Лесоведение, 2021, № 2, стр. 208-216
Комплексная оценка качества древесины сосны в лесных культурах разных условий местопроизрастания
В. И. Мелехов a, *, Н. А. Бабич a, С. А. Корчагов b, **, Р. В. Щекалев c, ***
a САФУ им. М.В. Ломоносова
163002 Архангельск, наб. Северной Двины, 17, Россия
b ВГМХА им. Н.В. Верещагина
160555 Вологда, с. Молочное, ул. Шмидта, 2, Россия
c ФБУ ВНИИЛМ
141202 Пушкино, Московская обл., Институтская ул., 15, Россия
* E-mail: forest@narfu.ru
** E-mail: kors45@ayndex.ru
*** E-mail: schekalevrv@yandex.ru
Поступила в редакцию 04.10.2018
После доработки 15.06.2020
Принята к публикации 07.10.2020
Аннотация
Учитывая современные требования, предъявляемые потребителями к древесному сырью для лесопильного и целлюлозно-бумажного производства, обоснована актуальная номенклатура показателей качества древесины пиловочных бревен и балансов, дана их классификация с учетом степени весомости. Предложены методика комплексной оценки качества древесины в процессе лесовыращивания и критерии оценки качественной продуктивности насаждений на основе комплексного показателя, рассчитаны комплексные показатели качества древесины и определена качественная продуктивность насаждений с учетом типов леса. Классификация показателей качества древесины в рамках обоснованной номенклатуры позволяет объективно судить о степени их значимости (весомости) при качественной оценке хвойных пиловочных бревен и балансов. Расчет комплексного показателя на основе предложенного методического подхода дает возможность оценивать качественную продуктивность насаждений и своевременно принимать управленческие решения по ее повышению. Рассчитаны комплексные показатели качества древесины и определена качественная продуктивность сосны обыкновенной в лесных культурах с учетом типов леса. В посадках сосны кисличного и черничного типов леса южной подзоны тайги формируются насаждения высокой качественной продуктивности по хвойному пиловочному сырью и балансам. В соответствии с этим, в указанных лесорастительных условиях рекомендовано ориентировать процесс целевого выращивания высококачественной древесины на эти виды сортиментов. В условиях брусничного типа леса насаждения соответствуют высокому уровню качества по балансам и среднему уровню по пиловочным бревнам, в лишайниковом типе леса – среднему и низкому уровню качества соответственно. Условия брусничного и лишайникового типов рекомендованы для целевого выращивания балансовой древесины сосны высокого качества (Корчагов, 2010). В посевах черничного и брусничного типов леса северной подзоны тайги насаждения сосны соответствуют высокому уровню качества по балансам, среднему уровню – по пиловочным бревнам. В таких лесорастительных условиях процесс лесовыращивания целесообразно ориентировать на получение высококачественных балансов, не исключая целевое выращивание пиловочника. В силу предельно низкого значения комплексного показателя по пиловочнику в лишайниковом типе леса рекомендуется использовать такие лесорастительные условия для целевого выращивания балансов.
В структуре экономики северо-запада России производство лесоматериалов занимает ведущее место по объемам внутреннего валового продукта и экспорта. Основной составляющей их конкурентоспособности является высокое качество. Отсутствие стабильного качества лесоматериалов, отвечающего требованиям потребителей, не позволяет рационально интегрировать национальную экономику в мировое пространство и занять в нем достойное место. В связи с этим внедрение современной концепции управления качеством древесного сырья носит приоритетный характер.
В настоящее время в России отсутствует научно-обоснованная система управления качеством и контроля качества древесного сырья в процессе его воспроизводства. Качество древесины оценивается преимущественно на этапе лесосечных работ и первичной переработки, где лесоматериалы классифицируются по внешним признакам в соответствии с нормами, регламентированными стандартами. Определение качества выращиваемой древесины ассоциируется с изучением товарной структуры древостоев. Такой подход основан на разделении запаса по назначению, категориям крупности и сортам, преимущественно с использованием товарно-сортиментных таблиц, что не позволяет в полной мере оценивать качественное состояние формирующейся древесины. Возникла необходимость разработки системы формирования и оценки качества древесного сырья в процессе лесовыращивания. Без этого в строгом смысле нельзя говорить о целевом лесовыращивании (Корчагов, 2010). В этом случае правомерно применение понятия “качественной продуктивности” деревьев и древостоев в целом (Чибисов, 1992).
Цель работы заключалась в разработке и апробации методики комплексной оценки качества древесины сосны в процессе ее выращивания. Сложившаяся мировая тенденция в лесной промышленности в 80-х годах была ориентирована на производство пиловочных бревен (пиловочник) и балансов. В настоящее время эти виды сортиментов продолжают занимать ведущее место на рынке лесоматериалов, что предопределило их приоритетное рассмотрение при планировании эксперимента и выполнении исследований.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Проведенный нами анализ современных требований, основанный на изучении специальной справочно-нормативной литературы, а также материалах анкетного опроса 45 экспертов соответствующей квалификации из числа представителей лесоперерабатывающих предприятий и научного сообщества, позволил определить актуальную номенклатуру и степень весомости (значимости) показателей качества хвойного пиловочника и балансов (табл. 1).
Таблица 1.
Показатель качества | Коэффициенты весомости, аi, | |
---|---|---|
пиловочник | балансы | |
Размеры древесного сырья | 0.083 | 0.051 |
Толщина сучков | 0.055 | 0.069 |
Число сучков на 1 пог. м. ствола | 0.044 | 0.070 |
Протяженность бессучковой зоны | 0.038 | 0.085 |
Плотность древесины | 0.047 | 0.125 |
Обугленность | – | 0.165 |
Гнили | 0.097 | 0.180 |
Кривизна | 0.087 | 0.107 |
Рак | 0.086 | 0.148 |
Трещины | 0.075 | – |
Сбежистость | 0.052 | – |
Закомелистость | 0.052 | – |
Прорость | 0.065 | – |
Червоточина | 0.085 | – |
Сухобокость | 0.074 | – |
Механические повреждения | 0.060 | – |
Определение степени весомости базировалось на использовании метода рангов. На основании результатов ранжирования k-м экспертом рассчитывались коэффициенты весомости а каждого i-го показателя качества по формуле:
где:Mik – номер i-й весомости показателя качества, определенный k-экспертом;
n – число учитываемых показателей качества.
Расчет параметров весомости показателей качества по данным всех участвующих в работе экспертов (N, чел.) производился как:
Оценка согласованности мнений экспертов по степени весомости показателей произведена на основании расчета коэффициента конкордации (согласия):
где:С – сумма квадратов отклонений сумм рангов по каждому объекту от средней суммы рангов по всем объектам и экспертам;
K – количество привлеченных экспертов;
Н – количество ранжируемых показателей.
Рассчитанные коэффициенты конкордации составили 0.795 – по балансам и 0.623 – по пиловочнику, что позволяет считать данные согласованными (ω ≥ 0.5) по существующей классификации (Мишин, 2007). Критерий Пирсона $\left( {\chi _{{{\text{расч}}}}^{2}} \right),$ оценивающий надежность коэффициента конкордации, составил соответственно 57.2 и 63.4, что превышает табличные значения ($\chi _{{{\text{табл}}}}^{2}$ составляют 17.0 и 30.5) и позволяет окончательно признать мнения экспертов согласованными с вероятностью 0.995.
Результаты экспертного ранжирования указывают на различия в степени весомости показателей качества древесины, что послужило основанием для их классификации (рис. 1). К числу основных (критических) отнесены показатели, наличие которых или их отклонение от стандартизированных норм исключает возможность использования древесного сырья в качестве пиловочника и балансов. В группу дополнительных показателей включены характеристики древесины, роль которых при оценке качества менее значительна.
Полученные результаты показывают, что наиболее весомым показателем качества пиловочника и балансов следует считать наличие гнили. Важную составляющую качества пиловочника также будет иметь кривизна стволов, для балансов – обугленность.
Необходимо отметить существенную значимость плотности древесины для балансов, что подчеркивает необходимость ее учета при качественной оценке и позволяет отнести к числу основных показателей. Этот факт убедительно характеризуют выполненные расчеты. Так, например, при прочих равных условиях для производства 1 тонны сульфатной целлюлозы из древесины сосны с базисной плотностью 400 кг/м3 требуется 5.2 м3 сырья, в то время как при плотности древесины 350 кг/м3 потребность достигает 6.0 м3.
Как показывает наш опыт (Мелехов и др., 2003, 2005), определение отдельно взятых показателей качества не всегда позволяет объективно судить о качественном состоянии древесины в целом. Наиболее эффективным является метод комплексной оценки, применение которого дает возможность оценить качество древесины одним показателем с учетом представленных номенклатурных характеристик и их весомости.
Квалиметрия рассматривает комплексную оценку как метод определения уровня качества продукции или услуг, раскрывает методологические подходы к ее проведению. Применительно к древесному сырью метод комплексной оценки качества ранее был использован О.И. Полубояриновым (1976). Автором предложено производить комплексную оценку качества пиловочника и балансов по пяти показателям: средний диаметр древостоя, средняя протяженность бессучковой зоны, процент выхода здоровой (без гнили) древесины, процент прямоствольных деревьев, плотность древесины. Такой подход, несомненно, заслуживает внимания, полученные автором выводы учтены нами при планировании и проведении эксперимента.
Комплексный показатель качества рассчитывался как средневзвешенный геометрический:
Ki – величина i-того показателя;
Kбаз – величина базового показателя качества (в качестве базовых приняты оптимальные значения показателей из полученных в опытах);
аi – коэффициент i-го показателя качества.
Отношение величины i-того (Ki) и базового показателя (Kбаз) представляет собой относительный показатель качества (Kотн):
Сигнум-функция от ΔKi принималась:
sign ΔKi = +1 при ΔKi = Ki лучшее– Ki худшее > 0 (для позитивных показателей);
sign ΔKi = –1 при ΔKi = Ki лучшее– Ki худшее < 0 (для негативных показателей).
На основании анализа полученных в ходе исследований значений комплексных показателей качества нами предложены следующие критерии оценки качественной продуктивности насаждений (табл. 2).
Таблица 2.
Качественная продуктивность насаждения | Комплексный показатель качества, Kq. |
---|---|
Высокая | 0.951–1.000 |
Средняя | 0.851–0.950 |
Низкая | 0.750–0.850 |
Апробация предложенной методики выполнена нами на примере древесины сосны, выращиваемой в лесных культурах в различных подзонах тайги (Шенников, 1933) и типах леса (Сукачев, 1934). Исследования проведены в средневозрастных посадках (южная подзона тайги, Вологодская область) и посевах (северная подзона тайги, Архангельская область) сосны обыкновенной.
Процедура комплексной оценки выращиваемого древесного сырья включала определение основных и дополнительных показателей качества и предусматривала последовательно выполняемые операции по закладке и таксации пробных площадей, исследованию фенотипических показателей качества древесных стволов, отбору опытного материала и проведению лабораторных испытаний древесины. Выполнение этих операций неразрывно связано с соблюдением положений стандартов (рис. 2).
При закладке, таксации пробных площадей и расчетах таксационных показателей древостоев, наряду с требованиями стандартов, руководствовались методическими положениями, изложенными Н.П. Анучиным (1982) и др. авторами, нормативно-справочными материалами (Полевой справочник …, 1971; Лесотаксационный справочник …, 1986) и др.
Методологической основой при отборе модельных деревьев, кряжей, изготовлении образцов (отборе кернов) и проведении испытаний древесины служили труды О.И. Полубояринова (1976), Б.Н. Уголева (2007), В.Н. Волынского (2000) и др. Образцы отбирались с привязкой к высоте ствола 1.3 м, с обязательным учетом сторон света и этапов формирования древесины.
В основу обработки экспериментальных данных положены статистические методы, изложенные в трудах М.Л. Дворецкого (1971), И.И. Гусева (2002) и др.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На основании определения качественно-размерных характеристик древесных стволов для культур сосны составлены товарно-сортиментные таблицы на лесотипологической основе. Результаты исследований свидетельствуют об увеличении выхода деловой древесины при улучшении условий местопроизрастаний (табл. 3).
Таблица 3.
Тип леса | Деловая древесина | Класс товарности древостоя |
|||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
крупная | средняя | мелкая | пиловочник | балансы | итого | ||
Сосняк кисличный |
$\frac{ - }{1}$ | $\frac{ - }{{65}}$ | $\frac{ - }{{23}}$ | $\frac{ - }{{67}}$ | $\frac{ - }{{22}}$ | $\frac{ - }{{89}}$ | I |
Сосняк черничный |
$\frac{ - }{4}$ | $\frac{{47}}{{65}}$ | $\frac{{40}}{{17}}$ | $\frac{{45}}{{68}}$ | $\frac{{42}}{{18}}$ | $\frac{{87}}{{86}}$ | I |
Сосняк брусничный |
$\frac{ - }{ - }$ | $\frac{{20}}{{20}}$ | $\frac{{65}}{{61}}$ | $\frac{{19}}{{18}}$ | $\frac{{66}}{{63}}$ | $\frac{{85}}{{81}}$ | I |
Сосняк лишайниковый |
$\frac{ - }{ - }$ | $\frac{5}{{16}}$ | $\frac{{74}}{{58}}$ | $\frac{1}{{12}}$ | $\frac{{78}}{{62}}$ | $\frac{{79}}{{74}}$ | II |
Сосняки зеленомошной группы типов леса (сосняк кисличный, черничный, брусничный) характеризуются I, сосняки лишайниковые – II классом товарности. Зависимость между выходом деловой древесины и диаметром ствола на высоте 1.3 м аппроксимируется уравнением показательной кривой при высокой степени корреляции (η = 0.910–0.990).
Доля пиловочника в посадках кисличного и черничного типов леса достигает 67–68%, снижаясь в сосняках брусничных и лишайниковых до 18 и 12%, соответственно. Уменьшение выхода пиловочника при ухудшении условий местопроизрастания также отмечено в посевах сосны. Этот факт свидетельствует о целесообразности ориентации целевого выращивания в кислично-черничных типах леса на пиловочное сырье.
Основным сортообразующим пороком древесины на данной стадии онтоценогенеза древостоя являются здоровые сучки. Для культур всех типов леса отмечается положительная связь среднего диаметра сучков с таксационным диаметром ствола (r = 0.572–0.690) и его высотой (η = 0.930–0.990). Наличием относительно крупных стволов с толстыми сучками объясняется преимущество по среднему диаметру у основания сучков в высокопродуктивных типах леса (табл. 4).
Таблица 4.
Тип леса | Диаметр у основания сучков, см |
Число сучков на 1 п./м, шт. |
Протяженность бессучковой зоны, м |
Плотность при влажности 12%, г/см3 | |
---|---|---|---|---|---|
средний | максимальный | ||||
Сосняк кисличный |
$\frac{ - }{{2.1 \pm 0.03}}$ | $\frac{ - }{{5.3}}$ | $\frac{ - }{{0.80 \pm 0.15}}$ | $\frac{ - }{{0.80 \pm 0.15}}$ | $\frac{ - }{{0.445 \pm 0.069}}$ |
Сосняк черничный |
$\frac{{1.2 \pm 0.03}}{{2.2. \pm 0.04}}$ | $\frac{{3.8}}{{4.4}}$ | $\frac{{0.77 \pm 0.06}}{{0.87 \pm 0.10}}$ | $\frac{{0.77 \pm 0.06}}{{0.87 \pm 0.10}}$ | $\frac{{0.510 \pm 0.010}}{{0.483 \pm 0.008}}$ |
Сосняк брусничный |
$\frac{{0.8 \pm 0.02}}{{2.0 \pm 0.03}}$ | $\frac{{3.6}}{{4.4}}$ | $\frac{{1.06 \pm 0.12}}{{0.66 \pm 0.06}}$ | $\frac{{1.06 \pm 0.12}}{{0.66 \pm 0.06}}$ | $\frac{{0.491 \pm 0.020}}{{0.445 \pm 0.007}}$ |
Сосняк лишайниковый |
$\frac{{0.7 \pm 0.02}}{{1.8 \pm 0.03}}$ | $\frac{{3.8}}{{4.4}}$ | $\frac{{0.53 \pm 0.03}}{{0.50 \pm 0.02}}$ | $\frac{{0.53 \pm 0.03}}{{0.50 \pm 0.02}}$ | $\frac{{0.498 \pm 0.020}}{{0.444 \pm 0.050}}$ |
С учетом допусков по максимальным значениям диаметров здоровых сучков для лесоматериалов различной крупности (по ГОСТ 9463-88) в культурах сосны сформировались сортименты I и II сорта. Для культур сосны всех типов леса выявлена тесная прямая связь между максимальным диаметром сучков и таксационным диаметром ствола (r = 0.811–0.965).
Отмечается формирование большего числа сучков на 1 пог. м. ствола в сосняках лишайниковых в сравнении с сосняками зеленомошной группы, как в посевах, так и в посадках. Связь таксационного диаметра ствола и средней численности сучков на 1 пог. м. в рассмотренных типах леса слабая (η < 0.5), но, тем не менее, отражает обратную зависимость между показателями. Зависимость между численностью сучков и высотой ствола аппроксимируется уравнением параболы третьего порядка при высокой корреляции (η = 0.900–0.990).
Выявлено достоверное преимущество по средней протяженности бессучковой зоны стволов сосны всех типов леса зеленомошной группы над сосняками лишайниковыми в посадках (tфакт ≥ 2.1 при t0.05 = 2.0) и посевах (tфакт ≥ 3.4 при t0.01 = 2.7). Таксационный диаметр ствола не оказывает существенного влияния на протяженность бессучковой зоны, для культивируемой сосны характерна слабая связь между показателями (η = 0.10–0.40).
Закомелистость стволов сосны в рассмотренных типах леса составляет в среднем 1.2–1.3. Различия между средними значениями показателя по типам леса не являются достоверными (tфакт ≤ 1.1 при t0.05 = 2.0), однако наметилось некоторое его увеличение при ухудшении условий местопроизрастания. Связь между таксационным диаметром ствола и величиной закомелистости в культурах слабая (η составляет от 0.013 до 0.08).
Для стволов сосны в посадках зеленомошной группы типов леса характерен меньший средний сбег деловой части (0.70–0.76 см/м), чем в сосняках лишайниковых (1.03 см/м), что подтверждается статистически (tфакт ≥ 2.3 при t0.05 = 2.0). В посевах сосны различия между выборочными средними доказаны для брусничного и черничного типов леса (tфакт= 2.3 при t0.05 = 2.0) при абсолютном преимуществе в последнем случае (0.74 против 0.65 см/м).
Других пороков, снижающих качество пиловочника и балансов (гниль, кривизна, рак, червоточина, трещины, сухобокость, прорость, механические повреждения) на данной стадии развития древостоев, не обнаружено.
Значения плотности древесины сосны (табл. 4) указывают на некоторое преимущество показателя в черничном типе леса. Однако, достоверность различий между выборочными средними по типам леса не подтверждается статистически (tфакт = = 0.01–0.9 при t0.05 = 2.0), за исключением сосны в посадках черничного и брусничного типов леса (tфакт= 3.5 при t0.01 = 2.7).
Расчет комплексных показателей качества пиловочника и балансов, произведенный по методике, изложенной выше, позволяет заключить об их преимуществе в посадках сосны кисличного и черничного типов леса (Kq = 0.970–0.991), произрастающих в условиях южной подзоны тайги. В соответствии с предложенной классификацией насаждения характеризуются высокой качественной продуктивностью (табл. 5).
Таблица 5.
Тип леса | Комплексный показатель качества древесины, Kq. | |||
---|---|---|---|---|
посевы (северная подзона тайги) | посадки (южная подзона тайги) | |||
пиловочник | балансы | пиловочник | балансы | |
Сосняк кисличный | – | – | 0.980 | 0.970 |
Сосняк черничный | 0.941 | 0.969 | 0.988 | 0.991 |
Сосняк брусничный | 0.924 | 0.987 | 0.873 | 0.956 |
Сосняк лишайниковый | 0.693 | 0.904 | 0.809 | 0.907 |
Высокие значения и относительное равенство комплексных показателей по пиловочнику и балансам позволяют ориентировать процесс целевого выращивания высококачественной древесины в указанных лесорастительных условиях на эти виды сортиментов. В брусничном типе леса насаждения соответствуют высокому уровню качества по балансам и среднему уровню по пиловочнику, в лишайниковом типе леса – среднему и низкому уровню качества соответственно. В связи с этим условия брусничного и лишайникового типов следует рекомендовать для целевого выращивания балансовой древесины сосны высокого качества.
В посевах черничного и брусничного типов леса северной подзоны тайги насаждения соответствуют высокому уровню качества по балансам, среднему уровню – по пиловочнику. Целесообразно ориентировать процесс выращивания в таких лесорастительных условиях на получение высококачественных балансов, не исключая целевое выращивание пиловочника. В силу предельно низкого значения комплексного показателя по пиловочнику в лишайниковом типе леса (Kq = 0.693) рекомендуется использовать такие лесорастительные условия для целевого выращивания балансов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение качества древесины является приоритетной задачей процесса воспроизводства древесных ресурсов. Ее научно-обоснованное и своевременное решение обеспечит конкурентоспособность отечественных лесоматериалов и позволит рационально интегрировать лесной сектор национальный экономики в мировое экономическое пространство.
Полученные в ходе исследования результаты, выводы и рекомендации, могут быть положены в основу разработки программ целевого выращивания насаждений высокой качественной продуктивности в условиях таежной зоны Европейской части России.
Список литературы
Анучин Н.П. Лесная таксация: Учеб. для вузов. М.: Лесн. пром-сть, 1982. 552 с.
Волынский В.Н. Взаимосвязь и изменчивость физико-механических свойств древесины. Архангельск: Изд-во Арангельского гос. тех университета, 2000. 196 с.
ГОСТ 9463-88 Лесоматериалы круглые хвойных пород. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1988. 13 с.
Гусев И.И. Моделирование экосистем: Учебное пособие. Архангельск: Изд-во Арангельского гос. тех университета, 2002. 112 с.
Дворецкий М.Л. Практическое пособие по вариационной статистике. М.: Лесн. пром-сть, 1971. 102 с.
Корчагов С.А. Повышение качественной продуктивности насаждений на лесоводственной основе. Автореф. дис. д-ра. с.-х. наук. (спец. 06.03.01, 06.03.02). Архангельск: Изд-во Арангельского гос. тех университета, 2010. 42 с.
Лесотаксационный справочник для северо-востока европейской части СССР: нормативные материалы для Архангельской, Вологодской областей и Коми АССР. Архангельск: Правда Севера, 1986. 358 с.
Мелехов В.И., Бабич Н.А., Корчагов С.А. Качество древесины сосны в культурах. Архангельск: Изд-во Арангельского гос. тех университета, 2003. 110 с.
Мелехов В.И. Бабич Н.А., Корчагов С.А. Качественные характеристики древесины сосны в культурах. Архангельск: Изд-во Арангельского гос. тех университета, 2005. 142 с.
Мишин В.М. Управление качеством. М.: Изд-во: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. 463 с.
Полевой справочник таксатора. Сев-Зап. кн. изд-во (Вологодское отд.), 1971. 196 с.
Полубояринов О.И. Квалиметрия древесного сырья в процессе лесовыращивания. Автореф. дис. д-ра. с.-х. наук. (спец. 06.03.03). Л.: Изд-во. Ленинградской лесотех. академии, 1976. 40 с.
Чибисов Г.А. Рубки ухода за лесом на Европейском Севере, лесоводственно-биологические свойства и зонально-типологические программы. Автореф. дис. д-ра. с.-х. наук. (спец. 06.03.03). СПб.: РИО СевНИИ лесного хозяйства, 1992. 41 с.
Сукачев В.Н. Что такое фитоценоз? Советская ботаника. 1934. № 5. С. 4–18.
Уголев Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение. М.: Московский гос. университет леса, 2007. 351 с.
Шенников А.П. Геоботанические районы Северного края и их значение в развитии производительных сил // Мат. II конф. по изучению производительных сил Северного края. Архангельск: Северное краев. изд-во, 1933. Т. 2. С. 10–96.
Дополнительные материалы отсутствуют.