Justification of the Technology of Logging Operations Promoting the Natural Regeneration of Pine in Burnt Areas

Full Text

Введение. Вопросы о значении крупных лесных пожаров и о ликвидации их последствий в Поволжье неоднократно поднимались в научной литературе, начиная с пожаров 1921 года [1, 2]. Особый интерес к этим вопросам возник после пожаров 1972 года, последствия которых обсуждались на разных уровнях [3], включая вопросы как естественного возобновления леса, так и искусственного лесовосстановления [3, с. 68–75; 4]. Ликвидация последствий этих пожаров включает в себя как ускоренную вырубку древесины, не потерявшей ещё своей товарности, так и необходимость восстановления лесов и их приёмы [5–7]. Восстановление лесов на гарях 1972 года было проведено со значительной долей лесокультурных работ. Однако искусственное восстановление, особенно крупных площадей гарей, требует значительных затрат финансовых средств и трудовых ресурсов. Естественное же возобновление сосны в этих условиях возможно только при наличии жизнеспособных семян сосны.

Количественные и качественные параметры семян сосны при огневом воздействии были определены экспериментально [8] и в дальнейшем подтверждены при обследовании горельников 2021 года [9]. Выявлено, что в погибших при низовых пожарах сосновых древостоях всхожесть семян сосны, находившихся в шишках, сохраняется на уровне 80 % [9].

Успешному накоплению самосева и подроста сосны способствует минерализация почвы, что осуществляется либо почвообрабатывающими орудиями, либо прохождением огня [5, 10]. Быстрая заготовка товарной древесины сосны с огневой очисткой вырубок не позволяет использовать для лесовосстановления сохранившие всхожесть семена (первичный постпирогенный лесовосстановительный потенциал). Ожидание распространения семян весной следующего после пожара года приводит к частичной потере товарности древесины [3, с. 110–113]. Это противоречие между возможным успешным естественным лесовосстановлением и срочной заготовкой товарной древесины сосны в горельниках требует технологического решения.

Цель исследования – обоснование технологии заготовки лесоматериалов в товарных горельниках сосны с содействием естественному лесовосстановлению и оценка времени выполнения технологических элементов.

Объектом исследования является технологический процесс лесосечных работ на гарях, направленный на ускоренную заготовку древесины и содействие естественному возобновлению сосны системой лесосечных машин «харвестер + форвардер».

Методологией исследования являются анализ технологических элементов лесосечных работ машинами при заготовке лесоматериалов [11] в товарных сосновых горельниках и синтез технологии заготовки древесного сырья с учётом процесса естественного возобновления сосны.

Результаты и их обсуждение. Акт лесопатологического обследования древостоев, пройденных пожаром, даёт основание для назначения и проведения сплошных или выборочных санитарных рубок. Погибшие и усыхающие деревья, как правило, быстро заселяются стволовыми вредителями и дереворазрушающими грибами, что обуславливает потерю товарных и технических качеств древесины [3, с. 110–113]. Поэтому лесозаготовки в погибших вследствие лесных пожаров древостоях должны проводиться в кратчайшие сроки, после получения акта ЛПО.

В то же время, использование наличия всхожих семян сосны в погибших древостоях [9] для естественного лесовосстановления позволит исключить или значительно снизить [5] затраты на искусственное лесовосстановление после вырубки горельников.

В филиале ПГТУ «Учебно-опытное лесничество» основной системой машин на лесосечных работах является «харвестер + форвардер». Харвестер выполняет обрабатывающие и переместительные операции. К обрабатывающим относятся спиливание дерева, обрезка сучьев и раскряжёвка хлыстов на сортименты. Традиционно основным продуктом харвестера считаются круглые лесоматериалы. Однако в контексте нашей публикации крона, сучья с шишками и семенами тоже являются продукцией, при этом они подвергаются перемещению.

Траектория переместительных операций начинается возле каждого спиленного дерева, а заканчивается там, где необходимо разместить продукцию. Круглые лесоматериалы целесообразно укладывать у волока, обеспечивая минимальное расстояние от места спиливания дерева до грузового отсека форвардера, при его движении по центру обрабатываемой харвестером ленты леса. Ветви (крону) с шишками и семенами желательно разместить равномерно по всей ширине обрабатываемой ленты леса, в надежде на равномерное распределение семян и последующих всходов сосны.

Важным элементом перемещения является отрыв шишек от сучьев и попадание семян на почву. Это происходит при столкновении кроны с поверхностью почвы при валке дерева. Чем больше сила удара кроны с поверхностью почвы или снежного покрова, тем интенсивнее опадение шишек.

В отличие от валки бензопилой, где последняя стадия валки – свободное падение дерева, при валке харвестером ствол после спиливания удерживается подвижной харвестерной головкой, что позволяет управлять процессом падения дерева. Для усиления соударения кроны с почвой нужно увеличить скорость поворота вершинной части дерева к моменту соударения, что вполне осуществимо манипулятором с харвестерной головкой.

Патентные исследования позволили выявить отсутствие технологий заготовки лесоматериалов машинами на горельниках, способствующих естественному возобновлению леса. В рассмотренных публикациях и патентах основные отличительные элементы относятся к траектории и месту размещения, после спиливания дерева, обрезке сучьев и раскряжёвки, на обрабатываемой ленте леса лесоматериалов и кроны¹ [7, 11]. Место размещения определяется целями сохранения подроста, сокращения времени выполнения технологических элементов, сохранения жизнеспособности оставляемых на доращивание особей при выборочных рубках и т. п.

Анализ исследований показал также, что для естественного возобновления сосны при разработке товарных горельников следует в процессе обрезки сучьев после валки деревьев оставлять кроны с шишками на месте срезания, равномерно распределяя их ветви по территории вырубки².

В соответствии с задачами исследования на основании патентного поиска был разработан способ заготовки сортиментов системой машин «харвестер + форвардер», обеспечивающий существенное увеличение сохранности семян сосны на территории вырубки [12, 13] (рис. 1, 2).

Предлагаемый способ наряду с заготовкой лесоматериалов в товарных горельниках обеспечивает сохранение семенного материала в качестве меры содействия естественному возобновлению сосны.

Усиление удара кроны о почву обеспечивается резким подъёмом и поворотом харвестерной головки после спиливания дерева, в результате чего дерево из положения 3 перемещается в положение 6 (рис. 1). Таким образом, после спиливания, в процессе падения, комлевая часть дерева, ещё зажатая в головке харвестера, приподнимается манипулятором, создавая условия, усиливающие удар верхней части ствола с кроной о почву или снежный покров. Такое действие будет способствовать интенсивному отряхиванию шишек с кроны.

 

Рис. 1. Схема валки дерева, обеспечивающая соударение вершинной части с кроной с поверхностью ленты леса

Fig. 1. Tree felling scheme ensuring the collision of the top part of the trunk with the crown with the surface of the forest belt

 

На рис. 2 представлена технологическая схема работы системы машин харвестер + форвардер. На ленте леса 1, поражённой низовым пожаром, харвестером 2 первоначально обрабатываются деревья 3 на полосе будущего волока 4, затем деревья, расположенные ближе к границам волока с выполнением валки деревьев, обрезки сучьев и раскряжёвки хлыстов.

 

Рис. 2. Технологическая схема работы системы машин харвестер + форвардер

Fig. 2. Technological scheme of the harvester + forwarder machine system

 

Ветви с шишками 5 по возможности следует располагать равномерно по площади обрабатываемой ленты леса путём выбора соответствующего места. Место обрезания, раскряжёвки и укладки лесоматериалов должно быть в пределах досягаемости манипулятора 7 форвардера 8 при его расположении на волоке во время сбора и погрузки лесоматериалов 9. За счёт этого одновременно со сбором и погрузкой лесоматериалов осуществляется по необходимости повторное распределение ветвей с шишками по территории разрабатываемой ленты грейферным захватом манипулятора. Предлагаемый способ обеспечивает заготовку лесоматериалов системой машин «харвестер + форвардер» в товарных горельниках после низовых пожаров и способствует сохранности семенного материала для естественного возобновления сосны.

Логично предположить, что наибольшая плотность отряхиваемых шишек будет на площадке, которую займёт боковая поверхность кроны упавшего дерева.

Площадь проекции кроны на вертикальную плоскость³:

$S_k={\xi }_1\times {\xi }_2\times H_k\times D_k, {м}^2$, (1)

где ξ₁ – коэффициент формы кроны; ξ₂ – коэффициент густоты заполнения кроны (ветвями, хвоей, листьями). Для сосны ξ₁ = 0,67, ξ₂ = 0,4–0,5; для ели и пихты ξ₁ = 0,5, ξ₂ = 0,75.

Высота кроны:

$H_k={\psi }_1\times l_x, м$, (2)

где l_x – длина хлыста (ствола), м; ψ₁ – коэффициент пропорциональности между высотой кроны и длиной хлыста. ψ₁ = (0,5÷0,65) – для ели, пихты; (0,2÷0,3) – для сосны.

Условный диаметр кроны по срединному (миделевому) сечению:

$D_k={\psi }_2\times H_k, м$, (3)

где ψ₂ – коэффициент пропорциональности между высотой и диаметром кроны; ψ₂ = (0,2÷0,25) – для ели; 0,3 – для сосны.

Относительная плотность опавших шишек со всхожими семенами может быть рассчитана как отношение площади боковой поверхности крон срубленных деревьев к площади вырубки. Данная величина может выступать в качестве предварительного параметра, дающего общее представление о большей или меньшей вероятности успешного возобновления сосны.

В процессе обрезки сучьев контуры куч сучьев и их площадь могут меняться и не в полной мере соответствовать значению, получаемому по формуле (1). Степень закрытия площади вырубки ветвями с шишками будет зависеть не только от густоты, формы и размеров кроны сваленных деревьев, но и от навыков машинистов харвестера и форвардера.

Предлагаемый способ заготовки лесоматериалов существенно повысит степень концентрации и равномерности распределения семян сосны на территории вырубки. Этого можно добиться дополнительным динамическим воздействием харвестера на спиленное дерево. При этом выполняются новые технологические приёмы машинной заготовки лесоматериалов (подъём ствола, выбор места обрезки сучьев и раскряжёвки хлыстов, распределение ветвей по территории обрабатываемой ленты), обеспечивающие использование первичного постпирогенного семенного потенциала сосны после лесных пожаров для последующего естественного лесовосстановления.

Таким образом, предлагаемый способ заготовки лесоматериалов машинами манипуляторного типа в сосновых товарных горельниках позволяет обеспечить непосредственно на месте валки очистку деревьев от сучьев и раскряжёвку хлыстов с оставлением большей части шишек со всхожими семенами непосредственно на месте валки, что будет способствовать естественному возобновлению сосны.

Экспериментальная заготовка лесоматериалов по предлагаемому способу осуществлялась работниками филиала Поволжского государственного технологического университета «Учебно-опытный лесхоз» в квартале 95 Чернушкинского лесного участка. Работа проведена комплектом машин харвестер КХ-451 Сильватек 8266 TH Sleipner и форвадер Komatsu 840.4. Наблюдение осуществлялось путём съёмки процесса заготовки лесоматериалов на видеокамеру. После съёмки путём просмотра видеоматериалов составлялся лист хронометражных наблюдений за работой харвестера по предлагаемому способу с выделением продолжительности элементов технологического процесса в расчёте на каждое обработанное дерево. При этом ставилась задача выявить и зафиксировать продолжительность этих элементов при двух режимах работы харвестера, без подъёма и с подъёмом комлевой части ствола (табл.).

 

Средняя продолжительность элементов работы харвестера без подъёма и с подъёмом ствола при валке дерева и средние параметры деревьев

The average duration of the harvester work elements without lifting and with lifting the trunk during tree felling; the average parameters of trees

Движение на рабочей позиции, с	Наведение, захват, спиливание, с	Падение, подтаскивание, с	Протаскивание ствола при обрезке сучьев и раскряжёвке, с	Среднее время цикла обработки одного дерева, с	Диаметр в комле, см	Длина ствола, м	Объём хлыста, м3
Без подъёма
1,4	11,4	6,4	41,01	60,21	18,14	19,4	0,31
С подъёмом
1,5	11,95	8,25	43,07	64,77	17,19	17,72	0,31

 

Границы между технологическими элементами времени принято называть фиксажными точками (ФТ). Время цикла обработки одного дерева при двух режимах работы харвестера без подъёма и с подъёмом комлевой части ствола разбивалось на четыре технологических элемента:

1) движение харвестера на рабочую позицию (ФТ – «начало движения харвестера»);

2) движение харвестерной головки к дереву и его захват (ФТ – «начало движения харвестерной головки»);

3) спиливание, падение дерева с подъёмом комля, подтаскивание дерева к месту обрезки сучьев и раскряжёвки (ФТ – «начало спиливания»);

4) протаскивание ствола при обрезке сучьев, раскряжёвка хлыстов (ФТ – «начало протаскивания»).

Исследования позволили выполнить сравнение продолжительностей технологических элементов операции традиционным и предлагаемым способом с подъёмом комлевой части ствола при падении дерева.

Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием программы Statistica-12. Рассеяние значений средней продолжительности технологических элементов обработки одного дерева в зависимости от длины ствола без подъёма и с подъёмом комлевой части при падении представлены на рис. 3. Такое рассеяние значений средней продолжительности элементов обработки одного дерева обусловлено как ситуационной обстановкой и расположением деревьев на лесосеке, так и введением нового элемента в технологический процесс. Представленные на рис. 3 регрессионные зависимости носят ориентировочный характер, но позволяют сравнить два варианта исполнения технологического элемента.

 

Рис. 3. Рассеяние значений продолжительности элементов времени в зависимости от длины ствола обрабатываемого дерева без подъёма и с подъёмом комлевой части при падении

Fig. 3. The spread of values of the duration of time elements depending on the length of the trunk of the processed tree without lifting and with lifting of its butt part during falling

 

Средняя продолжительность технологических элементов обработки одного дерева харвестером при двух режимах его работы с подъёмом и без подъёма комлевой части ствола при валке и средние параметры обработанных деревьев представлена в таблице.

Таким образом, среднее время на обработку одного дерева с подъёмом составило 64,77 с, а без подъёма – 60,21 с. При среднем объёме хлыста 0,31 м³ расчётная сменная производительность харвестера составила 117 м³ с подъёмом и 126 м³ без подъёма.

Выводы.

1. Системой машин «харвестер + форвардер» можно организовывать технологический процесс лесосечных работ, одновременно увеличивая долю сохранности семенного материала для естественного возобновления сосны в поражённых низовым пожаром сосновых насаждениях.
2. Предлагаемый способ рубки леса наряду с заготовкой лесоматериалов системой машин «харвестер + форвадер» в поражённых низовыми пожарами лесных массивах способствует росту доли сохранности семенного материала на вырубке путём стряхивания шишек с крон в процессе валки деревьев и равномерного распределения кроны после валки по территории вырубки, что повышает вероятность естественного возобновления сосны на вырубках.
3. Анализ результатов хронометражных наблюдений показал, что увеличение средней продолжительности цикла обработки харвестером одного дерева по предлагаемому способу не существенно и в полной мере компенсируется содействием естественному возобновлению леса на гари за счёт реализации первичного постпирогенного лесовосстановительного потенциала сосны.

Вклад авторов:

Ширнин Ю. А. – методология исследования, подготовка исходного текста.

Ширнин А. Ю. – подготовка исследования, патентный поиск, обработка материалов хронометража.

Денисов С. А. – лесоводственное обоснование, подбор объектов, научная консультация, подготовка окончательной версии для публикации.

Петухов И. В. – редактирование текста, научная консультация.

Анисимов П. Н. – проведение экспериментов, анализ полученных результатов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Contribution of authors:

Shirnin Yu. A. – research methodology, preparation of the initial draft.

Shirnin A. Yu. – preparation of research, patent search, processing of the time study materials.

Denisov S. A. – silvicultural justification, selection of objects, scientific consultation, preparation of the final version of the manuscript for publication.

Petukhov I. V. – reviewing and editing of the text, scientific consultation.

Anisimov P. N. – performing the experiments, analyzing the results obtained.

The authors declare that they have no conflict of interest.

All authors read and approved the final manuscript.

¹ Азаренок В. А., Герц Э. Ф., Мехренцев А. В. Сортиментная заготовка леса: учебное пособие. Екатеринбург: РИО Уральская государственная лесотехническая академия, 2000. 138 с. EDN: VYLCQZ

² Обоснование ресурсосберегающих технологий лесопромышленного комплекса, адаптированных к природным условиям Пермского края, с минимизацией затрат на лесовосстановление / Денисов С. А., Торопов А. С., Микрюкова Е. В. и др. Отчёт о НИР № 6.6-29/2 от 03.08.2007. Министерство промышленности и природных ресурсов Пермского края. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. 181 с. EDN: WIQAWB

³ Лесное ресурсоведение: учебник / Ю. А. Ширнин [и др.]; под общ. ред. проф. Ю. А. Ширнина. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2012. 356 с.

About the authors

Yury A. Shirnin

Volga State University of Technology

Author for correspondence.
Email: ShirninYA@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0003-4509-1324
SPIN-code: 4947-2182

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Forestry and Chemical Technologies

Russian Federation, Yoshkar-Ola

Alexander Yu. Shirnin

Volga State University of Technology

Email: ShirninYA@volgatech.net
SPIN-code: 7890-5335

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Life Safety

Russian Federation, Yoshkar-Ola

Sergey A. Denisov

Volga State University of Technology

Email: ShirninYA@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0002-8805-1253
SPIN-code: 9711-7130

Doctor of Agricultural Sciences, Professor of the Department of Forestry and Forest Management

Russian Federation, Yoshkar-Ola

Igor V. Petukhov

Volga State University of Technology

Email: ShirninYA@volgatech.net
ORCID iD: 0009-0000-2365-4857
SPIN-code: 6009-1846

Doctor of Engineering Sciences, Professor at the Department of Design and Production of Computing Systems

Russian Federation, Yoshkar-Ola

Pavel N. Anisimov

Volga State University of Technology

Email: ShirninYA@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0002-7789-2399
SPIN-code: 9087-4940

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Enterprises' Power Supply

Russian Federation, Yoshkar-Ola

References

Supplementary files