Geräte- und verfahrenstechnische Optimierung der mechanischen Unkrautregulierung in ...

202 Pages·2007·14.13 MB·German

InstitutfürLandtechnik
derTechnischenUniversitätMünchen
inWeihenstephan
Geräte- und verfahrenstechnische Optimierung der
mechanischen Unkrautregulierung in Beetkulturen
von
Hansjörg Weber
VollständigerAbdruckder
vonderFakultätfürLandwirtschaftundGartenbau
derTechnischenUniversitätMünchen
zurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderAgrarwissenschaften
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof.Dr.Dr.h.c.(AE)H.Schön
PrüferderDissertation: 1.Univ.-Prof.Dr.J.Meyer
2. Univ.-Prof. Dr.W.Schnitzier
3.Univ.-Prof. Dr.M. Estler(iR)
DieDissertationwurdeam29.07.1997beider
TechnischenUniversitätMüncheneingereicht
unddurchdieFakultätfürLandwirtschaftundGartenbau
arn22.09.1997 angenonunen.
DieseArbeitwurdevomBayerischenStaatsministeriumfürErnährung,Landwirtschaft
undForstenundvonderFinl1aFendtunterstützt
© 1997byLandtechnikWe~ihemsltep]!lan
ISSN-Nr.0931-6264
AlleRechte, auchdiederÜbersetzungunddes Nachdruckssowie Artder
phICltome:ch:anischlen Wiedergabe oder Übernahme aufD~ltelltriige:r,auch aus
ZUI2:svveise,bleibenvorbehalten.
SelbstlrertagImEil1;en'verl:rieb:
InstitutfürLandtechnik
VXttinIT",rStraße36
85350Freising
FürmeineEltern
Vorwort
DieVerringerungderAufwandmengenoderdervollständigeVerzichtaufdenEinsatz
vonHerbizidenistmiterheblichenKostenundsteigendenRisikenfürdenKulturerfolg
verbunden. Fürden integriertenAnbau isteinechemischeUnkrautregulierung ohne
diePrüfungphysikalischerAlternativennichtzulässigundhäufigistdieVerfügbarkeit
vonHerbizidenwegenfehlenderZulassungenunzureichend.DerAnbaunachökologi
schenRichtlinienschließtdenEinsatzsynthetischerHerbizideaus.VordiesemHinter
grundhabenArbeitenzurVerbesserungvonGerätenundVerfahrenzurUnkrautregu
lierungmitphysikalischenMaßnahmenerheblichanBedeutunggewonnen.
IndervorliegendenArbeitliegendieZieleinderOptimierungmechanischerVerfah
renderUnkrautregulierung,einerBewertungdieserVerfahrenundeinerEinschätzung
deskulturtechnischenundwirtschaftlichenRisikosfürdenAnwenderderVerfahren.
DiesekomplexeZielstellung läßtdie Bearbeitungmit den bisher üblichen, mehrzu
beschreibenden Ergebnissen führenden Forschungsansätzennichtzu. Es wird daher
erstmalig für den Bereich "mechanische Verfahren der Unkrautregulierung" ein
klassischer Lösungsansatz aus der Systemtechnik konsequent und erfolgreich der
AufgabeangepaßtalsForschungsmethodeeingesetzt.
Das entwickelte Hackgerät, die "Weihenstephaner Trennhacke", ist wegen seiner
zweistufigenArbeitsweiseunddurchdenEinsatzeineshydraulischenAntriebesfürdie
Trennvorrichtung(Rotationsstriegel)wesentlichweitgehenderalsdieVergleichsgeräte
inderLage,unabhängigvonBodenstruktur,FahrgeschwindigkeitundUnkrautgröße
dienotwendigenArbeitendurchzuführen.DieseskommteinerseitsdemRegulierungs
erfolg,andererseitsaberauch demAnspruchnachBodenschonungentgegen.
DieArbeitistdurchdenkonsequentdurchgeführtensystemtechnischenForschungs
ansatzalsbeispielgebendzubewerten.Erfahrungenaus LiteraturundPraxis werden
mitwissenschaftlichenMethodeninneueErkenntnisseumgesetztundüberdenBau
und die Erprobung eines Prototypen erfolgreich in die Praxis zurückgeführt. Die
Ergebnisse der Arbeit sind deshalb von außerordentlich hohem Wert und werden
internationalBeachtungundauchEingangindiePraxisfinden.
Weihenstephan, imOktober1997
Prof. Dr.habil. JoachimMeyer
An dieser Stelle mächte ich allen herzlich danken, die Ge;lir,gen dieser Arbeit
MeinbesondererDank HerrnProf.Dr.J. fürdieÜberlassungdesThemas
undfürdieBetreuungderArbeitunddafür, daßich auchüberdasFachliche
hinausseinenRatund seineHilfein nehmenkonnte.
HerrnProf.Dr. W.Schnitzlerund HerrnProf.Dr. M.EstlermächteichfürdieÜber
nahme der Koreferate danken sowie Herrn Prof. Dr. Dr. h.c. (AE) J. Schön für die
ÜbernahmedesPrüfungsvorsitzes.
DankenmöchteichHerrnProf.Dr.FeuchtfürdieÜberlassungderVersuchsfläche.
BeimeinemKollegenDr.A.Bertrammächteichmichfürdie anregenden Diskussio
nenunddiekonstruktiveKritikbedanken.
Mein Dank gilt allen, die an der Konstruktion und dem Bau des der
Weihenstephaner Trennhacke waren. Nennen möchte ich an dieser Stelle
Herrn H. Stadler, die MitarbeiterderWerkstattund den derLand
technik, HerrnJ. Dallinger.
Bei Herrn H. Keller möchte ich mich für die technischen und für die
Übersichtsdiagramme bedanken, die mit vielInitiative und Liebe zum Detail ange
fertigtwurden.
Bedanken möchte ich mich auch bei denen, die an der Durchführung und
Auswertung der und der Experimente haben. Hervor-
zuhebensindhierlnaMariaGroßlohmann-HürmannundKlausHutner.
Fürihre unddafür, daß siemichstetsaufs Neuemotivierthat, mächte
ichmichschließlichganzbesondersbeimeinerPiabedanken.
Weihenstephan, Juli 1997 HarlsjölrgWeber
Inhaltsverzeichnis 5
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis. .... . , 5
9
Tabellenvell'zeichnis ....................... 13
VerzeichnisderFormelzeichen. ................................ 15
VerzeichnisderAbkürzungen ................... .............. 16
1 Einleitungund Prl()blerrlst~~nl.Jlng 17
2 StanddesWissens 20
2.1 GerätetechnikfürdiemechanischeUnkrautregulierungzwischen
den Kulturpflanzenreihen ................................ 21
2.1.1 Reihenhacke 22
2.1.2 Reihenhackbürste 23
2.1.3 Reihenfräse , " 25
2.2 Verfahrenstechnik. ......................................... 26
2.2.1 Regulierungserfolg ,............................. 26
2.2.1.1 Reihenhacke 27
2.2.1.2 Reihenhackbürste 29
2.2.1.3 Reihenfräse ........................................ 32
2.2.2 FahrgeschwindigkeitundFlächenleistung , 32
2.2.2.1 Reihenhacke . 33
2.2.2.2 Reihenhackbürste 34
2.2.2.3 Reihenfräse ,..................... .. . , 34
2.2.3 AuswirkungaufdieBodenstruktur " 35
2.2.3.1 Reihenhacke 36
2.2.3.2 Reihenhackbürste 36
2.2.3.3 Reihenfräse .............. 38
2.2.4 Einsatzplanung .. 39
2.2.5 ModellezurKalkulationverfügbarerFeldarbeitstage 40
2.3 Kosten . . 43
3 45
4 MaterialundMethoden 47
4.1 Systemteclhni.kalsMethodezurgeräte- undverfahrenstechnischen
OptimierungdermechanischenUnkrautregulierung . .... ..... 47
Da.terlerJletmu:gzurmechanischenUnkrautreguJieruuginderPraxis 49
BetriebsauswahlundStichprobenumfang . 49
4.2.2 Fragebogen . 50
4.23 Durchführung ... . 51
4.3 ModellkalkulationzurBewertungeinesoptimierten 52
4.3.1 BeschreibungderModellbetriebe .......... ..... ..... .... 54
4.3.2 Berechnungderbenötigten ............ 57
4.3.3 ModellzurBerechnungderverfügbarenFeldarbeitstage . 59
4.3.31 BelreclhmmgdesBodenfeuchtegehalts 60
4.3.3.2 BerechnungderverfügbarenFeldarbeitstage ..................... 73
4.3.3.3 BeschreibungderRahmenbedingungenfürdie der
verfügbarenFeldarbeitstage ............................... 78
4.3.4 Kostenkalkulation ........ 81
4.3.4.1 Fixkosten 82
4.3.4.2 VariableKosten . ,. ,....... 83
5 Dalh~IU~I'hebungzurmechanischenUntkrantre'guliel[ulrng derPraxis
Ergel)nisseundSchlußfolgerungen- 85
5.1 Ergebnisse ,, , 85
5.1.1 Betriebsdaten ,.,.................. 85
5.1.1.1 Standortbedingungen ...... . ".. 85
5.1.1.2 Fläch,:ngröEieundAnzahlderArbeitskräfte ,,,,... 88
5.1.1.3 GerätebesatzderBetriebe, .. ,,.,.. ,, ,,., ,,.,.,,,.. 91
5.1.2 Verfahrenstechnik ,................ 93
5.1.2.1 Geräteeinsatz ................ 93
5.1.2.2 Einsatzgrenzen 98
5.1.2.3 Regulierungserfolg ............................ 100
5.1.2.4 Fallrgtoscllwi.ndi.gk(oitund ..... , ... 101
5.1.2.5 Handarbeitszeitaufwand ........... 103
5.1.3 Kosten. 104
5.1.3. Maschinenkosten 104
5.1.3.2 Arbeitskosten 106
Inhaltsverzeichnis 7
5.2 Schlußfolgerungen 106
5.2.1 Darstl=lIlmgdesSystems"MechanischeUnkrautregulierung" ...... 107
5.2.2 DarstellungderHandlungsspielräumebeidergeräte- und
verfahrenstechnischenOptimierung " 110
5.2.2.1 SicherstellungderRegulierungswirkung 110
5.2.2.2 ErhöhungderFlächenleistung 111
5.2.2.3 Ausweitungdergerätespezifischen,witterungsbedingten
Einsatzgrenzen 113
5.2.3 EinsatzstrategiefürdieGerätebeiderModellanwendung .......... 114
6 ModellanwendungzurBewertungeinesoptimiertenGerätekonzeptes
.ErgebnisseundSchlußfolgerungen. 120
6.1 Ergebnisse ............................................... 120
6.1.1 EinsatzplanungundDurchführbarkeitderVerfahren. ............. 120
6.1.1.1 Variante"GeringeNiederschlägelBodenklasseleicht" 120
6.1.1.2 Variante"HoheNiederschlägelBodenklasseschwer" 124
6.1.2 Arbeitszeitaufwand ........................................ 133
6.1.2.1 Variante"GeringeNiederschlägelBodenklasseleicht" 133
6.1.2.2 Variante"HoheNiederschlägelBodenklasseschwer" 134
6.1.3 Kostenkalkulation ....................................... 136
6.1.3.1 Variante"GeringeNiederschlägelBodenklasseleicht" 137
6.1.3.2 Variante"HoheNiederschlägelBodenklasseschwer" 140
6.2 Schlußfolgerungen 142
7 BauundÜberprüfungeinesneuartigenGeräteszurmechanischen
UnkrautreguIiernngzwischendenReihen 145
7. KonstruktionundBaudesPrototyps 145
7.1 Anforderungsprofilfürdas Gerätekonzept ..................... 145
7.1.2 FestlegungdesFunktionsprinzips ............................. 146
7.1.2.1 SicherstellungdesRegulierungserfolges 146
7.1.2.2 ErhöhungderFlächenleistung ,.. 147
7.1.2.3 AusweitungderwitterungsbedingtenEinsatzgrenzen 148
7.1.3 BaudesPrototypsderWeihenstephanerTrennhacke ......... 149
7.2 Überprüfungdes ausgeführtenGerätekonzeptes 152
7.2.1 MaterialundMethoden. .................................... 152
7.2.1.1 Versuchsanordnungund-durchführung ........................ 152
7.2.1.2 ErfassungdesRegulierungserfolges ........................... 156
7.2.1.3 ErfassungderFahrgeschwindigkeit ............ 156
7.2.1.4 EnnittlungderwitterungsbedingtenEinsatzgrenzen 157
7.2.1.5 ErmittlungderAuswirkungaufdieBodenstruktur 158
7.2.2 Ergebnisse. .................. . . 158
7.2.2.1 Regulierungserfolg . 159
7.2.2.2 FahrgeschwindigkeitundFlächenleistung . 160
7.2.2.3 WitterungsbedingteEinsatzgrenzen .............. 160
7.2.2.4 AtlS\l/irlCUllgaufdieBodenstruktur . 162
8 Diskussion ... J65
81 BegrenzungenundHa.ndlurlgsspileh·äumebeidergeräte- und
verfahrenstechnischenOptimierung 166
8.2 167
8.3 Versuchsergebnisse 171
8.4 Ausblick . . 174
I) ZUS3imm,mfas:sung . . . 176
Summary . 180
11 Literatl.lrverzeichnis 184
Anhang .....,. 191
Abbildungsverzeichnis 9
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: SchematischeDarstellungderReihenhacke ...... 22
Abb. 2: SchematischeDarstellungderReihenhackbürste ... 23
Abb.3: SchematischeDarstellungderReihenfräse ................ 25
Abb.4: RegulierungserfolgderReihenhackeabhängigvonderSchünhöhe
undderPflanzenhöhe(TERPSTRAundKOUWENHOVEN 1981) ........ 28
Abb. 5: EinflußderArbeitstiefeaufdenRegulierungserfolgderReihenhack
bürste(DurchschnittlicheDurchwurzelungstiefederUnkrautpflanzen:
5cm)(WEBER1994a) " 30
Abb. 6: ErreichteArbeitstiefeinAbhängigkeitvonderGeschwindigkeitder
BürstenspitzenundderFahrgeschwindigkeit(WEBER 1994b)........ 31
Abb.7: VerteilungderBodenfraktioneninGew.-% inAbhängigkeitvonder
GeschwindigkeitderBürstenspitzenamBoden(WEBER 1994a) ..... 37
Abb.8: VariantenfürdieModellkalkulation 53
Abb. 9: FlächenaufrißfürdenModellbetriebr 54
Abb. 10: FlächenaufrißfürdenModellbetriebII 56
Abb. 11: HauptkomponentenderFeuchtebewegunginderBearbeitungszone
(verändertnachAUGTER 1983) ................ ........ 62
Abb. 12: FließschemazurBerechnungdesaktuellenGehaltesan
pflanzenverfügbaremWasser. ..... ... 71
Abb. 13:TagessummenderNiederschlägeundFeuchtegehaltderSchicht
(Feuchte 10) 72
Abb. 14: BodenfeuchteundEinsatzgrenzenamBeispielderKlimaregion5;
BodenklasseschwerundBearbeitungsgerätReihenhacke ........ 75
Abb. 15: EntscheidungsprozeßbeiderBestimmungderverfügbarenFeld-
arbeitstagefürdiemechanischeUnkrautregulierung 77