English
Knowledge of plant-available soil nutrients is important for determining fertilizer requirements.
Collecting this data rapidly and directly in the field could be beneficial for improving nutrient
utilization efficiency. There is a need for technological solutions for rapid soil analysis methods
of plant-available nutrients in the field. By performing the soil analysis, the plant-available
nutrients can be determined, either by using the sensor or in a laboratory. Many of these
approaches in precision agriculture are successful in calibration, which is crucial for the
adaptation of a new rapid method, but fail in the next essential step, validation, which is even
more important for fertilizer recommendations. The most accurate methods for soil analysis
are laboratory wet-chemical measurements. The development of a rapid wet-chemical soil
analysis method for measuring soil pH and plant-available nutrients using electrochemical ion-selective field effect transistors (ISFET) sensors directly in the field is of great interest. The
overall objectives of this thesis were therefore (i) to evaluate established soil analysis methods
for rapid in-field analysis, (ii) to develop and test a new rapid wet-chemical method by modifying
established methods, focusing on paP and paK detection, and (iii) to check whether paP and
paK concentrations obtained with ISFET can be used directly for rapid in-field assessment to
derive the fertilizer requirement without further conversion.
The first chapter of this thesis is a review of current approaches for rapid in-field soil analysis.
In this thesis, we present our work on improving our knowledge, focusing on plant-available
macronutrients and pH. In this chapter, we present our conceptual work for a new rapid wet-chemical approach to soil analysis, which was realized for the following studies.
The second chapter reports the results of the development phase and testing of the new
express wet-chemical in-field method. The study focused on adapting standard laboratory
extraction conditions to the express analysis, as well as calibrating the results to the standard
methods, and validating the new method on fresh soil samples considering the future usage
of ISFET multi-sensor technology addressed to plant-available P and plant-available K
detection.
Chapter three is a sequel to chapter two, where the express extraction for plant-available P
and plant-available K was transferred to the prototype. Soil nutrient detection was performed
under quasi-real field conditions using ISFET multi-sensor technology.
The presented studies facilitate a comprehensive understanding of the significance of rapid
plant-available nutrients and pH in-field analysis in agriculture. They also provide more
expansive knowledge of the potential applications of a newly developed in-field extraction for
electrochemical soil sensing with ISFET, which could prove beneficial for enhancing nutrient
utilization efficiency.
Keywords: rapid soil nutrient analysis; plant-available nutrients; Sensing technologies; electrochemical ion-sensitive field-effect transistors (ISFET)
German
Die Bodennährstoffanalyse ist ein Managementwerkzeug, mit dem der Status der
pflanzenverfügbaren Nährstoffe im Boden genau bestimmt und der effiziente Einsatz von
Düngemitteln gesteuert werden kann. Mit zunehmendem Bewusstsein für die Auswirkungen
von Düngemitteln auf die Umwelt und die Bodenqualität ist die Bodenanalyse ein wichtiges
Instrument, um festzustellen, wo Nährstoffdefizite oder -überschüsse auftreten. Die
Entwicklung von schnellen Bodenanalyseverfahren und Feldmessmethoden für die
Zeitreduzierung ist notwendig.
Das erste Kapitel dieser Dissertation gibt einen Überblick über Sensortechnologien zur
Messung pflanzenverfügbarer Nährstoffe und des pH-Wertes. Die Ergebnisse der
Literaturrecherche geben einen umfassenden Überblick über verschiedene
Sensortechnologien zur Messung der pflanzenverfügbaren Nährstoffe (N, P, K) und des pH-Wertes im Boden. Dazu gehören spektrale Verfahren wie Vis-NIR, MIR, Gammastrahlung und
XRF, elektrochemische Verfahren mit ionenselektiven Elektroden (ISE, ISFET) und
Multisensorplattformen, die mehrere Technologien (z. B. spektrale und elektrochemische
Technologien) kombinieren. Entscheidend für genaue Messungen ist die Kalibrierung der
Sensoren gegen Referenzmethoden. Zu diesem Zweck werden Datenmodelle entwickelt, um
die bestmögliche Übereinstimmung zwischen Sensorwerten und Labormessungen zu
erzielen. Die Validierung mit unabhängigen Proben überprüft, ob die Kalibrierung die
versprochene Qualität liefert. Für zuverlässige Ergebnisse ist ein kontinuierliches
Qualitätsmanagement erforderlich, z. B. durch regelmäßige Funktionstests und Vergleiche mit
den Anforderungen. Faktoren wie Sensordrift, Temperatur und Bodeneigenschaften können
die Genauigkeit beeinflussen. Einige Systeme, wie z. B. FieldLab, können die Sensordaten mit
weiteren Bodeneigenschaften kombinieren, um standortspezifische Düngeempfehlungen zu
berechnen. Dabei sind länderspezifische Unterschiede in den Analysemethoden und
Berechnungsverfahren zu berücksichtigen.
Kapitel 2 beschreibt die Entwicklung einer neuen Express-Methode zur schnellen Bestimmung
von pflanzenverfügbarem Nitrat, Phosphat, Kalium und pH-Wert im Boden für den zukünftigen
Einsatz mit ISFET-Sensoren im Feld. Nach Anpassung der Extraktionsbedingungen für die
schnelle Bodenanalyse im Feld wurde eine Extraktion mit einer Mischung aus 0,01 M CaCl2
und 0,20 M Calciumacetatlactat (CAL) bei einem Boden-Lösungs-Verhältnis von 1:3 und einer
Gesamtextraktionszeit von 15 Minuten bei einer Rührgeschwindigkeit von 2500 U/min
durchgeführt. Die Schnellanalyse wird in zwei aufeinander folgenden Schritten durchgeführt:
Zunächst Extraktion von Nitrat und pH in einer 1:1 Boden-CaCl2-Suspension für 5 Minuten,
anschließend Extraktion von pflanzenverfügbarem P und K nach Zugabe von 0,20 M CAL-Lösung zur Restsuspension für 10 Minuten. Die Validierung der Express-Methode an
feldfrischen Bodenproben zeigte eine hohe Korrelation für Nitrat und pH im Vergleich zu
Standardlabormethoden. Für pflanzenverfügbares P und K wurde unter Berücksichtigung der
Bodenart eine hohe Korrelation erreicht. Die Express-Methode zeigte damit ein Potenzial für
den Einsatz im Feld mit ISFET-Multisensoren zur Nährstoffanalyse.
In Kapitel 3 wird die Leistungsfähigkeit eines neuartigen mobilen Feldlabors (FieldLab) mit
ISFET-Multisensor zur schnellen nass-chemischen Bestimmung von pflanzenverfügbarem
Phosphor (paP) und Kalium (paK) in Böden untersucht. Das FieldLab-System ermöglicht eine
schnelle Extraktion von Bodenproben und die Messung von pflanzenverfügbarem P und K
direkt auf dem Feld mit ISFET-Multisensoren. Die Ergebnisse zeigen, dass die neue schnelle
Extraktionsmethode für P und K mit den Standardmessungen im Labor korrelieren und als
Alternative zur herkömmlichen Bodenanalyse verwendet werden kann. Die ISFET-Multisensortechnologie zeigen ebenfalls eine gute Leistung bei der Messung von P und K in
Bodenextrakten. Im Vergleich zu Standardlabormessungen zeigten die FieldLab-Messungen
von P und K hohe Bestimmtheitsmaße (R² > 0,9). Für eine zukünftige breitere kommerzielle
Anwendung sind jedoch weitere Validierungen mit einer größeren Datenbasis und unter
Berücksichtigung verschiedener Bodeneigenschaften notwendig.
Das FieldLab-System für die schnelle Bodenextraktion für die Messungen von pH-Wert und
pflanzenverfügbaren N, P und K in Verbindung mit dem ISFET-Multisensor hat das Potenzial,
Düngestrategien in der Landwirtschaft durch eine schnelle und ortsungebundene
Nährstoffanalyse zu verbessern.
Die Studien dieser Dissertation zeigen, dass die Entwicklung von schnellen
Bodenanalyseverfahren und Feldmessmethoden dem Landwirt wichtige Informationen für ein
verbessertes Düngemanagement zeitnah zur Verfügung stellen können.
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11126
