Строение древесины: макро- и микроскопическое + примеры в картинках
Содержание
Макроскопическое строение древесины
Макроскопическое строение древесины
Макроскопическое строение древесины позволяет изучить строение на уровне макроструктуры — видимой невооруженным взглядом без применения увеличительных приборов и микроскопа. Все ветки, которые появляются на дереве, всегда остаются на одной высоте. В высоту дерево растет за счет появления нового побега каждый год. Увеличение диаметра дерева происходит за счет камбия – слоя древесины, находящегося непосредственно под корой и отличающегося от остальных слоев своей мягкостью. Камбий представляет собой образовательную ткань, которая обеспечивает рост как внутрь дерева, так и наружу. Наружные клетки образуют луб, крайние слои которого по мере увеличения диаметра ствола отмирают и переходят в кору. Внутренние клетки обеспечивают рост слоев древесины. Древесина также постепенно отмирает, образовывая центральную твердую основу, а живая часть древесины – заболонь обеспечивает дальнейший рост.
Заболонь и ядро
При макроскопическом изучении строения древесины мы наблюдаем, что одни сорта деревьев имеют равномерную окраску по всему срезу, а у других вокруг темноокрашенной центральной части располагаются более светлые слои древесины. Центральная часть называется ядром, а слои, окружающие ее – заболонью. Встречаются породы дерева, в которых центральная часть ствола не отличается от наружной по окраске, однако содержит меньше воды (речь идет о живом дереве). Такая древесина называется спелой, а общее название пород дерева со спелой древесиной – спелодревесные породы. Породы с ярко выраженным ядром называют ядровыми. Кроме того, существуют породы, содержание воды в центральной и периферической частях которого одинаково, как и окраска. Такие породы дерева принято называть заболонными.
На самом деле ядро имеется у каждой породы дерева, только темная окраска присуща не всем. По сути, спелая древесина является ядром дерева и отличается только окраской. А деревья такого вида называют безъядровыми.
Внутри группы безъядровых пород выделяют спелодревесные и заболонные разновидности. В первой периферийная часть дерева обладает большей влажностью, чем центральная, а в породах второй разновидности влажность дерева одинакова по сечению ствола. Лиственные породы деревьев относятся к заболонным породам. Верхняя часть дерева содержит больший объем заболонной древесины. Ближе к комлевой части ее объем уменьшается. Зависит объем заболонной древесины и от возраста дерева, с увеличением возраста ее объем уменьшается. Иногда центральная часть ствола безъядровых пород дерева темнеет. В таких случаях ее называют ложным ядром.
Молодые деревья не имеют ядра. Образуется оно с течением времени, у разных пород в разное время. Так, у сосны при достижении 30-35-летнего возраста, а у дуба — в период между 8 и 12 годами. Поэтому ширина заболони у дуба меньше, чем у сосны. По мере увеличения диаметра ствола часть заболонной древесины переходит в ядро. Рассмотрим на примере дуба. Если у молодого дерева диаметр ствола составляет 15 см, то объем ядровой части и заболонной примерно одинаков. Когда диаметр ствола достигает 30 см, то объем ядра становится больше, чем объем заболони примерно в 3-5 раз. Когда диаметр – 60 см, то 90% объема приходится на ядро дерева.
Прямым образом на размер заболони влияют условия, в которых растет дерево. Дубы, растущие на солонцовых почвах, имеют более широкую заболонь, чем дубы, которые растут в пойменных дубравах. При этом, ширина заболони дуба остается одинаковой по всей высоте ствола, а у сосны и ели количество заболони увеличивается в верхней части ствола. С возрастом ширина заболони у сосен увеличивается. После достижения столетнего возраста уменьшается ежегодный прирост древесины, соответственно, уменьшается и ширина заболонной части.
Заболонь в растущем дереве несет функцию «водопровода» — по ней поднимается вода в верхнюю часть ствола. Кроме того в ней накапливаются питательные вещества, необходимые для роста.
Ядро образуется за счет отмирания живых клеток древесины, забивании водопроводящих каналов, образовании смол и углекислого кальция. Сама древесина ядровой зоны пропитывается дубильными и красящими веществами, приобретает повышенную плотность. В свете всех перечисленных явлений она приобретает повышенную стойкость к гнилостным микробам.
Древесина ядровой части очень плотная, за счет чего часто применяется для изготовления емкостей под жидкости. Ядровая часть из-за своей высокой плотности плохо пропитывается антисептиками, что необходимо знать при использовании древесины в промышленности.
Годовые кольца (годичные слои)
Сезонный прирост дерева дает новый слой древесины, который называют годовым кольцом. Концентрические кольца на поперечных срезах дерева могут рассказать о возрасте дерева. Если представить строение ствола, как несколько конусов, насаженных друг на друга, то по количеству колец на срезе (минус два) и определяется, сколько лет понадобилось дереву, чтобы вырасти до высоты этого среза. Количество колец в комлевой части указывает на его общий возраст. Так, если в нижней части мы видим 12 колец, значит дереву на данный момент 10 лет. А если в верхней части срез представлен 7 кольцами, это говорит, что до этой высоты дерево росло 5 лет.
От характера среза зависит рисунок, образуемый годовыми кольцами. Более наглядно это можно проследить на срезах хвойных деревьев. Радиальный срез будет представлен параллельными продольными полосами, поперечный срез имеет вид концентрических окружностей, а тангенциальный – рисунком с извилистыми полосами.
На ширину годичных слоев влияют порода дерева, условия его произрастания, возраст и место среза. Медленно растущие деревья дают узкие годичные слои, а быстрорастущие – широкие. Молодое дерево образует широкие годичные слои, старое – узкие. Естественно, что на основном стволе годичные слои шире, чем на ветках. Чем лучше условия, в которых растет дерево, тем больше годовой прирост древесины и ширина годичного слоя.
Также интересен тот факт, что если рассматривать поперечный срез дерева, то можно отметить следующую закономерность: ширина годичных слоев у сердцевины небольшая, она увеличивается до определенного максимума, после которого вновь идет на уменьшение.
Возле самой коры дерева годичные слои имеют небольшую ширину. Таким образом, исследуя строение дерева, ширину и количество годичных слоев можно даже представить, как изменялся климат в период его роста. А с помощью нехитрых вычислений можно определить время изготовления предмета из дерева.
Деревья, растущие группами в одинаковых условиях, обычно имеют почти цилиндрическую форму ствола, с незначительным сужением в верхней части. Яркий тому пример – корабельные сосны, высокие и стройные как на подбор, они все имеют одинаковую толщину ствола, почти от основания до верхушки. Если посмотреть на сосну, одиноко растущую в поле, то ствол ее обыкновенно имеет много ответвлений, крона раскидистая. Обхват основания такой сосны большой, а вверху ствол резко сужается. Ученые называют такой ствол сбежистым. При этом часто наблюдается разница в ширине годичных слоев на противоположных сторонах дерева. Происходит как бы смещение центральной части ствола. На боковых ветках практически всегда сердцевина смещена от центра и срез имеет вид скорее эллипса, чем окружности.
Не все деревья в поперечном разрезе имеют вид концентрических окружностей. Есть породы деревьев с волнистыми годичными слоями. Например, к таким относятся ольха и бук.
Нарастают годичные слои от центра к периферии. Часто внутренняя их часть имеет более светлую окраску и меньшую твердость, нежели внешняя. Особенно хорошо это заметно у деревьев хвойных пород. По внутренней части годичных слоев (ранней древесине) поднимается вода с питательными веществами, а внешние части (поздняя древесина) придают дереву прочность.
Сердцевинные лучи
Каждое дерево в разрезе имеет сердцевинные лучи – светлые линии, которые расходятся от ядровой части дерева к коре. Они не всегда заметны визуально, но присутствуют всегда. Их ширина невелика — от 0,005 до 1 мм (очень узкие, узкие или широкие). Широкие лучи на самом деле могут состоять из нескольких узких, расположенных рядом друг с другом.
Радиальный разрез дерева показывает такие лучи в виде пятен или блестящих поперечных полос, которые иногда образуют своеобразный рисунок. Чем больше совпадает направление луча с плоскостью разреза древесины, тем длиннее его видимый рисунок на срезе.
На тангенциальном разрезе форма лучей похожа на веретено или плоды чечевицы по очертаниям. Высота их в разрезе зависит от породы дерева.
Сердцевинные лучи при жизни дерева проводят воду и питательные вещества по горизонтальным плоскостям. В растущем дереве сердцевинные лучи служат в основном для проведения воды и питательных веществ в горизонтальном направлении и для хранения запасных питательных веществ зимой.
Каждый сорт дерева имеет разное количество сердцевинных лучей. Если на тангенциальном разрезе березы или сосны подсчитать их количество на площади 1 квадратного сантиметра, то получим число, равное 3000 или больше. А если аналогично подсчитать количество лучей у можжевельника, то их окажется примерно 15000. Они очень узкие и напоминают волосовидные лучи.
Нижняя часть ствола дерева имеет очень большое количество лучей, при подъеме вверх их количество уменьшается. Правда в районе кроны их число немного увеличивается. Параметры лучей увеличиваются от центральной части ствола к периферийной, также, как и их количество. В пределах деревьев одной породы эти показатели зависят от условий, в которых они растут. Лиственные породы деревьев имеют большее количество сердцевинных лучей, по отношению к деревьям хвойным. В процентном соотношении у лиственных пород их доля составляет 15% от объема древесины, и 5-8 % — доля в объеме хвойных.
Сердцевинные повторения
На продольных разрезах лиственных деревьев можно наблюдать черточки, пятна или полоски по границам годичных слоев. Они окрашены в темно-коричневый или бурый цвет, а по строению идентичны строению ядровой древесины. Для некоторых пород наличие таких полосок и пятен является надежным диагностическим признаком, когда по древесине требуется определить породу дерева. Наблюдаются такие образования в нижней части ствола. В хвойных породах дерева встречаются очень редко.
Сосуды – проводники влаги и питательных веществ
У лиственных пород дерева вода из почвы вытягивается корнями, а затем, по специальным сосудам, имеющим вид обыкновенных трубочек, подается в остальные части дерева. На поперечном срезе дерева сосуды выглядят как небольшие отверстия.
В строении хвойных пород деревьев сосудов нет.
Размеры сосудов колеблются от очень мелких, которые можно увидеть только в микроскоп, до видимых человеческим глазом – крупных. При этом распределены они преимущественно в ранней области годичных слоев и на срезе образуют кольцо, иногда равномерно разбросаны по всей площади годичного слоя. Мелкие сосуды чаще встречаются группами, а при отсутствии крупных они равномерно распределены по площади. Ближе к наружному краю годичного слоя их количество и размеры уменьшаются.
По характеру распределения сосудов выделяют кольце-сосудистые и рассеяно-сосудистые виды. В первых годичные кольца хорошо заметны за счет разницы между ранней и поздней областью слоя. У пород дерева, имеющих рассеяно-сосудистое расположение всех сосудов, годичные кольца имеют однородное строение и внешние границы трудно различимы.
На радиальном срезе группы мелких сосудов могут образовывать рисунок в виде языков пламени, на тангенциальном – волнистые сплошные или прерывающиеся линии. При рассеянном характере распределения сосудов, они заметны на срезе в виде отдельных светлоокрашенных точек. Характерный пример – древесина ясеня.
Бороздки различного размера, видимые на продольном срезе дерева – это сосуды. Они совсем необязательно расположены вертикально, поскольку только частично попадают в площадь среза. Размеры сосудов колеблются от 0.016 до 0.4 мм и также зависят от условий, в которых растет дерево. Сосуды, расположенные близко к сердцевине по мере удаления от нее, увеличиваются в диаметре, а затем, достигнув максимальных пределов, начинают уменьшаться, либо остаются постоянными. В направлении от основания дерева к его вершине количество сосудов и площадь сечения на продольном срезе растет.
По причине присутствия сосудов в древесине лиственных сортов наблюдается высокая проницаемость газов и жидкостей. Их наличие снижает прочность древесины.
Смоляные ходы
Хвойные породы деревьев (ель, сосна, кедр и лиственница) отличаются наличием тонких, заполненных смолой путей – их называют смоляные ходы. А тис, пихта и можжевельник не имеют смоляных ходов.
По тому, как расположены смоляные ходы в стволе дерева, их разделяют на горизонтальные и вертикальные. Вертикальные совместно с сердцевинными лучами создают смолоносную систему, что дает возможность добывать смолу методом подсочки. На поперечных срезах вертикальные смоляные ходы выглядят как точки беловатого цвета. Наблюдаются они на площади поздней зоны в годичных слоях.
За счет смолы древесина обладает стойкостью к процессам гниения.
Определение породы древесины по макроскопическому строению
Строение каждого вида древесины тесно связано с ее свойствами. Зная породу дерева можно достаточно точно оценить технологические свойства древесины и ее физико-механические свойства. Эти свойства для каждой породы дерева учеными выведены в справочную базу данных, которая служит ориентиром при выборе необходимых материалов для конкретных целей.
Определить вид дерева можно, используя такие признаки древесины, как:
- Наличие или отсутствие ядра.
- Ширина заболонного слоя и характер границы между ним и ядровой частью.
- Четкость годичных слоев и их очертаний на поперечном срезе.
- Внутри годичных слоев – характер распределения ранней и поздней древесины и четкость границ между ними.
- Присутствие сердцевинных лучей, их количество, размеры и характер окраски.
- В лиственных породах площадь распределения, размеры и количество сосудов, их состояние.
- В хвойных породах – количество и размеры смоляных ходов.
- Наличие или отсутствие сердцевинных повторений.
Использование дополнительных характеристик древесины, таких как плотность и твердость древесины, текстура и блеск сделает процесс определения вида намного точнее.
Цвет древесины также используется при диагностике, правда необходимо быть очень внимательным и учитывать степень изменения его от внешних физико-химических и временных воздействий.
Хорошую помощь в правильном определении оказывают рисунки на продольных срезах древесины. Плотность и твердость древесины при определении вида лиственных пород имеет очень большое значение, поскольку довольно часто остальные признаки очень плохо выражены.
Микроскопическое строение древесины
Микроскопическое строение хвойных пород
На долю живых клеток в древесине приходится всего 2% от общего количества. По строению растительная клетка представляет ядро и цитоплазму в тонкой прозрачной оболочке.
Оболочка состоит из органического вещества – клетчатки или целлюлозы. По своему виду это тонкая и прозрачная эластичная пленка. Строение оболочки, ее состав и размеры изменяются по мере развития клетки. Самые частые изменения – это одревеснение и пробкование. В процессе жизнедеятельности клеток в них образуется органическое вещество лигнин, которое и приводит к одревеснению клеток. После того, как клетки одревеснели, их рост останавливается или очень сильно замедляется, по сравнению с ростом клеток в целлюлозной оболочке.
Микроскопическое строенние лиственных пород
Оболочки со временем утолщаются. Это утолщение происходит неравномерно. Оставшиеся неутолщенными места называют порами. По этим порам проходит вода и растворенные в ней питательные вещества из клетки в клетку.
Сама целлюлоза представляет собой волокна, называемые микрофибриллами. Пространство между этими волокнами заполнено связанной влагой, лигнином и гемицеллюлозой.
Разновидности древесных клеток: паренхимные и прозенхимные
В прозенхимных клетках волокна имеют диаметр 0.01-0.05 мм и длину от 0.5 мм до 3 мм. Концы этих волокон заострены. Прозенхимные клетки составляют основную массу древесины, независимо от ее породы. По своему назначению прозенхимные клетки делят на проводящие, опорные и механические. Как понятно из названия таких групп клеток, проводящие имеют соей целью обеспечить в крону дерева воды и питательных веществ, вытягивая ее из почвы. Прочность древесины обеспечивается опорными клетками.
Волокна паренхимных клеток по своему виду напоминают многогранную призму с приблизительно одинаковой шириной стороны. Ширина сторон призмы составляет 0.01-0.1 мм. Основным назначением паренхимных клеток является накопление и хранение питательных веществ. Крахмал, жиры и другие органические питательные вещества отлагаются в паренхимных клетках и ждут начала вегетативного периода. Весной они служат источником питания для образования листьев в кроне дерева. Паренхимные клетки располагаются в сердцевинных лучах. Если подсчитать их количество в процентном отношении к общему объему дерева, то эта величина у лиственных деревьев составляет от 2 до 15%, а у хвойных намного ниже, всего 1-2%.
Ткани древесины
Группы клеток, которые выполняют одну задачу и имеют одинаковое строение, образуют древесные ткани. Существуют проводящие, запасающие, опорные или механические и покровные виды тканей.
Задача проводящих тканей обеспечить влагой и питательными веществами, которые впитываются из почвы корневой системой дерева, весь ствол, ветки и листву.
Состоят проводящие ткани из клеток с очень тонкими стенками и имеющих вытянутую форму. В среднем длина сосудов составляет 10 см, а иногда у определенных пород может достигать длины от 2 до 3 м. Наиболее характерный пример деревьев, имеющих длинные проводящие сосуды – это дуб. Диаметр сосудов очень мал, от сотых до десятых долей мм.
Запасающие ткани находятся в стволовой части и корневой системе дерева. Название этих тканей полностью соответствует выполняемой функции. От их работы зависит скорость роста дерева и его качество.
Жесткость, устойчивость и прочность дереву в стадии роста придают механические (опорные) ткани. Функцию защиты от внешних факторов несут на себе покровные ткани. Они находятся в коре дерева.
Как строение древесины отражается на физико-механических свойствах
Свойства древесины очень сильно зависят от строения клеток, в частности их оболочки. Содержание твердой древесной массы будет больше, если расстояние между микрофибриллами будет меньше. Чем меньше содержание связанной влаги, тем прочнее дерево. Когда содержание связанной влаги большое, то микрофибриллы отодвигаются друг от друга, силы сцепления слабеют и механические свойства дерева ухудшаются. Поскольку сами микрофибриллы преимущественно располагаются вдоль клетки, то и дерево получает наибольшую прочность именно вдоль своих волокон.
Влияют на свойства древесины и форма и размеры волокон. Прямолинейная их форма, которая присуща для хвойных пород обеспечивает последним более высокие показатели прочности. Извилистость волокон в лиственных породах дерева обеспечивает лучшие показания ударной вязкости и прочности к скалыванию вдоль волокон.
Породы деревьев с кольцесосудистым строением имеют очень высокую гибкость, поскольку наличие сосудов обеспечивает волокнам способность не разрушаться при уплотнении.
