книги из ГПНТБ / Полубояринов, О. И. Влияние лесохозяйственных мероприятий на качество древесины учебное пособие для лесотехнических вузов

кой размерных характеристик, а также специфическим комп­ лексом пороков [59].

Конкретные примеры взаимосвязи между показателями качества древесины (например, между плотностью и сучкова­ тостью, между формой ствола и сучковатостью и т. д.) будут приведены в последующих разделах.

Изучение взаимосвязи показателей качества древесины, уг­ лубление и нахождение математической формы выражения такой взаимосвязи позволит, во-первых, рассчитывать сложно определяемые непосредственным путем показатели качества древесины по более просто определяемым характеристикам и, во-вторых, разработать еще более обобщенные и универсаль­ ные показатели, применение которых значительно облегчит установление качества древесины в процессе лесовыращивания.

3. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ

И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА КАЧЕСТВО ДРЕВЕСИНЫ

3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В биологическом древесиноведении, являющемся частью общей науки о лесе, при проведении полевых опытов в зна­ чительной степени используются методы лесоводства и лесной таксации. К сожалению, именно методология представляется наиболее слабо разработанной частью названных лесных наук.

Другим очень полезным источником при разработке мето­ дов биологического древесиноведения является богатый опыт сельскохозяйственной науки. Ограничивающим фактором здесь выступает специфика биологического древесиноведения, где в качестве опытных объектов используются многолетние растения больших размеров, произрастающие в значительно менее однородных, чем сельскохозяйственные культуры, ус­ ловиях.

Современный уровень развития науки требует в качестве обязательного условия серьезных исследований применения математической статистики. Следует подчеркнуть, что приме­ нение современных методов математической статистики необ­ ходимо не только при количественной обработке результатов наблюдений, но и особенно на этапе планирования экспери­ мента. В научно-исследовательской работе, включая биологи­ ческое древесиноведение, рациональная схема эксперимента должна составляться таким образом, чтобы при минимальной затрате времени и средств получать максимум информации

30

об интересующем объекте. Для древесиноведов, в работе ко­ торых в качестве основной опытной единицы в полевых иссле­ дованиях, как правило, используется срубленное модельное дерево, методические промахи бывают особенно чувстви­ тельны.

В настоящем разделе будут затронуты лишь некоторые во­ просы методики проведения полевых древесиноведческих ис­ следований. Целый ряд проблем требует специальной разра­ ботки, по другим вопросам, напротив, уже имеются готовые решения, и в этом случае в тексте данного раздела делаются ссылки на соответствующие литературные источники.

3.2. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА и м а тем атическая о бра б о тк а д а н н ы х

Несмотря на большие чисто физические трудности про­ ведения полевых древесиноведческих исследований, их объ­ ектом должна быть некоторая статистическая совокупность деревьев. Еще и в настояще время проводятся древесиноведческие исследования на двух-трех, а иногда даже на одном модельном дереве. Поскольку между вариантами условий ме­ стопроизрастания и свойствами древесины чаще всего наблю­ даются не функциональные, а только коррелятивные связи, едва ли можно на основе опытных данных при столь ограни­ ченном числе деревьев решить, являются ли полученные раз­ личия случайными или закономерными. Таким образом, ре­ зультаты древесиноведческих исследований, проведенных на небольшом (2—3) количестве модельных деревьев, имеют очень ограниченную ценность. При планировании древесино­ ведческих исследований необходимо однако предусмотреть не только достаточно большое количество наблюдений (модель­ ных деревьев), но и необходимое число п о в т о р н о с т е й опыта, в качестве которых выступают пробные площади, за­ кладываемые в аналогичных по таксационной характеристике и условиям произрастания насаждениях. Следует особо под­ черкнуть, что нельзя закладывать сравнительные древесиноведческие опыты в полевых условиях без повторностей и за­ тем использовать результаты подобных сравнений в качестве подтверждения каких-то положений.

В сельскохозяйственном опытном деле считается за пра­ вило, что ни один сколько-нибудь серьезный полевой опыт, требующий достаточно точных сравнений, не следует ставить менее чем в 4-кратной повторности. В связи со спецификой лесного хозяйства в предварительных или рекогносцировоч­ ных опытах может быть допущена двухкратная повторность.

Совершенно очевидно, что опыт, проведенный без повтор­ ностей, не позволяет оценить изменчивость показателей в пре-

31

делах изучаемых условий местопроизрастания. Между тем в древесиноведении очень часто проводятся исследования, в ко­ торых, к примеру, для характеристики свойств древесины в четырех типах леса закладываются 4 пробные площади и по полученной разнице делаются выводы о благоприятствовании формированию качества древесины тех или иных типов леса.

Следует указать, что при увеличении повторности замет­ но снижается ошибка опыта. Планируя древесиноведческие исследования при неизменном общем количестве модельных деревьев, целесообразнее предусмотреть большее число проб­ ных площадей (с некоторым минимальным, но достаточным для получения требуемой точности количеством срубаемых на каждой пробе модельных деревьев), чем увеличение количест­ ва модельных деревьев на каждой пробе за счет снижения общего количества проб.

Вторым очень важным вопросом при планировании древесиноведческих исследований является определение доста­ точно большого к о л и ч е с т в а н а б л ю д е н и й (модельных деревьев) в пределах пробной площади. В нормативных доку­ ментах (ГОСТ 11483—65, PC 2232—69) по этому вопросу ука­ зывается, что шести модельных деревьев, срубленных на пробной площади, достаточно для получения средних величин показателей основных физико-механических свойств древеси­ ны насаждения с точностью 5%.

Указанные придержки в отношении числа модельных де­

где v — коэффициент изменчивости изучаемого свойства, %;

а— среднее квадратическое отклонение (абсолютное зна­ чение) ;

т— средняя ошибка среднего арифметического (абсо­ лютное значение);

t — показатель достоверности; при вероятности получае­ мого результата Р = 0,95 t —1,96; при Р = 0,99 ^ = 2,58;

Р— показатель точности исследования, % (при изучении показателей качества древесины обычно принима­ ется равным 5%).

Таким образом, для того чтобы определить достаточно большое количество наблюдений по формуле (1) необходимо

32

задаться определенными значениями t и Р и иметь сведения об изменчивости изучаемого признака, определяемой v.

Данные о коэффициентах изменчивости берут из прежних исследований. Так, в лесотаксационной практике приняты следующие значения v для отдельных насаждений (%): диа­ метры— 20—25; высоты — 7—15; объемы деревьев — 45—60.

Коэффициент вариации плотности древесины отдельных деревьев внутри насаждений изменяется в пределах 6—10%,

ческих свойств древесины имеют несколько большее значение. Если коэффициент вариации не известен, то по предвари­ тельной небольшой выборке устанавливают размах варьи­ рования R = Х макс— Х мш и определяют значения а. Если объ­ ем выборки равен приблизительно 5, 10, 25 и 100, значение сг

Как уже указывалось, формулы (1) и (2) широко исполь­ зуются в математической статистике [38, 46, 75]. Между тем недостатком данных формул является то, что задаваемое в них значение t само зависит от числа наблюдений, которое требуется определить. Для того, чтобы избежать затруднения при использовании данного способа определения необходи­ мого числа наблюдений, X. Томазиусом [171] предложены но­ мограммы, позволяющие находить п по параметрам t, v и Р. При 95%-й вероятности и Р = 5% получаются следующие зна­ чения п, соответствующие определенным значениям и:

Рассчитанные по номограммам X. Томазиуса значения п оказываются несколько выше значений п, определяемых по формуле (1). Данную формулу можно рекомендовать для расчетов п в менее ответственных случаях, тогда как для по­ лучения более точных данных следует прибегать к способу

X.Томазиуса.

Древесиноведческие исследования, проводимые с целью

установления влияния природных факторов или лесохозяй­ ственных мероприятий на качество древесины, в большинстве своем носят сравнительный характер. В связи с этим, возни­ кает вопрос о достаточной численности выборки для установ­ ления различий между вариантами.

Многие исследователи для решения данного вопроса ис­ пользуют формулу (1). Однако данная формула не рас­ считана на применение в исследованиях, связанных со срав­ нениями, и поэтому в результате ее неправильного использо­ вания исследователи часто не могут выявить имеющиеся в природе вполне существенные различия между объектами.

Для решения данного вопроса необходимы предваритель­ ные сведения о масштабах тех различий, которые предпола­ гается установить между вариантами. Чем больше абсолют­ ные различия между свойствами древесины двух сравнивае­ мых насаждений или чем больше предполагаемый эффект от изучаемого лесохозяйственного приема, тем больше может быть и ошибка. Напротив, для доказательства небольших раз­ личий между вариантами опытов требуется провести опыт с меньшей ошибкой, которая достигается увеличением числа на­ блюдений. Последнее, естественно, также зависит и от вариабильности изучаемых признаков.

Таким образом, для определения размера выборки двух сравниваемых вариантов необходимо: 1) знать коэффициент вариации признака и 2) запланировать величину ошибки, ко­ торая должна быть примерно в 2—3 раза меньше тех разли­ чий, которые предполагается получить между средними срав­ ниваемых вариантов.

Поясним сказанное на следующем примере. По имеющим­ ся данным некоторые лесохозяйственные мероприятия (руб­ ки ухода, удобрения и т. д.) могут изменить плотность древе­ сины в пределах 0—15%. Допустим, что ожидаемый эффект равен 5%. Тогда, учитывая среднюю изменчивость плотности

древесины г;= 10%, и запланировав Р = — = 2,5%, по форму­

ле (1) найдем:

(1,96)2- 102

п = — ттгег;— = Ы наолюдение. '

(2,5)2

Запланировав обычную точность опыта Р = Ъ%, мы долж­ ны будем произвести всего 15 наблюдений, однако наверняка

34

3.3.1. Макростроение древесины

Наиболее часто встречающиеся задачи при характери­ стике макростроения древесины — это определение ширины годичных слоев и процента поздней древесины.

Наиболее подходящим прибором для точного измерения ширины годичных слоев является микроскоп МИР-12, снаб­ женный микрометром. С еще большим успехом данная опе­ рация может осуществляться на специальном приборе Эклун-

Переходной jo»a

1 1□ □ □ □ □□□ООН»

годичного слоя на раннюю и позднюю древесину

да шведского производства. Краткое описание этого прибора дано в книге Н. П. Анучина [3].

Определение процента поздней древесины также можно производить с помощью МИР-12. Как определение ширины, годичного слоя, так и замеры процента поздней древесины удобнее всего производить на цилиндриках, высверливаемых возрастным буравом. Однако для более точного определения процента поздней древесины необходимо делать срезы для светового микроскопа и устанавливать ширину зоны поздних трахеид на основе специальных правил, из которых наиболее употребительными являются правила Е. Морка [142], согласно которым к ранним трахеидам относятся клетки, у которых радиальный размер просвета (люмена) более чем в 2 раза превосходит удвоенную толщину клетки в том же радиальном направлении (рис. 2). Применение данного правила осо­ бенно необходимо в тех случаях, когда имеется очень посте­ пенный переход от ранней древесины к поздней.

В работе [170] излагается способ определения процента поздней древесины у лиственных пород, включая рассеянно­ сосудистые. Данный способ можно рекомендовать для исполь­ зования в специальных научных исследованиях.

3.3.2. Сучковатость

Для анализа наружной сучковатости обычно проводят от­ бор модельных деревьев в насаждении, их рубку и замеряют

36

три основные зоны ствола: зону живой кроны, зону с мертвы­ ми торчащими сучьями и бессучковую зону.

Для получения статистически достоверных данных о про­ тяженности отдельных зон ствола количество отбираемых моделей должно соответствовать требуемой точности опыта. По имеющимся данным [35], для Северо-Запада СССР коэф­ фициенты вариации длин бессучковой зоны ствола составля­ ет в сосновых насаждениях — 37,4, еловых — 61,9, березо-

Рис. 3. Различия сучковатости двух типов древесных пород в зависимости от характера очищения от сучьев

вых — 50,6 и осиновых — 37,0%. Поэтому при необходимости определить среднюю длину естественно очищенной части ство­ ла с ошибкой 10% нужно измерить этот показатель в сосно­ вых и осиновых насаждениях не меньше чем у 14, в еловых — у 38 и в березовых — у 26 деревьев.

Наиболее объективную оценку сучковатости древесного ствола дает соотношение объемов, приходящихся на бессуч­

тически с некоторыми допущениями эти зоны для двух типов древесных пород, различающихся в зависимости от характера очищения от сучьев, представлены на рис. 3. Первый тип дре­ весных пород — это породы, длительно удерживающие мерт­ вые сучья и характеризующиеся значительным объемом зоны с несросшимися сучками. Второй тип представляют породы,

37

сравнительно быстро освобождающиеся от мертвых сучков и поэтому имеющие сравнительно небольшой объем зоны с несросшимися сучками.

Для характеристики сучковатости ствола его объем прини­ мается за 100%, определяются объемы трех сучковых зон ствола и находится (выраженное в процентах) соотношение

Vi : V2: Уз-

Другими важными показателями, сучковатости ствола яв­ ляются средний диаметр сучков и их количество на 1 пог. м

длины ствола.

Эти же показатели служат для характеристики сучкова­ тости отдельных категорий деревьев и насаждения в целом.

Более йодробно методы анализа сучковатости изложены в работе «Сучковатость древесного сырья» [61].

3.3.3. Плотность

Из всех показателей физико-механических свойств дре­ весины плотность является наиболее просто определяемой ха­ рактеристикой. Поскольку плотность довольно тесно коррелируется с другими физическими и многими механическими свойствами древесины и сама по себе представляет одну из важнейших характеристик древесного сырья, операции по оп­ ределению этого показателя являются неотъемлемой частью почти любых древесиноведческих анализов, в том числе ана­ лизов, проводимых на массовом материале.

В настоящее время разработаны довольно быстрые спо­ собы определения плотности на образцах практически любых размеров, получаемых как из срубленных, так и стоящих де­ ревьев [63, 67]. В последнем случае плотность определяется на образцах, представляющих собой части цилиндриков, извле­ каемых из дерева возрастным буравом. Каждая такая часть может включать всего 3—4 годичных слоя и иметь объем в несколько кубических миллиметров.

Способ определения плотности древесины на образцах в виде частей цилиндриков особенно подходит для массовых анализов плотности, при которых нужно установить количест­ венные изменения качества древесины под влиянием меропри­ ятия с невысокой эффективностью. В этом случае анализ не­ обходимо проводить на значительном (30—60) количестве мо­ дельных деревьев, срубить которые часто не представляется возможным. Образцы же древесины в виде цилиндриков, выс­ верливаемых возрастным буравом, получаются без больших затруднений, легко транспортируются в лабораторию, где анаризируются через практически любой промежуток вре­ мени.

38

Анализ плотности древесины на таких образцах целесооб­ разно совместить с определением средней ширины годичного слоя и процента поздней древесины (см. раздел 3.3.1).

Для выяснения влияния лесохозяйственного мероприятия (рубок ухода, удобрений и т. д.) на плотность древесины на контрольных и опытных участках высверливаются цилиндри­ ки, которые разделяются на части по схеме, изображенной на рис. 4. Плотность древесины годичных слоев (обычно в ко-

Рис. 4. Схема разделения цилиндриков, по которым определяется плотность древесины, на части с целью установления влияния лесохозяйственных мероприятий на качество древесины:

годичные слои, образовавшиеся после проведения мероприятия

личестве пяти), образовавшихся непосредственйо перед про­ веденным мероприятием, принимается за 100%. По отноше­ нию к этой плотности вычисляются (в %) соответствующие показатели по каждой части цилиндрика, включающей годич­ ные слои, образовавшиеся после проведенного мероприятия. Таким образом получаются два ряда цифр, по которым опре­ деляется эффект мероприятия. Проиллюстрируем сказанное на следующем примере:

39