Landtechnische Methoden zur Erfassung von Bodenverdichtungen | Agricultural Engineering Approaches for the Detection of Soil Compaction

Die nachhaltige Nutzung landwirtschaftlicher Böden und der Erhalt ihrer Produktions-, Lebensraum- und Regelungsfunktionen sind die Grundlage der Ernährungssicherung einer wachsenden Weltbevölkerung. Durch unsachgemäße Bodennutzung können Böden in ihrer Funktion gestört werden und Ertragsdepressionen resultieren. Starke mechanische Beanspruchung, bspw. langjährigen Pflugeinsatz oder die Befahrung mit schweren landwirtschaftlichen Maschinen unter ungünstigen Bedingungen können zu Bodenverdichtungen führen, die sich insbesondere in tieferen Bodenschichten nur langsam oder gar nicht regenerieren.Im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojektes sollten daher methodische Ansätze auf ihre Anwendbarkeit zur Erfassung von Bodenverdichtung untersucht werden. Die Erfassung des Eindringwiderstandes, also jener Kraft, die der Boden einer Sondenspitze entgegenbringt, ist ein anerkanntes Verfahren, um schnell Aussagen über die mechanischen Bodeneigenschaften in situ erheben zu können. Neben meist handgeführten Geräten (Vertikalpenetrometer, VP) zur Erfassung vertikaler Eindringwiderstände (vEW) sind in der Literatur traktorgezogene Horizontalpenetrometer beschrieben, die die großflächige Erfassung von Eindringwiderständen ermöglichen.Im Rahmen des agrartechnischen Ansatzes des Forschungsprojektes wurde das Horizontalpenetrometersystem TASIS entwickelt, dass den horizontalen Eindringwiderstandes (hEW) in drei Tiefen erfasst. Auf konservierend (kons.) und konventionell (konv.) bewirtschafteten Flächen in Schleswig-Holstein (SH, Geschiebemergel) und Nordrhein-Westfalen (NRW, Löss) wurden unter definierten Bedingungen mechanische Belastungen in sechs Varianten bestehend aus drei Radlasten (3,3Mg, 6,3Mg, 7,5Mg) mit je zwei unterschiedlichen Reifeninnendrücken in einem geordneten Versuchsdesign angelegt und über einen Zeitraum von drei Jahren beprobt. Befahrungen fanden unter feuchten Bedingungen an zwei Terminen im Jahr (Frühjahr, Herbst) statt. Die Ergebnisse der TASIS-Messungen wurden mit Vertikalpenetrometermessungen und eigenen bodenkundlichen Untersuchungen sowie solchen des Projektpartners verglichen, um Möglichkeiten und Grenzen der Methodik zu bestimmen.Vertikalpenetrometermessungen zeigten, dass auf beiden konventionell bewirtschafteten Flächen eine ausgeprägte Pflugsohle anzutreffen war. Ausgeprägte Effekte einer mechanischen Belastung konnten anhand von Vorher-Nachher-Vergleichen nur nach unmittelbar zuvor erfolgter wendender Bodenbearbeitung (BB) und nach starken Niederschlagsereignissen ermittelt werden und begrenzten sich auf die oberflächennahen Bodenschichten bis 27 cm. Über den Versuchszeitraum konnten keine kumulativen Effekte durch mechanischen Lasteintrag identifiziert werden. Eine Differenzierung der eingebrachten mechanischen Auflasten anhand des vEW war auch auf den steinfreien Lössstandorten kaum möglich.Der konstruktive Ansatz von TASIS ermöglichte, mit leichten Einschränkungen bei starkem Vegetationswuchs, auf allen Standorte eine sichere Messwerterfassung. Über die Datenaufnahme in drei Messtiefen (5 - 14 cm, 18 - 27 cm, 30 - 39 cm) konnte die Bewirtschaftungspraxis der einzelnen Flächen erfolgreich abgebildet werden. Auf Geschiebemergel mit hohem Grobbodenanteil konnten nur teilweise stetig ansteigende hEW in Abhängigkeit der erfolgten mechanischen Belastung ermittelt werden.Auf den verfahrenstechnisch günstigeren Lössstandorten konnten an allen Terminen abgestufte Effekte entsprechend dem Lasteintrag ermittelt werden, die sich bei konservierender BB auf die Messtiefenbereiche bis 27 cm beschränkten, während bei konventioneller BB Einflüsse bis in 39 cm Tiefe nachzuweisen waren. Für 2008 wurden für diese gepflügte Flächen in 30 - 39 cm sinkende hEW mit steigender Last festgestellt. Eine belastbare Erklärung konnte für dieses Phänomen nicht gefunden werden. Mehrfachüberfahrungen führten zu einer weiteren Erhöhung des hEW und waren auch bei konservierender BB bis in Tiefen von 39 cm nachweisbar. Diese Ergebnisse korrespondieren mit den detaillierten bodenkundlichen Untersuchungen es Projektpartners. Einfaktorielle Änderungen von Radlast oder Reifeninnendruck innerhalb der Versuchsandordnung zeigten die Systemgrenzen von TASIS auf und konnten nur in Ansätzen und auf den Lössstandorten dargestellt werden. Der wiederholte Einsatz von TASIS an derselben Stelle in darauffolgenden Jahren zeigte, dass das System einen Eingriff in das Bodengefüge darstellt, der sich auf konservierend bewirtschafteten Flächen stärker ausprägte.Korrelationen von vEW und hEW waren gering (r = 0,60) und unterschieden sich stark in Abhängigkeit von Fläche und Messtiefe. Der ermittelte Ruhedruckkoeffizient [K0] bewegte sich bei allen Messungen im Bereich normalverdichteter Böden und konnte genutzt werden, um die Ergebnisse der bodenkundlichen Untersuchungen zu stützen, nach denen eine verstärkte Lastabstützung bei konservierenden BB in oberen Bodentiefen und bei konventioneller BB in tieferliegenden Schichten stattfindet.Stark belastete Feldbereiche, die innerhalb der TASIS-Daten eine exponierte Stellung einnahmen, konnten in einer nachfolgenden bodenkunflichen Untersuchung als schadverdichtet nach dem Indikatorenmodell von LEBERT ET AL. (2004) angesprochen werden. Ein Einsatz von TASIS zur Identifizierung gefährdeter Bereich kann eine gezielte bodenkundliche Flächenbeprobung ermöglichen.Anhand der TASIS-Ergebnisse kann ein großer Teil der ausformulierten Anforderungen an eine gute fachliche Praxis zur bodenschonenden Befahrung nachvollzogen werden. Der Schutz der Böden erfordert ein Drehen an vielen Stellschrauben und ein Bewußtsein für die Bedeutung der Erhaltung dieses Gutes.

Sustainable use of arable soil is essential for world food security. Soil degradation by over-compaction is counteracting this goal. Long-term conventional tillage (plough) and heavy agricultural machinery use under wet soil conditions put arable soils at harm.An interdisciplinary research project was launched in order to assess the effect of mechanical stress induction on arable soils and to evaluate different methods of identifying the impact on soils.Vertically operated cone penetrometers (VP) have been in use for many years to allow an in situ assessment of soil conditions. Also horizontally operated penetrometers have been described by different authors. In line with project goals the multi-sensor penetrometer-system TASIS has been developed, enabling data acquisition of penetration force in three depths simultaneously. A large scale field experiment design was implemented taking into account two different soils (loess, soils derived from glacial till deposits), both concervation (mulch) and conventional (plough) tillage, three wheel loads (3.3Mg, 6.3Mg, 7.5Mg) with two different tire inflation pressures (high, low) applied at each load. Wheeling was conducted under wet soil conditions twice a year.VP results identified the long term tillage effect on soil layer characteristics. Distinct effects of mechanical stress induction on penetration resistance could be shown either shortly after ploughing or with a severe change of soil water conditions. Sophisticated results in terms of wheel load or tire inflation pressure could not be identified. Accumulating effects of soil compaction over project run time was not observed with VP measurements.TASIS successfully identified layers of different degrees of compactness. A considerable stone fraction in till deposits limited the identification of compacting effect of distinct mechanical stress induction. Loess soils proved to be more susceptible to TASIS measurements. At all dates gradual effects according to the mechanical stresses applied could be identified. With conservation tillage those effects were limited to soil depths of 28 cm or less, while ploughed fields were impacted down to 39 cm. Repeated wheeling resulted in increasing horizontal penetration resistance unto depth of 39 cm also on conservation tillage plots. Repeated use of TASIS in the same slot revealed a soil disturbing effect of the system, which has to be considered specially on conservation tillage field.All results match to a good part with results of the soil physics measurements. Effects of either wheel load alteration or tire inflation pressure alteration could not be distinctly identified by TASIS, but with soil physical analysis. Small alteration of either load or tire inflation pressure show the technical limitations of the system.Calculation of the coefficient of earth pressure at rest [K0] suggest that with conservation tillage vertical stresses are transferred to the horizontal plane in soil layers near the surface, whilst on ploughed plots stresses propagate to deeper soil layers.TASIS proved to be more sensitive to mechanical stress induction than established VP-methodology. Peculiar field plots identified by TASIS data showed to be over-compacted when analyzed by soil physical methods. Hereby foundations are laid to use work and cost-intensive soil physical analysis more selectively by pre-assesing field using TASIS.