Naturland Ackerbautagung und 14. Januar 2016 in Würzburg

Transkript

1 Naturland Ackerbautagung und 14. Januar 2016 in Würzburg Sind unsere Ackerböden auch im ökologischen Landbau durch schwere Landmaschinen und Bodenbearbeitung bedroht? von Prof. Dr. Knut Schmidtke

2 Leergewicht/Radlast Gesamtgewicht mit vollem Bunker/Radlast 5 t/2.5 t 1.5 t/0.75 t seit 1980 seit 1955 Abb. 1: Gewichtsbelastung Zuckerrüben-Vollernter in den zurückliegenden 60 Jahren

3 Leergewicht/Radlast Gesamtgewicht mit vollem Bunker/Radlast 24 t/ 6 t 40 t/10 t 5 t/2.5 t seit t/0.75 t seit 1980 seit 1955 Abb. 1: Gewichtsbelastung Zuckerrüben-Vollernter in den zurückliegenden 60 Jahren

4 Leergewicht/Radlast Gesamtgewicht mit vollem Bunker/Radlast 24 t/ 6 t 40 t/10 t 27.5 t/4.6 t 54.0 t/9.0 t? 5 t/2.5 t seit 1993 seit t/0.75 t seit 1980 seit 1955 Abb. 1: Gewichtsbelastung Zuckerrüben-Vollernter in den zurückliegenden 60 Jahren

5 Bundesbodenschutzgesetz (1998) 1 Zweck des Gesetzes ist es, nachhaltig die Funktionsfähigkeit des Bodens zu sichern oder wiederherzustellen 17 Einhaltung der guten fachlichen Praxis zur nachhaltigen Sicherung der Bodenfruchtbarkeit und der Leistungsfähigkeit des Bodens als natürliche Ressource ( ) Bodenverdichtungen sind soweit wie möglich zu vermeiden

6 Was ist Bodenverdichtung?

7 Was ist Bodenverdichtung? Zustand gelockerte Ackerkrume großes Porenvolumen (%) niedrige Lagerungsdichte (g cm -3 ) rückverfestigte Ackerkrume vermindertes Porenvolumen (%) gestiegene Lagerungsdichte (g cm -3 )

8 Was ist Bodenverdichtung? Die aktuelle Lagerungsdichte des Bodens (Zustand) und die Zunahme der Lagerungsdichte des Bodens (Prozess) aufgrund von Lasteinwirkung auf den Boden

9 Eigenverdichtung des Bodens Vorverdichtung des Bodens

10 Überlockerte Krume Optimales PV in der Krume Porenvolumen (PV, in Vol. %) Zustand der Verdichtung nach Lasteinwirkung (Pressen) Aufgebrachte Last (t) Abb. 1: Prozesse der Bodenverdichtung (geändert nach Ehlers, 2001)

11 Überlockerte Krume Optimales PV in der Krume Proctor-PV Porenvolumen (PV, in Vol. %) Zustand der Verdichtung nach Lasteinwirkung (Pressen) Aufgebrachte Last (t) Abb. 1: Prozesse der Bodenverdichtung (geändert nach Ehlers, 2001)

12 Überlockerte Krume Optimales PV In der Krume Proctor-PV Porenvolumen (PV, in Vol. %) Zustand der Verdichtung nach Lasteinwirkung (Pressen) Zustand der Verdichtung nach Pressen, Scheren und Kneten Aufgebrachte Last (t) Abb. 1: Prozesse der Bodenverdichtung (geändert nach Ehlers, 2001)

13 Überlockerte Krume Optimales PV für Krume Proctor-PV Minimales PV in Böden Göttinger Praxisbetriebe Porenvolumen (PV, in Vol. %) Zustand der Verdichtung nach Lasteinwirkung (Pressen) Zustand der Verdichtung nach Pressen, Scheren und Kneten Aufgebrachte Last (t) Abb. 1: Prozesse der Bodenverdichtung (geändert nach Ehlers, 2001)

14 0 Spurtiefe 2 cm Porenvolumen [%] Tiefe [cm] Abb. 2: Einfluss der Einsinktiefe eines Rades auf die Tiefenfunktion der Porenabnahme im Boden (ohne seitliche Bodenverschiebungen nach Ehlers, 2002)

15 0 Spurtiefe 2 cm Spurtiefe 4 cm Porenvolumen [%] Tiefe [cm] Abb. 2: Einfluss der Einsinktiefe eines Rades auf die Tiefenfunktion der Porenabnahme im Boden (ohne seitliche Bodenverschiebungen nach Ehlers, 2002)

16 0 Spurtiefe 2 cm Spurtiefe 4 cm Spurtiefe 6 cm Porenvolumen [%] Tiefe [cm] Abb. 2: Einfluss der Einsinktiefe eines Rades auf die Tiefenfunktion der Porenabnahme im Boden (ohne seitliche Bodenverschiebungen nach Ehlers, 2002)

17 mechanische Bodenbelastung Radlast (t, N) Kontaktflächendruck (N m -2 ) Bodenbeanspruchung Bodendruck (kpa, bar) Bodenverdichtung (Prozess) (Differenz Bodendichte vor und nach der Belastung)

18 Radlast (kn) 26 2 x Aufstandsfläche (m²) 0,15 0,31 0,30 0,83 Kontaktflächendruck (N m -2 ) 1,73 x ,84 x ,87 x ,31 x 10 5 Reifeninnendruck (bar) 1,2 0,8 0,8 0,4 Abb. 3: Reifenaufstandsfläche und Kontaktflächendruck bei gleicher Radlast (nach Waydelin)

19 Radlast 10 kn 20 kn Aufstandsfläche 0,1 m² 0,2 m² Kontaktflächendruck 10 5 N m N m -2 Abb. 4: Linien gleichen Bodendruckes (links Verdoppelung der Aufstandsfläche und der Radlast gegenüber rechts nach Bolling und Söhne, 1982)

20 o Summe FE Last I = 5 GE 5 5 TE Abb. 5: Theoretische Verteilung des Bodendrucks in der Tiefe als Funktion der Last und der Radaufstandsfläche (geändert nach Ehlers, 2001)

21 Druck = GE/FE o Last I Summe FE Last I = 5 GE 5 5 5/5 = 1 TE /17 = 0, /29 = 0,172 Abb. 5: Theoretische Verteilung des Bodendrucks in der Tiefe als Funktion der Last und der Radaufstandsfläche (geändert nach Ehlers, 2001)

22 o Druck = GE/FE Last II = 10 GE Last I Summe FE Last I = 5 GE 5 5 5/5 = 1 TE /17 = 0, /29 = 0,172 Abb. 5: Theoretische Verteilung des Bodendrucks in der Tiefe als Funktion der Last und der Radaufstandsfläche (geändert nach Ehlers, 2001)

23 o Druck = GE/FE Last II = 10 GE Last I Summe FE Last I = 5 GE 5 5 5/5 = TE /17 = 0, /29 = 0, Abb. 5: Theoretische Verteilung des Bodendrucks in der Tiefe als Funktion der Last und der Radaufstandsfläche (geändert nach Ehlers, 2001)

24 o Druck = GE/FE Last II = 10 GE Last I Summe FE Last I Last II = 5 GE 5 5 5/5 = /10 = 1 TE /17 = 0, /22 = 0, /29 = 0, /34 = 0,294 Abb. 5: Theoretische Verteilung des Bodendrucks in der Tiefe als Funktion der Last und der Radaufstandsfläche (geändert nach Ehlers, 2001)

25 Druckeinheit [GE/FE] 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 5 GE auf 5 FE Tiefeneinheit 5 10 GE auf 10 FE 10 Abb. 6: Theoretische Verteilung des Bodendrucks in der Tiefe als Funktion der Last und der Radaufstandsfläche

26 Abb. 7: Zusammenhang zwischen Reifengröße und Radlast bei gleichem Kontaktflächendruck (aus Söhne 1983 in Geischeder 2011)

27 IST-Analyse Grad der Unterbodenverdichtung

28 Ackerland 1988 Bodendichte [g cm -3 ] Porenvolumen [Vol %] Grünland 1988 Tiefe [cm] Abb. 8: Änderung des Porenvolumens und der Lagerungsdichte des Bodens in einem Lößboden während der letzten 14 Jahre in Südniedersachsen (Ehlers, Schmidtke & Rauber, 2003)

29 Ackerland Bodendichte [g cm -3 ] Porenvolumen [Vol %] Grünland 1988 Tiefe [cm] Abb. 9: Änderung des Porenvolumens und der Lagerungsdichte des Bodens in einem Lößboden während der letzten 14 Jahre in Südniedersachsen (Ehlers, Schmidtke & Rauber, 2003)

30 Ackerland Bodendichte [g cm -3 ] Porenvolumen [Vol %] Grünland 1988 Tiefe [cm] Abb. 10: Änderung des Porenvolumens und der Lagerungsdichte des Bodens in einem Lößboden während der letzten 14 Jahre in Südniedersachsen (Ehlers, Schmidtke & Rauber, 2003)

31 Ackerland Bodendichte [g cm -3 ] Porenvolumen [Vol %] Grünland 1988 Tiefe [cm] Abb. 11: Änderung des Porenvolumens und der Lagerungsdichte des Bodens in einem Lößboden während der letzten 14 Jahre in Südniedersachsen (Ehlers, Schmidtke & Rauber, 2003)

32 Bodenverdichtung

33 Tab. 1: Dichte des Bodens unterhalb des Bearbeitungshorizontes benachbart liegender lößbürtiger Ackerschläge nach langjährig unterschiedlicher Bewirtschaftung in Sachsen (n = 5) (Rühlemann 2007) Bewirtschaftung Teilfläche Dichte des Bodens (g cm -3 ) min./max. Konventionell Feldmitte /1.72 Ökologisch Feldmitte /1.65

34 Tab. 1: Dichte des Bodens unterhalb des Bearbeitungshorizontes benachbart liegender lößbürtiger Ackerschläge nach langjährig unterschiedlicher Bewirtschaftung in Sachsen (n = 5) (Rühlemann 2007) Bewirtschaftung Teilfläche Dichte des Bodens (g cm -3 ) min./max. Konventionell Feldmitte /1.72 Ökologisch Feldmitte /1.65 Konventionell Vorgewende /1.74 Ökologisch Vorgewende /1.67

35 Messung des Eindringwiderstandes in den Boden

36 Grenze des Wurzelwachstums Grenze ungestörten Wurzelwachstums Abb. 8: Eindringwiderstand im Boden benachbart liegender lößbürtiger Ackerschläge nach langjährig unterschiedlicher Bewirtschaftung in Sachsen (Feldinnere, n = 20, Rühlemann 2007)

37 Maximaler Wurzeldruck: 2,5 MPa Feldinnere Vorgewende Grenze des Wurzelwachstums Maximaler Druck durch Regenwürmer: 0,23 MPa Abb. 9: Eindringwiderstand im Boden im Vorgewende und im Feldinneren eines langjährig ökologisch bewirtschafteten Ackerschlages in Sachsen (n = 20, Rühlemann 2007)

38 ö k ö k k k ö = ökologisch k = konventionell Abb. 10: Radlast der Schlepper mit der höchsten Motorleistung benachbart wirtschaftender ökologisch und konventionell wirtschaftender Betriebe in Sachsen (Rühlemann 2007)

39 Wirkungen der Unterbodenverdichtung

40 Breite des Profils [cm] Tiefe [cm] Kontrolle Abb. 11: Wurzelprofil der Wintergerste am 2. Juni 1997 nach einmaliger Belastung Im Jahr 1995 (nach Mähner 1999) jeder Punkt steht für eine Wurzellänge von 5 mm

41 Breite des Profils [cm] Tiefe [cm] Kontrolle eine Überfahrt mit Vorder- und Hinterrad 5 t Radlast Abb. 11: Wurzelprofil der Wintergerste am 2. Juni 1997 nach einmaliger Belastung Im Jahr 1995 (nach Mähner 1999) jeder Punkt steht für eine Wurzellänge von 5 mm

42 Breite des Profils [cm] Tiefe [cm] Kontrolle eine Überfahrt mit drei Überfahrten mit Vorder- und Hinterrad Vorder- und Hinterrad 5 t Radlast 5 t Radlast Abb. 11: Wurzelprofil der Wintergerste am 2. Juni 1997 nach einmaliger Belastung Im Jahr 1995 (nach Mähner 1999) jeder Punkt steht für eine Wurzellänge von 5 mm

43 Tab. 2: Summe des Kornertrages von Winterweizen und Wintergerste [dt ha -1 ] nach einmaliger Belastung im Jahr 1995 (Mähner 1999) Belastungsstufe Winterweizen Wintergerste 0 t 87,6 a 64,5 a 2 2,5 t 86,8 a 67,2 a 2 5 t 81,7 a 64,5 a 6 5 t 72,4 b 58,3 a nicht gleiche Buchstaben kennzeichnen signifikante Unterschiede (Tukey Test = 0.05)

44 Tab. 3: Kornertrag des Winterweizen im zweiten und der Wintergerste nach [dt ha -1 ] einmaliger Belastung (Mähner 1999) Belastungsstufe Summe Kornertrag 2 Jahre 0 t 152,1 2 2,5 t 154,0 2 5 t 146,2 6 5 t 130,7

45 Wirkung der Bodenbelastung bei der Saatbettbereitung auf Wachstum von Hafer und Erbse

46 Variante 1: Pflug Bearbeitungstiefe ~ 28 cm Variante 2: Stoppelhobel (SH) Bearbeitungstiefe: ~ 10 cm

47

48 2,6 t 2,6 t 4,6 t 4,6 t ,5 bar 1,5 bar Abb. 12: Schema der Bodenbelastung, Abstufungen 0 t / 2,6 t / 4,6 t Radlast, je eine Überfahrt nach der Grundbodenbearbeitung im Frühjahr

49 Relativ Erträge Hafer Reinsaat 2010 Rel. Ertrag (%) Kornertrag Hafer MW ±Stabw; n = Standort 1 Standort 2 Standort 3 Standort 4 0 t 2 t 4 t Abb. 13: Einfluss der Höhe der Radlast (2 t, 4 t) bei der Bodenbearbeitung zur Saatbettbereitung an 4 Standorten auf den relativen Kornertrag im Vergleich zu ohne Bodenbelastung (Kornertrag bei 0 t = 100 %) Wild et al. 2013

50 Relativ Erträge Erbse Reinsaat 2010 Rel. Ertrag (%) Kornertrag Erbse MW ±Stabw; n = Standort 1 Standort 2 Standort 3 Standort 4 0 t 2 t 4 t Abb. 14: Einfluss der Höhe der Radlast (2 t, 4 t) bei der Bodenbearbeitung zur Saatbettbereitung an 4 Standorten auf den relativen Kornertrag im Vergleich zu ohne Bodenbelastung (Kornertrag bei 0 t = 100 %) Wild et al. 2013

51 Forderungen Bundesbodenschutzgesetz (1998) 17 Bodenverdichtungen sind soweit wie möglich zu vermeiden Was ist zu tun?

52 Bodenverdichtung vermeiden -Tragfähigkeit des Bodens verbessern: reduzierte Bodenbearbeitung Humusakkumulation - Feuchte Böden nicht befahren

53 Bodenverdichtung vermeiden - Kontaktflächendruck bei gegebener Radlast mindern: Ändern der Bereifung (Zwillingsbereifung, Breitreifen, Gummibandlaufwerke statt Räder, Reifeninnendruck absenken: Reifendruckregelanlage)

54 Abb. 15: Zweidimensionale Darstellung der Druckverteilung unter dem Gummiband eines Raupentraktors mit 160 kn Last und einer Gummibandbreite von 60 cm (aus: Weißbach und Winter 1996 in Geischeder 2011)

55 Bodenverdichtung vermeiden - Radlasten mit Waage ermitteln (mit Anbaugeräten) Radlasten begrenzen!

56 Internationale Arbeitsgruppe High AXLE LOAD hat bereits 1987* nachstehende maximal zulässige Radlasten für die Ackernutzung empfohlen Bodenzustand trocken feucht Maximal zulässige Radlast 5.0 t 2.5 t * Håkansson et al. 1987, Soil Tillage Res. 10,

57 Bodenverdichtung vermeiden Radlasten begrenzen Abb. 16: Zusammenhang zwischen Reifengröße und Radlast bei gleichem Kontaktflächendruck (aus Söhne 1983 in Geischeder 2011)

58 unbeladenem Zustand Gesamtgewicht mit vollem Bunker/Radlast 24 t/6 t 40 t/10 t?! 27.5 t/4.6 t 54 t/9 t 5 t/2.5 t seit 1993 seit t/0.75 t seit 1980 seit 1955 Begrenzung der zulässigen Radlast im ökologischen Landbau

59 Anzahl Überfahrten vermindern Abb. 17: Relative Verdichtungswirkung mit Unterschiedlicher Überrollhäufigkeit und gleicher Gesamtlast auf einem Sandboden (verändert nach Trijink et al. 1995, aus Geischeder 2011)

60 Nicht die Fläche, sondern Fläche mal Bodentiefe macht den Grundbesitz (Sekera 1984) Nicht die Fläche, sondern Fläche mal die durchwurzelbare Bodentiefe macht den Grundbesitz

61 Naturland Ackerbautagung und 14. Januar 2016 in Würzburg Sind unsere Ackerböden auch im ökologischen Landbau durch schwere Landmaschinen und Bodenbearbeitung bedroht? von Prof. Dr. Knut Schmidtke Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!