Optical Spectrometry to Determine Nutrient Concentrations and other Physicochemical Parameters in Liquid Organic Manures: A Review

Nutrient concentrations in livestock manures and biogas digestates show a huge variability due to disparities in animal husbandry systems concerning animal species, feed composition, etc. Therefore, a nutrient estimation based on recommendation tables is not reliable when the exact chemical composition is needed. The alternative, to analyse representative fertilizer samples in a standard laboratory, is too time-and cost-intensive to be an accepted routine method for farmers. However, precise knowledge about the actual nutrient concentrations in liquid organic fertilizers is a prerequisite to ensure optimal nutrient supply for growing crops and on the other hand to avoid environmental problems caused by overfertilization. Therefore, spectrometric methods receive increasing attention as fast and low-cost alternatives. This review summarizes the present state of research based on optical spectrometry used at laboratory and field scale for predicting several parameters of liquid organic manures. It emphasizes three categories: (1) physicochemical parameters, e.g., dry matter, pH, and electrical conductivity; (2) main plant nutrients, i.e., total nitrogen, ammonium nitrogen, phosphorus, potassium, magnesium, calcium, and sulfur; and (3) micronutrients, i.e., manganese, iron, copper, and zinc. Furthermore, the commonly used sample preparation techniques, spectrometer types, measuring modes, and chemometric methods are presented. The primarily promising scientific results of the last 30 years contributed to the fact that near-infrared spectrometry (NIRS) was established in commercial laboratories as an alternative method to wet chemical standard methods. Furthermore, companies developed technical setups using NIRS for on-line applications of liquid organic manures. Thus, NIRS seems to have evolved to a competitive measurement procedure, although parts of this technique still need to be improved to ensure sufficient accuracy, especially in quality management

Determination of Nutrients in Liquid Manures and Biogas Digestates by Portable Energy-Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometry

Knowing the exact nutrient composition of organic fertilizers is a prerequisite for their appropriate application to improve yield and to avoid environmental pollution by over-fertilization. Traditional standard chemical analysis is cost and time-consuming and thus it is unsuitable for a rapid analysis before manure application. As a possible alternative, a handheld X-ray fluorescence (XRF) spectrometer was tested to enable a fast, simultaneous, and on-site analysis of several elements. A set of 62 liquid pig and cattle manures as well as biogas digestates were collected, intensively homogenized and analysed for the macro plant nutrients phosphorus, potassium, magnesium, calcium, and sulphur as well as the micro nutrients manganese, iron, copper, and zinc using the standard lab procedure. The effect of four different sample preparation steps (original, dried, filtered, and dried filter residues) on XRF measurement accuracy was examined. Therefore, XRF results were correlated with values of the reference analysis. The best R2s for each element ranged from 0.64 to 0.92. Comparing the four preparation steps, XRF results for dried samples showed good correlations (0.64 and 0.86) for all elements. XRF measurements using dried filter residues showed also good correlations with R2s between 0.65 and 0.91 except for P, Mg, and Ca. In contrast, correlation analysis for liquid samples (original and filtered) resulted in lower R2s from 0.02 to 0.68, except for K (0.83 and 0.87, respectively). Based on these results, it can be concluded that handheld XRF is a promising measuring system for element analysis in manures and digestates

Einsatz des VERIS MSP Systems zur Online-Erfassung der räumlichen Variabilität der pH-Werte in Ackerböden

Über die kleinräumige Differenzierung der pH-Werte im Boden liegen zurzeit wegen der aufwendigen Entnahme im Feld und der kostspieligen Analyse der Proben im Labor nur wenig belastbare Informationen vor. Daher können pH Unterschiede in der Fläche nur unzureichend bei Düngungsmaßnahmen (insbesondere bei der Kalkung) oder ackerbaulich sinnvollen Anpassungen (z.B. zur Optimierung von Leguminosen-Beständen) berücksichtigt werden. Für die Online-Messungen ist das VERIS-MSP-Gerät zur Erfassung der räumlichen Variabilität von Bodenmerkmalen der Firma VERIS (Salina, Ks, USA) nach entsprechenden Adaptionen an die vorhandene Schlepperausstattung eingesetzt worden. Auf drei Ackerflächen der landwirtschaftlichen Versuchsbetriebe der Fachhochschule Osnabrück wurden Messfahrten durchgeführt zur Überprüfung der technischen Performance und zur Genauigkeit bei Mehrfachüberfahrten. Nach entsprechenden Schritten zur Feinjustierung arbeitet das VERIS-MSP unter Praxisbedingungen technisch fehlerlos. Die Messung des pH-Wertes erfolgt über zwei parallel angeordnete Glas-Elektroden. Diese standardmäßig installierten Elektroden erwiesen sich allerdings als nicht robust genug und wurden durch Antimon-Elektroden ersetzt. Die Anzahl der pH-Messungen je ha kann über die Software gesteuerte Bodenprobenzuführung und die Fahrgeschwindigkeit in weiten Grenzen variiert werden. Bei Fahrgeschwindigkeiten zwischen 2 - 4 m pro Sekunde (das entspricht ca. 7 - 14 km/h), einem Abstand von 10 - 20 m zwischen den Messreihen und einer Dauer von 10 - 30 Sekunden für eine pH-Wert-Messung (variable einstellbar), ergibt sich eine variable Probenahmedichte von ca. 10 - 50 Messungen pro ha. Die so für drei Schläge ermittelten Boden-pH-Werte wurden mit Hilfe der Kriging-Methode interpoliert. Es zeigen sich räumlich abgrenzbare Teilflächen auf den untersuchten Schlägen, die für Managemententscheidungen Verwendung finden können. Die Online-Erfassung der pH-Werte mit dem VERIS-MSP hat sich unter Praxisbedingungen als geeignet erwiesen. In weitergehenden Untersuchungen ist die Richtigkeit der ermittelten pH-Werte durch Vergleichsuntersuchungen von georeferenzierten Bodenproben mittels Laboruntersuchung zu belegen

Online-Erfassung der räumlichen Variabilität von pH-Werten in Ackerböden mit der Sensorplattform Veris MSP als Grundlage einer teilflächenangepassten Kalkapplikation

Die Sensorplattform Veris MSP bietet eine praxistaugliche Möglichkeit zur intensiven Boden pH-Wert- und EC-Beprobung. Um die erhobenen Daten für die Kalkdüngepraxis verwendbar zu machen, sind diese durch Referenzprobennahmen zu kalibrieren. An der Hochschule Osnabrück wurde hierfür eine praxistaugliche Vorgehensweise erarbeitet, die die Einbindung der Veris MSP Daten für eine teilflächen¬spezifische Kalkapplikation ermöglicht. Im Rahmen eines einjährigen pflanzenbaulichen Versuches in Mais, konnte anschließend gezeigt werden, dass durch teilflächenspezifische Kalkapplikation die Kalkdüngungsmaßnahme optimiert werden kann. Somit werden Über- bzw. Unterver¬sorgung vermieden und eine gleichmä¬ßigere Erreichung der Versor¬gungsstufe C erzielt

Praktische Erfahrungen bei der Erfassung der räumlichen Variabilität von pH-Werten in Ackerböden durch das Online-Messverfahren Veris MSP

Der pH-Wert ist ein relevanter Parameter für die Ertragsfähigkeit, auf dessen räumliche Variation zu reagieren ist. Der hohe Bodenuntersuchungsaufwand verhindert dies oft in der Praxis. Die mobile Sensorplattform MSP der Firma Veris Technologies Inc. ermöglicht eine räumlich hoch aufgelöste pH-Kartierung. In diesem Artikel wird die Einsatzfähigkeit dieses Systems für den Ökolandbau unter Praxisbedingungen geprüft. Eine effiziente Erstellung von Boden-pH-Karten ist grundsätzlich möglich. Allerdings sind weitere Untersuchungen zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit der in Deutschland üblichen Methode notwendig und technische Modifikationen erforderlich, um einen störungsfreien Einsatz unter Praxisbedingungen sicherzustellen