Albrecht-Thaer-Archiv: Band 11, Heft 12 [Reprint 2022 ed.] 9783112657324

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DEUTSCHE DEMOKRATISCHE REPUBLIK DEUTSCHE AKADEMIE DER LANDWIRTSCHAFTSWISSENSCHAFTEN ZU BERLIN

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1102

KOITZSCH, Erwärmung von dünnen zylindrischen Meßkörpern im Erdboden

Summary Title of the paper: Determination of heat conductivity and water content in the soil by heating thin cylindrical soil-buried measuring devices Heat conductivity of a given soil may be derived from temperature changes occurring in a thin heated cylindrical measuring device. Distinction should be made between temperature rise measurement in dependence on time and temperature measurement in the measuring device according to a predetermined time of heating. In the former case, highly accurate temperature measurements would be required, with the heat conductivity being determinable with no specific calibration of the instrument. In the latter case, however, calibration curves are needed. Smaller measuring effort required in the latter case would be spoiled by considerable disadvantages being discussed in this paper, i.e. effects of a heat transmission resistance as well as of heat capacity of both soil and measuring device on the accuracy of heat conductivity determination. These thermic methods need calibration for indirect soil moisture measurement. An empirical relation is established between heat conductivity, soil density, and soil water content, and calibration curves for soil moisture determination are derived from the measuring device temperature achieved after a certain predetermined time of heating. The effects of both heat transmission resistance and soil density on the achievable accuracy are discussed by means of these calibration curves. Literatur ALBRECHT, P.: Ein Meßgerät zur Messung des Wärmeumsatzes im Erdboden. Meteorol. Z. 49 (1932), S. 294-299 ALBRECHT, F.: Die Weiterentwicklung der Meßtechnik des Wassergehaltes des Bodens auf thermischer Grundlage. Arch. Meteorol., Geophys. u. Bioklimatolog., Serie B, 1 (1949), S. 149-155 BLACKWELL, J . H.: A transient-flow method for determination of thermal constants of insulating material in bulk. J . Appl. Phys. 25 (1954), S. 137-144 BRACHT, J . : Über die Wärmeleitfähigkeit des Erdbodens, des Schnees und den Wärmeumsatz im Erdboden. Veröff. Geophys. Inst. Leipzig 14 (1949), S. 145—225 DE VRIES, D. A.: Some remarks on heat transfer by vapour movement in soils. Trans. 4th Internat. Congr. Soil Sei. Bd. 2, 1950, S. 3 8 - 4 1 DE VRIES, D. A.: Het warmtegeleidingsvermogen van grond. Med. Landbouwhogeschool, Wageningen, 52 (1952), S. 1 - 7 3 GLOBUS, A. M.: Mechanismen der Feuchtewanderung im Boden und Untergrund sowie der Wasserbewegung in gefrorenen Böden unter der Wirkung von Temperaturgradienten. Poövovedenie 1962, H. 2, S. 7 - 1 8 HIGASHI, A.: On the thermal conductivity of soil, with special reference to that of frozen soil. Trans. Amer. Geophys. Union 34, (1953), S. 737—748 JACKSON, R. D.; KIRKHAM, D.: Method of measurement of the real thermal diffusivity of moist soil. Soil Sei. Soc. Amer. Proc. 22 (1958), S. 479-482 JAEGER, J . C.: Conduction of heat in an infinite region bounded internally by a circular cylinder of a perfect conductor. Austr. J . Phys. 9 (1956), S. 167—179 KAGANOW, M. A.: Ein Gerät zur Bestimmung der Wärmekonstanten der Böden in natürlichem Zustand. Sbornik trudov po agronomiöeskoi fizike 5 (1952), S. 90—96 KERSTEN, M. S.: Thermal properties of soils. Bull. Univ. Minesota 21 (1949) 52 S. KOITZSCH, R.: Versuche zur Bestimmung des Wassergehaltes des Erdbodens auf thermischer Grundlage. Abh. Meteorol. u. Hydrol. Dienst DDR 8 (1960), Nr. 54, 80 S.

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Forschungsinstitut für Agrarmeteorologie Halle des Meteorologischen Dienstes der D D R — Agrarmeteorologische Forschungsstation Müncheberg — 1278 Müncheberg, Wilhelm-Pieck-Straße 72

1105 Aus dem Forschungsinstitut für Agrarmeteorologie Halle beim Meteorologischen Dienst der Deutschen Demokratischen Republik ULRICH WENDLING

Bemerkungen zur Eichung von Neutronensonden 1 Eingegangen: 30. 5.1967

Zur Messung der Bodenfeuchte wurde eine große Zahl von Verfahren entwickelt; keines von ihnen kann jedoch als völlig befriedigend bezeichnet werden. Als modernstes und aussichtsreichstes Verfahren gilt gegenwärtig die Bodenfeuchtemessung mit ionisierenden Strahlen. In den letzten 15 Jahren wurden eine Reihe von Bodenfeuchtemeßgeräten entwickelt und erprobt, die mit Gamma- bzw. Neutronenstrahlung arbeiten ( B E L C H E R U. a., 1 9 5 0 ; G A R D N E R und K I R K H A M , 1952;

DANILIN,

1955;

UNGER,

1961,

1963;

DIEZ,

1963;

BOECKSTEGEN,

1963;

H E S S E u n d NOACK, 1 9 6 6 ; u. a.).

Seit 1965 ist auch in der DDR ein mit Neutronenstrahlung arbeitendes Bodenfeuchtemeßgerät im Handel. Es wird vom VEB Vakutronik W I B Dresden produziert und trägt die Bezeichnung „Feuchtemeßeinrichtung VA-N-10". Diese Feuchtemeßeinrichtung wurde nicht speziell zur Bodenfeuchtemessung entwickelt, sondern sollte als möglichst vielseitiges Gerät auch zur Feuchtemessung in Schüttgütern im Bergbau, in der Bauindustrie, in Dünger- und Getreidespeichern usw. Verwendung finden. Die vom Hersteller angestrebte vielseitige Verwendbarkeit der zur Feuchtemeßeinrichtung gehörenden Meßgeräte erschwert den Feldeinsatz bei der Bodenfeuchtemessung. Es mußten einige Hilfsmittel entwickelt werden, damit das Gerät im Feldeinsatz von einer Person bedient werden kann. Die Genauigkeit der vom Hersteller aufgenommenen Eichkurven der Neutronensonde reicht zur Bestimmung des Wassergehaltes des Bodens nicht aus. Daher waren Untersuchungen zur Aufnahme möglichst genauer Eichkurven und deren regelmäßige Kontrolle nötig. Über diese Vorarbeiten zum praktischen Einsatz der Neutronensonde soll nachfolgend berichtet werden. 1.

Physikalische Grundlagen

Bei der Neutronenmethode erfolgt die Messung des Bodenwassergehaltes über Wechselwirkungsprozesse zwischen schnellen Neutronen und Wasserstoff-Atomen. Durchdringen schnelle Neutronen mit Energien von einigen MeV Materie, so stoßen sie mit Atomkernen zusammen und verlieren dabei durch den Vorgang der elastischen Streuung an Energie. Die Abbremsung der Neutronen ist dabei abhängig von der Masse der getroffenen Kerne. Am größten ist die Abbremsung beim Zusammenstoßen eines Neutrons mit dem Kern eines Wasserstoffatoms, da deren Massen etwa gleich groß sind. Die Abbremsung der Neutronen ist beendet, wenn sie sich auf dem Energieniveau befinden, das die Atome der durchstrahlten Materie entsprechend ihrer augenblicklichen Temperatur haben (bei 20 °C, 0,025 eV). Man spricht dann von thermischen Neutronen. Sie verhalten sich im Boden wie ein verdünntes Gas. 1

Vortrag anläßlich des Kolloquiums zu Problemen der Versuchs- und Untersuchungsmethodik in Bodenbearbeitungsversuchen am 8. 3.1907 im Institut für Acker- und Pflanzenbau Müncheberg der DAL zu Berlin

77

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1106

Wendlign, Bemerkungen zur Eichung von Neutronensonden Kernphysikalische Konstanten für die Neutronenbremsung

(nach Gakdner u. Kirkham, 1952, und Yemeijanow, 1962) Atom

Massezahl des Atoms

Wirkungsquerschnitt £. schnelle Neutronen

Bremsvermögen

Zur Abbremsung nötige Zusammenstoße

H C O AI Si

1 12 16 27 28

2,6 1.6 , 1,5 2,5 3,2

1,0 0,16 0,12 0,07 0,07

19 122 150 254 268

Die Abbremsung der Neutronen an den verschiedenen im Boden vorkommenden Elementen ist sehr unterschiedlich (s. Tab.). Um ein Neutron vollständig abzubremsen, sind mit Sauerstoff 8mal und mit Silizium 14mal mehr Zusammenstöße nötig als mit Wasserstoff. Daraus folgt, daß die Konzentration der thermischen Neutronen in unmittelbarer Nähe der Strahlenquelle in erster Linie von dem Wasserstoffgehalt des von den Neutronen durchlaufenen Bodenvolumens abhängt. Ein geringer Einfluß der übrigen im Boden vorkommenden Elemente ist jedoch vorhanden. Der Wasserstoffgehalt im Boden läßt sich daher bestimmen, wenn man in den Boden eine Quelle schneller Neutronen (z. B. Plutonium — Beryllium) einführt und in ihrer unmittelbaren Nähe mit einem speziellen Zählrohr die Konzentration der thermischen Neutronen mißt. Die Messung erfolgt über ein Zählgerät in Impulsen pro Zeiteinheit (sogenannte Impulsrate). Der Aufbau der gesamten Meßanlage ist aus den Abbildungen 1 und 2 zu ersehen.

Abb. 1: Feuchtemeßeinrichtung VA-N-10, schematische Darstellung I — Tragbarer Zähler VA-G-60, 2 — Universelles Strahlungsmeßgerät VA-D-30, 3 — Sondenkabel, 4 — Abschirmbehälter mit Parafflnfüllung, 5 — Bleiabschirmung für Gamma-Quelle, 6 — Meßrohr, 7 — Neutronensonde (Feuchte-Dichte-Meßsonde VA-H-295), 8 — BF 3 -Zählrohr für thermische Neutronen, 9 — Hologen-Zählrohr für Gamma-Strahlung, 10 — Neutronenquelle ( P u - B e ) , I I - Gamma-Quelle (Cs-137)

Abb. 2: Neutronensonde im Feldemsatz

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1107

I m Boden ist Wasserstoff in folgenden Stoffen enthalten: 1. in der Bodenfeuchte als der zu einem gegebenen Zeitpunkt in einer bestimmten Schicht des Bodens enthaltenen gesamten Wassermenge, die durch Trocknung bei 105 °C aus dem Boden verdampfen würde, 2. in dem Wasser, was erst bei mehr als 105 °C aus dem Boden verdampfen würde (z. B. Kristallwasser der Tonmineralien), u n d 3. in weiteren wasserstoffhaltigen Bodenbestandteilen (z. B. Humus). Die nach obiger Definition nicht zur Bodenfeuchte gehörenden Wasserstoffatome in Humus, Kristallwasser usw. sowie alle übrigen Bodenbestandteile bilden f ü r die Neutronen einen Bremsuntergrund. E r k a n n an einem Standort über eine gewisse Zeit als K o n s t a n t e angesehen werden. Unter dieser Voraussetzung ist die mit der Neutronensonde gemessene Impulsrate ein Maß f ü r die Bodenfeuchte in Volumenprozent, wenn das Raumgewicht des trockenen Bodens b e k a n n t ist. Nach ScmraiCHT (1964) ist der Zusammenhang zwischen der Bodenfeuchte in Volumenprozent u n d der Impulsrate einer Neutronensonde nicht theoretisch zu bestimmen. E r wird außer vom Bremsuntergrund des Bodens u n d seinem Trockenraumgewicht von den Eigenschaften des Meßgerätes (Aktivität der Quelle, Empfindlichkeit des Zählrohres, Anordnung Quelle—Zählrohr usw.) bestimmt. Außerdem wirken sich Material u n d Wandstärke der verwendeten Meßrohre u n d in den oberen Dezimetern des Bodens der Abstand der Neutronenquelle von der Bodenoberfläche stark aus. Der Einfluß des Raumgewichtes des Bodens auf die Impulsrate (MARAIS u n d SMIT, 1962; U N G E R u n d CLAUS, 1964) war der Anlaß dafür, die Feuchtemeßeinrichtung VA-N-10 mit einer kombinierten Feuchte-Dichte-Meßsonde auszurüsten. Die Dichtemessung erfolgt durch Gamma-Rückstreuung. Dazu ist in die Sonde eine Gamma-Quelle u n d ein Halogenzählrohr eingebaut (s. Abb. 1.)

2.

Eich verfahren der Neutronensonde

Wegen der Vielzahl der oben angeführten Einflußfaktoren ist die Bestimmung der Bodenfeuchte aus der Impulsrate nur über die Aufnahme von Eichkurven möglich. Von vielen Autoren wird die Eichung der Neutronensonde in zylinderförmigen Behältern empfohlen. Der Durchmesser der Behälter muß mindestens so groß sein wie der unten angegebene Einflußbereich der Neutronenstrahlung, d. h. mindestens 60 cm für Eichungen bei Bodenfeuchten über 10 Vol. %. In der Mitte des Behälters befindet sich eines der Meßrohre, die dann bei den Messungen im Boden Verwendung finden sollen. In den Behälter wird ein bestimmter Boden nacheinander mit verschiedenen Feuchtegehalten und Raumgewichten eingestampft. Sodann wird mit der Neutronensonde in der Mitte des Behälters die Impulsrate bestimmt. Außerdem kann bei jeder Füllung der Zusammenhang zwischen Feuchtraumgewicht des Bodens und Impulsrate des zusätzlich eingebauten Dichtemeßteils der Sonde bestimmt werden. Nach UNGER (1965) sind zur eindeutigen Festlegung einer Eichkurve 30 bis 50 solcher Messungen nötig. Abbildung 3 zeigt das Ergebnis einer Eichung im Behälter. Aus den dargestellten Eichpunkten wurde durch Ausgleichsrechnung als Gleichung für die Zuordnung Impulsrate — Bodenfeuchte in dem vorgegebenen Boden ermittelt: F =

77*

1,5+

106,9

QF

- 9,8 Q(t ± 0,8 (Vol. %)

1108

Wendiino, Bemerkungen

zur Eichung von Neutronensonden

(F = Bodenfeuchte in Vol.%, Qe = relative Impulsrate, bezogen auf einen Kontrollwert, q tr = Trockenraumgewicht in g/cm 3 ). Die Genauigkeit der ermittelten Zuordnung ( ± 0 , 8 Vol.%) ergibt sich aus der „Varianz um die Regression". Sie lag bei allen berechneten Zuordnungsgleichungen unter 1 Vol. %.

Abb. 3 : Relative Impulsrate (Impulse/Kontrollwert) einer Neutronensonde in Abhängigkeit von Feuchtigkeit und Trockenraumgewicht des Bodens (als Scharparameter)

8

Zahlen an den Punkten: Trockenraumgewicht in gcm _ a W.%

30

In einem genügend großen Behälter läßt sich also die Eichkurve einer Neutronensonde mit einem Fehler von weniger als 1 Vol.% aufnehmen. Das Verfahren ist jedoch sehr kraft- und zeitaufwendig. Zur Aufnahme einer Eichkurve werden 2—3 Arbeitswochen benötigt. Von COHEN (1964) u. a. wird vorgeschlagen, die Eichung der Neutronensonde am natürlichen Standort vorzunehmen. Dabei werden die mit der Sonde bestimmten Impulsraten den durch Probeentnahme in der Umgebung des Meßrohres bestimmten Bodenfeuchten zugeordnet. Diese Zuordnung ist jedoch nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich, da mit Bohrern nur stichprobenartig kleine Proben von 10—100 cm 3 Volumen entnommen werden können. Mit der Neutronensonde wird dagegen die mittlere Bodenfeuchte eines kugelförmigen Bodenvolumens erfaßt, dessen Radius von der Reichweite der Neutronen und damit von der Bodenfeuchte selbst abhängt. Der Radius R des Einflußvolumens ist nach VAN BAVEL U. a. (1956) gegeben durch

wobei F die Bodenfeuchte in Vol.% bedeutet. Bei 10 Vol.% Bodenfeuchte beträgt das Einflußvolumen 136 dm 3 , bei 20 Vol.% 73 dm 3 , die entsprechenden Radien der Einflußvolumina sind 32 cm und 26 cm. Die Sondenmessung ergibt dabei nicht das arithmetische Mittel der Bodenfeuchte in den angegebenen Volumina. Da der Neutronenfluß mit dem Abstand von der Quelle quadratisch abnimmt, geht die Feuchte am Rande des Einflußvolumens nur mit sehr geringem Gewicht ein. Den größten Beitrag zum Meßergebnis liefert die Feuchte in einer Bodenkugel, deren Durchmesser durch die Länge des Zählrohres (17 cm) gegeben ist.

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Die Schwierigkeit einer genauen räumlichen Zuordnung der gemessenen Werte ist ein wesentlicher Nachteil der Neutronenmethode. Er führt dazu, daß die Meßwerte nicht exakt mit Bodenfeuchtewerten verglichen werden können, die mit der Bohrstockmethode gewonnen worden sind. Hinzu kommt, daß bei diesen Vergleichsmessungen die Probeentnahme in mindestens 50 cm Entfernung von dem Meßrohr der Sonde erfolgen muß. Auch bei mehreren Parallelmessungen kann infolge der uneinheitlichen Struktur des Bodens die durch Probeentnahme bestimmte Bodenfeuchte noch um mehrere Volumenprozent von der Feuchte abweichen, die in dem von der Sonde erfaßten Bodenvolumen herrscht. Die Genauigkeit der Feldeichmethode wurde an ca. 300 Vergleichsmessungen der Bodenieuchte mit dem Bohrstock und der Neutronensonde in natürlich gelagertem Boden (60—70 cm Löß über Sand) überprüft. Dabei lag für die Neutronensonde eine mit dem gleichen Boden im Behälter aufgenommene Eichkurve vor. Die Probeentnahme zur gravimetrischen Bodenfeuchtebestimmung erfolgte mit 4 Wiederholungen in 5-cm-Schichten bei 1 m Abstand von dem Meßrohr für die Neutronensonde. Den mit der Sonde gemessenen Bodenfeuchten wurden die gravimetrisch ermittelten Werte aus 20 cm mächtigen Schichten zugeordnet, die sich also aus 16 Einzelmessungen ergaben. Die Differenz zwischen den nach beiden Methoden bestimmten Bodenfeuchten hatte eine Streuung von 2,4 Vol. %. Das ist etwas weniger als die Streuung der 4 Wiederholungsmessungen mit der Bohrstockmethode, die im Mittel 2,5 Vol.%, in einigen Tiefen bis 3,5 Vol.% ergab. Danach muß angenommen werden, daß ein Vergleich mit der Bohrstockmethode nicht für Aussagen über die Genauigkeit der mit der Neutronenmethode bestimmten Bodenfeuchten geeignet ist. Die beobachteten Unterschiede dürften in erster Linie auf die Ungenauigkeit der Bohrstockmethode zurückzuführen sein. Demzufolge zeigt auch der zeitliche Gang der gravimetrisch bestimmten Bodenfeuchten stärkere, durch Niederschlag bzw. Verdunstung nicht zu belegende Schwankungen, die bei den mit der Neutronensonde an einem festen Standort aufgenommenen Meßreihen fehlen. Auch aus der beim Einbohren des Meßrohres entnommenen Bodensäule lassen sich keine befriedigenden Eichwerte gewinnen (s. auch U N G E R , 1965). Die Festlegung von Eichkurven ist aus Messungen im natürlichen Boden nur dann möglich, wenn eine sehr große Zahl von Bohrstockmessungen vorhegt, so daß sich die Fehler der Einzelmessungen weitgehend ausgleichen. Die Eichkurven sind dann für ein mittleres Raumgewicht der Bodenprofile gültig, die Dichtekorrektur läßt sich nicht bestimmen. Zur regelmäßigen Kontrolle der mit der Neutronensonde gemessenen Bodenfeuchten ist die Bohrstockmethode jedoch ungeeignet. Zur Verbesserung und Vereinfachung des Eichverfahrens der Neutronensonden wurde von U N G E R (1965) die Verwendung eines kleinen Eichbehälters vorgeschlagen, der nur 1,3 dm 3 Boden faßt. Die Eichung erfolgt auch hier wie oben beschrieben, indem Boden nacheinander mit verschiedenen Feuchtegehalten und Raumgewichten in den kleinen Behälter eingefüllt wird. Der Behälter ist von einem starkwandigen Eisenbehälter umgeben, der die Reflexion von thermischen Neutronen zum Zählrohr erhöht (Abb. 4). Trotzdem ergeben sich infolge des kleinen

Ilio

WENDLING, B e m e r k u n g e n zur E i c h u n g von Neutronensonden

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b)

c)

A b b . 4 : B e h ä l t e r zur Aufnahme der Abhängigkeit Impulsrate — Badenteuchte einer Xeutronensonde im S c h n i t t a) kleiner E i c h b e h ä l t e r n a c h UNGER b ) kleiner Eichbehälter, verbesserte F o r m c) T e s t b e h ä l t e r für Nacheichungen 1 — E i s e n m a n t e l zur Neutronenreflexion, 2 — B o d e n , 3 — Führungsrohr für die Xeutronensonde, 4 — R o h r e für Paraffinstäbe, 5 — Zwischenräume, m i t Paraffin ausgegossen

durchstrahlten Bodenvolumens nur 4—10% der im großen Behälter bzw. im natürlichen Boden bei gleichen FeuchteVerhältnissen gemessenen Impulsraten. Durch gleichzeitig im großen und kleinen Behälter durchgeführte Eichungen mit dem gleichen Boden und der gleichen Sonde läßt sich eine Beziehung zur Umrechnung der im kleinen Behälter gemessenen niedrigen Impulsrate auf die Verhältnisse im natürlichen Boden (oo-Geometrie) ermitteln. Eine Prüfung dieses Verfahrens mit einer Feuchtemeßeinrichtung VA-N-10 der Serienproduktion des V E B Vakutronik Dresden ergab jedoch eine sehr große Streuung bei der Berechnung dieser Umrechnungs-Beziehung, obwohl im kleinen Behälter jeweils 104 Impulse (Meßzeit etwa 1 h) erfaßt wurden. Die Ergebnisse zeigt Abbildung 5. Im unteren Teil der Punktwolke bei etwa 10 Vol. % Bodenfeuchte streuen die Punkte um mehr als i 5 Vol.%.

A b b . 5 u. 6 : Zusammenhang zwischen den relativen I m p u l s r a t e n der Neutronen im kleinen E i c h b e h ä l t e r und in der oo-Geometrie des natürlichen B o d e n s bei gleicher F e u c h t i g k e i t und gleichem R a u m g e w i c h t des B o d e n s (Abb. 5) kleiner E i c h b e h ä l t e r n a c h UNGER

( A b b . 6) kleiner E i c h b e h ä l t e r , verbesserte F o r m

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Für die Neutronensonden aus der Serienproduktion, die eine wesentlich geringere Neutronenausbeute haben als die von U N G E B verwendeten Spezialsonden, muß die Eichung mit einem Bodenvolumen von nur 1,3 dm 3 und der vorgeschlagenen Anordnung Sonde — Boden als zu ungenau bezeichnet werden. Es wurde daher das Volumen des Eichbehälters auf 3 dm 3 vergrößert, so daß die Sonde von einer 3 cm dicken Bodenschicht mantelförmig umgeben wird (Abb. 4). Bei dieser Anordnung beträgt die Impulsrate 12—24% der im natürlichen Boden gemessenen Werte (Abb. 6). Die Meßzeit kann dadurch auf 10 bis 20 min verkürzt werden. Die Streuung der Punkte beträgt etwa 1 Vol. % und entspricht damit der Genauigkeit bei der Eichung im großen Behälter. Außerdem können bei dieser Form des Eichbehälters gleichzeitig Eichkurven für den Dichtemeßteil der Sonde aufgenommen werden. Auch hier ist die im Eichbehälter gemessene Impulsrate geringer als bei gleichem Raumgewicht im natürlichen Boden. Die Umrechnungsbeziehung zwischen beiden Impulsraten läßt sich hier mit einer Genauigkeit von i 0,05 g/cm 3 bestimmen. Da das Raumgewicht nur zur Festlegung der Dichtekorrektur bei der Feuchtemessung benötigt wird, reicht diese Genauigkeit aus. Durch das entwickelte Eichverfahren vermindert sich der Aufwand an Arbeitskraft und -zeit beträchtlich. So sinkt im Vergleich zu einer Eichung im großen Behälter die zu bewegende Bodenmenge auf ein Hundertstel, die benötigte Arbeitszeit auf ein Zehntel. Die Beziehung zwischen der Impulsrate in dem kleinen Eichbehälter und der im natürlichen Boden läßt sich nur über die Aufnahme von einigen Eichkurven im großen Behälter annähernd genau bestimmen. In dem kleinen Behälter wird zu einer Eichung die Bodenmenge benötigt, die beim Einbohren von 3 Meßrohren aus einer Schicht von 40 cm Dicke anfällt. Dadurch wird die Möglichkeit gegeben, die Eichung in dem Boden durchzuführen, der an der Meßstelle in einer bestimmten Schicht vorliegt. Wie im folgenden gezeigt wird, unterscheiden sich die Eichkurven für verschiedene Böden, so daß an einer Meßstelle möglicherweise für 2—3 verschiedene, schichtförmig übereinanderlagernde Bodenarten Eichkurven aufgenommen werden müssen. Der große Einflußbereich der Neutronenstrahlung läßt es jedoch als nicht sinnvoll erscheinen, für Schichten von weniger als 40 cm Mächtigkeit getrennte Eichkurven aufzunehmen. 3. Ergebnisse der Eichungen Durch die unterschiedliche Zusammensetzung ist in jedem Boden ein anderer Bremsuntergrund für Neutronen vorhanden. Eine Neutronensonde hat daher in jedem Boden eine andere Eichkurve. In Abbildung 7 sind mit der gleichen Sonde unmittelbar hintereinander in verschiedenen Böden aufgenommene Eichkurven eingetragen. Bei gleicher Bodenfeuchte und gleichem Trockenraumgewicht (die Kurven gelten sämtlich für ein Trockenraumgewicht von 1,4 g/cm 3 ) ergibt sich in humusfreiem Sand die niedrigste und in lehmigem Sand die höchste Impulsrate. Die Differenz zwischen den beiden extrem liegenden Kurven beträgt 5 Vol.%. Der Anstieg der Kurven für lehmigen Sand, sandigen Lehm und Sand ist etwa gleich, während die Kurven für Löß und Schwarzerde etwas steiler verlau-

1112

WENDLING, Bemerkungen zur Eichung von Neutronensonden

Abb. 7 : Relative Impulsrate einer Neutronensonde in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte für verschiedene Böden bei konstantem Trockenraumgewicht von 1,4 g e r n - ' D(Vol.%/g cm"»)

J

I

I

L

lehmiger Sand sandiger L e h m

— 10,1 — 9,8

Löß Schwarzerde

—

6,4 5,6

Sand

-

5,9

fen. Die Unterschiede in den Richtungskoeffizienten sind mit P = 5% nur knapp gesichert. Mögliche Ursachen für diese Unterschiede sollen daher hier noch nicht diskutiert werden. Die Abhängigkeit der Neutronen-Impulsrate von dem Raumgewicht des Bodens ist durch die Dichtekorrektur D = ~dF¡dgtr angegeben. Dabei ist die durch eine Änderung des Trockenraumgewichts von 1 g/cm3 bedingte Änderung der Impulsrate in den entsprechenden Bodenfeuchtewert umgerechnet worden. Es ergibt sich dadurch eine von der verwendeten Sonde unabhängige Bodenkonstante. Sie ist negativ, da sich mit der Erhöhung des Raumgewichts in einem Boden auch die Konzentration der neutronenbremsenden Stoffe, die nicht in der Bodenfeuchte enthalten sind, erhöht und dadurch eine zu hohe Bodenfeuchte vorgetäuscht wird. Die Dichtekorrektur bei den in Abbildung 7 angeführten Böden hegt zwischen —5 und —10 Vol. %/g cm -3 . Eine Auswertung umfangreicher Eichungen mit Böden verschiedenen Humusgehalts und Sand-Torfmull-Mischungen, die am Institut für Bodenkunde Eberswalde von V E T T E B L E I N und Mitarbeitern durchgeführt und für diesen Bericht zur Verfügung gestellt worden sind, zeigt den Zusammenhang zwischen Dichtekorrektur und Humusgehalt (bestimmt als Glühverlust). Im unteren Teil der in Abbildung 8 dargestellten Kurve erhöht sich die Dichtekorrektur um 0,4 Vol. %, wenn der Glühverlust um 1 Gew.% ansteigt. Dieses Ergebnis stimmt mit der theoretischen Abschätzung der Dichtekorrektur gut überein, wenn angenommen wird, daß der Glühverlust aus Humus mit einem Wasserstoffgehalt von 4% bestand2. Danach ergibt sich eine Änderung der Dichtekorrektur von 0,36 Vol. % für 1% Glühverlust-Änderung (gestrichelte Kurve Abb. 8). Die berechnete Kurve !

N a c h KONONOVA schwankt der WasserstofFgehalt des Humus zwischen 3 und 5 % (zitiert in DL GLERIA U. a., 1962)

1113

Albrecht-Thaer-Archiv, 11. Band, Heft 1 2 , 1 9 0 7

Abb. 8 :

Dichtekorrektur

D

in

Abhängigkeit

vom Glühverlust des Bodens (nach Eichungen von VETTERLEIN und Mitarbeitern, Institut für Bodenkunde der D A L , Eberswalde). Gestrichelt: berechnete W e r t e (s. T e x t )

liegt niedriger als die gemessene, weil bei der Rechnung nur die Wirkung des Wasserstoffs auf die Neutronenbremsung berücksichtigt worden ist. Die Differenz zwischen beiden Kurven ist auf die Wirkung der Bodenbestandteile mit höherer Massezahl zurückzuführen. Die dargestellten Eichkurven gelten nur für die Tiefen, in denen keine Neutronen zur Erdoberfläche gelangen, d. h., je nach Bodenfeuchte ab 20—30 cm Tiefe. Mit Annäherung an die Erdoberfläche verringert sich bei gleichbleibender Bodenfeuchte die Impulsdichte. Für Messungen in diesen Schichten müssen gesonderte Eichkurven aufgenommen werden. Bei der Aufnahme der Eichkurven wurden Meßrohre aus PVC mit den Abmessungen 7 5 x 4 , 5 mm verwendet. Andere Meßrohre ergeben Veränderungen der Impulsraten (s. Abb. 9). So hat Aluminiumrohr auf die Neutronen keinen Einfluß, die Impulsraten sind genauso groß wie bei Messungen ohne jedes Rohr. PVC-Rohr vermindert die Zahl der zur Sonde zurückkehrenden thermischen

Abb. 9 : Einfluß des Meßrohr-Materials auf die Impulsrate bei der Feuchtemessung (a) und der Dichtemessung (b) ohne Kohr Aluminiumrohr 7 0 x 4 m m (bei der Feuchtemessung decken sich beide K u r v e n ) Eisenrohr 70 x 3 m m P V C - R o h r 75 X 3,6 m m P V C - E o h r 75 x 4,5 m m

WENDLING), Bemerkungen zur Eichung von Neutronensonden

1114

Neutronen beträchtlich. Eine Vergrößerung der Wandstärke des PVC-Rohres um nur 0,9 mm ergibt eine Verringerung der Impulsraten um 11%. Da jedoch PVC-Rohr gegen Korrosion besonders widerstandsfähig ist, eignet es sich als Meßrohr an Dauerstationen am besten. Bei der Messung des Raumgewichts des Bodens wirkt sich das Rohrmaterial entsprechend seiner Dichte aus. So absorbiert Eisenrohr die Gammastrahlung am stärksten, dünnes PVC-Rohr am wenigsten. 4.

Nacheichungen

Bei der Aufnahme von Bodenfeuchte-Meßreihen, die sich über mehrere Jahre erstrecken, ist eine regelmäßige Kontrolle der Nullpunktkonstanz der Neutronensonde erforderüch, da die elektronischen Bauelemente der Meßeinrichtung ihre Eigenschaften mit der Zeit ändern können. Außerdem sind Kontrollen nach jeder Reparatur nötig. Diese Nacheichungen lassen sich am besten in Testbehältern mit konstanten Wasserstoff-Konzentrationen durchführen. Ein handlicher Testbehälter ist in Abbildung 4 c im Schnitt dargestellt. Er besteht aus einem zylindrischen Gefäß von 35 cm Höhe, das in der Mitte ein Rohr für die Neutronensonde und in ringförmiger Anordnung 8 weitere Rohre enthält, in die Paraffinstäbe eingeschoben werden können. Dadurch lassen sich bis zu 8 verschiedene Stufen der Wasserstoffkonzentration einstellen. Bei jeder Stufe ergibt sich eine Impulsrate, die einer bestimmten Bodenfeuchte entspricht. Sind die Eichkurven einer Neutronensonde für die vorkommenden Bodenarten bekannt, läßt sich jeder Stufe ein Bodenfeuchtewert zuordnen. Hat nach einer gewissen Zeit z. B. die Empfindlichkeit des Zählrohres abgenommen, so werden im Testbehälter weniger Impulse pro Zeiteinheit gemessen. Diese neue Impulsrate, gegen die entsprechende Bodenfeuchte aufgetragen, ergibt die korrigierte Eichkurve. Der entwickelte Testbehälter ist außerdem zum Vergleich von Neutronensonden geeignet. Es lassen sich also Neutronensonden über die Messungen im Testbehälter an eine Sonde, für die die Zuordnung Impulsrate — Bodenfeuchte bekannt ist, anschließen. Werden statt Paraffinstäben solche mit größerer Dichte (z. B. Aluminium) in die Rohre des Testbehälters eingeschoben, kann auch der Dichtemeßteil der Sonde in gleicher Weise fortlaufend kontrolliert werden. 5.

Diskussion der Ergebnisse

Nach den bei Eichungen und Feldmessungen gesammelten Erfahrungen ist die Anwendung der beschriebenen Neutronensonde dann von Vorteil, wenn die Änderung des Wassergehalts in einem Bodenprofil über längere Zeit verfolgt werden soll. Dazu müssen für die anstehenden Bodenarten die Zuordnungen Impulsrate — Bodenfeuchte unter Berücksichtigung des Dichteeinflusses bestimmt und regelmäßig kontrolliert werden. Das zeigen auch neue Untersuchungsergebnisse von VAN B A V E L U. a. ( 1 9 6 7 ) , nach denen die mit einer Neutronensonde bestimmte Wassergehaltsänderung nur um ¿r 1 mm von den mit einem wägbaren Lysimeter bestimmten Werten abweicht.

1115

Altirecht-Thaer-Archiv, 11. B a n d , H e f t 12, 1967

Soll die Bodenfeuchte an einem bestimmten Punkt oder in einer Schicht von weniger als 20 cm Dicke bestimmt werden, so ist die Neutronensonde ungeeignet. Die in einer bestimmten Tiefe mit der Sonde gemessene Bodenfeuchte hat in homogenem Boden bei geringer Feuchteänderung mit der Tiefe eine Genauigkeit von 1 Vol.%. Ändert sich jedoch der Wassergehalt im Einflußbereich der Neutronen stark, so vergrößert sich der Unterschied zwischen wirklicher und gemessener Bodenfeuchte in der eingestellten Tiefe. Durch den großen Einflußbereich der Neutronen können diese Fehler noch durch Wassergehaltsänderungen in 20—30 cm Abstand von der Meßtiefe herrühren. Zusammenfassung Die Bodenfeuchtemessung durch Neutronenbremsung ist eine indirekte Meßmethode, bei der der Zusammenhang zwischen der Anzeige des Meßgerätes (Impulsrate) und der Bodenfeuchte in Vol.% durch Eichung ermittelt werden muß. Messungen in großen Behältern von 60—80 cm Durchmesser gestatten die Festlegung der Eichkurve mit einem Fehler von weniger als 1 Vol.%, erfordern jedoch einen großen Arbeitsaufwand. Eichungen am natürlichen Standort sind dagegen wesentlich ungenauer. Es wird die Verwendung eines kleinen Eichbehälters mit 3 dm 3 Boden empfohlen, f ü r den sich mit guter Genauigkeit eine Umrechnungsbeziehung der bei den Eichungen gemessenen Impulsraten auf die Verhältnisse im natürlichen Boden bestimmen läßt. Zur regelmäßigen Kontrolle der Konstanz der Meßeinrichtung wird ein Testbehälter aus Paraffinstäben empfohlen. Einige Ergebnisse von Eichungen werden mitgeteilt. PesiOMe

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pe3yjibTaTbi npoBep,enHLix Kanii6p0B0K. Summary Title of the paper: Comments on the calibration of neutron moisture meters Soil moisture measurement by means of neutron blocking is an indirect measuring method by which the correlation between the reading of the measuring instrument (impulse rate) and the soil moisture content by volumetric per cent has to be determined by calibration. Measuring in large tanks of diameters between 60 and 80 cm would permit to determine the calibration curve with an error of less t h a n one volumetric per cent, however, with a tedious procedure being implied. Calibrations a t the natural site would be much less inaccurate. I t

1116

WENDLING, Bemerkungen zur Eichung von Neutronensonden

is recommended to use a small calibration container, filled with 3 cu. dm. of soil, for which a conversion relation of the impulse rates measured on calibration to natural soil conditions could be accurately determined. A test container of paraffin rods is recommended for regular constancy control of the measuring instrument. Some results obtained from calibrations are reported. Literatur M.; U N D E R W O O D , N . ; SWANSON, R . S.: Soil moisture measurements by neutron moderation. Soil Science 8 2 ( 1 9 5 6 ) , S. 2 9 — 4 1 V A N B A V E L , C . H . M . ; S T I R K , G. B . : Soil water measurement with an Am — 2 4 1 — Be neutron source and an application to evaporimetry. J . Hydrology 5 ( 1 9 6 7 ) , S. 4 0 — 4 6 B E L C H E R , D. J . ; CTTYKENDALL, T. R . ; SACK, M . : The measurement of soil moisture and density by neutron and gamma-ray scattering. U. S. Civil Aeronautics Administration, Techn. Development Report Nr. 127, 1950, 20 S. (Ref. in Agrarmet. Bibl. Dt. Wetterd.) BOEKSTEGEN, P . : Bodenfeuchte- und Bodendichteuntersuchungen mit radioaktiven Strahlen unter besonderer Berücksichtigung der Oberflächensonden. Z . Kulturtechnik 4 ( 1 9 6 3 ) , YAH BAVEL, C. H .

S. 3 3 7 - 3 6 0

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1117 Aus dem Institut für Mechanisierung der Landwirtschaft Potsdam-Bornim der Deutschen Akademie der Landwirtschaftswissenschaften zu Berlin WOLFGANG HELBIG

Anwendungsmöglichkeiten und Ergebnisse der Bodendichtemessung mit Gammastrahlen 1 Eingegangen: 30. 5.1967

1.

Bisherige Anwendung in der Landwirtschaft

Die Methode der Naßdichtemessung des Erdbodens mit Hilfe der y-Strahlung radioaktiver Nuklide ist seit mehr als 1 5 Jahren bekannt ( D U R A N T E , 1 9 5 7 ; E I F E , 1 9 5 9 ; L O R E N Z U . N E U B A U E R , 1 9 5 4 ; V O M O C I L , 1 9 5 4 ) . Sie wird insbesondere in Streusonden (Abb. la) für geologische und Baugrunduntersuchungen angewendet. Da Strahlenquelle und Empfänger in einem einzigen Rohr untergebracht sind, kann man relativ leicht größere Tiefen erreichen. Für landwirtschaftliche Bodenuntersuchungen, bei denen die Bodendichte in engen Horizonten innerhalb der von den Kulturpflanzen genutzten Tiefe interessiert, eignen sie sich nicht, weil sie Mittelwerte über größere Tiefen messen.

Ii!

Absorber Quelle

X\ \

Quelle

V

Zählrohr

Abb. 1: Prinzip der y-Streusonde (a) und der Absorptionssonde (b) zur Dichtebestimmung

Ebenso dürfte ein anderer, kommerziell hergestellter Sondentyp (0. V.) landwirtschaftliche Fragestellungen kaum beantworten, der in Form eines Bügeleisens auf die Bodenoberfläche aufgelegt wird und einen Mittelwert über die obere rd. 10 cm starke Bodenschicht mißt. Die Oberfläche muß für diese Messung geebnet werden; das Meßergebnis würde aber dadurch verfälscht. Mit einer Gabelsonde ( D U R A N T E , 1 9 5 7 ; V O M O C I L , 1 9 5 4 ) , die aus 2 starr verbundenen parallelen Rohren (Abb. lb) besteht, läßt sich die Dichte als Funktion der Tiefe in den erwünschten schmalen Horizonten messen. Der in einem Rohr untergebrachten Strahlenquelle steht im anderen das Zähhohr gegenüber; es empfängt die Strahlungsintensität, die als Zählrate

N = iV0 • e-",ed

(1)

von einem tragbaren Zählgerät gemessen wird. 1

Vortrag anläßlich des Kolloquiums zu Problemen der Versuchs- und Untersuchungsmethodik in Bodenbearbeitungsversuchen am 8. 3. 1967 im Institut für Acker- und Pflanzenbau Müncheberg der DAL zu Berlin

1118

HELBIG, Bodendichtemessung mit Gammastrahlen

Dabei ist d der Abstand der Rohre, Q die gesuchte Dichte und ¡x' der Massenabsorptionskoeffizient, der vor allem von der Energie der y-Strahlung abhängt. Über die praktische Anwendung der Methode in der Landwirtschaft findet man in der Literatur wenig Berichte. Das ist schwer verständlich, denn Bodendichtemessungen werden für verschiedene landwirtschaftliche Fragestellungen in großem Umfang an vielen Forschungsstellen mit der klassischen Stechzylindermethode vorgenommen, obwohl diese sehr zeit- und arbeitsaufwendig ist, beachtliche statistische Fehler aufweist und auch die Gefahr systematischer Fehler in sich birgt (TANKUT, 1964, S. 39ff.). Die Ursache für die zögernde Anwendimg der y-Sonden liegt wahrscheinlich darin, daß diese Sonden nirgends kommerziell gefertigt werden. Außerdem sind die Fragestellungen seitens der Landwirtschaft sehr vielgestaltig, so daß sie nicht alle von einer universellen Sonde beantwortet werden können. Die Bodenfeuchtigkeit kann mit den y-Strahlen nicht gemessen werden. Der Messung der Feuchtigkeit mit einer Neutronen-Sonde haften die Nachteile an, die auch für die Dichtemessung mit y-Streusonden erwähnt wurden.

2.

Beschreibung der Bodendichtesonden und ihrer Einsatzmöglichkeiten

2.1.

Die Bodendichtesonde DS-1 und nachfolgende Sonden

Diese seit 5 Jahren vielfach eingesetzte Sonde (Abb. 2) wurde bereits beschrieben ( H E L B I G U. B E E R , 1965); deshalb sollen nur kurz ihre wichtigsten Daten genannt werden: Die Strahlung einer Co-60-Quelle von 1,5 mCi Aktivität wird von einem Bleizylinder mit einer Bohrung von 8 mm Durchmesser kollimiert. Dadurch ist

Abb. 2: Bodendichtesonde DS-1 mit tragbarem Zählgerät und Bohrgerät

Albrecht-Thaer-Archiv, 11. Band, Heft 12, 1967

1119

es möglich, ab 8 cm Tiefe zu messen; die maximale Tiefe beträgt 40 cm. Der Abstand Quelle—Zählrohr beträgt d = 30 cm, die von einer Messung erfaßte Schichtdicke 6 cm, abgesehen von einem geringen 2 Anteil Streustrahlung, der bis zu etwa der doppelten Dicke reicht. Der maximale relative Meßfehler beträgt ± 2,5%. Die Sonde wurde später abgewandelt (DS-4, DS-5), indem 3 Quellen an Stelle einer und zwei Zählrohre (CTC-5) parallel angeordnet wurden. Damit wurde besser über Inhomogenitäten im Boden gemittelt. Eine Neukonstruktion sieht Cs-137 als Nuklid vor, damit läßt sich der Durchmesser beider Rohre auf 25 mm festlegen bei annähernd gleicher Kollimierung der Strahlung. (Die Gleichwertigkeit der Strahlung von Co-60 und Cs-137 war bereits nachgewiesen worden für Absorptionssonden in den Dimensionen der DS-1 (HELBIG U. BEER, 1965)). Als Zählrohr für diese neue, in einer kleinen Auflage für mehrere Interessenten herzustellenden Sonde soll der Typ VA-Z-117 S verwendet werden, der eine kleinere aktive Länge hat als das CTC-5, so daß sich die Schichtdicke auf etwa 4 cm verringert. Als Anwendungsbeispiele seien genannt vergleichende Untersuchungen verschiedener Bodenbearbeitungsmethoden; Dichtemessungen an frisch gepflügtem Boden oder bei Einsatz synthetischer Bodenverbesserungsmittel. In den beiden letztgenannten Fällen versagt die Stechzylindermethode. 2.2.

Bodendichteprofilsonde DS-2 3

Zur Aufnahme von Bodendichteprofilen z. B. unter den Spuren von Schleppern muß man zahlreiche eng benachbarte Meßstrecken mit guter räumlicher Auflösung messen. Das erforderte die Anwendung einer anderen Meßanordnung, die seit 1961 zu vielen Meßaufgaben herangezogen wurde (BAGANZ, 1963/64, 1966; BAGANZ U. KUNATH, 1 9 6 3 ; BEER U. HELBIG, 1 9 6 6 ; GRIMBERGER u . a . ,

1966)

und 1965 neu konstruiert werden mußte, um die Anforderungen an größere Breite des Profils (1,8 m) und größere Arbeitsproduktivität bei der Messung zu erfüllen. Die Neukonstruktion soll beschrieben werden: Ein 35 cm starker Erdwall mit ebenen parallelen Begrenzungsflächen muß quer zur Spur freigelegt werden. Diese Arbeit wird zunächst grob mit dem Spaten verrichtet. Zur Feinbearbeitung dient eine Schneidvorrichtung, die mit Hilfe einer Winkelbohrmaschine arbeitet, in die ein Kreissägeblatt mit angesetzten Räumschaufeln eingespannt wird. Die Bohrmaschine wird an einem starren Grundgerüst von zwei parallelen Rohren mit Hilfe einer Kette von Hand über die zu schneidende Fläche geführt (Abb. 3). Nachdem der Damm fertiggestellt ist, wird auf das gleiche Grundgerüst ein Wagen aufgesetzt, der die Gabel mit radioaktiver Quelle und Zählrohr trägt (Abb. 4). Der Wagen wird mit Hilfe einer Kette über die Dammbreite gewöhnlich ' Das bedeutet keinen Widerspruch zu dem in Abschn. 3 Gesagten, weil von der Gesamtstreustrahlung nur ein Teil außerhalb der genannten Schichtdicke entsteht. Für den Einfluß der Dichte außerhalb dieser Schicht läßt sich ein Faktor analog (2) / » 0,1 abschätzen, wenn man Abb. 7 aus der Veröffentlichung von HELBIG U. BEEK. (1965) heranzieht. 3 Diese Sonde wurde in Zusammenarbeit mit Dr. BAGAKZ, Abt. Kartoffelbau unseres Instituts, entwickelt.

1120

HELBIG, Bodendichtemessung mit Gammastrahlen

Abb. 3: Am Gerüst der Bodendichteprofilsonde DS-2 montiertes Schneidegerät zum Herstellen ebener Begrenzungsflächen des Boden-Dammes

Abb. 4: Die Sonde DS-2 bei der Messung von Dichteprofilen in Kartoffelfurchen

in 5-cm-Schritten verschoben, die Höhenverstellung geschieht an den Säulen in den gleichen Schrittlängen. Die Quelle, 10 mCi Co-60, ist von einem Bleizylinder mit einer 8-mm-Bohrung von 50 m m Länge gut kollimiert ; das Zählrohr

Albrecht-Thaer-Archiv 11. Band, Heft 12,1967

1121

VA-Z-320 bietet dem Strahlenbündel eine runde Empfängerfläche von 30 mm Durchmesser. Die räumliche Auflösung ist also im wesentlichen auf einen zylinderförmigen Bereich von diesem Querschnitt beschränkt; die Dichte der eng benachbarten Bodenbereiche geht nur mit einem Anteil von / = 0,2 bis 0,3 in das Ergebnis ein (Abb. 11). Damit hat man die Möglichkeit, Bodendiehteprofile mit einer praktisch ausreichenden Auflösung zu messen. Der relative Meßfehler beträgt bei einer Meßzeit von 0,25 min ± 3 % . Die Anwendung dieser Sonde, die größeren apparativen und Arbeitsaufwand gegenüber der DS-1 erfordert, ist nützlich bei allen Problemen, die eine geometrische Abhängigkeit der Bodendichteverteilung erwarten lassen. Spuren von Rad- und Raupenschleppern können in ihrer Verdichtungswirkung untersucht werden, ebenso die landwirtschaftlicher Transportfahrzeuge oder auch die Bearbeitungsfolgen, z. B. in Kartoffelfurchen. An einem Arbeitstag lassen sich 4—6 Profile von 2—3 Arbeitskräften herstellen und messen. Ein Radspur-Dichtemeßgerät, das auf dem gleichen Prinzip beruht, wurde von R E I C H M A N N (1965) beschrieben. Es arbeitet mit einem anderen Aufbau, 45 cm Dammdicke und 150 mCi Co-60. Entsprechend der sehr starken Kollimierung zeigen die Messungen eine sehr hohe Auflösung; die dargestellten Profile unter Traktorrädern mit verschiedener Zugkraft zeigen die in allen gewachsenen Böden vorhandenen großen Inhomogenitäten. 2.3.

Andere Bodendichtesonden

Für die Messung der Bodenschicht zwischen 2 und 15 cm Tiefe mit optimaler Tiefenauflösung z. B. bei der Untersuchung unterschiedlicher Saatbett vor be-

Abb. 5 : Bodendichtesonde DS-9 für die Messung der oberen Bodenschichten 78

Albrecht-Thaer-Archiv, 11. Band, Heft 12,1967

1122

HELBIG, Bodendichtemessung mit Gammastrahlen

reitung wurde eine andere Sonde hergestellt, bei der das Zählrohr CTC-5 liegend in einer schwertartigen Umhüllung untergebracht ist (Abb. 5). Die QuellenSeite ist von der DS-1 übernommen, jedoch wurden 6 mCi Cs-137 verwendet. Das Zählrohr wurde ein wenig kollimiert. Auf die Bodenoberfläche wird ein Paraffinblock mit Aluminiumhülle aufgelegt, der bei Messung sehr nahe der Oberfläche den Rückstreuanteil aus diesem Raumgebiet beisteuert. Dadurch kann bis 2 cm an die Oberfläche heran gemessen werden. Das Einführen dieser Sonde in festen Boden ist schwierig. Für Dichtemessungen an Meliorationsaufschlüssen wurde von HENNING, Institut für Meliorationswesen der Universität Rostock, eine einfache Gabelsonde entwickelt, die ohne Kollimierung arbeitet. Deshalb konnten die beiden Sondenäste mit geringem Durchmesser hergestellt werden; die Einstichtiefe beträgt 20 cm, so daß diese Sonde sehr einfach zu handhaben ist. Aktivität 2 mCi Cs-137, Zählrohr CTC-5. 2.4.

Eichung der Sonden

Die Sonden wurden in einem Holzkasten geeicht, der durch schichtweises Einfüllen und gleichmäßiges Andrücken von Boden homogen gefüllt wurde. Dabei wurden Sand, Mischungen von Sand mit Sägespänen und mit verschiedenen Anteilen Wasser (bis 15%) verwendet. Daneben wurden Dichtebausteine aus Gips, Mischungen davon mit Sand und mit Sägespänen hergestellt, die eine schnelle Eichung neuer Sonden erlauben. Beispiele für Eichkurven sind in Abb. 6 dargestellt. Sie verlaufen steil, wenn der Abstand Quelle—Detektor groß ist, eine gute Kollimierung den Anteil der Streustrahlung reduziert und wenn weiche y-Strahlung (großes ¡u') angewendet wird. Bei allen Eichversuchen konnten wir keinen Einfluß des Wassergehaltes auf die Eich werte feststellen. Das steht in Übereinstimmung mit anderen Autoren ( E I F E , 1 9 5 9 ; REICHMANN,

•103lmp/min

1965).

12• 11109

8

X

•e 5

Abb. 6 a : Eichpunkte und Eichkurve der Sonde DS-1 0,6

0,8

1,0

1,2

1,i 1,6 Dichte J

1,8

2ß g/cm'

2J

1123

Albrecht-Thaer-Archiv, 11. Band, Heft 12,1967

•DS-SlCs-1371 Roslocker Sonde (Cs-1371 DS-ttCo-60)

2 (Co-601

3.

Abb. 6b: Eichkurven verschiedener Sonden, normiert auf die Dichte 1

Anwendungsbeispiele

Die Sonde DS-1 wurde in den vergangenen Jahren an verschiedene Institutionen, vorwiegend an das Institut für Acker- und Pflanzenbau Müncheberg ausgeliehen. Sie wurde zu Untersuchungen optimaler Bodenparameter für erhöhte Bodenfruchtbarkeit herangezogen, zu vergleichenden Untersuchungen bei verschiedenen Bodenbearbeitungsmethoden, zu Dichtemessungen bei Anwendung verschiedener Bodenverbesserungsmittel. Da in unserem Institut keine Arbeiten ausgeführt werden, die die Anwendimg dieser Sonde erfordern, wurden hier nur vergleichende Messungen vorgenommen. 3.1.

Vergleiche DS-1 — Stechzylinder

Verschiedene Böden wurden in eine Holzkiste von 30 X 40 X 50 cm gleichmäßig dicht eingeschichtet. Die Dichte wurde durch Wägung bestimmt. Die Sonde DS-1 wurde je zweimal eingeführt, die Zählrate in je 4 verschiedenen Höhen bestimmt. Schließlich wurden jeweils 20 Stechzylinderproben aus dem Kasten entnommen. Die Ergebnisse zeigen in Abhängigkeit von der Bodenart verschiedene systematische Fehler der Stechzylindermessung, darüber hinaus größere statistische Fehler gegenüber den Messungen mit der Sonde (Abb. 7). g/cm'

78*

1124

HELBIG, Bodendichtemessung m i t Gammastrahlen

(50

Abb. 7 b 1,70 Dicht*

10

/ //

/ 1,6

Roslocker

g/cm3

/

g/crrr v. J» -S iß

1,30

14 1.6 1.8 2.0 22 2,0 2.2 J> g/cm' S g/cm'' DS-I Greilswald 1966 g - Sonde tn. Menning) g-Sonde 1,8

Abb. 7d

A b b . 7 : Vergleiche von Dichtemessungen m i t Stechzylinder und Sonde D S - 1 . Eingezeichnet sind die Mittelwerte und Standardabweichungen. Die Abszissenwerte sind durch W ä g u n g der Bodenprobe im Volumen 60 dm 3 b e s t i m m t (Abb. a —c). B e i den a m gewachsenen B o d e n vorgenommenen Messungen ( A b b . 7 d ) fehlen diese Bezugswerte, deshalb sind die Stechzylinderwerte gegen die Sondenwerte autgetragen. B e i den von MENNING mitgeteilten Messungen wurden wenig Wiederholungen g e m a c h t , deshalb Standardabweichungen n i c h t b e r e c h n e t . Die Standardabweichungen der Sondenwerte wurden in A b b . 7 d zur besseren Übersichtlichkeit n i c h t eingetragen, sie liegen in der gleichen Größe wie die der Stechzylinder und stellen somit die I n h o m o g e n i t ä t des gewachsenen B o d e n s dar.

1125

Albrecht-Thaer-Archiv, 11. Band, Heft 1 2 , 1 9 6 7

3.2.

Vergleiche von Bodendichtemessungen mit DS-1 und Stechzylinder mit Messungen des Eindringwiderstandes

Gemeinsam mit G Ä T K E wurden auf dessen Anregung auf gewachsenem Boden Vergleichsmessungen vorgenommen. 3 Meßstellen, je rd. 2 m 2 groß, wurden von der Einstichsonde nach G Ä T K E (1957) vielfach sondiert, mit 4 Einstichen der DS-1 ausgemessen und mit vielen Stechzylindern untersucht. Die Ergebnisse zeigen zwischen Dichtemessungen mit DS-1 und Stechzylinder im allgemeinen gute Übereinstimmung (Abb. 8a). In einer Darstellung einer Auswahl dieser Werte entsprechend Abb. 7d zeigt sich der Gegensatz zu den in 4.1. beschriebenen Ergebnissen. Dabei büeb offen, ob die dort aufgetretenen

-••«-Siechzylinder lr>*20l

-1 (n.41

Abb. 8 a : Vergleich der Dichtemessungen mit Stechzylinder und DS-1 a m gewachsenen Boden m i t rd. 2 5 % Feuchtigkeit. Während bei zwei Meßstellen gute Übereinstimmung besteht, weichen die im mittleren Diagramm dargestellten Werte nicht unerheblich voneinander ab.

Abb. 8 b : Vergleich der gleichen Dichtemessungen (mit Sonde DS-1) mit Messungen des Bindringwiderstandes nach GÄTKE (1957). Die relativen Änderungen des Eindringwiderstandes sind wesentlich größer als die der Dichte; bei gleichem Dichteverlauf (Meßätellen 1 und 3 bis 40 c m Tiefe) kann der Eindringwiderstand sehr verschieden sein.

1126

HELBIG, Bodendichtemessung mit Gammastrahlen

Fehler der Stechzylindermethode verursacht wurden durch Verwendung künstlich eingedrückten, nicht gewachsenen Bodens oder durch die wesentlich geringere Feuchtigkeit bei diesen Untersuchungen. Vergleiche der gleichen Messungen der Dichte mit denen des Eindringwiderstandes (Abb. 8b) ergaben einerseits, daß keine eindeutige Beziehung zwischen beiden Größen besteht, andererseits zeigt sich, daß relativ kleinen Dichteänderungen große Änderungen des Eindringwiderstandes entsprechen können. 3.3.

Bodendichteprofilmessungen

Sowohl die ältere Ausführung der DS-2 als auch die neue wurden vielfach zu Untersuchungen unter Spuren von Traktoren, Landmaschinen und landwirtschaftlichen Transportfahrzeugen sowie zu Profilmessungen an Kartoffeldämmen

A b b . 9 : BodendichteproAle in Kartoffelf lirchen o b e n : Traktorspur, u n t e n : Traktorspur m i t Spurlockerer

benutzt. Einige typische Beispiele stellen die Profile unter einem Rad- und einem Raupenschlepper (BAGANZ, 1963/64; BEER U. HELBIG, 1966) und unter ver-

schieden bearbeiteten Kartoffelfurchen dar (Abb. 9). GRIMBERGER und Mitarbeiter (1966) untersuchten mit der DS-2 fast 80 Profile unter verschiedenen Traktorspuren mit verschiedener Bereifung. Für Untersuchungen, bei denen auch geringere Verdichtungsunterschiede nachgewiesen werden sollen, ist es erforderlich, die Versuchsparzellen vorher durch Homogenisieren des Bodens und schichtweises gleichmäßiges Andrücken vorzubereiten. Die in normal bearbeitetem Boden vorhandenen Inhomogenitäten überdecken sonst die gesuchten Unterschiede.

Albrecht-Thaer-Archiv, 11. Band, Heft 12,1967

4.

1127

Erfaßtes Volumen; Anteile der Streustrahlung

Das Bodenvolumen, das zwischen der Quelle und dem empfindlichen ZählrohrQuerschnitt durch gerade Linien abgegrenzt wird, bestimmt zu einem wesentlichen Teil das Meßergebnis, da in ihm die primäre, nicht gestreute y-Strahlung verlaufen muß. Aus der Umgebung dieses relativ kleinen Volumens trägt noch ein Anteil gestreuter Strahlung bei, der abhängig ist von der Konstruktion der Sonde, der verwendeten y-Strahlungs - Energie und der Dichte des Bodens. Dieser Streuanteil kann aus der Eichkurve der Sonde abgelesen werden. Entsprechend dem Absorptionsgesetz (1) ist die Eichkurve in halblogarithmischer Darstellung eine Gerade. Aus ihrer Neigung kann der effektive Massenabsorptionskoeffizient ¡ j ! e f f bestimmt werden, der kleiner ist als der theoretische Wert Ii infolge des Anteils der Streustrahlung. Da bei q = 0 weder Absorption noch Streuung auftreten können, müssen sowohl die Eichgerade als auch die theoretische Gerade, die unter Ausschluß der Streustrahlung gilt, bei der gleichen Zählrate N0 beginnen. Die Differenz beider Geraden ergibt den Anteil der Streustrahlung als Funktion der Dichte für einen Sondentyp (Abb. 10). Am Beispiel der Sonde DS-1 wird bei o = 1,3 g/cm3 die Zählrate je zur Hälfte aus primärer und Streustrahlung gebildet. Da aber die Kurven verschieden steil verlaufen, wird die Dichte des äußeren Bereiches (der nur zur Streustrahlung beisteuert) mit geringerer Empfindlichkeit gemessen; er geht mit geringerem Gewicht in das Ergebnis ein. So wäre innerhalb des Dichtebereiches 0,6 bis 1 g/cm3 das Ergebnis völlig unabhängig von der Dichte der Umgebung, obwohl ein Teil der Zählrate aus diesem Bereich stammt. Imp

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HELBIG, Bodendichtemessung mit Gammastrahlen

Abb. 10: Zerlegung der Eichkurve in Anteile, die durch direkte Strahlung (iV„) und durch Strcustrahlung (N a ) entstehen, in halblogarithmischer (a) und linearer Darstellung (b)

Für den Einfluß der Dichte der Umgebung läßt sich ein Faktor / definieren, mit dem die mittlere Dichte außerhalb des direkten Strahlenkegels (Q2) in das Meßergebnis eingeht. Ist o1 die mittlere Dichte innerhalb des direkten Strahlenkegels, so wird die Dichte Q als Ergebnis der Messung anteilig aus den beiden Dichten g 1 und o2 gebildet: