Elementzusammensetzung eines Bodens

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung in einem Boden, insbesondere in einem landwirt schaftlich genutzten, geogen oder anthropogen gestalteten Boden. Die Erfindung ist auf ein Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe und auf ein Verfahren zum Ermitteln der Elementzu sammensetzung des Bodens sowie auf entsprechende Vorrichtungen gerichtet. Außerdem ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Behandeln eines landwirt schaftlich genutzten Bodens unter Verwendung einer ermittelten Elementzusam mensetzung des Bodens gerichtet.

Insbesondere in der Landwirtschaft besteht das Bedürfnis, die Zusammensetzung des zu bestellenden Bodens zu kennen, weil diese einen erheblichen Einfluss auf das Pflanzenwachstum hat. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Zu sammensetzung eines landwirtschaftlich genutzten Bodens durch Probenentnahme und Analyse der Probe zu ermitteln. Die Analyse erfolgt üblicherweise in einem Labor zeitlich beanstandet von der Probenahme. Dieses Vorgehen ist aufwendig und teuer. Zudem ist dieses Vorgehen insoweit ungenau, als dass die Bodenquali tät nur stichprobenartig lokal untersucht werden kann. Die erhaltene Informati onsdichte ist also sehr gering. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Me thoden bekannt, die Entnahme von Proben zu erleichtern. Damit soll eine feinere Rasterung der Probenentnahme ermöglicht werden und insoweit eine genauere Analyse der Bodenqualität ermöglicht werden. Trotz derartiger Entwicklungen ist es aber bisher nicht möglich, einen landwirtschaftlich genutzten Boden zuverläs sig flächendeckend hinsichtlich seiner Zusammensetzung zu analysieren. Weiter hin haben Laboruntersuchungen den Nachteil, dass durch diese typischerweise mehrere Tage zwischen einer Probenentnahme und beispielsweise einer auf die Ergebnisse der Analyse gestützten Düngung eines landwirtschaftlich genutzten Bodens liegen. Basierend auf bekannten Methoden zur Analyse der Boden qualität kann also nur eine ungenaue Düngung des Bodens erfolgen. Insbesondere ist es nicht möglich, Inhomogenitäten in der Zusammensetzung eines Bodens durch gezielte Düngung effizient auszugleichen. Die Folge kann insbesondere eine Überdüngung oder Unterversorgung des Bodens sein.

Ein ähnliches Bedürfnis besteht bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen. So ist es regelmäßig erforderlich, anthropogen geprägte Böden wie beispielsweise bei Deponien auf Schadstoffe zu untersuchen. Im Rahmen von geologischen Erkun dungsbohrungen beispielsweise zur Lagerstättenerschließung, zur Grundwasserer schließung oder zur Baugrunduntersuchung ist dies ebenfalls erforderlich. Die standardisierte Vorgehensweise bei geologischen und anthropogenen Bohrsondie rungen von Untergründen besteht darin, anhand eines Rasters Analysen vorzu- nehmen und dabei gewonnene Bodenproben in einem Labor zu analysieren. Der artige Analysen werden in Laboren für Umweltanalytik, an Fachinstituten von Universitäten und Forschungseinrichtungen durchgeführt und sind meist sehr aufwendig. Eine flächendeckende zuverlässige Analyse der stofflichen Zusam mensetzung ist gemäß Stand der Technik wie auch bei landwirtschaftlich genutz- ten Böden nicht möglich.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu überwin den und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Qualität eines Bodens besonders effizient und zuverlässig flächendeckend ermit telt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formu- lierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinan der kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Be- Schreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltun gen der Erfindung dargestellt werden.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammenset zung eines Bodens in Abhängigkeit von der Teufe vorgestellt. Das Verfahren um- fasst:

- Entnehmen einer Kernprobe des Bodens,

und

- Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe durch Analyse der entnommenen Kernprobe mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.

Mit dem beschriebenen Verfahren kann ein Boden automatisiert charakterisiert werden. Dazu kann mit dem beschriebenen Verfahren insbesondere die Element zusammensetzung eines Bodens bestimmt werden. Damit ist die Verteilung der chemischen Elemente in dem Boden gemeint. Die Elementzusammensetzung kann auch als Verteilung der Elementkonzentrationen bezeichnet werden. Auf den chemischen Bindungszustand der Elemente kommt es dabei nicht an. Die Ele mentzusammensetzung ist bei vielen Anwendungen ein wichtiger Qualitätspara meter. Die Ermittlung der Elementzusammensetzung kann auch als Multielement- Analyse bezeichnet werden.

Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise auf einen landwirtschaftlich ge nutzter Boden angewendet, wie beispielsweise auf eine Agrarfläche oder auf eine forstwirtschaftliche Fläche. Alternativ kann das beschriebene Verfahren auch auf anthropogen beeinflusste Böden wie beispielsweise bei einer Deponie angewendet werden. Auch kann das beschriebene Verfahren im Rahmen von geologischen Erkundungsbohrungen bei- spielsweise zur Lagerstättenerschließung, zur Grundwassererschließung oder zur Baugrunduntersuchung eingesetzt werden. Dabei können mit dem beschriebenen Verfahren das Rohstoff-Gewinnungspotential eines Bodens ermittelt werden, das Lösungspotential umweltrelevanter Stoffe bei der Grundwassererschließung überwacht werden beziehungsweise das Nutzungspotential eines Baugrunds wie beispielsweise einer ehemaligen Deponie ermittelt werden. Auch kann beim Rückbau von industriellen Anlagen wie beispielsweise von Tankstellen eine mög liche Kontamination des Bodens bewertet werden. Mit dem beschriebenen Ver fahren können zeitliche Verzögerungen durch Laboruntersuchungen vermieden werden. Gegebenenfalls erforderliche Zusatzuntersuchungen können somit be- sonders einfach durchgeführt werden, weil deren Notwendigkeit unmittelbar er kannt werden kann.

Mit einer an einem Fahrzeug montierten automatisierten Vorrichtung für größere Teufen können natürliche Untergründe und anthropogene Untergründe wie bei- spielsweise von Deponien, Tankstellen oder Industrieanlagen systematisch in Echtzeit und in 3D bezüglich Schadstoff- und Wertstoffkonzentrationen analysiert werden. Dass die Vorrichtung als„an“ einem Fahrzeug montiert beschrieben ist, schränkt die Art und Position der Anordnung der Vorrichtung an dem Fahrzeug nicht ein. So ist von dem Begriff„an“ insbesondere umfasst, dass die Vorrichtung auf, unter, in, vorne an, hinten an oder seitlich an dem Fahrzeug befestigt ist.

Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Qualität des Bodens in Form der Ele mentzusammensetzung besonders effizient und zuverlässig ermittelt werden. Da zu werden Proben des Bodens entnommen und mittels LIBS analysiert. LIBS hat den Vorteil, dass damit eine Analyse der entnommenen Proben vor Ort, d. h. un mittelbar am Ort der Entnahme der Probe, durchgeführt werden kann. Die Proben können also besonders schnell analysiert werden. Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Elementzusammensetzung in Abhän gigkeit der Teufe des Bodens bestimmt werden. Unter der Teufe ist in diesem Zusammenhang ein Abstand zwischen Bodenoberfläche und einem betrachteten Punkt innerhalb des Bodens zu verstehen. Dies kann umgangssprachlich auch als „Tiefe“ bezeichnet werden. Eine Teufe von 1 m beschreibt beispielsweise einen Punkt einen Meter unter der Bodenoberfläche.

Die Kernprobe wird vorzugsweise vertikal genommen. Das bedeutet, dass eine Achse der Kernprobe vor der Entnahme der Kernprobe vertikal ausgerichtet ist. Es ist auch möglich, dass die Kernprobe gegen die Vertikale verkippt entnommen wird.

Je nach Anwendung kann das Verfahren unterschiedliche Teufen abdecken. Im Bereich der Landwirtschaft kann eine maximale Teufe von 1 m ausreichen, weil die Wurzeln von landwirtschaftlich genutzten Pflanzen meist nicht tiefer in den Boden reichen. Bei anthropogen beeinflussten Böden und insbesondere bei geolo gischen Erkundungsbohrungen können erheblich größere Teufen untersucht wer den.

Die teufenabhängige Ermittlung der Elementzusammensetzung ist bei dem be- schriebenen Verfahren dadurch möglich, dass die Proben in der Form von Kern proben genommen werden. Unter einer Kernprobe ist in diesem Zusammenhang eine Probe zu verstehen, die beispielsweise in der Form eines Bohrkerns entnom men wird. Im Falle einer Anwendung des beschriebenen Verfahrens auf geologi- sche Erkundungsbohrungen stellt ein bei einer Bohrung erhaltener Bohrkern eine Kernprobe dar.

Eine Kernprobe ist eine Probe, die repräsentativ für einen bestimmten Teufenbe- reich des Bodens ist. Somit kann die teufenabhängige Elementzusammensetzung des Bodens anhand der Kernprobe ermittelt werden. Die Kernprobe wird vor zugsweise mittels einer Sonde wie einer Rammkemsonde, insbesondere mittels eines sogenannten Pürckhauers, entnommen. Bei einer Rammkernsonde handelt es sich um ein Gerät, mit dem eine typischerweise zylinderförmige Kernprobe aus dem Boden entnommen werden kann. Die Kemprobe reicht vorzugsweise von der Bodenoberfläche bis in eine Teufe von 0,5 m, vorzugsweise sogar bis in eine Teu fe von 1 m. Eine derartige Teufenabdeckung ist für viele Anwendungen, insbe sondere in der Landwirtschaft, besonders gut geeignet. Aus der Längsausdehnung der Kernprobe, insbesondere entsprechend der Länge der zur Probennahme ver- wendeten Sonde, ergibt sich, über welchen Teufenbereich mittels des beschriebe nen Verfahrens die Elementzusammensetzung des Bodens ermittelt werden kann. Durch die Entnahme von Kernproben hat das beschriebene Verfahren den Vorteil, dass nicht bloß eine Analyse der Oberfläche des Bodens erfolgt. Die Kernproben werden vorzugsweise automatisiert entnommen. Das bedeutet, dass eine Einrich- tung zur Entnahme von Proben verwendet wird, die nach Einschalten und Einstel len selbsttätig die Kernproben entnimmt. Das kann den Aufwand zur Durchfüh rung des beschriebenen Verfahrens reduzieren oder alternativ die Verwendung einer höheren Anzahl von Proben unter gleichbleibendem Aufwand ermöglichen. Vorzugsweise wird die Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe durch direkte Analyse der entnommenen Kernprobe mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, ermittelt. Dabei bedeutet„direkt“, dass LIBS unmittelbar auf die Kernprobe angewendet wird. Bei Entnahme der Kernprobe wird vorzugsweise die Position der Entnahme be stimmt, beispielsweise per GPS. Insbesondere im Zusammenhang mit einem au tonom fahrenden Fahrzeug kann die Positionsbestimmung auch mittels des 5G- Mobilfunknetzes erfolgen. Dadurch kann bei Entnahme mehrerer Kemproben aus den jeweils aufgenommenen Messdaten ein zwei- oder dreidimensionales Modell des Bodens erstellt werden, beispielsweise durch Interpolation zwischen den Ent nahmeorten. Es wird also ein Teufenmodell des Bodens erhalten.

Die entnommene Kernprobe wird mittels LIBS analysiert. Dabei wird die Kern- probe ihrer Länge nach mit einem Laser abgetastet. Das Ergebnis ist eine Ele mentzusammensetzung in Abhängigkeit von der Position entlang der Kernprobe und insoweit in Abhängigkeit von der Teufe des Bodens.

Die Kernprobe kann nach der Entnahme abgelegt werden und anschließend mit- tels LIBS analysiert werden. Das hat den Vorteil, dass an die zur LIBS verwende te Vorrichtung keine besonderen Anforderungen, insbesondere an Größe und Form, gestellt werden müssen.

Vorzugsweise wird ein frischer Anschnitt der Kernprobe analysiert. Dazu können beispielsweise mittels eines Grats die in radialer Richtung äußersten 5 mm der Kernprobe abgeschält werden. Das kann beim Herausziehen und/oder danach er folgen. Bei der Analyse mittels LIBS können so Schmiereffekte insbesondere durch Verschleppung beim Herausziehen vermieden werden. Die Kernprobe kann auch ohne Abschälen analysiert werden. Das ist insbesondere dann möglich, wenn Schmiereffekte nur in geringem Maße auftreten und/oder wenn nur eine geringe Genauigkeit hinsichtlich der Teufenabhängigkeit erforder lich ist. Alternativ wird die Kernprobe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens während der Entnahme analysiert.

In dieser Ausführungsform wird vorzugsweise eine LIBS-Einrichtung verwendet, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Kernprobe beim Herausziehen aus dem Boden an der LIBS-Einrichtung vorbeigeführt wird. Auch in dieser Aus führungsform ist es bevorzugt, dass die Analyse an einem frischen Anschnitt er folgt. Das Analysieren der Kernprobe beim Herausziehen hat den Vorteil, dass die Pro be unmittelbar nach der Entnahme abgelegt werden kann, ohne dass darauf geach tet werden müsste, dass sich einzelnen Teile der Kernprobe verschieben oder vermischen. Würde das passieren, würde bei einer nachträglichen Analyse keine korrekte Teufenabhängigkeit mehr erhalten werden können. Insbesondere bei ei- ner Kernproben in Form eines Bohrkerns einer geologischen Erkundungsbohrung kann das Ablegen des Bohrkerns zudem aus Platzgründen erschwert oder sogar unmöglich sein. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Kernprobe aber bereits beim Herausziehen aus dem Boden analysiert, so dass ein sorgfältiges Ablegen der gesamten Kernprobe nicht erforderlich ist.

Weiterhin wird das beschriebene Verfahren durch die vorliegende Ausgestaltung beschleunigt. Während des Herausziehens der Kernprobe aus dem Boden erfolgt vorzugsweise eine Vielzahl von Messungen, vorzugsweise 10 bis 50 Messungen pro Sekunde. Damit kann die Kernprobe mit einer hohen Ortsauflösung analysiert werden, sodass die Elementzusammensetzung mit einer entsprechend hoch aufge lösten Teufenabhängigkeit ermittelt werden kann.

Neben der Elementzusammensetzung können weitere Parameter des Bodens er mittelt werden, beispielsweise mittels optischer Kameras, Infrarot-Analyse, NIR, Radarmessung, Mikrowellenmessung, Ultraschallmessung und/oder Gammastrah lenrückstreuung und -absorption.

Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzu sammensetzung eines Bodens in Abhängigkeit von der Teufe vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:

- eine Einrichtung zum Entnehmen einer Kernprobe des Bodens,

- eine LIBS-Einrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bo dens in Abhängigkeit von der Teufe durch Analyse der entnommenen Kern probe mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.

Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfah rens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe sind auf die Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammenset zung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere wird das beschriebene Verfahren vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. Insbesondere ist die beschriebene Vorrich tung vorzugsweise zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.

Die LIBS-Einrichtung ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass die Kemprobe während der Entnahme analysiert werden kann.

Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusam mensetzung eines Bodens vorgestellt. Das Verfahren umfasst:

a) für mindestens einen Probenort analysieren des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens,

und/oder b) für eine Abtastfläche analysieren des Bodens durch Abtasten des Bodens mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,

und

c) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens aus den Ergebnissen von Schritt a) und/oder b).

Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des zuvor beschriebenen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe sind auf das vorliegend beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammenset zung des Bodens anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Das gilt insbeson dere, soweit Schritt a) des vorliegend beschriebenen Verfahrens betroffen ist. Im Folgenden werden insbesondere die Besonderheiten von Schritt b) beschrieben.

Ergebnis des beschriebenen Verfahrens ist vorzugsweise ein Profil der Element zusammensetzung des Bodens. Ein derartiges Profil ist vorzugsweise orts- und teufenabhängig und insoweit dreidimensional. Die Teufenabhängigkeit kann durch Schritt a) erreicht werden. Es kann aber auch ein zweidimensionales Profil erstellt werden, welches lediglich ortsabhängig ist und für jeden Ort einen Wert umfasst. Ein solches Profil kann auch ohne Schritt a) erstellt werden. Ein zweidi mensionales Profil kann aber auch beispielsweise durch Projektion der Werte ei nes dreidimensionalen Profils erhalten werden. Anhand des erhaltenen Profils kann beispielsweise die Schadstoffkonzentration in anthropogen beeinflussten Böden erkannt werden. Das kann es für Betreiber ent sprechender Böden erleichtern, die erforderlichen behördlichen Nachweise zu erbringen. So können insbesondere umweltrelevante Parameter systematisch er- fasst werden. Darauf basierend können Belastungen für Böden und Gewässer mi nimiert werden.

Weiterhin kann das erhaltene Profil dazu dienen, um insbesondere auch zusam- men mit anderen Parametern Schlussfolgerungen für die Entwicklung der Boden qualität zu ziehen.

Bei dem beschriebenen Verfahren können die Schritte a) und c) ohne Schritt b), die Schritte b) und c) ohne Schritt a) oder die Schritte a), b) und c) durchgeführt werden. In letztgenanntem Fall können die Schritte a) und b) in beliebiger Reihen folge vollständig oder teilweise zeitgleich oder nacheinander durchgeführt wer den. Schritt c) beginnt in jedem Fall erst nach Beginn von Schritt a) und/oder b). Es ist aber möglich, dass Schritt c) teilweise oder vollständig parallel zu den Schritten a) und/oder b) durchgeführt wird.

In Schritt a) wird das zuvor beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Element zusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe für mindestens ei nen Probenort, vorzugsweise für eine Vielzahl von Probenorten, durchgeführt. Die Probenorte sind vorzugsweise anhand eines Rasters angeordnet und über den ge- samten Boden verteilt.

In Schritt b) wird der Boden mittels PGNAA und/oder mittels PFTNA analysiert. Mittels PGNAA und/oder PFTNA kann die Elementzusammensetzung einer obe ren Bodenschicht erhalten werden. Die Elementzusammensetzung kann in Form von Durchschnittswerten erhalten werden, die beispielsweise jeweils über die 50 cm des Bodens unmittelbar unter der Bodenoberfläche gebildet werden.

Bevorzugt ist die Analyse mittels PGNAA. Bei beiden genannten Verfahren han delt es sich um Methoden zur Analyse unter Verwendung von Neutronen. Die Neutronen können ausgehend von einer Neutronenquelle, beispielsweise einem geeigneten radioaktiven Material, in den Boden ausgesendet werden. Innerhalb des Bodens kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen diesen Neutronen und den Kernen der den Boden bildenden Atome. Bei dieser Kernwechselwirkung wird Gammastrahlung erzeugt, die von einem Strahlungsdetektor detektiert wer den kann. Anhand der detektieren Strahlung kann auf die im Boden befindlichen Atome geschlossen werden. Insoweit kann die Elementzusammensetzung des Bo dens ermittelt werden. Das kann flächendeckend erfolgen, in dem eine entspre chende Vorrichtung derart über den Boden bewegt wird, dass der Boden kontinu- ierlich abgetastet wird. Es ist alternativ möglich, Einzelmessungen beispielsweise an Punkten eines Rasters vorzunehmen, und die Ergebnisse zu interpolieren.

Für Schritt b) kann insbesondere eine Abtasteinheit verwendet werden, die eine Neutronenquelle und einen Strahlungsdetektor aufweist. Die Abtasteinheit wird vorzugsweise mit einem Schlitten oder einer Hub Vorrichtung in die Nähe der Bo- denoberfläche gebracht und über diese bewegt. Auch kann die Abtasteinheit an einem Pflug montiert sein, so dass die Einrichtung in Vertiefungen des Bodens eingeführt werden kann. In Schritt c) wird aus den Ergebnissen von Schritt a) und/oder b) die Elementzu sammensetzung des Bodens ermittelt.

Sofern neben Schritt c) nur Schritt a) durchgeführt wird, erfolgt Schritt c) anhand der Ergebnisse aus Schritt a). Dazu können die Ergebnisse aus Schritt a) bei- spielsweise durch Interpolation zwischen den Probenorten zu einem flächende ckenden Profil der Elementzusammensetzung ergänzt werden. Dieses Profil kann orts- und teufenabhängig und insoweit dreidimensional sein. Sofern neben Schritt c) nur Schritt b) durchgeführt wird, erfolgt Schritt c) anhand der Ergebnisse aus Schritt b). Da die Elementzusammensetzung des Bodens mit tels PGNAA und/oder mittels PFTNA in Form von Durchschnittswerten ermittelt werden kann, kann Schritt c) hier beispielsweise darin bestehen, das Ergebnis von Schritt b) in die Form einer lückenlosen zweidimensionalen Elementverteilungs karte des Bodens zu bringen.

Bevorzugt ist jedoch die Ausführungsform des Verfahrens, gemäß der sowohl Schritt a) als auch Schritt b) neben Schritt c) durchgeführt werden. In Schritt c) wird die Elementzusammensetzung des Bodens ausgehend von dem Ergebnis von Schritt a) und unter Korrektur anhand des Ergebnisses von Schritt b) oder ausge hend von dem Ergebnis von Schritt b) und unter Korrektur anhand des Ergebnis ses von Schritt a) erstellt. In dieser Ausführungsform werden die Vorteile der in den Schritten a) und b) ein gesetzten Analysemethoden miteinander kombiniert. Mit der Verknüpfung der Methoden werden die analytischen Vorteile der jeweiligen Methode zu einem Gesamtsystem mit besonders hohem Messpotential integriert. Mittels PGNAA und/oder PFTNA kann die Elementzusammensetzung des Bo dens bereits flächendeckend ermittelt werden. Insoweit kann es genügen, nur die se Methode einzusetzen. Allerdings ist die Genauigkeit von PGNAA und PFTNA begrenzt. Zudem sind diese Methoden nur für bestimmte Elemente sensitiv. Mittels LIBS kann eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden als mit PGNAA und/oder PFTNA. Auch können mit LIBS mehr Elemente analysiert werden als mit PGNAA und/oder PFTNA. Allerdings ist LIBS durch die erforderliche Pro bennahme aufwendiger als PGNAA und/oder PFTNA. Eine Analyse von Kern proben mittels LIBS ist aber - anders als eine Analyse mittels PGNAA und/oder PFTNA - informationsreicher hinsichtlich des Elementspektrums und der Teufen- abhängigkeit.

Daher wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform mittels PGNAA und/oder PFTNA ein Modell der Elementzusammensetzung des Bodens erstellt und anhand der LIBS korrigiert, oder umgekehrt. Unter Korrigieren ist zu verstehen, dass in Schritt c) die Elementzusammensetzung des Bodens derart ermittelt wird, dass - soweit möglich - die mit den beiden verschiedenen Messmethoden erhaltenen Werte miteinander übereinstimmen. Anstelle von interpolierten Werten kann die in Schritt c) ermittelte Elementzusammensetzung zwischen den Probenorten Wer te umfassen, die auf den Ergebnissen der PGNAA und/oder PFTNA beruhen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Profil der Elementzusammensetzung des Bodens erstellt, welches den Boden von einer Bodenoberfläche bis in eine Teufe im Bereich von 00,3 bis 1 m abdeckt.

Es hat sich herausgestellt, dass die angegebene Teufenabdeckung für viele An wendungen ein geeigneter Kompromiss zwischen der Messgenauigkeit, dem er forderlichen Aufwand und der für die jeweilige Anwendung erforderlichen Kenntnis der Elementzusammensetzung in bestimmten Teufen ist. Mittels PGNAA und/oder PFTNA können Durchschnittswerte für maximale Teufen im Bereich von 0,3 m bis 0,5 m erhalten werden. Wenn zusammen mit LIBS ein Pro fil der Elementzusammensetzung des Bodens erstellt wird, kann dies bis in eine Teufe im Bereich von 0,3 m besonders genau sein und bis in eine Teufe von 1 m eine für viele Anwendungszwecke ausreichende Genauigkeit haben.

Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für landwirtschaftlich genutzte Böden geeignet. Insbesondere bei der Analyse von anthropogen beeinflussten Böden und von geologischen Erkundungsbohrungen mittels LIBS können wie weiter oben beschrieben erheblich größere Teufen relevant sein.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt a) und/oder b) zusätzlich eine Feuchtigkeit des Bodens ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Bodens berücksichtigt.

Der Wassergehalt im Boden kann einen Einfluss auf den Neutronenfluss durch den Boden haben. Durch Kenntnis der Feuchtigkeit des Bodens kann daher die Genauigkeit der LIBS, PGNAA und/oder der PFTNA verbessert werden. Die Feuchtigkeit des Bodens kann beispielsweise mittels Mikrowellentechnik, Nah- Infrarot-Technik, Gammarückstreuung, Messung des kapazitiven Widerstands, oder durch Terra-Hz-Messtechnik ermittelt werden. Vorzugsweise wird die Feuchtigkeit teufenabhängig ermittelt. Das kann insbesondere während des Ent- nehmens einer Kernprobe erfolgen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird weiter hin mindestens ein Parameter des Bodens mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie, NIR, und/oder mittels einer Kamera ermittelt.

Durch NIR kann die Messgenauigkeit des Messverfahrens erhöht werden. Dazu kann neben LIBS, PGNAA und/oder PFTNA auch mittels NIR die teufenabhän- gigen Zusatzinformationen des Bodens als ein Parameter des Bodens ermittelt und mit den durch LIBS, PGNAA und/oder PFTNA erhaltenen Ergebnissen vergli- chen werden. Als Gesamtergebnis kann eine korrigierte Elementzusammenset zung bestimmt werden, beispielsweise in dem das Ergebnis der LIBS, PGNAA und/oder PFTNA anhand des Ergebnisses der NIR korrigiert und/oder kalibriert wird. Darüber hinaus können mittels NIR weitere Parameter des Bodens wie beispiels weise ein Wassergehalt des Bodens und/oder ein Anteil bestimmter organischer Verbindungen in dem Boden ermittelt werden. Diese Parameter werden vorzugs weise teufenabhängig ermittelt. Alternativ ist es bevorzugt, diese Parameter teu- fenunabhängig zu ermitteln, beispielsweise als Durchschnittswerte über eine Kernprobe und/oder durch unmittelbare Analyse der Oberfläche des Bodens.

Die Kamera ist vorzugsweise eine Hochleistungskamera. Vorzugsweise hat die Kamera eine derart hohe Auflösung, dass damit Eigenschaften des Bodens optisch ermittelt werden können. Mit der Kamera können Parameter des Bodens wie bei spielsweise eine Bindigkeit des Bodens, ein Korngrößenverteilungsmuster und/oder ein Tonanteil im Boden ermittelt werden. Diese Parameter werden vor zugsweise teufenabhängig ermittelt, beispielsweise durch Analyse einer Kempro be. Mit der Kamera wird die Kernprobe vorzugsweise während der Entnahme analysiert. Somit kann die Oberfläche der Kernprobe analysiert werden, ohne dass die Kamera bewegt werden muss. Alternativ ist es bevorzugt, diese Parameter teufenunabhängig zu ermitteln, beispielsweise als Durchschnittswerte über eine Kernprobe und/oder durch unmittelbare Analyse der Oberfläche des Bodens. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Boden ein landwirtschaftlich genutzter Boden.

Das mit dem beschriebenen Verfahren erhaltene Profil kann zur systematischen Überwachung von Agrarflächen, forstwirtschaftlichen Flächen und natürlichen Flächen genutzt werden. Damit kann ein behördlich erforderliches Monitoring zum Elmwelt- und/oder Gewässerschutz erleichtert werden.

Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzu sammensetzung eines Bodens mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:

eine Probeneinheit zum Entnehmen und Analysieren von Kernproben gemäß Schritt a),

und/oder

eine Abtasteinheit zum Abtasten des Bodens gemäß Schritt b),

und

eine Auswerteeinrichtung, die eingerichtet ist, gemäß Schritt c) die Element zusammensetzung des Bodens zu ermitteln.

Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfah rens und der Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bo dens in Abhängigkeit von der Teufe sowie des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens sind auf die Vorrich- tung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere wird das zuvor beschriebene Verfahren vorzugsweise mit der vorliegend beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. Insbe sondere ist die vorliegend beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchfüh rung des zuvor beschriebenen Verfahrens eingerichtet.

Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise sowohl eine Probeneinheit als auch eine Abtasteinheit, so dass sowohl Schritt a) als auch Schritt b) durchgeführt werden können. Die Auswerteeinrichtung ist in dem Fall vorzugsweise dazu eingerichtet, in Schritt c) das Profil der Elementzusammensetzung des Bodens ausgehend von dem Ergebnis von Schritt a) und unter Korrektur anhand des Ergebnisses von Schritt b) oder umgekehrt zu erstellen. Die Probeneinheit und/oder die Abtasteinheit sind vorzugsweise dazu eingerich tet, den Boden von einer Bodenoberfläche bis in eine Teufe im Bereich von 0,3 bis 1 m zu analysieren. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zur Bestim mung der Feuchtigkeit des Bodens. In dem Fall ist die Auswerteeinrichtung vor zugsweise dazu eingerichtet, die Feuchtigkeit bei der Ermittlung der Element zusammensetzung des Bodens zu berücksichtigen. Vorzugsweise ist die Einrich tung zur Bestimmung der Feuchtigkeit des Bodens derart angeordnet, dass die Feuchtigkeit des Bodens bei Entnahme einer Kernprobe teufenabhängig ermittelt werden kann. Die Einrichtung zur Bestimmung der Feuchtigkeit des Bodens kann insbesondere Teil der Probeneinheit sein.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Ermitteln mindestens eines Parameters des Bodens mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIR), und/oder mittels einer Kamera. Vorzugsweise ist die Kamera derart ange ordnet, dass der Boden mit der Kamera bei Entnahme einer Kernprobe teufenab hängig analysiert werden kann. Die Kamera kann insbesondere Teil der Proben einheit sein.

Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zum Behandeln eines landwirtschaft lich genutzten Bodens vorgestellt. Das Verfahren umfasst:

A) Ermitteln einer Elementzusammensetzung des Bodens mittels eines der zuvor beschriebenen Verfahren,

und

B) ortsabhängiges Aufbringen eines Düngers auf den Boden anhand eines Er gebnisses aus Schritt A). Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfah rens und der Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bo dens in Abhängigkeit von der Teufe sowie des Verfahrens und der Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens sind auf das Verfahren zum Behandeln des landwirtschaftlich genutzten Bodens anwendbar und über tragbar, und umgekehrt.

In Schritt A) wird die Elementzusammensetzung des Bodens anhand des be schriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens in Abhängigkeit von der Teufe oder anhand des Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens ermittelt. Die so gewonnenen Informatio nen können genutzt werden, um den Boden bedarfsgerecht zu düngen. Durch ortsabhängiges Aufbringen eines Düngers gemäß Schritt B) kann eine Homogeni sierung der Elementzusammensetzung im Boden angestrebt werden. Damit kann eine homogene Bodenqualität erreicht werden, die eine homogene Qualität von mit dem Boden gewonnenen landwirtschaftlichen Erzeugnissen begünstigen kann. Als Dünger kommen insbesondere Kalk-/Mineral Stoff- und/oder Organikdünger in Betracht. Das ortsabhängige Ausbringen des Düngers in Schritt B) erfolgt vor zugsweise automatisiert, insbesondere mittels GPS oder 5G.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Fi guren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Fi- guren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und

Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinie ren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:

Fig. 1 : einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Erstellen eines Profils einer Elementzusammensetzung eines Bodens,

Fig. 2: einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Behandeln eines landwirtschaftlich genutzten Bodens, Fig. 3: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem Boden,

Fig. 4: eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäß zu analysie renden Boden, und

Fig. 5: eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen

Vorrichtung auf einem Boden.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Erstellen eines Profils einer Elementzusammensetzung eines Bodens 1. Die verwendeten Be zugszeichen beziehen sich auf die Fig. 3 und 4. Das Verfahren umfasst:

a) für mindestens einen Probenort 6 analysieren des Bodens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t. Dazu wird eine Elementzusammensetzung des Bodens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t ermittelt durch:

- Entnehmen einer Kernprobe 2 des Bodens 1 am Probenort 6,

und

Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t durch Analyse der entnommenen Kernprobe 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS während der Entnahme der Kemprobe 2.

und

b) für eine Abtastfläche 7 analysieren des Bodens 1 durch Abtasten des Bodens 1 mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,

und

c) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bodens 1 aus den Ergebnissen von Schritt a) und b). Dazu kann ein Profil der Elementzusammensetzung des Bodens 1 ausgehend von dem Ergebnis von Schritt b) und unter Korrek tur anhand der Ergebnisse von Schritt a), oder umgekehrt, erstellt werden. Das erhaltene Profil der Elementzusammensetzung deckt den Boden 1 von einer Bodenoberfläche 8 bis in eine Teufe t im Bereich von 0,3 bis 1 m ab. Zusätzlich wird in Schritt a) und/oder b) eine Feuchtigkeit des Bodens 1 ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Bodens 1 berücksich tigt.

Weiterhin wird mindestens ein Parameter des Bodens 1 mittels Nah-Infrarot- Spektroskopie (NIR), und/oder mittels einer Kamera ermittelt.

Das Verfahren kann insbesondere auf einen landwirtschaftlich genutzten Boden angewendet werden. Fig. 2 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Behandeln eines landwirtschaftlich genutzten Bodens 1. Das Verfahren umfasst:

A) Ermitteln einer Elementzusammensetzung des Bodens 1 mittels des Verfah rens aus Fig. 1,

und B) ortsabhängiges Aufbringen eines Düngers auf den Boden 1 anhand eines Er gebnisses aus Schritt A).

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 3, mit der das in Fig. 1 beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung 3 kann in dem Verfahren nach Fig. 2 in Schritt A) genutzt werden. Gezeigt ist die Vorrichtung 3 auf einer Bodenober fläche 8 eines Bodens 1.

Die Vorrichtung 3 ist zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Bo dens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t eingerichtet. Dazu umfasst die Vorrich tung 3 eine Einrichtung 4 zum Entnehmen einer Kernprobe 2 des Bodens 1 und eine LIBS-Einrichtung 5 zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Bo dens 1 in Abhängigkeit von der Teufe t durch Analyse der entnommenen Kern probe 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS. Die Einrichtung 4 zum Entnehmen einer Kernprobe 2 des Bodens 1 umfasst vorzugsweise ein (nicht dargestelltes) Element zum Abschälen der Kernprobe 2.

Die Vorrichtung 3 ist darüber hinaus dazu eingerichtet, die Elementzusammenset zung des Bodens 1 zu ermitteln. Insoweit können die Einrichtung 4 zum Entneh men einer Kernprobe 2 des Bodens 1 und die LIBS-Einrichtung 5 als eine Pro beneinheit 11 zum Entnehmen und Analysieren von Kernproben 2 gemäß Schritt a) des Verfahrens aus Fig. 1 aufgefasst werden. Die Probeneinheit 11 kann weite re Analytik wie beispielsweise eine Kamera, einen Feuchtigkeitsmesser und/oder eine NIR-Einrichtung umfassen. Zudem umfasst die Vorrichtung 3 eine Abtast einheit 10 zum Abtasten des Bodens 1 gemäß Schritt b) des Verfahrens aus Fig. 1. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 3 eine Auswerteeinrichtung 9, die eingerichtet ist, gemäß Schritt c) des Verfahrens aus Fig. 1 die Elementzusammensetzung des Bodens 1 zu ermitteln. Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Boden 1, der mittels des Ver fahrens aus Fig. 1 analysiert werden kann, insbesondere mittels der Vorrichtung 3 aus Fig. 3, und/oder der mittels des Verfahrens aus Fig. 2 behandelt werden kann. Eingezeichnet sind eine Vielzahl von Probenorten 6, die nach einem durch gestri- chelte Linien dargestellten Raster angeordnet sind. An den Probenorten 6 werden gemäß dem Verfahren nach Fig. 1 Kernproben 2 zur Analyse mittels LIBS ent nommen. Weiterhin ist eine Abtastfläche 7 eingezeichnet. Diese umfasst die ge samte Fläche des Rechtecks mit durchgezogener Linie, also den gesamten Boden 1. Für die Abtastfläche 7 wird gemäß dem Verfahren aus Fig. 1 die Element- Zusammensetzung des Bodens 1 in durch Abtasten des Bodens 1 mittels PGNAA und/oder PFTNA ermittelt.

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung 3, die eine Konkretisierung der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 3 ist. Auch die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung 3 umfasst eine Einrich- tung 4 zum Entnehmen einer Kernprobe und eine LIBS-Einrichtung 5 als Proben einheit 11, eine Abtasteinheit 10 und eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrich tung. Die Vorrichtung 3 ist auf einer Bodenoberfläche 8 eines Bodens 1 gezeigt. Eine Kernprobe 2 ist eingezeichnet. Auch die Teufe t ist eingezeichnet. Mit den beschriebenen Verfahren und mit der beschriebenen Vorrichtung 3 kann ein Boden 1, beispielsweise ein landwirtschaftlich genutzter Acker oder ein auf Schadstoffe zu untersuchender Baugrund, analysiert werden. Durch eine Analyse mittels PGNAA, PFTNA und/oder LIBS kann die Qualität des Bodens 1 beson ders effizient und zuverlässig flächendeckend ermittelt werden. Bezugszeichenliste

1 Boden

2 Kernprobe

3 Vorrichtung

4 Einrichtung zum Entnehmen einer Kemprobe

5 LIBS-Einrichtung

6 Probenort

7 Abtastfläche

8 Bodenoberfläche

9 Auswerteeinrichtung

10 Abtasteinheit

11 Probeneinheit t Teufe