Überprüfung von Bewertungsmodellen zur Identifikation und Prognose von Schadverdichtungen auf Ackerböden in Nordrhein-Westfalen:
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| Published: |
Bonn
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2006
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| Series: | Bonner bodenkundliche Abhandlungen
44 |
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INHALTSVERZEICHNIS Seite
Abbildungen..........................................................................................................VII
Tabellen.................................................................................................................XII
Abkürzungen, Einheiten, Symbole.......................................................XIV
1 EINLEITUNG.......................................................................................1
1.1 Problematik.......................................................................1
1.2 Zielsetzung.........................................................................4
2 BODENVERDICHTUNGEN IM GESPRÄCH..................................8
2.1 Grundlegende Untersuchungen............................................................8
2.2 Modellhafte Erfassung..........................................................................20
3 STANDORTE UND ANALYSEMETHODEN...................................39
3.1 Untersuchungsablauf............................................................................39
3.2 Standorte und betriebliche Situation...................................................39
3.2.1 Betriebs-und Flächenauswahl......................................................39
3.2.2 Naturräumliche Einordnung.........................................................44
3.2.3 Bodenbewirtschaftung..................................................................57
3.2.4 Technische Ausstattung................................................................58
3.3 Bodenuntersuchungen .........................................................................60
3.3.1 Bodenphysikalische Messungen...................................................62
3.3.2 Bodenmechanische Tests..............................................................64
3.3.3 Bodenchemische Kennzeichnung.................................................67
3.4 Klassifizierung physikalischer und mechanischer Kenngrößen.........67
3.4.1 Feldbodenkundliche Parameter.....................................................68
3.4.2 Lagerungsdichte und Porengrößenverteilung................................69
3.4.3 Wasser- und Luftpermeabilität.....................................................70
3.4.4 Vorbelastung................................................................................71
3.4.5 Eindringwiderstand......................................................................71
3.5 Statistische Auswertung____________________________________72
IV
ERGEBNISSE UND DISKUSSION.....................................................74
4.1 Zum Status der Bodenverdichtungen in Nordrhein-Westfalen..........75
4.1.1 Feldbefunde.................................................................................76
4.1.2 Laborbefünde...............................................................................84
4.1.3 Anwendungen des üidikatorenmodells.........................................88
4.1.4 Diskussion....................................................................................95
4.2 Validierung der Prognosekonzepte zur Vermeidung von schädlichen
Bodenveränderungen............................................................................106
4.2.1 Prognosekonzept Schadverdichtungsgefährdungsklassen.............108
4.2.1.1 Einzelindikator Lagerungsdichte......................................108
4.2.1.2 Versuchsbedingungen......................................................113
4.2.2 Prognosekonzept Vorbelastung....................................................116
4.2.2.1 Einzelindikator Vorbelastung (aktuell)............................116
4.2.2.2 Versuchsbedingungen......................................................119
4.2.2.3 Algorithmen....................................................................123
4.2.3 Prognosekonzept Druckbelastungsquozient..................................134
4.2.3.1 Einzelindikator Vorbelastung (potenziell)........................134
4.2.3.2 Versuchsbedingungen......................................................135
4.2.3.3 Algorithmen....................................................................135
4.2.4 Fazit.............................................................................................136
4.3 Bewertungsmaßstab für eine gefügeschonende Landbewirtschaftung.. 138
4.3.1 Standortspezifische Verdichtungsempfindlichkeit........................139
4.3.1.1 Schiuffstandorte..............................................................140
4.3.1.2 Sandstandorte.................................................................142
4.3.1.3 Lehmstandorte................................................................145
4.3.1.4 Tonstandorte...................................................................147
4.3.1.5 Diskussion......................................................................149
4.3.2 Mechanische Bodenbelastung.......................................................154
4.3.2.1 Fahrzeugparameter..........................................................154
4.3.2.2 Druckausbreitung............................................................158
4.3.2.3 Diskussion......................................................................162
4.3.3 Modellhafte Bewertung landwirtschaftlicher Arbeitsverfahren.....166
4.3.4 Fazit ..........................................................................................170
V
5 ZUSAMMENFASSENDE DISKUSSION............................................171
6 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND FORSCHUNGSBEDARF..........179
7 ZUSAMMENFASSUNG.......................................................................182
8 LITERATURVERZEICHNIS..............................................................186
DANKE
LEBENSLAUF
ANHANG
VII
Abbildungen Seite
Abb. 1 : Zielsetzung des Forschungsvorhabens 6
Abb. 2: Veränderung von Bodendichte und Porenvolumen in 10
Ackerkrume und Unterboden von 1952-1982 auf 144 Standorten
in Niedersachsen (nach RUHM 1983, zit. in SOMMER 1985)
Abb. 3: Kausalkette „Bodenbelastung - „Bodenbeanspruchung nach 11
KÜHNER (1998)
Abb. 4: Druckzwiebel mit Linien gleichen Bodendrucks in drei 13
Fahrspuren (BOLLING SÖHNE 1982)
Abb. 5: Die vier Bausteine des Konzepts für bodenschonendes Befahren 19
(SOMMER 1998b)
Abb. 6: Obere Grenzwerte des optimalen Lagerungsdichtebereiches von 23
Ap-Horizonten in Abhängigkeit von der Bodenart nach
PETELKAU et al. (2000)
Abb. 7: Pflanzenabhängige ökologische Schadverdichtungsbereiche 24
(PETELKAU et al. 2000)
Abb. 8: Druck-Verdichtungskurve in Abhängigkeit von der Boden- 25
feuchte (% nFK) für die Bodenart S13 nach PETELKAU et al.
(2000)
Abb. 9: Texturabhängige Schadverdichtungsklassen für Böden basierend 26
auf der KA5 (PETELKAU et al. 2000)
Abb. 10: Maximal zulässige Belastbarkeit bei einer Bodenfeuchte von 26
70 % nFK der Bodenartengruppen in den SVGK 1 bis 5
(PETELKAU et al. 2000)
Abb. H: Verlauf der Drucksetzungskurve im Wieder- und Erst- 28
Verdichtungsbereich
Abb. 12: Ermittlung von Druckbelastbarkeit und Druckbelastung des 30
Bodens nach dem Vorbelastungskonzept (verändert nach
LEBERT et al. 2004)
Abb. 13: Ableitung der Druckbelastbarkeit nach dem Modell DBQ 33
Abb. 14: Untersuchungsablauf 40
Abb. 15: Geographische Lage der Standorte 42
Abb. 16: Parabraunerde-Pseudogley in der Soester Börde 46
Abb. 17: Podsol (links) und Gley (rechts) aus diluvialen Schmelz- 48
wassersanden im Münsterland
Abb. 18: Parabraunerde aus Löss in der Jülicher Börde 51
vin
Abb. 19: Grundwasserbeeinflusster Auenboden der Unteren Rhein- 54
niederung
Abb. 20: Pseudogley aus Tonstein im Siebengebirge 57
Abb. 21: Aufbau der Drucksetzungsanlage (Ödometer) 65
Abb. 22: Ermittlung der Vorbelastung nach CASAGRANDE (1936) aus 66
der Drucksetzungskurve
Abb. 23: Aufbau des Penetrometers 66
Abb. 24: Platzierung der Bodenarten von 224 Untersuchungshorizonten 74
im Körnungsdiagramm nach der KA5 (AG BODEN 2005)
Abb. 25: Spatendiagnose, Effektive Lagerungsdichte und Packungsdichte 77
in 212 Untersuchungshorizonten in Abhängigkeit von der
Bodenartenhauptgruppe für die Untersuchungstiefen Krume,
Krumenbasis und Unterboden
Abb. 26: Makroporenanteile in 212 Untersuchungshorizonten in 80
Abhängigkeit von der Bodenartenhauptgruppe für die
Untersuchungstiefen Krume, Krumenbasis und Unterboden
Abb. 27: Eindringwiderstand (MPa) von 212 Untersuchungstiefen in 81
Abhängigkeit von der Bodenartenhauptgruppe für die Unter-
suchungstiefen Krume, Krumenbasis und Unterboden (n=2136)
Abb. 28: Fluviatile horizontal eingeregelte Sandablagerungen im 82
Unterbodenbereich (Horizont IIGor) vom Standort 4a
Abb. 29: Prozentualer Anteil der PL-Messungen (n=620) mit Werten 83
unter 1 cm/s von 212 Untersuchungshorizonten in Abhängigkeit
von der Bodenartenhauptgruppe für die Untersuchungstiefen
Krume, Krumenbasis und Unterboden
Abb. 30: Lagerungsdichte (g/cm3) in Abhängigkeit von der 85
Bodenartenhauptgruppe für die Untersuchungstiefen Krume,
Krumenbasis und Unterboden (n=2036)
Abb. 31 : Gesättigte Wasserleitfähigkeit (cm/d) in Abhängigkeit von der 87
Bodenartenhauptgruppe für die Untersuchungstiefen Krume,
Krumenbasis und Unterboden (n=2036)
Abb. 32: Intrinsische Luftleitfähigkeit (cm2) in Abhängigkeit von der 87
Bodenartenhauptgruppe für die Untersuchungstiefen Krume,
Krumenbasis und Unterboden (n=2O36)
Abb. 33: Luftkapazität (%) und gesättigte Wasserleitfähigkeit (cm/d) in 90
Abhängigkeit von der Bodenartenhauptgruppe für die
Untersuchungstiefen Krume, Krumenbasis und Unterboden
Abb. 34: Standort 21 a (Unterboden) 94
Abb. 35: Standort 14g (Krume) 95
IX
Abb. 36: Standort 19a (Krume) 95
Abb. 37: Standort 10a (Krume) 95
Abb. 38: Typische Drucksetzungskurve für einen nordrhein-westfalischen 102
Sandboden
Abb. 39: Raseneisenstein auf einer münsterländischen Ackerfläche 102
Abb. 40: Häufigkeitsverteilung der Wasserleitfähigkeit in 10-facher 104
Wiederholung im Bt-Horizont einer Parabraunerde aus Löss
Abb. 41: Durchwurzelter Krumenbereich eines scharfkantigen 105
verdichteten Polyedergefuges (Standort 19a)
Abb. 42: Fließschema zur Modellvalidierung 107
Abb. 43: Korrelative Beziehung zwischen Lagerungsdichte und 111
Luftkapazität für den gelockerten (links) und nicht gelockerten
(rechts) Krumenbereich der beprobten Sande (n=78 bzw. 20)
Abb. 44: Korrelative Beziehung zwischen Lagerungsdichte und 111
Luftkapazität für die Krumenbasis (links) und den Unterboden
(rechts) der beprobten Schluffe (n=366 bzw. 399)
Abb. 45: Korrelative Beziehung zwischen Lagerungsdichte und gesättigter 112
Wasserleitfahigkeit (kf-Wert) fur den gelockerten Krumen-
bereich der Schluffe (links) und Sande (rechts) (n=157 bzw. 78)
Abb. 46: Kompressions- und Schergerät nach PETELKAU et al. ( 1988) 115
Abb. 47: Verlauf der Luftkapazität (%) in Abhängigkeit von der Auflast 119
(kPa) für verschieden texturierte Böden bei unterschiedlicher
Bodenwasserspannung
Abb. 48: Box-Plots der tiefenabhängigen Vorbelastungsergebnisse der 122
einzelnen Standorte für eine Bodenwasserspannung von pF 1,8
Abb. 49a: Vergleich der gemessenen und modellierten Vorbelastung 128
(pF 1,8) für den Unterboden der Schiuffstandorte nach
verschiedenen Regressionsmodellen
Abb. 49b: Vergleich der gemessenen und modellierten Vorbelastung 129
(pF 2,5) für den Unterboden der Schiuffstandorte nach
verschiedenen Regressionsmodellen
Abb. 50a: Vergleich der gemessenen und modellierten Vorbelastung 130
(pF 1,8) für den Unterboden der Tonstandorte nach
verschiedenen Regressionsmodellen
Abb. 50b: Vergleich der gemessenen und modellierten Vorbelastung 130
(pF 2,5) für den Unterboden der Tonstandorte nach
verschiedenen Regressionsmodellen
Abb. 51a: Vergleich der gemessenen und modellierten Vorbelastung 132
(pF 1,8) für den Unterboden der Lehmstandorte nach
verschiedenen Regressionsmodellen
Abb. 51b: Vergleich der gemessenen und modellierten Vorbelastung 132
(pF 2,5) für den Unterboden der Lehtnstandorte nach
verschiedenen Regressionsmodellen
Abb. 52a: Vergleich der gemessenen und modellierten Vorbelastung 133
(pF 1,8) für den Unterboden der Sandstandorte nach
verschiedenen Regressionsmodellen
Abb. 52b: Vergleich der gemessenen und modellierten Vorbelastung 133
(pF 2,5) für den Unterboden der Sandstandorte nach
verschiedenen Regressionsmodellen
Abb. 53: Tiefenabhängige Vorbelastung und Lagerungsdichte für die 141
Schiuffstandorte in Abhängigkeit von der Bodenwasserspannung
(n=179)
Abb. 54: Tiefenabhängige Vorbelastung und Lagerungsdichte für die 144
unsortiert abgelagerten Böden der Sandstandorte in
Abhängigkeit von der Bodenwasserspannung (n=129)
Abb. 55: Tiefenabhängige Vorbelastung und Lagerungsdichte für die 145
sortiert abgelagerten Böden der Sandstandorte in Abhängigkeit
von der Bodenwasserspannung (n=57)
Abb. 56: Tiefenabhängige Vorbelastung und Lagerungsdichte für die 146
Lehmstandorte in Abhängigkeit von der Bodenwasserspannung
(n=57)
Abb. 57: Tiefenabhängige Vorbelastung und Lagerungsdichte für die 148
Tonstandorte in Abhängigkeit von der Bodenwasserspannung
(n=62)
Abb. 58: Zusammenhang zwischen Lagerungsdichte und Vorbelastung für 151
nordrhein-westfälische Sandböden (n=107)
Abb. 59: Tiefenwirkung einer Druckzwiebel bei unterschiedlicher 153
Bodenbearbeitung (SOMMER 1998b)
Abb. 60: Radlasten und Kontaktflächendrücke der Hinterräder des an den 155
23 Standorten jeweils eingesetzten schwersten Schleppers
Abb. 61 : Radlast und Kontaktflächendrücke typischer Erntemaschinen 157
Abb. 62: Radlast und Kontaktflächendriicke typischer 157
Transportmaschinen
Abb. 63: Druckausbreitung für zwei verschiedene Schleppertypen mit 160
unterschiedlicher Bereifung und Radlast (Reifeninnendruck
1,5 bar)
XI
Abb. 64: Druckausbreitung für zwei verschiedene Schleppertypen mit 160
unterschiedlicher Bereifung und Radlast (Reifeninnendruck
0,8 bar)
Abb. 65: Druckausbreitung für verschiedene Köpfrodebunker (weicher 162
Boden)
Abb. 66: Gegenüberstellung von Bodendruck und Vorbelastung für 167
verschiedene Schlepper
Abb. 67: Bodendruck und Vorbelastung für verschiedene Ernte-und 168
Transportmaschinen
XII
Tabellen Seite
Tab. 1 : Beispiel für die Berechnung der Druckbelastbarkeit eines 34
Braunerde-Tschemosem nach PAUL (2004)
Tab. 2: Einschätzung der Verdichtungsgefährdung für einen nordrhein- 36
westfälischen Marktfruchtbetrieb nach dem Modell DBQ (LÜTKE
ENTRUP BECK 2005)
Tab. 3: Von Bodenschadverdichtung direkt betroffene Bodenfunktionen und 38
mögliche Parameter als Anzeiger (verändert nach LEBERT et al.
2004)
Tab. 4: Indikatorensystem und Schadensschwellenwerte zur Erkennung 38
einer Bodenschadverdichtung (LEBERT et al. 2004)
Tab. 5: Standortcharakterisierung 43
Tab. 6: Klassifizierung der Parameter zur Feldgefugeansprache 68
Tab. 7: Klassifizierung des Makroporenanteils am Bodenvolumen 69
Tab. 8: Klassifizierung der Lagerungsdichte 69
Tab. 9: Klassifizierung der Luftkapazität (LK) und der nutzbaren 70
Feldkapazität (nFK)
Tab. 10: Klassifizierung der gesättigten Wasserleitfähigkeit (kf) und der 71
Luftleitfahigkeit (koo)
Tab. 11: Klassifizierung der Vorbelastung 71
Tab. 12: Anteil der Bodenarten in NRW (GEOLOGISCHER DIENST 2004) 75
Tab. 13: Einteilung der Bodenarten in Bodenartenhauptgruppen nach KA5 76
(AG Boden 2005)
Tab. 14 Porengrößen Verteilung in Abhängigkeit von der 86
Bodenartenhauptgruppe für die Untersuchungstiefen Krume,
Krumenbasts und Unterboden (n=2036)
Tab. 15: Bewertung des Bodengefügezustandes 46 landwirtschaftlicher 93
Flächen für drei Untersuchungstiefen nach definierten
Schadschwellen
Tab. 16: Zusammenhang zwischen physikalischen Kennwerten und der 117
Vorbelastung für n=43 Wertepaare in Abhängigkeit von der Boden-
wasserspannung
Tab. 17: Gleichungssysteme zur Berechnung der Vorbelastung bei pF 1,8 125
und pF 2,5 nach verschiedenen Regressionsmodellen
Tab. 18: Mess-und Schätzwerte sowie korrelative Beziehungen der 127
einzelnen Regressionsmodelle zur Abschätzung der Vorbelastung
für 2 Bodenwasserspannungen
XIII
Tab. 19: Vorbelastung in Abhängigkeit von der Bodenbearbeitung und der 142
Bodenwasserspannung flir 3 Untersuchungstiefen am Standort 14a-c
Tab. 20: Vorbelastung in Abhängigkeit von der Bodenbearbeitung und der 147
Bodenwasserspannung für 3 Untersuchungstiefen am Standort 9a+b
Tab. 21 : Vorbelastung in Abhängigkeit von der Bodenbearbeitung und der 149
Bodenwasserspannung für 3 Untersuchungstiefen am Standort
21a+b
Tab. 22: Maschinenspezifische Daten der an den 23 Standorten eingesetzten 154
Schlepper
Tab. 23: Spannweiten der tiefenabhängigen Druckausbreitung aller an den 23 158
Standorten eingesetzten Schlepper unter Berücksichtigung der
Bodenverhältnisse
Tab. 24: Tiefenabhängige Spannweiten der Druckausbreitung von Ernte- und 161
Transportmaschinen unter Berücksichtigung der Bodenverhältnisse
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