Möglichkeiten und Grenzen der physikalischen Bodenrekultivierung in der Forstwirtschaft

R. Horn und M. Lebert

Einleitung

Die Frage nach der Bedeutung der Bodenstruktur bzw. des Bodenaufbaus aus der festen, flüssigen und gasförmigen Phase wird seit langem bei der Beurteilung von Böden als Pflanzenstandort sehr intensiv diskutiert. Böden als Pflanzenstandort müssen nämlich sowohl in der Land- als auch in der Forstwirtschaft nicht nur eine tiefgründige Durchwurzelung und damit mechanische Verankerung der Pflanzen gewährleisten, sondern sie sind auch als Wasser-, Gas-, Wärme- und Nährstoffspeicher und -reserve für deren optimales langfristiges Wachstum und damit für den Ertrag von Bedeutung. Darüberhinaus bilden die Hohlräume im Boden auch die bevorzugten Leitungsbahnen für die Ableitung des Sickerwassers in das Grundwasser und tragen damit zur Grundwasserneubildung bei, ebenso wie sie den Gasaustausch mit der Atmosphäre steuern. Folglich weist der Wasser-, Gas- und Nährstoffhaushalt des durchwurzelten Standortes selbst eine jahreszeitliche und nutzungsspezifische Dynamik auf, wobei auch deren Wechselwirkungen

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mit den weiteren Kompartimenten von Ökosystemen deutlich werden.

In der Forstwirtschaft wird aufbauend auf den umfangreichen Forschungsergebnissen zum Problemkreis „Säuredeposition in Wechselwirkung mit Waldwachstum" z.B. unter dem Gesichtspunkt abnehmender Säureneutralisationskapazität in Böden (bzw. sinkender Basensättigung, zunehmender Al- und H-Sättigung der Austauschoberflächen oder lonenspezifizierung) sowie möglicher Auswirkungen auf die Zusammensetzung des Grundwassers in neuerer Zeit auch nach Möglichkeiten zur Waldbodenmelioration gesucht.

Neben der oberflächennahen Meliorationsdüngung von versauerten Böden wird u.a. eine ganzflächige mechanische Melioration durch Tiefumbruch, nichtwendender Bearbeitung oder partieller Bearbeitung (= Pflanzlochmelioration) diskutiert. Durch teilweise sehr intensive und tiefreichende Eingriffe soll vorrangig die Meliorationswirkung durch die gleichzeitige, durch Homogenisierung verbesserte Zugänglichkeit von Austauscheroberflächen für die Nährstoffe beschleunigt, sowie der möglicherweise durch Makroporenfluß verstärkte Nährstoffaustrag aus den ungestörten Böden in das Grundwasser verringert werden. Die je nach hydrologischen und bodenphysikalischen Gegebenheiten erst um mehrere Jahre verzögerte Wirkung für das Pflanzenwachstum soll dadurch früher erreicht werden. Anschließend kann durch eine kombinierte chemisch-, physikalisch-, mechanische Betrachtungsweise der Meliorations-Wirkungskette auch die ökosystemverträglichste Variante für einen großflächigen Einsatz gewählt werden.

Da häufig Melioration und Wiederaufforstung kombiniert werden, gilt es außerdem, die durch im Boden verbliebene Baumwurzeln alter geernteter Bestände, herumliegender Äste etc. behinderte Zugänglichkeit der Flächen bei diesen Maßnahmen zu berücksichtigen. Die herkömmlichen Pflanzverfahren in der Forstwirtschaft sind sehr zeitaufwendig bei häufig sehr hohen Folgepflegekosten. Außerdem werden durch Stubbenrodung und Zusammenschieben der Biomasse auf große, an den Pflanzfeldern seitlich angeordnete Wälle z.B. auch Probleme

- der mechanischen Zerstörung der Bodenstruktur am Standort,
- der gleichzeitigen Verschlechterung des C/N Verhältnisses,
- der Nährstoffvorräte,
- der in den Wällen vermutlich durch Mineralisierung intensivierten Nährstofffreisetzung und je nach klimatischen Gegebenheiten verstärkten Grundwasserbelastung z.B. mit Nitrat zu betrachten sein.

Als eine Möglichkeit der mechanischen Melioration wird in diesem Zusammenhang der Einsatz von leistungsstarken, schweren und durch Kombination mehrerer Einzelgeräte schlagkräftigen Maschinensystemen bei der Flächenräumung und Pflanzbeetbereitung diskutiert und unter Praxisbedingungen am Standort erprobt.

Für das Abwägen des Für und Widers derartiger Maschineneinsätze in den Forsten (z.B. die Krohn Fräse) sollten jedoch genauere Kenntnisse vor allem der bodenphysikalischen und -mechanischen Parameter vorliegen, weshalb im folgenden versucht wird, anhand einiger praktischer Erfahrungen mit diesem Frässystem auch in Kombination mit Tiefpflugvarianten die Einsatzmöglichkeiten derartiger Maschinen in den Forsten generell zu diskutieren.

Material und Methoden

Zur Beantwortung der Frage, inwiefern durch einen Einsatz der Krohn'schen Fräsmaschine auch in Verbindung mit

- einer Einarbeitung von 10 t/ha kohlensaurem Kalk, und
- mit anschließendem Tiefpflügen

vorrangig physikalisch/mechanische Standorteigenschaften eines Podsol Pseudogley aus Sandlöß (Standort: Haste bei Hannover, ursprüngliche Vegetation: Lärche und Buche) modifiziert worden sind, wurden ungestörte Stechzylinder-sowie Beutelproben aus repräsentativen Bodenhorizonten der einzelnen Varianten entnommen. Die Melioration erfolgte im Spätherbst 1989 (d. h. ca. 3 Monate vor der Probenahme im Dezember).

Zur Charakterisierung der Bodenstruktur wurden, aufbauend auf einer jeweils detaillierten Bodenprofilansprache, die Parameter: Porengrößenverteilung und gesättigte Wasserleitfähigkeit, Körnung sowie der Wert der Vorbelastung 1 nach Vorentwässerung auf 60 hPa, die auf lastabhängige Änderung der Luftleitfähigkeit sowie der Luftkapazität ebenfalls nach Vorentwässerung ermittelt. Der Wert 60 hPa entspricht dabei der im zeitigen Frühjahr d.h. nach der Schneeschmelze bzw. der in stauwassergefährdeten Böden über längere Zeiträume im Jahr herrschenden Wassersättigung (zur genaueren Kennzeichnung der verwendeten Methoden s. [5]).

Ergebnisse und Diskussion

Bodentypologisch handelt es sich bei dem unbearbeiteten Boden um einen Podsol Pseudogley aus Sandlöß, während das Profil der Fräsparzellen als Rigosol Pseudogley (2 Varianten) mit einem auf 30 cm Tiefe gefrästen und mit der gespanten Holzbiomasse angereicherten RAp Horizont klassifiziert wurde. In einer Variante waren zusätzlich noch 10 t/ ha kohlensaurer Kalk eingearbeitet worden.

Tab. 1: Profilbeschreibung der untersuchten Standorte (Methode: Kartieranleitung 1982)

Als Tiefpflugvariante wurde ein Treposol Pseudogley aus Sandlöß analysiert, der im Anschluß an die durch Spanung der Baumstämme zerkleinerten und in den Ah Horizont eingefrästen Biomasse auf eine Tiefe von 1 m tiefgepflügt und mit 20 t/ha kohlensaurem Kalk melioriert worden war. Tab. 2 gibt einen Überblick über einige bodenphysikalische Eigenschaften der untersuchten Standorte: Man erkennt, daß der sehr saure Oberboden des nicht bearbeiteten Ausgangsprofiles bei einer geringen Lagerungsdichte (dB) sehr gut belüftet, optimal mit nutzbarem Wasser versorgt auch über eine sehr hohe Wasserleitfähigkeit (kf) verfügt, während die tieferen, darunter folgenden Horizonte bei einer höheren Lagerungsdichte vor allem über weniger vorrangig wasserleitende Gröbstporen (GPV Vol.% - Vol.% bei pF 0.6) verfügen. Mit der mit der Tiefe zunehmenden Lagerungsdichte wird die gesättigte Wasserleitfähigkeit deutlich kleiner, während die nutzbare Wasserkapazität (nFK) für den gleichen Wasserspannungsbereich keinen einheitlichen Verlauf zeigt (vergl. Bsh, Sw, Swd).

1 Maß zur Quantifizierung der Eigenfestigkeit

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Als Folge der Fräsarbeit wird trotz Einarbeitung des zerspanten Holzes vor allem der oberste RAp Horizont des Rigosols nicht weiter aufgelockert, sondern verliert aufgrund der erfolgten Homogenisierung, vor allem in der ungekalkten Parzelle, sogar seine Eigenfestigkeit, was sich anhand der leicht erhöhten Werte für die Lagerungsdichte nachweisen läßt. Dahingegen nimmt vor allem der Anteil an Grobporen (Vol.% bei pF < 2,5) am Gesamtporenvolumen (GPV) und damit auch die Luftkapazität (LK) des Bodens ab, wobei wiederum in der ungekalkten Parzelle größere Unterschiede auftreten als in der gekalkten Variante. Der Wert für die nutzbare Feldkapazität steigt jedoch nicht synchron an. Im Vergleich zu den ursprünglichen Kennwerten für den Tiefenbereich 10 - 30 cm sind allerdings die Werte für die Lagerungsdichte niedriger, während die Menge an nutzbarem Wasser nicht erhöht worden ist. Aufgrund der noch in den Bodenproben befindlichen sehr groben Holzreste ist der Wert der gesättigten Wasserleitfähigkeit sicherlich nicht als standortcharakterisierend einzustufen, doch zeigt sich auch dort, daß durch eine Einarbeitung von kohlensaurem Kalk aufgrund der beginnenden Ca-Brückenbindung scheinbar eine Bodenstabilisierung einsetzt, die zu einer besseren Wasserleitfähigkeit, verbesserten Durchlüftung und gleichzeitig günstigeren bodenchemischen Verhältnissen beitragen könnte. Der Treposol hingegen zeigt ein gänzlich anderes Verhalten. Während in dem gefrästen Boden der RAp Horizont trotz Fräsarbeit insgesamt sehr dicht lagert und die Luftkapazität ebenso wie die gesättigte Wasserleitfähigkeit auf sehr geringe Werte abgesunken ist, steigt die nutzbare Feldkapazität nicht an. Außerdem fällt auf, daß die physikalischen Eigenschaften der schräggestellten mineralischen und organischen Pflugbalken sehr differieren, wobei besonders die mineralischen Balken bei gleichzeitig sehr geringer Luftkapazität und Wasserleitfähigkeit sehr dicht lagern. Lediglich der organische Balken weist bei geringer Lagerungsdichte potentiell günstigere Bedingungen auf.

Tab. 2: Bodenphysikalische Charakterisierung der untersuchten Standorte

Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, daß weder nach oben noch in den tieferen Untergrund eine Verbindung des Porensystemes mit diesen organischen Balken gegeben ist, so daß auch deren Funktionalität hinsichtlich Drainwirksamkeit aufgrund nicht vorhandener Porenkontinuität zu diesem Zeitpunkt noch nicht abgeschätzt werden kann.

Insgesamt machen die Daten deutlich, daß eine Bodenaufbereitung selbst bei gleichzeitiger Einarbeitung großer Mengen an zerkleinerter Holzbiomasse nicht unmittelbar zu günstigeren Standortverhältnissen führt.

In Abb. 1 (s. nächste Seite) ist exemplarisch für den Ausgangsboden, den Treposol sowie die gekalkte Fräsparzelle der Wert der Vorbelastung nach Vorentwässerung auf 60 hPa für die repräsentativen Bodenhorizonte dargestellt. Man erkennt, daß im Vergleich zu den natürlichen Ausgangsbedingungen die Werte in den oberen 30 cm Bodentiefe im Mittel stets abgenommen haben. Außerdem wird deutlich, daß besonders in den schrägstehenden organischen Pflugbalken der Wert der Vorbelastung auf ca. 20% gesunken ist und auch in dem darunterfolgenden RSwd Horizont noch eine Halbierung des Wertes verifiziert werden kann.

Fragt man vor dem Hintergrund dieser Ergebnisse nach den Auswirkungen weiterer Folgebelastungen, die z.B. während der Pflanzarbeit, aber auch durch intensiven Regenschlag bzw. auch durch das Eigengewicht des Bodens in den unteren Bereichen des Fräs- oder Pflughorizontes auftreten können, so sind prinzipiell die durch eine Homogenisierung erhöhte Folgesetzungsempfindlichkeit bei gleichzeitig geringerer Porenkontinuität ebenso wie die durch Belastung steigende Verdichtbarkeit und damit verbundene Reduzierung des Gas- und Wassertransportes bzw. deren Speicherfähigkeit zu betrachten. Abb. 2 zeigt für einzelne Bodenhorizonte den Verlauf der auflastabhängigen Änderung der Luftleitfähigkeit.

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lauf für die aufgeführten Varianten, daß das Porensystem in den gelockerten Parzellen sehr instabil ist und damit bereits eine sehr geringe Folgebelastung von weniger als 10 kPa besonders in den gefrästen und gepflügten Bodenhorizonten zu einer deutlichen Abnahme der Grobporen führt (Abb. 3). Hierbei ist besonders die Tatsache bemerkenswert, daß selbst eine hohe Ausgangslagerungsdichte der mineralischen Balken im Treposol nicht zu einer entsprechenden Stabilität beiträgt, sondern auch diese Horizonte ebenfalls noch weiter verdichtet werden können.

Allerdings sind für eine Ökosystemare Betrachtung auch die physikalischen Folgen einer Meliorationsmaßnahme zu betrachten, da vor allem in feintexturierten homogenisierten Böden erst nach einem Durchlaufen eines ungünstigeren Gas- und Wasserhaushaltszustandes im Verlaufe der Reaggregation wieder durch Umorientierung der Bodenpartikel ein günstigerer Zustand hinsichtlich des Gas- und Wasserhaushalt sowie Wurzelwachstum erreicht werden wird. Als qualitatives Indiz hierfür dient die Tatsache, daß nach 2 Jahren auf den Parzellen sehr deutlich verstärkter Binsen- und Moosbewuchs trotz relativ geringer Lagerungsdichte nachgewiesen werden kann. Entsprechende quantifizierende Untersuchungen werden momentan durchgeführt.

Folgerungen

Obwohl diese einmalige Analyse der bodenphysikalischen Parameter auf keinen Fall für eine abschließende Bewertung, sondern lediglich als eine erste Trendbetrachtung dienen soll, läßt sich doch auch unter Hinzuziehung der in der entsprechenden Spezialliteratur wiederholt beschriebenen Ergebnisse (15,18) zumindest bereits eine grobe Einordnung der Maßnahmen hinsichtlich der möglichen Anwendbarkeit vornehmen.

Jede Bodenmelioration durch Fräs- oder/bzw. in Kombination mit einer Tiefpflugmaßnahme sollte nur auf bis in mindestens 1 m Tiefe auf > pF 2.5 =>300 hPa ausreichend abgetrockneten Böden durchgeführt werden, um die mit der Austrocknung steigende Eigenstabilität für die Folgebewirtschaftung auszunutzen. Nicht nur aus bodenchemischer, sondern auch aus bodenphysikalischer Sicht ist besonders bei versauerten Standorten (pH-Werte < 5) eine gleichzeitige Meliorationskalkung und -düngung zwingend notwendig, da ansonsten auch die Stabilität in den tieferen ebenfalls noch bearbeiteten Bodenhorizonten häufig noch weniger ausreicht, um eine Folgesetzung zu verhindern. Außerdem ist in den feinkörnigen d.h. besonders tonreichen und intensiv aggregierten Böden mit einer sehr deutlichen Reduzierung der Eigenstabilität durch solche mechanischen Eingriffe und damit verbunden ausgeprägten Änderung der bodenphysikalischen Kennwerte zu rechnen, so daß solche Maßnahmen gegebenenfalls nur bei ausgesprochen trockenen Verhältnissen angewendet werden sollten.

Als mögliche Alternative zu den bisher getesteten Varianten wäre die aus bodenphysikalischer Sicht günstigere Kombination einer Oberflächenfräse und einer partiell den Untergrund lockernden Slotting-Technik (3) bzw. des Schacht-

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pflugverfahrens vorzuziehen, da hierdurch auf jeden Fall die möglichen Probleme einer bei zu hoher Feuchtigkeit verstärkten Zerknetung und damit tiefgreifenden Homogenisierung des gesamten Bodens vermieden und auch nicht die gesamte Pflanzfläche gleichmäßig durch die Bearbeitung gelockert und somit instabiler wird.

In der Landwirtschaft sind zu diesem Themenbereich vor allem in den neuen Bundesländern Versuche mit dem Schachtpflug durchgeführt worden, wobei hier vor allem die Verbesserung der Durchwurzelbarkeit des Unterbodens im Vordergrund des Interesses stand (17).

Gezielte Heterogenisierung des Bodens durch „Slotting" (3) soll ebenfalls zu einer besseren Durchwurzelbarkeit tieferer Bodenschichten und damit sowohl zu günstigeren Wasser-und Gastransporten sowie günstigerer Erreichbarkeit der in diesen Horizonten vorhandenen Nährstoffe für die Pflanzen führen (11). Allerdings gilt es auch gerade bei dem letzteren Verfahren, die Bearbeitung auf Zeiträume mit sehr geringen Wassergehalten zu beschränken, da ansonsten aufgrund der enormen dynamischen „Säge"energie eine vollständige Homogenisierung des Bodens erreicht werden würde.

Literatur

1. Bachmann, J. 1988: Diss. TU Hannover
2. Baumgartl, T. 1990: Spannungsverteilung in unterschiedlich texturierten Böden und ihre Bedeutung für die Bodenstabilität. Diss. CAU Kiel Schriftenreihe des Institut für Pflanzenern. u. Bodenkunde, H.12 128S.
3. Blackwell, J., R. Horn, N.S. Jayawardane, R. White und P.S. Blackwell 1989: Vertical stress distribution under tractor wheeling in a partially deep loo-sened typic Paleustalf. Soil Till. Res. 13, 253-266
4. FBW 1989: 3. Waldschadensbericht. Eigenverlag KfK Karlsruhe
5. Hartge, K.H. und R.Horn 1989: Bodenphysikalisches Praktikum. 2. Auflage Enke Verlag
6. Hartge, K. H. und R. Horn 1991: Einführung in die Bodenphysik. 2. Auflage. Enke Verlag
7. Hempfling, R., H.R. Schulten und R. Horn 1990: Relevance of humuscom-position for the physical/mechanical stability of agricultural soils. A study by direct pyrolysis- mass spectometry. Anal. Appl. Pyrolysis. 17, 275-281
8. Horn, R. 1981: Die Bedeutung der Aggregierung von Böden für die mechanische Belastbarkeit in dem für Tritt relevanten Auflastbereich und deren Auswirkungen auf physikalische Bodenkenngrößen. Habilitationsschrift TU Berlin, F8 14, H.10 200 S. ISBN: 379830792 x
9. Horn, R. 1986: Auswirkung unterschiedlicher Bodenbearbeitung auf die mechanische Belastbarkeit von Ackerböden. Z. Pflanzenern. u. Bodenkde. 149, 9-18
10. Horn, R. 1988: Compressibility of arable land. in: Drescher, J., R. Horn und M. De Boodt (Hrsg.) Interaction of structured soils with water and external forces. Catena Supplement 11, 53-71
11. Horn, R. 1990: Aggregate characterisation as compared to soil bulk pro-perties. Siol Till. Res. 17, 265-289
12. Horn, R., W. Stepniewski, T. Wlodarczyk, G. Walensik, E.F. Eckardt 1992: Soil Aeration and Denitrification losses in artificial aggregates. Soil Sei. Soc. Amer. J. eingereicht
13. Kartieranleitung 1982: Kohlhammer Verlag
14. Kezdi, A. 1969: Handbuch der Bodenmechanik. Bd. I Bodenphysik. VEB Verlag Berlin
15. Kuntze, H., G. Roeschmann und H. Schwertfeger 1988: Bodenkunde. Ulmer Verlag
16. Lebert, M. 1989: Beurteilung der Vorhersage der mechanischen Belastbarkeit von Ackerböden. Bay. Bodenkde. Ber. 3, 219 S.
17. Werner, D. 1990: Nässedisposition und Wasserausschöpfung verdichteter Lößböden nach Verwendung des Schachtpfluges. Arch. Acker, Pflanzenbau und Bodenkde. 34, 557-568
18. Schulte Karring, H. und D. Schroeder 1986: Die Beseitung von Bodenverdichtungen in der Bundesrepublik Deutschland. Z. Kulturtechnik u. Flurbereinigung 27, 278-290
19. Semmel, H., R. Horn, U. Hell, A. R. Dexter und E. D. Schulze 1989: The dynamics of aggregate formation and the effect on soil physical properties. Soil Technology 3,113-129

Anschrift der Autoren: R. Horn und M. Lebert
Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde
Olshausenstraße 40
2300 Kiel 

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