Способ испытания древесины и коры растущих деревьев

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. Способ включает измерение макроструктуры годичных слоев древесины по радиусу ствола на невысушенном кружке до взятия образцов, нанесение линий и раскалывание кружка по четырем геодезическим направлениям. После взятия кружка на нем отмечают границу водопроводящего слоя, отделяют от древесины кору и соскабливают камбиальный слой, затем периферийные образцы древесины выкалывают в зоне между границей водопроводящего слоя и камбиального слоя, а кору расслаивают по крайней мере на два образца. Способ позволяет повысить точность сопоставления физико-механических и химических показателей древесины и коры и обеспечить комплексность испытаний древесины. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к физико-химическому анализу различных видов загрязнения ландшафтов с наличием деревьев 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 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, валку и раскряжевку модельного дерева.

Размер пробной площади составляет 0,20-0,25 га, количество равномерно расположенных деревьев должно быть 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, выполняется перечет (по породам) и измерение диаметра деревьев на высоте 1,3 м от корневой шейки по двухсантиметровым ступеням толщины в двух направлениях. Вычисляют также 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 на временной пробной площадке выбирают на самой площади, а при постоянной пробной площади модельные деревья выбирают вне пробной площади. Затем модельное дерево спиливают у самого основания, то есть около корневой шейки, измеряют длину, определяют по годичным кольцам на комле или на пне возраст, из ствола выпиливают две серии спилов-кружков на расстоянии 1 м, 1,3 м, 3 м, 5 м и т.д. через каждые два метра (при длине дерева менее 15 м через 1 м) вплоть до вершины. Толщину кружков изменяют в зависимости от толщины ствола дерева с таким расчетом, чтобы самые верхние отрезки ствола имели массу не менее 50 г (что необходимо по условиям химического анализа). Обе серии кружков взвешивают. В дальнейшем одна серия кружков служит для анализа хода роста, вторая - для определения химического состава и влажности.

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.

Известен также способ испытания древесины растущих деревьев по патенту №2164025 МКИ G 01 N 33/46, А 01 G 23/00, 23/02, включающий измерение на невысушенном кружке до взятия образцов макроструктуры годичных слоев древесины по радиусу ствола, затем 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, в дальнейшем 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.

Недостатком является отсутствие испытания коры и камбиального слоя, что не позволяет проанализировать изменение содержания химических веществ в зависимости от круговорота веществ в дереве, то есть не учитывается отложение минеральных веществ при подъеме воды от корней к листве, ассимилятов как продуктов фотосинтеза при опускании по камбиальному слою. При этом нет возможности сопоставлять содержание химических веществ в различных слоях коры и водопроводящем слое заболонной части ствола дерева.

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

Этот технический результат достигается тем, что способ испытания древесины и коры растущих деревьев происходит таким образом: 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, в дальнейшем выколотые центральный, средние и периферийные образцы кондиционируют до равновесия 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, отличающийся тем, что после взятия кружка на нем отмечают границу водопроводящего слоя, отделяют от древесины кору и соскабливают камбиальный слой, затем периферийные образцы древесины выкалывают в зоне между границей водопроводящего слоя и камбиального слоя, а кору расслаивают по крайней мере на два образца.

При нанесении линий на кружке древесины отмечают середину толщины образцов и измеряют радиусы от центра годичных колец на кружке.

Центральный и средние образцы древесины принимают толщиной и шириной примерно 20 х 20 мм, а толщину периферийных образцов древесины принимают не менее 10 мм.

Толщину периферийных образцов древесины принимают по числу годичных слоев, например, равном пяти.

Расслоение коры на образцы бесформенной ширины выполняют после обработки в автоклаве.

Расслоение коры осины выполняют на четыре образца по видам клеток: 1) слой феллемы; 2) слой феллодермы; 3) внутренний слой вторичной флоэмы; 4) наружный слой вторичной флоэмы.

Для успешного сопоставления физико-механические и ультразвуковые испытания выполняют на образцах древесины и коры поперек волокон в радиальном направлении.

Сущность технического решения заключается в том, что результатами анализа на одном кружке охватывают круговорот химических веществ: во-первых, вверх потоки минеральных веществ по водопроводящему слою за-болони ствола; во-вторых, вниз потоки питательных веществ, получаемых после фотосинтеза, по камбиальному слою.

Сущность технического решения заключается в том, что при испытании нескольких кружков на разных высотах ствола удается определить динамику потоков минеральных веществ (вверх) и ассимилятов (вниз).

Сущность технического решения заключается также в том, что при взятии кружков с корней и ветвей дерева удается выявить весь цикл круговорота веществ, образующийся в момент рубки модельного дерева.

Сущность технического решения заключается также в том, что по радиальным измерениям выявляются закономерности изменения концентрации химических веществ от камбиального слоя к центру годичных колец, а также от камбиального слоя к внешней поверхности коры. В последнем случае удается сопоставлять динамику образования коры с динамикой формирования древесинного тела дерева.

Сущность технического решения заключается также в том, что при измерении содержания химических веществ по геодезическим направлениям появляется возможность оценки влияния пространства места произрастания модельного дерева на изменение минеральных веществ и ассимилятов в зависимости от солнечной освещенности и направления преобладающего ветра.

Сущность технического решения заключается также в том, что при принятии толщины образцов древесины кратным числу годичных слоев появляется возможность оценки экологического режима в прошлом, то есть проводить ретроспективный анализ откладывания химических веществ в омертвевшие клетки древесины.

Положительный эффект достигается тем, что комплексно совмещаются испытания физико-механических свойств (через ультразвуковые показатели) и химических свойств древесины и коры. При одновременном замере влажности древесины и коры появляется возможность идентификации картины круговорота веществ в дереве.

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

На фиг.1 приводится схема сечения ствола дерева, вид на спил после его взятия; на фиг.2 - схема раскроя спила по древесине на образцы сечением около 20×20 мм; на фиг.3 - одна из радиальных пластин крестообразной выколки из кружка древесины, расположенного на высоте 1,3 м с образцами шириной около 20 мм, толщиной равной или более 10 мм и длиной более 100 мм; на фиг.4 - схема взятия образцов древесины с пятью годичными слоями и в виде слоев коры с периферии кружка древесины по одному из геодезических направлений.

Способ испытания древесины и коры растущих деревьев на загрязнения содержит следующие действия.

Во многих случаях исследований достаточно провести химический анализ и сопоставить полученные данные о химическом загрязнении окружающей модельное дерево среды только на образцах, выколотых из кружка 1 древесины с корой 2 на высоте 1,3 м от корневой шейки. На кружке после его взятия сразу же отмечают границу 3 водопроводящего слоя, которая, как правило, не совпадает с зоной заболонной древесины. Граница 4 ядровой древесины, как правило, заметна и после высыхания кружка до равновесной влажности.

От кружка древесины отслаивают кору по камбиальному слою 5.

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 шириной приблизительно 20 мм и толщиной более 10 мм (это позволяет на молодых деревьях получить достаточное количество образцов по радиусу ствола). При этом, для повышения точности анализа, можно раскалывать образцы толщиной, соответствующей некоторому числу годичных слоев, например 5 слоям. Результаты ультразвуковых измерений, как правило, незначительно зависят от размеров поперечного сечения образца. Поэтому переход на толщину образца по числу годичных слоев является вполне оправданным.

Затем на каждой радиальной пластине измеряют структуру годичных слоев по радиусу ствола, наносят линии и раскалывают на образцы прямоугольного сечения приблизительно 20 х 20 мм или 10 х 20 мм с измерением числа годичных слоев, находящихся в каждом образце. При этом линию раскола намечают по ранней зоне годичного слоя. Одновременно отмечают середины 6 образцов по их толщине, по которым от центра годичных колец на спиле измеряют радиусы каждого образца древесины. На образцах отмечают номера, начиная от центрального образца 7, которому присваивается нулевой номер (фиг.3).

Для сравнения с корой особое значение придается образцам 8, находящимся в водопроводящем слое заболони, то есть находящимся между границей 3 и камбиальным слоем 5.

После выкалывания радиальных пластин и образцов из кружка, образуются центральный образец, включающий сердцевинную древесину, средние образцы и периферийные образцы 8, а также сектора. На периферийных образцах, прилегающих к камбиальному слою, измеряют прирост древесины (например, за последние 10 лет), который является одним из важнейших таксационных показателей.

Образцы из коры могут иметь произвольную форму, так как они имеют малую толщину. Чтобы получить достаточную массу для озоления, приходится брать широкие образцы. При этом кора может быть разделена по крайней мере на два слоя (ель, сосна, береза и др.) или на четыре слоя (осина и др.). На фиг.4 приведена схема разделения коры осины на четыре слоя (после пропарки в автоклаве): 1) феллема; 2) феллодерма; 3) внутренний слой вторичной флоэмы; 4) наружный слой вторичной флоэмы. После отслоения коры измеряют у отдельных слоев толщины, которые отсчитываются, начиная от кмабиального слоя.

Камбиальный слой 5 соскабливается со всего кружка или его части по геодезическому направлению. Для проведения озоления этого слоя известными способами необходимо получить 2-5 г клеточного вещества, полученного из тонкого слоя живых древесных клеток.

Далее проводят испытание образцов древесины на изменение физико-химических свойств, причем испытание выполняют по известному способу (прототипу). Затем после сушки до абсолютно-сухого состояния образцы древесины и коры подвергают озолению для определения содержания химических веществ. Испытаниям, например, поперек образцов коры ультразвуковыми измерениями, и последующему озолению подвергаются также и образцы из отдельных слоев коры.

Таким образом, по образцам древесины и образцам коры относительно камбиального слоя можно будет по экспериментальным данным выявлять закономерности изменения содержания химических веществ по древесине и по коре (по отношению к сухой массе).

Способ испытания древесины и коры растущих деревьев на загрязнения реализуется, например, на модельном дереве, следующим образом.

После выбора в древостое модельное дерево измеряют по высоте, наклону ствола относительно вертикали (необходимо для сопоставления радиальных пластин) в соответствующую сторону для геодезической привязки модельного дерева и его спилов 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 лесного массива. Для этого также выписывают из данных лесоустройства значения таксационных показателей по изучаемому участку леса.

Модельное дерево валят, обрубают сучья, а ствол разделывают на части так, чтобы выпилить на соответствующих расстояниях кружки толщиной не менее 100 мм. Затем с пня выпиливают кружок древесины на уровне корневой шейки дерева.

На кружке 1 древесины, например, выпиленном на уровне 1,3 м, отмечают границу водопроводящего слоя 3, затем отделяют кружок от коры 2, 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 7 был симметричен относительно сердцевины. При этом сердцевина и ядровая древесина могут иметь несколько образцов. На каждой радиальной пластине отмечают середины 6 всех образцов и измеряют радиусы от центра годичных колец на кружке. Средние и периферийные образцы раскалывают по радиусу от центрального образца так, чтобы линии раскола находились в ранней зоне годичного слоя древесины, а толщина образцов была приблизительно равной или более 10 мм.

Чтобы были видны годичные кольца на древесине липы, березы, осины и других пород поверхность кружка предварительно натирают тальком.

Периферийные образцы 8, включающие в себя прирост за последние 10 лет роста модельного дерева по толщине, выкалывают в водопроводящем слое заболони древесины. Поэтому одной из сторон последнего образца станет участок цилиндрической поверхности ствола около камбиального слоя.

До выкалывания образцов с периферии соскабливают камбиальный слой 5 для получения одной навески для последующего озоления и химического анализа.

Нанесение линии границы водопроводящего слоя выполняют карандашом или шариковой ручкой непосредственно в лесу сразу же после выпиливания кружка. Одновременно отмечают северное направление на кружке древесины. На образцах коры также наносят отметки о геодезических направлениях.

Действия по изготовлению образцов древесины выполняют в камеральных условиях до достижения равновесной воздушно-комнатной влажности у древесины. Это позволяет исключить растрескивание кружка и позволяет получать образцы древесины без заметных 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 абсолютно сухого состояния, снова измеряют физико-механические и акустические свойства, а затем сухие образцы подвергают озолению и анализу на содержание химических элементов.

Учет годичных колец на кружке и на отдельных образцах древесины позволяет в последующем определить динамику изменения физико-механических и акустических показателей древесины в зависимости от возраста модельного дерева, а также выявить экологический режим на химические загрязнения, например, по десятилетиям. По нескольким модельным деревьям происходит оценка экологического режима и экологического состояния всей изучаемой площади лесного массива.

Образцы из коры 2 изготовляют в камеральных условиях. Для этого кора может подвергаться обработке в автоклаве, после чего кора, например осины, разделяется на четыре слоя. У большинства пород древесины кора разделяется на два слоя.

После кондиционирования до равновесной влажности образцы коры также подвергают физико-механическим и акустическим испытаниям. Аналогично поступают и после сушки в термошкафах. Затем образцы подвергают озолению и химическому анализу.

Для успешного сопоставления физико-механические и ультразвуковые испытания выполняют на образцах древесины и коры преимущественно поперек волокон в радиальном направлении.

Комплексность испытания на множество показателей структуры, свойств и качества древесины и коры растущих деревьев позволяет изучить экологический режим и экологическое состояние лесного ландшафта, Замена сегментов и секторов на образцы прямоугольной формы повышает точность сопоставления физико-механических и химических показателей древесины, применение ультразвуковых измерений позволяет применять образцы, по форме значительно отклоняющиеся от параллелепипеда.

При применении предлагаемого способа появляется возможность количественного исследования круговорота химических веществ в модельном дереве за счет одновременного испытания образцов, полученных из древесины и коры.

1. Способ испытания древесины и коры растущих деревьев, в котором на невысушенном кружке до взятия образцов измеряют макроструктуру годичных слоев древесины по радиусу ствола, наносят линии и раскалывают кружок по четырем геодезическим направлениям 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, в дальнейшем выколотые центральный, средние и периферийные образцы кондиционируют до равновесия влажности, измеряют плотность и твердость, затем высушивают их до абсолютно сухого состояния и после повторных измерений физико-механических свойств сухие образцы подвергают озолению и анализу на содержание химических элементов, отличающийся тем, что после взятия кружка на нем отмечают границу водопроводящего слоя, отделяют от древесины кору и соскабливают камбиальный слой, затем периферийные образцы древесины выкалывают в зоне между границей водопроводящего слоя и камбиального слоя, а кору расслаивают по крайней мере на два образца.

2. Способ испытания древесины и коры растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что при нанесении линий на кружке древесины отмечают середину толщины образцов и измеряют радиусы от центра годичных колец на кружке.

3. Способ испытания древесины и коры растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что центральный и средние образцы древесины принимают толщиной и шириной примерно 20×20 мм, а толщину периферийных образцов древесины принимают не менее 10 мм.

4. Способ испытания древесины и коры растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что толщину периферийных образцов древесины принимают по числу годичных слоев, например равном пяти.

5. Способ испытания древесины и коры растущих деревьев по п.1 или 3, отличающийся тем, что расслоение коры на образцы бесформенной ширины выполняют после обработки в автоклаве.

6. Способ испытания древесины и коры растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что расслоение коры осины выполняют на четыре образца по видам клеток: 1) слой феллемы, 2) слой феллодермы, 3) внутренний слой вторичной флоэмы, 4) наружный слой вторичной флоэмы.

7. Способ испытания древесины и коры растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что для успешного сопоставления физико-механические и ультразвуковые испытания выполняют на образцах древесины и коры поперек волокон в радиальном направлении.