Echtzeit Monitoring

Ein kontinuierliches Monitoring von DOC und Nitrat mittels UV-Vis-Spektrometern ist bisher nur für Oberflächengewässer möglich. Ein Einsatz für kontinuierliche in-situ Nitrat Messungen im Bodenwasser wurde in Teilen zwar schon entwickelt in dem mittels Saugkerzen Bodenwasser in ein kommerzielles UV-Vis-Spektrometer gesaugt und dort gemessen wird (NITROM der Firma TerrAquat), dieses System ist aber recht teuer und aufwendig zu betreiben.

Stattdessen entwickeln wir ein robustes, kompaktes und anwendungsfreundliches System, das Echtzeitdaten zu Sickerwassermenge, DOC- und Nitratkonzentration, elektrische Leitfähigkeit und Temperatur liefert. Alle Systemeinheiten werden umfangreichen Labortests unterzogen und erste Prototypen werden unter ausgewählten Landnutzungen unterhalb der Wurzelzone eingebaut und kontinuierlich betrieben.

Die Bestimmung der Sickerwassermenge erfolgt in unserem System über ein passives System mit Glasfaserdochten. Dabei wird Wasser dem Boden bei Feldkapazität (Saugspannung ca. 60 cm bzw. 1,8 pF) entzogen. Das hat den Vorteil, dass im Gegenteil zu Saugkerzen keine Pumpen benötigt werden, um das Bodenwasser zu extrahieren und auch keine Aufsättigung wie in frei dränenden Lysimetern stattfinden muss. Durch die Entnahmefläche und die Länge der Edelstahllanze, auf der die Dochte befestigt sind, kann die räumliche Variabilität der typischen Vegetationsreihen unterhalb eines Ackers gut abgedeckt werden. Die Quantifizierung der Sickerwassermenge erfolgt über ein 3D gedrucktes Kippwaagensystem.

Zusätzlich zu der Sickerwassermenge sollen in unserem System auch in-situ Messungen zur Wasserqualität durchgeführt werden. Zu den Parametern zählen die elektrische Leitfähigkeit, Temperatur, sowie die Konzentration von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) und Nitrat. Dafür wird derzeit ein optischer Nitratsensor entwickelt. Statt mittels teuren UV/Vis-Spektrometern und Xenonlampen das gesamte Spektrum zu messen beschränken wir uns auf die Absorption durch Nitrat bei Wellenlängen im UVC-Bereich. Erste Tests zeigen, dass bei Grundwasserproben die Bestimmung des Nitratgehalts allein anhand der Absorption bei einer Wellenlänge von 235 nm möglich ist. Um das System aber auch an die Bodenlösung anzupassen wird in unserem Sensor zusätzlich die DOC-Konzentration anhand der Fluoreszenz bei 370 nm Anregungslicht und die Trübung im IR-Bereich gemessen.

Stand März 2025

Im März 2025 haben wir das erste System zur Quantifizierung der Sickerwassermenge im Feld eingebracht. Dafür wurde eine Grube auf der Grenzfläche zwischen einem Acker (nächste Frucht Hafer) und einer Grünlandfläche (Schnittnutzung, 3x plus evtl. Nachweide) gegraben.

Die Schienen mit den Glasfaserdochten wurden auf einer Tiefe von 70 cm waagerecht unterhalb der Wurzelzone eingeführt (in Richtung Acker und Grünland) und in die Schachtrohre verlegt. Dort sind die Dochte ca. 1 m freihängend um ausreichend Spannung aufzubauen und unterhalb der Enden wird das Kippwaagensystem eingebracht. Zusätzlich haben wir auf unterschiedlichen Tiefen Bodenfeuchtesensoren SMT 100 der Firma Truebner GmbH installiert. Die Grube wurde vorsichtig verfüllt. Die Messsysteme sind nun über die Schachtdeckel erreichbar und es bildet sich keinerlei Einschränkung für den Landwirt.

Stand Juni 2025

Im Mai haben wir unseren Aufbau auf der EGU in Wien präsentiert.

Mittlerweile wurde auch der zweite Standort mit zwei WICKIEs (Wick-sampler in-situ estimations) ausgestattet. Und der Datentransfer via LTE-M läuft. Alle 6 Stunden werden die 10-minütlich gesammelten Daten transferiert. In dem Screenshot sieht man das Dashboard für Standort 1 seit Installation. Bodentemperatur und -feuchte in unterschiedlichen Tiefen. 10-min. Sickerwassermenge und akkumulierte Sickerwassermenge.

Stand März 2026

Erfolg beim Einbau von WICKIE‑Systemen:

Im Herbst 2025 konnten wir weitere Forschende von den Vorteilen unserer WICKIE‑Messplattform überzeugen. Besonders hervorzuheben ist der Einbau im Oktober am Institut für Umweltwissenschaften und Geographie in Potsdam, wo wir die Installation auf einer besonders beeindruckenden Messfläche in Marquardt leiten durften. Dort haben wir wertvolle Praxis‑Erfahrungen gesammelt – etwa, dass sandige Böden selbst robuste Edelstahlschienen zum Verformen bringen können (siehe Foto). Diese Erkenntnisse fließen jetzt in unsere Installations‑ und Wartungs‑Checklisten ein und erhöhen die Robustheit zukünftiger Feldaufbauten.

Weiterentwicklung des Nitratsensors:

Unser neuester Sensor‑Prototyp misst simultan drei optische Parameter:

- Nitrat (230 nm)

- Dissolved Organic Carbon (DOC) (Fluoreszenz bei 370nm)

- Trübung (600 nm)

Durch die Kombination der drei Wellenlängen erhalten wir ein vollständiges Bild der Wasserqualität in einem einzigen Durchlauf. Die Kalibrierung erfolgte mit einer breiten Palette natürlicher Wasserproben – Laborstandards, Grundwasser, Flusswasser und Bodenwasser – wodurch wir die Messgenauigkeit unter realen Bedingungen umfassend validieren konnten. Die ersten Tests zeigen eine lineare Kalibrierung mit R² > 0.99 für Nitrat (0–200 mg L⁻¹) und eine konsistente DOC‑ sowie Trübungsmessung. Die ausführlichen Ergebnisse stehen als Pre‑Print zur Verfügung: [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-8490259/v1].