Die organische Bodensubstanz, auch Humus genannt, ist essenziell für die Aufrechterhaltung von Bodenfruchtbarkeit, die Regulierung des Wasserspeichers, den Erhalt der Bodenstruktur, sowie den Schutz vor Bodenabtrag durch Wind und Wasser (Erosion). Global speichern Böden rund viermal so viel Kohlenstoff wie die oberirdische Vegetation und mehr als doppelt so viel wie die Atmosphäre. Die organische Bodensubstanz hat daher eine große Bedeutung für den Klimaschutz. Auf vielen politischen Entscheidungsebenen wächst die Erkenntnis, dass ein zuverlässiges und genaues Bodenmonitoring zwingend erforderlich ist, was auch in zahlreichen nationalen und internationalen Verträgen und Richtlinien wie in den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs), der UNCCD-Neutralität der Landdegradation und den relevanten EU-Politiken (Gemeinsame Agrarpolitik -CAP- und Green Deal) betont wird.

In diesem Zusammenhang ist das übergeordnete Ziel des ESA WORLDSOILSProjekts die Entwicklung eines globalen Erdbeobachtungssystems zum Monitoring von Böden unter Verwendung von Informationen aus operationellen, in situ- und Referenzdatenbanken sowie von Informationen aus der weltraumgestützten Erdbeobachtung mit Hilfe von Modellierungstechniken zu verknüpfen. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt auf der Erstellung eines Monitoringsystems, mit dem der Gehalt des organischen Kohlenstoffs im Oberboden (Soil Organic Carbon - SOC) bestimmt werden kann. Das System soll in modularer Weise auf einer geeigneten Cloud-Umgebung implementiert werden, um eine zukünftige Erweiterung mit zusätzlichen Bodeneigenschafen zu ermöglichen. Das Monitoringsystem soll mindestens jährliche Bodeninformationen in einer räumlichen Auflösung von global 100 m x 100 m (50 m x 50 m für Europa) liefern, und die Abschätzung von Unsicherheiten ermöglichen. Technisch integriert der gewählt Ansatz sowohl die indirekte Vorhersagemethoden des organischen Kohlenstoffs unter dauerhaft bewachsene Flächen durch geostatistische Verfahren, als auch die direkte Vorhersage von exponierten Böden (insbesondere von Ackerflächen) durch Adaptierung von Methoden aus der Spektroskopie auf multispektrale Systeme unterstützt durch in situ Bodendaten.

Der Beitrag des GFZ umfasst die Evaluierung moderner, spektraler Modellierungsansätzen wie z.B. LocalPLSR für die operationelle und zuverlässigen Ermittlung des organischen Kohlenstoffs im Oberboden (SOC), sowie die allgemeine Bewertung der Übertragbarkeit von Laborspektralmodellen auf die räumliche Skala von Satellitendaten unter Berücksichtigung von Mischungs- und Störeffekten, wie sie in realistischen Landschaftsszenarios zu erwarten sind (z.B. Bodenfeuchte, -rauigkeit, Teilweise Bedeckung mit Vegetation). Darüber hinaus ist das GFZ an der Implementierung ausgewählter Algorithmen beteiligt und mitverantwortlich für das Fallstudiendesign und die Validierung der Projektergebnisse an verschiedenen Teststandorten.

Projektwebsite

Die vorgeschlagene Architektur eines EO-basierten Monitoringsystems für Böden kombiniert verschiedene Modellierungsansätze, um ein endgültiges Kartenprodukt von organischem Kohlenstoff zu erzeugen, das die Heterogenität der Landschaft, verschiedenen Klimaregimen und die Saisonalität berücksichtigt.

Publikationen & Konferenzbeiträge

Chabrillat, S., Milewski, R., Kuester, T., Dvorakova, K. and Van Wesemael, B. (2021), Development of a Spatially Upscaled Soil Spectral Library (SUSSL) of cropland signatures for EO sensors data simulation and calibration/validation of topsoil organic carbon prediction models, General Assembly European Geosciences Union, Vienna, 19-30 April 2021 (online), EGU21-14365.