Optimierung der Einsatzfähigkeit der Infrarot-Reflexionsspektroskopie in der Bodenökologie: Bestimmung der Zusammensetzung und Stabilität der organischen Bodensubstanz und Vorhersagen in offenen Populationen
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Untersuchung der Genauigkeit der Abschätzungen des Gehalts an organischem C und N und der Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz und bodenbiologischer Eigenschaften mittels Infrarotspektroskopie im sichtbaren und nahen (Vis- NIR) und im mittleren Infrarot-Bereich (MIR). Böden unterschiedlicher Dauerversuche und aus Boden-Monitoring-Programmen wurden chemisch und physikalisch und hinsichtlich bodenbiologischer Kenngrößen analysiert und Reflexionsspektren mittels Vis-NIR- und MIR-Spektroskopie (Vis-NIRS und MIRS) gemessen. Für drei Datensätze von Langzeitexperimenten konnte gezeigt werden, dass die Abschätzungsgenauigkeiten für die bodenchemischen und für die bodenbiologischen Parameter stark vom Probensatz abhängig waren. Multiple lineare Regressionsanalysen zeigten, dass mit pH-Wert und den Gehalten an C, N, P, S, Sand und Ton gleiche Abschätzungsgenauigkeiten für mikrobielle Biomasse-C und -N erreicht werden konnten wie bei einer Abschätzung mittels MIRS. Der Vergleich der MIR-Abschätzungsergenisse für eine schlecht definierte Stichprobe I (Vorhandensein von Pseudoreplikaten und unterschiedlichster Horizonte, z.T. mit Wurzelfilz, schiefe Verteilung der C-Gehalte im Bereich von 0.8 - 32 %) und eine besser definierte Stichprobe II (Böden von Ap- und M-Ap-Horizonten von 51 deutschen Ackerstandorten (ohne Pseudoreplikate) mit typischen C-Gehalten im Bereich von 0.8 – 2.2 % bei vorliegender Normalverteilung) zeigte, dass für die schlecht definierte Stichprobe I eine scheinbar exzellente Abschätzungsgenauigkeit für C erhalten wurde, wenn Ausreißer entfernt wurden, im Gegensatz zu einer guten Genauigkeit für die besser definierte Stichprobe II. Dies verdeutlicht, dass zusätzlich zur Suche nach optimalen Abschätzungsgenauigkeiten gleichermaßen die Aufmerksamkeit auf die Repräsentativität einer Stichprobe für eine bestimmte Population, das angemessene Umgehen mit mutmaßlichen Ausreißern und die Verallgemeinerbarkeit von MIR-Ergebnissen gelegt werden sollte. Für die C- und N-Fraktionen wurde gezeigt, dass MIRS eine brauchbare Methode zur Abschätzung der spektral aktiven Hauptkonstituenten C und N ist, möglicherweise auch für passives C und N. Jedoch wurde gefunden, dass für die untersuchte Stichprobe kein nennenswerter Vorteil in der Verwendung von MIRS bei der spektralen Auswertung für jene Parameter besteht, die mit Methoden ohne spektrale Information (entweder mittels multipler linearer Regression oder PLS (Partial Least Squares)-Regression mit Daten von pH, C, N und Textur) Abschätzungen mit ähnlicher Genauigkeit liefern. In wie weit die gefundenen Ergebnisse auf andere Datensätze übertragbar sind, ist noch unbekannt. Für die Abschätzungen der Bodeneigenschaften C, N, pH und Textur war MIRS in allen Fällen um eine oder zwei Stufen genauer als Vis-NIRS. Für einen weiteren Datensatz wurde gefunden, dass Kreuzvalidierungsergebnisse von CARS (Competitive Adaptive Reweighted Sampling)-PLS im Vergleich zu denen von PLS- Regressionen verbesserte Abschätzungsgenauigkeiten für alle Bodeneigenschaften sowohl bei Vis-NIRS als auch bei MIRS ergaben.
Publications
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(2014): Determination of soil properties with near and middle infrared spectroscopy: effects of spectral variable selection. Geoderma, 223-225, 88-96
Vohland, M., Thiele-Bruhn, S., Ludwig, M., Ludwig, B.
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(2015): Usefulness of middle infrared spectroscopy for an estimation of chemical and biological soil properties – Underlying principles and comparison of different software packages. Soil Biology and Biochemistry 86, 116-125
Ludwig, B., Sawallisch, A., Heinze, S., Joergensen, R.G., Vohland, M.
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(2016): Pitfalls in the use of middle-infrared spectroscopy for the estimation of soil properties: representativeness of a sample for a specific population and criteria for ranking infrared estimations as useful. Geoderma 268, 165-175
Ludwig, B., Linsler, D., Hörper, H., Schmidt, H., Piepho, H.-P., Vohland, M.
