ROZPRAWY NAUKOWE 455 TOMASZ JELONEK

Transkrypt

1 ROZPRAWY NAUKOWE 455 TOMASZ JELONEK BIOMECHANICZNA STABILNOŚĆ DRZEW A WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE, MECHANICZNE I STRUKTURALNE KSYLEMU SOSNY ZWYCZAJNEJ (PINUS SYLVESTRIS L.) WYROSŁEJ W WARUNKACH GRUNTÓW POROLNYCH I LEŚNYCH POZNAŃ 2013

2 KOMITET REDAKCYJNY Anna Golcz, Roman Jaszczak, Małgorzata Klimko, Jolanta Komisarek, Andrzej Krauss, Andrzej Mocek, Walenty Poczta, Julita Reguła, Waldemar Uchman (przewodniczący), Jacek Wójtowski RADA NAUKOWA Jan Banaś (UR Kraków), Andrzej Czerniak (UP Poznań), Elżbieta Dmyterko (IBL Raszyn), Roman Jaszczak (UP Poznań, przewodniczący), Piotr Łakomy (UP Poznań), Henryk Żybura (SGGW Warszawa) Recenzent prof. dr hab. Piotr Paschalis-Jakubowicz Praca finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy o numerze N N Copyright by Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, Poznań 2013, Poland Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich ISSN ISBN Redakcja Maria Wiśniewska Skład i łamanie Stanisław Tuchołka WYDAWNICTWO UNIWERSYTETU PRZYRODNICZEGO W POZNANIU ul. Witosa 45, Poznań 56 tel./faks: , wydawnictwo@up.poznan.pl Nakład 100 egz. Wydanie I. Ark. wyd. 9,5. Ark. druk. 9,1. Wydrukowano w Zakładzie Graficznym Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, ul. Wojska Polskiego 67, Poznań zakgraf@up.poznan.pl

3 SPIS TREŚCI WYKAZ SKRÓTÓW LIST OF ABBREVIATIONS WSTĘP STAN BADAŃ Wprowadzenie Struktura drewna Biomechaniczna stabilność drzew Właściwości drewna Hipoteza badawcza CEL I ZAKRES BADAŃ METODYKA Założenia metodyczne Prace terenowe Prace kameralne Określenie wskaźników allometrycznych Badania laboratoryjne Właściwości drewna Mikrostruktura drewna oraz udział ligniny w ścianach cewek Obliczenia i analizy statystyczne

4 4 5. WYNIKI Charakterystyka drzew modelowych Allometryczne wskaźniki stabilności drzew Właściwości drewna Gęstość umowna Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien Wytrzymałość na zginanie statyczne Wzmocnienie desorpcyjne Mikrostruktura, ultrastruktura oraz udział ligniny w ścianach cewek Grubość ścian komórkowych cewek Zawartość ligniny w suchej masie tkanki drzewnej Krystaliczność celulozy Współzależności i prawidłowości w związkach pomiędzy badanymi zmiennymi DYSKUSJA Stabilność drzew wzrastających w warunkach gruntów porolnych i leśnych Właściwości i cechy tkanki drzewnej Biomechanika oraz stabilność drzew wyrażona współczynnikiem C ST PODSUMOWANIE WNIOSKI LITERATURA SUMMARY

5 WYKAZ SKRÓTÓW LIST OF ABBREVIATIONS L P A B C D 1,3 [cm] H [m] D k [m] L k [m] W [lata] [years] H/D 1,3 L k /H D k /H grunty leśne (drzewa wyrosłe w warunkach gleb leśnych) forest soils (trees growing on forest soils) grunty porolne (drzewa wyrosłe w warunkach gruntów porolnych) former farmland (trees growing on former farmland) wysokość odpowiadająca pierśnicy drzewa height corresponding to breast height of a tree wysokość odpowiadająca połowie oczyszczonej strzały height corresponding to half-length of pruned stem wysokość odpowiadająca nasadzie żywej korony drzewa height corresponding to the base of live crown pierśnica drzewa breast height of a tree wysokość drzewa tree height średnia średnica korony mean crown diameter długość żywej korony length of live crown wiek drzewa age of a tree stosunek wysokości drzewa do jego pierśnicy a ratio of tree height to its diameter at breast height stosunek długości żywej korony do wysokości drzewa a ratio of length of live crown to tree height stosunek średniej średnicy korony do wysokości drzewa a ratio of mean crown diameter to tree height

6 6 Qu [kg/m 3 ] Rc 0% [MPa] Rc 30% [MPa] Rg 0% [MPa] Rg 30% [MPa] W D Rc [MPa] W D Rg [MPa] W 0% W 30% Z L [U/10 mg -1 ] K C [%] G S [μm] C ST30% [km] gęstość umowna drewna basic density of wood wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien drewna absolutnie suchego compressive strength along the grain of absolutely dry wood wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien drewna maksymalnie nasyconego compressive strength along the grain of wood at saturation point wytrzymałość na zginanie statyczne drewna absolutnie suchego static bending strength of absolutely dry wood wytrzymałość na zginanie statyczne drewna maksymalnie nasyconego static bending strength of wood at saturation point wzmocnienie desorpcyjne przy ściskaniu wzdłuż włókien desorption strengthening at compression along the grain wzmocnienie desorpcyjne przy zginaniu statycznym desorption strengthening at static bending wilgotność drewna absolutnie suchego content of moisture of absolutely dry wood wilgotność drewna maksymalnie nasyconego content of moisture of wood at saturation point zawartość lignin lignin content krystaliczność celulozy cellulose crystallinity grubość ściany komórkowej thickness of cell wall współczynnik stabilności drzewa dla drewna maksymalnie nasyconego coeffi cient of tree stability of wood at saturation point

7 1. WSTĘP Wzrost korzyści ekonomicznych uzyskanych z produktu zależy nie tylko od jego ilości, lecz także od jego jakości. Wydajność produkcji oraz końcowa jakość surowca drzewnego są uwarunkowane wieloma czynnikami, do których należy między innymi zmienność genetyczna. Uwarunkowania genetyczne mają prawdopodobnie kluczowe znaczenie w kształtowaniu wartości i jakości drewna, dlatego w literaturze przedmiotu poświęca się im coraz więcej uwagi (ZOBEL 1971, PERSSON i IN. 1995, ALLONA i IN. 1998, FUJIMOTO i IN. 2006, KUMAR i IN. 2006). Pomimo intensywnych badań problem zlokalizowania oraz określenia genów odpowiedzialnych za formowanie się tkanki drzewnej nie jest jeszcze do końca poznany. O ostatecznym efekcie produkcji surowca drzewnego decydują również cechy wynikające w większym lub mniejszym stopniu z warunków wzrostu i rozwoju oraz działalności człowieka (PRESCHER i STÅHL 1986). Te z kolei, wraz z genotypem drzewa, mają wyjątkowe znaczenie dla procesu tworzenia się tkanki drzewnej, a z punktu widzenia gospodarki leśnej i możliwości wykorzystania surowca drzewnego kształtują jego jakość i wartość (BRÜCHERT i IN. 2000, JELONEK i IN. 2006, 2010 a, TOMCZAK i IN. 2008). Literatura opisująca wpływ różnych czynników na ilościowe i jakościowe kształtowanie się cech drewna jest bardzo obszerna. Wpływ czynników zewnętrznych na wzrost i rozwój drzew i drzewostanów oraz na makro- i mikrostrukturę drewna przedstawili między innymi WAGENFÜHR (1966), KOLLMANN i WILFRED (1968), SMITH (1968), WINANDY (1994), SAVIDGE (2003), SCHWEINGRUBER (2007), TOMCZAK i IN. (2009 b, c). Najważniejszymi czynnikami zewnętrznymi wpływającymi na powstawanie różnic ilościowych i jakościowych między poszczególnymi osobnikami są: klimat, siedliskowy typ lasu, pozycja biosocjalna drzewa w drzewostanie oraz postępowanie gospodarcze (PERSSON i IN. 1995, WIEMANN i WILLIAMSON 2002, MÄKINEN i ISOMÄKI 2004, JAKUBOWSKI i IN. 2005, RIESCO MUÑOZ i IN. 2008, JELONEK i IN. 2009, TOM- CZAK i IN d). Do grupy tej można zaliczyć także stosunkowo mało poznany czynnik, jakim są nieprzystające do warunków gruntów leśnych obszary porolne.

8 8 Zwiększanie lesistości jest trwałym elementem polityki przestrzennej, ekologicznej i gospodarczej kraju. Najbardziej jednoznacznie potrzeba wzrostu lesistości ujęta jest w polityce leśnej państwa jako jeden z istotnych jej celów (PUCHNIALSKI 2000). W Polsce, w wyniku realizacji KPZL 1, od 1995 roku zalesieniu najsłabszych, nieprzydatnych rolniczo gleb podlega średnio kilkanaście tysięcy hektarów rocznie, a w okresie zaplanowano wykonanie zalesień na powierzchni 680 tys. ha, w tym na gruntach państwowych na obszarze 130 tys. ha oraz na gruntach niepaństwowych na powierzchni 550 tys. ha (KRAJOWY PROGRAM ). W wyniku wielu błędów, jakie popełniono w trakcie realizacji KPZL, odnotowano w latach wyraźny spadek zalesianych powierzchni. W roku 2010 zalesiono zaledwie 5900 ha gruntów, w tym około 790 ha gruntów stanowiących własność Skarbu Państwa (PASCHALIS-JAKUBOWICZ 2012). Jak prognozuje PASCHALIS-JAKUBOWICZ (2012), pomimo spadku tempa zalesień istnieje szansa na osiągnięcie w 2020 roku założonego poziomu lesistości, tj. 30%. Lasy na gruntach porolnych to jeden z istotniejszych problemów współczesnego leśnictwa. Zalesienia gruntów porolnych były dosyć długo uważane za rezerwuar drewna energetycznego oraz narzędzie ograniczania szkodliwej działalności wiatru. Współcześnie zalesione grunty porolne pełnią funkcje środowiskowe (ochronne), społeczne i produkcyjne. Rola gruntów porolnych w tworzeniu nowych fitocenoz leśnych skłoniła do podjęcia prób wypracowania nowych strategii zalesień gruntów porolnych (ZAJĄCZKOWSKI i ZAJĄCZKOWSKI 2009). Naturalny cykl życiowy drzewa, wpływ otoczenia i cech dziedzicznych oraz cechy jakościowe drewna są ze sobą ściśle związane i w ogromnej mierze zależą od warunków glebowych. Nietypowe, ekstremalne dla produkcji leśnej warunki, jakie panują na gruntach porolnych, najprawdopodobniej bezpośrednio i pośrednio wpływają na kształtowanie się tkanki drzewnej i prowadzą do zmian adaptacyjnych. Przejawiają się one modyfikacją struktury drewna oraz istotnie wpływają na stabilność biomechaniczną drzew i drzewostanów, a w dalszej konsekwencji determinują jakość produkowanego z nich surowca. Odtworzenie ekosystemów leśnych na gruntach użytkowanych uprzednio rolniczo oraz nieużytkach, ważne ze względów ekologicznych, ma również istotne znaczenie gospodarcze (ROSENQVIST 2007). Stopniowy wzrost udziału drzewostanów wzrastających w warunkach gruntów porolnych doprowadzi w niedalekiej przyszłości do zwiększenia podaży drewna, głównie drewna sosnowego (niewiadomej 1 Krajowy program zwiększania lesistości (KPZL) został przyjęty przez Radę Ministrów w czerwcu 1995 roku. Zakłada on zwiększenie lesistości Polski do 30% w 2020 roku oraz do 33% w 2050 roku. Oznacza to potrzebę zalesienia około 700 tys. ha do 2020 roku i około 1,5 mln ha do 2050 roku.

9 jakości). Uwzględniając rosnący popyt na drewno oraz stopniowy wzrost jego cen, należy położyć szczególny nacisk na poszukiwanie dróg wiodących po pierwsze do zwiększenia stabilności drzew i drzewostanów, a po drugie do poprawy produkcji surowca wysokiej jakości, o ustalonym z góry przeznaczeniu, ze szczególnym uwzględnieniem drzewostanów zakładanych i pielęgnowanych na glebach użytkowanych uprzednio rolniczo. Produkcja surowca drzewnego poprzez rekultywację gruntów porolnych niesie jednak ze sobą liczne niebezpieczeństwa, nie tylko w aspekcie hodowlanym. Dyskusji należy poddać również biomechaniczną stabilność drzew i drzewostanów oraz cechy jakościowe i ilościowe formującej się w strzałach drzew tkanki drzewnej, ze szczególnym uwzględnieniem drzewostanów w wieku rębnym, z których pochodzi w dużej mierze surowiec wielkowymiarowy (często przeznaczany na cele konstrukcyjne) i znaczny odsetek surowca przerabianego w przemyśle celulozowo-papierniczym. Specyficzne warunki produkcji leśnej na gruntach porolnych mają swoje podłoże przede wszystkim we właściwościach gleby. Duża zawartość azotu w glebie uprawianej rolniczo, większa wartość odczynu niż w glebach leśnych, obecność podeszwy płużnej, brak korzeni stanowiących nisze ekologiczne dla mikroorganizmów i grzybów antagonistycznych typowych dla gleb leśnych zostały nazwane przez SIEROTĘ i MAŁECKĄ (2003) zespołem gruntu porolnego. Na skutek zalesienia gruntów porolnych właściwości gleby ulegają z czasem istotnej modyfikacji (ALRIKSSON i OLSSON 1995, RITTER i IN. 2003, HAGEN-THORN i IN. 2004). Zmianie ulega przede wszystkim porowatość gleby, ph oraz zawartość podstawowych pierwiastków (TU- SZYŃSKI 1990, OLSZEWSKA i SMAL 2008, SMAL i OLSZEWSKA 2008). Problematyka zalesiania gruntów porolnych poruszana była w literaturze światowej wielokrotnie, jednak głównie dotyczyła ona aspektów ekologicznych, w tym przede wszystkim sekwestracji węgla (MASERA i IN. 2003, GARCÍA-QUIJANO i IN. 2007, KURBANOV i IN. 2007, VESTERDAL i IN. 2007). Nieco rzadziej można napotkać pozycje dotyczące planowania i modelowania zalesień (GINSBERG 2002, GUSTI 2007), a sporadycznie poruszane są kwestie jakości drewna produkowanego na gruntach porolnych (HYTÖNEN 2003). W Polsce problemem sukcesji ekologicznej oraz odtwarzania ekosystemów leśnych na gruntach porolnych zajmowali się SZUJECKI (1990) i SZWAGRZYK (2004), a strukturę drewna i jego właściwości badali JELONEK i IN. (2005 a, 2008 b, 2009, 2010 a). Na podstawie związków pomiędzy biomasą ulistnienia a cechami biometrycznymi drzew JELONEK i IN. (2012 b) podjęli próbę parametryzacji biomasy ulistnienia sosny wyrosłej w warunkach gruntów porolnych oraz leśnych. W wyniku przeprowadzonych badań zaproponowali modele służące do predykcji biomasy ulistnienia sosen w zależności od warunków wzrostu i rozwoju. Ponadto stwierdzili, że u drzew wyrosłych w warunkach gruntów porolnych stopniowo wraz z wiekiem zwiększa 9

10 10 się w stosunku do drzew leśnych masa igieł przypadająca na jednostkę powierzchni przewodzącej, co może świadczyć o występowaniu różnic w wydajności koron pomiędzy porównywanymi grupami drzew. Wynika to najprawdopodobniej z tego, iż występują różnice tempa wzrostu drzew, które zmniejszają się wraz z wiekiem, co z kolei powoduje, że zmniejsza się produkcyjność drzewostanu (ZAEHLE 2005). Zapewne jest ona inna w drzewostanach wzrastających na gruntach porolnych, a jej konsekwencją są np. zmiany konduktywności hydraulicznej bielu w wyniku wzrostu (przyrostu) drzew na wysokość (RYAN i YODER 1997). Zmiany związane z fizjologicznym funkcjonowaniem drzewa można przedstawić również w postaci funkcji wieku. Jednym z wykładników tych zmian będzie proces starzenia się tkanki drzewnej, który najprawdopodobniej inaczej przebiega u sosen wzrastających w warunkach gruntów porolnych, a inaczej u sosen rosnących na gruntach leśnych (JELO- NEK i IN b). Konsekwencją tych zmian będą zapewne ilościowe i jakościowe zmiany w strukturze ksylemu, a co się z tym wiąże zmiany jego właściwości. Jak wskazują przeprowadzone badania, drewno drzew wyrosłych w warunkach gruntów porolnych jest bardziej niejednorodne pod względem makrostruktury niż drewno drzew wyrosłych na gruntach leśnych. Zmiany szerokości słoja rocznego na przekroju poprzecznym drzew pochodzących z gruntów porolnych odznaczają się większą dynamiką w porównaniu z sosnami wyrosłymi w warunkach gruntów leśnych, co jest szczególnie widoczne w strefie przyrdzeniowej. Na podstawie zmian ilościowych w budowie makrostrukturalnej drewna oraz jej związku z cechami biometrycznymi drzew można przypuszczać, że sosny wyrosłe w warunkach gruntów porolnych szybciej się starzeją i wcześniej osiągają dojrzałość techniczną niż drzewa rosnące na glebach leśnych (TOMCZAK i IN b). Najprawdopodobniej u sosen znajdujących się w wieku rębności pochodzących z gruntów porolnych zachodzą zmiany, które prowadzą do ogólnego zmniejszenia sprawności metabolicznej i przyspieszenia procesów starzenia się. W procesach tych najpierw uszkodzeniu ulega genom, po czym następuje zniszczenie błon komórkowych i inaktywacja wielu enzymów. W przyrodzie naturalne modyfikacje tkanki drzewnej postępują najczęściej z wiekiem, czego przykładem jest związana z procesem starzenia się depolimeryzacja łańcuchów celulozy w ksylemie. Różnice w cechach i właściwościach drewna pomiędzy sosnami pochodzącymi z gruntów porolnych a sosnami wyrosłymi w warunkach gleb leśnych mogą być więc wynikiem biomodyfikacji tkanki drzewnej na poziomie makro- i mikrostrukturalnym u tych pierwszych. Prowadzi do deprecjacji surowca drzewnego na pniu oraz wpływa na stabilność biomechaniczną drzew i drzewostanów, a tym samym do pogorszenia wartości drewna (JELONEK i IN a). Poszukiwanie nowych sposobów produkcji surowca drzewnego o wszechstronnym zastosowaniu poprzez zalesianie gruntów porolnych stało się problemem globalnym. Powszechnie panujący pogląd o strukturalnej odmienności drewna

11 pochodzącego z drzewostanów wzrastających w warunkach gruntów porolnych nie jest jedynie rozważaniem naukowym, ale problemem osadzonym głęboko w praktyce, dlatego niezmiernie ważne jest poznanie możliwie wielu cech i właściwości tkanki drzewnej formowanej w drzewostanach wzrastających w nietypowych dla fitocenoz leśnych warunkach, w tym w warunkach gruntów porolnych. Badania podjęte w niniejszej pracy mają na celu porównanie wielu cech i właściwości drewna pochodzącego z drzewostanów wyrosłych w warunkach gruntów porolnych na tle drewna pochodzącego z drzewostanów wyrosłych na glebach leśnych. Analizie zostaną poddane cechy struktury drewna, takie jak grubość ścian komórkowych, zostaną określone cechy ilościowe i jakościowe podstawowych komponentów drewna oraz pomierzone wybrane właściwości fizyczne i mechaniczne drewna, co w konsekwencji pozwoli określić biomechaniczną stabilność drzew. Tak szeroka analiza powinna zapewnić prawidłową weryfikację czynników kształtujących biomechaniczną stabilność drzew oraz zweryfikować założenie o adaptacyjnym wzroście drzew z uwzględnieniem cech i właściwości tkanki drzewnej. 11

12 2. STAN BADAŃ 2.1. Wprowadzenie Proces formowania się tkanki drzewnej jest bardzo złożony i nie został jeszcze dokładnie poznany (PLOMION i IN. 2001). Jak podaje WODZICKI (2001), na właściwości i strukturę drewna wpływ mają zarówno uwarunkowania genetyczne, jak i czynniki środowiskowe i antropogeniczne. Na poziomie molekularnym oraz komórkowym ważne jest rozpoznanie genów kontrolujących sezonową aktywność kambium oraz mechanizmu propagacji informacji morfogenetycznej w złożonym organizmie roślinnym. W odniesieniu do całego organizmu istotne zdaje się poznanie możliwie wielu endo- i egzogennych czynników wpływających na jego strukturę i funkcjonowanie. Niepełne zrozumienie wszystkich praw rządzących formowaniem się tkanki drzewnej wynika przede wszystkim z ogromnej ilości interakcji pomiędzy budową drewna a czynnikami genetycznymi, środowiskowymi i antropogenicznymi. Owa sieć zależności dotyczy jednocześnie różnych poziomów struktury drewna, począwszy od cech makrostrukturalnych poprzez skomplikowaną budowę ścian komórkowych, a skończywszy na poziomie molekularnym. Wpływ uwarunkowań genetycznych na kształtowanie się jakości tkanki drzewnej potwierdzają badania PRESCHERA i STÅHLA (1986) oraz PERSSONA i IN. (1995), według których występuje istotne zróżnicowanie jakości drewna sosny zwyczajnej pomiędzy różnymi proweniencjami tego gatunku. Ponadto autorzy podkreślają bardzo silną rolę oddziaływań środowiska w kształtowaniu się cech i właściwości drewna badanych gatunków drzew. HANNRUP i IN. (1998, 2000) w swoich badaniach stwierdzili dużą odziedziczalność gęstości drewna i długości cewek u sosny zwyczajnej. Dużą wartość współczynnika odziedziczalności gęstości drewna potwierdzają również badania PERSSONA (1972), który wykazał, że dla dwóch stanowisk współczynnik korelacji gęstości drewna między drzewami matecznymi a potomstwem wynosił 0,59 i 0,42.

13 Według PERSSONA i IN. (1995) w dużej zmienności genetycznej sosny tkwi jej potencjał. W wyniku nakładania się oddziaływań genotypu i warunków środowiskowych może bowiem dojść do powstania fenotypów, które będą się charakteryzowały specyficznymi cechami i właściwościami drewna. Tworzenie się w ten sposób nowych, lokalnych fenotypów może być wykorzystane do hodowli drzew odznaczających się wysoką, z góry ustaloną jakością drewna czy też bardzo dobrą odpornością na obciążenia dynamiczne, w przypadku gdy są to drzewostany narażone na działanie wiatru. Obok wspomnianych uwarunkowań genetycznych w kształtowaniu cech i właściwości drewna niebagatelną rolę odgrywają cechy wynikające w większym lub mniejszym stopniu z warunków środowiskowych kształtujących wzrost i rozwój drzew oraz całych drzewostanów. Funkcjonowanie drzew pod kątem fizjologicznym oraz tworzenie się tkanki drzewnej stosunkowo szczegółowo opisali ZIMMERMANN i BROWN (1971) oraz CHAF- FEY (2002), natomiast ZOBEL i VAN BUIJTENEN (1989) przedstawili bardzo obszerną charakterystykę zmienności właściwości drewna na poziomie komórkowym. TOM- CZAK i IN. (2009 b, 2009 c, 2009 d) w trzech kolejnych pracach przedstawili przegląd literatury, która charakteryzuje cechy i właściwości drewna sosny, oraz opisali wpływ naturalnych i antropogenicznych czynników na formowanie się tkanki drzewnej. Autorzy podkreślają, że decydującą rolę w kształtowaniu jakości drewna ma jego naturalna niejednorodność, która z punktu widzenia biologicznego jest zaletą i ma swoje podstawy w funkcjach fizjologicznych oraz biomechanicznych drzewa (KELLOMÄKI i IN. 1999). Sama tkanka drzewna w różnym stopniu jest optymalizowana pod względem pełnionych funkcji, warunków wzrostu drzewa i strategii umożliwiających jego przetrwanie. Cechami charakterystycznymi drewna są: złożony skład chemiczny oraz specyficzna dla poszczególnych gatunków drzew budowa anatomiczna, z których bezpośrednio wynikają właściwości fizyczne i mechaniczne drewna. Nawet w obrębie jednego gatunku mogą występować różnice w budowie i właściwościach drewna, np. w zależności od położenia geograficznego (FABIJANOWSKI 1961), warunków siedliskowych (PAZDROWSKI i SPŁAWA-NEYMAN ), wieku czy też pozycji biosocjalnej drzewa w zbiorowisku (PAZDROWSKI i SPŁAWA-NEYMAN 1993, FABISIAK 2005). Zmienność regionalną cech drewna sosny zwyczajnej wykazał w swoich badaniach KOBYLIŃSKI (1967). Badacz ten najlepsze właściwości techniczne drewna stwierdził u sosen wielkopolskich, pośrednie u bałtyckich i mazurskich, a najgorsze u karpackich. Uzyskane przez KOBYLIŃSKIEGO (1967) wyniki znajdują swoje potwierdzenie w pracach PASCHALISA (1980), który stwierdził spadek jakości technicznej drewna sosny zwyczajnej w miarę przesuwania się z północy na południe i ze wschodu na zachód. 13

14 14 Cechy i właściwości tkanki drzewnej będą się również zmieniać w pojedynczym drzewie w zależności od jego wieku, udziału drewna młodocianego oraz dojrzałego, drewna wczesnego i późnego w słojach rocznych, drewna bielastego i twardzielowego oraz wad drewna (PLOMION i IN. 2001). Różnice te są istotne nie tylko z punktu widzenia funkcjonowania drzewa, lecz także określają możliwości zastosowania drewna jako produktu finalnego. Pod względem mechanicznym wzrost drzew jest określony wieloma zasadami zapewniającymi ich przetrwanie. Aby nie dopuścić do uszkodzenia mechanicznego pnia, drzewa optymalizują swój wzrost poprzez równomierny rozkład naprężeń oraz liczne modyfikacje tkanki drzewnej. Jednym z podstawowych mechanizmów zabezpieczających drzewo przed stresem wynikającym z obciążeń dynamicznych jest zachowanie odpowiedniej sztywności pnia. Kluczową rolę odgrywa tu zachowanie proporcji pomiędzy wysokością a średnicą pnia oraz prawidłowa alokacja biomasy (KIM 2000). Wiele wcześniejszych i współczesnych badań prowadzonych w obszarze mechanicznego funkcjonowania drzew i ich stabilności oraz struktury i właściwości drewna często marginalizuje czynniki determinujące jego tworzenie się i skupia się jedynie na zmienności w wąskim obszarze. Ze względu na złożoność zjawisk oraz występowanie licznych interakcji biomechanika drzew nie jest jeszcze do końca rozpoznana i wymaga prowadzenia nowych badań i weryfikacji istniejących już hipotez Struktura drewna Na wzrost kambialny składają się liczne zjawiska biofizyczne i biochemiczne zachodzące na poziomie komórkowym. Ze względu na złożoność procesów związanych z tworzeniem się drewna oraz szereg jego naturalnych modyfikacji nie wszystkie z tych zjawisk zostały w pełni zrozumiane i szczegółowo opisane (CELL AND MOLECULAR ). Drewno drzew iglastych jest zbudowane w blisko 90% z cewek pełniących zarówno funkcję przewodzącą, jak i mechaniczną. Budowa cewek została opisana dzięki zastosowaniu mikroskopii oraz technik rentgenowskich (ABE i IN. 1991, 1992). Tworzenie się nowej warstwy elementów trachealnych można podzielić na dwie fazy: wzrost osiowy i promieniowy komórek. Po ustaniu procesu wzrostu rozpoczyna się proces tworzenia ściany wtórnej i jej stopniowa lignifikacja. Ściany elementów anatomicznych drewna nie są jednorodne: stanowią one submikroskopowy zespół pokładów będących złożonym konglomeratem chemicznym, w którym część

15 składników powiązana jest ze sobą wiązaniami chemicznymi, a część wiązaniami fizycznymi (KOKOCIŃSKI 2004). Pierwotna lub zewnętrzna warstwa ściany komórkowej jest zazwyczaj bardzo cienka (0,1-0,2 μm). Pozostaje ona plastyczna do momentu uformowania się ściany wtórnej, a kąt ułożenia mikrofibryl jest w niej z reguły przypadkowy (BUTTERFIELD 2003). Ściana wtórna składa się zazwyczaj z trzech warstw (pokładów), w których mikrofibryle są uporządkowane, leżą w równoległych, skręconych helisach o ustalonym kącie. Grubość ściany wtórnej cewek oraz udział w jej grubości poszczególnych pokładów (S 1, S 2, S 3 ) ma istotne znaczenie praktyczne. Im większa gęstość oraz grubość ścian komórkowych, im mniejszy kąt nachylenia w nich mikrofibryl, im większa zawartość celulozy (szczególnie formy krystalicznej) w ścianach komórkowych, tym większa jest ilość wyprodukowanej masy drzewnej o lepszych parametrach wytrzymałościowych (MARK 1967, KRZYSIK 1978, BAMBER i BURLEY 1983, KOKOCIŃSKI 2004, FABISIAK 2005). Grubość pokładu S 1 mieści się w przedziale 0,1-0,3 μm, ułożenie mikrofibryl jest z reguły lewostronne, a ich kąt w stosunku do osi wzdłużnej komórki wynosi około Pokład S 2 z punktu widzenia biomechaniki anatomii drewna jest najistotniejszy. Grubość tej warstwy zawiera się w przedziale od 1 do 5 μm, a mikrofibryle są najczęściej prawoskrętne i ułożone, w normalnych cewkach, pod kątem Kąt ułożenia mikrofibryl w tym pokładzie jest najistotniejszym czynnikiem określającym właściwości mechaniczne drewna (BENDTSEN i SENFT 1986). Za najbardziej odporne pod względem mechanicznym uznaje się cewki, w których mikrofibryle są ułożone możliwie równolegle do osi podłużnej. Według CAVEʼA (1968) zmniejszenie kąta nachylenia mikrofibryl pokładu S 2 z 40 do 10 powoduje pięciokrotny wzrost wytrzymałości ściany komórkowej. Najgłębsza warstwa (S 3 ) jest bardzo cienka 0,1 μm, o lewostronnym ułożeniu mikrofibryl pod kątem aż 60-90, dlatego też ma stosunkowo niewielkie znaczenie w biomechanice elementów anatomicznych. Struktura ścian komórkowych cewek określa mechaniczne i fizyczne właściwości drewna. Od dawna wiadomo, że grubość ścian komórkowych wpływa na sztywność tkanki drzewnej, a kąt ułożenia mikrofibryl w dominującym pokładzie S 2 reguluje dwie główne właściwości drewna: sztywność osiową (CAVE 1968, 1969) i kurczenie wzdłużne (HARRIS i MEYLAN 1965). U gatunków iglastych grubość i cechy biometryczne cewek wykazują zróżnicowanie w zależności od wielu czynników. W obrębie pojedynczego przyrostu lub w kolejnych przyrostach grubości czynnikiem różnicującym może być wiek kambialny (MENCUCCINI i IN. 1997), jak również zabiegi hodowlane (PERSSON i IN. 1995), umiejscowienie drewna w pniu (DONALDSON 1998) bądź uwarunkowania genetyczne (DONALDSON i BURDON 1995). 15

16 16 Pod względem chemicznym drewno jest konglomeratem kilku wielkocząsteczkowych związków organicznych, spośród których pierwsze miejsce zajmują polisacharydy (celuloza i hemicelulozy). Ich udział (głównie celulozy) w ścianach komórkowych decyduje w dużej mierze o właściwościach tkanki drzewnej i może podlegać pewnym zmianom (PROSIŃSKI 1969, PEREIRA i IN. 2003). Zmiany ilości podstawowych komponentów ściany komórkowej mogą być różne w obrębie jednego gatunku w zależności od warunków wzrostu i rozwoju, uwarunkowań genetycznych czy wieku drzew (FENGEL i WEGENER 1989, WOOD , WOOD STRUCTURE ). W przypadku celulozy, oprócz jej udziału w ścianach komórkowych, który może wynosić od 40 do 50%, ważny z punktu widzenia właściwości drewna jest udział formy krystalicznej w stosunku do amorficznej oraz stopień polimeryzacji celulozy. Szacuje się, że w drewnie około 70% stanowi celuloza krystaliczna o stopniu polimeryzacji bliskim Wraz ze wzrostem obszarów krystalicznych oraz długości łańcuchów celulozy tkanka drzewna będzie się charakteryzowała lepszymi parametrami wytrzymałościowymi, mniejszym skurczem i większą gęstością. Proces drewnienia tkanek roślinnych jest związany z syntezą lignin i ich akumulacją w tkankach roślinnych w ilości od około 16% do 30% według SURMIŃSKIEGO (2006), 20-30% według PEREIRY i IN. (2003), 25-30% suchej masy według MIIDLY (1989). Najwięcej lignin znajduje się w blaszce środkowej (około 60%), natomiast w ścianie wtórnej ich udział mieści się w przedziale pomiędzy 27 a 29%. Tak duży udział lignin w tkance drzewnej zwiększa opór ściany komórkowej na odkształcenie i zapewnia jej mechaniczną stabilność (BOUDET i IN. 1995, SANTOS ABREU i IN. 1999). Ponadto ligniny ułatwiają transport wody i utrudniają degradację polisacharydów ściany, a ich działanie można określić jako antyseptyczne w stosunku do czynników patogenicznych (MONTIES 1989, DOKE i IN. 1994, HATFIELD i VERMERRIS 2001). Chemiczne komponenty ściany komórkowej oraz ich dystrybucja istotnie determinują właściwości drewna, zarówno mechaniczne, jak i fizyczne. Ligniny odpowiadają przede wszystkim za wytrzymałość drewna na ściskanie, natomiast celuloza za wytrzymałość na rozciąganie i w znacznej mierze na zginanie. Skład chemiczny drewna ma nie tylko ogromny wpływ na biomechaniczną stabilność drzew i ich odporność na stres wywołany obciążeniami zewnętrznymi, lecz także na możliwości wykorzystania drewna jako surowca w przemyśle papierniczym czy też jako materiału konstrukcyjnego.

17 Biomechaniczna stabilność drzew Właściwościami mechanicznymi drzew interesowano się od wieków. Już w XVII wieku Galileusz stwierdził, że każda sztuczna oraz naturalna struktura ma granicę skali, po której przekroczeniu nie jest możliwe jej funkcjonowanie. Ilościowe analizy strukturalne drzew zostały zapoczątkowane w XVII wieku przez Eulera oraz Greenhilliego (JAMES i IN. 2006). Prowadzili oni badania nad maksymalną, krytyczną wysokością drzewa, powyżej której uległoby ono zniszczeniu pod własnym ciężarem (SPATZ 2000). Badania zapoczątkowane nad mechaniką drzew doprowadziły do powstania dwóch głównych nurtów. Były to: koncepcja Metzgera i koncepcja Jaccarda (PILAT 1928). Jaccard zaproponował teorię fizjologiczną, znajdującą swoją podstawę w architekturze hydraulicznej rośliny, która musi spełnić przede wszystkim funkcje przewodzące. Według Jaccarda wzrost roślin drzewiastych na grubość i wysokość podyktowany jest przede wszystkim konduktywnością hydrauliczną pnia, która pozostaje w ścisłej relacji z koroną drzewa. Z kolei Metzger był zwolennikiem teorii mechanicznej, w której wychodzi się z założenia, że w rosnącym drzewie dochodzi do optymalizacji odporności na działanie sił zewnętrznych poprzez utrzymanie odpowiedniego przekroju pnia oraz wysokości drzewa. Teoria Metzgera wywodzi się z koncepcji SCHWENDENERA (1874), który chciał w pierwszej kolejności zbadać, w jaki sposób idee stosowane w inżynierii mogłyby zostać wykorzystane do zrozumienia anatomii funkcjonalnej i morfologii roślin. On też biomechanikę roślin, wraz z wydaną w 1874 roku publikacją ( Das mechanische Prinzip im anatomischen Bau der Monocotyledonen mit vergleichenden Ausblicken auf die übrigen Pflanzenklassen ), określił jako ważny kierunek badań (NIKLAS i IN. 2006). Jedną z pierwszych prób szerszego opisania układów biomechanicznych drzew i wzajemnych relacji pomiędzy układami fizjologicznym a mechanicznym była teoria mechanicznego formowania się drzew, którą w 1952 roku przedstawił YLINEN. Powyższe teorie nie wyjaśniły w pełni mechanizmów tworzenia się strzał i nie opisały czynników odpowiedzialnych za stabilność biomechaniczną drzewa. Wynika to przede wszystkim z tego, iż w badaniach nad biomechaniką drzew nakłada się wiele czynników, do których zaliczyć można: skomplikowaną (w porównaniu ze zwykłymi konstrukcjami) geometrię drzew, heterogeniczność drewna na różnych poziomach, wpływ promieniowego wzrostu, który prowadzi do powstania nietypowych naprężeń, naprężenia wzrostowe i odkształcenia powstałe w wyniku wewnętrznych, fizycznych i chemicznych zjawisk zachodzących podczas formowania się drewna oraz obciążenia zewnętrzne (FOURNIER-DJIMBI i CHANSON 1999). Z tych

18 18 powodów pod koniec XIX wieku pierwszy, prosty mechaniczny model szacowania biomechaniki drzewa był ujęty jako jednorodny zwężający się słup. W modelu tym pod uwagę wzięto jedynie trzy zmienne: długość słupa, jego wychylenie poprzeczne i masę. Prosty model drzewa jako sumę n kłód skupiających masę gałęzi zgromadzonych w okółkach przedstawili JAMES i IN. (2006) (ryc. 1 a). Nieco później SAUNDER- SON i IN. (1999) zaproponowali dynamiczny model składający się z pnia w kształcie stożka, na którym umieszczona jest cylindryczna korona (ryc. 1 b). Z kolei BAKER (1995) przedstawił podstawowy model mechaniczny drzewa jako układ dwóch mas: masy korony i systemu korzeniowego połączonych elastycznym pniem o długości od powierzchni gruntu do środka ciężkości rośliny (ryc. 1 c). a b c Z i Z i-1 M n D n M i D i M i-1 Z 1 M 1 L H U (x,y) D y x max U y min X x Y y mg P x D 1 k Ryc. 1. Proste modele mechaniczne drzewa: a według JAMESA i IN. (2006) (za Guitardem i Casterą 1995): n kłody, i liczba elementów, Z wysokość, M masa, D średnica; b model geometryczny według SAUNDERSONA i IN. (1999): U (x,y) obciążenie przez wiatr, H wysokość drzewa, L długość korony, D średnica korony; c według BAKERA (1995): P zmiany obciążenia drzewa przez wiatr, mg masa korony, Y przesunięcie masy korony, x wysokość pnia, na której występuje przemieszczenie o wartość y; y poziome przemieszczenie pnia, k obrotowy moment oporu bryły korzeniowej Fig. 1. Simplified tree mechanical models: a according to JAMES et AL. (2006) (after Guitard and Castera 1995): n logs, i number of elements, Z height, M weight, D diameter; b geometric model according to SAUNDERSON et AL. (1999): U (x,y) loaded by a wind, H tree height, L crown length, D crown diameter; c according to BAKER (1995): P the fluctuating wind force at the top of the stem denoted, mg crown weight, Y instantaneous displacement of the crown weight, x height above the ground where the displacement is y; y lateral defection of stem, k the rotational resistance moment of the root ball mass W początkowej fazie część badań nad biomechaniką drzew znajdowała swoje źródło w teorii fizjologicznej Jaccarda i skupiała się głównie na funkcjach hydraulicznych, kształtujących mechaniczny szkielet pnia (JARVIS 1975, TYREE i EWERS

19 1991). Za słusznością powyższej teorii częściowo przemawiają wyniki uzyskane przez JAMESA i IN. (2006). Stwierdzili oni, że wpływ na stabilność mechaniczną drzewa mają jego wielkość, kształt i struktura, dlatego alokacja biomasy podczas wzrostu drzewa podlega biofizycznym ograniczeniom, zwłaszcza dotyczącym fotosyntezy i transportu wody. Jeśli powyższe ograniczenia nie zostaną przekroczone, dochodzą ograniczenia wielkości i kształtu nałożone przez układy biomechaniczne (SPATZ i BRUECHERT 2000). Jednak optymalne rozmieszczenie biomasy jest trudne do określenia i inne dla każdego drzewa, dlatego nie są częste porównania hydraulicznej wydajności ksylemu z jego funkcją mechaniczną. Wiadomo natomiast, że aparat asymilacyjny, który bezpośrednio wpływa na produktywność fotosyntetyczną, musi mieć odpowiednie podparcie mechaniczne oraz dostęp do wody i składników pokarmowych (MENCUCCINI i IN. 1997). W związku z tym układ hydrauliczny rośliny jest ściśle związany z wymaganiami biomechanicznymi polegającymi na odpowiednim rozmieszczeniu masy przy właściwej skali elementów anatomicznych (SCHNIEWIND 1962). Z powyższych relacji wynika ogólnie panujący pogląd, że biomechanika drzew jest bezpośrednio związana z właściwościami mechanicznymi oraz hydraulicznymi elementów anatomicznych, a w czasie wzrostu i rozwoju drzew, a tym samym cyklicznego tworzenia się tkanki drzewnej, dochodzi do optymalizacji budowy tych elementów. W wyniku działania wielu zewnętrznych i wewnętrznych czynników powstają liczne modyfikacje tkanki drzewnej, które mają na celu uzyskanie kompromisu pomiędzy właściwościami mechanicznymi a hydraulicznymi drzewa (SCHNIEWIND 1962, MENCUCCINI i IN. 1997, SPERRY i IN. 2006). Znacznie szybciej rozwija się wiedza opisująca mechaniczne funkcjonowanie drzew (KING 1981, NIKLAS 1992, COUTTS i GRACE 1995, NIKLAS i SPATZ 2004). W wielu badaniach mechaniczne ograniczenia stały się głównymi wyznacznikami wielkości i kształtu drzew. Jak podają SPATZ i BRUECHERT (2000), struktura drzew musi być w stanie wytrzymać grawitację oraz obciążenia wiatrowe wywołujące momenty gnące. Graniczna wartość wytrzymałości tak rozumianej struktury zależy od jej parametrów (geometrii przekroju) i właściwości materiału (modułu sprężystości oraz wytrzymałości krytycznej, po której przekroczeniu następuje zniszczenie materiału). Obciążenia mechaniczne, wpływające na rozwój, morfologię i cechy strukturalne roślin drzewiastych, stały się podstawą do wprowadzenia pojęcia adaptacyjnego wzrostu drzew, które było przedstawione, we wspomnianej już publikacji SCHWEN- DENERA (1874) i zaadaptowane dla leśnictwa przez METZGERA (1893). Koncepcja ta dowodzi, że kształt pnia drzew jest zoptymalizowany w przenoszeniu obciążeń mechanicznych zarówno w pionie, jak i w poziomie. Hipoteza ta ma swą podstawę w teorii mówiącej, że naprężenia pnia/strzały indukowane przez obciążenia zewnętrzne rozkładają się równomiernie (teoria stałego stresu, MATTHECK 1991). 19

20 20 Teoria ta została ponownie zweryfikowana przez MORGANA i CANNELLA (1994), którzy stwierdzili, że rozwój kształtu drzewa (wysokość, średnica) jest uzależniony od naprężeń, jakie strzała/pień musi przenosić, i podlega optymalizacji w trakcie życia organizmu. ALMÉRAS i FOURNIER (2009) podkreślają rolę grawitacji w tworzeniu się tkanki drzewnej oraz architektury drzewa. Wprowadzają oni pojęcie korekty grawitroficznej, która jest związana z długoterminową stabilnością mechaniczną drzewa. Autorzy twierdzą, że wzrost średnicy drzewa (przyrost grubości) równoważy zaburzenia spowodowane wzrostem jego masy własnej, a ograniczenia biomechaniczne drzew są związane z interakcją pomiędzy wzrostem a grawitacją i mogą zostać wyrażone jako funkcja podstawowych cech morfologicznych i anatomicznych oraz właściwości drewna. Powyższe tezy zostały sformułowane i zawarte w jednolitej teorii stresu, która mówi, że w średnim przedziale obciążeń mechanicznych naprężenia rozkładają się równomiernie wzdłuż osi pionowej pnia, ale w warunkach ekstremalnych rozkład naprężeń jest nierównomierny i zależy między innymi od zmian w rozkładzie masy pnia i korony oraz obciążeń zewnętrznych (GARDINER 1992, WOOD 1995, NYKÄNEN i IN. 1997, DE LANGRE 2008). W początkowej fazie rozważań nad biomechaniką drzew skupiono się nad poznaniem mechanizmu, dzięki któremu drzewa są zdolne do przenoszenia własnego ciężaru, tj. pnia i korony, oraz jakie czynniki ograniczają jego wysokość. Znacznie później zaczęto się zastanawiać nad obciążeniami dynamicznymi drzew powodowanymi przez wiatr (NIKLAS i IN. 2006). W trzech powiązanych ze sobą pracach (BRÜCHERT i GARDINER 2006, JAMES i IN. 2006, PELTOLA 2006) poświęcono uwagę obu obciążeniom, zarówno statycznym, jak i dynamicznym. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń autorzy stwierdzili, że drzewa jako systemy dynamiczne podlegają zmiennym w czasie obciążeniom mechanicznym. Przeprowadzono wiele badań w celu lepszego zrozumienia zachowania się drzew pod wpływem obciążeń dynamicznych (PELTOLA i KELLOMÄKI 1993, PELTOLA i IN. 1993, ENGLAND i IN. 2000). MAYER (1985) podaje, że na stabilność drzewa pod obciążeniem dynamicznym wpływ mają trzy elementy: moment zginający wywołany siłą wiatru (M W = K 1 h k ), moment wywołany masą korony (M B = K 2 X) oraz moment wywołany masą pnia (M S = K 3 X 1 ), gdzie K 1 to siła wiatru, K 2 to masa korony, K 3 to masa strzały, X to wychylenie, a h k to wysokość środka ciężkości korony (ryc. 2). PELTOLA i KELLOMÄKI (1993), w mechanicznym modelu szacowania stabilności sosny (ryc. 3), którego postać wyrażono równaniem: T (z) = F 1(z) z + F 2 x (z), pod uwagę wzięli trzy zmienne w czasie: siłę wiatru (F 1(z) ) i współczynnik wynikający z grawitacji i nadziemnej biomasy drzewa (F 2(z) ) oraz poziome wychylenie drzewa (x (z) ). W zaprezentowanym modelu zmienną F 1(z) wyrażono równaniem: 0,5 Cp p A (z) U (z)2, gdzie: Cp to współczynnik wychylenia, p to gęstość powietrza, A (z) to przewidywana powierzchnia drzewa obciążana przez wiatr,

21 21 Ryc. 2. Stabilność drzew w relacji do obciążeń dynamicznych wywołanych działaniem wiatru: K 1 (MAYER 1985) Fig. 2. The stability of trees in relation to dynamic loads caused by wind: K 1 (MAYER 1985) U (z) to prędkość wiatru. Zmienną F 2(z) określono na podstawie iloczynu: M (z) g, gdzie M (z) to masa korony i masa pnia, a g to stała grawitacyjna. W Polsce względnie dokładny przegląd teorii dotyczących mechanicznego formowania się drzew oraz ich stabilności mechanicznej przedstawił ZAJĄCZKOWSKI (1991), a analizę biomechanicznej stabilności drzew oraz struktury drewna drzew uszkodzonych przez wiatr badali JAKUBOWSKI (2010), JAKUBOWSKI i IN. (2011 a, 2011 b), JELONEK i IN. (2011), TOMCZAK i IN. (2011). Ci ostatni stwierdzili, że wielkość oraz architektura drzew (kształt i struktura) w większym stopniu aniżeli właściwości tkanki drzewnej wpływają na ich stabilność mechaniczną pod obciążeniami dynamicznymi, co w znacznej mierze pokrywa się z wnioskami, jakie przedstawili NIKLAS i SPATZ (2000). MOORE i MAGUIRE (2004, 2005) w analizach wpływu wielkości korony na drgania drzew wywołane wiatrem stwierdzili, że efekt tłumienia drgań zmniejsza się wraz

22 22 Z Wiatr (U) Wind (U) h F 1 F 2 X h Z 0 T Ryc. 3. Siły odziałujące na drzewo: F 1 wiatr, F 2 grawitacja, T całkowity moment gnący u podstawy pnia (PELTOLA i KELLOMÄKI 1993) Fig. 3. Forces affecting a tree: F 1 wind, F 2 gravity, T total turning moment at the base of the stem (PELTOLA and KELLOMÄKI 1993) ze wzrostem redukcji korony i ma silny związek ze stosunkiem pierśnicy drzewa do kwadratu jego wysokości (D 1,3 /H 2 ). Jak podaje MILNE (1991), na tłumienie kołysania się drzewa wpływ mają również: ingerencja gałęzi drzew sąsiednich, aerodynamika ulistnienia oraz tłumienie drgań przez pień i system korzeniowy. BRÜCHERT i GARDINER (2006) stwierdzili zmienność zarówno formy, jak i właściwości drewna w zależności od ekspozycji drzew na wiatr. Częstotliwość kołysania i tłumienia drzew wzrastała wraz ze wzrostem odległości od krawędzi drzewostanu, gdzie ekspozycja drzew na działanie wiatru była największa. Drzewa najbardziej eksponowane, wyrosłe na obrzeżach drzewostanu, charakteryzowały się przeciętnie mniejszą wysokością i większą zbieżystością pni w stosunku do drzew, które wyrosły w głębi drzewostanu. W grupie drzew wyrosłych na obrzeżach stwierdzono większą sztywność pnia u jego nasady i większą elastyczność w strefie korony. Z kolei drzewa wzrastające w strefie oddalonej od brzegu drzewostanu swą większą

23 smukłość pni rekompensowały sobie wzrostem sprężystości wyrażonej modułem Younga (BRÜCHERT i GARDINER 2006). Ze względu na ekonomiczne znaczenie oddziaływania wiatru oraz śniegu na funkcjonowanie ekosystemów leśnych zależności pomiędzy architekturą drzew a ich biomechaniką były również przedmiotem badań prowadzonych w aspekcie ryzyka wystąpienia uszkodzeń drzew od wiatru czy śniegu (BAKER 1995, KELLOMÄKI i PEL- TOLA 1998, PELTOLA 2006). W literaturze przedmiotu poświęcono stosunkowo dużo miejsca zagadnieniom związanym z predykcją uszkodzeń drzewostanów przez silne wiatry. BAKER (1995) oraz SAUNDERSON i IN. (1999) proponują modele matematyczne, które opisują zachowanie się drzew pod obciążeniem dynamicznym. BAKER (1995) w swoim modelu podkreśla znaczenie naturalnej częstotliwości drgań oraz prędkości wiatru jako podstawowych parametrów określania stabilności roślin drzewiastych. Badania nad krytyczną prędkością wiatru w prognozowaniu uszkodzeń drzew prowadzili ENGLAND i IN. (2000), natomiast PELTOLA i IN. (1997) przedstawili model krytycznego obciążenia drzew przez wiatr oraz okiść. Do najważniejszych z punktu widzenia stabilności cech drzew CUCCHI i BERT (2003) zaliczyli wielkość koron i średnicę pnia. Zauważyli oni, że mniejsze szkody od wiatru występują w drzewostanach, gdzie długość korony oraz obwód pnia są jednorodne. Drzewa uszkodzone miały zazwyczaj cieńsze pnie i relatywnie krótsze korony oraz większą wartość współczynnika smukłości niż drzewa, które nie zostały uszkodzone przez wiatr. Badając wpływ smukłości na stabilność drzew, do podobnych wniosków doszli PETTY i WORRELL (1981). Według nich najbardziej stabilne są drzewa wyrosłe w rozluźnieniu, które cechują się dużą zbieżystością pni i stosunkowo małą wysokością. W wielu badaniach nad odpornością drzew i drzewostanów na działanie zewnętrznych obciążeń dynamicznych stabilność drzew definiuje się współczynnikiem smukłości (ERTELD i HENGST 1966, JAWORSKI 2004, PELTOLA 2006, JELONEK i IN. w druku). Jest on uznany za odpowiednią miarę określania stabilności drzew oraz ich odporności na działanie wiatru, ponieważ uwzględnia optymalizację układów biomechanicznych w roślinie (JAWORSKI 2004, PELTOLA 2006). Również JELONEK i IN. (2012 a) stwierdzili, że w kształtowaniu się stabilności drzew narażonych na działanie obciążeń dynamicznych ważną rolę odgrywają współczynnik smukłości, długość i objętość korony oraz położenie środka ciężkości drzewa. Sosny, które uległy złamaniu, charakteryzowały się w stosunku do drzew nieuszkodzonych większą wartością współczynnika smukłości, dłuższymi koronami i niżej umiejscowionym środkiem ciężkości. Tak znaczący wpływ smukłości drzew na ich mechaniczną stabilność wydaje się uzasadniony. Według JAWORSKIEGO (2004) drzewo łamie się, gdy moment spowodowany przemieszczeniem się masy drzewa w powiązaniu z momentem wynikającym z naporu wiatru przekraczają wytrzymałość pnia na złamanie. Zatem drzewa, które charakteryzują się większym współczynnikiem 23

24 24 smukłości, mają dłuższe okresy drgań wymuszonych, a co za tym idzie są silniej obciążane przez wiatr. Ze względu na złożoność interakcji oraz dynamikę zjawiska biomechanika drzew nadal jest przedstawiana w dużym uproszczeniu (HASSINEN i IN. 1998). Wpływ na to ma przede wszystkim duża zmienność drzew w obrębie jednego gatunku, również stosunkowo mało jest poznana dynamiczna reakcja drzewa na działanie obciążeń zewnętrznych (KENNETH i IN. 2006). Z tych powodów analizy stabilności biomechanicznej drzew oparte na modelu będą obarczone ryzykiem błędu wynikającym z wyboru czynnika i mogą prowadzić do powstania uproszczonych hipotez, które powinny zostać przedyskutowane i zweryfikowane eksperymentalnie. Nawet zintegrowane pod względem ilościowym analizy nie dają jednoznacznej odwiedzi na pytanie o biomechaniczną stabilność drzew Właściwości drewna Drewno jest kompozytem o interesujących właściwościach: małej gęstości przy jednocześnie dużej wytrzymałości, dużej udarności, małym przewodnictwie cieplnym, małej wartości współczynnika przewodnictwa elektrycznego, znacznej estetyce itd. Jednakże, pomimo wielu zalet, wykorzystanie drewna jako materiału jest ograniczone z dwóch głównych powodów: charakteryzuje się ono bardzo dużą zmiennością oraz stosunkowo małą trwałością (PERRÉ i BADEL 2003). Można przyjąć, że jakość drewna jest w pewnym zakresie kształtowana poprzez indywidualne cechy i właściwości elementów anatomicznych tworzących tkankę drzewną. Wyjaśnienie zmienności właściwości drewna w relacji z jego strukturą anatomiczną było już opisywane (BOUTELJE 1962). Szczególne znaczenie w kształtowaniu się właściwości drewna ma grubość ścian komórkowych i ich udział w rocznym przyroście grubości. Często w literaturze porusza się temat związku właściwości drewna z powierzchnią i grubością ściany komórkowej, dlatego też udział drewna późnego jest łatwym do określenia i jednocześnie dobrym predykatorem w szacowaniu gęstości tkanki drzewnej drzew iglastych (KELLOGG i WANGAARD 1969, SKAAR 1988, WIMMER 1995). Im ściany cewek będą grubsze, im większy będzie udział w drewnie komórek grubościennych, tym większa będzie jego gęstość oraz lepsze właściwości mechaniczne. Na jakość i właściwości tworzącej się tkanki drzewnej wpływ mają: okres aktywności kambium, intensywność oraz długość różnicowania się komórek i intensywność odkładania się materiału organicznego w ścianach komórkowych (BOGACIŃSKI

25 i IN. 1988, HEJNOWICZ 2002). Czynniki te są uwarunkowane między innymi aktywnością hormonalną oraz predyspozycjami genetycznymi, a modyfikowane poprzez zespoły czynników zewnętrznych tworzących warunki wzrostu i rozwoju zarówno pojedynczych osobników, jak i całych zbiorowisk. Oprócz udziału drewna późnego w słoju rocznym niezmiernie ważną rolę w kształtowaniu się właściwości drewna odgrywa drewno młodociane. Ten specyficzny rodzaj drewna powstaje we wczesnej fazie życia drzew lub też w strefie pnia przyrastającego w obrębie korony (THÖRNQVIST 1993, NIEDZIELSKA i WĄSIK 2000, SPŁAWA-NEYMAN i SZCZEPANIAK 2000, HEJNOWICZ 2002). W porównaniu z drewnem dojrzałym drewno młodociane charakteryzuje się małą gęstością niezależnie od szerokości słoi rocznych, przeciętnie krótszymi cewkami, mniejszym udziałem drewna późnego oraz większym udziałem ligniny (RENDLE 1960, HAYGREEN i BOWYER 1996, ZOBEL i SPRAGUE 1998). Z tych powodów zmiany właściwości drewna u gatunków iglastych w obrębie pojedynczego drzewa są związane głównie z udziałem w strzałach drzew drewna późnego oraz tkanki o charakterze młodocianym (KOCH 1972, PERSSON i IN. 1995, NIEDZIELSKA i CAŁKA 1998, BRÜCHERT i IN. 2000, SARANPÄÄ 2003, REPOLA 2006). Spośród wszystkich właściwości drewna gęstość jest od dawna postrzegana jako istotny czynnik wpływający na sztywność elementów anatomicznych. W konsekwencji doprowadziło to do nadania jej większego znaczenia niż jej rzeczywista wartość w ocenie jakości drewna (BAMBER i BURLEY 1983). Postrzeganie gęstości jako podstawowego wyznacznika jakości jest konsekwencją dwóch czynników: ogólnego trendu oraz łatwości w jej określaniu. Niemniej jednak spośród wszystkich właściwości tkanki drzewnej gęstość jest rzeczywiście istotnym wskaźnikiem w określaniu końcowej jakości drewna. Wywiera ona znaczny wpływ na właściwości mechaniczne oraz pozostałe właściwości fizyczne. Jednak gęstość nie powinna być jedynym wskaźnikiem w określaniu jakości drewna, szczególnie pod względem jego właściwości mechanicznych (WALKER i WOOLLONS 1998). Istotną rolę w kształtowaniu się gęstości drewna odgrywają czynniki środowiska i mechanizmy adaptacyjne roślin (NIEDZIELSKA i WĄSIK 2000), pochodzenie drzewa (KOWALSKI 1985) czy też zabiegi hodowlane (PAZDROWSKI 1981). Na gęstość drewna wpływ mają również położenie geograficzne, warunki siedliskowe oraz zanieczyszczenia powietrza (PASCHALIS i STANISZEWSKI 1994 a, 1994 b, OKTABA i IN. 2002). PASCHALIS (1980) w badaniach nad jakością drewna sosny zwyczajnej w Polsce w relacji do położenia geograficznego stwierdził, iż właściwości drewna, a wśród nich gęstość, pogarszają się w kierunku od północy na południe i od wschodu na zachód. Ze względu na złożoność interakcji określenie wpływu pojedynczego czynnika na kształtowanie się gęstości drewna jest trudne bądź niemożliwe. W obrębie 25

26 26 każdego gatunku występują różnice w wartości gęstości w zależności od wielu zmiennych (ZOBEL i VAN BUIJTENEN 1989, BALA i SETH 1992, HERMAN i IN. 1998, FABISIAK 2005). Do grupy najczęściej analizowanych należy zaliczyć warunki zewnętrzne kształtujące wzrost i rozwój, cechy związane ze strukturą drewna, cechy populacji oraz cechy poszczególnych osobników. Stosunkowo często poruszany jest też temat wpływu socjalnego zróżnicowania drzewostanu na kształtowanie się właściwości drewna. Panuje ogólny pogląd, iż w monokulturach iglastych największą gęstością cechują się drzewa z niższych warstw biosocjalnych drzewostanu, a więc drzewa opanowane, najmniejszą zaś drzewa zajmujące najlepszą pozycję w zbiorowisku (górujące, panujące) (SPURR i HSIUNG 1954, KOMMERT 1972, TSOUMIS i PANAGIOTIDIS 1980, LINDSTRÖM 1996). PAZDROWSKI (2004) w badaniach nad zmiennością gęstości drewna sosny zwyczajnej w strefie drewna młodocianego, przejściowego i dojrzałego na tle klasy biosocjalnej drzewa w drzewostanie stwierdził, że występuje wzrost gęstości drewna wraz z przechodzeniem do niższych klas socjalnych drzewostanu oraz w kierunku od strefy juwenilnej do tkanki dojrzałej. Związek z właściwościami drewna mają również cechy biometryczne drzew, a w szczególności parametry koron, które decydują w wielu przypadkach o dynamice przyrostu promieniowego i mają wpływ na jakość drewna we wszystkich fazach wzrostu drzew, również tworzącego się poza zasięgiem korony (PAZDROWSKI i IN. 2007). Wielkość korony drzewa może istotnie wpłynąć na podstawowe cechy i właściwości drewna, w tym na jego gęstość. Według badań przeprowadzonych przez NIEDZIELSKĄ i WĄSIKA (2000) gęstość drewna wzrasta wraz ze zmniejszaniem się względnej długości korony. Zagadnieniem zmienności właściwości drewna w pojedynczym drzewie zajmowały się między innymi HELIŃSKA-RACZKOWSKA i FABISIAK (1992). Stwierdziły one, iż gęstość drewna zmniejsza się od odziomka do wierzchołka w sposób prostoliniowy, a pomiędzy gęstością odziomkowej części drzew a średnią gęstością drewna całych strzał istnieje wyraźna zależność prostoliniowa (r = 0,99). Do podobnych wniosków doszła WITKOWSKA (1997), badając zmienność gęstości drewna sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) w czterech regionach kraju (w Puszczy Knyszyńskiej, Lasach Iławskich, Borach Tucholskich i Lasach Zielonogórskich). Średnie gęstości drewna sosny na wysokości pierśnicy na badanych powierzchniach wynosiły od 0,382 do 0,504 g/cm 3 (średnio 0,461 g/cm 3 ), a zmienność gęstości w ramach powierzchni wynosiła od 2,68 do 8,19%. Gęstość w połowie długości grubizny strzały była zdecydowanie mniejsza niż na jej końcu i wynosiła średnio dla wszystkich powierzchni 0,402 g/cm 3 przy zmienności od 2,55 do 12,10%; gęstość drewna na końcu grubizny strzały wynosiła od 0,354 do 0,436 g/cm 3 przy równie dużej zmienności: od 2,62 do 11,32%. Uzyskane przez autorkę wyniki

27 wskazały, że spośród badanych czynników, takich jak zmienność geograficzna, siedlisko oraz wiek, ten ostatni ma największy wpływ na gęstość drewna. Rolę wieku w kształtowaniu się gęstości potwierdzają badania przeprowadzone przez GIEFINGA i JABŁOŃSKIEGO (1989). Badali oni gęstość umowną drewna sosny zwyczajnej w pięciu drzewostanach w wieku od 16 do 104 lat. Średnia gęstość stopniowo rosła od 372 kg/m 3 w drzewostanie najmłodszym do 459 kg/m 3 w drzewostanie najstarszym. Drewno jest materiałem anizotropowym i higroskopijnym o niejednolitej i zmiennej budowie, dlatego też oprócz gęstości wyznacznikiem jakości drewna oraz biomechanicznej stabilności drzew są mechaniczne właściwości tkanki drzewnej. Badanie mechanicznych właściwości drewna wymaga uwzględnienia wielu czynników, wśród których kierunek anatomiczny i wilgotność drewna oraz liczebność i rozmieszczenie wad strukturalnych wywierają duży wpływ na jego wytrzymałość oraz wydajność (KRZYSIK 1978). Ponieważ drewno jest materiałem hydrofilowym, bardzo wrażliwym na działanie cieczy, jego właściwości mechaniczne, w tym przede wszystkim wytrzymałość, są zależne od stanu wilgotności (BODIG i JAYNE 1982, MANTANIS i IN. 1994). Zmiany parametrów wytrzymałościowych drewna dotyczą w zasadzie tylko przedziału higroskopijnego, tj. 0-30% wilgotności bezwzględnej. Wpływ wody związanej na mechaniczne właściwości drewna nie jest jednakowy w całym przedziale higroskopijnym (STAMM 1964, GRZECZYŃSKI 1975). W miarę spadku wilgotności drewna od stanu nasycenia włókien do 0% wzrasta jego wytrzymałość. Prawidłowość tę określa się jako wzmocnienie desorpcyjne i ma ono charakter odwracalny, to znaczy jego wartość jest przyporządkowana określonej wilgotności drewna niezależnie od tego, czy aktualnie wilgotność drewna maleje czy wzrasta (GRZECZYŃSKI 1975). Zjawisko to można powiązać z chemiczną budową drewna, a dokładniej z udziałem i formą hydrofilowej celulozy oraz hemiceluloz w tkance drzewnej. Duże znaczenie dla tego zjawiska ma udział formy krystalicznej celulozy w stosunku do form amorficznych. Podczas gdy celuloza amorficzna jest bardzo higroskopijna, celuloza w formie krystalicznej jest niedostępna dla wody (ASTLEY i IN. 1997), a tym samym ściana komórkowa cewek staje się pod względem mechanicznym bardziej wytrzymała (głównie na rozciąganie). Wzrost wytrzymałości, szczególnie na rozciąganie, podyktowany jest również stopniem polimeryzacji łańcuchów celulozy: wraz ze wzrostem liczby monomerów wzrasta wytrzymałość drewna. Jak podaje KRZYSIK (1978), stopień polimeryzacji celulozy w drewnie zawiera się w granicach , a jej wytrzymałość zwiększa się w miarę wzrastania stopnia polimeryzacji do około 700. Powyżej tej wartości wytrzymałość celulozy rośnie nieznacznie. Rozpatrując w dalszym ciągu wpływ submikroskopowej budowy drewna na jego wytrzymałość, wspomnieć należy o istotnym wpływie na kształtowanie się właściwości mechanicznych spiralnej orientacji mikrofibryl celulozy, określanej jako kąt 27

28 28 nachylenia mikrofibryl w poszczególnych warstwach ściany wtórnej (KRETSCHMANN i BENDTSEN 1992, WALKER i BUTTERFIELD 1996, MOTT i IN. 2002). Kąt ten w drewnie sosny, w najważniejszym z punktu widzenia mechaniki pokładzie S 2 ściany wtórnej, mieści się w przedziale od około 6 do prawie 30 (GROOM i IN a). Wartość ta zależy od rodzaju drewna i położenia w pniu. Ogólnie można przyjąć, że kąt nachylenia mikrofibryl w ścianie wtórnej maleje od wierzchołka ku odziomkowi drzewa oraz od rdzenia do obwodu pnia (GROOM i IN b, 2002 c), a im będzie on mniejszy, tym wartości mechaniczne drewna będą większe (DOWNES i IN. 2002). Oprócz opisanego powyżej wpływu ultrastruktury i wilgotności drewna na jego wytrzymałość istotną rolę odgrywa również związany z anizotropowością drewna kierunek działania siły (promieniowy, styczny, wzdłużny) oraz znajdujące się w drewnie wady lub inne elementy naturalnej budowy drewna zakłócające jego jednorodność (MEIER i IN. 2006, KRETSCHMANN 2010). Zmienność właściwości drewna szeroko opisał KRETSCHMANN (2010). Autor ten w swoim opracowaniu podaje wartości szeregu właściwości mechanicznych drewna wielu gatunków drzew. I tak przy wilgotności drewna wynoszącej 12% dla drewna sosny moduł elastyczności wynosi około MPa, wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien 47 MPa, natomiast wytrzymałość na zginanie statyczne 70 MPa. Z kolei według KRZYSIKA (1978) przeciętna wytrzymałość drewna sosny zwyczajnej na ściskanie wzdłuż włókien wynosi około 50 MPa, a na zginanie statyczne około 85 MPa. Przeciętna wartość modułu elastyczności drewna sosny, jak podają GURAU i IN. (2008), wynosi MPa, natomiast według LINDSTRÖMA i IN. (2009) mieści się między 8600 a MPa. Zróżnicowanie właściwości drewna wewnątrz strzał sosen zbadali MACHADO i CRUZ (2005). Stwierdzili oni stopniowe pogarszanie się właściwości mechanicznych drewna w kierunku od podstawy strzały do wierzchołka, natomiast w kierunku promieniowym, od rdzenia w kierunku obwodu pnia, następowała stopniowa poprawa właściwości mechanicznych (wzrost wytrzymałości na zginanie o 55%, ściskanie o 44%, wzrost wartości modułu elastyczności o 99% w strefie pomiędzy 10% a 90% promienia pnia). Do podobnych wniosków doszli również PEARSON i GILMORE (1980). W badaniach nad zmiennością właściwości drewna sosny stwierdzili oni poprawę właściwości mechanicznych w kierunku promieniowym o 42% w drzewach 41-letnich oraz o 82% w drzewach 15-letnich. Autorzy ci tłumaczą zarówno osiową, jak i promieniową zmienność właściwości drewna w pniu obecnością oraz udziałem strefy drewna młodocianego oraz dojrzałego. XU i WALKER (2004) podjęli próbę określenia jakości sosny na podstawie mapy zmienności właściwości drewna w strzałach. Oparli oni swoje badania głównie na module elastyczności, którego wartości wzrastały promieniowo, od rdzenia do obwodu pnia, oraz malały osiowo od podstawy do około 2,4-2,7 m, a po przekroczeniu

29 tej wysokości stabilizowały się i nie wykazywały istotnych różnic. Jak sugerują HIRAKAWA i FUJISAWA (1996), taki układ wyników jest rezultatem dużych kątów mikrofibryl w odziomkowej strefie strzały. Podane w literaturze wartości odnoszące się do właściwości drewna należy traktować w sposób przybliżony. Wraz z rozwojem ontogenetycznym i wzrostem drzew zmianom ulegają ich cechy morfologiczne. Z czasem, w wyniku zwiększania się wymiarów (szczególnie wysokości), wzrastają też siły dynamiczne oddziałujące na drzewa. Naturalnej modyfikacji podlegają wówczas ultrastruktura i właściwości drewna (OTTO 1994). W wyniku tych zmian drewno w pniu pojedynczego drzewa jest bardzo niejednorodne i charakteryzuje się dużą zmiennością zarówno w układzie promieniowym, jak i osiowym (HELIŃSKA-RACZKOWSKA i FABISIAK 1994, BURDON i IN. 2004). Zmiany te z mechanicznego punktu widzenia mogą być jednym z podstawowych determinantów stabilności mechanicznej drzew (DUNHAM i CAMERON 2000, JELONEK i IN a) Hipoteza badawcza W pracy założono, że biomechanika drzew znajduje swoje uzasadnienie w ich wielkości oraz architekturze i jest uwarunkowana cechami i właściwościami tkanki drzewnej, które z kolei podlegają naturalnym biomodyfikacjom w zależności od warunków wzrostu i rozwoju drzew i drzewostanów. Założono również, że stabilność biomechaniczna drzew może zostać określona na podstawie wskaźnika, który jednocześnie uwzględni właściwości drewna oraz cechy opisujące jego architekturę.

30 3. CEL I ZAKRES BADAŃ Zasadniczymi celami przeprowadzonych badań były: próba określenia wpływu warunków wzrostu i rozwoju na biomechaniczną stabilność drzew, określenie wzajemnych relacji pomiędzy wybranymi wskaźnikami stabilności drzew a właściwościami tkanki drzewnej i cechami drewna, tj. grubością ścian komórkowych, zawartością w ścianach cewek ligniny oraz krystalicznością celulozy, próba opisania biomechanicznej stabilności drzew za pomocą prostego wskaźnika, uwzględniającego właściwości tkanki drzewnej oraz, istotny z punktu widzenia stabilności drzew, wskaźnik allometryczny. Powierzchnie badawcze założono w rejonach kraju o dużym udziale drzewostanów rębnych wzrastających w warunkach gruntów porolnych. Badaniami objęto 36 sosen pochodzących z 12 drzewostanów zlokalizowanych na terenie sześciu nadleśnictw (Warcino, Trzebielino, Olesno, Drawsko, Kaczory oraz Szczecinek). Badania przeprowadzono w gospodarczych drzewostanach sosnowych na trzech typach siedliskowych lasu, tj. na Bśw, BMśw, LMśw. W pierwszej kolejności analizie poddano cechy biometryczne badanych drzew oraz wskaźniki ich stabilności. Następnie określono osiową i promieniową zmienność właściwości drewna. Badaniu właściwości drewna podlegały trzy wyrzynki z każdej strzały, zlokalizowane na wysokości pierśnicy (1,3-1,8 m), połowy strzały oraz nasady żywej korony. Strukturę drewna analizowano na wysokości pierśnicy w obszarze zajętym przez pięć ostatnich przyrostów rocznych. Badania właściwości drewna przeprowadzono na próbkach bliźniaczych przy dwóch poziomach wilgotności, tj. na drewnie absolutnie suchym i drewnie o wilgotności powyżej punktu nasycenia włókien. Pod względem strukturalnym analizie poddano grubość ścian cewek, zawartość ligniny w tkance drzewnej oraz krystaliczność celulozy. Na podstawie uzyskanych wyników przeprowadzono analizy biomechanicznej stabilności drzew wzrastających w warunkach gruntów porolnych i leśnych oraz określono powiązania pomiędzy biomechaniką strzały a cechami drzewa oraz cechami

31 i właściwościami tkanki drzewnej. Podjęto również próbę określenia stabilności drzew na podstawie stosunkowo łatwego do ustalenia wskaźnika, uwzględniającego zarówno właściwości drewna, jak i uznane za ważne z punktu widzenia stabilności cechy drzew. Wskaźnik ten nazwano współczynnikiem stabilności drzewa. 31

32 4. METODYKA 4.1. Założenia metodyczne Wielofunkcyjność oraz złożoność lasu skłania do rozważań nie tylko w aspekcie produkcyjnym, ekonomicznym czy społecznym przyczynia się ona do konieczności zagłębienia się w struktury zbiorowisk leśnych w celu dokładnego ich poznania oraz opisania możliwie wielu czynników je kształtujących. Powinno to doprowadzić do poprawy modelu gospodarki leśnej oraz dać odpowiedzi na wiele pytań dotyczących funkcjonowania drzew i drzewostanów. Metody badawcze współczesnej nauki dają coraz większe możliwości analizy oraz wnioskowania w obrębie zagadnień, które od wielu lat są obiektem zainteresowania. Do nich należą między innymi biomechanika drzew oraz stabilność drzewostanów. Oba zagadnienia są ze sobą związane, choć w nauce rzadko łączone. Biomechanika drzew jest najczęściej rozważana pod kątem inżynierii eksperymentalnej i odnosi się do badania zjawisk fizycznych i mechanicznych całych drzew, traktowanych jako obiekty badawcze bez wyróżniania poziomów strukturalnych. Z kolei stabilność drzew i drzewostanów najczęściej kojarzy się z ich odpornością na działanie stresu, jakim są dynamiczne obciążenia pochodzące od wiatru. W praktyce stabilność drzew najczęściej definiuje się współczynnikiem smukłości, będącym stosunkiem wysokości drzewa do jego pierśnicy, natomiast biomechanikę rozpatruje w skali makro bądź mikro. Skala makro odnosi się do wpływu architektury drzewa, głównie alokacji biomasy, na zdolność strzały do przenoszenia obciążeń statycznych i dynamicznych. Skala mikro rozpatruje biomechanikę drzew jako optymalizację pod względem pełnionych funkcji dwóch układów: układu fizjologicznego i mechanicznego. W niniejszej pracy przez pojęcie stabilności biomechanicznej drzew rozumie się zmienność właściwości drewna oraz wzajemne relacje pomiędzy cechami drzew a właściwościami tkanki drzewnej i cechami drewna na różnych poziomach jego struktury. Jednocześnie przyjęto założenie, że cechy i właściwości drewna mogą podlegać naturalnym modyfikacjom o podłożu adaptacyjnym

33 do warunków wzrostu i rozwoju drzew, za które w pracy przyjęto grunty porolne i leśne. Tego typu powiązanie właściwości i cech drewna na różnych poziomach jego struktury ze stabilnością drzew nie jest łatwym eksperymentem, związane jest bowiem z wpływem i nakładaniem się na siebie wielu zmieniających się w czasie czynników. Projektując doświadczenie, zaplanowano jego przeprowadzenie w dojrzałych drzewostanach sosnowych, ponieważ wiek oraz rozmiary drzew w wieku rębnym umożliwiają uchwycenie ewentualnych zmian we właściwościach i strukturze drewna, które mogą wynikać z formowania się tkanki drzewnej i funkcjonowania drzew w określonych warunkach wzrostu. W wyborze wskaźników allometrycznych opisujących stabilność drzew kierowano się cechami wpływającymi na ich stabilność zarówno pod obciążeniem statycznym związanym z masą własną pnia i korony, jak i pod obciążeniem zginającym (dynamicznym). W pierwszej kolejności pod uwagę wzięto smukłość strzał, która zarówno w praktyce, jak i nauce jest powszechnie stosowana do opisu stabilności drzew. Uwzględniono również cechy biometryczne drzewa opisujące jego statykę, a oparte na cechach korony na jej szerokości oraz długości, które odniesiono do wysokości drzewa i nazwano współczynnikiem wychylenia korony i środkiem ciężkości drzewa. W badaniach właściwości drewna pod uwagę wzięto gęstość umowną, wytrzymałość na zginanie statyczne oraz ściskanie wzdłuż włókien. Właściwości drewna badano przy dwóch skrajnych poziomach wilgotności. Wytrzymałość drewna maksymalnie nasyconego, tzw. wytrzymałość drewna mokrego, obrazuje jego naturalne właściwości, którymi charakteryzuje się tkanka drzewna w żyjącym drzewie, natomiast badanie właściwości drewna pozbawionego wody (suchego) umożliwia, po pierwsze, analizę wpływu budowy ultrastrukturalnej na kształtowanie się jego właściwości oraz, po drugie, ukazuje jego wartość techniczną jako materiału. Różnica pomiędzy wytrzymałością drewna absolutnie suchego oraz drewna maksymalnie nasyconego pozwoli na określenie wzmocnienia adsorpcyjnego, które zobrazuje wpływ budowy chemicznej na właściwości drewna. Projektując doświadczenie, pod uwagę wzięto dwa rodzaje wytrzymałości tkanki drzewnej: wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien, ponieważ tego rodzaju siły występują w drewnie każdego drzewa pod wpływem masy własnej pnia oraz masy korony, oraz zginanie, które występuje w drewnie drzew poddanych oddziaływaniu sił dynamicznych. W przeprowadzonych badaniach analizie poddano również podstawową właściwość fizyczną drewna, tj. jego gęstość. Jest ona uznana za miarodajny wskaźnik jakości drewna, który determinuje zarówno właściwości mechaniczne, jak i cechy tkanki drzewnej. Rola gęstości w ocenie drewna jest wielokrotnie podkreślana w literaturze przedmiotu i została opisana w rozdziale 2. Stan badań. 33

34 34 Ze względu na stosunkowo częste w badaniach drewna określanie tej właściwości należy zweryfikować jej wartość oraz przydatność w ocenie biomechanicznej stabilności drzew oraz w szacowaniu cech i właściwości drewna z uwzględnieniem warunków wzrostu drzew. W badaniach strukturalnych drewna skupiono się na dwóch poziomach: mikrostrukturalnym i ultrastrukturalnym. Na pierwszym z nich badano grubości ścian cewek, na drugim zaś zawartość ligniny w ścianach komórkowych oraz stopień krystaliczności celulozy. Każda z wymienionych cech i każdy z komponentów drewna inaczej wpływa na właściwości tkanki drzewnej i prawdopodobnie w innym zakresie decyduje o biomechanicznej stabilności drzew. Określenie cech biometrycznych elementów anatomicznych (grubości ścian cewek) oraz zawartości ligniny w ścianach komórkowych, jak również stopnia krystaliczności celulozy pozwoli na weryfikację założenia o adaptacyjnym formowaniu się tkanki drzewnej, która podczas wzrostu drzew podlega naturalnym biomodyfikacjom. Owe modyfikacje mogą być w pewnym zakresie skutkiem optymalizacji elementów struktury drewna stosownie do pełnionych funkcji. Ponadto wielopoziomowa analiza tkanki drzewnej pozwoli również na zbadanie interakcji, jakie zachodzą pomiędzy strukturą drewna a jego właściwościami i morfologią drzew, oraz da podstawy do określenia roli gruntów porolnych w kształtowaniu się tkanki drzewnej i stabilności biomechnicznej drzew. Weryfikacja powiązań cech tkanki drzewnej z określanymi w pracy wskaźnikami stabilności drzew będzie miała wymiar zarówno naukowy, jak i praktyczny i może się przyczynić do lepszego zrozumienia funkcjonowania drzew w zależności od ich warunków wzrostu i rozwoju. Szczegółowy opis metod pomiarowych badanych cech i właściwości drewna przedstawiono w rozdziale 4.3. Prace kameralne. W przeprowadzonych badaniach zastosowano powszechnie stosowane w tej dziedzinie analizy i techniki pomiarowe, które miały na celu zapewnienie uzyskania wiarygodnych wyników Prace terenowe Obiektami badawczymi były sosny zwyczajne (Pinus sylvestris L.) wyrosłe w drzewostanach gospodarczych znajdujących się w wieku rębnym. Głównym kryterium doboru drzewostanów były warunki wzrostu i rozwoju, za które przyjęto rodzaj gruntu. Były to drzewostany wyrosłe na gruntach porolnych oraz glebach leśnych na trzech typach siedliskowych lasu (Bśw, BMśw oraz LMśw). Drzewostany do badań dobierano tak, aby były położone możliwie blisko siebie, a w trakcie

35 wyboru drzewostanów pod uwagę brano następujące kryteria: rodzaj gruntu (porolny, leśny ustalony wstępnie na podstawie operatów urządzania lasu, a następnie weryfikowany na podstawie profilu glebowego), wiek, bonitacja, siedliskowy typ lasu, zwarcie, ukształtowanie terenu, przeciętna wysokość i pierśnica. W sumie założono 12 powierzchni badawczych zlokalizowanych w sześciu nadleśnictwach w rejonach kraju o dużym udziale drzewostanów rębnych wzrastających w warunkach gruntów porolnych (tab. 1, ryc. 4). W pracy zastosowano jednocześnie przyrodniczą i dendrometryczną metodę wyboru drzew próbnych opracowaną przez Krafta oraz Uricha, zgodnie z którą w każdym badanym drzewostanie założono 1-hektarową powierzchnię badawczą. W pierwszym etapie sklasyfikowano drzewostan według klas KRAFTA (1884), a następnie drzewostan główny (1., 2. i 3. klasy Krafta) podzielono na trzy stopnie grubości według metody II Uricha (GROCHOWSKI 1973). W tym celu na każdej z powierzchni próbnych pomierzono pierśnicę wszystkich drzew stanowiących drzewostan główny oraz wysokości proporcjonalnie do liczebności w przyjętych stopniach grubości. Na podstawie charakterystyki grubościowo-wysokościowej 35 Tabela 1. Lokalizacja i skrócony opis powierzchni badawczych Table 1. Location and a brief description of mean sample plots Nadleśnictwo Forest district Rok Year Lokalizacja Location Rodzaj gruntu Type of soil Wydzielenie Compartment Siedliskowy typ lasu Forest habitat type Zadrzewienie Degree of crop density Bonitacja Stand quality class Zwarcie Stand density Warcino c N 16 99ʹ12ʺ, E 55 17ʹ15ʺ L Bśw 0,9 II UM 300a N 17 00ʹ10ʺ, E 54 19ʹ12ʺ P 0,9 II UM Trzebielino d N 57 08ʹ13ʺ, E 17 09ʹ43ʺ L BMśw 1,0 II UM 59j N 54 14ʹ48ʺ, E 17 01ʹ46ʺ P 1,0 II UM Olesno c N 50 56ʹ53ʺ, E 18 24ʹ30ʺ L LMśw 1,0 I PRZ 78d N 50 56ʹ54ʺ, E 18 24ʹ16ʺ P 1,0 I PRZ Drawsko c N 15 53ʹ30ʺ, E 53 27ʹ07ʺ L BMśw 0,9 II UM 269c N 15 53ʹ27ʺ, E 53 27ʹ04ʺ P 0,9 II UM Kaczory d N 53 10ʹ12ʺ, E 16 49ʹ11ʺ L Bśw 0,9 II PRZ 118g N 53 09ʹ21ʺ, E 16 47ʹ13ʺ P 0,9 II PRZ Szczecinek h N 53 77ʹ10ʺ, E 16 91ʹ09ʺ L Bśw 1,0 II UM 162a N 53 46ʹ05ʺ, E 16 53ʹ06ʺ P 1,0 II UM

36 36 RDLP Szczecinek Warcino RDLP Szczecinek Trzebielino RDLP Szczecinek Szczecinek RDLP Szczecinek Drawsko Kaczory RDLP Katowice Olesno Ryc. 4. Lokalizacja powierzchni badawczych Fig. 4. Location of mean sample plots wybrano z każdej klasy po jednym, przeciętnym drzewie, co łącznie dało 36 drzew modelowych (tab. 2). Tego typu połączenie metody dendrometrycznej oraz klasyfikacji przyrodniczej zapewnia zachowanie tego samego schematu wyboru drzew na wszystkich powierzchniach badawczych i eliminuje subiektywizm w klasyfikacji Krafta. W pracy pod uwagę wzięto tylko drzewostan główny (pierwsze trzy klasy Krafta), ponieważ udział pierwszych trzech klas Krafta w dojrzałym, prawidłowo pielęgnowanym drzewostanie gospodarczym wynosił aż 96% (WRÓ- BLEWSKI 1984). Po wybraniu drzew modelowych dokonano rzutowania koron w dwóch kierunkach geograficznych, tj. N-S i E-W. Na podstawie uzyskanych rzutów określono, z dokładnością do 10 cm, średnicę koron (D k ). Wybrane sosny nie były obarczone widocznymi wadami, miały symetrycznie rozwinięte korony i cechowały się dobrą kondycją zdrowotną. Drzewa modelowe ścięto i w pierwszej kolejności dokonano pomiaru wybranych cech biometrycznych, tj. długości drzewa (H) i długości żywej korony (L k ). Następnie ze ściętych drzew pobrano materiał do analiz wybranych właściwości fizycznych i mechanicznych drewna. Materiał do badań laboratoryjnych pochodził z 50-centymetrowych wyrzynków pobranych z odległości 1,30-1,80 m od płaszczyzny rzazu ścinającego (A), następnie ze środka strzały (B) oraz nasady żywej korony (C).

37 37 Tabela 2. Charakterystyka cech biometrycznych drzew modelowych Table 2. Characteristics of biometric traits of mean sample trees Numer drzewa Tree number Lokalizacja Location Siedliskowy typ lasu Forest habitat type Rodzaj gruntu Type of soil Klasa Krafta Kraft class Wysokość Height [m] Pierśnica DBH [cm] Szerokość żywej korony Width of live crown [m] Długość żywej korony Length of live crown [m] Wiek [lata] Age [years] Warcino Bśw L 1 24,0 36,0 5,5 6, ,0 30,0 5,7 7, ,5 25,0 4,3 6, Bśw P 1 25,0 46,0 6,7 8, ,0 38,0 4,4 5, ,5 32,0 4,9 7, Trzebielino BMśw L 1 29,5 45,0 8,6 10, ,5 38,0 5,4 9, ,5 32,0 5,3 8, BMśw P 1 25,0 49,0 7,1 9, ,5 42,0 7,1 8, ,0 37,0 4,6 8, Olesno LMśw L 1 28,8 41,0 6,4 7, ,0 33,0 3,8 6, ,5 28,5 4,2 5,7 93

38 38 Tabela 2 cd. / Table 2 cont LMśw P 1 29,5 38,5 6,0 8, ,0 29,5 4,9 9, ,7 27,0 3,7 6, Drawsko BMśw L 1 23,9 35,3 5,5 7, ,9 26,0 3,4 5, ,4 20,5 2,2 6, BMśw P 1 26,0 34,0 5,1 8, ,0 26,0 6,3 9, ,0 21,5 4,3 7, Kaczory Bśw L 1 24,6 38,0 7,7 9, ,0 32,0 5,6 6, ,4 27,0 7,4 9, Bśw P 1 24,7 37,0 6,6 7, ,9 32,0 5,5 7, ,9 27,0 5,0 7, Szczecinek Bśw L 1 23,0 34,0 5,0 8, ,0 31,0 5,0 10, ,8 26,0 3,5 6, Bśw P 1 25,2 34,5 4,9 6, ,8 28,0 4,6 5, ,0 25,0 4,0 4,8 97

39 Prace kameralne Określenie wskaźników allometrycznych Na podstawie pomierzonych cech biometrycznych drzew określono: współczynnik smukłości drzew (H/D 1,3 ) stosunek wysokości drzewa do jego pierśnicy, środek ciężkości drzew (L k /H) stosunek długości żywej korony do wysokości drzewa, wychylenie koron (D k /H) stosunek średniej średnicy korony do wysokości drzewa Badania laboratoryjne Właściwości drewna Pobrany materiał w postaci wyrzynków strzały o długości około 50 cm został przetarty na beleczki o przekroju mm, a następnie podzielony na 30-centymetrowe odcinki przeznaczone do badań wytrzymałości na zginanie statyczne (Rg) oraz 3-centymetrowe odcinki przeznaczone do badań gęstości umownej (Qu) oraz wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien (Rc). Próbki pobierano w czterech kierunkach świata: N-S i E-W w dwóch sąsiadujących ze sobą rzędach (ryc. 5). Były to próbki bliźniacze, wolne od widocznych wad, przeznaczone do badań właściwości drewna przy dwóch poziomach wilgotności (0%, 30%). Gęstość drewna oznaczono metodą stereometryczną, określono ją jako gęstość umowną: Qu = m 0 [kg/m 3 ] V max gdzie: m 0 masa próbki w stanie całkowicie suchym [kg], V max objętość próbki w stanie maksymalnego spęcznienia [m 3 ]. Wytrzymałość na zginanie statyczne oraz wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien określono na maszynie wytrzymałościowej Tira Test 2300 zaopatrzonej w oprogramowanie komputerowe firmy Matest Service i obliczono ze wzorów:

40 20 mm 40 W 30% N W 0% W E Qu Rc W D C B A S 20 mm 20 mm 30 mm 300 mm Rg W D 20 mm Ryc. 5. Schemat pobierania materiału do badań właściwości fizycznych i mechanicznych drewna Fig. 5. A sampling scheme for materials for tests of physical and mechanical properties of wood Rg = 3 P max l 2 b h 2 [MPa] gdzie: oraz P max maksymalna (niszcząca) siła ściskająca [N], l rozstaw podpór [mm], b szerokość próbki [mm], h wysokość próbki [mm], Rc = P max [MPa] A gdzie: P max maksymalna (niszcząca) siła ściskająca [N], A pole przekroju poprzecznego próbki [cm 2 ]. Na podstawie uzyskanych wyników wytrzymałości drewna na zginanie statyczne (Rg) oraz ściskanie wzdłuż włókien (Rc) określono: wzmocnienie desorpcyjne przy zginaniu statycznym: gdzie: W D Rg = Rg 0% Rg 30% [MPa] Rg 0% wytrzymałość na zginanie statyczne drewna absolutnie suchego [MPa],

41 Rg 30% wytrzymałość na zginanie statyczne drewna maksymalnie nasyconego [MPa], wzmocnienie desorpcyjne przy ściskaniu wzdłuż włókien: W D Rc = Rc 0% Rc 30% [MPa] gdzie: Rc 0% wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien drewna absolutnie suchego [MPa], Rc 30% wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien drewna maksymalnie nasyconego [MPa]. Analizy właściwości zostały przeprowadzone zgodnie z normami przedmiotowymi PN-77/D-4101, PN-77/D oraz PN-77/D z dokładnością do 0,01 MPa. Pomiaru właściwości mechanicznych dokonano na próbkach absolutnie suchych (W 0% ) oraz na próbkach mokrych (W 30% ), których wilgotność przekraczała punkt nasycenia włókien (30%). Właściwości drewna analizowano przy wilgotności powyżej punktu nasycenia włókien, ponieważ jest ona podstawową miarą obrazującą jakość drewna jako materiału konstrukcyjnego (GRZECZYŃSKI 1975, 1985, GRZE- CZYŃSKI i PERKITNY 1979, JELONEK i IN a) oraz pozwala na symulację właściwości tkanki drzewnej znajdującej się w żywych drzewach Mikrostruktura drewna oraz udział ligniny w ścianach cewek Z każdego drzewa modelowego pobrano z wysokości pierśnicy materiał badawczy w postaci krążka. Materiał do oznaczenia zawartości ligniny, krystaliczności celulozy oraz grubości ścian komórkowych został pobrany z pięciu ostatnich przyrostów grubości, a więc były to próbki pobrane ze strefy drewna dojrzałego z części bielastej zorientowane na średnicy N-S (ryc. 6). Zawartość ligniny oznaczono spektrofotometrycznie (w trzech powtórzeniach) według metody DOSTERA i BOSTOCKA (1988) z pewnymi modyfikacjami. W pierwszej kolejności drewno z pięciu ostatnich przyrostów rocznych traktowano przez 48 h metanolem w proporcji 1 ml metanolu na 1 g tkanki roślinnej, a następnie poddawano suszeniu. Z każdego wariantu pobierano po 20 mg suchej tkanki, mieszano z 5 ml 2 N HCl i 0,5 ml C 2 H 4 O 2 S (Sigma-Aldrich). Próby inkubowano w temperaturze 95 C przez 4 h, a następnie odwirowywano przy 3000 g w czasie 20 min. Uzyskany osad dwukrotnie przemywano wodą dejonizowaną i inkubowano z 5 ml 0,5 N NaOH przez 18 h w temperaturze pokojowej. Po odwirowaniu przy g zbierano ekstrakt NaOH, a osad przemywano 4 ml wody dejonizowanej i ponownie wirowano. Uzyskany supernatant łączono z ekstraktem NaOH, zakwaszano 1 ml

42 42 N W E S D 1.3 Ryc. 6. Schemat pobierania materiału do analiz chemicznych i badań anatomicznych drewna Fig. 6. A sampling scheme for materials for chemical analyses and anatomical examinations of wood stężonego HCl i pozostawiano na noc w temperaturze 5 C. Uzyskany po odwirowaniu ( g) osad rozpuszczano w 5 ml 0,5 N NaOH, wirowano ( g) i mierzono absorbancję uzyskanego roztworu przy długości fali 280 nm, wykorzystując spektrofotometr UV-1202 Shimadzu. Zawartość ligniny wyrażono w jednostkach względnych absorbancji. Pomiary grubości ścian komórkowych były dokonywane w połowie długości ścian promieniowych na podstawie zdjęć z kamery AxioCam MRc5 firmy Zeiss z użyciem oprogramowania AxioVision firmy Zeiss, podobnie do założeń metodycznych SEO i IN. (2012). Na każdej próbce dokonano pomiaru grubości ścian komórkowych kolejnych 15 cewek drewna wczesnego oraz późnego. Pomiarów dokonano przy dwóch poziomach wilgotności, tj. na preparatach absolutnie suchych oraz na preparatach o wilgotności równej pełnemu nasyceniu błon komórkowych. Ponieważ każdy z pomiarów dotyczył grubości ścian dwóch sąsiadujących cewek, każdy z wyników podzielono przez dwa. Pomiaru krystaliczności celulozy dokonano na próbkach pobranych według wyżej opisanego schematu z zastosowaniem rentgenografii według metodyki ANDERS- SONA i IN. (2003) z pewnymi modyfikacjami. Badania wykonano dyfraktometrem wyposażonym w rotującą anodę jako generator promieniowania rentgenowskiego. Badania przeprowadzono w zakresie kątów 10-40, przy kroku zliczania impulsów wynoszącym 0,2. Prędkość skanowania wynosiła 1 na minutę.