Общие принципы
Дендрохронология — это научная дисциплина, которая занимается датировкой годичных колец деревьев и связанных с ними событиями, изучением влияния экологических факторов на величину прироста древесины, анатомическую структуру годичных слоев и их химический состав, анализом содержащейся в годичных слоях информации для целей реконструкции условий окружающей среды.
Основные принципы дендрохронологии заимствованы из общей экологии. Они не раз приводились в различных изданиях.
Закон лимитирующих факторов. Биологические процессы, в частности рост древесных растений, не могут протекать быстрее, чем это позволяется внешним (влага, температура, свет, двуокись углерода, кислород, минеральные вещества) или внутренним (ферменты и др.) фактором, находящимся в минимуме. В случае если данный фактор в силу каких-либо причин переходит в разряд оптимальных, скорость роста будет увеличиваться до тех пор, пока другой фактор (или факторы) не станет лимитирующим. Таким образом, для дендрохронологического анализа наиболее пригодны те деревья, на прирост которых оказывает влияние тот или иной лимитирующий фактор, в предельном случае — только один.
Принцип отбора районов и место обитаний. Является составной частью закона лимитирующих факторов и требует, чтобы при проведении дендрохронологических исследований образцы древесины брались у деревьев, которые произрастают в неблагоприятных и экстремальных климатических и почвенно-грунтовых условиях, где наиболее полно проявляется действие лимитирующих факторов.
Принцип чувствительности. В благоприятных для роста деревьев районах формируются широкие годичные кольца, а величина прироста между соседними годами колеблется в незначительных пределах, т. е. прирост деревьев не отражает изменчивость условий в окружающей среде. В неблагоприятных для произрастания деревьев условиях кольца прироста узкие, их ширина значительно колеблется от года к году, часто наблюдается выпадение колец. Такие серии называют чувствительными. Чем сильнее погодичная изменчивость величины прироста деревьев, тем более надежным индикатором изменений условий среды она является. Для оценки этого параметра в дендрохронологии используется коэффициент чувствительности (ms).
Принцип перекрестного датирования. Является важнейшим в дендрохронологии и основывается на том, что древесные растения, произрастающие в пределах однородного в климатическом отношении района, величиной прироста сходно реагируют на изменения лимитирующих климатических факторов, в связи с чем у таких деревьев наблюдается синхронная изменчивость ширины годичных колец. Это позволяет производить абсолютную и относительную датировку каждого кольца с точностью до года у сравниваемых индивидуальных древесно-кольцевых хронологий, а также продлевать хронологии далеко в глубь веков.
Принцип повторности. Использование информации не с одного, а с ряда модельных деревьев является непременным условием точной датировки колец, построения надежных древесно-кольцевых хронологий и производства более точной реконструкции условий среды. Для оценки насколько выборка отражает сигнал генеральной совокупности в дендрохронологии используется EPS (expressed population signal).
Принцип униформизма (актуализма). Физические и биологические процессы, вызывающие изменения в росте дерева под воздействием факторов окружающей среды в настоящее время, вызывали подобные изменения в прошлом. Это позволяет широко использовать древесно-кольцевые хронологии для реконструкции прошлых условий окружающей среды [Шиятов и др., 2010].
Датирование годичных колец
Первостепенная задача в дендрохронологии. Осуществляется с помощью метода перекрестной датировки (cross-dating method), основанного на использовании неповторимого во времени рисунка годичных колец древесины. Метод был впервые использован Д. Кюхлером, а окончательно разработан и широко внедрен в практику дендрохронологических работ А. Дугласом в 1911 г. [Douglass, 1919]. В этом случае, перекрестная датировка — это сравнение рисунков колец у различных деревьев и выбор точного места, где найдено соответствие в характере изменчивости показателей радиального прироста между рассматриваемыми образцами. Данный подход позволяет выявлять нарушения синхронности в пределах отдельных временных интервалов и тем самым определять точное положение ложных и выпавших колец. Метод перекрестного датирования позволяет получать относительные и абсолютные даты формирования слоев годового прироста. Относительная датировка заключается в определении положения серий прироста измеренных образцов относительно друг друга, при этом календарное время формирования годичного кольца ни у одной серии не известно. Это позволяет, например, выяснить, на сколько лет позднее или раньше было срублено (или погибло) то или иное дерево по сравнению с другим. Как правило, в этом случае результатом работы является построение «плавающей» хронологии.
Абсолютная (календарная) датировка включает в себя точное определение календарной даты всех годичных колец у исследуемых образцов. Она может быть проведена только в случае, если известна календарная дата хотя бы одного образца, кольцевая хронология которого перекрестно датируется с другими кольцевыми хронологиями. Применение метода перекрестной датировки позволяет не только датировать кольца деревьев, но продлевать их далеко в глубь веков, использовать древесину давно усохших или срубленных деревьев, сохранившуюся на поверхности, и древесину, погребенную в природных отложениях и в культурных слоях археологических памятников. Как правило, археологические хронологии изначально являются «плавающими». Для придания им календарного характера в литературе предлагается целый арсенал различных методов, включающих нумизматические и другие узко датированные находки, документальные сообщения о строительстве, летописные данные о пожарах, своеобразные характеристики колец в отдельные отрезки времени, радиоуглеродный анализ и пр. Известно, что для абсолютной привязки новгородской шкалы использовали летописные данные о годах постройки конкретных церквей, из которых имелись образцы древесины [Колчин Б.А., Черных Н. Б., 1977. С. 34−36]. Очевидно, что наиболее надежным является перекрестное датирования относительной хронологии, полученной по археологической или ископаемой древесине с календарно привязанной хронологией по району исследования. В результате достигается продление длительных абсолютных хронологий, которые в свою очередь служат в дальнейшем надежным инструментом датирования событий природной и общественной истории [Шиятов и др., 2000].
В настоящее время для выполнения относительных и абсолютных датировок используют специальные пакеты программного обеспечения. Программа TSAP, CDendro позволяет выполнять процедуру датировки и графический контроль датировки, с целью выявления ложных и выпавших колец [Rinn, 1999; Larsson, 2022]. Бесплатный пакет DPL [Библиотека дендрохронологического программного обеспечения, Holmes, 1983], входящая в этот пакет программа COFECHA являются надежным способом контроля качества проведенных датировок.
Широкое использование годичных колец для решения научных и практических задач связано с тем, что метод имеет ряд преимуществ, которые заключаются в следующем:
— высокая разрешающая способность древесно-кольцевых хронологий (до года и сезона) благодаря наличию хорошо различимых регистрирующих структур (годичных колец);
— возможность абсолютной и относительной датировки годичных колец как у живых, так и давно отмерших деревьев;
— возможность получения как прямой (величина прироста, структура и состав древесины), так и косвенной информации (реконструированные параметры условий внешней среды);
— возможность получения длительных и непрерывных хронологий (сотни и тысячи лет);
— наличие в приросте древесно-кольцевых хронологий сильного сигнала, объясняемого изменчивостью внешней среды;
— возможность выявления колебаний различной длительности (погодичные, внутривековые, вековые) в изменчивости различных характеристик прироста деревьев и факторов внешней среды;
— возможность получения информации для огромных территорий суши;
— возможность получения массовых материалов и широкого использования математико-статистических методов для оценки и анализа древесно-кольцевых хронологий.
К недостаткам метода относятся:
— не всегда возможно выявить колебания и тренд в хронологиях, длительность которых превышает возраст использованных деревьев;
— невозможность надежной датировки годичных колец и реконструкции параметров внешней среды в случае получения информации с одного или небольшого числа деревьев;
— различия в реакции прироста дерева на разных этапах онтогенеза на одни и те же факторы внешней среды и в случае резкого и быстрого изменения климатических и почвенно-грунтовых условий [Шиятов и др., 2010].
Таким образом, древесно-кольцевая хронология представляет собой дискретный временной ряд длительностью от нескольких лет до многих тысячелетий, характеризующий тот или другой показатель годичного прироста, физико-механические свойства, анатомическую структуру и химический состав древесины. Хронологии также могут быть подразделены на локальные, региональные и глобальные, которые характеризуют прирост деревьев и условия внешней среды на территориях различного масштаба.
Основные принципы дендрохронологии заимствованы из общей экологии. Они не раз приводились в различных изданиях.
Закон лимитирующих факторов. Биологические процессы, в частности рост древесных растений, не могут протекать быстрее, чем это позволяется внешним (влага, температура, свет, двуокись углерода, кислород, минеральные вещества) или внутренним (ферменты и др.) фактором, находящимся в минимуме. В случае если данный фактор в силу каких-либо причин переходит в разряд оптимальных, скорость роста будет увеличиваться до тех пор, пока другой фактор (или факторы) не станет лимитирующим. Таким образом, для дендрохронологического анализа наиболее пригодны те деревья, на прирост которых оказывает влияние тот или иной лимитирующий фактор, в предельном случае — только один.
Принцип отбора районов и место обитаний. Является составной частью закона лимитирующих факторов и требует, чтобы при проведении дендрохронологических исследований образцы древесины брались у деревьев, которые произрастают в неблагоприятных и экстремальных климатических и почвенно-грунтовых условиях, где наиболее полно проявляется действие лимитирующих факторов.
Принцип чувствительности. В благоприятных для роста деревьев районах формируются широкие годичные кольца, а величина прироста между соседними годами колеблется в незначительных пределах, т. е. прирост деревьев не отражает изменчивость условий в окружающей среде. В неблагоприятных для произрастания деревьев условиях кольца прироста узкие, их ширина значительно колеблется от года к году, часто наблюдается выпадение колец. Такие серии называют чувствительными. Чем сильнее погодичная изменчивость величины прироста деревьев, тем более надежным индикатором изменений условий среды она является. Для оценки этого параметра в дендрохронологии используется коэффициент чувствительности (ms).
Принцип перекрестного датирования. Является важнейшим в дендрохронологии и основывается на том, что древесные растения, произрастающие в пределах однородного в климатическом отношении района, величиной прироста сходно реагируют на изменения лимитирующих климатических факторов, в связи с чем у таких деревьев наблюдается синхронная изменчивость ширины годичных колец. Это позволяет производить абсолютную и относительную датировку каждого кольца с точностью до года у сравниваемых индивидуальных древесно-кольцевых хронологий, а также продлевать хронологии далеко в глубь веков.
Принцип повторности. Использование информации не с одного, а с ряда модельных деревьев является непременным условием точной датировки колец, построения надежных древесно-кольцевых хронологий и производства более точной реконструкции условий среды. Для оценки насколько выборка отражает сигнал генеральной совокупности в дендрохронологии используется EPS (expressed population signal).
Принцип униформизма (актуализма). Физические и биологические процессы, вызывающие изменения в росте дерева под воздействием факторов окружающей среды в настоящее время, вызывали подобные изменения в прошлом. Это позволяет широко использовать древесно-кольцевые хронологии для реконструкции прошлых условий окружающей среды [Шиятов и др., 2010].
Датирование годичных колец
Первостепенная задача в дендрохронологии. Осуществляется с помощью метода перекрестной датировки (cross-dating method), основанного на использовании неповторимого во времени рисунка годичных колец древесины. Метод был впервые использован Д. Кюхлером, а окончательно разработан и широко внедрен в практику дендрохронологических работ А. Дугласом в 1911 г. [Douglass, 1919]. В этом случае, перекрестная датировка — это сравнение рисунков колец у различных деревьев и выбор точного места, где найдено соответствие в характере изменчивости показателей радиального прироста между рассматриваемыми образцами. Данный подход позволяет выявлять нарушения синхронности в пределах отдельных временных интервалов и тем самым определять точное положение ложных и выпавших колец. Метод перекрестного датирования позволяет получать относительные и абсолютные даты формирования слоев годового прироста. Относительная датировка заключается в определении положения серий прироста измеренных образцов относительно друг друга, при этом календарное время формирования годичного кольца ни у одной серии не известно. Это позволяет, например, выяснить, на сколько лет позднее или раньше было срублено (или погибло) то или иное дерево по сравнению с другим. Как правило, в этом случае результатом работы является построение «плавающей» хронологии.
Абсолютная (календарная) датировка включает в себя точное определение календарной даты всех годичных колец у исследуемых образцов. Она может быть проведена только в случае, если известна календарная дата хотя бы одного образца, кольцевая хронология которого перекрестно датируется с другими кольцевыми хронологиями. Применение метода перекрестной датировки позволяет не только датировать кольца деревьев, но продлевать их далеко в глубь веков, использовать древесину давно усохших или срубленных деревьев, сохранившуюся на поверхности, и древесину, погребенную в природных отложениях и в культурных слоях археологических памятников. Как правило, археологические хронологии изначально являются «плавающими». Для придания им календарного характера в литературе предлагается целый арсенал различных методов, включающих нумизматические и другие узко датированные находки, документальные сообщения о строительстве, летописные данные о пожарах, своеобразные характеристики колец в отдельные отрезки времени, радиоуглеродный анализ и пр. Известно, что для абсолютной привязки новгородской шкалы использовали летописные данные о годах постройки конкретных церквей, из которых имелись образцы древесины [Колчин Б.А., Черных Н. Б., 1977. С. 34−36]. Очевидно, что наиболее надежным является перекрестное датирования относительной хронологии, полученной по археологической или ископаемой древесине с календарно привязанной хронологией по району исследования. В результате достигается продление длительных абсолютных хронологий, которые в свою очередь служат в дальнейшем надежным инструментом датирования событий природной и общественной истории [Шиятов и др., 2000].
В настоящее время для выполнения относительных и абсолютных датировок используют специальные пакеты программного обеспечения. Программа TSAP, CDendro позволяет выполнять процедуру датировки и графический контроль датировки, с целью выявления ложных и выпавших колец [Rinn, 1999; Larsson, 2022]. Бесплатный пакет DPL [Библиотека дендрохронологического программного обеспечения, Holmes, 1983], входящая в этот пакет программа COFECHA являются надежным способом контроля качества проведенных датировок.
Широкое использование годичных колец для решения научных и практических задач связано с тем, что метод имеет ряд преимуществ, которые заключаются в следующем:
— высокая разрешающая способность древесно-кольцевых хронологий (до года и сезона) благодаря наличию хорошо различимых регистрирующих структур (годичных колец);
— возможность абсолютной и относительной датировки годичных колец как у живых, так и давно отмерших деревьев;
— возможность получения как прямой (величина прироста, структура и состав древесины), так и косвенной информации (реконструированные параметры условий внешней среды);
— возможность получения длительных и непрерывных хронологий (сотни и тысячи лет);
— наличие в приросте древесно-кольцевых хронологий сильного сигнала, объясняемого изменчивостью внешней среды;
— возможность выявления колебаний различной длительности (погодичные, внутривековые, вековые) в изменчивости различных характеристик прироста деревьев и факторов внешней среды;
— возможность получения информации для огромных территорий суши;
— возможность получения массовых материалов и широкого использования математико-статистических методов для оценки и анализа древесно-кольцевых хронологий.
К недостаткам метода относятся:
— не всегда возможно выявить колебания и тренд в хронологиях, длительность которых превышает возраст использованных деревьев;
— невозможность надежной датировки годичных колец и реконструкции параметров внешней среды в случае получения информации с одного или небольшого числа деревьев;
— различия в реакции прироста дерева на разных этапах онтогенеза на одни и те же факторы внешней среды и в случае резкого и быстрого изменения климатических и почвенно-грунтовых условий [Шиятов и др., 2010].
Таким образом, древесно-кольцевая хронология представляет собой дискретный временной ряд длительностью от нескольких лет до многих тысячелетий, характеризующий тот или другой показатель годичного прироста, физико-механические свойства, анатомическую структуру и химический состав древесины. Хронологии также могут быть подразделены на локальные, региональные и глобальные, которые характеризуют прирост деревьев и условия внешней среды на территориях различного масштаба.
Отбор материала
Полевые работы нашей лаборатории проводится ежегодно по двум основным направлениям. Первое — экологическое, связанное с исследованием природных условий произрастания древесной растительности и количественной оценкой событий прошлого. Второе — историческое, ориентированное на определение возраста сооружения памятников археологии и архитектуры.
Экологическое направление. Связано с проведением отбора образцов с произрастающих деревьев и остатков древесины, сохранившихся на дневной поверхности (полупогребенной) в условиях труднодоступной местности. Объектом наших исследований как правило выступает сосна обыкновенная, лиственница сибирская и сосна сибирская. В зависимости от территории расположения участка и целей исследования, процесс планирования работ и подход к отбору образцов может разниться. Однако, в общем работа выполняется по единому алгоритму.
I. Предварительный анализ района исследования с привлечением космоснимков/карт и др. доступной информации. По результатам выполнения которого отмечаются наиболее перспективные участки древесной растительности. Далее, исходя из общего расположения намеченных участков составляется оптимальный экспедиционный маршрут.
II. Натурное обследование перспективных участков. Многолетний опыт полевых исследований Сибирской дендрохронологической лаборатории показал, что можно выделить отдельные природные зоны, в условиях которых проведение работ по отбору образцов имеет свою специфику.
Экологическое направление. Связано с проведением отбора образцов с произрастающих деревьев и остатков древесины, сохранившихся на дневной поверхности (полупогребенной) в условиях труднодоступной местности. Объектом наших исследований как правило выступает сосна обыкновенная, лиственница сибирская и сосна сибирская. В зависимости от территории расположения участка и целей исследования, процесс планирования работ и подход к отбору образцов может разниться. Однако, в общем работа выполняется по единому алгоритму.
I. Предварительный анализ района исследования с привлечением космоснимков/карт и др. доступной информации. По результатам выполнения которого отмечаются наиболее перспективные участки древесной растительности. Далее, исходя из общего расположения намеченных участков составляется оптимальный экспедиционный маршрут.
II. Натурное обследование перспективных участков. Многолетний опыт полевых исследований Сибирской дендрохронологической лаборатории показал, что можно выделить отдельные природные зоны, в условиях которых проведение работ по отбору образцов имеет свою специфику.
Верхняя граница леса
В условиях сурового горного климата (лимитирующий фактор — температура) основным объектом для отбора древесных образцов выступает лиственница сибирская, в отдельных случаях — сосна сибирская. При отборе образцов в этой зоне мы отдаем предпочтение каменистым, выположенным (с небольшим перепадом высот) участкам с хорошим увлажнением. Желательно, чтоб деревья произрастали на участке с низкой задернованностью (продуктивностью), что снижает вероятность распространения пожаров и оказывает благотворное влияние на сохранность отмерших стволов деревьев. При выполнении работ на верхней границе произрастания древесной растительности необходимо учитывать тот факт, что в условиях горной местности время доступности (открытости перевалов) и комфортного проведения экспедиционных работ ограничено периодом с конца июня по начало августа.
Лесостепь
В этой зоне мы как правило работаем с двумя древесными породами — сосна обыкновенная и лиственница сибирская. В условиях степной/лесостепной зоны основным лимитирующим фактором для произрастания деревьев выступает дефицит осадков. По этой причине при поиске участков для отбора образцов предпочтение отдается деревьям, произрастающим на хорошо дренированных почвах (со значительным поверхностным стоком), где деревьям на протяжении всего вегетационного периода испытывают дефицит влаги (например, на склонах южной экспозиции). Как правило, мы избегаем древесных насаждений, произрастающих в непосредственной близости от водоемов на заболоченных берегам рек и озер. Идеальной является ситуация, когда в степной зоне удается найти места с выходом скальных горных пород, на которых деревья произрастают куртинами или понижения в рельефе, где деревья формируют ленты. Желательно, чтоб деревья произрастали на участке с низкой задернованностью (продуктивностью), что снижает вероятность распространения пожаров и оказывает благотворное влияние на сохранность отмерших стволов деревьев. Эталонной является ситуация, когда участки отбора образцов испытывают минимальное антропогенное воздействие (т.е. они расположены на максимальном удалении от населенных пунктов, в местах малопригодных для ведения хозяйственной деятельности). В условиях данной зоны на эффективность проведения экспедиционных работ оказывают влияние затяжные проливные дожди, приводящие к наводнениям и размытию полотна грунтовых дорог.
Таежная (подтаежная) зона
Выбор участка отбора образцов зависит от древесной породы (сосна обыкновенная, сосна сибирская или лиственница сибирская). В условиях таежной (подтаежной) зоны деревья испытывают воздействие смешанного лимитирующего фактора. По этой причине немаловажным обстоятельством, определяющим выбор участка отбора образцов (т.е. условий произрастания деревьев) является постановка целей исследований.
Для сосны обыкновенной наиболее типичными для отбора являются участки леса на склонах и возвышенностях. Грунт в таких местах обычно песчаный, реже — это выходы гранитов, покрытых моховым и лишайниковым покровом. Преимущество отдается изреженным либо средней густоты древостоям, где сохранились перестойные сосны.
Лиственница в основной массе отбирается в смешанных лесах на слегка увлажненных суглинистых или супесчаных почвах, поросших кустарниками. Великовозрастные лиственницы обычно располагаются одиноко стоящими деревьями, которые заметно выбиваются размерами ствола и кроны из общего полога леса. Для закладки предпочтение отдается участкам с минимальным действием антропогенного фактора. Как и в лесостепной зоне доступность для проведения экспедиционных работ сильно зависит от погодных условий, делающих, при определенных условиях, лесные дороги совершенно непроходимыми.
Для сосны обыкновенной наиболее типичными для отбора являются участки леса на склонах и возвышенностях. Грунт в таких местах обычно песчаный, реже — это выходы гранитов, покрытых моховым и лишайниковым покровом. Преимущество отдается изреженным либо средней густоты древостоям, где сохранились перестойные сосны.
Лиственница в основной массе отбирается в смешанных лесах на слегка увлажненных суглинистых или супесчаных почвах, поросших кустарниками. Великовозрастные лиственницы обычно располагаются одиноко стоящими деревьями, которые заметно выбиваются размерами ствола и кроны из общего полога леса. Для закладки предпочтение отдается участкам с минимальным действием антропогенного фактора. Как и в лесостепной зоне доступность для проведения экспедиционных работ сильно зависит от погодных условий, делающих, при определенных условиях, лесные дороги совершенно непроходимыми.
Отбор кернов с произрастающих деревьев
Перед началом работ по отбору образцов проводится описание участка. Полученная информация: название участка, GPS координаты, экспозиция, характеристики древостоя и т. д., — заносится в рабочую ведомость. Количество кернов, отбираемых с деревьев, зависит от стоящих научно-исследовательских задач и зоны в которой произрастают деревья. В лесостепной зоне мы, как правило, отбираем как минимум 25 кернов (т.е. 1 керн — 1 дерево), на верхней границе произрастания древесной растительности — 15. Отбор кернов осуществляется у корневой шейки или на высоте 1,3 м. Высота отбора кернов определяется условиями произрастания дерева, т.к. в экстремальных местообитаниях разница в количестве годичных колец на уровне корневой шейки и на высоте 1,3 м может быть весьма существенной. При наличии трещин и дефектов ствола (проявляется в виде фрагментация керна на кусочки), препятствующих отбору качественного керна буром диаметром 5 мм, мы применяем бур диаметром 12 мм, который в значительной мере позволяет обойти это ограничение. Сверление кернов производится в направлении перпендикулярном продольной оси ствола дерева, при этом важно, чтобы бур не отклонялся от перпендикулярного направления и проходил через сердцевинное кольцо или вблизи от него. К отбору кернов необходимо подходить особо тщательно, так как направление радиального бурения образцов в последующем определяет направление измерения характеристик прироста и качество хронологии (отклонение возможно лишь в пределах ширины зачищенной поверхности керна, но не более 4−5 мм). Керны обычно отбираются с деревьев разных возрастных групп, это облегчает поиск выпавших и «ложных» колец при выполнении процедуры перекрестной датировки. В случае отбора кернов, содержащих эксцентричные годичные кольца/сучки, они отбраковываются сразу при визуальном осмотре керна, а отбор керна производится заново. Если при осмотре керна на нем не видны годичные кольца, то, вероятно, бур нуждается в заточке. При сверлении старых деревьев у которых ствол содержит гниль, керны отбираются с разных сторон ствола на различной высоте, чтобы получить образец удовлетворительного качества.
В конечном итоге для каждого дерева с которого отобран керн, в учетной ведомости указывается: порядковый номер, диаметр и высота ствола дерева, его GPS координаты и фотографии. Вся информация заносится в учетную ведомость.
Керны упаковываются в специально подготовленные бумажные контейнеры (свернутый в трубочку и проклеенный лист бумаги формата А4). В таких контейнерах удобно транспортировать, сушить и хранить образцы до момента камеральной обработки (в пластиковых контейнерах они могут заплесневеть). На одном из контейнеров фиксируется следующая информация об участке сбора: код участка и керна, породный состав и дата взятия. Важно, чтоб внутренний диаметр контейнеров превышал диаметр древесных кернов, это необходимо для предотвращения перемешивания фрагментов керна, внутри контейнера.
Отбор образцов с произрастающих деревьев, в нашей лаборатории выполняется лесотаксационными бурами разной длины и диаметра (длиной от 300 до 1000 мм и диаметром от 5 до 12 мм). Их применение позволяет эффективно отобрать необходимое количество материала за небольшой временной интервал с минимальным ущербом для деревьев.
В конечном итоге для каждого дерева с которого отобран керн, в учетной ведомости указывается: порядковый номер, диаметр и высота ствола дерева, его GPS координаты и фотографии. Вся информация заносится в учетную ведомость.
Керны упаковываются в специально подготовленные бумажные контейнеры (свернутый в трубочку и проклеенный лист бумаги формата А4). В таких контейнерах удобно транспортировать, сушить и хранить образцы до момента камеральной обработки (в пластиковых контейнерах они могут заплесневеть). На одном из контейнеров фиксируется следующая информация об участке сбора: код участка и керна, породный состав и дата взятия. Важно, чтоб внутренний диаметр контейнеров превышал диаметр древесных кернов, это необходимо для предотвращения перемешивания фрагментов керна, внутри контейнера.
Отбор образцов с произрастающих деревьев, в нашей лаборатории выполняется лесотаксационными бурами разной длины и диаметра (длиной от 300 до 1000 мм и диаметром от 5 до 12 мм). Их применение позволяет эффективно отобрать необходимое количество материала за небольшой временной интервал с минимальным ущербом для деревьев.
Иллюстрация процесса отбор кернов
Процедура взятия образцов возможна, как вручную, так и с помощью аккумуляторного шуруповерта, оснащенного специальной насадкой и понижающим редуктором для контроля скорости и усилия вращения.
Отбор керна ручным буром
Отбор керна при помощи дрели
Отбора образцов с остатков деревьев, сохранившихся на дневной поверхности/полупогребенной
Отмершая древесина — очень важный источник дендрохронологической информации, позволяющий существенно продлить древесно-кольцевые хронологии в прошлое (в нашем случае, удалось получилось непрерывную хронологию длительностью 3,5 тысячи лет). В ходе экспедиционных работ мы отбираем образцы с остатков древесины сохранившейся на дневной поверхности или частично/полностью погребенной в грунте. При поиске фрагментов древесины, предпочтение отдается каменистым участкам, которые перемежаются курумниками, скальними выходами и дресвой, т. е. места где отсутствует растительный покров. Как правило в пределах участка, мы делаем сплошную выборку со всех найденных фрагментов древесины. В случаях, когда работы на месте проводятся впервые и образцов много, то для оценки потенциала спилы берутся случайным образом (на разной высоте над ур.м.) но не более 70 шт. Как показывает опыт такая стратегия обеспечивает построение тысячелетней древесно-кольцевой хронологии (с качественным перекрытием между сериями индивидуальными прироста), что позволяет оценить необходимость проведения дальнейших работ. При сборе образцов отмершей древесины предпочтение отдается не только большим и хорошо сохранившимся останкам (например, стволы деревьев), но и отдельным небольшим фрагментам. Особое внимание уделяется соответствию образцов ряду внешних признаков, которые указывают на значительный возраст древесных остатков, таких как: наличие на поверхности образца многочисленных следов разрушений от процесса выветривания, насыщенный и близкий к темно-красному/шоколадному цвет древесины и др.
Для взятия образцов с отмершей древесины нами применяются цепные бензопилы и электрические сабельные пилы. Образцы представляют собой поперечные спилы (толщина зависит от сохранности древесины). Каждому найденному фрагменту древесины присваивается номер, производится фотофиксация, снимаются GPS координаты. Все данные вносятся в учетную ведомость. Древесный спил маркируется и упаковывается в стрейч-плёнку. В случае плохой сохранности (высокой фрагментации по трещинам и гнилям), перед упаковкой отдельные части такого образца тщательно маркируются, из них восстанавливается первоначальный вид спила для фотографии и только потом упаковываются.
Для взятия образцов с отмершей древесины нами применяются цепные бензопилы и электрические сабельные пилы. Образцы представляют собой поперечные спилы (толщина зависит от сохранности древесины). Каждому найденному фрагменту древесины присваивается номер, производится фотофиксация, снимаются GPS координаты. Все данные вносятся в учетную ведомость. Древесный спил маркируется и упаковывается в стрейч-плёнку. В случае плохой сохранности (высокой фрагментации по трещинам и гнилям), перед упаковкой отдельные части такого образца тщательно маркируются, из них восстанавливается первоначальный вид спила для фотографии и только потом упаковываются.
Отбор образца со ствола отмершего дерева
Древесные угли
Древесный уголь часто встречается в почвах, озерных и болотных отложениях четвертичного возраста, а также широко представлен в исторических и археологических памятниках. Тем не менее, до сих пор древесные угли считались не перспективными в дендрохронологическом плане материалом, пригодными только для определения видового состава и выполнения радиоуглеродного датирования. Однако развитие цифровых технологий и появление новых методических подходов сделало древесные угли крайне перспективным источником информации в дендрохронологии, особенно для участков с суровыми климатическими условиями (вследствие чего, даже небольшие угли содержат значительное число годичных колец). При отборе древесных углей в полевых условиях, основное внимание стоит уделить тщательной атрибуции и бережной упаковке, что позволит с минимальными потерями транспортировать их в лабораторию.
Древесина с архитектурных/археологических построек
При работе с архитектурными и археологическими памятниками мы преследуем две цели. Во первых, это установление времени заготовки древесины год/сезон, что необходимо для определения времени сооружения постройки. Во вторых, привлечение древесины с архитектурных и археологических памятников в степной/лесостепной зоне позволяет существенно продлить региональные древесно-кольцевые хронологии, тем самым получить принципиально новые (ранее не доступные) количественные данные о прошлом.
При отборе образцов с архитектурных и археологических памятников обязательным условием является их детальная атрибуция и фиксация. Как правило материал мы получаем в виде поперечных спилов, которые отбираются с деревянных элементов археологических сооружений и бревен, оставшихся после выполнения реставрационных работ на архитектурном памятнике. Толщина образцов зависит от степени сохранности древесины и изменяется в диапазоне от 20 до 80 мм (большая толщина затрудняет процедуру транспортировки, камеральной обработки и измерения годичных колец). При взятии поперечных спилов с растрескавшихся и подгнивших деревянных элементов, нужно аккуратно, не задевая древесину, удалить грунт примерно на 20 см по длине деревянной детали, затем, на участок выпиливания аккуратно обматывается клейкой лентой и с усилием стягивается. В ситуации, когда памятник археологии уже раскопан, но необходимо сохранить целостность открытых деревянных конструкций (in situ), с помощью цепной пилы можно выпилить клиновидные сектора. Как правило для предотвращения последующей деградации древесины образцов — производится упаковка их в пищевую пленку, затем образцы нумеруются с указанием объекта, стороны света, элемента деревянной конструкции, венца и т. п. Очень важно данную информацию дублировать на самом образце (вкладывать внутрь пластиковую карточку) и в ведомости, т.к. не атрибутированный образец с точки зрения датировки памятника — бесполезен. Следует отметить, что лучше исключить использование клеевых пропиток, так как дальнейшая камеральная обработка образца может быть затруднена или невозможна.
В настоящее время при работе с памятниками архитектуры окружного (федерального) значения отбор поперечных и клиновидных спилов невозможен, поскольку: а) затруднительно получить официальное согласие органов надзора или собственников домов, т.к. отбор образцов связан с нанесением ущерба эстетическому виду, теплоизоляционным свойствам постройки; б) ограничено количество мест для взятия образцов, во многих случаях это возможно осуществить только с нижних венцов здания, с торцов, на строго ограниченном участке; в) невозможно отобрать образцы с построек с углами в «лапу». По этой причине для отбора образцов мы используем буры для взятия кернов.
Как правило для взятия образцов мы используем несколько видов буров. Условно их можно разделить на два типа — для влажной и сухой древесины. При отборе материала с сохранившихся в мерзлоте деревянных элементов археологических построек (как правило это древесина влажностью более 70%) лучше воспользоваться буром Пресслера. Детально специфика отбора материала с таких построек изложена в работе Мыглан В. С., Жарников З. Ю., Визгалов Г. П., 2011. В случае, если при отборе образцов археологической древесины, деревянные элементы не нужно сохранять «in situ» для последующей консервации мы используем цепные пилы.
Использование лесотаксационного бура не всегда эффективно при отборе образцов с архитектурных построек. При хорошей сохранности древесины этот бур чрезвычайно сложно ввернуть на первоначальном этапе бурения, из-за чего часто происходило разрушения (смятия) периферийных (подкоровых) колец (Мыглан В.С., Слюсаренко И. Ю., Майничева А. Ю., 2009, Андреев и др., 2022, С. 284). Для получения качественного профессионального результата, в этом случае лучше использовать специальные буры для отбора образцов из сухой древесины. В своей практике мы использовали разные буры (первый производитель
— http://www.rinntech.de/content/view/32/53/lang, english/index.html, второй производитель — borers schneidwerkzeugmechanik. de). В настоящее время при работе мы используем буры второго производителя.
Важно отметить, что применение буров не наносит ущерб внешнему виду конструкции. Появляется возможность взять оптимальное количество образцов с любой необходимой части здания, т. е. выборочно отобрать образец из любого намеченного участка бревна, где сохранилось подкоровое кольцо или содержащего максимально возможное количество колец. Именно применение буров для сухой древесины позволило нам отобрать и получить обобщенные древесно-кольцевые хронологии хорошего качества по Казымскому, Братскому, Илимскому острогам и пр. архитектурным постройкам (Мыглан В.С., Слюсаренко И. Ю., Майничева А. Ю., 2010; Мыглан В. С. и др., 2010а, 2010б, 2010в). К безусловным достоинствам такого способа отбора образцов необходимо отнести высокую эффективность работы, т. е. за короткий промежуток времени можно отобрать значительное количество образцов. Кроме того, как показал опыт работы в п. Березово использование таких буров позволяет эффективно датировать кирпичные (каменные) строения, путем установления времени заготовки древесины для сооружения деревянных элементов и потолочных перекрытий (Мыглан В.С., Ведмидь Г. П., Майничева А. Ю., 2010).
Важным моментом, на котором стоит заострить внимание, является вопрос — сколько надо отобрать образцов для надежной датировки памятника? Как показала практика, если возможно, то необходимо отобрать максимально их количество (идеально — по одному с каждого элемента постройки). Это позволит в дальнейшем не только надежно установить время рубки деревьев для сооружения постройки, но и выявить следы более поздних перестроек отдельных элементов сооружения. Минимальное количество образцов зависит от особенностей (климатических, природных и степени антропогенной нагрузки) региона исследования и объектов изучения, но желательно отбирать не менее 20 образцов с одного объекта исследования.
Особое внимание необходимо уделить вопросам маркировки и упаковки образцов древесины. В дальнейшем это позволит избежать ошибок атрибуции при камеральной обработке и измерении образцов. Так например, керны взятые буром для сухой древесины из элемента постройки подвержены фрагментации (разломе керна на мелкие части). В случае если количество разломов невелико и каждую часть образца можно подписать, то такой керн нумеруется следующим образом оба края первого разлома нумеруют 0, второго 1, третьего 2 и т. д. (схематично это можно представить так --0/0---1/1----2/2 — и. т. д.). Такой способ маркировки обеспечивает надежную идентификацию частей керна. В случае если керн развалился на 6 и более частей, то образец выбрасывается и берется повторный. Для упаковки образцов используются бумажные контейнеры диаметром на 1−1,5 мм больше чем диаметр керна.
В отдельную частную задачу можно выделить построение древесно-кольцевых хронологий для датировки архитектурных и археологических памятников. Это связано с тем, что для значительного количества районов исследования такая задача нами (Сибирская дендрохронологическая лаборатория) решена — создана открытая для свободного доступа сеть опорных дендрохронологических станция для степной и лесостепной зон Сибири (раздел Данные).
Тем не менее, в ряде случаев требуется проведение работы по построению древесно-кольцевой хронологии для датировки древесины из памятников. Идеальным является вариант, когда старые деревья произрастают недалеко от построек и их возраст превышает предполагаемую дату сооружения построек на 100 и более лет. На практике, из-за массовых заготовок леса в прошлом для хозяйственных нужд (строительства/отопления и т. п.) и пожаров возраст деревьев рядом с населенным пунктом не превышающий 120−150 лет. Единственным выходом из такой ситуации является сбор в исследуемом районе материала со старых деревянных построек, с целью построения древесно-кольцевой хронологии необходимой длины (путем проведения перекрестной датировки серий прироста с произрастающих деревьев и разновозрастных архитектурных построек). Это существенно увеличивает объем работ и может занять значительное время (например, для Тарского района Омской области хронология пригодная для датировки археологической древесины XVI в. строилась 9 лет, для Новосибирской области — 12 лет). Однако, несмотря на разные варианты и сложности, конечным итогом работы нашей лаборатории становится построение календарно привязанной длительной древесно-кольцевой хронологии по району исследования, пригодной для датировки архитектурных и археологических памятников.
При отборе образцов с архитектурных и археологических памятников обязательным условием является их детальная атрибуция и фиксация. Как правило материал мы получаем в виде поперечных спилов, которые отбираются с деревянных элементов археологических сооружений и бревен, оставшихся после выполнения реставрационных работ на архитектурном памятнике. Толщина образцов зависит от степени сохранности древесины и изменяется в диапазоне от 20 до 80 мм (большая толщина затрудняет процедуру транспортировки, камеральной обработки и измерения годичных колец). При взятии поперечных спилов с растрескавшихся и подгнивших деревянных элементов, нужно аккуратно, не задевая древесину, удалить грунт примерно на 20 см по длине деревянной детали, затем, на участок выпиливания аккуратно обматывается клейкой лентой и с усилием стягивается. В ситуации, когда памятник археологии уже раскопан, но необходимо сохранить целостность открытых деревянных конструкций (in situ), с помощью цепной пилы можно выпилить клиновидные сектора. Как правило для предотвращения последующей деградации древесины образцов — производится упаковка их в пищевую пленку, затем образцы нумеруются с указанием объекта, стороны света, элемента деревянной конструкции, венца и т. п. Очень важно данную информацию дублировать на самом образце (вкладывать внутрь пластиковую карточку) и в ведомости, т.к. не атрибутированный образец с точки зрения датировки памятника — бесполезен. Следует отметить, что лучше исключить использование клеевых пропиток, так как дальнейшая камеральная обработка образца может быть затруднена или невозможна.
В настоящее время при работе с памятниками архитектуры окружного (федерального) значения отбор поперечных и клиновидных спилов невозможен, поскольку: а) затруднительно получить официальное согласие органов надзора или собственников домов, т.к. отбор образцов связан с нанесением ущерба эстетическому виду, теплоизоляционным свойствам постройки; б) ограничено количество мест для взятия образцов, во многих случаях это возможно осуществить только с нижних венцов здания, с торцов, на строго ограниченном участке; в) невозможно отобрать образцы с построек с углами в «лапу». По этой причине для отбора образцов мы используем буры для взятия кернов.
Как правило для взятия образцов мы используем несколько видов буров. Условно их можно разделить на два типа — для влажной и сухой древесины. При отборе материала с сохранившихся в мерзлоте деревянных элементов археологических построек (как правило это древесина влажностью более 70%) лучше воспользоваться буром Пресслера. Детально специфика отбора материала с таких построек изложена в работе Мыглан В. С., Жарников З. Ю., Визгалов Г. П., 2011. В случае, если при отборе образцов археологической древесины, деревянные элементы не нужно сохранять «in situ» для последующей консервации мы используем цепные пилы.
Использование лесотаксационного бура не всегда эффективно при отборе образцов с архитектурных построек. При хорошей сохранности древесины этот бур чрезвычайно сложно ввернуть на первоначальном этапе бурения, из-за чего часто происходило разрушения (смятия) периферийных (подкоровых) колец (Мыглан В.С., Слюсаренко И. Ю., Майничева А. Ю., 2009, Андреев и др., 2022, С. 284). Для получения качественного профессионального результата, в этом случае лучше использовать специальные буры для отбора образцов из сухой древесины. В своей практике мы использовали разные буры (первый производитель
— http://www.rinntech.de/content/view/32/53/lang, english/index.html, второй производитель — borers schneidwerkzeugmechanik. de). В настоящее время при работе мы используем буры второго производителя.
Важно отметить, что применение буров не наносит ущерб внешнему виду конструкции. Появляется возможность взять оптимальное количество образцов с любой необходимой части здания, т. е. выборочно отобрать образец из любого намеченного участка бревна, где сохранилось подкоровое кольцо или содержащего максимально возможное количество колец. Именно применение буров для сухой древесины позволило нам отобрать и получить обобщенные древесно-кольцевые хронологии хорошего качества по Казымскому, Братскому, Илимскому острогам и пр. архитектурным постройкам (Мыглан В.С., Слюсаренко И. Ю., Майничева А. Ю., 2010; Мыглан В. С. и др., 2010а, 2010б, 2010в). К безусловным достоинствам такого способа отбора образцов необходимо отнести высокую эффективность работы, т. е. за короткий промежуток времени можно отобрать значительное количество образцов. Кроме того, как показал опыт работы в п. Березово использование таких буров позволяет эффективно датировать кирпичные (каменные) строения, путем установления времени заготовки древесины для сооружения деревянных элементов и потолочных перекрытий (Мыглан В.С., Ведмидь Г. П., Майничева А. Ю., 2010).
Важным моментом, на котором стоит заострить внимание, является вопрос — сколько надо отобрать образцов для надежной датировки памятника? Как показала практика, если возможно, то необходимо отобрать максимально их количество (идеально — по одному с каждого элемента постройки). Это позволит в дальнейшем не только надежно установить время рубки деревьев для сооружения постройки, но и выявить следы более поздних перестроек отдельных элементов сооружения. Минимальное количество образцов зависит от особенностей (климатических, природных и степени антропогенной нагрузки) региона исследования и объектов изучения, но желательно отбирать не менее 20 образцов с одного объекта исследования.
Особое внимание необходимо уделить вопросам маркировки и упаковки образцов древесины. В дальнейшем это позволит избежать ошибок атрибуции при камеральной обработке и измерении образцов. Так например, керны взятые буром для сухой древесины из элемента постройки подвержены фрагментации (разломе керна на мелкие части). В случае если количество разломов невелико и каждую часть образца можно подписать, то такой керн нумеруется следующим образом оба края первого разлома нумеруют 0, второго 1, третьего 2 и т. д. (схематично это можно представить так --0/0---1/1----2/2 — и. т. д.). Такой способ маркировки обеспечивает надежную идентификацию частей керна. В случае если керн развалился на 6 и более частей, то образец выбрасывается и берется повторный. Для упаковки образцов используются бумажные контейнеры диаметром на 1−1,5 мм больше чем диаметр керна.
В отдельную частную задачу можно выделить построение древесно-кольцевых хронологий для датировки архитектурных и археологических памятников. Это связано с тем, что для значительного количества районов исследования такая задача нами (Сибирская дендрохронологическая лаборатория) решена — создана открытая для свободного доступа сеть опорных дендрохронологических станция для степной и лесостепной зон Сибири (раздел Данные).
Тем не менее, в ряде случаев требуется проведение работы по построению древесно-кольцевой хронологии для датировки древесины из памятников. Идеальным является вариант, когда старые деревья произрастают недалеко от построек и их возраст превышает предполагаемую дату сооружения построек на 100 и более лет. На практике, из-за массовых заготовок леса в прошлом для хозяйственных нужд (строительства/отопления и т. п.) и пожаров возраст деревьев рядом с населенным пунктом не превышающий 120−150 лет. Единственным выходом из такой ситуации является сбор в исследуемом районе материала со старых деревянных построек, с целью построения древесно-кольцевой хронологии необходимой длины (путем проведения перекрестной датировки серий прироста с произрастающих деревьев и разновозрастных архитектурных построек). Это существенно увеличивает объем работ и может занять значительное время (например, для Тарского района Омской области хронология пригодная для датировки археологической древесины XVI в. строилась 9 лет, для Новосибирской области — 12 лет). Однако, несмотря на разные варианты и сложности, конечным итогом работы нашей лаборатории становится построение календарно привязанной длительной древесно-кольцевой хронологии по району исследования, пригодной для датировки архитектурных и археологических памятников.
Обработка материалов
В настоящее время, при измерении собранных коллекций наиболее часто используется два способа:
— первый, основан на использовании классической связки — измерительный стол (например, LINTAB VI) и стереомикроскоп (более детально с методикой можно ознакомится в методическом пособии — Шиятов и др., 2000);
— второй (новый), на применении профессионального сканера (мы используем Epson V850 Pro) или микроскоп с автоматизированным предметным столом для исследования в отраженном свете (мы используем Axio Zoom. V16). В Сибирской дендрохронологической лаборатории при построении древесно-кольцевых хронологий используется второй подход, основанный на применении цифровой микроанатомии для комплексного анализа годичных колец, включающий в себя измерение: ширины годичного кольца, ширины ранней и поздней древесины, оптическая плотность плотность поздней древесины и др. параметры.
Всю работу мы выполняем в несколько этапов.
I этап. Верификация и экстракция
Наша работа начинается с процесса сверки фактического количества/нумерации древесных спилов и кернов с учетными ведомостями (составленными во время полевых работ) по каждому участку отбора образцов. Древесные керны извлекаются из бумажных контейнеров и осматриваются, а затем производится выбраковка образцов содержащих креневую и реактивную древесину (например, образовавшуюся в процессе зарастания пожарной подсушины) и т. п. Маркировка с контейнеров переносится на поверхность кернов с помощью карандаша с грифелем мягкой твердости. Керны, превышающие в длину 20 см, разделяются косым резом на сегменты для удобства последующей обработки. Древесные спилы высушиваются и при необходимости (наличие трещин, расколов, гнилей) проклеиваются. Затем поверхность полируется с помощью ленточной или орбитальной шлифовальной машинки (круги Р80-Р600). После визуального осмотра зачищенной поверхности выбирается наилучший радиус (с типичными годичными кольцами) из которого ленточной пилой выпиливается сегмент (сечением 100 мм2). Подготовленные керны и сегменты с древесных спилов собираются в небольшие марлевые мешочки — «кассеты». Для экстракции в приборе Сокслета диаметр марлевой кассеты составляет не более 50 мм и ограничивается диаметром камеры. Получившиеся кассеты партиями по 10−20 штук погружаются в емкость с ацетоном, где выдерживаются в течение 500 часов. Эта процедура обеспечивает первичное удаление и размягчение смол. Кассеты с образцами подвергаются активному удалению смол, камедей, дубильных, красящих и пр. веществ из древесины. Для выполнения этой процедуры можно использовать прибор Сокслета. Длительность процесса при интенсивном кипении спирта (скорость возгонки около 1 литр/час) составляет не менее 40 часов и продолжается до полного прекращения окрашивания спирта в экстракционной камере. Другим способом является использование ультразвуковой ванны. В нашей лаборатории используется УЗК-28 (40 кГц), производства СпецмашСоник. Кассеты с образцами помещают в стеклянную емкость заполненную ацетоном выступающим в качестве моющего раствора. Процесс ультразвуковой кавитации способствует активному выделению посторонних веществ из древесины в моющий раствор. По мере насыщения ацетона (глубокий янтарный/коричневый оттенок) производится его замена на чистый. Процедура повторяется до прекращения окрашивания раствора и в среднем занимает от 200 до 400 мин. работы УЗК (с перерывами на охлаждение УЗК).
После завершения процесса экстракции кассеты с образцами помещаются в автоклав, где вывариваются 10 часов в дистиллированной воде при температуре 120 С, при этом смена воды производится каждый цикл. Данная процедура позволяет провести очистку древесины от веществ растворимых в горячей воде. После этой процедуры образцы помещаются в этиловый спирт.
— первый, основан на использовании классической связки — измерительный стол (например, LINTAB VI) и стереомикроскоп (более детально с методикой можно ознакомится в методическом пособии — Шиятов и др., 2000);
— второй (новый), на применении профессионального сканера (мы используем Epson V850 Pro) или микроскоп с автоматизированным предметным столом для исследования в отраженном свете (мы используем Axio Zoom. V16). В Сибирской дендрохронологической лаборатории при построении древесно-кольцевых хронологий используется второй подход, основанный на применении цифровой микроанатомии для комплексного анализа годичных колец, включающий в себя измерение: ширины годичного кольца, ширины ранней и поздней древесины, оптическая плотность плотность поздней древесины и др. параметры.
Всю работу мы выполняем в несколько этапов.
I этап. Верификация и экстракция
Наша работа начинается с процесса сверки фактического количества/нумерации древесных спилов и кернов с учетными ведомостями (составленными во время полевых работ) по каждому участку отбора образцов. Древесные керны извлекаются из бумажных контейнеров и осматриваются, а затем производится выбраковка образцов содержащих креневую и реактивную древесину (например, образовавшуюся в процессе зарастания пожарной подсушины) и т. п. Маркировка с контейнеров переносится на поверхность кернов с помощью карандаша с грифелем мягкой твердости. Керны, превышающие в длину 20 см, разделяются косым резом на сегменты для удобства последующей обработки. Древесные спилы высушиваются и при необходимости (наличие трещин, расколов, гнилей) проклеиваются. Затем поверхность полируется с помощью ленточной или орбитальной шлифовальной машинки (круги Р80-Р600). После визуального осмотра зачищенной поверхности выбирается наилучший радиус (с типичными годичными кольцами) из которого ленточной пилой выпиливается сегмент (сечением 100 мм2). Подготовленные керны и сегменты с древесных спилов собираются в небольшие марлевые мешочки — «кассеты». Для экстракции в приборе Сокслета диаметр марлевой кассеты составляет не более 50 мм и ограничивается диаметром камеры. Получившиеся кассеты партиями по 10−20 штук погружаются в емкость с ацетоном, где выдерживаются в течение 500 часов. Эта процедура обеспечивает первичное удаление и размягчение смол. Кассеты с образцами подвергаются активному удалению смол, камедей, дубильных, красящих и пр. веществ из древесины. Для выполнения этой процедуры можно использовать прибор Сокслета. Длительность процесса при интенсивном кипении спирта (скорость возгонки около 1 литр/час) составляет не менее 40 часов и продолжается до полного прекращения окрашивания спирта в экстракционной камере. Другим способом является использование ультразвуковой ванны. В нашей лаборатории используется УЗК-28 (40 кГц), производства СпецмашСоник. Кассеты с образцами помещают в стеклянную емкость заполненную ацетоном выступающим в качестве моющего раствора. Процесс ультразвуковой кавитации способствует активному выделению посторонних веществ из древесины в моющий раствор. По мере насыщения ацетона (глубокий янтарный/коричневый оттенок) производится его замена на чистый. Процедура повторяется до прекращения окрашивания раствора и в среднем занимает от 200 до 400 мин. работы УЗК (с перерывами на охлаждение УЗК).
После завершения процесса экстракции кассеты с образцами помещаются в автоклав, где вывариваются 10 часов в дистиллированной воде при температуре 120 С, при этом смена воды производится каждый цикл. Данная процедура позволяет провести очистку древесины от веществ растворимых в горячей воде. После этой процедуры образцы помещаются в этиловый спирт.
Иллюстрация последовательности процесса верификации и экстракции
II этап. Фиксация образцов и подготовка поверхности
Вываренные кассеты распаковываются, образцы подсушиваются, обновляется нумерация на образцах, восстанавливается нумерация сегментов в случае обнаружения новых разломов, возникших в процессе экстракции. С помощью клеевых пистолетов образцы/сегменты приклеиваются на деревянные/фанерные подложки. Тщательное внимание уделяется положению трахеид годичных колец, которые обязательно располагают строго перпендикулярно относительно плоскости подложки.Верхняя (торцевая) поверхность образцов/сегментов снимается на шлифовальном станке. При этом крупнозернистой шлифовальной лентой P80−240 убирается около четверти от высоты керна. Затем поверхность в несколько этапов полируется мелкозернистыми шлифовальными лентами P400−1500 для достижения наилучшей видимости клеточной структуры древесины. Критически важно при полировке получить максимально ровную торцевую поверхность. Все образцы/сегменты проходят контроль качества на микроскопе STEMI 2000-C (CARL ZEISS) и по необходимости подвергаются повторной шлифовке.
Отдельным пунктом стоит описать камеральную обработку древесных углей. В нашей практике основным источником древесных углей выступают крупные шлаки с фрагментами с вплавленными древесных углей. Угли извлекались из тела шлаков с помощью зубил, в некоторых случаях применялась углошлифовальная машина с алмазным диском.
Извлеченные хрупкие угли тщательно очищались от вкраплений шлака и песка (в трещинах и углублениях), по необходимости укреплялись путем нанесения термоклея. Клей наносился по периферии образцов таким образом, чтоб удерживать растрескавшиеся части углей вместе, но при этом не препятствовать процессу шлифовки торцевой поверхности. Поверхность углей шлифовалась на тарельчато-ленточном шлифовальном станке (лента P600, 1000, круг Р1000). Угольная пыль, которая заполняет трахеиды в процессе шлифовки препятствует визуализации клеточной структуры годичных колец, для ее удаления использовался промышленный пылесос с щелевой насадкой. При удалении пыли очень важно предварительно высушить угли (до уровня не более 7%-ной влажности), поскольку при избыточной влажности образцов, пыль заполняющая трахеиды — слипается, что препятствует ее удалению.
Вываренные кассеты распаковываются, образцы подсушиваются, обновляется нумерация на образцах, восстанавливается нумерация сегментов в случае обнаружения новых разломов, возникших в процессе экстракции. С помощью клеевых пистолетов образцы/сегменты приклеиваются на деревянные/фанерные подложки. Тщательное внимание уделяется положению трахеид годичных колец, которые обязательно располагают строго перпендикулярно относительно плоскости подложки.Верхняя (торцевая) поверхность образцов/сегментов снимается на шлифовальном станке. При этом крупнозернистой шлифовальной лентой P80−240 убирается около четверти от высоты керна. Затем поверхность в несколько этапов полируется мелкозернистыми шлифовальными лентами P400−1500 для достижения наилучшей видимости клеточной структуры древесины. Критически важно при полировке получить максимально ровную торцевую поверхность. Все образцы/сегменты проходят контроль качества на микроскопе STEMI 2000-C (CARL ZEISS) и по необходимости подвергаются повторной шлифовке.
Отдельным пунктом стоит описать камеральную обработку древесных углей. В нашей практике основным источником древесных углей выступают крупные шлаки с фрагментами с вплавленными древесных углей. Угли извлекались из тела шлаков с помощью зубил, в некоторых случаях применялась углошлифовальная машина с алмазным диском.
Извлеченные хрупкие угли тщательно очищались от вкраплений шлака и песка (в трещинах и углублениях), по необходимости укреплялись путем нанесения термоклея. Клей наносился по периферии образцов таким образом, чтоб удерживать растрескавшиеся части углей вместе, но при этом не препятствовать процессу шлифовки торцевой поверхности. Поверхность углей шлифовалась на тарельчато-ленточном шлифовальном станке (лента P600, 1000, круг Р1000). Угольная пыль, которая заполняет трахеиды в процессе шлифовки препятствует визуализации клеточной структуры годичных колец, для ее удаления использовался промышленный пылесос с щелевой насадкой. При удалении пыли очень важно предварительно высушить угли (до уровня не более 7%-ной влажности), поскольку при избыточной влажности образцов, пыль заполняющая трахеиды — слипается, что препятствует ее удалению.
Иллюстрация последовательности процесса фиксации и подготовки поверхности
III этап. Оцифровка структуры годичных колец
Перед началом работы производится сортировка образцов на две группы: с широкими годичными кольцами и узкими годичными кольцами (или с наличием периодов сильных депрессий в приросте). Образцы с широкими годичными кольцами сканируются на сканере Epson Perfection V850 Pro (предварительно откалиброванном при помощи отражающей мишени MONR2014:08−02) с разрешением 4800 DPI. Образцы с узкими годичными кольцами фотографируются в отраженном свете при 20-ти кратном увеличении с помощью микроскопа AXIO zoom. V16 (CARL ZEISS), оснащенном моторизированным предметным столиком. Полученные фотографии годичных колец образцов сшиваются в специальном программном пакете ZEN (CARL ZEISS) и дополняются сопроводительной информацией об увеличении, масштабе и т. п., далее изображения оптимизируются для дальнейшей работы. Несмотря на получение изображения разными способами, проведенные эксперименты для одних и тех же образцов по измерению таких параметров как: ширина, ширина ранней, ширина поздней древесины, оптическая плотность поздней древесины, дельта оптической плотности, на нашем оборудовании, не выявило разницы, выходящей за пределы инструментальной ошибки.
Перед началом работы производится сортировка образцов на две группы: с широкими годичными кольцами и узкими годичными кольцами (или с наличием периодов сильных депрессий в приросте). Образцы с широкими годичными кольцами сканируются на сканере Epson Perfection V850 Pro (предварительно откалиброванном при помощи отражающей мишени MONR2014:08−02) с разрешением 4800 DPI. Образцы с узкими годичными кольцами фотографируются в отраженном свете при 20-ти кратном увеличении с помощью микроскопа AXIO zoom. V16 (CARL ZEISS), оснащенном моторизированным предметным столиком. Полученные фотографии годичных колец образцов сшиваются в специальном программном пакете ZEN (CARL ZEISS) и дополняются сопроводительной информацией об увеличении, масштабе и т. п., далее изображения оптимизируются для дальнейшей работы. Несмотря на получение изображения разными способами, проведенные эксперименты для одних и тех же образцов по измерению таких параметров как: ширина, ширина ранней, ширина поздней древесины, оптическая плотность поздней древесины, дельта оптической плотности, на нашем оборудовании, не выявило разницы, выходящей за пределы инструментальной ошибки.
IV этап. Измерение параметров ширины годичных колец
На пятом этапе цифровые изображения клеточной структуры образцов (полученные на сканере и микроскопе) загружаются в программу CooRecorder (CR) (Larsson, 2013), где оператором в ручном режиме выполняется измерение 4 параметров годичного кольца: ширина годичного кольца (w), ширина ранней древесины (e), ширина поздней древесины (l), плотность поздней древесины (bl) (Рис. 10). Графическое представление полученных данных (измерений индивидуальных серий w, e, l и bl) выполняется в программе CDendro (Larsson, 2013). Календарное датирование всех измеренных индивидуальных серий w, e и l выполняется посредством сочетания графической перекрестной датировки (Douglass, 1919) и кросс-корреляционного анализа в пакете специализированных программ для дендрохронологических исследований. При проведении перекрестной датировки экстремальные величины прироста (самые узкие и самые широкие кольца), а также кольца, содержащие патологические структуры (как морозобойные, светлые и ложные кольца и др.) использовались в качестве реперов, что позволяло верифицировать правильность датировки. Наиболее значимыми являются узкие кольца, которые формируются в неблагоприятные по климатическим условиям годы у большей части деревьев, произрастающих в одно время в однородном по климатическим условиям районе. В ходе процедуры происходит выявление выпавших колец и ошибок измерений. На основании этого выполняется возврат и коррекция на цифровых изображениях (проверяется факт наличия или отсутствия годичного кольца, вносятся поправки в измерения).
Возрастной тренд измеренных серий убирается путем стандартизации в программе ARSTAN (Cook, Krusic, 2008). Выбор способа стандартизации хронологий определяется целями исследования. Оценка качества построенных хронологий выполняется на основе применения традиционных показателей: коэффициентов корреляции и чувствительности, стандартного отклонения и др. (Wigley at al., 1984). Как правило, при выполнении процедуры стандартизации (построение обобщенной древесно-кольцевой хронологии) в лесостепной зоне мы используем скользящий сплайн в ⅔ от длины каждой серии.
Проблема подкорового кольца. При датировке археологической, исторической древесины, т. е. определении года рубки, огромное значение имеет выявление последнего наружного годичного кольца. В случае если на наружной части спила сохранились остатки коры и отсутствуют следы повреждений личинками короедов, то год и сезон заготовки древесины определяется без особых сложностей. Другая ситуация возникает в случае когда коры нет, но для внешнего края образца характерна гладкая боковая поверхность по всему периметру. В такой ситуации мы проводим зачистку поперечной поверхности образца. В случае, если край окружности приходится на заболонь и последнее периферийное кольцо просматривается повсеместно, а также отсутствуют следы механических повреждений (деградации древесины), то можно предположить, что внешний слой является подкоровым кольцом.
Наличие последнего подкорового кольца позволяет помимо года установить еще и сезон рубки дерева. Если край годичного кольца сформирован из клеток ранней древесины, то это означает, что дерево было срублено весной или в первую половину лета. Присутствие клеток поздней древесины, указывает, что дерево было срублено осенне-зимний период. В случае, если на внешней поверхности образца (или под корой) присутствуют следы личинок короедов, то это с одной стороны является верным признаком наличия подкорового кольца. Однако обычно они развиваются под корой у срубленных, сухостойных (в первое лето после рубки) или ослабленных деревьев. В этом случае зачастую невозможно точно сказать, в какой момент времени данная древесина использовалась при постройке, т. е. сколько она пролежала срубленной или простояла в виде сухостоя.
На пятом этапе цифровые изображения клеточной структуры образцов (полученные на сканере и микроскопе) загружаются в программу CooRecorder (CR) (Larsson, 2013), где оператором в ручном режиме выполняется измерение 4 параметров годичного кольца: ширина годичного кольца (w), ширина ранней древесины (e), ширина поздней древесины (l), плотность поздней древесины (bl) (Рис. 10). Графическое представление полученных данных (измерений индивидуальных серий w, e, l и bl) выполняется в программе CDendro (Larsson, 2013). Календарное датирование всех измеренных индивидуальных серий w, e и l выполняется посредством сочетания графической перекрестной датировки (Douglass, 1919) и кросс-корреляционного анализа в пакете специализированных программ для дендрохронологических исследований. При проведении перекрестной датировки экстремальные величины прироста (самые узкие и самые широкие кольца), а также кольца, содержащие патологические структуры (как морозобойные, светлые и ложные кольца и др.) использовались в качестве реперов, что позволяло верифицировать правильность датировки. Наиболее значимыми являются узкие кольца, которые формируются в неблагоприятные по климатическим условиям годы у большей части деревьев, произрастающих в одно время в однородном по климатическим условиям районе. В ходе процедуры происходит выявление выпавших колец и ошибок измерений. На основании этого выполняется возврат и коррекция на цифровых изображениях (проверяется факт наличия или отсутствия годичного кольца, вносятся поправки в измерения).
Возрастной тренд измеренных серий убирается путем стандартизации в программе ARSTAN (Cook, Krusic, 2008). Выбор способа стандартизации хронологий определяется целями исследования. Оценка качества построенных хронологий выполняется на основе применения традиционных показателей: коэффициентов корреляции и чувствительности, стандартного отклонения и др. (Wigley at al., 1984). Как правило, при выполнении процедуры стандартизации (построение обобщенной древесно-кольцевой хронологии) в лесостепной зоне мы используем скользящий сплайн в ⅔ от длины каждой серии.
Проблема подкорового кольца. При датировке археологической, исторической древесины, т. е. определении года рубки, огромное значение имеет выявление последнего наружного годичного кольца. В случае если на наружной части спила сохранились остатки коры и отсутствуют следы повреждений личинками короедов, то год и сезон заготовки древесины определяется без особых сложностей. Другая ситуация возникает в случае когда коры нет, но для внешнего края образца характерна гладкая боковая поверхность по всему периметру. В такой ситуации мы проводим зачистку поперечной поверхности образца. В случае, если край окружности приходится на заболонь и последнее периферийное кольцо просматривается повсеместно, а также отсутствуют следы механических повреждений (деградации древесины), то можно предположить, что внешний слой является подкоровым кольцом.
Наличие последнего подкорового кольца позволяет помимо года установить еще и сезон рубки дерева. Если край годичного кольца сформирован из клеток ранней древесины, то это означает, что дерево было срублено весной или в первую половину лета. Присутствие клеток поздней древесины, указывает, что дерево было срублено осенне-зимний период. В случае, если на внешней поверхности образца (или под корой) присутствуют следы личинок короедов, то это с одной стороны является верным признаком наличия подкорового кольца. Однако обычно они развиваются под корой у срубленных, сухостойных (в первое лето после рубки) или ослабленных деревьев. В этом случае зачастую невозможно точно сказать, в какой момент времени данная древесина использовалась при постройке, т. е. сколько она пролежала срубленной или простояла в виде сухостоя.
Техническая оснащенность
В настоящее время лаборатория оснащена комплексом современного оборудования:
- возрастные буры (от 300 до 1000 мм, и диаметром от 6 до 12 мм), буры для сухой древесины, мерные вилки и высотомер (TruPulse 360) для измерения диаметра и высоты стволов деревьев;
- микроскоп (с моторизованной системой плавной смены увеличения) AXIO zoom V16 — предназначен для микроскопического исследования подготовленных материалов и проведения цифровой съемки (объектов до 2,5 микрон);
- стереомикроскопы Stemi 508 системой плавной смены увеличения (zoom системой) 0.63х-5.0х — предназначен для микроскопического исследования подготовленных материалов;
- прибор измерительный LINTAB 6 — применяется для измерения линейных размеров объектов (например, ширины годичных колец). Используется для дендрохронологических, ботанических, лесоводческих, криминалистических экспертиз и исследований;
- сканер Epson Perfection V850 Pro — Профессиональный прибор для сканирования материалов (образцов) с высоким разрешением (6400×9600 dpi). Оснащен системой из двух линз для оптимизации сканирования пленок (6400dpi) и фотографий (4800dpi);
- санный микротом «Core-microtome» — аппарат для изготовления срезов (подготовки поверхности) для микроскопических исследований;
- стационарная шлифовальная установка — предназначена для подготовки поверхности (шлифования) материалов. Максимальная крупность зерна — P1800;
- прибор Сокслета — прибор для непрерывной экстракции труднорастворимых веществ из твёрдых материалов;
- импульсный томограф ARBOTOM — позволяет оценить характер деструкции древесины ствола по площади поперечного сечения на отдельно взятой высоте. Анализ распространения гнили в стволе дерева по площади сечения ствола дает возможность проводить оценку аварийности и, в частности, с учетом данных о конфигурации гнили в стволе определять наиболее вероятное направление падения дерева;
- профессиональная панорамная цифровая камера Insta360 Pro 2 позволяющая получать панорамное фото (JPEG) в 2D и 3D-форматах, разрешение — 8К (7680×3840) и 12К (12 000×6000 — в режиме Burst для статических объектов), панорамное видео (MP4) в 2D и 3D-форматах, разрешение в 2D — 8К (7680×3840, 60 fps), в 3D — 8K (7680 * 7680, 30 fps) и 6К (6400 * 6400, 60 fps) с привязкой к GPS-координатам.
- ультразвуковая ванна серии УЗК, 28 литров, 40 кГц.
