Nieuws

Optische sensor TNO meet beschikbare nitraat in de bodem

Gepubliceerd op
25 maart 2019

Door mineralisatie van organische stof in de bodem komt stikstof vrij voor grasgroei. Voor een goede mineralenbenutting is het essentieel om hier rekening mee te houden. Bodemanalyses geven een inschatting van het stikstofleverend vermogen (NLV), maar dit is slechts een grove schatting. Gras wordt meerdere sneden achter elkaar bemest en het is zodoende gewenst om te weten hoeveel stikstof wanneer vrijkomt. Bodemvocht en temperatuur zijn belangrijke factoren.

In het project N-sensing (deelproject PPS DISAC) heeft TNO een nitraatsensor ontwikkeld en deze wordt in samenwerking met Wageningen Livestock Research getest. De eerste testresultaten lijken perspectief te bieden voor monitoring van de actuele mineralisatie van stikstof.

Nitraatsensor

Het meetsysteem bestaat uit een fiber-optische sensorprobe, die in de wortelzone wordt geplaatst en een meetunit die boven de grond staat (zie Figuur 1). Het sensorsysteem meet de nitraatconcentratie opgelost in bodemvocht door middel van lichtreflectie. Het kan over een langere periode met een hoge meetfrequentie data genereren. Voor een praktische interpretatie moet de gemeten concentratie vertaald worden naar een beschikbare hoeveelheid stikstof in kg per ha. De nitraathoeveelheid is nagenoeg gelijk aan de minerale stikstof in de bodem (N-min) aangezien de hoeveelheid ammonia over het algemeen laag is.

Figuur 1 Opstelling veldproef in Zegveld
Figuur 1 Opstelling veldproef in Zegveld

Meetprincipe

Figuur 2: Fiber-optische sensorprobe
Figuur 2: Fiber-optische sensorprobe

Op het uiteinde van de fiber-optische sensorprobe is een selectieve polymere coating aangebracht waarvan de fluorescentie-eigenschappen veranderen als functie van het nitraatgehalte. Afhankelijk van de samenstelling van de coating kunnen nitraatgehaltes van 0,1 tot 150 ppm worden gedetecteerd. De sensorprobe is met een fiber aan een bovengrondse meetunit verbonden. Met een in te stellen frequentie wordt een lichtpuls naar de sensorprobe gestuurd. Het licht dat de coating reflecteert gaat terug via de fiber en wordt uitgelezen. In Figuur 2 staat een afbeelding van de probe.

Alleen opgelost nitraat komt via het bodemvocht in contact met de coating, vergelijkbaar met de opname van nitraat door de plant. Als de omgeving van de sensor te droog wordt (vochtgehalte < 0,1 m3/m3 VWC) is de meting niet bruikbaar. Pas als het vochtgehalte weer hoog genoeg is, worden realistische data gegenereerd. Voordeel is dat na een periode van droogte de sensor operationeel blijft, dit in tegenstelling tot ionselectieve elektroden voor nitraat.

Veldtest

De optische nitraatsensor is in 2018 getest op een maaiproef op het melkveeproefbedrijf KTC Zegveld (veengrond). De doelstelling was om praktijkervaring op te doen met een eerste demonstrator van de optische nitraatsensor voor trendmonitoring van nitraat in het wortelmilieu van grasland. De energievoorziening werd verzorgd door een accu, gevoed door een zonnepaneel. De meetprobe met de nitraatgevoelige coating bevond zich circa 15 cm onder het maaiveld.

Elk half uur werd kort gemeten, waarna de meetdata lokaal werd opgeslagen. Eens per dag werd automatisch sms gestuurd om de actuele meetdata en accuspanning op te halen.

Er is in drie periodes gemeten:

  • 25 juni t/m 10 juli (16 dagen) – zeer droge periode, geen neerslag gemeten door KNMI
  • 9 aug t/m 2 september (25 dagen) – vervolg met aanpassingen in de energievoorziening
  • 19 sept t/m 31 okt (43 dagen) – vervolg met verse coating

Resultaten

In de eerste proefperiode werd door de extreme droogte geen nitraat gemeten en dit was conform de verwachting. De dataset uit deze periode was wel bruikbaar voor het ontwikkelen van een temperatuurcorrectie voor de data. Deze is toegepast op data uit de volgende twee perioden, maar moet nog verder verbeterd worden. Daarnaast moet ook nog een correctie voor chloride plaatsvinden. De daggemiddelde meetwaarden zijn gekalibreerd aan de hand van laboratoriumbepalingen. De resultaten van de drie perioden staan in de onderstaande figuren. (Klik op de figuren voor vergroting)

Daggemiddelde waarden met bodemvochtgehaltes uit proefperiode 1.
Daggemiddelde waarden met bodemvochtgehaltes uit proefperiode 1.
 Daggemiddelde waarden met bodemvochtgehaltes uit proefperiode 2.
Daggemiddelde waarden met bodemvochtgehaltes uit proefperiode 2.
 Daggemiddelde waarden met bodemvochtgehaltes uit proefperiode 3.
Daggemiddelde waarden met bodemvochtgehaltes uit proefperiode 3.

De kalibratie is op dit moment nog vrij eenvoudig, vooral omdat er geen referentiewaarden voor nitraat beschikbaar waren bij deze veldproef. Door het ontbreken van een beschermende coating, was er mogelijk invloed van humuszuren. Ook de correctie voor chloride was hier nog niet geïmplementeerd. Hierdoor is nog onzekerheid over de absolute waarde. Vandaar dat de nitraatgehaltes nog in arbitraire eenheden (au) zijn weergegeven als mate van lichtopbrengst. Vanwege de nog vrij eenvoudige kalibratie en de correcties die nog beter uitgevoerd moeten worden, overschatten de meetwaarden waarschijnlijk de werkelijkheid. Echter, het geeft wel duidelijk de trend in de drie proefperiodes weer. Als het vochtgehalte laag is wordt geen nitraat gemeten (PP1), en als het vochtgehalte toeneemt wordt initieel een toename van het nitraatgehalte gezien, gevolgd door een afname als gevolg van opname door de plant (PP2, PP3).

Met name in de data van de tweede proefperiode is goed te zien dat al na een aantal dagen na de eerste regenbuien het nitraatgehalte toeneemt door N-mineralisatie in de bodem, gevolgd door een afname vanwege de stikstofopname door gras.

Conclusies en aanbevelingen

De optische nitraatsensor lijkt de actuele mineralisatie van stikstof in wortelmilieu van gras te kunnen monitoren. De daggemiddelde waarden geven een goed beeld van de plant-beschikbare hoeveelheid nitraat en zijn mogelijk van waarde voor verfijning van het stikstofbemestingsadvies en het schatten van het N-gehalte in gras.

Projectorganisatie

Het project N-sensing grasland maakt deel uit van het Publiek-Private Samenwerkingsproject (PPS) ‘Data Intensive Smart Agrifood Chains’ (DISAC). Hierbij zijn acht bedrijven en consortia betrokken uit de agrifood sector en HTSM sector, waaronder ZuivelNL en drie kennisinstellingen (Wageningen Research, TNO en NLR). Het voorziet in het ontwikkelen en testen van sensoren die een schatting geven van stikstof in de bodem en het gewas.