachsenden Kultur kann damit eine angepasste Düngung realisiert werden.
Die Gewinnung der dafür erforderlichen Bodenlösung im Feld erfolgt mit Hilfe von Saugkerzen, die an ein Unterdrucksystem angeschlossen sind, welches die Bodenlösung durch eine Messzelle leitet. Dort findet die spektralphotometrische Messung statt. Die Messdaten werden auf einem zentralen Server ausgewertet. Nach Berechnung der aktuellen Nitratkonzentration aus den Spektraldaten und Abgleich mit dem aktuellen N-Bedarf der Kultur wird über die Notwendigkeit und Menge einer Düngung entschieden, welche vollautomatisch ausgeführt werden kann.
Anhand von zahlreichen Laborversuchen, einem Gefäßversuch und zwei Gewächshausversuchen wurde die Eignung des Nitrat-Online-Messsystems (NITROM) für die Bestimmung der Nitratkonzentration in Bodenlösung an insgesamt zwölf Böden, zwei Gartenbausubstraten und drei Kulturen getestet, geeicht und validiert. 
Laborergebnisse zur Absorption von Nitrat im UV-Bereich zwischen 230 und 260 nm in einer reinen Nitratstandardreihe (0 – 1000 mg NO3- L-1) zeigen für verschiedene Wellenlängen einen sehr engen linearen Zusammenhang (231 und 240 nm: R2 > 0,999, p < 0,001). Niedrige Nitratkonzentrationen (0 – 150 mg L-1) werden dabei zwischen 230 und 240 nm präzise gemessen, hohe Nitratkonzentrationen (150 – 1000 mg L-1) dagegen zwischen 240 und 250 nm. Für UV-Messungen in Bodenlösung, welche unter dem Einfluss verschiedener Interferenzen stattfinden, kann keine Linearität erreicht werden (siehe unten).
Die Hauptinterferenz bei der Nitratmessung im Feld geht von Aromaten und Alkenen des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC, engl.: dissolved organic carbon) aus. Die komplexe Struktur von DOC kann in einer Kalibrierung nur über einen Multiwellenlängenansatz berücksichtigt werden, in den Wellenlängen aus dem Bereich für niedrige und hohe Nitratkonzentrationen sowie aus dem Referenzbereich ohne Nitratabsorption (250 – 260 nm) einfließen. Daher werden zur Berechnung der Nitratkonzentration aus den Spektraldaten Polynomiale Multiple Regressionen (PMR) verwendet.
Eine PMR eignete sich, im Vergleich zu einer Einfachen Linearen oder Multiplen Linearen Regression (ELR, MLR) zur Schätzung der Nitratkonzentration aus Spektraldaten am besten. Dies konnte mit den Felddaten des ersten Gewächshausversuchs gezeigt werden (PMR: R2 = 0,963, p < 0,001; MLR: R2 = 0,948, p < 0,001; ELR 232 nm: R2 = 0,093, p = 0,047). 
Der Gefäßversuch mit drei unterschiedlichen Böden und zwei Gartenbausubstraten ließ u.a. Schlüsse zur DOC-Qualität unterschiedlicher Standorte zu und bestätigte die Notwendigkeit einer standortspezifischen Kalibrierung der Messmethode.
Im zweiten Gewächshausversuch wurde die komplette Technik des NITROM getestet. Aus halbstündigen Messdaten wurde im Zeitraum von fünf Wochen online, anhand einer PMR-Kalibrierung, eine Kurve des Nitratgehalts im Boden erstellt (n = 998), nach der sich Düngegaben orientierten. Die Düngeereignisse sind in der Kurve als deutliche Peaks erkennbar. Die PMR der Kalibrierung (mit 15 Wellenlängen und n = 36) ist höchst signifikant (p = 0,001) und zeigt ein R2 > 0,999, die Validierung dieser Kalibrierung zeigt einen relativen Schätzfehler von 6,1 %. Die Eignung dieser Methode zur in-situ Bestimmung der Nitratkonzentration und Steuerung einer angepassten, kulturgerechten Düngung auf Basis von Messdaten konnte damit bestätigt werden. 
Weitere Entwicklungsschritte zur Verfeinerung der Mess- und Auswertetechnik sowie eine Kalibrierung der Methode auf DOC sind angedacht.

KW  - Spektralphotometrie
KW  - Nitration
KW  - Düngung
CY  - Hohenheim
PB  - Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
AD  - Garbenstr. 15, 70593 Stuttgart
UR  - http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2015/1061
ER  -