Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор по теме исследований 9
Глава 2. Объект и методики исследований 43
2.1 Район исследований 43
2.2 Природно-климатические условия 43
2.3 Объект исследования 46
2.4 Выбор насаждений для исследований 50
2.5 Выбор модельных деревьев 52
2.6 Лесорастительные условия в местах закладки пробной площади 53
2.7 Методика проведения микологических испытаний 54
2.8 Микроскопические исследования 62
2.9 Исследование структуры годичного слоя 66
2.10 Плотность древесины лиственницы 69
Глава 3. Микологические исследования биостойкости древесины лиственницы 70
3.1 Биостойкость древесины лиственницы сибирской из центральной части Средней и Восточной Сибири 70
3.2 Степень и характер разрушения образцов 77
3.2.1 Внешние признаки разрушения 77
3.2.2 Разрушение образцов на микроскопическом уровне 80
3.3 Биостойкость древесины лиственницы из различных эколого-географических условий роста 87
3.4 Влияние на биостойкость лесоводственно-биологических показателей 102
Глава 4. Влияние эколого-географических условий и лесоводственно биологических показателей роста дерева на строение и свойства древесины лиственницы 108
4.1 Микроскопическое строение 108
4.2 Структура годичного слоя 123
4.3 Плотность древесины лиственницы 133
4.4 Влияние лесоводственно-биологических показателей 143
4.5 Оценка качественных характеристик древесины по морфологическим показателям дерева 159
Заключение 161
Библиографический список литературы 163
Введение к работе
Научная проблема: изучить естественную биостойкость древесины
лиственницы сибирской в зависимости от эколого-географических условий
роста дерева и лесоводственно-биологических показателей; выявить
возможность ее использования в экологически чистом виде с длительным
*' сроком службы в конструкциях, сооружениях и других объектах,
работающих в тяжелых условиях эксплуатации. Исследования подобного плана на древесине лиственницы не проводились.
В тоже время в практике работы с древесиной лиственницы установлена очень большая изменчивость срока службы от8-10до30и более лет, что довольно четко проявляется на опорах линий связи и электропередач и других объектах.
Решение проблемы увеличения срока службы древесины лиственницы в экологически чистом виде связано с изучением особенностей ее строения и свойств в связи с условиями роста дерева.
Результаты исследований, полученные при решении этой проблемы, необходимы для проведения дальнейших фундаментальных исследований и использования древесины лиственницы в лесопромышленном, химико-лесном и деревообрабатывающем комплексах с учетом географического региона.
Цель и задачи исследований:
Цель работы - разработка научных основ, обеспечивающих возможность использования древесины лиственницы в экологически чистом виде без химической защиты с длительным сроком службы.
Задачи исследований: 1. Изучить биостойкость древесины лиственницы в зависимости от эколого-географических условий роста дерева.
Определить степень и характер разрушения древесины на клеточном уровне после микологических испытаний с учетом местоположения в стволе.
Определить существование связи между биостойкостью и особенностями ее строения и свойств.
Исследовать влияние лесоводственно-биологических показателей роста дерева (возраст, местоположение в стволе) на биостойкость, микростроение, структуру годичного слоя, плотность древесины.
Научная новизна:
Впервые изучена биостойкость древесины лиственницы сибирской в связи с условиями роста. На большом экспериментальном материале доказано, что высокой стойкостью к разрушению грибом Coniophora cerebella характеризуется древесина лиственницы сибирской, произрастающей в центральной части Средней и Восточной Сибири. Установлено, что древесина лиственницы, сформировавшаяся в различных эколого-географических условиях, значительно различается по микроскопическому строению, структуре годичного слоя, плотности. С ухудшением условий роста дерева эти важные показатели качества древесины снижаются.
Практическая значимость:
Выявлена изменчивость биостойкости, строения древесины лиственницы в зависимости от условий произрастания.
Древесина лиственницы сибирской из центральной части Средней и Восточной Сибири обладает высокой биостойкостью в сравнении лиственницей, произрастающей в других регионах.
Высокие качественные характеристики определяются разницей в показателях микроскопического строения, структуры годичного слоя и степени засмоленности древесины.
Определены критерии оценки биостойкости по морфологическим признакам дерева и макроскопическому строению древесины, что позволит дифференцировать лиственничные древостой по качеству.
Результаты исследований необходимы для разработки теоретических положений в области биологического древесиноведения.
Основные положения, выносимые на защиту:
Древесина лиственницы сибирской, произрастающая в центральной полосе Средней и Восточной Сибири, обладает высокой биостойкостью, и может использоваться в экологически чистом виде с длительным сроком службы в тяжелых условиях эксплуатации.
На биостойкость древесины лиственницы большое влияние оказывают эколого-географические условия роста дерева и лесоводственно-биологические показатели.
Древесина лиственницы, выросшая в различных географических регионах, существенно отличается по микроскопическому строению, структуре годичного слоя, плотности, стойкости к загниванию.
Апробация работы
Диссертационная работа выполнялась по федеральной теме 1.9/4 «Теоретические основы, обеспечивающие биостойкость древесины в экологически чистом виде». Основные результаты докладывались на 4-й региональной научно-методической конференции «Непрерывное экологическое образование и проблемы региональной экологии» (Красноярск, 1999); региональной межвузовской экологической конференции «Эколого-экономические проблемы Красноярского края» (Красноярск, 1999); V-й юбилейной региональной конференции «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края» (Красноярск, 2000); 6-й региональной научно-методической конференции «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края»
*
(Красноярск, 2001); «Химико-лесной комплекс: проблемы и решения», (Красноярск, 2002); международной конференции IBFRA «Средообразующая роль бореальных лесов: локальный, региональный и глобальный уровни» (Красноярск, 2002); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы лесного комплекса России в переходный период развития экономики» (Вологда, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения», (Красноярск, 2003); международной конференции (Екатеринбург, 2003); научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы -проблемы и решения» (Красноярск, 2004). Статья представлена на международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины, 04» (Санкт-Петербург, 2004).
Личный вклад автора
Учитывая, что работа фундаментальная, многоплановая, выполняемая на стыке нескольких наук, автором самостоятельно проводилась подготовка материала по каждому разделу исследований:
изготовление образцов для микологических испытаний и исследования плотности древесины;
приготовление питательных сред и выращивание чистой культуры гриба;
изготовление препаратов для анатомических исследований;
подготовка образцов древесины для изучения структуры годичного слоя.
Автор с 1999 года являлась непосредственным участником постановки опытов, доработки методик, проведения исследований, обработки и анализа экспериментального материала.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из 4 глав, выводов, списка литературы. Материал изложен на 185 страницах печатного текста, включая 27 таблиц,
35 рисунков. Список использованной литературы включает 225 наименований, в том числе 76 на иностранных языках.
Выбор насаждений для исследований
Для решения задачи - проследить изменчивость строения, биостойкости и других свойств древесины лиственницы сибирской, в районах исследований подбирались древостой лиственницы, однородные по составу (типу леса), и близкие по почвенно-гидрологическим условиям.
Поскольку лиственничные насаждения в одном и том же типе леса отличаются по показателям роста и качества: размеры кроны, сбежистость стволов, диаметр, в пределах насаждений в данном районе выявлялись лучшие по росту санитарному состоянию, продуктивности. Наиболее удовлетворяющим этим требованиям являются древостой III класса бонитета. Эти древостой были взяты за основу наших исследований.
В районах исследований ориентировались к близким группам типов леса: зеленомошной, разнотравной, багульниковой. В результате частых пожаров на территории Красноярского края и Иркутской области в зеленомошной группе типов леса погибает слой мха, что повлияло на развитие разнотравия. Поэтому модели лиственницы брались в преобладающей группе типов леса - разнотравной.
Для изучения особенностей строения и свойств древесины лиственницы в каждом районе была заложена пробная площадь, размер которой определялся количеством на ней не менее 200 деревьев (Анучин, 1977). При этом проводили общепринятую таксационную обработку и сверяли показатели насаждения с данными лесоустройства (таксационного описания).
Насаждениям лиственницы Красноярского края и Иркутской области свойственна разновозрастная структура, что объясняется влиянием различных факторов на лесообразовательный процесс лиственничных древостоев (Фалалеев, 1957; Шанин, 1967; Шевелев, 1998).
Наибольшее воздействие на возрастную структуру насаждений лиственницы оказывают пожары и антропогенная деятельность (Коропачинский, 1958).
Изучение насаждений проводилось по элементам леса, представляющим «... одно поколение леса данной породы при данных условиях местообитания» (Третьяков, 1927). В насаждении разновозрастной структуры выделяли одновозрастные поколения: 80-100; 160-180, 220 лет.
Поскольку решение проблемы определения биостойкости от условий роста дерева связано с проведением трудоемких и многоплановых исследований по микро-, макростроению, микологических испытаний, свойств древесины, при выборе модельных деревьев применялась методика индивидуального отбора, которая широко используется в области селекции, ботаники, анатомии. Селекционерами отмечается: отбор по прямым признакам является более точным и достоверным (Яблоков, 1962).
Модельные деревья выбирались с учетом морфологических признаков деревьев: протяженность кроны, густота охвоения, форма ствола, характер корки, поскольку они являются показателями энергии роста дерева и качества древесины (Правдин, 1964).
Согласно данным О.И. Полубояринова (1976) решающее влияние на процессы роста дерева и формирования древесины оказывает крона дерева, ее размеры и физиологическое состояние.
В насаждении выбирали средние модельные деревья по элементам леса, основываясь на работах Н.В. Третьякова (1927); А.С. Яблокова (1962); А.И. Ирошникова (1977). Средние модельные деревья являются не только средними по размерам и выполняемым функциям, но и носителями средних генетических признаков всего насаждения
Для характеристики каждого насаждения лиственницы отобрали по 3-4 средних дерева (Анучин, 1977) из каждого поколения. Общее количество модельных деревьев, характеризующих район исследования, составляло около десяти. Выбирались здоровые деревья без повреждений пожарами, насекомыми и человеком. Взаимосвязь морфологических показателей дерева с качественными характеристиками древесины контролировалась путем взятия кернов на высоте 1,3 м.
Внешние признаки разрушения
Учитывая, что неравномерность разрушения обусловливается степенью обрастания образцов культурой гриба, в ходе испытаний велись наблюдения за активностью роста грибницы через каждые 10 дней. Интенсивность обрастания образцов мицелием гриба наблюдалось в течение первых 10 дней при температуре 20С и влажности воздуха 70%. В первую очередь обрастали образцы, расположенные на расстоянии 20-25 мм от периферийной части ядра. Древесина образцов приобретала на начальной стадии гниения светло-бурую окраску. Благодаря оптимальной температуре, влажности, достаточному количеству питательных веществ в древесине образцов образовывался белый, пушистый мицелий. Тонкий первичный мицелий состоит из тонкостенных многоклеточных гиф, которые растут из споры. При встрече вершинных клеток двух первичных мицелиев, возникших из разных спор, осуществляется их объединение. Возникает вторичный мицелий (Рипачек, 1967).У гриба в течение опыта формировались шнуры тонкие и плоские, которые хорошо развивались на стенках сосуда (рис.3.2).
Постепенно мицелий становился желтым, желто-коричневым, уплотнялся и затягивал остальные образцы на 20, 30 сутки испытаний. Воздушный мицелий продолжал развиваться (рис.3.3). На стенках колб гриб образовывал пленчатую поверхность желтоватого цвета, которая к концу опыта становилась буро-коричневой.
Через 40 дней опытные образцы полностью обросли мицелием, кроме моделей 2 и 13, древесина которых обрастала медленно.
Процесс гниения древесины, вызываемый домовыми грибами, состоит из трех стадий, каждой из которых соответствует изменение окраски и структуры древесины. На первом этапе гниение древесины сопровождается потреблением воды, изменением окраски без видимых структурных разрушений; на второй - структурные разрушения в и де отверстий и трещин. Происходит постепенное разрушение клеточной ткани; древесина теряет в весе, в ней появляются продольные и поперечные трещины разной величины. Третья стадия - разрушается структура древесины, в результате чего она распадается на кусочки в виде кубиков или призмочек, расслаивается по годичным слоям. Древесина с повышенной влажностью, приобретает бурую окраску.
В конце испытаний древесина некоторых образцов была сильно увлажнена и легко растиралась в порошок после высушивания. Такие образцы извлекались из опыта и не участвовали при анализе результатов.
При визуальной оценке опытных образцов древесины лиственницы после микологических испытаний заметны четкие структурные изменения: нарушение целостности поверхности некоторых образцов древесины, неравномерное изменение окраски. Однако сильной деструкции не наблюдается. В основе различий биостойкости лежит комплекс факторов, из числа которых важная роль принадлежит особенностям анатомического строения древесины.
С помощью микроскопических исследований древесины лиственницы, пораженной дереворазрушающим грибом, установлена неодинаковая степень разрушения клеточных стенок трахеид.
Деструкция древесины лиственницы определялась при помощи цветных гистохимических реакций. В качестве реактива использовался метиленовый голубой (Фурст, 1979). При обработке срезов клеточные стенки окрашивались в насыщенный голубой цвет, гифы гриба - в слегка голубоватый.
Характер разрушения ранних и поздних трахеид древесины лиственницы показан на рис.3.4а, б. Сравнение проводили с древесиной, не подвергавшейся испытаниям (рис.3.4г).
В древесине возраста спелости отмечается незначительное разрушение в ранней зоне годичного слоя (отслоение клеточной оболочки), меньше или совсем отсутствует в поздних трахеидах (растрескиваются клеточные стенки). Некоторые клетки приобретают более округлую форму. В целом структура древесина сохраняется.
На микроскопическом уровне первоначальное проникновение гиф наблюдается по сердцевинным лучам, где они интенсивно разрастаются, что связано с содержанием большого количества азотных соединений, необходимых для питания грибов.
Структура годичного слоя
Одним из основных показателей качества древесины является структура годичного слоя и процентное содержание поздней древесины в нем.
Формирование годичного слоя определяется особенностями микроскопического строения древесины (Стасова, Антонова, 1997), в частности размерами клеток, которые в свою очередь зависят от условий роста дерева: плодородие и температурно-влажностный режим почвы, продолжительность светового дня, дневные и сезонные колебания температуры воздуха (Ladefoged 1952; Wilson, 1966; Necesany, 1969; Denne, 1971).
В древесине лиственницы сибирской образуются узкие и равномерные годичные слои с высоким содержанием поздней зоны, что определяет ее высокое качество по сравнению с другими хвойными породами. Наиболее характерной чертой ее макроскопического строения является четкий и резкий переход от ранней к поздней зоне годичного слоя.
Замеры проводились на компьютере с использованием измерительного комплекса (Ваганов и др., 1983; Ваганов, Шашкин, 2000). Точность измерений контролировалась путем подсчета рядов трахеид в годичном слое, что позволяло повысить достоверность результатов.
Анализ результатов исследований (табл.4.5) показал: древесина лиственницы сибирской, выросшая в различных регионах, существенно не отличается по ширине годичного слоя и процентному содержанию поздней древесины.
Согласно литературным данным, древесина хвойных делится на три группы: мелкослойная (0,1-1,5 мм), годичные слои с умеренной шириной (1,5-2,5 мм), широкие слои (2,5-3,0 мм). Эти показатели положены в основу оценки качества древесины.
Наблюдается варьирование показателей структуры годичного слоя по радиусу ствола.
Древесина, сформировавшаяся в первые годы жизни дерева -сердцевинная трубка и околосердцовая древесина широкослойная с невысоким процентным содержанием поздней древесины (17,10+23,82%). По направлению от сердцевины к коре ширина годичного слоя уменьшается, процентное содержание поздней древесины увеличивается (32,58+43,76%), рис.4.5.
Оптимальные величины устанавливаются в возрасте от 100 до 200 лет, содержание поздней части годичного слоя достигает 32+44%. Изменчивость показателей макроструктуры древесины лиственницы обусловливается
Закономерность изменения ширины годичного слоя в нем по радиусу ствола характерна для всех исследованных модельных деревьев.
Важное значение при изучении макроскопического строения древесины лиственницы имеет степень развития поздней зоны годичного слоя (процент поздней зоны), поскольку этот показатель является критерием, определяющим прочностные и качественные характеристики древесины (Мелехов, 1949; Москалева, 1957).
С увеличением процента поздней части годичного слоя происходит увеличение плотности, биостойкости и других показателей качества древесины (Полубояринов, 1974, 1976).
Если учесть, что в древесине хвойных пород оптимальная величина поздней древесины составляет 30%, то у древесины лиственницы он значительно выше (табл.4.6). Среднее значение процента поздней древесины для всех исследуемых моделей практически не изменяется. Значительные колебания данного показателя отмечается внутри каждого дерева, что объясняется их индивидуальной изменчивостью в результате воздействия экологических факторов.
