Способ испытания древесины растущих деревьев

 

Изобретение относится к физико-химическому анализу загрязнений ландшафтов и может быть использовано в инженерной экологии, а также в лесной отрасли. На невысушенном кружке до взятия образцов измеряют макроструктуру годичных слоев древесины по радиусу ствола. Наносят линии и раскалывают кружок по четырем геодезическим направлениям (север - юг, запад - восток) так, чтобы по осям геодезических координат модельного дерева образовались пластины. Каждую радиальную пластину раскалывают на образцы приближенно прямоугольной формы, начиная счет от центрального образца, включающего сердцевину ствола. Выколотые центральный, средние и периферийные образцы кондиционируют до равновесной влажности. Измеряют плотность и другие физико-механические свойства, затем высушивают образцы до абсолютно сухого состояния и после повторных измерений физико-механических свойств сухие образцы подвергают озолению и анализу на содержание химических элементов. Способ позволит повысить комплексность испытаний древесины и точность сопоставления физико-механических и химических показателей древесины. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к физико-химическому анализу различных видов загрязнений ландшафтов и может быть использовано в инженерной экологии, лесной отрасли, лесном и сельском хозяйствах, а также в системе мониторинга природопользования и охраны окружающей среды. С учетом физиологических и морфологических взаимосвязей через химические свойства растущих деревьев предлагаемое изобретение может быть использовано в лесоводстве, лесозащите и питомниках.

Известен способ испытания воды, в частности, содержащейся в подземных источниках под растущими деревьями, включающий методы анализа общего химического и газового состава воды и определения ее окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных характеристик (см., например, книгу: Крайнов С. Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. -М.: Недра, 1987. - С. 177-188).

Основным недостатком является то, что по аналогу не выполняется испытание древесных частей растительности, которая является наилучшим индикатором экологического режима (в ретроспективе) и экологического состояния (в момент испытания).

Известен также способ испытания древесины на химические загрязнения, применяемый для изучения биологического круговорота химических элементов в лесных ландшафтах (см., например, книгу: Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н. Н. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. - Л. : Наука, 1968. -С. 9-12) на пробных площадях. Способ включает в себя закладку пробной площади в лесном массиве, выбор модельных деревьев, замеры дендрометрических параметров модельных деревьев, валку модельного дерева, выпиливание двух серий кружков на расстоянии 1 м, 1,3 м, 3 м, 5 м и т.д. через каждые два метра вплоть до вершины. В дальнейшем одна серия кружков служит для анализа хода роста, вторая - для определения химического состава и влажности.

Толщину кружков изменяют в зависимости от толщины ствола дерева с таким расчетом, чтобы самые верхние отрезки ствола весили не менее 50 г. Обе серии кружков взвешивают.

Для химического анализа используют секторные образцы. Недостатком является то, что секторные образцы образуются сложной формы. Поэтому до химического анализа невозможно проводить различные измерения по свойствам древесины (например, стереометрическим, акустическим и другим физико-механическим свойствам). Кроме того, две серии кружков увеличивают трудоемкость работ, снижают точность сопоставления акустических, макроструктурных, физико-механических (плотность, твердость и др.) и химических (зольность, содержание химических элементов) показателей. Таким образом, основным недостатком становится невозможность на секторных частях кружков выполнить комплексные измерения многих типов показателей в связи с тем, что способы физико-механического и химического анализов загрязнения древесины взаимно не согласованы между собой.

Технический результат - повышение комплексности испытания древесины и точности сопоставления физико-механических и химических показателей древесины.

Этот технический результат достигается тем, что из ствола модельного дерева выпиливают серию кружков: с корневой шейки ствола, с высоты 1 м, 1,3 м (возможно только на этой высоте для общей характеристики дерева только одним спилом), 3 м, 5 м и т.д. через 2 м вплоть до вершины. Дополнительно выпиливают кружок с высоты 1,3 м от уровня шейки корня для сопоставления результатов по двухметровым отрезкам ствола (в перспективе мы ожидаем, что будет достаточно брать кружок с этой высоты на уровне груди, однако для сопоставления с лесотаксационными замерами модельных деревьев необходимо будет брать кружки и по прототипу).

При этом кружок древесины, выпиленный на расстоянии 1,3 м от комлевой шейки ствола, раскалывают по четырем геодезическим направлениям (север - юг, запад - восток) так, чтобы по осям геодезических координат образовались радиальные пластины толщиной приблизительно 20 мм. Затем каждую радиальную пластину раскалывают на образцы с прямоугольным сечением приблизительно 20 х 20 мм, начиная счет от центрального образца, содержащего сердцевину ствола дерева (аналогично возможно и на других высотах ствола дерева).

Этот размер 20 х 20 мм нами обосновывается тем, что такое сечение имеют стандартные образцы, применяемые при физико-механических испытаниях древесины. После расслоения образца вполне возможно сжигание образца и проведение химического анализа. Кроме того, этот размер сечения удобен и для ультразвуковых испытаний существующими типами отечественных приборов. Однако самое важное заключается в том, что это сечение обеспечивает, при высоте кружка около 100 мм, остаточную для химического анализа массу сжигаемой древесины. При этом немаловажно и то, что в этот размер обычно укладывается до 10 годичных слоев древесины, что удобно считать при изучении динамики экологического режима на данной лесной территории. Для свободно стоящих деревьев, у которых широкие годичные слои, приходится на 10 годичных слоев брать более 20 мм. Вот почему мы указываем приблизительно сечение, которое получается к тому же раскалыванием по годичным слоям.

При необходимости, до расколки кружка на радиальные пластины и прямоугольные образцы, кружок древесины, выпиленный на расстоянии 1,3 м, подвергают механической (фрезерование, шлифовка) обработке по торцам, измеряют микроструктуру годичных слоев по радиусу ствола, а затем наносят карандашом линии под раскалываемые образцы прямоугольного сечения с измерением числа годичных слоев в каждом образце. При этом линию раскола намечают по ранней зоне годичного слоя.

Указанные действия выполняют после выпиловки кружков, в камеральных условиях на влажной древесине. После этого выколотые образцы сечением приблизительно 20 х 20 мм кондиционируют до равновесной воздушно-сухой влажности, измеряют плотность и другие физико-механические и акустические свойства. Затем образцы высушивают до абсолютно сухого состояния, снова измеряют акустические и другие показатели, а затем сухие образцы подвергают озолению и дальнейшему анализу на содержание химических элементов.

Сущность технического решения заключается в измерении макроструктуры годичных слоев выпиленного из ствола дерева (в общем случае на всех расстояниях, а не только на высоте 1,3 м) кружка древесины, а затем выколки из него образцов древесины для химического анализа в форме и размерах, одинаковых со стандартными образцами сечением приблизительно 20 х 20 мм, применяемых в физико-механических испытаниях древесины. Таким образом, суть способа заключается в приближении образцов для химического анализа к стандартным образцам (по сечению) для физико-механических испытаний.

Сущность технического решения заключается также в геодезической привязке расположения выколотых образцов по сторонам света (север, восток, юг, запад). Это позволяет сопоставить химические изменения с лесоводственными и таксационными данными самого модельного дерева, его места произрастания, а также его окружения (соседних деревьев).

Сущность технического решения заключается также в том, что последовательное выкалывание из кружка образцов по радиусу позволяет измерить экологический режим (динамику во времени хода роста и развития модельного дерева) и динамику химических загрязнений на данной территории, а также по периферийным образцам прикорковой зоны оценить экологическое состояние (в среднем за последние годы роста и развития модельного дерева - по количеству годичных слоев, приходящихся на периферийный образец).

Сущность технического решения заключается также в том, что по одному кружку с выколотыми и исследованными образцами, расположенными на высоте 1,3 м, оцениваются в среднем свойства всего модельного дерева, а по нескольким модельным деревьям - свойства всей опытной площади и древостоя.

Сущность технического решения заключается также в том, что по всем кружкам с выколотыми и исследованными образцами, расположенными на различных высотах ствола от корневой шейки до макушки дерева, оцениваются нелинейные зависимости динамики роста и развития модельного дерева по диаметру, высоте, объему, приросту и другим таксационным показателям, а также нелинейные зависимости содержания химических элементов в различных частях ствола дерева.

Сущность технического решения заключается также в том, что крестообразное взятие образцов из кружка позволяет получать по четыре измерения, среднее из которых характеризуют данное сечение символа (сечение на высоте 1,3 м характеризует в среднем весь ствол), а каждое из четырех измерений позволяет получать статические зависимости влияния освещенности и расположения соседних деревьев.

Положительный эффект достигается совмещением многих измерений на одном кружке, исключением одной из двух серий кружков, а также максимальным использованием образцов с одного кружка древесины для испытаний различных видов. Именно эта комплексность измерений позволяет подойти к количественной оценке экологического состояния (по периферийным образцам) и экологического режима (по всем образцам, расположенным на различных радиусах).

В патентной и научно-технической литературе материалов, порочащих новизну предлагаемого изобретения, нами не найдено. Совокупность существенных признаков, составляющих техническое решение, предполагает вывод о возможности признания способа изобретения.

На фиг. 1 приводится схема ствола дерева, вид сбоку; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - одна из радиальных пластин крестообразной выколки из кружка древесины, расположенного на высоте 1,3 м (возможно и на других высотах); на фиг. 4 - схема выколотого из кружка образца древесины для испытания на содержание химических элементов.

Способ испытания древесины растущих деревьев содержит следующие действия.

Из ствола дерева выпиливают серию кружков, начиная с корневой шейки (высота 0 м).

Размер пробной площади, как и по прототипу, составляет 0,20-0,25 га, количество равномерно расположенных деревьев - 150-200 стволов. Пробная площадь должна быть удалена от опушек и просек на расстояние не менее 200 м. Границы пробной площади в форме квадрата или прямоугольника отбивают по буссоли и остолбляют. На пробной площади составляется картограмма распределения древесных пород, производится перечет (по породам) и измерение диаметра деревьев на высоте 1,3 м от уровня почвы по 2-сантиметровым ступеням толщины в 2-х направлениях. Вычисляют средний диаметр деревьев каждой породы. Одновременно замеряют высоты деревьев - по три замера на каждую ступень толщины. По графику зависимости высоты от диаметра определяют высоту среднего модельного дерева.

Модельное дерево спиливают у самого основания, измеряют длину, определяют по годичным кольцам возраст, из ствола выпиливают две серии кружков на расстоянии 1 м, 3 м, 5 м и т.д. через каждые два метра вплоть до вершины. Дополнительно выпиливают кружок для подробных исследований, прежде всего для сопоставления с другими кружками, на высоте 1,3 м. Толщину кружков изменяют в зависимости от толщины ствола дерева с таким расчетом, чтобы самые верхние отрезки ствола весили не менее 50 г. Кружки взвешивают.

Отличие от прототипа в предлагаемом изобретении заключается в том, что для статистического моделирования и выявления различных закономерностей кружки выпиливаются не только с 1 м, но и на нулевой высоте (например, это выполняется после валки дерева распиловкой пня).

Далее все кружки, с разных расстояний на стволе, можно обработать раскалыванием по крестообразной схеме на радиальные пластины (как это показано на фиг. 2). Однако во многих случаях исследований достаточно провести химический анализ и сопоставить полученные данные о химических загрязнениях окружающей модельное дерево среды только на образцах, выколотых из кружка древесины на высоте 1,3 м. При полном физико-химическом анализе изучаются все кружки со ствола дерева, так как таких опытов, кроме наших, мы еще в научно-технической литературе не находили, то есть модельное дерево из лесной таксации нами применяется и для анализа по предлагаемому анализу на различные физико-химические загрязнения.

Кружок древесины раскалывают, например с использованием длинного ножа бесстружечного резания на радиальные пластины по геодезическим направлениям (север - юг, запад - восток) так, чтобы по осям кружка образовались пластины толщиной приблизительно 20 мм. Для сырой древесины принимается допуск на усушку, а при необходимости доведения образцов до строгой геометрической формы параллелепипеда (например, последующим строганием, шлифованием после раскалывания) учитывается еще и допуск на механическую обработку.

Затем на каждой радиальной пластине (фиг. 3) измеряют структуру годичных слоев по радиусу ствола, наносят линии и раскалывают на образцы прямоугольного сечения приблизительно 20 х 20 мм с измерением числа годичных слоев, находящихся в каждом образце. При этом линию раскола намечают по ранней зоне годичного слоя.

При необходимости до расколки на радиальные пластины и прямоугольные образцы кружок древесины подвергают механической обработке по торцам (для повышения точности образцов и качества их поверхностей).

После выкалывания радиальных пластин и образцов из кружка образуются: центральный образец 1, включающий сердцевинную древесину, средние образцы 2 и периферийные образцы 3, а также сектора 4. При этом периферийные образцы могут иметь различную толщину по радиусу, а также закругленную поверхность на одной стороне. Толщина периферийного образца 3 по радиусу зависит от радиуса ствола R и радиусов выкалываемых образцов R₁ (центральный), R₂,..., R₇ (в общем случае различное число).

На периферийном образце измеряют прирост древесины (например, за последние 10 лет), которая является важнейшим таксационным показателем.

Центральный 1 и средние 2 образцы получают прямоугольное сечение с ориентировочным размером приблизительно 20 х 20 мм.

Далее испытание древесины на измерение физико-химических свойств выполняют по известному способу (прототипу) с некоторыми изменениями.

Вышеуказанные действия выполняют после выпиливания кружков в камеральных условиях на влажной древесине. Это исключает растрескивание кружка и позволяет получать образцы без трещин. После этого выколотые образцы кондиционируют до равновесной влажности, измеряют плотность и другие физико-механические и акустические свойства. Затем образцы высушивают в специальных шкафах до абсолютного сухого состояния, снова измеряют физико-механические и акустические свойства, а затем сухие образцы подвергают озолению и анализу на содержание химических элементов.

Способ испытания древесины растущих деревьев на загрязнения реализуется, например, следующим образом.

Модельное дерево измеряют по высоте, наклону ствола относительно вертикали (необходимо для сопоставления радиальных пластин) в соответствующую сторону для геодезической привязки к сторонам света, а также форму кроны, наличие внешних пороков и другие таксационные показатели. Кроме того, определяют площадь места произрастания модельного дерева, а также основные таксационные показатели окружающих его деревьев с целью последующего сопоставления при анализе экологического состояния данного лесного массива. Для этого также выписывают из данных лесоустройства значения таксационных показателей по всему участку леса.

Модельное дерево валят, обрубают сучья и ствол разделывают на части так, чтобы выпилить на соответствующих расстояниях кружки толщиной не менее 100 мм. При этом замеряют параметры годичных слоев, указывают границу заболонной и центральной зоны сечения ствола по заметному различию во влажности. Затем с пня выпиливают кружок древесины на уровне корневой шейки дерева.

Кружок древесины, выпиленный на уровне 1,3 м (аналогично возможно выполнить при полной программе исследований и на кружках, взятых с других высот), раскалывают на радиальные пластины, которые ориентируются по геодезическим направлениям "север - юг" и "запад - восток". До раскалывания измеряют макроструктурные параметры годичных слоев древесины. Затем на радиальных пластинах размечают линии будущих расколов так, чтобы центральный образец 1 был симметричен относительно сердцевины и включал бы ее. Средние образцы 2 раскалывают по радиусу от центрального образца так, чтобы линии раскола находились в ранней зоне годичного слоя древесины, а толщина образцов была приблизительно 20 мм.

Постадийно от центра средние образцы 2 выкалывают до тех пор, пока не останется периферийный образец 3, включающий в себя прирост за последние 10 лет, а также одной из сторон стал участок цилиндрической поверхности ствола. Этот порядок важен, так как центральная часть должна быть достаточной для химического анализа после озоления. Из-за того что чаще всего ядро дерева имеет гниль, выход золы из центрального образца иногда бывает недостаточным. А вот из периферии, где всегда свежая древесина, снижение сечения образца не оказывает существенного влияния на выход золы после сжигания древесины.

Учет годичных слоев на кружке и на образцах древесины позволяет в последующем определить динамику изменения физико-химических показателей в зависимости от возраста модельного дерева, а также выявить экологический режим на химические загрязнения приблизительно по десятилетиям. Образец 3 будет характеризовать экологическое состояние модельного дерева, соответственно его места произрастания. По нескольким модельным деревьям происходит оценка экологического режима и экологического состояния всей изучаемой площади лесного массива.

При необходимости, например для получения сопоставительных данных с техническим древесиноведением, то есть для деревообработки, кружок древесины подвергают механической обработке по торцам, а образцы доводят до прямоугольной формы стандартного сечения 20 х 20 мм. Однако и без обработки формы с соответствующей контактной поверхностью возможно определение акустических показателей древесины, а погрешность размеров при определении объема образца уменьшается с использованием метода вытеснения. Таким образом, без применения трудоемких операций механической обработки образцов с использованием ультразвуковых и иных методов возможно сопоставление с требованиями деревообрабатывающих производств, а также провести сертификацию ценной древесины, например экспортной продукции из древесины.

После кондиционирования до равновесной влажности образцы подвергают физико-механическим, акустическим и иным испытаниям. Аналогично поступают и после сушки в термошкафах, например подвергают механическим испытаниям (после доводки образцов механической обработкой до стандартного сечения). Затем образцы подвергают озолению и последующему химическому анализу.

Предлагаемый способ в два раза сокращает количество кружков, так как потребуется вместо двух партий (по прототипу) только одна партия кружков. Кроме того, существенно повышается информационная ценность испытания древесины из-за комплексности физико-химических измерений. В перспективе ожидается оперативную экспертизу, например в экстренных случаях, проводить только по радиальным пластинам из кружка древесины, выпиленного на высоте 1,3 м.

Комплексность испытания на множество показателей структуры, свойств и качества древесины растущих деревьев позволяет изучить экологический режим и экологическое состояние лесного ландшафта, а замена сегментов и секторов на образцы прямоугольной формы повышает точность сопоставления физико-механических и химических показателей древесины, причем также и при сопоставлении с показателями древесины по известным классическим способам испытаний технической древесины.

Формула изобретения

1. Способ испытания древесины растущих деревьев, включающий закладку пробной площади в лесном массиве, выбор модельных деревьев, валку модельного дерева, выпиливание кружков на расстоянии 1, 1,3, 3, 5 м, а далее через каждые два метра вплоть до вершины, анализ хода роста на невысушенных кружках, взятие образцов из кружка, химический анализ на образцах, отличающийся тем, что на невысушенном кружке до взятия образцов измеряют макроструктуру годичных слоев древесины по радиусу ствола, наносят линии и раскалывают кружок по четырем геодезическим направлениям (север - юг, запад - восток) так, чтобы по осям геодезических координат модельного дерева образовались радиальные пластины, каждую радиальную пластину раскалывают на образцы приближенно прямоугольной формы, начиная счет от центрального образца, включающего сердцевину ствола: выколотые центральный, средние и периферийные образцы кондиционируют до равновесной влажности, измеряют плотность и другие физико-механические свойства, затем высушивают их до абсолютно сухого состояния и после повторных измерений физико-механических свойств, сухие образцы подвергают озолению и анализу на содержание химических элементов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпиливание кружков на расстояниях начинают с корневой шейки ствола дерева, а толщину кружков принимают не менее 100 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что раскалывание на радиальные пластины и образцы приближенно прямоугольной формы выполняют на кружке древесины, выпиленном на расстоянии 1,3 м, причем из радиальных пластин выкалывают образцы сечением приблизительно 20 х 20 мм.

4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что торцы кружка древесины для повышения качества поверхности обрабатывают фрезерованием и шлифовкой, а боковые поверхности образцов доводят до прямоугольной формы строганием и шлифовкой.

5. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что до раскалывания пластин и образцов на поверхности торца древесины наносят линии мест раскола, причем выколку образцов намечают по ранней зоне годичного слоя с измерением числа годичных слоев в каждом образце.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что до валки модельного дерева измеряют таксационные показатели модельного дерева и окружающих его деревьев.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что по показателям центрального и средних образцов древесины определяют динамику экологического режима, а по периферийным образцам оценивают экологическое состояние модельного дерева и опытной площади лесного массива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4