CertifiCiranje v Gozdarstvu in lesarstvu

Uredništvo in uprava
1000 Ljubljana, Karlovška cesta 3, Slovenija
tel. 01/421-46-60, faks: 01/421-46-64
e-pošta: [email protected]
Uredništvo in sodelavci uredništva
Glavni in odgovorni urednik: prof. dr. Miha Humar
Tehnični urednik: Stane Kočar, univ. dipl. inž.
Lektoriranje: Darja Vranjek, prof. slov. in soc.
Oblikovalska zasnova revije
Boštjan Lešnjak
Tisk
Littera Picta d.o.o.
Uredniški odbor
prof. em. dr. dr. h. c. mult. Walter Liese (Hamburg), dr.
Christian Briscke (Hannover),prof. dr. Helmuth Resch (Dunaj),
dr. Milan Nešič (Beograd), dr. Ružica Beljo Lučić (Zagreb), prof.
dr. Vito Hazler, prof. dr. Miha Humar, mag. Jasna Kralj Pavlovec,
doc. dr. Manja Kitek Kuzman, Alojz Kobe, univ. dipl. inž. les., dr.
Nike Krajnc, strok. svet. Borut Kričej, doc. dr. Jože Kropivšek,
dr. Andreja Kutnar, Igor Milavec, univ. dipl. inž. les., prof. dr.
Primož Oven, prof. dr. Marko Petrič, mag. Mitja Piškur, prof.
dr. Franc Pohleven, prof. dr. Miroslav Premrov, mag. Marija
Slovnik, prof. dr. Milan Šernek, prof. dr. dr. h. c. Niko Torelli, dr.
Srečko Vratuša, prof. dr. Roko Žarnič, prof. dr. Hojka Kraigher,
prof. dr. Robert Brus, dr. Tom Levanič, dr. Primož Simončič
Letna naročnina
Posamezna številka 4,50 EUR
Dijaki in študenti 16 EUR.
Posamezniki 35 EUR.
Podjetja in ustanove 160 EUR.
Obrtniki in šole 80 EUR.
Tujina 160 EUR + poštnina.
Naročnina velja do preklica. Pisne odjave upoštevamo ob koncu
obračunskega obdobja.
Transakcijski račun
Zveza lesarjev Slovenije-LES, Ljubljana, Karlovška cesta 3,
IBAN (TR): SI56 0310-0100-0031-882 pri SKB d.d., Ljubljana
SWIFT: SKBASI2X
Revija izhaja v dveh dvojnih in osmih enojnih številkah letno.
Za izdajanje prispeva Javna agencija za knjigo Republike
Slovenije.
Na podlagi Zakona o davku na dodano vrednost spada revija
Les po 43. členu pravilnika med nosilce besede, za katere se
plačuje DDV po stopnji 8,5 %.
Vsi znanstveni članki so dvojno recenzirani.
Izvlečki iz revije LES so objavljeni v AGRIS, Cab International CD-Tree ter v drugih informacijskih sistemih.
Gozd in les sta eni izmed najpomembnejših bogastev Slovenije. Stroka se
tega že zelo dolgo zaveda, v zadnjem obdobju pa to vlogo gozdu in lesu
vedno bolj priznava tudi politika. V lanskem letu je bil tako med drugim
sprejet tudi akcijski načrt, katerega glavni namen je povrniti gozdu in lesu
veljavo, ki sta jo nekdaj imela. V svojem govoru ob otvoritvi prireditve Čar
lesa je državna sekretarka z Ministrstva za kmetijstvo in okolje, Tanja Strniša, izpostavila, da z gozdovi gospodarimo trajnostno le v okoljskem smislu,
trajnostni vidik pa zajema tudi ekonomski in socialni vidik, in tu zagotovo
nismo trajnostni, saj nam velike količine lesa ostajajo v gozdu, še tega, ki ga
posekamo, pa ne porabimo v celoti doma. Razlogov za to je več. Del razlogov zagotovo leži tudi v razdrobljeni gozdno-lesni verigi v Sloveniji.
V tej številki so tako na enem mestu prikazani rezultati raziskovalnih skupin,
ki se na kakršen koli način ukvarjajo z gozdom in lesom. Od Gozdarskega
inštituta Slovenije, Oddelka za lesarstvo in Oddelka za gozdarstvo Biotehniške fakultete, Inštituta za celulozo in papir, Inštituta za lesarstvo in trajnostni razvoj, Univerze na Primorskem kot tudi Zavoda za naravoslovje …
Namen te tematske številke revije Les je širši strokovni javnosti predstaviti
najpomembnejša spoznanja, ki so povezana s področjem gozdarstva, lesarstva in papirništva ter prikazati raznolikost tega področja. Uvodni prispevki
so povezani s certificiranjem v gozdarstvu in lesarstvu. V nadaljevanju so
opisana znanja, povezana z nastankom lesa, ekologijo rastlin, genetsko pestrostjo, mikorizo, lesnimi glivami, nanocelulozo, ter spoznanja, povezana
s temeljnimi lastnostmi lesa in uporabo nanodelcev za površinsko zaščito. Največja dodana vrednost predstavljenih rezultatov je, da je na enem
mestu predstavljen širok nabor raziskav, ki potekajo v Sloveniji, kar se bo
zagotovo odrazilo v intenzivnejšem povezovanju vseh, ki se na kakršen-koli
način ukvarjamo z gozdom in lesom.
Verjamemo, da bodo spoznanja, predstavljena v tej številki revije Les, pripomogla k preboju gozdno-lesne proizvodne verige. Nekatere rezultate
bomo lahko uporabili takoj, druge čez 10, nekatere pa morda čez 50 let. Vsi
pa nam bodo enkrat prišli prav.
prof. dr. Miha Humar in prof. dr. Hojka Kraigher
uvodnik
Ustanovitelj in izdajatelj
Zveza lesarjev Slovenije.
Gozd in les:
Certificiranje v
gozdarstvu in lesarstvu
raziskave in razvoj
Kristjan JARNI*, Jernej JAKŠE**, Robert BRUS***
UDK 630*232.315:176.1 Prunus avium(497.4)
Genetska variabilnost
divje češnje (Prunus avium L.)
v Sloveniji
Genetic variability of wild cherry (Prunus avium L.) in Slovenia
Izvleček: S pomočjo devetih mikrosatelitskih markerjev je bila prvič doslej proučevana genetska variabilnost divje češnje
(Prunus avium L.) v Sloveniji. Analiza 312 dreves iz štirih naravnih populacij divje češnje v Sloveniji je pokazala visoko genetsko variabilnost znotraj populacij in manjšo, vendar značilno variabilnost med populacijami. V eni populaciji smo odkrili
velik delež dreves vegetativnega izvora, saj smo med 217 analiziranimi drevesi potrdili le 69 različnih genotipov. Rezultati
kažejo na pomembnost upoštevanja bioloških in genetskih lastnosti vrst pri gospodarjenju z gozdovi.
Ključne besede: divja češnja, genetska variabilnost, mikrosateliti, populacija, Prunus avium
Abstract: Nine microsatellite markers were used to describe the genetic variability of four populations of wild cherry (Prunus
avium L.) in Slovenia. Total genetic diversity was high while differences between populations were small but significant.
There was a significant amount of clonal reproduction in one population, with only 69 genotypes identified among 217
trees. Our results demonstrate the importance of taking into account the biological and genetic characteristics of species in
forest management.
Key words: wild cherry, genetic variability, microsatellites, population, Prunus avium
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Uvod
2
Divja češnja (Prunus avium L.) je vrsta iz zahodne Evrazije in severne Afrike, njene sadne sorte pa gojijo po vsej
severni polobli. Naravno je razširjena tudi v Sloveniji, kjer
najpogosteje raste v submediteranskem, predalpskem,
predinarskem in subpanonskem svetu. Nad 800 m nadmorske višine je redka (Brus, 2008; Russell, 2003).
Divja češnja je vrsta, ki pripada skupini plemenitih listavcev in je kot taka predmet številnih raziskav v evropskem
prostoru. Večina raziskav se izvaja v okviru programa EUFORGEN, in sicer največ v Franciji in Nemčiji, sledijo Španija, Italija, Belgija, Nizozemska in druge (Kobliha, 2002; De
Cuyper in sod., 2005; Nicetti in sod., 2008). Kot hitro rastoča vrsta z močno poudarjeno apikalno rastjo, razmeroma
kratko proizvodno dobo in visoko vrednim in priljublje* univ. dipl. inž., Oddelek za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire, BF, Večna pot 83,
1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
**doc. dr., Oddelek za agronomijo, BF, Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana
*** prof. dr., Oddelek za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire, BF, Večna pot 83, 1000 Ljubljana
nim lesom pooseblja željo po pospeševanju in povečevanju deleža v gozdovih. Kot vrsta z obveznim navzkrižnim
opraševanjem (gametofitna nezdružljivost) (De Cuyper in
sod., 2005) si s pomočjo spolnega razmnoževanja zagotavlja veliko genetsko variabilnost. Hkrati pa je divja češnja
tudi vrsta, ki se z odganjanjem iz korenin razmnožuje vegetativno, kar vodi k zmanjševanju pestrosti njenih populacij (Schueler in sod., 2006). Poznavanje njene genetske
variabilnosti je pomemben temelj uspešnega in spreminjajočim se razmeram prilagojenega gojenja in učinkovitega ohranjanja njenega genofonda. Z analizo, v katero
smo vključili štiri naravne populacije (preglednica 1), smo
želeli ugotoviti, kakšna je znotraj in med–populacijska
genetska variabilnost divje češnje v Sloveniji, preveriti, ali
prihaja v populacijah do vegetativnega razmnoževanja, in
če, kako to vpliva na njihovo genetsko strukturo.
Metode dela
Analizirali smo štiri naravne populacije divje češnje v Sloveniji (preglednica 1). V treh populacijah (št. 2–4) smo na-
65(2013) št. 1-2
Izolacijo DNA smo izvedli s Qiagen-ovim setom (DNeasy®
Plant Mini Kit), kjer smo pribl. 20 mg posušenega vzorca
(list, kambij) zdrobili z avtomatskim mlinom (Qiagen Tissuelyser LT). Genotipizacijo DNA smo izvedli s pomočjo
9 mikrosatelitskih markerjev. Za pomnoževanje mikrosatelitskih lokusov smo uporabili metodo verižne reakcije s polimerazo (v nadaljevanju PCR), kjer smo izvedli
dve multipleksni PCR reakciji (Vaughan in Russell, 2004)
in tri simpleks PCR reakcije. V prvo multipleksno reakcijo smo vključili začetne oligonukleotide za štiri lokuse, in
sicer EMPa004, EMPa005, EMPaS02 in EMPaS06, medtem
ko smo v drugo reakcijo vključili začetna oligonukleotida za lokusa EMPaS12 in EMPaS14. Za ostale tri lokuse
EMPa15, UDP98-412 in PceGA34 smo izvedli PCR reakcije
z vsakim začetnim oligonukleotidom posebej, in sicer za
lokus EMPa015 po protokolu Clarke in Tobutt (2003) ter
po posebnih protokolih za lokusa UDP98-412 in PceGA34.
Mikrosatelitske fragmente smo ločili in določili njihove relativne dolžine s pomočjo kapilarne elektroforeze na avtomatskem sekvenatorju ABI3130XL (Applied Biosystems).
Za vsak lokus smo ugotovili število (A) in velikostni razpon
alelov, število efektivnih alelov (Ae), Wrightov koeficient
inbridinga in fiksacijski indeks (FIS in FST ), genetsko diverziteto (HE) ter na nivoju populacij tudi opaženo heterozigotnost (HO). Zgornje kazalnike smo izračunali s pomočjo
programske opreme GenAlEx (Pekall in Smouse, 2012) in
Arlequin (Excoffier in sod., 2005). Prisotnost ničelnih alelov
smo preverili s programom Micro-Checker (Van Oosterhout in sod., 2004), medtem ko smo Hardy–Weinbergovo
(HW) ravnotežje testirali s programom Genepop (Rousset, 2008). Razlike med populacijami smo analizirali na
podlagi alelne identitete s statističnima kazalnikoma FST
in standardizirano vrednostjo G'ST (Hedrick, 2005). Število
razmnoževalno uspešnih migrantov na generacijo smo
izračunali po metodi privatnih alelov (Barton in Slatkin,
1986) s programom Genepop. Prostorsko genetsko strukturo, kjer smo ugotavljali odvisnost med genetsko FST/(1FST ) in prostorsko razdaljo, izraženo na logaritemski skali
(Rousset, 1997) smo prikazali s Spearmanovim korelacijskim koeficientom, njegovo značilnost pa smo testirali z
Mantelovim testom s programom Genepop.
raziskave in razvoj
ključno izbrali vsaj po 30 dreves, medsebojno oddaljenih
vsaj 30 m. Iz vsakega drevesa v vzorcu smo vzeli po en
nepoškodovan list ali kambij iz koreničnika ter ju do izolacije DNA shranili v silikagelu. Nabiranje vzorcev v populaciji Vipavska brda je bilo zaradi geografske lege in omejenosti ploskve drugačno (op. raziskovalna ploskev leži na
dnu doline in je praktično iz vseh štirih strani omejena s
strmejšimi pobočji). Tam razdalje 30 m med izbranimi drevesi nismo upoštevali, temveč smo v vzorec vključili vsa
drevesa na ploskvi, katerih prsni premer je presegal 5 cm.
Iz omenjene populacije smo v analizo vključili 217 dreves.
Vsem drevesom v analizi smo s pomočjo naprav Garmin
GPSmap 60CSx in Trimble GeoXT določili natančne prostorske koordinate.
Rezultati
Genetska variabilnost mikrosatelitskih
lokusov
Znotraj 312 dreves divje češnje smo s pomočjo 9 mikrosatelitnih lokusov odkrili skupno 83 različnih alelov.
Največ alelov (16) smo našli na dveh lokusih Empa015 in
PceGA34, medtem ko smo na lokusu EmpaS14 potrdili le
3 alele (preglednica 2). V Vipavskih brdih smo med 217
drevesi odkrili le 69 različnih genotipov, kar nakazuje na
prisotnost klonov v populaciji. Velikost skupin (število dreves) z enakim genotipom se v Vipavskih brdih giblje med
2 in 21 drevesi (povprečno 6 dreves na genotip). Enak genotip pri dveh drevesih smo odkrili tudi v populaciji Vrhnika. Kljub temu, da na genetsko strukturo populacij divje
češnje vpliva tako generativno kot vegetativno razmnoževanje, smo se pri populacijskih primerjavah odločili, da
Preglednica 1: Glavne značilnosti v analizo vključenih populacij
Table 1: Main characteristics of analysed populations
zap.
št.
populacija
lokacija
število
dreves
velikost
ploskve
gospodarjenost
gozda (da/ne)
nadmorska
višina
1
Vipavska brda
45° 46’ 25’’ N
13° 59’ 31’’ E
217
1,8 ha
ne
360-370
2
Ilirska Bistrica
45° 35’ 20’’ N
14° 13’ 57’’ E
32
55 ha
ne
420-470
3
Vrhnika
45° 58’ 10’’ N
14° 16’ 39’’ E
32
16 ha
ne
320-380
4
Zavrč
46° 23’ 03’’ N
16° 01’ 55’’ E
31
11 ha
da
220-310
65(2013) št. 1-2
3
raziskave in razvoj
Preglednica 2: Raznolikost jedrnih mikrosatelitnih lokusov.
Table 2: Allelic diversity of the nuclear microsatellite loci used in the analysis
parameter
lokus
NA
RA (bp)
A
Ae
HE
FIS
FST
EmpaS02
163
132–148
07
3,548
0.736
–0,001 n.s.
0,035 **
Empa004
163
182–196
07
3,068
0.730
–0,077 n.s.
0,098 ***
Empa005
163
233–260
11
3,159
0.690
–0,112 n.s.
0,023*
EmpaS06
163
204–226
10
3,896
0.753
–0,045 n.s.
0,023*
EmpaS12
163
123–147
06
3,216
0.714
–0,081 n.s.
0,063 ***
EmpaS14
163
198–213
03
2,284
0.538
–0,179 **
0,094 ***
Empa015
163
215–259
16
4,155
0.737
–0,005 n.s.
0,042 ***
UDP98–412
162
111–125
07
3,701
0.746
–0,011 n.s.
0,025*
156
128–167
16
5,359
0.838
–0,061 n.s.
0,017*
0.743
–0,029
0,040
PceGA34
multilokusno
B
eno drevo na genotip; B brez lokusa EmpaS14
(N) število dreves; (RA) razpon dolžine alelov; (A) število vseh alelov; (Ae) efektivno število alelov; (HE) genska diverziteta; (FIS) Wrightov koeficient inbridinga; (FST ) relativno razlikovanje na podlagi alelne identitete. (n.s. P > 0,05; * 0,01 < P < 0,05; ** 0,001 < P < 0,01;
*** P < 0,001)
A
v statistične analize vključimo po eno drevo / genotip. Na
ta način smo zagotovili korektnejšo primerjavo med populacijami ter zmanjšali razlike, ki so posledica drugačnega načina vzorčenja v populaciji Vipavska brda.
Odstopanj od HW ravnotežja pri večini lokusov znotraj
populacij nismo potrdili, izjema je pomanjkanje heterozigotov na lokusih EmpaS12 in EmpaS14 v populaciji Vrhnika in lokusu EmpaS14 v populaciji Zavrč (rezultati niso
prikazani). Analiza ničelnih alelov je pokazala na možno
prisotnost le-teh na dveh lokusih, in sicer na lokusu EmpaS02 v populaciji Vipavska brda in na lokusu EmpaS14 v
populacijah Vrhnika in Zavrč. Na podlagi majhne variabilnosti lokusa EmpaS14 (preglednica 2) in dejstva, da lahko
prisotnost ničelnih alelov bistveno vpliva na izsledke raziskave, smo se odločili za izločitev omenjenega lokusa iz
nadaljnjih populacijskih analiz.
Povprečno število pričakovanih alelov na lokus v sestojih
(Ae) znaša med 2,284 za najmanj variabilen lokus EmpaS14
in 5,359 za najbolj variabilnega PceGA34. To število alelov
(Ae), ki se nanaša na idealno Wright-Fisherjevo populacijo,
je v primerjavi z dejanskim stanjem v populacijah (primerjava med A in Ae) v razmerju med pribl. 1:1 pri lokusu EmpaS14 in 1:4 pri lokusu Empa015. Genetska diverziteta (HE)
je med posameznimi lokusi podobna, izjema je lokus EmpaS14, ki kaže okoli 30 % manj variabilnosti od drugih lokusov (preglednica 2). Z največjo diverziteto rahlo izstopa
lokus PceGA34 (HE = 0,838). Indeks fiksacije (FST ), ki znaša
med 0,017 in 0,098, kaže zmerno variabilnost, medtem ko
4
je indeks inbridinga (FIS) variabilnejši in zavzema vrednosti
med –0,122 in 0,179.
Genetska variabilnost znotraj in med populacijami
Opažena heterozigotnost (HO) je v sestojih visoka in znaša v povprečju 0,742 (preglednica 3). Genetska diverziteta
(HE) na nivoju sestojev pa se giblje med 0,706 v Vipavskih
brdih in 0,756 v Zavrču. V povprečju velja, da je verjetnost,
da sta dva naključno izbrana alela na lokusu iz sestoja različna, 72 odstotna (HE = 0,726).
Skupna genetska variabilnost divje češnje v štirih populacijah je velika (HE = 0,743) (preglednica 2), medtem ko so
razlike med populacijami majhne, vendar značilne (FST =
0,04; G'ST = 0,137; P < 0,05). Majhne med–populacijske razlike se kažejo tudi v visokem številu reproduktivno uspešnih migrantov na generacijo Nm = 5,0.
Analiza 'izolacije kot posledice razdalje' je pokazala, da genetska divergenca med 4 populacijami ni v povezavi z njihovo geografsko oddaljenostjo, saj z Mantelovim testom
nismo uspeli potrditi značilnosti korelacijskega koeficienta (slika 1, Mantelov test: R2 = 0,004; p = 0,41). Z modelom
izolacije kot posledice razdalje je tako pojasnjeno le 0,4 %
celotne variabilnosti.
Razprava
Genetska variabilnost štirih populacij divje češnje, ugotovljena s pomočjo analize jedrnih mikrosatelitskih lokusov,
65(2013) št. 1-2
parameter 
sestoj 
NA
A
HO
HE
FIS
Vipavska brda
69
7,25
0,745
0,706
-0,055 n.s.
Ilirska Bistrica
32
6,25
0,711
0,716
-0,007 n.s.
Vrhnika
31
7,00
0,697
0,728
-0,043 n.s.
Zavrč
31
6,50
0,814
0,756
-0,079 n.s.
povprečje
6,75
0,742
0,726
-0,021 n.s.
SE
0,36
0,019
0,014
-0,060
eno drevo na genotip
(N) število dreves; (A) povprečno število vseh alelov na lokus; (HO) opažena
heterozigotnost; (HE) povprečna pričakovana heterozigotnost; (FIS) Wrightov
koeficient inbridinga, SE standardna napaka. (n.s. P > 0,05; * 0,01 < P < 0,05; **
0,001 < P < 0,01; *** P < 0,001)
A
Preglednica 4: Genetske razdalje med populacijami, prikazane s
FST in G’ST v oklepajih
Table 4: Stand pairwise distances of FST and G’ST in the brackets
Vipavska brda
Ilirska Bistrica
Ilirska Bistrica
0,033* (0,099)
Vrhnika
0,053* (0,163)
0,036* (0,112)
Zavrč
0,037* (0,119)
0,044* (0,148)
Vrhnika
0,039* (0,132)
permutacijski testi (program SPAGeDi; Hardy in Vekemans, 2002) so za vse
parne primerjave pokazali značilne razlike (* P < 0,05)
Slika 1: Razmerje FST / (1 – FST) med pari populacij na logaritemski
skali oddaljenosti
Picture 1: Plot of FST / (1 – FST) ratios against the logarithm of distance among sample populations
65(2013) št. 1-2
je visoka. Število alelov na posameznih lokusih, ki smo jih potrdili v naši raziskavi (preglednica 2), je primerljivo s številom alelov, ki
so jih našli pri divji češnji v drugih podobnih
raziskavah (Vaughan in sod., 2007; Tančeva–
Crmarić in sod., 2011). Podobno kot v obeh
omenjenih raziskavah se je tudi pri nas za
najmanj variabilnega pokazal lokus EmpaS14
s tremi aleli, medtem ko sta bila najvarijabilnejša lokusa Epma015 in PceGA34 s po 16
aleli. Med devetimi lokusi smo le pri dveh
potrdili alele, ki so natančno ustrezali dolžini tandemskih ponovitev. Pojav, kjer dolžine
alelov povsem ne ustrezajo spremembam
številu tandemskih ponovitev, so potrdili tudi
v drugih raziskavah (npr. Westergren, 2010;
Tančeva–Crmarić in sod., 2011), in je posledica posamičnih mutacij (delecij, insercij) na
lokusih (Van Oppen in sod., 2000).
raziskave in razvoj
Preglednica 3: Genetska variabilnost štirih populacij divje češnje
Table 3: Statistics of genetic variation within populations
V vzorcu 312 analiziranih dreves smo odkrili
163 različnih multilokusnih genotipov. Medtem ko imajo v populacijah Ilirska Bistrica in
Zavrč vsa drevesa unikatne genotipe (eno
drevo / en genotip), je v populaciji Vipavska
brda, kjer smo v vzorec vključili vsa drevesa
na ploskvi, kar 177 dreves, ki imajo identičen
multilokusni genotip kot vsaj še en osebek v
istem sestoju. Na Vrhniki smo enak genotip
potrdili pri dveh drevesih. Na podlagi analize
osmih mikrosatelitnih markerjev, kjer je verjetnost, da bi imeli dve naključno izbrani drevesi enak genotip v populacijah, manjša kot
6,80 × 10 –8 in ob dejstvu, da so si vsa drevesa
z identičnim genotipom tudi prostorsko zelo
blizu, lahko z veliko gotovostjo trdimo, da
imamo v populacijah Vipavska brda in Vrhnika drevesa, ki so vegetativnega izvora.
Večina proučevanih lokusov znotraj populacij je v HW ravnotežju. Pomanjkanje heterozigotov smo potrdili le pri lokusih EmpaS12 in
EmpaS14 v populaciji Vrhnika in lokusu EmpaS14 v Zavrču. Na ravni sestojev odstopanj
od HW ravnotežja nismo odkrili, kar je v nasprotju z našo preliminarno raziskavo (Jarni in
sod., 2012). Predhodna raziskava je za Vipavska brda in Vrhniko pokazala na značilna odstopanja od HW ravnotežja, in sicer smo na
Vrhniki zaznali pomanjkanje heterozigotov,
medtem ko smo v Vipavskih brdih potrdili njihov presežek. Pri razširjeni in ponovni analizi,
v katero smo vključili, poleg vseh 131 vzorcev
5
raziskave in razvoj
6
iz prvotne, tudi 181 novih vzorcev, odstopanj od HW ravnovesja na globalni ravni nismo več potrdili. Vzrokov je
najverjetneje več. Kot kaže, je bil prvotno ugotovljeni presežek heterozigotov v Vipavskih brdih posledica majhnega vzorca (število različnih genotipov prvič 11, drugič 69),
medtem ko je v primeru Vrhnika takšnih dejavnikov več.
Kot prvega velja omeniti, da smo zaradi velike verjetnosti
prisotnosti ničelnih alelov iz analize izključili lokus EmpaS14, ki je bil v predhodno analizo še vključen. Napačna
identifikacija ničelnih alelov lahko privede do nepravilne
ocene frekvence alelov in s tem do podcenjevanja heterozigotnosti (Wattier in sod., 1998), kar bi bil lahko razlog
prvotno ugotovljenega pomanjkanja heterozigotov. Drugi vzrok, ki je pripeljal do razhajanj, je uporaba različnih
instrumentov. V primerjavi s prvotno analizo, kjer na posameznih lokusih pri nekaj vzorcih nismo dobili produktov kljub 3× ponovitvam, smo pri ponovni analizi prišli
do produktov praktično pri vseh lokusih in vzorcih. Na ta
način smo prišli do rezultatov, ki so se nekoliko razlikovali
od prvotnih. Na Vrhniki smo na primer pri dveh drevesih
odkrili identičen genotip, posledica je zmanjšanje števila
dreves v analizi (3231). Vsi zgoraj omenjeni vzroki pa so
najverjetneje delovali tudi sinergijsko, tj. v smeri 'korekcije'
prvotno ugotovljenega HW neravnovesja.
nas ne sme voditi samo superiornost posameznih dreves,
temveč je treba nameniti pozornost tudi njihovi enakomerni razporeditvi v sestoju. Z 'enakomernostjo' namreč
preprečujemo pospeševanje celotnih sorodnih skupin
dreves, ki so lahko sicer fenotipsko superiorna, vendar zaradi bližnje sorodnosti vsebujejo manj genetske variabilnosti. To nam lahko pojasni tudi nekoliko večjo genetsko
variabilnost populacije Zavrč, v kateri so drevesa bolj ali
manj enakomerno razporejena v sestoju. To najverjetneje
pomeni, da izhajajo iz večjega genetskega fonda staršev.
Upravičeno lahko domnevamo tudi, da je gozdarjem
uspelo iz osebkov s slabšimi genetskimi zasnovami (op.
v našem primeru slabše genetske zasnove povezujemo z
manj zaželenimi fenotipskimi lastnostmi) vzgojiti tudi nekaj kvalitetnih dreves. Le–to je mogoče, saj lahko visoka
fenotipska plastičnost prekrije genetsko manj determinirane kvantitativne znake, kot so premer, višina in vitalnost
dreves, ki pa imajo v gozdarstvu pomembno vlogo. Na
drugi strani kažeta nekoliko manjšo genetsko variabilnost
populaciji Ilirska Bistrica in Vrhnika, ki sta v nedavni preteklosti nastali z naravnim zaraščanjem večjih površin. Njuna manjša variabilnost bi lahko bila posledica manjšega
genetskega fonda starševskih dreves, in sicer tako po številu dreves kot po njihovi genetski variabilnosti.
Naša raziskava je pokazala, da opažena genetska variabilnost ni bistveno odvisna od velikosti površine vzorčenja.
Do podobnih ugotovitev glede odnosa med velikostjo
populacij in zaznano variabilnostjo so prišli tudi pri breku
(Sorbus torminalis) kjer se je pokazalo, da manjša populacija ne pomeni nujno tudi manjše genetske diverzitete
(Hoebee in sod., 2006). V naši raziskavi smo zasledili največjo variabilnost v populaciji Zavrč (preglednica 3), kjer
smo vzorčili na površini 11 hektarjev, medtem ko sta bili
površini vzorčenja na Vrhniki in Ilirski Bistrici bistveno večji
(16 oz. 55 ha). Izsledki v primeru Zavrča kažejo, da z negovanjem gozda in rednim izbiralnim redčenjem, ki ga
izvajamo skozi ves razvoj sestoja, ne vplivamo bistveno
na njegovo nevtralno genetsko variabilnost. Na podlagi
analiz mikrosatelitskih lokusov Vaughan in sod. (2007)
ugotavljajo, da lahko gojitveni ukrepi, kot je npr. redčenje
pri divji češnji, ohranjajo ali celo povečujejo prostorsko–
genetsko strukturo na krajših razdaljah. Omenjeni trditvi
v prid govori tudi dejstvo, da so nekatere gospodarsko in
ekonomsko pomembne lastnosti kot npr. višinski prirastek, oblikovanost debla, tvorba epikormskih poganjkov,
pod močno genetsko kontrolo (Muranty in sod., 1998;
Jensen, 2000). Odstranjevanje nezaželenih fenotipov lahko vodi do homogenizacije in pospeševanja skupin sorodnih dreves z želenimi lastnostmi, kar se izraža v povečanju prostorsko–genetske strukture sestojev (Vaughan
in sod., 2007). Slednje je še posebej potrebno upoštevati
pri načrtovanju in snovanju semenskih sestojev. Pri tem
Genetske primerjave so pokazale, da so najmanjše razlike med populacijama Ilirska Bistrica in Vipavska brda
(preglednica 4). Ugotovitev je v skladu s pričakovanji, saj
obe izhajata iz submediteranske ekološke regije (Kutnar
in sod., 2002), med vsemi štirimi pa sta si tudi geografsko
najbližji (zračna razdalja med njima znaša 28 km). Nekoliko
manj pričakovano so razlike največje med populacijama
Vipavska brda in Vrhnika, ki sta zračno oddaljeni vsega 32
km, medtem ko so razlike med Zavrčem in drugimi tremi,
od katerih je prvi v povprečju oddaljen 160 km, manjše.
Eden od razlogov za nejasne geografsko pogojene razlike je gotovo velika znotraj populacijska in majhna med
populacijska variabilnost, ki je značilna tudi za druge tujeprašne drevesne vrste (npr. Derory in sod., 2002; Heuertz
in sod., 2004). Razlike zmanjšuje tudi velik pretok genov, ki
ga zagotavljajo živali z raznašanjem semen. Pri divji češnji
bi bila majhna med–populacijska variabilnost lahko povezana z njenim kompleksnim mehanizmom gametofitne
nezdružljivosti, v katerega je vključeno večje število S–alelov (Schueler in sod., 2006). Omenjeni mehanizem bi lahko
preko indirektnega pospeševanja pretoka genov zmanjševal med–populacijske razlike. Na novo prispeli genotipi
z redkimi S–aleli bi lahko imeli v primerjavi s pogostejšimi
in že uveljavljenimi aleli višji fitnes, kar posledično vodi
tudi k zmanjševanju razlik med populacijami (Schueler in
sod., 2006). Uspešnost oz. intenziteta pretoka genov se v
naši raziskavi kaže tudi v visoki oceni števila reproduktivno
uspešnih migrantov na generacijo (Nm = 5,0).
65(2013) št. 1-2
Zahvala
Prispevek je nastal kot del raziskave v okviru doktorske
disertacije prvega avtorja, ki jo je delno financirala Pahernikova uUstanova in delno Javna agencija za raziskovalno
dejavnost RS preko raziskovalnega projekta L4-4091 'Ekološka sanacija naravnih ujm v gozdovih'. Avtorji se zahvaljujemo tudi obema recenzentoma za koristne napotke in
pripombe.
Viri
1. Barton N.H., Slatkin M. (1986) A quasi-equilibrium theory of the
distribution of rare alleles in a subdivided population. Heredity, 56:
409-415
2. Brus R. (2008) Dendrologija za gozdarje. Ljubljana, Univerza v
Ljub­ljani, Biotehniška fakulteta, 408
3. Clarke J.B., Tobutt K.R. (2003) Development and characterization of polymorphic microsatellites from Prunus avium ‘Napoleon’.
Mol Ecol Notes, 3: 578-580
4. De Cuyper B., Sonneveld T., Tobutt K.R. (2005) Determining
self-incompatibility genotypes in Belgian wild cherries. Mol Ecol,
14: 945-955
5. Derory J, Mariette S, Gonzalés-Martínez SC, Chagné D, Madur D, Gerber S., Brach J., Persyn F., Ribeiro M.M., Plomion C.
(2002) What can nuclear microsatellites tell us about maritime
pine genetic resources conservation and provenance certification
strategies? Ann For Sci, 59: 699–708
6. Excoffier L., Laval G., Schneider S. (2005) Arlequin ver. 3.0:
An integrated software package for population genetics data
analysis. Evol Bioinformatics Online, 1: 47-50
7. Hardy O.J., Vekemans X. (2002) SPAGeDi: a versatile computer
program to analyse spatial genetic structure at the individual or
population levels. Mol Ecol Notes, 2: 618-620
8. Hedrick P.W. (2005) A standardized genetic differentiation measure. Evolution, 59: 1633-1638
9. Heuertz M., Hausman J.F., Hardy O.J., Vendramin G.G., Frascaria-Lacoste N., Vekemans X. (2004) Nuclear microsatellites
reveal contrasting patterns of genetic structure between western
and southeastern European populations of the common ash
(Fraxinus excelsior L.). Evolution, 58: 976-988
10. Hoebee S.E., Menn C., Rotach P., Finkeldey R., Holderegger R.
(2006) Spatial genetic structure of Sorbus torminalis: The extent of
clonal reproduction in natural stands of a rare tree species with a
scattered distribution. For Ecol Manage, 226: 1-8
11. Jarni K., De Cuyper B., Brus R. (2012) Genetic variability of wild
cherry (Prunus avium L.) seed stands in Slovenia as revealed by nuclear microsatellite loci. PLoS One 7, 7: e41231. doi: 10.1371/journal.
pone.0041231
12. Jensen J.S. (2000) Provenance variation in phenotypic traits in
Quercus robur and Quercus petraea in Danish provenance trials.
Scand J For Res, 15: 297-308
65(2013) št. 1-2
13. Jolivet C., Höltken A.M., Liesebach H., Steiner W., Degen B.
(2011) Spatial genetic structure in wild cherry (Prunus avium L.): I.
variation among natural populations of different density. Tree Genet Genomes, 7: 271-283
14. Kobliha J. (2002) Wild cherry (Prunus avium L.) breeding program
aimed at the use of this tree in the Czech forestry. J For Sci, 48:
202-218
15. Kutnar L., Zupančič M., Robič D., Zupančič N., Žitnik S., Kralj
T., Tavčar I., Dolinar M., Zrnec C., Kraigher H. (2002) Razmejitev
provenienčnih območij gozdnih drevesnih vrst v Sloveniji na osnovi ekoloških regij. Zb Gozd Lesar, 67: 73-117
16. Muranty H., Schermann N., Dufour J. (1998) Genetic parameters estimated from a wild cherry diallel: consequences for breeding. Silvae Genet, 47: 249-257
17. Nicetti M., Brunetti M., Ducci F., Romagnoli M., (2008) Woodd
characterization of clones selected for valuable timber production: the case study of Italian wild cherry. Noble Hardwood species
for rural development: Improvement of agro-environment and
timber production. Orvieto, Italy: 29-38
18. Peakall, R., Smouse P.E. (2012) GenAlEx 6.5: genetic analysis in
Excel. Population genetic software for teaching and research-an
update. Bioinformatics, 28: 2537-2539
19. Rousset F. (1997) Genetic differentiation and estimation of gene
flow from F – statistics under isolation by distance. Genetics, 145:
1219-1228
20. Rousset F. (2008) Genepop’007: a complete re-implementation
of the genepop software for Winows and Linux. Mol Ecol Resour,
8: 103-106
21. Russell K. (2003) EUFORGEN Technical Guidelines for genetic
conservation and use for wild cherry (Prunus avium). International
Plant Genetic Resources Institute, Rome, Italy, 6
22. Schueler S., Tusch A., Scholz F. (2006) Comparative analysis of
the within-population genetic structure in wild cherry (Prunus avium L.) at the self-incompatibility locus and nuclear microsatellites.
Mol Ecol, 15: 3231-3243
23. Tančeva-Crmarić O., Štambuk S., Šatović Z., Kajba D. (2011)
Genotipska raznolikost divje trešnje (Prunus avium L.) u dijelu prirodne razprostranjenosti u Hrvatskoj. Šumar lList, 85: 543-555
24. Van Oosterhout C., Hutchinson W.F., Wills D.P.M., Shipley P.
(2004) MICRO-CHECKER: software for identifying and correcting
genotyping errors in microsatellite data. Mol Ecol Notes, 4: 535-538
25. Van Oppen M.J.H., Rico C., Turner G.F., Hewitt G.M. (2000)
Extensive homoplasy, nonstepwise mutations, and shared ancestral polymorphism at a complex microsatellite locus in Lake Malawi cichlids. Mol Biol Evol, 17: 489-498
26. Vaughan S.P., Russell K. 2004. Characterization of novel microsatellites and development of multiplex PCR for large-scale population studies in wild cherry, Prunus avium. Mol Ecol Notes, 4:
429-431
27. Vaughan S.P., Cottrell J.E., Moodley D.J., Connolly T., Russell
K. (2007) Distribution and fine-scale spatial-genetic structure in
British wild cherry (Prunus avium L.). Heredity, 98: 274-283
Vekemans X., Hardy O.J. (2004) New insights from fine-scale spatial
genetic structure analyses in plant populations. Mol Ecol, 13: 921935
28. Wattier R., Engel C.R., Saumitou-Laprade P., Valero M. (1998)
Short allele dominance as a source of heterozygote deficiency at
microsatellite loci: experimental evidence at the dinucleotide locus Gv1CT in Gracilaria gracilis (Rhodophyta). Mol Ecol, 7: 1569-1573
29. Westergren M. (2010) Razvoj in praktična uporaba baz molekularnih podatkov v gozdarstvu. Doktorska disertacija. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, 121
raziskave in razvoj
V splošnem lahko rečemo, da je vzorec genetske variabilnosti pri divji češnji podoben vzorcu, ki je značilen za
dolgoživeče in tujeprašne drevesne vrste (Vekemans in
Hardy, 2004; Derory in sod., 2002; Heuertz in sod., 2004;
Westergren, 2010). Zanj so značilni velika genetska variabilnost (HE = 0,726), nizka stopnja razmnoževanja v sorodstvu (FIS = –0,029) in majhno med–populacijsko razlikovanje (FST = 0,040; G'ST = 0,137).
7
raziskave in razvoj
Tom LEVANIČ*, Simon POLJANŠEK**
UDK 630* 174.7 Pinus nigra Arnold (234.42)
Rekonstrukcija klime na
Z Balkanskem polotoku in
identifikacija klimatskih
ekstremov s pomočjo
drevesnih branik
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Povzetek: V prispevku predstavljamo rezultate naših raziskav na Balkanskem polotoku s posebnim poudarkom na rekonstrukciji klime. Prikazane so najdaljše kronologije za črni bor (Pinus nigra Arnold) za območje Balkana v tem trenutku (od
415-513 let). Prikazan in razložen je pester klimatski signal v branikah črnega bora, ki sega od preprostega temperaturnega
signala v branikah črnega bora z nižinskih predelov Albanije, preko padavinskega (sušnega signala) v branikah črnega bora
na ekstremnih rastiščih v Romuniji do kompleksnega signala, ki odraža število ur sončnega obsevanja v centralnem delu
Bosne in Hercegovine. Predstavljeni sta dve rekonstrukciji, ena za osrednji del areala črnega bora na Balkanskem polotoku,
s katero rekonstruiramo število ur sončnega obsevanja za 351 let nazaj in druga, za severo-vzhodni del areala črnega bora,
kjer rekonstruiramo sušo za 323 let v preteklost. Obravnavana so tudi ekstremna leta, ki so pogojena s klimo in vulkanskimi
izbruhi.
Ključne besede: črni bor, rekonstrukcija klime, dendrokronologija, klimatske spremembe
8
Abstract: In this paper, we review recent research conducted on the Balkan Peninsula with a particular focus on the reconstruction of the climate. Presented are the longest chronologies of black pine (Pinus nigra Arnold) for the Balkan Penninsula at
the moment (spanning from 415 to 513 years). Displayed and interpreted is diverse climatic signal in the growth rings of black
pine, ranging from simple temperature signal in the growth rings of black pines in the lowlands of Albania, through precipitation signal (drought signal) in the growth rings of black pine in extreme sites in Romania, to a complex signal which reflects
the number of sunshine hours in the central part of Bosnia and Herzegovina. Presented are two reconstructions, one for the
central part of the distribution range of the black pine in the Balkan Penninsula, which reconstructs the number of sunshine
hours for 351 years in the past and the other for the northeastern part of the areal of the black pine, where we reconstructed
drought for 323 years in the past. We discuss extreme years which are a consequence of climate and volcanic eruptions.
Key words: Pinus nigra, climate reconstruction, dendrochronology, climate change
Uvod
Balkanski polotok (v nadaljevanju Balkan) je 760.000 km2
veliko območje, ki se nahaja na skoraj idealni linji sever –
jug. Za to področje je značilna pestra klimatska slika, saj se
* dr., Gozdarski inštitut Slovenije, Oddelek za prirastoslovje in gojenje gozda, Večna
pot 2, SI-1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
**dr., Gozdarski inštitut Slovenije, Oddelek za prirastoslovje in gojenje gozda, Večna
pot 2, SI-1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
tu prepletata dva velika klimatska sistema – mediteranski
in kontinentalni. Zahodni del Balkana, ki je v centru naših
raziskav, je zelo hribovito območje (posamezni vrhovi segajo prek 2500 m v višino), glavni gorski grebeni tečejo
vzporedno z Jadranskim morjem in predstavljajo mogočno orografsko pregrado, kjer ob dviganju vlažnih in toplih
zračnih mas iz Mediterana prihaja do obilnih padavin (na
nekaterih predelih celo prek 3000 mm padavin letno) –
(Zaninović in sod., 2008).
65(2013) št. 1-2
Slika 1: Balkanski polotok zajema del Slovenije, Hrvaške
in Srbije , celotno Bosno in Hercegovino, Črno Goro,
Albanijo, Grčijo ter dele Romunije in Bolgarije (vir: https://
en. wikipedia.org/wiki/Balkans).
Scenariji mednarodnega odbora za klimatske spremembe
(IPCC) napovedujejo precejšen dvig temperatur in upad padavin na območju celotnega mediteranskega bazena. To je nadvse zaskrbljujoča napoved, saj je Mediteran gosto poseljen in
je hkrati močno odvisen o naravnih virov, predvsem vode. Da
se posledice klimatskih sprememb v Mediteranu že kažejo, se
vidi v naraščanju števila gozdnih požarov in vse večjih težavah
pri oskrbi s čisto pitno vodo (Luterbacher in sod., 2006).
Dendroklimatološke raziskave sicer težko odgovorijo na vprašanje, kaj se bo dogajalo v prihodnosti, lahko pa zelo dobro
odgovorijo na vprašanje, kaj se je dogajalo v bližnji in daljni
preteklosti in aktualne (klimatske) razmere postavijo v širši
časovni okvir. Pod širšim časovnim okvirom nimamo v mislih
zadnjih nekaj deset let, ampak prej zadnjih nekaj sto let. Zanimajo nas torej obdobja, ki niso okarakterizirana z eksaktnimi
meteorološkimi meritvami, ampak, če sploh, z dokumentarnimi viri (Camuffo in sod., 2010) oziroma posredno, s t.i. proksi
podatki, ki jih pridobimo s preučevanjem drevesnih branik,
ledenih izvrtkov, analiz kapnikov, vrtin iz šotnih barij in podobnega materiala (glej npr. Levanič, 2012). Širša oziroma daljša
časovna perspektiva je pomembna, saj lahko z njeno pomočjo odgovorimo na nekaj ključnih in za pravilno umeščanje
klimatskih dogajanj pomembnih vprašanj. Najbolj bistveno
vprašanje je prav gotovo - ali je do podobnih dogodkov ali period v preteklosti že prišlo, kako so se na te dogodke odzvale
rastlinske združbe (še posebej drevesa) in ali so za te pretekle
dogodke na razpolago tudi kakšni zgodovinski viri oziroma
65(2013) št. 1-2
Dendrokronološke raziskave v mediteranskem prostoru imajo dolgo tradicijo, kljub temu pa območje
ni tako enakomerno pokrito z rekonstrukcijami kot
bi si želeli. Iz zgodovinskih razlogov je zelo dobro
pokrit mediteranski del Francije, Španije in Italije,
kjer so dendrokronologi že v 60. in 70. letih opravljali dendroklimatološke raziskave (Martinelli, 2004),
ostali predeli Mediterana pa so bili do nedavnega
slabo ali pa sploh niso pokriti. Tako so v severni Afriki šele v 90. začeli s sistematičnimi raziskavami (Touchan in Hughes, 1999), podobno je bilo v Turčiji,
Siriji, Libanonu, Jordaniji, Grčiji in na Cipru (Touchan
in sod., 2005; Sevgi in Akkemik, 2007; Touchan in
sod., 2007; Touchan in sod., 2008). Balkanski polotok,
še posebej pa zahodni del Balkana, ki tudi spada v
mediteransko območje, pa je bil popolnoma prezrt,
saj razen nekaj dendrokronoloških študij slovenskih
znanstvenikov (Accetto, 1979) za področje Z Balkana sploh ni bilo objavljenih del. Situacija je nekoliko
boljša v Bolgariji (Panayotov in sod., 2010) in Romuniji (Popa in Kern, 2009), kjer že od poznih 90ih delujejo skupine dendrokronologov iz teh držav,
sodelujejo pa tudi z raziskovalci iz Švice in Nemčije.
Albanija, nekoliko pozabljena mediteranska država,
pa je v središču raziskav od leta 2008 dalje, ko smo
tam izvedli prve raziskave na črnem boru (Levanič in
Toromani, 2010) in muniki (Seim in sod., 2010).
raziskave in razvoj
dokazi? Dendrokronološka analiza se je v poplavi
najrazličnejših analiz pokazala kot zelo primerna,
saj lahko ponudi odgovore na vprašanja o pretekli
klimi z letno ločljivostjo, osnovne dendrokronološke metode (analiza širin branik) pa so tudi cenovno
sprejemljive in relativno enostavne; vendar tudi bolj
omejene kot kompleksnejše dendrokronološke metode (npr. rentgenska densitometrija in ugotavljanje
razmerja stabilnih izotopov v branikah).
Leta 2007 smo se na Gozdarskem inštitutu odločili
zapolniti to vrzel, zato smo pričeli s sistematičnim
vzorčenjem ekstremnih rastišč vzdolž dinarske gorske verige, od Slovenije do Albanije (Poljanšek in
sod., 2012; Levanič in sod., 2013; Poljanšek in sod.,
2013). Iz širšega nabora drevesnih vrst smo se, po
skrbnem premisleku, odločili za drevesno vrsto, ki s
svojo trdoživostjo in velikim prilagoditvenim potencialom uspešno raste na rastiščih Z Balkana – črni
bor (Pinus nigra Arnold). Ker smo si za cilj zastavili
predvsem dolge rekonstrukcije klimatskih parametrov, smo se odločili za vzorčenje na ekstremnih rastiščih, torej na višjih nadmorskih višinah, na južnih
ekspozicijah, plitvih tleh in na dobro odcednih podlagah (apnenec, dolomit).
9
raziskave in razvoj
Cilji
Ker je pot do dolgih rekonstrukcij dolga in zapletena, smo
si postavili še nekaj dodatnih, etapnih ciljev, katerih skupni namen je usmeritev h končnemu cilju – rekonstrukciji
klime za področje zahodnega Balkana za najmanj 500 let.
Etapni cilji so bili naslednji:
`` Vzpostaviti mrežo kvalitetnih, dolgih in dobro pokritih
lokalnih kronologij – kvalitetne kronologije so osnova
vseh rekonstrukcij, v prvi vrsti smo želeli predvsem kronologije širin branik (kjer se hitro pokaže, katero rastišče
ima večji potencial), ki jih je relativno enostavno sestaviti in nudijo dobro izhodišče za poglobljene raziskave.
Tu smo predvsem sledili cilju pokrivanja čim večjega
območja s čim bolj pestro klimo.
`` Preučiti klimatski signal na različnih rastiščih in na različnih nadmorskih višinah - po podatkih iz literature je
znano, da v Alpah in na višjih nadmorskih višinah igra
ključno vlogo temperatura, ki definira dolžino rastne
periode, v bolj vročih predelih (npr. severna Afrika) pa
igrajo ključno vlogo v rasti dreves padavine. Za zahodni
Balkan ni bilo informacij, vendar smo zaradi obilice padavin predpostavljali, da bo imela ključno vlogo predvsem temperatura.
`` Preveriti stabilnost klimatskega signala v širinah branik
v prostoru in času – stabilnost klimatskega signala v
času je ključna, to je tudi ena od osnovnih predpostavk
dendrokronologije. Različne študije so namreč pokazale, da je povezanost proksi podatka (v našem primeru
širin branik) in klime lahko v nekem obdobju odlična, v
drugih pa ne. Če tega v konkretni analizi ne preverimo,
lahko rekonstrukcija ne pokaže realne situacije, rezultat
rekonstrukcije je najmanj slab, če že ne popolnoma napačen.
`` Narediti dolge rekonstrukcije ključnih klimatskih parametrov za Balkanski polotok in identificirati ekstremne
dogodke – dolge rekonstrukcije so ključne za umeščanje aktualnih klimatskih nihanj v širši časovni kontekst
in odgovore na ključna vprašanja glede klimatskih sprememb. Dolge rekonstrukcije dajejo tudi boljši vpogled
v nihanja klime, glede na to da se klima, kljub nekaterim drugačnim trditvam, spreminja relativno počasi.
Material in metoda
Lokacije in razvoj kronologij
Vzorčili smo na 20 lokacijah vzdolž Dinarskega gorstva v
Sloveniji, na Hrvaškem, v Bosni in Hercegovini, Črni gori
in Albaniji ter na Z koncu Karpatov v Romuniji. Vzorčenje
Slika 2: Lokacije vzorčnih ploskev za črni bor na Balkanskem polotoku (avtor: Tom Levanič, kartna podlaga
ESRI ArcInfo)
10
65(2013) št. 1-2
Primerljivost rezultatov med različnimi lokacijami je terjala poenoten način vzorčenja, priprave in obdelave podatkov. Zato smo na vseh lokacijah vzorčili po enaki shemi.
Na vsaki lokaciji smo odvzeli dvojne izvrtke, na prsni višini
z najmanj 20 dreves.
Za razvoj kronologij smo uporabili odrasla dominantna
in ko-dominantna drevesa črnega bora z nepoškodovanimi debli in brez vidnih / velikih poškodb krošnje. Ker je
na celotnem področju Balkana pridobivanje smole zelo
popularna dejavnost, nismo vzročili debel z vidnimi znaki
smoljarjenja. Iz vsakega debla črnega bora smo vzeli po
dva izvrtka pravokotno na padnico, da smo se izognili pojavu kompresijskega lesa. V redkih primerih zaradi različnih razlogov, največkrat težke dostopnosti, nismo mogli
odvzeli dveh izvrtkov, zato je bil odvzet en sam izvrtek.
Skupno smo vzorčili preko 500 dreves.
Izvrtke smo nato prenesli v laboratorij, kjer smo jih najprej
posušili, nato pa vlepili v nosilce in zbrusili do visokega
sijaja. Vzorce smo nato poskenirali s sistemom ATRICS
(Levanič, 2007), nato pa izmerili širine branik v programu
WinDendro z natančnostjo 0,01 mm. Vizualno in statistično sinhronizacijo in datacijo smo opravili v programu
PAST-4. Vse sinhronizirane krivulje pa so bile naknadno
preverjene še v programu COFECHA (Holmes, 1983). Zaporedja širin branik, ki so padla na kontroli kvalitete, so
bila ponovno izmerjena, prekontrolirana in izločena iz nadaljnjih obdelav, če se je izkazalo, da se jih nikakor ne da
umestiti v kronologijo.
Zaporedja širin branik smo pred nadaljnjimi izračuni standardizirali. Standardizacija iz časovne vrste odstrani tiste
komponente časovne vrste, ki niso posledica klimatskih
dejavnikov – to so starostni trend in dejavniki bližnje in
daljne okolice, ki niso vezani na spreminjanje klime (Cook,
1985). Za standardizacijo se uporablja program ARSTAN
(verzija ARS41d_xp) (Cook in Holmes, 1999). Vsako zaporedje širin branik smo najprej transformirali, da so se vrednosti porazdeljevale približno normalno in da smo stabilizirali varianco, temu je sledila standardizacija z relativno
togimi kubičnimi zlepki dolžine 76 % (glede na dolžino
standardizirane kronologije), ki ohranjajo 50 % variabilnosti standardiziranih podatkov (Cook in Briffa, 1990). Rezultat standardizacije je indeksna kronologija (ali kronologija
ostankov), ki jo potem dodatno še modificiramo z avtoregresivnim modeliranjem in ponderirano aritmetično
sredino, da dobimo robustno rezidualno kronologijo z
odstranjenimi učinki ekstremnih vrednosti (t.i. outliers)
(Cook in Peters, 1997).
65(2013) št. 1-2
Primernost kronologij za rekonstrukcijo klime smo ocenili
s pomočjo dveh kriterijev (Wigley in sod., 1984) – izraženega populacijskega signala ali EPS (an. Expressed Population Signal) in dolžine kronologije, primerne za rekonstrukcijo klime ali SSS (an. Subsample Signal Strength).
EPS je absolutna mera napake kronologije, ki pove, kako
dobro neka kronologija, ki temelji na relativno majhnem
številu dreves, predstavlja populacijo oz. populacijski odziv celotne populacije (Cook in Kairiukstis, 1990). EPS zavzema vrednosti med 0 in 1 in vrednosti večje od 0,85 so
dovolj velike, da lahko trdimo, da ima naš vzorec dreves
v branikah skupen, klimatski signal. Za razliko od EPS pa
nam SSS pove, kako daleč v preteklost lahko rekonstruiramo določen klimatski podatek, SSS je namreč točka na
kronologiji, kjer drseča EPS vrednost pade pod kriterialno
vrednost 0,85 (Wigley in sod., 1984; Briffa in Jones, 1990).
raziskave in razvoj
v Romuniji je dopolnjevalo sliko odziva črnega bora na
klimo, kajti dinarsko gorstvo predstavlja osrednji areal
črnega bora na Balkanu, Z del Karpatov pa skrajni severovzhodni rob areala.
Klimatski podatki
Klimatski podatki so ključen element vsake rekonstrukcije. Skupaj s širinami branik jih uporabimo za kalibracijo
in verifikacijo modela med klimo in širinami branik. Kot
vir klimatskih podatkov se večinoma uporabljajo podatki z meteoroloških postaj, ki so blizu lokacijam vzorčenja.
Problem nastane, ko ugotovimo, da število meteoroloških postaj in dolžina spremljanja klimatskih parametrov
zelo hitro upade, ko se začnemo oddaljevati od centralne Evrope. Tako za področje Z Balkana ni na voljo zadostnega števila dolgih meteoroloških nizov, le tisti iz večjih
mest, ki pa za naše potrebe niso ustrezni oz. jih lahko, zaradi lokalne klime, uporabimo le pogojno.
Zaradi tega največkrat posežemo po t.i. »gridanih« meteoroloških podatkih, ki jih generirajo na Climate Research
Unit – CRU v Angliji. Za potrebe rekonstrukcije klime na Z
Balkanu smo uporabili verzijo podatkov CRU TS 3.1, ki obsega podatke o padavinah in temperaturi od 1901 – 2009
in ima gostoto mreže 0.5° x 0.5° (Mitchell in Jones, 2005).
Pred uporabo smo podatke vedno preverili in primerjali z
obstoječimi lokalnimi meteorološkimi nizi, kjer smo ugotavljali, ali so si nizi dovolj podobni, da jih lahko uporabimo
za modeliranja odvisnosti med klimo in širino branike. Včasih se tekom analize pokaže, da samo osnovni meteorološki podatki, kot npr. povprečna mesečna temperatura ali
mesečna količina padavin ne pojasnijo dovolj variabilnosti
širin branik, zato se lahko odločimo za izračun izpeljanih
kazalcev, npr. sušnih ali padavinskih indeksov. To smo storili
za območje Romunije, kjer smo namesto mesečne količine
padavin raje uporabili standardizirani padavinski indeks.
Rekonstrukcija klime
Rekonstrukcijo klime smo izvedli po korakih. Prvi korak je
bil izračun korelacijskih koeficientov po metodi Bootstrap
11
raziskave in razvoj
za obdobje 1901-2009, hkrati smo testirali
mesečne vrednosti za temperature in padavine in različne kombinacije mesečnih
vrednosti le-teh parametrov, vse z namenom, da najdemo pravo kombinacijo, ki
pojasni največji odstotek variabilnosti širin
branik. Preverili smo tudi izvedene indekse, npr. standardiziran padavinski indeks
s koraki 1-, 3-, 6- in 12-mesecev.
S pomočjo programa KNMI Climate
Explorer (van Oldenborgh, 1999; Trouet in
van Oldenborgh, 2013), ki izračuna korelacijo med kronologijo in posamezno točko
mreže meteoroloških podatkov, smo izračunali prostorsko moč oz. obseg klimatskega signala v kronologiji - večji ko je obseg signala, bolj regionalna je kronologija
in obratno. Model med klimo in širinami
branik je načeloma enostaven linearni
model, ki pa ga moramo pred uporabo za
rekonstrukcijo še preveriti v kalibracijskoverifikacijskem postopku. To storimo tako,
da celotno obdobje razpoložljivih meteoroloških podatkov razdelimo na pol,
potem pa model na eni polovici kalibriramo, na drugi pa verificiramo. Ključna v
postopku kalibracije in verifikacije sta dva
kazalnika – Reduction of Error (RE) in Coefficient of Efficiency (CE), prvega je uvedel Fritts (1976), drugega pa Cook (1994).
Oba parametra imata zalogo vrednosti od
–∞ do 1 in vse vrednosti večje od 0 pomenijo, da je model dovolj dober, da ga
lahko uporabimo za rekonstrukcijo klime.
Vse izračune smo opravili s statističnim
paketom R in knjižnicami BootRes (Zang,
2009), DendroStat (Levanič, neobjavljeno)
in dplR (Bunn, 2008), razen standardizacije,
za katero smo uporabili program ARSTAN.
ekstremnih rastiščih, tam smo sestavili lokalne kronologije, dolge med
415 (Črna gora) in 513 (Albanija) leti. V splošnem ugotavljamo, da je podobnost med kronologijami dobra, vendar opažamo, da se najbolje ujemajo sosednje kronologije. Tako se kronologija iz Slovenije dobro ujema
s Hrvaškimi kronologijami, zelo slabo pa z BiH, Črno Goro in Albanijo.
Podobno se dobro medsebojno ujemajo kronologije iz BiH, Črne Gore
in Albanije, slabše pa se le-te kronologije ujemajo s tistim s severa areala
(Slovenija in Hrvaška, zaradi kratke dolžine nista prikazani na sliki 3). Kronologija iz Z Romunije se dobro ujema s kronologijami iz centra areala
– BiH in Črna gora in slabše s tistimi s severa in juga – slika 3. Kadar se
kronologije ujemajo na način, da »verižijo«, pomeni da imamo prisoten
gradient, ki je lahko bodisi temperaturni, padavinski ali višinski.
Rezultati in diskusija
Klimatski signal in regionalni značaj signala
Regionalne kronologije
Za področje Z Balkana in Romunije smo
razvili 20 lokalnih kronologij črnega bora.
Dolžina kronologij je med 112 in 513 leti.
Najkrajša kronologija črnega bora je nastala v Sloveniji – samo 112 let (čeprav je v
nastajanju že daljša), najdaljša pa v Albaniji
– 513 let. Najstarejša drevesa smo našli v
centru areala (BiH, Črna gora, Albanija) na
12
Slika 3: Primerjava regionalnih kronologij črnega bora za Bosno
in Hercegovino, Črno Goro, Albanijo in Romunijo – kronologije so
na Y-osi vertikalno zamaknjene zaradi boljše preglednosti.
Klimatski signal v branikah črnega bora je raznolik. Ugotavljamo, da je
v centru areala klimatski odziv drugačen kot na južnem in vzhodnem
robu. Raziskave (Levanič in Toromani, 2010; Levanič in sod., 2013; Poljanšek in sod., 2013) so pokazale, da v centru areala igra ključno vlogo število
sončnih dni v juniju in juliju. Vpliv je negativen, več ko je sončnih dni, ožja
je branika – Slika 4A. Čeprav so bile korelacije z nadpovprečnimi mesečnimi temperaturami značilne, pa fiziološko ta korelacija ni smiselna, saj
temperature na višjih nadmorskih višinah niso dejavnik, ki bi zaviral rast,
ampak dejavnik, ki rast spodbuja. Na vzhodnem robu areala, kjer je količina padavin relativno majhna, igra ključno vlogo v rasti črnega bora koli-
65(2013) št. 1-2
Rekonstrukcija in identifikacija ekstremnih klimatskih dogodkov
raziskave in razvoj
najbolje korelira na daleč največjem območju (slika 5C),
temu signalu sledi sušni signal v branikah črnega bora,
kjer je prostorski obseg signala nekoliko manjši kot v Bosni in Hercegovini ter je skoncentriran bolj na Z Romunijo
ter dele Srbije in Bolgarije (Slika 5B). Temperaturni signal v
branikah črnega bora v Albaniji pa je regionalno skoncentriran predvsem na področje Albanije, severne Grčije, deloma pa sega tudi preko Makedonije do Bolgarije in Srbije,
ter na severu do Bosne in Hercegovine (Slika 5A).
Na osnovi postavljenih modelov smo izdelali dve rekonstrukciji – s prvo smo rekonstruirali število ur sončnega
obsevanja in identificirali (nekatere) večje vulkanske izbruhe, ki so zaradi velikih količin vulkanskega prahu vplivali
na intenziteto sončnega obsevanja in s tem na rast dreves na področju Bosne in Hercegovine (Poljanšek in sod.,
2013) – slika 6A, z drugo rekonstrukcijo pa smo rekonstruirali 3-mesečni avgustovski SPI za področje JZ Romunije
in identificirali ekstremno suha in vlažna leta (Levanič in
sod., 2013) – slika 6B. Rekonstrukcija poletnih temperatur
za širše območje Albanije je še v nastajanju.
Leta, ki po svojih vremenskih značilnostih izrazito odstopajo od dolgoletnega povprečja so tista, ki ključno vpliSlika 4: Povezava med širino branike črnega
bora in različnimi klimatskimi parametri na
Balkanu, A – odziv na število ur sončnega obsevanja, B – odziv na količino padavin prikazano
za 3-mesečni standardizirani padavinski indeks
in C – odziv na povprečne mesečne temperature. Na grafu A pomeni JJ kombinacijo števila
ur sončnega obsevanja v juniju in juliju.
čina padavin v rastni sezoni – od junija do avgusta. To
povezavo smo najbolje ponazorili s standardiziranim
padavinskim indeksom (SPI); od vseh možnih kombinacij je 3-mesečni SPI v avgustu najbolje pojasnil variiranje širin branik in nam omogočil prek 300-letno
rekonstrukcijo suše v JZ Romuniji – Slika 4B. Na jugu
areala črnega bora (v Albaniji) je odziv na klimo povezan predvsem z odzivanjem borov na nadpovprečne
temperature v obdobju od junija do julija. Pričakovali
smo sicer, da bo vpliv padavin bolj izrazit, vendar ni,
kajti kljub izrazitemu poletnemu padavinskem minimumu vzdolž Jadranske obale je očitno temperatura
tista, ki definira širino branike – Slika 4C.
Prostorska analiza jakosti signala vseh treh modelov
je pokazala, da je število sončnih ur dejavnik, ki daleč
65(2013) št. 1-2
Slika 5: Prostorska korelacija med klimatskimi parametri CRU mreže in indeksiranimi regionalnimi kronologijami za Albanijo (A), Romunijo (B) ter Bosno in Hercegovino (C)
13
raziskave in razvoj
pridelku, kar je imelo za posledico lakoto in
katastrofalne družbene posledice. Tambora
ni bil edini vulkan, ki je pustil svoj »podpis«
v drevesnih branikah, tudi Etna in Vezuv sta v
branikah pustila svoj »podpis«, res pa je, da je
vpliv teh dveh vulkanov bolj lokalen, in je viden samo v rekonstrukciji števila ur sončnega
obsevanja v Bosni in Hercegovini, ne pa tudi
v rekonstrukciji suše za področje Z Romunije.
Slika 6: A – rekonstrukcija števila ur sončnega obsevanja in
identifikacija ekstremnih let ter ujemanje (nekaterih) večjih
vulkanskih izbruhov z manjšim številom ur sončnega obsevanja
za področje Bosne in Hercegovine (Poljanšek et al., 2013) in B –
rekonstrukcija suše in identifikacija ekstremnih let za Z Romunijo (Levanič et al., 2013).
vajo na rast dreves. To se kaže bodisi v širini branike, gostotnem profilu
branike (npr. manjka kasni les), razmerju stabilnih izotopov ali v anatomski strukturi. Z rekonstrukcijo lahko ekstremne klimatske razmere identificiramo in opišemo. Tako smo s pomočjo rekonstrukcije sončnega
obsevanja na področju Bosne in Hercegovine rekonstruirali za rast bolj
in manj ugodna leta. Leta z večjim številom ur sončnega obsevanja so
leta, ki so po vsej verjetnosti tudi nadpovprečno topla in suha. Tako npr.
je leto 1946 na območju Bosne in Hercegovine rekonstruirano kot nadpovprečno jasno leto (kar pomeni toplo in suho), v rekonstrukciji s področja JZ Romunije pa je bilo to leto identificirano kot ekstremno suho.
Podobno velja za leti 1725 in 1782, ki sta bili v Romuniji identificirani kot
izjemno suhi, v Bosni pa rekonstruirani kot izjemno sončni. Pomembno je še, da smo s pomočjo dendroklimatoloških metod rekonstruirali
in identificirali leti 1725 in 1782, ki sta bili dosedaj v Romuniji neznani
(omenjali jih niso niti dokumentarni viri), na Slovaškem in Madžarskem
pa sta bili identificirani in opisani (Kiss, 2009; Büntgen in sod., 2010) .
Intenziteta sončnega obsevanja je tesno povezana tudi s količino aerosolnih delcev v zraku in vulkani so tisti, ki lahko ključno vplivajo na
količino aerosolov v atmosferi in na intenziteto sončnega obsevanja na
merilnih postajah (Briffa, 2000). Tako na primer je leto 1816/17 znano kot
»leto brez poletja« in je posledica izbruha vulkana Tambora v Indoneziji,
ki velja za največji vulkanski izbruh v zadnjih 200 letih. V času izbruha
je v atmosfero prišlo prek 100 km3 pepela, ki se je dvignil visoko v atmosfero, zato je bil vpliv izbruha planetaren in se je kazal v padcu globalnih temperatur za 0,4-0,7 °C. V drevesnih branikah je učinek viden
v obliki branike z malo ali nič kasnega lesa; v kmetijstvu pa v slabem
14
Rekonstrukcije klimatskih parametrov na
osnovi drevesnih branik so eno od ključnih
orodij za spoznavanje klime v preteklosti, saj
segajo v obdobja, ko ni na voljo merjenih klimatskih podatkov. Najdaljše rekonstrukcije na
osnovi drevesnih branik so dolge prek 2000
let (Briffa, 2000; Esper in sod., 2012) in niso pomembne samo za identifikacijo ekstremnih
dogodkov v preteklosti, ampak so pomembne tudi za razumevanje in razlago dogodkov,
ki so se in se dogajajo v človeški družbi. Dolge
rekonstrukcije različnih klimatskih parametrov
nam dajejo tudi dober okvir za umeščanje sedanjih sprememb klime in njihovo razumevanje v širšem časovnem kontekstu.
Viri
1. Accetto, M. (1979) Regeneration, growth and development of natural stands of Austrian Pine (Pinus
nigra Arnold) on dolomite - limestone sites of Western Bosnia. Research Reports Forestry and Wood
Technology, no.:17
2. Briffa, K.R. (2000) Annual climate variability in
the Holocene: interpreting the message of ancient
trees. Quaternary Science Reviews 19(1–5), 87-105.
3. Briffa, K.R., Jones, P.D. (1990) Basic chronology
statistics and assessment. In: Cook, E.R. , Kairiukstis, L.A.,(Eds.). Methods of dendrochronology: applications in the environmental sciences. Kluwer
academic publishers, Dordrecht, Boston, London,
pp. 137-152.
4. Bunn, A.G. (2008) A dendrochronology program
library in R (dplR). Dendrochronologia 26(2), 115124.
5. Büntgen, U., Brázdil, R., Frank, D., Esper, J.
(2010) Three centuries of Slovakian drought dynamics. Climate Dynamics 35(2), 315-329.
6. Camuffo, D., Bertolin, C., Barriendos, M., Dominguez-Castro, F., Cocheo, C., Enzi, S., Sghedoni, M., della Valle, A., Garnier, E., Alcoforado,
M.J., Xoplaki, E., Luterbacher, J., Diodato, N.,
Maugeri, M., Nunes, M., Rodriguez, R. (2010)
500-year temperature reconstruction in the Mediterranean Basin by means of documentary data
and instrumental observations. Climatic Change
101(1), 169-199.
7. Cook, E.R. (1985) Time series analysis approach to
tree ring standardization. Dissertation, University
of Arizona, Laboratory of Tree-Ring Research.
65(2013) št. 1-2
65(2013) št. 1-2
ciated high-resolution grids. International Journal of Climatology
25(6), 693-712.
24. Panayotov, M., Bebi, P., Trouet, V., Yurukov, S. (2010) Climate
signal in tree-ring chronologies of Pinus peuce and Pinus heldreichii;
from the Pirin Mountains in Bulgaria. Trees - Structure and Function 24(3), 479-490.
25. Poljanšek, S., Ballian, D., Nagel, T.A., Levanič, T. (2012) A
435-year-long European black pine (Pinus nigra) chronology for
the central-western Balkan region. Tree-Ring Research 68(1), 31-44.
26. Poljanšek, S., Ceglar, A., Levanič, T. (2013) Long-term summer
sunshine/moisture stress reconstruction from tree-ring widths
from Bosnia and Herzegovina. Clim. Past 9(1), 27-40.
27. Popa, I., Kern, Z. (2009) Long-term summer temperature reconstruction inferred from tree-ring records from the Eastern Carpathians. Climate Dynamics 32(7), 1107-1117.
28. Seim, A., Treydte, K., Büntgen, U., Esper, J., Fonti, P., Haska,
H., Herzig, F., Tegel, W., Faust, D. (2010) Exploring the potential
of Pinus heldreichii Christ. for long-term climate reconstruction in
Albania.- In: TRACE - Tree rings in Archaeology, Climatology and
Ecology, Otočec, Slovenija, Helmholtz -zentrum Potsdam, Deutsches Geoforschungszentrum, p. 75-82.
29. Sevgi, O., Akkemik, U. (2007) A dendroecological study on Pinus
nigra Arn. at different altitudes of northern slopes of Kazdaglari,
Turkey. Journal Of Environmental Biology / Academy Of Environmental Biology, India 28(1), 73-75.
30. Touchan, R., Akkemik, Ü., Hughes, M.K., Erkan, N. (2007) MayJune precipitation reconstruction of southwestern Anatolia, Turkey during the last 900 years from tree rings. Quaternary Research
68(2), 196-202.
31. Touchan, R., Hughes, M.K. (1999) Dendrochronology in Jordan.
Journal of Arid Environments 42(4), 291-303.
32. Touchan, R., Meko, D.M., Aloui, A. (2008) Precipitation reconstruction for Northwestern Tunisia from tree rings. Journal of Arid
Environments 72(10), 1887-1896.
33. Touchan, R., Xoplaki, E., Funkhouser, G., Luterbacher, J., Hughes, M., Erkan, N., Akkemik, Ü., Stephan, J. (2005) Reconstructions of spring/summer precipitation for the Eastern Mediterranean from tree-ring widths and its connection to large-scale
atmospheric circulation. Climate Dynamics 25(1), 75-98.
34. Trouet, V., Van Oldenborgh, G.J. (2013) KNMI Climate Explorer:
A web-based research tool for high-resolution paleoclimatology.
Tree-Ring Research 69(1), 3-14.
35. van Oldenborgh, G.J. (1999) KNMI Climate explorer. Koninklijk
Netherlands Meteorologisch Institut (KNMI), no.:
36. Wigley, T.M.L., Briffa, K.R., Jones, P.D. (1984) On the average
value of correlated time series, with applications in dendroclimatology and hydrometeorology. Journal of Climate and Applied
Meteorology 23, 201-213.
37. Zang, C. (2009) BootRes: The bootRes Package for Bootstrapped
Response and Correlation Functions. R package.
38. Zaninović, K., Gajić-Čapka, M., Perčec-Tadić, M., Vučetić, M.,
Milković, J. (2008) Klimatski atlas Hrvatske / CLimate atlas of Croatia 1961-1990., 1971-2000. Hrvatski državni hidrometeorološki zavod, Zagreb, 200 pp.
raziskave in razvoj
8. Cook, E.R., Briffa, K.R. (1990) A comparison of some tree-ring
standardization methods. In: Cook, E.R. , Kairiukstis, L.A.,(Eds.). Methods of Dendrochronology: Applications in the Environmental
Sciences. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Boston, London, pp. 153-162.
9. Cook, E.R., Briffa, K.R., Jones, P.D. (1994) Spatial regression methods in dendroclimatology: a review and comparison of two techniques. International Journal of Climatology 14, 379-402.
10. Cook, E.R., Holmes, R.L. (1999) Program ARSTAN - chronology
development with statistical analysis (users manual for program
ARSTAN). Laboratory of Tree-Ring Research, University of Arizona,
no., 18pp.
11. Cook, E.R., Kairiukstis, L.A.,(Ed.) (1990) Methods of dendrochronology: applications in the environmental sciences. Kluwer
academic publishers, Dordrecht, Boston, London. 394 pp.
12. Cook, E.R., Peters, K. (1997) Calculating unbiased tree-ring indices for the study of climatic and environmental change. The Holocene 7(3), 361-370.
13. Esper, J., Frank, D.C., Timonen, M., Zorita, E., Wilson, R.J.S.,
Luterbacher, J., Holzkamper, S., Fischer, N., Wagner, S., Nievergelt, D., Verstege, A., Buntgen, U. (2012) Orbital forcing of
tree-ring data. Nature Clim. Change 2(12), 862-866.
14. Fritts, H.C. (1976) Tree rings and climate. Academic Press, London,
New York, San Francisco, 567 pp.
15. Holmes, R.L. (1983) Computer-assisted quality control in treering dating and measurement. Tree-Ring Bulletin 43, 69-78.
16. Kiss, A. (2009) Historical climatology in Hungary: Role of documentary evidence in the study of past climates and hydrometeorological extremes. Időjárás 113(4), 315-339.
17. Levanič, T. (2007) ATRICS - A new system for image acquisition in
dendrochronology. Tree-Ring Research 63(2), 117-122.
18. Levanič, T. (2012) Dendrokronologija in njena uporabnost za rekonstrukcijo paleookolja (Dendrochronology and its application in
the reconstruction of the paleoenvironment). In: Andrič, M.,(Ed.)
Dolgoročne spremembe okolja 1. ZRC SAZU, Ljubljana, 25, pp. 6370.
19. Levanič, T., Popa, I., Poljanšek, S., Nechita, C. (2013) A 323-year
long reconstruction of drought for SW Romania based on black
pine (Pinus Nigra) tree-ring widths. International Journal of Biometeorology, 1-12.
20. Levanič, T., Toromani, E. (2010) Austrian pine (Pinus nigra Arnold.) tree-ring width chronology from northeast Albania-preliminary results.- In: TRACE - Tree rings in Archaeology, Climatology
and Ecology, Otočec, Slovenija, Helmholtz -zentrum Potsdam, Deutsches Geoforschungszentrum, p. 104-109.
21. Luterbacher, J., Xoplaki, E., Casty, C., Wanner, H., Pauling,
A., Küttel, M., Rutishauser, T., Brönnimann, S., Fischer, E.,
Fleitmann, D., Gonzalez-Rouco, F.J., García-Herrera, R., Barriendos, M., Rodrigo, F., Gonzalez-Hidalgo, J.C., Saz, M.A.,
Gimeno, L., Ribera, P., Brunet, M., Paeth, H., Rimbu, N., Felis,
T., Jacobeit, J., Dünkeloh, A., Zorita, E., Guiot, J., Türkes, M.,
Alcoforado, M.J., Trigo, R., Wheeler, D., Tett, S., Mann, M.E.,
Touchan, R., Shindell, D.T., Silenzi, S., Montagna, P., Camuffo,
D., Mariotti, A., Nanni, T., Brunetti, M., Maugeri, M., Zerefos,
C., Zolt, S.D., Lionello, P., Nunes, M.F., Rath, V., Beltrami, H.,
Garnier, E., Ladurie, E.L.R., P. Lionello, P.M.-R., Boscolo, R.
(2006) Chapter 1 Mediterranean climate variability over the last
centuries: A reviewDevelopments in Earth and Environmental Sciences. Elsevier, Volume 4, pp. 27-148.
22. Martinelli, N. (2004) Climate from dendrochronology: latest developments and results. Global and planetary change 40, 129-139.
23. Mitchell, T.D., Jones, P.D. (2005) An improved method of constructing a database of monthly climate observations and asso-
15
raziskave in razvoj
Andreja KUTNAR*,**, Janez KRČ***, Nike KRAJNC****,
Mitja PIŠKUR****, Črtomir TAVZES**, Miha HUMAR*** UDK 502.131.1:630*83
Ogljični odtis žaganega lesa
iglavcev iz slovenskih gozdov
Carbon footprint of sawn softwood timber from Slovenian forests
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: V okviru Ciljnega raziskovalnega projekta »Določitev ogljičnega odtisa primarnih lesnih proizvodov« smo izračunali ogljični odtis žaganega lesa iglavcev iz slovenskih gozdov. Ogljični odtis smo izračunali po metodologiji PAS 2050 (2011),
po korakih, ki so zahtevani v standardu. Cilj izračuna ogljičnega odtisa je bil primerjalno in objektivno dokazati okoljsko
prijaznost žaganega lesa iz slovenskih gozdov. Analizirali smo okoljski vpliv »od zibelke do vrat«. Vir kvalitativnih podatkov
so bili javno dostopni podatki, podatki podjetij in raziskovalna dela, predstavljena v diplomskih nalogah, medtem ko smo
emisijske faktorje, povezane z uporabljenimi materiali in energetskimi potrebami pridobili iz baze podatkov Ecoinvent 2.0
(2010). Modeliranje smo izvedli s programsko opremo Simapro. Izračunali smo, da je ogljični odtis 1 m3 vlažnega žaganega
lesa iglavcev 39,8 kg CO2e, medtem ko je ogljični odtis 1 m3 žaganega lesa iglavcev, ki je dostopen v podatkovni bazi Ecoinvent 2.0 (2010), 48,6 kg CO2e. Ta nižji odtis je predvsem posledica prevladujočega specifičnega načina sečnje in spravila lesa
v slovenskih gozdovih.
Ključne besede: ogljični odtis, analiza življenjskega cikla, žagan les, PAS 2050
16
Abstract: Within the framework of the project “Determination of the carbon footprint of primary wood products”, the carbon footprint of sawn softwood from Slovenian forests was calculated. Carbon footprint was calculated according to the
methodology PAS 2050 (2011), following the steps that are required in the standard. The aim of calculating the carbon
footprint was to compare and objectively demonstrate the environmental friendliness of sawn timber from Slovenian forests. The environmental impact was analysed using the “cradle-to-gate” variant. Sources of qualitative data were publicly
available data, information from the industry, and research work presented in graduation theses, while the emission factors
associated with the used materials and the energy requirements were obtained from the database Ecoinvent 2.0 (2010).
Modelling was performed using the Simapro software. The determined carbon footprint of 1 m3 of sawn softwood with 70%
humidity is 39.8 kg CO2e, while the carbon footprint of 1 m3 of sawn softwood, which is available in the database Ecoinvent
2.0 (2010), is 48.6 kg CO2e. The significantly lower footprint is mainly the result of specific logging and harvesting practices in
Slovene forests.
Keywords: carbon footprint, life cycle assessment, sawn timber, PAS 2050
1. Uvod
V razvitem svetu pa tudi v hitro razvijajočih se gospodarstvih tretjega sveta se ljudje, torej potrošniki, vse bolj
zavedajo problema podnebnih sprememb. Zato se pri
nakupih vedno bolj odločajo za izdelke, ki niso le kvalitetni in poceni, ampak tudi okolju čim bolj prijazni. Tudi
* dr., Univerza na Primorskem, Inštitut Andrej Marušič, Muzejski trg 2, Koper
**ILTRA d.o.o., Celovška cesta 268, Ljubljana
*** Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakuteta, Jamnikarjeva 101, Ljubljana
**** Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, Ljubljana
zakonodajalci vse bolj omejujejo škodljive vplive industrij
na okolje, zato njihovo zmanjševanje postaja ključno vodilo pri razvoju podjetij in njihovih izdelkov ter tehnologij.
Sproščanje toplogrednih plinov pa v ekologiji današnjega globaliziranega sveta in v spremenjenih podnebnih
razmerah pomeni pomembno grožnjo, nastalo ravno
zaradi nekontroliranega izpusta toplogrednih plinov v
ozračje, zaradi energetsko ter snovno potratnih svetovnih
industrij. Les je eden redkih naravnih obnovljivih materialov, ki zaradi specifike nastanka v procesu fotosinteze iz
ozračja veže CO2. Les in leseni izdelki v času svoje celotne
65(2013) št. 1-2
Les je v Sloveniji najpomembnejša naravno obnovljiva
surovina. Lesna zaloga je po podatkih Zavoda za gozdove
Slovenije (ZGS) v letu 2011 znašala 334 mio m3. Letno v
Sloveniji v gozdovih priraste 8,3 mio m3 lesa, dejansko pa
jih posekamo 3,9 mio m3 (ZGS, 2012). Razlika v podanih
številkah pove, da premalo izkoriščamo potencial naših
gozdov. Povečati bi morali sečnjo in pospešiti predelavo
lesa, vendar ne zaradi povečanja same sečnje. Šele predelava lesa in uporaba lesnih izdelkov prispeva k ohranitvi
narave in pomeni naravi in človeku prijazno prihodnost,
saj je les obnovljiv in energetsko varčen material, ostanke
pri njegovi predelavi in lesene izdelke, ki se jim je iztekla
življenjska doba, pa lahko uporabimo za pridobivanje
energije. Če ob povečanju poseka ne bi povečali tudi
predelave lesa v izdelke z višjo možno vrednostjo, bi le
še povečali ekonomsko neoptimalno izrabo naših gozdov
in izgubili priložnost za dodano vrednost, ki jo les lahko
nudi nacionalni ekonomiji skozi svojo vrednostno verigo
(predelava, izraba ostankov). Žal se gozdno-lesna proizvodna veriga trenutno sooča s posledicami krize, upadom
obsega gradbenih del, zmanjševanjem števila zaposlenih
v lesni industriji in konkurenco tujih podjetij. Rešitev trenutno neugodnega položaja slovenske lesne industrije
in potreben ukrep za prodor in ohranitev njihove konkurenčnosti na svetovnem trgu je razvoj v smeri izdelkov s
čim manjšim okoljskim vplivom. Večja okoljska sprejemljivost lesnih izdelkov in uporaba slovenskega lesa bi bila
lahko spodbuda za večjo prepoznavnost in konkurenčno
prednost lesnih proizvodov iz domačega lesa.
Veriga dodane vrednosti od gozda do lesnih izdelkov
in obnovljive energije lahko prispeva pomemben delež k trajnostnemu razvoju Slovenije preko trajnostne
rabe pomembnega naravnega vira, ustvarjanja dodane
vrednosti v zaključeni verigi, ohranjanja delovnih mest,
regionalnega razvoja, prispevka k boju proti podnebnim spremembam s skladiščenjem v gozdovih in lesnih
izdelkih, prispevka k ohranjanju biotske raznovrstnosti
ter nadomeščanja fosilnih goriv in materialov z visokim
ogljičnim odtisom. Slovenski gozd in les sta lahko visoko
donosni blagovni znamki za znanje, kreativnost, kakovost
in trajnost s celostno uporabo lesa v vsakdanjem življenju: “živeti z lesom”, “graditi z lesom” in “zelena energija iz
lesa”. Izkoriščanje tega potenciala, z razvojem na znanju
(svetovna odličnost) temelječih proizvodnih verig, bi pripomoglo k bistvenemu izboljšanju slovenskega gospodarstva in družbe v celoti ter predstavljalo pomemben
korak k prehodu Slovenije v nizkoogljično družbo. Tak
razvoj bi bil tudi popolnoma skladen s štirimi »“Europe
2020” (Flagship initiatives« (Innovation Union, A resource-
65(2013) št. 1-2
efficient Europe, An industrial policy for the globalisation
era in Agenda for new skills and jobs)) in bi s tem pomagal
Sloveniji k uresničitvi zavez, danih Evropski komisiji, ter prihodnjih neizogibnih zahtev po trajnostnem razvoju.
V bazah podatkov, kot je Ecoinvent 2.0 (2010), so sicer dostopni podatki o emisijskih faktorjih različnih surovinskih
virov in primarnih lesnih proizvodov, vendar so ti podatki v večini pridobljeni z izračuni na podlagi povprečnih
podatkov iz obratov iz Švice, Nemčije in Združenih držav
Amerike. Domnevamo, da je zaradi manjših transportnih
razdalj in nizkih emisij pri pridobivanju lesa v Sloveniji verjetno ogljični odtis primarnih lesnih izdelkov nižji od konkurenčnih materialov in lesnih izdelkov iz uvoženega lesa
(dolge transportne razdalje). Ta potencialna konkurenčna
prednost slovenskih podjetij v gozdno-lesni proizvodni
verigi ni izkoriščena. Zato je še toliko bolj pomembno, da
se slovenska gozdno-lesna veriga pripravi na prihodnje
zahteve. V literaturi so objavljene številne analize LCA
gospodarjenja z gozdom in primarnih lesnih proizvodov
(Richter 2001, Petersen in Solberg 2005, Puettmann in
Wilson 2005, Rivela in sod. 2006, Werner in Richter 2007,
Tucker in sod. 2009, Cherubini in sod. 2009, Lindholm in
sod. 2010, Neupane in sod. 2010, Oneil in sod. 2010, Puettmann in sod. 2010, Carre 2011, Cherubini in sod. 2011),
vendar se nobena neposredno ne nanaša na slovenske
lesne proizvode.
raziskave in razvoj
življenjske dobe tega plina tudi ne sproščajo v ozračje.
Nasprotno, v njih je ogljik skladiščen (sekvestracija CO2).
Raziskave, ki bi temeljile na mednarodni metodologiji analize življenjskega kroga (Life Cycle Assessment, LCA), so na
področju različnih lesnih proizvodov iz lesa iz slovenskih
gozdov redke. Objektivna analiza okoljskih obremenitev,
ki nastanejo med procesi v gozdarstvu, transportu in
primarni predelavi ter njihova alokacija bi omogočila primerljivost med posameznimi vrstami predelave gozdnih
lesnih sortimentov. Zato smo raziskovalci iz Biotehniške
fakultete UL, Gozdarskega inštituta Slovenije in inštituta ILTRA d. o. o. pripravili projekt »Določitev ogljičnega
odtisa primarnih lesnih proizvodov«, za katerega smo
pridobili financiranje na razpisu Ciljnega raziskovalnega
programa (CRP) »Zagotovimo si hrano za jutri« v letu 2011.
V projektu bomo ovrednotili ogljični odtis primarnih lesnih proizvodov, ki so narejeni iz slovenskega lesa. V tem
članku pa bomo predstavili izračun ogljičnega odtisa žaganega lesa iglavcev.
2. Materiali in metode
Ogljični odtis žaganega lesa iglavcev smo izračunali po
metodologiji PAS 2050 (2011), po korakih, ki so zahtevani v
standardu. Postavili smo si cilj izračuna ogljičnega odtisa –
primerjalno in objektivno dokazati okoljsko prijaznost žaganega lesa iz slovenskih gozdov. Izračunali smo ogljični
odtis 1 m3 žaganega lesa iglavcev in ga primerjali z ogljič-
17
raziskave in razvoj
nim odtisom žaganega lesa iglavcev, ki je podan
v podatkovni bazi Ecoinvent 2.0 (2010) in se uporablja za potrebe metodologije LCA. Cilj izračuna
je bil tudi pridobiti rezultate, ki jih lahko uporabimo za izdelavo predlogov spodbud in ukrepov za
pospeševanje rabe lesnih izdelkov iz slovenskega
lesa na podlagi objektivnih meril okoljskih obremenitev ter izdelavo podlag za promocijo okoljske
primernosti lesnih proizvodov iz slovenskega lesa.
Analizirali smo okoljski vpliv »od zibelke do vrat«,
po stopnjah proizvodnje žaganega lesa, kot so
prikazane na sliki 1. V analizo so bili vključeni gojenje gozdov, sečnja in izdelava hlodovine, spravilo,
transport do žagarskega obrata, poraba elektrike
in energentov v proizvodnji, odpadki ter emisije, Slika 1: Meje sistema za izračun ogljičnega odtisa žaganega
nastale pri proizvodnji žaganega lesa. Podatki o lesa iglavcev.
materialih so bili enostopenjski - življenjske stopnje
pred dobavo materiala nismo analizirali, temveč so bila nji- Faktorje karakterizira (z izjemo CH4) glede na potencial
hova okoljska bremena vključena preko pridobljenih emi- globalnega segrevanja emisij v zrak, pri čemer ne uposijskih faktorjev ali iz obstoječih baz. Analiza ni vključevala števa posrednih vplivov emisij CO, tvorjenja didušikovih
bremen, povezanih z izdelavo opreme (npr. strojev, upo- monoksidov iz dušikovih emisij, ne upošteva oddajajoče
rabljenih v proizvodnji), gradnjo stavb (predvideva se, da sile zaradi emisij NOx, vode, sulfatov … v nižji stratosferi
so le-te obstoječe in njihov obstoj ni pogojen s proizvo- in zgornji troposferi.
dnjo izdelka) in poslovanja vključenih poslovnih subjektov
(npr. poslovnih potovanj, ogrevanja poslovnih prostorov). 3. Rezultati
Podatki, potrebni za izračun ogljičnega odtisa sečnje in
V preglednici 1 in na sliki 2 podajamo podatke virov emispravila lesa so bili pridobljeni iz gozdarskega informacijsij in njihov prispevek k ogljičnemu odtisu 1 m3 žaganeskega sistema, ki ga je oblikoval in ga vzdržuje Zavod za
ga lesa (vlažnost 70 %) iglavcev iz slovenskih gozdov, ki
gozdove Slovenije (Poročilo o gozdovih 2010). Prek dostoznaša 39,8 kg CO2e. Od tega 40 % emisij prispeva poraba
pnih podatkov smo opredelili reprezentativne okoliščine,
električne energije za razrez hlodovine, 37 % pa gojenje,
v katerih se odvija gozdna proizvodnja oz. pridobivanje
sečnjo in izdelavo ter spravilo lesa do gozdne ceste (»hlolesa v Sloveniji. Izbrane so bile tehnologije, ki prevladujejo
dovina«). Transport hlodov iz gozdne ceste do žagarskega
v slovenskih gozdovih. Vir kvalitativnih podatkov kot so
obrata prispeva 15 %. Pri izračunih v podatkovni bazi Ecomasna bilanca, energija, voda, količine in vrste odpadkov,
invent upoštevajo tudi vpliv na okolje, ki ga je povzročila
emisije in transport, so bili javno dostopni podatki, podatgradnja žagarskega obrata. Ker v naši raziskavi nismo oceki podjetij in raziskovalna dela, predstavljena v diplomskih
nalogah, medtem ko smo emisijske faktorje, povezane z
uporabljenimi materiali in energetskimi potrebami, pridobili iz baze podatkov Ecoinvent 2.0 (2010). Pri transportu
smo kilometrino šteli enojno, ker smo upoštevali, da je bil
transport v povratni vožnji polno izkoriščen. Emisijske faktorje uporabljenih materialov, energentov, odpadkov in
emisij smo pridobili iz baze podatkov Ecoinvent 2.0 (2010).
Modeliranje je potekalo s programsko opremo Simapro
(SimaPro Analyst Indefinite, Ecoinvent v2, Product Ecology Consultants, PEC, Nizozemska), ki omogoča poenostavljeno natančno sledenje vsem materialnim tokovom
skozi življenjski cikel ter dosledno klasifikacijo in kategorizacijo podatkov. Ogljični odtis smo določili z metodo
IPCC 2001 GWP 100a V1.02 (Climate Change, 2001). Metoda vključuje faktorje glede na časovni okvir 100 let.
18
Električna energija
Hlodovina
Infrastruktura žagarskega obrata
Transport, tovorno vozilo nad 16 t
Slika 2: Prispevek posameznih virov emisij k
ogljičnemu odtisu 1 m3 žaganega lesa iglavcev iz
slovenskih gozdov.
65(2013) št. 1-2
Ogljični odtis [kg CO2e]
Prispevek k ogljičnemu odtisu [%]
SLO
ECO
SLO
ECO
Električna energija
15,8
16,6
40
34
Hlodovina*
14,8
21,8
37
45
Infrastruktura žagarskega obrata
3,06
3,06
8
6
Transport, tovorno
vozilo nad 16 t
6,08
7,17
15
15
SKUPAJ
39,8
48,6
100
100
* Hlodovina zajema naslednje procese: gojenje, sečnja in izdelava ter spravilo
Preglednica 2: Primerjava ogljičnega odtisa 1,63 m3 hlodovine
iglavcev z vlažnostjo 70 % iz slovenskih gozdov (SLO) ter podatkovne
baze Ecoinvent 2.0 (ECO) (viri emisij in prispevek virov emisij k celotnemu ogljičnemu odtisu).
Ogljični odtis
[kg CO2e]
Prispevek k ogljičnemu
odtisu [%]
SLO
ECO
SLO
ECO
Poraba goriva (diesel) za
stroje
4,9
15,3
33
70
Motorna žaga
6,4
3
43
14
Osnovanje sestoja, redčenje, priprava rastišča
3,5
3,5
24
16
SKUPAJ
14,8
21,8
100
100
njevali vplivov na okolje izgradnje žagarskega obrata, smo podatek prevzeli
iz podatkovne baze Ecoinvent 2.0 (2010). Kot je razvidno iz preglednice 1
(SLO), k ogljičnemu odtisu 1 m3 žaganega lesa iglavcev izgradnja žagarskega obrata prispeva 8 % skupnih emisij. Pri izračunih smo upoštevali, da za
pridobitev 1 m3 žaganega lesa potrebujemo 1,63 m3 hlodovine iglavcev
(brez skorje) kot vhodne surovine.
Rezultat izračuna ogljičnega odtisa žaganega lesa iglavcev smo primerjali z ogljičnim odtisom žaganega lesa iglavcev, ki je dostopen v podatkovni
bazi Ecoinvent 2.0 (2010). V tej bazi podatkov so namreč dostopni podatki o
emisijskih faktorjih različnih surovinskih virov in primarnih lesnih proizvodov,
vendar so ti podatki v večini pridobljeni z izračuni na podlagi povprečnih
podatkov iz obratov iz Švice, Nemčije in Združenih držav Amerike. Podatki
za izračun rezultata v preglednici 1 (ECO) so bili pridobljeni v Nemčiji. Ogljični odtis 1 m3 žaganega lesa iglavcev z vlažnostjo 70 % je 48,6 kg CO2e. Od
tega 45 % emisij prispeva gojenje, sečnja in izdelava ter spravilo lesa. Kar 34
65(2013) št. 1-2
% k ogljičnemu odtisu prispeva poraba
električne energije za razrez hlodovine.
Transport hlodovine z gozdne ceste do
žagarskega obrata prispeva 15 %.
Če primerjamo rezultate v preglednici
1 (SLO in ECO) lahko zaključimo, da je
ogljični odtis žaganega lesa iglavcev iz
slovenskih gozdov (SLO) nižji od ogljičnega odtisa žaganega lesa iglavcev, podanega v bazi Ecoinvent 2.0 (2010), ki je
bil izračunan iz podatkov, pridobljenih
v Nemčiji (ECO). Razlog za nižji ogljični
odtis slovenskega žaganega lesa iglavcev je predvsem v nižjem ogljičnem
odtisu sečnje in izdelave ter spravila lesa
do gozdne ceste (»hlodovina«). Ogljični
odtis 1,63 m3 hlodovine (potrebno za
pridobitev 1 m3 žaganega lesa) iglavcev
je 14,8 kg CO2e (preglednica 1 (SLO)), h
kateremu poraba goriva za obratovanje
strojev pri sečnji k ogljičnemu odtisu
prispeva 33 %, 43 % odstotkov emisij
povzroči uporaba motorne žage in 24
% osnovanje sestoja, redčenje in priprava rastišča (preglednica 2 (SLO)). Ogljični odtis 1,63 m3 hlodovine iglavcev, ki
je podan v podatkovni bazi Ecoinvent
2.0 (2010), pa je 21,8 kg CO2e, h kateremu poraba goriva za obratovanje strojev pri sečnji in spravilu k ogljičnemu
odtisu prispeva 70 %, 14 % odstotkov
emisij povzroči uporaba motorne žage
in 16 % osnovanje sestoja, redčenje in
priprava rastišča (preglednica 2 (ECO)).
Emisije, povezane z osnovanjem sestoja,
redčenji in pripravo rastišča, nismo posebej obravnavali, ampak smo privzeli
podatke iz podatkovne baze Ecoinvent
2.0 (2010). Zato je ogljični odtis osnovanja sestoja, redčenja in priprave rastišča
enak v izračunih za slovenski les (preglednica 2 (SLO)) kot v podatkovni bazi Ecoinvent 2.0 (2010) (preglednica 2 (ECO)),
čeprav je lahko le-ta zaradi intenzivnejšega gojenja v Sloveniji nekoliko višji kot
v Nemčiji. Nižji ogljični odtis hlodovine
iz slovenskih gozdov je predvsem posledica prevladujočega drugačnega načina
sečnje. Strojna (v celoti mehanizirana)
sečnja ima izrazito višje emisije CO2 na
enoto proizvoda kot sečnja z motorno
žago (Karjalainen in Asikainen 1996),
raziskave in razvoj
Preglednica 1: Primerjava ogljičnega odtisa 1 m3 slovenskega
žaganega lesa iglavcev z vlažnostjo 70 % iz slovenskih gozdov (SLO)
ter podatkovne baze Ecoinvent 2.0 (ECO) (viri emisij in prispevek
virov emisij k celotnemu ogljičnemu odtisu).
19
raziskave in razvoj
nasprotno pa ima spravilo s forwarderjem nižje emisije
kot traktorsko spravilo. Ključni razlog za nižji ogljični odtis
hlodovine iglavcev v Sloveniji glede na Nemčijo je torej
predvsem v prevladujoči sečnji z motorno žago. Razlog
za nižji ogljični odtis slovenskega žaganega lesa iglavcev
je tudi v nižjem ogljičnem odtisu porabljene električne
energije. Povprečne emisije električne energije v Sloveniji
so namreč nižje od povprečnih emisij električne energije
v Evropi.
4. Zaključek
V Sloveniji je les lokalno dostopen obnovljivi vir, za njegovo predelavo ne potrebujemo veliko energije, zlahka
pa mu poiščemo nov namen uporabe tudi po izteku življenjske dobe prvega izdelka. Izračun ogljičnega odtisa
slovenskega žaganega lesa iglavcev in primerjava z ogljičnim odtisom nemškega žaganega lesa iglavcev, podanim
v podatkovni bazi Ecoinven, sta pokazala, da ima slovenski les zaradi specifične sečnje in izdelave, spravila in
krajših transportnih razdalj nižji ogljični odtis. Poleg tega
je les, ki ga imamo v Sloveniji v relativnem izobilju, eden
redkih obnovljivih naravnih materialov, ki zaradi nastanka
v procesu fotosinteze iz ozračja veže CO2. Les in leseni izdelki v času svoje celotne življenjske dobe tega plina tudi
ne sproščajo v ozračje, ampak je v njih skladiščen (sekvestracija CO2). Za pridobivanje in vgradnjo lesa je značilna
nizka poraba energije, lesne izdelke lahko enostavno razgradimo z možnostjo ponovne uporabe ali pa vsaj za pridobivanje energije iz obnovljivega vira. Rezultati v članku
predstavljenih izračunov ogljičnega odtisa žaganega lesa
iz slovenskih gozdov nakazujejo prednost uporabe slovenskega lesa, kar bomo uporabili za izdelavo predlogov
spodbud in ukrepov za pospeševanje rabe lesnih izdelkov
iz slovenskega lesa na podlagi objektivnih meril okoljskih
obremenitev.
ZAHVALA
Avtorji se za finančno podporo zahvaljujejo Ciljno raziskovalnemu programu V4-1139: »Določitev ogljičnega odtisa
primarnih lesnih proizvodov« in programskima skupinama P4-0015 (Les in lignocelulozni kompoziti) in P4-0107
(Gozdna biologija, ekologija in tehnologija).
5. Reference
3. Cherubini F., Strømman A.H. (2011) Life cycle assessment of bioenergy systems: State of the art and future challenges. Bioresource Technology, 102: 437–451.
4. Ecoinvent 2.0 (2010) Swiss Centre for Life Cycle Inventories, Dübendorf, Švica.
5. IPCC 2006 (2006) IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas
Inventories, Prepared by the National Greenhouse Gas Inventories
Programme, Eggleston H.S., Buendia L., Miwa K., Ngara T. and Tanabe K. (eds). Published: IGES, Japan.
6. Karjalainen, T. & Asikainen, A. (1996) Greenhouse gas emissions
from the use of primary energy in forest operations and long-distance transportation of timber in Finland. Forestry 69(3), 215-228.
7. Lindholm E.L., Berg S., Hansson P.A. (2010) Energy efficiency
and the environmental impact of harvesting stumps and logging
residues. Eur J Forest Res, 129: 1223–1235.
8. Neupane B., Halog A., Dhungel S. (2010) Attributional Life Cycle
Assessment of wood chips for bioethanol production. Journal of
Cleaner Production, doi:10.1016/j.jclepro.2010.12.002
9. Oneil E.E., Johnson L.R., Lippke B.R., McCarter J.B., McDill
M.E., Roth P.A. Finley J.C. (2010) Life-cycle impacts of inland
Northwest and Northeast/North central forest resources. Wood
and Fiber Science, 42: 29–51.
10. PAS 2050 (2011) Specification for the assessment of the life cycle
greenhouse gas emissions of goods and services.
11. Petersen A.K., Solberg B. (2005) Environmental and economic
impacts of substitution between wood products and alternative
materials: a review of micro-level anayses from Norway and Sweden. Forest Policy and Economics, 7: 249–259.
12. PRé Consultants (2010) Impact assessment methods. http://
www.pre.nl/simapro/impact_assessment_methods.htm#EP97
13. Puettmann M.E., Wilson J.B. (2005) Life-cycle analysis of wood
products: cradle-to-gate LCI of residential wood building materials. Wood and Fiber Science, 37: 18–29.
14. Puettmann M.E., Bergman R., Hubbard S., Johnson L., Lippke
B., Oneil E., Wagner F.G. (2010) Cradle-to-gate life-cycle inventory of US wood products production: corrim phase I and phase II
products. Wood and Fiber Science, 42: 15–28.
15. Richter K. (2001) LCA – reuse/recycle. In: Wood adhesion and glued products, Report on the State of the Art of COST Action E13.
Edited by Johansson C.J., Pizzi T., Van Leemput M.: 161–180.
16. Rivela B., Hospido A., Moreira T., Feijoo G. (2006) Life cycle
inventory of particleboard: a case study in the wood sector. Int J
LCA, 11(2): 106–113.
17. Simapro (2009) SimaPro Analyst Indefinite, Ecoinvent v2, Product
Ecology Consultants, PEC, Nizozemska www.pre.nl/default.htm
18. Tucker S., Syme M., Foliente G. (2009) Life Cycle Assessment of
forest and wood products in Australia. New Zealand Timber Design Journal, 17(4): 3–9.
19. Werner F., Richter K. (2007) Wood building products in comparative LCA. A literature review. Int J LCA, 12(7): 470–479.
20. 19. ZGS (2012) ZGS letno poročilo o gozdovih za leto 2011.
http://www.zgs.gov.si/fileadmin/zgs/main/img/PDF/LETNA_
POROCILA/2011_o_gozdovih.pdf (7. 5. 2013)
1. Carre A. (2011) A Comparative Life Cycle Assessment of alternative constructions of a typical Australian house design. Forest and
Wood Products Australia Limited, 121 str. (www.fwpa.com.au)
2. Cherubini F., Bird N.D., Cowie A., Jungmeier G., Schlamadinger B., Gallasch S. (2009) Energy- and greenhouse gas-based
LCA of biofuel and bioenergy systems: Key issues, ranges and
recommendations. Resources, Conservation and Recycling, 53:
434–447.
20
65(2013) št. 1-2
UDK 630*232.311.3:630* 176.1 Fraxinus angustifolia Vahl
Identifikacija klonov
poljskega jesena (Fraxinus
angustifolia Vahl) na semenski
plantaži Hraščica (Slovenija) z
genetskimi metodami
raziskave in razvoj
Marjana WESTERGREN*, Gregor BOŽIČ**,
Igor KÖVEŠ***, Hojka KRAIGHER** Izvleček: Poljski in veliki jesen sta sorodni vrsti, ki sta si morfološko podobni in se križata. V prispevku predstavljamo rezultate identifikacije klonov poljskega jesena na semenski plantaži Hraščica, osnovani leta 1989, in primerjavo treh metod, ki
omogočajo odkrivanje na podlagi morfoloških znakov napačno določene vrste jesena. Lastna metoda, ki jo na podlagi
simuliranih mejnih vrednosti starševskih grozdov poljskega in velikega jesena izvajamo s programom Structure, omogoča
tudi identifikacijo križancev. Ugotovili smo, da na petih mikrosatelitnih lokusih analiziran podvzorec domnevnih štiridesetih
klonov s semenske plantaže vsebuje samo 30 unikatnih genotipov. Od teh 30 klonov smo na podlagi genetske zgradbe
osebkov tri prekvalificirali v veliki jesen, enega pa v križanca.
Ključne besede: poljski jesen, veliki jesen, semenska plantaža, identifikacija klonov, križanci, mikrosateliti, Fraxinus
angustifolia, Fraxinus excelsior
Abstract: Narrow-leaved and common ash are related species that have similar morphological traits and can hybridise.
In this paper we present results of the identification of narrow-leaved ash clones from seed orchard Hraščica established in
1989. Additionally, three methods for assignment of individuals to either narrow-leaved or common ash are compared. Our
own method that uses simulated border values for designation of parental clusters of narrow-leaved and common ash with
Structure computer programme also enables identification of hybrids. In a subsample of supposedly 40 clones from the seed
orchard, only 30 have a unique genotype based on the analysis of five microsatellite loci. Out of these 30 clones, three have
been reclassified to common ash and one designated as a hybrid based on their genetic structure.
Key words: narrow-leaved ash, common ash, seed orchard, clone identification, hybrids, microsatellites, Fraxinus
angustifolia, Fraxinus excelsior
* Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, 1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
** Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, 1000 Ljubljana
*** Gozdno in lesno gospodarstvo Murska Sobota, Ulica arhitekta Novaka 17, 9000 Murska Sobota
65(2013) št. 1-2
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Identification of narrow-leaved ash (Fraxinus angustifolia Vahl)
clones in the seed orchard Hraščica (Slovenia) using molecular
genetics methods
21
raziskave in razvoj
Uvod
Veliki (Fraxinus excelsior L.) in poljski jesen (Fraxinus angustifolia Vahl) sta s 3,3∙106 m3 (1,00 % lesne zaloge) in 0,6∙106
m3 (0,06 % lesne zaloge) manjšinski vrsti slovenskih gozdov. Poljski jesen najdemo v naravnih sestojih v subpanonskem svetu, kjer porašča poplavna, obrečna nižinska
rastišča skupaj z dobom, črno jelšo, navadnim belim
gabrom, vrbami in topoli. Drugi del areala pri nas ima v
submediteranskem svetu, kjer se pojavlja ob spodnjih
tokovih Dragonje in Vipave, ob potoku Lijaku, v Panovcu
(Brus, 2008). Veliki jesen je samonikel povsod v Sloveniji
od nižin do gozdne meje, čeprav je nad 1000 m nadmorske višine redek (Brus, 2008). V določenih območjih imata
vrsti simpatrični areal.
Genetsko sta si veliki in poljski jesen blizu (Jeandroz in
sod., 1997; Wallander, 2001, 2008; Heuertz in sod., 2006),
kar se kaže tudi v njuni veliki morfološki podobnosti (Fernandez-Manjarres in sod., 2006; Jarni in Brus, 2007; Jarni,
2009, Jarni in sod., 2011). Morfološka podobnost med vrstama je razlog, da je razlikovanje med poljskim in velikim
jesenom na terenu težavno, še posebno na rastiščih, kjer
rasteta skupaj. Večina bistvenih razlikovalnih znakov (plodovi, cvetovi, brsti) je visoko v krošnjah dreves, medtem ko
so znaki pri tleh (epikormski poganjki, skorja, odlomljene
vejice in listi) zelo variabilni in nezanesljivi za določanje.
Najzanesljivejši razlikovalni znak med vrstama sta velikost
in oblika socvetja (Jarni in Brus, 2007). Omenjeni znak
najlaže opazujemo, ko se razvijejo plodovi: pri poljskem
jesenu visijo plodovi iz ene same osi, medtem ko se pri
velikem jesenu glavna os socvetja veji na več stranskih osi
(FRAXIGEN, 2005). Do napačne določitve lahko pride, ko
se v mešanem socvetju pri velikem jesenu pojavijo dvospolni cvetovi na glavni osi, moški pa na stranskih oseh; leti lahko predčasno odpadejo, plodovi pa visijo sami iz ene
osi podobno kot pri poljskem jesenu (FRAXIGEN, 2005).
Veliki in poljski jesen se križata. Hibridizacija je v rastlinskem svetu pogost pojav. Povratno križanje hibridov z
eno izmed starševskih vrst povzroči introgresijo oz. integracijo tujih genov v genski bazen prejemne vrste.
Hibridizacija je pomemben proces, saj lahko prispeva k
adaptaciji s prenosom prilagoditev ene vrste k drugi oz.
s tvorbo novih prilagoditvenih variacij (Burke in Arnold
2001, cit. v Heuertz in sod., 2006). Obstoj križancev med
poljskim in velikim jesenom so eksperimentalno dokazali Morand-Prieur in sod. (2002) ter Raquin in sod. (2002).
Tudi Fernandez-Manjarres in sod. (2006) so na podlagi
morfoloških in genetskih analiz potrdili obstoj križancev
v Franciji. Sami smo pri vzorčenju leta 2006 na terenu pogosto naleteli na morfološko vmesne osebke, predvsem v
populacijah Črni log, Orlovšček in Krakovski gozd, kjer sta
v sestojih prisotni obe vrsti (Westergren, 2010).
22
Namen prispevka je prikazati uporabo genetskih podatkov o drevesnih vrstah v gozdarstvu. Predstavili bomo (1)
identifikacijo klonov poljskega jesena na semenski plantaži Hraščica, (2) možnost odkrivanja osebkov, ki so bili na
podlagi morfoloških znakov dodeljeni napačni drevesni
vrsti ter (3) križancev med velikim in poljskim jesenom na
semenski plantaži.
Metode dela
Semenska plantaža poljskega jesena Hraščica je bila
osnovana spomladi leta 1989 na površini 1,70 ha (340 m
× 50 m) na nadmorski višini 179 m. Objekt, ograjen z visoko ograjo, leži 15 km vzhodno od Murske Sobote ob
reki Ledavi, ob zahodnem robu gozdnega revirja Hraščica. V 51 vrst in 10 stolpcev sta bili v razmikih 6 m × 5 m
posajeni 502 cepljenki, ki predstavljata 40 klonov, vendar
kloni niso označeni z zaporednimi številkami od 1 do 40.
Eden izmed klonov na plantaži nima ponovitve (klon 46),
medtem ko imajo drugi do 27 ponovitev (klon 44). Cepiči so bili nabrani s plezanjem na 52 okularno določenih
plus dreves (evidenca teh dreves ne obstaja) iz sestojev
v Črnem logu in Murski šumi. Na vsako plus drevo se je
plezalo le enkrat in takrat nabralo večje število poganjkov,
ki so bili vsi takoj označeni s kodo drevesa. Cepljenje so
izvajali v drevesnici Semesadike Mengeš. V drevesnici so
uspeli vzgojiti cepljenke iz cepičev, ki so pripadali 40 plus
drevesom. Iz dopisa Semesadike Mengeš št. 3/46 z dne
23. 09. 1988 je razvidno, da so v drevesnici Semesadike
Mengeš 502 cepljenki za osnovanje semenske plantaže
Hraščica pridobili v dveh serijah in sicer v zimi 1987/1988.
V prvi seriji so na podlage cepili 39 klonov s ponovitvami,
v drugi seriji pa 15 klonov s ponovitvami. Za cepljenje so
bile uporabljene tri podlage, in sicer je bil določen klon
vedno cepljen na isto podlago. Po letu rasti v drevesnici
so pridobili 259 cepljenk 39 klonov iz prve serije ter 243
cepljenk 15 klonov iz druge serije. V prvi seriji je bila uspešnost vzgoje cepljenk od 1 do 18 osebkov na posamezen
klon (povprečno 6,6 osebkov na klon), v drugi seriji pa
od 9 do 26 osebkov na posamezen klon (povprečno 16,2
osebka na klon).
Vzorčenje rastlinskega materiala je potekalo septembra
2009. Nabrali smo 174 vzorcev; vzorčeni so bili vsi kloni in
sicer smo želeli zajeti vsaj tri ponovitve na klon. Nekateri
kloni so bili zaradi večje zastopanosti na plantaži vzorčeni večkrat, nekateri zaradi redkosti manjkrat. Večinoma je
bilo vzorčenje izvedeno v temeljni reprodukcijski enoti
plantaže, to je v podenoti I, kjer je zagotovljena relativno
velika oddaljenost (3 vrstice oz. vsaj 18 m) med predstavniki istega klona. Del vzorčenj, predvsem klonov, ki niso
zastopani v podenoti I, je potekal tudi v enotah II in III (Slika 1).
65(2013) št. 1-2
Za nabor lokusov smo izračunali verjetnost identitete PID1
(Paetkau in sod., 1995) in konservativno oceno verjetnosti
identitete PIDsibs, ki upošteva sorodstvena razmerja med
naključno izbranimi drevesi iz populacije (Taberlet in Luikart, 1999; Waits in sod., 2001). Verjetnost identitete je verjetnost, da imata dve naključno izbrani drevesi iz populacije identični genotip. PID 0,001 pomeni, da lahko v 999 od
1000 primerov razločimo dve naključno izbrani drevesi iz
populacije. Tako PID in PIDsibs smo izračunali s programom
GenAlEx (Peakall in Smouse, 2006). Z istim programom
smo preverili prisotnost in identificirali drevesa z enakimi
genotipi (t.j. klone).
Za določanje drevesne vrste klonov (poljski ali veliki jesen) na podlagi genetskih podatkov (genotipov) smo
uporabili program GenAlEx s funkcijo Dodeli2 (Peakall in
Smouse, 2006) in program Structure verzijo 2.3.4 z vmesnikom za Windows® (Pritchard in sod., 2000; Falush in
sod., 2003). Za določanje drevesne vrste klonov s slednjim
smo uporabili lasten postopek, opisan v nadaljevanju, ki
ne upošteva podatka o pripadnosti drevesni vrsti na podlagi morfoloških znakov, in funkcijo identifikacije migrantov, ki upošteva podatek o pripadnosti drevesni vrsti na
podlagi morfoloških znakov. Z lastnim postopkom smo
določili tudi križance prve generacije. V postopek določanja pripadnosti drevesni vrsti z vsemi tremi metodami
ter križancev smo vključili unikatne klone iz semenske
plantaže ter ostala drevesa poljskega in velikega jesena
s popolnimi unikatnimi genotipi iz baze GIS, skupaj 638
dreves.
V simulacijah s programom Structure smo za izdelavo metodologije in analizo vzorcev s semenske plantaže upora1 Besedno zvezo predlagamo in uporabljamo kot prevod angleškega termina
Probability of Identity
2 Prevod angleškega poimenovanja funkcije Assign
65(2013) št. 1-2
bili model mešanja3, v katerem je delež izvora iz vsakega
grozda (t.j. drevesne vrste) ocenjen za vsako drevo v kombinaciji z modelom koreliranih alelov4. Ta kombinacija velja za najboljšo pri soodvisnosti oz. podobnih frekvencah
alelov med bližnje sorodnimi populacijami (Falush in sod.,
2003). Model uporabimo tudi, ko sumimo na hibridizacijo
med osebki (O’Brien in sod., 2009). Za večino parametrov
smo uporabili privzete vrednosti. Podrobni opisi parametrov so na voljo v priročniku programa (Pritchard in sod.,
2010). Ogrevalna faza je bila dolga 100.000 ponovitev, število ponovitev Markovske verige Monte Carlo pa 400.000.
Opravili smo 10 simulacij. Na podlagi desetih simulacij
smo s programom CLUMPP 1.1.2 (Jakobsson in Rosenberg, 2007) izračunali povprečne vrednosti koeficienta
pripadnosti grozdu Q za posamezna drevesa in jih kot
grafikon predstavili s programom za vizualizacijo Distruct
1.1 (Rosenberg, 2004).
raziskave in razvoj
Genetsko smo analizirali vseh domnevnih 40 klonov
poljskega jesena na semenski plantaži. DNK smo izolirali
iz kambija svežih vejic po modificiranem protokolu Doyla in Doyla (1990). Verižna reakcija s polimerazo (PCR) s
končnim volumnom 10 µl reakcijske mešanice za vseh
pet lokusov (Femsatl4, Femsatl11, Femsatl16, Femsatl19
in M2-30; Lefort in sod. (1999), Brachet in sod. (1999)) je
vsebovala 1 µl genomske DNK, 0,2 U Taq polimeraze, 1x
PCR pufer, 2 mM Mg2+, 0,4 µM vsakega začetnega oligonukleotida, 0,2 mM vsakega dNTP in dvakrat destilirano
vodo do končnega volumna reakcije. Temperaturni profili
in trajanje posameznih delov PCR so opisali Heuertz in
sod. (2001). Fragmente mikrosatelitov smo ločili in določili
njihovo relativno dolžino na avtomatskem sekvenatorju
ABI PRISM 310 Genetic Analyser (AppliedBiosystems) ter
opravili genotipizacijo kot je opisano v Westergren (2010).
Delež križancev v danem vzorcu je zelo odvisen od vrednosti Q, ker na njegovi podlagi posameznike dodelimo
grozdu. Za izdelavo metodologije določanja drevesne
vrste in križancev po idejni zasnovi O'Briena in sod. (2009)
smo uporabili 615 osebkov velikega in poljskega jesena,
analiziranih na opisanih petih lokusih iz baze podatkov
GIS s popolnimi genotipi5. V število so vključeni osebki s podvojenimi genotipi, ne pa tudi kloni s semenske
plantaže. Na podlagi najvišjih koeficientov pripadnosti Q
za obe drevesni vrsti (povprečna vrednost desetih ponovitev preliminarne analize s programom Structure, kjer
je bilo število grozdov 2 (K = 2), predhodna pripadnost
drevesni vrsti na podlagi morfoloških znakov pa tretirana
kot neinformativna) smo naredili starševska podvzorca
velikega in poljskega jesena. Tako smo iz obeh starševskih
podvzorcev za simulacijo križancev izključili možne mešane osebke. Vsak podvzorec je vseboval 30 osebkov. S
podvzorci smo s funkcijo hybridize v R paketu adegenet
(Jombart, 2008) ustvarili hibride prve generacije za obe
drevesni vrsti. Za vsak vzorec smo simulirali 100 genotipov; število ponovitev je bilo 10. S simuliranimi genotipi
smo opravili analizo mešanja s programom Structure za K
= 2 (model mešanja v kombinaciji z modelom koreliranih
alelov in brez predhodne informacije o populacijski strukturi). Delež pravilno določenih simuliranih genotipov smo
uporabili za postavitev mejnih vrednosti Q za določanje
pripadnosti drevesa genetskemu grozdu oz. drevesni vrsti. Povprečne vrednosti Q smo izračunali s programom
CLUMPP 1.1.2.
3 Besedno zvezo predlagamo in uporabljamo kot prevod angleškega pojma admixture
model
4 Besedno zvezo predlagamo in uporabljamo kot prevod angleškega pojma correlated
allele model
5 Besedno zvezo popolni genotip uporabljamo za osebke z uspešno genotipiziranimi
vsemi petimi lokusi
23
raziskave in razvoj
Rezultati
Identifikacija klonov
Od vzorčenih 174 osebkov s semenske plantaže smo v tukaj predstavljeno preliminarno genetsko analizo vključili
40 osebkov. Vsak domnevni klon, posajen na plantaži, je
bil zastopan enkrat. Od 40 domnevnih klonov si je 16 (40
%) osebkov delilo genotip z vsaj še enim osebkom. Genotipe si delijo kloni 2 in 7; 5 in 18; 10, 11, 13, 24 in 25; 15 in 17;
35 in 38 ter 44, 45 in 48 (Preglednica 1). Slika 1 prikazuje
skico semenske plantaže z označenimi lokacijami vzorčenih dreves. Z zeleno barvo so označeni analizirani kloni z
unikatnimi genotipi. Kloni, ki si delijo genotipe, so označeni z enako barvo, ki ni zelena. S sivo so označeni kloni, ki še
čakajo na genetsko analizo.
Verjetnost identitete PID za izbrani nabor mikrosatelitnih lokusov za semensko plantažo je bila 6,82∙10 -6. To pomeni, da
teoretično v vzorcu 40. dreves ne bi smelo biti dreves z identičnimi genotipi oz. v vzorcu 40. dreves je pričakovano število
dreves z enakim genotipom 2,7∙10-4. PIDsibs je znašal 1,53∙10 -2,
kar pomeni, da bi v populaciji 40. dreves, ki so si med seboj
lahko sorodni, imelo 0,61 dreves identičen genotip.
Po izločitvi osebkov z enakim genotipom (klonov 7, 18,
11, 13, 24, 25, 17, 38, 45 in 48), je namesto predvidenih 40
klonov na semenski plantaži, seveda samo na delu, ki je
bil podvržen genetski analizi, prisotnih le 30 klonov oz.
genetsko različnih osebkov. Teh 30 klonov smo vključili v
naslednjo analizo.
Določanje pripadnosti drevesni vrsti in
identifikacija križancev
Pri razviti lastni metodi so starševsko generacijo poljskega
jesena sestavljala drevesa s povprečnim koeficientom pripadnosti Q ≥ 0,992, starševsko generacijo velikega jesena
pa drevesa s povprečnim koeficientom pripadnosti Q ≥
0,991 v preliminarni analizi. Obe starševski generaciji sta
šteli po 30 dreves. Nobeden izmed simuliranih osebkov generacije F1 ni imel v starševskem grozdu poljskega jesena Q
> 0,656 in v starševskem grozdu velikega jesena Q > 0,683
(Preglednica 2). Zato smo za poljski jesen definirali drevesa s
Q ≥ 0,656 v starševskem grozdu poljskega jesena in za veliki
jesen drevesa s Q ≥ 0,683 v starševskem grozdu velikega
jesena. Pomembna lastnost metode je, da upošteva samo
genetske podatke, ne pa tudi predhodne identifikacije
grozda (drevesne vrste) na podlagi morfoloških znakov.
Preglednica 1: Seznam 16 osebkov, ki si delilo genotip z vsaj še enim osebkom na vseh petih lokusih
Table 1: List of 16 samples which share identical multilocus genotype with at least one more individual
Oznaka
klona na
plantaži
24
Lokacija na
semenski plantaži
Stolpec
Vrstica
2
1
1
7
6
2
5
10
30
18
2
3
10
2
1
11
7
1
13
2
2
24
8
2
25
3
3
15
7
6
17
9
3
35
4
2
38
3
6
44
5
1
45
10
1
48
5
2
Genotip [Dolžina alelov v baznih parih]
Lokus
Femsatl4
Femsatl11
Femsatl16
Femsatl19
M2-30
161165
181189
181181
142196
202202
157196
185185
181181
142172
206212
161 161
187 191
181 185
154 188
206 219
161 161
191 193
181 181
142 142
201 206
159180
185185
181185
142142
206213
161167
181181
181181
142142
206230
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
Slika 1: Vzorci, nabrani na semenski
plantaži Hraščica. Zelena - genetsko analizirani osebki z unikatnimi
genotipi; ostale barve - osebki z
identičnim genotipom si delijo
barvo; siva - vzorci, ki čakajo na
genetsko analizo
Figure 1: Samples collected in the
seed orchard Hraščica. Green –
genetically analysed samples with
unique multilocus genotypes; other
colours – samples with identical
genotypes share the same colour;
gray – samples still waiting for genetic analysis
65(2013) št. 1-2
25
raziskave in razvoj
Slika 2: Graf povprečnih ocenjenih koeficientov pripadnosti Q vsakega posameznika v grozdu poljskega in
grozdu velikega jesena, dobljenih s programom Structure. V analizo smo vključili 638 osebkov poljskega
in velikega jesena vključno s 30 kloni s semenske plantaže ter vseh 5 lokusov. Vsak posameznik je predstavljen z navpično črto, ki je razdeljena na K = 2 obarvanih delov, ki oblikujeta oceno deleža pripadnosti
posameznika grozdu K
Figure 2: Graph of average membership coefficients Q calculated with Structure for each individual in narrowleaved ash and common ash clusters. Analysis was based on 638 individuals including 30 clones from the seed
orchard on 5 loci. Each individual is represented with a vertical line divided into K = 2 coloured parts representing membership in each of the two clusters
Upoštevajoč navedene vrednosti smo z lastno metodo
prekvalificirali 13 od 638 (2,00 %) osebkov, od tega tri klone
s semenske plantaže (Slika 2, Preglednica 3). Med analiziranimi osebki smo odkrili 21 križancev prve generacije, od
tega enega s semenske plantaže (Slika 2, Preglednica 3).
Funkcija Dodeli je na podlagi genetskih podatkov 21 (3,29
%) osebkov namesto k poljskemu jesenu dodelila velikemu jesenu, tudi tri klone s semenske plantaže (Preglednica 3). V obratni smeri smo s funkcijo Dodeli 4 osebke
dodelili poljskemu namesto velikemu jesenu. Z metodo
določevanja migrantov s programom Structure, ki upošteva podatek o pripadnosti drevesni vrsti na podlagi
morfoloških znakov, smo 6 (0,94 %) osebkov dodelili velikemu namesto poljskemu jesenu. Metoda ni nobenega
izmed klonov s semenske plantaže prepoznala kot veliki
jesen namesto poljskega jesena. Zadnji dve metodi nista
razlikovali križancev.
Diskusija
Identifikacija klonov
Na podlagi analize petih mikrosatelitnih lokusov si je 16
osebkov delilo genotipe. To pomeni, da je na semenski
plantaži (vsaj glede na analiziran podvzorec, kjer naj bi bil
na podlagi označb klonov vsak klon zastopan enkrat) namesto 40 le 30 klonov.
Teoretično je verjetnost za tako veliko število enakih genotipov med 40 analiziranimi osebki na izbranih lokusih
zanemarljiva, tudi če bi si bili osebki med seboj sorodni.
26
Verjetnost identitete za sorodne osebke, analizirane na
izbranih lokusih je bila namreč velikostnega reda 10 -2, kar
pomeni, da naj bi v 99 primerih od 100 lahko razlikovali
dve naključno izbrani drevesi iz populacije. Tako PID kot
PIDsibs za semensko plantažo je enakega velikostnega reda
kot za ostale populacije iz baze molekulskih podatkov GIS.
Slednje so velikostnega reda 10 -7 do 10 -6 za PID in 10 -2 za
PIDsibs (Westergren, 2010). Za opaženo stanje obstaja nekaj
hipotez, ki jih poskušamo v nadaljevanju razložiti ter potrditi ali ovreči. Potrditev ali ovržba nekaterih izmed njih
bo zahtevala nadaljevanje dela v laboratoriju. Hipoteze so:
1. premajhen nabor lokusov za genetsko analizo,
2. napaka pri vzorčenju za genetske analize,
3. napaka pri osnovanju plantaže (nabiranje in označevanje terminalnih poganjkov za cepiče, označevanje
med vzgojo cepljenk v drevesnici …),
4. izbor sorodnih plus dreves v matičnih sestojih.
1. Z izbranim naborom lokusov smo v bazi molekulskih
podatkov GIS, ki brez osebkov s semenske plantaže
vsebuje 615 popolnih genotipov poljskega in velikega
jesena, odkrili 16 enakih genotipov, vedno v paru in
iz iste populacije (t.j. 8×2). Premajhno število lokusov
za analizo bi lahko tako razložilo ponovitev genotipa
za en do dva osebka med 40 analiziranimi, ne pa za
6 osebkov, kjer se isti genotip v enem primeru ponovi trikrat, v enem primeru pa kar petkrat. Vsekakor pa
bomo za nadaljnje analize razširili nabor lokusov.
2. Obstaja možnost vzorčenja podlage namesto klona.
Vendar število dreves, kjer je podlaga prerasla cepiče,
65(2013) št. 1-2
3. Plantaža je bila na podlagi pregledane dokumentacije
dobro zasnovana in v prvih letih po nastanku dobro
vzdrževana. Vsi postopki od cepljenja na tri različne
podlage do zasnove poskusa in saditve klonov so
dokumentirani. Obstaja možnost, da je v postopku
od nabiranja terminalnih odganjkov na matičnih drevesih, vzgoje cepljenk ali pa samega osnovanja prišlo
do nezaželene napake (npr. premešanja nekaterih ponovitev klonov), vendar lahko to hipotezo potrdimo
ali ovržemo šele, ko bomo analizirali vsa drevesa, t.j.
vse preostale ponovitve klonov na semenski plantaži.
Skrbi nas predvsem ugotovitev, da so v prvi seriji cepljenja v drevesnici Semesadike Mengeš uspešneje
vzgojili cepljenke tistih klonov, ki jih večinoma nismo
povezali s pojavom identičnih genotipov, v drugi seriji
pa cepljenke klonov, ki smo jih povezali s pojavljanjem
enakih genotipov. Iz prve serije smo s ponavljanjem
genotipov namreč povezali 5 od 39 klonov (13 %), iz
druge pa 11 od 15 klonov (73 %).
4. Nastanek matičnih sestojev poljskega jesena Črni log in
Murska šuma je neznan. Možno je, da sta bila sestoja
osnovana ali z naravnim pomlajevanjem ali s saditvijo. V
slednjem primeru bi bilo tudi možno, da so bile sadike
za oba sestoja vzgojene v lokalni drevesnici iz semena,
nabranega v istem sestoju in sicer iz neznanega, lahko
tudi zelo majhnega števila dreves. Navedena praksa
lahko privede do ugotavljanja sorodnih dreves tudi na
večjih razdaljah. Ravno tako ni poznana površina sestoja, na kateri so nabirali terminalne poganjke s plus
dreves in pa, ali so sploh vsa plus drevesa pripadala poljskemu jesenu. Do vrha krošenj se pri izbiri plus dreves
ni videlo, v obeh matičnih sestojih pa je poleg poljskega
prisoten tudi veliki jesen. Opravljene genetske analize v
matičnem sestoju Črni log, v katerem je vzorčenje potekalo leta 2006, so pokazale podobno genetsko pestrost
kot ostale analizirane populacije poljskega jesena (Westergren, 2010). So pa bili v takratni analizi vzorci redko
odvzeti z najvišjih dreves v sestoju zaradi nedostopnosti krošnje. Od analiziranih dreves v populaciji Črni log
si nobeno drevo ni delilo genotipa s kloni iz Hraščice.
Neznana zgodovina matičnih sestojev, posebej če so
bili osnovani iz semena (sadik) z ozko genetsko bazo, bi
lahko prispevala k pojavu identičnih genotipov. Vendar
matični sestoj Črni log ne kaže znakov zmanjšane genetske pestrosti v primerjavi z ostalimi analiziranimi se-
65(2013) št. 1-2
stoji poljskega jesena (Westergren, 2010), niti tendence
pojavljanja enakih genotipov znotraj sestoja.
Določevanje drevesne vrste na podlagi
genetskih podatkov
Pri razvoju lastne metode določanja drevesne vrste in
identifikacije križancev med poljskim in velikim jesenom
smo s simulacijo hibridizacije za poljski jesen definirali
osebke s koeficientom pripadnosti Q ≥ 0,656 v starševskem grozdu poljskega jesena, za veliki jesen pa osebke
s koeficientom pripadnostiQ ≥ 0,683 v starševskem grozdu velikega jesena. Zavedamo se, da je na podlagi analize
petih lokusov z biološkega vidika nesmiselno določevati
delež genoma, ki pripada eni ali drugi vrsti na tri decimalke natančno. Ker pa program poda rezultate s tako natančnostjo, smo se odločili, da ostanejo mejne vrednosti
zapisane z enako natančnostjo.
raziskave in razvoj
naj ne bi presegalo 1 % vseh dreves, t.j. 5 dreves. Poganjke iz podlage se je v prvih letih po osnovanju plantaže redno obrezovalo. Hipoteza o vzorčenju podlage
lahko pojasni prisotnost do treh identičnih genotipov
(za cepljenje so bile uporabljene tri različne podlage)
za največ pet dreves na genotip.
Na semenski plantaži poljskega jesena Hraščica sta dve
metodi hkrati prepoznali klone 2 (tudi klon 7 zaradi identičnega genotipa s klonom 2), 16 in 20 kot veliki jesen,
lastna metoda pa še klon 47 kot križanec. Metoda določevanja migrantov (Structure), ki upošteva predhodno
določitev drevesne vrste na podlagi morfoloških znakov,
potrebuje močno informacijo na genetskem nivoju za
preklasifikacijo osebka. Zato je med vsemi tremi metodami najbolj konservativna. Ta metoda na semenski plantaži
ni prekvalificirala nobenega izmed klonov. V matičnem
sestoju semenske plantaže Črni log smo od 28 osebkov v
veliki jesen prekvalificirali en osebek (z vsemi tremi uporabljenimi metodami), tri pa smo določili za križance (podatki niso prikazani). Glede na težave pri določanju drevesne vrste na terenu in težkemu dostopu do zanesljivih
znakov, ki so visoko v krošnji, rezultat ni presenetljiv.
Križance med velikim in poljskim jesenom so poskusili
identificirati tudi v Franciji. Vendar se je molekularni označevalec, ki so ga za razlikovanje med vrstama razvili Morand-Prieur in sod. (2002), zaradi monomorfizma izkazal
Preglednica 2: Povprečje in razpon desetih ponovitev simulacije maksimalnih koeficientov pripadnosti Q simuliranih križancev v obeh starševskih
grozdih
Table 2: Mean and range over 10 replicates of the
simulation procedure for the maximum value of
membership proportion Q of simulated hybrids in
both parental clusters
Starševski grozd
križanci
Fraxinus angustifolia
Fraxinus Excelsior
0,653 (0,651 – 0,656)
0,682 (0,680 – 0,683)
27
raziskave in razvoj
Preglednica 3: Kloni, ki na podlagi genetskih podatkov pripadajo velikemu jesenu ali so križanci
Table 3: Clones identified as common ash or hybrids
based on genetic data
Klon
Določena vrsta
na podlagi morfoloških znakov
Dodeljevanje osebkov na
podlagi genetskih podatkov
Veliki jesen
2 (7)
poljski jesen
, 
16
poljski jesen
, 
20
poljski jesen
, 
47
poljski jesen
Križanec

 lastna metoda; funkcija dodeljevanja v GenAlEx;
 newly developed method; function Assign in GenAlEx;
za neuspešnega pri populacijah, kjer sta prisotni obe vrsti
in domnevni križanci (Gérard in sod., 2006). V semenarski praksi pa je uporabna ugotovitev, da nestratificirana
semena poljskega jesena in njegovih križancev z velikim
jesenom lahko vzklijejo že po 16 tednih, medtem ko je kalitev nestratificiranega semena velikega jesena v enakem
obdobju nična (Gérard in sod., 2006).
Zaključek
Pri osnovanju plantaž je zelo pomembna sledljivost
gozdnega reprodukcijskega materiala od njegovega nabiranja vse do saditve. Preverjanje identitete klonov je
smiselno predvsem v začetnih fazah osnovanja, dokler
posamezne klone še lahko presajamo oz. po potrebi dopolnjujemo. Pomemben dejavnik pri osnovanju plantaže
je tudi poznavanje zgodovine matičnih sestojev in po
možnosti njihova genetska karakterizacija.
Poljski in veliki jesen lahko ločimo na genetskem nivoju,
vendar imajo različne metode različno moč določanja
identitete / preklasificiranja osebkov. V kolikor posameznih osebkov ne uspemo določiti do vrste na terenu, v ta
namen predlagamo uporabo predstavljanih molekularnih in bioinformacijskih metod določanja drevesne vrste.
Zahvala
Raziskavo sta financirala Agencija za raziskovalno dejavnost RS in Ministrstvo za kmetijstvo in okolje RS v okviru
raziskovalnega programa P4-0107, javne gozdarske službe
na Gozdarskem inštitutu Slovenije (Naloga 3) in ciljnega
raziskovalnega projekta V4-1140. Zahvaljujemo se recenzentoma za konstruktivne pripombe.
28
Viri
1. Brachet S., Jubier M.F., Richard M., Jung-Miller B., FrascariaLacoste N. (1999) Rapid identification of microsatellite loci using
5’ anchored PCR in the common ash Fraxinus excelsior. Molecular
ecology, 8: 157-168
2. Brus R. (2008) Dendrologija za gozdarje. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, 408
3. Doyle J.J., Doyle J.L. (1990) A rapid DNA isolation procedure for
small quantities of fresh leaf tissue. Phytochemical bulletin, 19: 1115
4. Falush D., Stephens M., Pritchard J.K. (2003) Inference of population structure using multilocus genotype data: linked loci and
correlated allele frequencies. Genetics, 164: 1567-1587
5. Fernandez-Manjarres J., Gerard P., Dufour J., Raquin C., Frascaria-Lacoste N. (2006) Differential patterns of morphological
and molecular hybridization between Fraxinus excelsior L. and
Fraxinus angustifolia Vahl (Oleaceae) in eastern and western France.
Molecular ecology, 15: 3245–3257
6. FRAXIGEN. (2005) Ash species in Europe: biological characteristics and practical guidelines for sustainable use. Oxford Forestry
Institute, University of Oxford, Oxford, 128
7. Gérard R.P., Fernández-Manjarrés F.J., Bertolino P., Dufour
J., Raquin C., Frascaria-Lacoste N. (2006) New insight in the
recognition of the European ash species Fraxinus excelsior L. and
Fraxinus angustifolia Vahl as useful tools for forest management.
Annals of forest science, 63: 733-738
8. Heuertz M., Carnevale S., Fineschi S., Sebastiani F., Hausman
J.F., Paule L., Vendramin G.G. (2006) Chloroplast DNA phylogeography of European ashes, Fraxinus sp. (Oleaceae): roles of hybridization and life history traits. Molecular ecology, 15: 2131-2140Heuertz M., Hausman J.F., Tsvetkov I., Frascaria-Lacoste N., Vekemans
X. (2001) Assessment of genetic structure within and among Bulgarian populations of the common ash (Fraxinus excelsior L.). Molecular ecology, 10, 7: 1615-1623
9. Jakobsson M., Rosenberg N.A. (2007) CLUMPP: a cluster matching and permutation program for dealing with label switching
and multimodality in analysis of population structure. Bioinformatics, 23: 1801-1806
10. Jarni K. (2009) Variabilnost poljskega jesena (Fraxinus angustifolia
Vahl) v Sloveniji. Magistrsko delo, Univerza v Ljubljani, 96
11. Jarni K., Brus R. (2007) Možnosti razlikovanja velikega jesena
(Fraxinus excelsior L.) in poljskega jesena (Fraxinus angustifolia
Vahl) na osnovi morfoloških znakov. Gozdarski vestnik, 65: 173-179
12. Jarni K., Westergren M., Kraigher H., Brus R. (2011) Morphological variability of Fraxinus angustifolia Vahl in the north-western
Balkans. Acta societatis botanicorum Poloniae, 80: 245-252
13. Jeandroz S., Roy A., Bousquet J. (1997) Phylogeny and phylogeography of the circumpolar genus Fraxinus (OLEACEAE) based on
internal transcribed spacer sequences of nuclear ribosomal DNA.
Molecular phylogenetics and evolution, 7: 241-251
14. Jombart T. (2008) adegenet: a R package for the multivariate
analysis of genetic markers. Bioinformatics, 24: 1403-1405
15. Lefort F., Brachet S., Frascaria-Lacoste N., Edwards K., Douglas G. (1999) Identification and characterization of microsatellite
loci in ash (Fraxinus excelsior L.) and their conservation in the olive
family (Oleaceae). Molecular ecology, 8: 1088-1090
16. Morand-Prieur M.E., Vedel F., Raquin C., Brachet S., Sihachakr
D., Frascaria-Lacoste N. (2002) Maternal inheritance of a chloroplast microsatellite marker in controlled hybrids between Fraxinus
excelsior and Fraxinus angustifolia. Molecular ecology, 11: 613-617
17. O’Brien J., Devillard S., Say L., Vanthomme H., Francois L.,
Ruette S., Pontier D. (2009) Preserving genetic integrity in a
hybridising world: are European Wildcats (Felis silvestris silvestris) in
65(2013) št. 1-2
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
eastern France distinct from sympatric feral domestic cats? Biodiversity conservation, 18: 2351-2360
18. Paetkau D., Calvert W., Stirling I., Strobeck C. (1995) Microsatellite analysis of population structure in Canadian polar bears.
Molecular ecology, 4: 347-354
19. Peakall, R., Smouse P.E. (2006) GenAlEx 6: genetic analysis in
Excel. Population genetic software for teaching and research. Molecular ecology notes, 6: 288-295
20. Pritchard J.K., Stephens M., Donnelly P. (2000) Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics, 155:
945-959
21. Pritchard J.K., Wen W. Falush D. (2010) Documentation for
STRUCTURE software: Version 2.3. http://pritch.bsd.uchicago.edu/
structure_software/release_versions/v2.3.4/structure_doc.pdf
(3.4.2013)
22. Raquin C., Brachet S., Jeandroz S., Vedel F., Frascaria-Lacoste
N. (2002) Combined analyses of microsatellite and RAPD markers
demonstrate possible hybridisation between Fraxinus excelsior L.
and Fraxinus angustifolia Vahl. Forest genetics, 9: 111-114
23. Rosenberg N. (2004) DISTRUCT: a program for the graphical display of population structure. Molecular ecology notes 4: 137–138
24. Taberlet P., Luikart G. (1999) Non-invasive genetic sampling and
individual identification. Biological journal of the Linnean society,
68: 41-55
25. Waits L.P., Luikart G., Taberlet P. (2001) Estimating the probability of identity among genotypes in natural populations: cautions
and guidelines. Molecular ecology, 10: 249-56
26. Wallander E. (2001) Evolution of wind-pollination in Fraxinus
(Oleaceae): an ecophylogenetic approach. Doktorska disertacija,
Göteborg University, 22
27. Wallander E. (2008) Systematics of Fraxinus (Oleaceae) and evolution of dioecy. Plant systematics and evolution, 273: 25-49
28. Westergren M. (2010) Razvoj in praktična uporaba baz molekularnih podatkov v gozdarstvu. Doktorska disertacija, Univerza v
Ljubljani, 121
29
raziskave in razvoj
Tine GREBENC*, Gian Maria Niccolo BENUCCI**
UDK 630*172.8
Certifikacija
mikoriziranih sadik
Certification of mycorrhized plants
Izvleček: Mikorizacija sadik drevesnih vrst z izbrano ektomikorizno glivo omogoča prenos simbionta na izbrano rastišče in
ob ustreznem gospodarjenju proizvodnjo trosnjakov izbrane vrste glive. V Evropi, kjer je mikorizacija, kontrola sadik ter njihova certifikacija najširše prisotna, obstaja več pristopov kontrole, ki se med seboj razlikujejo po načinih ocenjevanja in kriterijih
ustreznosti. V Sloveniji status kontrole in sajenja mikoriziranih sadik še ni vzpostavljen, zato smo na Gozdarskem inštitutu
Slovenije (GIS) na osnovi znanja in razpoložljive opreme pripravili pregled metod in standardni operativni postopek kontrole
mikoriziranih sadik, temelječ na kombinaciji znanih postopkov iz tujine in razpoložljive opreme v laboratoriju. Postopek smo
preverili na manjšem številu sadik hrasta. Predlagani standardni operativni postopek na GIS je skladen s predlogom enotne
metodologije postopka ocene kakovosti in certifikacije mikoriziranih sadik za celotno Evropo.
Ključne besede: certifikacija sadik, ektomikoriza, inokulacija sadik, kontrola kakovosti, kriteriji, ocenjevanje kakovosti mikoriziranih sadik, standardni operativni postopek
Pregledni znanstveni članek (a review)
Abstract: Using inoculated forest tree seedlings for a transfer of ectomycorrhiza fungi to the plantation can result in a successful production of sporocarps of the desired fungal species. In Europe, the inoculation procedures have a centuries long
tradition thus the quality control and certification of inoculated seedlings were initiated. Several approaches for quality control were published, with main differences in seedling quality assessment and in certification criteria. In Slovenia, seedlings
quality and inoculation control was not set-up to date. For this reason we established a standard operating procedure for
quality control and certification at the Slovenian Forestry Institute (SFI) taking in account available resources and market
demands. Following the review of published methods selected was a method that fits the proposed common European
certification approach best. The accepted procedure was tested on a limited number of inoculated oak seedlings and incorporated into the Rules for quality control compendium at the Department of Forest Physiology and Genetics at SFI.
Keywords: seedling certification, ectomycorrhiza, inoculation of seedlings, quality control, criteria, standard operation protocol
30
Uvod
Ektomikorizne glive so glive, ki uspevajo (rastejo in tvorijo
trosnjake) v sožitju z večletnimi, pretežno lesnatimi rastlinami (Kirk in sod., 2008). Sožiteljski odnos je za uspevanje
obeh partnerjev obvezen, le redko pa tudi vrstno specifičen. Tako v ektomikorizo vstopa več kot 6000 različnih
vrst gliv in le okoli 10 % vseh družin rastlin. Kljub temu,
da je medvrstna specifičnost v sožitju dosti manjša pri
arbuskularnih mikoriznih glivah (Smith in Read, 2008), lah* Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, SI-1000 Ljubljana, Slovenija
**Oddelek za uporabno biologijo, Univerza v Perugii, Borgo XX Giugno 74, 06121
Perugia, Italija
ko pripadniki ene drevesne vrste tvorijo sožitje tudi z do
225 vrstami gliv (De Roman in sod., 2005). V naravnem
okolju je prisotnost več vrst gliv na koreninskem sistemu
ene rastline seveda zaželena zaradi boljšega izkoriščanja
v tleh razporejenih heterogenih virov hranil (Finlay, 2008).
Pri ciljnem gojenju samo ene ali nekaj izbranih vrst ektomikoriznih gliv za proizvodnjo trosnjakov pa je prisotnost
neželenih vrst slabost, ki jo želimo vsaj v prvih fazah gojenja, torej med pripravo mikoriziranih sadik in ob sajenju,
minimalizirati ali povsem izključiti.
Mikorizirana sadika, optimalna za sajenje v nasadih, je
zdrava, z dobro in po globini enakomerno razvitim koreninskim sistemom, na katerem je čim večji delež drob-
65(2013) št. 1-2
1. s certifikacijo postopkov dela v drevesnici oziroma pri
pridelovalcu okuženih sadik in
2. z neposredno kontrolo okuženosti sadik (Karrfalt,
2005).
Kontrola kakovosti in certifikacija sadik ima najmanj dva
pomembna učinka:
1. dvig kakovosti izdelkov, ki jih ponujajo proizvajalci mikoriziranih sadik, kot neposredna korist za kupce in
2. boljšo organizacijo dela in zavezo h kakovosti končnih izdelkov, kot korist za samega proizvajalca (Govi in
sod., 1995; Karrfalt, 2005).
Trenutno je pri mikorizaciji sadik v svetovnem merilu še
vedno vodilna Evropa, predvsem Francija, Italija in delno
Španija, ki po proizvodnji in prodaji mikoriziranih sadik
presegajo vse ostale države (Bencivenga, 2013). Najpogosteje so sadike mikorizirane z več vrstami gomoljik (Tuber
spp.), redkeje pa tudi z nekaterimi vrstami mlečnic (Lactarius spp.) in lupljivk (Suillus spp.) (Grebenc in Gostinčar,
2012). V omenjenih treh državah so tudi najprej začeli z
razvojem ocenjevanja kakovosti mikoriziranih sadik, tako
za zavarovanje proizvajalcev in kupcev kot za dvig dodane vrednosti končnega proizvoda in večji uspeh pri
kasnejšem gojenju v nasadih. Kljub ekonomskim interesom pa metode kontrole kakovosti in certifikacije (tako
postopkov proizvodnje kot samih sadik) med državami,
niti znotraj držav, največkrat niso usklajene in posledično
neprimerljive (Andres-Alpuente in sod., 2013)
Metodologija
Slovenija trenutno nima urejenega statusa kontrole in
sajenja okuženih sadik drevesnih vrst za namen gojenja
65(2013) št. 1-2
ektomikoriznih gliv v izvengozdnih (kmetijsko – gozdarskih; Vochl in sod., 2012) sistemih. Na ravni EU predvsem
promet delno ureja UNECE standard FFV-53 (2010), ne pa
tudi same kontrole kvalitete sadik. Namen dela je pripraviti pregled metod ocenjevanja mikoriziranosti in kontrole kakovosti ter kriterijev za morebitno certifikacijo sadik
drevesnih vrst z ektomikoriznimi glivami in na osnovi znanih pristopov ter razpoložljivosti opreme na Gozdarskem
inštitutu Slovenije (GIS) pripraviti in predstaviti metodo, ki
jo bomo, v skladu s potrebami po kontroli in ocenjevanju
kakovosti mikoriziranih sadik, lahko izvajali.
raziskave in razvoj
nih korenin okužen z izbrano vrsto ektomikorizne glive,
na koreninskem sistemu pa niso prisotne neželene vrste
ektomikoriznih gliv (kontaminant) (Falini in sod., 2012). Kakovostna mikorizirana sadika, ki raste v zadostni količini
substrata, je predpogoj za uspešno rast tako rastline kot
glive na mestu sajenja (Chevalier in Frochot, 2002). V Sloveniji še ni v prodaji domačih sadik drevesnih vrst, mikoriziranih z izbranimi vrstami ektomikoriznih gliv. Sadike iz
registriranih drevesnic v tujini in drugih (zasebnih) virov
pogosto ne zadostujejo minimalnim kriterijem kakovosti ali prodajalci celo prodajajo lažno označene sadike in
s tem znižujejo ugled celotnemu področju trgovanja z
inokuliranimi sadikami (Karrfalt, 2005; Falini in sod., 2012).
V Sloveniji še ni uradnih proizvajalcev mikoriziranih sadik
ali zastopnikov tujih proizvajalcev, pojavlja pa se več poskusov proizvodnje in prodaje, a dejanskega stanja žal ne
moremo spremljati. Kakovost sadik lahko zagotavljamo
na dva načina:
Vire literature smo iskali pretežno med primarnimi viri iz
držav, kjer je tovrstna kontrola in ocenjevanje kakovosti
mikoriziranih sadik že uveljavljen postopek in del dobre
laboratorijske, oziroma proizvodne in tržne prakse. Obstoječe podatke smo zbrali in na osnovi le-teh pripravili metodologijo, prilagojeno razpoložljivi opremi. Prilagojeno
metodologijo ocenjevanja kakovosti mikoriziranih sadik
smo uredili in podrobno opisali v Standardnem operativnem postopku (SOP) Laboratorija za gozdno fiziologijo in
genetiko GIS (Grebenc in sod., 2013)
Rezultati in diskusija
V literaturi najdemo nekaj načinov ocenjevanja kakovosti
in uspešnosti mikorizacije sadik z izbrano vrsto ektomikorizne glive (Preglednica 1).
Vse metode temeljijo na naključnem vzorčenju sadik v
rastlinjaku, morfološki identifikaciji izbrane ektomikorize
in v nekaterih primerih tudi kontaminant (t. j. tipov ektomikorize, ki jih tvorijo vrste gliv, ki jih nismo načrtno vnesli v substrat), ter ugotavljanje deležev posameznih vrst
tipov ektomikorize. Delež ektomikorize inokulirane vrste
in prisotnost kontaminant sta ključna kriterija za odločitev
o primernosti analizirane serije sadik za prodajo. Bistvene
razlike med postopki ocenjevanja kakovosti mikoriziranih
sadik v posameznih državah oziroma laboratorijih so zahtevana rutinska uporaba molekularnih metod pri identifikaciji ECM ter načini vrednotenja in kriteriji ustreznosti
sadik. Metoda po Chevalier in Grente (1978) je med vsemi
pristopi najmanj specifična glede na drevesno in glivno
vrsto v analizi. Zaradi zahtevnosti prepoznavanja morfoloških znakov in kriteriji za njihovo vrednotenje pa zahteva
pristop veliko izkušenj izvajalcev.
Večinski delež kontrol kakovosti in certifikacije sadik odpade na certificiranje sadik, inokuliranih s komercialnimi
vrstami gomoljik (Tuber melanosporum in T. aestivum)
(Sisti in sod., 2008, UNECE standard FFV-53, 2010), redkeje
tudi pri drugih rodovih gliv, na primer Lactarius ali Suillus
(Parladé in sod., 2004). Kriteriji kakovosti in zadostitev pogojev za certificiranje sadik vrste T. magnatum so zaradi
slabe mikorizacije v rastlinjakih in majhnem številu uspe-
31
32
65(2013) št. 1-2
• kontrola homogenosti serije
• izvor semena in glive
metoda inokulacije
• lastnosti substrata
• pogoji v drevesnici
Kot pri Fisher in Colinas
1996 in dodatno:
• predobdelava substrata (sterilizacija)
• kakovost vode za
zalivanje
• dezinfekcija materialov, površin in orodja
Reyna,
1997; Reyna, 1999;
Reyna in
sod., 2001
Zahtevani podatki o
seriji
Fisher in
Colinas,
1996
Viri
Odstranjevanje
substrata v vodi,
z dodatkom
komercialnega
detergenta in v
ultrazvočni kopeli
(2x 15 minut v
enodnevnem
razmiku)
Izračun deleža izbrane
ECM in ECM kontaminant v
vzorcu substrata. Preračun
števila na celoten volumen
v loncu
Shranjevanje vzor- Ni definirano
ca ni definirano
12 sadik na serijo,
4-5 mesecev
po inokulaciji z
uporabo cilindričnega vzorčevalnika
premera 1.4 cm
po celotni globini
lonca
Ocena mikoriziranosti
Na vzdolžno razpolovljenem koreninskem sistemu
odstranimo stranske korenine in jih narežemo na 2-3
cm. Segmente, naključno
vzorčimo in štejemo
drobne korenine na vzorcu
do 250. Delitev v kategorije
in izračun % za:
• nemikorizne korenine
• izbrana ECM
• ECM kontaminant
Ocena kakovosti
sadik
Shranjevanje na 4 Postavljeni kriteriji
°C do največ 14 dni velikosti nad/podzemnega dela ter
Odstranjevanje
razmerja in razrast
substrata v vodi, s
koreninskega
stresanjem koresistema
ninskega sistema
Shranjevanje
vzorca in čiščenje
Naključno
vzorčenje 12 sadik
na serijo
Metoda vzorčenja
Kriteriji kakovosti
Izračun intervalov
zaupanja na osnovi 5
analiziranih sadik (oziroma do 12, če rezultat
ni homogen):
najmanj 33 % okuženost z izbrano ECM
• največ 25 %
okuženost z vrstami
kontaminantami ECM
• kontaminanta ne sme
biti druga vrsta istega
rodu kot izbrana vrsta
ECM
Delitev sadik po
kakovosti glede na %
izbrane ECM na celotni
sadiki:
• Nezadovoljiva (<100)
• Nizka (100-250)
• Sprejemljiva (250500)
• Dobra (500-1500)
• Zelo dobra (15003000)
• Odlična (>3000)
Ostali kriteriji kot v
Fisher in Colinas 1997
Identifikacija
Anatomsko
morfološka
identifikacija
ECM
Anatomsko
morfološka
identifikacija
ECM na osnovi
izbranih vrstno
specifičnih
znakov (cistide,
plašč …)
Metoda je prilagojena za hraste
(Quercus spp.)
in perigordsko
gomoljiko (Tuber
melanosporum)
V primeru izrazitega odstopanja
ene od 12 sadik
se lahko poveča
kontrolni vzorec
na do 90 sadik
Dodatna zahteva
po molekularni
identifikaciji
ECM morebitnih
azijskih vrst
gomoljik
Komentar
Dodatni koraki
Preglednica 1: Pogosti in objavljeni načini ocenjevanja kakovosti mikoriziranih sadik in kriteriji za certifikacijo sadik lesnatih vrst z
ektomikoriznimimi (ECM) vrstami gliv.
Table 1: Commonly used and publiched methods for quality assessment and certification of an ectomycorrhizal (ECM) fungus mycorrhized seedlings of
woody species.
raziskave in razvoj
65(2013) št. 1-2
33
Makroskopska
ocena razvitosti
koreninskega sistema (enakomerna
razrast po globini,
morebitno zvijanje) ter prisotnost
bolezni na celotni
rastlini
Shranjevanje sadik
v hladilniku
Celoten koreninski
sistem čistimo na
pladnjih v vodi, pri
tem pazimo, da
ne poškodujemo
drobnih korenin
Vzorčimo jeseni,
naključno, analiziramo 1 % celotne
serije
• pogoji v drevesnici
in poreklu (klima) rastlinskega in glivnega
materiala
Chevalier
in Grente,
1978;
Chevalier,
osebna
komunikacija
Vzorčenje na 8x50 koreninskih vršičkih (4x metadistalno, 4x metaproksimalno
od centralne osi); vsak
podvzorec odvzamemo na
različnem delu koreninskega sistema
Ocena mikoriziranosti po
celotni globini koreninskega sistema, 30 %
absolutna mikoriziranost
je sprejemljiva za pozitivno
oceno
Ocena deleža izbrane ECM
in ECM kontaminant
Ugotavljanje kontanimant
na celotnem koreninskem
sistemu.
Ocena mikoriziranosti
Ocena kakovosti
sadik
Vizualna ocena
biomorfoloških
lastnosti celotnega
nadzemnega in
podzemnega dela,
glede na standarde
gozdarske prakse
Shranjevanje
vzorca in čiščenje
Shranjevanje v
hladilniku
Celoten koreninski
sistem čistimo
v vodi, pri tem
pazimo, da ne
poškodujemo
drobnih korenin
Metoda vzorčenja
Naključno vzorčenje v jesenskem
času.
Analiziramo 1 %
- 3 % vseh sadik v
seriji, a ne več kot
1500 sadik.
Sadike so lahko
odvzete v razmiku
največ 3 dni in
ne kažejo znakov
okužb z boleznimi
in škodljivci
Zahtevani podatki o
seriji
Falini in
• Rastni pogoji v
sod., 2012 drevesnici
• provenienca izvornega materiala
Viri
raziskave in razvoj
Metodologija
je primerna
in rutinsko
uporabljena za
vse kombinacije
drevesnih vrst in
ECM gliv. Metoda
zahteva visoko
izkušeno osebje s
področja analize
ECM
V primeru, da
serija v tekočem
letu ne ustreza
kriterijem kakovosti in pogojem
za certificiranje,
jo lahko ponovno
ocenjujemo
v drugem
letu gojenja v
rastlinjaku
Ocena primernosti temelji na končni vizualni
oceni (1-5), ki je skupek
pridobljenih podatkov
in presoje specializiranega ocenjevalca, pri
čemer imajo sadike,
primerne za prodajo
oceno >2.5
Anatomsko
morfološka
identifikacija
ECM
a celoten
vzorec:
•
Metoda je
prilagojena za
več drevesnih
vrst in poletno
gomoljiko (Tuber
aestivum). Avtorji poudarjajo, da
je % mikorizacije
praviloma višji
pri gabrih in leski
kot pri hrastih
V primeru, da
serija v tekočem
letu ne ustreza
kriterijem kakovosti in pogojem
za certificiranje,
jo lahko ponovno
ocenjujemo
v drugem
letu gojenja v
rastlinjaku
Za celoten vzorec
>30 % izbrane ECM
•<15 % ECM kontaminant
•(% izbrane ECM) - (%
ECM kontaminant) >
20 %
• popolna odsotnost
tujerodnih vrst
Anatomsko
morfološko
ločevanje in
identifikacija
ECM
Molekularna
identifikacija
vseh najdenih
tipov ECM (ITS
regija)
Komentar
Dodatni koraki
Kriteriji kakovosti
Identifikacija
raziskave in razvoj
šnih prenosov v nasade še vedno nedorečeni (Chevalier,
osebna komunikacija). Trenutno se med naštetimi pristopi najpogosteje uporablja metodologija Falini in sod.
(2012), ki je v skladu s predlogom poenotenja metodologije kontrole kakovosti in certifikacije mikoriziranih sadik
za celotno področje Evrope (Bencivenga, 2013).
Metodologijo za ocenjevanje kakovosti mikoriziranih sadik smo na GIS pretežno povzeli po Chevalier in Grente
(1978) ter Falini in sod. (2012), in jo prilagodili laboratorijskim razmeram, že vpeljanim operativnim postopkom ter
dobri laboratorijski praksi (delo v skladu s ISO 17025) in
potrebam trga na področju Slovenije. Podrobnosti metodologije so objavljene v Grebenc in sod. (2013) bistveni
koraki in zahteve pa so:
1. Predvideni podatki o seriji:
a. izvor semena in glive
b. metoda inokulacije
c. predobdelava substrata (sterilizacija)
d. kakovost vode za zalivanje
e. dezinfekcija materialov, površin in orodja
Kriteriji: Podatki o seriji ne vplivajo na primernost serije,
razen v okviru provenienčne ustreznosti izvora semenskega in glivnega materiala glede na lokacijo sajenja.
2. Metoda vzorčenja
a. Vzorčimo 1 % (ali največ 50 sadik) v seriji kot celoto,
s posodo in substratom (Slika 1)
Slika 1: Primer vzorčene mikorizirane sadike iz
rastlinjaka (levo) in sadika očiščena substrata ter
pripravljena za analizo (desno) (foto: Gian Maria Niccolo Benucci, 2013)
Figure 1: An example of the sampled mycorrhized
seedling from the greenhouse (left) and the seedling
with cleaned root system and ready for the inspection
(right) (Photo: Gian Maria Niccolo Benucci, 2013)
34
b. V rastlinjaku vzorčimo naključno, ob hkratnem
izogibanju robnega efekta.
c. Vzorčimo 6-12 mesecev po mikorizaciji
d. Vzorce shranjujemo na 4 °C do največ 14 dni
3. Vizualna ocena sadik (poškodovanosti zaradi škodljivih
dejavnikov (abiotskih, biotskih), mineralna prehranje
nost, razrast)
a. Razvitost koreninskega sistema (enakomerna razrast
po globini, morebitno zvijanje) ter prisotnost bolez­
ni na celotni rastlini (Slika 2)
b. Razvitost nadzemnega dela brez znakov pomanjka
nja hranil ali poškodb zaradi škodljivcev
Kriteriji: vsaj 75 % analiziranih sadik v seriji mora hkrati
ustrezati pogojem 3a in 3b.
4. Ocena mikoriziranosti (podvzorčenja drobnih korenin
na posamezno sadiko kot v Falini in sod., 2012)
a. Ocena deleža izbrane ektomikorize in ektomikorize
kontaminant na podvzorcu
b. Ugotavljanje kontaminant na celotnem korenin
skem sistemu
c. Molekularna potrditev prisotnosti izbrane ektomi
korize in identifikacija kontaminant (potrebo po
molekularni identifikaciji in število analiziranih
ektomikoriznih korenin določi izvajalec analize
glede na možnost morfološke identifikacije ektomi
korize kontaminant)
Kriteriji:
Slika 2: Enakomerno razvit koreninski sistem
8-mesečne mikorizirane sadike hrasta z razvito
ektomikorizo glive Tuber aestivum (foto: Gian Maria
Niccolo Benucci, 2013)
Figure 2: A well-developed root system of a 8-months
old mycorrhized oak seedling with abundant Tuber
aestivum ectomycorrhiza (Photo: Gian Maria Niccolo
Benucci, 2013)
65(2013) št. 1-2
`` V celotnem vzorcu mora biti povprečno manj kot 15 %
ektomikorize kontaminant
`` Razlika deležev izbrane ektomikorize minus deleža
kontaminant mora biti večji od 20
`` Z molekularno identifikacijo ne smemo ugotoviti prisotnosti vrst iz istega rodu kot je izbrana vrsta ektomikorize ali neevropskih vrst, ki lahko predstavljajo invazivne vrste, oziroma je njihova komercialna vrednost
na trgu v primerjavi z evropskimi vrstami zelo nizka.
Metodologija in kriteriji so prilagojeni za analizo enoletnih
(6–12 mesečnih) sadik. Pri dveletnih sadikah se zahtevani
delež izbrane ektomikorize poveča za 10 %, ostali kriteriji
ostanejo nespremenjeni kot pri 6–12 mesečnih sadikah.
Standardni operativni postopek metodologije za ocenjevanje kakovosti mikoriziranih sadik smo na GIS vpeljali v
letu 2013 in ga testirali na manjšem številu testno inokuliranih sadik leske in hrasta z vrsto Tuber aestivum (Slika 1,
2) in na vrsti Quercus robur mikorizirani z isto vrst gomoljike (Shamekh in sod., 2013, oddano).
Zaključki
Z mikoriznimi glivami lahko uspešno mikoriziramo koreninski sistem ektomikoriznih lesnatih vrst rastlin v laboratorijskih pogojih ali v rastlinjaku. Metodologijo s pridom
uporabljajo predvsem za mikorizacijo z visoko cenjenimi
vrstami gliv (gomoljike, mlečnice …). V namen zaščite
kupcev pred lažno mikoriziranimi sadikami, sadikami,
mikoriziranimi z nepravo vrsto glive ali sadikami slabe
kakovosti, je več laboratorijev v Evropi pričelo s kontrolo
kakovosti mikoriziranih sadik. V pregledu objavljenih metod smo ugotovili, da vse temeljijo na naključnem vzorčenju sadik v rastlinjaku, morfološki identifikaciji izbrane
ektomikorize in kontaminant, da pa se lahko razlikujejo
predvsem po zahtevi za rutinsko uporabo molekularnih metod pri identifikaciji ektomikorize ter pri načinih
vrednotenja in kriterijih ustreznosti sadik. Metodologija
kontrole kakovosti mikoriziranih sadik, ki smo jo vpeljali
na GIS, sledi metodologiji in priporočilom, podanim k predlogu za poenotenje metodologije na področju celotne
Evrope (Bencivenga in sod., 2013), in je glede na razpoložljivo opremo in izkušnje izvedljiva v laboratorijih GIS.
Zahvala
Pripravo prispevka sta sofinancirala Programska skupina
P4-0107 Gozdna biologija, ekologija in tehnologija ter
projekta EUREKA E!3835 EUROAGRI - CULTUBER “Improvement of truffle cultivation via novel quality control, soil
65(2013) št. 1-2
analysis and inoculation methods” ter CRP V4-0492 »The
importance of forests for biodiversity at ecosystem, species and gene level in scope of forest contribution to buffering of climate changes and its future management«:
Posebna zahvala gre tudi Gerardu Chevalieru, za uvajanje
v certificiranje na inštituciji INRA Clermond Ferrand (Francija) ter za pomoč in usmeritve pri delu.
Viri
1. Andrés-Alpuente A., Sánchez S., Martín M., Aguirre J., Barriuso J. (2013) Comparative analysis of different methods for evaluating evergreen oaks mycorrhized with black truffle. V: Abstract
book: 1st International Congress of trufficulture, 5.-8. 3. 2013, Teruel,
Spain, 43
2. Bencivenga M. (2013) Toward an European regulation on the
quality of truffle mycorrhized seedlings. V: Abstract book: 1st International Congress of trufficulture, 5.-8. 3. 2013, Teruel, Spain, 42
3. Chevalier G., Frochot H. (2002) La Truffe de Bourgogne (Tuber
uncinatum Chatin). Editions Petrarque, Levsllois-Perret Cedex,
France, 257
4. Chevalier G., Grente J. (1978) Application pratique de la symbiose ectomycorhizienne: Production a grande échelle de plantes
mycorhizes par la truffe (Tuber melanosporum Vitt.). Mushroom
Science, 10: 483–505
5. De Roman M., Claveria V., De Miguel A.M. (2005) A revision of
the descriptions of ectomycorrhizas published since 1961. Mycological Research, 109: 1063–1104
6. Falini L.B., Benucci G.M.N., Bencivenga M., Donnini D. (2012)
Mycorrhization level in truffle plants and presence of concurrent
fungi. Acta Mycologia, 47, 2: 169-173
7. Finlay R.D. (2008) Ecological aspects of mycorrhizal symbiosis:
with special emphasis on the functional diversity of interactions
involving the extraradical mycelium. Journal of Experimental Botany, 59, 5: 1115–1126
8. Fischer C., Colinas C. (1996) Methodology for the certification
of Quercus ilex seedlings inoculated with Tuber melanosporum
for commercial application. V: Program and Abstracts of the First
International Conference on Mycorrhiza, Aug. 4–9, 1996, Berkeley,
California, USA (http://labpatfor.udl.es/docs/tubeng.html)
9. Govi G., Bencivenga M., Pacioni G., Palenzona M., Tocci A.,
Zambonelli A. (1995) Presentazione del metodo di valutazione
delle piante micorrizate con funghi del gen. Tuber basato sulla
caratterizzazione morfologica delle micorrize. Regioni: Piemonte,
Lombardia, Veneto, Emilia Romagna, Marche, Toscana, Umbria, Lazio, Molise, Abruzzo, ločena paginacija
10. Grebenc T., Gostinčar C. (2012) Gomoljike : očem skriti kulinarični zaklad. Gea, 22, 7: 54-59
11. Grebenc T., Štupar B., Hrenko M., Kraigher H. (2013) Standardni operativni postopek ocenjevanja kakovosti mikoriziranih sadik
in certifikacija: SOP FIGE MET 009, ver. 1.0, velja od 28. 03. 2013. Ljubljana: Gozdarski inštitut Slovenije, 12
12. Karrfalt R.P. (2005) Needs and benefits of nursery accreditation
V: Dumroese R.K., Riley L.E., Landis T.D. National proceedings: Forest and Conservation Nursery Associations—2004. Department
of Agriculture, Forest Service, Rocky Mountain Research Station,
Oregon, USA, 63-64
13. Kirk P.M., Cannon P.F., David J.C., Stalpers J. (2008) Ainsworth
and Bisby’s Dictionary of the Fungi (10th ed.). : CAB International,
Wallingford, UK, 771
14. Parladé J., Pera J., Luque J. (2004) Evaluation of mycelial inocula
of edible Lactarius species for the production of Pinus pinaster and
P. sylvestris mycorrhizal seedlings under greenhouse conditions.
raziskave in razvoj
`` V celotnem vzorcu mora biti povprečno več kot 30 %
vseh drobnih korenin mikoriziranih z izbrano vrsto ektomikorize in vse sadike v vzorcu morajo imeti najmanj
5 % izbrane ektomikorize
35
raziskave in razvoj
36
Mycorrhiza, 14: 171-176
15. Reyna S. (1997) Metodología del análisis de planta micorrizada
con Tuber nigrum (Ined.) Reunion sobre truficultura, Zaragoza
16. Reyna S. (1999) Aproximación a una selvicultura trufera. Tesis
Doctoral. Escuela Técnica Superior de Ingenierosde Montes. Universidad Politécnica de Madrid, 324
17. Reyna S., Boronat J., Palomar E. (2001) Quality control of plants
mycorrhized with Tuber melanosporum Vitt.. V: Edible mycorrhizal
mushrooms and their cultivation. Proceedings of the Second International Conference on Edible Mycorrhizal Mushrooms, 3-6 July
2001. Christchurch, New Zealand, 1-9
18. Shamekh S., Grebenc T., Leisola M., Turunen O. (2013) Cultivation of Tuber aestivum in the boreal forest area in Finland and identification of ectomycorrhizae from the nursery plants. Mycological
Progress (oddano).
19. Sisti D., Giomaro, G., Rocchi M., Zambonelli A., Romagnoli E.,
Gregori G. (2008) Nuove prospettive nel controllo delle piante
micorrhizate con tartufo. V: Atti 3° congresso internazionale di
Spoleto sul tartufo. Ur.: Donnini D., Falini L.B., Bencivenga M., Di
Massimo G. Somunita Montana dei Monti Martani, Serano e Subasio, Italia, 679-687
20. Smith S.E., Read D.J. (2008) Mycorrhizal symbiosis, 3rd ed. Academic Press, San Diego, California, USA, 804
21. UNECE standard FFV-53 (2010) UNECE standard FFV-53 concerning the marketing and commercial quality control of truffles.
2010 Edition. United Nations, New York, Geneva, 7
22. Vochl S., Premrl T., Grebenc T., Ferreira A. (2012) Agroforestry
system - its implementation in research and forestry practise in
Slovenia. Les 64, 5: 142-150
65(2013) št. 1-2
UDK 630*172.8
Zdravilne gobe rastejo
predvsem na lesu
Medicinal mushrooms grow mostly on the wood
raziskave in razvoj
Andrej GREGORI* Izvleček: Veliko vrst gliv štejemo dandanes za škodljivce, ker rastejo na še rastočem ali že podrtem lesu in hlodovini, ga razkrajajo in mu zmanjšujejo kakovost, a vendar se večino teh vrst gliv že tisočletja uporablja tudi kot zdravilo. Uporabljali so
jih za razkuževanje ran, kot splošne antiseptike, za krepitev imunskega sistema, zdravljenje rakavih obolenj, alergij, virusnih
okužb, bronhitisa, astme, zastrupitev, diareje. Kar so poznali že stoletja, sedaj potrjuje sodobna znanost, saj se množico
teh vrst gliv dandanes uporablja tako v alternativni kot konvencionalni medicini, predvsem za zdravljenje rakavih obolenj,
oziroma kot spremljajoča terapija kemoterapiji ter za krepitev splošne odpornosti organizma tako pri ljudeh kot pri živalih.
Ključne besede: zdravilne gobe, polisaharidi, naravna zdravila, imunomodulacija
Glive so nepogrešljiv člen pri kroženju organske snovi v
naravi, ker jo razkrajajo ter na ta način vračajo v »obtok«.
V gozdu rastoče glive delimo na mikorizne, zajedavske
ter primarne in sekundarne gniloživke. V tem prispevku
se osredotočamo na glive, ki rastejo na masivnem lesu in
so zaradi tega s strani gozdarjev in lesarjev pogosto klasificirane kot škodljivci, obenem pa jih je možno uporabiti v zdravilske namene. Nekatere od teh vrst napadajo
še živeča drevesa (sivorumena mraznica), druge rastejo
na hlodih podrtih dreves (bukov ostrigar, brezova odpadljivka, bezgova uhljevka, pisana ploskocevka), nekatere
pa veliko raje na njihovih panjih (svetlikava pološčenka,
jelov koreničnik).
V zadnjih nekaj desetletjih se pojavlja vedno več informacij o jedilnih in zdravilnih gobah. Da jih je moč uporabiti
za zdravljenje alergij, rakavih obolenj, splošno krepitev
* Zavod za naravoslovje, Ulica bratov Učakar 108, 1000 Ljubljana,
e-pošta: [email protected]
65(2013) št. 1-2
imunskega sistema, zdravljenje putike, avtoimunih bolezni in celo za odpravljanje neželenih stranskih učinkov, ki
jih pri bolnikih z rakom povzroča kemoterapija. Vse to in
še več potrjujeta tudi sodobna znanost in medicina. Te
vrste gob se vedno bolj uporabljajo za zdravljenje najrazličnejših zdravstvenih tegob oziroma izboljševanje zdravstvenega stanja tako pri ljudeh kot tudi pri živalih (Mohd
Din in sod., 2012) in si počasi utirajo pot v področje prehranskih dopolnil in v nekaterih primerih celo med zdravila. V naprednejših državah jih pospešeno uporabljajo za
zdravljenje najrazličnejših oblik rakavih obolenj, kot spremljajočo ali glavno terapijo. Večina tradicionalnega znanja o uporabi gob v zdravilske namene je prišlo z vzhoda,
predvsem iz kitajske tradicionalne medicine, čeprav so
nekatere vrste pred predvidoma 5000 leti uporabljali že
staroselci na področju današnje Evrope.
Svetlikava pološčenka (Ganoderma lucidum) je sicer
dokaj redka na področju Slovenije, a izredno priznana
zdravilna goba. Goba, njen micelij in spore vsebujejo raz-
Pregldni znanstveni članek (a review)
Abstract: Many fungal species are considered nowdays to be harmful, because they grow on live or dead wood and are
reducing its value by degrading it. But many of these fungal species have been used for millennia because of their medicinal
properties. They have been used as antiseptics, as immune system enhancers, for healing of cancer, alergies, viral infections,
bronchitis, asthma, intoxications, diarrhoeia. What was known for millennia is now also confirmed by modern science,
although many of these fungi are used nowdays in alternative as well as convencional medicine first of all for treating
different forms of cancer, as combined therapy with chemotherapeutic drugs as well for immune system enhancement in
humans as well as animals.
Key words: medicinal mushrooms, polysaccharides, natural medicines, immunomodulation
37
raziskave in razvoj
lične polisaharide in triterpene, ki posedujejo imunomodulatorno, protialergijsko, protitumorno, protivnetno, protimikrobno in antioksidativno delovanje, prav tako pa tudi
uspešno znižujejo raven škodljivega holesterola ter delujejo proti povišanemu krvnemu tlaku (Solomon, 2005).
Pisana ploskocevka (Trametes versicolor) je pri nas
izredno pogosta na deblih podrtih drevesih. Poleg tega,
da jo ponekod že stoletja uporabljajo kot zdravilo, so iz
nje razvili tudi dve moderni zdravili PSP in PSK. PSK omili
nezaželene stranske učinke radio in kemoterapije, krepi
imunski sistem, v kombinaciji s konvencionalnimi terapijami pa podaljšuje preživetveno dobo pri raku debelega
črevesja, danke, maternice, želodca, požiralnika, pljuč ter
nekaterih vrst raka prsi (Tsukagoshi, 1984). V izvedenih kliničnih študijah je PSP močno okrepil imunski sistem pri
70 % do 90 % pacientov z rakom želodca, pljuč, jajčnikov,
požiralnika in vratu (Parris, 2000).
Bukov ostrigar (Pleurotus ostreatus) je okusna jedilna
goba, ki raste na lesu listavcev. Suhi trosnjaki vsebujejo od
0,7 % do 2,8 % lovastatina (Powell, 2010), kateremu pripisujejo učinkovito zniževanje ravni škodljivega holesterola
v krvi. Iz te vrste gobe je bilo izoliranih in identificiranih
mnogo različnih polisaharidov (Rosado in sod., 2002, Rosado in sod., 2003, Tao in sod., 2006). Ekstrakti iz micelija
zavirajo rast tumorjev pri miših in vivo, tako v kombinaciji s kemoterapevtikom ciklofosfamidom, kot tudi brez
njega (I.G. Meerovich in sod., 2005). Vodni ekstrakti bukovega ostrigarja, za katere sklepajo, da vsebujejo vodotopne proteine ali polipeptide, kažejo citotoksičnost proti
humanim rakavim celicam (Gu in sod., 2006). Lektin, izoliran iz gobe P. ostreatus, zavira rast nekaterih vrst tumorjev
in rakavih obolenj jeter (Wang in sod., 2000). Bukovega
ostrigarja je izredno enostavno gojiti na prostem na masivnem lesu listavcev (Pavlik, 2013)
Sivorumena mraznica (Armillaria mellea) je pogost
zajedavec na drevju in se smatra za škodljivca, ki ponekod
uniči obsežne predele gozda. Iz te vrste gobe so izolirali
različne snovi z antibiotičnim učinkom, ki učinkovito zavirajo rast kvasovk, gram pozitivnih bakterij in nekaterih gliv
(Donnelly in sod., 1985, Obuchi in sod., 1990; Kalyoncu in
sod., 2010). Ta goba vsebuje polisaharide, ki delujejo proti
staranju (anti-aging), krepijo imunski sistem ter delujejo
proti vrtoglavici (Gao in sod., 2009).
Bezgova uhljevka (Auricularia auricula) je popularna
v vzhodnjaški kulinariki, v naših krajih raste predvsem na
črnem bezgu, gojimo pa jo lahko na žagovini z dodatki.
Ta goba vsebuje snovi, ki imajo protivnetno in antioksidativno delovanje, med drugim pa preprečujejo nastajanje
krvnih strdkov, ščitijo krvožilje in znižujejo raven škodljivega holesterola (Powell, 2010).
38
Slika 1: Bukova kresilka (Fomes formentarius).
Foto: A. Gregori
Bukova kresilka (Fomes fomentarius) je dobro znana
prebivalka slovenskih gozdov. Najdemo jo predvsem na
deblih listavcev skozi vse leto. Trosnjake so staroselci uporabljali za prenašanje ognja, izdelavo klobučevini podobnega materiala in netenje ognja, nekateri pa so posušene
gobe celo kadili. Tradicionalno so jo uporabljali kot kadilo,
za zdravljenje vraslih nohtov, izžiganje ran, zdravljenje in
preprečevanje zunanjih vnetij, ozeblin, artritisa in revmatizma, s čajem iz te gobe pa so odpravljali obolenja
mehurja (Rogers, 2006). Dandanes jo le redki uporabljajo
v zdravilske namene kljub temu, da vsebuje snovi s protivirusnim delovanjem (Aoki in sod., 1993; Piraino in Brandt,
1999) ter učinkovito preprečuje rast nekaterih vrst bakterij
(Hilborn, 1942; Suay in sod., 2000).
Smrekova kresilača (Fomitopsis pinicola) je prav tako
kot bukova kresilka precej razširjena po slovenskih gozdovih, vendar pogosteje raste na deblih iglavcev. Trosnjaki
vsebujejo polisaharide, ki delujejo proti rakavim obolenjem, kakor tudi krepijo imunski sistem. Snovi iz njih naj
bi preprečevale vnetja prebavil, kronično diarejo, mrzlico,
vročino, bolečine v živcih, zlatenico, glavobole, prekomerno uriniranje ter druge zdravstvene težave (Rogers, 2006).
Nekatere internetne trgovine prodajajo uprašene posušene gobe za ceno 520,00 EUR po kilogramu, kar je smešno
visoka cena, vendar kaže na potencial za komercializacijo
v prihodnosti (Rogers, 2006).
Zimska panjevka (Flammulina velutipes) vsebuje proteine in polisaharide, ki delujejo imunomodulatorno (Jeurink in sod., 2008; Yin in sod., 2010), polisaharidi pa ščitijo
celice ledvic pred toksini (Na in sod., 2007). Je na vzhodu
izredno popularna jedila goba.
Trosnjaki žveplenega lepoluknjičarja (Laetiporus sulphureus) vsebujejo insekticidne snovi ter snovi, ki delujejo
65(2013) št. 1-2
Zgoraj naštete gobe so le nekatere od najpogosteje
uporabljenih v zdravilske namene oziroma najpogosteje
rastoče na področju Slovenije. Poleg teh so določili oziroma izolirali zdravilne učinkovine še iz jelovega koreničnika (Heterobasidion annosum) sivorjave tramovke (Gleophyllum sepiarium), velike zraščenke (Grifola frondosa),
lekarniške macesnovke (Laricifomes officinalis), iz več vrst
luknjačev (Innonotus sp.) in plutačev (Phellinus sp.) ter še iz
množice drugih.
Slika 2: Zimska panjevka (Flammulina velutipes).
foto: A. Gregori
močno antibiotično proti gram-pozitivnim bakterijam,
kandidi in virusu HIV, pospešujejo izločanje inzulina, delujejo imunomodulatorno ter zavirajo delitev celic levkemije (Radić, 2010).
Brezova odpadljivka (Piptoporus betulinus) raste
predvsem na brezah in so jo v zdravilske namene uporabljali predvidoma že pred več kot petimi tisočletji (Capasso, 1998). Dokazano je, da trosnjaki vsebujejo snovi s
pritivirusnimi (Kanamoto in sod., 2001) in antibiotičnimi
učinki (Schlegel in sod., 2000), nekatere od njih pa imajo
protivnetno delovanje (Kamo in sod., 2003).
Navadna cepilistka (Schizophyllum commune) je gliva z majhnimi trosnjaki, pogosta na lesu listavcev. Iz nje
so izolirali mnogo različnih polisaharidov, med katerimi
je delovanje polisaharida schizophyllan-a dodobra raziskano. Schizophyllan se je izkazal kot učinkovit v številnih kliničnih študijah na različnih vrstah rakavih obolenj
(Nakao in sod., 1983; Fujimoto in sod., 1983; Okamura in
sod., 1986)
Resasti bradovec (Hericium erinaceus) je dokaj redka a
izredno okusna jedilna goba, katero ponekod imenujejo
tudi »naravno hranilo za nevrone« zaradi njene sposobnosti stimulacije produkcije faktorja za rast živcev (Kawagishi in sod., 2004; Kawagishi in sod. 1996). Koncentracije
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
faktorja za rast živcev, nižje od običajnih, so povezane
tudi z zgodnjimi fazami alzheimerjeve bolezni in demence (Giacobini, 2007). Ta vrsta gobe naj bi učinkovala proti alzheimerjevi bolezni in demenci, poleg tega pa tudi
proti multipli sklerozi, poškodbam živcev, proti nekaterim
bolnišničnim okužbam kot je MRSA in gastritisu (Powell,
2010).
Poleg tega, da so te vrste gliv škodljivci, ki rastejo na lesu
ter ga uničujejo, njihovi trosnjaki predstavljajo izredno zanimiv in uporaben vir zdravilnih učinkovin, ki bi jih lahko
veliko bolje izkoriščali, pa naj bo to z uporabo v naravi
rastočih trosnjakov ali pa prek gojenja le teh na za ta namen pripravljenih substratih. Potrebno je le upoštevati, da
trosnjaki nekaterih vrst v naravi rastejo izredno počasi ter
da njihovo pretirano nabiranje lahko privede do iztrebitve
posamezne vrste, kar lahko opazimo v primeru lekarniške
macesnovke na področju Slovenije.
Reference
1. Aoki M., Motomu T., Fukushima A., Hieda T., Kubo S., Takabayashi M., Ono K., Mikami Y. (1993) Antiviral substances with
systemic effects produced by Basidiomycetes such as Fomes fomentarius. Bioscience, Biotechnology and Biochemistry, 57(2): 278293
2. Capasso L. (1998) 5300 years ago, the Ice Man used natural laxatives and antibiotics. Lancet, 352: 1864
3. Donnelly D.M., Abe F., Coveney D., Fukuda N., O'Reilly J., Polonsky J., Prange T.J., (1985) Antibacterial sesquiterpene aryl
esters from Armillaria mellea. Journal of Natural Products, 48(1): 10
16
4. Fujimoto S., Orita K., Kimura T., Kondo T., Taguchi T., Yoshida
K., Ogawa N., Furue H. (1983) Clinical evaluation of SPG (schizophyllan) as a therapeutic adjuvant after surgery of gastric cancer
– controlled study by an envelope method. Gan To Kagaku Ryoho,
10(4): 1135 1145
5. Gao L.W., Li W.Y., Zhao Y. L., Wang J.W. (2009) The cultivation,
bioactive components and pharmacological effects of Armillaria
mellea. African Journal of Biotechnology, 8(25): 7383 7390
6. Giacobini E., Becker R.E., (2007) One hundred years after discovery of Alzheimer's disease. A turning point for therapy? Journal of
Alzheimers disease, 12(1): 37-52
7. Gu Y.H., Sivam G. (2006) Cytotoxic effect of oyster mushroom
Pleurotus ostreatus on human androgen-independent prostate
cancer PC-3 cells. Journal of Medicinal Food, 9: 196 204.
8. Hilborn M.I. (1942) The biology of Fomes fomentarius. Bulletin Maine Agricultural Experimental Station 409
39
raziskave in razvoj
40
9. Jeurink P.V., Noguera C.L., Savelkoul H.F.J., Wichers H.J.
(2008) Immunomodulatory capacity of fungal proteins on the
cytokine production of human peripheral blood mononuclear
cells. International Immunopharmacology 8(8): 1124-33
10. Kalyoncu F., Oskay M., Sağlam H., Erdoğan T.F., Tamer A.U.
(2010) Antimicrobial and antioxidant activities of mycelia of 10
wild mushroom species. Journal of medicinal food, 13(2): 415-494
11. Kamo T., Asanoma H., Shibata H., Hirota M. (2003) Anti-inflamatory lanostane-type triterpene acids from Piptoporus betulinus.
Journal of Natural Products, 66(8): 1104-1106
12. Kanamoto T.Y., Kashiwada K., Kanbara K., Gotoh K., Yoshimori M. (2001) Anti-human immunodeficiency virus activity of YI-FH
312 (a betulinic acid derivative), a novel compound blocking viral
maturation. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 45(5): 12551230
13. Kawagishi K., Shimada A., Hosokawa S., Mori H., Sakamoto
H., Ishiguro Y., Sakemi S., Bordner J., Kojima N., Furukawa S.
(1996) Erinacines E, F, and G, stimulators of nerve growth factor
(NGF)-synthesis, from the mycelia of Hericium erinaceus. Tetra Letters, 37(41): 7399-7402
14. Kawagishi K., Zhuang C., Shnidman E., (2004) The anti dementia effect of Lions's Mane mushroom and its clinical application.
Townsend Letter for Doctors and Patients 2004
15. Kim J. S., Na K., Kim K. N., Chung H. Y. (2007) Cytoprotective effect of polysaccharide isolated from different mushrooms against
7-ketocholesterol induced damage in mouse liver cell line (BNL CL.
2). Nutrition Research and Practice, 1(3): 180-3
16. Meerovich I.G., Yang M., Jiang P., Hoffman R.M., Gerasimenya
V.P., Orlov A.E., Savitsky A.P., Popov V.O., (2005) Study of action of cyclophosphamide and extract of mycelium of Pleurotus
ostreatus in vivo on mice, bearing melanoma B16-F0-GFP. Povzetki
s konference SPIE, Genetically Engineered and Optical Probes for
Biomedical Applications III, San Hose, California, ZDA, 5704: 214221
17. Mohd Din A.R., Razak S.A., Sabaratnam V. (2012) Effect of mushroom supplementation as a prebiotic compound in super worm
based diet on growth performance of red tilapia fingerlings. Sains
Malaysiana, 41(10): 1197–1203
18. Nakao I., Uchino H., Orita K., Kaido I., Kimura T., Goto Y., Kondo T., Takino T., Taguchi T., Nakajima T., Fujimoto S., Miyazaki
T., Miyoshi A., Yachi A., Yoshida K., Ogawa N., Furue H. (1983)
Clinical evaluation of schizophyllan (SPG) in advanced gastric cancer - a randomized comparative study by an envelope method.
Gan To Kagaku Ryoho, 10(4): 1146 1159
19. Obuchi T., Kondoh H., Watanabe N., Tamai M., Omura S., Yang
J.S., Liang X. T., (1990) Armilaric acid, a new antibiotis produced
by Armillaria mellea. Planta medica, 56(2): 198-201
20. Okamura K., Suzuki M., Yajima A., Chihara T., Fujiwara A., Fukuda T., Goto S., Ichinohe K., Jimi S., Kasamatsu T., Kawai N,
Mizuguchi K., Mori S., Nakano H., Noda K., Sekiba K., Suzuki
K., Suzuki T., Takahashi K., Takeuchi K., Takeuchi S., Ogawa
N. (1986) Clinical evaluation of schizophyllan combined with irradiation in patients with cervical cancer: A randomized controlled
study. Cancer, 58(4): 865–872
21. Parris K. (2000) The use of mushroom glucans and proteoglycans
in cancer treatment. Alternative Medicine Review, 5(1): 4-27
22. Pavlik M., Pavlik Š. (2013) Wood decomposition activity of oyster mushroom (Pleurotus ostreatus) isolate in situ. Journal of Forest
Science, 59(1): 28-33
23. Piraino F., Brandt C. (1999) Isolation and partial characterisation
of an antiviral RC-183, from the edible mushroom Rozites caperata.
Antiviral Research, 43: 67-68
24. Powell M. (2010) Medicinal mushrooms - A clinical guide. Mycology Press, East Sussex, U.K., 128
25. Radić N. (2010) Vpliv izvlečkov medicinskih gob in rastlin na izražanje genov v modelnih celičnih linijah. Doktorska disertacija 162
26. Rogers R. (2006) The Fungal Pharmacy. Prairie Deva Press, Canada, 234
27. Rosado F.R., Carbonero E.R., Claudino R.F., Tischer C.A.,
Kemmelmeier C., Iacomini M. (2003) The presence of partially
3-O-methylated mannogalactan from the fruit bodies of edible
basidiomycetes Pleurotus ostreatus 'florida' Berk. and Pleurotus
ostreatoroseus Sing. FEMS Microbiology Letters, 221: 119-124
28. Rosado F.R., Carbonero E.R., Kemmelmeier C., Tischer C.A.,
Gorin P.A.J., Iacomini M., (2002) A partially 3-O-methylated
(14)-linked α-D-galactan and α-D-mannan from Pleurotus ostreatoroseus Sing. FEMS Microbiology Letters, 212: 261-265
29. Schlegel B., Luhmann U., Hartl A., Grafe U. (2000) Piptamine, a
new antibiotic produced by Piptoporus betulinus Lu 9-1. Journal of
Antibiotics, 53(9): 973-974
30. Suay I., Arenal F., Asenio F., Basilio A., Cabello M., Diez M.T.,
Garcia J.B., Gonzales del Val A., Gorrochategui J., Hernandez
P., Pelaez F., Vicente M.F. (2000) Screening of Basidiomycetes
for antimicrobial activities. Antonie van Leeuwenhoek, 78: 129-139
31. Tao Y., Zhang L. (2006) Determination of molecular size and shape of hyperbranched polysaccharide in solution. Biopolymers, 83:
414-423
32. Tsukagoshi S. Hashimoto Y., Fujii G., Kobayashi H., Nomoto
K., Orita K., (1984) Krestin (PSK). Cancer Treatment Review, 11(2):
131-155
33. Wang H., Gao J., Ng T.B. (2000) A new lectin with highly potent antihepatoma and antisarcoma activities from the oyster
mushroom Pleurotus ostreatus. Biochemical Biophysical Research
Communications, 275: 810-816
34. Wasser S.P. (2005) Encyclopedia of Dietary Supplements, Marcel
Dekker Incorporated, 819
35. Yin H., Wang Y., Wang Y., Chen T., Tang H. (2010) Purification,
characterization and immuno-modulating properties of polysaccharides isolated from Flammulina velutipes mycelium. American
Journal of Chinese Medicine, 38(1): 191-204
65(2013) št. 1-2
UDK 630*33:630*176.1 Fagus sylvatica L.
Ugotavljanje gostot velikih
lesnih ostankov bukve (Fagus
sylvatica L.) iz pragozdnega
rezervata Rajhenavski Rog
raziskave in razvoj
Domen FINŽGAR*, Matej RUPEL**, Miha HUMAR***,
Hojka KRAIGHER**** Determining densities of beech (Fagus sylvatica L.) coarse woody
debris from the virgin forest Rajhenavski Rog
Abstract: Measuring densities of wood samples with mercury volumemeter is a standard in Slovenia. To find out the reliability of other, less toxic, density measuring techniques samples were measured in a mercury medium as well as in a water
medium. For water measurements we used Sartorius MSA 323S scale with YDK01 Density Determination Kit for the first time
in our labs. We measured densities of coarse woody debris from the virgin forest reserve Rajhenavski Rog. Results of the two
methods employed were not comparable due to different density definitions. Also, lower densities in higher decay phases
were not detected, although expected. Nevertheless, the scale Sartorius MSA 323S proved to be a reliable method of measuring wood sample densities in water. However, some optimizations will have to be considered in the future.
Keywords: beech, wood density, coarse woody debris, water, mercury
1. UVOD
Gozdovi po svetu skladiščijo 120 Gt ogljika, kar je več
kot je trenutna količina ogljika v atmosferi. Delež ogljika,
* Ježa 74, 1231 LJ-Črnuče, Slovenija
**Gozdarski inštitut Slovenije, 1000 Ljubljana, Slovenija
*** prof. dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana
**** prof. dr., Gozdarski inštitut Slovenije, 1000 Ljubljana, Slovenija,
e-pošta: [email protected]
65(2013) št. 1-2
skladiščenega v gozdovih, predstavlja 77 % ogljika, skladiščenega v zemeljski vegetaciji, od tega deleža pa je
17 % skladiščenega v gozdovih zmernega pasu, kamor
spadajo tudi slovenski gozdovi. Gozdovi prispevajo 90 %
letnih pretvorb ogljika iz atmosferskega v fiksiranega na
zemlji in obratno. Rast gozdov je ena izmed redkih oblik
skladiščenja ogljika, ki jih poznamo. V času do kulminacije
letnega prirastka drevo predstavlja ponor ogljika. Po kulminaciji sta skladiščenje in sproščanje ogljika nekaj časa
v ravnovesju, nato pa se z razgradnjo tkiv drevesa ogljik
sprošča nazaj v atmosfero. (Nijnik, 2010).
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: Merjenje gostot lesnih vzorcev z živosrebrnim volumometrom je v slovenskem gozdarstvu standard. Z namenom
ugotavljanja zanesljivosti drugačnih, zdravju varnejših metod ugotavljanja gostot so bile meritve tokrat opravljene tako na
živosrebrnem kot tudi na vodnem volumometru. Pri tem je bila pilotno uporabljena tehtnica Sartorius MSA 323S z dodatkom za merjenje gostot YDK01. Merili smo gostote vzorcev velikih lesnih ostankov bukve iz pragozdnega rezervata Rajhenav.
Dobljeni rezultati niso bili primerljivi zaradi različnih definicij gostot. Prav tako ni bilo mogoče zaznati padca gostot zaradi
višje stopnje razgradnje, čeprav je bil ta pričakovan. Kljub temu se je tehtnica Sartorius izkazala za zanesljivo in hitro metodo
merjenja gostot v vodi, ki pa jo bo potrebno še optimizirati.
Ključne besede: bukev, gostota lesa, veliki lesni ostanki, voda, živo srebro
41
raziskave in razvoj
Razumevanje dinamike razkroja lesa je torej nujno za razumevanje dinamike ogljika. Veliki lesni ostanki (VLO oz.
CWD, coarse woody debris) v klimaksnih gozdnih združbah pripomorejo k temu razumevanju, saj so prikaz razkroja lesa kot poteka v naravi, vendar je že ocena deleža
biomase VLO v gozdovih problematična zaradi različnih
načinov izračuna njenega deleža, ki se lahko razlikuje do
25 % (Jonsson in Siitonen, 2012).
Razgradnja VLO je do določene mere znana in s pomočjo eksponentnega modela predvidi časovno zmanjšanje
mase, volumna in gostote:
Yt=Y0e-kt
Formula 1: Eksponentni model, ki predvideva
časovno zmanjšanje mase, volumna in gostote lesa
Formula 1: Exponential model, predicting the decline
of mass, volume and density of wood as time passes.
pri čemer je Yt gostota v času t, Y0 začetna gostota pred
dekompozicijo in k koeficient dekompozicije, ki ga dobimo z merjenjem relativne dekompozicije večjega števila
vzorcev
(k = -ln(Yt/Y0)t) (formula 1). Glavna pomanjkljivost tega
modela je, da predvideva konstantno hitrost dekompozicije lesa skozi čas. (Stokland in Siitonen, 2012).
Za ugotavljanje hitrosti razkroja VLO je potrebno merjenje
gostot v določenih časovnih razmakih. Merjenje gostot
lesa otežujejo številne definicije gostot. Navadno merimo absolutno gostoto (masa absolutno suhega lesa na
volumen absolutno suhega lesa), osnovno gostoto (masa
absolutno suhega lesa na volumen napojenega lesa) in
zeleno gostoto (masa svežega lesa na volumen svežega
lesa). Ker teh štirih načinov določanja gostot ni mogoče
statistično primerjati, je problematična tudi njihova primerjava. (Wagenführ, 1996)
Raziskave so pokazale, da naj bi bila najustreznejša definicija gostote osnovna gostota, saj naj bi rezultati najmanj
variirali, če je zagotovljena ustrezna napojitev vzorcev v
deionizirani vodi (Olesen, 1971; Usta, 2003).
Merjenji gostot lesnih vzorcev z živosrebrnim in vodnim
volumometrom sta v gozdarstvu standardna postopka.
Merjenje gostot v živem srebru pa postaja problematično zaradi želje Evropske unije po umiku te nevarne snovi iz človekovega okolja. Tako je z uredbama 1907/2006,
552/2009 Evropska komisija močno omejila prodajo merilnih naprav, ki vsebujejo živo srebro. Z zadnim sprejetim
amandmajem št. 847/2012, pa je prodajo merilnih naprav
z živim srebrom prepovedala tudi v strokovne in industrijske namene. Amandma je začel veljati z dnem 10. 4. 2013
(Uredbe št. 1907/2006, 847/206 in 847/2012). Primerjave
42
natančnosti merjenja gostot v različnih medijih so vsaj na
začetku pokazale, da so meritve, opravljene v živosrebrnem mediju, zanesljivejše (Holz in Plickat, 1961), kasneje
se je izkazalo, da se ob uporabi primernih velikostih vzorcev te razlike zmanjšajo na zanemarljivo velikost (Olesen,
1971). Podobnega mnenja so tudi na Svetu Evrope, kjer
niso predlagali izjem za uporabo živosrebrnih merilnih
naprav v lesarstvu in gozdarstvu, kakor so to storili za nekatera medicinska področja (Uredba št. 847/2012).
Raziskave, ki so se ukvarjale s primerjanjem različnih tehnik merjenja gostot, so za svoje vzorce obravnavale zdrav
les, pravilnih oblik in znanih dimenzij. Problem torej ostajajo meritve vzorcev, ki so bolj razkrojeni in so nepravilnih
oblik. Problem nastane tudi, kadar želimo meriti absolutno gostoto, ki v vodnem mediju sploh ni mogoča. Takšni
vzorci so pomemben del raziskav VLO, kjer je pridobivanje idealnih vzorcev nemogoče (Kraigher in sod., 2002).
Cilj prispevka je ugotavljanje metodologije merjenja gostot VLO v vodnem mediju, z namenom kasnejše standardizacije postopka. Postopen prehod iz živosrebrnega v
vodni medij je namreč, ne le zaradi uredb Evropske unije,
temveč tudi zaradi človekovega zdravja, nujen. Ker se je
v Sloveniji pri raziskavah pomena VLO za dinamiko ogljika in biodiverziteto merila absolutna gostota, določena z
Breulovim živosrebrnim volumometrom (Kraigher in sod.,
2002), smo torej želeli ugotoviti, ali lahko z merjenjem gostot VLO v vodnem mediju pridemo do primerljivih rezultatov. Pri meritvah gostot VLO z vodo smo prvič uporabili
tehtnico Sartorius MSA 323S (slika 2), zato je bil namen
raziskave tudi spoznavanje nove opreme.
2. MATERIAL IN METODE
Vorce za raziskavo smo izvrtali na južnem robu pragozdnega rezervata Rajhenavski rog na raziskovalni ploskvi, ki
je nastala v okviru projekta NAT-MAN leta 2002 (Kraigher
in sod., 2002). Vzorčenja so bila opravljena novembra 2011.
Meritve so bile opravljene v letu 2012. Merili smo absolutno gostoto v živem srebru ter osnovno in nasičeno gostoto v vodi. Zaradi pilotne meritve na tehtnici Sartorius
MSA 323S so bile opravljene tudi testne meritve vzorcev
bukve znanih dimenzij.
2.1. RAJHENAVSKI ROG
Pragozdni rezervat Rajhenavski Rog je prvič kot rezervat
omenil Hufnagel leta 1904 (Bončina, 1999). Matična kamnina rezervata je apnenec, tla so rjava pokarbonatna in
variirajo v globini zaradi pogostih vrtač. Prevladuje dinarski jelovo-bukov gozd (Omphalodo-Fagetum). Hektarska
zaloga tako mrtvega kot živega lesa znaša 1072 m3 na
hektar (Hartman, 1999).
65(2013) št. 1-2
Vzorce smo pridobivali z vrtanjem v velike lesne ostanke
bukve (Fagus sylvatica L.) (ležeče in stoječe). Izbrani VLO
so bili večinoma isti kot v raziskavi leta 2002. Takrat so
bili ustrezno označeni in opisani (Kraigher in sod., 2002).
Dodatno je bil vključen en vzorec izmed večih na novo
padlih VLO. Naključno smo izbirali 207 vzorcev za meritve
gostot z živim srebrom in 105 vzorcev za meritve z vodo.
Vzorce smo porazdelili v 5 stopenj razgradnje, čeprav smo
izvajali opis VLO po šeststopenjski lestvici (preglednica 1,
slika 1). Šesta stopnja ne omogoča več ustreznih meritev
gostote, saj je celotno drevo v tej stopnji bolj ali manj
spremenjeno v prst.
Za meritve z vodo smo vzorce odvzeli iz šestnajstih različno velikih lesnih ostankov, za meritve z živim srebrom pa
iz sedemnajstih.
2.3. MERITVE GOSTOT
Vzorci nepravilnih oblik velikosti od 0,8 cm3 – 15 cm3 (mediana = 4,2 cm3) so bili posušeni na 103±2 °C v štiriindvajsetih urah in nato ohlajeni na sobni temperaturi v eksikatorju. Nato so bili stehtani (natančnost tehtnice 0,0001) in
potopljeni v živo srebro. Za merjenje volumna smo uporabili Breuilev volumometer (natančnost ± 0,1 cm3).
Isti vzorci niso bili primerni za meritve z vodo, saj se je v
porah nabralo živo srebro, ki ga ni bilo mogoče odstraniti.
Vzorci so bili zato ustrezno uničeni.
Za meritve z vodo smo izbrali nove vzorce istih izvrtkov,
pri čemer velja poudariti, da je nehomogenost v razgradnji lesa znotraj istega izvrtanega materiala velika. Izbrani
vzorec je kar se da najbolje predstavljal povprečno stanje
celotnega izvrtanega materiala.
Dobljene vzorce smo posušili na 105 ±2 °C v štiriindvajsetih urah in ohladili na sobni temperaturi v eksikatorju.
Vzorcem smo izmerili maso, jih potopili v 50 ml centrifugirke, napolnjene z MQ vodo, in jih prenesli v tlačno komoro
(10 min – 200 mbar, 30 min – 9 bar, 10 min -200 mbar).
raziskave in razvoj
2.2. VZORČENJE
Vzorcem smo s krpico odstranili površinsko vodo in jim
izmerili volumen ter gostoto na tehtnici Sartorius MSA
323S, z dodatkom za merjenje gostote YDK01. Pri opravljanju meritev smo se oprli na več raziskav, ki so že opisale probleme merjenja gostot v vodnem mediju (Vintila,
1939, Holz in Plickat, 1961, von Wedel, 1962, Ericson, 1966,
Henrichs in Lassen, 1970, Olesen, 1971) in sledili navodilom zastopnika podjetja Sartorius v Sloveniji.
Ker je bila tehtnica Sartorius MSA 323S (slika 2) v raziskavah
Gozdarskega inštituta Slovenije uporabljena prvič, smo
Slika 1: Primeri vzorcev, na katerih so bile opravljene meritve gostot. Označeni so z ID oznako in fazo razkroja, ločeno z vejico. (foto: Domen Finžgar, 2013)
Figure 1: Examples of samples, chosen for density measurements. Labeled by ID and decay phase, separated by
a comma. (photo: Domen Finžgar, 2013)
65(2013) št. 1-2
43
raziskave in razvoj
Preglednica 1: 6-stopenjska lestvica faz razkroja (Kraigher in sod., 2002).
Table 1: 6 class method of determining decay phases (Kraigher in sod., 2002).
Faze
razkroja
Skorja
Veje in poganjki
Trdota lesa
Površina
Oblika
1
Manjka največ
50 %
Prisotni
Trd, nož se zapiči
največ 2 mm
globoko
Prekrita s skorjo, površina krožna
nedotaknjena
2
Manjka več kot
50 %
Samo veje nad
3 cm prisotne
Trd, nož največ 1
cm globoko
Gladka, površina nedotaknjena
krožna
3
Manjka
Manjkajo
Postaja mehak, nož Gladka ali razpokana,
1-5 cm globoko
površina nedotaknjena
Krožna
4
Manjka
Manjkajo
Mehak, nož čez 5
cm globoko
Razpokana, manjši deli
manjkajo, površina nedotaknjena
Krožna ali ovalna
5
Manjka
Manjkajo
Mehak, nož čez 5
cm globoko
Veliki deli manjkajo, površina spremenjena
Plosko ovalna
6
Manjka
Manjkajo
Mehak, samo
ostanki lesa
Površina težko določljiva
Plosko ovalna,
prekrita z zemljo
opravili še testno merjenje osmih testnih vzorcev lesa bukve z znanimi dimenzijami (0,7 cm × 1,0 cm × 3,0 cm).
Pri meritvah z vodno tehtnico se relativna masa vzorca v
vodi stalno nekoliko spreminja, tako da prihaja do manjših
odstopanj od začetno zabeležene mase. Ker programsko
okolje tehtnice samo poskrbi za preračunavanje gostote
po formuli:
ρ = (W(a)*ρ(fl)) / (W(a)-W(fl)),
W(a)=masa v zraku,
W(fl)=relativna masa v vodi,
ρ(fl)=gostota vode,
testa, izbrali Mann-Whitneyev U test. Upoštevali smo stopnjo zaupanja 0,95. Ker se pri obeh testih namesto povprečne vrednosti upošteva mediano, so rezultati meritev
gostot prikazani v boxplot diagramih z mediano.
Glede na našo ničelno hipotezo in stopnjo zaupanja lahko
rečemo, da kadar je P vrednost pod 0,05, obstajajo dokazi,
da so razlike med 3 fazami. Ker Kruskal-Wallisov test ne
upošteva razlik med vsemi medianami, temveč je dovolj
že ena razlika, je torej U test, kjer preverjamo ničelno hipotezo dveh skrajnih stopenj (3 in 5), zelo pomemben.
Formula 2: Gostota, kot jo v programskem okolju
izračuna tehtnica Sartorius MSA 323S.
Formula 2: Density formula, on which the calculations of densities in Sartorius MSA 323S sowftware are
based on.
pride do malenkostnih razlik med merjeno in izračunano
nasičeno in osnovno gostoto.
Dobljene rezultate smo statistično obdelali v programskih
okoljih Microsoft Excel 2003 in IBM SPSS statistics 19. Za
test neodvisnosti vzorcev nismo uporabiti ANOVE, saj se
vrednosti gostot niso porazdeljevale po naravni porazdelitvi. Tako smo uporabili neparametrični Kruskal-Wallisov
test, ki te porazdelitve ne predvideva. Z njim smo testirali
ničelno hipotezo, da vzorci različnih stopenj razkroja pripadajo identični stopnji razkroja. Za test neodvisnosti faz
3 in 5 pa smo iz enakih razlogov namesto Studentovega t
44
Slika 2: Tehtnica Sartorius MSA 323S z dodatkom za
merjenje gostot YDK01. (foto: Domen Finžgar, 2012)
Figure 2: Sartorius MSA 323S scale with a Density Determination Kit YDK01. (photo: Domen Finžgar, 2012)
65(2013) št. 1-2
Rezultati naše raziskave so gostote, izmerjene tako z živosrebrnim kot tudi z vodnim
volumometrom.
Preglednica 2 prikazuje rezultate meritev
testnih vzorcev. Razlike med volumnoma
so pričakovane, saj izračunan volumen ne
predvideva konkavnosti vzorcev, ki je možna. Z minimalnimi razlikami v volumnih
smo ocenili, da je tehtnica Sartorius MSA
323S primerna za nadaljnje meritve.
Iz rezultatov smo izključili meritve vzorcev
prve in druge stopnje razgradnje zaradi
suma, da so jim bile stopnje napačno ocenjene (preglednica 3).
Povprečne vrednosti različnih gostot so
pred­stavljene v preglednici 4. Vrednosti meritev so primerljivega velikostnega razreda
kot tiste iz leta 2002 (Kraigher in sod., 2012),
standardni odklon pa je višji. Velja torej ponovno pregledati stopnje razkroja in preučiti
možnosti ustreznejšega odvzema vzorcev in
njihovega prevoza na merilno mesto.
Mediana odstopanja med izmerjeno in izračunano nasičeno gostoto je znašala 0.0012
g/cm3, maximalno odstopanje pa je znašalo 0.7456 g/cm3, pri čemer predvidevamo,
da gre za napako merilca. Naslednja maksimalna vrednost namreč znaša 0.0023g/
cm3. Odstopanja pri osnovnih gostotah so
podobnega velikostnega razreda. Napake
zaradi odstopanja izmerjene in izračunane
vrednosti pri nasičenih in osnovnih gostotah so zanemarljive.
Gostota lesa s stopnjo razkroja pada (Stokland in Siitonen, 2012), rezultati, pridoblje-
ni v tej raziskavi, pa tega ne potrjujejo (preglednica 4, sliki 3 in 4), razen
pri nasičenih gostotah (slika 5). Nasičenih gostot doslej v znanstvenih
razpravah o VLO nismo zasledili in je zato njihova uporaba problematična. Stopnji faz razkroja 3 in 5 sta si bili tako v absolutni gostoti kot tudi v
osnovni gostoti podobni (preglednica 5), kar znova kaže na probleme pri
uvrščanju posameznega VLO v določeno stopnjo razgradnje.
Preglednica 2: Razlike volumnov, merjenih s Sartorius MSA 323S
(merjen volumen (H2O) in izračunanih volumnov osmih testnih
vzorcev.
Table 2: Differences between the volumes of 8 test samples, measured with the Sartorius MSA 323S (merjen volumen (H2O) and
calculated volume (izračunan volumen).
ID
vzorca
Masa
[g]
izračunan
volumen
[cm3]
merjen
volumen
(H2O)[cm3]
razlika v
procentih
1
2,687
5,512
5,452
1,10
2
2,9069
5,596
5,450
2,69
3
2,9783
5,621
5,515
1,92
4
3,0915
5,527
5,403
2,30
5
2,9684
5,556
5,433
2,27
6
3,1965
5,580
5,444
2,50
7
2,7725
5,418
5,223
3,73
8
2,8079
5,502
5,415
1,61
2,26
raziskave in razvoj
3. REZULTATI IN RAZPRAVA
povprečje
Preglednica 3: Število izmerjenih vzorcev po fazah razkroja in
dejansko število vzorcev, uporabljenih v statističnih analizah.
Table 3: Number of measured samples and number of samples used
in furter statistical analysis.
faza razkroja
1
2
3
4
5
skupaj
dejansko
št. vzorcev Hg
42
18
57
53
37
207
147
št. vzorcev H20
20
9
30
28
18
105
76
Preglednica 4: Povprečne vrednosti in standardni odklon (SD) različnih gostot po fazah razkroja.
Table 4: Mean values and standard deviation (SD) of diferent definitions of density and different decay phases.
Povprečne vrednosti različnih gostot [g/cm3]
Faza
razkroja
Osnovna gostota (H2O)
SD osnovne
gostote
Nasičena gostota
(H2O)
SD nasičene
gostote
Absolutna
gostota (Hg)
SD
absolutne
gostote
3
0,212
0,107
0,898
0,252
0,269
0,106
4
0,287
0,120
0,829
0,261
0,330
0,142
5
0,220
0,094
0,666
0,219
0,274
0,113
65(2013) št. 1-2
45
raziskave in razvoj
Preglednica 5: P (sig.) vrednosti Kruskal-Wallis in Mann-Whitney U testov.
Table 5: P (sig.) values of Kruskal-Wallis and Mann-Whitney U tests.
Kruskal-Wallis vseh treh faz
P value.
Absolutne gostote (Hg)
Nasičene gostote (H2O)
Osnovne gostote (H2O)
0,053
0,006
0,037
Mann-Whitney U test faz 3 in 5
P value.
Absolutne gostote (Hg)
Nasičene gostote (H2O)
Osnovne gostote (H2O)
0,978
0,001
0,726
Preglednica 5: P (sig.) vrednosti Kruskal-Wallis in Mann-Whitney U testov.
Table 5: P (sig.) values of Kruskal-Wallis and Mann-Whitney U tests.
Kruskal-Wallis vseh treh faz
P value.
Absolutne gostote (Hg)
Nasičene gostote (H2O)
Osnovne gostote (H2O)
0,053
0,006
0,037
Mann-Whitney U test faz 3 in 5
P value.
Absolutne gostote (Hg)
Nasičene gostote (H2O)
Osnovne gostote (H2O)
0,978
0,001
0,726
Uvrščanje VLO po stopnjah razgradnje je podvrženo subjektivni oceni, hkrati pa je nehomogenost vzorčnega
materiala znotraj iste stopnje razgradnje velika (slika 1).
Določitev najustreznejše stopnje razkroja določenega
VLO je torej zahteven proces, ki se ga raziskovalci lotijo
zelo različno. Obstajajo 4, 5, 6 in celo 8-stopenjske lestvice
razkroja, z različnimi načini določanja (Fraver in sod., 2002;
Stokland in Siitonen, 2012).
Slika 3: Diagram box plot, ki prikazuje vrednosti
osnovnih gostot, merjenih v vodi, po fazah razkroja.
Figure 3: Box Plot diagram showing basic density
values by decay phase.
46
Velikost vzorca vpliva na natančnost meritev, omejen pa
je tako z lastnostmi merilnih naprav kot tudi z velikostjo
posegov v pragozdnih rezervatih. Znano je, da natančnost meritev pada z manjšanjem volumov in večanjem
neravnih površin (Ericson, 1966; Olesen, 1971), hkrati pa se
zmanjšuje variiranje rezultatov (Fraver in sod., 2002; Olesen, 1971). Bilo bi torej smotrneje meriti ravno izžagane
Slika 4.: Diagram box plot, ki prikazuje vrednosti ab­
solutnih gostot, merjenih v živem srebru, po fazah
razkroja.
Figure 4: Box Plot diagram showing absolute density
values by decay phase.
65(2013) št. 1-2
Slika 5: Diagram box plot, ki prikazuje vrednosti
nasičenih gostot, merjenih v vodi, po fazah razkroja.
Figure 5: Box Plot diagram showing max. moisture
density values by decay phase.
vzorce večjega velikostnega razreda (6 cm3 ali večje). Ravno izžagani vzorci so možni samo pri VLO nižjih faz razkroja, njihova pridobitev pa povzroča večje poškodbe na
drevesih v pragozdnih rezervatih (Teodosiu in Bouriaud,
2012). Velikostni razred vzorca je omejen z dimenzijami
tehtnice Sartorius. Ta ne dovoljuje meritev vzorcev, večjih
od cca 15 cm3, še bolj pa je omejujoče določanje gostote
z živim srebrom, kjer je volumen omejen na 6 cm3.
Kakršnekoli statistične primerjave meritev z živim srebrom
in tistih, opravljenih z vodo, niso ustrezne, saj so bile merjene različne gostote (Wagenfuhr, 1966).
Merilna tehtnica Sartorius MSA 323S z dodatkom za merjenje gostot YDK01 se je izkazala za izjemno hitro in preprosto metodo merjenja gostot lesa. Alternativa živosrebrni metodi pa ta vendarle ni, saj ne omogoča merjenja
vseh vrst gostot, ki jih lahko obravnavamo v raziskavah.
Za namen ugotavljanja gostot VLO obravnavanje vseh
vrst gostot seveda ni potrebno, potrebno pa je poenotenje zavoljo statistične primerljivosti rezultatov v različnih
časovnih obdobjih. Ugotavljanje osnovne gostote, ki je v
raziskavah o VLO med najbolj uporabljenimi (Kraigher in
sod., 2002; Teodosiu in Bouriaud, 2012; Weggler in sod.,
2012; Fraver in sod., 2002), je s to metodo mogoče. Za
standardizacijo postopka pa bo potrebnih več raziskav v
smeri merjenja večjih vzorcev (cca. 6 cm3), drugače pridobljenih vzorcev (z vrtanjem, izsekavanjem, žaganjem) in
drugačnega ravnanja z vzorci (zmrzovanje, vakuumiranje).
(Kraigher in sod., 2002; Teodosiu in Bouriaud, 2012; Weggler in sod., 2012; Fraver in sod., 2002).
Vakuumiranje in merjenje vzorcev velikostnega razreda
10 cm x 10 cm x 10 cm na izbrani tehtnici omogoča manj
razpada visoko razgrajenih vzorcev lesa, hkrati pa velikost
zagotavlja manj variabilnosti znotraj iste stopnje razkroja
(Weggler in sod., 2012). Meritve takih vzorcev na tehtnici Sartorius MSA 323S niso mogoče. A merjenje gostot v
vodi na podlagi vzgona je stara, poceni in preprosta metoda, ki jo lahko hitro izvedemo na praktično kakršnikoli
laboratorijski tehtnici z manjšimi inženirskimi dopolnitvami (Olesen, 1971).
ZAHVALA
Merjenje absolutnih gostot razkrojenega lesa v vodnem
mediju ni bilo mogoče. Možna bi bila prilagoditev tehtnice za merjenje absolutnih gostot v petroleju (Vintila,
1939), vendar programsko tega tehtnica ne predvideva,
poleg tega je metoda prezamudna, v sodobnih raziskavah se ne pojavlja.
Iskreno zahvalo pri izvedbi meritev podajamo Iztoku Sinjurju, Nejcu Thalerju, Danielu Žlindri in Magdi Špenko.
Raziskavo sta sofinancirala ARRS in MKO v okviru projekta
L4-4318 Dinamika ogljika v gozdnih tleh in rizosferi.
Pri spoznavanju tehtnice Sartorius MSA 323S in dodatka
YDK01 smo odkrili nekaj fenomenov, ki vplivajo na rezultate. Pri višjih fazah razkroja vzorcev lesa lahko med
nasičenjem v vodi in prenašanjem na merilno napravo
povzročimo razpad vzorcev ali deformacijo njihovega volumna. Zato moramo med merjenem z njimi ravnati skrajno previdno, poskrbeti je potrebno za odstranitev odvečne vode s površine vzorca. Med merjenjem z YDK01
pogosto nastajajo zračni mehurčki, ki jih moramo sproti
predreti, saj nepredrti močno vplivajo na rezultate.
1. Bončina A. (1999) Virgin Forests and Forest Reserves in Central
and East European Countries. Stand Dynamics of the Virgin Forest
Rajhenavski Rog (Slovenia) During the Past Century. Diaci J (Ur.),
Ljubljana, 95-110
2. Ericson B. (1966) Determination of Basic Density in Small Wood
Samples. Department of Forest Yield Research: Research Notes. 9:
1-34
3. Fraver S., Wagner G.R., Day M. (2002) Dynamics of coarse
woody debris following gap harvesting in the Acadian forest of
central Maine U.S.A. Canadian Journal of Forest Research. 32: 20942105
4. Hartman T. (1999) Virgin Forests and Forest Reserves in Central
and East European Countries. Hundred Years of Virgin Forest Coservation in Slovenia. Diaci J (Ur.), Ljubljana, 111-120
5. Heinrichs J.F., Lassen L.E. (1970) Improved Technique for Determining the Volume of Irregularly Shaped Wood Blocks. Forest
Products Jurnal. 20: 24
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
4. SKLEPI
VIRI
47
raziskave in razvoj
48
6. Holz D., Plickat H. (1961) Über die Bestimmung der Darrdichte an
kleinen Holzproben. Holz als Roh- und Werkstoff, 19: 55-60
7. Jonsson G., Siitonen J. (2012) Biodiversity in Dead Wood. XIII:
Dead wood and sustainable forest management. Stokland JN (Ur.),
New York, 302-337
8. Kraigher H., Jurc D., Kalan P., Kutnar L., Levanič T., Rupel M.,
Smolej I. (2002) Beech Coarse Woody Debris Characteristics in
Two Virgin Forest Reserves in Southern Slovenia. Zbornik gozdarstva in lesarstva. 69: 91-134
9. Nijnik M. (2010) Carbon Capture, Sequestration and Storage. Carbon Capture and Storage in Forests. Hester RE (Ur.), Harrison RM
(Ur.), Cambridge, 203-239
10. Olesen P.O. (1971) The Water Displacement Method. Forest Tree
Improvement. 3: 3-23
11. Stokland J.N., Siitonen J. (2012) Biodiversity in Dead Wood. VI:
Mortality factors and decay succession. Stokland JN (Ur.), New
York, 302-337
12. Teodosiu M., Bouriaud B.O. (2012) Deadwood specific density
and its influental factors: A case study from a pure Norway spruce
old-growth forest in the Eastern Carpathians.
13. Torelli N. (1998) Gostota in relativna gostota lesa. LES. 50: 52-54
14. Usta I. (2003) Comparative Study of Wood Density by Specific
Amount of Void Volume (Porosity). Turkish Journal of Agriculture
and Forestry. 27: 1-6
15. Vintila E. (1939) Untersuchungen über Raumgewicht und
Schwindmaβ von Früh- und Spätholz bei Nadelhölzern. Holz als
Roh- und Werkstoff, 2: 345-357
16. Von Wendel K. (1962) Hydrostatische Verfahren zur Bestimmung
der Rohdichte von Holzproben. Holz als Roh- und Werkstoff, 20:
360-364
17. Wagenführ R. (1996) Holzatlas. Fachbuchverlag Leipzig, Leipzig,
688
18. Weggler K., Dobbertin M., Jüngling E., Kaufmann E., Thürig
E. (2012) Dead wood volume to dead wood carbon: the issue of
conversion. European Journal of Forest Research, 131: 1423-1438
19. UREDBA (ES) št. 1907/2006 o registraciji, evalvaciji, avtorizaciji in
omejevanju kemikalij (REACH) (2006) Uradni list Evropske unije L
136: 3-280
20. UREDBA KOMISIJE (EU) št. 847/2012 o spremembi Priloge XVII
k Uredbi (ES) št. 1907/2006 Evropskega parlamenta in Sveta o registraciji, evalvaciji, avtorizaciji in omejevanju kemikalij (REACH) glede živega srebra (2012) Uradni list Evropske unije L 253: 1-4
21. UREDBA KOMISIJE (ES) št. 552/2009 o spremembi Priloge XVII
k Uredbi (ES) št. 1907/2006 Evropskega parlamenta in Sveta o registraciji, evalvaciji, avtorizaciji in omejevanju kemikalij (REACH)
(2009) Uradni list Evropske unije L 164: 7-31
65(2013) št. 1-2
UDK 630*23:630*181.21
Svetlobne razmere v sestojni
vrzeli jelovo-bukovega
pragozda Rajhenavski Rog
raziskave in razvoj
Dušan ROŽENBERGAR*
Light conditions in a gap of sliver fir-beech old-growth forest
Rajhenavski Rog
Povzetek: V sestojni vrzeli jelovo-bukovega pragozda Rajhenavski Rog smo s ponovitvijo meritev analizirali spremembe
svetlobnih razmer v različnih delih vrzeli. Analize so potrdile domnevo o večanju vrednosti relativne svetlobe z večanjem
višine mladja. Kljub temu nismo ugotovili sprememb v prostorski razporeditvi sončnega sevanja ali relativnih razlik med
centralnimi deli vrzeli in lokacijami pod zastorom v okolici vrzeli. Za ugotavljanje večjih sprememb svetlobnih razmer so bile
razlike v višini merjenja svetlobe verjetno premajhne, saj v povprečju z zadnjo meritvijo še nismo prišli dovolj visoko, da bi
se pokazal učinek senčenja robnih dreves. Nadaljnje raziskave bodo zato usmerjene v višje sestojne plasti in večji prostorski
interval svetlobnih razmer.
Ključne besede: Abies alba, Fagus sylvatica, pragozd, sestojna vrzel, pomlajevanje, svetlobne razmere
Uvod
Svetlobne razmere v nižjih plasteh gozda so odvisne od
strukture gozdnega sestoja. V enomernih gozdovih praviloma pride do tal več svetlobe kot v raznomernih s povsem zapolnjenim vertikalnim profilom, vendar pa prihaja
zaradi vrzelastega sklepa krošenj v raznomernih gozdovih
več svetlobe do srednje plasti. Svetloba je pomembna za
drevesa, ki preraščajo v zgornje plasti gozdnega sestoja
(Barnes in sod., 1998). Poleg vertikalne strukture vpliva na
prehajanje svetlobe v spodnje plasti tudi drevesna vrsta.
Tako na primer pride do tal v sestojih bora več svetlobe
kot v mešanih sestojih jelke in bukve (Larcher, 1983).
Svetlobne razmere za rast mladja se spreminjajo z višino.
Osebki mladja, ki rastejo takoj za robom sestojnih vrzeli, z
* UL, Biotehniška fakulteta, Oddelek za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire, Večna
pot 83, 1000 Ljubljana, tel.: 01 320 3536, e-pošta: [email protected]
65(2013) št. 1-2
višinsko rastjo prehajajo v slabše svetlobne razmere, saj
preidejo v senco odraslih dreves. Kako upada svetloba z
višino in pri kateri višini se razmere bistveno poslabšajo, je
odvisno od drevesne vrste (iglavci – listavci) (Kneeshaw in
Bergeron, 1998). Osebki v sredini vrzeli imajo z naraščajočo višino ugodnejše svetlobne razmere, zato so te lokacije pomembne za preraščanje mlajših osebkov v zgornjo
drevesno plast. To velja predvsem za razmere v gospodarskem gozdu. V pragozdu zapolnijo vrzel že prej prisotna podstojna drevesa (predrastki), ki niso nujno povsem
v sredini vrzeli. Ker imajo osebki na severnem delu vrzeli
ugodne svetlobne razmere, je širjenje vrzeli v severno
stran pomembno za uveljavljanje mlajših dreves v zgornjo drevesno plast. Pri listavcih je pogost vzrok za nastanek vrzeli zlom ali prevrnitev drevesa, medtem ko iglavci
odmirajo stoje in so lahko v sestoju še nekaj let po tem,
ko odmrejo. Posledica je počasnejše širjenje vrzeli, ob isti
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Abstract: Our results confirmed the assumption of improved light conditions in later developmental stages of regeneration,
when heights of seedlings increased. However, there were no significant changes in light spatial distribution and also no
changes in relative differences between the central part of gaps and locations under the canopy around the gaps, which
was expected. Differences in measurement heights were likely too small to detect these changes, so further research will
focus on higher layers in a gap and a greater interval of light conditions.
Keywords: Abies alba, Fagus sylvatica, old-growth forest, gap, regeneration, light contitions
49
raziskave in razvoj
smrtnosti, v primeru iglavcev kot pri listavcih, kar zadrži
pojavljanje svetloljubnih vrst in poveča rast grmovnic.
Gostote mladja v vrzelih se tako ne povečujejo sorazmerno z velikostjo vrzeli, čeprav se rastne razmere izboljšujejo (Kneeshaw in Bergeron, 1998). Za razvoj osebkov tako
niso pomembne samo vrzeli neposredno nad osebkom
ampak tudi vrzeli v okolici. Ugotovitev velja predvsem za
mlajšo fazo, saj se z višino drevesa zaradi geometrije dotoka svetlobe pomen okoliških vrzeli na skupno prejeto
svetlobo zmanjšuje (Canham, 1985).
Ob delni presvetlitvi sestojev zaradi različnih motenj prihaja v spodnje plasti dovolj svetlobe za pomlajevanje
sencozdržnih vrst kot je npr. bukev. V gozdovih, kjer so
v kombinaciji z bukvijo prisotne še svetloljubne vrste kot
sta gorski javor in veliki jesen, take sestojne razmere pospešujejo bukev, saj se vraščajo v zgornjo plast podstojna
drevesa ali pa že obstoječi pomladek sencozdržnih vrst
kot sta bukev in jelka. V takih primerih v naravnih gozdovih izpade klasična mladostna faza z večjimi odprtimi površinami in možnosti svetloljubnih vrst za preraščanje v
zgornjo drevesno plast se zmanjšajo (Christensen in sod.,
2006; Nagel in Diaci, 2006).
Zaradi velikega vpliva svetlobnih razmer v sestojnih vrzelih na razvoj mladja je bil namen raziskave: i) kvantificirati
svetlobne razmere v vrzeli pragozdnega sestoja; ii) ugotoviti, ali se svetlobne razmere v vrzeli z večanjem višine
značilno spremenijo in iii) ugotoviti ali se s povečevanjem
višine spremeni prostorski vzorec pojavljanja različnih
vred­nosti svetlobe.
Metode
Raziskava je potekala v pragozdnem rezervatu Rajhenavski Rog (45°66'N, 15°01'E, oddelek 31), ki leži v gospodarski enoti (GGE) Rog in spada pod gozdnogospodarsko
območje (GGO) Kočevje. Povprečna letna količina padavin je med 1500 in 2000 mm, povprečne letne temperature se gibljejo okrog 6 °C. Značilen je razgiban makro in
mikro relief in pestre rastiščne razmere. Tla spadajo v pedosekvenco tal na trdih karbonatnih kamninah (apnencih in dolomitih). Na celotnem območju je bila kartirana
združba bukve in spomladanske torilnice (OmphalodoFagetum (TREG.57) MAR. et al. 93).
Meritve so potekale v sestojni vrzeli, kjer smo postavili sistematično mrežo (5 m x 5 m) ploskev. Vrzel je bila nepravilne oblike z indeksom oblike 3,8 (indeks oblike je definiran kot razmerje med obsegom vrzeli in obsegom kroga
pri isti površini) in površino 1317 m2. Na vsaki ploskvi smo
v letih 2000, 2005 in 2009 posneli hemisferno fotografijo s
pomočjo kalibriranega merilnega sistema, ki je vključeval
fotoaparat (Nikon, model Coolpix 995), nivelirno napravo z elektronskim kompasom in objektiv ribje oko (Slika
50
Slika 1. Digitalni fotoaparat, kalibriran nastavek
ribje oko in nivelirna naprava z elektronskim kompasom (Foto: D. Roženbergar, 2009)
Figure 1. Digital camera with calibrated fish-eye
adapter and leveling device including electronic compass (Foto: D. Roženbergar, 2009)
1). V vseh primerih smo nastavili zrnatost fotoaparata na
ISO 400, zaslonko pa smo zastrli za dve stopnji bolj, kot
jo je predlagala avtomatika fotoaparata. Snemanja so bila
opravljena v času polnega olistanja.
Snemali smo v razmerah prevladujoče difuzne svetlobe
pred sončnim vzhodom ali po sončnem zahodu. Enonožno stojalo je omogočalo prilagajanje višine snemanja,
ki se je razlikovala glede na potrebe in je bila za meritve
mladja v prvem letu meritev 1,3 m, v drugih letih pa 2,5 m.
Posamezne meritve smo izvajali do višine 5 m. V vseh primerih smo meritve izvajali nad plastjo mladja, da bi dobili
oceno svetlobnih razmer, ki vplivajo na rast mladja.
Vse ploskve znotraj vrzeli smo uvrstili v 4 razrede in jih po-
65(2013) št. 1-2
vrzel
rob vrzeli
2
zastrto
3
4
Slika 2. Shematski prikaz lokacij mikrorastišč (1 – S pod
zastorom; 2 – S vrzel; 3 – J vrzel; 4 – J pod zastorom),
uporabljenih za analizo svetlobnih razmer v vrzeli.
Figure 2. Location of microsites (1 – N canopy; 2 – N
gap; 3 – S gap; 4 – S canopy) used to analyze light
conditions in canopy gap.
imenovali mikrorastišča. Vsako vrzel smo razdelili na S in J
del, znotraj vsakega dela pa smo ločevali med ploskvami
pod zastorom robnih dreves vrzeli in tistimi, kjer zastora ni
bilo (Slika 2). Ploskve pod zastorom so bile od roba vrzeli
oddaljene do maksimalne razdalje 20 m.
Mikrorastišča so bila tako definirana kot: 1 – ploskve pod
zastorom na S delu vrzeli; 2 – ploskve brez zastora na S
delu vrzeli; 3 – ploskve brez zastora na J delu vrzeli in 4 –
ploskve pod zastorom na J delu vrzeli.
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Za testiranje razlik v vrednostih relativne svetlobe med
leti smo zaradi ponovitve snemanj na istih ploskvah uporabili Friedmanov test rangov, za analize razlik med mikrorastišči pa zaradi nenormalne porazdelitve Kruskal-Wallis
test s posteriorno analizo.
Rezultati
Test razlik je pokazal značilno različne vrednosti DIR in DIF
v različnih letih meritev. (Preglednica 1).
Preglednica 1. Rezultati Friedmanovega (srednji
rangi, χ2 in p) testa rangov za preverjanje razlik med
leti (2000, 2005 in 2009) v direktni (DIR) in razpršeni
(DIF) svetlobi v vrzeli
Table 1. Results of Friedman rang test (mean ranks
– Sr. rang, χ2 and p) performed to test differences
between years for direct (DIR) and diffuse (DIF) solar
radiation inside gap
N
Sr.
rang
2000
Sr.
rang
2005
Sr.
rang
2009
χ2
p
DIR
60
1,72
1,63
2,65
38,23
0,0000
DIF
60
1,23
1,97
2,80
73,73
0,0000
30
DIF (%)
DIR (%)
Fotografije smo najprej obdelali v eni od programskih
oprem za urejanje fotografij, kjer smo vsakemu posnetku
s točko označili sever. V nadaljnjem postopku smo v programski opremi Sidelook (Nobis in Hunziker, 2005) upora-
bili avtomatsko določanje mejnih vrednosti za prepoznavanje črno-belih delov slike. Tako pripravljene posnetke
smo potem analizirali s pomočjo programskega orodja
WinScanopy 2003 pro-b (Regent, 2003), s katerim dobimo
vrednost relativne (%) direktne (DIR) in razpršene (DIF) svetlobe, ki predstavlja delež sončnega sevanja v spektru, ki ga
zazna fotografski aparat (podobno spektru vidne svetlobe)
na točki meritve v primerjavi z razmerami na prostem.
raziskave in razvoj
N
1
25
20
15
10
5
2000
2005
Leto
2009
0
2000
2005
Leto
2009
Slika 3. Mediane (sredinske točke), srednji kvartilni interval (pravokotniki), vrednosti do 1,5 dolžine kvartilnega intervala (črte z ročaji) in ekstremne vrednosti (krogci – vrednosti med 1,5 in 3 dolžinami srednjega
kvartilnega intervala) DIR (%) in DIF (%) v letih 2000, 2005 in 2009
Figure 3. Median values (central point), interquartile range (box) and extreme values (circles- cases with values
between 1.5 and 3 lengths of interquartile range) of DIR (%) and DIF (%) in years 2000, 2005 and 2009
65(2013) št. 1-2
51
raziskave in razvoj
Preglednica 2. Rezultati Kruskal-Wallis testa (srednji rangi – Sr. rang in p) in posteriorne analize (označene
so kombinacije parov mikrorastišč, med katerimi so bile razlike statistično značilne) za ugotavljanje razlik v
DIR in DIF med mikrorastišči (1 – pod zastorom na S delu vrzeli, 2 – S del vrzeli, 3 – J del vrzeli, 4 – pod zastorom na J delu vrzeli) za vsako leto posebej
Table 2. Results of Kruskal-Wallis (mean ranks – Sr. rang and p) and post-hoc tests used to test differences
between microsites (1 – under canopy on the N part of the gap, 2 – open N part of the gap, 3 – open S part of the
gap, 4 – under canopy on the S part of the gap) for DIR and DIF separately for each year
Leto
Sr. rang 1
Sr. rang 2
Sr. rang 3
Sr. rang 4
16
15
14
15
2000
34,69
45,40
27,29
14,13
N
DIR
DIF
Posteriorna analiza
0,0000
1-4, 2-3, 2-4
2005
54,54
78,62
41,06
22,83
0,0000
1-2,1-4,2-3,2-4
2009
59,69
73,10
42,24
21,76
0,0000
1-4,2-3,2-4
2000
16,75
34,13
42,14
30,67
0,0008
1-2,1-3
2005
29,96
66,06
63,41
40,07
0,0000
1-2,1-3,2-4,3-4
2009
38,37
60,40
59,87
41,21
0,0057
1-2,1-3
Vrednosti DIR so se v devetletnem obdobju povečale. Bolj
intenzivno povečanje smo opazili med leti 2005 in 2009,
ko se je mediana za vrednosti DIR povečala z 9,2 % na 14,4
% (Slika 3).
Mediane vrednosti DIF so se v raziskovalnem obdobju
povečale za 6,4 % z začetnih 17,6 % na 19,4 %, povečanje
pa smo opazili tudi za spodnje in zgornje kvartilne vrednosti (Slika 3).
Za vsa leta smo tako za DIR kot za DIF ugotovili značilne
razlike v vrednostih na posameznih mikrorastiščih (Preglednica 2).
Maksimalne vrednosti DIR so dosegle vrednost 40 %,
medtem ko maksimalne vrednosti za DIF niso presegle
35 %. Vrednosti DIR so bile večje na mikrorastiščih 1 in 2 v
primerjavi s 3 in 4. Največje vrednosti median za DIR smo
zabeležili na mikrorastišču 2. Na mikrorastišču 3 je bilo
več DIR kot na mikrorastišču 4. Trend povečevanja DIR v
35
40
30
35
25
30
20
DIR (%)
DIF (%)
p
15
10
25
20
15
10
5
5
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
Slika 4. Mediane (sredinske točke), srednji kvartilni interval (pravokotniki), vrednosti do 1,5 dolžine kvartilnega intervala (črte z ročaji) in ekstremne vrednosti (krogci – vrednosti med 1,5 in 3 dolžinami srednjega
kvartilnega intervala) DIR (%) in DIF (%) v letih 2000 (prazni pravokotniki), 2005 (sivi pravokotniki) in 2009
(črni pravokotniki) za vsako mikrorastišče (1-pod zastorom na S robu vrzeli; 2-S del vrzeli; 3-J del vrzeli;
4-pod zastorom na J delu vrzeli)
Figure 4. Median values (central point), interquartile range (box) and extreme values (circles- cases with values
between 1.5 and 3 lengths of interquartile range) of DIR and DIF in years 2000 (empty boxes), 2005 (grey boxes)
and 2009 (black boxes), separately for each microsite (1 – under canopy on the N part of the gap, 2 – open N part
of the gap, 3 – open S part of the gap, 4 – under canopy on the S part of the gap)
52
65(2013) št. 1-2
Razlike DIF so bile značilne za vsa leta meritev (Preglednica 2). Vrednosti DIF so bile značilno večje na mikrorastiščih 2 in 3. Na vseh mikrorastiščih so se vrednosti DIF
povečevale (Slika 4).
Diskusija
Vrzeli so pomembne za pomlajevanje, rast in preživetje
vrst v spodnjih plasteh (Pickett in White, 1985) in lahko
močno vplivajo na razvoj in gostoto pomladka, ki se praviloma zmanjšuje od severnega proti južnemu delu vrzeli
(Coates, 2002). Znotraj vrzeli se svetlobne razmere razlikujejo v odvisnosti od lokacije (Canham, 1988). Čeprav
so razlike v osvetljenosti lahko velike, obstajajo določene
zakonitosti v pojavljanju posameznih vrednosti svetlobe
znotraj vrzeli, ki so odvisne od geometrije vrzeli (oblika in
velikost vrzeli). Rezultati modeliranja svetlobnih vrednosti v odvisnosti od geografske širine in velikosti vrzeli (v
model je bila vključena okrogla oblika vrzeli) so pokazali,
da je vplivno območje precej večje od same velikosti vrzeli in da so razlike velike že na majhnih razdaljah.Praviloma so na severni polobli maksimalne vrednosti za DIR
pomaknjene proti severnemu delu vrzeli (Canham, 1988).
Pojav je bolj opazen na južnih pobočjih in se zmanjšuje
s padanjem geografske širine (Canham, 1988; Messier in
sod., 2009).
Analize razlik svetlobnih razmer v naši raziskavi med posameznimi leti meritve so pokazale značilno povečevanje
DIR in DIF, ki je bilo opazno tudi za večino mikrorastišč. Z
oblikovanjem mikrorastišč smo poskušali ugotoviti ali se
spreminjajo svetlobne razmere v vrzeli v smeri S-J in hkrati pokazati, če nastajajo razlike v osvetljenosti z višinsko
rastjo mladja. Analiza DIF po mikrorastiščih je pokazala
prostorsko razporeditev, ki je značilna za vrzeli, kjer so bile
največje vrednosti DIF locirane v sredini vrzeli, manjše pa
v smeri robov vrzeli. Na vseh mikrorastiščih je z razvojem
mladja DIF naraščala, kar je bilo nepričakovano, saj smo
predvidevali manjše vrednosti ali vsaj relativno manjše
povečanje DIF z naraščanjem višine na točkah pod zastorom v okolici vrzeli. Vrednosti DIR na vseh štirih mikrorastiščih so se povečale. Najintenzivnejše spremembe smo
opazili na S delu pod zastorom in v vrzeli, vendar so bile
pozitivne spremembe opazne tudi na J delu pod zastorom, česar nismo pričakovali.
Na svetlobne razmere vpliva tudi orientiranost vrzeli oz.
smer njenega največjega premera. Vrzeli orientirane S-J
prejmejo ob isti površini in obliki več DIR, ki seže globoko
pod zastor za S robom vrzeli (Poulson in Platt, 1989). V našem primeru težko govorimo o značilni orientiranosti vrzeli, ki smo jo proučevali, saj smo ugotovili veliko pestrost
65(2013) št. 1-2
oblike vrzeli. Oblika vrzeli je močno odstopala od idealne
krožne oblike, kar dodatno pojasnjuje relativno odsotnost
povsem jasnih vzorcev pojavljanja DIR in DIF.
Poleg oblike in velikosti vrzeli so za svetlobne razmere v
vrzeli pomembne tudi spremembe v času. Ni vseeno, ali
je vrzel, ki jo opazujemo, nastala kot samostojni, enkratni
dogodek ali gre za sukcesivne vrzeli, kjer so se velikosti
povečevale skozi daljše časovno obdobje. V zadnjem
primeru so bile maksimalne vrednosti svetlobe v celotnem obdobju opazovanja manjše, hkrati pa je dinamika
lateralne rasti krošenj okoliških dreves drugačna. Sklepamo, da je pomembno poznati tudi starost vrzeli, saj
lahko domnevamo, da je lateralna rast krošenj okoliških
dreves v letih po nastanku vrzeli bolj intenzivna kot kasneje, kar lahko vpliva na spremembe svetlobnih razmer
v vrzeli in neposredni okolici vrzeli. Zaraščanje krošenj in
rast manjših dreves, ki so ostala v vrzeli, zmanjšuje svetlobne vrednosti, hkrati pa povečevanje višine merjenja
svetlobe pomeni povečevanje DIR in DIF. Slednje velja
samo za nezastrte lokacije v vrzeli, medtem ko pod zastorom za robom vrzeli od določene točke naprej pademo
v senco krošenj okoliških dreves in se svetlobne razmere
z višino slabšajo (Canham, 1988; Kneeshaw in Bergeron,
1998). V našem primeru zmanjševanja svetlobnih razmer
pod zastorom v okolici vrzeli nismo ugotovili, domnevno zaradi nedoseganja točke senčenja krošenj okoliških
dreves (maksimalna višina merjenja svetlobe je bila 5 m,
v večini primerov pa manj) in premalo razširjene mreže
ploskev pod zastorom. Problem pri tovrstnih raziskavah
so tudi vplivi okolice na razmere v sestojni vrzeli (Nakashizuka, 1985). V našo raziskavo smo vključili vrzel, ki je
imela z vidika sestojne strukture homogeno okolico brez
prisotnosti sestojnih vrzeli. Čeprav v okolici raziskovalne
vrzeli v obdobju meritev nismo zaznali večjih sprememb
glede pojavljanja novih vrzeli ali velike spremembe sestojne strukture, lahko že manjše motnje (odlom posameznih
vej ali odmrtje podstojnih dreves) značilno vplivajo na
svetlobne razmere. V naši raziskavi teh dogodkov nismo
sistematično beležili.
raziskave in razvoj
devetletnem obdobju smo potrdili za vsa mikrorastišča
(Slika 4).
Rezultati naše analize samo nakazujejo razlike v svetlobnih razmerah, v katerih rastejo osebki bukve v različnih
razvojnih stadijih inicialne faze. Razlike v višini merjenja svetlobe so bile za ugotavljanje večjih kontrastov in
sprememb svetlobnih razmer verjetno premajhne, zato
domnevamo, da jih bomo zaznali v nadaljevanju svojih
raziskav, ki jih bomo izvajali na večjih višinah v sestoju in
bližje zgornje plasti dominantnih dreves, pri čemer pa se
pojavi vprašanje izvedbe meritev na večjih višinah. Trenutno so zanesljive meritve mogoče do višine 6 m, v načrtu
pa je razvoj novih merilnih tehnik, ki bodo to vrednost
povečale.
53
raziskave in razvoj
Zaključek
Analize svetlobnih razmer, intervalov razpoložljive svetlobe, predvsem pa prostorske razporeditve različnih
svetlobnih vrednosti so pomemben del informacij, ki
jih potrebujemo za uspešno usmerjanje razvoja mladja.
Predvsem v starejši inicialni fazi lahko s pravilnim širjenjem
vrzeli vplivamo na uspešnost prehajanja mlajših dreves v
zgornje sestojne plasti. Ob predpostavki večjih potreb po
svetlobi bukve v starejši inicialni fazi je pomembno postopno širjenje vrzeli predvsem v severni smeri, s čimer
preprečimo prehod vzpenjajočih dreves bukve v senco
okoliških dreves in zagotovimo dovolj svetlobe za njihov
nadaljnji razvoj.
Viri
1. Barnes B. V., Zak D. R., Denton S. R., Spurr S. H. (1998) Forest
Ecology. (ur.) New York, John Wiley & Sons: 774
2. Canham C. (1985) Suppression and Release During Canopy
Recruitment in Acer-Saccharum. Bulletin of the Torrey Botanical
Club, 112, 2: 134-145
3. Canham C. (1988) An Index for Understory Light Levels in and
around Canopy Gaps. Ecology, 69, 5: 1634-1638
4. Christensen M., Emborg J., Busse Nielsen A. (2006) The forest
cycle of Suserup Skov- revisited and revised. Ecological Bulletins,
52, 33-43
5. Coates K. D. (2002) Tree recruitment in gaps of various size, clearcuts and undisturbed mixed forest of interior British Columbia,
Canada. Forest Ecology and Management, 155, 1-3: 387-398
6. Kneeshaw D. D., Bergeron Y. (1998) Canopy gap characteristics
and tree replacement in the southeastern boreal forest. Ecology,
79, 3: 783-794
7. Messier C., Posada J., Aubin I., Beaudet M. (2009) Functional
Relationships Between Old-Growth Forest Canopies, Understory
Light and Vegetation Dynamics. V: Old-Growth Forests. Wirht C. in
sod. (ur.), Berlin, Springer-Verlag: 115-139
8. Nagel T. A., Diaci J. (2006) Intermediate wind disturbance in an
old-growth beech-fir forest in southeastern Slovenia. Can. J. For.
Res., 36, 629-638
9. Nakashizuka T. (1985) Diffused Light Conditions in Canopy Gaps
in a Beech (Fagus-Crenata Blume) Forest. Oecologia, 66, 4: 472-474
10. Nobis M., Hunziker U. (2005) Automatic thresholding for hemispherical canopy-photographs based on edge detection. Agricultural and Forest Meteorology, 128, 3-4: 243-250
11. Pickett S. T. A., White A. S. (1985) The ecology of natural disturbance and patch dynamics. (ur.) Orlando, Academic Press: 472
12. Poulson T. L., Platt W. J. (1989) Gap Light Regimes Influence Canopy Tree Diversity. Ecology, 70, 3: 553-555
13. Regent. (2003) WinSCANOPY for hemispherical image analysis Manual. (ur.) Regent instruments inc.: 104
54
65(2013) št. 1-2
UDK 630*114
VEZAVA OGLJIKA NA POVRŠINAH V
ZARAŠČANJU
Carbon fixation at secondary forest succession
raziskave in razvoj
Mitja FERLAN*,**, Klemen ELER**, Dominik VODNIK**,
Franc BATIČ**, Primož SIMONČIČ*
Izvleček: Kljub intenzivnim raziskavam o kroženju ogljika so nekateri ekosistemi v tem pogledu še vedno slabo raziskani. Med
slabše raziskanimi so tudi kraški ekosistemi. Raziskave, predstavljene v tem prispevku, so bile narejene na planoti Podgorskega krasa v submediteranskem območju Slovenije. Na zaraščajočem območju sta bili izbrani dve raziskovalni ploskvi: pašnik
in površina v zaraščanju. Na obeh ploskvah so bile v juliju 2008 vzpostavljene mikrometeorološke meritve po metodi Eddy
covariance. Ploskev Zaraščanje je v preučevanem obdobju od 1. 7. 2008 do 30. 11. 2012 delovala kot ponor ogljika (NEE = -184
± 19 g C m-2 leto-1), medtem ko je bila ploskev Pašnik vir ogljika (NEE = 293 ± 34 g C m-2 leto-1). Na podlagi mikrometeoroloških meritev po metodi Eddy covariance lahko zaključimo, da zaraščanje pašnikov vpliva na povečano ponorno aktivnost
ekosistema za ogljik.
Ključne besede: sekundarna sukcesija, kroženje ogljika, Eddy covariance, neto izmenjava CO2, kraški ekosistemi
Uvod
V zadnjem obdobju se zaradi povečevanja atmosferske
koncentracije ogljikovega dioksida (CO2) intenzivno proučuje dinamika kroženja ogljika v različnih terestičnih ekosistemih. Ekosistemi so lahko glede na njihove lastnosti
in stanje, v katerem se nahajajo, potencialni vir ali ponor
toplogrednih plinov v biosferi, med katere štejemo tudi
CO2. Spremljanje ogljikovega cikla in ugotavljanje ponora
oziroma vira za nek ekosistem je pomembno predvsem
z vidika poznavanja ponorne sposobnosti posameznega
ekosistema in posledično z vprašanjem blaženja podneb* Gozdarski Inštitut Slovenije, Večna pot 2, SI-1000 Ljubljana,
e-pošta: [email protected]
**Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo, Jamnikarjeva
101, SI-1000 Ljubljana
65(2013) št. 1-2
nih sprememb. Pri raziskavah kroženja ogljika v kopenskih
ekosistemih v ta namen uporabljamo različne pristope.
Za direktno oceno neto izmenjave ogljika (NEE) med ekosistemom in atmosfero se najpogosteje uporablja metoda Eddy covariance (EC), ki so jo uspešno uporabili v
najrazličnejših vrstah ekosistemov. Prva uporaba omenjene metode sega v 70. leta prejšnjega stoletja (Desjardins,
1974). Število raziskav z uporabo te metode se je vsako
leto povečevalo. Ob predpostavki, da iz ekosistema ni odtokov ogljika v obliki odvzema biomase ali drugih večjih
motenj, lahko privzamemo, da je NEE enak neto primarni
produkciji ekosistema (NEP) (Schulze in sod., 2002).
Kljub številnim raziskavam izmenjave ogljika so nekateri
ekosistemi na tem področju slabo raziskani. Mednje sodijo nizkoproduktivni ekosistemi, ki z gospodarskega vi-
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Abstract: Despite intensive research, carbon cycle is still under-investigated and not fully understood for many ecosystems,
especially the ones which are of minor direct importance in terms of food and wood production. Karst ecosystems can be
included in this group of ecosystems. The study was conducted at the Podgorski Kras plateau which was in the past subjected to agriculture land abandonment, in the sub-mediterranean region of Slovenia (SW Slovenia). Within the study area
two study sites were chosen: grassland and forest succession. At both sites, in July 2008, an open-path Eddy covariance was
installed. For the observed period (July 1th 2008 – November 30th 2012), on the average annual basis Succession site was net
sink of carbon (NEE = -184 ± 19 g C m-2 y-1) while Grassland site was a source of carbon (NEE = 293 ± 34 g C m-2 y-1). Based
on the eddy covariance measurements it can be concluded that overgrown area increased sink activity compared to the
extensive grassland in observed period.
Key words: secondary succession, carbon cycle, Eddy covariance, net ecosystem CO2 exchange, Karst ecosystems
55
raziskave in razvoj
dika niso zanimivi ali pa so to heterogeni ekosistemi, kar
močno otežuje raziskave. Kraški ekosistemi so manj raziskani, saj jih lahko uvrščamo v obe skupini. Mikrometeorološke meritve kraških ekosistemov so lahko otežene
zaradi heterogenega reliefa z vrtačami. Zelo heterogena
so tudi tla kraških ekosistemov, ki so lahko globoka od nekaj centimetrov do nekaj metrov v talnih žepih. Meritve
neto izmenjave plinov med ekosistemom in atmosfero z
metodo Eddy covariance potekajo nad ekosistemom, v
plasti, kjer zračni tokovi niso več pod vplivom vegetacije
(Aubinet et al., 2000). Dobra lastnost metode je, da lahko
ob primerni višini stolpa izmerimo izmenjavo plina (npr.
CO2, O3, NOx, CH4 …), za kateri koli ekosistem, ne glede na
heterogenost.
V tej raziskavi smo primerjali rezultate meritev izmenjave
ogljika (NEE) med dvema sukcesijskima stadijema kraškega
ekosistema: kraški pašnik in opuščen pašnik v zaraščanju
(delno poraščen z drevjem in grmovjem). Na podlagi izvedenih mikrometeoroloških meritev po metodi Eddy covariance v obdobju od 1. 7. 2008 do 30. 11. 2012 pričakujemo
povečanje ponora na zaraščajoči površini v primerjavi z
ekstenzivnim pašnikom ter spremenjene letne poteke NEE.
Materiali in metode
Na območju Podgorskega krasa smo 1. 7. 2008 vzpostavili
mikrometeorološke meritve po metodi Eddy covariance
na opuščeni, zaraščajoči površini in na ekstenzivnem pašniku (slika 1). Zaraščajoča površina je izven kmetijske rabe
že več desetletij (okoli 40 let) in se zarašča predvsem s
puhastim hrastom, malim jesenom in rujem (Kaligaric in
sod., 2006).
Za uporabo metode EC potrebujemo podatke o hitrostih
vetra v vseh treh smereh (x, y, z) in podatke o koncentraciji spremljanega plina, npr. CO2 ter temperaturi, posnete
s frekvenco vsaj 10 Hz. (Več o uporabljenih inštrumentih:
Ferlan, 2013). Preračun polurnih vrednosti NEE poteka v
več korakih. Prvi korak je priprava podatkov, kjer binarne
podatke ustrezno transformiramo v datoteke, ki vsebujejo enourne nize vhodnih podatkov. Ker je metoda Eddy
covariance priznana metoda, so na voljo programi za obdelavo enournih datotek. Eden izmed prosto dostopnih
programov je EdiRe Data software (University of Edinburgh, 1999). V obdelavo je potrebno vključiti vse korekcije, ki
jih metoda zahteva (Aubinet in sod., 2000; Webb in sod.,
Slika 1: Lokaciji mikrometeoroloških meritev na področju Podgorskega krasa. Modra pika prikazuje razis­
kovalno območje, rdeči pa lokacijo stolpov za meritve po metodi Eddy covariance (zgornja rdeča pika:
raziskovalna ploskev Pašnik, spodnja rdeča pika: raziskovalna ploskev Zaraščanje). Prikazan je tudi potek
zaraščanja raziskovalnega območja od leta 1957-2009.
56
65(2013) št. 1-2
Rezultati in razprava
Analize površinskega dosega meritev po metodi Eddy covariance kažejo, da tokovi CO2 v 90
% prihajajo v povprečju iz razdalje 1530 m za
ploskev Zaraščanje in 195 m za ploskev Pašnik
od merilnega mesta. V opazovanem obdobju
(1. 7. 2008 - 30. 11. 2012) ni bilo večjih razlik med
ploskvama glede temperature zraka in padavin
(preglednica 1).
V opazovanem obdobju je bila zaraščajoča
površina neto ponor ogljika (NEE = -800 ± 82
g C m-2 obdobje-1), medtem ko je bila ploskev
Pašnik vir ogljika (NEE = 1273 ± 147 g C m-2 obdobje-1). Za obe rabi zemljišč slika 2 jasno kaže
razlike v vegetacijskih sezonah in NEE, kar je
raziskave in razvoj
1980; Foken in Wichura, 1996). Po uspešni obde- Preglednica 1: Izmerjena količina padavin in povprečna zračna
lavi dobimo polurne vrednosti NEE. Te podatke temperatura po posameznih letih in ploskvah, ločena glede na
je bilo potrebno nato s primernim statističnim prisotnost vegetacije.
orodjem združiti z meteorološkimi podatki. ZaVegetacijska
P [mm]
Ta [°C]
radi neprimernih vremenski okoliščin kot so pa- Leto
sezona
davine ali kondenzat na merilnih inštrumentih,
Pašnik Zaraščanje Pašnik Zaraščanje
ali zaradi izpada električnega napajanja pa so
2009
Ne
499
285
8,90
7,62
se v NEE podatkih pojavile večje ali manjše vrDa
230
362
16,78
16,74
zeli, izpadi podatkov. Naloga drugega koraka v 2009
obdelavi je bila, zapolniti manjkajoče vrednosti. 2010
Ne
415
434
7,74
6,09
Za dopolnjevanje NEE je bilo opisanih kar nekaj 2010
Da
528
687
14,18
14,72
postopkov in z nekaj popravki smo pri dopolNe
324
235
9,23
8,92
njevanju naših podatkov uporabili predloge iz 2011
2011
Da
446
382
18,22
16,15
prispevka Reichstein in sod., 2005). Tretji korak
pri obdelavi je analiza negotovosti (Papale in 2012
Ne
258
180
9,56
8,82
sod., 2006; Richardson in Hollinger, 2007).
2012
Da
344
317
18,40
15,29
razmeroma jasno povezano s količino in razporeditvijo padavin ter
drugimi okoljskimi parametri (preglednica 1). Mesečne vrednosti NEE
so povezane s količino talne vlage in njeno zmanjšanje hitreje prizadene ploskev Pašnik kot Zaraščanje. Tudi po prvem padavinskem dogodku po sušnem obdobju, ploskev Zaraščanje ponovno postane vir
ogljika, medtem ko pašnik ostane njegov vir. Ploskev Pašnik je imela
največjo ponorno moč -71,2 ± 7,7 g C m-2 mesec-1, medtem ko je bila
na ploskvi Zaraščanje -138,6 ± 5,7 g C m-2 mesec-1 (slika 2).
Ploskev Zaraščanje deluje kot ponor ogljika (NEE = -1,84 ± 0,19 Mg
C ha-1 leto-1), medtem ko ploskev Pašnik deluje kot njegov vir (NEE =
2,93 ± 0,34 Mg C ha-1 leto-1). Nekoliko večjo ponorno moč zaraščajočih površin so ugotovili Vaccari in sod., 2012) na otoku Pianosa na
opuščenih, zaraščajočih kmetijskih površinah, saj so izmerili vezavo
-2,6 Mg C ha-1 leto-1. Podobna odstopanja najdemo v literaturi tudi
za ponorno aktivnost travišč, kjer Gilmanov in sod., 2010) poročajo o
Slika 2: Mesečne vrednosti NEE s standardnimi odkloni. Zeleni stolpci predstavljajo ploskev Zaraščanje, rjavi
pa ploskev Pašnik.
65(2013) št. 1-2
57
raziskave in razvoj
ponornih aktivnostih, izmerjenih z metodo Eddy covariance, na ekstenzivnih in intenzivnih traviščih. Ekstenzivna
travišča so v povprečju vezala -0,7 Mg C ha-1 leto-1, intenzivna pa 1,8 Mg C ha-1 leto-1. Za primerjavo naj navedemo
ponorno sposobnost 80 let starega bukovega sestoja na
Danskem, izmerjeno z isto metodo, ki znaša v povprečju
-1,79 Mg C ha-1 leto-1 (Pilegaard in sod., 2001).
Sklep
Na osnovi meritev z metodo Eddy covariance lahko zaključimo, da zaraščanje opuščenih, ekstenzivnih kraških
pašnikov spremeni ponorno aktivnost za ogljik iz vira v
njegov ponor, vendar lahko nekatere posebnosti kraških
ekosistemov, kot sta heterogenost terena in vremenske
razmere, vplivajo na kvaliteto izmerjenih podatkov po
metodi Eddy covariance (Ferlan, 2013).
Raziskovanje kroženja ogljika v ekosistemih s karbonatno
matično podlago, kamor spada tudi preučevani ekosistem, je med drugim lahko oteženo tudi zaradi prispevka geogenega CO2 (Kowalski in sod., 2008; Serrano-Ortiz
in sod., 2010), ki zahteva dodatne meritve, kot na primer
izotopsko sestavo CO2 (Plestenjak in sod., 2012). Možna
je tudi uporaba druge merilne opreme za neprekinjeno
spremljanje izotopske sestave CO2 (Bowling in sod., 2003)
namesto uporabljenega infrardečega analizatorja. Z omenjeno opremo, ki bi omogočala podrobnejši vpogled v izotopsko sestavo mulekul CO2, bi dobili vpogled v dnevno
dinamiko spremljanega plina in s tem tudi boljše poznavanje njegovega kroženja.
Zahvala
Zahvaljujemo se Agenciji Republike Slovenije za raziskovalno dejavnost, ki je financirala raziskave v okviru projektov J4-1009 in V4-0536 in program usposabljanja mladega
raziskovalca v okviru raziskovalnega programa P4-0085
(Aplikativna botanika, genetika in ekologija na Biotehniški
fakulteti Univerze v Ljubljani).
Viri
1. Aubinet M., Grelle A., Ibrom A., Rannik U., Moncrieff J., Foken T., Kowalski A. S., Martin P. H., Berbigier P., Bernhofer C.,
Clement R., Elbers J., Granier A., Grunwald T., Morgenstern
K., Pilegaard K., Rebmann C., Snijders W., Valentini R., Vesala
T. 2000. Estimates of the annual net carbon and water exchange
of forests: The EUROFLUX methodology. Advances in Ecological
Research, 30, 30: 113-175
2. Bowling D. R., Sargent S. D., Tanner B. D., Ehleringer J. R.
2003. Tunable diode laser absorption spectroscopy for stable isotope studies of ecosystem–atmosphere CO2 exchange. Agricultural and Forest Meteorology, 118, 1–2: 1-19
3. Desjardins R. L. 1974. Technique to measure CO2 exchange under field conditions. International Journal of Biometeorology, 18,
1: 76-83
58
4. Ferlan M. 2013. The use of micro-meteorological methods for the
monitoring of the carbon fluxes in Karst ecosystems. Doctoral dissertation. University of Ljubljana: XII, 102 p.
5. Foken T., Wichura B. 1996. Tools for quality assessment of surface-based flux measurements. Agricultural and Forest Meteorology, 78, 1-2: 83-105
6. Gilmanov T. G., Aires L., Barcza Z., Baron V. S., Belelli L., Beringer J., Billesbach D., Bonal D., Bradford J., Ceschia E., Cook
D., Corradi C., Frank A., Gianelle D., Gimeno C., Gruenwald T.,
Guo H. Q., Hanan N., Haszpra L., Heilman J., Jacobs A., Jones
M. B., Johnson D. A., Kiely G., Li S. G., Magliulo V., Moors E.,
Nagy Z., Nasyrov M., Owensby C., Pinter K., Pio C., Reichstein
M., Sanz M. J., Scott R., Soussana J. F., Stoy P. C., Svejcar T.,
Tuba Z., Zhou G. S. 2010. Productivity, Respiration, and LightResponse Parameters of World Grassland and Agroecosystems
Derived From Flux-Tower Measurements. Rangeland Ecology &
Management, 63, 1: 16-39
7. Kaligaric M., Culiberg M., Kramberger B. 2006. Recent vegetation history of the North Adriatic grasslands: Expansion and decay
of an anthropogenic habitat. Folia Geobotanica, 41, 3: 241-258
8. Kowalski A. S., Serrano-Ortiz P., Janssens I. A., Sanchez-Moraic S., Cuezva S., Domingo F., Were A., Alados-Arboledas L.
2008. Can flux tower research neglect geochemical CO2 exchange? Agricultural and Forest Meteorology, 148, 6-7: 1045-1054
9. Papale D., Reichstein M., Aubinet M., Canfora E., Bernhofer
C., Kutsch W., Longdoz B., Rambal S., Valentini R., Vesala T.,
Yakir D. 2006. Towards a standardized processing of Net Ecosystem Exchange measured with eddy covariance technique: algorithms and uncertainty estimation. Biogeosciences, 3, 4: 571-583
10. Pilegaard K., Hummelshoj P., Jensen N. O., Chen Z. 2001. Two
years of continuous CO2 eddy-flux measurements over a Danish
beech forest. Agricultural and Forest Meteorology, 107, 1: 29-41
11. Plestenjak G., Eler K., Vodnik D., Ferlan M., Čater M., Kanduč
T., Simončič P., Ogrinc N. 2012. Sources of soil CO2 in calcareous
grassland with woody plant encroachment. Journal of Soils and
Sediments, 12, 9: 1327-1338
12. Reichstein M., Falge E., Baldocchi D., Papale D., Aubinet M.,
Berbigier P., Bernhofer C., Buchmann N., Gilmanov T., Granier
A., Grunwald T., Havrankova K., Ilvesniemi H., Janous D., Knohl A., Laurila T., Lohila A., Loustau D., Matteucci G., Meyers T.,
Miglietta F., Ourcival J. M., Pumpanen J., Rambal S., Rotenberg E., Sanz M., Tenhunen J., Seufert G., Vaccari F., Vesala T.,
Yakir D., Valentini R. 2005. On the separation of net ecosystem
exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and
improved algorithm. Global Change Biology, 11, 9: 1424-1439
13. Richardson A. D., Hollinger D. Y. 2007. A method to estimate
the additional uncertainty in gap-filled NEE resulting from long
gaps in the CO2 flux record. Agricultural and Forest Meteorology,
147, 3-4: 199-208
14. Schulze E. D., Beck E., Müller-Hohenstein K. 2002. Plant Ecology. Heidelberg, Spektrum Akademischer Verlag GmbH.: 450 p.
15. Serrano-Ortiz P., Roland M., Sanchez-Moral S., Janssens I. A.,
Domingo F., Godderis Y., Kowalski A. S. 2010. Hidden, abiotic
CO2 flows and gaseous reservoirs in the terrestrial carbon cycle:
Review and perspectives. Agricultural and Forest Meteorology,
150, 3: 321-329
16. Vaccari F. P., Lugato E., Gioli B., D'Acqui L., Genesio L., Toscano P., Matese A., Miglietta F. 2012. Land use change and soil
organic carbon dynamics in Mediterranean agro-ecosystems: The
case study of Pianosa Island. Geoderma, 175, 29-36
17. Webb E. K., Pearman G. I., Leuning R. 1980. Correction of flux
measurements for density effects due to heat and water-vapor
transfer. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,
106, 447: 85-100
65(2013) št. 1-2
UDK 630*686.3
OPTIMIRANJE OMREŽJA GOZDNIH
CEST V VEČNAMENSKEM GOZDU
1. UVOD
2. CILJ RAZISKAVE
Obstoječe omrežje gozdnih cest je rezultat preteklega
načrtovanja odpiranja gozdov, ki je bilo sprva podrejeno
lesnoproizvodni vlogi gozdov. Ceste so bile izgrajene na
lažje dostopnih predelih, kjer so bili pričakovani stroški
gradnje nižji, gradnja pa ekonomsko utemeljena na osnovi najmanjših skupnih stroškov spravila in prevoza. Kasneje
se je pri načrtovanju odpiranja gozdov poleg ekonomskih
kriterijev začel upoštevati pomen gozdnih cest za odpiranje kmetij in zaselkov in temu primerno so bile gozdne
ceste položene v prostor.
Cilj raziskave je na podlagi obstoječega katastra gozdnih
cest analizirati obstoječe omrežje gozdnih cest na izbranem objektu raziskovanja in opredeliti potrebe za gradnjo gozdnih cest v nezadostno odprtih območjih.
Razlika med obstoječo in ciljno gostoto omrežja gozdnih cest opredeljuje možnosti nadaljnjega zgoščevanja omrežja gozdnih cest. Optimiranja omrežja gozdnih
cest pri tem ne gre razumeti zgolj kot povečanje gostote
omrežja gozdnih cest do izračunane ciljne gostote, temveč tudi kot zmanjševanje obstoječe gostote z opuščanjem posameznih gozdnih cest oziroma z omejevanjem
njihove rabe.
Zaradi sprememb v gozdu in družbi prihaja do nadaljnjega razvoja vlog gozda. Z razvojem tehnologije prihaja
tudi do sprememb učinkov ter stroškov spravila in prevoza lesa, kar vodi k spremembi ekonomsko utemeljene
optimalne gostote omrežja gozdnih cest.
* mag., UL, BF, Oddelek za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire, Večna pot 83, SI1000 Ljubljana, [email protected]
**dr. , UL, BF, Oddelek za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire, Večna pot 83, SI-1000
Ljubljana, [email protected]
65(2013) št. 1-2
Naslednji cilj je določiti območja, v katerih je ob upoštevanju večnamenske vloge gozda gradnja gozdnih cest možna. Načrtovane trase gozdnih cest bodo opredeljene na
topografskih kartah ob upoštevanju omejitev vzdolžnega
naklona gozdnih cest in omejitev zaradi reliefnih pogojev.
Končni cilj raziskave je v območjih s poudarjenimi ekološkimi in socialnimi vlogami gozda načrtovati trajno ali
sezonsko omejitev rabe gozdnih cest zaradi ohranjanja in
pospeševanja teh vlog gozda.
3. METODA DELA
Na podlagi katastra gozdnih cest (Kataster gozdnih cest
…, 2007) je bilo analizirano izbrano območje večnamenskih gozdov v občini Črna na Koroškem. Območje je omejeno z omrežjem javnih in gozdnih cest ter je transportno gravitacijsko zaključeno. Gostota omrežja gozdnih
cest v območju raziskovanja je manjša kot ciljna gostota
gozdnih cest v gozdnogospodarskem območju Slovenj
Gradec (Gozdnogospodarski načrt gozdnogospodarskega …, 2012). Na osnovi ciljne gostote gozdnih cest je bila
izračunana širina pasu, ki ga naj posamezna gozdna cesta
odpira. Območja izven tega pasu so bila opredeljena kot
nezadostno odprta. V njih so bile ob upoštevanju naklonov terena (Digitalni model višin, 2010) in predpisanih
tehničnih elementov gozdnih cest (Pravilnik o gozdnih
…, 2009) na topografskih kartah opredeljene načrtovane
trase novogradenj gozdnih cest.
Na osnovi opredelitev vlog gozda po ureditvenih enotah
(Karta vlog gozda, 2007) je bil na osnovi večkriterijskega
odločanja določen relativni pomen posamezne vloge
gozda po metodi parov. Metoda je poznana kot analitični
hierarhični proces (Saaty, 1994). Posamezna vloga gozda
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Z izgradnjo gozdnih cest se omogoči dostop v gozd in na
ta način se aktivirajo določene vloge gozda. S povečevanjem števila priznanih vlog gozda prihaja do sprememb
v postopkih nadaljnjega načrtovanja odpiranja gozdov z
gozdnimi cestami zaradi potrebe po upoštevanju večjega
števila vlog gozda. Sodobno načrtovanje odpiranja gozdov z gozdnimi cestami na osnovi večnamenske vloge
gozda zahteva hkratno upoštevanje vseh vlog gozda, ki
so opredeljene s pravilnikom o načrtih za gospodarjenje
z gozdovi (Ur. l. 91/2010).
raziskave in razvoj
Boštjan HRIBERNIK*, Igor POTOČNIK**
59
raziskave in razvoj
je glede na druge vloge lahko bolj ali manj pomembna
oziroma enako pomembna. Razmerja med pari posameznih vlog so ovrednotena z vrednostnimi na kontinuirani
lestvici za rangiranje parnih primerjav dejavnikov.
samezna gozdna cesta odpira. Območja večnamenskih
gozdov, ki so izven tega pasu, so opredeljena kot nezadostno odprta območja. Njihova površina znaša 341 ha
oziroma 49,4 % celotnega območja raziskovanja.
Vrednotenje vlog gozda obravnavanega območja je bilo
narejeno s sedemčlansko ekspertno skupino. Vrednotenje je bilo izvedeno individualno, za potrebno usklajenost
ocen posameznega ocenjevalca sta bila potrebna dva
kroga vrednotenja. Uteži posameznih vlog gozda so bile
izračunane na podlagi matrike geometrijskih vrednosti
parnih primerjav vseh ocenjevalcev s pomočjo programa
Excel.
V nezadostno odprta območja so bile načrtovane gozdne ceste Hed, Lanež in Rače s skupno dolžino 6.475 m.
Z dograditvijo vseh treh načrtovanih gozdnih cest bi skupna gostota gozdnih cest v območju raziskovanja znašala
21,89 m/ha.
Vrednosti posameznih vlog gozda so bile standardizirane
na interval med ena in dvajset. Vrednost ena predstavlja
najmanj ugoden vpliv gradnje gozdne ceste na posamezno vlogo gozda, vrednost dvajset pa najbolj ugoden
vpliv. Zaradi pozitivne korelacije med proizvodnimi in socialnimi vlogami gozda ter gradnjo gozdnih cest je standardizirana vrednost poudarjenih proizvodnih in socialnih vlog gozda dvajset. V primeru poudarjenih okoljskih
vlog gozda je zaradi negativnega vpliva gradnje gozdne
ceste določena standardizirana vrednost ena.
Na podlagi produkta uteži in standardiziranih vrednosti
vlog po ureditvenih enotah je bila izdelana karta primernosti posameznih ureditvenih enot za gradnjo gozdnih
cest. Ureditvene enote so bile glede na vrednost točkovanja razporejene v štiri skupine:
`` neprimerne: vrednosti točkovanja pod 9,81
`` manj primerne: vrednosti točkovanja od 9,81 do 11,71
`` primerne: vrednost točkovanja od 11,71 do 13,61
`` najbolj primerne: vrednost točkovanja 13,61 ali več
Na osnovi tematske karte so bile z vidika večnamenske
vloge gozda analizirane načrtovane trase gozdnih cest v
nezadostno odprta območja. Izdelana karta primernosti
je hkrati služila kot osnova za presojo smotrnosti omejitve
javne rabe gozdnih cest. V ureditvenih enotah, ki so opredeljene kot neprimerne ali manj primerne, je smotrno sezonsko ali trajno omejiti javno rabo gozdnih cest.
4. REZULTATI
Območje raziskovanja obsega 690 ha slabo poseljenega
območja večnamenskih gozdov s povprečno gozdnatostjo 93 %. Gostota obstoječega omrežja gozdnih cest je
12,51 m/ha in je bistveno manjša od ciljne gostote gozdnih cest gozdnogospodarskega območja Slovenj Gradec, ki v skladu z usmeritvami gozdnogospodarskega
načrta (Gozdnogospodarski načrt gozdnogospodarskega
…, 2012) znaša 21,23 m/ha. Na podlagi ciljne gostote gozdnih cest je izračunana širina pasu 471 m, ki ga naj po-
60
Okoljske in socialne vloge gozda, ki so v območju raziskovanja poudarjene na prvi ali drugi stopnji, so: varovalna,
ohranjanje biotske raznovrstnosti, zaščitna, hidrološka in
varovanje naravnih vrednot. Na 86 % površine območja
raziskovanja te vloge odločilno ali pomembno vplivajo na
gospodarjenje z gozdom. Na preostalih 14 % površine so
poudarjene na tretji stopnji in na način gospodarjenja le
deloma vplivajo. Na podlagi karte primernosti ureditvenih enot za gradnjo in rabo gozdnih cest (Slika 1) je bila v
nadaljevanju narejena kritična presoja načrtovanih in obstoječih cest z vidika večnamenske vloge gozda.
Med načrtovanimi gozdnimi cestami je z vidika večnamenske vloge gozda najbolj primerna načrtovana cesta
Hed. Večinoma poteka preko ureditvenih enot, ki so za
gradnjo gozdnih cest najbolj primerne. Od preostalih
dveh načrtovanih gozdnih cest je načrtovana cesta Lanež primerna, načrtovana cesta Rače pa manj primerna.
Ciljne gostote gozdnih cest v območju raziskovanja ob
upoštevanju večnamenske vloge gozda ni možno doseči.
Za končno opredelitev primernosti načrtovanih gozdnih
cest pa je potrebna ekonomska presoja gradnje ob upoštevanju stroškov spravila in prevoza (Potočnik, 1998).
Na osnovi karte primernosti je bila narejena presoja primernosti javne rabe obstoječega omrežja gozdnih cest
za ceste, ki ne odpirajo kmetij in zaselkov. Z vidika večnamenske vloge gozda je smotrna omejitev javne rabe na
gozdni cesti Puša. Cesta odpira samo gozdno površino in
poteka preko ureditvenih enot, ki so neprimerni za gradnjo in rabo gozdnih cest (Slika 1).
5. ZAKLJUČKI
Območje raziskovanja je slabo odprto z gozdnimi cestami, vendar zaradi zahtevnosti terena, predvsem pa zaradi
omejitev okoljskih in socialnih vlog gozda ciljne odprtosti
z gozdnimi cestami ni možno doseči. Posamezna območja večnamenskih gozdov bodo zato ostala nezadostno
odprta.
Načrtovana novogradnja in omejitev javne rabe obstoječih gozdnih cest opredeljuje optimizacijo omrežja
gozdnih cest na izbranem območju raziskovanja. Zaradi
odvisnosti od ekonomske in tehnološke utemeljitve ter
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
Slika: Karta primernosti ureditvenih enot za gradnjo in rabo gozdnih cest
Figure : Map of regulatory units suitability for forest roads construction and use
utemeljitve na osnovi večnamenske vloge gozda optimizacija ni enkraten in dokončen proces, temveč zahteva
revizijo ob vseh bistvenih spremembah v gozdu, gozdnogospodarskem načrtovanju in družbi.
6. VIRI
1. Digitalni model višin (2010) Geodetska uprava Republike Slovenije. http://e-prostor.gov.si/index.php?id=263. 10. 03. 2012
2. Gozdnogospodarski načrt gozdnogospodarskega območja
Slovenj Gradec (Osnutek). (2012) Slovenj Gradec, Zavod za
gozdove Slovenije. http://www.zgs.gov.si/fileadmin/zgs/main/
img/CE/GGN_nacrtovanje/2012_ zbiranje_pobud/OBMOCNI_2012/11_Slovenj_Gradec_2011-2020_predlog_MAR2012_INT.
pdf. 19. 03. 2012 (19. 3. 2012)
3. Kataster gozdnih cest gozdnogospodarske enote Črna –
65(2013) št. 1-2
Smrekovec (2007) Slovenj Gradec, Zavod za gozdove Slovenije.
4. Karta vlog gozda gozdnogospodarske enote Črna – Smrekovec (2007) Slovenj Gradec, Zavod za gozdove Slovenije.
5. Potočnik I. (1998) Gozdne prometnice v luči predpisov o graditvi
objektov. Pripravljalni seminar za Strokovni izpit po ZGO – gozdarstvo. Ljubljana: 27 str.
6. Pravilnik o gozdnih prometnicah (2009) Ur. l. RS št. 4/2009.
7. Pravilnik o načrtih za gospodarjenje z gozdovi in upravljanje
z divjadjo (2010) Ur. l. RS št. 91/2010.
8. Saaty T. L. (1994) Fundamentals of decision making and priority
theory with the analytic hierarchy process. Pittsburgh, RWS Publications, 527 str.
9. Saaty T. L. (2003) Decision-making with the AHP: Why is the principal eigenvector necessary. European Journal of Operational Research, 145(1): 85-91.
61
raziskave in razvoj
Mojca ŽLAHTIČ*, Nejc THALER**, Miha HUMAR*** UDK 630*814.7:630*844
Izbrane lastnosti sto let
stare bukovine
Selected properties of one hundred year old beech wood
Povzetek: V prispevku obravnavamo spremembe lesa zaradi staranja. V prispevku smo se osredotočili predvsem na biotske
spremembe bukovine, ki so jih povzročile glive bele trohnobe in navadni trdoglavec. Rezultati mehanskih testov kažejo, da
se mehanske lastnosti lesa bistveno poslabšajo, kar pa nima vpliva na kratkotrajen navzem vode v les. Naravna odpornost
stare bukovine se še poslabša, zato je treba skrbeti za ustrezne pogoje, v katerih se nahaja les.
Ključne besede: star les, mehanske lastnosti, Fagus sylvatica, sorpcijske lastnosti
Abstract: Changes of wood due to ageing are elucidated in this respective article. Beach wood degraded by white rot fungi
and furniture beetle was examined. The results of the mechanical tests showed considerable decrease that did not influence
on the short term water uptake. Natural durability of old beech wood even decreased what lead us to conclusion that special consideration should be given to the use condition.
Keywords: old wood, mechanical properties, Fagus sylvatica, sorption properties
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Uvod
62
Les je material za današnji čas; raste v gozdovih, ki jih imamo v Sloveniji v izobilju, nastaja v naravi ob porabi CO2 iz
zraka ter vode in mineralov iz gozdnih tal s fotosintezo,
obdelava in predelava lesa zahteva od 5 do 10-krat manj
energije kot proizvodnja konkurenčnih materialov (beton,
jeklo), ob pravilni uporabi pa lahko predstavlja izjemno
kakovostno, trajno in visokotehnološko dobrino za proizvodnjo cele palete različnih proizvodov (Rüter in sod.,
2005).
Les je eden izmed najpomembnejših gradbenih materialov. V gradbene namene se uporablja že zelo dolgo. Med
uporabo je les izpostavljen delovanju biotskih in abiotskih dejavnikov razkroja, ki lahko nezaščiten les že v nekaj
mesecih povsem razkrojijo (Thaler in sod., 2012a). Med
biotske dejavnike prištevamo predvsem glive in insekte,
ki lahko v relativno kratkem času povsem razgradijo les.
* univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, Ljubljana, Slovenija
**univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, Ljubljana, Slovenija ; e-pošta: [email protected]
*** prof. dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, Ljubljana, Slovenija; e-pošta: [email protected]
Tako razkrojen les ni več primeren za vse namene uporabe (Humar in sod., 2006).
V zadnjem obdobju postaja vedno pomembnejša raba
lesa v kaskadah. Les ima namreč več življenjskih ciklov,
najprej ga lahko uporabimo kot konstrukcijski les, ki ga po
uporabi predelamo v lesne kompozite, na koncu pa odslužen les uporabimo za energijo. Z odsluženim lesom je
povezanih nekaj vprašanj: od prisotnosti onesnažil, s katerimi smo onesnažili les med uporabo, do vprašanj, povezanih z mehanskimi in sorpcijskimi lastnostmi (Humar,
2010). Neustrezne mehanske lastnosti omejujejo nadaljnjo uporabo odsluženega lesa. Namen tega prispevka je
osvetliti, kako se staranje odraža v spremembi mehanskih
in sorpcijskih lastnosti. Ti podatki bodo podlaga za odločitve o možnih rabah odsluženega lesa.
Materiali in metode
Sto let staro bukovino smo pridobili iz pohodnih površin
starega skednja z območja Dolenjske. Bukovina je bila
deloma okužena z glivami bele trohnobe, na nekaterih
bukovih vzorcih pa je bilo opaziti tudi znake delovanja
navadnega trdoglavca (Anobium punctatum). Stare deske
smo s krožnim žagalnim strojem razrezali na manjše vzorce, ki smo jih uporabili v nadaljnjih raziskavah. Velikost in
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
dimenzije vzorcev so skladne z Preglednica 1: Modul elastičnosti (MoE), upogibna trdnost (MoR) in tlačna
metodologijo, ki so jo postavi- trdnost (Fm) bukovine. Standardni odkloni so podani v oklepajih.
li Thaler in sod. (2013). To nam
Kontrola
Star les
omogoča primerljivost rezultatov, pridobljenih v različnih okviMoE
MoR
Fm
MoE
MoR
Fm
rih. Za primerjavo smo uporabili
[N/mm2]
[N/mm2]
[N/mm2]
[N/mm2]
[N/mm2]
[N/mm2]
sveže posekano, zračno sušeno
8222 (468)
116,6 (2,8)
49,3 (1,6)
4268 (855)
37,6 (11,4)
19,4 (3,4)
bukovino, kot je opisano v Thaler in sod. (2013).
mehansko zelo poškodovane konstrukcije lahko preneseZa merjenje modula elastičnosti je pomembno, da so jo tako velike obremenitve. Po drugi strani je primerjava
vsi vzorci uravnovešeni pri standardni klimi (65 % ± 5 % teh rezultatov z literaturnimi pokazala (Thaler in Humar,
relativne zračne vlažnosti (RZV); 20 °C ± 2 °C) do kon- 2013), da staranje v suhem pokritem prostoru ne vpliva na
stantne mase. Vzorce velikosti 65 mm × 25 mm × 5 mm mehanske lastnosti smrekovine. Do podobnih zaključkov
smo preizkušali na večnamenski napravi za preizkušanje so prišli tudi Kránitz in sodelavci (2010).
mehanskih lastnosti Zwick-Roell Z005 s statičnim tritočkS tenziometrom lahko enostavno ocenimo hitrost kratkoovnim upogibnim testom, kot je opisano v standardu SIST
trajnega navlaževanja. Ta podatek je zelo indikativen, saj
EN 310:1993 (CEN, 1993). V skladu s standardom ASTM D
osvetli, kako hitro se navlaži les v primeru kratkotrajnih pa1037-99 (ASTM, 1999) smo opravili preizkuse tlačne trdnodavin. Hitreje kot se les navlaži, bolj je dovzeten za glivni
sti. Pred testiranjem so bili vsi vzorci v standardni klimi do
razkroj. Po drugi strani je tudi znano, da se permeabilnost
ravnotežne vlažnosti (pri 65 % ± 5 % RZV; 20 °C ± 2 °C) kot
lesa, izpostavljenega delovanju gliv, v prvih stopnjah razpredvideva standard.
kroja povečuje. Na zvečanje permeabilnosti še posebej
Navlaževanje lesa (navzem kapilarne vode) smo preiz- vplivajo glive bele trohnobe (Thaler in sod. 2012b). Iz pokušali z gravimetričnim določanjem navzema destilirane datkov, predstavljenih v preglednici 2, je razvidno, da se
vode skozi prečni prerez vzorcev v 200 sekundah nama- kratkotrajni navzem vode v star les rahlo poveča, vendar
kanja izpostavljenih čel (Pavlič, 2009).
razlike niso statistično značilne. Za star les je opazna izrazito velika variabilnost, ki jo v največji meri pripisujemo
Lesne vzorce (25 mm × 25 mm × 8 mm) smo izpostavili
ne-enakomernemu razkroju ter prisotnosti poškodb, ki jih
trem glivam bele trohnobe (Hypoxylon fragiforme, Pleuroje povzročil navadni trdoglavec.
tus ostreatus in Trametes versicolor) in dvema glivama, povzročiteljicama rjave trohnobe (Gloeophyllum trabeum in
Antrodia vaillantii) v skladu z modificiranim testom SIST EN Preglednica 2: Kratkotrajen navzem vode v svež in
113 (2004) za 12 tednov. Vzorce smo vstavili v petrijevke s star les bukve, določen s tenziometrom. Standardni
teden dni starim, z glivami preraslim hranilnim gojiščem. odkloni so podani v oklepajih.
Vzorce smo polagali na HDPE mrežo, ki je preprečila pretirano navlaževanje vzorcev. Po 12 tednih inkubacije (25 °C,
Kontrola
Star les
RH = 85 %) smo vzorce izolirali, jih posušili (103 °C ± 3 °C;
2
Navzem [g/cm ]
Navzem [g/cm2]
24 h) in gravimetrično določili izgubo mase.
0,1456 (0,0244)
0,1486 (0,0771)
Rezultati in razprava
Mehanske lastnosti bukovine so prikazane v preglednici 1.
Iz predstavljenih vrednosti je jasno razvidno poslabšanje
vseh izpostavljenih mehanskih lastnosti. Modul elastičnosti se je znižal za skoraj 50 %, tlačna trdnost za 60 %, upogibna trdnost pa kar za 68 %. Vzrok za takšno poslabšanje
mehanskih lastnosti se skriva v dejstvu, da je bil les med
uporabo okužen z glivami bele trohnobe ter mehansko
poškodovan zaradi delovanja navadnega trdoglavca
(Anobium punctatum). Navadni trdoglavec sodi med najpogostejše lesne škodljivce, ki se pojavljajo na starem lesu
listavcev v uporabi (Unger in sod., 2001). Glede na veliko
stopnjo poškodovanosti so preostale mehanske lastnosti
še relativno dobre. Ta podatek kaže na dejstvo, da tudi
65(2013) št. 1-2
Preglednica 3: Izgube mase svežega in starega lesa
bukve po 12-ih tednih izpostavitve petim lesnim
glivam. Standardni odkloni so podani v oklepajih.
Lesna gliva
Kontrola
Star les
Izguba mase (%)
G. trabeum
30,6 (6,8)
51,2 (7,5)
H. fragiforme
43,4 (8,8)
24,6 (6,6)
P. ostreatus
25,7 (8,9)
19,6 (2,8)
A. vaillantii
11,2 (2,3)
19,0 (2,7)
T. versicolor
31,8 (9,8)
31,2 (6,5)
63
raziskave in razvoj
V literaturi je dostopnih relativno veliko podatkov o odpornosti bukovine na lesne glive. Bukovina sodi med
lesne vrste z najslabšo naravno odpornostjo. To je razvidno tudi iz izgub mase, ki so jih povzročile lesne glive
(Preglednica 3). Najvišjo izgubo mase kontrolnih vzorcev
je povzročila gliva H. fragiforme (43,4 %), najmanj pa gliva
rjave trohnobe A. vaillantii (11,2 %). Ta podatek je pričakovan, saj je za glive rjave trohnobe znano, da ne razkrajajo
lesa listavcev v takšni meri kot glive bele trohnobe. Če primerjamo izgube mase starega in sveže posekanega lesa,
opazimo, da je izguba mase starega lesa, izpostavljenega
glivam rjave trohnobe, večja od izgube mase kontrolne
bukovine. Izrazito je upadla izguba mase stare bukovine,
izpostavljene glivama P. ostreatus in H. fragiforme. Možnih
razlogov za to razliko je več. Glavni je verjetno povezan
z dejstvom, da je bilo na stari bukovini opaziti posledice delovanja gliv bele trohnobe. Tako je bilo glivam bele
trohnobe na voljo manj hranljivih snovi, možno pa je, da
so razvoj gliv zavirali preostali razgradni produkti v lesu.
8. Rüter S., Humar M., Fruehwald A. (2005) Treatment of recovered wood : premilinary results from inquiry to delegates of COST
action E31. Management of recovered wood : strategies towards a
higher technical, economical and environmental standard in Europe : proceedings, Bordeaux, Thessaloniki: University studio press,
52-74.
9. Thaler N. and Humar M. (2013). Mechanical and fungicidal properties of approximately 100 years old oak, beech and spruce
wood beams. Shatis 13, 10 p.
10. Thaler N., Lesar B., Humar M. (2012a) Življenjska doba lesa, impregniranega s komercialnim baker-etanolaminskim pripravkom,
v stiku z zemljo. Les, 64 (11/12): 327-332.
11. Thaler N., Lesar B., Kariž M., Humar M. (2012b) Bioincising of
Norway spruce wood using wood inhabiting fungi. Int. biodeterior. biodegrad. 68 (1): 51-55.
12. Unger A., Schniewind A.P., Unger W. (2001) Conservation of
wood Artifacts. Berlin, Springer.
Zaključki
Mehanske lastnosti starega lesa so bistveno slabše kot
mehanske lastnosti sveže posekanega lesa. Mehanske
lastnosti se poslabšajo za 50 % do 68 %, kar pripisujemo
delovanju gliv bele trohnobe in napadu navadnega trdoglavca. Naravna odpornost starega lesa se še poslabša, še
posebej se zniža odpornost proti glivam rjave trohnobe.
Zahvala
Avtorji se zahvaljujemo Agenciji za Raziskovalno dejavnost Republike Slovenije za finančno podporo v okviru
projekta L4 5517 in programa P4-0015. Za tehnično pomoč se zahvaljujemo Mihi Adamiču in Matevžu Bregarju.
Literatura
1. ASTM D 1037-99 (1999) Standard Test Methods for Evaluating
Properties of Wood-Base Fiber and Particle. ASTM International,
West Conshohocken, Pennsylvania, USA, 31.
2. CEN. (2004) EN 113 – Wood preservatives - Test method for determining the protective effectiveness against wood-destroying basidiomycetes. Determination of toxic values. European Committee
for Standardisation, Brussels, Belgium
3. CEN. (1993) EN 310 – Wood Based Panels - Determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength. European
Committee for Standardisation, Brussels, Belgium
4. Humar M. (2010) Inorganic pollutants in recovered wood from
Slovenia and boards made of disintegrated wood. The open environmental engineering journal, 3: 1-6.
5. Humar M., Bučar B., Pohleven F. (2006) Brown-rot decay of copper-impregnated wood. Int. biodeterior. biodegrad. 58 (1): 9-14.
6. Kránitz K., Deublein M., Niemz P. (2010) Strength estimation of
aged wood by means of ultrasonic devices. The Future of Quality
Control for Wood & Wood Products. Edinburgh, 10 p.
7. Pavlič M. (2009) Lastnosti površinskih premazov v odvisnosti od
njihovih interakcij s termično modificiranim lesom.
64
65(2013) št. 1-2
UDK 547.458.8
LASTNOSTI SUŠENE MIKRO- IN
NANOFIBRILIRANE CELULOZE
Properties of dried micro- and nanofibrillated cellulose
raziskave in razvoj
Vesna ŽEPIČ*, Aleš HANČIČ**, Ida POLJANŠEK***, Primož OVEN***** Izvleček: V študiji smo preiskali in analitično ovrednotili morfološke in strukturne lastnosti suhe mikro- (MFC) in nanofibrilirane (NFC) celuloze, ki smo ju pridobili po zračnem sušenju in po sušenju z zamrzovanjem vodnih suspenzij MFC in NFC.
Morfološke lastnosti sušene MFC in NFC smo raziskali z vrstično elektronsko mikroskopijo (FE-SEM), strukturne lastnosti pa z
infrardečo spektroskopijo (FT-IR). Pri zračnem sušenju vodne suspenzije fibrilirane celuloze nastane prosojen film naključno
urejenih fibril, pri sušenju z zmrzovanjem pa fibrilirana celuloza agregira v 80 µm velike grobe praškaste delce. Preiskave z
FT-IR niso pokazale razlik med različno sušenimi vzorci fibrilirane celuloze. Uporabljeni metodi sušenja pomembno vplivata
na morfologijo suhe MFC in NFC, ne pa tudi na njuno kemijsko strukturo, kar potrjujejo identični FT-IR spektri.
Ključne besede: Celuloza, MFC, NFC, zračno sušenje, liofilizacija, mikroskopija, spektroskopija
UVOD
Fibrilirana celulozna vlakna na nano velikostnem območju, navadno pridobljena iz lesne celuloze, so zaradi svoje velikosti, funkcionalne površine, unikatne morfologije,
nizke gostote, mehanske trdnosti in naravne obnovljivosti, temelj razvoja in oblikovanja nove generacije nanokompozitov na osnovi naravnih vlaken (Siró in Plackett,
2010; Eichhorn in sod., 2010; Klemm in sod., 2011; Kalia in
sod., 2011). Fibrilirana celuloza dosega 25 % trdnosti ogljikovih nanocevk, ki so do danes znana kot najmočnejša
* mlada raziskovalka, univ. dipl. inž. gozd., TECOS Razvojni center orodjarstva
Slovenije, Kidričeva 25, SI-3000 Celje
** dr., TECOS Razvojni center orodjarstva Slovenije, Kidričeva 25, SI-3000 Celje
*** doc. dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, SI-1000 Ljubljana
**** prof. dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, SI-1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
65(2013) št. 1-2
umetno proizvedena vlakna, cena izvornega materiala
mikro ali nanofibrilirane celuloze pa je od 10 do 100 krat
manjša od ogljikovih nanocevčic (Wegner in sod., 2005;
Kamel, 2007). Povprečne teoretične vrednosti za togost
celuloznih fibril na nanodimenzijskem nivoju so ocenjene
na 130 GPa in za trdnost na 7 GPa (Sakaruda in sod., 1962;
Tashiro in Kobayashi, 1991; Šturcova in sod., 2005; Iwamoto in sod., 2009; Siró in Plackett, 2010). Ker so mehanske
lastnosti (Youngov modul elastičnosti in natezna trdnost)
celuloznih fibril primerljive z lastnostmi drugih inženirskih
materialov (steklena ali aramidna vlakna), jih obravnavamo kot pomembne strukturne ojačitvene elemente polimernih matričnih osnov (Hubbe in sod., 2008; Abdul Khalil
in sod., 2011; Annamalai in Singh, 2011). Nekatere lastnosti
celuloznih mikro- ali nanofibril, kot so visoka sposobnost
adsorpcije vode, hidrofilna površina in omejitve pri rokovanju s koloidnimi nanosuspenzijami, pa po drugi strani
omejujejo njihovo industrijsko uporabnost, še posebno
pri ekstruziji ali preoblikovanju polimernih talin pri visokih
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Abstract: The aim of this study was to investigate and analytically evaluate morphology and structural properties of dried
micro-(MFC) and nanofibrillated (NFC) cellulose, obtained after air and freeze drying of aqueous MFC and NFC suspensions.
Morphological and structural properties of the dried micro- and nanofibrillated cellulose were examined by scanning electron microscopy (FE-SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). FE-SEM revealed dense textured translucent
film of randomly arranged fibrils in air dried samples, while freeze drying of MFC and NFC suspension resulted in formation
of irregularly shaped agglomerates with dimensions up to 80 μm. The drying process of MFC and NFC, however, did not lead
to a change in chemical structure since the FTIR spectra were identical.
Key words: Cellulose, MFC, NFC, air drying, freeze drying, microscopy, spectroscopy
65
raziskave in razvoj
temperaturah, kjer vsebnost vode ni zaželena (Oksman in
sod., 2006; Jonoobi in sod., 2010). Razumevanje procesa
sušenja mikro- ali nanofibrilirane celuloze je pomembno
za izboljšanje njene združljivosti s polimernimi talinami.
S postopkom sušenja želimo ohraniti izvorne morfološke
lastnosti fibrilirane celuloze, izognili pa naj bi se spremembi polimorfne strukture in deformaciji fibril.
Namen te preliminarne študije je bil raziskati vpliv različnih metod sušenja na morfološke in kemijske lastnosti
mikro- in nanofibrilirane celuloze. Analitično smo preiskali
vodne suspenzije dveh različnih obliki fibrilirane celuloze:
vodno suspenzijo mikrofibrilirane (MFC) in nanofibrilirane (NFC) celuloze. Morfološke in strukturne lastnosti smo
ovrednotili za zračno suhe vzorce ter za vzorce, sušene z
zamrzovanjem.
MATERIALI IN METODE
Vodna suspenzija MFC in NFC
V raziskavo smo vključili vodne suspenzije dveh različnih
oblik fibrilirane celuloze:
1. Vodno suspenzijo mikrofibrilirane celuloze (MFC), pridobljene iz lesa iglavcev (Picea abies) - Arbocel Nano
MF40-10 z vsebnostjo 10 % suhe snovi, proizvajalca J.
RETTENMAIER & SOHNE GMBH + CO.KG, Nemčija.
2. Vodno suspenzijo nanofibrilirane celuloze (NFC), pridobljene iz lesa iglavcev (Picea glauca), z vsebnostjo
1,6 % suhe snovi, izdelano v Centre for Biocomposite
and Biomaterial Processing, Toronto, Kanada.
Postopki sušenja
66
Morfološka analiza z vrstično elektronsko mikroskopijo
Morfologijo vodne suspenzije ter suhih vzorcev MFC
in NFC smo opazovali z elektronskim vrstičnim mikroskopom (FE-SEM) (Zeiss ULTRA plus, Nemčija), pri 1.000,
50.000 in 100.000 kratni povečavi. Pospeševalno napetost
(EHT) smo spreminjali v območju od 1 kV do 2 kV. Vsi vzorci so bili prevlečeni z visoko prevodno folijo iz zlata, ki smo
jo nanesli z napravo BAL-TEC/SCD_500.
Analiza kemijske sestave z infrardečo spektroskopijo
Kemijsko sestavo in ugotavljanje razlik v funkcionalnih
skupinah različno sušenih vzorcev mikro in nanofibrilirane
celuloze smo preiskali z infrardečo spektroskopijo, podprto s Fourierjevo transformacijo (FT-IR). Spektre različno sušenih vzorcev smo posneli z dvema različnima metodama
refleksijske spektroskopske tehnike in sicer DRIFT (Diffuse
Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy), ki
temelji na merjenju eksterne refleksije ter ATR-IR (Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy), ki temelji na
merjenju interne refleksije. Spektri so bili posneti s spektrometrom Spectrum One (Perkin Elmer, ZDA), v območju
4000 cm-1 do 450 cm-1. Vsak pridobljeni spekter izhaja iz
povprečja 64 meritev, posnetih pri ločljivosti 4 cm-1. Podatke smo analizirali s programsko opremo Spectrum
(version 5.0.1) in Essential FTIR v1.20.
REZULTATI IN DISKUSIJA
Morfologija izvorne ter sušene MFC in NFC
Suspenziji MFC in NFC smo z mešanjem homogenizirali
in nato iz vsake suspenzije odvzeli po en vzorec za zračno
sušenje in po enega za sušenje z zmrzovanjem. Za študijo vpliva zračnega sušenja na lastnosti suhe MFC in NFC
smo vodni suspenziji obeh oblik fibrilirane celuloze vlili v
steklene petrijevke ter ju izpostavili sobnim temperaturnim pogojem v časovnem obdobju 24 h.
Morfološka preiskava izvorne vodne suspenzije mikro- in
nanofibrilirane celuloze je razkrila dve različni obliki fibrilirane celuloze. Pri MFC lahko celo ločimo dve obliki fibril,
večje agregirane skupke, velikosti od 0,1 µm do 0,5 µm ter
posamezne fibrilarne entitete nano velikostnega razreda
(Slika 1a). Pri nanofibrilirani celulozi, NFC, so razvidne naključno razporejene dolge in tanke fibrile, povprečnega
premera od 10 nm do 25 nm (Slika 1b).
Liofilizacijsko sušenje smo izvedli na naslednji način. Vzorca vodnih suspenziji MFC in NFC smo najprej prelili v 50
mL bučki z okroglim dnom in zamrznili s tekočim dušikom
pri -196 °C. Vzorce MFC in NFC smo v nadaljevanju sušili z
zmrzovanjem (LyoQuest freeze dryer, Telstar) v časovnem
obdobju 16 h. Postopek liofilizacije je potekal pri tlaku
0,070 mbar, temperaturi pladnjev 22 °C in temperaturi
kondenzatorja -50 °C. Posušeni vzorci MFC in NFC so bili
do pričetka analitskih postopkov shranjeni v eksikatorju.
Različni postopki sušenja pomembno vplivajo na končno obliko sušene fibrilirane celuloze. Zračno sušenje MFC
in NFC se odraža v nastanku filmske strukture, pri čemer
so fibrilarne entitete sprijete v gosto prepleteno mrežo s
poroznim značajem. Mikroskopske preiskave zračno suhe
MFC so pokazale, da je površina suhega vzorca sestavljena iz manjših naključno urejenih fibrilarnih skupkov (Slika
2a). Pri zračno suhi NFC so nanofibrile dobro razvidne na
površini filma, niso pa individualizirane (Slika 2b). Zaradi
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
Slika 1. FE SEM posnetek izvorne suspenzije (a) MFC in (b) NFC
Slika 2. FE SEM posnetek zračno suhe (a) MFC in (b) NFC
Slika 3. FE SEM posnetek (a) MFC in (b) NFC, sušene z zamrzovanjem
65(2013) št. 1-2
67
raziskave in razvoj
kapilarnih in difuzijskih sil, ki nastopajo pri izsuševanju celuloznih
vodnih suspenzij, se razdalje med fibrilarnimi strukturami vse bolj
zmanjšujejo in stikanje fibril je neizogibna posledica sušenja. Zaradi
vse bolj tesnega medsebojnega kontakta fibril nastanejo intermolekularne vodikove vezi (Scallan, 1974; Eyholzer, 2010), kar opisujemo z
izrazom hornifikacija (Jayme, 1942).
z zmrzovanjem, izkazuje nekoliko bolj gladko
površino agregatov, na katerih so dobro razvidne posamezne nanofibrile (Slika 3b). Njihove
prečne dimenzije so lahko relativno velike (1,2
µm), dosegajo pa tudi sub-mikronske (35 nm)
vrednosti.
Fizična struktura vzorcev MFC in NFC, sušenih z zamrzovanjem, se
bistveno razlikuje od oblike vzorcev, izpostavljenih zračnemu sušenju. MFC in NFC, sušeni z zamrzovanjem, oblikujeta grobo agregirano praškasto strukturo. Morfologija MFC, sušene z zamrzovanjem,
kaže na grobo agregirano strukturo, sestavljeno iz ploščatih mikrofibriliranih skupkov (Slika 3a). Velikost MFC agregatov, pridobljenih
po sušenju z zamrzovanjem, je od 20 µm do 80 µm. NFC, sušena
FTIR analiza posušene MFC in NFC
Slika 4. FT-IR spektri različno sušene MFC
Morebitne razlike v kemijski sestavi suhih vzorcev mikro- in nanofibrilirane celuloze smo proučevali z dvema načinoma IR refleksijske spektroskopske tehnike, DRIFT in ATR-IR. Ker so bili
rezultati obeh tehnik primerljivi, so v študiji prikazani le DRIFT IR spektri različno sušenih vzorcev MFC in NFC. Za določitev kemijske sestave
različno sušene MFC in NFC smo opazovali pozicije vrhov in njihovo intenziteto v FT-IR spektrih
v območju valovnih števil 4000 cm-1 in 450 cm-1.
Iz IR spektrov različno sušene MFC in NFC, prikazanih na sliki 4 in sliki 5, je razvidno, da so si
spektri zelo podobni in da med njimi ni očitnih
razlik. Pri obeh oblikah fibrilirane celuloze smo
po podrobni preiskavi opazili, da je pri zračno
suhem vzorcu intenziteta trakov pri 3340 cm-1,
ki pripada OH razteznim nihanjem, 2918 cm-1, ki
jih pripisujemo ν(CH2) in ν(CH3) razteznim nihanjem, ter intenziteta trakov v območju »prstnega odtisa« celuloze (1500 – 800) cm-1 pri (1460,
1427, 1370, 1335, 1315, 1270, 1235, 1160, 1110,
1060, 1035 in 985) cm-1, ki izhajajo iz prisotnih
C=O, C-O-C, C–C, C–H in C–O razteznega nihanja
ter nihanja glukozidnega obroča (Fengel, 1992;
Fengel in Ludwig, 1991; Faix, 1991; Maréchal in
Chanzy, 2000) manj izrazita v primerjavi s fibrilirano celulozo, sušeno z zmrzovanjem. Vzrok
za manjšo intenziteto trakov v primeru zračno
sušene fibrilirane celuloze pri določenih valovnih številih pripisujemo obliki vzorca. V primeru
filmske strukture je drobljivost vzorca slabša v
primerjavi z vzorci fibrilirane celuloze, sušene z
zamrzovanjem, ki nastopa v praškasti obliki. Zaradi nehomogene porazdelitve v fazi priprave
vzorca zato zračno suha fibrilirana celuloza izkazuje slabšo absorpcijo IR sevanja pri specifičnih
valovnih dolžinah in posledično slabšo intenziteto trakov spektrov pri določenih funkcionalnih skupinah.
SKLEPI
Slika 5. FT-IR spektri različno sušene NFC
68
Različne tehnike sušenja mikro ali nanofibrilirane celuloze pomembno vplivajo na končno velikost in morfološko obliko sušenega materiala.
65(2013) št. 1-2
ZAHVALA
Avtorji se zahvaljujejo Agenciji Republike Slovenije za
spodbujanje podjetništva, inovativnosti, razvoja, investicij
in turizma (SPIRIT Slovenija) za delno finančno podporo
v okviru Evropskega Socialnega sklada, Evropske Unije.
Avtorji se zahvaljujemo tudi Javni agenciji za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije za finančno podporo
programske skupine Les in lignocelulozni kompoziti (P40015-0481), v okviru katere je nastal del te raziskave.
VIRI
1. Abdul Khalil H.P.S., Bhat A.H., Ireana Yusra A.F. (2011) Green
composites from sustainable cellulose nanofibrils: A review. Article
in press, Carbohydrate Polymers, pp. 17.
2. Annamalai P.K. in Singh R.P. (2011) Biopolymeric Nanocomposites as Environment Benign Materials. In: Cellulose Fibers: Bio- and
Nano- Polymer Composites, Ed. Kalia S. in sod., Springer-Verlag
Berlin Heidelberg, 519-535.
3. Eichhorn S.J., Dufresne A., Aranguren M., Marcovich N.E., Capadona J. R., Rowan S. J., Weder C., Thielemans W., Roman
M., Renneckar S., Gindl W., Veigel S., Keckes. J., Yano H., Abe
K., Nogi M., Nakagaito A. N., Mangalam A., Simonsen J., Benight A. S., Bismarck A., Berglund L. A., Peijs T. (2010) Review:
Current international research into cellulosic fibres and composites. Journal of Materials Science, 36, 2107–2131
4. Eyholzer Ch., Bordeanu N., Lopez-Suevos F., Rentsch D., Zimmermann T., Oksman K. (2010) Preparation and characterization
of water-redispersible nanofibrillated cellulose in powder form.
Cellulose 17:19–30.
5. Faix O. (1991) Classification of lignins from different botanical origins by FT-IR spectroscopy. Holzforschung, 45: 21-27
6. Fengel D. (1992) Characterization of Cellulose by Deconvoluting
the OH Valency Range in FTIR Spectra. Holzforschung, 46: 283-288
7. Fengel D., Ludwig M. (1991) Möglichkeiten und Grenzen der
FTIR-Spektroskopie bei der Charakterisierung von Cellulose. Das
Papier, 45 (2): 45-51
8. Hubbe M.A., Rojas O.J., Lucia L.A., Sain M. (2008) Cellulosic
Nanocomposites: A review. Bioresources, 3: 929-980
9. Iwamoto S., Kai W., Isogai A. (2009) Elastic modulus of single
cellulose microfibrils from tunicate measured by atomic force
microscopy. Biomacromolecules, 10: 2571-2576
10. Jayme G. (1942) Über die reaktionsfähigkeit von zellstoffen. Cellulosechemie, 21: 73-86
11. Jonoobi M., Harun J., Mathew A.P., Oksman K. (2010) Mechanical properties of cellulose nano-fiber (CNF) prepared by twin sc-
65(2013) št. 1-2
rew extrusion. Composite Science and Technology, 70: 1742-1747
12. Kalia S., Kaith B.S., Kaur I. (2011) Cellulose Fibers: Bio- and NanoPolymer Composites, Green Chemistry and Technology. Springer
Heidelberg Dordrecht London, New York
13. Kamel S. (2007) Nanotechnology and its applications in lignocellulosic composites, a mini review. eXPRESS Polym Lett 1(9):546-575
14. Klemm D., Kramer F., Moritz S., Lindstr m T., Ankerfos M.,
Gray D., Dorris A. (2011) Nanocelluloses: A new Family of NatureBased Materials. Reviews, Green Nanomaterials: 5438-5466
15. Maréchal Y., Chanzy H. (2000) The hydrogen bond network in Iβ
cellulose as observed by infrared spectrometry. Journal of Molecular Structure. 523: 183-196
16. Oksman K., Mathew A.P., Bondeson D., Kvien I. (2006) Manufacturing process of cellulose whiskers/polylactic acid nanocomposites. Composite Science Technology, 66: 2776–2784.
17. Sakaruda J., Nakushina Y., Ito T. (1962) Experimental determnination of the elastic modulus of crystalline regions oriented
polymers. Jornal of Polymer Science, 57: 651-660.
18. Scallan A.M. (1974) The structure of the cell wall in wood – A
consequence of anisotropic inter-microfibrillar bonding? Wood
Science, 6: 266-271
19. Siró I. in Plackett D. (2010) Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: A review. Cellulose, 17: 459-494
20. Šturcova A., Davies G.R., Eichorn S.J. (2005) Elastic modulus of
stress-transfer properties of tunicate cellulose whiskers. Biomacromolecules, 6: 1055-1061.
21. Tashiro K. in Kobayashi M. (1991) Theoretical evaluation of
three-dimensional elastic contacts of native and regenerated celluloses: role of hydrogen bonds. Polymer, 32: 1516-1526.
22. Wegner T. H., Winandy J. E., Ritter M. A. (2005) Nanotechnology opportunities in residential and non-residential construcxtion.
in ‘2nd International Symposium on Nanotechnology in Construction, Bilbao, Spain’
raziskave in razvoj
Morfologija različno sušene MFC in NFC kaže, da metoda
sušenja na zraku ni primerna za ohranitev celostne oblike
celuloznih fibril. Med sušenjem mikro- ali nanofibrilirane
celuloze z zamrzovanjem nastane groba agregirana praškasta struktura celuloznih aglomeratov, velikosti od nekaj
nano- do nekaj mikrometrov. Za določitev optimiziranega postopka sušenja vodnih suspenzij fibrilirane celuloze
z namenom ohranitve njihovega izvornega ojačitvenega
potenciala so, poleg opisanih v tej študiji, potrebne še
dodatne analitske preiskave, kamor uvrščamo določitev
velikosti delcev (DLS), preiskavo termičnih (TGA, DSC), kristaliničnih (XRD) in redisperznih lastnosti (FBRM).
69
raziskave in razvoj
Pavel PORI*, Aljaž VILČNIK*, Boris OREL**, Marko PETRIČ*** UDK 630*829: 620.197.2
VPLIV VSEBNOSTI VODE V
SMREKOVEM LESU NA KAKOVOST
HIDROTERMALNE DEPOZICIJE TiO2
NA POVRŠINI LESNIH VZORCEV
The influence of water content in spruce wood on the quality of
hydrothermal deposition of TiO2 on surface of a wooden substrate
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: Prispevek predstavlja možnosti površinske modifikacije lesa s sintetiziranimi nanodelci TiO2 po postopku nizkotemperaturne hidrotermalne depozicije direktno na površino lesa. Sinteza nanodelcev poteče z reakcijo med prekurzorjema
TiCl4 in H2O. Ker se H2O nahaja tudi v lesu, je bil opazovan vpliv količine vode v lesu (vezane in proste) na morfološke značilnosti površine modificiranega lesa. Izkazalo se je, da les smreke, ki vsebuje manj vode, izkazuje večje poškodbe modificirane
površine kot vzorci lesa z večjo vsebnostjo vode. Identifikacija delcev, kristalov na površini, je bila izvedena morfološko z
vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM). Na mikrografih SEM smo analizirali obliko in razporeditev kristalov na površini.
Za določitev njihove kemijske sestave smo uporabili energijski disperzijski analizator RTG žarkov (EDX) in potrdili prisotnost
kemijskih elementov Ti in O v stehiometrijskem razmerju 1:2 (TiO2). Na osnovi ramanskih spektrov smo dokazali prisotnost
rutilne kristalne oblike izločenih kristalov TiO2, ki je dober UV-absorber.
Ključne besede: hidrotermalna depozicija, les, nanodelci, rutil, sinteza, TiO2, vsebnost vode.
70
Abstract: In this paper modification of wood surfaces with TiO2 nanoparticles is presented. The low-temperature synthesis
of nanoparticles with hydrothermal deposition directly on the surface of wood by the reaction between TiCl4 and H2O was
carried out. The influence of water content (free and bound water) in spruce wood samples on morphological characteristics of the surfaces was observed. The results showed that surfaces of the samples with lower water content exhibited more
cracks in comparison to the samples with a higher content of water. Identification of the particles and analysis of the morphology of the crystals on the surface was carried out with a scanning electron microscope (SEM). On the SEM micrographs,
the shape and distribution of the crystals were studied. Their chemical composition was determined with the energy dispersion X-ray analyser (EDX): the presence of Ti and O in the 1:2 stoichiometric ratio (TiO2) was confirmed. With Raman spectroscopy, the presence of the rutile crystalline form of TiO2 was confirmed. This TiO2 form is well known as a good UV-absorber.
Key words: hydrothermal deposition, wood, nanoparticles, rutile, synthesis, TiO2, water content.
UVOD
* Chemcolor Sevnica, d. o. o., Dolnje Brezovo 35, 8283 Blanca, Slovenija (pavli.pori@
chemcolor.si, [email protected])
**Kemijski inštitut, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana, Slovenija
*** prof. dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana, Slovenija
Les je naraven material, ki je precej občutljiv na vremenske
vplive, predvsem na UV-sevanje v kombinaciji s kondenzirano ali meteorno vodo (Feist in Hon, 1984; MacLeod
in sod., 1995; Derbyshire in Miller, 1996; Pavlič in Mihevc,
2001; Müller in sod., 2003; George in sod., 2005; Mihailović
in sod., 2010). Namen tega prispeva je raziskati nove možnosti zaščite pred abiotskimi dejavniki razkroja.
65(2013) št. 1-2
Nanodelci, delci veliki med 1 nm in 100 nm, so lahko
proizvedeni po dveh principih: od zgoraj navzdol – »top
down« in od spodaj navzgor – »bottom up« (Bromley in
sod., 2009; Faustini, 2013). Od zgoraj navzdol proizvedeni
nanodelci so običajnejši primer uporabljenih nanodelcev
v premazih sredstvih, ki se uporabljajo za zaščito lesa, in
jih proizvajamo z mletjem večjih delcev. Ker imajo majhni
delci težnjo ponovnega medsebojnega združevanja in
slabega dispergiranja, jih lahko obdelamo s posebnimi
surfaktanti, ki omogočajo enakomerno dispergiranje nanodelcev v premaznem sredstvu in hkrati preprečujejo
njihovo ponovno združevanje v aglomerate (Jerman in
sod., 2011; Godnjavec in sod., 2012).
Drug princip proizvodnje nanodelcev pa je sinteza in rast
nanodelcev iz določene raztopine. Če je sintezo mogoče
kontrolirati, je na ta način možno proizvesti zelo majhne
in enake – šablonsko oblikovane nanodelce. Tovrstne reakcije lahko potekajo v raztopinah, v katerih se obarjajo
produkti (Mambrini, 2008; Melis in sod., 2012; Sun in sod.,
2012). V našem primeru smo si zadali cilj hidrotermalne
depozicije nanodelcev TiO2 neposredno na površino lesa.
Pri želeni hidrotermalni depoziciji TiO2 na površino lesa se
TiO2 obarja med reakcijo prekurzorjev TiCl4 in H2O (Chen
in sod., 2007). Zato smo želeli ugotoviti, kakšen vpliv ima
vsebnost H2O v lesu na nastanek TiO2 in posledično na spremembo površine lesa, ki bo reagirala ob stiku z reaktanti in
je podvržena stiku s stranskimi produkti, tj. kislinami.
Kot je znano, ima TiO2 več različnih kristaliničnih oblik z
različnimi lastnostmi. Med anatasom, brukitom in rutilom
je prav slednji najboljši UV-absorber, saj ima od vseh naštetih kristaliničnih oblik najvišji lomni količnik svetlobe1
(Chen in sod., 2007). Običajen proces sinteze rutila je s kal-
cinacijo anatasa pri temperaturah nad 600 °C, kar za ohranitev lesa v prvotni obliki predstavlja veliko oviro (Hanaor
in Sorrell, 2011). Nadalje pa je zaznana dodatna stranska
posledica kalcinacije, tj. združevanje kristalov v večje aglomerate. Podobni procesi kot smo jih izvedli v tem poskusu, so že opisani v literaturi, vendar so poskusi bili narejeni
na sintetičnih polimerih in ne na lesu (Sun in sod., 2012).
MATERIALI IN METODE
Pri testu smo uporabili les smreke (Picea abies (L.) Karst.), z
naklonom branik blizu kota 45°, dimenzije 3,0 cm (vzdolžno) × 2,5 cm (radialno) × 2,5 cm (tangencialno). Vzorce
smo predhodno pripravili tako, da so vsebovali različno
vsebnost vode, in jih razdelili v tri skupine:
raziskave in razvoj
Za UV-zaščito lesa lahko uporabljamo različne filme, ki
jih po Pečenku (1987) lahko razdelimo v netransparentne
debeloslojne lak emajle, ki vsebujejo precej pigmentov,
delcev mikrovelikosti, ki absorbirajo ali odbijajo sončno sevanje. Obstajajo pa tudi transparentni laki in lazure (Pečenko, 1987), ki vsebujejo različne lovilce prostih radikalov in
UV-absorberje, ki absorbirajo sončno sevanje ter ga oddajajo kot toploto ali sevanje višjih valovnih dolžin. Najučinkovitejši in hkrati največkrat uporabljeni UV-absorberji za
premazna sredstva so TiO2, ZnO, Fe2O3. Transparentni UVabsorberji so nanovelikosti, saj tako zaradi svoje majhnosti
ne ovirajo sevanja višjih valovnih dolžin (vidne svetlobe)
na poti skozi film (Diebold, 2002; Mahltig in sod., 2005; Bulian in Graystone, 2009; Weichelt in sod., 2010; Saha in sod.,
2011a; Blanchard in Blanchet, 2011; Saha in sod., 2011b).
A – vzorci, ki so bili kondicionirani pri sobnih pogojih;
B – vzorci, potopljeni in impregnirani z vodo;
C – vzorci, impregnirani z vodo v vakuumski komori po
metodi polnih lumnov.
Za primerjavo je na nekaterih slikah dodan še kontrolni,
neobdelan vzorec:
K- kontrolni, neobdelan vzorec.
Vse tri vrste vzorcev smo pri 75 °C za dve uri potopili v
0,5 mmol/l vodno raztopino natrijevega dodecil sulfata (SDS), proizvajalca Sigma-Aldrich. Po tem smo vzorce
sprali z destilirano vodo in sušili v sušilniku pri 100 °C, 5
min. Ko smo prenehali s sušenjem, smo vzorce zložili v
čaše z vodno raztopino 0,5 mol/l TiCl4 in 4 mol/l HCl (oboje Sigma-Aldrich) v masnem razmerju 1 : 1, segreto na 75
°C, čas poteka reakcije je bil 2 uri. Pričetek in intenziteto
obarjanja TiO2 je bilo možno opaziti z belim obarvanjem
raztopine in površine lesa. Po končani reakciji smo vzorce
sprali z destilirano vodo in osušili za 5 min v laboratorijskem sušilniku pri 100 °C. Vzorce smo nato kondicionirali
pri normalnih pogojih do konstantne mase.
Kondicioniranim vzorcem smo na mikrotomu odrezali
vrhnji sloj, 100 μm debele rezine, v tangencialno-radialni
ravnini, ki smo jih uporabili za raziskave lastnosti površine modificiranega lesa. Na rezinah smo z analizami SEM
(JEOL JSM 5500 LV) opazovali relief površine modificiranega lesa ter strukturo naloženega materiala. Opravljena je
bila tudi analiza z energijskim disperzijskim analizatorjem
RTG žarkov (EDX), iz katere smo lahko razbrali kemijsko
sestavo modificiranega lesa. Potrditev kristalne strukture
TiO2 pa smo ugotavljali z ramansko spektroskopijo (Horiba Jobin Yvone LabRAM HR800).
1 Obstaja še ena znana kristalinična forma TiO2, tj. akoagit, ki so jo našli v nemškem
meteoritnem kraterju Ries. Umetno je še ne znamo sintetizirati in je zaradi tega
komercialno nezanimiva (El Goresy in sod., 2010).
65(2013) št. 1-2
71
raziskave in razvoj
REZULTATI
SEM ANALIZA POVRŠINE
SINTEZA TiO2
Uspešnost in kakovost depozicije TiO2 na substratu smo
razbrali iz mikrografov SEM. Kakovost depozicije smo
ocenili z iskanjem nepravilnosti na površini vzorcev. Kot
kontrolni vzorec smo uporabili nemodificiran smrekov
les (slika 3), kjer lahko opazimo gladko celično steno. Pri
vseh modificiranih vzorcih je opazna depozicija aglomeratov, ki so na mikrografih sferičnih, zaokroženih oblik,
enakomerno porazdeljeni po vsej vrhnji površini izpostavljenega vzorca. Opazne so tudi posamezne razpoke na
površini, največje razpoke so bile na vzorcih A (slika 4). Vse
slike so zaradi lažje predstave izdelane pri dveh različnih
povečavah, pri 5.000- in 10.000-kratni). Nekoliko manj
poškodb je opaznih pri vzorcih B, razpoke se pojavijo na
posameznih morfoloških nepravilnostih, predstavljenih
na sliki 5. Teh razpok je bilo opaziti manj kot pri vzorcu
A, kjer so bile razpoke dokaj gosto raztresene po celotni
površini. Nobenih vidnih razpok, vsaj pri opravljenih povečavah, pa ni bilo opaziti pri vakuumsko impregniranih
vzorcih C, kjer je bila površina deponiranega sloja videti
nepoškodovana (slika 6).
Ne glede na vrsto vzorca (A, B, C) se je pri vseh testnih
vzorcih prozorna raztopina spremenila in je postala belo
obarvana, kot je vidno na sliki 1. Proces obarjanja TiO2 je v
literaturi (Zhang in sod., 1999) opisan s sledečo kemijsko
formulo (enačba 1):
(1)
Slika 1: Raztopina med reakcijo postane belkasta.
Po kondicioniranju so bili vzorci belkasto obarvani, kot je
to razvidno s slike 2.
Slika 2: Sprememba barve vzorcev po opravljeni
depoziciji TiO2 (K – kontrola; predhodno: A – zračno
suhi vzorci, B – prepojeni vzorci z vodo, C – vakuumsko prepojeni vzorci z vodo).
72
Slika 3: SEM mikrograf kontrolnega vzorca smreke
pri 5.000- (zgoraj) in 10.000-kratni povečavi (spodaj).
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
Slika 4: SEM mikrograf zračno suhega vzorca A z vidnimi razpokami modificirane površine pri 5.000- (levo)
in 10.000-kratni povečavi (desno).
Slika 5: SEM mikrograf vzorca B, kjer so opazne posamezne manjše razpoke pri 5.000- (levo), 10.000- (sredina) in 1000-kratni povečavi (desno – izpostavljena redkeje opazna napaka).
Slika 6: SEM mikrograf vzorca C brez vidnih površinskih razpok pri 5.000- (levo) in 10.000-kratni povečavi
(desno).
65(2013) št. 1-2
73
raziskave in razvoj
ANALIZA EDX
SKLEPI
Elementno sestavo površine modificiranih vzorcev smo
preverili z analizo EDX, pri čemer nismo opazili razlike
med modificiranimi vzorci glede na različno vsebnost
vode v njih. Najbolj pogosto prisotna elementa sta bila
Ti (58,66 %), in O (39,18 %), kar je razvidno iz preglednice
1. Če upoštevamo stehiometrijsko razmerje Ti in O, lahko
sklepamo, da je deponirani material na površini substrata TiO2, kakor je bilo pričakovati iz enačbe 1. Opazili smo
tudi Cl, ki je posledica ostankov HCl, ki je bila prisotna v
raztopini reaktorske čaše in je s spiranjem vzorca nismo
popolnoma odstranili.
Iz dobljenih rezultatov lahko sklepamo, da je hidrotermalna depozicija TiO2 v rutilni obliki na lesu možna in to
pri relativno nizkih temparturah, ki so primerne tudi za
obdelavo lesa. Površina vzorcev z večjo vsebnostjo vode
izkazuje manj razpokano površino v primerjavi z vzorci, ki
vsebujejo manj vode. Ker je opisana tehnika direktnega
prekrivanja lesnega substrata z majhnimi delci TiO2 možna, se s tem odpirajo možnosti izboljševanja odpornosti
in uporabe lesnih izdelkov, izpostavljenih sončnemu sevanju.
Preglednica 1: Elementarna analiza EDX, podana v
utežnostnih deležih.
Kemijski
element
Utežnostni
delež [%]
Ti
O
Cl
SKUPAJ
58,66
39,18
2,16
100
RAMANSKA SPEKTROSKOPIJA
ZAHVALA
Raziskavo delno financira Evropska unija iz Evropskega socialnega sklada. Raziskava se izvaja v okviru Operativnega
programa razvoja človeških virov za obdobje 2007–2013,
1. razvojne prioritete: Spodbujanje podjetništva in prilagodljivosti, prednostne usmeritve 1.1.: Strokovnjaki in raziskovalci za konkurenčnost podjetij.
LITERATURA
1. Agarwal U. P., Ralph S. A. (1997) FT-Raman Spectroscopy of
Wood: Identifying Contributions of Lignin and Carbohydrate
Metodo ramanske spektroskopije smo uporabili predvsem z
Polymers in the Spectrum of Black Spruce (Picea mariana). Applied
namenom, da smo lahko potrdili tezo prisotnosti TiO2 na poSpectroscopy, 52(11): 1648–1655.
vršini modificiranega lesa. Iz spektrov, dobljenih z ramansko 2. Balachandran U., Eror G. (1982) Raman Spectra of Titanium Dioxide. Jurnal of Solide State Chemistry: 42: 276–282.
spektroskopijo, pa je bilo možno celo razločiti med kristalnimi oblikami TiO2. Razbrani trakovi posnetega spektra pri 3. Blanchard V., Blanchet P. (2011) Color Stability for Wood Products During Use: Effects of Inorganic Nanoparticles. Bioresources,
144 cm-1, 235 cm-1, 448 cm-1 in 612 cm-1 so značilni za spekter
6(2): 1219–1229.
TiO2 v rutilni obliki, kar je razvidno s slike 7 (Balachandran in 4. Bromley S. T., Moreira P. R., Neyman K. M., Illas F. (2009)
Approaching nanoscale oxides: models and theoretical methods.
Eror, 1982; Samuel in sod., 2005). Trakovi pri višjih vrednostih
Chemical Society Reviews, 38(9): 2657–2670.
valovnega števila na spektrih pripadajo ogljikovodikom in
5. Bulian F., Graystone J. A. (2009) Raw Materials for Wood Coafenilnim skupinam v lesu (Agarwal in Ralph, 1997).
tings (2) – Solvents, Additives and Colorants Wood
Coatings (95–135). Amsterdam: Elsevier.
6. Chen R. F., Zhang L., Wei Y., Hou D. L. (2007)
Preparation of rutile (TiO2) nanostructured materials
at low temperature from TiCl4 aqueous solution. Journal of Materials Science, 42(17): 7141–7146.
7. Derbyshire H., Miller E. R. (1996) Moisture
conditions in coated exterior wood. Part 1: An investigation on the moisture transmission characteristics
of exterior wood coatings and the effect of weathering on coating permeability. Journal of the Institute
of Wood Science, 14(1): 40–47.
8. Diebold U. (2002) The surface science of titanium dioxide. Surface Science Reports, 48: 53–229.
9. El Goresy A., Dubrovinsky L., Gillet P., Graup G., Chen M. (2010) Akaogiite: An ultra-dense
polymorph of TiO2 with the baddeleyite-type structure, in shocked garnet gneiss from the Ries Crater,
Germany. American Mineralogist, May–June, 95:
892–895.
10. Faustini M. (2013) Self-assembled titanium calcium oxide nanopatterns as versatile reactive nanoSlika 7: Ramanski spekter površine modificiranega lesa s hidroter- masks for dry etching lithographic transfer with high
selectivity. Nanoscale, 5: 984–990.
malno depozicijo TiO .
2
74
65(2013) št. 1-2
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
11. Feist W. C., Hon D. N. S. (1984) Chemistry of Weathering and
Protection. V: The chemistry of solid wood. Advances in chemistry
series 207. Washington, DC, American Chemical Society: 401–451.
12. George B., Suttie E., Merlin A., Deglise X. (2005) Photodegradation and photostabilisation of wood - the state of the art.
Polymer Degradation and Stability, 88(2): 268–274.
13. Godnjavec J., Znoj B., Veronovski N., Venturini P. (2012) Polyhedral oligomeric silsesquioxanes as titanium dioxide surface modifiers for transparent acrylic UV blocking hybrid coating. Progress
in Organic Coatings, 74(4): 654–659.
14. Hanaor D. A. H.; Sorrell C. C. (2011) Review of the anatase to
rutile phase transformation. Journal of Materials Science: 46(4):
855–874.
15. Jerman I., Mihelčič M., Verhovšek D., Kovač J., Orel B. (2011)
Polyhedral oligomeric silsesquioxane trisilanols as pigment surface modifiers for fluoropolymer based Thickness Sensitive Spectrally Selective (TSSS) paint coatings. Solar Energy Materials and Solar
Cells, 95(2): 423–431.
16. MacLeod I. T., Scully A. D., Ghiggino K. P., Ritchie P. J. A. (1995)
Photodegradation at the wood-clearcoat interface. Wood Science
and Technology, 29, 3: 183–189.
17. Mahltig B., Böttcher H., Rauch K., Dieckmann U., Nitsche R.,
Fritz T. (2005) Optimized UV protecting coatings by combination
of organic and inorganic UV absorbers. Thin Solid Films, 485(1–2):
108–114.
18. Mambrini G. P. (2008) Synthesis of TIO2 colloidal nanocrystals by
solvothermal method. São Carlos, p. 94.
19. Melis A., Lommens P., Simon, C. (2012) Deposition of photocatalytically active TiO2 films by inkjet printing of TiO2 nanoparticle
suspensions obtained from microwave-assisted hydrothermal
synthesis. Nanotechnology, 23(16): 165603.
20. Mihailović D., Šaponjić Z., Radoičić M., Radetić T., Jovančić P.,
Nedeljković J. in sod. (2010) Functionalization of polyester fabrics with alginates and TiO2 nanoparticles. Carbohydrate Polymers,
79(3): 526–532.
21. Müller U., Rätzsch M., Schwanninger M., Steiner M., Zöbl H.
(2003) Yellowing and IR-changes of spruce wood as result of UVirradiation. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 69(2): 97–105.
22. Pavlič M., Mihevc V. (2001) Zaščita lesa pred vremenskimi vplivi.
Les, 53(1–2): 15–20.
23. Pečenko G. (1987) Lazurni premazi za les. Les, 39(11–12): 335–337.
24. Saha S., Kocaefe D., Krause C., Larouche T. (2011a) Effect of
titania and zinc oxide particles on acrylic polyurethane coating
performance. Progress in Organic Coatings, 70(4): 170–177.
25. Saha S., Kocaefe D., Sarkar D., Boluk Y., Pichette A. (2011b)
Effect of TiO2-containing nano-coatings on the color protection
of heat-treated jack pine. Journal of Coatings Technology and Research, 183–190.
26. Samuel V., Pasricha R., Ravi V. (2005) Synthesis of nanocrystalline rutile. Ceramics International, 31(4): 555–557.
27. Sun Q., Lu Y., Zhang H., Zhao H., Yu H., Xu J. in sod. (2012)
Hydrothermal fabrication of rutile TiO2 submicrospheres on wood
surface: An efficient method to prepare UV-protective wood. Materials Chemistry and Physics, 133(1): 253–258.
28. Weichelt F., Emmler R., Flyunt R., Beyer E., Buchmeiser M. R.,
Beyer M. (2010) ZnO-Based UV Nanocomposites for Wood Coatings in Outdoor Applications. Macromolecular Materials and Engineering, 295(2): 130–136.
29. Q.-H. Zhang Q. H., Gao L., Guo J. K. (1999) Preparation and Characterization Of Nanosized TiO2 Powders from Aqueous TiCl4 Solution. NanoStructured Materials, 11(8): 1293–1300.
75
raziskave in razvoj
Matjaž ČOP*, Milan ŠERNEK** UDK 630*813
UTRJEVANJE IN LASTNOSTI
PEN NA OSNOVI TANINA
IZ SMREKOVE SKORJE
Curing and properties of spruce bark tannin-based foams
Izvleček: Lastnosti pen so v največji meri odvisne od njihove sestave. V raziskavi smo proučevali vpliv deleža tanina in katalizatorja v sestavi pene na porast temperature med penjenjem in gostoto končnega proizvoda. Z reometrom in diferenčnim
dinamičnim kalorimetrom smo spremljali utrjevanje pen. Ugotavljali smo vpliv dodanega glicerola in temperature na hitrost reakcije. Izkazalo se je, da višji delež tanina v sestavi vpliva na zamik pričetka reakcije in nižanje gostote pene. Višji delež
katalizatorja vpliva na zgodnejši začetek reakcije, vendar ne vpliva na gostoto pene. Dodatek glicerola zniža vrednost elastičnega modula pen in podaljša čas njihovega želiranja. Utrjenost pen je v močni povezavi s temperaturo med utrjevanjem.
Ključne besede: diferenčna dinamična kalorimetrija, gostota, pena, reometrija, tanin, temperatura, utrjevanje
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Summary: Properties of foams are largely dependent on their composition. The objective of this research was to determine
the influence of the amount of tannin or a catalyst in the composition of foam on the temperature during foaming and
final density of the product. Curing of foams was characterized with rheometer and differential scanning calorimeter. The
influence of the temperature and of the addition of glycerol on the reaction rate was investigated. It has been shown that
a higher amount of tannin in the composition delays the beginning of the reaction and lowers the density of foam. The
higher amount of the catalyst affects the faster beginning of the reaction, but does not affect the density. Addition of glycerol lowers the value of storage modulus and increases the gel time of foam. Curing of foams is strongly connected with the
temperature during curing.
Key words: differential scanning calorimetry, density, foam, rheometry, tannin, temperature, curing
76
1. Uvod
Pena iz tanina je material, izdelan predvsem iz naravnih in
obnovljivih virov (Tondi in sod., 2008). V osnovi jo sestavljajo furfuril alkohol, ekstrakt tanina in katalizator (paratoluensulfonska kislina) (Tondi in Pizzi, 2009; Tondi in sod.,
2009b; Li in sod., 2012). Dodane so lahko tudi druge spojine (mehčala, zamreževala, penilni agenti, stabilizatorji
ipd.), ki vplivajo na njene lastnosti. Zavidljive mehanske
ter fizikalne lastnosti laboratorijsko izdelanih pen iz tanina
nakazujejo, da bi lahko naravni materiali izpodrinili sintetične surovine za izdelavo pen (Meikleham in Pizzi, 1994).
* univ. dipl. inž., Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Rožna dolina c. VIII/34,
1001 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
** prof. dr., Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Rožna dolina c. VIII/34, 1001
Ljubljana, e-pošta: [email protected]
Pri izdelavi pen se uporabljajo kondenzirajoči tanini, ki so
naravne spojine, prisotne v mnogih rastlinah, s funkcijo
obrambe pred biološkimi napadi insektov, gliv in bakterij (Tondi in sod., 2009a). Veljajo za izjemno reaktivne,
primerljive z resorcinolom ali s fenolom, ki jih lahko uporabimo kot komponente lepil za les (Celzard in sod., 2010;
Celzard in sod., 2011).
Proces izdelave pene je sestavljen iz treh faz: mešanja,
ekspanzije in utrjevanja. Vnos katalizatorja v homogenizirano zmes ekstrakta tanina, furfuril alkohola, glicerola in
ostalih dodatkov povzroči ekspanzijo, ki jo spremlja niz
eksotermnih reakcij – avtokondenzacija furfuril alkohola
in kondenzacija furfuril alkohola, ekstrakta tanina in morebitnega formaldehida. Povišanje temperature pospeši
izhlapevanje penilnega agenta, kar vpliva na delež nastalih por. V zadnji fazi sledi utrjevanje tanin-furfuril(-formal-
65(2013) št. 1-2
2. Materiali in metode
Raziskovali smo vpliv deleža tanina in deleža katalizatorja na temperaturo, doseženo med penjenjem in gostoto nastalega produkta. V drugem delu raziskave smo se
osredotočili na potek utrjevanja pene. Mehanski vidik
utrjevanja smo proučevali z reometrom (merjenje elastičnega (G´) in viskoznega strižnega modula (G´´)), kemijski
pa z dinamičnim diferenčnim kalorimetrom (merjenje toplotnega toka).
2.1. Materiali
Za proučevanje smo uporabili »surov«, neprečiščen tanin
(cca 50 % čistost), pridobljen iz skorje smreke (Picea abies
L.) (VTT, Finska). Uporabili smo furfuril alkohol (98 %) in
65 % vodno raztopino monohidrata p-toluensulfonske
kisline (pTSK) (Sigma Aldrich). V drugem delu raziskav smo
del furfuril alkohola nadomestili z glicerolom (99,5 %) (Kemika), ki deluje kot zaviralec reakcije in mehčalo obenem.
2.2. Metode
Za proučevanje porasta temperature med penjenjem in
določitev gostote smo zatehtali tanin, dodali furfuril alkohol in zmes dobro premešali. Homogenizirani mešanici
smo nato dodali katalizator (65 % v. r. pTSK) in s pomočjo
električnega mešalnika 30 sekund mešali s 1000 vrt/min.
Mešanico smo vlili v lesen kalup dimenzij (140 mm × 80
mm × 50 mm) ter vanjo vstavili cevko s termočlenom.
Temperaturo smo začeli meriti 45 sekund po dodatku
katalizatorja z instrumentom (Agilent 34970A Data Acquisition / Switch Unit), povezanim z računalnikom. Pena je
prosto ekspandirala, merjenje temperature pa je trajalo
300 sekund.
raziskave in razvoj
dehidne) strukture, ki navadno traja nekaj minut (Tondi
in Pizzi, 2009). Rezultati dosedanjih raziskav temeljijo na
penah iz tanina lesa in skorje neevropskih listavcev. Ta se
od tanina iz skorje smreke, ki je bil uporabljen v raziskavi,
nekoliko razlikuje, prav tako pa se razlikujejo tudi lastnosti
pen. Osredotočili smo se na vpliv komponent, temperaturo, gostoto ter utrjevanje takšnih pen.
Izdelane pene smo nato po sedmih dneh klimatiziranja
pri sobnih pogojih (temperatura 20 ±2 °C in relativna
zračna vlažnost 55 ±5 %) razžagali na vzorce pravilnih
oblik, jih stehtali na elektronski tehtnici Mettler Toledo ML
503 in jim izmerili dimenzije z digitalnim kljunastim merilom (Mitutoyo CD-15DC).
Preglednica 1: Sestava pen in vrste opravljenih meritev
Table 1: Composition of foams and the types of conducted measurements
ŠT. PENE
OZNAKA
FURFURIL
ALKOHOL
(g)
GLICEROL
(g)
TANIN
(g)
65 % v. r.
pTSK (g)
1
12FA-10T-8K
12
-
10
8
2
12FA-9T-8K
12
-
9
8
3
12FA-8T-8K
12
-
8
8
4
12FA-7T-8K
12
-
7
8
5
12FA-6T-8K
12
-
6
8
6
12FA-5T-8K
12
-
5
8
7
12FA-10T-6K
12
-
10
6
8
12FA-10T-7K
12
-
10
7
9
12FA-10T-9K
12
-
10
9
10
12FA-10T-10K
12
-
10
10
11
12FA-10T-11K
12
-
10
11
12
10FA-10T-8K
10
-
10
8
13
10FA-2G-10T-8K
10
2
10
8
14
10FA-3G-10T-8K
10
3
10
8
15
10FA-4G-10T-8K
10
4
10
8
16
10FA-6G-10T-6K
10
6
10
6
VRSTA MERITEV
TEMP.
ρ (TAN.+KAT.)
TEMP.
ρ (TAN.)
TEMP.
TEMP.
ρ (KAT.)
TEMP.
REOMETER
DSC
OPOMBA: V nadaljevanju so na slikah prikazane le oznake pen, njihova sestava pa je razvidna iz preglednice 1.
65(2013) št. 1-2
77
raziskave in razvoj
Spremljanje sprememb reoloških lastnosti, izvedeno z
reometrom ARES G2 (TA Instruments), se je začelo 1 minuto po dodatku katalizatorja. Uporabili smo vzporedne
aluminijaste diske, premera 25 mm. Meritve so potekale
pri sobnih pogojih, z razmikom med diskoma 1,6 mm,
amplitudo 0,00175 rad in frekvenco cikla 0,01 s-1.
Meritve sprememb toplotnega toka so potekale z dinamičnim diferenčnim kalorimetrom HP DSC 1, ki omogoča merjenje tudi pri nadtlaku. Meritve so bile izvedene
pri izotermnih pogojih (60 min pri 30 °C, 35 °C in 40 °C),
vedno v zračni atmosferi s pričetkom 2 minuti po dodatku
katalizatorja. Masa zatehtanih vzorcev v zatesnjenih 40 μL
aluminijastih lončkih s prebodenim pokrovčkom je znašala med 24,48 mg in 25,14 mg. Tehtanje je potekalo na
tehtnici Mettler Toledo XS 205.
V raziskavi smo pripravili 16 pen z različnimi recepturami
(preglednica 1). V izhodišču smo uporabili tri osnovne
komponente (pene od 1 do 11), kjer smo preverjali bodisi
vpliv deleža tanina (TAN.) bodisi deleža katalizatorja (KAT.)
na temperaturo (TEMP.) oz. gostoto (ρ). Pene od 12 do 15
smo uporabili za reološke meritve (REOMETER), kjer smo
proučevali vpliv dodatka glicerola na spremembe elastičnega strižnega modula med utrjevanjem. Sestavo pene
16 smo uporabili za proučevanje hitrosti utrjevanja z diferenčnim dinamičnim kalorimetrom (DSC).
okoli 50 s, pri peni z 10 deli tanina (12FA-10T-8K) pa okoli
80 s po dodatku katalizatorja.
Na spreminjanje temperature med penjenjem v veliki
meri vpliva sestava pene. Penjenje nastopi sočasno z dvigom temperature. Prične se, ko temperatura naraste na
cca 50 °C, zaključi pa, ko ta doseže maksimalno vrednost.
Večji delež tanina povzroči kasnejši začetek reakcije penjenja in nižjo maksimalno temperaturo (slika 1). Penjenje
je v primeru pene s 6 deli tanina (12FA-6T-8K) nastopilo
Večji vpliv na čas pričetka penjenja je imel delež katalizatorja v sestavi pene (slika 2). Večji delež katalizatorja je
povzročil zgodnejši začetek reakcije. Pri peni z 10 deli katalizatorja (12FA-10T-10K) je penjenje nastopilo po približno 60 s od njegovega dodatka, v primeru pene s 6 deli
katalizatorja (12FA-10T-6K) pa po približno 140 s. Maksimalne dosežene temperature se niso bistveno razlikovale
glede na količino dodanega katalizatorja. Predvidevamo,
da ima pri tem glavno vlogo enako razmerje tanina in furfuril alkohola v vseh sestavah. Tanin namreč zasede določeno število funkcionalnih skupin (OH) furfuril alkohola,
s katerimi bi lahko reagiral katalizator. Ob večjem številu
»prostih« OH skupin bo reakcija nastopila prej, oddane
bo več toplote, posledično pa bo višja tudi maksimalna
temperatura.
Slika 1: Temperatura med penjenjem v odvisnosti
od časa pri različnih deležih dodanega tanina
Figure 1: Temperature during foaming as a function of
time at different amounts of added tannin
Gostota pen je linearno padala z višanjem deleža tanina
v peni (slika 3). Ob upoštevanju konstantnih mas furfuril alkohola (12 g) in katalizatorja (8 g) je pri 20 % deležu
tanina gostota znašala okoli 200 kg/m3, medtem ko je
ta pri 33 % deležu znašala okoli 125 kg/m3. Menimo, da
je v primeru višjega deleža tanina število zasedenih OH
skupin furfuril alkohola večje, reakcija pa zato manj burna.
Celotna reakcija penjenja poteče nekoliko počasneje oz.
bolj kontrolirano, rezultat tega pa je večja homogenost
pene. V primeru manjšega deleža tanina, reakcija poteče
zelo hitro. Struktura v tem času ne zamreži v zadostni meri
in velika količina plina in pare uide iz strukture. Ekspanzija
je prisotna v manjši meri, kar posledično vpliva na gostoto
pene. Odvisnost med gostoto pene in deležem katalizatorja ni bila značilna. Gostota teh pen je znašala med 125
kg/m3 in 150 kg/m3, kar potrjuje našo domnevo o pomenu deleža tanina.
3. Rezultati
78
Slika 2: Temperatura med penjenjem v odvisnosti
od časa pri različnih deležih dodanega katalizatorja
Figure 2: Temperature during foaming as a function of
time at different amounts of added catalyst
65(2013) št. 1-2
Slika 3: Gostota pen v odvisnosti od deleža tanina in
deleža katalizatorja v osnovni sestavi pene
Figure 3: Foam density as a function of tannin and catalyst amount in a basic composition of foam
Na osnovi DSC termogramov smo ugotovili, da se je
pri višjih temperaturah v enakem času sprostilo veliko
več energije kakor pri nižjih (slika 5). Vrh eksotermnega signala je bil pri 40 °C zabeležen po 93 s, pri 35 °C
po 125 s in pri 30 °C po 153 s od začetka meritve. Na
osnovi izračunane konverzije, ki predstavlja integracijo
področja pod eksotermnim signalom, smo ugotovili,
da pena pri 40 °C do 50 % utrdi v 438 s, pri 35 °C v
642 s in pri 30 °C v 815 s. Hitrost in stopnja konverzije
(utrjenosti) pene je torej zelo povezana s temperaturo.
Pri višjih temperaturah je reakcija burnejša (bolj eksotermna) in nastopi prej kot pri nižjih temperaturah.
Posledično je višja tudi stopnja utrjenosti v določeni
časovni enoti.
raziskave in razvoj
Ta ugotovitev je bila koristna za izvedbo DSC meritev,
kjer lahko zaradi časovno potratnega tehtanja preskušanca, reakcija penjenja poteče že pred pričetkom
DSC meritev. S tem razlogom smo delež glicerola v
sestavi pene povečali, delež katalizatorja pa zmanjšali. Meritve s tako sestavo pene (10FA-6G-10T-6K) smo
izvedli pri izotermnih pogojih, kasneje pa izračunali
konverzijo (delež utrditve) v odvisnosti od časa.
4. Zaključek
Slika 4: Vpliv dodatka glicerola na elastični strižni
modul G’
Figure 4: Influence of the addition of glycerol on storage
modulus G’
Dodatek glicerola je vplival na kasnejši pričetek reakcije (slika 4). Vrednost elastičnega strižnega modula (G´) pene brez
glicerola (10FA-10T-8K) je kmalu po dodatku strmo narasla in
se dokaj hitro približala vrednosti 10000 Pa. Glicerol je vplival
na postopno rast modula, ki v končni meri ni dosegel takšnih
vrednosti kot v primeru pen brez glicerola.
Povečevanje deleža glicerola je podaljšalo čas želiranja pene.
Točka želiranja je bila določena kot točka, pri kateri je bilo razmerje med elastičnim strižnim modulom (G´) in viskoznim
modulom (G´´) enako 1. Pri peni brez dodanega glicerola
(10FA-10T-8K) se je to zgodilo pri cca 75 s, pri penah z dodanim glicerolom pa pri 465 (10FA-2G-10T-8K), 1012 (10FA-3G10T-8K) in 1413 s (10FA-4G-10T-8K) od pričetka meritve. Dodatek glicerola v sestavo pene je torej zaviral pričetek reakcije.
65(2013) št. 1-2
V raziskavi smo proučevali vpliv deleža tanina in katalizatorja v sestavi pene na utrjevanje in lastnosti
končnega proizvoda. Povečevanje deleža tanina in
zmanjševanje deleža katalizatorja v sestavi pene je
vplivalo na zamik pričetka reakcije. Izkazalo se je, da
delež katalizatorja ni imel vpliva na gostoto končnega proizvoda, medtem ko je povečanje deleža tanina
iz 20 % na 30 % povzročilo znižanje gostote za okrog
25 %. Na potek utrjevanja in končne lastnosti pen je
vplival tudi dodatek glicerola. Večji delež glicerola v sestavi pene je podaljšal čas želiranja, vplival pa tudi na
znižanje elastičnega strižnega modula. Utrjenost pen
je odvisna tudi od temperature. Z DSC meritvami smo
ugotovili, da je reakcija pri višji temperaturi veliko bolj
eksotermna, kakor pri nižji, s tem pa posledično tudi
utrjenost pene v enaki časovni enoti.
Zahvala
Prispevek je nastal v okviru WoodWisdom-Net 2 projekta »Bark valorisation into insulating foams and bioenergy« (BIOFOAMBARK), ki ga sofinancira Ministrstvo
za izobraževanje, znanost, kulturo in šport.
79
raziskave in razvoj
Slika 5: DSC termogrami – vpliv višine temperature na
oddano toploto med reakcijo in stopnja konverzije pri
izotermnih pogojih
Figure 5: DSC thermograms – influence of temperature
on energy dissipated during reaction and the degree of
conversion at isothermal conditions
VIRI
1. Celzard A., Fierro V., Amaral-Labat G., Pizzi A., Torrero J. (2011)
Flammability assesment of tannin-based cellular materials. Polymer
Degradation and Stability, 96: 477-482
2. Celzard A., Zhao W., Pizzi A., Fierro V. (2010) Mechanical properties of tannin-based foams undergoing compression. Materials Science
and Engineering A Structural Material Properties Microstructure and
Processing, 527: 4438-4446
3. Li X., Pizzi A., Cangemi M., Fierro V., Celzard A. (2012) Flexible natural-based biosourced foams. Industrial Crops and Products, 37: 389-393
4. Meikleham N. E., Pizzi A. (1994) Acid- and alkali-catalyzed tanninbased rigid foams. Journal of Applied Polymer Science, 53: 1547-1556
5. Tondi G., Oo C. W., Pizzi A., Trosa A., Thevenon M. F. (2009a) Metal
adsorption of tannin based rigid foams. Industrial Crops and Product’s
29: 336-340
6. Tondi G., Zhao W., Pizzi A., Du G.,Fierro V., Celzard A. (2009b) Tannin-based rigid foams: A survey of chemical and physical properties.
Bioresource Technology, 100: 5162-5169
7. Tondi G., Pizzi A. (2009) Tannin-based rigid foams: Characterization
and modification. Industrial crops and products, 29: 356-363
8. Tondi G., Pizzi A., Pasch H., Celzard A. (2008) Structure degradation,
conservation and rearrangement in the carbonisation of polyflavonoid
tannin/furanic rigid foams – A MALDI-TOF investigation. Polymer Degradation and Stability, 93: 968-975
80
65(2013) št. 1-2
UDK 628.336.6
Učinkovitost različnih tehnik
predobdelave lignoceluloznega
substrata v procesu anaerobne
razgradnje
raziskave in razvoj
Mija SEŽUN*, Romana MARINŠEK LOGAR**, Viktor GRILC***
Efficiency of the different pretreatment techniques of
lignocellulosic substrate in the process of anaerobic digestion
Abstract: Due to the proportion of lignin content brewery spent grains belong to the group of lignocellulose substrates. The
material may be used as biogas substrate because of its biogas potential. Large quantities which are generated as waste in
brewery industry present a ecological problem. However, a pretreatment of this type of substrate is necessary due to high
quantity of lignin and its degradation products which are inhibitory substances for methanogenic bacteria. In our study we
determined the most frequently used pretreatments and also tried to determine the effectiveness of individual processes. The
pretreated substrates were incorporated in anaerobic digestion process. During the anaerobic digestion of pretreated and
rough substrates the formation of phenolic compounds, primarily p-cresol, was detected. From the results we can conclude,
that appearance of the biogas production inhibition depends on the lignin degradation level in the process of pretreatment
and the appearance of degradation product of p-cresol.
Key words: anaerobic digestion, biodegradable products, biogas, lignocellulose pretreatment, p-cresol.
* dr., Pulp and Paper Institute, Bogišićeva ulica 8, SI-1000 Ljubljana, Slovenia
**prof. dr., Biotechnical Faculty, University of Ljubljana, Department for Microbiology
and Microbial Biotechnology, Groblje 3, SI-1230 Domžale, Slovenia
*** prof. dr., National Institute of Chemistry, Laboratory for Environmental Sciences
and Engineering, Hajdrihova 19, SI-1000 Ljubljana, Slovenia
* Corresponding author: e-mail: [email protected], Phone: +386 51 603 237, +386
1 200 28 18; Fax: +386 1 426 56 39
65(2013) št. 1-2
1. UVOD
Onesnaževanje okolja je ena izmed najbolj perečih problematik današnjega sveta, tako da skrb za okolje, ekološka ozaveščenost in gospodaren odnos do odpadkov igra
še prav posebej pomembno vlogo.
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: Glede na delež vsebnosti lignina uvrščamo pivovarniške tropine med lignocelulozne substrate. Pivovarniške tropine so izredno zanimive, saj imajo zadovoljiv bioplinski potencial, obenem pa zaradi velikih količin v pivovarniški industriji
predstavljajo ekološki problem. Zaradi visoke vsebnosti lignina ter njegovih razgradnih produktov, za katere je znano, da inhibitorno delujejo na metanogene bakterije, je predobdelava takšnega substrata neizogibna. V našem raziskovalnem delu
smo naredili pregledno študijo najpogostejših predelovalnih metod ter skušali določiti učinkovitost posamezne predobdelave v procesu anaerobne razgradnje. Različno predobdelan substrat smo pod enakimi pogoji vključili v proces anaerobne
razgradnje. Med procesom anaerobne razgradnje vseh predobdelanih substratov, vključno z neobdelanim, smo zaznali
nastajanje fenolnih spojin, zlasti p-krezola. Nastop inhibicije je bil časovno odvisen od tehnike predobdelave substrata. Na
podlagi rezultatov lahko zaključimo, da je čas do nastopa inhibicije produkcije bioplina odvisen od stopnje razgradnje lignina v procesu predobdelave in pojava inhibitornega produkta p-krezola.
Ključne besede: anaerobna razgradnja, bioplin, lignocelulozna predobdelava, razgradni produkti, p-krezol
81
raziskave in razvoj
Lignocelulozna biomasa je obnovljiv, razpoložljiv, nevtralen vir ogljika z letno oskrbo 200 milijard ton (Zhang in
sod., 2008).
Več kot 80 % skupne biomase, ki se uporablja za proizvodnjo
bioenergije, je pridobljene iz lesa. Preostali del pridobljene
bioenergije pripisujemo surovinam iz kmetijskega sektorja
(energetske rastline, ostanki in stranski proizvodi) ter različnim gospodarskim in gospodinjskim odpadkom (EPA, 2010).
Med lignocelulozne odpadne materiale vključujemo les
in lesne ostanke, trave, poljedelske ostanke. Velik delež tovrstnih odpadkov odstranimo s sežiganjem, za katerega
je značilno, da ni omejeno na manj razvite države, ampak
je dandanes globalni pojav (Levine in sod., 1996).
V zadnjih letih se lignocelulozni substrati uporabljajo
predvsem v proizvodnji papirja (Jiménez, 2005). Velik del
tovrstnega substrata pripisujemo tudi uporabi za gorivo,
za kompostiranje ter kot živalsko krmo. Intenzivnost raziskav ter obseg investicijskih vlaganj se je na tem področju
močno povečal (Melherbe in Cloete, 2002).
težko razgradljivi. Problematičnost pripisujemo kompleksni strukturi lignina ter razgradnim produktom lignina,
ki se pojavijo med procesom anaerobne razgradnje. Pri
lignoceluloznih substratih se poslužujemo številnih tehnik predobdelav, s katerimi odpravljamo težave in tako
omogočimo čimboljši izkoristek substrata.
Največjo oviro pri anaerobni razgradnji lignoceluloznih
substratov predstavlja rastlinska celična stena, ki vsebuje težko razgradljive sestavne dele. Razgradljivost lignoceluloze je odvisna predvsem od zmogljivosti določene
mikrobne populacije in od okoljskih pogojev (Waldrop in
sod., 2000).
Deleži lignina, celuloze in hemiceluloze so odvisni od
vrste rastline. Glede na to, da je v nasprotju s celulozo
in hemicelulozo lignin hidrofoben polimer z navzkrižno
vezanimi enotami, je njegova odpornost na anaerobno
razgradnjo dokaj visoka. Sprijetost celuloze z ligninom
onemogoči dostop in delovanje celulolitičnih encimov
(Gallert in Winter, 2005).
Vse večja uporaba fosilnih goriv je privedla do izčrpanja
energije svetovnih zalog, zato je iskanje alternativnih virov
energije vedno bolj zaželeno. Biomasa je izredno zanimiv
alternativni vir energije. Med najpomembnejše sisteme
izkoriščanja biomase štejemo proizvodnjo bioetanola, ki
je odlična alternativa za gorivo (Yan in Shuzo, 2006).
Vse lignocelulozne energetske rastline so načeloma primerne za fermentacijo, saj vsebujejo velik delež ogljikovih
hidratov, proteinov in lipidov. Materiali z večjo vsebnostjo
lignina so manj primerni za proces anaerobne razgradnje
(Amon in sod., 2007).
Glede na to, da ima lignocelulozna biomasa iz kmetijskih,
gozdarskih, lesarskih, papirniških in rastlinskih energetskih odpadkov visok potencial, se zanimanje za njeno
uporabo v procesu pridobivanja bioenergije/biogoriv, bioproduktov, bioplastike in biokemikalij močno povečuje
(Deswarte in sod., 2007).
Lignoceluloza je zelo kompleksen in težko razgradljiv
material (Slika 1) s številnimi problematičnimi karakteristikami, obenem pa zelo uporaben in zanimiv substrat v
procesu anaerobne razgradnje. Glede na karakteristike in
uporabnost lignoceluloznega materiala je smotrno poiskati rešitev čim boljše izrabe.
2. POMEMBNOST PREDOBDELAVE LIGNOCELULOZNEGA SUBSTRATA ZA PROCES
ANAEROBNE RAZGRADNJE
Lignocelulozni substrati so zanimiv substrat v procesu
pridobivanja bioplina. Glede na njihove karakteristike so
82
Slika 1: Struktura lignoceluloznega kompleksa (prirejeno po Carbohydrates ..., 2007)
Fig. 1: Structure of lignocellulosic complex (adapted
by Carbohydrates..., 2007)
Kemijsko je lignin fenolna polimerna spojina, sestavljena
iz treh cinamil alkoholov oziroma monolignolov: p-kumaril, koniferil ter sinapil alkoholov, ki se razlikujejo po številu
metoksi skupin (Adler 1977; Sakakibara 1991; Terashima,
2000).
Lignin (Slika 2) je tridimenzionalna polifenolna makromolekula zelo kompleksne strukture, katere naloga je zagotoviti
togost in kohezijo materiala celične stene, onemogočiti prepustnost vode ter zagotoviti fizikalno-kemijske ovire pred
napadom mikroorganizmov (Fengel in Wegener, 1989).
65(2013) št. 1-2
Slika 2. Model lignina (Fengel in Wegener, 1989)
Fig. 2. The model of lignin (Fengel and Wegener, 1989)
Že leta 1971 so se raziskovalci srečevali s problematiko mikrobne razgradnje lignina in ugotovili, da v zadnjih tridesetih letih ni bilo zaznati bistvenega napredka v raziskavah s področja razgradnje lignina (Sarkanen in sod., 1971).
Za doseganje boljše učinkovitosti biorazgradnje tovrstnih
substratov je bila v zadnjem desetletju večina raziskav
osredotočena na odstranjevanje lignina iz lignoceluloznih
substratov. Napredek je bil dosežen s termično, mehansko
in kemično predobdelavo ter z encimsko hidrolizo (Lee in
sod., 1977). Biorazgradljivost lignoceluloznih substratov
povečujemo z zmanjševanjem vsebnosti lignina (Fernandes in sod., 2009). Razgradnja lignoceluloze je odvisna od
deleža razgrajene celuloze in lignina (Reid, 1989). Anaerobna razgradnja kompleksnih netopnih biorazgradljivih
molekul lahko predstavlja težavo. Delež razgradnje tovrstnih kompleksnih biopolimerov je odvisen od njihove
strukture, substituiranih skupin, skupine arhej, prisotnih
v reaktorju, ter njihove aktivnosti glede na temperaturne
pogoje in vrednosti pH (Ezeonu in Okaka, 1996).
Do sedaj je bila razgradnja lignoceluloznih substratov
slabo raziskana. Številni avtorji navajajo le možne tehnike
predobdelave (McMillan in sod., 1994; Perez in sod., 2002;
Mosier in sod., 2005; Bougrirer in sod., 2006; Taherzadeh in
Karimi, 2008; Hendriks in Zeeman, 2009 ...).
S predobdelavo dosežemo zmanjšanje celulozne kristaličnosti ter povečanje poroznosti materialov (Bjerre in
sod., 1996).
Lignin je razmeroma odporen na kemično, bakterijsko in
glivno razgradnjo v anaerobnih pogojih, v aerobnih pogojih pa ga razgrajujejo nekatere glive. Delno je topen v
alkoholu in v nekaterih organskih kislinah (Fengel, 1989;
Leban, 2008).
Predlagani so bili številni postopki predobdelave lignoceluloznih substratov in sicer na laboratorijski in industrijski
ravni. Predobdelave lahko opredelimo kot kemične, fizikalne in termične procese (McMillan, 1994; Yang in sod., 2008).
Tuomela in sod. (2000) so poročali o učinkovitosti razgradnje lignina v procesu kompostiranja. Kompleksne organske snovi kot je lignin, razgrajujejo anaerobne aktinomicete in nižje glive.
Predobdelava predstavlja pomembno vlogo tudi pri
spremembi strukture celuloze, tako da je le-ta bolj dostopna za mikrobne encime, ki pretvarjajo polimere ogljikovih hidratov v sladkorne monomere (Mosier in sod., 2005).
V kmetijskih in industrijskih lignoceluloznih odpadkih se
kot produkti razgradnje lignina pojavljajo aromatske spojine, predvsem polifenoli, polimerizirani v visokomolekularno strukturo (Shink in sod., 2002). Proste fenolne kisline
in aldehide so med drugim zaznali v ekstraktih pšenice
(Galleti in Piccaglia, 1991).
Raziskave in razvoj procesov predobdelave veliko prispevajo k izboljšanju učinkovitosti procesov ter omogočijo
zmanjšanje stroškov procesa produkcije bioplina (Mosier
in sod., 2005).
Cheng in sod. (2000) so dokazali inhibitorni vpliv lignina
lesa listavcev na metanogeno aktivnost.
Številne študije poročajo tudi o zaviralnih učinkih pkrezola kot enega razgradnih produktov lignina (Hwang
in Cheng, 1991; Veeresh in sod., 2005).
Pri lignoceluloznih substratih se moramo zaradi težke
razgradljivosti poslužiti različnih tehnik predobdelave. Cilj
65(2013) št. 1-2
raziskave in razvoj
predobdelave je pripraviti težko razgradljiv substrat do
takšne oblike, da je mikroorganizmom dostopen za encimsko razgradnjo, zmanjša pa se tudi možnost sproščanja biorazgradnih produktov lignina (aromatske spojine).
Učinkoviti predobdelovalni procesi omogočajo izogibanje večjih delcev biomase, ohranjanje hemicelulozne
frakcije, omejevanje nastajanja razgradnih produktov, ki
zavirajo rast fermentacijskih mikroorganizmov, zmanjševanje energetskih potreb in omejitev stroškov (National
Research Council, 1999).
Izbira prave predobdelave vpliva na poslovne stroške,
stroške kapitala ter na stroške biomase (Palmquist in
Hahn-Hagerdal, 2000).
83
raziskave in razvoj
Namen naše raziskave je dopolniti dosedanja spoznanja o
razgradnji lignoceluloznih substratov, obenem pa poiskati takšne rešitve, da bodo lahko uporabne in stroškovno
sprejemljive tudi na industrijskem nivoju. Tako bi industrija dobila nove možnosti čim boljšega izkoristka odpadkov, povečanja energetske samooskrbe in zmanjšanja
obremenjevanja okolja.
3. MATERIAL IN METODE
BIOMASA
Bioreaktor smo inokulirali s svežim anaerobnim blatom
iz bioplinarne Petrol (Farma Ihan). Vsebnost suhe snovi je
bila med 13 g/L in 14 g/L, organske snovi med 12 g/L in 13
g/L ter vsebnost KPK 20 gKPK/L do 25 gKPK/L.
SUBSTRAT
Za substrat smo uporabili pivovarniške tropine v kombinaciji s pivovarniško odpadno vodo v razmerju 1:2. Vsebnost lignina v pivovarniških tropinah je znašala 6,4 %.
RAZLIČNE TEHNIKE PREDOBDELAVE
Mehanska predobdelava
Pivovarniške tropine smo zdrobili na manjše delce z mešalom Ultraturax. Substrat smo izpostavili visokemu strižnem polju za 10 minut ter tako dosegli zmanjšanje velikosti delcev. Do uporabe (do vnosa v bioreaktor ) smo
substrat shranili v hladilnici pri temperaturi 4 °C.
Termo-kemična predobdelava
Substrat je bil predhodno zakisan in sicer do vrednosti
pH=2. Sledila je izpostavitev temperaturi 140 °C za dve uri.
Po končani termični obdelavi smo počakali, da se substrat
ohladi in ga nato nevtralizirali z natrijevim hidroskidom
(NaOH) do vrednosti pH=7. Do uporabe (do vnosa v bioreaktor ) smo substrat shranili v hladilnici pri temperaturi 4 °C.
Alkalna predobdelava
Pri alkalni predobdelavi smo substrat izpostavili vrednosti
pH=10 za 5 dni. Alkalno območje smo dosegli s pomočjo
NaOH. Po končani kemični predobdelavi smo substrat nevtralizirali do vrednosti pH=7 ter ga shranili v hladilnico (T=4 °C).
Kisla predobdelava
Pri kisli predobdelavi smo substrat izpostavili klorovodikovi kislini (pH=2) za 5 dni. Kislo območje smo dosegli s
klorovodikovo kislino (HCl). Sledila je nevtralizacija in shranjevanje v hladilnici.
Biološka predobdelava
Biološko smo pivovarniške tropine obdelali z dvema anaerobnima bakterijama Pseudobutyrivibrio xylanivorans in
Ruminococcus flavifaciens.
84
DOLOČANJE PARAMETROV UČINKOVITOSTI
PROCESA
pH vrednost smo merili na iztoku iz bioreaktorja (vzorec
uporabljen v nadaljnji analizi) z ročnim merilcem UnipHTest. Vsebnost amonija smo v vzorcih določali z metodo
po Kjeldahlu (SIS EN, 1996). Kemijska potreba po kisiku
(KPK) vzorcev smo ugotavljali po standardni metodi SIS
ISO 6060, 1996. KPK vzorcev smo ugotavljali po standardni metodi SIS ISO 6060, 1996.
Suho snov (SS) in organsko snov (OS) smo določali s standardno metodo (Clesceri in sod., 1998). Za analizo sestave
bioplina ter aromatskih spojin smo uporabili plinski kromatograf GC-MS (Agilent 6890N). Za analizo kratkoveriž­
nih maščobnih kislin smo uporabili plinski kromatograf
Hewlett Packard 5890, opremljen s split/splitless injektorjem in FID detektorjem. Inhibitorni vpliv p-krezola na
produkcijo bioplina smo testirali s standardnim testom
metanskega potenciala (Owen, 1979).Vsebnost vlaknine,
netopne v nevtralnem detergentu (NDV), vlaknine, netopne v kislem detergentu (KDV) in lignina, netopnega v
kislem detergentu (KDL), smo določili po metodi, ki jo je
opisal Van Soest (1963).
4. REZULTATI IN RAZPRAVA
V raziskovalnem delu smo naredili pregled posameznih
vrst predobdelave. Različno predobdelan substrat smo
uporabili v procesu anaerobne razgradnje. Želeli smo
ugotoviti, katera izmed predobdelav je najbolj učinkovita. Ugotovljeno je bilo, da je bila razgradnja lignina med
mehansko predobdelavo najmanjša, medtem ko smo pri
kemični predobdelavi dosegli največji delež razgrajenega
lignina in sicer več kot 90 % (Slika 3).
Iz predhodnih raziskav je dobro znano, da se ob razgradnji lignina sprostijo številni razgradni produkti lignina.
Določeni razgradni produkti (fenolne spojine) inhibitorno
vplivajo na metanogene bakterije. V raziskavi smo analizirali vsebino anaerobnega reaktorja in na podlagi rezultatov ugotovili prisotnost razgradnih produktov lignina.
Rezultati so pokazali, da se je pri vseh predobdelanih
substratih, vključno z neobdelanim pojavil p-krezol in fenol. Prisotnost fenola je bila zanemarljiva, koncentracija
p-krezola pa je tekom anaerobne razgradnje naraščala do
inhibitorne meje. Na začetku procesa anaerobne razgradnje pri vseh procesih različno predobdelanih in neobdelanega substrata nismo zaznali prisotnosti p-krezola, takoj
ko smo ga zaznali, je začela njegova koncentracija strmo
naraščati. Izjema je bila anaerobna razgradnja termo-kemično (termofilno območje) predobdelanega substrata,
kjer smo prisotnost p-krezola zaznali že na začetku procesa, sledilo je naraščanje (Slika 4).
65(2013) št. 1-2
Slika 3: Vsebnost lignina v substratih pred in po
obdelavi (g/kgvzorca)
Fig. 3: Lignin content before and after treatment of
substrates(g/kgsample)
Pri anaerobni razgradnji mehansko predobdelanega substrata se je p-krezol pojavil po 98. dnevu, v anaerobni
razgradnji termo-kemično (mezofilno območje) predobdelanega substrata po 63. dnevu, v anaerobni razgradnji
termo-kemično predobdelanega substrata (termofilno
območje) že po 1. dnevu, v anaerobni razgradnji kemično
predobdelanega substrata (kisla in alkalna) po 56. dnevu,
v anaerobni razgradnji biološko predobdelanega po 98.
dnevu in pri neobdelanem po 77. dnevu (Slika 4).
Kumulativna produkcija bioplina v celotnem procesu je
bila največja pri mehansko predobdelanem substratu
(3694,72 L), najmanjša pa pri kemično (kisla) predobdelanem substratu (2221,83 L). Produkcija bioplina je na začetku vsakega procesa strmo naraščala, sledila je ustalitev
do nastopa inhibicije. Po nastopu inhibicije smo opazili
intenziven padec produkcije bioplina. Najnižjo povprečno
produkcijo bioplina pri anaerobni razgradnji smo ugotovili
pri presnovi termo-kemično obdelanega substrata (termofilno območje), najvišjo pa pri presnovi termo-kemično
obdelanega substrata v mezofilnem območju (Slika 5).
raziskave in razvoj
Največja končna koncentracija p-krezola je pripadala termo-kemično predobdelanemu substratu v termofilnem
območju (358,49 mg/L), najmanjša končna koncentracija
pa kemično predobdelanemu substratu (alkalna) in sicer
211,70 mg/L (slika 4).
V raziskovalnem delu smo se poslužili najpogosteje uporabljenih predobdelav (mehanska, termo-kemična, različne kemične in različne biološke). Stopnja razgradnje
lignoceluloze po predobdelavi predstavlja zelo pomembno informacijo za nadaljnji proces anaerobne razgradnje
lignoceluloznega substrata. Ugotovili smo, da je izjemno
pomembno, da ni stopnja razgradnje ne previsoka ne
prenizka.
Slika 4: Koncentracija p-krezola pri različno predobdelanih substratih
Fig. 4: p-cresol concentration of differently pretreated substrates
65(2013) št. 1-2
85
raziskave in razvoj
Slika 5: Kumulativna produkcija bioplina (L) iz različno predobdelanih substratov
Fig. 5: Cumulative biogas production (L) from differently pretreated substrates
V procesu anaerobne razgradnje smo pri vseh predobdelanih substratih ugotovili prisotnost razgradnih produktov lignina (p-krezol, fenol), pri neobdelanem substratu
pa smo opazili, da je prišlo do kopičenja organske snovi
ter tako posledično do preobremenitve bioreaktorja.
Inhibicija s p-krezolom se je pri kemični-alkalni predobdelavi pojavila pri koncentraciji 204 mg/l, pri kemični-kisli pri
koncentraciji 115 mg/L, pri mehanski pri koncentraciji 236
mg/L, pri termo-kemični (mezofilni) pri koncentraciji 232
mg/L, pri termo-kemični (termofilni) pri koncentraciji 184
mg/L, pri biološki pri koncentraciji 359 mg/L in pri kontrolni biološki pri koncentraciji 276 mg/L.
Najučinkovitejši proces anaerobne razgradnje pivovarniš­
kih tropin smo dosegli po mehanski, termični in biološki
predobdelavi, saj je bil čas do nastopa inhibicije pri teh
postopkih najdaljši.
LITERATURA
1. Adler E. 1977. Lignin Chemistry-past, present and future. Wood
Sci. Technol., 11: 169-21
2. Amon T., Amon B., Kryvoruchko V., Machmuller A., Hopfner
Sixt K., Bodiroza V., Hrbek R., Fridel J., Potsch E., Wagentristl
H., Schreiner M., Zollitsch W. 2007. Methane production through anaerobic digestion of various energy crops grown in sustainable crop rotations. Bioresource Technol., 98: 3204-3121
86
3. Bjerre A.B., Olesen A.B., Fernqvist T. 1996. Pretreatment of
wheat straw using combined wet oxidation and alkaline hydrolysis
resulting in convertible cellulose and hemicellulose. Biotechnol.
Bioeng., 49: 568–577
4. Bougrier C., Albasi C., Delgenes J.P., Carrere H. 2006. Effect of
ultrasonic, thermal and ozone pre-treatments on waste activated
sludge solubilisation and anaerobic biodegradability. Chem. Eng.
Process., 45: 711-718
5. Carbohydrates. Ceres. The more carbs better. 2007.
6. http://www.ceres.net/AboutUs/Images/PlantCellWall/TabComplete.jpg (18. nov. 2012)
7. Cheng-Ri Y., Dong-Il S., Myung-Kyum K.,Sung-Taik L. 2000.
Inhibitory effect of hardwood lignin on acetate-utilizing methanogens in anaerobic digester sludge. Biotechnol. Lett., 22: 1531–1535
8. Clesceri L.S., Greenberg A.E., Eaton A.D. 1998. Standard methods for the examination of water and wastewater. Solids. Washington, D.C., American Public Health Association: 2-1
9. Deswarte F.E.I., Clark J.H., Wilson A.J. 2007. Toward an integrated straw-based biorefinery. Biofuels Bioprod. Biorefin. 1: 245-54
10. Ezeonu F.C., Okaka A.N.C. 1996. Process Kinetics and Digestion
Efficiency of Anaerobic Batch Fermentation of Brewer´s Spent Grains (BSG). Process Biochem., 31, 1: 7-12
11. Fengel D., Wegener G. 1989. Wood: Chemistry, ultrastructure,
reactions. New York, Walter de Gruyter: 613 str.
12. Fernandes T.V., Klaasse Bos G.J., Zeeman G. 2009. Effects of
thermo-chemical pre-treatment on anaerobic biodegradability
and hydrolysis of lignocellulosic biomass. Bioresorce Technol., 100,
9: 2575-2579
13. Gallert C., Winter J. 2005. Bacterial metabolism in wastewater
treatment systems. V: Environmental Biotechnology. Con
65(2013) št. 1-2
65(2013) št. 1-2
lignin, razgrajujejo aerobne aktinomicete in mikroglive.
35. Tuomela M., Vikman M., Hatakka A., Itavaara M. 2000. Biodegradation of lignin in a compost environment. Bioresource Technology, 72: 169-183
36. Van Soest P.J. 1963. Use of detergents in the analysis of fibrous
feeds. J. AOAC Int., 46: 825-835
37. Veeresh G.S., Kumar P., Mehrotra I. 2005. Treatment of phenol
and cresols in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) process.
Water Research, 39: 154-170
38. Waldrop M.P., Balser T.C., Firestone M.K. 2000. Linking microbial community composition to function in a tropical soil. Soil Biol.
Biochem., 32: 1837-1846
39. Yan L., Shuzo T. 2006. Ethanol fermaetation from biomass resources. Appl. Microbiol.Biotechnol., 69: 627-642
40. Yang B., Wyman C. 2008. Pretreatment: the key to unlocking
low-cost cellulosic ethanol. Biofuels Bioprod. Bioref., 2: 26-40
41. Zhang Y.H. 2008. Reviving the carbohydrate economy via multiproduct lignocellulose biorefineries. J. Ind. Microbiol. Biotechnol.,
35: 367-375
raziskave in razvoj
14. Galletti G.C., Piccaglia R. 1991. Evaluation of lignin preparations
from lignocellulosics by HPLC/electrochemical detection of phenolics. J. Agric. Food Chem., 39, 3: 490–493
15. Hendriks A.T.W.M., Zeeman G. 2009. Pretreatments to enhance
the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource Technol.,
100: 10-18
16. Hwang P.C., Cheng S.S. 1991. Treatment of p-cresol with arecirculating UASB reactor using the concept of kinetic control. Water
Sci.Technol., 24, 5: 133-140
17. Jiménez L., Ramos E., Rodrıguez A., De la Torre M.J., Ferrer
J.L. 2005. Optimization of pulping conditions of abaca. An alternative raw material for producing cellulose pulp. Bioresource Technol., 96: 977-983
18. Leban I. 2008. Zgradba lesa. Osrednja slovenska inštitucija za razvoj poklicnega in strokovnega izobraževanja. http://www.cpi.si/
files/cpi/userfiles/Lesarstvo_tapetnistvo/3-LES_ZGRADBA.pdf (27.
dec. 2011).
19. Lee C.L., Paul J.L., Hackett W.P. 1977. Promotion of rooting in
stem cuttings of several ornamental plants by pretreatment with
acid or base. Hort Sci., 12: 41-42
20. Levine J.S. 1996. Biomass burning and global change. V: Remote sensing and inventory development and biomass burning in
Africa. Levine J.S. (ed.). Cambridge, Massachusetts, USA, The MIT
Press: 35
21. Malherbe S., Cloete T.E. 2002. Lignocellulose biodegradation:
Fundamentals and applications. Environ. Sci. Bio. Tech., 1: 105–114
22. McMillan J.D. 1994. Pretreatment of lignocellulosic biomass. V:
Enzymatic Conversion of Biomass for Fuels Production. Himmel
M.E., Baker J.O., Overend R.P. (eds.). Washington DC, USA, ACS: 292324
23. Mosier N., Wyman C., Dale B., Elander R., Lee Y.Y., Holtzapple M., Ladisch M. 2005. Features of promising technologies
for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technol.,
96: 673-686
24. National Research Council. 1999. Committee on Biobased Industrial Products, Biobased Industrial Products––Priorities for Research and Commercialization, National Academy Press. http://www.
nap.edu/openbook.php?record_id=5295&page=R1 (20. apr. 2010)
25. Owen W.F., Stuckey D.C., Healy J.B., Young L.Y., Mc Carty P.L.
1979. Bioassay for monitoring biochemical methane potential and
anaerobic toxicity. Water Research, 13: 485-492
26. Palmquist E., Hahn-Hägerdal B. 2000. Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. II: Inhibitors and mechanisms of inhibition.
Bioresource Technol., 74: 25-33
27. Pérez J., Muñoz-Dorado J., De-la-Rubia T., Martínez J. 2002.
Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose and lignin: an overview. Int. Microbiol., 5: 53-63
28. Reid I.D. 1989. Solid-state fermentations for biological delignification. Enzyme. Microb. Tech., 11: 786–802
29. Sakakibara A. 1991. Chemistry of lignin. V: Wood and Cellulosic
Chemistry. Nobuo D.N. (eds.). New York, Dekker: 113-175
30. Sarkanen K.V., Ludwig C.H. 1971. Lignins: occurence, formation
structure and reactions. New York , Wiley-Interscience: 916 str.
31. Shink B. 2002. Anaerobic digestion: concepts, limits and perspectives. Water Sci. Technol., 45, 10: 1-8
32. Taherazadeh M., Karimi K. 2008. Pretreatment of Lignocellulosic Wastes to Improve Ethanol and Biogas Production: A Review.
Int. J. Mol. Sci., 9, 9: 1621-1165
33. Terashima N. 2000. Formation and ultrastructure of lignified
plant cell walls. V: New horizons in wood anatomy. Kim Y.S. (ed.).
Gwangju, Chonnam National University Press: 169-180
34. Tuomela in sod. 2000. so poročali o učinkovitosti razgradnje lignina v procesu kompostiranja. Kompleksne organske snovi, kot je
87
NAVODILA AVTORJEM
za pripravo prispevkov
1. Prispevki
Revija Les objavlja izvirne in pregledne znanstvene ter strokovne
prispevke s področja lesarstva, pohištvene industrije in z lesarstvom
povezanih področij (arhitekture, oblikovanja, okolja, gradbeništva,
etnologije …). Vsi objavljeni prispevki so recenzirani. Za vsebino pris­
pevka so odgo­vorni avtorji. O obliki in datumu objave članka odloča
uredništvo.
2. Obseg prispevkov
Prispevki morajo biti pripravljeni v skladu s temi navodili. Znanstveni
članki naj ne presegajo 18.000 znakov s presledki, po dogovoru z
urednikom lahko le pregledni znanstveni članki obsegajo 27.000 znakov s presledki. Priporočena dolžina strokovnih člankov je 9.000 znakov s presledki. Za lektoriranje angleških člankov in prevode povzetkov so odgo­vorni avtorji. Uredništvo revije Les zagotovi lektoriranje
slovenskih tekstov. Tekstov prispevkov, zgoščenk in disket avtorjem
ne vračamo. Na zahtevo avtorja vračamo slikovno gradivo.
3. Jezik
V reviji Les objavljamo znanstvene pri­spevke v slovenskem ali
angleškem jeziku, strokovne pa le v slovenskem jeziku.
4. Povzetek
Za izvirne in pregledne znanstvene članke, morajo avtorji pripraviti
povzetek v angleščini in slovenščini. Pri tujejezičnih avtorjih, bo za
slovenski povzetek poskrbelo uredništvo. Povzetek mora podati
jedrnato informacijo o vsebini prispevka. Okvirno naj zajema 1.000
znakov s presledki.
5. Ključne besede
Ključnih besed je lahko največ 8. Predstaviti morajo področje raziskave, podane v članku. Napisane morajo biti v slovenskem in angleškem
jeziku. Razvrščene naj bodo v abecednem redu slovenskih besed.
6. Naslov članka
Naslov članka naj bo kratek in razumljiv. Pri izvirnih in preglednih
znanstvenih člankih, naj bo zapisan v slovenskem in angleškem jeziku. Za naslovom sledijo ime/imena avtorja/avtorjev (ime in priimek).
7. Naslov avtorja/avtorjev
Pod imeni avtorjev naj bodo zapisane oštevilčene inštitucije od
koder prihajajo avtorji prispevkov. Za vodilnega avtorja navedimo še
naslov, telefonsko, faks številko in elektronski naslov.
8. Preglednice, grafikoni in slike
Preglednice in slike naj bodo jasne; njihovo mesto mora biti nedvoumno označeno, njihovo število naj racionalno ustreza vsebini.
Slike in preglednice morajo podpirati tekst. Vsi naslovi slik oziroma
preglednic morajo biti navedeni v slovenskem in angleškem jeziku.
Za angleške naslove preglednic in slik so odgovorni avtorji. Naslove
preglednic pišemo nad preglednico, naslove slik pa pod slike.
Preglednica 1. Vpliv širine branik na gosto­to smrekovega lesa
Slika 1. Poškodba hišnega kozlička (foto: J. Puhar)
9. Literatura in viri
Pri znanstvenih prispevkih uporabljeno literaturo citiramo med
besedilom, pri strokovnih pa ne. Več avtorjev istega dela citiramo po
naslednjih načelih: delo do dveh avtorjev (Priimek in Priimek, leto)«
npr. (Cankar in Prešeren, 1984)]; delo več kot dveh avtorjev (Priimek
prvega avtorja in sod., leto), na primer (Kovač in sod., 2002). V kolikor ime avtorja kake trditve navedemo v tekstu, je dovolj če poleg
zapišemo le letnico objave. V primeru da eno trditev podkrepimo z
dvema ali več viri, jih razvrstimo po letnici objave in ločimo s podpičji
(Cankar, 1992; Žgajner in sod., 1998). Standarde navajamo le s kra­tico
standarda in letnico izdaje, na primer (SIST EN 113, 1996). Zakonodajo
88
navajamo s kratico, ki nastopa v uradnem listu (BPD 98/8/EC, 1998)
(ZKem, 2006).
Kot vire navajamo le javno dostopno literatura. Citiranje internih
poročil, ekspertiz, neobjavljenih podatkov ni zaželeno. Literaturo uredimo po abecednem redu. Imena avtorjev pišemo odebeljeno:
• Članek: Kovačič J., Prešeren M. (2000) Relevantne lastnosti
hrastovine. Les, 52: 369-373
• Knjiga: Richardson H.W. (1997) Handbook of copper compounds
and applications. M. Dekker, New York, 325
• Poglavje v knjigi: Kai Y. (1991) Chemistry of Extractives. V: Wood and
Cellulosic Chemistry. Hon DNS (Ur.), Shiraishi N (Ur.), Marcel Dekker,
New York, 215-255
• Zakonodaja: Biocidal Products Directive 98/8/EC (1998) Official Journal of the European Communities L 123:1-63
• Standard: EN 113 (1996) Wood preservatives; Determination of the
toxic values against wood destroying basidiomycetes cultured an
agar medium.
• Internetni vir: Pri dokumentih dostopnih le prek interneta,
so elementi navedbe: avtor (če je znan), naslov dokumenta,
leto, organizacija (če je znana), datum zadnje spremembe (če
je znan), URL naslov, datum (dan ko smo dokument prebrali).
Predstavitev Društva inženirjev in tehnikov lesarstva Ljubljana. (2004)
DIT Ljubljana. http://www.ditles.si/index1.htm (3.12.2007)
12. Latinska imena taksonov
Latinska imena rodov, vrst in intraspecifičnih taksonov pišemo v
kurzivi – italic (Picea abies (L.) Karst.)
13. Format in oblika prispevka
Članek naj bo pisan v formatu WinWord (.DOC ali .RTF), na A4 formatu, font Arial, velikost 11. Naslovi poglavij naj bodo odebeljeni.
Prosimo, da tekst pišete enostolpično in ga ne delite na okvire.
Zaradi pozicioniranja naj bodo risbe in fotografije vključene v tekst
ter še dodatno (!) priložene kot slikovne datoteke (glej točko 15).
Prispevke pošljite v elektronski obliki (disketa, CD, DVD) na naslov
uredništva (Karlovška 3, 1000 Ljubjana) ali po e-pošti na naslov revija.
[email protected].
14. Oblikovanje grafikonov
Če se le da, ne uporabljajte MS Excela, ker ne moremo nadzorovati parametrov grafikona (debelina črt, šrafure, velikost grafa itd.);
priporočamo profesionalne programe za risanje grafikonov: Origin,
SIGMA plot … Zaradi pravilnega položaja naj bodo vsi grafični elementi vstavljeni tudi v tekst. Ozadje grafikona mora biti belo!
V kolikor gre za stolpičen diagram s samo eno vrsto stolpcev, naj
bodo le-ti beli s črno obrobo; šrafure v tem primeru niso potrebne!
3D grafikoni niso zaželeni; če je možno, uporabljajte 2D grafikone.
15. Oblikovanje slikovnega gradiva
• Slikovno gradivo lahko digitaliziramo v uredništvu, medtem ko
morajo za digitalizacijo diapozitivov poskrbeti avtorji sami. Slika, narejena z digitalnim fotoaparatom mora imeti ločljivost vsaj 2,1 milijona pikslov (širina naj bo vsaj 8,4 cm - 1 stolpec - pri 300 DPI).
• Slike naj bodo skenirane pri ločljivosti 300 dpi.
• Vse slike morajo biti priložene (!) v originalnem TIFF, JPEG ali ustreznem grafičnem zapisu. Zaradi pravilnega položaja naj bodo vstavljene tudi v tekst.
• Vse fotografije naj bodo podnaslovljene in datirane z letnico.
• Risbe naj bodo izdelane v enem izmed računalniških risarskih programov (Corel DRAW, FreeHand itd.). Upoštevati je potrebno minimalno debelino črte, ki znaša 0,25 točke oziroma 0,15 mm. Slabih fotokopij in risb, narejenih s svinčnikom, ne sprejemamo. Če je mogoče,
se izogibajte risanju v Wordu (zlasti raznih FLOW diagramov s funkcijo Draw), ker se pri različnih fontih oblika sesuje in je ni mogoče
restavrirati niti izpisati. Največkrat nastopijo tudi težave pri izvozu v
PDF datoteko. Za morebitne nasvete se obrnite na uredništvo.
65(2013) št. 1-2
Verjetno že veste, da skladno s 142. členom Zakona
o dohodnini lahko do 0,5 odstotka dohodnine od
svojih prejemkov namenite za financiranje splošnih
koristnih namenov.
Zveza lesarjev Slovenije ima že nekaj let status društva v javnem interesu na področju znanosti, zato
tudi možnost financiranja na ta način. Zato vas vljudno prosimo, da del sredstev dohodnine namenite
delovanju Zveze in nas podprete v našem delovanju in načrtih na področju razvoja in promocije lesne panoge.
Postopek za donacijo je enostaven. Vse, kar vam je
potrebno storiti je, da v obrazec za doniranje dohodnine, ki ga najdete na spletnem naslovu: http://
www.zls-zveza.si/Zveza/Aktivnosti/Files/Obrazec%20za%20dohodnino_Izponjen.pdf, vpišete vaše osebne podatke in ga podpišete. Navodilo
za izpolnjevanje obrazca za doniranje dela dohodnine najdete na: http://www.zls-zveza.si/Zveza/
Aktivnosti/Files/zls_doh_nav.pdf. Obrazec lahko
izpolnete tudi prek sistema e-davki.
Obiščite spletno stran
Zveze lesarjev slovenije:
http://www.zls-zveza.si/
Obiščite spletno stran
DIT lesarSTVA LJUBLJANA:
http://www.DITLES.si/
raziskave in razvoj
Namenite 0,5 % dohodnine
za donacijo Zvezi lesarjev Slovenije
Čar lesa 2013
Izpolnjen obrazec pošljite na vašo enoto Davčne
uprave, lahko pa izpolnjeno zahtevo pošljete na naš
naslov: Zveza lesarjev Slovenije, Karlovška cesta 3,
1000 Ljubljana. Zadnji rok za oddajo vašega pisma s
podatki in zahtevo je 31. december 2013.
Vnaprej se vam najlepše zahvaljujemo za izkazano
podporo.
arhiv revije Les od leta
1997 do 2012 je v
elektronski obliki dostopen
na spletni strani
http://www.dlib.si/
65(2013) št. 1-2
Letos si že peto leto zapored lahko ogledate prireditev Čar lesa. V Cankarjevem domu je na ogled od
13. do 19. maja, v Mestni hiši v Ljubljani pa od 20. do
30. maja.
Namen prireditve je promovirati rabo lesa za izdelke
in objekte. Tokrat so prireditelji pripravili razstavo od
drevesa do končnega izdelka. Vzporedno z razstavo
je organizirano vodenje po razstavi ter delavnice za
predšolske in šolske otroke.
Več informacij o prireditvi najdete na spletni strani
http://www.carlesa.si/
89