Auftretende Kräfte und physikalisch-mechanische Auswirkungen bei Kontakt zwischen Fahrwerken/Reifen landwirtschaftlicher Maschinen und ausgewählten Ackerflächen-Bodengefügen

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In der Landwirtschaft ist der Boden neben Pflanzenstandort auch Fahrbahn für landwirtschaftliche
Fahrzeuge. Durch die intensive Mechanisierung der pflanzlichen Produktion im
20. Jahrhundert sind zunehmend mechanische Belastungen als Folge stark gestiegener
Fahrzeuggesamtmassen bedeutend. Das Zusammenwirken von Fahrwerk und Boden während
der Befahrung beeinflusst das Bodengefüge im Kontaktbereich in Form von Verdichtungen.
Verdichtungen, die nachhaltigen negativen Auswirkungen auf die natürliche Bodenfruchtbarkeit
nach sich ziehen, werden als Bodenschadverdichtungen bezeichnet und stehen
im Widerspruch zu den Zielen des Bundesbodenschutzgesetzes. Disziplinübergreifend
gelten dabei vor allem die tiefreichenden Unterbodenschadverdichtungen als besonders
problematisch. Diese werden durch jährlich wiederkehrende Bodenbearbeitungsmaßnahmen
nicht und auch durch natürliche biotische und abiotische Umweltfaktoren nur über längere
Zeiträume gelockert. Die Aktualität der Problematik Unterbodenschadverdichtung basiert
zudem auf einem fortwährenden Wissenschaftsstreit bezüglich der Entstehungsmechanismen
sowie der daraus abgeleiteten Strategien zu deren Vermeidung.
Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist deshalb eine intensive Auseinandersetzung mit den
grundlegenden bodenphysikalisch-mechanischen Wechselwirkungen von Belastung, Beanspruchung,
Gefügestabilität und Verformungsverhalten. Durch die detaillierte, im Literaturteil
durchgeführte Darstellung der mechanischen Wechselwirkungen von bodenexogenen und
bodenendogenen Belastungsfaktoren wird zu einem naturwissenschaftlich basierten Verständnis
für die Entstehungsmechanismen von Bodenschadverdichtungen beigetragen. Dabei
wird die Komplexität der Interdependenz der Belastungsfaktoren bei der Entstehung von
Bodenschadverdichtungen hervorgehoben, nicht zuletzt wegen der Vielzahl der Faktoren
und deren Interaktion.
Ausgehend von diesen grundlegenden Erkenntnissen ist ein weiteres Ziel die rechnerische
Quantifizierung der mechanischen Belastung beim Fruchtartenanbau unter deutschen
Pflanzenproduktionsverhältnissen. Zur Abbildung der Pflanzenbaupraxis in der BRD werden
Fruchtarten entsprechend ihrer Anbaubedeutungen ausgewählt, fruchtartenspezifische Produktionsprozesse
in Abhängigkeit der drei bedeutenden Bodenbearbeitungssysteme geplant
und drei beispielhafte Mechanisierungsvarianten unterschiedlichen Leistungsvermögens
zusammengestellt. Die Beschreibung der mechanischen Belastung des Ackerbodens durch
die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion erfolgt anhand der Belastungsfaktoren Überrollhäufigkeit,
Spurflächensumme, Radlast und Kontaktflächendruck, indem ihre flächige Verteilung
auf der Ackerfläche ermittelt wird. Durchgeführt wird dabei die Differenzierung
zwischen Kernfläche und Vorgewende. Dies gelingt durch die Erstellung eines Berechnungsmodells
zur Simulation der Fahrzeugbewegung während der Bewirtschaftungsmaß256
nahmen und Wendevorgänge auf dem Vorgewende, sowie durch die exakte Bestimmung
der Radspurlagen in Abhängigkeit technischer Fahrzeugparameter. Durch die Berücksichtigung
von Rollwiderstand, Stützkraft, Zugkraftbedarf, Zugpunktlage und Bunkerfüllung können
reale Radlasten und mittlere Kontaktflächendrücke fahrzeug- und maßnahmenspezifisch
ermittelt und den Fahrspuren zugeordnet werden.
Die Auswertung zeigt das fruchtartenspezifische Reduktionspotential der mechanischen
Bodenbelastung über die gesamte Ackerfläche durch die Minderung der Bodenbearbeitungsintensität
und der Verwendung leistungsfähigerer Verfahrenstechnik mit größeren Arbeitsbreiten.
Bedingt durch den Fahrwerksaufbau und die Arbeitsbreiten beim Einsatz leitungsfähigerer
Mechanisierungsvarianten (Verfahrenstechnik) nimmt die unbefahrene Fläche absolut
zu, gleichzeitig nehmen die Spurflächensumme sowie die prozentualen Flächenanteile
der Klassen hoher Überrollungshäufigkeiten, Radlasten und Kontaktflächendrücke ab. Durch
die Reduktion der Bodenbearbeitungsintensität lassen sich innerhalb der Mechanisierungsvarianten
die durch die Bodenbearbeitung belasteten Flächenanteile in gleicher Weise
schonen, während die durch Ernte- und Transportfahrzeuge belasteten Flächenanteile unbeeinflusst
bleiben. Auf dem Vorgewende sind die Überrollungshäufigkeit sowie die Spurflächensumme
ca. doppelt so hoch wie auf der Kernfläche. Auch die prozentualen Flachenanteile
der Klassen hoher Radlasten und Kontaktflächendrücke sind größer als auf der Kernfläche.
Es kann gezeigt werden, wie durch die Verwendung moderner Bewirtschaftungsverfahren
eine schnelle und weitreichende Schonung des Bodens erreicht werden kann.
Im Kapitel Diskussion werden vor dem Hintergrund der bodenphysikalischen und bodenmechanischen
Grundlagen (Kapitel 2) die Wechselwirkungen bodenexogener und bodenendogener
Belastungsfaktoren bei der Entstehung von Bodenschadverdichtungen anhand
physikalischer Größen kritisch betrachtet. Es werden Unzulänglichkeiten bei den bisher
genutzten und standardisierten Untersuchungsmethoden herausgearbeitet. Die eindeutige
Identifikation der Wirkungskette von Belastung, Beanspruchung, Gefügestabilität, Verformungsverhalten
und Auswirkung in Form von Bodenschadverdichtungen mittels
physikalischer Größen erscheint noch unzureichend gelöst. Die Ableitung gesetzlicher
Regelungen für einen zielgerichteten und wirkungsvollen physikalischen Bodenschutz auf
der Basis der bisher ermittelten und veröffentlichten Ergebnisse ist infolgedessen zu hinterfragen.
Abschließend werden in der Diskussion durch theoretische Überlegungen zur
Spannungsfortpflanzung im Boden und mechanischen Bodenbelastung im Fruchtartenanbau
technische und strukturelle Möglichkeiten zur Bodenschonung erarbeitet.