Bodenstabilität und Auswirkungen dynamischer Lasteinträge auf physikalische Eigenschaften von Ackerböden unter konservierender und konventioneller Bodenbearbeitung

Die vorliegende Arbeit beschaftigt sich mit der mechanischen Bodenbelastung durch landwirtschaftlichen Verkehr. Das ausgewahlte Versuchskonzept ist dabei auf die Untersuchung der physikalischen Bodenbelastbarkeit in Gegenuberstellung zu dynamischen Lasteintragen gerichtet und soll der Entscheidungsfindung hinsichtlich praktischer Handlungsempfehlungen dienen. Im Vordergrund stehen die Betrachtung nutzungsbedingter Verdichtung im Bodenbereich unterhalb der regelmasig bearbeiteten Ackerkrume sowie die Bewertung unterschiedlicher technischer und pflanzenbaulicher Bodenschutzmasnahmen. Auf vier Versuchsflachen wurden die bodenkundlichen Ausgangsbedingungen durch Leitprofilbeprobungen ermittelt und landtechnische Freilandbelastungsversuche mit Bodendruck- und Deformationsmessungen sowie Beprobungen begleitet. Als Versuchsfaktoren wurden verschiedene Radlasten (3,3, 6,3, 7,5Mg) mit variierenden Reifeninnendrucken unter konservierender und konventioneller Bodenbearbeitung in den Bodenregionen der nordrhein-westfalischen Loss- und Sandlosslandschaft und der schleswig-holsteinischen Jungmoranenlandschaft untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich insbesondere die Bodenbearbeitung, die Gesamtlast und der Reifeninnendruck auf die mechanische Belastung des Ackerbodens auswirken. Zwischen den beiden Ausgangssubstraten (Loss und Geschiebemergel) konnten keine signifikanten Unterschiede der Druckfortpflanzung festgestellt werden. Die konservierende Bodenbearbeitung zeigt im Oberboden eine hohere Strukturstabilitat gegenuber der konventionell wendenden Bodenbearbeitung und weist hinsichtlich mechanischer Belastungen ein erhohtes Druckkompensationsvermogen und eine verbesserte Reduktion scherender und komprimierender Bodenverformung mit der Tiefe auf. Die dynamischen Belastungsversuche der simulierten Maschinengewichte offenbaren mit schwereren Radlasten eine Zunahme der Spannungseintrage mit verstarkter Tiefenwirkung der Belastungsimpulse und eine erhohte Gefahr der Unterbodenverdichtung. Fur die landtechnische Masnahme des abgesenkten Reifeninnendrucks konnten fur die beiden Radlastvarianten 3,3 und 6,3Mg verminderte Kontaktflachendrucke, eine Abnahme der Spannungseintrage bis in den Unterboden und damit positive Effekte hinsichtlich der Bodenbelastung festgestellt werden. Um die Stabilitat des Bodens gegenuber Belastungssituationen eines landwirtschaftlichen Radfahrzeuges abzuschatzen, wurde das Druck-Zeit-Setzungsverhalten der Boden untersucht und statische und dynamische Stabilitaten der Boden uber den Odometerversuch bestimmt. Mit der Simulation des realen Spannungspfades einer Uberfahrt im Laborversuch konnte die zu erwartende Stabilitat der Boden fur einmalige bis 10malige Uberfahrung ermittelt werden. Mit kurzer, dynamischer Belastung wurde dabei eine kurzfristig hohere Stabilitat gegenuber der statischen Belastung verzeichnet. Die Auswirkungen technogener Belastung auf die physikalischen Bodeneigenschaften und Bodenfunktionen konnten uber Einfach- und Mehrfachuberfahrungsexperimente, bei denen die Eigenstabilitat der Boden gezielt uberschritten wurde, ermittelt werden. Mit der Gegenuberstellung der horizontspezifischen Stabilitatsparameter zu den gemessenen Spannungseintragen, unter Anwendung des Prufkonzeptes “Vorbelastung“, war es moglich beurteilende Aussagen uber die Verdichtungsgefahrdung verschiedener Lastsituationen zu treffen. Aus den Ergebnissen der Spannungs- und Deformationsmessungen lies sich fur Radlasten ab 6,3Mg schon mit einmaliger Uberrollung eine Unterbodenverdichtung verzeichnen. Eine bodenschonende Wirkung durch abgesenkten Reifeninnendruck und damit vergroserte Reifenkontaktflache und verminderten Kontaktflachendruck, konnte fur die untersuchten Reifen/Radlastkombinationen nur fur die Radlast 3,3Mg ausgewiesen werden. Fur Radlasten >3,3Mg reichte die Abnahme des Kontaktflachendruckes mit der gewahlten Reifenkombination nicht aus, um die Spannungseintrage unter den Vorbelastungswert zu beschranken und damit eine Stabilisierung der Lastsituation zu erreichen. Die 7,5Mg Variante zeigte in Verbindung mit der Kontaktflachenvergroserung sogar negative Effekte mit Zunahme der Spannungseintrage im Unterboden. Mit ansteigender Uberrollhaufigkeit wurde eine zunehmende Tiefenwirkung des Spannungseintrages mit gleichzeitiger Abnahme der Bodenstabilitat festgestellt. Ab Radlasten >6,3Mg beschrankten sich gefugebeeintrachtigende, scherende Bodenbeanspruchungen nicht mehr allein auf den bearbeiteten Oberboden. Das Ausmas und die Auswirkung bzw. „Schadhaftigkeit“ der Belastungen auf das Bodengefuge und seine Funktionen wurden uber die horizontspezifische Betrachtung der auflastabhangigen Veranderungen der Bodenkennwerte Vorbelastung (Pv), Luftkapazitat (LK), gesattigte Wasserleitfahigkeit (kf) und Luftleitfahigkeit (kl) charakterisiert. Am Beispiel der Vorbelastung wurde festgestellt, dass mit zunehmender Belastung die Stabilitat der Boden z.T. signifikant bis in den Unterboden zugenommen hat. Die eigenen Ergebnisse zeigen, dass dieser Kennwert am wenigsten abhangig von den Rahmenbedingungen ist und er trotz existierender Bodenbearbeitungs- und Texturunterschiede die mechanische Reaktion des Bodens gegenuber den externen Belastungen differenziert aufzeigt. Der Funktionskennwert der Luftleitfahigkeit (pF1,8) weist dagegen in keinem Ausgangsubstrat eine auflastabhangige Beeinflussung durch einmalige Befahrung auf. Die Beurteilung der Verdichtungsgefahr bzw. der auflastabhangigen Beeintrachtigung der Gefugefunktion ist nur dann moglich, wenn die Veranderungen mehrerer Kennwerte im Zusammenhang betrachtet werden. Mit der kombinierten Darstellung der Parameter Luftkapazitat (LK) und gesattigte Wasserleitfahigkeit (kf) (nach Indikatorsystem UBA (2004a)), war es unter Berucksichtigung proklamierter Schadschwellenwerte moglich, auflastabhangige Beeintrachtigungen des Bodengefuges aufzuzeigen und Bodenfunktionsanderungen zu bewerten. Die Bestimmung von Verdichtungseffekten uber diese Funktionskennwerte stellte sich als zweckmasig fur homogene, bindige Texturen heraus. Mit einmaligem Belastungsimpuls liesen sich fur die Oberboden der Lossstandorte, mit Abnahmen der hydraulischen Leitfahigkeit und Verringerung des Anteils an weiten Grobporen, auflastinduzierte Reaktionen der Bodenfunktion schon ab 3,3Mg gegenuber naturlichen Variationen abgrenzen, was unter der naturlichen Texturheterogenitat des Geschiebemergels nicht moglich war. Deutlich schadhafte Beeintrachtigungen beider Parameter liesen sich fur Radlasten >6,3Mg feststellen. Mit zunehmender Uberrollhaufigkeit reagierten die Bodenfunktionen im Loss mit signifikanter Beeintrachtigung und verstarkter Tiefenwirkung. Im Ausgangssubstrat Geschiebemergel reichte der gewahlte Stichprobenumfang beider Kennwerte nicht aus, um Verdichtungseffekte gegenuber der naturlichen Heterogenitat der Bodeneigenschaften hervorzuheben.