О повышении мелиоративной эффективности защитных лесонасаждений в степи на основе теплофизических свойств древесины слагающих их пород

АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

УДК 634.958:674.03

О ПОВЫШЕНИИ МЕЛИОРАТИВНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСОНАСАЖДЕНИЙ В СТЕПИ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ СЛАГАЮЩИХ ИХ ПОРОД

А.И. Густова, кандидат сельскохозяйственных наук Д.К. Терехина, кандидат сельскохозяйственных наук Е.Ю. Бондаренко, аспирант Н.С. Назаренко, соискатель

Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации РАСХН

В статье изложены новые данные по теплофизическим характеристикам свежесрублен-ной древесины отечественных лиственных, хвойных и тропических пород. Выявляются наиболее эффективные древесные породы для создания тепловых барьеров на пути вредоносных ветров.

Ключевые слова: изотерма капиллярного испарения, потенциал влагопереноса, диапазоны функциональной влажности, теплоемкость древесины.

В целях переориентации утилитарного направления лесного хозяйства на биосферное (климаксовое) и более полного изучения биологии древесных пород исследованы влагопереносные свойства основных зон ствола (заболони и ядра) главных компонентов биоценоза защитных лесных насаждений степной и лесостепной зоны, и впервые - 10 тропических пород. Были изучены характеристики проводящих тканей древесины - изотерма капиллярного испарения (ИКИ) [5], полная влагоемкость (ПВ), диапазоны функциональной влажности, содержание воды в древесине в расчете на 1 м3, потенциалы влагопереноса (таблица 1), теплоемкость.

Изучение древесины тропических древесных пород было связано с попыткой выявить особенности строения проводящих тканей, позволяющих им достигать огромных размеров и поднимать воду на большую высоту, в чем и заключаются их основные отличия от древесных растений степной и бореальной зоны.

Исследования показали, что у тропических пород функциональная влажность древесины при 0,5ПВ (граница необратимых изменений) будет примерно соответствовать пределу ее гигроскопичности (14-46 %). В этом случае любые, даже небольшие колебания влажности окружающей среды приведут к замедлению физиологических процессов и даже гибели дерева. У отечественных лиственных древесных растений 0,5 ПВ составляет 69-96 %, у хвойных пород - 59-136 %, кустарников - 38-52 %. То есть, у растений бореальной зоны уровень влажности, после которого начинают происходить необратимые изменения, значительно выше. Это свидетельствует о лучшей их приспособленности к более жестким условиям вегетации.

Влагосодержание заболонной древесины из расчета на 1 м3 при 0,5 ПВ наибольшее у главных отечественных лиственных растений (от 308 до 583 л). У хвойных оно колеблется от 324 до 377 л, а тропических от 157 до 270 л. Тропическим породам, получающим в год около 2000 мм осадков, нет необходимости в избыточной увлажненности тканей, кроме того, большая плотность древесины не способствует вла-

гонакоплению [1].

Таблица 1 - Потенциал влагопереноса заболонной древесины главных лиственных, хвойных пород ЗЛН России и растений тропической зоны

Древесная порода Плот- ность, г/см3 Относительное давление пара, p/ps Абсолютная величина потенциала влагопереноса древесины при 0,5ПВ, МПа

0,77 0,92 1,00

Duróte spp. 0,87 14,8 22,5 59,1 8,8

Acacia catechu Wild. 0,84 15,4 22,0 54,4 9,1

Mystaceae spp. 0,60 13,4 32,1 77,2 10,1

Diospyros mindanaensis 0,98 15,5 19,9 48,8 9,5

Bulnesia arbórea Engl. 1,08 12,6 14,8 29,0 12,7

Capifera bracteata Benth. 0,99 13,7 17,6 43,3 9,4

Peltogine spp. (amaranth) 0,87 10,6 18,5 37,8 10,8

Schinopsis quebracho-colorado 1,03 11,1 14,1 21,7 29,1

Pinus sylvestris L. 0,51 17,9 31,6 184,6 6,3

Pinus ponderosa Dougl. Et Laws. 0,57 18,2 27,8 168,0 7,0

Pinus sibirica Du Tour 0,34 18,2 28,2 226,9 6,0

Quercus robur L. 0,69 20,8 80,9 154,0 12,6

Ulmus pumila 0,55 17,7 51,9 112,0 10,1

Robinia pseudoacacia L. 0,72 17,4 71,1 143,0 10,5

Измерение теплоемкости свежесрубленной древесины показало, что ее низкое влагосодержание соответствует низкой теплоемкости. Это определяет большие различия между растениями бореальной, степной и тропической зон. Нами отмечено, что наибольшей теплоемкостью в живом состоянии обладают лиственные отечественные породы (2020-3754 кДж/кгх°С). Теплоемкость хвойных колеблется от 1987 до 2918 кДж/кгхоС. У растений с высокой плотностью древесины, свойственных тропической зоне, в которой ни вода, ни температура не являются лимитирующими факторами, наименьшая теплоемкость (от 1942 до 2590 кДж/кг^С). Наибольшей теплоемкостью абсолютно сухого древесинного вещества обладают тропические породы (9731670 кДж/кгхоС), затем по степени убывания следуют отечественные лиственные (6031313 кДж/кг*оС) и хвойные (551-1059 кДж/кг*оС). Зависимость влагосодержания от плотности древесины (полученной экспериментальным путем), объясняет различия тепловых свойств - с повышением плотности снижается влагосодержание и соответственно увеличивается теплоемкость.

На рисунке 1 видно, что тропические породы имеют высокую плотность и низкую полную влагоемкость, лиственные отечественные породы занимают промежуточное положение, а породы с невысокой плотностью заболонной древесины отличаются высоким влагосодержанием (отечественные хвойные породы) [3].

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА

ю 200 с

I 150

0

1 100

50

0

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0,7 0.8 0.9 1.0 1.1 1,2

Плотность древесины, г/см3

Рисунок 1 - График зависимости полной влагоемкости древесины заболони от плотности:

1 - Duróte spp., 2 - Acacia catechu, Wild., 3 - Pañete spp., 4 - Mora sickingia (Buoziletta), 5 -Sonchocarpus lutescens, 6 - Tectona stans, 7 - Mystacea spp., 8 - Diospyros mindanaensis (ata-ata), 9 - Bulnesia arborea Engl., 10 - Capifera bracteata Benth., 11 - Buxus senpervirens, 12 - Betula Erma-ni Cham, 13 - Peltogine spp. (amaranth), 14 - Schinopsis quebracho-colorado, 15 - Haloxylon persi-cum Bge., 16 - Quercus robur L., 17 - Quercus rubra Du Roi, 18 - Fraxinus viridis, 19 - Ulmus pu-mila L., 20 - Robinia pseudoacacia L., 21 - Salix alba L., 22 - Betula pendula, 23 - Alnus glutinosa Gaertn., 24 - Tilia cordata Mill., 25 - Gleditshchia triacanthos, 26 - Carpinus betulus L., 27 - Fagus orientalis Lipsky, 28 - Pinus sylvestris L., 29 - Pinus ponderosa Dougl. Et Laws., 30 - Pinus sibirica Du Tour, 31 - Pinus pallasiana D. Don, 32 - Juniperus virginiana L., 33 - Larix sibirica Ledeb.,

34 - Picea pungens Engelm., 35 - Pseudotsuga menziesii (Mirb) Franco,

36 - Abies concolor Lindl. Et Gord

Значения плотностей, полученные экспериментальным путем, для тропических (0,8-1,08 г/см3), главных отечественных лиственных (0,6-0,7 г/см3) и хвойных (0,4-

0,5 г/см3) пород распределяются в соответствии с занимаемыми ими биомами.

Наибольшей ПВ обладает заболонная древесина сосны сибирской. Это объясняет ее слабую устойчивость в степи, где в большей части вегетационного периода наблюдается недостаток почвенной и атмосферной влаги. Сходными характеристиками обладает липа, ольха, ива, пихта, ель, псевдотсуга - это типичные породы гигро- и мезофиты. Ясень, сосны крымская и желтая, вяз, дуб, робиния, гледичия - могут быть отнесены к группе ксеромезофитов. Все они обладают достаточно высокой полной влаго-емкостью, а также довольно большими диапазонами функциональной влажности, что позволяет им в случае наступления засушливого периода (зимний или летний недостаток водоснабжения) пережить его относительно безболезненно. Береза повислая, которую часто называют песчаной березой, благодаря высокой ПВ, может успешно расти и на сухих почвах [2]. В диапазон показателей, характерных для тропических пород (рисунок 1), попал по своим характеристикам и граб обыкновенный. Его древесина обладает высокой плотностью, небольшой полной влагоемкостью, растение тепло- и влаголюбиво, обладает слабой зимостойкостью.

Зависимость теплоемкости древесинного вещества от плотности исследуемых образцов выражается уравнением прямой: С=1670,58р-28,2. Подставляя в данное урав-

30 * 24 21 ♦ « Коэффиииент-корреляиии-Р.=-0,907*’

28 1Я 2336 34 * * 29 ♦ 36 ф .35 ♦ 32 * 16 ♦ 20

* 27 33

7 * 26 3 ♦ * * 15 6 1 • • ♦! ♦ .5 8

“ % '*>! ю 14 9

Т--------------------1--------------------1--------------------1-------------------1--------------------1--------------------1--------------------1-------------------г

нение известную плотность или удельную теплоемкость древесинного вещества образца, можно рассчитать недостающий показатель.

Из отечественных лиственных пород робиния и дуб обладают наибольшей теплоемкостью древесины заболони (1313 и 1119 кДж/кг*Со соответственно), наименьшие показатели у ольхи (603 кДж/кг*Со) и липы (660 кДж/кг*Со). По суммарной теплоемкости древесины, которая складывается из теплоемкостей древесинного вещества и воды, наблюдается та же картина - у дуба и робинии самые высокие показатели, коэффициент корреляции близок к единице. Измеряя теплоемкость 1 м3 ствола при соотношении заболони и ядра 50x50% теплоемкость дуба составляет 3001 кДж/кг*Со, робинии 3263 кДж/кг*Со, ольхи 1010 кДж/кг*Со, липы 1233 кДж/кг*Со. Это наиболее приближенное к оптимальному морфологическому типу соотношение живой и мертвой древесины. В существующих же насаждениях доля заболони в стволе редко превышает 30 %, поэтому теплоемкость 1 м3 ствола робинии на 252 кДж/кг*Со, а дуба на 158 кДж/кг*Со ниже рассчитанной оптимальной.

Из хвойных пород наибольшая теплоемкость древесинного вещества у лиственницы сибирской (1059 кДж/кг*Со), можжевельника виргинского (929 кДж/кг*Со), сосен желтой (921 кДж/кг*Со) и крымской (866 кДж/кг*Со). Наименьшая у сосны сибирской (551 кДж/кг*Со) и пихты одноцветной (632 кДж/кг*Со). Суммарная теплоемкость наибольшая у сосны желтой (2918 кДж/кг*Со), сосны обыкновенной (2802 кДж/кг*Со), можжевельника виргинского (2644 кДж/кг^Со), лиственницы сибирской (2630), сосны крымской (2620 кДж/кг*Со).

При соотношении в стволе ядра и заболони 50*50 % расчетная теплоемкость сосны крымской составит 2762, сосны желтой 2697, можжевельника виргинского 2413 кДж/кг*Со. В природе теплоемкость 1 м3 ствола у сосны крымской на 48 кДж/кг*Со меньше, а сосны желтой на 155 кДж/кг*Со больше, т.к. заболонь сосны желтой в парковом древостое составляет 85 %. У сосны обыкновенной доля заболони в загущенных ЗЛН не превышает 30 %, соответственно изменяется и теплоемкость стволов и всего древостоя в целом. Разница теплоемкости 1 м ствола ординарного и паркового древостоя из сосны обыкновенной, где доля заболони более 50 % составляет 200 кДж/кг*Со.

Среди растений тропической зоны наибольшей теплоемкостью древесинного вещества характеризуется Bulnesia 1751 кДж/кг*Со, наименьшей - Mystacea 973 кДж/кг*Со. Суммарная теплоемкость наибольшая у Diospyros (Eschubeckia 2590 кДж/кг*Со), наименьшая у Mystacea 1942 кДж/кг*Со. Высокая плотность древесины тропических пород свидетельствует о хорошо развитой системе микрокапилляров (непостоянных капилляров) проводящей ткани, которая позволяет доставлять влагу на большую высоту, с минимальным участием верхнего (концевого) двигателя влагопере-носа - транспирации.

Выявленное в ходе исследований преимущество по теплофизическим характеристикам заболонной древесины обосновывает необходимость применения в древостоях интенсивных рубок ухода, в результате которых происходит увеличение площади питания и водообеспеченности дерева, и как следствие возрастание доли заболони [5, 6].

Из результатов вытекает также объяснение вертикальной и широтной зональности лесов. Чистый состав хвойных лесов также объясняется теплофизическими свойствами древесины. Высокое разнообразие видов древесных растений в тропиках объясняется (помимо климатических особенностей) высокой плотностью древесины (70 % видов имеют древесину с плотностью более 0,7 см/см3). Это имеет следствием крайне низкую величину полной влагоемкости, что объясняет относительно низкую теплоемкость древесины, ее податливость перегреву и подверженность быстрому горению при

подсечном сельхозпользовании.

Таким образом, изучение компонентов лесного биогеоценоза проводилось с целью его комплексной оценки как составной части биосферы для планирования идеализированного лесоводства. Учение о лесном биогеоценозе является научной основой ведения лесного хозяйства [4]. Учет индивидуальных гидрофизических и теплофизических особенностей древесных пород позволит составить прогноз состояния биоценоза леса бореальной, степной и тропической зон, а также поддерживать древостои в состоянии совершенной и устойчивой (климаксовой) экологической системы, способной при соответствующем уходе и неизменных внешних условиях существовать долгое время.

Библиографический список

1. Исследование гидро- и теплофизических свойств древесины кустарниковых пород защитных лесонасаждений степи [Текст] / Под ред. К. Н. Кулика //Сб. науч. тр. - Волгоград : ВНИАЛМИ, 2011. - С. 305-309.

2. Коропачинский, И. Ю. Древесные растения Азиатской России [Текст] / И. Ю. Коро-пачинский, Т. Н. Встовская. - Новосибирск, 2002. - 707 с.

3. Миронов, П. В. Фазовые переходы в системе древесина-вода при температурах ниже 0°С [Текст] / П.В. Миронов, С.Р. Лоскутов; под ред. Б. Н. Уголева // Строение, свойства и качество древесины: сб. науч. тр. - Петрозаводск: КанрНЦ РАН, 2000. - С. 149-152.

4. Правдин, Л. Ф. Тропическое и субтропическое лесоводство [Текст] / Л.Ф. Правдин, А.П. Кондратьев. - М., 1984. - 179 с.

5. Шульга, В.Д. Устойчивость мелиоративных древостоев степных ландшафтов: методология и практика адаптации [Текст] / В.Д. Шульга. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2002. - С. 82-107.

6. Шульга, В.Д. Особенности степного лесоводства [Текст] / В.Д. Шульга, С.В. Обель-цев, Д.В. Шульга. - Волгоград, 2010. - 366 с.

E-mail: vnialmi@avtlg.ru