Green density of Scots pine (Pinus sylvestris L.) sapwood coming from selected stands north-western Poland

Transkrypt

1 POZNAŃSKIE TOWARZYSTWO PRZYJACIÓŁ NAUK since 1857 O R I G I N A L A R T I C L E For. Lett. No 107: 5-9, 2014 Green density of Scots pine (Pinus sylvestris L.) sapwood coming from selected stands north-western Poland Gęstość drewna z bielastej części przekroju poprzecznego pnia sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) pochodzącej z wybranych drzewostanów północno zachodniej Polski Arkadiusz Tomczak 1, Tomasz Jelonek 2 1 Poznan University of Life Sciences, Department of Forest Utilisation, arkadiusz.tomczak@up.poznan.pl 1 Poznan University of Life Sciences, Department of Forest Utilisation, tomasz.jelonek@up.poznan.pl Abstract: The first of the aims of this study was to analyze the density of sapwood parts of the cross section of the trunk of Scots pine (Pinus sylvestris L.). The second to determine the relationship between wood density and selected morphological traits of trees. The research material was collected from seven pine stands from the northern part of the Poland (RDSF Szczecinek). In each stand sample plots were established, in which characteristics of all growing trees, i.e. height [m] and diameter breast height On the basis of these data was selected after 9 tree model from any surface, in total 63. After felling stems of model trees were divided into sections. Means for sections were determined at a distance of 1.3 m from stem base and at points corresponding to 20, 40, 60 and 80% stem length. The analyzes included only two samples from sapwood. Green density of pine sapwood was 754 kg/m 3. In the longitudinal cross section the highest green density characterized samples from DBH (816 kg/m 3 ), the lowest samples from the section closest to the top (707 kg/m 3 ). With increasing distance from the base of the trunk wood specific gravity decreased. In the bottom half of the trunk were very dynamic changes in the apical part of the variation was small, statistically insignificant. At the level of the three sections (I, II and IV) density correlated with the height of the tree. At the level of section IV density also correlated with the diameter at breast height (0.26) and stem volume in bark (0.26). In the case of section V of wood density was correlated with the diameter at breast height (-0.29), stem volume in bark (-0.29) and the length of the crown (-0.27). At the level section III relationships between wood density and morphological features of trees not found. Key words: green density, d.b.h., tree height, crown length, crown diameter WSTĘP Gęstość drewna jest jedną z najczęściej analizowanych właściwości drewna. Jest ona uważana za dobry wskaźnik jakości technicznej, za pomocą którego porównuje się drewno drzew z różnych pochodzeń, siedlisk czy też klas biosocjalnych [Wiemann, Wiliamson 2001; Swenson, Enquist 2007]. Gęstość drewna to stosunek masy i objętości. W stanie świeżym składowe masy to tkanka drzewna oraz woda występująca w stanie wolnym i nasycająca ściany komórkowe. Głównie ze względu na wodę, masa 1 m 3 świeżo ściętego drewna sosnowego szacowana jest na 750 kg [Shmulsky, Jones 2011]. Bez wody, w stanie suchym ciężar 1 m 3 drewna sosny wynosi około 450 kg [Trendelenburg, Mayer-Wegelin 1955]. Woda w pniach drzew twardzielowych występuje w części bielastej. W przypadku dojrzałej sosny zwyczajnej drewno bielaste zajmuje około 1/3 przekroju pierśnicowego. Pozostałą część przekroju zajmuje drewno twardzielowe, fizjologicznie nieaktywne. Nie przewodzi ono wody, można więc uznać, że jest to tak zwana strefa sucha. O udziale w pniu drewna twardzielowego, a tym samym i bielastego, decyduje wiele czynników, w tym między innymi wiek, jak również warunki wzrostu i rozwoju drzewa [Jelonek i in. 2007]. Nie bez znaczenia pozostają także związki z morfologią drzewa, czyli jego cechami biometrycznymi tj. wysokością, pierśnicą pnia czy rozmiarami korony [Pazdrowski i in. 2007; Jelonek i in. 2008]. Takie same przyczyny czy też relacje leżą u podstaw między- lub wewnątrzosobniczego zróżnicowania gęstości drewna. Drewno drzew pochodzących z różnych regionów kraju może charakteryzować się zupełnie inną gęstością [Paschalis 1980; Witkowska 1997; Wąsik 2007]. Podobnie drewno drzew wyrosłych w różnych warunkach siedliskowych, czy też pochodzące z drzew o różnej pozycji biosocjalnej [Pazdrowski, Spława-Neyman 1993; Hannrup i in. 2000; Tomczak, Pazdrowski 2004]. Wewnątrzosobnicze zróżnicowanie związane jest głównie z dynamiką przyrostu na grubość w różnych fazach rozwojowych drzewa. Jest to widoczne na przekroju poprzecznym pnia. W strefie przyrdzeniowej słoje są wyraźnie szersze od słoi wykształconych w starszym wieku. Tym samym gęstość drewna przy rdzeniu i w części wierzchołkowej drzewa jest zdecydowanie niższa niż gęstości drewna przy obwodzie, czy też w części odziomkowej pnia [Fabisiak 2005; Tomczak i in. 2010]. Bazując na dotychczasowych badaniach dotyczących gęstości drewna założyć więc można, że masa drewna podlegać będzie analogicznemu zróżnicowaniu. Widoczne będą wpływy szeregu czynników zewnętrznych. Charakterystyczna będzie zmienność wewnętrzna, a skala i j o u r n a l h o m e p a g e f o r e s t r y l e t t e r s. p l 5

2 kierunek tych zmian możliwe będą do zdefiniowania na podstawie cech morfologicznych drzewa. Na podstawie powyższych założeń celami pracy są analiza gęstości drewna z przyobwodowej (bielastej) części przekroju poprzecznego pnia sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) oraz określenie relacji, jaka występuje między gęstością drewna a wybranymi cechami morfologicznymi drzewa. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Materiał badawczy zebrano z siedmiu monokultur sosnowych z północnej części Polski (RDLP Szczecinek), wyrosłych w warunkach siedliskowego typu lasu boru mieszanego świeżego, charakteryzujących się ponadto identyczną bonitacją (I) oraz przerywanym zwarciem. Wiek wybranych drzewostanów wahał się między 82 a 89 lat. Ich pierśnica mieściła się w granicach cm, a wysokość między m (tab. 1). Na obszarze wybranych wydzieleń założono powierzchnie próbne w kształcie prostokąta o wymiarach boków 75 na 100 metrów. Następnie pomierzono pierśnice i wysokości wszystkich rosnących tam drzew. Tabela 1. Charakterystyka drzewostanów, w których zlokalizowano powierzchnie próbne Table 1 Characteristics of stands, in which sample plots were located L.p. Nadleśnictwo Forest District Skład gatunkowy Species composition Wiek Age Zd D 1,3 H Współrzędne geograficzne powierzchni próbnych The geographical coordinates of sample plots [cm] [m] N E 1 Miastko 10 So 84 0, ' 28'' 16 58' 3'' 2 Miastko 10 So 89 0, ' 56'' 16 53' 59'' 3 Warcino 10 So 86 0, ' 37'' 16 52' 28'' 4 Czaplinek 10 So 87 1, ' 35'' 16 11' 57'' 5 Łupawa 10 So 83 0, ' 11'' 17 17' 40'' 6 Świdwin 10 So 83 1, ' 3'' 15 44' 18'' 7 Czarnobór 10 So 82 0, ' 59'' 16 40' 37'' Zd zadrzewienie, D1,3 pierśnica, H wysokość, Zd degree of crop density, D1,3 diameter breast height, H height Pomiar pierśnicy wykonano średnicomierzem dwuramiennym, dwukrotnie (minimum i maksimum) z dokładnością do 1 cm. Wysokości zmierzono wysokościomierzem Nikon Forestry z dokładnością do 0,1 m. Zmierzono również wysokości, na których znajdowała się podstawa żywej korony. Odejmując uzyskaną wartość od wysokości drzewa otrzymano długość korony. Na podstawie rzutów koron otrzymano średnicę korony, którą zmierzono za pomocą dalmierza laserowego, z dokładnością 0,1 m. Na podstawie zebranych danych taksacyjnych, za pomocą metody dendrometrycznej Uricha I obliczono pierśnicę drzew modelowych. Wyliczona została również miąższość strzały w korze (wzorem dendrometrycznym Smaliana) oraz objętość korony (za pomocą wzoru na objętość walca). Na podstawie krzywej wysokości przygotowanej dla każdej powierzchni, odczytano wysokości drzew modelowych. Następnie w terenie wyszukano po 9 drzew modelowych, łącznie z wszystkich powierzchni 63. Po ścięciu, z pni drzew pobrano drewno do badań laboratoryjnych, w pięciu miejscach (sekcjach) wzdłuż strzały. Pierwszą położoną najbliżej odziomka zlokalizowano na poziomie pierśnicy. Położenie sekcji drugiej, trzeciej, czwartej i piątej określone zostało wartościami względnymi, odpowiadającymi 20, 40, 60, 80% długości pnia (wysokości drzewa; ryc. 1). Na poziomie każdej sekcji wykonano próbki o standaryzowanych wymiarach 20x20x30 mm. Próby obejmowały część pnia leżącą między rdzeniem a obwodem, w dwóch kierunkach geograficznych świata wschód i zachód. W analizach uwzględniono wyłącznie dwie próby skrajne, położone w strefie przyobwodowej przekroju poprzecznego pnia. Ryc. 1. Schemat położenia sekcji wzdłuż strzały drzewa oraz wyboru prób na przekroju poprzecznym pnia Fig. 1 Scheme location of section along the stem and selection of the samples on the cross section j o u r n a l h o m e p a g e f o r e s t r y l e t t e r s. p l 6

3 W sumie z każdej sekcji otrzymano 4 próbki (dwie ze wschodniej i dwie z zachodniej strony pnia). W przypadku sekcji położonych najwyżej, w wierzchołkowej części pnia, ze względu na średnicę, czasami możliwe było pobranie tylko jednej próby z każdej strony. Pomijano również próbki obarczone wadami, najczęściej twardzicą. Łącznie badanie wykonano na 1133 próbach, z czego wyodrębniono podzbiory poszczególnych sekcji (tab. 2). Gęstość drewna obliczono ze stosunku objętości i masy próbki w stanie maksymalnego spęcznienia ścian komórkowych. Wilgotność graniczna ścian uzyskana została poprzez zanurzenie próbek w wodzie, aż do momentu osiągnięcia przez nie stabilności wymiarowej, tj. do czasu, gdy przyrost poszczególnych wymiarów próbki mierzony w odstępie 72 godzin był równy lub mniejszy niż 0,2 mm. Masę próbek określono z dokładnością do 0,001 g wykorzystując wagę laboratoryjną. Uzyskany materiał poddano analizom statystycznym. Badana cecha nie charakteryzowała się rozkładem normalnym, w związku z czym do testowania różnic oraz korelowania cech zastosowano statystyki nieparametryczne. Obliczenia wykonane zostały za pomocą aplikacji Statistica 9.0. Tabela 2. Charakterystyka statystyczna gęstości drewna Table 2 Statistical characteristics of wood density Sekcja Section Średnia [kg/m 3 ] Mean n SD Min Max Q25 Mediana Q75 VC [%] I ,14 II ,10 III ,15 IV ,15 V ,61 Ogółem In all ,37 WYNIKI BADAŃ Przeciętna gęstość drewna z przyobwodowej strefy przekroju poprzecznego pnia sosny zwyczajnej wynosiła 754 kg/m 3. Na przekroju podłużnym wartość najwyższą stwierdzono na poziomie pierśnicy, a najniższą w części wierzchołkowej. W części odziomkowej gęstość drewna obniża się znacznie. Między sekcjami I i II o 38 kg/m 3, wyżej między sekcjami II i III o kolejne 42 kg/m 3. Różnica między sekcjami III i IV wynosi 25 kg/m 3, a pomiędzy IV i V tylko 4 kg/m 3. Łącznie pomiędzy pierśnicą i sekcją V (wierzchołkową) kg/m 3 (tab. 2). Stwierdzone różnice były istotne statystycznie z wyjątkiem gęstości drewna między poziomami IV i V (tab. 3). Tabela 3. Wyniki testu U Manna-Whitneya dla porównań gęstości w sekcjach Table 3 U Mann Whitney test results for comparisons density in sections Sekcja I II III IV V I --- II 0, III 0, , IV 0, , , V 0, , , , Zaznaczone efekty są istotne z p<0,01 Marked effects are significant at p<0,01 Mediany gęstości drewna na poszczególnych poziomach były zbliżone do średnich. Oznacza to zachowanie proporcji między grupą próbek o wysokiej i niskiej gęstości. Współczynnik zmienności badanej właściwości wahał się od około 8 do 11%, przy czym najniższą jego wartość stwierdzono na poziomie pierśnicy (sekcja I), a najwyższą w części wierzchołkowej (sekcja V). Gęstość drewna najsilniej koreluje z wysokością drzewa. W przypadku wartości średnich, opisujących gęstość dla całej strzały, jest to jedyna cecha morfologiczna wykazująca związek z analizowaną właściwością. Po rozbiciu na poszczególne sekcje gęstość koreluje z wysokością na poziomie sekcji I, II i IV. W przypadku sekcji IV dodatkowo z pierśnicą oraz miąższością strzały w korze. W przypadku sekcji III nie stwierdzono żadnego związku, a w odniesieniu do sekcji V gęstość wykazywała zależność odwrotnie proporcjonalną w stosunku do pierśnicy, miąższości strzały w korze oraz do długości korony (tab. 4). DYSKUSJA Przeprowadzone badania wykazały, że gęstość świeżego drewna w przyobwodowej strefie przekroju poprzecznego pnia sosny zwyczajnej wynosiła 754 kg/m 3. Na przekroju podłużnym pnia najwyższym ciężarem właściwym charakteryzowały się próbki pochodzące z poziomu pierśnicy (816 kg/m 3 ), najniższym próbki pochodzące z sekcji położonej najbliżej wierzchołka (707 kg/m 3 ). Generalnie gęstość drewna malała wraz ze wzrostem odległości od podstawy pnia, początkowo bardzo dynamicznie. Między sekcjami odziomkowymi (I i II oraz II i III) o około 40 kg/m 3 na każdym odcinku. Wyżej, między sekj o u r n a l h o m e p a g e f o r e s t r y l e t t e r s. p l 7

4 cjami III i IV o 25 kg/m 3 i w części wierzchołkowej, pomiędzy sekcjami IV i V tylko o 4 kg/m 3. Zaobserwowane zróżnicowanie jest podobne do zmian najczęściej w literaturze analizowanej gęstości umownej drewna sosny [Hakkila 1998; Repola 2006; Witkowska i Lachowicz 2012]. Tabela 4. Współczynniki korelacji pomiędzy wybranymi cechami morfologicznymi drzew a gęstością drewna Table 4 Correlation coefficients between some selected morphological traits of trees and wood density Q/I 0,32 Q/II 0,34 Q/III H d D 1,3 V sk L k D k V k Q/IV 0,26 0,26 0,26 Q/V -0,29-0,29-0,27 Q/średnio 0,28 Hd wysokość drzewa; D1,3 pierśnica; Vsk miąższość strzały w korze; Lk długość korony; Dk szerokość korony; Vk objętość korony; Efekty istotne z p<0,05 Hd tree height; D1,3 diameter breast height; Vsk steam volume in bark; Lk crown length; Dk crown diameter; Vk crown volum; Effects significant at p<0,05 Wraz ze wzrostem odległości od podstawy pnia drzewa obniża się wiek kambialny na poszczególnych poziomach. Ma to niebagatelne znaczenie dla kształtowania się gęstości drewna, ponieważ są to cechy mocno skorelowane [Kärenlampi, Riekkinen 2004; Witkowska, Lachowicz 2013]. Opisaną zmienność można wyjaśnić też funkcjonowaniem układu biomechanicznego drzewa. W strzałach drzew iglastych wysoką gęstość i wytrzymałość drewna stwierdza się w obszarach poddawanych najsilniejszym naprężeniom - na przekroju poprzecznym pnia w części przyobwodowej, a na przekroju podłużnym w części odziomkowej. Wraz ze wzrostem wysokości drzewa naprężenia wynikające z masy własnej pnia i korony oraz oddziaływania czynników zewnętrznych maleją, maleje też wytrzymałość drewna. Drzewo, przy jak najmniejszym koszcie energetycznym, wykształca optymalny układ biomechaniczny. Dowodem istnienia takiego mechanizmu może być zmienność dość jednorodnej struktury, jaką jest drewno młodociane. Tomczak [2008] oraz Tomczak i Jelonek [2012] zaobserwowali, że gęstość umowna oraz inne właściwości techniczne drewna młodocianego maleją wraz ze wzrostem odległości od podstawy pnia. Drewno młodociane położone jest w centralnej części przekroju poprzecznego pnia i swoim zasięgiem obejmuje do kilkunastu słoi rocznych [Mutz i in. 2004; Fries, Ericsson 2006]. W porównaniu do otaczającego go drewna dojrzałego wykazuje różnice w budowie chemicznej, submikroskopowej i makroskopowej oraz, co z tego wynika, w odniesieniu do właściwości drewna [Gryc i in. 2011, Tomczak, Jelonek 2012]. Drewno młodociane wykształca się pod silnym wpływem żywej korony, a właściwie auksyn syntezowanych w merystemach wierzchołkowych pędów [Kučera 1994; Hejnowicz 2002]. Prawdopodobnie związek gęstości drewna z długością korony, w sekcji V, położonej najbliżej wierzchołka drzewa nie jest więc przypadkowy. W świetle powyższych założeń nieprzypadkowy wydaje się również związek gęstości drewna z wysokością, ponieważ jest to cecha morfologiczna istotnie kształtująca układ biomechaniczny drzewa. WNIOSKI 1) Gęstość świeżego drewna w przyobwodowej strefie przekroju poprzecznego pnia sosny zwyczajnej wynosiła średnio 754 kg/m 3. Na przekroju podłużnym pnia najwyższą gęstością charakteryzowały się próbki pochodzące z poziomu pierśnicy (816 kg/m3), najniższą próbki pochodzące z sekcji położonej najbliżej wierzchołka (707 kg/m 3 ). 2) Wraz ze wzrostem odległości od podstawy pnia gęstość drewna malała. W dolnej połowie strzały zmiany były bardzo dynamicznie, w części wierzchołkowej zróżnicowanie było niewielkie, statystycznie nieistotne. 3) Na poziomie trzech sekcji (I, II i IV) gęstość korelowała z wysokością drzewa. Na poziomie sekcji IV gęstość korelowała dodatkowo z pierśnicą (0,26) i miąższością strzały w korze (0,26). W przypadku sekcji V gęstość drewna korelowała z pierśnicą (-0,29), miąższością strzały w korze (-0,29) i z długością korony (-0,27). Na poziomie sekcji III związków gęstości z cechami morfologicznymi drzew nie stwierdzono. BIBLIOGRAFIA Fabisiak E Zmienność podstawowych elementów anatomicznych i gęstości drewna wybranych gatunków drzew. Rozprawy naukowe. Zeszyt 369. Rocznik AR w Poznaniu. Fries A., Ericsson T Estimating genetic parameters for wood density of Scots pine (Pinus sylvestris L.). Silv. Genet. 55 (2): Gryc V., Vavrčik H., Horn K Density of juvenile and mature wood of selected coniferous species. J. For. Sci. 57 (3): Hakkila P Structure and properties of wood and woody biomass. In. Forest Resources and Sustainable Management (ed. Kellomäki S.), Fapet Oy. Pp Hannrup B., Ekberg I., Persson A Genetic correlations among wood, growth capacity and stem traits in Pinus sylvestris. Scan. J. For. Res. 15 (2): j o u r n a l h o m e p a g e f o r e s t r y l e t t e r s. p l 8

5 Hejnowicz Z Anatomia i histogeneza roślin naczyniowych. PWN, Warszawa. Jelonek T., Pazdrowski W., Tomczak A Biometric traits of wood and quality of timber produced in former farmland. Baltic Forestry, 14 (2): Jelonek T., Pazdrowski W., Tomczak A., Szaban J., Jakubowski M Dynamics of heartwood formation in stems of Scots pine (Pinus sylvestris L.) growing in fresh coniferous forest sites on former farmland and typical forest soil. Ann. WULS SGGW, For. And Wood Technol. 61: Kärenlampi P. P., Riekkinen M Maturity and growth rate effects on Scots pine basic density. Wood Sci. Technol. 38: Kučera B A hypothesis relating current annual height increment to juvenile wood formation in Norway spruce. Wood Fib. Sci. 26: Mutz R., Guilley E., Sauter U. H., Nepveu G Modeling juvenile mature wood transition in Scots pine (Pinus sylvestris L.) using nonlinear mixed effects models. Ann. For. Sci. 61: Paschalis P Zmienność jakości technicznej drewna sosny pospolitej we wschodniej części Polski. Sylwan 124 (1): Pazdrowski W., Jelonek T., Tomczak A., Stypuła I., Spława Neyman S Proportion of sapwood and heartwood and selected biometric features in larch trees (Larix decidua Mill.). Wood Research, 54 (4): Pazdrowski W., Spława Neyman S Badania wybranych właściwości drewna sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) na tle klas biologicznych w drzewostanie. Fol. For. Pol. Ser. B. 24: Repola J Models for vertical wood density of Scott pine, Norway spruce and Birch stems, and their application to determine average wood density. Silva Fennica, 40 (4): Schmulsky R., Jones P. D Forest Products and Wood Science. An Introduction Sixth Edition. Willey Blackwell A John Wiley and Sons Inc., Publication. Swenson N. G., Enquist B. J Ecological and evolutionary determinants of a key plant functional trait: wood density and its community wide variation across latitude and elevation. American Journal of Botany 94 (3): Tomczak A Basic density of juvenile wood and its variation in stem profile of Scots pine (Pinus sylvestris L.). Ann. WULS SGGW, For. and Wood Technol., 66: Tomczak A., Jelonek T Parametry techniczne młodocianego i dojrzałego drewna sosny zwyczajnej. Sylwan, 156 (9): Tomczak A., Jelonek T., Zoń L Porównanie wybranych właściwości fizycznych drewna młodocianego i dojrzałego sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) z drzewostanów rębnych. Sylwan 154 (12): Tomczak A., Pazdrowski W Radial shrinkage variability of Scots pine (Pinus sylvestris L.) wood and the tree biosocial position in the stand. Ann. Warsaw Agricult. Univ. SGGW, For. And Wood Technol. 55: Trendelenburg R., Mayer-Wegelin H Das Holz als Rohstoff. München. Wąsik R Zmienność cech makrostruktury i gęstości drewna daglezji zielonej (Pseudotsuga menziesii var. viridis Franco) na terenie Polski. Drewno prace naukowe, doniesienia, komunikaty, 177: Wiemann M. C., Wiliamson G. B Geographic variation in wood specific gravity: Effect of latitude, temperature and precipitation. Wood and Fiber Science, 34(1): Witkowska J Regionalna zmienność gęstości sosny zwyczajnej. 11 Konferencja Naukowa Wydziału Technologii Drewna SGGW, Drewno materiał ekologiczny, Warszawa, listopada, Witkowska J., Lachowicz H Analiza zmienności gęstości umownej drewna sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) wzdłuż wysokości pnia w zależności od wybranych czynników. Przegląd Papierniczy, 68: Witkowska J., Lachowicz H Zmienność gęstości umownej drewna sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) w zależności od wybranych czynników. Sylwan, 157 (5): F o r c i t a t i o n s Tomczak A, Jelonek T Gęstość drewna z bielastej części przekroju poprzecznego pnia sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) pochodzącej z wybranych drzewostanów północno zachodniej Polski. For. Lett. 107: 5-9. j o u r n a l h o m e p a g e f o r e s t r y l e t t e r s. p l 9