Способ испытания древесины на содержание химических элементов
Владельцы патента RU 2290638:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Марийский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к физико-химическому анализу различных видов загрязнений ландшафтов и может быть использовано в инженерной экологии, лесном и сельском хозяйствах. Способ включает измерение макроструктуры годичных слоев древесины по радиусу ствола до взятия образцов на невысушенных кружках из ствола дерева, нанесение линий и раскалывание кружков по четырем геодезическим направлениям. Далее раскалывают каждую радиальную пластину на образцы приближенно прямоугольной формы, начиная счет от центрального образца. Дополнительно выполняют взятие кружков из ствола кроме высоты 1,3 м, а также из крупных ветвей и крупных корней, взятие образцов в виде проб для химического анализа из мелких корней, мелких веток и листвы от модельного дерева. Сопоставляют результаты их озоления и химического анализа, по высоте каждого модельного дерева до его валки, с результатами озоления и химического анализа древесины периферийных образцов, взятых в виде кружков на различных высотах ствола, а также крупных ветвей и крупных корней. Выявляют статистические закономерности распределения химических элементов и их групп. Способ позволяет повысить точность сопоставления содержания химических элементов по высоте растущего дерева. 7 з.п. ф-лы, 8 табл.
Изобретение относится к физико-химическому анализу различных видов загрязнения ландшафтов с наличием деревьев и древесной растительности и может быть использовано в инженерной экологии, лесной отрасли, лесном и сельском хозяйствах, а также в системах экологического мониторинга различных отраслей природопользования и охраны окружающей среды. С учетом физиологических и морфологических взаимосвязей через химические свойства структурных элементов модельных деревьев предлагаемое изобретение может быть использовано в лесоводстве, лесозащите и лесных 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 каждого 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 2-сантиметровым ступеням толщины в 2-х 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 ствола определяют высоту среднего модельного дерева. Модельное дерево на временной пробной площади 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 древесины.
Для химического анализа используют секторные образцы. Недостатком является то, что секторные образцы образуются сложной формы. Поэтому до химического анализа невозможно проводить различные измерения по физико-химическим 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 растущего дерева 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 радиусам 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. После этого каждую радиальную пластину раскалывают на образцы приближенно прямоугольной формы, начиная счет от центрального образца, включающего сердцевину ствола, в дальнейшем выколотые центральные, 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 возможность испытания только стволовой древесины или древесины крупных ветвей и крупных корней. При этом способ не позволяет учитывать результаты химического анализа листвы, мелких веток, мелких корней. Отсутствие данных химического анализа по всему дереву не позволяет проанализировать изменение содержания химических веществ в зависимости от круговорота веществ в растущем дереве, то есть не учитывается отложение минеральных веществ при подъеме воды от корней к листве по водопроводящему слою. При этом нет возможности сопоставлять содержание химических веществ в различных частях дерева по высоте. Кроме того, взятие образцов примерным сечением 20×20 мм по всему радиусу ствола не позволяет выделить водопроводящий слой в заболонной зоне ствола. В итоге сопоставление содержания химических элементов по высоте дерева выполняют так же, как это рекомендуется в аналоге (то есть по книге: Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.Н. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. - Л.: Наука, 1968. - 145 с.), но при этом не учитываются свойства индивидуального дерева, а химический анализ сопоставляется по различным частям деревьев по всем деревьям пробной площади.
Технический результат - повышение комплексности испытания структурных элементов растущего дерева и точности сопоставления содержания химических элементов по высоте растущего дерева.
Этот технический результат достигается тем, что способ испытания древесины на содержание химических элементов, включающий измерение до взятия образцов на невысушенных кружках из ствола дерева макроструктуры годичных слоев древесины по радиусу ствола, нанесение линий и раскалывание кружков по четырем геодезическим направлениям (север - юг, запад - восток) так, чтобы по осям геодезических координат модельного дерева образовались радиальные пластины, раскалывание каждой радиальной пластины на образцы приближенно прямоугольной формы, начиная счет от центрального образца, включающего сердцевину ствола, в дальнейшем кондиционирование выколотых центральных, средних и периферийных образцов до равновесной влажности, измерение плотности и других физико-механических свойств древесины, затем сушку их до абсолютно сухого состояния и, после повторных измерений физико-механических свойств, озоление сухих образцов и анализ на содержание химических элементов, отличается тем, что дополнительно выполняется взятие кружков из ствола кроме высоты 1,3 м, а также из крупных ветвей и крупных корней, кроме того, выполняют взятие образцов в виде проб для химического анализа из мелких корней, мелких веток и листвы от модельного дерева, затем сопоставление результатов их озоления и химического анализа, по высоте каждого модельного дерева до его валки, с результатами озоления и химического анализа древесины периферийных образцов, взятых в виде кружков на различных высотах ствола, а также крупных ветвей и крупных корней, выполняют с выявлением статистических закономерностей распределения химических элементов и их групп.
При взятии периферийных образцов из одного кружка ствола на высоте 1,3 м озоление древесины кружков от крупных корней и крупных ветвей выполняют целиком, без разделения на радиальные пластины и без их раскалывания на сердцевинные, средние и периферийные образцы древесины по геодезическим направлениям.
Результаты озоления и химического анализа образцов и проб учитывают по ходу движения минеральных веществ от мелких корней к листве.
Для сопоставления результатов озоления и химического анализа по высоте каждого модельного дерева до его валки структурные элементы модельного дерева распределяют по следующей простейшей ранговой шкале:
0 - корни мелкие;
1 - корни крупные;
2 - ствол дерева с кружком на высоте 1,3 м;
3 - ветки крупные;
4 - ветки мелкие;
5 - листва (хвоя).
Статистические закономерности содержания химических веществ и их групп в дереве выполняют по формуле:
C=C1+C2,
,
,
где С - содержание химического вещества или группы химических веществ в структурных элементах, то есть в биологических органах, модельного дерева, % на сухое вещество;
C1 - закон гибели, являющийся частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий влияние корневой системы на содержание химических элементов (или их групп) в частях модельного дерева, % на сухое вещество;
С2 - закон аллометрического (показательного) роста, являющийся также частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий влияние кроны на содержание химических элементов (или их групп) в частях модельного дерева, % на сухое вещество;
С0 - содержание химических элементов или их групп в мелких корнях, % на сухое вещество;
r - ранг структурной части или биологического органа модельного органа, r=0, 1, 2, ..., причем r=0 для мелких корней;
a1 - активность спада (гибели) концентрации химического элемента или группы химических элементов с движением минеральных веществ с водой от мелких корней к листве от влияния корней;
а2 - интенсивность спада (гибели) концентрации химического элемента или группы химических элементов с движением минеральных веществ с водой от мелких корней к листве от влияния корней;
a3 - активность роста концентрации химического элемента или группы химических элементов от влияния листвы, при движении минеральных веществ с водой от мелких корней к листве;
a4 - интенсивность роста концентрации химического элемента или группы химических элементов в зависимости от влияния листвы, при движении минеральных веществ с водой от мелких корней к листве.
По соотношению между составляющими статистической закономерности судят об экологическом качестве модельного дерева.
Во множестве химических элементов выполняется ранжирование по убыванию их количественного содержания в листве (хвое) с выявлением статистической закономерности по формуле:
CЛ=C1+C2+C3-C4,
,
,
,
где СЛ - концентрация химических элементов в листве (хвое), % на сухое вещество;
С1 - закон гибели, являющийся частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий изменение содержания всех испытанных химических элементов в листве дерева, % на сухое вещество;
С0 - содержание азота в листве дерева, % на сухое вещество;
С2 - биотехнический закон стрессового возбуждения первых 3-4 по иерархии химических элементов, преимущественно кальция, калия и магния, показывающий приспособляемость деревьев данного вида ко всей популяции измеренных химических элементов, % на сухое вещество;
С3 - биотехнический закон стрессового возбуждения средних по иерархии химических элементов, преимущественно фосфора или марганца, показывающий приспособляемость деревьев данного вида ко всей популяции измеренных химических элементов, % на сухое вещество;
С4 - приспособляемость деревьев данного вида к набору химических элементов в окружающей среде колебательным возмущением с амплитудой 
, % на сухое вещество;
rхэ - ранг распределения химических элементов для данной породы деревьев, rхэ=0, 1, 2, ..., причем rхэ=0 для азота;
a1...a14- параметры статистической закономерности, изменяющиеся для каждого модельного дерева.
Во множестве химических элементов выделяется кремний, по содержанию которого в химической дендрохронологии оценивается эволюционный возраст каждого вида испытуемых модельных деревьев и древесных растений.
Сущность технического решения заключается в том, что химические элементы (не менее 10 видов) рассматриваются как члены некой популяции, к которой приспосабливается данное дерево в ходе своего роста и развития.
Сущность технического решения заключается в том, что множество химических элементов в почве различно. Поэтому растущее дерево приспосабливается к окружающей среде через отклик на содержание важнейших элементов (азот, калий, кальций и магний), а к содержанию некоторых других химических элементов приспосабливается по биотехническому закону и колебательным возмущением приспосабливается к питательным веществам из окружающей среды.
Положительный эффект достигается тем, что по распределению концентрации химических элементов в различных органах модельного дерева появляется возможность оценки не только экологической обстановки в течение жизни (до момента валки), но и жизни этого дерева как биологического вида. В последнем случае изучаются закономерности иерархического распределения химических элементов в листве (хвое).
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.
Способ испытания древесины на содержание химических элементов в дереве или их совокупности содержит следующие действия.
Во многих случаях исследований достаточно провести химический анализ по пробам из листвы, мелких веток, мелких корней, а также взятием кружков из крупных ветвей и крупных корней. Из ствола на высоте 1,3 м берется кружок, разделяется на радиальные пластины и образцы древесины: центральные, средние и периферийные. В общем случае кружки из крупных ветвей и корней также разделяют на пластины и образцы древесины, а со ствола берут кружки на нескольких высотах. Это позволяет более точно выявлять статистические закономерности.
В обоих случаях 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. При этом для химического анализа достаточно брать периферийные образцы древесины.
Далее проводят испытание периферийных образцов древесины на изменение физико-химических свойств, причем испытание выполняют по известному способу (прототипу). Затем после сушки до абсолютно сухого состояния периферийные образцы древесины подвергают озолению для определения содержания химических элементов.
Таким образом, дополнительно выполняется взятие кружков из ствола кроме высоты 1,3 м, а также из крупных ветвей и крупных корней, кроме того, выполняют взятие образцов в виде проб для химического анализа из мелких корней, мелких веток и листвы от модельного дерева, затем сопоставление результатов их озоления и химического анализа, по высоте каждого модельного дерева до его валки, с результатами озоления и химического анализа древесины периферийных образцов, взятых в виде кружков на различных высотах ствола, а также крупных ветвей и крупных корней, выполняют с выявлением статистических закономерностей распределения химических элементов и их групп.
При взятии периферийных образцов из одного кружка ствола на высоте 1,3 м озоление древесины кружков от крупных корней и крупных ветвей выполняют целиком, без разделения на радиальные пластины и без их раскалывания на сердцевинные, средние и периферийные образцы древесины по геодезическим направлениям.
Результаты озоления и химического анализа образцов и проб учитывают по ходу движения минеральных веществ от мелких корней к листве.
Для сопоставления результатов озоления и химического анализа по высоте каждого модельного дерева до его валки структурные элементы модельного дерева распределяют по следующей простейшей ранговой шкале:
0 - корни мелкие;
1 - корни крупные;
2 - ствол дерева с кружком на высоте 1,3 м;
3 - ветки крупные;
4 - ветки мелкие;
5 - листва (хвоя).
Статистические закономерности содержания химических веществ и их групп в дереве выполняют по формуле:
C=C1+C2,
,
,
где С - содержание химического вещества или группы химических веществ в структурных элементах, то есть в биологических органах, модельного дерева, % на сухое вещество;
С1 - закон гибели, являющийся частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий влияние корневой системы на содержание химических элементов (или их групп) в частях модельного дерева, % на сухое вещество;
С2 - закон аллометрического (показательного) роста, являющийся также частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий влияние кроны на содержание химических элементов (или их групп) в частях модельного дерева, % на сухое вещество;
С0 - содержание химических элементов или их групп в мелких корнях, % на сухое вещество;
r - ранг структурной части или биологического органа модельного органа, r=0, 1, 2, ..., причем r=0 для мелких корней;
а1 - активность спада (гибели) концентрации химического элемента или группы химических элементов с движением минеральных веществ с водой от мелких корней к листве от влияния корней;
а2 - интенсивность спада (гибели) концентрации химического элемента или группы химических элементов с движением минеральных веществ с водой от мелких корней к листве от влияния корней;
a3 - активность роста концентрации химического элемента или группы химических элементов от влияния листвы, при движении минеральных веществ с водой от мелких корней к листве;
a4 - интенсивность роста концентрации химического элемента или группы химических элементов в зависимости от влияния листвы, при движении минеральных веществ с водой от мелких корней к листве.
По соотношению между составляющими статистической закономерности судят об экологическом качестве модельного дерева.
Во множестве химических элементов выполняется ранжирование по убыванию их количественного содержания в листве (хвое) с выявлением статистической закономерности по формуле:
CЛ=C1+C2+C3-C4,
,
,
,
где СЛ - концентрация химических элементов в листве (хвое), % на сухое вещество;
С1 - закон гибели, являющийся частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий изменение содержания всех испытанных химических элементов в листве дерева, % на сухое вещество;
С0 - содержание азота в листве дерева, % на сухое вещество;
С2 - биотехнический закон стрессового возбуждения первых 3-4 по иерархии химических элементов, преимущественно кальция, калия и магния, показывающий приспособляемость деревьев данного вида ко всей популяции измеренных химических элементов, % на сухое вещество;
С3 - биотехнический закон стрессового возбуждения средних по иерархии химических элементов, преимущественно фосфора или марганца, показывающий приспособляемость деревьев данного вида ко всей популяции измеренных химических элементов, % на сухое вещество;
С4 - приспособляемость деревьев данного вида к набору химических элементов в окружающей среде колебательным возмущением с амплитудой 
, % на сухое вещество;
rхэ - ранг распределения химических элементов для данной породы деревьев, rхэ=0, 1, 2, ..., причем rхэ=0 для азота;
а1...а14 - параметры статистической закономерности, изменяющиеся для каждого модельного дерева.
Во множестве химических элементов выделяется кремний, по содержанию которого в химической дендрохронологии оценивается эволюционный возраст каждого вида испытуемых модельных деревьев и древесных растений.
Способ испытания древесины на содержание химических элементов в растущем дереве 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 определяют 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 древесины, например, выпиленном на уровне 1,3 м, отмечают границу водопроводящего слоя, затем отделяют кружок от коры, 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 был симметричен относительно сердцевины. При этом сердцевина и ядровая древесина могут иметь несколько образцов. На каждой радиальной пластине отмечают середины 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.
Из кружков древесины берут периферийные образцы. Одновременно берут пробы листвы, мелких корней, а также цельные кружки из крупных ветвей и крупных корней.
Периферийные образцы, 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.
Отсюда следует, что по сравнению с прототипом дополнительно выполняется взятие кружков из ствола кроме высоты 1,3 м, а также из крупных ветвей и крупных корней. Кроме того, выполняют взятие образцов в виде проб для химического анализа из мелких корней, мелких веток и листвы от модельного дерева, затем выполняют сопоставление результатов их озоления и химического анализа с результатами озоления и химического анализа древесины периферийных образцов, взятых в виде кружков на различных высотах ствола, а также крупных ветвей и крупных корней, выполняют с выявлением статистических закономерностей распределения химических элементов и их групп.
По множеству модельных деревьев определяют средние значения содержания химических элементов в древесине всего древостоя.
При взятии периферийных образцов из одного кружка ствола на высоте 1,3 м озоление древесины кружков от крупных корней и крупных ветвей выполняют целиком, без разделения на радиальные пластины и без их раскалывания на сердцевинные, средние и периферийные образцы древесины по геодезическим направлениям.
Результаты озоления и химического анализа образцов и проб учитывают по ходу движения минеральных веществ от мелких корней к листве.
Для сопоставления результатов озоления и химического анализа по высоте каждого модельного дерева до его валки структурные элементы модельного дерева распределяют по следующей простейшей ранговой шкале:
0 - корни мелкие;
1 - корни крупные;
2 - ствол дерева с кружком на высоте 1,3 м;
3 - ветки крупные;
4 - ветки мелкие;
5 - листва (хвоя).
Статистические закономерности содержания химических веществ и их групп в дереве выполняют по формуле:
C=C1+C2,
,
,
где С - содержание химического вещества или группы химических веществ в структурных элементах, то есть в биологических органах, модельного дерева, % на сухое вещество;
С1 - закон гибели, являющийся частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий влияние корневой системы на содержание химических элементов (или их групп) в частях модельного дерева, % на сухое вещество;
С2 - закон аллометрического (показательного) роста, являющийся также частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий влияние кроны на содержание химических элементов (или их групп) в частях модельного дерева, % на сухое вещество;
С0 - содержание химических элементов или их групп в мелких корнях, % на сухое вещество;
r - ранг структурной части или биологического органа модельного органа, r=0, 1, 2, ..., причем r=0 для мелких корней;
a1 - активность спада (гибели) концентрации химического элемента или группы химических элементов с движением минеральных веществ с водой от мелких корней к листве от влияния корней;
а2 - интенсивность спада (гибели) концентрации химического элемента или группы химических элементов с движением минеральных веществ с водой от мелких корней к листве от влияния корней;
a3 - активность роста концентрации химического элемента или группы химических элементов от влияния листвы, при движении минеральных веществ с водой от мелких корней к листве;
a4 - интенсивность роста концентрации химического элемента или группы химических элементов в зависимости от влияния листвы, при движении минеральных веществ с водой от мелких корней к листве.
По соотношению между составляющими статистической закономерности судят об экологическом качестве модельного дерева.
Во множестве химических элементов выполняется ранжирование по убыванию их количественного содержания в листве (хвое) с выявлением статистической закономерности по формуле:
CЛ=C1+C2+C3-C4,
,
,
,
где СЛ - концентрация химических элементов в листве (хвое), % на сухое вещество;
С1 - закон гибели, являющийся частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий изменение содержания всех испытанных химических элементов в листве дерева, % на сухое вещество;
С0 - содержание азота в листве дерева, % на сухое вещество;
С2 - биотехнический закон стрессового возбуждения первых 3-4 по иерархии химических элементов, преимущественно кальция, калия и магния, показывающий приспособляемость деревьев данного вида ко всей популяции измеренных химических элементов, % на сухое вещество;
С3 - биотехнический закон стрессового возбуждения средних по иерархии химических элементов, преимущественно фосфора или марганца, показывающий приспособляемость деревьев данного вида ко всей популяции измеренных химических элементов, % на сухое вещество;
С4 - приспособляемость деревьев данного вида к набору химических элементов в окружающей среде колебательным возмущением с амплитудой , % на сухое вещество;
rхэ - ранг распределения химических элементов для данной породы деревьев, rхэ=0, 1, 2, ..., причем rхэ=0 для азота;
а1...а14 - параметры статистической закономерности, изменяющиеся для каждого модельного дерева.
Во множестве химических элементов выделяется кремний, по содержанию которого в химической дендрохронологии оценивается эволюционный возраст каждого вида испытуемых модельных деревьев и древесных растений.
Примеры. Результаты статистического моделирования приведены по экспериментальным данным, взятым из аналога (деревья на всех пробных площадках в среднем).
В основе всех процессов жизнедеятельности, происходящих в дереве и его частях, лежат различные химические элементы. Распределение химических элементов может быть рассмотрено относительно дерева по его высоте. При этом за начало можно принять верхушку растения или волоски корней. Вычислительные эксперименты показали, что по принципу «снизу вверх» модели точнее почти в 10 раз, чем уравнения по закономерности «сверху вниз». Поэтому ранговую шкалу принимаем по стремлению дерева к свету Солнца.
Содержание химических элементов в тех или иных органах дерева было принято по данным книги (Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. - Л.: Наука, 1968. - 145 с.).
Нами предлагается следующая ранговая шкала частей дерева:
0 - корни мелкие;
1 - корни крупные;
2 - ствол;
3 - ветки крупные;
4 - ветки мелкие;
5 - листва, хвоя.
Эти ранги располагаются по направлению потока минеральных веществ, необходимых для образования продуктов ассимиляции. Поэтому нулевой ранг получают мелкие корни. Остальные части дерева будем принимать за потребителей этих минеральных веществ, направляющихся к другим органам через древесинное тело. Причем листья или хвоя наиболее удалены по высоте от мелких корней.
Такая шестизначная шкала оказалась вполне достаточной для статистического моделирования данных распределения химических элементов в сухой массе частей дерева. Далее модели приведены по ели и березе, причем по всем учтенным экспериментами химическим элементам.
Ель. Содержание всех веществ без азота (% на сухое растение) определяется зависимостью (табл.1):
| Таблица 1 Содержание химических веществ (без азота) в дереве ели, % на сухое вещество | |||||||
| Часть дерева | Ранг r | Факт  | Расчетные значения (1) | Составляющие (1) | |||
| С | ε | Δ, % | С1 | С2 | |||
| Корни мелкие Корни крупные Ствол Ветки крупные Ветки мелкие Хвоя | 0 1 2 3 4 5 | 1.29 0.79 0.37 0.79 1.44 2.34 | 1.29 0.79 0.37 0.78 1.45 2.34 | -8.1е-8 4.2е-6 -2.0е-5 0.007 -0.009 0.003 | -0.00 0.00 -0.01 0.89 -0.63 0.13 | 1.29 0.72 0.04 0.00 0.00 0.00 | 0.00 0.07 0.33 0.78 1.45 2.34 |
Сразу же отметим, что все закономерности распределения химических элементов по частям дерева аналогичны приведенной конструкции. Поэтому можно будет дать таблицу значений эмпирических коэффициентов. Однако в этом случае сокращается содержательное описание двух процессов, из которых состоит общий процесс распределения химических элементов по дереву (на момент исследования).
Первая составляющая формулы (1) показывает долю влияния корневой системы на содержание химических элементов, а вторая - листвы или хвои. Поэтому в растущем дереве располагаются два центра притяжения химических веществ - листва (хвоя) и мелкие корни.
В табл.2 приведено общее содержание химических элементов в различных частях дерева ели по формуле:
| Таблица 2 Содержание всех химических веществ в дереве ели, % на сухое вещество | |||||||
| Часть дерева | Ранг r | Факт  | Расчетные значения (2) | Составляющие (2) | |||
| С | ε | Δ, % | С1 | С2 | |||
| Корни мелкие Корни крупные Ствол Ветки крупные Ветки мелкие Хвоя | 0 1 2 3 4 5 | 2.00 1.08 0.48 1.10 2.02 3.35 | 2.00 1.08 0.48 1.08 2.04 3.34 | -2.1е-6 6.6е-6 -0.000 0.018 -0.022 0.008 | -0.00 0.00 -0.02 1.64 -1.09 0.24 | 2.00 0.98 0.04 0.00 0.00 0.00 | 0.00 0.10 0.44 1.08 2.04 3.34 |
По химическим элементам значения параметров формулы распределения по частям дерева ели приведены в табл.3.
| Таблица 3 Содержание химических элементов в дереве ели, % на сухое вещество | |||||||
| Химический Элемент | Обозначение | Параметры статистической модели | Погрешность Δ, % | ||||
| С0 | a1 | a2 | a3 | a4 | |||
| Азот | N | 0.7100 | 0.9366 | 8.5733 | 0.02172 | 2.3835 | 3.87 |
| Кремний | Si | 0.04012 | 0.2977 | 2.1516 | 4.3733е-7 | 8.4090 | 38.08 |
| Кальций | Са | 0.5300 | 0.6339 | 6.3590 | 0.1088 | 1.1919 | 22.08 |
| Калий | К | 0.2009 | 0.2692 | 2.7222 | 0.005597 | 2.9730 | 34.27 |
| Магний | Mg | 0.05285 | 0.5579 | 1.2199 | 0.001918 | 2.5293 | 60.80 |
| Фосфор | Р | 0.1100 | 1.1577 | 17.6062 | 0.005440 | 2.0461 | 28.75 |
| Алюминий | Al | 0.1919 | 1.2815 | 1.2452 | 0.006275 | 2.1445 | 84.57 |
| Железо | Fe | 0.02052 | 1.1893 | 1 | 0.0002854 | 2.2390 | ∞ |
| Марганец | Mn | 0.03031 | 0.6132 | 1 | 0.0005959 | 2.9161 | 33.89 |
| Сера | S | 0.1102 | 1.2979 | 1 | 0.008954 | 1.7025 | 6.59 |
В общем виде искомая закономерность запишется так:
где С0 - концентрация химического элемента в мелких корнях, %; а1 - активность гибели естественной закономерности поднятия химических элементов до листьев или хвои; а2 - интенсивность снижения концентрации вещества по высоте дерева; a3 - активность дерева по аллометричскому росту содержания химического элемента; а4 - интенсивность роста биотехнического возбуждения дерева по «созданию» данного химического элемента.
Таким образом, мы в некоторой степени все-таки придерживаемся концепции, согласно которой растения могут быть «алхимиками» и могут создавать необходимые для себя химические элементы. Иначе невозможно объяснить тот факт, что в дереве находится столь много химического вещества: более чем тридцатой части сухой массы листьев или хвои дерева невозможно взять только из микроэлементов почвы.
Бесконечность относительной ошибки появляется из-за нулевого фактического значения изучаемого показателя. Максимальная относительная погрешность появляется в стволе дерева. Это, по-видимому, связано с влиянием древесинного тела. Если удастся вычленить ее постоянное влияние как прошлого запаса, то, как уже отмечали в предыдущих главах, концентрация древесного сока может оказаться постоянной на всей длине ствола. Этот факт также означает, что закономерность распределения химических элементов по образующей ствола может и не существовать.
Береза. Здесь крупные ветви не изучались. Поэтому третий ранг из списка частей дерева выпадает. Для всех химических веществ (без учета азота) получена формула (табл.4):
| Таблица 4 Содержание химических веществ (без азота) в дереве березы, % на сухое вещество | |||||||
| Часть дерева | Ранг r | Факт  | Расчетные значения (4) | Составляющие (4) | |||
| С | ε | Δ, % | С1 | С2 | |||
| Корни мелкие | 0 | 1.50 | 1.50 | -0.00 | -0.00 | 1.50 | 0.00 |
| Корни крупные | 1 | 1.00 | 1.00 | 1.1e-16 | 0.00 | 1.00 | 0.00 |
| Ствол | 2 | 0.32 | 0.32 | 5.6e-17 | 0.00 | 0.31 | 0.01 |
| Ветки крупные | 3 | - | - | - | - | 0.05 | 0.13 |
| Ветки мелкие | 4 | 0.80 | 0.80 | -0.00 | -0.00 | 0.00 | 0.80 |
| Хвоя | 5 | 3.18 | 3.18 | 8.9е-16 | 0.00 | 0.00 | 3.18 |
Из данных табл.4 видно, что возможно прогнозировать концентрацию химических элементов. В крупных ветках должно быть 0,18% химических элементов без азота на сухое вещество.
С учетом азота будет уравнение (табл.5):
Для крупных веток прогнозируется концентрация в сухом веществе 0,47% всех химических элементов. При этом оба уравнения имеют практически однозначную закономерность. Сопоставление с елью показывает, что общее содержание химических элементов больше. Это, по нашему мнению, связано с тем, что листья березы являются одногодками, а хвоинки ели живут до 5-7 лет.
| Таблица 5 Содержание химических веществ в дереве березы, % на сухое вещество | |||||||
| Часть дерева | Ранг r | Факт | Расчетные значения (5) | Составляющие (5) | |||
| С | ε | Δ, % | С1 | С2 | |||
| Корни мелкие | 0 | 2.96 | 2.96 | -0.00 | -0.00 | 2.96 | 0.00 |
| Корни крупные | 1 | 1.52 | 1.52 | -2.2е-16 | -0.00 | 1.52 | 0.00 |
| Ствол | 2 | 0.58 | 0.58 | -0.00 | -0.00 | 0.55 | 0.03 |
| Ветки крупные | 3 | - | - | - | - | 0.16 | 0.31 |
| Ветки мелкие | 4 | 1.61 | 1.61 | 6.7е-16 | 0.00 | 0.04 | 1.57 |
| Хвоя | 5 | 5.54 | 5.54 | 2.7е-15 | 0.00 | 0.01 | 5.53 |
Таким образом, статистическая закономерность изменения концентрации химических элементов в сухом веществе дерева, по его высоте снизу вверх от корней к кроне, доказана: все они имеют совместное действие от мелких корней (первая составляющая) и от листвы или хвои (вторая составляющая).
Параметры моделей по каждому химическому элементу (порядок расположения элементов принят по первоисточнику) приведены в табл.6.
Эти уравнения повторяют найденную общую закономерность (3), поэтому сопоставление отдельных химических элементов между собой в дальнейшем возможно проводить по значениям параметров моделей.
| Таблица 6 Содержание химических элементов в дереве березы, % на сухое вещество | |||||||
| Химический элемент | Обозначение | Параметры статистической модели | Погрешность Δ, % | ||||
| С0 | a1 | а2 | a3 | a4 | |||
| Азот | N | 1.4600 | 1.0336 | 0.8120 | 0.0006570 | 5.0780 | 0.00 |
| Кремний | Si | 0.1001 | 0.7110 | 1.9278 | 0.0006864 | 2.2683 | 59.34 |
| Кальций | Са | 0.6000 | 0.3349 | 2.3219 | 0.0007523 | 4.5448 | 0.00 |
| Калий | К | 0.1700 | 0.2683 | 1.7525 | 8.9830е-6 | 7.0229 | 0.00 |
| Магний | Mg | 0.1600 | 0.2878 | 2.2646 | 6.3279е-8 | 10.0501 | 1.90 |
| Фосфор | Р | 0.1100 | 0.7892 | 1.1743 | 0.00003730 | 5.3016 | 0.00 |
| Алюминий | Al | 0.5999 | 0.4056 | 2.1870 | 0.00001039 | 5.7576 | 1.40 |
| Железо | Fe | 0.05528 | 0.01219 | 7.1153 | 0.003979 | 0 | 60.20 |
| Марганец | Mn | 0.04000 | 5.5677 | 1 | 1.7120е-8 | 9.7863 | ∞ |
| Сера | S | 0.07007 | 0.5632 | 1.8164 | 4.5333е-6 | 6.0743 | 3.24 |
| Натрий | Na | 0.06963 | 0.3389 | 5.1714 | 0.001086 | 1.0007 | ∞ |
| Хлор | Cl | 0.07021 | 0.8122 | 1 | 0.00005714 | 4.6165 | 23.80 |
В этом наборе химических элементов у березы появились два новых вещества - натрий и хлор, которых не было в ели. Будем считать, что эти множества достаточно полно характеризуют данный вид дерева. Тогда в дальнейших исследованиях можно применять методы популяционной динамики.
В популяции химических элементов также соблюдается строгая иерархия и поэтому нами далее рассматривается ранговое распределение химических элементов по концентрации в сухом веществе частей дерева. Здесь это распределение необходимо вначале принять по листве и хвое, как наиболее эффективным из всех других органов дерева.
Тогда для ели получилась зависимость (табл.7):
В этой формуле четыре составляющие. Вторая и третья помогают приспособляться популяции из 10 химических элементов к данному виду дерева, который возник 400-450 миллионов лет назад. Третья составляющая показывает медленно нарастающее волновое возмущение «мирового эфира». При этом начало этой волны смещено назад почти на один ранг, то есть впереди азота есть еще какой-то химический элемент (может - водород?), который был характерен для атмосферы Земли.
| Таблица 7 Популяция химических элементов хвои ели, % на сухое вещество | |||||||||
| Химический элемент | Ранг r | Факт | Расчетные значения (6) | Составляющие статистической модели (6) | |||||
| С | Δ, % | С1 | С2 | С3 | а | С4 | |||
| N Са К Si Al Р S Mg Mn Fe | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | 1.01 0.72 0.66 0.33 0.18 0.14 0.13 0.10 0.07 0.01 | 1.01 0.72 0.66 0.33 0.18 0.14 0.12 0.11 0.07 0.01 | 0.02 -0.01 -0.03 0.09 0.56 -2.43 4.23 -5.50 5.29 -13.00 | 1.01 0,71 0.38 0.17 0.06 0.02 0.01 0.00 0.00 0.00 | 0.00 0.01 0.26 0.09 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 | 0.00 0.00 0.02 0.07 0.12 0.14 0.12 0.08 0.05 0.03 | 0.000 0.003 0.007 0.010 0.014 0.017 0.021 0.024 0.027 0.031 | 0.000 -0.001 -0.007 -0.003 0.010 0.015 -0.002 -0.023 -0.018 0.015 |
Наиболее выделяются из общего множества азот, кальций и калий. Эта троица присутствует и в популяции химических элементов березы. Поэтому иерархия здесь не меняется. В этом конечном множестве максимумы расположены (они выделены) таким образом: первой составляющей - это азот, второй составляющей - калий, третьей - это фосфор, а четвертой - марганец. При этом амплитуда колебания нарастает вроде бы незначительно, имея максимум для железа, однако уже эта половина полного размаха колебания сопоставима с алюминия и далее. Таким образом, волновая составляющая как бы расставляет химические вещества по концентрации, а может - наоборот, по рангам.
Для березы получена зависимость рангового распределения концентрации 12 химических элементов по 11 рангам (концентрации натрия и железа совпадают) по формуле (табл.8):
Здесь вторая составляющая приспосабливается резче, а волновое возмущение начинается позже начала процесса распределения.
| Таблица 8 Популяция химических элементов листвы березы, % на сухое вещество | |||||||||
| Химический элемент | Ранг r | Факт | Расчетные значения (7) | Составляющие статистической модели (7) | |||||
| С | Δ, % | С1 | С2 | С3 | а | С4 | |||
| N Са К Mg Р Mn Al Cl S Si Na, Fe | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 2.36 1.13 0.73 0.67 0.19 0.12 0.11 0.10 0.08 0.03 0.01 | 2.36 1.13 0.73 0.67 0.19 0.12 0.11 0.10 0.08 0.03 0.01 | 0.00 0.00 0.01 0.03 -0.37 0.08 1.45 -2.90 3.88 -6.33 7.00 | 2.36 1.13 0.42 1.14 0.04 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 | 0.00 0.00 0.29 0.46 0.05 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 | 0.00 0.00 0.02 0.06 0.10 0.12 0.11 0.09 0.07 0.04 0.03 | 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.013 0.015 0.017 0.019 0.021 | 0.000 0.002 -0.001 -0.006 -0.001 0.010 0.005 -0.012 -0.011 -0.012 0.018 |
Максимальная относительная погрешность иерархического расположения 12 химических элементов не превышает 7%. Это дает возможность сделать надежные методические выводы.
Вначале сопоставим ранжированные ряды химических элементов. Береза возникла 170-180 миллионов лет назад, то есть тогда, когда ель прожила на Земле уже почти триста миллионов лет. В сущности, береза как вид растения живет всего один цикл (176 миллионов лет) вращения Солнечной системы вокруг центра нашей галактики (Млечного пути).
Сопоставление позволило выявить следующие особенности популяций химических элементов ели и березы:
а) троица N, Са, К - постоянна;
б) в ходе эволюции у березы появились Na и Cl;
в) железо у обоих видов дерева находится на последнем месте, а концентрация в сухом веществе одинакова;
г) концентрация кремния Si упала в 11 раз и он сместился с четвертого места на предпоследнее (если даже учесть жизнь хвои продолжительностью 5-7 лет, то все равно остается разница в 1,6-2,2 раза);
д) элементы Al, P, S, Mn сместились в популяции химических элементов, что можно объяснить влиянием сокращения жизненного цикла листьев вместо хвои;
е) магния Mg в листьях стало больше в 6,7 раз, что можно объяснить сокращением 7-летней жизни хвоинок на годичную периодичность листьев (вегетационный сезон).
Особое внимание следует уделить кремнию. По-видимому, в древности кремнийорганических соединений было больше, поэтому мы предлагаем следующий приближенный способ оценки древности древесных растений: чем больше содержание кремния в вегетативных органах, тем древнее изучаемый вид дерева.
Комплексность испытания на множество показателей структуры, свойств и качества древесины, листвы, корней и коры растущих деревьев позволяет изучить экологический режим и экологическое состояние лесного ландшафта. Замена всех крупных кружков на периферийные образцы позволяет снизить трудоемкость озоления и последующего химического анализа. Одновременно повышается точность определения содержания химических элементов в различных органах модельных деревьев. Переход на химический анализ отдельного модельного дерева позволяет выявлять закономерности изменения содержания химических элементов в конкретном биологическом организме и только затем обобщать все модельные деревья с пробной площади.
При применении предлагаемого способа появляется возможность количественного исследования круговорота химических веществ в модельных деревьях за счет одновременного испытания образцов и проб, полученных из древесины, листвы и мелких корней. Распределение химических элементов по древесинному телу дерева позволяет развернуть исследования по химической дендрохронологии.
1. Способ испытания древесины на содержание химических элементов, включающий измерение до взятия образцов на невысушенных кружках из ствола дерева макроструктуры годичных слоев древесины по радиусу ствола, нанесение линий и раскалывание кружков по четырем геодезическим направлениям так, чтобы по осям геодезических координат модельного дерева образовались радиальные пластины, раскалывание каждой радиальной пластины на образцы приближенно прямоугольной формы, начиная счет от центрального образца, включающего сердцевину ствола, в дальнейшем кондиционирование выколотых центральных, средних и периферийных образцов до равновесной влажности, измерение плотности и других физико-механических свойств древесины, затем сушку их до абсолютно сухого состояния и, после повторных измерений физико-механических свойств, озоление сухих образцов и анализ на содержание химических элементов, отличающийся тем, что дополнительно выполняют взятие кружков из ствола, кроме высоты 1,3 м, а также из крупных ветвей и крупных корней, взятие образцов в виде проб для химического анализа из мелких корней, мелких веток и листвы от модельного дерева, затем сопоставление результатов их озоления и химического анализа, по высоте каждого модельного дерева до его валки, с результатами озоления и химического анализа древесины периферийных образцов, взятых в виде кружков на различных высотах ствола, а также крупных ветвей и крупных корней, выполняют с выявлением статистических закономерностей распределения химических элементов и их групп.
2. Способ испытания древесины на содержание химических элементов по п.1, отличающийся тем, что при взятии периферийных образцов из одного кружка ствола на высоте 1,3 м озоление древесины кружков от крупных корней и крупных ветвей выполняют целиком, без разделения на радиальные пластины и без их раскалывания на сердцевинные, средние и периферийные образцы древесины по геодезическим направлениям.
3. Способ испытания древесины на содержание химических элементов по п.1, отличающийся тем, что результаты озоления и химического анализа образцов и проб учитывают по ходу движения минеральных веществ от мелких корней к листве.
4. Способ испытания древесины на содержание химических элементов по п.1, отличающийся тем, что для сопоставления результатов озоления и химического анализа по высоте каждого модельного дерева до его валки структурные элементы модельного дерева распределяют по следующей простейшей ранговой шкале:
0 - корни мелкие;
1 - корни крупные;
2 - ствол дерева с кружком на высоте 1,3 м;
3 - ветки крупные;
4 - ветки мелкие;
5 - листва (хвоя).
5. Способ испытания древесины на содержание химических элементов по п.1, отличающийся тем, что статистические закономерности содержания химических веществ и их групп в дереве выполняют по формуле
C=C1+C2,
где С - содержание химического вещества или группы химических веществ в структурных элементах, то есть в биологических органах, модельного дерева, % на сухое вещество;
C1 - закон гибели, являющийся частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий влияние корневой системы на содержание химических элементов (или их групп) в частях модельного дерева, % на сухое вещество;
С2 - закон аллометрического (показательного) роста, являющийся также частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий влияние кроны на содержание химических элементов (или их групп) в частях модельного дерева, % на сухое вещество;
С0 - содержание химических элементов или их групп в мелких корнях, % на сухое вещество;
r - ранг структурной части или биологического органа модельного органа, r=0, 1, 2, ..., причем r=0 для мелких корней;
а1 - активность спада (гибели) концентрации химического элемента или группы химических элементов с движением минеральных веществ с водой от мелких корней к листве от влияния корней;
а2 - интенсивность спада (гибели) концентрации химического элемента или группы химических элементов с движением минеральных веществ с водой от мелких корней к листве от влияния корней;
а3 - активность роста концентрации химического элемента или группы химических элементов от влияния листвы, при движении минеральных веществ с водой от мелких корней к листве;
а4 - интенсивность роста концентрации химического элемента или группы химических элементов в зависимости от влияния листвы, при движении минеральных веществ с водой от мелких корней к листве.
6. Способ испытания древесины на содержание химических элементов по п.1, отличающийся тем, что по соотношению между составляющими статистической закономерности судят об экологическом качестве модельного дерева.
7. Способ испытания древесины на содержание химических элементов по п.1, отличающийся тем, что во множестве химических элементов выполняется ранжирование по убыванию их количественного содержания в листве (хвое) с выявлением статистической закономерности по формуле:
CЛ=C1+C2+C3-C4,
где СЛ - концентрация химических элементов в листве (хвое), % на сухое вещество;
C1 - закон гибели, являющийся частным случаем биотехнического закона, предложенного проф. П.М.Мазуркиным, и показывающий изменение содержания всех испытанных химических элементов в листве дерева, % на сухое вещество;
С0 - содержание азота в листве дерева, % на сухое вещество;
С2 - биотехнический закон стрессового возбуждения первых 3-4 по иерархии химических элементов, преимущественно кальция, калия и магния, показывающий приспособляемость деревьев данного вида ко всей популяции измеренных химических элементов, % на сухое вещество;
С3 - биотехнический закон стрессового возбуждения средних по иерархии химических элементов, преимущественно фосфора или марганца, показывающий приспособляемость деревьев данного вида ко всей популяции измеренных химических элементов, % на сухое вещество;
С4 - приспособляемость деревьев данного вида к набору химических элементов в окружающей среде колебательным возмущением с амплитудой 
, % на сухое вещество;
rхэ - ранг распределения химических элементов для данной породы деревьев, rхэ=0, 1, 2, ..., причем rхэ=0 для азота;
a1...a14 - параметры статистической закономерности, изменяющиеся для каждого модельного дерева.
8. Способ испытания древесины на содержание химических элементов по п.1, отличающийся тем, что во множестве химических элементов выделяется кремний, по содержанию которого в химической дендрохронологии оценивается эволюционный возраст каждого вида испытуемых модельных деревьев и древесных растений.
