СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ДЕРЕВЬЕВ ЕЛИ
METHOD TO TEST FIR TREES

Изобретение относится к экологической таксации лесных, нелесных и одиночных деревьев, и оно может быть использовано в природообустройстве и инженерной экологии, экологическом мониторинге, защите и охране окружающей среды путем анализа результатов измерений и испытаний учетных деревьев ели в экологической оценке городских и лесных территорий. Изобретение также может найти применение в лесном хозяйстве при оценке жизнестойкости и жизнеспособности ельников.
Известен способ анализа влагоудерживающей способности хвои (см., например, учебное пособие: Демаков Ю.П. Защита растений. Жизнеспособность и жизнестойкость древесных растений. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. - С.61), включающий выбор учетных деревьев ели, взятие проб хвои по 50…100 хвоинок, увязывание образца в пучок с этикеткой, опускание его в емкость с водой, выдерживание хвои в воде в течение 24 часов, извлечение и развязывание пучка, вытирание хвоинок тряпочкой до исчезновения с поверхности пленки воды, взвешивание хвоинок с точностью до сотой доли грамма и естественную сушку на листе бумаги размером 100×150 мм с указанием на нем номера образца, взвешивание образца в виде группы хвоинок через каждые 24 часа (или несколько чаще), запись данных измерений в журнал, прекращение взвешивания, когда хвоя потеряет более 60% исходной сырой массы, дальнейшее высушивание воздушно-сухих хвоинок в сушильном шкафу при температуре 95-105°С до абсолютно сухого состояния.
Недостатком этого способа является неточность анализа по результатам измерений хвои ели, взятой в характерных местах кроны в различных геодезических направлениях, то есть данный способ не позволяет точно измерять, а затем и проводить анализ в комнатных условиях измеренных данных, веточек и хвои растущего дерева ели, кроме того, частота проводимых замеров массы хвои не позволяет с достаточной точностью выявить модель процесса влагоудерживания, а прекращение взвешиваний после потери более 60% исходной массы хвои приводит к невозможности определения таких показателей процесса влагоудерживания, как начальная масса влаги в пробе, время достижения комнатной воздушно-сухой массы и средняя скорость обезвоживания пробы.
Известен также способ анализа водоудерживающей способности хвои (см. Кучинская Е.А. Эколого-биологические особенности голосеменных интродуцентов населенных пунктов Адыгеи: автореф. дис… канд. биол. наук: 03.00.16. / Е.А.Кучинская. - Ростов-на-Дону, 2006. - С.6), включающий выбор учетных деревьев ели, взятие проб в виде веточек хвои ели с двухлетними иголками, естественная сушка образцов в комнатных условиях до того момента, пока не будет потеряна половина содержащейся в хвое воды.
Главным недостатком этого способа является неточность анализа водоотдачи проб веточек, срезанных с учетного дерева в различных геодезических направлениях, так как не определены характерные места взятия проб веточек, а также невозможность проведения анализа экологической обстановки по полученным в лабораторных условиях статистическим данным с использованием предложенного в прототипе критерия - времени потери половины содержащейся влаги в хвое. Кроме того, прекращение взвешиваний после потери более 50% исходной массы хвои приводит к невозможности определения таких показателей процесса влагоудерживания, как начальная масса влаги в пробе, время достижения комнатной воздушно-сухой массы и средняя скорость обезвоживания пробы. Таким образом, прототип не позволяет точно измерять показатели удерживания влаги и по полученным данным проводить анализ влагоудерживающей способности срезанных веточек деревьев ели.
Технический результат - повышение точности измерений, испытаний и анализа влагоудерживающей способности срезанных веточек деревьев ели, а на их основе экологическая оценка окружающей лесной и иной среды, в том числе одиночными растущими деревьями ели, экологическая оценка сельской или городской среды.
Этот технический результат достигается тем, что способ испытания деревьев ели для оценки влагоудерживающей способности срезанных веточек, включающий выбор учетных деревьев ели, взятие проб в виде веточек, сушку проб в комнатных условиях, отличающийся тем, что после выбора учетного дерева ели выбирают мутовку, затем выбирают ветвь первого порядка внутри выбранной мутовки с измерением геодезического направления ее стебля, затем с конца стебля срезается основная проба в виде веточки для анализа ее влагоудерживающей способности, на ветви первого порядка с ветвей последующих порядков с конца их стеблей срезаются дополнительные пробы в виде веточек для анализа влагоудерживающей способности ветви первого порядка, после срезки каждую веточку помещают в емкость для транспортировки, а затем все срезанные веточки в лабораторных условиях многократно взвешивают с сушкой в комнатных условиях до достижения постоянной массы.
На молодых учетных деревьях ели мутовку выбирают с оценкой ее возраста.
На учетном дереве ели ветви первого порядка выбираются в четырех направлениях света.
С ветвей первого порядка с конца стебля срезаются примерно на высоте 1,3 м от уровня земли пробы в виде веточек для анализа их влагоудерживающей способности.
При отборе проб веточек для проведения анализа влагоудерживающей способности на учетном дереве ели с каждой стороны света срезается только одна веточка, причем срезка веточек проводится вне вегетационного периода деревьев ели и для анализа берутся веточки только с однолетней хвоей.
В комнатных условиях проводят изучение потери содержащейся влаги в опытных образцах по замерам массы веточек, причем в первые сутки взвешивания проб веточек проводят через каждые три часа, в последующие несколько суток - 2-3 раза днем, а затем в течение двух недель - один раз днем и далее один раз в неделю, причем замеры проводят, пока их масса не достигнет постоянного значения при колебании массы в пределах ошибки взвешивания.
Данные измерений массы веточек деревьев ели подвергают статистической обработке. Статистическим моделированием выявляют модель потери влаги веточками по формуле:
,
где m - масса пробы в ходе процесса естественной сушки, г;
в0
m - начальная масса влаги в пробе, г;
- переменная масса теряемой пробой влаги, г;
c
m - постоянная масса сухих иголок с веточкой с учетом гигроскопической их влажности, г;
t - время естественной сушки с момента срезки пробы, сутки.
в0
По модели процесса потери влаги рассчитывают время достижения постоянной массы веточек Т и начальную массу влаги в пробе m.
Для всех проб рассчитывают среднюю скорость обезвоживания по выражению:
,
где V - средняя скорость обезвоживания, г/сутки;
c
Т - время достижения комнатной воздушно-сухой массы m, сутки.
Сущность технического решения заключается в том, что в различных геодезических направлениях содержание влаги в срезанных веточках неодинаково. Взятие проб в четырех направлениях света позволяет выявить это воздействие.
Сущность заключается также в том, что каждая веточка дерева ели - это отдельное растение на дереве-матери. При отборе проб для анализа влагоудерживающей способности деревьев ели срезка на выбранном учетном дереве ели с каждой стороны света только по одной веточке позволит исключить изменчивость и определить разницу по сторонам света.
Сущность заключается также и в том, что скорость убывания влаги в образцах в первые сутки велика, затем она постепенно снижается. Предложенная схема взвешивания позволяет существенно уменьшить остатки, получаемые в результате моделирования процесса потери влаги и получить модель с высокой достоверностью, а взвешивание массы проб веточек, пока их масса не достигнет постоянного значения, позволит выявить такие показатели процесса влагоудерживания, как начальная масса влаги в пробе, время достижения комнатной воздушно-сухой массы и средняя скорость обезвоживания пробы, с помощью которых возможно определение экологических условий места произрастания учетного дерева ели.
Положительный эффект заключается в том, что выявленные статистические закономерности процесса потери влаги веточками деревьев ели позволят управлять лесными плантациями ели, определять их жизнеспособность, а также экологический режим на обследуемых лесных территориях. Так как ель хорошо адаптируется в городской среде, в том числе и с высоким уровнем загрязнения, возможно использование статистических закономерностей данного процесса для экологического мониторинга урбанизированной среды. Кроме того, положительный эффект заключается и в том, что измерения проводятся на учетных деревьях, что не приводит к физическим разрушающим воздействиям изучаемых деревьев ели.
Новизной предлагаемого способа является:
во-первых, срезка веточек на выбранном учетном дереве ели для оценки влагоудерживающей способности этих веточек в различных геодезических направлениях, что позволяет выявить различия по сторонам света массы влаги в пробах, активности и интенсивности естественного высыхания при сравнении проб, а также времени достижения постоянной массы веточек после высыхания;
во-вторых, срезка на выбранном учетном дереве ели в различных геодезических направлениях только по одной веточке с однолетней хвоей, что также позволит определить разницы в этих направлениях;
в-третьих, сушка проб веточек, срезанных с выбранного учетного дерева ели проводится до тех пор, пока их масса не достигнет постоянного значения, что позволит выявить такие показатели процесса влагоудерживания, как начальная масса влаги в пробе, время достижения комнатной воздушно-сухой массы и средняя скорость обезвоживания пробы.
В связи с этим предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками новизны, простотой реализации в производственных условиях, положительным эффектом как в лесном хозяйстве при управлении выращиванием элитных деревьев, так и в инженерной экологии, а также перспективой расширения областей практического применения методологии ландшафтной экологии с растущими на территории этих лесных, агроэкологических, сельских и городских территорий деревьев без их разрушения в растущем состоянии. При этом повторные измерения учетных деревьев позволят наладить долгосрочный мониторинг окружающей эти деревья среды.
Из научно-технической и патентной литературы материалов, порочащих новизну предлагаемого способа, не обнаружено.
На фиг.1 показано учетное дерево ели, с которого брали опытные образцы в виде веточек.
На фиг.2 изображена мутовка дерева ели (вид сверху), с которой отбирались пробы веточек для проведения анализа влагоудерживающей способности.
На фиг.3 представлены экспериментальные точки и график потери влаги веточкой дерева ели №1 с южной стороны света.
На фиг.4 представлена разница между экспериментальными точками и графиком в виде остатков, почти равная 0,025 г, что говорит о высокой достоверности полученной статистической модели.
На фиг.5 представлена схема динамики изменения массы пробы в виде веточки при удерживании влаги.
Способ испытания влагоудерживающей способности срезанных веточек деревьев ели включает такие действия.
Перед началом исследования готовят необходимое оборудование: компас, нож для срезки веточек ели, емкости в виде бумажных пакетов для транспортировки срезанных проб веточек в лабораторию, весы, емкости в виде незакрытых бумажных коробочек, на которых указаны номер учетного дерева, направление стороны света и номер исследуемой площадки.
После выбора учетного дерева 1 ели выбирают мутовку, затем выбирают ветвь первого порядка внутри выбранной мутовки с измерением геодезического направления ее стебля, затем с конца стебля 2 срезается основная проба в виде веточки 3 для анализа ее влагоудерживающей способности, на ветви первого порядка с ветвей последующих порядков с конца их стеблей срезаются дополнительные пробы в виде веточек для анализа влагоудерживающей способности ветви первого порядка, после срезки каждую веточку помещают в емкость для транспортировки, а затем все срезанные веточки в лабораторных условиях многократно взвешивают с сушкой в комнатных условиях до достижения постоянной массы.
На молодых учетных деревьях ели мутовку выбирают с оценкой ее возраста.
На учетном дереве ели ветви первого порядка выбираются в четырех направлениях света.
С ветвей первого порядка с конца стебля срезаются примерно на высоте 1,3 м от уровня земли пробы в виде веточек для анализа их влагоудерживающей способности.
При отборе проб веточек для проведения анализа влагоудерживающей способности на учетном дереве ели с каждой стороны света срезается только одна веточка, причем срезка веточек проводится вне вегетационного периода деревьев ели и для анализа берутся веточки только с однолетней хвоей.
В комнатных условиях проводят изучение потери содержащейся влаги в опытных образцах по замерам массы веточек, причем в первые сутки взвешивания проб веточек проводят через каждые три часа, в последующие несколько суток - 2-3 раза днем, а затем в течение двух недель - один раз днем и далее один раз в неделю, причем замеры проводят, пока их масса не достигнет постоянного значения при колебании массы в пределах ошибки взвешивания.
Данные измерений массы веточек деревьев ели подвергают статистической обработке. Статистическим моделированием выявляют модель потери влаги веточками по формуле:
,
где m - масса пробы в ходе процесса естественной сушки, г;
в0
m - начальная масса влаги в пробе, г;
- переменная масса теряемой пробой влаги, г;
c
m - постоянная масса сухих иголок с веточкой с учетом гигроскопической их влажности, г;
t - время естественной сушки с момента срезки пробы, сутки.
в0
По модели процесса потери влаги рассчитывают время достижения постоянной массы веточек Т и начальную массу влаги в пробе m.
Для всех проб рассчитывают среднюю скорость обезвоживания по выражению:
,
где V - средняя скорость обезвоживания, г/сутки;
c
Т - время достижения комнатной воздушно-сухой массы m, сутки.
Способ испытания деревьев ели для оценки влагоудерживающей способности срезанных веточек дерева ели реализуется, например на учетном дереве ели в березняке в виде подроста ели, следующим образом.
Вначале выбирают пробную площадку березняка с подростом ели, а затем отбирают учетные деревья 1 молодняка ели по их внешним признакам. По компасу определяют направление сторон света. Путем подсчета количества мутовок вычисляют возраст учетного дерева ели. Определяют мутовки, с которых будут срезаться пробы веточек для анализа их влагоудерживающей способности.
На молодых учетных деревьях ели в виде подроста мутовку выбирают с оценкой ее возраста. Для елочки получили возраст 12 лет, а мутовку выбирали возрастом четыре года.
На учетном дереве ели ветви первого порядка выбираются в четырех направлениях света - север, восток, юг и запад.
С ветвей первого порядка с конца стебля срезаются пробы в виде веточек для анализа их влагоудерживающей способности, причем срезка веточек проводится вне вегетационного периода деревьев ели и для анализа берутся веточки только с однолетней хвоей.
В комнатных условиях проводят изучение потери содержащейся влаги в опытных образцах по замерам массы веточек, причем в первые сутки взвешивания проб веточек проводят через каждые три часа, в последующие несколько суток - 2-3 раза днем, а затем в течение двух недель - один раз днем и далее один раз в неделю, причем замеры проводят, пока их масса не достигнет постоянного значения при колебании массы в пределах ошибки взвешивания.
Данные измерений массы веточек деревьев молодой ели подвергают статистической обработке. Статистическим моделированием выявляют модель потери влаги веточками по формуле:
,
где m - масса пробы в ходе процесса естественной сушки, г;
в0
m - начальная масса влаги в пробе, г;
- переменная масса теряемой пробой влаги, г;
c
m - постоянная масса сухих иголок с веточкой с учетом гигроскопической их влажности, г;
t - время естественной сушки с момента срезки пробы, сутки.
в0
По модели процесса потери влаги рассчитывают время достижения постоянной массы веточек Т и начальную массу влаги в пробе m.
Для всех проб рассчитывают среднюю скорость обезвоживания по выражению:
,
где V - средняя скорость обезвоживания, г/сутки;
c
Т - время достижения комнатной воздушно-сухой массы m, сутки.
Пример. На территории учебно-опытного лесхоза (46 квартал, 1 выдел) были отобраны 4 молодых деревца ели европейской или обыкновенной Picea abies (расстояние от автодороги более 50 м).
Изменение массы веточки после срезки (табл.1) для дерева ели №1 с южной стороны имеет вид (фиг.3):
где m - масса пробы в ходе процесса естественной сушки, г;
в
m - переменная масса теряемой пробой влаги, г;
c
m - постоянная масса сухих иголок с веточкой с учетом гигроскопической их влажности, г;
t - время естественной сушки с момента срезки пробы, сутки.
в
c
Первая составляющая m показывает, что процесс естественной сушки протекает по закону гибели в общей форме, а вторая m - что потеря влаги будет проходить до некоторого постоянного значения массы влаги в пробе.
Таблица 1
Динамика потери влаги веточкой дерева ели №1 с южной стороны света
Время t, сутки
Факт. значения массы веточки, m
Расчетные значения
m
ε
Δ, %
0,04
1,45
1,358448
0,0916
6,313897
0,17
1,35
1,345935
0,0041
0,301083
0,29
1,30
1,333562
-0,034
-2,5817
0,42
1,30
1,319797
-0,02
-1,52286
0,54
1,30
1,306938
-0,007
-0,5337
0,67
1,25
1,292952
-0,043
-3,43616
0,79
1,25
1,280054
-0,03
-2,40429
0,92
1,25
1,266142
-0,016
-1,29136
1,04
1,25
1,253389
-0,003
-0,27113
1,17
1,25
1,239696
0,0103
0,824305
1,79
1,20
1,176694
0,0233
1,942127
2,14
1,15
1,143102
0,0069
0,599833
3,79
1,00
1,005817
-0,006
-0,58169
4,00
1,00
0,990798
0,0092
0,920168
5,00
0,95
0,926289
0,0237
2,495922
6,00
0,90
0,872356
0,0276
3,071582
8,00
0,80
0,790657
0,0093
1,167904
9,00
0,75
0,760321
-0,01
-1,37609
11,00
0,70
0,715277
-0,015
-2,18242
12,00
0,70
0,698838
0,0012
0,166063
13,00
0,65
0,685514
-0,036
-5,46371
14,00
0,65
0,674743
-0,025
-3,80657
15,00
0,65
0,666054
-0,016
-2,46987
15,00
0,65
0,65906
-0,009
-1,39388
18,00
0,65
0,648935
0,0011
0,163861
20,00
0,65
0,642443
0,0076
1,162627
22,00
0,65
0,638306
0,0117
1,799072
25,00
0,65
0,634762
0,0152
2,344249
27,00
0,65
0,633452
0,0165
2,545866
29,00
0,60
0,632631
-0,033
-5,4385
35,00
0,65
0,631604
0,0184
2,83022
36,00
0,65
0,631535
0,0185
2,840706
43,00
0,65
0,631333
0,0187
2,871843
55,00
0,60
0,631292
-0,031
-5,21526
63,00
0,65
0,63129
0,0187
2,878505
Статистические модели потери влаги веточками с северной, западной и восточной сторон света дерева ели №1, а также других деревьев имеют аналогичный характер.
По модели потери влаги срезанными веточками можно выявить различия по сторонам света массы влаги в пробах, активности и интенсивности естественного высыхания при сравнении проб, а также времени достижения постоянной массы после высыхания.
Для всех пробных образцов рассчитана средняя скорость обезвоживания по выражению:
,
где V - средняя скорость обезвоживания, г/сутки;
c
Т - время достижения комнатной воздушно-сухой массы m, сутки.
В табл.2 представлены скорости обезвоживания веточек ели в процессе естественной сушки всех веточек у четырех деревьев ели.
Сравнивая средние скорости обезвоживания срезанных веточек у деревьев ели, можно выявить разницы в экологических условиях мест произрастания этих деревьев. В лесных условиях разница между веточками по сторонам света незначительная. Однако в городских условиях эта разница существенная из-за загрязнения. Поэтому разница между стороной, обращенной к источнику загрязнения, и чистым участком существенна.
Таблица 2
Средняя скорость обезвоживания образцов
Номер дерева ели
Средняя скорость, г/сут.
Юг
Север
Запад
Восток
1
0,028
0,038
0,042
0,028
2
0,040
0,035
0,036
0,036
3
0,040
0,030
0,037
0,057
4
0,039
0,035
0,037
0,040
Среднее арифметическое
0,03675
0,0345
0,038
0,04025
Эффективность нового способа проявляется в том, что он позволяет с помощью показателя скорости обезвоживания определять влияние времени достижения постоянной массы в пробах в виде веточек ели и тем самым оценивать жизнеспособность деревьев ели, а также экологическую обстановку вокруг каждой веточки.
Предлагаемый способ позволяет формировать цифровые модели учетных деревьев и тем самым проводить различные инженерно-экологические исследования. Способ прост в практическом исполнении современными лабораторными приборами и одновременно точен по погрешностям измерений.