CC BY
41
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 674.03:634.958
ГИДРО- И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДРЕВЕСИНЫ ГЛАВНЫХ И КУСТАРНИКОВЫХ ПОРОД ЗАЩИТНЫХ ЛЕСОНАСАЖДЕНИЙ СТЕПНОЙ ЗОНЫ
С.В. Обельцев, соискатель А.И. Густова, кандидат сельскохозяйственных наук Д.К. Терехина, кандидат сельскохозяйственных наук
ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации
Изучены гидро- и теплофизические свойства древесных тканей главных и кустарниковых пород, позволяющие обосновать ассортимент и улучшить таксационные характеристики растений, используемых в защитных насаждениях степной зоны.
Ключевые слова: изотерма капиллярного испарения, потенциал влагопереноса, функциональная влажность, теплоемкость древесины.
Мелиоративные свойства защитных лесных насаждений (ЗЛН) и определяющие их таксационные характеристики (высота, диаметр, полнота и запас, сомкнутость крон) зависят от взаимодействия древесинного вещества ствола с водой, его химического состава, тонкой структуры клеточных стенок, капиллярных явлений [6]. Результаты исследований взаимосвязи этих факторов вскрывают причины различий устойчивости ЗЛН, определяют возможности увеличения эффективности влияния лесных полос на прилегающие к ним агроценозы.
Исследования влагопереноса и тепловых свойств древесины кустарниковых пород четырех видов сосен проводились нами в ЗЛН степной зоны Волгоградской области. Образцы древесины отбирали в период вегетации в 10-кратных повторностях из центральной части заболонной и ядровой древесины. Также исследовали древесину проводящих корней и ассимиляционного аппарата.
Ранее В.Д. Шульгой, А.Г. Перехоженцевым и др. [7] было выявлено, что живая (свежесрубленная) древесина исследуемых пород имеет определенный предел насыщения и функциональную влажность, а изотерма капиллярного испарения (ИКИ) от полного насыщения имеет конкретный видоспецифичный вид. ИКИ является важной составной частью модели капиллярно-пористого материала для расчетов влагопереносных свойств древесины.
Вплоть до влажности воздуха, равной 77 %, различий в равновесной влажности древесины между всеми образцами изученных пород нет, так как в них нет свободной влаги. Существенные отличия появляются при влажности воздуха выше 77 % (табл. 1), а наибольшие они
при полной влагоемкости (ПВ), которая достигалась при вакуумировании образцов, и принималась за 100 % (или р/р8 = 1). Остальные точки изотермы десорбции были получены при длительной выдержке образцов древесины в эксикаторах над насыщенными растворами известных солей при температуре 20 °С до достижения ими равновесного влагосодержания [1, 5, 8].
По изотерме был рассчитан потенциал влагопереноса, который позволяет идентифицировать элементы гидрофизической системы и обеспечить более полное описание состояния воды в древесине в любом диапазоне ее влагосодержания. Также была установлена граница влажности древесины, ниже которой наступает угнетенное состояние (0,5 от величины полного насыщения древесины).
Таблица 1 - Значения изотермы капиллярного испарения древесины
некоторых пород
Порода Равновесная влажность древесины (%) при относительном давлении пара (p/ps)*
0,14 0,33 0,54 0,77 0,92 0,98 1,0
Карагана древовидная 16 ТА 10.9 18.1 69.5 114.4 150.8
(Caragana arborescens Lam.) 3,6 7,3 10,6 17,5 36,7 58,1 92,9
Скумпия кожевенная 16 2А 10.9 18.1 37.5 72.0 104.9
(CotinuscoggygriaScop.) 3,6 7,3 10,6 17,5 32,4 44,3 77,1
Жимолость татарская 16 7А 10.9 18.1 37.3 66.2 101.0
(LoniceratataricaL.) 3,6 7,3 10,6 17,5 36,1 56,0 87,4
Можжевельник казацкий 16 2А 10.9 18.1 28.5 139.1 174.1
(JuniperussabinaL.) 3,6 7,3 10,6 17,5 28,0 92,4 137,0
Сосна обыкновенная 4^8 6,6 10.2 17.9 31.6 148.9 184.6
(PinussylvestrisL.)* * 5,5 6,8 9,7 15,2 18,7 53,8 84,6
Сосна желтая (Pinus 5J 92 14.7 18.2 27.8 133.2 168.0
ponderosa Dougl. Et Laws.) 4,3 5,7 9,2 16,5 26,5 96,3 118,0
Сосна крымская 4J) 6^ 10.3 18.5 26.1 128.9 157.2
(Pinus pallasiana D. Don)** 5,0 6,7 10,2 18,2 36,1 130,3 157,9
Сосна сибирская 4^8 6^ 10.3 18.2 28.2 180.0 226.9
(PinussibiricaDuT our) 5,3 6,7 9,7 16,3 25,8 115,0 141,5
*р/рв - давление пара соответственно при данной влажности воздуха и при полном насыщении воздуха влагой и температуре 20°С; ** - данные В. Д. Шульги, 2002 г.; ***числитель - заболонь, знаменатель - ядро.
Для сосны обыкновенной таким порогом является влажность 92 % заболони (потенциал влагопереноса достигает - 6,8 МПа) и 42 % (-5,2 МПа) для ядра. В этом случае потенциал влагопереноса (в абсолютных величинах) ядра ниже, чем заболони, поэтому по градиенту
давления жидкости может происходить дотация влаги из ядра. Похожая картина наблюдается и у сосны желтой. У сосны крымской и сосны сибирской при влажности 0,5ПВ потенциал ядра выше потенциала заболони. Это породы-акцепторы по функции ядра во влагообмене. Породы-доноры боле перспективны для введения в ЗЛН засушливого региона.
Однако, влажность ядра и заболони, встречающаяся в природе далека от оптимальных значений, теоретически рассчитанных нами. Зачастую влажность заболони соответствует 0,7-0,8ПВ, а ядра только 0,2-0,4ПВ. Соответственно изменяются и потенциалы влагопереноса. При таких условиях даже у пород-доноров осуществляется отток влаги из заболони в ядро.
Четкие различия потенциалов влагопереноса сосны желтой и сибирской объясняют межвидовые различия данных пород по засухоустойчивости. Низкий потенциал сосны обыкновенной и желтой, а также наличие мощных корневых систем, способных подавать воду из глубоких горизонтов почвогрунта позволяет данным породам существовать на почвах более тяжелого гранулометрического состава. Напротив, заболонная древесина сосны сибирской с высоким потенциалом влагопереноса не обеспечивает потребности породы во влаге в условиях степи.
Эндемичный вид степи Волгоградской обл. - можжевельник казацкий - имеет практически равные потенциалы влагопереноса (для заболони -1,3 МПа и для ядра -1,2 МПа) в диапазоне достаточной влажности древесины 0,9ПВ (при влажности заболони 157 % и ядра 123 %). Потенциал влагопереноса древесины заболони при 0,5ПВ составляет -6,1 МПа, ядра -7,7 МПа. Это означает, что в естественных условиях (0,5ПВ древесины) поток влаги направляется в сторону ядра, которое в этом случае является акцептором влаги, и это ухудшает водный режим растения. Трудность водообеспеченности меристемы и заболони данной породы наблюдается во всех диапазонах влажности. Это служит объективным основанием исключения можжевельника из ассортимента защитных лесных насаждений, создаваемых на зональных почвах. С другой стороны, данные свойства объясняют его участие в ассортименте древесных пород для ЗЛН Волгоградской обл. - на более легких почвах или достаточного увлажнения. Растение физически не сможет противостоять высокой сосущей силе почвы тяжелого гранулометрического состава в засуху.
На основании полной влагоемкости были получены диапазоны функциональной влажности древесных тканей исследуемых пород, необходимые для анализа, контроля и прогноза состояния главных
пород в засуху, а также для противопожарной оценки древостоев. Полная влагоемкость древесины, когда все капилляры и поры заполнены водой и оптимально выполняют функцию влагообеспечения растения, указывает на потенциальные возможности породы, сформированные в процессе филогенеза. Диапазоном благоприятного роста считается 0,9-0,8 ПВ, достаточного влага содержания 0,8-0,6 ПВ, напряженного 0,6-0,5 ПВ, критического - ниже 0,5 ПВ [8].
Таблица 2 - Динамика влажности древесины сосен в разные годы
наблюдений в скобках указана доля от полной влагоемкости)
Порода Год Влажность, %
Заболонь -Ядро Корень Хвоя
Pinus sylvestris L. 2006 128 (0,7) 33 (0,4) 135 (0,6) 179 (0,9)
2007 107 (0,5) 31(0,3) 117(0,5) 156 (0,8)
Pinus ponderosa Dougl. Et Laws. 2006 118 (0,7) 39 (0,3) 100 (0,5) 163 (0,9)
2007 104 (0,6) 37 (0,3) 115 (0,6) 152 (0,8)
Pinus pallasia-na D. Don 2006 88 (0,6) 41 (0,2) 134 (0,5) 140 (0,8)
2007 94 (0,6) 55 (0,3) 112 (0,4) 128 (0,7)
Pinus sibirica Du Tour 2006 142 (0,6) 46 (0,3) 102 (0,5) 199 (0,9)
2007 170 (0,7) 41 (0,3) 40 (0,2) 147 (0,7)
У сосны обыкновенной (табл. 2) при влажности заболони 128 % (0,7ПВ), а ядра 33 % (0,4ПВ) потенциал влагопереноса составляет -4,0 МПа и -7,4 МПа соответственно. В этом случае ядро по градиенту влажности будет оттягивать влагу из заболони. При средней доли заболони 0,25, а ядра 0,75, очевидно, что количество доступной влаги в заболони составляет очень малую долю. Это неблагоприятно сказывается на устойчивости данного дерева и древостоя в целом. У остальных сосен наблюдается аналогичная картина.
Наибольшая влажность наблюдается в весенний период, наименьшая - в конце лета. У сосны желтой разница между сезонами в заболони достигает 40 %, а у сосны крымской - почти 60 %, у других пород колебания составляют 20-40 %. В тех случаях, когда подача влаги из почвы невозможна, дерево начинает расходовать влагу из заболони [8]. Даже в засушливый период хвоя имеет оптимальную и достаточную влажность, оттягивая влагу из древесины, восполняя транспирационный расход. И только в крайнем случае начинается сбрасывание хвои, как это произошло в 2010 г., когда сосна сбросила двух- и трехлетнюю
хвою. В засуху резерв влаги в древесине полностью отсутствует, и растения могут использовать только катаболическую воду, расходуя запасные питательные вещества, содержащиеся в сердцевинных лучах и смоляных ходах. Это является причиной увеличения объема ядровой древесины и снижения потенциальной устойчивости деревьев.
С учетом площадей, занимаемых заболонью и ядром в стволе кустарниковых растений, рассчитано содержание воды в 1 м3 свежесрубленной древесины в долях от ПВ (табл. 3), в которых она содержится в естественных условиях. Максимальное содержание воды отмечено в древесине можжевельника казацкого, бузины черной, караганы древовидной.
Таблица 3 - Содержание воды (л) в 1 м3свежесрубленной древесины кустарниковых пород при 0,5 ПВ
Порода Заболонь -Ядро Надземная часть
Жимолость татарская 119 162 281
Можжевельник казацкий 216 169 384
Можжевельник обыкновенный 121 161 282
Карагана древовидная 89 214 303
Скумпия кожевенная 104 153 257
Бузина черная 242 78 321
Тамарикс ветвистый 101 180 281
Свежая древесина представляет собой трехфазную систему: древесинное вещество - вода - воздух. Удельная теплоемкость такой древесины складывается из теплоемкости абсолютно сухой древесины и теплоемкости воды, заключенной в ней. Массовая доля воздуха в древесине мала, поэтому в значительной мере на удельную теплоемкость влияет ее увлажнение. Вода имеет в 2,5 раза большую теплоемкость, чем древесинное вещество, поэтому повышение влажности вызывает увеличение теплоемкости [2, 3]. По результатам исследований (табл. 4), нами выделены породы с наибольшей теплоемкостью (при ПВ и 0,5 ПВ).
Таблица 4 - Зависимость теплоемкости (кДж/кгх°С) 1 м3 свежесрубленной древесины от плотности и доли участия в древесине ствола ядра и заболони (числитель - ПВ, знаменатель - 0,5 ПВ)
Показатель Порода
Жимолость татарская Скумпия кожевенная Можжевельни к казацкий Карагана древовидная Сосна обыкновенная Сосна желтая Сосна сибирская Сосна крымская
Заболонь
Плотность (г/см3) 0,670 0,570 0,504 0,395 0,510 0,568 0,340 0,534
Теплоемкость древесины 1086 924 817 640 827 921 551 866
Теплоемкость воды 2833 1402 2505 1241 3671 1835 2497 1240 3949 1964 3994 1997 3231 1622 3509 1766
Суммарная теплоемкость 3919 2488 3429 2165 4488 2652 3137 1880 4776 2791 4915 2918 3782 2174 4375 2632
-Ядро
Плотность (г/см3) 0,571 0,604 0,489 0,479 0,595 0,605 0,490 0,589
Теплоемкость древесины 926 979 793 1080 965 981 794 955
Теплоемкость воды 2079 1052 1947 986 2804 1392 2593 1282 2117 1046 2988 1494 2913 1456 3896 1948
Суммарная теплоемкость 3005 1977 2926 1965 3597 2185 3672 2362 3082 2011 3969 2475 3707 2251 4850 2903
Обезличенная стволовая древесина
Доля участия в древесине ствола (заболонь/ядро) 36 64 35 65 49 51 зо 70 25 75 85 16 55 45 67 33
Средневзвешенна я удельная теплоемкость заболони и ядра 3334 2161 3102 2035 4034 2414 3512 2218 3505 2206 4773 2852 3748 2208 4532 2721
Теплоемкость ствола при соотношении 50x50% заболони и ядра 3462 2233 3178 2065 4043 2419 3405 2121 3929 2401 4442 2696 3744 2212 4613 2767
Наибольшую способность аккумулировать тепло имеет древесина можжевельника казацкого (4034/2414 кДж/кгх°С) и караганы древовидной (3512/2218), сосен желтой (4773/2852) и крымской (4532/2721), эти породы тепло- и светолюбивы. Они могут быть рекомендованы для введения в ЗЛН степи.
Защитные лесные насаждения из пород, обладающих
наибольшей теплоемкостью, вследствие меньшего нагревания ствола и расходования влаги на транспирацию, обладают большей
устойчивостью и могут создавать более эффективные тепловые барьеры на пути вредоносных суховейных ветров, что важно для степного лесоразведения.
Исходя из вышеизложенного видно, что функции древесного ствола как резервуара влаги и водного насоса остаются очень важными во всем диапазоне функциональной влажности. Важнейшая роль отводится интенсивным мерам ухода за древостоем, позволяющим сохранить структуру древесины, близкую к ювенильной - с
минимальным содержанием ядровой ее части. Сохранение влаги в почве снижает сосущий потенциал древесины: в ней работают более крупные поры и непостоянные капилляры, сохраняется высокая оводненность меристемы, а в итоге интенсивно изреженные древостой имеют лучший водный режим и устойчивость. Подбор древесных растений с учетом их различий в содержании влаги в древесине и теплофизическим параметрам позволит реализовать скрытые пока возможности мелиоративных древостоев.
Библиографический список
1. Гидрофизические особенности древесных насаждений на юго-востоке России [Текст] / В.Д. Шульга, В.М. Шишкунов, Д.К. Терехина, А.И. Густова // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2008. - № 3. - С. 29-32.
2. Крамер, Пол Д. Физиология древесных растений [Текст] / Пол Д. Крамер, Т. Козловский. - М., 1983. - С. 366-408.
3. Перелыгин, Л.М. Древесиноведение [Текст] / Л.М. Перелыгин, Б.Н. Уголев. - М., 1971.-286 с.
4. Справочное руководство по древесине [Текст] : пер. с англ. / Я.П. Горелик, Т.В. Михайлова. - М. : Лесн. пром-сть, 1979. - 344 с.
5. Терехина, Д.К. Оценка гидрофизических характеристик древесины для обоснования лесоводственных уходов в защитном лесоразведении [Текст] / Д.К. Терехина, А.И. Густова // Аграрный вестник Урала. - 2007. - № 5. - С. 55-59.
6. Чудинов, Б.С. Вода в древесине [Текст] / Б.С. Чудинов. - Новосибирск: Наука, 1984. -
С. 5-10.
7. Шульга, В.Д. Третий двигатель влагопереноса древесных растений [Текст] / В.Д. Шульга, А.Н. Максимов, А.Г. Перехоженцев // Ведение лесного хозяйства в поймах юго-востока ЕТС: сб. науч. тр. - Волгоград : ВНИАЛМИ, 1991. - Вып. 2 (63). - С. 4-7.
8. Шульга, В.Д. Устойчивость мелиоративных древостоев степных ландшафтов. [Текст] / В. Д. Шульга. - Волгоград: Изд. ВНИАЛМИ, 2002. - 158 с.
E-mail: [email protected]
