Оптимальный выбор по технограмме лесной почвы

14.06.2019

В нашей стране при организации лесосечных работ главным всегда считалось достижение высоких производственных показателей, в то время как за рубежом учитывались и вопросы экологии.

Авторы статьи предлагают решения, позволяющие совместить оба подхода. При возрастающих требованиях к качеству лесовосстановительных работ тема является более чем актуальной для всех лесных компаний России. 

НИКАКИХ ИСКЛЮЧЕНИЙ!
Доктором технических наук, профессором Г. М. Анисимовым, много лет возглавлявшим кафедру Лесных колесных и гусеничных машин Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета (СПбГЛТУ), ставшего основоположником научного направления оценки эксплуатационной и экологической эффективности лесных машин, указано, что управление экологической совместимостью системы «лесная машина – лесная среда» целесообразно вести сразу по ряду направлений, подробнее о которых далее.

ОРГАНИЗАЦИОННОЕ
Это весьма эффективный путь снижения экологического ущерба при проведении лесосечных работ. Как известно, наиболее благоприятным для организации всех фаз лесозаготовительного производства является зимнее время года: когда почва промерзает на глубину более 10 см и покрыта снегом, уплотнения и разрушения ее структуры не происходит.

Таким образом, необходимо проводить анализ структуры лесосечных работ по периодам года и лесным регионам; с экологической, экономической и социальной точек зрения определить целесообразность организации лесозаготовок на почвогрунтах переувлаженных и с низкой несущей способностью.


Следует ли производить заготовку древесины в весеннее-осеннюю распутицу, при высокой энергоемкости процесса, низкой производительности и значительных нарушениях структуры почвы?

С одной стороны, напрашивается очевидный вывод – не следует. Но реалии лесозаготовительного производства в России не позволяют однозначно решить этот вопрос по ряду причин.

Во-первых, практика работы лесозаготовительных предприятий показывает, что в хороший мороз силы бросаются прежде всего на заготовку и вывозку наиболее качественного, высокобонитетного леса, который, как правило, произрастает на почвогрунтах I и II категории. Древесина из низкобонитетных насаждений, произрастающая на почвогрунтах III и IV категории, часто заготавливается и вывозится в теплый период года.

Во-вторых, с начала XXI века анализ продолжительности устойчивых холодных периодов на Северо-Западе РФ показывает, что разговоры о глобальном потеплении совсем не миф и эти периоды (наиболее удобные для заготовки древесины) постепенно сокращаются.

Таблица 1. Классификация типов условий местопроизрастания лесных насаждений по П. С. Погребняку.jpg

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
Транспортная схема освоения лесосеки определяется видом рубок и принятой технологией работ. При одних и тех же таксационных характеристиках древостоя, виде рубок и применяемой системе машин технология проведения лесосечных работ оказывает существенное влияние на площадь и степень уплотнения лесной почвы. Если до сих пор наиболее квалифицированной концепцией является первичность технологии и вторичность машины, то созрели условия, при которых во главу угла следует ставить степень экологического ущерба от применяемого технологического процесса. Составление технологической карты и технологический процесс освоения лесосеки должны базироваться на управлении экологическим ущербом, сводя его к минимуму.

КОНСТРУКТОРСКОЕ
Это направление перспективно с точки зрения управления экологической совместимостью системы «движитель лесной машины – лесная почва». Исследования в данном направлении необходимо нацеливать на поиск и использование прогрессивных технических решений, а также оптимизацию параметров как отдельных деталей (например, звена гусеницы), механизмов, систем, так и машин в целом. При этом необходимо иметь представление о специфике движения машины и взаимодействия ее движителя с волоком.

ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ
Это направление следует сузить до оптимизации грузовой работы волоков и режимов работы лесных машин. Суммарное механическое воздействие движителя на почву определяется рейсовой нагрузкой и числом рейсов – проходов по волокам лесосеки. Большие рейсовые нагрузки вызывают увеличение давления движителя и кроны пачки на почву и усложняют поворот машин, что приводит к повышенному разрушению стенок колеи. При оптимальных рейсовых нагрузках, а следовательно, и числе рейсов, экологический ущерб будет наименьшим. При малых нагрузках возрастают число проходов машин по волокам и площадь уплотнения лесосеки.

Эксплуатационное направление весьма эффективно с точки зрения уменьшения экологического ущерба от лесных машин. И не требует значительных финансовых и материальных затрат.

Из представленного выше анализа направлений управления экологической совместимостью систем лесных машин с лесной средой очевидно, что наиболее перспективными являются технологическое и эксплуатационное. Причем разделять их нельзя, следует только взаимодополнять.

ЛЕСНАЯ МАТРИЦА
За рубежом на экологические аспекты машинных технологий заготовки древесины стали обращать внимание раньше, чем в России. И в связи с этим интерес представляет оригинальная методика выбора оптимальных систем машин для лесосечных работ, разработанная в конце XX века немецким профессором Йорном Эрлером (Jörn Erler) в Дрезденском техническом университете. Это матрица 5Х5, которая была названа «технограммой почвы» (рис. 1).

Оптимальный-выбор-рис1.jpg

По оси абсцисс обозначены степени влажности почвы, которая классифицируется по 5-ступенчатой шкале – от сухой до экстремально влажной. По оси ординат расположены значения рас-стояний между волоками (20, 40, 60 м, с учетом того, что при увеличении расстояний между волоками более 60  м рекомендуется использовать канатную трелевку). Значения расстояний между волоками коррелированны с продуктивностью почвы  – чем более она продуктивна, тем менее желательны ее масштабные повреждения, а значит, рас-стояние между волоками должно быть больше. Знаки вверху технограммы почвы – от «солнца» до «тучи» – показывают, что при прохождении осадков влажность почвы увеличивается и поля по влажности следует смещать с учетом выпадения осадков.

Следует отметить, что предложенная Йорном Эрлером технограмма почвы перекликается с разработанной видным отечественным лесоводом П.  С.  Погребняком в 60–70-е годы ХХ века классификацией типов условий местопроизрастания лесных насаждений (табл.  1), в основу которой заложены две ординаты: трофности и увлажнения.

Трофогенный ряд отражает различия в количестве питательных веществ почвы. Отдельные члены этого ряда (А, В, С, D) называются трофотопами.

Ряд увлажнения, или гигрогенный ряд, отражающий различия по степени увлажнения почвы, также состоит из отдельных членов – гигротопов, обозначаемых цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5.

Трофогенный ряд: А – боры (бедные почвы) – сосна и береза; В – суборь (относительно бедные почвы) – первый ярус: сосна и береза, второй ярус: дуб; С – сложные субори (богатые почвы) – первый ярус: сосна и береза, второй: дуб, третий: липа, клен; D – дубравы (очень богатые почвы) – первый ярус: дуб и ясень, второй: липа и клен, подлесок: лещина.

Ряд увлажнения, или гигрогенный ряд: очень сухие – 0, сухие – 1, свежие – 2, влажные – 3, сырые – 4, болота – 5.

А₀ означает очень сухой бор, А₂  – свежий бор, В₁ – сухую суборь, D₂ – свежую дубраву, и т. д.

В матрице технограммы почвы у каждого участка леса есть свое поле (клетка матрицы), которое может варьироваться в зависимости от двух факторов: климата и потребности в древесине.

КЛИМАТ
После прохождения дождя или таяния снега поле перемещается на один шаг (клетку матрицы) вправо. Если в лесу в теплый период года было сухо в течение нескольких недель, то поле перемещается влево на один шаг.

ПОТРЕБНОСТЬ В ДРЕВЕСИНЕ
Когда собственник леса заинтересован только в том, чтобы при заготовке леса получить определенный объем древесины, он может закладывать меньшие расстояния между волоками. Если же у него в приоритетах высокая лесорастительная ценность почвы, то он более склонен увеличивать расстояние между волоками. Это позволяет существенно сократить срок лесовосстановления за счет увеличения количества сохраняемого при рубке подроста и меньшей площади повреждения почвы.

Так как при повышении влажности почва более склонна к колееобразованию, а на более плодородной почве ускоряется процесс лесовосстановления, то первоначальное поле почвы, при средней влажности и ориентации на искусственное лесовосстановление, в матрице может измениться, но, в конечном счете, только одно поле отражает характер почвы.

После определения поля в технограмме почвы, которое отражает характер почвы в текущий момент, лесопользователь должен решить, какой лесозаготовительный метод лучше использовать на участке с конкретными почвенно-грунтовыми условиями (типом почвы).

…ПЛЮС ЭКОГРАММА
Для определения предпочтительного метода лесозаготовки разработана вторая матрица 5Х5 (для каждой технологии сортиментной группы технологических процессов заготовки древесины), которая называется экограммой лесозаготовительных методов. Здесь в каждом поле представлена оценка оптимальности метода: если метод оптимален – звездочка, хороший метод – плюс, с некоторыми ограничениями  – минус, недопустимый метод  – черное поле (рис.  2). Экограмма позволяет специалисту, принимающему решение в пользу выбора того или иного метода лесозаготовки, использовать этот инструмент следующим образом. Рис. 2. Экограмма лесозаготовительных методов.jpg

Во-первых, он ищет варианты, которые наилучшим образом подходят для использования в конкретных природно-производственных условиях, то есть оптимальную технологию лесозаготовки.

Во-вторых, он пытается предусмотреть возможные последствия применения каждого метода. При этом необходимо учитывать не только затраты на лесозаготовительный процесс и возможную производительность основных машин и оборудования, но также эргономические аспекты машин и механизмов и другие так называемые мягкие эффекты от использования тех или иных машин и механизмов лесозаготовительного производства. Должна быть проведена полная оценка альтернативных методов. В случае, когда лучший вариант требует бόльших затрат, чем худший, разница этих затрат является индикатором альтернативной стоимости лучшего метода.

Наконец, в-третьих, специалист решает, какой должна быть альтернатива с учетом его индивидуальной оценки факторов влияния почвенно-грунтовых условий на производительность систем машин для лесозаготовок и трудоемкость лесовосстановительных работ.

Продемонстрирована модель для трех разных почвенно-грунтовых условий:

  1. Сухая почва с нормальным значением (ценностью) при хороших погодных условиях соответствует полю технограммы P₂T₁ (рис. 3). При этих условиях заготовка древесины облегчена, и большинство методов возможны для применения. Если выбирать наиболее экономически эффективный метод, то лучшим вариантом является полностью машинизированная валка с помощью комплекса машин, состоящего из харвестера и форвардера, при расстоянии между волоками 20 м. Если во время заготовки будет дождь, то поле матрицы следует сместить на один шаг вправо (P₂T₂), но указанный метод заготовки все равно будет приемлемым.

  2. Свежая почва с высоким значением (ценностью) при сухих погодных условиях соответствует полю P₃T₂ (рис. 4). Здесь расстояние между волоками составляет 40 м, поэтому невозможно использовать полностью машинизированные методы заготовки. Лесопользователь изучает другие варианты и может решить, что полумашинизированный метод подходит для этих условий наилучшим образом. В зоне действия манипулятора харвестера деревья обрабатываются харвестером, в то время как деревья на участках между зонами действия манипулятора валятся с помощью бензиномоторных пил, а затем обрабатываются харвестерной головкой во втором цикле.

  3. Временно переувлажненные почвы с очень высокой продуктивностью соответствуют полю матрицы P₂T₄ (рис. 5). Валка и другие рабочие операции могут быть выполнены с помощью бензиномоторных пил, в то время как единственным транспортным решением может быть канатная или воздушная трелевка заготовленного леса. Оба эти варианта высокозатратны и в некоторых случаях неосуществимы.

Рис. 3. Технограмма для условий сухой почвы.jpg



Рис. 4. Технограмма для условий свежей почвы.jpg


Рис. 5. Технограмма для условий переувлажненной почвы.jpg

Профессор Эрлер считает, что сочетание технограммы почв и лесозаготовительных экограмм позволяет легко и быстро определить оптимальный лесозаготовительный метод и систему машин в зависимости от почвенно-грунтовых условий и целей лесопользователя.

Однако при использовании техногорамм и экограмм в практике российских лесозаготовительных компаний следует учитывать некоторые нюансы.

При классификации лесосек по расстоянию между волоками (по ширине пасек) Йорн Эрлер исходит из следующих соображений: харвестер и форвардер работают на трелевочных волоках, расстояние между которыми 20  м. Такое расположение волоков способствует снижению психологической напряженности операторов лесных машин и уменьшению стоимости заготовки. Вместе с тем давление, которое оказывает большой вес лесной машины на почву, может привести к потере биологических функций последней. В некоторых случаях последствия уплотнения почвы могут ощущаться десятки лет – у почвы очень долгая «память».

Нельзя не учитывать то,
что у почвы очень долгая «память»

Поэтому Йорном Эрлером была предложена дорожная система волоков при заготовке древесины, которая предусматривает создание постоянной системы (сети) волоков и технологических коридоров на лесосеке на весь оборот рубки или даже на несколько оборотов рубки. Сеть закладывается при проведении первых рубок ухода за лесом и поддерживается до окончательной рубки, а затем не уничтожается и при лесовосстановительных работах. В этом случае на лесосеке появляется постоянная нелесная площадь. Волок должен постоянно использоваться – для того чтобы уменьшить площадь уплотненной почвы при следующих лесозаготовительных операциях (в будущем).

C самого начала планирования лесозаготовок волоки следует рассматривать как перманентную часть инфраструктуры. Волоки сокращают продуктивную площадь в лесу. Обычно они не влияют на продуктивность с одного гектара, так как древесный полог через некоторое время после рубки закроет собой небольшие волоки и деревья получат полный световой режим. Однако возможность стимулировать рост лучших деревьев с целью оптимизации ценности древостоя лимитируется большой площадью переуплотненной почвы на волоках и в технологических коридорах. В этом случае лесохозяйственные потери могут превысить экономию затрат на проведение лесозаготовок. Поэтому расстояние между волоками должно быть увеличено вдвое (до 40 м) или даже втрое (до 60 м).

Для лесосечных работ это прежде всего продиктовано Правилами заготовки древесины (утверждены приказом Федерального агентства лесного хозяйства от 01.08.2011 № 337). В пункте 56 сказано: «Общая площадь трасс волоков и дорог должна составлять при сплошных рубках не более 20%, при выборочных – не более 15 % от площади лесосеки. На лесосеках сплошных рубок, проводимых с применением многооперационной техники, допускается увеличение площади под волоками до 30 % общей площади лесосеки». В пункте 51 Правил читаем: «При проведении рубок спелых, перестойных лесных насаждений обеспечивается сохранение подроста лесных насаждений хозяйственно ценных пород на площадях, не занятых погрузочными пунктами, трассами магистральных и пасечных волоков, дорогами, производственными и бытовыми площадками, в количестве не менее 70  % при проведении сплошных рубок, 80  %  – при проведении выборочных рубок».

Вместе с тем следует признать, что разработанный Йорном Эрлером метод позволяет оптимизировать выбор систем лесных машин и технологических процессов лесосечных работ при работе на конкретных лесных делянках. И может с успехом применяться в условиях российских лесозаготовок – после определенной доработки в области соблюдения нормативных требований российского лесного законодательства.

Игорь Григорьев, д. т. н., профессор каф. ТОЛК ЯГСХА
Ольга Григорьева, к. с.-х. н., доцент


Актуальные темы свежего номера
Лесные ресурсы
События
События