Untersuchung der Wirksamkeit des Einsatzes von mobilen Bodenschutzmatten bei Befahrung natürlicher Waldböden zum nachhaltigen Erhalt der Bodenfunktionen

Fachbereich: 5.2; Az.: Forstliche Forschungsförderung: FF 5.2-01-2022

Zielsetzung:

Die Mechanisierung der Waldbewirtschaftung, insbesondere bei der Holzernte mit immer schwereren Maschinen in Phasen geringerer mechanischer Belastbarkeit der Waldböden im Winter außerhalb der Frostperioden aber bei hoher Bodenfeuchte birgt ein hohes Gefährdungspotenzial für zunehmend größere und tiefer wirkende mechanische Schadverdichtungen bis hin zur vollständigen Bodenzerstörung mit intensiveren und tiefer reichenden Bodenbelastungen und nachteiligen Auswirkungen auf den Wasserhaushalt (z.B.  Oberflächenabfluss und Grundwasserneubildung). Um die nachteiligen und ertragsmindernden Einflüsse des Einsatzes sehr schwerer Forstmaschinen zu reduzieren, werden mobile und zeitlich flexible Systeme durch die Verwendung von mobilen Bodenschutzmatten (MBM) aus Kunststoff auf Rückegassen untersucht, um zu ergründen, in welchem Umfang durch die forsttechnische Befahrbarkeit vormals „unbelasteter“ Waldböden bei unterschiedlichen, insbesondere kritischen standörtlichen Bedingungen durch den Einsatz von Bodenschutzmatten (Schwerlast-Fahrplatten) erhöht werden kann und ob dadurch nachhaltig negative Auswirkungen auf den Boden und dessen Umwelt-Serviceleistungen verhindert bzw. zumindest vermindert werden können. 

Methoden:

Dazu wurden in einem 85-90 Jahre alten Buchenbestand in der Reifephase im Forstamt Idarwald, Forstrevier Hottenbach, Abteilung 257c1, von fünf Rückegassen vier partiell mit mobilen Bodenschutzfahrmatten abgedeckt, sowie eine mit traktiven Bogiebändern durch einen ca. 18 to schweren und mit ca. 13 to Holz beladenen Forwarder Komatsu Model XF 845-0 Comfort Ride befahren.
Die Variante „traktives Bogieband“ wurde zusätzlich angelegt, da der verfügbare Forwarder damit ausgestattet werden konnte und in der Versuchsanlage ein zusätzlicher Befahrungsstreifen mit vergleichbaren Standortbedingungen ergänzt werden konnte.
Je Variante wurden 20 Spurtiefen an der tiefsten Stelle in der jeweils rechten Fahrspur mit einem Gliedermaßstab gemessen. 
In jeder Variante wurden vier Gruben bis zur steinreichen Basislage ausgehoben. In den  Gruben wurden drei Schlauchdrucksonden horizontal installiert, um den durch die Überfahrten induzierten maximalen Bodendruck zu messen. Je Variante und Tiefenstufe erfolgten vier Wiederholungsmessungen des bei der Überfahrt mit dem Forwarder induzierten Bodendrucks. Auch wurden Reifenkontaktfläche bzw. –aufstandsfläche, Eindringwiderstände, Abschwerwiderstände und Infiltration gemessen und Proben für Laboruntersuchungen entnommen.
Im Labor wurden die bodenphysikalischen Eigenschaften (Gesamtporenvolumen, Porengrößenverteilung, Rohdichte, Wassergehalt, gesättigte Wasserleitfähigkeit, Luftleitfähigkeit, Eindringwiderstand) gemessen und bodenmechanische Eigenschaften (Drucksetzung, Sofortsetzung, Eindringwiderstand, Luftleitfähigkeit, Vorbelastung) untersucht. Weiterhin wurden die Gehalte an organischem Kohlenstoff und die pH-Werte bestimmt. 

Ergebnisse:

Die Fahrspurvarianten und Befahrungshäufigkeiten führten zu deutlich unterschiedlichen mittleren Spurtiefen, wobei die Spurtiefen unter den Bodenschutzfahrplatten wesentlich geringer waren als bei den Varianten „Rad“ oder „Bogie-Band“. Mit steigender Anzahl Überfahrten nimmt die Fahrspurtiefe innerhalb vergleichbarer Behandlungen zu.
Die Schlauchdrucksonden zeigten, dass bei der Einfachüberfahrt unter dem Bodenschutzmattensystem ein deutlich niedrigerer Bodendruck entstanden ist als bei der Variante Rad. Bei fünf Überfahrten weisen die Variante Bogie-Band in 10 cm Tiefe die höchsten gemessenen Maximalbodendrücke auf. Die Bodendrücke sind, ausgenommen in 10 cm Tiefe, bei dem Bodenschutzmattensystem am geringsten.
Die Kontaktflächenmessungen zeigten, dass die Aufstandsfläche des Forwarders ohne Bodenschutzfahrmatten deutlich größer ist als mit Bodenschutzfahrmatten. Die größte Aufstandsfläche wiesen die Bogie-Bänder auf. Bei fünf Überfahrten wurden bei den Varianten Matte und Rad tendenziell geringere Kontaktflächen gemessen als bei nur einer Überfahrt.
Die Eindringwiderstände in den Boden weisen bei der Variante Rad in allen Tiefenstufen höhere Werte auf, als bei der Anwendung der Bodenschutzmatten. Sie sind bei der Variante Bogie-Band mit denen der Variante Bodenschutzmatten vergleichbar. Nach fünf Überfahrten verursachen die Varianten „Bogie-Band“ und „Mattensystem“ einen geringeren Eindringwiderstand und damit eine geringere Bodenverdichtung als die Variante „Rad“.
Die Abscherwiderstände sind nach fünf Überfahrten die Abscherwiderstände in den verschiedenen Tiefenstufen etwa gleich hoch bis zu doppelt so hoch wie die der unbefahrenen Kontrolle. Generell steigt der Abscherwiderstand über alle Varianten mit steigender Tiefe an. Von der unbefahrenen Kontrolle über das Mattensystem zu den Varianten „Rad“ sinkt das Infiltrationsvermögen des Waldbodens gravierend ab. Auch bei der Variante „Bogie-Band“ ist das Infiltrationsvermögen deutlich verringert, liegt aber etwas höher als bei der Variante „Rad“. Somit zeigt das portable Bodenschutzsystem einen wesentlichen Vorteil hinsichtlich der Aufnahmefähigkeit für Niederschläge gegenüber konventioneller Technik. Dieser Vorteil der höheren Infiltrationsleistung hat zweifelsohne einen verminderten Oberflächenabfluss und damit eine geringere Erosionsneigung zur Folge.
Die Laborergebnisse zeigen, dass die Werte der Trockenrohdichte mit zunehmender Tiefe ansteigen. Insbesondere im Oberboden steigt die Trockenrohdichte von der Kontrolle über die Bodenschutz-Matten zu Rad und den weiteren Varianten an. Allerdings werden die Unterschiede mit zunehmender Tiefe geringer. Die Trockenrohdichten entlang der Querprofile steigen erwartungsgemäß mit Annäherung an die Fahrspur an, erreicht in der Fahrspur das Maximum und sinkt bis in den Mittelstreifen (Mitte zwischen rechter und linker Fahrspur) wieder ab. Die Luftkapazität sinkt mit zunehmender Bodentiefe. Darüber hinaus weist die Variante „Bodenschutz-Matte“ die höchste Luftkapazität aller befahrenen Varianten und Tiefenstufen auf.
Die mechanische Belastbarkeit / Vorbelastung des unbefahrenen Waldbodens nimmt vom Oberboden bis in tiefere Bereiche zu. Nach Befahrung steigt die mechanische Belastbarkeit in der Reihenfolge Matte < Rad  < Bogie-Band. Die geringere Vorbelastung bei Nutzung des Bandes im Vergleich zur Radvariante kann darauf zurückzuführen sein, dass die traktiven Stege eine Scherwirkung auslösen. Die üblicherweise als vorteilhaft zu bewertende, geringere Zunahme der Vorbelastung bei Überfahrt mit dem Bogie-Band, kommt hier also im Gegenteil durch den nachteiligen Effekt des Aufwühlens und Verknetens des überfahrenen Bodens zustande. Dies führte sogar zum Abreißen horizontal verlaufender Baumwurzeln und deren Verdrehen um bis zu ca. 90° abweichend ihrer natürlichen Lage im Boden.
Die Sofortsetzungsanteile (initialer Setzungsanteil an der Gesamtsetzung) im Moment der Lastaufbringung geben Aufschluss über kurzzeitige Belastungen des Bodens, die z.B. bei einer Überfahrt eintreten. Bei mehrfacher Überfahrung ist die Sofortsetzung nach Überschreiten der mechanischen Belastbarkeit, bei der Variante „Bogie-Band“ höher als bei „Rad“ und bei „Matte“. Dies deutet darauf hin, dass bei den Varianten „Matte“ und „Band“ bei Überschreiten der Vorbelastung spontan mehr Grobporen kollabieren als bei „Rad“.

Der Befahrungsversuch zeigt, dass das Bodenschutzmattensystem bei einer einzigen Überfahrt über vormals ungestörten Waldboden eine deutliche Bodenschutzwirkung gegenüber der Überfahrt mit Rädern ohne Bodenschutzsystem aufweist. Nach mehrfachen Überfahrten nivellieren sich allerdings die Unterschiede. Darüber hinaus weisen die Infiltrationsleistungen darauf hin, dass ein deutliches Potenzial besteht, die Oberflächenabflusskonzentration von Niederschlagsereignissen mittels des portablen Bodenschutzsystems abzumildern.