Что такое годичный слой
Макроскопическое строение
На поперечном разрезе ствола деревьев, произрастающих в умеренном климатическом поясе, можно заметить концентрические слои, окружающие сердцевину. В большинстве случаев каждое такое кольцо есть ежегодное нарастание древесины, вследствие чего называется оно годичным слоем. Эти слои заметны у многих пород, но особенно хорошо — у хвойных. На радиальном разрезе годичные слои имеют вид продольных параллельных полос, а на тангенциальном — извилистых линий (рис. 4).
Рис. 4. Вид годичных слоев на главных разрезах древесины (сосна): а — поперечный, или торцовый; б — тангенциальный; в— радиальный.
Строение ствола схематически (рис. 5) можно представить в виде ряда конусов (годичных слоев), насаженных на общий стержень (сердцевину). Число годичных слоев на поперечном разрезе ствола уменьшается по мере поднятия вверх по стволу, что объясняется ростом дерева не только в толщину, но и в высоту. По числу годичных слоев можно, следовательно, узнать возраст той части ствола, где прошел разрез. Однако наблюдаются случаи, когда за год образуется два слоя, и случаи, когда образования слоев не происходит.
Последнее обычно наблюдается в нижней части ствола и является следствием недостаточного питания дерева, например у декоративных деревьев при слишком сильной обрезке ветвей; то же самое возможно в лесу у плохо питающихся и сильно отставших в росте деревьев. Чаще встречается удвоение годичного слоя, которое происходит, например, в том случае, когда молодая листва объедается насекомыми или побивается весенними заморозками и вместо нее из запасных почек развиваются новые листья. В этом случае появляется ложный годичный слой, но границы его обычно менее резки, чем настоящего; иногда он не занимает всей окружности ствола, постепенно теряясь в настоящем годичном слое.
Удвоение годичных слоев наблюдается также при смене сухих и влажных периодов (у арчи в лесах Средней Азии) или при чередовании теплых и холодных периодов (у японской криптомерии в Закавказье). Ширина годичных слоев сильно колеблется в зависимости от многих факторов — породы, возраста, условий произрастания, положения в стволе. Наиболее узкие годичные слои (до 1 мм) образуются у медленно растущих пород (самшита), а наиболее широкие (1 см и больше) характерны для быстрорастущих пород (тополя, ивы). В стволе дерева годичные слои шире, чем в ветвях. В молодом возрасте так же, как и при благоприятных условиях роста, образуются более широкие годичные слои. По радиусу ствола ширина годичных слоев изменяется так: у сердцевины располагается ряд сравнительно узких слоев, затем следует зона более широких слоев, а дальше, по направлению к коре, ширина годичных слоев постепенно уменьшается.
Рис. 5. Схема нарастания годичных слоев в стволе.
В то же время площадь годичного слоя сначала довольно быстро увеличивается в направлении от сердцевины к коре, достигает максимума, после чего постепенно уменьшается. На интенсивность годичного прироста влияют особенности метеорологических условий того или иного года, и по ширине годичных слоев можно проследить вековые изменения климата.
У некоторых пород на поперечном разрезе наблюдается волнистость годичных слоев, например у граба, тисса, можжевельника; у бука и ольхи граница между годичными слоями в местах пересечения ее широкими сердцевинными лучами (см. ниже) загибается внутрь (к сердцевине), что также придает границе между слоями волнистый вид.
Рис. 6. Поперечный разрез ветви сосны.
У многих пород можно ясно заметить, что годичный слой состоит из двух частей (см. рис. 4). Внутренняя, обращенная к сердцевине, более светло окрашенная и мягкая часть называется ранней древесиной (она образуется в первой половине вегетационного периода), а наружная, обращенная к коре, более темная и твердая часть — поздней древесиной.
Различие между ранней и поздней древесиной сильнее выражено у хвойных пород (особенно в лиственнице) и в меньшей мере — у многих лиственных пород, поэтому годичные слои хорошо видны в хвойных породах и часто слабо заметны в лиственных.
По ранней древесине годичных слоев в растущем дереве происходит передвижение воды вверх по стволу, а поздняя древесина выполняет преимущественно механические функции. В зависимости от породы, возраста, условий произрастания, положения в стволе соотношение между ранней и поздней древесиной может сильно изменяться. В стволе дерева хвойных пород содержание поздней древесины в годичных слоях сначала увеличивается в направлении от сердцевины к коре, достигает максимума, а затем в слоях, расположенных ближе к коре, уменьшается; по высоте ствола содержание поздней древесины убывает по направлению от комля к вершине. Так, у 110-летней сосны центральные 5 годичных слоев содержали всего 10% поздней древесины; в последующих 10 слоях ее содержание увеличилось почти до 20%, в дальнейших 50 слоях поднялось до 30%, а в наружных 45 слоях упало до 20%; в нижней части ствола содержание поздней древесины было почти вдвое больше, чем в верхней. Так как поздняя древесина плотнее, тяжелее и тверже ранней, от количества именно поздней древесины зависят цвет, плотность и прочность древесины в целом. Различия в свойствах ранней и поздней древесины у лиственницы и дуба приведены в табл. 4.
Таблица 4. Различия в свойствах ранней и поздней древесины.
Зона годичного слоя
Плотность в абсолютно сухом состоянии, г/см 3
Предел прочности, кГ/см 2, в комнатносухом состоянии при
ГОДИЧНЫЕ СЛОИ
Годичные слои — Вторичная древесина, отлагаемая камбием (см.), обнаруживает определенную слоистость, причем каждый год отлагается по одному слою. Слои эти и называются поэтому годичными. Заметность Г. слоев обусловливается тем, что деятельность камбия в начале и в конце вегетационного периода не одинакова. Весной камбий отлагает главным образом водопроводящие элементы, осенью — механические. Так как те и другие имеют различный вид, и так как к осенним элементам одного года непосредственно прилегают резко отличные от них весенние элементы следующего вегетационного периода, то Г. слои видны поэтому обыкновенно очень резко. В частности, ближайшее строение Г. слоев у различных древесных пород различно. У хвойных деревьев, древесина которых состоит исключительно из трахеид, вся разница между весенними и осенними элементами сводится к тому, что просвет трахеид становится постепенно все меньше, клеточные стенки, напротив, все утолщаются. Г. слои развиваются так или иначе в зависимости от внешних условий вегетации данного года. Поэтому на поперечном разрезе ствола видна история жизни дерева, записанная языком Г. слоев. Если листва дерева в начале лета будет объедена насекомыми или погибнет каким-либо другим путем, дерево обыкновенно развивает новую листву. При этом элементы древесины начинают снова отлагаться по весеннему образцу, так что в одно лето развивается не один, а два годичных слоя. Если не считать таких случаев, то, вообще говоря, число Г. слоев точно соответствует возрасту растения.
Годичные слои, ранняя и поздняя древесина
На поперечном разрезе видны концентрические слои, расположенные вокруг сердцевины. Эти образования представляют собой ежегодный прирост древесины, т.е. за один вегетационный период. Называются они годичными слоями (рисунок 2).
Ширина годичных слоев зависит от породы, условий роста, положения в стволе. У одних пород (быстрорастущих) годичные слои широкие (тополь, ива), у других — узкие. В нижней части ствола расположены наиболее узкие годичные слои, вверх по стволу ширина слоев увеличивается, так как рост дерева происходит и в толщину, и в высоту, что приближает форму ствола к цилиндру.
Рисунок 2 – Строение поперечного разреза
У одной и той же породы ширина годичных слоев может быть различной. При неблагоприятных условиях роста (засуха, морозы, недостаток питательных веществ, заболоченные почвы) образуются узкие годичные слои.
Некоторым породам свойственна неправильная форма годичных слоев. Так, на поперечном разрезе у граба, тиса, можжевельника наблюдается волнистость годичных слоев.
На радиальном разрезе годичные слои имеют вид продольных и прямых полос, на тангенциальном — извилистых конусообразных линий. Годичные слои нарастают ежегодно от центра к периферии, и самым молодым слоем является наружный. По числу годичных слоев на торцовом разрезе на комле можно определить возраст дерева.
Ранняя и поздняя древесина
Каждый годичный слой состоит из двух частей — ранней и поздней древесины:
— ранняя древесина (внутренняя) обращена к сердцевине, светлая и мягкая;
— поздняя древесина (наружная) обращена к коре, темная и твердая.
Различие между ранней и поздней древесиной ярко выражено у хвойных и некоторых лиственных пород.
Ранняя древесина образуется в начале лета и служит для проведения воды вверх по стволу.
Поздняя древесина откладывается к концу лета и выполняет в основном механическую функцию. От количества поздней древесины зависят ее плотность и механические свойства.
Сердцевинные лучи
На поперечном разрезе некоторых пород хорошо видны светлые, в большинстве случаев блестящие линии, расходящиеся от сердцевины к коре по радиусам и называемые сердцевинными лучами (рисунок 3).
В растущем дереве сердцевинные лучи служат для проведения воды и питательных веществ в горизонтальном направлении и для хранения запасных питательных веществ зимой.
Рисунок 3 – Сердцевинные лучи на разных разрезах
На радиальном разрезе древесины сердцевинные лучи бывают заметны в виде поперечных блестящих узких пли широких (в зависимости от размеров лучей), коротких или длинных (в зависимости от степени совпадения разреза с направлением луча) полос или пятен, окрашенных темнее пли светлее окружающей древесины.
На тангенциальном разрезе сердцевинные лучи имеют веретенообразную, или чечевицеобразную, форму, высота их в зависимости от породы колеблется в широких пределах (от 160 мм у ольхи до долей миллиметра у хвойных пород).
Сердцевинные лучи есть в древесине всех пород, но лишь у немногих пород они настолько широки, что ясно видны невооруженным глазом на поперечном разрезе (рисунок 4).
Рисунок 4 – Расположение серцевинных лучей
Одни лучи начинаются от сердцевины и идут до коры, пронизывая всю толщу древесины по радиусу; эти лучи называются первичными. Остальные лучи, называемые вторичными, могут начинаться на разном расстоянии от сердцевины, но, раз возникнув, каждый луч обязательно доходит до коры и продолжается в ней.
Ширина сердцевинных лучей, измеряемая на поперечном разрезе ствола, в зависимости от породы, колеблется от 0,005 до 1 мм.
По ширине различают три типа лучей:
— очень узкие, невидимые невооруженным глазом;
— узкие, трудноразличимые невооруженным глазом;
— широкие, ясно видимые невооруженным глазом.
Широкие лучи могут быть настоящими и ложноширокими, т.е. состоящими из пучка близко расположенных друг к другу узких лучей.
Среди наших пород настоящие широкие лучи имеют дуб, бук и платан; ложноширокие лучи — граб, ольха и лещина.
Узкие, но все же различимые невооруженным глазом лучи имеются в древесине кленов, ильмовых пород (вяза, ильма, карагача), липы, кизила и некоторых других пород.
Очень узкие лучи, которые можно лишь иногда заметить на строго радиальном разрезе (лучше расколе), свойственны древесине всех хвойных и многих лиственных пород (ясеню, березе, осине, тополю, иве, груше, рябине и др.). У некоторых пород (бука) лучи расширяются при пересечении границ годичных слоев.
У большинства пород сердцевинные лучи располагаются по спирали вдоль оси ствола, но у некоторых они образуют горизонтальные ряды или ярусы, заметные на тангенциальном разрезе, например, в древесине хурмы.
Древесина и ее строение
Без понимания, как устроено дерево, невозможно понять, что такое древесина, получить полные знания о её физических и механических свойствах, а значит, и успешно проектировать и эксплуатировать деревянные конструкции.
Дерево, даже одной и той же породы, не является совершенно однородным, стандартным материалом. Поэтому, обычно, даются некоторые средние характеристики, позволяющие сравнивать свойства различных древесных пород.
Строение дерева
Независимо от породы, растущее дерево имеет:
Корни
Корни служат не только для укрепления дерева в почве и удержания его в вертикальном положении, а самое главное, для питания дерева из почвы водой и питательными веществами, необходимыми для его жизни и роста.
Ствол
У самой земли дерево обычно имеет самый большой диаметр ствола (толщину), постепенно и равномерно уменьшаясь кверху. В живом, растущем дереве, каждый год появляется новый конусообразный слой древесины. Каждый следующий слой выше и большего диаметра.
Крона
Крона дерева состоит из ветвей, несущих на себе листву или хвою. Листья и хвоя поглощают из окружающего воздуха нужные дереву химические вещества. Именно в хвое и в листьях под воздействием солнечных лучей разлагается содержащийся в воздухе углекислый газ на углерод и кислород.
Углерод затем соединяется с веществами, поступающими через корни из почвы и используется для роста и питания дерева. Кислород выделяется в воздух. Излишняя влага, поступающая в дерево из корней, также испаряется через листья и хвою.
Строение ствола дерева
Ствол дерева состоит из:
Ствол дерева состоит из коры, камбия, древесины и сердцевины
Кора дерева
Так как пробковый слой расположен снаружи дерева, то его основная задача — предохранять древесину от высыхания, механических повреждений, морозов, перегрева, резких перепадов температуры и других внешних воздействий.
Также, как и внутренняя часть дерева — древесина, кора ежегодно нарастает в толщину, однако этот прирост очень мал, и к тому же, наружные слои в виде чешуи постепенно отпадают, так как пробка – это мертвые клетки, заполненные воздухом. Поэтому кора никогда не достигает такой толщины, как древесина.
Лубяной слой (луб) коры состоит из незаметных для глаза мелких трубок, по которым вода и питательные органические вещества, выработанные в листьях и хвое, перемещаются вниз по стволу к корням.
Камбий
Между мертвой корой и живой древесиной расположен камбий — очень тонкий сочный слой живых клеток, не видимый невооруженным глазом. Эта живая часть ствола, питаясь нисходящими соками лубяного слоя коры, непосредственно участвует в росте дерева.
Рост дерева в толщину происходит в результате деления клеток камбия. В результате деления клетки камбия, одна из дочерних клеток остается камбиальной, а другая идет или на образование элементов древесины, или на образование коры. Деление клеток камбия в сторону древесины происходит раз в десять чаще, чем в сторону коры, вследствие чего древесина нарастает значительно быстрее коры.
Внутренняя часть клеток камбия (около 90%) образует ксилему — особые проводящие сосуды, по которым минеральные вещества и вода поднимаются от корней дерева, по стволу к его верху. Таким образом, из внутренних клеток камбия формируется заболонь – новый годичный слой древесины.
Поперечный, тангентальный и радиальный разрезы древесины
В годичном слое древесины вначале образуются тонкостенные клетки ранней древесины, которые у хвойных деревьев заметно светлее, чем клетки поздней древесины, у которых стенки толще. Ранняя древесина должна быстро доставлять питательные вещества от корней к листьям; клетки поздней древесины служат, главным образом, для укрепления ствола.
В тропических районах зоны прироста образуются в период смены засухи и дождей. Здесь прирост наблюдается не каждый год. Вечнозеленые тропические деревья, рост которых не прерывается периодом покоя, не образуют годичных колец.
Ширина годичных колец бывает от 1 до 10 мм, и это зависит от возраста дерева, климатических условий, состояния почвы и воздействия вредителей. От этих же условий зависит и доля ранней и поздней древесины в дереве. Как правило, быстрорастущие деревья образуют широкие годичные кольца, а медленно растущие – узкие.
Однако, если рассматривать общий поперечный распил, то видно, что наиболее важную роль в годичном кольце играет поздняя древесина.
Древесина
Для строительства основное промышленное значение имеет древесина, (состоящая из заболони и ядра), которая в растущем дереве занимает большую часть ствола.
Заболонь (или оболонь) – молодая, не омертвевшая еще часть древесины, находящаяся ближе к поверхности дерева. Состоит из живых, физически активных древесных клеток. Служит для проведения воды от корней вверх по стволу в крону и для отложения запасных питательных веществ.
Ядро – наиболее старая по возрасту часть древесины, расположенная ближе к сердцевине, состоящая из омертвелых клеток, не принимающих участия в жизни дерева. Однако, это самая прочная и устойчивая часть древесины, заключающая в себе наибольшее количество смол, камедей и пр. Ядро имеет более темную окраску, а в свежесрубленном дереве и меньшую влажность, чем заболонь.
У всех молодых деревьев, независимо от породы, древесина состоит только из заболони. У некоторых пород деревьев с течением времени отмирающие клетки, отложения смолы и дубильных веществ образуют ядро. Образование ядра начинается у разных пород в разном возрасте. У дуба, например, это происходит довольно рано – в возрасте 8-12 лет, у сосны значительно позднее – на 30-35 год жизни дерева.
Превращение древесины в ядровую начинается тогда, когда в стволе образуется достаточно широкая заболонь, способная подавать влагу от корней в крону. Внутренняя часть ствола освобождается от выполнения этой задачи, живые элементы древесины отмирают, влагопроводящие каналы блокируются, уменьшается содержание влаги в древесине.
В отмерших клетках ядра отлагаются такие субстанции, как красители, смолы, жиры, дубильные и каучукообразные вещества. Древесина пропитывается дубильными и красящими веществами, в результате чего темнеет, становится тяжелее, тверже, способна лучше противостоять вредителям. У нее возрастает стойкость к гниению, несколько увеличивается плотность.
Закупорка водопроводящих путей древесины ядра имеет как положительное значение, так как она становится практически непроницаемой для воды и воздуха, так и отрицательное, так как при пропитке древесины антисептиками, ядро обычно не пропитывается.
Граница между ядром и заболонью обычно не проходит целиком по одному годичному кольцу. По разнице окраски заболони и ядровой древесины и по образованию последней деревья подразделяются на следующие группы:
1. Деревья с ядровой древесиной (дуб, сосна, лиственница). У этих деревьев темное ядро отделено от более светлой заболони цветовой гранью.
Спил сосны
2. Деревья с преобладанием ядровой древесины (ель, красный бук, пихта). У этих деревьев содержание влаги в ядровой древесине ниже, чем в заболонной, но цветом они не отличаются.
Спил ели
Спил берёзы
Сердцевина
Сердцевина – внутренняя, центральная часть ствола, состоящая из рыхлых малопрочных тканей, образованных в первые годы жизни дерева.
Микроструктура древесины
Микроструктуру хвойной древесины лучше всего понять, рассматривая три взаимно перпендикулярных разреза ствола:
Разрезы ствола дерева: 1- поперечный; 2- радиальный; 3- тангентальный
На поперечном (торцевом) разрезе дерева видно, что в центре ствола находится сердцевина. Вокруг сердцевины, занимая практически всю площадь поперечного разреза, располагаются концентрические слои древесины — годичные слоя (кольца прироста). Это название вызвано тем, что толщина ствола ежегодно увеличивается на один слой, нарастающий по окружности ствола, поэтому по количеству годичных слоев, видимых на поперечном разрезе ствола или пня, судят о возрасте дерева.
На каждом из трех разрезов ствола годичные слои выглядят по-разному. На торцевом они образуют более или менее правильные окружности, на радиальном – прямые, слегка волнистые линии, а на тангентальном – кривые конусообразные полосы.
На разрезах можно наблюдать сердцевинные лучи, которые служат для проведения питательных соков, поступающих от листьев или хвои через лубяной слой коры внутрь ствола, а также для хранения питательных веществ.
На каждом из разрезов сердцевинные лучи образуют характерный для каждой породы рисунок.
На поперечном разрезе они видны как узкие полоски (их не следует смешивать с трещинами), направленные от коры к сердцевине. Лучи могут быть длинными, соединяющими сердцевину с корой, и тогда они носят название первичных сердцевинных лучей в отличие от вторичных, которые не доходят до сердцевины. Их размеры неодинаковы у разных пород дерева.
На радиальном разрезе лучи хорошо заметны в виде светлых или широких ленточек, а на тангентальном – наблюдаются в виде темных черточек, имеющих острые концы и направленных вдоль волокон.
Сердцевинные лучи у бука на разрезах: а — поперечном; б — радиальном; в — тангентальном
На наружной окружности древесина ствола замыкается корой и слоем камбия, находящегося между корой и древесиной.
Древесина состоит из клеток, которые образуют проводящие, опорные и запасающие ткани.
Основной объем у хвойных пород (90-95%) занимают ранние и поздние трахеиды. Они представляют собой сильно вытянутые веретенообразные омертвевшие клетки с одревесневшими оболочками и с кососрезанными концами.
Ранние трахеиды образуют раннюю древесину в каждом годовом слое. Клетки ранних трахеид внутри имеют широкую внутреннюю полость, а их тонкие стенки пронизаны множеством окаймленных пор. Благодаря такому строению клеток, ранние трахеиды выполняют проводящие функции — проводят воду и питательные вещества в крону дерева.
Поздние трахеиды входят в состав поздней древесины и являются механическими элементами. В отличие от ранних трахеид, стенки поздних сильно утолщены за счет резкого уменьшения внутренней полости клетки. Это позволяет им образовывать опорные ткани, обеспечивающие прочность ствола.
Из запасающих клеток образуются узкие сердцевинные лучи и смоляные ходы. Древесные клетки хвойных, вследствие содержания в них смолы, называются смоляными клетками. Эти клетки соединены в длинные вертикальные ряды. Смоляных клеток нет только в древесине тиса. У сосны, ели, лиственницы и кедра имеются, кроме того, вертикальные и горизонтальные смоляные ходы.
Схема микроскопического строения древесины сосны: 1 — годичный слой; 2 — сердцевинные лучи; 3 — вертикальный смоляной ход; 4 — ранние трахеиды; 5 — поздние трахеиды; 6 — окаймленная пора; 7 — лучевая трахеида
Схема микроскопического строения древесины дуба: 1 — годичный слой; 2 — сосуды; 3 — крупный сосуд ранней древесины; 4 — мелкий сосуд поздней древесины; 5 — широкий сердцевинный луч; 6 — узкие сердцевинные лучи; 7 — либроформ
На поперечных срезах лиственных пород можно увидеть водопроводящие сосуды. Кольце-сосудистыми называют породы, у которых в ранней древесине расположены мелкие и крупные сосуды по концентрическим окружностям. Их типичным представителем является дуб.
У кольце-сосудистых пород водопроводящие сосуды располагаются по концентрическим окружностям
У рассеянно-сосудистых лиственных пород сосуды равномерно распределены по ширине годичного слоя. Представителем таких пород является грецкий орех.
У рассеянно-сосудистых пород водопроводящие сосуды равномерно распределены по ширине годичного слоя
В хвойных породах, идущих главным образом на строительство, таких как сосна, ель, кедр, идущие вдоль ствола сосуды сплошь заполненные смолой. Это так называемые смоляные ходы. У древесины пихты и тиса смоляных ходов нет.
Особенности строения древесины хвойных и лиственных пород обуславливают их технические (физические и механические) свойства.