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Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und -forschung geförderten Forschungsinitiative „BonaRes – Boden als nachhaltige Ressource der Bioökonomie“ soll sich das Teilprojekt „I4S – integrated system for site-specific soil fertility management“ der Entwicklung eines integrierten Systems zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit widmen. Hierfür ist eine Messplattform zur Bestimmung relevanter Bodeneigenschaften und der quantitativen Analyse ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe geplant. In der ersten Phase dieses Projekts liegt das Hauptaugenmerk auf der Kalibrierung und Validierung der verschiedenen Sensoren auf die Matrix Boden, der Probennahme auf dem Acker und der Planung sowie dem Aufbau der Messplattform. Auf dieser Plattform sollen in der zweiten Phase des Projektes die verschiedenen Bodensensoren installiert, sowie Modelle und Entscheidungsalgorithmen zur Steuerung der Düngung und dementsprechend Verbesserung der Bodenfunktionen erstellt werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Grundlagenuntersuchung und Entwicklung einer robusten Online-Analyse mittels Energie-dispersiver Röntgenfluoreszenzspektroskopie (EDRFA) zur Quantifizierung ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe in Böden für eine kostengünstige und flächendeckende Kartierung von Ackerflächen. Für die Entwicklung eines Online-Verfahrens wurde ein dem Stand der Technik entsprechender Röntgenfluoreszenzmesskopf in Betrieb genommen und die dazugehörigen Geräteparameter auf die Matrix Boden optimiert. Die Bestimmung der analytischen Qualitäts-merkmale wie Präzision und Nachweisgrenzen fand für eine Auswahl an Nährelementen von Aluminium bis Zink statt. Um eine möglichst Matrix-angepasste Kalibrierung zu erhalten, wurde sowohl mit zertifizierten Referenzmaterialien (CRM), als auch mit Ackerböden kalibriert. Da einer der größten Nachteile der Röntgenfluoreszenzanalyse die Beeinflussung durch Matrixeffekte ist, wurde neben der klassischen univariaten Datenauswertung auch die chemometrische multivariate Methode der Partial Least Squares Regression (PLSR) eingesetzt. Die PLSR bietet dabei den Vorteil, Matrixeffekte auszugleichen, wodurch robustere Kalibriermodelle erhalten werden können. Zusätzlich wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Gemeinsamkeiten und Ausreißer innerhalb des Probensets zu identifizieren. Es zeigte sich, dass eine Klassifizierung der Böden anhand ihrer Textur Sand, Schluff, Lehm und Ton möglich ist.
Aufbauend auf den Ergebnissen idealer Bodenproben (zu Tabletten gepresste luftgetrocknete Proben mit Korngrößen < 0,5 mm) wurde im Verlauf dieser Arbeit die Probenvorbereitung immer weiter reduziert und der Einfluss verschiedener Kenngrößen untersucht. Diese Einflussfaktoren können die Dichte und die Homogenität der Probe, sowie Korngrößeneffekte und die Feuchtigkeit sein. Anhand des RMSE (Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme) und unter Berücksichtigung der Residuen werden die jeweils erstellten Kalibriermodelle miteinander verglichen. Um die Güte der Modelle zu bewerten, wurden diese mit einem Testset validiert. Hierfür standen 662 Bodenproben von 15 verschiedenen Standorten in Deutschland zur Verfügung. Da die Ergebnisse an gepressten Tabletten für die Elemente Al, Si, K, Ca, Ti, Mn, Fe und Zn den Anforderungen für eine spätere Online-Analyse entsprechen, wurden im weiteren Verlauf dieser Arbeit Kalibriermodelle mit losen Bodenproben erstellt. Auch hier konnten gute Ergebnisse durch ausreichende Nachweisgrenzen und eine niedrige gemittelte Messabweichung bei der Vorhersage unbekannter Testproben erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Vorhersagefähigkeit mit der multivariaten PLSR besser ist als mit der univariaten Datenauswertung, insbesondere für die Elemente Mn und Zn.
Der untersuchte Einfluss der Feuchtigkeit und der Korngrößen auf die Quantifizierung der Elementgehalte war vor allem bei leichteren Elementen deutlich zu sehen. Es konnte schließlich eine multivariate Kalibrierung unter Berücksichtigung dieser Faktoren für die Elemente Al bis Zn erstellt werden, so dass ein Einsatz an Böden auf dem Acker möglich sein sollte. Eine höhere Messunsicherheit muss dabei einkalkuliert werden. Für eine spätere Probennahme auf dem Feld wurde zudem der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Messungen betrachtet, wobei sich zeigte, dass beide Varianten genutzt werden können. Zum Abschluss wurde der hier eingesetzte Sensor mit einem kommerziell erhältlichen Hand-Gerät auf sein Quantifizierungspotential hin verglichen. Der Sensor weist anhand seiner Ergebnisse ein großes Potential als Online-Sensor für die Messplattform auf. Die Ergebnisse unter Laborbedingungen zeigen, dass eine robuste Analyse Ackerböden unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren möglich ist.
Within the framework of precision agriculture, the determination of various soil properties is moving into focus, especially the demand for sensors suitable for in-situ measurements. Energy-dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) can be a powerful tool for this purpose. In this study a huge diverse soil set (n = 598) from 12 different study sites in Germany was analysed with EDXRF. First, a principal component analysis (PCA) was performed to identify possible similarities among the sample set.
Clustering was observed within the four texture classes clay, loam, silt and sand, as clay samples contain high and sandy soils low iron mass fractions. Furthermore, the potential of uni- and multivariate data evaluation with partial least squares regression (PLSR) was assessed for accurate Determination of nutrients in German agricultural samples using two calibration sample sets. Potassium and iron were chosen for testing the performance of both models. Prediction of these nutrients in 598 German soil samples with EDXRF was more accurate using PLSR which is confirmed by a better overall averaged deviation and PLSR should therefore be preferred.
As part of the BonaRes research initiative, funded by the BMBF, strategies are being developed to use soil as a sustainable resource in the bio economy. The interdisciplinary subproject I4S - “Intelligence for soil” - is responsible for the development of an integrated system for site-specific management of soil fertility. For this purpose, a platform is constructed and various sensors are installed. Real-time data will be summarised in models and decision-making algorithms will be used to control fertilisation and accordingly improve soil functions. Aim of the BAM in the frame of I4S is the characterisation of an energy-dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) based sensor for robust determination of plant essential nutrients in soil.
First a principal component analysis (PCA) was used to identify outliers and to observe the largest variance within the German soil samples. It could be monitored that splitting of the samples was due to their iron content. Given that clay samples contain high amounts of iron and sandy samples low amounts, a classification of the samples by their soil texture according to VD LUFA was possible. Considering the complex composition of soil, a matrix-specific calibration was carried out by univariate and multivariate data analysis. The figures of merit demonstrated that a more robust calibration model with negligible matrix effects can be obtained by a multivariate approach using partial least squares regression (PLSR). A better correlation between predicted values compared to reference values for German soil samples was observed for the chemometric calibration model than for the univariate one.
Different factors can affect the received calibration models such as moisture and particle size distribution which is especially important due to later online analysis.
In first studies the influence of moisture on the detection of plant essential nutrients was investigated. With increasing water content, the characteristic fluorescence peaks decrease and start to increase again at a water content of 15 %. With lower moisture content the soil agglomerates which leads to lower packing of the sample, resulting in a rougher surface which negatively influence the signals. Whereas, agglomerates are not formed at higher water content. This allows the sample to be packed more tightly thus a smoother surface and a better homogeneity is obtained.
Furthermore, particle size distribution leads to significantly higher uncertainties and lower signals when comparing grounded (< 500 μm) and not grounded (< 2 mm) samples. This can be explained by amplifying of the already known inhomogeneity of soils.
Both factors must be included in the chemometric PLSR to obtain robust calibration models for each macro and micro nutrient.
Im Rahmen der vom BMBF geförderten Forschungsinitiative BonaRes werden Strategien entwickelt, um Boden als nachhaltige Ressource in der Bioökonomie zu nutzen. Das interdisziplinäre Teilprojekt I4S - „Intelligenz für den Boden“ - ist verantwortlich für die Entwicklung eines integrierten Systems zur standortspezifischen Steuerung der Bodenfruchtbarkeit. Zu diesem Zweck wird eine Plattform gebaut, auf der verschiedene Sensoren installiert sind. Echtzeitdaten werden in Modellen zusammengefasst und Entscheidungsalgorithmen werden verwendet, um die Düngung zu steuern und die Bodenfunktionen entsprechend zu verbessern. Ziel der BAM im Rahmen von I4S ist die Charakterisierung eines energiedispersiven Röntgenfluoreszenzsensors (EDXRF) zur robusten online-Bestimmung von Makro- und Mikronährstoffen im Boden. Zunächst wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Ausreißer zu identifizieren und die größte Varianz innerhalb der deutschen Bodenproben zu beobachten. Es konnte festgestellt werden, dass die Aufspaltung der Proben auf ihren Eisengehalt zurückzuführen ist. Da Tonproben hohe Mengen an Eisen und Sandproben geringe Mengen enthalten, war eine Klassifizierung der Proben nach ihrer Bodentextur nach VD LUFA möglich. In Anbetracht der komplexen Bodenzusammensetzung wurde eine matrixspezifische Kalibrierung durch univariate und multivariate Datenanalyse durchgeführt. Die analytischen Güteziffern zeigen, dass ein robusteres Kalibriermodell mit vernachlässigbaren Matrixeffekten durch einen multivariaten Ansatz unter Verwendung der partiellen Regression kleinster Quadrate (PLSR) erhalten werden kann. Verschiedene Faktoren können die erhaltenen Kalibriermodelle beeinflussen, wie z. B. Feuchtigkeit und Partikelgrößenverteilung, was aufgrund der späteren online-Analyse besonders wichtig ist. In ersten Studien wurde der Einfluss von Feuchtigkeit auf den Nährstoffnachweis untersucht. Mit zunehmendem Wassergehalt nehmen die charakteristischen Fluoreszenzpeaks ab und beginnen bei einem Wassergehalt von 15% wieder anzusteigen. Bei geringerem Feuchtigkeitsgehalt agglomeriert der Boden, was zu einer geringeren Packung der Probe führt, dementsprechend zu einer raueren Oberfläche, die die Signale negativ beeinflusst. Bei höherem Wassergehalt bilden sich keine Agglomerate. Dadurch kann die Probe enger gepackt werden, wodurch eine glattere Oberfläche und eine bessere Homogenität erhalten wird. Darüber hinaus führt die Partikelgrößenverteilung beim Vergleich von gemahlenen und nicht gemahlenen Proben zu signifikant höheren Unsicherheiten und niedrigeren Signalen. Beide Faktoren müssen in die chemometrische PLSR einbezogen werden, um zuverlässige Kalibrierungsmodelle für jeden Nährstoff zu erhalten.
Development of a robust calibration model for determination of nutrients in soils using EDXRF
(2018)
As part of the BonaRes research initiative, funded by the BMBF, strategies are being developed to use soil as a sustainable resource in the bio economy. The interdisciplinary subproject I4S - “Intelligence for soil” - is responsible for the development of an integrated system for site-specific management of soil fertility. For this purpose, a platform is constructed and various sensors are installed. Real-time data will be summarised in models and decision-making algorithms will be used to control fertilisation and accordingly improve soil functions. Aim of the BAM in the frame of I4S is the characterisation of an energy-dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) based sensor for robust determination of plant essential nutrients in soil.
First a principal component analysis (PCA) was used to identify outliers and to observe the largest variance within the German soil samples. It could be monitored that splitting of the samples was due to their iron content. Given that clay samples contain high amounts of iron and sandy samples low amounts, a classification of the samples by their soil texture according to VD LUFA was possible. Considering the complex composition of soil, a matrix-specific calibration was carried out by univariate and multivariate data analysis. The figures of merit demonstrated that a more robust calibration model with negligible matrix effects can be obtained by a multivariate approach using partial least squares regression (PLSR). A better correlation between predicted values compared to reference values for German soil samples was observed for the chemometric calibration model than for the univariate one.
Different factors can affect the received calibration models such as moisture and particle size distribution which is especially important due to later online Analysis.
In first studies the influence of moisture on the detection of plant essential nutrients was investigated. With increasing water content, the characteristic fluorescence peaks decrease and start to increase again at a water content of 15 %. With lower moisture content the soil agglomerates which leads to lower packing of the sample, resulting in a rougher surface which negatively influence the signals. Whereas, agglomerates are not formed at higher water content. This allows the sample to be packed more tightly thus a smoother surface and a better homogeneity is obtained.
Furthermore, particle size distribution leads to significantly higher uncertainties and lower signals when comparing grounded (< 500 μm) and not grounded (< 2 mm) samples. This can be explained by amplifying of the already known inhomogeneity of soils. Both factors must be included in the chemometric PLSR to obtain robust calibration models for each macro and micro nutrient.
As part of the BonaRes research initiative, funded by the BMBF, strategies are being developed to use soil as a sustainable resource in the bio economy. The interdisciplinary subproject I4S - “Intelligence for soil” - is responsible for the development of an integrated system for site-specific management of soil fertility. For this purpose, a platform is constructed and various sensors are installed. Real-time data will be summarised in models and decision-making algorithms will be used to control fertilisation and accordingly improve soil functions. Aim of the BAM in the frame of I4S is the characterisation of an energy-dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) based sensor for robust determination of plant essential nutrients in soil.
First a principal component analysis (PCA) was used to identify outliers and to observe the largest variance within the German soil samples. It could be monitored that splitting of the samples was due to their iron content. Given that clay samples contain high amounts of iron and sandy samples low amounts, a classification of the samples by their soil texture according to VD LUFA was possible. Considering the complex composition of soil, a matrix-specific calibration was carried out by univariate and multivariate data analysis. The figures of merit demonstrated that a more robust calibration model with negligible matrix effects can be obtained by a multivariate approach using partial least squares regression (PLSR). A better correlation between predicted values compared to reference values for German soil samples was observed for the chemometric calibration model than for the univariate one.
Different factors can affect the received calibration models such as moisture and particle size distribution which is especially important due to later online analysis.
In first studies the influence of moisture on the detection of plant essential nutrients was investigated. With increasing water content, the characteristic fluorescence peaks decrease and start to increase again at a water content of 15 %. With lower moisture content the soil agglomerates which leads to lower packing of the sample, resulting in a rougher surface which negatively influence the signals. Whereas, agglomerates are not formed at higher water content. This allows the sample to be packed more tightly thus a smoother surface and a better homogeneity is obtained.
Furthermore, particle size distribution leads to significantly higher uncertainties and lower signals when comparing grounded (< 500 μm) and not grounded (< 2 mm) samples. This can be explained by amplifying of the already known inhomogeneity of soils.
Both factors must be included in the chemometric PLSR to obtain robust calibration models for each macro and micro nutrient.
The quantification of the elemental content in soils with laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is challenging because of matrix effects strongly influencing the plasma formation and LIBS signal. Furthermore, soil heterogeneity at the micrometre scale can affect the accuracy of analytical results. In this paper, the impact of univariate and multivariate data evaluation approaches on the quantification of nutrients in soil is discussed. Exemplarily, results for calcium are shown, which reflect trends also observed for other elements like magnesium, silicon and iron. For the calibration models, 16 certified reference soils were used. With univariate and multivariate approaches, the calcium mass fractions in 60 soils from different testing grounds in Germany were calculated. The latter approach consisted of a principal component analysis (PCA) of adequately pre-treated data for classification and identification of outliers, followed by partial least squares regression (PLSR) for quantification. For validation, the soils were also characterised with inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP OES) and X-ray fluorescence (XRF) analysis. Deviations between the LIBS quantification results and the reference analytical results are discussed.
As part of the BonaRes research initiative funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), strategies are being developed to use soil as a sustainable resource in the bioeconomy. The interdisciplinary subproject I4S - “Intelligence for soil” - is responsible for the development of an integrated system for site-specific management of soil fertility. For this purpose, a platform is constructed and various sensors are installed. Real-time data will be summarized in models and decision-making algorithms will be used to control fertilization and accordingly improve soil functions. This would allow investigations in close meshed dynamic grid and fast analysis of large areas to generate higher yields. This is important given that the distribution of minor and trace elements varies widely. Aim of the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in the frame of I4S is the characterization of an X-ray fluorescence (XRF) based sensor for robust online-analysis of arable land. The non-destructive and contactless XRF is suitable for rapid in-situ analysis on the field due to minimal sample preparation and simultaneous multi-element analysis.
Soils are already considered as a complex matrix due to their wide range of elements in different contents, especially light elements with low atomic numbers (Z<19). Problems by measuring soil samples also arise from heterogeneity of the sample and matrix effects. Large grain size distribution causes strong inhomogeneity and matrix effects occur through physical properties related to high concentration of main components. Matrix-specific calibration strategies for determination of total major and minor plant essential nutrients are particularly important regarding these difficulties. For accurate calibration, data treatment and evaluation must also be considered. Univariate and multivariate data analysis were compared regarding their analytical figures of merit. Using principal component analysis (PCA) it was possible to classify German soils in different groups as sand, clay and silt. Calibration models were obtained by partial least squares regression (PLSR) and the content of macro- and micronutrients in German soils was predicted. Elemental distribution maps for different German arable lands were created and the results compared to reference measurements. The correlation between predicted values and reference values were in good agreement for most major and minor nutrients.
Aim of the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in the frame of I4S - “Intelligence for Soil” is the characterization of an X-ray fluorescence (XRF) based sensor for robust online-application of arable land.Fast soil mapping for agricultural purpose allows the site-specific optimized introduction of plant essential nutrients like S, K, Ca, and Fe. This is important given that the distribution of minor and trace elements varies widely. The non-destructive and contactless XRF is suitable for rapid in-situ analysis on the field due to minimal sample preparation and simultaneous multi-element analysis.
Soils are already considered as a complex matrix due to their wide range of elements in different contents, especially light elements with low atomic numbers (Z<19). Problems by measuring soil samples also arise from heterogeneity of the sample and matrix effects. Large grain size distribution causes strong inhomogeneity and matrix effects occur through physical properties related to high concentration of main components. Matrix-specific calibration strategies for determination of total major and minor plant essential nutrients are particularly important regarding these difficulties. For accurate calibration, data treatment and evaluation must also be considered. Empirical univariate and multivariate data analysis were compared regarding their analytical figures of merit. Using principal component analysis (PCA) it was possible to classify German soils in different groups as sand, clay and silt. A calibration curve was obtained by partial least squares regression (PLSR) and the elemental content of German soils was predicted. Elemental distribution maps for different German arable lands were created and the results compared to reference measurements. The correlation between predicted values and reference values were in good agreement for most major and minor nutrients.
Mit wachsenden Bevölkerungszahlen steigt auch der Rohstoffkonsum, und der nachhaltigere und effizientere Umgang mit knappen Ressourcen wie Wasser und Boden rückt in den Fokus.
Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsinitiative BonaRes werden Strategien entwickelt, um Boden als nachhaltige Ressource in der Bioökonomie zu nutzen. Das interdisziplinäre Teilprojekt I4S – Intelligence for soil – ist dabei für die Entwicklung eines integrierten Systems zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit zuständig. Hierfür wird eine Plattform gebaut, auf der verschiedene Sensoren installiert werden sollen, deren in Echtzeit erhaltene Messdaten in Modelle und Entscheidungsalgorithmen zur Steuerung der Düngung und dementsprechend Verbesserung der Bodenfunktionen einfließen sollen.
Einer dieser Sensoren, auf dessen Grundlage ein robustes Online-Verfahren zur Bestimmung der Makro- und Mikronährstoffe, wie Ca oder K in Böden entwickelt werden soll, ist die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA). Um Messungen auf einem Feld zu simulieren, wurde in einen Laboraufbau ein Probenteller installiert, der sich bei verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten bewegen lässt und so dynamisches Messen der als Spur aufgetragenen Probe ermöglicht. So kann der Aufwand der Probenvorbereitung minimiert werden.
Gerade bei einer komplexen Matrix wie Boden, die eine breite Elementverteilung aufweist, ist die Datenauswertung ein wichtiger Faktor. Die bisher verwendete univariate Datenanalyse liefert gute Ergebnisse und zeigt, dass durch Kalibrierung der RFA mit 14 Referenzmaterialien große Ackerflächen ausgewertet werden können. Dies funktioniert aber nur, solange die Elementgehalte der Proben mit denen der Referenzmaterialien vergleichbar sind.
Die zusätzlich verwendete multivariate Datenanalyse bietet hingegen die Möglichkeit, Modellrechnungen der Böden durchzuführen und Böden mithilfe der Hauptkomponentenanalyse (PCA) besser zu klassifizieren. Des Weiteren können basierend auf der Partial Least Squares Regression (PLSR) Kalibriermodelle erstellt werden, welche Prognosen zu den Elementgehalten unbekannter Ackerböden ermöglichen. Zusätzlich bietet die multivariate Datenanalyse die Möglichkeit, Störgrößen wie unterschiedliche Korngrößenverteilung und Feuchtigkeitsgrad der Probe in das Modell miteinzubeziehen. Beide Auswertemethoden sollen anhand statisch gemessener Proben verglichen werden und durch Messung einer Vielzahl realer Bodenproben von unterschiedlichen Standorten erweitert werden. Im weiteren Verlauf müssen beide Modelle auf dynamisch bewegte Proben übertragen werden.