Bodenverdichtung - Ziele und Forschungsansatz
Ziele:
Das generelle Ziel dieses Arbeitspaketes ist das Nachvollziehen und das Verfolgen einer mechanischen Bodenbelastung durch dynamische Radlasten bei der Überfahrt von der jeweiligen Maschine an der Bodenoberfläche bis in den Unterboden und die Spezifikation der Effekte auf die Bodenfunktionalität in geschichteten Böden. Hierzu werden u.a. verschiedene und z.T. neue Ansätze und Methoden entwickelt und eingesetzt sowie mit bewährten Verfahren kombiniert.
Forschungsansatz und Methoden:
Erfassung der Status quo Situation von Bodenverdichtungen und Bodenstrukturschäden in Deutschland und von Strategien zu deren Minderung und Vermeidung
© Marco Lorenz, Thünen-Institut
- Identifizierung und Bewertung der Haupteinflussfaktoren und -parameter für Bodenverdichtungen und Bodenstrukturschäden in Deutschland
- Zusammenstellung und Auswertung von verfügbarer Literatur, Daten von Dauerbeobachtungsflächen und Status quo Erhebungen bzw. Einschätzungen aus verschiedenen Bundesländern
- Charakterisierung der beteiligten landwirtschaftlichen Betriebe hinsichtlich ihrer Grundlagen, Ausstattung und Randbedingungen (z.B. Böden, Fruchtfolgen, Bodenbearbeitung, Mechanisierung etc.)
- Zusammenstellen von Strategien zur Vermeidung von Bodenverdichtungen und Bodenstrukturschäden bei unterschiedlicher Bewirtschaftung
- Verknüpfung der Verdichtungsempfindlichkeit der Böden bei unterschiedlichen Zuständen mit der mechanischen Belastung durch die landwirtschaftliche Maschine bzw. Arbeitskette (in enger Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt: Maßnahmen zum nicht-stofflichen Bodenschutz in der Landwirtschaft: Akzeptanz und Implementierung)
- Arbeiten bilden Grundlage für die Teilprojekte:Sozio-ökonomische Bewertung, Optimierung von Landnutzungs- und Managementstrategien und Entwicklung und Erstellung von Handlungsempfehlungen
Entwicklung einer ‘on-the-fly sensor system platform‘ und einer Messapparatur zur einfachen, simultanen Messung von Bodendruck und -setzung in unterschiedlichen Bodentiefen
© Marco Lorenz
- Entwicklung der ‘sensor system platform‘ baut auf Vorarbeiten des Thünen-Instituts für Agrartechnologie auf und besteht aus 5 Sensoren
- Ein Sensor befindet sich in jeder Felge zur Bestimmung der Reifeneinfederung und des Reifeninnendruckes und ein Sensor unter der Hinterachse
- Aus gemessenen Werten lassen sich Radlast und Spurtiefe ermitteln
- Erweiterung und Anpassung des bereits bestehenden Systems und Integration in das Assistenzsystem
- Hierdurch wird es möglich Aussagen zur Kontaktfläche jedes einzelnen Reifens und dessen Kontaktflächendruck abzuleiten, um so eine Verknüpfung zum Boden und der Modellierung von Bodendruck und -setzung bis in den Unterboden zu ermöglichen
- Ableitung von Lageparametern der Maschine z.B. in Hanglagen sowie Integration einer dynamischen Erntemengenermittlung etc.
- Neuentwicklung der Bodendruckmessung und eine Kombination mit einem verbesserten Setzungsmesssystem notwendig
- Grundlage für die Verknüpfung von Bodendruck- und ‑setzungsmessungen mit Veränderungen der Bodenstruktur und -funktionalität, die Ableitung von praxistauglichen Handlungsempfehlungen und die Modellierung von Bodendruck und -setzung und damit für die Entwicklung eines 3D Bodenmodells als Grundlage des Assistenzsystems
Messung und Erfassung der Effekte von Befahrungen auf Bodendruck und -setzung, Bodenstruktur und verschiedene Bodenfunktionen sowie Regenwurmaktivität
© Berthold Ortmeier, Thünen-Institut
- Anhand von definierten Befahrungsversuchen werden umfangreiche Bodenuntersuchungen durchgeführt, um die Effekte des landwirtschaftlichen Fahrverkehrs auf Ackerböden, Bodenstruktur und ‑funktionalität genauer zu spezifizieren
- Dazu werden auf dem untersuchten Feld die Flächen unterschiedlicher Bodenbelastung identifiziert und die jeweiligen Daten von der Maschine bis in den Unterboden aufgenommen und analysiert
- Messungen zu Bodendruck und -setzung
- Entnahme von ungestörten Stechzylindern aus unterschiedlichen Bodentiefen in Abhängigkeit von der Bodenschichtung und Analyse im Labor
- Bodenbeprobung findet sowohl vor als auch nach der Befahrung statt, um die Veränderungen des Bodens und dessen Funktionen durch Befahrung genauer identifizieren zu können
- Feldparameter: Bodentyp, Horizontierung, Schichtungen, Feldgefügeansprache, Eindringwiderstand, Bodenfeuchtemessungen, Regenwurmaktivität, elektrische Leitfähigkeit, Infiltrationsmessungen, Variabilitäten im Feld
- Laborparameter (gestörte Bodenproben): Korngrößenverteilung, Humus-/Kohlenstoffgehalt, Aggregatstabilität und -größe, Kationenaustauschkapazität, pH-Wert
- Laborparameter (ungestörte Stechzylinder): Trockenrohdichte, Partikeldichte, Bodenfeuchte, Porengrößenverteilung, pF-Funktion, Parameter des Bodenwasserhaushaltes (Luftkapazität, Feldkapazität, nutzbare Feldkapazität, pflanzenverfügbares Bodenwasser, permanenter Welkepunkt), gesättigte Wasserleitfähigkeit, ungesättigte Luftleitfähigkeit
- Aus den Parametern werden Änderungen in Bodenstruktur und -funktionalität durch die jeweilige Befahrung bzw. Bodenbelastung abgeleitet
- Ergebnisse werden für Modellierung und Erstellung von Handlungsempfehlungen für bodenschonendes Befahren verwendet
Modellierung von Bodendruck und Bodensetzung (Bodendeformation) für geschichtete Böden und deren Effekte auf Bodenstruktur und verschiedene Bodenfunktionen
© Marco Lorenz
- Derzeit verfügbare Modelle sind nicht in der Lage zum einen Schichtungen im Boden adäquat abzubilden und zum anderen Bodendruck und Bodensetzung simultan zu modellieren
- Ziel ist die Entwicklung eines neuen Modellierungsansatzes, der es ermöglicht, geschichtete Böden mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich der Druckausbreitung, der resultierenden Bodenverformung und der elastischen und plastischen Setzungsprozesse bis in den Unterboden zu modellieren
- Im ersten Schritt: Verwendung von bereits vorhandenen Datensets und der Ergebnisse der Feldversuche zur Implementierung eines Grundmodells zur Tiefenmodellierung von Bodendruck und -setzung für geschichtete Böden
- Im zweiten Schritt: Integration der sensorisch erfassten Parameter als Start- bzw. Randbedingungen in das Modell
- Im dritten Schritt: Verwendung der Ergebnisse der Feld- und Laboruntersuchungen zur Verknüpfung der Modellergebnisse mit den Veränderungen der Bodenstruktur und ‑funktionalität, um später im Assistenzsystem die Auswirkungen der jeweiligen Befahrung auf den Boden abschätzen zu können
- Verknüpfung des Bodendruck/-setzungs-Modells mit dem räumlichen Modell zu einem 3D Modell
- 3D-Druck-Setzungs-Bodenfunktions-Modell zur flächenhaften Abschätzung von Bodenveränderungen aufgrund der aktuellen Befahrungs- und Bodensituation
- Verknüpfung mit Echtzeit-Sensorikdaten der ‘on-the-fly sensor system platform‘ Grundbaustein für das spätere Echtzeit-Assistenzsystem
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