WPŁYW NIEJEDNORODNOŚCI CYKLICZNEJ DREWNA NA WYBRANE FIZYKO-MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI DREWNA STRZAŁ ŚWIERKÓW

Transkrypt

1 Poznańskie Towarzystwo Przyjaciół Nauk Wydział Nauk rolniczych i leśnych Prace komisji nauk rolniczych i komisji nauk leśnych Tom Wi t o l d Pa z d r o w s k i, To m a s z Je l o n e k, Ar k a d i u s z To m c z a k, Grzegorz Kupczyk, Dieter Franciszek Giefing WPŁYW NIEJEDNORODNOŚCI CYKLICZNEJ DREWNA NA WYBRANE FIZYKO-MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI DREWNA STRZAŁ ŚWIERKÓW (Picea abies (L.) Karst.) Z RÓŻNYCH REGIONÓW POLSKI 1 The impact of wood cyclic heterogeneity on selected physical and mechanical wood properties of spruce (Picea abies (L.) Karst.) from various regions of Poland Abstract. The purpose of the paper was 1) to determine the ratio of juvenile, intermediate and mature wood in spruce trunks and, 2) with respect to the first aim an analysis of selected physical and mechanical wood properties of spruce trees of the 4th age class. Trees were selected from three different regions of Poland: 2) the North-East, 2) the South (mountains) both from natural spruce sites, and 3) Central Poland, an area where spruce has no natural sites. The participation of different types of wood depended on the biosocial position of the tree and the provenence of the spruce. It was especially observed in juvenile wood. Further analysis showed that juvenile wood presented the lowest values in physical and mechanical properties. Key words: juvenile wood, intermediate wood, mature wood, physical and mechanical properties Wstęp Tkanka drzewna tworzona w łodygach ulistnionych lub w częściach drzewa znajdujących się blisko ulistnionych pędów ma inną budowę aniżeli drewno powstające w częściach oddalonych od aparatu asymilacyjnego [Rendle 1960; Hejnowicz 1973, 2002; Thornquist 1993; Haygreen, Bowyer 1996]. Przykładem drewna tworzonego pod silnym wpływem aparatu asymilacyjnego (korony) przy dużej dostępności hormonów wzrostu jest strefa drewna przyrdzeniowego (młodocianego), powstającego we wczesnej fazie życia drzew lub też przyrastającego w części wierzchołkowej pnia w obrębie korony [Zobel, Sprague 1998; Spława-Neyman, Szczepanik 1999; Niedzielska, Wąsik 2000]. 1 Pracę napisano na podstawie wyników uzyskanych w zrealizowanym projekcie badawczym KBN 0440/ P06/2002/23 pt. Niejednorodność cykliczna drewna świerka pospolitego Picea abies (L.) Karst. z drzewostanów przedrębnych a jego właściwości techniczne.

2 68 W. Pazdrowski, T. Jelonek, A. Tomczak, G. Kupczyk, D.F. Giefing Drewno tej strefy charakteryzuje się: małym udziałem elementów grubościennych (drewna późnego), niską gęstością drewna, mniejszą zawartością celulozy, dużym kątem układów fibrylarnych celulozy w stosunku do osi komórek, mniejszą długością elementów włóknistych, większym współczynnikiem kurczliwości oraz zdecydowanie niższą trwałością [Hejnowicz 1973, 2002; Zobel, Sprague 1998; Niedzielska, Wąsik 2000]. Drewno młodociane występuje w każdym drzewie, a jego budowa i właściwości są odmienne od dojrzałej tkanki drzewnej tego samego drzewa. Wyżej wymienione zróżnicowanie determinuje niepożądaną niejednorodność właściwości użytkowych drewna w obrębie pnia [Bendtsten 1978; Gorman 1985; Lewark 1986; Senat 1986; Helińska- -Raczkowska 1993; Pazdrowski, Spława-Neyman 2003; Pazdrowski 2004, Giefing i in. 2005a, 2005b, 2008]. Zobel i Talbert [1984] uważają, że główną przyczynę zmian właściwości drewna gatunków iglastych należy upatrywać w obecności drewna młodocianego i jego stosunku do drewna dojrzałego w drzewie, a szczególnie w jego części użytkowej. Wyżej wymienione cechy mają zdecydowany wpływ na właściwości fizyko- -mechaniczne drewna, rzutując na możliwość jego wykorzystania. Poznanie właściwości drewna młodocianego i określenie jego udziału w strzałach drzew pozwoli na optymalizowanie przerobu i wykorzystania surowca drzewnego w procesie produkcyjnym drzew nictwa. Celem niniejszej pracy jest próba określenia udziału drewna młodocianego, przejściowego (dojrzewającego) i dojrzałego w strzałach świerka pospolitego oraz ocena wybranych właściwości fizyko-mechanicznych wymienionych typów drewna u tego gatunku. Materiał i metody badań Materiał badawczy pozyskano z terenu następujących nadleśnictw: Szklarska Poręba RDLP Wrocław (południowy zasięg świerka), Wisła RDLP Katowice (południowy zasięg świerka, Spychowo RDLP Olsztyn (północny zasięg świerka) i Mieszkowice RDLP Szczecin (powierzchnia zlokalizowana poza naturalnym zasięgiem świerka). Badaniami objęto drzewostany świerkowe IV klasy wieku. Na wyznaczonych powierzchniach badawczych (1ha) pomierzono pierśnice i wysokości drzew. Po uzyskaniu charakterystyki grubościowo-wysokościowej drzewostanu wyliczono wymiary drzew modelowych (próbnych), posługując się metodą dendrometryczną Uricha II [Grochowski 1973], które wybrano w poszczególnych drzewostanach. Łącznie badaniom poddano 12 drzew po 3 na każdej powierzchni badawczej. Po ścięciu drzew z każdej strzały wycięto krążki: krążek odziomkowy, następnie w odległości 1,0 m i dalej co 2,0 m aż do wierzchołka. Ponadto z każdego drzewa pozyskano wyrzynki drewna z wysokości od 1,3 m do 2,0 m, które posłużyły do badania wybranych fizycznych i mechanicznych właściwości drewna. Krążki posłużyły natomiast do wykonania pomiarów szerokości strefy drewna wczesnego i późnego w kolejnych słojach rocznych. Pomiarów dokonano przyrostomierzem elektronicznym sprzężonym z komputerem. Obliczony stosunek szerokości strefy drewna późnego do

3 Wpływ niejednorodności cyklicznej drewna 69 wczesnego był podstawą rozgraniczenia występowania drewna młodocianego, przejściowego i dojrzałego. Uzyskane dane pozwoliły określić udział poszczególnych rodzajów drewna w strzałach drzew modelowych (próbnych). Przeprowadzono również badania wybranych fizyko-mechanicznych właściwości drewna. Określono gęstość umowną, wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien oraz wytrzymałość na zginanie statyczne. Do badań wytrzymałościowych użyto drewna o wilgotności powyżej punktu nasycenia włókien 2. Badania realizowane były zgodnie z obowiązującymi procedurami i normami (PN-77/D-04101, PN-77/D-04102, PN-77/D ). Wyniki badań U wszystkich analizowanych drzew modelowych z poszczególnych powierzchni próbnych stwierdzono występowanie w strzałach 3 stref drewna, tj. młodocianego, dojrzewającego (przejściowego) oraz dojrzałego (ryc. 1 4). Udział wymienionych rodzajów drewna charakteryzował się dużą zmiennością na promieniu przekrojów poprzecznych wraz z wysokością położenia na strzale. Szczególnie uwidoczniło się to u drzew próbnych pobranych w Nadleśnictwie Wisła (ryc. 1). Zmienność udziału uwarunkowana była najprawdopodobniej stanowiskiem biosocjalnym badanych świerków w kolejnych fazach rozwojowych drzewostanu, a przede wszystkim kształtowaniem się parametrów żywej korony i dynamiką obumierania gałęzi. Bliższa analiza materiału źródłowego pozwala stwierdzić, że zwykle drzewa z lepszych stanowisk biosocjalnych (grubsze i wyższe) posiadają w strzałach więcej drewna młodocianego aniżeli drzewa zajmujące gorsze stanowiska. Można jednak spotkać odstępstwa od tej zasady, na przykład drzewa próbne pozyskane w Nadleśnictwie Wisła (ryc. 1). Analizując udział drewna przejściowego i dojrzałego na przekrojach pni, trudno dopatrzyć się podobnych prawidłowości. Analiza uzyskanych wyników dotyczących fizycznych i mechanicznych właściwości drewna świerka pospolitego (tab. 1 3) wykazała, że stanowisko biosocjalne drzewa w drzewostanie miało znaczny wpływ na wartość poszczególnych właściwości. Najczęściej drzewa z najlepszych stanowisk biosocjalnych charakteryzowały się gorszymi właściwościami drewna aniżeli drzewa z gorszych stanowisk. Wyjątkiem są tu drzewa modelowe (próbne) z Nadleśnictwa Wisła, gdzie jest układ odwrotny. Zamienność gęstości umownej drzewa świerków z zasięgu południowego (Nadleśnictwa Wisła i Szklarska Poręba) wahała się od 5,7% do 11,1%, z zasięgu północnego (Nadleśnictwo Spychowo) od 5,0% do 12,2%, zaś z Nadleśnictwa Mieszkowice (strefa bezświerkowa) od 6,2% do 8,4% (tab. 1). Obliczone współczynniki zmienności przy wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien utrzymywały się w zakresie odpowiednio 2 Postępowanie takie uzasadnione jest wynikami badań wytrzymałości drewna w stanie maksymalnego spęcznienia, nazywanego też wytrzymałością drewna mokrego lub wytrzymałością podstawową. Wytrzymałość ta obrazuje aktualną jakość drewna jako materiału konstrukcyjnego. Jej wartość jest zależna od struktury drewna i jego aktualnego stanu [Grzeczyński 1975, 1985].

4 70 W. Pazdrowski, T. Jelonek, A. Tomczak, G. Kupczyk, D.F. Giefing Tab. 1. Charakterystyka statystyczna gęstości drewna świerka pospolitego (Picea abies L. Karst.) w zależności od zasięgu występowania i pozycji biosocjalnej w drzewostanie Tab. 1. Statistics of spruce (Picea abies L. Karst.) wood density in relation to region and biosocial position in a stand Nadleśnictwo Wisła Szklarska Poręba Spychowo Mieszkowice Miary położenia i rozproszenia [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] Pozycja biosocjalna w drzewostanie I II III , , , , , , , , , , , ,4 Tab. 2. Charakterystyka statystyczna wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien drewna świerka pospolitego (Picea abies L. Karst.) w zależności od zasięgu występowania i pozycji biosocjalnej w drzewostanie Tab. 2. Statistics of pressure durability along fibres of spruce (Picea abies L. Karst.) wood in relation to region and biosocial position in a stand Nadleśnictwo Wisła Szklarska Poręba Spychowo Mieszkowice Miary położenia i rozproszenia Pozycja biosocjalna w drzewostanie I II III 19,9 17,9 16,5 11,3 21,6 28,7 19,00 8,3 16, ,4 17, ,6 21,7 7,3 22, ,1 17, ,7 18, ,0 25, ,1 21, ,5 od 11,3% do 19,6%, 7,3% do 28,7% oraz od 8,3% do 20,1%. Przy zginaniu zaś od 11,6% do 24,6%, od 15,1% do 22,3% i od 11,2% do 17,7%. Drewno młodociane charakteryzowało się niższymi wartościami badanych właściwości fizycznych i mechanicznych niż drewno dojrzałe i przejściowe. Odmienny układ wystąpił jedynie przy badaniu wytrzymałości na ściskanie drewna drzew z Nadleśnictwa Wisła (tab. 4). Różnice w wartościach względnych sięgały od kilku do kilkunastu procent.

5 Wpływ niejednorodności cyklicznej drewna 71 Tab. 3. Charakterystyka statystyczna wytrzymałości na zginanie statyczne drewna świerka pospolitego (Picea abies L. Karst.) w zależności od zasięgu występowania i pozycji biosocjalnej w drzewostanie Tab. 3. Statistics of static bending durability of spruce (Picea abies L. Karst.) wood in relation to region and biosocial position in a stand Nadleśnictwo Miary położenia i rozproszenia Pozycja biosocjalna w drzewostanie I II III Wisła 46,3 24,6 41, ,0 42,0 21,2 Szklarska Poręba 34,3 11,6 43, ,3 45, ,4 Spychowo 44,9 21,6 46, ,1 48, ,3 Mieszkowice 44,0 11,2 47, ,5 52, ,7 Podsumowanie badań W początkowym etapie odkładania się drewna w strzałach drzew tworzy się drewno młodociane. Najczęściej powstaje ono w ciągu kilku względnie kilkunastu lat życia drzewa, pod silnym wpływem aparatu asymilacyjnego (korony) [Hejnowicz 1973, 2002; Niedzielska, Wąsik 2000]. Wyniki uzyskane w przedstawionej pracy dowodzą, że u świerka proces ten może trwać dłużej, dochodząc nawet do kilkudziesięciu lat (ryc. 1, 2, 3 i 4). Tkanka drzewna powstająca później określana jest jako drewno dojrzałe. Wyżej wymienione strefy wykazują zróżnicowany udział w strzale drzewa. Uwarunkowany jest on szeregiem czynników; przede wszystkim warunkami siedliskowymi, wykonywanymi zabiegami hodowlanymi. Podobne stanowisko prezentowane było już także we wcześniej prezentowanych publikacjach [Pazdrowski i Spława-Neyman 2003, Pazdrowski 2004, Giefing i in. 2005]. Zwraca się w nich uwagę na szczególne znaczenie zajmowanego przez dane drzewo stanowiska biosocjalnego dla przebiegu fazowego procesu odkładania się poszczególnych typów drewna. Autorzy zwracają uwagę na odmienny przebieg promieniowej zmienności właściwości drewna u świerków z odnowień naturalnych w porównaniu ze świerkami z nasadzeń. Gruntowna znajomość stosunków ilościowych drewna młodocianego, przejściowego i dojrzałego w strzałach drzew oraz właściwości fizyczne i mechaniczne powinny mieć istotne znaczenie w racjonalizacji przerobu i wykorzystaniu surowca drzewnego, pozyskiwanego z drzewostanów świerkowych w naturalnym zasięgu występowania oraz poza nim.

6 72 W. Pazdrowski, T. Jelonek, A. Tomczak, G. Kupczyk, D.F. Giefing Tab. 4. Średnie wartości wybranych właściwości fizyko-mechanicznych drewna młodocianego, przejściowego (dojrzewającego) i dojrzałego u świerka pospolitego (Picea abies L. Karst.) a zasięg występowania i pozycja biosocjalna w drzewostanie Tab. 4. Mean values of selected physical and mechanical properties of spruce (Picea abies L. Karst.) wood in relation to region and biosocial position in a stand Nadleśnictwo Pozycja biosocjalna w drzewostanie Strefa drewna Wytrzymałość Gęstość umowna na ściskanie na zginanie [kg/m 3 ] Wisła I ,4 20,3 20, ,3 39,6 49, II ,1 14,7 18, ,8 35,2 45, III ,1 17,1 20, ,9 37,1 47, Szklarska Poręba I ,0 17,0 18, ,0 50, ,6 99 II ,0 16,5 19, ,4 46,2 52,2 88 III ,0 17,0 21, ,3 53,8 58, Spychowo I ,9 21,1 28, ,8 51,4 58, II ,6 22,7 22, ,2 43,0 52, III ,3 22,3 28, ,9 45,6 56, Mieszkowice I ,7 20,1 19, ,5 47,9 46, II ,1 27,5 23, ,2 39,0 51, III ,4 19,8 23, ,2 54,4 61,

7 Wpływ niejednorodności cyklicznej drewna 73 Ryc. 1. Rozkład drewna młodocianego, przejściowego i dojrzałego na przekrojach podłużnych pni świerkowych z Nadleśnictwa Wisła Fig. 1. The distribution of juvenile, transition and mature wood in cross stem sections of spruces from Wisła Forest District

8 74 W. Pazdrowski, T. Jelonek, A. Tomczak, G. Kupczyk, D.F. Giefing Ryc. 2. Rozkład drewna młodocianego, przejściowego i dojrzałego na przekrojach podłużnych pni świerkowych z Nadleśnictwa Szklarska Poręba Fig. 2. The distribution of juvenile, transition and mature wood in cross stem sections of spruces from Szklarska Poręba Forest District

9 Wpływ niejednorodności cyklicznej drewna 75 Ryc. 3. Rozkład drewna młodocianego, przejściowego i dojrzałego na przekrojach podłużnych pni świerkowych z Nadleśnictwa Mieszkowice Fig. 3. The distribution of juvenile, transition and mature wood in cross stem sections of spruces from Mieszkowice Forest District

10 76 W. Pazdrowski, T. Jelonek, A. Tomczak, G. Kupczyk, D.F. Giefing Ryc. 4. Rozkład drewna młodocianego, przejściowego i dojrzałego na przekrojach podłużnych pni świerkowych z Nadleśnictwa Spychowo Fig. 4. The distribution of juvenile, transition and mature wood in cross stem sections of spruces from Spychowo Forest District

11 Wpływ niejednorodności cyklicznej drewna 77 Wnioski 1. Świerki z drzewostanów IV klasy wieku posiadały w strzałach 3 rodzaje drewna, tj. młodociane, przejściowe (dojrzewające) i dojrzałe. Udział poszczególnych rodzajów drewna był zróżnicowany, przy czym drzewa wyższe i o większych dymensjach posiadały zdecydowanie więcej drewna młodocianego niż świerki niższe i cieńsze. 2. Drewno młodociane badanych świerków charakteryzowało się niższymi wartościami analizowanych właściwości fizycznych i mechanicznych aniżeli drewno dojrzałe oraz przejściowe. W Nadleśnictwie Wisła zaobserwowano pewne zakłócenia tej prawidłowości. 3. Pozycja biosocjalna drzew w drzewostanie, jak i pochodzenie (proweniencja), w pewnym stopniu warunkowały udział drewna młodocianego, przejściowego i dojrzałego oraz zróżnicowanie analizowanych właściwości fizyko-mechanicznych drewna świerka pospolitego. LITERATURA Giefing D.F., Pa z d r o w s k i W., Sp ł a w a -Ne y m a n S., Je l o n e k T., To m c z a k A., Sz c z e pa n i a k J., Ku p c z y k G. (2005a): Niejednorodność cykliczna drewna świerka pospolitego Picea abies (L.) Karst. z drzewostanów przedrębnych a jego właściwości techniczne, KBN 0440/P06/2002/23, Kat. Użytk. Lasu AR Poznań: 146. Giefing D.F., Pazdrowski W., Spława -Neyman S., Jelonek T., Tomczak A. (2005b): Wood radial cyclic heterogeneity of norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) derived from ripening stands. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities. Series Forestry, 8,4:1-11. Giefing D.F., Pa z d r o w s k i W., Je l o n e k T., To m c z a k A., Ku p c z y k G. (2008): Cyclical wood heterogeneity of norway spruce Picea abies (L) Karst. on stem profiles of trees from different social positions in stands of age class IV, Electronic Journal of Polish Agricultural Universities. Forestry 11.1:1-12. Haygreen J. G., Bowyer J. L. (1966): Forest Products and wood science. An introduction. Iowa State University. Press/Ames. Hejnowicz Z. (1973): Anatomia rozwojowa drzew. PWRiL. Warszawa. Hejnowicz Z. (2002): Anatomia i histogeneza roślin naczyniowych. PWN. Warszawa. Pa z d r o w s k i W., Sp ł a w a -Ne y m a n S. (1993): Badania wybranych właściwości drewna sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) na tle klas biologicznych w drzewostanie. Folia Forestalia Polonica B.24: Pa z d r o w s k i W., Sp ł a w a -Ne y m a n S. (1996): Macrostructure of Scots pine wood from unipres forest stands grown in conditions of dry forest. Folia Forestalia Polonica B27: Pazdrowski W., Spława -Neyman S. (2003): Stage growth of trees and its effect on selected properties pf Norway spruce wood (Picea abies (L.) Karst.). Electronic Journal of Polish Agricultural Universities. Forestry 6.2. PN-77/D Drewno. Oznaczanie gęstości. PN-77/D Drewno. Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien. PN-77/D Drewno. Oznaczanie wytrzymałości na zginanie statyczne. Raczkowski J. (1965): Badania nad niejednorodnością cykliczną drewna rodzajów iglastych. Poznań. Rendle B. J. (1960): Juvenile and adult wood. Journal of the Institute of Wood Science 5: Spława -Neyman S. (1994). Zmiany w budowie cewek drewna sosny zwyczajnej pochodzącego z drzew wyrosłych w obszarach zagrożenia ekologicznego. Reakcje biologiczne drzew na zanieczyszczenia przemysłowe. Kórnik maja III Krajowe Sympozjum materiały 1: Spława -Neyman S., Pazdrowski W. (1995): Macrostructure and selected properties of Scots pine (Pinus sylvestris L.) wood from the point of view of suitability for productions of composites. Proceedings of the Symposium Wood Modyfication sierpnia Akademia Rolnicza Poznań. Materiały konferencyjne:

12 78 W. Pazdrowski, T. Jelonek, A. Tomczak, G. Kupczyk, D.F. Giefing Sp ł a w a -Ne y m a n S., Pa z d r o w s k i W., Ow c z a r z a k Z. (1985): Wybrane biometryczne parametry budowy drewna sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) w aspekcie więźby sadzenia. Foli Forestalia Polonica B26: Spława -Neyman S., Wojcieszyn A. (1995):. zagadnienia wykorzystania na cele konstrukcyjne drewna sosnowego pozyskanego z drzew młodszych klas wieku. Przemysł drzewny 9: Spława -Neyman S., Szczepaniak J. (2000): Niejednorodność cykliczna budowy drewna iglastego. XIII Konferencja Naukowa Wydziału Technologii Drewna SGGW. Warszawa. Thörnquist T Juvenile wood in coniferous trees. Document D13. Uppsala. Adres do korespondencji Corresponding address: Arkadiusz Tomczak arkadiusz@tomczak@up.poznan.pl Katedra Użytkowania Lasu, ul. Wojska Polskiego 71A Poznań