Eine von Wissenschaftlern der University of Illinois und des Agroecosystem Sustainability Center (ASC) geleitete multiinstitutionelle Studie kam zu dem Schluss, dass die Bodenfeuchtigkeit zwar aufgrund unterschiedlicher Bodeneigenschaften und verschiedener Bewirtschaftungspraktiken sowohl innerhalb eines einzelnen Feldes als auch von Feld zu Feld erheblich variiert, die Verteilung der Bodenfeuchtigkeit im Verhältnis zum Felddurchschnitt jedoch innerhalb jedes Feldes im Laufe der Zeit konstant bleibt.
Ihre Ergebnisse wurden am 26. April im Vadose Zone Journal.
Über drei Jahre hinweg nutzte das Team Sensormessungen und eine hochdichte Kampagne, um zu zeigen, dass die trockeneren Gebiete die trockeneren Gebiete und die feuchteren Gebiete die feuchteren Gebiete bleiben. Die Studie folgerte auch, dass durch die Integration optischer und aktiver Mikrowellen-Fernerkundung und Modellierung zuverlässige Schätzungen der hochauflösenden Bodenfeuchtigkeit vorgenommen werden könnten, anstatt sich auf Messungen im Feld zu verlassen.
„Unser oberstes Ziel war es, unser Verständnis der Bodenfeuchtigkeitsvariabilität zu verbessern“, sagte der leitende Forscher Bin Peng, ein ASC-Wissenschaftler und Assistenzprofessor in der Abteilung für Pflanzenwissenschaften. „Wir wollten die bestimmenden Faktoren dieser Variabilitäten verstehen und wie sich diese Variabilitäten in Satellitenfernerkundungsdaten widerspiegeln können.“
„Die aktuellen satellitengestützten Bodenfeuchtigkeitsprodukte sind zu grob, um die Anforderungen für landwirtschaftliche Anwendungen zu erfüllen“, bemerkt Yi Yang, der Erstautor der Studie und Doktorand in computergestützter Ökohydrologie.
„Wir haben festgestellt, dass sich das räumliche Muster der Bodenfeuchtigkeitsvariabilität im Laufe der Jahreszeiten nicht ändert. Mit anderen Worten: trockenere Gebiete bleiben tendenziell trockener und feuchtere Gebiete bleiben tendenziell feuchter. Dieses Wissen können wir nutzen, um das Muster der räumlichen Variabilität der Bodenfeuchtigkeit abzuschätzen und dann hochauflösende Bodenfeuchtigkeitsprodukte zu schätzen.“
Zum Forschungsteam gehörten außerdem Kaiyu Guan, Gründungsdirektor des ASC und Professor im Fachbereich Naturressourcen und Umweltwissenschaften; Ming Pan, leitender Hydrologe am Scripps Institute of Oceanography der University of California-San Diego; Trenton Franz, Professor für Hydrogeophysik an der University of Nebraska-Lincoln; Michael Cosh, Forscher am Hydrology and Remote Sensing Laboratory des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA) und Carl Bernachhi, ein zentraler ASC-Wissenschaftler beim USDA und Professor im Fachbereich Pflanzenwissenschaften und Pflanzenbiologie.
Das Team führte von 2021 bis 2023 Feldkampagnen auf drei 85 Hektar großen Feldern durch und richtete auf 30 weiteren Feldern kontinuierliche Feldstationen ein.
„Der Großteil unserer Bemühungen galt der Verbesserung unseres Verständnisses der Bodenfeuchtigkeitsvariabilität anhand von Daten aus Feldversuchen. Darüber hinaus wollen wir testen, ob unser verbessertes Verständnis tatsächlich für die Datengewinnung aus Fernerkundungsdaten von Nutzen sein kann“, sagte Yang.
Er stellte fest, dass regelmäßige Feldmessungen zu teuer, zu arbeitsintensiv und nicht skalierbar seien.
„Wir können das relative Trocken-Feuchtigkeits-Muster innerhalb eines Ackers durch optische Fernerkundung ermitteln“, sagte Peng.
„Daher muss man nicht vor Ort sein und die Datenerfassung wiederholen. Unser Experiment hat bestätigt, dass das relative Muster stabil ist. Sobald man zwei oder drei Bilder von optischen Satellitensensoren erhält, die das feuchtere und trockenere Muster bestätigen, kann man die zeitliche Lücke schließen. Dies eröffnet einen neuen Weg für die Abfrage hochauflösender Fernerkundungsdaten.“
Peng sagte, die Studie biete einen Leitfaden für die Untersuchung der Bodenfeuchtigkeitsvariabilität auf Ackerland, für das es bis zu diesem Zeitpunkt weder Mess- noch zuverlässige Fernerkundungsmöglichkeiten gab. Dieser Ansatz kombiniert optische Fernerkundungsdaten mit kurzwelligen Infrarot-Spektralbändern, aktiver Mikrowellen-Fernerkundung und Modellierung.
Hochauflösende Daten zur Bodenfeuchtigkeit sind für den Landwirt wertvoll, da sie eine präzisere Bewässerung ermöglichen. Sie könnten auch dazu verwendet werden, Treibhausgasemissionen oder Kohlenstoffintensität der landwirtschaftlichen Produktion zu verstehen, die eng mit dem Sauerstoff- und Wasserzustand des Bodens zusammenhängen, da sie biochemische Reaktionen und mikrobielle Aktivitäten direkt beeinflussen.
„Wir sollten auf den hier gewonnenen Erkenntnissen aufbauen, um ein hochauflösendes Bodenfeuchtigkeitsprodukt zu entwickeln“, sagte Guan.
„Wir haben unseren Plan zur hochauflösenden Kartierung der Bodenfeuchtigkeit über Ackerland mithilfe von Satellitenfernerkundungs- und Modelldaten aus mehreren Quellen erstellt. Der erste Informationsstrom gibt die Bodenfeuchtigkeitsvariation innerhalb des Feldes an, und der zweite Strom gibt die absoluten zeitlichen Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit an. Wir können sie dann in die Modellierung integrieren, um jedes Feld im Mittleren Westen oder sogar auf der ganzen Welt zu kartieren.“
Mehr Informationen:
Yi Yang et al., Bodenfeuchtigkeitsvariabilität innerhalb des Feldes und zeitinvariante räumliche Strukturen landwirtschaftlicher Felder im Mittleren Westen der USA, Vadose Zone Journal (2024). DOI: 10.1002/vzj2.20337