Boden verstehen und modellieren: Das Zusammenspiel von Feldpedologie und digitaler Bodenkartierung
Autor: Simon Tanner
DOI: 10.5281/zenodo.23728231
Ausgangslage
Dieser erste Beitrag behandelt die Pilot-Bodenkartierung auf rund 1'000 Hektaren in den Gemeinden Wohlen und Meikirch. Im Rahmen dieses Pilotprojekts wurden Methoden und Werkzeuge für die künftige Bodenkartierung getestet, bewertet und weiterentwickelt. Zentral dabei war die Integration von digitalen Bodenkartierungsmethoden (DSM) in den Kartierablauf. Zudem wurden maschinelle Bohrungen als Alternative zu Profilgruben und händischen Bohrungen erprobt. Weitere Schwerpunkte waren die Entwicklung neuer Verfahren zur Probenahme und Analyse physikalischer und chemischer Bodenparameter, die Umsetzung von Stichprobenplänen im Feld ohne gleichzeitige Polygongrenzziehung sowie der Wissenstransfer an unerfahrenes Feldpersonal während des laufenden Kartierprozesses. Ergänzend wurden digitale Hilfsmittel für die Probenlogistik und Datenerfassung der horizontweisen Ansprache aller Beprobungspunkte eingeführt und getestet.
Moräneüberprägte Molasse-Hügellandschaft mit lokalen grundnassen Senken des Kartiergebietes im Berner Mittelland.
Einbindung der DSM-Methoden in den Kartierablauf
Wir haben im Projekt gezeigt, dass DSM-Methoden in diesem herausfordernden Perimeter anwendbar und für grossflächige Kartierungen notwendig sind. Entscheidend für den Erfolg sind das Ineinandergreifen der DSM-Methoden und Feldpedologie sowie hochwertige Felddaten. Für analytisch bestimmbare Parameter wie Körnung oder Corg-Gehalt kann die Datenqualität zusätzlich mit Spektralanalytik erhöht werden.
Um eine gute Datenqualität von funktionalen Parametern herstellen zu können, müssen sowohl Feldkartierende als auch DSM-Spezialist*innen den Kartierperimeter pedogenetisch analysieren und verstehen, was eine enge Zusammenarbeit zwischen diesen beiden Arbeitsbereichen erfordert.
Dabei bedingt ein effizientes Vorgehen den Einbezug von theoretischem und praktischem bodenkundlichem sowie datenanalytischem Fachwissen in einem iterativen Vorgehen. Wir haben dies wie folgt umgesetzt:
Konzeptphase:
Das Kartiergebiet wurde von erfahrenen Feldpedolog*innen begangen und die relevanten Bodenbildungsfaktoren identifiziert. Damit konnte in Absprache mit den Anwender*innen der DSM-Methoden eine sinnvolle Auswahl an Umweltkovariabeln für die Stichprobenplanerstellung getroffen werden.
Die Boden-Landschaftsbeziehung wird feldpedologisch konzeptuell untersucht und in digitale Bodenbildungsfaktoren in Form von Umweltkovariabeln übersetzt.
Profilphase:
Die Profilvorauswahl erfolgte durch statistisch vorgegebene sowie im Feld frei wählbare Beprobungspunkte. Für die endgültige Profilfestlegung wurde die Vorauswahl statistisch geprüft, damit alle pedologischen Teilgebiete gut repräsentiert sind, wie auch fachlich-pedologisch manuell kontrolliert, damit auch seltene, aber relevante Pedone erfasst werden.
Die diverse Boden-Landschaft wird auch in den Profilen ersichtlich. Links: Erodierte Parabraunerde mit in Bändern angeordnete Tonanreicherung im verwitterten Sandstein. Mitte: Kolluviale Parabraunerde aus Moräne. Rechts: Kolluvialer Buntgley aus Hanglehm
Feldkartierphase:
Ein relevanter Anteil frei wählbarer Beprobungspunkte in der Kartierphase kann Lücken schliessen, die durch Stichprobenpläne mit unvollständigen Geodaten entstehen. Auch hochwertige Geodaten bilden nicht alle Bodenbildungsfaktoren ab, insbesondere menschliche Einflüsse fehlen. Zudem ist die Relevanz dieser Faktoren für die aktuelle Bodeneigenschaften nicht bekannt und kann so in den statistischen Modellen nicht berücksichtigt werden. Feldexpertise kann solche fehlerhaften und unvollständigen Daten sowie Wissenslücken kompensieren.
Nach der Profilphase wurde die Feldkartierung in zwei aufeinanderfolgenden Phasen unterteilt: Hauptkartierung und Verfeinerung. Damit wurden Unsicherheiten im Kartierprozess gezielt adressiert.
Die Bodeneigenschaften wurden mittels DSM-Modellen aus den Punktdaten flächig vorhergesagt. Diese Karten wurden statistisch und pedologisch analysiert. Darauf basierend wurden gezielte Verfeinerungs-Stichprobenpläne erstellt, die auf unterschiedliche Qualitätsanforderungen der Kartenprodukte abgestimmt sind. Das bedeutet, dass nur noch dort zusätzlich beprobt wurde, wo die Kartenqualität ungenügend war, was sich in einer unterschiedlichen Beprobungsdichte pro Teilregion ausdrückte.
Die Kartierung wird damit spezifischer und potentiell effizienter, da der Mitteleinsatz differenziert nach Ansprüchen erfolgt.
Erhobene Kalibrationspunkte in einem Teilgebiet der Kartierung Wohlen/Meikirch. Die Beprobungsdichte differenziert zwischen Wald (gering; ~1.3 Punkte/ha), Ackerland am nördlichen Moränehügel (mittel; ~1.8 Punkte/ha) und im Ackerland der drainierten, fluviatil und grundwassergeprägten Ebene in der Bildmitte (hoch; ~2.5 Punkte/ha).
Grenzen der Methoden
Der grösste Qualitätsfaktor ist nicht die Erhebungsdichte (~2 Bohrungen/ha), sondern der inkonsistente Datensatz. Dieser resultierte aus Schwächen des aktuellen Klassifikationssystems (FAL24 und KLABS2010) sowie den Schwierigkeiten bei der Beurteilung des Wasserhaushaltes drainierter Grundwasserböden. Der Einsatz einer grösseren Anzahl Feldpedolog*innen als in regulären Kartierungen mit unterschiedlichstem Erfahrungsgrad konnte im Eichungs- und Qualitätssicherungsprozess nicht vollständig kompensiert werden.
Wie man das Anfangs-(Eich-)niveau der Feldpedolog*innen in Kartierungen mittels guter Vorkenntnisse der Bodenlandschaft erhöhen kann, wird im zweiten Blogbeitrag behandelt.
Maschinelle Erhebungsmethoden und spektralanalytische Methoden können Effizienz und Qualität steigern. Ihr Nutzen entsteht jedoch nur im abgestimmten Zusammenspiel mit anderen Methoden und Arbeitsschritten. Ihr Umsetzungsaufwand ist nicht zu unterschätzen, weshalb der Einsatz nur spezifisch erfolgen sollte. Grosskalibrige Bohrungen können Baggerprofile teilweise ersetzen, Profilgruben bleiben jedoch essentiell. Andere getestete Methoden zeigten sich als nicht genügend effizient und zielführend, um ihren Einsatz standardmässig zu empfehlen.
Kleinkalibrige Bohrungen mittels Bohrfahrzeugen können beispielsweise bei gefrorenen Böden eingesetzt werden (links). Die grosskalibrigen Rammkerne können als ergänzende Sondiermethode zu Profilgruben und Handsondagen dienen.
Relevante Nachteile im Einsatz der getesteten digitalen Hilfsmittel wie Tablets und Datenbanken mit Eingabemasken rund um die Feldarbeiten wurden keine beobachtet. Für den Einsatz von DSM-Methoden sind sie sogar unabdingbar.
Nutzung der Bodenkarten
Ein weiterer Aspekt war die Nutzung der digitalen Bodeninformations- und Themenkarten. Bodenkarten werden oft nicht genutzt, wenn sie nur mosaikhaft oder kleinflächig vorliegen. Auch fehlen verbindliche Vorgaben zu Qualität, Massstab oder verbindliche Schwellenwerte für Entscheidungen dieser Rasterkarten, was die Interpretation schwierig macht. Zudem mangelt es an Vorbildern und Nutzungserfahrungen mit den neuen Möglichkeiten der Informationsaggregierung und -kombination, welche die Rasterkarten bieten. Dadurch lassen sich Bedürfnisse schwer formulieren. Dieser Umstand erfordert ein koordiniertes partizipatives Vorgehen zwischen Anwender*innen in unterschiedlichen Anwendungsgebieten und Ersteller*innen der Karten, damit der Nutzen erfahrbar gemacht und in Wert gesetzt werden kann.
Fazit
Die Pilotkartierung hat gezeigt, dass DSM-Methoden für grossflächige Bodenkartierungen einsatzbereit sind. Entscheidend für die Kartenqualität sind jedoch nicht die Modelle selbst, sondern die Qualität und Konsistenz der Felddaten sowie das gemeinsame Bodenverständnis aller Beteiligten.
Die grössten Herausforderungen für die effiziente Erstellung qualitativer Bodeninformationskarten liegen weniger in der Anwendung einzelner Methoden und Werkzeuge, sie funktionieren gut. Wichtiger ist ihr koordinierter, zielgerichteter Einsatz. Dafür braucht es übergeordnete Qualitätsvorgaben der Endprodukte, differenziert nach Landschaftstypologien und Bodennutzung. Entscheidend ist die Erstellung eines qualitativ hochwertigen Eingangsdatensatzes. Basis ist hierbei eine gute theoretische pedologische Grundbildung der Feldkartierenden mit Grundkenntnissen der Bodenvielfalt des Kantons Bern. Mit weniger Beprobungspunkten pro Fläche kommt dem einzelnen Beprobungspunkt eine grössere Bedeutung zu. Das heisst, dass das pedologische Verständnis in Kombination mit der Landschaft noch wichtiger wird. Der Eichung und der regelmässigen und kohärenten Qualitätssicherung über die Gesamtfläche des Kantons, der Zeitdauer des Kartiervorhabens und den vielen involvierten Feldkartierenden kommt deshalb eine Schlüsselrolle zu. Dafür braucht es das Zusammenspiel aller Beteiligten inklusive guter Koordination der Aufgaben.
Simon Tanner
Berner Fachhochschule
Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL
Agronomie
Länggasse 85
CH-3052 Zollikofen
