Bodensensoren sind Messgeräte zur Erfassung von Bodenparametern, wie Feuchtigkeit, Temperatur, pH‑Wert und Nährstoffen. Sie werden in der Landwirtschaft eingesetzt, um in Echtzeit Daten zu erheben welche als Entscheidungshilfe bei der Bewässerung und Düngung dienen und eine kontinuierliche Überwachung des Bodens sicherstellen [1, 2].
In diesem Artikel liegt der Fokus auf dem Anwendungsbereich der Bestimmung des Bodenwassergehalts, da dieser maßgeblich die Pflanzenverfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen beeinflusst. Das Prinzip basiert dabei auf elektrischer Leitfähigkeit von Wasser im Boden, allerdings gibt es unterschiedliche Messverfahren, welche nachfolgend näher betrachtet werden.
Die Erfassung der Veränderungen in der elektrischen Leitfähigkeit ermöglicht eine präzisere und bedarfsgerechte Bewirtschaftung durch kontinuierliche Überwachung des Bodens. Mit Echtzeitdaten können Landwirte die Bewässerung und Düngung an die Bedingungen in jedem Bereich anpassen und so Ressourcen effizienter nutzen [1, 3].
Je nach Fragestellung stehen unterschiedliche Sensortypen zur Verfügung, darunter Sensoren zur Messung der Bodentemperatur (°C), der volumetrischen Bodenfeuchte (%), des Boden‑pH‑Werts (0–14) sowie Nährstoffsensoren, die pflanzenverfügbare Ionen wie Nitrat, Ammonium, Kalium oder Phosphat sowie die elektrische Leitfähigkeit als Indikator für Bodenversalzung erfassen [1, 2, 3].
Bodensensoren können in unterschiedlichen Bodentiefen installiert werden, um je nach Fragestellung die zu erfassen. Die erhobenen Messwerte werden meist automatisiert an Softwarelösungen oder mobile Anwendungen übertragen, wodurch eine effiziente und benutzerfreundliche Datenverwaltung ermöglicht wird [1, 2]. Auf Basis der erfassten Daten können einzelne Bodenparameter sowie deren Wechselwirkungen analysiert und gezielt gesteuert werden. Dies unterstützt ein präziseres Nährstoffmanagement und trägt dazu bei, Überdüngung zu vermeiden [2, 3].
Darüber hinaus liefert die kontinuierliche Datenerfassung wertvolle Informationen über zeitliche Veränderungen im Boden. Dies ermöglicht die Identifikation räumlicher Muster, etwa Bereiche mit geringer Wasser- oder Nährstoffverfügbarkeit, und unterstützt eine vorausschauende Planung von Bewirtschaftungsmaßnahmen. Auf diese Weise tragen Bodensensoren dazu bei, landwirtschaftliche Systeme nachhaltiger, ressourceneffizienter und besser an lokale Standortbedingungen angepasst zu gestalten [1, 3].
Bei den Messmethoden gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Kategorien mit Methoden. Einige dieser Methoden werden in den nachfolgenden Kapiteln näher betrachtet. Aufgrund der Fülle der Methoden kann nicht auf jede einzelne Methode eingegangen werden. Folgende Grafik zeigt fast alle unterschiedlichen Messmethoden.
Definition:
Invasive Methoden basieren auf dem direkten Einbringen eines Sensors oder porösen Messkörpers in den Boden. Sie erfassen Bodenwasser entweder als matrisches Potential (Saugspannung) oder über elektrische Eigenschaften im unmittelbaren Kontaktbereich. Die Messung erfolgt punktuell und repräsentiert das lokale Bodenvolumen um die Sonde [1].
Messprinzip: Diese Sensoren messen die Saugspannung (Matrixpotential) des Bodens, also die Energie, mit der Wasser im Porensystem gebunden ist. Das Matrixpotential beschreibt die Verfügbarkeit von Wasser für Pflanzen und ist damit eine physiologisch relevante Größe. [5].
| Vorteile: | Nachteile: |
| Direkter Bezug zum Pflanzenwasserstatus | Wartungsaufwand (z. B. Entlüften von Tensiometern) |
| Geringe Beeinflussung durch Bodentextur | Begrenzter Messbereich bei sehr trockenen Böden |
| Relativ einfache Technik | Punktuelle Repräsentativität |
Definition:
Dielektrische Methoden bestimmen die volumetrische Bodenfeuchte (θv) indirekt über die dielektrische Permittivität (ε) des Bodens. Wasser besitzt mit ε ≈ 80 eine deutlich höhere Permittivität als Luft (~1) oder mineralische Bodenbestandteile (~3–7). Änderungen der Bodenfeuchte führen daher zu messbaren Veränderungen elektromagnetischer Eigenschaften [6].
Diese Verfahren stellen heute den Standard in Forschung und Praxis dar [1].
Messprinzip:
Ein elektromagnetischer Impuls wird entlang metallischer Sondenstäbe in den Boden gesendet. Die Laufzeit des reflektierten Signals hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit ab, welche vom Bodenfeuchtegehalt beinflusst wird. Die Veränderung in der Laufzeit lässt auf den Bodenwassergehalt schließen [1].
| Vorteile: | Nachteile: |
| Geringe Sensitivität gegenüber Bodentextur | Hohe Kosten |
| Relativ geringe Beeinflussung durch Salinität | Komplexe Elektronik |
| Hohe Langzeitstabilität, zeitl. Auflösung, Reproduzeirbarkeit | Sorgfältige Installation erforderlich |
Messprinzip:
Sensoren der Frequenzbereichsreflektometrie nutzen eine Sonde, die im Boden wie ein Kondensator wirkt, wobei der Boden das Dielektrikum bildet. Mit steigender Bodenfeuchte erhöht sich die Dielektrizitätskonstante und damit die Kapazität der Sonde. Dadurch verändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, deren Messung zur Bestimmung des Bodenwassergehalts verwendet wird [1].
| Vorteile: | Nachteile: |
| Kostengünstiger als TDR | Empfindlicher gegenüber Salzgehalten |
| Gut in Sensornetzwerke integrierbar | Kalibrierung stark bodentypabhängig |
| Für das Bewässerungsmanagement geeignet | Temperatureinfluss verfälscht Messung |
Messprinzip:
Ähnlich wie TDR wird bei diesem Verfahren das Signal durch eine Leitung gesendet. Die Umgebung der Leitung verändert die Laufzeit des Signals, wobei auch hier wieder der Bodenwassergehalt einen großen Einfluss hat [1].
| Vorteile: | Nachteile: |
| Gute Balance zwischen Genauigkeit und Kosten | Kalibrierungsabhängig |
| Kompakter Aufbau | Begrenzte Messvolumina |
Messprinzip:
Breitbandige Mikrowellensignale werden zwischen Antennen im Boden übertragen; daraus wird die Bodenfeuchte bestimmt [1].
| Vorteile: | Nachteile: |
| Geringe Beeinflussung durch Textur des Bodens | Noch wenig verbreitet |
| Weniger anfällig für die elektrische Leitfähigkeit des Bodens | Sonden groß und schwer zu installieren in harten Boden |
| Hoher Stromverbrauch |
Messprinzip:
Die Transmissionsleitungsoszillator-Technik (TLO) misst Bodenfeuchte, indem eine elektromagnetische Welle durch den Boden gesendet wird und ihre Reflexion analysiert wird, die von der Dielektrizitätskonstante des Bodens abhängt. Die Bodenfeuchte wird aus der Laufzeit der reflektierten Welle oder der Schwingungsfrequenz bestimmt, die umgekehrt proportional zur Dielektrizitätskonstante des Bodens ist [1] [7].
| Vorteile: | Nachteile: |
| Robuste und vergleichsweise kostengünstige Technik | Salzgehalt beeinflusst Genaugikeit |
| Gut für tonige und humose Böden geeignet | Kalibrierungsbedarf |
Bei der Amplitudenbereichsreflektometrie wird ein elektromagnetisches Signal entlang einer in den Boden eingeführten Sonde gesendet, wobei ein Teil des Signals abhängig von der Dielektrizitätskonstante des Bodens reflektiert wird. Da die Dielektrizitätskonstante mit zunehmender Bodenfeuchte steigt, verändert sich die Amplitude des reflektierten Signals. Aus der Stärke dieser Signaldämpfung lässt sich der volumetrische Wassergehalt des Bodens bestimmen [1].
| Vorteile: | Nachteile: |
| Einfach und kostengünstig | Einfluss durch Bodenart, Salzgehalt und Temperatur |
| Kompakt und Robust | Kalibrierungsbedarf |
| Geringer Energiebedarf |
Messprinzip:
Der SWR-Bodenfeuchtesensor nutzt das Prinzip, dass sich das Stehwellenverhältnis in einer Übertragungsleitung ändert, wenn sich die Dielektrizitätskonstante des Bodens – und damit seine Feuchte – verändert. Ein von einer Signalquelle erzeugtes Hochfrequenzsignal wird über ein Koaxialkabel zur Sonde im Boden gesendet, wo ein Teil des Signals aufgrund einer Impedanzfehlanpassung reflektiert wird. Durch die Überlagerung von einfallendem und reflektiertem Signal entsteht eine stehende Welle, deren Eigenschaften zur Bestimmung der Bodenfeuchte genutzt werden [1].
| Vorteile: | Nachteile: |
| Energieeffizient | Kalibrierungsabhängig |
| Geeignet für drahtlose Sensornetzwerke | Begrenzte Standardisierung |
Messprinzip:
Messung der elektrischen Kapazität zwischen Elektroden im Boden. Die Kapazität steigt mit zunehmender Bodenfeuchte [1] [7].
Charakteristik:
Häufig in Low-Cost-Sensorik
Weit verbreitet im Precision Farming
| Vorteile: | Nachteile: |
| Günstig | Starke Textur- und Salzabhängigkeit |
| Robust | Standort-spezifische Kalibrierung erforderlich |
| Hohe zeitliche Auflösung |
Definition:
Nicht-invasive Verfahren erfassen Bodenfeuchte ohne direkten Sensoreinbau. Sie beruhen meist auf bildgebender oder elektromagnetischer Fernerkundung sowie auf geophysikalischen Verfahren, welche durch eine Messeinheit an einem Fahrzeug/Flugzeug/Drohne/Satellit, womit die Fläche überfahren/überflogen wird [1] [8] [9].
Typische Verfahren:
| Vorteile: | Nachteile: |
| Hohe räumliche Abdeckung | Hohe Kosten |
| Integration in digitale Agrarsysteme | Komplexe Signalinterpretation |
| Keine Bodenstörung | Begrenzte Tiefenauflösung |
| Hohe Flächenleistung | Erfassung erfordert Befahrung/Befliegung der Fläche |
Bewässerungsentscheidung im Kartoffelbau mit Bodensensor
Manuella Pimenta, Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinhessen-Nahe-Hunsrück
Rose Weisbrodt, Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinhessen-Nahe-Hunsrück
M. Sc. Bastian Brandenburg, Doktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter FuE-Zentrum FH Kiel GmbH