Zhutnění půdy harvestorovými technologiemi
Václav Malík, Jiří Dvořák
Progresivní vývoj lesnické mechanizace a s ní spojených technických parametrů (celková hmotnost, trakční ústrojí, rychlost atd.) se odráží na zhutnění půdního podkladu, při kterém hrají hlavní úlohu důležité faktory – odpor půdy a její vlhkost. Oba faktory jsou primárními ukazateli pro analýzu možné degradace půdního podkladu po nasazení harvestorové technologie, která se podílí na těžební činnosti ŠLP v Kostelci nad Černými lesy v posledních třech letech z 23 %.
Nasazení harvestorových technologií
Od počátku devadesátých let dochází v českém lesním hospodářství k intenzivnímu nasazování harvestorových technologií. V současné době můžeme hovořit o cca 150 harvestorech a 250 vyvážecích traktorech (VT), podílejících se na těžební činnosti ze cca 25–30 %. Při kopírování západoevropského trendu můžeme kalkulovat s jejich dalším nárůstem.
Podnětem pro jejich nasazení v současnosti je intenzivní zpracovávání kalamitní těžby po orkánu Kyrill z ledna letošního roku. Na Školním lesním podniku v Kostelci nad Černými lesy padlo v skupinovitě i jednotlivě roztroušené kalamitě 35 tis. m3, což činí cca 80 % ročního těžebního etátu. Pro rychlou likvidaci 50 % objemu hmoty je i zde nezbytné nasazení harvestorové technologie. Velká část této hmoty je na lokalitách ovlivňovaných jak podzemní, tak povrchovou vodou.
Nemalou měrou k náročnějšímu zpracování polomové hmoty v těchto porostech přispívá i charakter letošní zimy, bez mrazu. S tímto stavem hrozí riziko vyššího poškození půdního pokladu, tzn. zhutňováním půdy, těžebně-dopravní eroze s dalšími dopady na přírůst dřeva v lesních porostech, kde je těžba a soustřeďování dřeva harvestory a forwardéry prováděna.
Mechanické zhutnění nepředstavuje ještě hlavní problém, označovaný za morfologický. Na něj navazujícím sekundárním (ekologickým) problémem pro dřeviny a mikroorganismy v půdě je omezování spotřeby vzduchu k dýchání. Stlačováním středních a velkých pórů dochází k úbytku kyslíku. Vznikají hnilobné a kvasné pochody, jejichž látkové výměnné produkty působí toxicky.
Zhutnění půdy při likvidaci nahodilých těžeb
Analyzováno je druhotné zhutnění po nasazení harvestorů a vyvážecích traktorů. Toto zhutnění je spojeno s přímým pojížděním strojů v porostech při těžební nebo dopravní činnosti.
Těžební práce jsou prováděny na půdách představujících nejvyšší podíl v porostech ŠLP. S ohledem na převažující soubory lesních typů jsou zde půdy středně hluboké až hluboké, čerstvě až mírně vlhké, hlinitopísčité až písčitohlinité a slabě skeletovité. Půdním typem na ŠLP je kambizem oligotrofní, někdy podzolovaná. Humusovou vrstvou je moder (Průša 2001).
Na vlastní zhutnění má vliv řada faktorů včetně technických parametrů strojů, mezi které patří především hmotnost stroje, parametry trakčního ústrojí (tab.), ale i technologické a provozní faktory. Těmi je celková výkonnost daná i rychlostí stroje, s jejímž růstem může být spojen prokluz. V neposlední řadě hraje svojí úlohu půda a její vlastnosti, které jsou specifikovány v předchozím odstavci.
Pro těžebně-dopravní operace je zde nasazován ve smrkových lesních porostech harvestorový uzel: harvestor Timberjack 1070 a vyvážecí traktor Valmet 840.1 ve standardním technologickém postupu, který spočívá v šířce pracovního pole cca 20 metrů s předem vyznačenými těženými stromy, které jsou po zpracování na sortimenty vyváženy na předem vybrané odvozní místo.
Sledování penetračního odporu je prováděno na vyznačených vyvážecích linkách. Veškerá měření jsou prováděna do hloubky dvaceti centimetrů, která je ve všech případech měření přístupná pro penetrační jehlu a sondu vlhkoměru. Vlhkost, při které docházelo v půdě k maximálnímu měrnému odporu, se pohybovala ve vyjetých kolejích v intervalu 9,9–10,6 %. Jednoznačně je zde potvrzen rozdíl penetračního odporu mezi půdou, na kterou je tlak od stroje rozložen přes klestový koberec, a půdou přímo namáhanou bez přírodní podložky.
V lesních porostech je nejvyšší měrný odpor registrován v případě přejezdu po „čistém“ podkladu, kdy není nebo nemůže být klest předkládán před stroj při odvětvování stromů nebo zde není travinová vrstva. S mechovou nebo travinovou vrstvou se výše měrného odporu snižuje. Nejnižší měrný odpor v případě přejezdu strojů je potvrzen s uložením klestu na přibližovací linky.
Ve svrchní humusové vrstvě do osmi centimetrů narůstá měrný odpor v „čisté“ koleji o 43,2 % ve srovnání s kolejí s kobercovým podkladem. V osmi až šestnácti centimetrech se pohybuje nárůst od 2,7 do 17,0 % a v hloubce 20 cm již dochází ke stagnaci měrného odporu mezi „čistou“ kolejí a kolejí pokrytou vrstvou klestu.
Rozdíl měrného odporu půdy mezi „čistou“ kolejí a neporušeným podkladem porostu, který je měřen dva metry od přibližovacích, resp. vyvážecích linek, vykazuje rozdíl v nejsvrchnější vrstvě 0,25 MPa se stagnací rozdílu na hranici 0,53 MPa v hloubce šestnácti centimetrů a následným poklesem rozdílu v hloubce dvacet centimetrů na 0,17 MPa, ve které jsou měření v lesních porostech prováděna.
Jednotkové zvýšení penetračního odporu půdy na linkách je porovnáváno s odporem půdy na neporušené ploše porostu, kde není mechanizací na půdu vyvíjen žádný tlak (cca 2 m od přibližovací linie). V neposlední řadě je měřeno zhutnění na linkách mezi kolejemi. Zde lze uvažovat o mírném zvýšení zhutnění vlivem bočního tlaku pneumatik na půdní podklad ve vyjetých kolejích. Toto navýšení je však nepatrné. Přesto je nelze považovat za nevýznamné, pokud se podílí na mikrostrukturální destrukci agregátů a mikroagregátů, která nedává možnost samovolné regeneraci půdy.
S penetračním odporem naměřeným v kolejích s klestovým kobercem i bez něho je měřena vlhkost půdy, při které je dosaženo maximálního měrného odporu. Tato hodnota vlhkosti se pohybuje v intervalu 9,9–10,6 %. Tím můžeme konstatovat, že s nižší vlhkostí půdy se snižuje její soudržnost. Zdrojem pevnosti ve smyku se stává především tření mezi jednotlivými zrny a tím se snižuje penetrační odpor v půdě. Soudržnost se snižuje i s rostoucí vlhkostí nad uvedenou hranici, kdy dochází k rostoucí plasticitě a rozbředávání sledovaného půdního podkladu. Po devíti přejezdech po vyvážecí lince již nedochází v daných podmínkách k dalšímu markantnímu zhutňování půdy.
Kolísání měrného odporu při naměřené vlhkosti půdy je registrováno v grafu č. 2. Registrovaná vlhkost 7,5 a 12,5 % je krajní hranicí, při které jsou analýzy prováděny. Ať už se jedná o jakýkoliv stupeň vlhkosti, je zde, až na výjimečné případy, nepopiratelný preventivní význam klestového koberce, a s ním i nižší měrný tlak na půdu, který je přes něj přenášen. Ani v případech náhodně nižšího měrného odporu ve prospěch „čisté“ koleje nelze vyvrátit jeho nevýznamnost. Vyšší měrný odpor na klestovém koberci, ve srovnáním s kolejí bez klestu (v nižších hloubkách 8–12 cm), může být způsoben tlakem kužele penetrometru na biomasu, která je do koleje zaježděná stroji a při měření nemusela být zaregistrována. S větší hloubkou tvoří při penetrometrii problémy kořenové překážky. Přesto nelze ani v lesnictví vyloučit výhody penetrometrie ve srovnání s metodou Kopeckého válečů, která neumožňuje celoplošné a časově nenáročné operativní sledování vlivu mechanizace na půdu.
Preventivní opatření
Z faktorů, které hrají při zhutňování půdy největší roli, tj. tlak na půdu, vlhkost půdy, zrnitost půdy, stupeň plasticity, pórovitost půdy, kontaktní plocha pneumatiky s podložím, tloušťka humusové vrstvy, případně jiné humusové vrstvy (Ulrich 1998), je nutné vycházet i při možných preventivních opatřeních, mezi která patří následující:
Terénní a přírodní podmínky pro nasazení stroje
Prioritní je vycházet z terénní typizace, která doporučuje nasazení harvestorových technologií na únosných, event. podmíněně únosných půdách podle Macků-Simanov-Popelka in Tuháček (1997), kde je podloží schopné odolávat tlaku většímu než 200 kPa, event. většímu než 50 kPa na podmínečně únosných půdách. Sklonitost je doporučována do 33 %, i když dnešní provozní praxe připouští u kolových harvestorů až 40 %. V neposlední řadě je třeba volit bezpřekážkové terény s pařezy a kameny pod 50 cm nebo s jejich rozestupem větším než 5 m pro bezproblémový průjezd stroje.
Preventivním opatřením s ohledem k fyzikálním vlastnostem půdy je omezený počet přejezdů po ploše, nepřetěžování stroje nákladem nebo naopak snižování množství nákladu s ohledem k půdní podklad a nevycházet tak z možné kapacity stroje.
Technologické a technické prostředky
Používání nízkotlakých pneumatik je dnes již u harvestorových technologií samozřejmostí. Dochází k menšímu stlačování půdy s rozložením hmotnosti stroje a nákladu na větší měrné jednotky. Tento účinek znásobují vícenápravové stroje, u kterých je tlak rozkládán na 6–8 kol.
Tlak je možné snižovat i ochranným podkladem na půdním povrchu. Ty jsou z přírodních nebo z umělých materiálů. V provozu je podklad nejčastěji tvořen klestovým kobercem a jeho vytváření při odvětvování stromu je považováno za samozřejmou součást výrobního postupu. Pro svou účinnost je požadována síla klestového koberce, přes který je tlak rozkládán na větší plochu, až 30 cm. Skutečnost je však jiná a musíme vycházet ze zavětvení stromů v porostech, kde jsou těžebně-dopravní zásahy prováděné. Klestový koberec je často přerušovaný. Z těchto důvodů je požadováno ukládání klestu především na náběhy stromů, které jsou nejvíce náchylné k poranění, nebo do již vyjetých kolejí. Jako přirozené podklady je možné používat i silnější dříví (hroubí) nebo kamenivo. Dříví nebo kámen je vkládáno také do vyjetých kolejích nebo v místech četnějších přejezdů, kde hrozí větší riziko zhutnění půdního podkladu (např. vjezd do lesního porostu, podmáčený mikroreliéf, který nelze objet appd.). Nevýhodou je nemožnost následného upotřebení.
V zahraničí jsou používány i umělé podklady. Výrobním materiálem jsou ztužené plasty nebo kov. V provozu jsou používány, vzhledem k nákladovosti, pouze ke zpevnění lesních cest při odvozu dřeva.
Trakční ústrojí je dalším technickým faktorem odrážejícím se na přenosu hmotnosti na půdu. V současné době pracuje v českém LH většina harvestorů a forwardérů s kolovými podvozky, jejichž vybrané provozní výhody jsou nepopiratelné ve srovnání s pásovými harvestory (např. možnost pojezdu po veřejných komunikacích), na druhou stranu dochází k většímu tlaku na půdu. Nyní pracuje v LH „jen“ cca 15 pásových harvestorů a asi čtyři desítky pásových malovýkonových forwardérů Terri. S nasazením pásů, se v závislosti na půdním podkladu snižuje tlak až o polovinu a umožňuje větší svahovou dostupnost. Horší je doprava strojů na pracoviště, které není možné transportovat po vlastní ose a musí být zajištěn převoz. Rozdíl je i mezi gumovými a ocelovými pásy. Lhotský (2000) uvádí větší vibrace ocelových pásů a tím větší zhutňování půdy.
V neposlední řadě dochází ke snižování zatížení půdy dalšími technickými úpravami. Těmi je především používání lehkých slitin kovů při výrobě např. klanic nebo rámů strojů, a tak celkové snižování váhy strojů.
Operativní snižování tlaku na půdu
Mimo přirozeného a neodvratného zhutňování hraje podstatný vliv i umělé zhutňování půdního povrchu těžebními a přibližovacími prostředky, soustřeďovaným materiálem či jinými výrobními prostředky, ať již v celém lesním porostu, nebo pouze na přibližovacích (vyvážecích) linkách. Lze je tak považovat za nezáměrně způsobené negativní ekologické dopady spojené s těžebně-dopravním výrobním procesem. Největší podíl na zhutňování má především mechanizace, která ovlivňuje svůj podíl rostoucí hmotností s jejím vývojem. V posledních 40 letech stoupla hmotnost traktoru o 126 % (Šařec 1997).
Využití lesnické mechanizace je dnes nedílnou součástí těžebně-dopravního procesu. Celkový tlak se pohybuje s typem stroje od 40 kPa do 250 kPa. Pracovní prostředky jsou od počátku mechanizování lesní práce výkonnější a je nutné je operativně aplikovat v podmínkách lesní výroby. S vývojem nejsou těžší jenom stroje, ale také soustřeďovaný náklad. Přibývající hmota je primární příčinou pro rostoucí riziko těžebně-dopravní eroze.
Přesto je nutné využívat operativní možnosti vedoucí ke snižování celkového tlaku na půdu:
- nasazení vícenápravových strojů s nízkotlakými pneumatikami;
- minimalizace pojíždění ve vlhkém stavu půdního podkladu a přesun práce do období dočasného zpevnění podkladu suchem nebo mrazem, pokud to charakter situace umožňuje;
- navyšování objemu nákladu úměrně únosnosti půdního podkladu;
- vytváření klestového koberce bezprostředním odvětvováním a odřezáváním vrcholů před strojem na přibližovací linku.
Na základě rozvoje harvestorových technologií lze předpokládat zlepšení výrobní efektivity a redukci nákladů v provozu lesního hospodářství ČR jak při běžném provozu, tak při jejich nasazení po živelných katastrofách při rychlém odstraňování jejich následků.
Adresa autorů:
Ing. Václav Malík, Ph.D.
ŠLP v Kostelci nad Černými lesy
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
Ing. Jiří Dvořák, Ph.D.
FLE ČZU v Praze
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
Použitá literatura je k dispozici u autorů.