Учебно-исследовательская работа Применение метода ультразвуковой томографии для оценки состояния популяции дуба в лесопарке «Дубравная»

Министерство образования и науки Республики Татарстан

Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного

образования «Центр детского творчества «Танкодром»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Лицей № 000»

Советского района г. Казани

Учебно-исследовательская работа

Применение метода ультразвуковой томографии для оценки состояния популяции дуба в лесопарке «Дубравная»

Выполнил: ученик 11 класса,

Абубакиров Альмир

Научный руководитель: п. д.о.

Андрей Анатольевич Терёхин

г. Казань 2016 год

Содержание.

Введение……………………………………………………………… 3

1.Литературный обзор…………………………………………………5

2. Характеристика района и объектов исследования……………… 7

2.1. Физико-географическая характеристика………………………. 7

2.2 Геоботаническое описание………………………………………. 9

3. Методика исследования…………………………………………. 10

4. Результаты исследования и их обсуждение……………………..... 13

Выводы……………………………………………………………… 18

Литература……………………………………………………………. 20

Приложения…………………………………………………………….22

Введение.

В связи с увеличением количества автотранспорта в крупных городах ухудшается экологическая обстановка, увеличивается степень загрязнения почв, состояние насаждений в мегаполисах вызывает тревогу. Подобная проблема возникает во многих странах. В большинстве европейских стран проведены исследования и получены данные о состоянии почв и растительности в исторических садах и парках.

Одним из основных компонентов городских территорий являются зеленые насаждения (городские сады, парки). Степень озеленения городских территорий и состояние садово-парковых ансамблей являются важнейшими показателями качества жизни в городах. Результаты многолетних разносторонних исследований убедительно доказывают важнейшую роль зеленых насаждений в оздоровлении состояния воздушной среды и микроклимата городских территорий, в защите городской среды от неблагоприятных последствий антропогенной нагрузки[2].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Актуальными становятся средства и методы оперативного получения данных о состоянии древесины, ее анатомическом строении и основных физико-механических показателей. Для этого могут быть применены современные приборы, работающие по принципу акустического или механического сканирования материала. Однако, в настоящее время научные работы в этом направлении единичны и требуют технических решений и достоверных результатов исследований, которые позволили бы обеспечить рациональное использование древесины именно с учетом высокоточной и обширной диагностики строения, состояния и качества. Поэтому задача разработки методов и средств оперативного инструментального исследования анатомической структуры и плотности древесины является не только актуальной, но и перспективной.

Цель работы: Определение состояния популяции дуба в лесопарке «Дубравный».

Объектом исследования является древесина дуба черешчатого, произрастающего на территории лесопарка «Дубравный».

Предметами исследования являются анатомическая структура древесины дуба черешчатого и деструктивные процессы возникающие в стволах исследуемых деревьев.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи теоретических и экспериментальных исследований:

Выбрать модельную учетную площадку на основе доминирования дуба в фитоценозе; Провести исследования состояния всех дубов в пределах экспериментальной площадки методом ультразвуковой томографии; Построить томограммы распределения скорости звуковых волн в стволах исследуемых деревьев и классифицировать степень деструкции древесины в зависимости от скорости звуковых волн; Сделать выводы о состоянии популяции дуба в лесопарке «Дубравная» на основе пространственного анализа древесины.

Научная значимость и новизна: Впервые получены данные о состоянии деревьев различных возрастных групп в лесопарке «Дубравный» с помощью импульсного томографа АРБОТОМ®, диагностирующего внутреннее состояние живого дерева без нанесения повреждений.

Практическая значимость: В результате проведённых исследований оценено состояние популяции дуба в лесопарке «Дубравный». Опробована методика количественной интерпретации результатов ультразвукового томографического обследования состояния внутренней части древесины с использованием импульсного томографа АРБОТОМ®, что может быть использовано при обследовании состояния насаждений в городских садах и парках и позволит обеспечить раннюю диагностику деревьев-угроз.

1.Литературный обзор.

Оценка состояния древесины неразрушающими методами в полевых условиях являются перспективным направлением в древесиноведении. В зарубежной практике имеются огромный опыт использования специальных оборудований по диагностике древесины. Анализ зарубежных научных публикаций показал, что широкое применение для определения качественных показателей растущих деревьев, древесного сырья и конструкций в зарубежных странах нашли научные акустические и сверлильные приборы фирм IML, Rinntech [3,11,12].

Первое подробное описание оценки состояния древесины звуковым и сверлильным методами в отечественной литературе приведены (1889) [1]. Им отмечены, что признаком здорового дерева на корню является чистый отзвук, получаемый при ударе молотком или обухом топора об ствол. В методологии проведения замеров указаны, что

постукиванием можно верно определить внутреннее состояние дерева, если проводить ее с южной стороны, т. к. с северной стороны дерево имеет всегда более крепкую и плотную древесину, которая может дать ложный звонкий чистый звук присущий здоровому дереву.

Современные способы оценки качества древесины методами звуковой томографии и сверления имеют неоспоримые преимущества по сравнению с выше описанным, т. к. позволяют визуально рассматривать данные полученные этими способами и делать выводы о состоянии древесины. Однако основные принципы работы данных научных оборудований основаны на тех же принципах, приведенных .

Оценка качества и определение дефектов древесины имеют важное значение в лесной отрасли[5]. Изучением качественных характеристик древесины занимались многие ученые [6-10]. До сих пор не выработана методика быстрого, точного и простого способа определения состояния дерева и качества древесины. Исследования по данному направлению актуальны и вызывают интерес у ученых разных стран. В настоящее время для оценки состояния деревьев применяются различные методы и устройства. Они подразделяются на сильно повреждающие (приростной бурав, резистограф), слабо повреждающие («Арботом», «Пикус» - звуковая томография), не внедряющиеся в ствол дерева (компьютерная томография, термография) [12]. Акустическая томография является одной из эффективных технологий для выявления внутренних дефектов древесины [4,6,12].

Большинство исследований связано с выявлением зон деструкции в древесине. Для применения акустической томографии в оценке качественных характеристик древесины необходимо создание шкал скоростей распространения звука в древесине, произрастающей в различных условиях. Поэтому особое внимание уделено в исследовании – определению скорости прохождения звукового импульса в древесине дуба в различных условиях произрастания.

Анализируя техническую литературу по исследованию физико-механических свойств древесины, можно отметить, что несмотря на наличие значительного количества разработок в этой области, многие насущные вопросы технического древесиноведения еще ждут своего решения. В частности, для древесины весьма актуальными и малоизученными остаются вопросы определения скорости распространения упругих волн и потому требуют дополнительных исследований. Также недостаточно исследовано влияния условий произрастания на структуру древесины и ее механические свойства. Эти вопросы тесно связаны с изучением влияния особенностей макроструктуры и плотности древесины на механические свойства.

2. Характеристика района и объектов исследования.

2.1Физико-географическая характеристика.

Исследуемая территории расположена в границах г. Казани. Объектом нашего исследования послужил широколиственный лес по ул. Дубравная г. Казань. Он находится на окраине города в Приволжском районе (рис. 1). Наиболее известен этот лес как место отдыха, где можно летом покататься на велосипеде, а зимой на лыжах и коньках. Выполняя важную рекреационную роль, это лес одновременно является и важным элементом экологического каркаса города.

Климат Казани умеренно-континентальный с теплым летом и умеренно холодной зимой. Продолжительность солнечного сияния за год в среднем составляет 1916 ч. Наиболее солнечным является период с апреля по август. Наиболее облачным месяцем является ноябрь. Погода и климат в большей степени определяются атмосферной циркуляцией, и особенно преобладанием западных потоков воздуха, что обусловливает существенное влияние на местный климат атлантических воздушных течений, которые смягчают и увлажняют его. Вместе с тем сюда поступают и воздушные массы, сформировавшиеся в других, в том числе арктических и резко континентальных районов. По северо-западным, северным и северо-восточным траекториям на территорию входит холодный воздух из Арктики. Иногда он поступает и с юго-востока, огибая с юга Уральские горы. С юго-запада, юга, а летом и с юго-востока обычно приходит тропический воздух, обусловливающий резкие потепления. Из районов Сибири зимой вторгается холодный континентальный воздух умеренных широт, приводящий к установлению малооблачной, морозной погоды. В целом же западные и юго-западные потоки преобладают, поэтому климат здесь менее континентальный, чем к востоку и юго-востоку. На процессы погоды и формирование особенностей климата большое влияние оказывают циклонические и антициклонические макроциркуляционные формы движения атмосферы. Они обуславливают как зональные, так и меридиональные движения различных воздушных масс. Циклоны сопровождаются обычно быстрыми и резкими изменениями погоды с сильно развитой облачностью, осадками и порывистыми ветрами. В антициклонах преобладает более спокойная и малооблачная погода. Повторяемость циклонических процессов в Ср. Поволжье составляет в среднем за год 173 дня (47%), антициклонических — 192 дня (53%).

Важной особенностью климата г. Казани, как, впрочем, и большей части территории России, является наличие двух резко различающихся между собой периодов — теплого (апрель-октябрь) с положительными температурами воздуха и холодного (ноябрь-март) с отрицательными температурами и образованием устойчивого снежного покрова. Среднегодовая температура воздуха в Казани составляет около 4,0°С. Самым теплым месяцем года является июль, его средняя температура составляет 20,3°С. Январь наиболее холодный месяц со средней температурой −12,0°С. Абсолютный максимум температуры воздуха в Казани во все месяцы выше нуля, а абсолютный минимум температуры положителен лишь в июле и августе. Абсолютный максимум температуры достигал 39°С (август, 2010 г.), абсолютный минимум −47°С (январь, 1942 г.) (рис.2) По количеству осадков район относится к зоне умеренного увлажнения. Наибольшее количество осадков приходится на июль, а наименьшее — на март. Количество осадков, выпадающих в жидком виде (дожди), составляет около 70%, в твердом (снег) — 20%, смешанные осадки — 10%. В июне, июле, августе осадки выпадают только в жидком виде, за исключением случаев града. В период отрицательных среднесуточных температур осадки выпадают в виде снега, образуя снежный покров. Он формируется не сразу, так как наступающие обычно потепления быстро разрушают его. Период между появлением первого снежного покрова (конец октября — начало ноября) и образованием устойчивого снежного покрова

вторая декада ноября) составляет в Казани около 20 дней. Число дней со снежным покровом около 150. Высота снежного покрова достигает наибольших значений в марте.

Преобладающими направлениями ветра за год и в холодный период в районе Казани являются южное, западное и юго-восточное. В летний период увеличивается повторяемость северных и северо-западных ветров. Зимний период характеризуется более сильными ветрами, чем летний. Средние скорости ветра невелики (так среднегодовая скорость ветра составляет порядка 3 м/с), однако в отдельных случаях порывы ветра могут превышать 30 м/с.

В Казани возможны такие опасные метеорологические явления как шквал, сильные ветры, метели, дожди, ливни, снег, туман, жара, мороз и крупный град. Наиболее высока вероятность сильных ливней, дождей и ветра (20-30%).

2.2 Геоботаническое описание.

Лесной массив расположен на третьей надпойменной террасе р. Волга. Пригородный лесхоз г. Казани, Столбищенское л-во, 24-26 кв.

Рельеф ровный с небольшими понижениями и оврагами. Абсолютные высоты выше 120 м.

Почвы серые лесные, суглинистые.

Древостой

Формула древостоя 6Лп2Д2Бед. Ос, полнота 0.5

Ассоциация - Липняк осоково - снытевый с дубом и березой.

Возраст дуба достигает 180 лет, липы 110 лет.

Подрост средней густоты:

Липа мелколистная

Дуб черешчатый

клен остролистный

вяз шершавый

Подлесок средней густоты:

лещина обыкновенная

жимолость лесная

бересклет бородавчатый

черемуха обыкновенная.

травяной покров:

сныть обыкновенная – cop2.

пролесник многолетний – cop1.

осока волосистая cop3.

копытень европейский – sp.

будра плющевидная – sp.

щитовник мужской – sol.

крапива двудомная - sol.

медуница неясная – sp.

хохлатка плотная – sp.

ветреница лютиковая - sp.

чинна весенняя – sp.

чистотел большой – un.

3 Методика исследований.

В нашем исследовании мы использовали акустический способ оценки состояния древесины, с помощью устройства – томографа ARBOTOM, который представляет собой пространственный импульсный томограф, разработанный немецкой фирмой RINNTECH для проведения анализа состояния внутренней структуры деревьев (Рис.3) [12]. По сравнению с резистографом он отображает наиболее полную картину развития гнили в стволе, давая возможность оценивать ее распространение как по площади сечения ствола, так и по высоте. Принцип действия прибора основан на измерении времени прохождения звуковых импульсов через разные участки ствола дерева. Стволовые гнили снижают плотность древесины и ARBOTOM надежно выявляет такие участки ствола. Наличие нескольких сенсоров («органы чувств» прибора, их может быть до 24) позволяет получить целостную картину распространения гнили по стволу. Для обработки данных существует программный пакет. При установке его на ноутбук ARBOTOM готов к работе в полевых условиях. Наряду с плоскостной томограммой данные могут отображаться в виде линий прохождения звуковых импульсов и в виде таблицы с указанием измеренных скоростей. Помимо этого, программа позволяет изменять варианты окрашивания томограмм.

Прибор устроен следующим образом:

В каждом сенсоре Арботома имеется виброметр и электронная схема определения реального времени прохождения поступающих импульсов;

скорости прохождения импульсов собираются в матрицу и с помощью ПО Арботом представляет их в виде линейных или плоскостных графических построений.

Пример таких графических представлений внутренней структуры древесины приведен на рис. 4.

Данные графические представления легко позволяют специалисту определить наличие скрытых пороков древесины. Однако определение точных показателей скорости прохождения импульсов или плотности практически не представляется возможным. Имеются попытки оценки древесины по шкале цветности, однако эти методы можно считать менее точным по сравнению с численным анализом данных.

Арботом является современным диагностическим оборудованием, позволяющим получать достоверные данные о внутреннем состоянии дерева и определять один из важных показателей — стадию развития гнили. Опираясь на этот показатель, можно контролировать происходящие во времени стволовые изменения по соотношению здоровой и поврежденной древесины.

В ходе наших полевых исследований мы заложили в типичном дубовом массиве экспериментальную площадку размером 25х25 метров, в пределах которой были исследованы все деревья дуба (Рис. 5).

Для проведения исследования вокруг ствола дерева на высоте 1,25 метр от земли через равные интервалы было установлено 12 датчиков (рис. 6). Возбуждение упругих волн осуществлялось при помощи специального молотка посредством удара по внешней части датчика. Регистрация проводилась с помощью аппаратно-программного комплекса Arbotom 2D. Данные передавались по универсальной последовательной шине (USB) передачи данных и записывались в файл на мобильном персональном компьютере (Рис. 7).

Для 1 дерева измерения проводились на высоте 0,3;0,6;0,9;1,2;1,5 метров от земли. Всего было получено 8 томограмм для 4 деревьев. Характеристика дубовых насаждений приведена в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика дубовых насаждений.

4. Результаты исследования и их обсуждение.

Основными результатами нашего исследования являются данные о скорости прохождения звуковых волн в древесине популяции дуба лесопарка «Дубравная» (Приложения 1-4).

Для анализа полученных данных числовые данные из ПО Арботом были экспортированы в MS Excel.

При анализе данных было обнаружено, что древесина дуба обладает значительным разбросом акустических, а, следовательно, и физико - механических характеристик. Так скорость распространения импульсов в испытуемых модельных деревьях колеблется в пределах от 330 до 5007 м/сек. Данные разбросы можно объяснить, тем, что скорость прохождения звука зависит от угла прохождения относительно структурных анатомических элементов древесины. Это доказывает наличие корреляционной связи скорости звукового импульса с модулем упругости и другими физико-механическими свойствами.

Метод ультразвуковой томографии достаточной новый, который активно развивается с начала 2000 гг. В виду того, что подобные исследования на территории г. Казани не проводились мы, основываясь на полученных нами данных о скорости звуковых волн разработали градационную шкалу (Рис. и классификацию деструкции древесины дуба таблица 2.

Таблица 2

Классификация по степени деструкции древесины

Класс деструкции	Скорость (м/с)
1	3500-5007
2	2001-3499
3	1001-2000
4	340-1000

Интерпретация была выполнена в программах Easy Trace 7.99 ArcGis 10.2. В начале, была выполнена привязка томограмм к реальному масштабу, а затем проведена оцифровка томограмм в соответствии с принятой нами классификацией и цветовой шкалой значений скорости распространения звуковых волн в древесине исследуемых деревьев. Оцифрованные таким образом томограммы, экспортировались в формат shp-файлов и далее обрабатывались в ArgGis. Таким образом, нами были получены площади горизонтальных (поперечных) акустических срезов и площади областей деструкции в пределах этих срезов (Таблица 3).

Таблица 3

Характеристики горизонтальных срезов

Дерево № 14	S, кв. м.	Класс	S класса, кв. м.	Дерево № 15	S класса, кв. м.	Класс	S класса
0,470787	1	0,135	0,674216	1	0,06531
P, м	2	0,1576	P, м	2	0,19561
2,44	3	0,101942	2,92	3	0,17909
4	0,076236	4	0,234213
Дерево № 16	S класса, кв. м.	Класс	S класса	Дерево № 17	S класса, кв. м.	Класс	S класса
0,67868	1	0,298894	0,569811	1	0,130432
P, м	2	0,116229	P, м	2	0,15575
2,93	3	0,092943	2,68	3	0,17579
4	0,170569	4	0,1

Анализируя результаты интерпретации (Приложения 1-4) томограмм (Приложения 1-4) мы видим, что сердцевина дуба подвержена в той или иной степени процессу развития стволовой гнили.

Распределение площадей по нашей классификации в горизонтальных срезах, выбранных для деревьев №14 и №17 довольно близкое по значениям, разброс составляет не более 10%. А дерево №15 более подвержено стволовой гнили, более трети площади горизонтального сечения относятся к 4 классу деструкции (Рис.9).

Сравнивая горизонтальные сечения на разных высотах для дерева №16 нами установлено, что деструктивные процессы наиболее распространены ближе к шейке корня и уменьшаются с высотой дерева (Рис. 10).

На рис. 11 приведены гистограммы распределения площадей развития деструкции на разных высотах. Мы видим, что с высотой в горизонтальных срезах уменьшается площадь древесины, пораженной стволовой гнилью, а площадь здоровой древесины увеличивается от высоты 0,3 м. до 1,2 м., а к высоте 1,5 м незначительно снижается.

В таблице 4 можно видеть распределения средних скоростей звуковых волн в горизонтальных срезах на разных высотах. В целом мы также наблюдаем тренд увеличения средней скорости с высотой дерева.

В целом, опираясь на состояние древесины деревьев дуба черешчатого по полученным нами данным можно сказать, что состояние популяции дуба в Лесопарке «Дубравная» удовлетворительное.

Таблица 4

Скорость прохождения звуковых волн в древесине дуба

Дерево дуба №16 в Липняке осоково - снытевом с дубом и березой.
Высота измерения, см	30	60	90	120	150
Средняя скорость прохождения звуковых волн, м/с	1062	1025	1066	1075	1304

Выводы.

В результате маршрутного обследования территории заложена экспериментальная площадка в типичном участке дубовых насаждений в лесопарке «Дубравный»; Построены томограммы распределения скорости ультразвуковых волн в стволах исследуемых деревьев, которые позволили установить, что скорость распространения импульсов в испытуемых модельных деревьях колеблется в пределах от 330 до 5007 м/сек.; Проведена цифровая интерпретация полученных томограмм и на ее основе разработана классификация древесины деревьев дуба по степени деструкции в зависимости от скорости распространения звуковых волн. Анализируя горизонтальные сечения на разных высотах нами установлено, что деструктивные процессы наиболее распространены ближе к шейке корня и уменьшаются с высотой дерева. В соответствии с разработанной нами классификацией по степени деструкции мы оцениваем состояние популяции дуба как удовлетворительное.

Экологические риски для популяции дуба в лесопарке «Дубравный» связаны, на наш взгляд, с развитием скрытых стволовых гнилей, которые могут быть вызваны естественными климатическими факторами (появление морозобойных трещин, разрушение ураганами), так и влиянием антропогенных факторов, ведущих к изменению естественного режима температуры и влажности, что, в свою очередь, приведет к развитию патогенных грибов, вызывающих корневую и стволовую гниль.

Меры по снижению экологических рисков.

Меры борьбы со стволовыми гнилями: своевременное и регулярное проведение рубок ухода и санитарных рубок; немедленный вывоз из леса или химическая защита заготовленной древесины; вывоз и уничтожение валежника, бурелома, порубочных и др. древесных остатков; проведение биотехнических и др. мероприятий, направленных на профилактику повреждения стволов; создание устойчивых смешанных насаждений с правильным подбором и размещением пород. В парках, городских посадках, мемориальных и других особо ценных насаждениях — проведение общих санитарно-оздоровительных мероприятий; мероприятия по регулированию рекреационных нагрузок; индивидуальная защита деревьев: обрезка поражённых и усохших ветвей, лечение ран, пломбирование дупел; уничтожение плодовых тел возбудителей гнилей (Лесная энциклопедия: в 2-х т./ ).

Литература.

Дерево как строительный материал: сведения необходимые для лесовладельцев, торговцев, заводчиков, строителей / составитель . – СПб.: Т-во паровой скоропечатни Яблонский и Перотт, 1889. – 70 c , , Рекреационные леса. М., 1977. 96 с. Изменение анатомического строения древесины сосны под влиянием лесохозяйственных мероприятий // Лесн. журн. 2007. № 4. С. 19-24. , С., Диагностика внутреннего состояния деревьев Tilia Cordata Mill. с использованием комплекса аппаратуры акустической ультразвуковой томографии «Арботом» // Вестн. РУДН. Сер. Агрономия и животноводство. 2012. № 55. С. 25–32. Строение древесины сосны в сосняках кустарничково-сфагновых осушенных // Проблемы лесоведения и лесоводства: сб. материалов всерос. конф.: Четвертые Мелеховские научные чтения, посвященные 105-летию со дня рождения (Архангельск, 10-12 ноября 2010 г.). Архангельск, 2010. С. 122-125 Скорость прохождения звукового импульса в древесине сосны //Биология,2014 After Wounding and Fungal Inoculation // Wood Sci Technol. 2008. № 42. P. 117-132. Bucur V. Nondestructive Characterization and Imaging of Wood. Berlin, 2003. Catena A. Thermography Reveals Hidden Tree Decay // Arboricultural J. 2003. № 27. P. 27-42. Deflorio G., Fink S., Schwarze F. W.M. R. Detection of Incipient Decay in Tree Stems with Sonic Tomography Effect of Sensor Quantity on Measurement Accuracy of Log Inner Defects by Using Stress Wave / L. Wang, Новый методологический подход к исследованию распределения плотности по сечению и высоте ствола (на примере лиственницы даурской, произрастающей в Якутии) // [Электронный ресурс]//VIII Междунар. Евразийский симпозиум «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI в.», 2013 г , , Лесная энциклопедия: В 2-х т./Гл. ред. ; Ред. кол.: , , и др. - М.: Сов. энциклопедия, 1985.-563 с., ил.

Интернет ресурсы:

www. wikipedia. ru

www. pogodaiklimat. ru