Projekt 24275/01

Prüfung, Anpassung und Weiterentwicklung des Moduls zur Bewertung der Schadverdichtungsgefährdung im Betriebsbilanzierungsmodell REPRO

Projektdurchführung

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften Lehrstuhl für Allgemeinen Pflanzenbau/ Ökologischen Landbau
Betty-Heimann-Str. 5
06099 Halle

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In der pflanzlichen Produktion steigen die Radlasten der Traktoren und Erntemaschinen weiter an und damit auch das Risiko von Schadverdichtungen. Diese müssen, um die vielfältigen Funktionen des Bodens nachhaltig zu sichern, vorbeugend vermieden werden. Mathematische Modelle sind ein erfolgversprechender Weg Risikoanalysen durchzuführen und situationsbezogene Empfehlungen zu geben. Für das Betriebsbilanzierungsmodell REPRO wurde ein Modul zur Analyse und Bewertung der Schadverdichtungsgefährdung mit dem Schwerpunkt auf strukturierten Lehm- und Tonböden aber damit auch nur für einen eingeschränkten Standortbereich entwickelt. Die Ziele des beabsichtigen Vorhabens bestehen in der Weiterentwicklung des komplexen Modellansatzes für sandige Böden (sandige Lehme und lehmige Sande) und der Überprüfung der Aussagegenauigkeit der berechneten Schadverdichtungsgefährdung sowohl auf sandigen wie strukturierten Böden. Damit wird eine flächendeckende und breite Anwendung des komplexen Modellansatzes zur sicheren Prognose von Schadverdichtungen möglich.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Bearbeitung des Projekts erfolgt auf verschiedenen Versuchsebenen:
a) die Prüfung und Weiterentwicklung des Regressionsmodells zur Abschätzung der Gefügestabilität
anhand von Druck-Setzungsversuchen
b) die Prüfung und Weiterentwicklung des Gesamtmoduls anhand von Beobachtungsflächen
c) die Prüfung und Weiterentwicklung der Schadverdichtungsanalyse einzelner Überfahrten durch
Befahrungsversuche
Auf ausgewählten Flächen werden bodenphysikalische Parameter, wie Trockenrohdichte, Aggregatdichte, Luftkapazität und gesättigte Wasserleitfähigkeit anhand von Stechzylinderproben zur Charakterisierung des Gefügezustandes und der Stabilität ermittelt. Ergänzt werden die Untersuchungen durch die Analyse des Druck-Setzungsverhaltens im Ödometer. Parallel werden die Bewirtschaftungs- und Technikdaten der Schläge und Maschinen in REPRO erfasst und die Verdichtungsgefährdung errechnet. Ein Vergleich der Entwicklung der Gefügeeigenschaften mit der berechneten Verdichtungsgefährdung ermöglicht Aussagen über die Genauigkeit des Moduls und die Ursachen möglicher Unschärfen.


Ergebnisse und Diskussion

Folgende Ergebnisse können für die Überprüfung des Schadverdichtungsmoduls zusammengefasst werden:
o Die Überprüfung des Teilmodells zur Berechnung der mechanischen Vorbelastung aus Aggregatdichte und Trockenrohdichte zeigt insgesamt eine gute Übereinstimmung von berechneten und gemessenen Werten. Auch für zahlreiche Sandböden mit Aggregatstruktur ist der Ansatz anwendbar. Eine Anpassung der Modellkonstanten speziell für Tonböden erhöht die Genauigkeit weiter.
o Für die reinen Sandböden ohne Aggregatstruktur, bei denen die Anwendung des Regressionsmodells mit Einbezug der Aggregatdichte nicht möglich ist, wurde vorläufig ein einfacher Trend zwischen Vorbelastung und Trockenrohdichte abgeleitet. Dieser sollte aber zwingend weiter überprüft werden.
o Mit den Regressionsgleichungen für die Korrektur der Vorbelastung bei unterschiedlichen Wassergehalten stehen nunmehr relativ genaue Modelle zur Verfügung, um die Verdichtungsgefährdung im Jahresverlauf abbilden zu können. Insbesondere die Auflösung nach Bodenarten verbessert die Präzision.
o Das Modul zur Bewertung der Schadverdichtungsgefährdung zeigt eine gute Sensitivität für die Wirkung des Reifeninnendrucks und für unterschiedliche Bereifungssysteme wie Zwillingsreifen.
o Auswirkungen hoher Radlasten insbesondere auf das Bodengefüge des Unterbodens können sicher abgebildet werden. Simulationen erlauben eine Prognose der Schadverdichtungsgefährdung ohne erheblichen messtechnischen Aufwand.
o Die Untersuchungen auf den Beobachtungsflächen belegen, dass das Zusammenspiel aller Algorithmen bis hin zur Abschätzung der Verdichtungsgefährdung auf Schlagebene gut funktioniert. Der Einfluss von Regenerationsprozessen oder Bewirtschaftungsumstellungen kann im Modell jedoch nicht quantifiziert werden. Die Anlage von Beobachtungsflächen sollte auf weitere Standorte ausgedehnt werden, um eine größere Spannbreite von Boden- und Klimabedingungen zu erreichen.
o Über alle Modulvalidierungen wird eine sehr sichere Abschätzung der Verdichtungsgefährdung ersichtlich. Die Zusammenhänge zwischen den Änderungen der physikalischen Parameter und dem Belastungsindex bestätigen die bisherige Bewertungsfunktion im Modul.

Aus den vorgestellten Untersuchungen können zudem folgende grundsätzliche Schlussfolgerungen zur Verdichtungsgefährdung durch landwirtschaftliche Maschinen und Verfahren abgeleitet werden:
o Ein verringerter bzw. nach technischem Ratgeber des Reifenherstellers für Feldbedingungen optimal eingestellter Reifeninnendruck verringert das Schadverdichtungsrisiko in der Ackerkrume.
o Angepasste Bereifungsvarianten (z.B. Zwillingsreifen, Gleisbänder) sind sehr effektive Möglichkeiten die Schadverdichtungsgefährdung generell herab zusetzen.
o Bei Überfahrten mit Radlasten von mehr als ca. 6 t, Reifeninnendrücken von 200-300 kPa und Bodenwassergehalten nahe der Feldkapazität besteht auf Ackerstandorten mit Vorbelastungen zwischen 60 und 100 kPa ein erhebliches Risiko für Gefügeveränderungen bis in den Unterboden. Die genannten Bedingungen führen in Verbindung mit Bodenbearbeitungssystemen ohne Lockerung sehr wahrscheinlich auch zur Verdichtung der Ackerkrume.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des Projektes sind nachfolgende themenbezogene Veröffentlichungen erschienen:
RÜCKNAGEL, J., HOFMANN, B. & O. CHRISTEN (2007): Konzept zur Analyse und Bewertung der Schadverdichtungsgefährdung. KTBL Schrift 458, 51-61.
KNOBLOCH, M., DÖLL, H., RÜCKNAGEL, J., HOFMANN, B. & O. CHRISTEN (2007): Wirkung eines Gummibandlaufwerkes bei unterschiedlicher Überrollhäufigkeit und Fahrgeschwindigkeit auf physikalische Bodeneigenschaften einer Löß-Schwarzerde. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 19, 176-177.
RÜCKNAGEL, J., BRANDHUBER, R., HOFMANN, B., LEBERT, M., MARSCHALL, K. & R. PAUL (2007): Varianz der mechanischen Vorbelastung bei der graphischen Bestimmung nach dem Casagrande-Verfahren. Mitteilng. Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch. 110, 131-132.
HOFMANN, B., BISCHOFF, J., RÜCKNAGEL, J. & O. CHRISTEN (2009): Einfluss langjährig differenzierter Bearbeitungsintensität auf den C-Gehalt bindiger Standorte. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 21, 125-126.
HOFMANN, B., BISCHOFF, J., RÜCKNAGEL, J. & O. CHRISTEN (2009): Einfluss langjähriger Bodenbearbeitung auf Corg-Gehalte bei Löß-Schwarzerde und pseudovergleyter Parabraunerde. In: Böden - eine endliche Ressource, September 2009, Bonn. Publikationen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft: http://eprints.dbges.de/334/
RÜCKNAGEL, J. & O. CHRISTEN (2009): Use of the information system REPRO to assess physical aspects of soil fertility. ISTRO 18th Triennial Conference Proceedings, June 15-19, 2009 Izmir-Turkey. T1-032, 1-6.
RÜCKNAGEL, J., HARRACH, T., DUMBECK, G., GERSCHLAUER, F. & O. CHRISTEN (2009): Morphological characterization of soil structure and the relation to precompression stress for recultivated loess soils. ISTRO 18th Triennial Conference Proceedings, June 15-19, 2009 Izmir-Turkey. T1-031, 1-5.
RÜCKNAGEL, J., HARRACH, T., DUMBECK, G., GERSCHLAUER, F. & O. CHRISTEN (2009): Gefügemorphologie (Packungsdichte) und mechanische Bodeneigenschaften rekultivierter Böden aus Löß. In: Böden - eine endliche Ressource, September 2009, Bonn. Publikationen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft: http://eprints.dbges.de/331/
RÜCKNAGEL, J., BRANDHUBER, R., HOFMANN, B., LEBERT, M., MARSCHALL, K., PAUL, R., STOCK, O. & O. CHRISTEN (2010): Variance of mechanical precompression stress in graphic estimations using the Casagrande method and derived mathematical models. Soil & Tillage Research 106, 165-170.


Fazit

Insgesamt ermöglicht das Modul innerhalb des Betriebsbilanzierungsmodells REPRO nach Abschluss des vorliegenden Projektes die komplexe und sichere Analyse des Problembereiches Schadverdichtungsgefährdung für eine breite Spanne von Standortbedingungen. Es kann damit als eigenständiges Instrument zur Verbesserung des Bodengefügeschutzes im Sinne nachhaltiger Landbewirtschaftung beitragen. Neben der Anwendung im Rahmen des DLG-Nachhaltigkeitsstandards (DBU Projekt AZ 22544) haben die Modulalgorithmen oder Teile davon Eingang in das C/N-Simulationsmodell CANDY und das Prüfkonzept zur Erfassung der tatsächlichen Verdichtungsgefährdung landwirtschaftlich genutzter Böden (UBA-Vorhaben FKZ 3707 71) gefunden.