Innovative technology of reconstruction and remediation of forest shelter belts

Full Text

Введение Полезащитные лесные полосы (ПЗЛП) в настоящее время в значительной своей части расстроены и практически не выполняют свои агролесомелиоративные и защитные задачи. Особенно в степной и сухостепной зонах они находятся в неудовлетворительном состоянии, требующем реконструкции и восстановления. Объективной оценки объема работ по лесохозяйственному обслуживанию ПЗЛП не существует в связи с тем, что в стране более 40 лет не проводилась их единовременная инвентаризация. Вместе с тем по расчетам, выполненным на основе данных выборочных исследований, есть необходимость в проведении работ только по реконструкции, возобновлению и закладке насаждений на месте погибших на общей площади 1,4 млн га. В соответствии со «Стратегией развития защитного лесоразведения в РФ до 2020 года» [1], разработанной ВНИАЛМИ, планируется выполнить работы по рубкам формирования насаждений (уходам) на площади 1340 тыс. га, санитарным рубкам - 654, возобновительным рубкам - 277, реконструкции и восстановления насаждений - 73 тыс. га. При реконструкции необходимы такие мероприятия, как удаление отдельных рядов деревьев и кустарников с целью расширения междурядий или посадки на их местах сеянцев и саженцев засухоустойчивых древесно-кустарниковых пород. При восстановлении полос производятся полное удаление расстроенных рядов насаждений, затем подготовка почвы, посадка растений, агротехнический уход и другие технологические операции, связанные с выращиванием высокоэффективных лесных полос на месте погибших. Весь комплекс работ выполняется по заимствованным технологиям с применением машин из лесного хозяйства, разработанных для условий лесных вырубок и хаотичного, т.е. естественного, расположения деревьев (пней). В линейных условиях, какими являются полезащитные, овражно-балочные и придорожные лесные полосы, перенесение в чистом неизмененном виде лесохозяйственных технологий и машин не дает положительных результатов. Поэтому необходимы специальные исследования как по совершенствованию действующих, так и по разработке инновационных механизированных технологий и средств механизации реконструкции и восстановления, в первую очередь, полезащитных лесных полос. Цель исследований Повышение качества выполнения работ, снижение энергоемкости, металлоемкости, материальных затрат и вредного воздействия на почву и растения путем разработки инновационной технологии и технических средств, позволяющих проводить реконструкцию и восстановление полезащитных лесных насаждений. Материалы и методы Удаление рядов деревьев и кустарников целесообразно производить отдельно надземной стволовой и корневой частей. Это позволит выполнять расчистку полос от фитомассы древесно-кустарниковой растительности с высокой технологической культурой. Однако встает вопрос, что же делать с той фитомассой, которая должна быть убрана за пределы лесной полосы. Сбор и вывоз к месту складирования - способ малопроизводительный и экономически неоправданный. К тому же огромные кучи древесно-кустарниковой растительности становятся «жилищем» и рассадником болезней и вредителей не только леса, но и культур растениеводства, усиливается опасность пожара. Собранная масса не представляет практического интереса для деревообрабатывающего производства и в качестве топлива для населения. Выход из создавшегося положения, исходя из экономического и экологического эффекта, лежит на пути срезания и измельчения деревьев и кустарника в процессе непрерывного поступательного движения, превращая их в щепу, с применением для этого мульчеров. После работы мульчера остается только щепа, которая перемешивается с верхним слоем почвы, что является естественным перегноем и служит средством для формирования почвы. Технология уборки древесно-кустарниковой растительности с применением мульчера имеет один из самых высоких коэффициентов противопожарной безопасности и занимает второе место после технологии, предусматривающей сплошной сбор и вывоз из лесного массива порубочных остатков. Большой популярностью за рубежом и в нашей стране пользуются мульчеры роторного типа, движущиеся со скоростью до 5 км/ч и измельчающие кусты, ветви и деревья диаметром до 35 см. Известны мульчеры Miniforst-150, Orsi W-Forest 1400, Big Forest DT и другие, агрегатируемые с широко распространенными тракторами МТЗ-80/82, Т-150К. Сегодня мульчеры являются основным рабочим инструментом при проведении самого широкого спектра работ в лесопромышленном комплексе, в уничтожении старых садов и в сельском хозяйстве. Удаление остающихся в почве пней является энерго- и трудоемкой операцией, выполняется корчевателями КМ-1А и МРП-2А, агрегатируемыми с лесными тракторами ЛХТ-55А, корчевателями-собирателями КСП-20, Д-513, Д-496 и др. В основном используется КСП-20, поскольку он агрегатируется с широко распространенным в сельском и лесном хозяйствах трактором Агромаш 90ТГ (ДТ-75М) [2]. Корчеватели и корчеватели-собиратели сконструированы и подобраны по параметрам для удаления пней путем подвода корчевальных зубьев под пень и их поворота с помощью выносных гидроцилиндров с одновременным толкающим усилием трактора или без него (в зависимости от сопротивления пня). В результате происходит обрыв корней и выталкивание пня на поверхность земли. На месте пня остается подпневая яма, что является негативным фактором. Выкорчеванные пни вместе с находящейся на них почвой, масса которой превышает массу пня в 1,5…2 раза, сдвигаются в сторону тем же корчевателем [3]. Для обивки пней от почвы нет промышленно производимых технических средств. Очистка происходит естественным путем, оставляя пни на зиму. Под влиянием замораживания и оттаивания при изменении температуры окружающего воздуха земля разрыхляется и осыпается. Однако осыпавшаяся земля не возвращается обратно для заполнения подпневых ям. Поэтому заравнивание подпневых ям производится путем сдвига зубьями корчевателя верхнего плодородного слоя почвы с прилегающей территории лесной полосы. Удаление пней кустарниковых пород производится корчевателем толкающим усилием заглубленных в почву зубьев при поступательном движении агрегата на первой передаче. Но вследствие забивания и сгруживания перед отвалом корчевателя прерывается поступательное движение агрегата и производится маневрирование с целью сдвига образовавшейся массы пней вместе с землей в сторону. Все это приводит к обеднению почвы гумусом и образованию куч пней и земли, требующих дополнительных затрат, средств и времени на их удаление. Производительность корчевателей и корчевателей-собирателей крайне низкая и составляет 0,15…0,22 га/смену. Это характерно для удаления пней как деревьев, так и кустарников. Кроме этого требуются затраты на приведение территории полосы в состояние, пригодное для подготовки почвы под посадку сеянцев и саженцев новых древесно-кустарниковых пород. Следовательно, необходимо отказаться от традиционной технологии удаления подземной биомассы деревьев и кустарников и переходить на технологию, щадящей почву, более производительную, менее энерго- и материально затратную. Результаты и обсуждения Решение этой задачи облегчается тем, что во-первых, лесные полосы - это линейные насаждения в виде параллельных рядов с заданной шириной междурядий, во-вторых, корневая система большинства древесно-кустарниковых пород, будучи хотя и мощной, основной своей частью размещается на глубине до 45…50 см, и диаметр пней в плоскости среза находится в пределах 25…35 см. Исходя из реальных сложившихся условий, во ВНИАЛМИ были проведены исследования и разработаны технология и комплекс машин, в основу которых положены непрерывный процесс корчевания пней с их очисткой от налипшей земли и подготовки почвы за один проход агрегата. Комплекс машин включает корчеватель непрерывного действия КНД-1.1 и подборщик-трелевщик универсальный ПТУ-2.1. Корчеватель КНД-1.1 (рис. 1) состоит из рамы, механизма навески, опорных колес с механизмами регулирования глубины подрезания корневой системы пней и обработки почвы, группы рабочих органов (подрезающей скобы 1, подъемников 2 и очистительно-ударного ротора 3), привода ротора от ВОМ трактора (карданного вала, редуктора, цепной передачи, находящейся в полой боковине рамы, и предохранительной муфты). Подрезающая скоба выполнена в виде U-образной формы (может быть и прямоугольной), состоит из стоек и ножа, передняя кромка которых заострена. К ножу присоединено три подъемника под углом к горизонту 35º. Очистительно-ударный ротор предназначен для разрушения почвенного пласта, поступающего от ножа через подъемники, очистки пней от почвы за счет ударного воздействия зубьев и выброса их на поверхность раскорчеванной полосы. Частота вращения ротора составляет 300 об/м, окружная скорость концов зубьев - около 8 м/с. Корчеватель КНД-1.1 агрегатируется с тракторами К-744, ХТЗ-150К. Технологический процесс (рис. 2) осуществляется при непрерывном поступательном движении агрегата со скоростью от 3 до 6 км/ч методом седлания ряда пней и кустарника, очистки их от почвы, выброса и придания им ускорения с последующим движением в воздухе и падением на раскорчеванную полосу. Рис. 2. Технологический процесс КНД-1.1 Проведенные исследования и испытания [4] на участке гослесополосы г. Волжский - р.п. Быково Волгоградской области показали, что подрезающие и извлекающие рабочие органы корчевателя КНД-1 в агрегате с трактором К-701 обеспечивают стабильную корчевку пней и кустарника. Диаметр корчуемых пней сосны обыкновенной колебался в пределах 18…20 см; акации белой - 20…25 см, вяза перистоветвистого - 16…27 см, тополя - 30…35 см. Диаметр центральных корней достигал 12…16 см. Глубина корчевки пней деревьев различных пород составляет 40…50 см, кустарника - 25…45 см. Рабочая скорость и, следовательно, производительность корчевального агрегата - 3…5 км/ч сменного времени при корчевке пней и 4…6 км/ч при удалении кустарника. В процессе хозяйственных испытаний в сравнении с корчевателем КСП-20 установлено, что производительность его равна в среднем 30 пней в час сменного времени, а корчевателя КНД-1.1 - около 650 пней, т.е. больше почти в 30 раз. Кроме этого следует учитывать и тот фактор, что при применении КНД-1.1 не образуются подпневые ямы и за один проход агрегата выполняется не только удаление пней, но и подготовка почвы на глубину до а = 0,5 м полосой шириной 1,1 м, очищенной от пней и разрыхленной до степени, не требующей дополнительных затрат с целью доведения до состояния, обеспечивающего высокое качество посадки сеянцев и саженцев. Вспушенность почвы составляет а1 = 8…13 см. Сбор и вывоз выкорчеванных пней и кустарника, а также ветвей, отдельных деревьев и их пачек производится подборщиком-трелевщиком ПТУ-2.1 (рис. 3), состоящим из следующих узлов: рама 1, механизм навески 2, подбирающие зубья 3, боковые зубья 4 для ограничения выхода собранного материала за габаритные размеры орудия по ширине, стрела 5, клешневой захват 6, опорные колеса 7. Агрегатируется с тракторами класса 14 и 20 кН. Загрузка подборщика-трелевщика производится при движении агрегата задним ходом, а вывозка - передним ходом. Производительность за час сменного времени в зависимости от расстояния вывозки (50…150 м) составляет при уборке ветвей и пней 3,9…2,4 м3, при уборке деревьев 8,0…2,8 м3. Рабочая скорость движения при сборе пней - 6 км/ч. Из приведенных данных (табл. 1 и 2) видно, что удельная металлоемкость и удельная энергоемкость инновационной технологии меньше по сравнению с действующей технологией, соответственно, в 8 и 6 раз вследствие снижения количества технологических операций в 2 раза и перехода на корчевание пней в процессе непрерывного поступательного движения агрегата на больших скоростях. Важным является совмещение корчевки пней, очистки их от налипшей земли и подготовки почвы за один проход агрегата. Сочетание в конструкции корчевателя КНД-1.1 рабочих органов пассивного (скоба и подъемники) и активного (ротор) действия позволяет использовать ударный способ разрушения почвенного пласта по линиям наименьшего сопротивления и получать слой почвы с высокой степенью крошения, исключающей необходимость дополнительной обработки, которая производится в действующей технологии дисковой бороной БДНТ-2.2 или культиватором КРТ-3 в агрегате с трактором ДТ-75М. Заключение Разработанные инновационная технология и технологический комплекс машин могут быть применены не только в защитном лесоразведении, но и в других линейных насаждениях, какими являются сады и лесные культуры, погибшие в результате техногенных воздействий (вредители, болезни, пожары) или вследствие процесса старения плодовых насаждений. Применение в конструкции корчевателя КНД-1.1 комбинированных рабочих органов пассивного и активного действия позволяет эффективно использовать современные энергонасыщенные тракторы, направляя мощность двигателя на создание силы тяги через движители и крутящего момента - через ВОМ или гидропривод трактора. Выполнение одновременно корчевания пней и подготовки почвы сокращает металлоемкость в 9 раз и энергоемкость в 6 раз увеличивает производительность и уменьшает срок проведения работ. Использование мульчеров также более чем в 3 раза эффективнее по сравнению с многооперационной технологией удаления надземной части древесно-кустарниковой растительности. Возможно использование мульчера для измельчения пней, но он уступает по эффективности корчевателю КНД-1.1, поскольку, во-первых, не исключает использование дополнительных операций, имеющих место в существующей технологии, во-вторых, его производительность ниже не менее чем в 10 раз. Рис. 1. Корчеватель непрерывного действия КНД-1.1 Рис. 3. Подборщик-трелевщик универсальный ПТУ-2.1 Таблица ١ Энергоемкость и материалоемкость действующей технологии восстановления лесных полос № п/п Технологические операции Состав агрегата Общая масса, кг Мощность двигателя, кВт Производительность, га/см Удельная металлоемкость, кг/га Удельная энергоемкость, кВт/га 1 Удаление надземной части оставшейся древеснокустарниковой растительности: а) срезание, б) сбор и вывоз на расстояние в среднем 150 м: - деревьев - кустарника Бензопила «Хускварна» МТЗ-82, ПТН-0,8 «Муравей» МТЗ-82; КУН-10 4,8 4100 4150 5,6 59 59 0,08 1,3 1,5 3130 2766 45,4 40,0 2 Корчевание пней ДТ-75М; КСП-20 7650 66 0,24 31875 291,7 3 Подготовка почвы: а) вспашка, б) дискование ДТ-75М; плуг ПЛН-4-35 ДТ-75М, БДТН-2,2 6800 8190 66 66 5,4 8,2 1259 1000 12,2 8,1 ИТОГО 40030 397,4 Таблица ٢ Основные показатели инновационной технологии лесовосстановления лесных полос № п/п Технологические операции Состав агрегата Общая масса, кг Мощность двигателя, кВт Производительность, га/см Удельная металлоемкость, кг/га Удельная энергоемкость, кВт/га 1 Измельчение рядов деревьев и кустарников лесных полос Трактор ХТЗ-150К Мульчер 9000 121 4,8 1875 25,1 2 Корчевание пней с одновременной подготовкой почвы Трактор К-744 Корчеватель КНД-1.1 14600 221 7,6 1921 27,1 3 Сбор и транспортировка пней на расстояние 150 м МТЗ-82 ПТУ-2,1 4500 59 4,7 957,4 12,5 ИТОГО

About the authors

K. N Kulik

Federal Scientific Center for Agroecology RAS

Email: vnialmi_recephn@rambler.ru
DSc in Agriculture

I. M Bartenev

Voronezh State Academy of Forestry Engineering n.a. Georgiy Morozov

Email: kafedramehaniza@mail.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files