О взаимосвязи влияния топографии анатомических элементов на показатели плотности и прочности древесины

О взаимосвязи влияния топографии анатомических элементов на показатели плотности и прочности древесины

А.М. АНТОНОВ - старший преподаватель кафедры лесного хозяйства, кандидат сельскохозяйственных наук;

Д.Ю. КОНОВАЛОВ - старший преподаватель кафедры лесного хозяйства, кандидат сельскохозяйственных наук;

Д.Е. ЧАЛЫХ - ассистент кафедры лесного хозяйства (Архангельский государственный технический университет);

С.А. КОРЧАГОВ - директор Вологодского лесного научно-инновационного консалтингового центра Вологодской государственной молочно-хозяй-ственной академии им. В. Верещагина, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

В статье раскрывается вопрос о влиянии типа леса и подзоны тайги на качественные характеристики древесины сосны на примере плотности и прочности древесины и ее макростроения. Сделан вывод о том, что плотность и прочность древесины в целом зависят не только от доли поздней зоны, но и от ее микроскопического строения. Комплексным определяющим показателем плотности может явиться частное отношение диаметра трахеиды к ее стенке и процента поздних трахеид годичного слоя.

Ключевые слова: трахеиды; плотность древесины; анатомическое строение древесины; предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон; оптикодиги-тальное устройство

Прочность древесины при сжатии вдоль волокон является одним из показателей, хорошо коррелируемых с плотностью. Эта зависимость отмечена многочисленными исследованиями1.

В некоторых работах2 отмечено колебание показателя предела прочности при сжатии вдоль волокон древесины одной породы на фоне постоянства ее плотности, что связано с рядом ле-соводственных факторов.

Изменения в строении древесины в связи с условиями роста носят количественный характер. Условия произрастания оказывают влияние на размеры и форму анатомических элементов, толщину их стенок, соотношение объемных показателей, характер распределения в древесине механических, водопроводящих и запасающих тканей3. О.И. Полубояринов, исследуя географическую изменчивость плотности древесины, пришел к выводу, что фактор широты и долготы может влиять на плотность лишь в той степени, в какой он отражает разницу в почвенных условиях, количестве осадков, продолжительности сезона вегетации4.

В то же время взаимосвязь между прочностью древесины и ее плотностью не всегда пря-

Строение и физико-механические с

мопропорциональна. Возможно, это объясняется структурной организацией годичного слоя и анатомических элементов (диаметра и толщины клеточных оболочек трахеид)5. Оба параметра изменяются в течение вегетационного периода (может меняться само число рядов трахеид, как ранних, так и поздних).

Сравнительный анализ опубликованных О.И. Полубояриновым, Р.Б. Федоровым6 данных позволяет сделать вывод о том, что древесина сосны в лесных культурах Архангельской области по базисной плотности уступает древесине, выращенной на территории Вологодской области, то есть в более благоприятных климатических условиях. Различия по данному показателю составляют 5%. К аналогичному выводу пришли Л.Н. Исаева, В.Л. Черепнин7 при исследовании культур в различных районах Сибири и Р.Б. Федоров8 при изучении естественных сосняков на территории Карелии.

Наши исследования, проведенные в период 2005-2006 гг. в культурах сосны Ш-М классов возраста на территории Архангельской и Вологодской областей, показали следующие результаты (табл. 1).

Таблица 1

'йства древесины сосны в культурах

Показатель Сосняк

лишайниковый брусничный черничный

подзона тайги различие t9 подзона тайги различие t подзона тайги различие t

северная южная северная южная северная южная

Ширина годичного кольца, мм 0,5810 0,80 0,22" 27,5 3,5 0,74 1,03 0,29 28,2 3,8 1,04 1,25 0,21 20,2 2,4

Коли ч еств о годичных слоев в 1 см, шт. 18,26 13,23 5,03 27,5 6,9 13,87 10,11 3,76 27,1 4,4 10,00 8,10 19 23,5 2,5

Содержание поздней древесины, % 28,69 29,75 1,06 3,6 0,5 29,01 29,35 0,34 1,2 0,3 30,46 31,89 1,43 4,5 0,9

Плотностьпри влажности 12%, кг/м3 540 520 20 3,7 0,7 520 540 20 3,7 2,0 490 520 30 5,8 1,3

Предел прочности при сжатии вдоль волокон, МПа 49,9 49,9 0 - 51,3 51,3 0 - 46,3 49,6 3,3 6,7 2,3

Для осуществления новой технологии изучения элементов макроструктуры древесины на образцах в виде кернов разработана экспериментальная система изучения строения древесины, состоящая из оптико-дигитального устройства для изучения строения древесины и компьютерной программы «№меритель», позволяющая повысить точность измерений элементов макроструктуры древесины, снизить трудоемкость процесса, архивировать результаты, создавать базы данных изображений кернов для последующих древесиноведческих исследований и дендрохронологии независимо от времени и без сохранения натурных образцов12.

Географическое положение объектов оказывает влияние на качественные показатели древесины. Это влияние наиболее четко прослеживается на примере содержания поздней древесины, ширины годичного слоя и количества годичных слоев в 1 см. Процентное содержание поздней древесины и ширина годичного слоя в изучаемых типах леса максимально в южной подзоне тайги. А число годичных слоев в 1 см наоборот имеет максимальное значение в северной подзоне, и с продвижением на юг данный показатель уменьшается.

Наши данные доказывают, что процентное содержание поздней зоны по всем типам леса возрастает, хотя и различия между вариантами не достоверны (t = 0,3-0,9). Подобную картину в своих исследованиях наблюдали П.Н. Львов, Л.Ф. Ипатов13 в ельниках черничных, произрастающих на разных широтах. Отметим, что на повышение процентного содержания поздней древесины с улучшением условий роста указывают А.А. Качалов14, И.С. Мелехов15, Б.Д. Жил-кин16, Т.А. Мелехова17 и др.

Поздняя древесина имеет большую плотность, чем ранняя. Этот факт в конечном итоге позволяет утверждать, что увеличение плотности древесины происходит при повышении содержания в ней поздней зоны. По данным О.И. Полубояринова, коэффициент корреляции между этими показателями для различных регионов России изменяется в пределах 0,70-0,75. В нашем случае при продвижении в южном направлении также происходит повышение плотности древесины (табл. 1). Лишь в сосняке лишайниковом наблюдается понижение

плотности. Возможно, в малопродуктивных типах леса на первый план выходит не содержание поздней древесины, а характер ее анатомического строения. Подтверждением этому могут быть результаты В.Е. Москалевой18, в которых образцы древесины с большей толщиной стенок поздних трахеид имели больший предел прочности при сжатии вдоль волокон, чем у образцов с меньшей толщиной стенок (процент поздней древесины в обоих случаях был примерно одинаковый). Этого же мнения придерживается и ГА. Чибисов19, по его словам «прочность древесины в целом зависит не только от доли поздней зоны, но и от ее микроскопического строения - толщины клеточных оболочек, объема пустот, соотношения между объемом либриформа, сосудов и паренхимы».

Поскольку в широтном направлении происходит незначительное колебание плотности, то прочностные показатели или не меняются вовсе (сосняк лишайниковый и брусничный) или изменяются в небольших пределах (сосняк черничный). Достоверных различий между показателями плотности и прочности установить не удалось ^ = 0,7-2,3). Такие результаты мы также склонны относить к особенностям анатомического строения древесины. Косвенным подтверждением этому может служить еще и тот факт, что одним и тем же значениям плотности в разных типах леса и подзонах соответствуют различные значения прочности. Известный интерес в этом отношении представляет гипотеза Э. Майра20 об оптимальных условиях роста древесных пород. Он считал, что для каждой древесной породы существуют оптимальные климатические и почвенные условия, при которых достигается наивысшая крепость древесины. Это происходит вследствие изменений в анатомическом строении древесины - изменений в соотношениях между тонкостенными и толстостенными элементами древесины, между размерами полостей и толщиной стенок механических волокон. Э. Майр полагал, что сопротивление сжатию должно уменьшаться в обе стороны от оптимума.

В целом же увеличение плотности древесины вызывает повышение ее устойчивости к механическим нагрузкам, что наиболее наглядно прослеживается в черничном типе условий местопроизрастания, где колебания плотности и,

соответственно, прочности по подзонам максимальны (табл. 1).

Следует отметить, что наши выводы распространяются только для сосняков таежной зоны Европейского Севера.

Проводящую и механическую функцию древесины хвойных пород выполняют трахеиды. У всех хвойных пород они имеют форму вытянутых волокон с одревесневшими стенками и кососрезанными окончаниями. В поперечном сечении (рис. 1, 2) форма трахеид может быть близкой к прямоугольной форме, квадратной, а у лиственницы - пяти- или шестиугольной21.

ш

Рис. 1. Форма трахеид в поперечном сечении: а - круглая форма; б - форма, близкая к прямоугольной; в - пятиугольная форма; г - квадратная форма; д - овальная форма

Трахеиды подразделяют на ранние (крупнополостные с относительно тонкими стенками), формирующие ранний слой древесины годичного кольца, и поздние (с малыми полостями и толстыми стенками), формирующие поздний слой древесины годичного кольца. Поскольку поздняя древесина примерно в 2,5 раза плотнее ранней, основное влияние на плотность и прочность оказывают трахеиды позднего слоя годичного кольца.

По мнению О.И. Полубояринова, при помощи одной величины, представляющей определенную характеристику анатомических элементов хвойной древесины, нельзя доказательно объяснить количественного процента вариаций плотности. Окончательно не выявлено, какое влияние оказывает на плотность форма поперечного сечения трахеид, исследований в этом направлении проведено недостаточно и данные противоречивы.

Изменение продолжительности и интенсивности воздействия климатических факторов отражается на параметрах анатомических элементов, анатомического строения древесины и, следовательно, ее плотности. Многие исследователи считают, что плотность древесины хвойных пород определяется, в первую очередь, содержанием поздней зоны. По мнению финских авторов, содержание поздней зоны древесины объясняет от 40 до 70% всех колебаний плотности22. Большинство исследователей данного вопроса придерживается того мнения, что плотность древесины хвойных пород выше на плохих

местообитаниях, чем на хороших. А в северном полушарии плотность древесины, при прочих равных условиях, с продвижением с севера на юг увеличивается.

Плотность древесины имеет тесную связь с толщиной стенки поздних трахеид. По данным исследований А.Р. Родина23, на плотность древесины основное влияние оказывает показатель отношения диаметра трахеид к толщине ее стенки. С уменьшением этого показателя плотность древесины увеличивается. При этом существенное влияние на плотность древесины оказывает процент поздних трахеид годичного слоя.

Таким образом, можно сделать вывод, что комплексным определяющим показателем плотности может явиться частное отношение диаметра трахеиды к ее стенке и процента поздних трахеид годичного слоя. Чем меньше величина, тем выше плотность древесины. Принимая величину за О, получаем:

О = 0/с1/Р,

где 0 - диаметр трахеиды; d - толщина стенки трахеиды; Р - процент поздних трахеид годичного слоя древесины.

Расположение трахеид не имеет строгой модели. Трахеиды каждого вертикального слоя проникают между трахеидами предыдущего и последующего вертикальных слоев, также тра-хеиды имеют разную длину в пределах одного слоя.

Рассмотрим механические модели расположения поздних трахеид в годичном слое модели А, Б (рис. 3), у которых величина О имеет одно и то же значение (0/С(А) = 0/С(Б) = 2; равный процент поздних трахеид годичного слоя. Соответственно, получим равную величину плотности при разных размерах поперечного сечения трахеид (для упрощения расчетов остановили выбор на круглой форме поперечного сечения трахеид).

Шо

Модель А с показателями: Модель Б с показателями: 0 = 4; с1 = 1; Р = 20 0 = 2; с1 = 0,5; Р = 20

0/с1/Р(А) = 0/с1/Р(Б) = 0,2

Рис. 3. Механические модели расположения поздних трахеид в годичном слое

Следуя зависимости: ощ = Ртах/

где от - предел прочности при сжатии вдоль волокон; Ртах - максимальная нагрузка; а - ширина образца; Ь - длина образца, величина предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон зависит от площади. У моделей А и Б эти показатели равны.

Рис. 2. Поперечный срез древесины сосны

S = Зг2,

где Б - площадь круга; г - радиус.

^ = З

где - площадь стенки трахеиды; г2 -радиус сечения трахеиды; г3 - радиус сечения полости трахеиды.

^(А) = 33; S1(Б) = 0,753

Sо = S16>

где Бо - общая площадь стенок трахеид; I - количество трахеид.

^а) = 339;ЭО^ = 0,75336

Sо(А) = Sо(Б) = 273

Можно полагать, что наряду с плотностью древесины величина предела прочности при сжатии вдоль волокон имеет взаимосвязь с рядом других факторов (количество трахеид, сила трения при скольжении трахеид относительно друг друга, определенное количество межклеточного вещества, внутриклеточное давление, структура оболочек клеточной стенки (радиальная, концентрическая), величина одревеснения вторичной оболочки Б2 клеточной стенки).

Такой подход требует экспериментальных подтверждений и проведения специальных исследований в этом направлении.

| ПРИМЕЧАНИЯ

1 См.: Коперин Ф.И. Зависимость строения и физико-механических свойств древесины хвойных пород от лесо-растительных условий // Тр. АЛТИ. Архангельск, 1955. Т. XVI; Петруша А.К. Технические свойства древесины основных пород БССР. Минск, 1959. Вихров В. Е. Технические свойства древесины в связи с типами леса. Минск, 1963; Полу-бояринов О.И. Обоснование выбора древесных пород при выращивании древесины как сырья для целлюлозно-бумажной промышленности // Лесоводство, лесные культуры и почвоведение: Межвуз. сб. науч. тр. Л., 1990. С. 63-67. Щекалев Р.В. Радиальный прирост и качество древесины сосны обыкновенной в условиях атмосферного загрязнения. Екатеринбург, 2006.

2 См.: Жилкин Б.Д. К вопросу о влиянии условий местопроизрастания на анатомическое строение, физические и механические свойства древесины сосны // Тр. брянск. лесн. ин-та, 1936. Т. 1; Качалов А.А. Качество древесины сосны Пинежско-Кулойского водораздела // Лесное хозяйство и лесоэксплуатация. 1936. № 8. С. 45; Мелехов В.И. Устройство для изучения строения и качества обработки древесины // Информационный листок № 04-003-06. Архангельск, 2006; Леонтьев Н.Л. Таблицы физико-механических свойств древесины древесных пород СССР // Техн. бюлл. ЦНИИМОД. 1940. № 17(30); Калниньш А.И. Связь свойств древесины с условиями произрастания // Тр. Ин-та леса АН СССР, 1949. Т. 4; Щекалев Р.В. Радиальный прирост и качество древесины сосны обыкновенной в условиях атмосферного загрязнения.

3 См.: Вихров В.Е. Технические свойства древесины в связи с типами леса.

4 См.: Полубояринов О.И. Обоснование выбора древесных пород при выращивании древесины как сырья для целлюлозно-бумажной промышленности.

5 См.: Kellomäki S. On geoclimatic variation in basic density of Scots pine wood // Silva Fenn. 1919. V. 13. № 1.

6 См.: Федоров Р.Б. Зональная изменчивость плотности древесины сосняков черничного типа леса в Карельской АССР / Р.Б. Федоров // Лесоводство, лесные культуры и почвоведение: Межвуз. сб. науч. тр. Л., 1981. Вып. 10.

I См.: Исаева Л.Н. Качество древесины географических культур сосны обыкновенной в Средней Сибири // Лесоведение. 1988. № 2.

8 См.: Федоров Р.Б. Зональная изменчивость плотности древесины сосняков черничного типа леса в Карельской АССР.

9 Приведены средние значения по пробным площадям.

10 Показатель достоверности различий (t >3 - различие достоверно; t < 3 - различие не достоверно).

II В числителе - фактическая разность, в знаменателе - выраженная в процентах.

12 См.: Мелехов В.И. Устройство для изучения строения и качества обработки древесины.

13 См.: Львов П.Н. Лесная типология на географической основе. Архангельск, 1916.

14 См.: Качалов А.А. Качество древесины сосны Пинеж-ско-Кулойского водораздела.

15 См.: Мелехов В.И. Устройство для изучения строения и качества обработки древесины.

16 См.: Жилкин Б.Д. К вопросу о влиянии условий местопроизрастания на анатомическое строение, физические и механические свойства древесины сосны.

11 См.: Мелехова Т.А. Формирование годичного слоя сосны в связи с лесорастительными условиями // Труды Ар-ханг. лесотехн. ин-та. Архангельск, 1954. Т. 14.

18 См.: Москалева В.Е. Строение древесины и его изменение при физических и механических воздействиях. М., 1957

19 См.: Чибисов Г.А. К проблеме формирования хозяйственно-ценных насаждений // Вопросы таежного лесоводства на Европейском Севере: Сб. науч. тр. Архангельск, 2005.

20 См.: Майр Э. Методы и принципы зоологической систематики. М., 1956.

21 См.: Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: Учеб. для лесотехнических вузов. М., 2002.

22 См.: Hakkila P. Geographical variation of some properties of pine and spruce pulpwood in Finland // Commun. Inst. For. Fenn. 1968. 66.8; Hakkila P. Kanto-ja juuripuum kuoriprosentti, puuaineen tiheys ja asetoniuutteiden määrä // Folia Forest. 1915. № 224; Hakkila P. Wood density survey and dry weight tables for pine, spruce and birch stems in Finland // Metsäntutki nuslaitoksen julkaisuja. 1919. 96.3; Kellomäki S. On geoclimatic variation in basic density of Scots pine wood // Silva Fenn. 1919. V. 13. № 1; Kellomäki S. Puuston tiheyden vaikutus puiden ok-sikkuutentaimikko - ja riukuvaineen männikoissa // Folia Forest. 1981. 418.

23 См.: Родин А.Р. Особенности анатомического строения годичного слоя древесины сосны в культурах // Лесная геоботаника и биология древесных растений: Тульск. поли-техн. ин-т. Вып. 4. 1918. H