70 Unter den Fahrspuren der Versuchsrückegassen trat vereinzelt eine pseudovergleyte Parabraunerde als Subbodentyp auf. Vor allem die typischen Merkmale (Mn- und Fe-Konkretionen) und die typischen Bleichungserscheinungen fielen bei der Beprobung der Fahrspuren ins Auge und weisen auf zeitweisen Sauerstoffmangel hin.
Die Befahrungsversuche wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Forstamt Rein-hausen und dem zuständigen Revierleiter durchgeführt. Zur Sicherstellung des Versuchserfolges wurde zu Beginn der Experimente im Jahr 2015 die Absprache getroffen, dass in den Versuchsflächen bei Windbruch keine Befahrung vonseiten des Forstamtes stattfinde und bei Bedarf Bäume mit Seilwinden herausgeholt würden. Bei Kronenbrüchen im Jahr 2016 wurde entsprechend verfahren. Beim vollständigen Windwurf der Versuchsfläche durch das Orkantief Friederike im Januar 2018 war dies nicht möglich.
71 Tabelle 3 aufgeführt. Die Verminderung des dynamischen Kontaktflächendrucks gegenüber dem statischen Kontaktflächendruck könnte auf die geringe Reaktionszeit der Matrix-Sensorfolien (MATSCAN/3150; TekScan Inc.) bei den dynamischen Belastungen zurückgehen. Der Reifenfülldruck betrug stets 4,5 bar. Alle Befahrungsversuche erfolgten auf ebener Fläche mit einer Geschwindigkeit von 0,8 m s-1 (gemessen mit einer Spillkonstruktion; siehe Hinte et al., 2019).
Die Simulation der Hangneigung erfolgte mittels einer an einem Baum und am Rücke-zug befestigten Bremswinde (Eigenentwicklung der Abteilung Arbeitswissenschaft und Verfahrenstechnologie, Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie der Georg-August-Universität Göttingen). Die Bremswinde wurde am Beginn der jewei-ligen Rückegassen so positioniert, dass ein ungehindertes Ausspulen des Bremsseils (Dyneema Kunststoffseil) möglich war. Mit einer Steuerungssoftware (SEATEC Soft-wareentwicklung und Automatisierungstechnik GmbH, Deutschland) wurde die Brems-kraft der Bremswinde reguliert. Der Sollwert der BremsBrems-kraft entsprach der voreingestellten zu simulierenden Hangneigung. Durch einen permanenten Abgleich zwischen der Zugkraft der Maschine, ermittelt mit einer zwischen Seil und Fahrzeug befestigten Kraftmessdose (Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Deutschland), und dem Sollwert der eingestellten Bremskraft konnten eventuell auftretende Abwei-chungen nachjustiert werden. Die Ermittlung und Steuerung der Zugkraft ist bei Hittenbeck (2009) und Brokmeier (2012) detailliert beschrieben.
Da für die Befahrungsversuche nur eine Bremswinde zur Verfügung stand, konnten die 4 Befahrungen mit 20% simulierter Hangneigung jeweils nur in eine Fahrtrichtung erfolgen. Bei 4 und 8 Befahrungen wurde der Rückezug, wie in der Praxis üblich, abwechselnd vor- und zurückgefahren. Bei mehrfacher Befahrung wurde zwischen den Befahrungen eine Befahrungspause von mindestens 10 min eingehalten, um den Abbau des Porenwasserdrucks zu gewährleisten und diesen damit als möglichen Einflussfaktor auszuschließen. Vorversuche im Ödometer hatten gezeigt, dass die erzeugten Porenwasserdrücke innerhalb weniger Sekunden auf Be- und Entlastung reagieren und sich in wenigen Minuten wieder auf ein Gleichgewichtszustand einstellen.
Da nur eine begrenzte Anzahl an Rückegassen mit passenden Eigenschaften zur Verfügung stand (Kapitel 4.1) und die Versuchsvarianten durch das finanzierende Drittmittelprojekt festgelegt waren, musste auf eine Replikation der Befahrung (d.h. auf eine Überfahrung von mehreren Rückegassen pro Versuchsfaktor) verzichtet werden.
Jede Versuchsrückegasse wurde in zwei gleich lange Abschnitte aufgeteilt. In jedem
72 Abschnitt wurde jeweils ein Befahrungsversuch durchgeführt. Pro Rückegasse wurden entsprechend zwei Befahrungsvarianten gefahren (Kapitel 4.2).
Tabelle 3: Gewicht der Bogiebänder sowie Gewicht, Einzelradlasten und mittlere Kontaktflächendrücke des vollbeladenen Rottne Solid F14 8WD Rückezugs jeweils mit und ohne Bogiebänder. Einzelrad-lasten der Räder des Vorder- und Hinterwagens wurden mittels Radlastwaage bestimmt und jeweils gemittelt. Die Einzelradlasten der Räder des Hinterwagens mit Bogiebändern wurden rechnerisch aus der gemittelten Einzelradlast ohne Bogiebänder und den Gewichten der Bogiebänder ermittelt.
Gemittelte statische und dynamische Kontaktflächen und Kontaktflächendrücke der Räder des Hinter-wagens wurden aus Messungen (n=3 bei statischen Messungen und n=6 bei dynamischen Mes-sungen)20 mit einer hochauflösenden Matrix-Sensorfolien (MATSCAN/3150; TekScan Inc.) unter einer 20 cm mächtigen Sandauflage in einem Radlastprüfstand berechnet (zitiert aus Hinte et al., 2019). Der Reifenfülldruck betrug 4,5 bar. Die Daten wurden von der Abteilung Arbeitswissenschaft und Verfahrenstechnologie, Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie der Georg-August-Universität Göttingen zur Verfügung gestellt.
Technische Parameter NOKIAN® Reifen
NOKIAN® Reifen + FELASTEC®
Bogiebänder
NOKIAN® Reifen + MAGNUMTM
Bogiebänder
Zusatzgewicht je Band [Mg] - 0,52 0,85
Gesamtgewicht [Mg] inkl.
18 Mg Leergewicht und 14 Mg Zuladung
32,30 34,38 35,68
Einzelradlast
Vorderwagen [Mg] 2,66 - -
Einzelradlast
Hinterwagen [Mg] 5,41 5,67 5,84
Statische/dynamische Kontaktfläche [cm2] je Rad am Hinterwagen im Prüf-stand gemessen unter Sand
2705/
2232
3708/
3229
3356/
3227
Statischer/dynamischer Kontaktflächendruck [kPa]
Hinterwagen im Prüfstand gemessen unter Sand
178/
166
146/
118
165/
122
20 Beim Antrieb eines Bogies über die Pendelachse wird ein Aufstelleffekt erzeugt, wodurch das hintere der zwei Räder eines Bogies immer stärker als das Vordere belastet wird. Bei der dynamischen Messung der Kontaktfläche und des Kontaktflächendrucks unter Sand wurden daher die Kontaktflächen und Kontaktflächendrücke der beiden Räder des Bogies auf einer Seite des Hinterwagens separat erfasst. Gelistete Werte der dynamischen Messungen sind Mittelwerte aus jeweils drei Wiederholungsmessungen der beiden Räder der Bogieachse auf einer Seite des Hinterwagens (n=6).
73 Voraussetzung für die Vergleichbarkeit von Befahrungsversuchen mit unterschied-lichen Untersuchungsfaktoren ist ein standardisierter Wassergehalt. Laut Projektplan sollten die Befahrungsversuche bei Feldkapazität durchgeführt werden. Zu Beginn der Feldkampagnen lag der Wassergehalt in den Rückegassen aufgrund der trockenen Witterungsverhältnisse bei ca. 25 Vol.-%. Daher wurden die zu beprobenden Rücke-gassenabschnitte von ca. 14 m Länge und 5 m Breite21 über mehrere Tage bewässert.
Zu diesem Zweck wurden insgesamt 60.000 l Wasser in IBC Containern von einer nahegelegenen Ortschaft an den Waldrand transportiert und mittels einer leistungs-starken Pumpe (1,4 KW, 6 bar, AL-KO Jet 6000/5) über ein bis zu 200 m langes Schlauchsystem zu einem Schwenksprenkler (Aquazoom, Gardena GmbH, Deutsch-land) geleitet (Abbildung 6).
Während und nach der Bewässerung sowie unmittelbar vor den Befahrungsversuchen wurde die Bodenfeuchte im mineralischen Oberboden punktuell mit einem FDR Bodenfeuchtesensor (ML2x, Delta-T Devices, Großbritannien) überprüft. Um eine gleichmäßige Verteilung des Bewässerungswassers im Boden sicherzustellen, wurde stets ein zeitlicher Abstand von mindestens drei Tagen zwischen der letzten Bewäs-serung und den Befahrungsversuchen eingehalten. Die Befahrungsversuche er-folgten, wenn der Boden in den bewässerten Rückegassenabschnitten einen Wassergehalt von ca. 30-34 Vol.-% erreicht hatte.
Die schematische Darstellung des Versuchsdesigns in Abbildung 7 gibt eine Übersicht der Orte und Versuchsvarianten, bei denen Bodenproben entnommen wurden und in situ Messungen erfolgten. In Tabelle 4 sind die in den folgenden Kapiteln verwen-deten Abkürzungen für die in Abbildung 7 dargestellten Orte und Versuchsvarianten aufgelistet.
21 Der Bewässerungsbereich ging zu beiden Seiten ca. 0,5 m über die Rückegassenbreite hinaus.
74 Abbildung 6: Links: Transport von zwei wassergefüllten IBC Containern mit dem Versuchsrückezug zum Zweck der Bewässerung. Rechts: Bewässerung eines Rückegassenabschnittes mit einem Schwenk-sprenkler.
In einem randomisiert mit QGIS (QGIS.org, 2015) gewählten nicht befahrenen Bereich zwischen den Rückegassen wurden in situ Messungen durchgeführt und Boden-proben für spätere Labormessungen in gestörtem und ungestörtem Zustand wie unten beschrieben aus drei Probenahmegruben entnommen. Diese Referenzversuchs-variante wird als „unbefahrener Waldboden“, kurz „UB“, bezeichnet. Vor und nach den Befahrungsversuchen wurden in situ Messungen mit Penetrologger (Eijkelkamp Soil &
Water, Niederlande, Giesbeek), kleinem Scherflügel (GEONOR, USA, Augusta), ODR-Meter (Eijkelkamp Soil & Water, Niederlande, Giesbeek) und Amoozemeter (Ksat Inc., USA, Raleigh) in den Fahrspuren der alten Rückegassen durchgeführt (Kapitel 4.11, 4.12, 4.13 und 4.14). Wie in Abbildung 7 ersichtlich, erfolgten die in situ Messungen vor den Befahrungsversuchen entweder vor und hinter den bewässerten Bereichen (Amoozemeter, kleiner Scherflügel) oder in den bewässerten Bereichen (ODR-Meter und Penetrologger).22
Im Bereich der Fahrspuren (d.h. aus dem Mineralboden unterhalb der Fahrspuren) der alten Rückegassen 1-6 wurden vor und nach den Befahrungsversuchen Bodenproben in gestörtem und ungestörtem Zustand aus Probenahmegruben für spätere
22 Die Messung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit mit dem Amoozemeter ist unabhängig von der Ausgangsbodenfeuchte, da der Boden im Verlauf der Messung gesättigt wird. Um Platz im bewässerten Rückegassenbereich zu sparen, wurden diese Messungen im unbewässerten Bereich durchgeführt. Die Messungen der in situ Scherfestigkeit mit dem kleinen Scherflügel erfolgten in den Probenahmegruben. Die Probenahmegruben für die Ausgangswerte vor den Befahrungen wurden ebenfalls aufgrund der begrenten Fläche des bewässerten Bereiches im unbewässerten Rückegassenbereich angelegt.
75 messungen entnommen. Die vor den Befahrungsversuchen entnommenen Boden-proben dienten jeweils als Referenz für die BodenBoden-proben, welche nach den Befahrungsversuchen auf derselben Rückegasse entnommen wurden.
Die Bodenprobenahme vor den Befahrungsversuchen erfolgte im unbewässerten Bereich und die Bodenprobenahme nach den Befahrungsversuchen im bewässerten Bereich jeweils randomisiert in den Fahrspuren der alten Rückegassen. Vor der Befahrungskampagne mit der NOKIAN® Fahrwerkkonfiguration wurden pro Rückegasse drei Gruben für die Entnahme von Referenzbodenproben in den Fahrspuren außerhalb der beiden bewässerten Bereiche angelegt. Bei den Befahrungskampagnen mit FELASTEC® und MAGNUMTM Bogiebändern wurden vor den Befahrungsversuchen aus Kapazitätsgründen jeweils nur zwei solcher Probenahmegruben je Rückegasse außerhalb der bewässerten Bereiche angelegt. In
Abbildung 7: Schematisches Versuchsdesign. Lage der Befahrungsversuche mit NOKIAN® Reifen und FELASTEC® und MAGNUMTM Bogiebändern auf den 0,7 m breiten Fahrspuren (grau) der 4 m breiten, alten Rückegassen 1-6 und Lage der Probenahmegruben im unbefahrenen Waldboden (grün) und in den Rückegassen (orange vor und hellbraun nach dem jeweiligen Befahrungsversuch). Der blau hinterlegte Bereich kennzeichnet die jeweils 5 m breiten und 14 m langen Bewässerungsflächen.
76 den bewässerten Rückegassenabschnitten wurden je Versuchsvariante Bodenproben aus jeweils drei Probenahmegruben entnommen.
Tabelle 4: Übersicht der Orte und Versuchsvarianten, bei denen Bodenproben entnommen und in situ Messungen durchgeführt wurden, und deren Abkürzungen.
Ort Ort
Kürzel Fahrwerkkonfiguration Variante Variante Kürzel Unbefahrener
Wald-boden zwischen Rückegassen
UB - Unbefahrener
Waldboden UB
Rückegasse 1 RG1
NOKIAN® Reifen
Vor Befahrung VB1 1 Befahrung 1 B 4 Befahrungen
+ simulierte Hangneigung
4 BS
Rückegasse 2 RG2
Vor Befahrung VB2 4 Befahrungen 4 B 8 Befahrungen 8 B
Rückegasse 3 RG3
MAGNUMTM Bogiebänder
Vor Befahrung VB3 1 Befahrung 1 B 4 Befahrungen
+ simulierte Hangneigung
4 BS
Rückegasse 4 RG4
Vor Befahrung VB4 4 Befahrungen 4 B 8 Befahrungen 8 B
Rückegasse 5 RG5
FELASTEC® Bogiebänder
Vor Befahrung VB5 1 Befahrung 1 B 4 Befahrungen
+ simulierte Hangneigung
4 BS
Rückegasse 6 RG6
Vor Befahrung VB6 4 Befahrungen 4 B 8 Befahrungen 8 B
Die Referenzversuchsvarianten der alten Rückegassen 1-6 vor den Befahrungs-versuchen werden in den folgenden Kapiteln mit „VB1-6“ abgekürzt (Tabelle 4). Die Varianten der Befahrungsversuche mit 1, 4, 8 Befahrungen und 4 Befahrungen mit
77 20% simulierter Hangneigung werden mit „1 B“, „4 B“, „8 B“ und „4 BS“ abgekürzt (Tabelle 4).
Die Bodengruben wurden händisch auf ca. 1 m Tiefe ausgehoben, um eine stehende horizontweise Probenahme zu ermöglichen. Die Entnahme von Bodenproben in gestörtem und ungestörtem Zustand erfolgte in 6-9 bzw. 6-10 cm und 30-33 bzw.
30-34 cm Tiefe jeweils ungeordnet23 über die freigelegte Mineralbodenoberfläche verteilt (Tiefenbereiche abhängig von genutzter Stechzylindergröße, s.u.; Tiefe jeweils gemessen abwärts von der Oberkante des Ah-Horizonts).
Die Entnahme von Bodenproben in gestörtem Zustand (d.h. von Bodenproben mit zerstörtem bzw. gestörtem Gefüge) erfolgte mit einem Spatel. Diese Bodenproben werden im Folgenden sowie in den weiteren Kapiteln als „gestörte“ Bodenproben bezeichnet. In Stechzylindern aus Edelstahl mit geschärfter Unterkante wurden Bodenproben, wie bei Blume et al. (2011) beschrieben, mit Hilfe von Aufsatzeisen und Kunststoffhämmern möglichst störungsfrei, bzw. ungestört entnommen und mit Wellenschliffmessern manuell entlang der Stechzylindergrundflächen begradigt. Diese Bodenproben werden im Folgenden und in den weiteren Kapiteln als „ungestörte Bodenproben“ bezeichnet. Pro Tiefe und Grube wurden 14 ungestörte Bodenproben in Stechzylindern mit jeweils ca. 102 cm3 Innenvolumen (ca. 4 cm Höhe und 5,7 cm Durchmesser)24 für die Labormessung funktioneller Parameter und 13-21 ungestörte Bodenproben in Stechzylindern mit jeweils ca. 236 cm3 Innenvolumen (ca. 3 cm Höhe und ca. 10 cm Durchmesser)25 für die Messung mechanischer Parameter randomisiert entnommen. Insgesamt wurden während der vier Feldkampagnen über 3000 Boden-proben in Stechzylindern entnommen. Parallel zur Probenahme wurden in den Probe-nahmebereichen Bodenfeuchtemessungen mit einer FDR Sonde (ML2x, Delta-T Devices) und Scherflügelmessungen durchgeführt.
23 Nicht beprobbare Bereiche mit nicht von den Stechzylindern durchtrennbaren Wurzeln wurden dabei jedoch zwangsläufig ausgespart.
24 Die Stechzylinder mit 4 cm Höhe wurden in TS1 mit der Oberkante in 6 cm Bodentiefe und in TS2 mit der Oberkante in 30 cm Tiefe eingeschlagen und decken damit die Tiefenbereiche 6-10 cm (TS1) und 30-34 cm (TS2) ab.
25 Die Stechzylinder mit 3 cm Höhe wurden in TS1 mit der Oberkante in 6 cm Bodentiefe und in TS2 mit der Oberkante in 30 cm Tiefe eingeschlagen und decken damit die Tiefenbereiche 6-9 cm (TS1) und 30-33 cm (TS2) ab.
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