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Messung und Erfassung der Effekte von Befahrungen auf Bodendruck und -setzung, Bodenstruktur und verschiedene Bodenfunktionen sowie Regenwurmaktivität

Allein die Ergebnisse von Bodendruck und Bodenverformung können noch keine Aussagen über Veränderungen der Bodenstruktur und der wichtigen Bodenfunktionen liefern. Die zusätzliche Untersuchung von Bodenproben ergab, dass die Befahrung einen großen Einfluss auf Parameter, wie Lagerungsdichte, Luftkapazität und Wasserleitfähigkeit hat.

Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Projektphase von SoilAssist führten die Wissenschaftler*innen Feldversuche mit unterschiedlichen landwirtschaftlichen Maschinen und Verfahrensketten durch. Hierbei kommt das SASS und auch die Mehrkanal-Messvorrichtung zur Untersuchung von Bodendruck und Bodensetzung zum Einsatz. Zur Spezifizierung der Effekte von landwirtschaftlichem Feldverkehr auf Bodendruck und Bodensetzung, Bodenstruktur und Bodenfunktionen führen wir Feldversuche zu unterschiedlichen Erntekampagnen (Winterweizen, Silomais und Zuckerrübe) im Sommer und Herbst sowie zur Gärrestausbringung im Frühjahr durch. Vor den jeweiligen Erntekampagnen werden Handernten durchgeführt, um den Ertrag der jeweiligen Feldfrucht im Vorfeld zu bestimmen.

Fahrzeuge

Untersucht wurden ein Mähdrescher, eine Häckselkette (Maishäcksler, Traktor mit Front- und Seitmulcher, Traktor mit unterschiedlichen Silowagen) bei der Silomaisernte und ein dreiachsiger Rübenroder. Zur Gärrestausbringung wurden mehrere Ausbringtechniken miteinander verglichen. Zum Einsatz kamen ein Traktor mit Tandem-Güllefass ohne Einarbeitung, ein Gülleselbstfahrer mit Hundeganglenkung und Gülleschlitzgerät und ein Traktor mit Gülleverschlauchung und Grubberinjektion. In der zweiten Projektphase konnten wir zudem einen Traktor mit Tridemgüllefass untersuchen.

Bei diesen untersuchten landwirtschaftlichen Maschinen handelte es sich um typische Mechanisierungen, wie sie in unserer Versuchsregion eingesetzt werden. Alle Maschinen wurden nach der "guten fachlichen Praxis" eingesetzt und die Reifeninndrücke waren stets an die Bodenverhältnisse angepasst.

Jeweils vor und nach der Befahrung (unbefahren/befahren) nehmen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ungestörte Stechzylinderproben in den Tiefen 20, 35 und 50 cm Tiefe und untersuchen sie anschließend im bodenphysikalischen Labor, um Bodenstruktur- und Bodenfunktionsänderungen aufgrund der Befahrung mit den Maschinen zu registrieren.

Witterung

Im ersten Projektjahr 2016 war es sehr trocken. Im Zeitraum von April bis Juni fielen lediglich 166 mm Niederschlag und in den Sommermonaten 137 mm. Unter diesen Bedingungen war der Boden in allen Tiefen sehr fest und trocken, was die Probenahme der ungestörten Stechzylinder erschwerte. Im Jahr 2017 war der Boden auf den untersuchten Ackerschlägen sehr feucht. Zwischen April und Juni fielen 206 mm Niederschlag. Besonders in den Sommermonaten wurden große Niederschlagsmengen von 406 mm verzeichnet. Aufgrund dessen war der Boden zu den Haupterntekampagnen sehr feucht. Der Wassergehalt lag in allen Bodentiefen häufig oberhalb der Feldkapazität. Entsprechend waren die Zeitfenster für eine bodenschonende Befahrung sehr klein. Das dritte Projektjahr 2018 war von einer langen Dürreperiode gekennzeichnet. Von April bis Juli fielen lediglich 142 mm Niederschlag. Eine Bodenprobenahme war in diesem Jahr nicht möglich, da die Beschaffenheit des Bodens bis in 50 cm so trocken und fest war, dass Stechzylinder nicht in den Boden eingeschlagen werden konnten. Auch in 2019 (2. Projektphase) waren die Sommer- und damit Erntemonate von einer extremen Trockenheit gekennzeichnet. In diesen Monaten lag die Konzentration auf der Handernte der unterschiedlichen Kulturen und der Messung mit dem SASS.

Bioporen

Auf den vier untersuchten Ackerschlägen der SoilAssist Versuchsflächen befinden sich in allen drei untersuchten Tiefen (20, 35, 50 cm) eine hohe Anzahl von Bioporen (> 1 mm), vor allem Regenwurmgänge. In 20 cm Tiefe befinden sich im unbefahrenen Bereich durchschnittlich 65 Bioporen/m². Die Anzahl der Gänge nimmt mit der Tiefe zu. Besonders in 50 cm Tiefe werden häufig mehr als 200 % mehr Bioporen registriert. Die große Anzahl dieser natürlichen Makroporen führte dazu, dass die gesättigte Wasserleitfähigkeit teilweise sehr hohe Werte aufwies, auch nach der Befahrung mit einer Maschine. Die Abnahme der Anzahl der Bioporen nach der Befahrung war gering (10 % in 20 cm Tiefe). Im Unterboden wurden 2-4 % weniger Bioporen gezählt.

Einfluss verschiedener Mechanisierungen bei der Gärrestausbringung ...

Trotz hoher Bodenfeuchten im Frühjahr kann die Gärrestausbringung in den meisten Jahren bodenschonend erfolgen, wenn eine an die aktuellen Bodenverhältnisse angepasste Technikvariante, wie beispielsweise die Gülleverschlauchung gewählt wird.

Die im Frühjahr häufig vorherrschenden feuchten Bodenbedingungen im Bereich der Feldkapazität können dazu führen, dass es bei der Ausbringung von Gülle und Gärresten zu einer Verschlechterung der Bodenstruktur und Schädigung von Bodenfunktionen durch die eingesetzten Maschinen kommt. Diese weisen häufig hohe Radlasten in Kombination mit Mehrfachüberrollungen in der gleichen Spur auf. Bei den Untersuchungen in der 1. Projektphase kamen ein herkömmliches Güllefass mit Traktor, ein Gülleselbstfahrer und ein Traktor mit Gülleverschlauchung zum Einsatz. Bei diesen Ausbringtechniken handelt es sich um typische Mechanisierungen unserer Versuchsregion.

Mit den geringsten Werten für Bodendruck und plastischer Bodensetzung war die Gülleverschlauchung die bodenschonendste Ausbringtechnik. Für die Parameter Luftkapazität und gesättigte hydraulische Leitfähigkeit wurden die höchsten Werte gemessen. Aufgrund der bodenschonenden Hundeganglenkung und einem an die aktuellen Verhältnisse des Bodens angepassten Reifeninnendruck erzeugte auch der Gülleselbstfahrer trotz hoher Radlasten nur eine geringe plastische Setzung in 20 cm Tiefe. Fährt die gleiche Maschine nicht spurversetzt, sondern in einer Spur, verursacht sie eine deutlich höhere Setzung in 20 und 35 cm Tiefe und geringere Werte für die Luftkapazität und die gesättigte hydraulische Wasserleitfähigkeit. Den größten negativen Einfluss auf die Bodenfunktionen und die Bodenstruktur sowie die höchsten Werte für Druck und Setzung verursacht das konventionelle Tandem-Güllefass mit Schlepper. Eine Bodensetzung wurde auch im Unterboden in 50 cm Tiefe registriert. Der Grund hierfür ist die Kombination aus hohen Radlasten und einer hohen Überrollanzahl. In der 2. Projektphasewurde der gleiche Versuch bei gleichem Bodenfeuchtegehalt wiederholt, um eine größere Datengrundlage zu erhalten. Zusätzlich kam auch ein Traktor mit Tridemgüllefass zum Einsatz. Die Ergebnisse des zweiten Versuches untermauern die Ergebnisse aus dem ersten Versuch. Trotz einer höheren Radlast und einer zusätzlichen Überrollung in der gleichen Spur verursachte der Traktor mit Tridemgüllefass keine größere plastische Setzung im Vergleich zum Tandemgüllefass. Auch konnte zwischen den beiden Güllefassvarianten kein signifikanter Unterschied bei den Bodenparametern Trockenrohdichte oder Luftkapazität festgestellt werden.

Einfluss eines Mähdreschers bei der Winterweizenernte ...

Die zunehmend heißen und niederschlagsarmen Sommer führen zu einer trockenen und festen Bodenstruktur. Dies führt einerseits zu negativen Auswirkungen auf die Kulturpflanzen mit Ertragsrückgängen. Andererseits erhöht sich die Tragfähigkeit des Bodens, sodass schwere Maschinen besser abgestützt werden können.

Die Weizenernte im ersten Projektjahrfand unter sehr trockenen Bodenverhältnissen statt. Die Bodenprobenahme im Vorgewende wurde an einer Stelle durchgeführt, an der im Vorjahr die Zuckerrübenmiete gelagert wurde. Im Vorgewende zeigten sich auch im unbefahrenen Zustand eine hohe Trockenrohdichte, sehr niedrige Werte für Luftkapazität sowie, besonders im Oberboden, niedrige Werte für die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit. Die Auswirkungen des eingesetzten Mähdreschers wurden während und nach einer achtfachen (Vorgewende) sowie zweifachen Überrollung (Kernfeld) untersucht. Nach der achtfachen Überrollung des Mähdreschers mit einer kumulierten Radlast von 34 t mit vollem Korntank wurde keine weitere Verschlechterung der Bodenstruktur und Bodenfunktionen registriert. Dies lag vor allem an den trockenen und festen Bodenbedingungen. Trockener und fester Boden ist tragfähiger als feuchter Boden, sodass die Befahrung mit dem Mähdrescher in 2016 kaum Einfluss auf die Bodenstruktur und die Bodenfunktionen im Kernfeld hatte. Im Vorgewende wurde aufgrund des Abbunkerns der Zuckerrüben im Vorjahr und der damit verbundenen hohen Überrollanzahl mit dem Rübenroder sowie der Lagerung der Zuckerrübenmiete ein negativer Einfluss auf die Bodenstruktur und die Bodenfunktionen festgestellt.

Im Gegensatz zu 2016 wurde die Winterweizenernte in 2017 unter sehr feuchten Bodenbedingungen durchgeführt. Der aktuelle Wassergehalt lag in allen drei Bodentiefen im Bereich der Feldkapazität und darüber. Die höchsten Trockenrohdichten im unbefahrenen Zustand wurden im Vorgewende registriert. Die achtfache Überrollung mit dem Mähdrescher im Vorgewende führte zu einem Anstieg der Dichte in 20 und 35 cm Tiefe. Im Vergleich zum Vorgewende wurden im unbefahrenen Kernfeld die niedrigsten Trockenrohdichten gemessen. Die zweifache Überrollung mit dem Mähdrescher hatte einen Anstieg der Dichte in allen drei Tiefen zur Folge. Auch in Bezug auf die Luftkapazität zeigte sich eine Abnahme der Werte nach der Befahrung sowohl im Kernfeld als auch im Vorgewende. Besonders im Kernfeld in 20 cm Tiefe wurde eine Abnahme der Luftkapazität von 37 % festgestellt, die auf eine Bodensetzung von 6 mm nach der zweifachen Überrollung zurückzuführen ist. Im Vergleich zu 2016 wurde festgestellt, dass der Mähdrescher mit vollem Korntank aufgrund der feuchteren Bodenverhältnisse einen größeren Einfluss auf die Bodenstruktur und die Bodenfunktionen hatte.

Einfluss der Häckselkette bei der Silomaisernte ...

Eine Kombination aus feuchten Bodenbedingungen bei der Ernte, hohen Radlasten und Mehrfachüberrollungen führen zu einer plastischen Verformung des Bodens. Vor allem Ernteketten, wie die Häckselkette bei der Silomaisernte können unter zu feuchten Bedingungen den Boden und seine Funktionen schädigen.

Bei der Silomaisernte haben sich die Wissenschaftler*innen aus Gründen des Bodenschutzes bewusst für ein Überladen des Häckselgutes am Feldrand entschlossen. Hierfür setzten wir eine Überlademaus oder auch einen Abschiebewagen ein, die den gehäckselten Mais auf wartende Transportfahrzeuge auf dem Feldweg überladen.

Die Befahrung mit der Maishäckselkette bestehend aus Maishäcksler, Schlepper mit Mulcher und Schlepper mit Silowagen (kumulierte Radlast ca. 30 t) bei der Silomaisernte hatte im Jahr 2017 aufgrund der höheren Bodenfeuchte den größten Einfluss auf die Bodenstruktur und Bodenfunktionen. In den trockenen Jahren 2016, 2018 und 2019 wurde eine geringe plastische Bodensetzung im Oberboden registriert. In den Tiefen 20 und 35 cm kam es in 2016 zu einer geringen Zunahme der Trockenrohdichte sowie einer geringen Abnahme der Luftkapazität. In 50 cm Tiefe konnte kein Einfluss festgestellt werden. Insgesamt stellten die Wissenschaftler*innen auch bei diesem Versuch fest, dass der Boden im trockenen Zustand deutlich tragfähiger ist. Im feuchten Jahr 2017 verursachte die Häckselkette im Oberboden eine plastische Verformung von mehr als 10 mm. Dort kam es zu einer Zunahme der Trockenrohdichte. Entsprechend nahm auch die Luftkapazität ab. In 50 cm Tiefe wurde bezüglich Bodendruck und -setzung sowie Bodenstruktur und -funktionen kein Einfluss festgestellt. Den größten Einfluss auf die Trockenrohdichte und die Luftkapazität hatte der Schlepper mit vollem Silowagen aufgrund der vierfachen Überrollung in Kombination mit einer hohen Radlast. Die größte mechanische Belastung wurde im Vorgewende festgestellt.

Der Überladeplatz im Vorgewende zeigte nach der Ernte deutlich eingeschränkte Bodenfunktionen und eine gestörte Bodenstruktur. In diesem Bereich fanden sich die höchsten Trockenrohdichten sowie die niedrigsten Werte für die Luftkapazität und die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit. Der Bereich des Überladens auf Transportfahrzeuge wird zwar stark beeinträchtigt; durch das Überladen am Feldrand kann der Schlepper mit Silowagen auf dem Feld jedoch mit einem geringen und bodenschonenden Reifeninnendruck fahren. Das Kernfeld wird somit entlastet und lediglich in einem kleinen Bereich im Vorgewende ist die Belastung erhöht.

Bei der herkömmlichen Silomaisernte fahren die Traktoren mit Silowagen mit Straßenluftdruck, da sie das Häckselgut direkt vom Feld zur Biogasanlage bringen. Die Verwendung von zum Beispiel einer Überlademaus ermöglicht ein Fahren der Transportfahrzeuge mit geringem Reifeninnendruck und ist damit bodenschonender.

Einfluss eines selbstfahrenden dreiachsigen Rübenroders ...

Auch ein bis zu 60 t schwerer Rübenroder kann im Hundegang und geringem Reifeninnendruck bei geeigneten und nicht zu feuchten Bodenbedingungen bodenschonend eingesetzt werden. Nach ausgiebigen Niederschlägen und einem feuchten und wenig tragfähigen Boden jedoch sollte diese Maschine im Sinne der "guten fachlichen Praxis" nicht eingesetzt werden bzw. der Erntetermin möglichst angepasst werden.

Bei der Zuckerrübenernte kam in der ersten und zweiten Projektphase ein dreiachsiger Rübenroder zum Einsatz. Untersucht wurde in 2016 neben dem unbefahrenen Vorgewende und Kernfeld der Rübenroder mit vollem und halbvollem Bunker. Nach der Ernte wurde im Vorgewende direkt vor der Rübenmiete, wo das Abbunkern der Rüben stattfand, eine Bodenprobenahme durchgeführt. Den größten Einfluss auf den Boden hatte der Rübenroder mit vollem Bunker (ca. 10 t Radlast). Hier wurde in 20 cm Tiefe der höchste Bodendruck und eine plastische Setzung von 6,5 mm gemessen. In 35 cm Tiefe konnte ein geringer Einfluss gemessen werden. In 50 cm Tiefe war kein Einfluss mehr messbar. Die Befahrung mit vollem Bunker hatte eine geringfügige Zunahme der Trockenrohdichte in 20 und 35 cm Tiefe zur Folge sowie eine Abnahme der Luftkapazität im Oberboden. Die Befahrungsvariante Roder mit halbvollem Bunker (ca. 8 t Radlast) verursachte entsprechend einen geringeren maximalen Bodendruck sowie eine geringere plastische Setzung. Auch bei dieser Variante kam es zu einer Zunahme der Trockenrohdichte sowie zu einer Abnahme der Luftkapazität in 20 cm Tiefe.

Die größte Beeinträchtigung der Bodenstruktur und Bodenfunktionen wurde im Vorgewende direkt vor der Rübenmiete festgestellt. Dort kam es sowohl zu einer Zunahme der Trockenrohdichte als auch zu einer starken Abnahme der Luftkapazität. Die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit sank in 20 und 35 cm Tiefe um nahezu 100 %, sodass Werte < 1 cm pro Tag festgestellt wurden. Auch im Unterboden in 50 cm Tiefe sank die Leitfähigkeit stark um 68 %. Aufgrund der hohen Radlast des vollen Rübenroders in Kombination mit der hohen Überrollanzahl durch das wiederholte Abbunkern wurde der Boden bis in 50 cm Tiefe stark beeinträchtigt. Die Kollegen der CAU registrierten Maximalwerte von bis zu 200 Überrollungen während der Ernte in Teilen des Vorgewendes. Diese Störungen der Bodenstruktur und der Bodenfunktionen konzentrieren sich jedoch auf einen Bereich im Vorgewende und treffen nicht auf den Kernfeldbereich zu.

Um den genauen Einfluss des Rübenroders auf Bodendruck und Bodensetzung im Vorgewende zu untersuchen, fand im Jahr 2019 eine Wiederholung dieses Versuches statt. Hierfür berechneten die Kollegen der CAU die mittlere Überrollhäufigkeit im Vorgewende vor der Rübenmiete. Durchschnittlich 18 Überrollungen, also 6 Überfahrten mit dem Roder, finden vor der Rübenmiete statt. Das führte zu einer plastischen Setzung von 10 mm im Oberboden. Auch im Unterboden konnte eine plastische Setzung festgestellt werden (ca. 5 mm in 35 cm und 3 mm in 50 cm Tiefe). Die Auswirkungen dieser Bodensetzungen auf die Bodenstruktur und die -funktionen liefern die Ergebnisse der Bodenproben. Diese befinden sich derzeit zur Untersuchung im bodenphysikalischen Labor.

Fotos

Gärrestausbringung

Winterweizenernte

Silomaisernte

Zuckerrübenernte

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