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

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.