192 mittel bis stark tonigen Schluff (Ut3-4) angegebenen Kennwerte64 des Feinporen-volumens ein und ist vermutlich auf die natürliche Heterogenität der Korngrößen-verteilung (Tabelle 7) zurückzuführen.
193 unbefahrenen Waldboden zu „mittel“ in den alten Rückegassen (die gestrichelten horizontalen Linien in Abbildung 30 zeigen die Klassifikationsgrenzen an). Dies ent-spricht nach Lebert (2010) einer Verminderung der Verdichtungsgefährdung von
„hoch“ im unbefahrenen Waldboden auf „mittel“ in den Rückegassen. Demgemäß wurde die Befahrbarkeit des Waldbodens bei der gegebenen Bodenfeuchte durch die historischen Holzrückearbeiten im Bereich der untersuchten Rückegassen tendenziell erhöht.
Die Vorbelastungen der Bodenproben aus den alten Rückegassen, die über einen weiten Bereich der Lagerungsdichte zwischen 1,1 und 1,75 g cm-3 gestreut sind, sind auch bei niedrigen Lagerungsdichten höher als die Vorbelastungen der Bodenproben aus dem unbefahrenen Waldboden und der künstlich vorverdichteten homogenisierten Bodenproben (Abbildung 35). Im Gegensatz zum unbefahrenen Waldboden und zum homogenisierten Boden zeigte sich beim ungestörten Boden aus den alten Rücke-gassen kein Zusammenhang von Vorbelastung bei -60 hPa und Lagerungsdichte (Abbildung 35, R²<0,01). Anhand der Lagerungsdichte lässt sich folglich nicht vorher-sagen, ab welchem Kontaktflächendruck der ungestörte Boden im Bereich der Rücke-gassen irreversibel verformt wird. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Befahrung im Bereich der alten Rückegassen zu einer mechanischen Stabilisierung geführt hat, die unabhängig von der Verdichtung von Hohlraumvolumen (Erhöhung der Lagerungs-dichte) war. Befahrungsbedingte Partikeleinregelung könnte beispielsweise dazu geführt haben, dass sich der ungestörte Boden aus den alten Rückegassen bei vertikaler Kompression im Ödometerversuch erst bei höheren Auflasten setzte und die Vorbelastung entsprechend höher war als beim unbefahrenen Waldboden.
Vorbelastung der alten Rückegassen vor und nach den Befahrungsversuchen
Bei allen Fahrwerkkonfigurationen erhöhten sich die Vorbelastungen der alten Rücke-gassen kontinuierlich mit zunehmender Befahrungshäufigkeit (Abbildung 31). Bis zur achten Befahrung wurden die Vorbelastungen nach Lebert (2010) von der „mittleren“
Vorbelastungsklasse im Ausgangszustand vor den Befahrungsversuchen auf die
„hohe“ Vorbelastungsklasse angehoben (Abbildung 30). Nach 8 Befahrungen mit NOKIAN® Reifen waren die Vorbelastungen mit einer Zunahme um 48 und 46 kPa
Replikationseinheit definiert). Daher entsprechen diese Differenzwerte nicht exakt den Differenzwerten, die aus den – in den Boxplots gezeigten – ausreißerbereinigten Medianwerten des unbefahrenen Waldbodens und der Rückegassen berechnet wurden.
194 bzw. 32 und 30% in TS1 und TS2 allerdings stärker erhöht als nach 8 Befahrungen mit MAGNUMTM Bogiebändern (25 und 28 kPa bzw. 17 und 18% Zunahme in TS1 und TS2) und FELASTEC® Bogiebändern (27 und 43 kPa bzw. 17 und 28% Zunahme in TS1 und TS2). Die Zunahme der Vorbelastungswerte war nach 8 Befahrungen mit MAGNUMTM bzw. FELASTEC® Bogiebändern in TS1 um 23 bzw. 21 kPa und in TS2 um 18 bzw. 3 kPa geringer als nach 8 Befahrungen mit NOKIAN® Reifen. In Bezug auf die Vorbelastung wurde demnach die Verdichtungsempfindlichkeit der alten Rücke-gassen durch die Befahrung mit dem Versuchsrückezug bei allen getesteten Fahr-werkkonfigurationen tendenziell verringert, wobei dieser Effekt bei NOKIAN® Reifen stärker ausfiel als bei FELASTEC® und MAGNUMTM Bogiebändern.
Die zusätzlich generierte Hangneigung von 20% bei 4 Befahrungen führte im Vergleich zu 4 Befahrungen ohne simulierte Hangneigung nicht zu deutlichen Unterschieden in der Vorbelastung. Die befahrungsbedingte Erhöhung des Vorbelastungswertes scheint demgemäß nicht von der erhöhten Scherwirkung der zusätzlichen Traktion beeinflusst worden zu sein.
Kompressionsbeiwert des unbefahrenen Waldbodens und der alten Rückegassen
Der Kompressionsbeiwert Cc beschreibt, in welchem Maß sich der Boden mit zuneh-mender Belastung setzt, wenn die Belastung den Vorbelastungswert des Bodens über-schreitet. Die Kompressionsbeiwerte waren in den Rückegassen um 0,05-0,17 log(kPa)-1 in TS1 und 0,10-0,17 log(kPa)-1 in TS2 (19-70% in TS1 und 37-60% in TS2) niedriger als im unbefahrenen Waldboden (Abbildung 32). Dies bedeutet, dass die Setzung des unbefahrenen Waldbodens im Erstverdichtungs-bereich unter den Bedingungen der Multistep-Drucksetzungsversuche mit steigender Belastungsintensität des Druckstempels stärker zunahm als die Setzung des Bodens aus den Rückegassen.
Die stark negative Abhängigkeit der Kompressionsbeiwerte von den Lagerungsdichten im ungestörten unbefahrenen Waldboden und im ungestörten Boden aus den alten Rückegassen (R2=0,83 bzw. R2=0,68, Regressionsmodell und Steigungskoeffizient mit p<0,001 signifikant für α=0,05, statistische Kennwerte in Tabelle 8; Abbildung 35) impliziert, dass die Lagerungsdichte ein guter Prädiktor für den Kompressionsbeiwert und damit für die Stärke der Verdichtung bei Überschreitung der Vorbelastung des Bodens sein kann. Gemäß dieser Korrelation von Kompressionsbeiwert und Lagerungsdichte wäre die oben beschriebene Verringerung der medianen
195 Kompressionsbeiwerte in den Rückegassen im Vergleich zum unbefahrenen Waldboden (d.h. Stabilitätserhöhung im Erstverdichtungsbereich in den alten Rückegassen) zu einem großen Anteil auf die erhöhte Lagerungsdichte (Hohlraumverdichtung) bzw. die entsprechende Erhöhung der Korn-Korn-Kontaktzahl zurückzuführen.
Kompressionsbeiwert der alten Rückegassen vor und nach den Befahrungsversuchen
Nach Befahrung mit den beiden getesteten Bogieband-Varianten veränderten sich die Kompressionsbeiwerte nicht eindeutig. Lediglich in TS2 gab es nach Befahrung mit FELASTEC® Bogiebändern einen leichten Abwärtstrend mit zunehmender Befah-rungshäufigkeit. Dagegen waren die Kompressionsbeiwerte nach Befahrung mit NOKIAN® Reifen in TS1 deutlich verringert und in TS2 nach 8 Befahrungen erhöht.
Diese gegenläufigen Veränderungen in TS1 und TS2 nach Befahrung mit NOKIAN® Reifen koinzidieren mit initialen Kompressionsbeiwerten vor den Befahrungs-versuchen, die im Vergleich zu den Initialwerten vor den Befahrungsversuchen mit Bogiebändern verhältnismäßig hoch (TS1) bzw. niedrig (TS2) waren. Dazu kongruente Unterschiede zwischen den Rückegassen vor Befahrung mit NOKIAN® Reifen und vor Befahrung mit den Bogiebändern sind auch in Bezug auf die Lagerungsdichten erkennbar (Abbildung 21). Die tiefenspezifischen Unterschiede nach Befahrung mit NOKIAN® Reifen und Bogiebändern könnten daher darauf zurückgehen, dass die Empfindlichkeit der Kompressionsbeiwerte gegenüber Befahrung vom Ausgangs-zustand in der jeweiligen Tiefenstufe abhängig war.
Vorbelastung und Kompressionsbeiwert des homogenisierten Bodens Bei einer Befahrung von ungestörtem Boden mit hoher Wassersättigung kann die Dynamik der Belastung zur Knetung und damit zur Homogenisierung des Bodens füh-ren (siehe Literaturanalyse Kapitel 3.2.3). Die mechanischen Eigenschaften von homogenisiertem Boden sind daher auch für die forstliche Praxis von Belang.
Für die Drucksetzungsversuche im Ödometer wurde homogenisierter Boden aus den alten Rückegassen mit Hilfe einer Universalprüfmaschine auf 1,3, 1,4 und 1,5 g cm-3 Lagerungsdichte vorverdichtet (siehe Methoden Kapitel 4.5). Diese vorverdichteten Bodenproben wiesen ähnliche Lagerungsdichten wie die ungestörten Bodenproben auf. Das Gefüge des ungestörten Bodens wurde durch die Rückverdichtung jedoch nicht wiederhergestellt. Folglich wurde die mechanische Stabilität des homogeni-sierten vorverdichteten Bodens während der Drucksetzungsversuche vornehmlich
196 durch die Anzahl der Kornkontakte und die Kontraktion der Wassermenisken (schein-bare Kohäsion bei Porenwasserunterdruck) vermittelt (siehe Literaturanalyse Kapitel 3.2.2).
Zwischen den Lagerungsdichten und den Vorbelastungswerten bei -60 bzw. -300 hPa Soll-Vorentwässerung des homogenisierten Bodens besteht jeweils eine positive annähernd lineare Korrelation (R2=0,97 bzw. R2=0,84 bei -60 bzw. -300 hPa Soll-Vorentwässerung, Regressionsmodelle und Steigungskoeffizienten mit p<0,001 signi-fikant für α=0,05; statistische Kennwerte in Tabelle 8; Abbildung 33). Bei initialem Porenwasserunterdruck (d.h. scheinbarer Kohäsion) von -60 bzw. -300 hPa stieg die Vorbelastung gemäß den Steigungskoeffizienten je 0,1 g cm-3 Erhöhung der Lage-rungsdichte um 12,6 kPa bzw. 13,1 kPa linear an. Bei den Drucksetzungsversuchen wurde die kohäsive Wirkung der Kittsubstanzen durch die vorherige Homogenisierung nivelliert und die kohäsive Wirkung des Porenwasserunterdrucks durch die Soll-Vorentwässerung standardisiert. Damit verbleibt allein die mit der Erhöhung der Lage-rungsdichte einhergehende Erhöhung der Anzahl der Kornkontakte als mögliche Ursache für die oben beschriebene positive Korrelation zwischen dem vom homo-genisierten Boden mobilisierbaren Widerstand gegen irreversible Volumenverformung (Vorbelastung) und der Lagerungsdichte.
Die Kompressionswerte der homogenisierten Bodenproben sinken annähernd linear mit steigenden Lagerungsdichten (R2=0,98 bzw. R2=0,89 bei -60 hPa bzw. -300 hPa Soll-Vorentwässerung, Regressionsmodelle und Steigungskoeffizienten mit p<0,001 signifikant für α=0,05; statistische Kennwerte in Tabelle 8; Abbildung 33). Die Verrin-gerung der Kompressionsbeiwerte zeigt eine Erhöhung der Stabilität gegenüber verti-kalen Belastungen bei Überschreitung des Vorbelastungswertes an.
Zusammenfassend führte die Erhöhung der Lagerungsdichte der homogenisierten Bodenproben gleichzeitig zu einer Erhöhung der Vorbelastung und zu einer Verrin-gerung der Kompressionsbeiwerte. Konkret auf den untersuchten vorverdichteten homogenisierten Boden bezogen bedeutet dies, dass der Boden mit einer Lagerungs-dichte von 1,5 g cm-3 erst bei größerer vertikaler Belastung und dann in geringerem Maß überwiegend irreversibel verdichtet wurde als der Boden mit einer Lagerungs-dichte von 1,4 und 1,3 g cm-3. Schlussfolgernd ging die Erhöhung der Lagerungsdichte mit einer Erhöhung der Stabilität gegenüber plastischer Verformung unter statischer
197 vertikaler Druckeinwirkung bei begrenzter Seitenausdehnung einher und ist vermutlich deren Ursache.67
Die Vorbelastungswerte der homogenisierten Bodenproben mit -300 hPa Soll-Vorent-wässerung waren bei gleicher künstlich eingestellter Lagerungsdichte ca. 10-15 kPa höher als bei -60 hPa Soll-Vorentwässerung (Abbildung 33). Bei -300 hPa Soll-Vorent-wässerung setzte eine deutliche Setzung – deren Beginn vom Vorbelastungswert markiert wird – folglich erst bei einer höheren Belastungsintensität ein als bei -60 hPa.
Vermutlich bewirkte die stärker kontrahierende Wirkung der Wassermenisken beim negativeren Porenwasserdruck, wie in der Literaturanalyse in den Kapiteln 3.2.2 und 3.2.4.1 erläutert, diese größere Stabilisierung. Anders als bei den Vorbelastungs-werten ist bei den KompressionsbeiVorbelastungs-werten gleicher Lagerungsdichte kein deutlicher Unterschied zwischen -60 hPa auf -300 hPa Soll-Vorentwässerung feststellbar (Abbildung 33).
Der initiale Porenwasserdruck (bzw. die Soll-Vorentwässerung) beeinflusste folglich, ab welcher Auflastspannung der homogenisierte Boden überwiegend irreversibel ver-dichtet wurde (Vorbelastung), nicht jedoch, in welchem Maß die Setzung bei Über-schreitung der Vorbelastung erfolgte (Kompressionsbeiwert).
Zusammenfassend wurde die in Form des Kompressionsbeiwertes gemessene Erst-verdichtungsintensität bei den künstlich vorverdichteten homogenisierten Boden-proben allein durch die Lagerungsdichte und nicht durch den Porenwasserdruck bestimmt.
Vorbelastung und Kompressionsbeiwert des homogenisierten und ungestörten Bodens im Vergleich
Bei der Homogenisierung von ungestörtem Boden wird dessen Gefüge zerstört; die Bodenpartikel werden neu angeordnet. Dabei ändert sich die Struktur des Bodens.
Damit verschiebt sich auch der Anteil der gasförmigen und flüssigen Phase am Gesamtbodenvolumen, während die Zusammensetzung der Feststoffbestandteile großteils erhalten bleibt.68 Die Unterschiede zwischen den Vorbelastungswerten der
67 Da die wichtigen Einflussparameter Bodengefüge und Porenwasserdruck bei den Drucksetzungsversuchen standardisiert wurden, liegt der Korrelation von Lagerungsdichte und den mechanischen Stabilitätsparametern vermutlich eine Kausalität zugrunde.
68 Allerdings können theoretisch einzelne Moleküle bei veränderten Bedingungen im homogenisierten Boden durch chemische und biologische Prozesse von der festen in die flüssige oder gasförmige Phase übergehen und umgekehrt.
198 ungestörten Bodenproben aus dem unbefahrenen Waldboden und aus den alten Rückegassen und den Vorbelastungswerten des vorverdichteten homogenisierten Bodens gleicher Lagerungsdichte repräsentieren daher den Einfluss des Boden-gefüges auf die mechanische Stabilität des jeweiligen Bodens. Die bei -60 hPa gemes-senen Vorbelastungen des unbefahrenen Waldbodens und des Bodens aus den alten Rückegassen liegen in der Regressionsanalyse von Abbildung 35 und im Boxplot von Abbildung 34 bei gleicher Lagerungsdichte deutlich höher als die Vorbelastungen der künstlich vorverdichteten homogenisierten Bodenproben (jedes Wertepaar von Vorbe-lastung und Lagerungsdichte wurde an derselben Bodenprobe bestimmt):
Die arithmetisch gemittelte Vorbelastung des unbefahrenen Waldbodens mit einer Lagerungsdichte von ca. 1,3 g cm-3 liegt in TS1 um 84 kPa höher als die arithmetisch gemittelte Vorbelastung des homogenisierten Bodens mit ähnlicher Lagerungsdichte, wobei die wahre Differenz gemäß dem 95% Konfidenzintervalls zwischen 31,3 und 137,4 kPa liegt (Abbildung 34; gemäß Welch-t-Test mit t =-6,8 und p=0,02 signifikant für α=0,05). Die mittlere Vorbelastung der Rückegassen 3-6 mit einer Lagerungsdichte von ca. 1,5 g cm-3 ist ca. 103 kPa höher als die des homogenisierten Bodens mit ähn-licher Lagerungsdichte, wobei die wahre Differenz gemäß dem 95% Konfidenz-intervalls zwischen 98,4 und 108,0 kPa liegt (nach Welch-t-Test mit t=-53,5 und p<0,001 signifikant für α=0,05). Bemessen an der Differenz der Vorbelastungen des ungestörten und des homogenisierten Waldbodens jeweils ähnlicher Lagerungsdichte hatte die pedogene Strukturbildung folglich einen Anteil von ca. 79% an der natürlichen Vorbelastung des unbefahrenen Waldbodens und von ca. 69% an der Vorbelastung des Bodens in den alten Rückegassen 3-6.69 Gemäß dem Klassifikationsschema nach DVWK (1995) und Lebert et al. (2004) für landwirtschaftlich genutzten Boden ergeben sich aus den gemittelten Vorbelastungswerten die Verdichtungsgefährdungen „sehr hoch“ für das homogenisierte Bodenmaterial, „mittel“ für den unbefahrenen Wald-boden und „sehr gering“ für die durch die historische Befahrung vorverdichteten alten Rückegassen.
Diese Ergebnisse implizieren, dass nicht die Packungsdichte der Bodenpartikel, sondern das in der Pedogenese entstandene Gefüge den hauptsächlichen Anteil an der Vorbelastung des unbefahrenen und befahrenen Lössbodens im Versuchsgebiet hatte. Das bedeutet, dass im Boden der alten Rückegassen und im unbefahrenen
69 Hier wurde die Differenz der Vorbelastungswerte des ungestörten und des homogenisierten Bodens als auf die Pedogenese zurückgehender Stabilitätsanteil ins Verhältnis zur Gesamtstabilität (mittlere Vorbelastung) des ungestörten Bodens gesetzt.
199 Waldboden vornehmlich volumenunabhängige Reibungs- und Kohäsions-komponenten bestimmend für die mechanische Stabilität waren, die nicht durch die Lagerungsdichte abgebildet werden. Dies könnten beispielsweise Kittsubstanzen gewesen sein, die in intensivierten Trocknungs- und Wiederbefeuchtungszyklen in ent-sprechend größerem Maß mit den Wassermenisken zu den Kornkontaktpunkten verlagert wurden (Hartge et al., 2014). Durch diese Konzentration an den für die Stabilität entscheidenden Kontaktstellen könnte dieselbe Menge an Kittsubstanzen im strukturierten Boden eine stärkere Kohäsion ausgeübt haben als im homogenisierten Boden.
Bei gleichen Kompressionsbeiwerten hatten die auf -60 hPa vorentwässerten homo-genisierten Bodenproben höhere Vorbelastungen als die ungestörten Bodenproben (Abbildung 35). Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass unter den Bedingungen der Multistep-Drucksetzungsversuche bei den homogenisierten Bodenproben eine vergleichbare Setzung (plastische Verformung) bereits bei geringeren Auflasten als bei den ungestörten Bodenproben erfolgte.