При обработке почвы существенно изменяются ее свойства. Задача же сводится к тому, чтобы сеянцы и саженцы, высаженные на лесокультурную площадь, получали в районе расположения корневых (верхние слои почвы) наиболее благоприятные экологические условия для нормального протекания физиологических процессов.
Л. О. Карпачевский в своих исследованиях по изменению свойств почвы при лесовосстановлении отмечает, что верхние (особенно дерново-слабоподзолистых и среднесуглинистых) горизонты почв в зависимости от характера обработки имеют разные показатели плотности, водопроницаемости, морфологии и содержания гумуса. В первую очередь воздействие сказывается на плотности верхних горизонтов (до глубины 20 см). При плужной обработке образуются неравноценные по лесорастительным свойствам посадочные места — пласт и дно борозды, свойства которых определяются различиями генетических горизонтов; на глубине до 34 см отмечается сравнительная однородность по физическим свойствам.
В год обработки плотность почвы в пластах, по исследованиям Л. О. Карпачевского, на 10—15 % меньше, чем в верхнем слое на контроле, но в рыхлом состоянии пласт находится непродолжительное время. Уже через год после создания биогеоценоза (БГЦ) он уплотняется, и различия в показателях объемной массы с контролем становятся недостоверными. Для дна борозды характерна большая, чем на контроле, плотность, что рассматривается как результат уплотнения при обработке; объемная масса ее здесь и в аналогичном горизонте на других участках (на глубине 20—30 см) идентична. Рыхлость почвы на площадках неустойчива, уже через один — два месяца после обработки плотность ее увеличивается до уровня необработанной.
Общая порозность почвы и после уплотнения остается высокой во всех вариантах: от 45 до 56 % объема, что оптимально для роста и развития растений. В пластах преобладают поры аэрации (30—35 % по объему), в дне борозд, наоборот, многие (35—38 %) заполнены водой. Устройство разрыхленных площадок практически не отражается на структуре порового пространства (соотношение пор обводнения и аэрации). В этих вариантах, как и на контроле, соотношение между показателями порозности (аэрация и обводнение) в динамике определяется погодными условиями. Запас продуктивной влаги (выше влажности завядания) достаточен для роста растений: в слое 0-20 см колеблется от 35 до 25 мм. Сдвоенный слой лесной подстилки, отделяющий почву пласта от подстилающей необработанной, затрудняет восстановление капиллярной связи и ухудшает водообмен. Поэтому в отдельные периоды первого года она пересыхает заметно больше, чем в верхних слоях при других вариантах обработки; на второй год капиллярная связь восстанавливается полностью. Запас воды в бороздах на протяжении всего года достоверно выше, чем на контроле. На разрыхленных на глубину 20 см площадках в год посадки он меньше, чем на контроле, но различия незначительны и исчезают к концу вегетационного периода.
В год обработки почвы по сравнению с дном борозды водопроницаемость по пластам в 2 раза выше, на контрольном участке была хуже, чем в пластах, на площадках — средняя между показателями на контроле и в пластах. На второй год после создания БГЦ она становится слабее, различия между вариантами сглаживаются.
Изменение химических свойств почвы под воздействием обработки тем или иным способом менее достоверно. Гидролитическая кислотность и содержание подвижного алюминия различаются по вариантам незначительно; содержание азота увеличивается при нарезке пластов, подвижных форм фосфора и калия — такое же, как на контроле, или несколько больше; меньше всего общего азота, фосфора, калия в дне борозд. В последнем случае в дальнейшем формируется типичный по ряду свойств горизонт А1, что сопровождается улучшением физических свойств почвы, увеличением количества гумуса, общего азота, подвижных форм фосфора и калия; через 2,5—3 года по своим свойствам она становится тождественной исходному горизонту A1.
Исследованиями установлено, что дерново-подзолистые суглинистые почвы в типах условий произрастания С2—С3 характеризуются большой плотностью подзолистого (А2) и иллювиального (В1) горизонтов, в связи с чем отмечаются невысокая водопроницаемость и четкие различия в физических и химических свойствах по вертикальному профилю.
Выделяя три принципиально разных способа обработки почвы под лесные культуры (минерализация в виде борозд, нарезка пластов, измельчение с перемешиванием верхних горизонтов), фтор отмечает, что при первом из них наблюдается повышенная кислотность подзолистого (А2) и иллювиального (B1) горизонтов, сопровождающаяся неудовлетворительной аэрацией и недостатком азота. Это приводит к тому, что большую часть года созданные таким образом посадочные места находятся в переувлажненном состоянии. При втором же способе (создание пластов и микроповышений из перегнойно-аккумулятивного горизонта A1) образуются значительно лучшие условия для роста ели. Объяснением тому является в первую очередь значительное увеличение плодородного слоя почвы, где располагается корневая система.
Влажность во всех трех случаях меняется по одному типу: максимальное увлажнение отмечается весной, затем постепенно уменьшается и осенью (в сентябре) снова увеличивается. Такая же закономерность в течение вегетационного периода прослеживается и для влажности 10—30-сантиметрового слоя, где сосредоточена основная масса физиологически активных корней: она не опускается ниже «коэффициента завядания», под которым понимается двойное значение гигроскопической влажности. Кроме того, в ризосфере деревьев, растущих при размещении основной массы корней в перегнойно-аккумулятивном горизонте (A1), содержание азота в 3—5 раз, фосфора и калия на 20—40 % больше, а плотность почвы на 30—40 % меньше по сравнению с тем, когда корни размещены в подзолистом (А2) и иллювиальном (В1) горизонтах.
На основании этого сделан вывод, что условия почвенного питания деревьев на вырубках с дерново-подзолистыми суглинистыми почвами в первые 15—20 лет определяются способом обработки почвы при их создании.
Н. А. Смирновым установлено, что при закладке лесных культур ели обработка почвы должна в максимальной степени обеспечивать ее рыхлое состояние. По его данным, на свежей вырубке без обработки почвы средняя мощность верхнего рыхлого горизонта равна 20 см, объемный вес 1,3 г/см3; при вспашке плугом ПКЛ-70 первая увеличивается, второй поддерживается на одном уровне в течение 1,5 лет. Полосная расчистка (МРП-2) без удаления дернового горизонта обеспечивает мощность разрыхленного слоя до 15 см. Увеличение ее достигается применением плугов ПСН-140, ПЛМ-1,3 и ПКЛ-70 (в одноотвальном варианте), причем такое благоприятное для роста ели состояние длится от 3 до 5 лет.
Отмечается, что на раскорчеванных полосах с удаленным дерновым горизонтом рыхлый слой почвы отсутствует, что является крайне неблагоприятной почвенно-экологической характеристикой этого способа для роста ели. Рыхление в данных условиях осуществляется также плугами ПСН-140, ПЛМ-1,3 и ПКЛ-70, срок действия — до 3 лет. Надо сказать, что при полосной раскорчевке участок в слабой степени подвержен зарастанию травянистой растительностью. Кроме того, на вырубках, где почвы приближаются к сырым, нарезка пластов из дернового горизонта мощностью более 20 см улучшает условия роста ели в первые годы.
В. В. Мироновым установлено, что при нарезке пластов плугом ПКЛ-70 в них образуются более благоприятные условия для роста ели, чем в бороздах. Он также указывает на приемлемость полосной расчистки (Д-211В, Д-513) с последующим применением БДТ-2,2 и БДН-2 или плуга, но при этом отмечает основной экологический недостаток данного способа — замедленный рост ели в первом десятилетии, что снижает ее конкурентоспособность против лиственной поросли.
Механизированная обработка включает комплекс приемов механического воздействия на почвогрунтовые толщи — расслаивание и перемешивание, разрыхление и перемещение, измельчение и крошение, причем и в вертикальном, и горизонтальном направлениях. В совокупности агротехнические воздействия по-разному влияют на изменение объемного соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз почвогрунтов. Последнее создает возможность получения разнообразнейшего сочетания вариантов водно-физических свойств поверхностных слоев — посадочных мест для культивируемых древесных пород. Об этом, в частности, свидетельствуют данные о плотности почвогрунтовых слоев, подвергнутых механической обработке разными приемами. Плотность, или объемная масса, определялась в семикратной повторности по каждому 10-сантиметровому слою. Из полученных данных следует, что почва имеет наименьшую объемную массу, а значит, наиболее благоприятные для роста ели условия в вариантах со сплошной (классической) обработкой и нарезкой плужных пластов. Самые худшие значения отмечаются в вариантах с устройством борозд и Полос на частично раскорчеванных вырубках без последующей обработки минерализованных полос соответствующими орудиями.
Плотность почвы коррелирует с содержанием в ней гумуса: чем выше первый показатель, тем ниже второй. Следовательно, повышенная плотность является не только физическим препятствием для развития и функционирования корневых систем, но и отражением почвенного плодородия в посадочном месте. В связи с этим нами проведен анализ роста культур ели в зависимости от плотности 30-сантиметровой толщи почвогрунта и содержания в нем гумуса. Экспериментально оценивался текущий прирост в высоту со значениями плотности в интервале 0,79—1,56 г/см3 и содержанием гумуса в диапазоне 0,04—3,86%; полученные пороговые (допустимые) величины их — соответственно 1,39 г/см3 и 0,77 %. При большей плотности и меньшем содержании гумуса невозможно достижение эффекта биологически возможного роста ели.
Закономерности изменения плотности почвы в зависимости от способов обработки проявляются также в изменении воздухообеспеченности верхних слоев. Установлено, что перед посадкой культур в расчищенные полосы, где удален дерновый горизонт и почва обработана, в верхних слоях содержится менее 20 % воздуха (общей порозности почвы). Исключение составил вариант нарезки плугами ПСН-140 и ПКЛ-70 мощных пластов. На расчищенных полосах без удаления дернового горизонта создание микроповышений и рыхление на глубину 25—30 см обеспечивают через год наличие воздуха в верхнем 20-сантиметровом слое более 20 % общей порозности при влажности, близкой к полевой. Пониженная плотность почвогрунта в сочетании с плодородием и хорошей воздухообеспеченностью способствует эффективности биологической активности почвы. В частности, наилучшую биологическую активность ее (по выделению CO2) обеспечивают сплошная вспашка с оборотом пласта и устройством двухотвальным плугом микроповышений.
С плотностью помимо содержания гумуса функционально связаны такие важные агрофизические свойства почвы, как твердость, диапазон доступной влаги, объем пор аэрации, физико-механические параметры. Разные способы механизированной обработки неодинаково воздействуют на плотность почвогрунтов, что обусловливается качественно различными механическими воздействиями машин и агрегатов. Чтобы избежать недостатков, связанных с применением технологий, предусматривающих устройство в качестве посадочных мест плужных борозд и минерализованных узких раскорчеванных полос, надо осуществлять предварительную проверку новой техники и новых технологий на предмет создания оптимальных условий для роста ели.
От способа обработки почвы зависит изменение не только ее объемной массы, но и других водно-физических свойств, а также общей экологической обстановки в посадочном месте. Так, способ обработки существенно влияет на полевую влажность: максимальной (от 25 % на контроле до 39 % при сплошной) она зафиксирована в верхнем (0—10 см) слое; при нарезке пластов плугом ПКЛ-70 и полосной обработке в сочетании с глубокой вспашкой была соответственно 31 и 28 %; при полосной обработке с БДТ-2,2 составляла 39 %. По мере увеличения глубины данный показатель в целом снижается, причем значения его по вариантам сближаются. Так, в любом из них на глубине 40—50 см он равен 14—17 %. Но все же следует отметить, что лучшая влажность обеспечивается при сплошной обработке и полосной раскорчевке с последующей глубокой вспашкой.
Агротехнические приемы вносят разнообразные изменения и в среду, окружающую лесокультурное посадочное место. Прежде всего, надо назвать изменение микроклимата и, в частности, температурного режима почвогрунта. В отличие от контроля или варианта с устройством плужных борозд при хорошей обработке образуется агротехнический фон с повышенным температурным режимом, причем он функционирует на протяжении всего вегетационного периода. Поскольку рост корней у хвойных пород начинается при 5—6 °С, а вегетация их в последнем случае — раньше, весь ростовой процесс может длиться дольше.
Повышенные температура, влажность почвенной среды создают в ризосфере культивируемых растений своеобразный «парниковый эффект», что активизирует микробиологические процессы и в конечном итоге жизнедеятельность корневых систем. Потому-то высокий агротехнический фон почвы — непременное условие успешного роста высаженных растений.
Таким образом, любые попытки обосновать перспективность посадки сеянцев и саженцев без обработки почвы несостоятельны. Ведь от грамотного выбора оптимального для конкретных условий способа зависит обеспечение благоприятных эдафических условий для успешной закладки и роста лесных культур, следовательно, ей необходимо уделять первостепенное внимание. И операцию эту нельзя упрощать, ибо получаемая за счет этого экономия материальных ресурсов — кажущаяся, так как может привести к большим потерям прироста древесины.
Исторически агротехника разрабатывалась в южных районах — лесостепной и степной зонах, где зарождалось лесокультурное производство. Вызвано это было необходимостью сохранения влаги, уничтожения (или ограничения появления) травянистой растительности, много ее потребляющей, улучшения физических свойств почвы. В лесной зоне обработка ее нацелена на изменение многих факторов среды: создание оптимальных условий для посева и посадки растений; обеспечение возможности проведения механизированных уходов; регулирование водного режима на дренированных почвах и ограничение доступа избыточной влаги к корневым системам сеянцев на временно переувлажненных или избыточно увлажненных; улучшение условий минерального питания и физических свойств почв; устранение вредного воздействия травянистой растительности и естественного возобновления лиственных пород.
На вырубках с сухими почвами (сосняки лишайниковые и вересковые) при небольшом количестве пней и слабом развитии травяного покрова лучшие результаты получают без предварительной обработки почвы. Здесь можно успешно применять покровосдиратели и лесные фрезы, рыхлители РН-60 и РН-80, лесопосадочные машины СБН-1А и ЛМД-1, для посева — плуг ПКЛ-70 с высевающим приспособлением.
В условиях со свежими почвами (сосняки и ельники брусничные, мшистые), обычно приуроченными к возвышенностям водоразделов, при выборе оптимального способа обработки надо учитывать характер задернения: на незадернелых участках с легкими почвами возможна посадка без обработки, на задернелых же требуется уничтожение травянистой растительности и в первую очередь вейника наземного. Этого можно достичь фрезерными машинами (интенсивное рыхление с перемешиванием поверхностных горизонтов улучшает лесорастительные свойства почв) и плугом ПКЛ-70. Исключительно хорошие результаты дает сплошная глубокая вспашка.
На вырубках с влажными почвами (сосняки и ельники кисличные и черничные), которые занимают дренированные водораздельные равнины с расчлененным рельефом, а в ряде случаев и пониженные ровные местоположения, применяют плуги лемешного типа ПКЛ-70, ПЛП-135 и свального ПЛД-1,2, ПЛД-1,3, и растения высаживают по образовавшимся микроповышениям. На суглинистых почвах в коренных для ели условиях произрастания прекрасно проявила себя обработка почвы широкими полосами — раскорчевка, затем глубокая вспашка.
Основные агротехнические приемы при частичной обработке почвы широкими полосами сводятся к следующему. Корчевателями-собирателями раскорчевывают 50—70-метровые полосы, убирают пни, порубочные остатки и мелкую поросль в прямолинейные валы высотой около 2 и шириной 5 м, затем для выравнивания поверхности земли осуществляют планировку (эти операции лучше выполнять % сухие дни с августа по сентябрь). Далее проводят глубокую вспашку под зябь, причем оставшуюся часть поверхностных гумусово-аккумулятивных горизонтов перемещают в более глубокие слои, выворачивая на поверхность пласты из иллювиальных горизонтов и даже из верхней части почвообразующей породы. В результате плотные глыбы суглинка растрескиваются и в таком виде уходят на зиму под снег. Положительное воздействие обработки суглинистой почвы с приданием ей формы гребней отмечал основоположник русской агрономической науки И. А. Стебут, который указывал, что в этом случае она лучше промачивается, сильнее рыхлится от действия мороза, весной скорее просыхает. Тогда выполняют боронование, после чего — механизированную посадку.
Заложенные с такой агротехникой культуры имеют четкую прямолинейность рядов и полностью освобождены от вегетативной поросли лиственных пород. Для последующего рыхления междурядий можно использовать дисковые бороны. В процессе агротехнических уходов ликвидируется поверхностная корка, преграждающая: доступ воздуха. Данная технология обеспечивает достижение елью на пятый год высоты 2,2 м с текущим приростом до 35 см.
При широкополосной обработке полезная (продуцирующая) площадь составляет не менее 90 %, что сказывается положительно: возрастет доля запаса будущего ельника по отношению к запасу лиственных, произрастающих по валам (кулисам). Последние могут быть расчищены в 20—25-летнем возрасте культур и выполнять в дальнейшем роль технологических коридоров при рубках промежуточного пользования. Особо желательна широкополосная раскорчевка вырубок, зарастающих вегетативной осиной и лещиной, плохо очищенных. Применение мощных корчевателей-собирателей позволяет в какой-то степени снижать требования к очистке, положение с которой нельзя признать удовлетворительным. Так, за последние 5 лет площади неочищенных вырубок в основном на предприятиях Минлесбумпрома СССР возросли с 55 до 68 тыс. га, с уничтоженным подростом — с 20,7 до 24 тыс. га, а в целом только по РСФСР — с 41 до 60,5 тыс. га. Притом надо учитывать тенденцию к сокращению сохранения подроста при лесозаготовках в связи со все более широким распространением многооперационных машин и систем трелевочных механизмов (ВМ-4, ЛП-17, ЛП-19, ЛТ-154, ЛТ-157, ЛП-18А и др.).
Исследованиями «Союзгипролесхоза», например в Коми АССР, установлено, что при выборе технологических схем разработки лесосек условия произрастания и наличие подроста хозяйственно ценных пород под пологом леса, как правило, не учитываются. Так, в 1981 г. около 80 % площади их было обеспечено достаточным количеством подроста, но соответствующая технология применялась лишь на 50 % ее. При работе систем машин ЛП-19, ЛП-154, ЛП-18А технология работ нарушалась в ходе трелевки, что привело к полному уничтожению елового подроста. Коренное изменение микрорельефа, ухудшение воднофизических свойств почвы и увеличение ее плотности в 1,6—2 раза, сильное захламление порубочными остатками и массой несгоревших деревьев лиственных пород делают эти площади практически непригодными для лесовосстановительных работ.
В связи с широким внедрением тяжелой многооперационной лесозаготовительной техники, резко ухудшаюшей водно-физические свойства лесных почв и особенно сильно повышающей их плотность, технологическим фундаментом обработки почвогрунтов должны быть глубокая вспашка и рыхление. Описанная выше технология широкополосной обработки почвы позволяет (для глубоких суглинков) получить относительно рыхлое сложение верхних слоев в пределах 1,2—1,3 г/см3 с содержанием гумуса 1—1,5 %.
На вырубках с сырыми почвами (сосняки и ельники долгомошные и травяно-болотные), приуроченных главным образом к сильно пониженным слабодренированным участкам с постоянным или застойным увлажнением, применяют плуги-канавокопатели, а на сырых заболоченных площадях с подзолисто-глеевыми почвами — канавокопатель ЛКА-2М. При плохом и постоянном избыточном увлажнении надо устраивать крупные микроповышения в сочетании с дренажными бороздами. Последние должны составлять единую систему с мелиоративными осушителями и канавами. В противном случае все первоначально успешные культуры будут обречены на вымокание, притупление роста, ветровальность. Поэтому на предварительно подготовленных осушительной мелиорацией площадях рекомендуется нарезка мощных плужных пластов высотой 30—40 и шириной не менее 60 см с дренирующими бороздами глубиной 30—60 см. Орудия для этого есть: ПЛП-135, ПЛО-400, ПКЛН-500, ЛКН-600, ЛКА-2.
На осушенных болотах самый распространенный способ обработки почвы при искусственном облесении — также нарезка пластов при помощи плугов и канавокопателей. Для проведения лесокультурных работ назначают осушенные 2 года назад болота с нормальным функционированием водоотводящей сети и возможно большей площадью. При неудовлетворительном состоянии каналы предварительно ремонтируют с тем расчетом, чтобы к началу весенних работ понизить уровень грунтовых вод (до 20—25 см на середине межканавных полос) для обеспечения проходимости тракторных агрегатов и активного роста леса.
Подготовка участков под лесные культуры должна быть выполнена в соответствии со следующими основными требованиями:
- прокладываемые орудием проточные борозды должны отводить избыток влаги из верхнего 0,5-метрового слоя почвы за пределы намеченной к облесению площади;
- борозды для создания микроповышений (формируемые при обработке почвы пласты) должны обеспечивать наилучшие условия для размещения и успешного роста культур.
При формировании пластов на поверхность извлекается разложившийся плодородный торф (особенно это важно при облесении верховых болот с верхово-переходным или верхово-низинным типом торфяной залежи), повышается обеспеченность воздухом и улучшается тепловой режим почвы, в конечном итоге значительно улучшаются условия для жизнедеятельности корней и деревьев в целом.
Для обработки почвы используются двухотвальные плуги ПКЛ-70, ПЛП-135, плуг-канавокопатель ПКЛН-500А и канавокопатель ЛКН-600 в агрегате с тракторами болотных модификаций типа Т-100, обеспечивающие нарезку пластов толщиной 25—30 см и больше. Возможно также применение одноотвальных сельскохозяйственных плугов ПБН-75 и ПБН-100.
В опытах, заложенных в 1965 г. в Олонецком лесхозе (Карельская АССР), двухотвальным плугом ПКЛ-70 почву обработали за год до закладки культур в летне-осенний период 1964 г. К моменту посадки (май 1965 г.) пласты хорошо слежались и не пружинили. Выяснилось, что этот плуг с двумя отвалами лучше работает на низинных и переходных болотах с маломощной среднеразложившейся торфяной залежью при толще очеса, не превышающей 10—12 см; при большей его мощности и сильно разложившемся торфе пласт часто заваливается в борозду.
Плугом ПБН-75 вспашку проводили как в летне-осенний период 1964 г. (почти за год до лесопосадочных работ), так и непосредственно перед закладкой культур (май 1965 г.). В последнем случае пласты часто неплотно прилегали к целине (особенно при мощном очесе), быстро пересыхали и не годились для посадки (на одном из опытных участков приживаемость была ниже 10 %), поэтому их предварительно прикатывали гусеницами трактора. Как положительный момент здесь надо отметить то, что в первый год исключалось зарастание культур травянистой растительностью и требовался лишь один уход за ними.
В феврале 1978 г. в Медвежьегорском лесхозе (Карельская АССР) проведены первые опыты по зимней обработке почвы под лесные культуры. На болоте переходного типа применяли трактор Т-100МБГС с плугом ПКЛН-500. Борозды глубиной 30-35 см нарезали через 5—6 м, прикатывали весной, сразу после таяния снега. Конечно, сейчас еще неизвестно, какова будет производительность Культур, но пока результаты обнадеживающие.
На интенсивно осушенных болотах с водопроницаемыми почвогрунтами, слабо зарастающими травянистой растительностью, проводят полосное фрезерование фрезой ФБН-1 (конструкции Олонецкого лесхоза) в агрегате с трактором ДТ-55А.
Фрезерование почвы может быть начато как от центра межканавной полосы к осушительным канавам (круговое движение от центра к периферии участка), так и от осушительных канав к центру полосы (круговое движение к центру участка). В опытах ширина полосы равна 110 см. Почва хорошо разрыхлялась и перемешивалась, объемная масса ее резко уменьшалась. При следующем ходе агрегата фрезеровали новую полосу и одновременно левой гусеницей трактора и колесом фрезы уплотняли половину уже произведенной и т. д. По центру уплотненной 53-сантиметровой части проводили посев (посадку). Расстояние между центрами уплотненных полос — 150 см. Особенно важное значение имеет фрезерование на верховых сфагновых болотах, ибо здесь даже при сравнительно интенсивном осушении из-за большой капиллярной влагоемкости уплотненного осушенного торфа (93—95 %) сфагновые мхи продолжают усиленно расти и заглушают сосну.
Следует подчеркнуть, что независимо от степени дренированности главная цель механизированной обработки почвы — создание благоприятных экологических условий в лесокультурном посадочном (посевном) месте.