Влияние форвардеров на лесные почво-грунты

Машинизированные системы сортиментного метода лесозаготовок, базирующиеся на применении однозахватного харвестера и колесного форвардера, стали обычными для России [2]. Переход от традиционного хлыстового метода и заготовки деревьями к таким системам объясняется многими причинами, включая уменьшение трудоемкости работ, снижение коэффициента тяжести труда, меньшую нагрузку на лесную экосреду и сокращение размеров технологических площадей. Во многих конкретных условиях сортиментный метод не уступает хлыстовому по эффективности затрат. Однако, некоторые преимущества в конкретных условиях еще не были достаточно четко выявлены, главным образом, это касается преимуществ в проходимости и влиянии на экологию.

Механизированный сортиментный метод, применяемый для рубок ухода и сплошных рубок, может нанести вред окружающей среде на лесосеках, так как лесосечные операции осуществляются при любых погодных условиях с применением, в основном, тяжелых машин [3]. Глубокое колееобразование при работе машин оказывает прямое влияние на производительность, расход топлива и себестоимость лесозаготовительных операций, а также ведет к нарушению почвенного покрова. Особенно это заметно осенью и весной на лесосеках со слабыми грунтами, где для снижения причиняемого вреда и повышения проходимости колеса машин могут оснащаться гусеницами и устраиваются и хворостяные подушки из лесосечных отходов, уложенных на волоки (Рис. 1).

Форвардер, колеса тандемной тележки которого оснащенны гусеницами, оказывает в среднем меньшее давление на почву по сравнению с обычным колесным вариантом. Как результат, на слабых грунтах достигается гораздо меньше максимальное сопротивление движению, что повышает скорость и эффективность работы машины. Одновременно, через уменьшение колееобразования и уплотнения почвы, снижается общий вред наносимый лесной экосреде [4].

Рис. 1. Колесные гусеницы и хворостяная подушка.

При обработке стволов, харвестеры могут складывать сучья и вершины деревьев на волока для создания хворостяной подушки, что позволяет избежать колееобразования и снизить негативное воздействие на пористость и капиллярную проводимость почво-грунтов [5-7]. Снижение уплотнения почво-грунта при применении хворостяной подушки было признано положительным эффектом, хотя статистически значимой разницы не было зарегистрировано [8].

Несколько исследований [9-13] продемонстрировали преимущества от применения хворостяной подушки или использования оснащения гусеницами. Однако, эти преимущества не были однозначно определены для ряда условий. Поэтому целью данного исследования было определить, как применение колесных гусениц и хворостяных подушек влияет на колееобразование и уплотнение легких суглинистых почв и как это воздействие связано с передвижением форвардера и влажностью почвы.

Данные и методы

Первое полевое исследование с применением гусениц на колесах форвардера было проведено поздней весной 2009 года на лесосеке, расположенной рядом с г. Медвежьегорск в Республике Карелия. В опытах применялся форвардер Ponsse ELK. Второе полевое исследование по изучению влияния хворостяной подушки на колееобразование и уплотнение было выполнено в начале осени 2009 года на лесосеке рядом с г. Вышний Волочек в Тверской области с применением форвардера John Deere 1410 [14,15].

В Таблице 1 приводится характеристика опытных лесосек и использованных машин.

На опытных лесосеках почвы были представлены пылеватыми суглинками с относительной влажностью 80%, 88%, и 93%. Форвардеры, оборудованные шинами размерностью 710/45×26,5 и давлением в камерах 350 кПа, двигались по участкам в одном направлении со скоростью около 4 км/ч. За один проход принимался один рейс форвардера с грузом древесины весом 13 тонн.

Шесть линейных опытных участков (30 м × 4 м) были размечены на лесосеках. На каждом участке выделялись следующие точки замеров: след от левых колес, след от правых колес и зоны забора проб для измерений свойств почво-грунтов. Глубина колеи была определена как среднее из глубин следов правых и левых колес. Для определения уплотнения почвы слой гумуса удалялся, после чего забирались почвенные образцы с помощью почвоотборника. Образцы почво-грунтов брались в выбранных точках из поверхностного слоя глубиной 0-5 см по центру колесных следов в соответствии со стандартной методологией (ГОСТ 12071-84 [16]). Затем почвенные образцы, помещенные в воздухонепроницаемые бюксы, доставлялись в лабораторию, где проводилось их взвешивание на электронных весах с точностью до 0,01 г. Также определялись гранулометрический состав грунта, число пластичности и насыпная плотность образцов.

Таблица 1. Характеристики опытных лесосек и использованных машин.

Регион	Площадь лесосеки, га	Древесные породы, %	Запас м3/га	Объём ствола м3	Форвардер	Вес груза при опытных проходах
Республика Карелия	16,5	Сосна, 30 Ель, 30 Береза и Осина, 40	162	0,215	6-колесный Ponsse ELK Полезная нагрузка: 13 т Шины: передние – 700/55×34, задние – 710/45×26,5, Давление: 350 кПa Дорожный просвет: 0,67 м Гусеницы: 700×26,5	13 т (16 м3 древесины)
Тверская область	21,2	Ель, 30 Береза, 20 Осина, 50	252	0,314	8-колесный John Deere 1410 Полезная нагрузка: 14 т Шины: передние и задние 710/45×26,5 Давление: 350 кПa Дорожный просвет: 0,605 м Гусеницы: “Olofsfors” 700×26,5	13 т (16 м3 древесины)

На каждом из опытных участков проводилось исследование 1 из 6 вариантов (комбинации движителей форвардеров, контактирующих с поверхностью, типа и относительной влажности почво-грунта W) при числе проходов форвардера от 1 до 10:

• •    Лесной почво-грунт, обычные колеса с шинами, W = 93%, (KW93)

• •    Лесной почво-грунт, обычные гусеницы 700×26,5, W = 93%, (KT93)

• •    Лесной почво-грунт, обычные колеса с шинами, W = 80%, (KW80)

• •    Лесной почво-грунт, гусеницы , W = 80%, (KT80)

• •    Хворостяная подушка 15 кг/м², обычные колеса с шинами, W = 88%, (TW88)

• •    Хворостяная подушка 15 кг/м², комбинированные колесные гусеницы 700×26,5, W = 88%, (TT88).

Количество тестовых проходов форвардера было ограничено 10, так как предыдущее исследование показало, что наиболее сильное уплотнение почво-грунта происходит при первых нескольких проходах [12].

Для каждого из представленных выше вариантов проводилось 20 замеров глубины колеи и отбирались 44 почвенных образца. Выбор количества образцов (4), забираемых после прохода форвардера для каждого варианта, был сделан на основе предыдущего полевого исследования и расчетов [17].

Лесосечные отходы укладывались на волок харвестером при выполнении сплошной рубки в смешанном древостое в Тверской области (Таблица 1). Вдоль волоков было размечено 10 линейных опытных участков (1–1,5 м). На каждом из участков, лесосечные отходы были собраны и взвешены на пружинных весах с точностью до 0,1 кг. Вес крупных отходов (тяжелее 10 кг) рассчитывался на основе диаметра, длины и плотности древесины конкретной породы. Плотность хворостяной подушки в этих условиях была около 15 кг/м², а ее толщина находилась в пределах 15-20 см, что сопоставимо со значениями, полученными в других исследованиях (например, Галактионова и др. [18]). Было отмечено значительное разнообразие отходов по размерам, 18% от всех отходов приходилось на крупные обрезки (диаметром более 10 см), 15% приходилось на вершины деревьев.

Уплотнение почвы было проанализировано на основе изучения изменений плотности почво-грунта, вызванных движением форвардера. Для определения плотности почво-грунта с помощью почвоотборника были отобраны цилиндрические образцы диаметром 4 см и высотой

• 4 см. Масса образцов, высушенных в течение 12 часов при 105 ⁰С, использовалась для определения плотности почво-грунта через отношение веса к объему и расчета влажности.

Для определения плотности почвы было отобрано 4 почвенных образца для каждого из 11 значений глубины почвенного профиля (0-5 см), что составило 44 образца с каждого опытного участка. Такой же подход использовался в предварительном эксперименте для забора контрольных образцов (в общем 20 образцов с участка) перед первым проходом форвардера. Вместе с изменением физических свойств почво-грунта была проанализирована повреждаемость почво-грунта путем замеров глубины колеи в центре каждого опытного участка. Все образцы были взяты после проходов форвардера, образцы неповрежденной почвы брались из центра межколесного пространства колеи.

Определение типов почво-грунтов проводилось в соответствии с российским стандартом классификации грунтов (ГОСТ 25100-95 [19]) на основе числа пластичности и относительных соотношений различных почвенных фракций, включенных в классы почвенных структур. Название класса почво-грунта было адаптировано к терминологии Министерства сельского хозяйства США, используя Словарь терминов почвенных наук [20].

Обработка собранных данных проводилась с использованием статистического и регрессионного анализа с применением SPSS 15.0 для Windows.

Результаты

Эффект от оснащения колес форвардера гусеницами

Средняя относительная влажность почвы была 93% на мокрых участках и 80% на влажных участках без хворостяной подушки.

В варианте «колеса на мокрых почвах (KW93)» начальная плотность почво-грунта была 1,06 г/см3. В ходе первых 5 проходов форвардера плотность почво-грунта незначительно увеличилась до 1,15-1,17 г/см3. После 6 и 7 прохода плотность почво-грунта снизилась до 1,11 г/см3, затем выросла опять и стабилизировалась после 9 и 10 прохода на значении 1,14 г/см3. Глубина колеи быстро увеличивалась, особенно в ходе первых 5 проходов, и достигла 0,71 м. Глубина колеи превысила дорожный просвет форвардера (0,67 м) после 9 прохода.

В варианте «гусеницы на мокрых почвах (KT93)» начальная плотность почво-грунта было 1,03 г/см3. После 6 проходов плотность почво-грунта увеличилась до 1,17 г/см3 и стабилизировалась между 7 и 10 проходом на значении 1,13 г/см3. Глубина колеи постепенно увеличивалась до 0,48 м, особенно резко в ходе первых 3 проходов. Дорожный просвет форвардера не был превышен.

В варианте «колеса на влажной почве (KW80)» начальная плотность почво-грунта была 1,06 г/см3. В ходе первых 4 проходов плотность почво-грунта увеличилась до 1,33 г/см3. С 5 по 7 проход плотность почво-грунта составляла 1,29 г/см3, затем между 8 и 10 проходом ее значение снизилось и стабилизировалось на уровне 1,24 г/см3. Глубина колеи быстро увеличивалась до 0,40 м, особенно в ходе первых 7 проходов. Дорожный просвет форвардера не был превышен.

В варианте «гусеницы на влажных почвах (KT80)» начальная плотность почво-грунта была 1,05 г/см3. В ходе первых 6 проходов плотность почво-грунта увеличилась до 1,33 г/см3. С 7 до 10 прохода плотность почво-грунта снижалась и стабилизировалась на уровне 1,30 г/см3. Глубина колеи постепенно увеличивалась до 0,22 м. Дорожный просвет харвестера не был превышен.

Эффект от применения хворостяной подушки

Относительная влажность почвы в ходе исследования была 88%, плотность хворостяной подушки составляла 15 кг/м2. Начальная плотность почво-грунта была 1,06 г/см3.

В варианте «обычные колеса (TW88)» плотность почво-грунта в ходе первых 5 проходов слегка увеличилась до 1,10 г/см3. После 6 и до 10 прохода плотность почвы стабилизировалась на уровне 1,11 г/см3. Колея была незначительна (глубина меньше 0,05 м).

В варианте «гусеницы (TT88)» плотность почво-грунта после первого прохода увеличилась до 1,08 г/см3, затем ее значение стабилизировалось на уровне 1,10–1,11 г/см3. Колея не была отмечена (глубина меньше 0,05 м).

Кривые плотности почво-грунта и глубины колеи были получены с использованием кубической регрессионной модели со значением коэффициента детерминации равным 0,99 для глубины колеи и 0,80-0,99 для плотности почво-грунта:

D=b 0 +b 1 ·v+b 2 ·v²+b 3 ·v³

где:

D – глубина колеи (м) или плотность почво-грунта (г/см3), v – совокупный объем вытрелеванной древесины (м3), b0, b1, b2, b3 – коэффициенты уравнения.

В Таблице 2 приведены коэффициенты кубической модели, переменные, зависимые от условий (влажность, гусеницы, хворостяная подушка).

Таблица 2. Коэффициенты кубической модели как переменные, зависимые от условий.

Вариант	Плотность				Глубина колеи
	b0	b1	b2	b3	b0	b1	b2       b3
KW93	1,054	0,004	–5,53E-05	2,02E-07	0,052	0,007	–3,22E-05 7,45E-08
KT93	1,023	0,004	–3,49E-05	8,30E-08	0,020	0,005	–2,457E-  8,16E-08
KW80	1,046	0,008	–8,20E-05	2,44E-07	0,033	0,003	–2,96E-06 3,088E-08
KT80	1,038	0,005	–2,80E-05	3,65E-08	0,012	0,003	–2,01E-05 7,07E-08
TW88	1,060	0,001	–7,97E-07	-3,32E-09
TT88	1,064	0,001	–6,15E-06	2,28E-08

Классификация почво-грунтов

В Таблице 3 приводятся результаты по классификации почво-грунтов.

Таблица 3. Распределение образцов по размеру почвенных частиц.

Содержание почвенных фракций, %

Начальное                  Варианты

	значение	KW93	KT93	KW93	KT93	TW88	TT88
Песчаные частицы	27	31	32	35	35	30	29
Пылеватые частицы	55	53	51	50	50	52	53
Глинистые частицы	18	16	17	15	15	18	18
Число пластичности	11,0	10,3	10,6	9,7	9,5	11,1	11,2

Тип грунта                                   Пылеватый суглинок

Разница между начальной и общей массой образцов не превысила 0,05 г (меньше 0,05%). Относительное соотношение различных почвенных фракций в изученных почво-грунтах соответствует пылеватым суглинкам.

Обсуждение и заключение

В рамках поставленного опыта сортиментный метод отвечает экологическим требованиям, предъявляемым к уплотнению почвы для этого типа почвы (1,4 г/см3). Однако, увеличение плотности в поверхностном слое (глубиной 0-5 см) пылеватого суглинка было отмечено во всех рассмотренных вариантах. Величина уплотнения зависела от числа проходов, наличия хворостяной подушки, использования гусениц и влажности почвы.

В сравнении с вариантами, где использовался форвардер, не оборудованный гусеницами и не было хворостяной подушки, в случае применения гусениц уплотнение влажных и мокрых почво-грунтов происходило более равномерно. Корни, присутствующие в лесной почве помогают формированию зоны уплотнения под звеном гусеницы, которое происходит в ходе первых проходов. С увеличением числа проходов зона уплотнения углубляется и частично обрушивается с боковым выпиранием почво-грунта. Затем происходило небольшое увеличение плотности, что связано с формированием вторичных зон уплотнения. Результаты применения хворостяной подушки показали, что слой лесосечных отходов снижает влияние от первого и последующих проходов форвардера. Плотность почво-грунта при этом не изменялась значительно. Увеличение плотности почво-грунта составило около 10% по сравнению с плотностью почво-грунта, покрытого слоем лесосечных отходов. Также в рамках проведенного исследования было отмечено, что эффект от устройства хворостяной подушки практически одинаков как для колесного, так и для гибридного движителя. В отношении колееобразования сортиментный метод не отвечает экологическим требованиям для рубок прореживания (глубина колеи должна быть меньше 0,15 м). Кроме того, на мокрых почвах глубина колеи достигла величины дорожного просвета форвардера (0,67 м). Результаты применения гусениц показали, что глубина колеи не отвечает экологическим требованиям для рубок прореживания (0,15 м), особенно на мокрых почвах, однако ее значение оставалось меньше величины дорожного просвета форвардера. При использовании хворостяной подушки глубина колеи изменялась не значительно.

Все системы лесозаготовки (хлыстовой, деревьями и сортиментный методы), применяемые в России, оказывают различное негативное воздействие на лесную экосреду. При использовании на песчаных или супесчаных грунтах все системы оказывают почти одинаковые эффекты на почву [12]. Однако, доля песчаных и супесчаных почво-грунтов в российских лесах мала по сравнению с суглинками и глинами. На таких почвах системы для заготовки древесины хлыстами и деревьями, в отличие от систем сортиментной заготовки, вызывают значительное уплотнение почвы, но почти не формируют колеи. Более 50 % лесосек в России располагаются на мокрых и слабых почвах [21,22]. Поэтому практика применения систем сортиментной заготовки должна быть улучшена, чтобы уменьшить глубину колеи на наиболее распространённых почвах. Таким образом, колеса форвардеров, гусеницы и толщина хворостяной подушки должны адаптироваться к условиям конкретных лесосек и характеристики местности. Такая адаптация требует дальнейших исследований эффекта от применения колес, гусениц и укрепления из лесосечных отходов, а также изучения давления на почво-грунт и физических характеристик хворостяной подушки, которые подвергаются воздействию при деформации почвы, что, в свою очередь, негативно влияет на проходимость систем машин для сортиментной заготовки и наносит вред лесной экосреде.

Статья подготовлена при поддержке международного проекта ППС ЕИСП «Карелия» «Новые трансграничные решения в области интенсификации ведения лесного хозяйства и повышения степени использования топливной древесины в энергетике».