Формирование ствола дерева ели по высоте

6. Затопленная древесина лиственницы может использоваться практически без ограничений для выработки пиломатериалов или для использования в круглом виде, при этом следует проводить сушку полученных пиломатериалов в более мягком режиме.

7. Затопленная древесина сосны и ели при сушке подвержена растрескиванию, часто встречаются отлупные трещины между годичными слоями, но использовать эту древесину для выработки и пиломатериалов общего назначения вполне возможно. Кроме этого, древесина сосны прекрасно может использоваться для выработки целлюлозы и древесной массы.

8. Древесина может служить сырьем для изготовления изделий методом контурного прессования.

9. Затопленная на корню древесина дает достаточно ) ысокий выход деловой древесины - до 70 - 72 %. Дровяная древесина может быть использована как топливо или сырье для производства древесного угля.

Литература

1. Расев А.И. Проблемы использования топляковой древесины в деревообрабатывающей промышленности // Строение, свойства и качество древесины - 96 / Сборник трудов 2-го международного симпозиума,-М.: МГУЛ, 1997-С.112-115.

2. Полубояринов О.И. Плотность древесины. - М.: Лесная пром-ть, 1976. - 160 с.

3. Хуторщиков И.С. О физических свойствах и химическом составе древесины Сибири/ Труды ЛТА им. С.М. Кирова.-Л.: ЛТА, 1960.-Вып.85.-С. 34—41.

ФОРМИРОВАНИЕ СТВОЛА ДЕРЕВА ЕЛИ ПО ВЫСОТЕ

Р.И. ВИНОКУРОВА, к.х.н., доцент кафедры химии МарГТУ,

П.М. МАЗУРКИН, д.т.н., профессор кафедры инженерной экологии и технологии природопользования МарГТУ

Эксперименты по изучению свойств све-жесрубленной древесины на различных видах деревьев были проведены летом 1997 г. Показатели формы ствола, плотности и влажности древесины были замерены по отдельным спилам на разных высотах ствола. Цель статьи - показать волновые закономерности изменения образующей ствола на примере одного конкретного дерева ели, плотности и влажности ее древесины, а также энергетических показателей формирования древесины по высоте ствола этого дерева.

Дерево ели было срублено и обработано в липовом пихтарнике и имело следующие параметры: возраста в момент рубки 64 года; диаметр на высоте груди 20,5 см; полная высота 19,7 м; высота кроны 11,1 м; площадь кроны 5,31 м2; продуктивность по древесине - второй класс бонитета. Взвеши-

ванием было определено, что масса ствола с корой составляет 270,9 кг при объеме 0,38 м3, а масса ствола без коры равна 235,1 кг при объеме 0,33 м . Средняя плотность све-жесрубленной древесины равна 712,4 кг/м3, а с корой - 712,9 кг/м3. По этому дереву средняя плотность коры почти равна плотности древесины ствола.

К моменту рубки ель достигла формы ствола, которая описывается общим законом, приведенным в работе [см. лит.], изменения радиуса сечения ствола с корой Щ и без коры Кх по формулам (табл. 1):

7?; = 25,71 ехр(-0,001566Я,2,1506 ) --15,6273ЯГ 0,06936 ехр(-0,03737Ях);

Таблица 1

Изменение радиуса ствола ели по высоте дерева, см

Высота Ствол ели с корой Ствол ели без коры

#,, м л к Дл л; 8 хС о4 <1 Л я, Я, е <1

0.06 12.88 12.88 -0.002 -0.02 12.12 12.09 0.03 0.25

1.06 10.75 10.58 0.17 1.58 10.25 10.21 0.04 0.39

1.36 10.25 10.46 -0.21 -2.05 9.75 Ю.ъ ' -0.28 -2.87

3.06 10.25 10.20 0.05 0.49 9.50 9.53 -0.03 -0.32

5.06 10.00 9.95 0.05 0.50 9.50 9.20 0.30 3.16

7.06 9.38 9.41 -0.03 -0.32 8.62 8.74 -0.12 -1.39

9.06 8.50 8.51 -0.014 -0.16 8.00 7.99 0.01 0.13

11.06 7.25 7.31 -0.06 -0.83 6.62 6.91 -0.29 -4.38

13.06 6.00 5.89 0.11 1.83 5.75 5.52 0.23 4.00

15.06 4.75 4.32 -0.07 -1.65 3.75 3.95 -0.20 -5.33

17.06 2.75 2.73 0.02 0.73 2.50 2.34 0.16 6.40

Таблица 2

Изменение показателей воздушно-сухой древесины ели по высоте ствола

Высота Радиус ствола без коры, см Г игроскопическая влажность, %

Я Л, м Л Ях ТС 8 Д ,% Л К 8 Д,%

0.06 11.57 11.58 -0.01 -0.09 4.82 4.80 0.02 0.41

1.06 9.70 9.65 0.05 0.52 4.10 4.35 -0.25 -6.10

1.36 9.40 9.48 -0.08 -0.85 4.58 4.34 0.24 5.24

3.06 9.10 9.06 0.04 0.44 4.43 4.35 0.08 1.81

5.06 8.80 8.86 -0.06 -0.68 4.18 4.41 -0.23 -5.50

7.06 8.57 8.47 0.10 1.17 4.64 4.45 0.19 4.09

9.06 7.62 7.74 -0.12 -1.57 4.53 4.45 -0.08 1.77

11.06 6.65 6.64 0.01 0.15 4.18 4.42 -0.25 -5.98

13.06 5.40 5.27 0.13 2.41 4.49 4.37 0.12 2.67

15.06 3.65 3.78 -0.13 -3.56

| 17.06 2.40 2.35 0.05 2.08

будет равна 100-Дтах, где Лтах - максимальная относительная погрешность (значение подчеркнуто). Из данных табл. 1 видно, что точность моделей (1) и (2) высока.

Сравнение показало, что формулы, описывающие изменения по высоте дерева радиуса ствола и гигроскопической влажности Щ,, одинаковы по конструкции. Например, радиус воздушно-сухой древесины и влажность Щ, описываются формулами (табл. 2):

Ях = 12,65 ехр(-0,0002301Яд.2’9122) - ^

- 4,6162ЯЛ.0,2090 ехр(-0,04815Ял ), где Нх - переменная высота ствола дерева от корневой шейки до макушки, м.

Л

По табл. 1 остатки £ = К- К определяются как разница между фактическими и расчетными значениями показателя, а отно-

л

сительная погрешность А = 100в / 7? показывает адекватность математической модели. Минимальная доверительная вероятность

р ^ = 409,66 ехп(+0,0001184Я л 3 0742 ) -

- 13,5048ЯГ ехр(-0,001093Яг) + 254,61#г0'2391

И7 - 81,552 ехр(+0,03541Ял) +

+ 35,7250Я,1,5310 ехр

+ 6,3950 • 10“9 Нх8,5702 . Параметрическая идентификация позволила получить статистические модели и по другим показателям плотности:

• плотность древесины и коры по спилам ствола ели

Таблица 3

Изменение показателей свежесрубленной древесины ели по высоте ствола

Высота Плотность древесины, кг/м3 Влажность, %

Я л, м л РIV Рж 8 А, % л Ж 8 А, %

0.06 488 538.8 -50.8 -10.41 81.84 82.16 -0.32 -0.39

1.06 706 653.6 52.4 7.42 89.54 90.79 -1.25 -1.40

1.36 753 665.5 87.5 11.62 93.43 90.88 2.54 2.72

3.06 680 702.7 -22.7 -3.33 86.99 91.83 -4.84 -5.56

5.06 666 724.0 -58.0 -8.71 100.78 97.62 3.16 3.14

7.06 677 741.5 -64.5 -9.53 108.22 104.84 3.38 3.12

9.06 872 764.5 107.5 12.33 110.07 113.42 -3.35 -3.04

11.06 837 800.8 36.2 4.32 126.68 126.28 0.40 0.32

13.06 730 860.4 -130.4 -17.87 152.96 152.93 0.03 0.02

15.06 1042 958.6 83.4 8.00

17.06 1104 1121.9 -17.9 -1.62

Таблица 4

Изменение показателей свежесрубленной коры ели по высоте ствола

Высота Толщина коры, см Плотность коры, кг/м3

Я, , м А к к К Е 1 ! О4 1 <3 А Ра- Ра- 8 А, %

0.06 0.76 0.62 0.14 18.42 315 382 -67.4 -21.40

1.06 0.50 0.62 -0.12 -24.00 646 496 150.0 23.22

1.36 0.50 0.62 -0.12 -24.00 861 517 344.1 39.97

3.06 0.75 0.62 0.13 17.33 498 609 -110.6 -22.21

5.06 0.50 0.62 -0.12 -24.00 756 694 61.7 8.16

7.06 0.76 0.60 0.16 21.05 425 770 -344.8 -81.13

9.06 0.50 0.57 -0.07 -14.00 896 840 56.2 6.27

11.06 0.63 0.52 0.11 17.46 732 906 -174.3 -23.81

13.06 0.25 0.45 -0.20 -80.00 1258 970 287.6 22.86

15.06 0.50 0.37 0.13 26.00 573 1033 -459.8 -80.24

17.06 0.25 0.28 -0.03 -12.00 1464 1094 370.0 25.27

Я“ = 12,76 ехр(-0,0003354Я,2,8626 ) -

- 3,7828ЯГ0,4047 ехр(-0,2121ЯД0,7734 );

Ж, = 7,7324 ехр(-0,02505Я ) -

- 3,4987Нх°'ош ехр(-0,09428Нх ).

Закономерности изменения плотности ри, и влажности древесины в свеже-срубленном состоянии Ж также оказались почти одинаковыми. Данные (табл. 3) позволили получить для ели следующие формулы:

р£' = 469,57 ехр(+0,3145Я/’2082 ) -

- 2,464\НХ ехр

+1,0815 10_8ЯХ8,5І78;

• плотность абсолютно сухой

древесины

р0 = 227,46 ехр(-0,06687#д 2,4744 ) +

+ 129,669# 0 8318 ехр

+ 68,3065#,'0,09969 ;

• базисная плотность древесины

рб = 229,57 ехр(-1,1035 • 10~6 #г5,0284 ) +

+116,160# г 0,9900 ехр

84,1368#д 0,2372 ;

• влажность древесины до воздушно-сухого состояния

1Гяг = Ш - IV, = 85,48 +

,74«

+ 0,001196#Л.5,7439 ехр(-0,2986#х).

Параметры коры изменяются по высоте ствола так (табл. 4):

• толщина коры

\ = 0,623 ехр

• плотность коры рЛ.-339,60ехр

Из данных табл. 4 видно, что моделирование параметров коры выполняется с малой доверительной вероятностью. Это происходит из-за невысокой точности замера толщины коры и трудности измерения плотности частиц коры. Поэтому формулы (11) и (12) имеют простейше ю структуру: толщина коры уменьшается с высотой сечения ствола по закону гибели, а ее плотность увеличивается по закону экспоненциального роста.

Далее рассмотрим энергетические показатели древесины и коры.

Удельная сила древесины по сечениям ствола изменяется по формуле

Ях р, = 62,308 ехр(-4,0193 • 10'6 Нх 4,3206 ) +

+ 18,3206#д 1,0788 ехр

А р = 1,4025 ехр(-0,4502# ) +

+ 2,7850#д 0,3290 ехр(-0,04459#Л ).

Таблица 5

Изменение удельной силы свежесрубленной ели по высоте ствола, кг/м2

Высота По древесине По коре

Нх, м л л К, р л сГ (К є чо о4 <1 Л А /г/о рл. л. К<РКХ є г? <1

0.06 59.54 63.17 -3.63 -6.10 2.39 2.47 -0.08 -3.35

1.06 72.37 70.95 1.42 1.96 3.23 3.58 -0.35 -10.84

1.36 73.42 71.23 2.19 2.98 4.31 3.66 0.65 15.08

3.06 64.60 67.86 -3.26 -5.05 3.74 3.86 -0.12 -3.21

5.06 63.27 64.01 -0.74 -1.17 3.78 3.93 -0.15 -3.97

7.06 58.36 61.74 -3.38 -5.79 3.23 3.93 -0.70 -21.97

9.06 69.76 59.14 10.62 15.22 4.48 3.86 0.62 13.84

11.06 55.41 54.76 0.65 1.17 4.61 3.76 0.85 18.44

13.06 41.98 47.74 -5.76 -13.72 3.15 3.63 -0.48 -15.24

15.06 39.08 38.05 1.03 2.64 2.86 3.47 -0.61 -21.33

17.06 27.60 26.76 0.84 3.04 3.66 3.81 0.35 9.56

Сила накопленной древесины и коры в зависимости от высоты сечения спила определились следующими статистическими моделями (табл. 6): лИх2рх = 22,916 ехр(-0,1004йгд.1,7705 ) +

2,2853Я/2451 ехр(-0,004415ЯЛ2,3709 ); 2пКх1),.р,.х = 1,8220 ехр(-0,02060ЯЛ 2,6467 ) +

+ 0,4704ЯЛ.0,8158 ехр

Переход от удельной силы древесины по формуле (13) : измерению энергетической силы древесины по формуле (15) уменьшило максимальную относительную погрешность от 15,22 % до 10,63 %. Для коры свежесрубленной ели этот переход привел к смещению максимальной относительной погрешности к вершинке дерева.

Таблица 6

Изменение энергетической силы ели по высоте ствола, кг/м

Высота По древесине По коре

Нх, м л 2 А ЯЙл рл. яД,2р, е А,% АЛЛ 2яКх Икх рл1 2 пК х ккх рлл е А, %

0.06 22.82 22.97 -0.15 -0.66 1.84 1.86 -0.030 -1.63

1.06 23.30 22.95 0.35 1.50 2.08 2,28 -0.192 -9.23

1.36 22.49 22.60 -0.11 -0.49 2.64 2.34 0.296 11.21

3.06 19.28 19.71 -0.43 -2.23 2.24 2.38 -0.144 -6.43

5.06 18.88 17.90 0.98 5.19 2.26 2.08 0.176 7.79

7.06 15.80 17.48 -1.68 -10.63 1.74 2.06 -0.312 -17.93

9.06 17.53 15.80 1.73 9.87 2.26 2.06 0.210 9.29

11.06 11.53 12.23 -0.70 -6.07 1.92 1.80 0.128 6.67

13.06 7.58 7.95 -0.37 ^.88 1.14 1.32 -0.178 -15.61

15.06 4.60 4.33 0.27 5.87 0.68 0.80 -0.112 -16.47

17.06 2.17 1.97 0.20 9.22 0.58 0.38 0.202 34.83

Таблица 7

Изменение энергетики сечения ствола по высоте ели

Высота Удельная сила роста, Н/м Энергетическая сила роста, Н

Нх, м А Р Р 8 С4 < Л Р Р 8 А, %

0.06 61.93 66.45 -4.52 -7.30 24.66 24.71 -0.05 -0.20

1.06 75.60 74.94 0.66 0.87 25.38 24.51 0.87 3.43

1.36 77.73 75.23 2.50 3.22 25.39 24.41 0.98 3.86

3.06 68.34 70.82 -2.48 -3.63 21.52 23.44 -1.92 -8.92

5.06 67.05 66.97 . 0.08 0.12 21.14 21.64 -0.50 -2.37

7.06 61.59 65.19 -3.60 . -5.85 17.54 19.26 -1.72 -9.81

9.06 74.24 62.96 11.28 15.19 19.79 16.41 3.38 17.08

11.06 60.02 58.79 1.23 2.05 13.44 13.20 0.24 1.79

13.06 45.13 51.76 -6.63 -14.69 8.72 9.71 -0.99 -11.35

15.06 41.95 41.68 0.27 0.64 5.26 6.03 -0.77 -14.64

17.06 31.26 29.58 1.68 5.37 2.75 2.25 0.50 18.18

Таблица 8

Изменение энергетики сечения ствола по высоте ели

Высота Сила роста ствола, 9 Х 1016 Н Зольность древесины, %

Нх, м А Р Р е А, % ,4 Jo* ^0, е хС О4 <1 _|

0 - - - - 0.415 0.405 0.010 2.41

0.06 24.66 25.15 -0.49 -1.99 0.385 0.31. л -0.014 -3.64

1.06 25.38 24.70 0.68 2.68 0.395 0.346 0.049 12.41

1.36 25.39 24.50 0.89 3.51 0.300 0.344 -0.044 -14.67

3.06 21.52 23.02 -1.50 -6.97 0.350 0.370 -0.020 -5.71

5.06 21.14 20.74 0.40 1.89 0.400 0.357 0.043 10.75

7.06 17.54 18.10 -0.56 -3.19 0.280 0.315 -0.035 -12.50

9.06 - - - - 0.310 0.293 0.017 5.48

11.06 13.44 12.15 1.29 9.60 0.285 0.307 -0.022 -7.72

13.06 8.72 9.00 -0.28 -3.21 0.365 0.352 0.013 3.56

15.06 5.26 5.81 -0.55 -10.46

17.06 2.75 2.63 0.12 4.36

Совместный учет энергетики древесины и коры еще более повышает точность статистического моделирования. Одновременно упрощается конструкция статистических моделей (табл. 7):

Р = КХ Р, +^ркх =

= 65,953 ехр

+ 24,6995Я,1,3675 ехр(-1,0290Я,);

Р = пЯх(Яхрх + 2к!)Хр,;<) =

= 68,389ехр(-0,002579ЯЛ.1,7764)-43,679. (18) Из табл. 7 видно, что остаток значителен только в одной точке на высоте сечения 9,06 м. После исключения этого наблюдения была получена формула

Р = 68,804 ехр(-0,006088Я,1,4723) - 43,648,

данные по которой приведены в табл. 8. Здесь же приведена зольность древесины, которая изменяется по зависимости 50а. = 0,4050 ехр(-0,2492Яг) +

+ 0,04767ЯЛ.2,6585 ехр

+ 0,004542Я/6523, аналогичной изменению плотности древесины (точнее - плотности абсолютно сухой древесины).

При изменении плотности р0 абсолютно сухой древесины на различных высотах сечений от 288 до 446 кг/м3 получена формула пропорциональной связи зольности с плотностью в виде

=0,3827-0,0001131р0.

С увеличением плотности древесины ее зольность уменьшается.

Исследования показали, что энергетические показатели древесины, коры, а также древесины с корой по сечениям ствола на различных высотах позволяют оценивать перспективу роста как исследуемого дерева (при выполнении экспериментов неразрушающими методами), так и качества древостоя и лесной экосистемы. По-видимому, анализ волновой динамики удельной силы и силы роста ствола дерева позволит проанализировать экологический режим и состояние (в момент таксации) среды места произрастания данного дерева.

Литература

Мазуркин П.М., Колесникова A.A. Моделирование в биометрии, экологии и природопользовании. Примеры для практических занятий и НИРС. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1998.-52 с.