V článku sú opísané výsledky skúšok ohybovej pevnosti a zisťovanie podielu letného dreva ročných kruhov pre rôzne stupne poškodenia imisného smreka. Vzorkový materiál pochádzal z imisnej oblasti severného Slovenska. Výsledky naznačujú, že hodnoty ohybovej pevnosti výrazne ovplyvňuje podiel letného dreva a hlavne hustota letného dreva.

Vplyv znečistenia ovzdušia na kvalitu a vlastnosti dreva z imisných oblastí sa za posledných 20 rokov stal aktuálnou témou prác v krajinách západnej Európy, hlavne v Nemecku [3, 4, 8, 10].

Výskum zahŕňal vplyv imisií na anatomické, chemické a tiež mechanické vlastnosti dreva, ale často boli dosahované protirečivé výsledky, a aj preto otázka ako vplýva znečistenie ovzdušia na mechanické vlastnosti nebola jednoznačne zodpovedaná. Rôzne práce, ktoré sa zaoberali pôsobením imisií a hlavne SO₂ na drevo neodhalili podstatný vplyv na pevnostné charakteristiky [1, 5, 8], hoci na tých istých telesách boli pozorované zmeny v štruktúre a v chemickom zložení dreva [6]. Možné vysvetlenie môže byť také, že v uvedených prácach sa zväčša robil výskum na väčších telesách s väčším počtom ročných kruhov, čo nedostatočne odráža vplyv pôsobenia imisií v jednotlivých rokoch pôsobenia. Preto použitie malých telies a výskum lokálneho pozorovania morfológie zlomu by mohlo priblížiť vplyv environmentálnych faktorov zreteľnejšie. Dokazujú to aj najnovšie štúdie [15], kde zisťovali vplyv pôsobenia SO₂na smrekové drevo a určovali korelácie medzi anatomickými, chemickými a pevnostnými parametrami v jednotlivých ročných kruhoch- Podobne aj v práci [11] bola skúmaná lomová húževnatosť smrekového dreva v jednotlivých ročných kruhoch a potom následne korelovaná so šírkou a hustotou ročných kruhov.

Cieľom našej práce bolo zistiť priebeh ohybovej pevnosti a podiel letného dreva smreka pochádzajúceho z imisnej oblasti pre jednotlivé stupne poškodenia.

MATERIÁL A METÓDA SKÚŠOK

Výber vzorkového materiálu

V novembri 1997 boli vyťažené vzorníky smreka (Picea abies [L-] Karst.), odobraté z lesných porastov nachádzajúcich sa v severnej časti Slovenska - Horná Orava v zóne ohrozenia A (z hľadiska imisií najohrozenejšie porasty). Toto územie je v dôsledku prevládajúceho severozápadného prúdenia vzduchu znečistené imisiami vo forme SO₂ a oxidov dusíka hlavne diaľkovým prenosom z Poľska.

Sú to v priemere 90-ročné porasty stredne až silne ohrozené imisiami, nachádzajúce sa na SZ, resp. Z expozícii, so sklonom svahu 30 %, zastúpením smreka nad 75 % a zakmenením 0,8. Celé územie leží vo flyšovej oblasti, najrozšírenejším pôdnym typom je hnedá lesná pôda (77 % plochy) a podzol ( 15 %).

V týchto porastoch sa pre rovnaké podmienky rastového prostredia vyhľadali a odobrali pre každý stupeň poškodenia na základe zatriedenia stromov do jednotlivých stupňov tri vzorníky, z hľadiska biosociologického postavenia v poraste hodnotené ako stromy úrovňové s dobre vyvinutou korunou a tri taktiež úrovňové stromy, ale vizuálne oklasifikované ako zdravé. Spolu bolo teda odobratých 15 kusov vzorníkov, ked' pre zatriedenie do zaužívaných stupňov poškodenia boli použité v zmysle metodiky ICP Forests Programm tieto kritériá [2]:

0 - zdravý strom, koruna nepresvetlená, prípustná strata ihličia do 10 %, farba ihličia tmavozelená,

1 - slabé poškodenie, strata ihličia 11 až 25 %, prítomnosť 7 a viac ročníkov ihličia, zmena farby na matnú sivú zeleň,

2 - stredné poškodenie, strata ihličia 26 až 60 %, znížený počet ročníkov ihličia na 3 až 5, zmena farby na hrdzavozelenú až hrdzavožltú, dĺžka ihlíc a výhonkov skrátená,

3 - silné poškodenie, strata ihličia 61 až 90 %, prítomné iba 1 - 2 ročnt1cy ihličia, výskyt malých vetiev, zmena farby na žltohnedú až hnedú, ihličie a výhonky výrazne skrátené,

4 - odumierajúci až odumretý strom, strata ihličia 91 až 100 %, prítomné zvyšky ihličia a suché vetvy, strom spravidla napadnutý sekundárnymi škodcami.

Z odobratých vzorníkov sme vymanipulovali 30 cm vysoké kotúče z prsnej výšky, ktoré sa rozpílili na stredové prizmy a potom umiestnili do klimatizačnej miestnosti s relatívnou vlhkosťou vzduchu v= 65 +- 5 % a teplotu t = 20 +-2 °C, za účelom dosiahnutia konečnej rovnovážnej vlhkosti dreva w = 12 %.

Meranie ohybovej pevnosti

Pri zisťovaní ohybovej pevnosti sme sa snažili vymanipulovať skúšobné telesá, ktoré by obsahovali jednotlivé ročné kruhy. Avšak nie vždy to bolo možné, pretože príprava skúšobných telies z jedného ročného kruhu by bola náročná na zhotovenie a aj na skúšobné zariadenie, pretože niektoré ročné kruhy nepresahovali 1 mm. Preto niektoré telesá obsahovali viac ročných kruhov, ich priečny rozmer bol 3,5 x 3,5 mm.

Telesá sme vyberali iba od roku 1970 smerom ku obvodu kmeňa, pretože tento rok na základe rozboru imisnej situácie bol stanovený ako hranica, od ktorej možno očakávať vplyv zmenených ekologických podmienok na rastové procesy lesa [13].

Obr. 1. Príprava telies na skúšku ohybovej pevnosti

Pri vymanipulovaní skúšobných telies z prizmy sme postupovali striedavo, aby sa zachytili všetky ročné kruhy v meranej časti (obr. 1 ). Týmto spôsobom sme pripravili po

5 telies pre jednotlivý ročný kruh. Telesá sme vyberali z oboch protiľahlých polôh v kmeni a potom sme určili priemernú hodnotu pre kmeň.

Na týchto telesách sme určovali pri w = 12 % statickú ohybovú pevnosť podľa STN 490115. Ohybová pevnosť sa zisťovala v tangenciálnom smere, aby sa súčasne zaťažovalo jarné aj letné drevo.

Meranie šírky ročných kruhov a podielu letného dreva

Z naklimatizovaných priziem sa odrezal hranolček po celom priereze. Použitím CCD kamery sme zosnímali tieto hranolčeky a v obrazovom analyzátore sme merali šírku jednotlivých ročných kruhov a zisťovali podiel letného dreva pre príslušné stupne poškodenia s presnosťou na 0,01 mm. Uvedené charakteristiky sa merali po celom priereze a z nich sa určila priemerná hodnota pre kmeň.

Hustota dreva

Pre stupeň poškodenia 1 a 2 sme zistili profil hustoty jednotlivých ročných kruhov v spolupráci s Výskumným lesníckym ústavom WSL, Birmensdorf.

Z prierezu kmeňa sa vypílili hranolčeky hrúbky 1,2 mm tak, aby bola dodržaná kolmosť ročných kruhov na hranu. Tieto hranolčeky boli potom klimatizované pri teplote t = 20 °C a relatívnej vlhkosti vzduchu v = 50 % a zosnímané použitím X-lúčov. Snímky boli potom analyzované pomocou densitometra. Kompletný opis metódy je v práci [12].

VÝSLEDKY

Namerané hodnoty jednotlivých charakteristík sú znázornené v grafoch a vzťahujú sa k jednotlivým rokom 1967 až 1996, v ktorých sa zisťovali uvedené charakteristiky. Pre lepšiu názornosť sú jednotlivé hodnoty upravené kĺzavým priemerom v intervale 3 roky.

Ohybová pevnosť

Na obr. 2 je znázornený priebeh ohybovej pevnosti v jednotlivých rokoch pre stupne poškodenia 0 až 4. Z grafu vyplýva:

minimálne hodnoty sú dosahované pri stupni poškodenia 4, maximálne pri stupni 1 ; je to zrejmé z tabuľky, kde sú uvedené priemerné hodnoty pevnosti v sledovanom období,

Obr. 2. Hodnoty ohybovej pevnosti pre jednotlivé stupne poškodenia (SP)

Priemerné hodnoty šírky ročných kruhov a ohybovej pevnosti od roku 1967 až 1996 pre jednotlivé stupne poškodenia

Stupeň poškodenia	Priem. hodnota šírka RK [mm]	Smer. odchýlka s [mm]	Priem. hodnota ooh12 [MPa]	Smer. odchýlka s [MPa]
0	2,14	0,41	70,3	3,67
1	0,72	0,15	101,1	3,89
2	1,13	0,17	95,5	6,65
3	1,26	0,3	91,1	5,65
4	2,99	0,85	67,2	7,42

všetky krivky ohybovej pevnosti vykazujú rovnaký trend, od roku 1975 hodnoty klesajú až do roku 1980, kde dosahujú minimum, potom zase nárast hodnôt približne do rokov 1983 až 1986, kde dosahujú maximálne hodnoty a opäť mierny pokles okrem stupňa poškodenia 0, kde pretrváva nárast ohybovej pevnosti takmer až k obvodu kmeňa,

najväčší rozptyl hodnôt bol pozorovaný pri stupni poškodenia 4 (54 až 80 MPa) a najmenší pri stupni 0 (74 až 85 MPa).

Šírka ročných kruhov

Na obr. 3 je porovnávaná šírka ročných kruhov medzi stupňami poškodenia 0 - zdravý strom a stupňom 4 - odumierajúci až odumretý strom. Z grafu je zrejmé, že hlavne v prípade stupňa 4 dochádza od roku 1980 k postupnému zmenšovaniu šírky a v posledných dvoch rokoch tieto šírky dosahovali takmer 1 mm, kým pri stupni poškodenia 0 vidieť mierny pokles šírky ročných kruhov približne od roku 1980. avšak 10 rokov neskôr je naznačený nárast šírky.

Obr. 3. Šírka ročných kruhov pre stupne poškodenia 0 a 4 v jednotlivých rokoch

Ohybová pevnosť a podiel letného dreva

Na obr. 4 až 6 sú znázornené hodnoty podielu letného dreva a ohybovej pevnosti v jednotlivých rokoch pôsobenia pre stupne poškodenia 0,2 a 4. Vidno, že tieto dve charakteristiky navzájom súvisia, čo dokazuje tesná paralelnosť ich kriviek navzájom. Zmena podielu letného dreva výrazne ovplyvňuje aj ohybovú pevnosť.

Obr. 4. Ohybová pevnosť a podiel letného dreva (LD) pre stupeň poškodenia 0

Obr. 5. Ohybová pevnosť a podiel letného dreva pre stupeň poškodenia 2

Obr.6. Ohybová pevnosť a podiel letného dreva pre stupeň poškodenia 4

Ohybová pevnosť a hustota letného dreva

Podobne aj tu ako pri podiele letného dreva priemerná hustota letného dreva významne ovplyvňuje mechanické vlastnosti dreva, čo je znázornené na obr. 7. So zväčšovaním hustoty sa zvyšuje aj ohybová pevnosť dreva. Podobné trendy sa dajú očakávať pri zisťovaní vplyvu hustoty jarného dreva na ohybovú pevnosť.

Obr. 7. Ohybová pevnosť a hustota letného dreva pre stupeň poškodenia 1

Ohybová pevnosť a šírka ročných kruhov

Na obr. 8 je znázornená zmena šírky ročného kruhu a ohybového napätia v jednotlivých rokoch pre stupeň poškodenia 0 v sledovanom období. Krivky vykazujú protichodný trend, t.j. s narastaním šírky ročných kruhov sa znižuje ohybová pevnosť a opačne. Podobný charakter vykazujú aj ostatné stupne poškodenia (nie sú znázornené graficky).

Obr. 8. Ohybová pevnosť a šírku ročného kruhu pre stupeň poškodenia 0

DISKUSIA

V predloženej práci sme zisťovali priebeh ohybovej pevnosti smrekového dreva v rokoch 1967 až 1996 a tento priebeh pevnosti sme navzájom porovnávali medzi stupňami poškodenia.

Pre stupeň poškodenia 1 až 4 bol zistený podobný priebeh hodnôt ohybovej pevnosti. Tieto stupne označujú stromy mierne (stupeň 1 ) až silne poškodené vplyvom imisií, kým stupeň 0 je klasifikovaný ako zdravý strom. Trend ohybovej pevnosti pre stupeň 0 vykazuje inú tendenciu zmien ako pri stupňoch 1 až 4. Na základe tohto zistenia môžeme konštatovať, že znečistenie ovzdušia môže byť prvotnou príčinou zistených zmien trendu medzi drevom zdravých a poškodených stromov. Ale ak však zoberieme priemerné hodnoty ohybovej pevnosti v sledovanom období (tab.) vidíme, že vplyv imisií na ohybovú pevnosť smrekového dreva je nevýznamný. Hoci boli pri stupni 4 pozorované minimálne hodnoty pevnosti, možno povedať, že to bolo spôsobené širokými ročnými kruhmi, ktoré boli namerané v tomto stupni poškodenia.

Maximálne hodnoty ohybovej pevnosti boli zistené v období 1983 až 1986 pri všetkých stupňoch poškodenia (okrem stupňa 0). Podstatné zníženie pevnosti po tomto roku možno pozorovať pri stupni poškodenia 3 a 4 vplyvom znižovania podielu letného dreva, hoci pri stupni 3 nebolo v tomto období zistené zníženie šírky ročných kruhov. Na základe týchto výsledkov môžeme tvrdiť, že hodnoty ohybovej pevnosti ovplyvňuje veľkou mierou podiel letného dreva. Potvrdzujú to merania podielu letného dreva, kde bola zistená tesná paralelnosť týchto kriviek s ohybovými pevnosťami pre jednotlivé stupne poškodenia (obr. 4 až 6). Dokazujú to aj iné práce [9], ktoré potvrdzujú, že zvýšený podiel letného dreva zvyšuje jeho mechanické vlastnosti.

Pretože jarná časť ročného kruhu má prevažne vodivú funkciu, jarné elementy sú po mechanickej stránke slabšie. Hrubostenné letné bunky zabezpečujú pevnostnú funkciu v stavbe ročných kruhov. Vyplýva to aj z rozdielnych hodnôt hustoty, kde hustota jarného dreva je 2 až 3-krát nižšia ako letného. Toto zistenie potvrdzuje aj rozloženie hustoty v jednotlivých rokoch pri stupni poškodenia 1 . Na obr. 9 vidieť, že priemerná hustota jarného a letného dreva vykazuje rovnaký priebeh v sledovanom období.

Obr. 9. Rozloženie hustoty jarného a letného dreva pri stupni poškodenia 1

So vzrastajúcim podielom letného dreva sa zvýši celková hustota ročného kruhu. Z mnohých prác je známe, že existuje priamoúmerný vzťah medzi hustotou dreva a pevnostnými vlastnosťami [5, 7, 16]. Teda zvyšovanie podielu letného dreva zapríčiňuje zvyšovanie hustoty, čo sa odzrkadlí v celkovom zvýšení pevnostných vlastností.

Ak skúmame vplyv hustoty dreva na ohybovú pevnosť v rámci ročného kruhu, zistíme, že pevnosť viac ovplyvňuje hustota letného dreva ako dreva jarného. Dokazujú to naše merania, keď v prvom prípade sme zistili korelačný koeficient 0,73 pre stupeň poškodenia 1 a koeficient 0,91 pre stupeň 2, kým pre závislosť hustoty jarného dreva na ohybovú pevnosť bol zistený nižší korelačný koeficient (0,41 resp. 0,55).

Hustota závisí aj od rýchlosti rastu dreva a znižuje sa pravidelne so zvyšovaním šírky ročného kruhu. So znižovaním šírky sa zvyšuje podiel letného dreva, avšak to platí iba po určitú hranicu, pri ktorej nastáva zmena - ak je veľmi úzky ročný kruh, potom sa vytvoria iba 2 až 4 rady buniek letného dreva a ich celkový podiel v rámci ročného kruhu je minimálny. Wagenführ [ 14] zistil v odumierajúcich stromoch iba jeden rad týchto buniek.

V práci [11] sa poukazuje na to, že hustota v rámci jarného dreva je závislá od šírky jarného dreva približne do 1 až 2 mm a zvyšuje sa so znižovaním šírky. Keď je šírka vyššia ako táto hodnota, hustota sa nemení. Zmena šírky letného dreva nevykazuje zmeny v hustote letného dreva.

Zhang [16] určoval korelácie medzi rýchlosťou rastu dreva a vybranými mechanickými vlastnosťami a zistil, že vlastnosti sú značne znížené so zvyšovaním rastu v ihličnatých drevinách. Obsah škodlivín v ovzduší spôsobuje oslabenie zdravotného stavu lesa a následne zníženie rýchlosti rastu stromu, čo taktiež môže vplývať na výsledné hodnoty pevnostných vlastností dreva.

ZÁVER

V predloženej práci sme zisťovali priebeh ohybovej pevnosti a podiel letného dreva smreka z imisnej oblasti severného Slovenska v jednotlivých ročných kruhoch. Na základe nameraných výsledkov môžeme konštatovať:

1 . pri všetkých stupňoch poškodenia (okrem stupňa 0) bol zistený takmer podobný priebeh ohybovej pevnosti v jednotlivých ročných kruhoch,

2. minimálne hodnoty ohybovej pevnosti boli pri všetkých stupňoch poškodenia pozorované okolo roku 1980, maximálne okolo roku 1985 (okrem stupňa 0, kde pretrváva nárast ohybovej pevnosti takmer až k obvodu kmeňa),

3. hodnoty ohybovej pevnosti výrazne ovplyvňuje podiel letného dreva a hustota dreva, väčší vplyv má hustota letného dreva, kde boli zistené vyššie korelačné koeficienty.

LITERATÚRA

[1] BEMMANN, A. - NIEMZ, P. - BÄUCKER, E. - WIENHAUS, O.: Untersuchungen von Holz SO₂ - geschädigter Fichten. Holzforschung und Holzverwertung, 1993, č. 2, s. 33-35.

[2] BUCHTA, T. - MAŇKOVSKÁ, B. - MINĎÁŠ, J. - PAVLENDA, P. - PAJTÍK, J.: Zdravotný stav lesov Slovenska. [Správa z monitoringu.] Lesnícky výskumný ústav, Zvolen, 1997, 57 s.

[3] DÜNISCH, O. - BAUCH, J. - PULS, J. - MI..TLLER, M.: Biological and chemical wood properties of long-term polluted spruce (Picea abies L. Karst.) at high-altitude stands of the Erzgebirge. Holzforschung, 1996, s. 497-506.

[4] ECKSTEIN, D. - GREVE, U. - FRÜHWALD, A.: Anatomische und mechanische-technologische untersuchungen am Holz einer SO² - geschädigten Fichte und Tanne. Holz als Roh- und Werkstoff, 1981, s. 477-487.

[5] FRÜHWALD, A. - BAUCH, J. - GÖTTSCHE-KÜHN, H.: Holzeinschaften von Fichten aus Valdschadensgebieten. Holz als Roh- und Werkstoff, 1984, s. 441-449.

[6] KOCH, G. - SCHWAB, E. - KRUSE, K. - BAUCH, J.: Untersuchung der dynamischen Belastbarkeit des Holzes sekundär geschädigter Fichten (Picea abies [L.J Karst.) aus extrem windexponierten Hochlagen des Osterzgebirges. Holz als Rohund Werkstoff, 1996, č. 5, s. 313-319.

[7] KOLLMANN; F. - CÔTE, W. A.: Principles of wood science and technology. Vol. 1. Solid wood. 1. vydanie. Berlin - Heidelberg - New York. Springer-Verlag, 1968, 592 s.

[8] NIEMZ, P. - BEMANN, A. - WAGENFÜHR, R.: Untersuchungen zu den Eigenschaften von immissionsgeschädigten Fichtenholz Mechanische Eigenschaften und Schallemissionsanalyse. Holztechnologie, 1990, s. 70-71.

[9] POŽGAJ, A. - CHOVANEC, D. - KURJATKO, S. - BABIAK, M.: Štruktúra a vlastnosti dreva. Príroda, a. s., Bratislava, 2. vydanie, 1997, 488 s.

[10] RADEMACHER, P. - BAUCH, J. - PULS, J.: Biological and chemical investigations of the wood from pollution-affected spruce (Picea abies L. Karst.). Holzforschung, 1986, s. 331-338.

[11] STANZL-TSCHEGG;S.E. – FILION, L. – TSECHEGG, E.K. – REITERE, A.: Strength properties and densityy of SO₂ polluted spruce wood. Holz als Roh- und Werkstoff, 1999, č. 3, s.1-11.

[12] SCHWEINGRUBER, F. H.: Tree rings. Basic and application of dendrochronology. Kluwer academic publishers, Dordrecht, Boston, London, 1988, 276 s.

[13] J ŠMELKO, Š. - SCHEER, C. - ĎURSKÝ, J.: Poznatky z monitorovania zdravotného a produkčného stavu lesa v imisnej oblasti Horná Orava. [Vedecká štúdia 16 A.] 1996, 142 s.

[14] WAGENFUHR, R.: Holzanatomische Betrachtungen immissionsgeschädigter Fichten aus Hochlagen des Ost-Erzgebirges. Holz-Zentralblatt, 1996, s. 2222.

[15] WIMMER, R. - HINTERSTOISSER, B. - STANZL –TSCHEGG, S. – GRABNER, M. – WALLNER, G. – HALBWASCH, G. – SCHÄR, E. – WAGENFÜHR, R.: Anatomical. Chemical and mechanical trends in Norway spruce (Picea abies L. Karst. ) tree-rings as indicators of environmental stresses, in particular SO₂ - pollution SO₂ pollution and forest decline in the Ore Mountains-editors Pfanz H., Lomsky B., Materna J., Springer - Verlag, 1997, s. 2-34.

[16] ZHANG, S. Y.: Effect of growth rate on wood specific gravity and selected mechanical properties in individual species from distinct wood eategories. Wood Science and Technology, 1995, s. 451-465.