Some aspects of mechanical stability of centuries-old Pinus pinea L. trees growing in the Crimea

Full Text

Введение

Вопросы оценки степени аварийности деревьев в городской среде являются актуальными на сегодняшний день по всему миру [1–7]. Для территории России это связано, в первую очередь, с участившимися падениями, как целых деревьев, так и их массивных скелетных ветвей после действия природно-климатических факторов – динамических нагрузок в виде сильных порывов ветра вплоть до ураганов, снежных и ледяных бурь. Большинство таких растений, как правило, имеют скрытую стволовую гниль [1; 2]. Однако также часто наблюдаются и необратимые деформации стволов и скелетных ветвей, даже их обломы, без поражения тканей гнилью, т.е. со здоровой древесиной [7; 8]. Связаны такие необратимые последствия для растения с изменением модели роста в условиях антропогенных нагрузок, по сравнению с естественной средой обитания, а также физико-механических свойств тканей (имеющими видовую специфичность на действие природно-климатических факторов), которые в итоге отражаются на общей механической устойчивости живых организмов. В связи с тем, что падение дерева носит вероятностный характер, диагностика его состояния, а также выносимое экспертное решение является сложным процессом [1], требующим применение большого количества современных методов, как инструментальных (например, Arbotom, Resistograph [9]) так и методов математического моделирования (оценка фитомассы различных фракций дерева, параметров механической устойчивости ствола и скелетных ветвей и т.д.).

Цель работы: провести анализ механической устойчивости и аварийности векового дерева Pinus pinea L., произрастающего в условиях Республики Крым.

Материалы и методы

Объект исследования. Сосна итальянская – дерево среднего размера с зонтикообразной, большой и плоской кроной, распространенное по всему Средиземноморскому бассейну, главным образом в прибрежных районах, и особенно распространенное в Юго-Западной Европе (рис. 1, 2 по [10; 11]).

 

Рисунок 1 – Частота встречаемости Pinus pinea L. в Европе согласно EUFORGEN (2008) (по: [10])

 

Рисунок 2 – Сформированные деревья сосны итальянской в Европе [11]

 

Вид обитает в широком диапазоне климатических и почвенных условий, хотя и демонстрирует низкую генетическую изменчивость [11]. Сосна итальянская хорошо переносит сухую погоду, высокую температуру и затенение, особенно на ранних стадиях своего роста.

Территория исследований. Объект исследований произрастает на рекреационно нагруженной территории (рис. 3) дома-музея А.П. Чехова в городе Ялта (Республика Крым, ул. Кирова, д. 112. Рядом расположен пансионат Ялта – круглый год.

 

Рисунок 3 – Территория проведения исследований. Примечание: точкой отмечен исследуемый объект

 

Методика проведения исследований. Общую аварийность дерева оценивали с использованием многофакторного анализа [12], включающего как классический визуальный осмотр (оценка: общей жизнеспособности, повреждений ствола, кроны, измерение углов наклона ствола и скелетных ветвей и т.д.), оценку фитомассы, так и биомеханические исследования на устойчивость к действию динамических и статических нагрузок.

Оценку жизнеспособности проводили согласно интегральной шкале В.А. Алексеева [13], где 1 балл – здоровое дерево без повреждений кроны и ствола; 2 балла – ослабленное дерево, наблюдалось изреживание скелетной части кроны, её густоты, а также наличие 30% мертвых или усыхающих ветвей в верхней половине кроны (контроль – нет; эксперимент 59% (10 деревьев)); 3 балла – сильно ослабленное дерево, наблюдали изреживание скелетной части кроны, наличие 60% мертвых и (или) усыхающих ветвей в верхней половине кроны, отмирание верхушки кроны (не наблюдался на исследованных территориях); 4 балла – отмирающее дерево, крона разрушена, её густота – не менее 15–20% по сравнению со здоровой, 70% ветвей, в том числе в верхней половине, сухие или бледно-зеленого, желтоватого, оранжево-красного цвета, в комлевой и средней части ствола возможны признаки заселения стволовыми вредителями (не наблюдался на исследованных территориях); 5 баллов – сухостой (не наблюдался на исследованных территориях).

Результаты визуального осмотра исследуемых древесных растений фиксировались с помощью фотоаппарата, дальнейшую обработку и анализ изображений проводили в программе AxioVision Rel. 4.8 с учетом эталонной мерки. В программе AxioVision Rel. 4.8. углы измерялись с точностью до 1°. Диаметр ствола измеряли мерной вилкой.

Оценку фитомассы различных фракций деревьев дуба черешчатого и моделирования их динамики проводили по Ю.П. Демакову с соавт. [14].

Надземную фитомассу (M_общ., кг) дерева с листвой рассчитывали согласно формуле:

$M_{общ.} = a \times {10}^{-2} \times h^b \times {(d + 1)}^2$,

где, a, b – параметры из уравнения (константы); h – высота дерева, м; d – диаметр ствола на высоте 1,3 м, см.

Расчет параметров механической устойчивости (EI, P_cr и m_cr) проводили по следующим формулам.

Сопротивление древесного ствола растения или его скелетных ветвей изгибу, при действии динамических или статических нагрузок [15]:

Сопротивление изгибу = EI,

где E – модуль упругости тканей живой древесины, Н × м²; I – второй момент сечения, который равен πr⁴/4; r – радиус ствола, м.

m_cr – критическая масса и P_cr – предельно допустимая нагрузка – параметры, которые отражают конкретные значения массы (кг или Н), при действии которой ствол древесного растения или его скелетные ветви начинают деформироваться или обламываться при действии ветровых или гравитационных нагрузках [16]:

$P_{cr} = \frac{\pi ² EI }{2l²}$,

$m_{cr} = \frac{P_{cr}}{g}$,

где EI – сопротивление изгибу; l – длина, м; g – ускорение силы тяжести, м/с².

Результаты и обсуждения

На первом этапе исследований оценили жизнеспособность сосны итальянской. Дерево здоровое без повреждений кроны и ствола, а также признаков ослабления оценили (1 балл). Наличие стволовой гнили не зафиксировано. Архитектоника кроны имеет особенности: наблюдается асимметрия по расположению массивных скелетных ветвей относительно оси (ствола), что станет предметом отдельных исследований приведенных ниже. Ствол имеет небольшой наклон в сторону здания, вследствие неравномерного распределения фитомассы кроны.

При расчёте надземной фитомассы исследуемого дерева по методике Ю.П. Демаков с соавт. [14] определили, что его вес составляет 5505,6 кг (рис. 4).

 

Рисунок 4 – Диаметр ствола сосны итальянской у основания составляет 97,4 см, возраст 120 лет

 

Вес основных скелетных ветвей с хвоей, в сторону объекта рекреационной нагрузки – пансионата Ялта, составляет: скелетная ветвь № 1 – 1392,5 кг и скелетная ветвь № 2 – 737,2 кг, что соответствует 39% общей надземной массы всего дерева.

Размеры этих скелетных ветвей представляют собой отдельные самостоятельные деревья с параметрами d = 55,38 см, H = 18 м (рис. 5) и d = 42,6 см, H = 17 м.

 

Рисунок 5 – Скелетная ветвь № 1, d = 55,38 см, H = 18, угол наклона 55,4°

 

Такой вес является дополнительной статической нагрузкой на ствол и при действии динамического фактора, который дополнительно снижает критическую нагрузку на ~20% [17], повышает аварийность такого дерева. Большой угол наклона с учетом длины ветви, также увеличивает степень аварийности. В итоге наблюдается смещение центра масс и наклон всего организма с высокой вероятностью вывала дерева с плитой (уже имеется поднятие покрытия на 30–35 см, рис. 6).

 

Рисунок 6 – Нарушение покрытия возле места произрастания Pinus pinea L. из-за начала процесса вывала дерева с плитой

 

Результаты биомеханических исследований показали, что при снятии асимметричности и снижении центра масс, критическая масса дерева (m_cr = 1,9 × 10⁵ кг) и жесткость на изгиб ствола (EI = 1,8 × 10⁸ × Н × м²) имеют высокие показатели в условиях региона, и растение вполне способно выдерживать в дальнейшем нагрузки, даже с учетом уже начавшихся повреждений. Без проведения обрезки растение оценено как аварийное.

Заключение

В данной ситуации существует несколько вариантов решения проблемы для снижения аварийности дерева:

1. Произвести обрезку основных ветвей и снизить статическую нагрузку на ствол с учётом центра масс, а также динамическую нагрузку (более опасную) при порывах ветра, по схеме которая практикуется дендрологами на родине данного вида растения (рис. 2) согласно Abad Viñas с соавторами (2016).
2. В случае невозможности проведения необходимой обрезки – следует произвести работы по крепежу скелетных массивных ветвей на подпорки/металлоконструкции в первую очередь со стороны пансионата Ялта.

About the authors

Vladimir O. Kornienko

Donetsk State University

Author for correspondence.
Email: kornienkovo@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Biophysics Department

Russian Federation, Donetsk

Nicolay I. Klimenko

Crimean Literary and Art Memorial Museum Reserve

Email: klymenko.gnbs@mail.ru

candidate of agricultural sciences, agronomist of Equipment and Technical Support Department

Russian Federation, Yalta, Republic of Crimea

Sergey I. Pavlov

Samara State University of Social Sciences and Education

Email: pavlov@sgspu.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Biology, Ecology and Methods of Teaching Department

Russian Federation, Samara

References

Supplementary files