1. No category

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), prof. dr.
Helmuth Resch (Dunaj), dr. Milan Nešič (Beograd), 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, mag. Miran Zager, prof. dr. Roko Žarnič, prof.
dr. Hojka Kraigher, dr. Mirko Medved, prof. dr. Lidija Zadnik
Stirn, dr. Primož Simonč
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.
Konec maja bomo raziskovalne organizacije s področja gozdarstva, lesarstva in papirništva organizirale že tretje zaporedno srečanje Gozd in les.
Ideja za to srečanje se je razvila iz dobrih izkušenj pri pripravi znanstvene
monografije Trajnostna raba lesa v kontekstu sonaravnega gospodarjenja
z gozdovi, ki sva jo leta 2009 uredila Miha Humar in Hojka Kraigher. Ocenili smo, da lahko le s skupnim nastopom znotraj gozdno-lesne proizvodne
verige dosežemo raziskovalno-razvojni preboj. Eden izmed pomembnih
namenov srečanja je ponuditi možnost mladim, še ne uveljavljenim raziskovalcem na začetku raziskovalne poti. Nastop na tej prireditvi je tako odlična
priložnost za prikaz rezultatov domači strokovni javnosti.
Slovenska lesnopredelovalna industrija kot edina slovenska gospodarska
panoga premore bogato surovinsko zaledje (Po podatkih ZGS je skupna
površina gozdov v Sloveniji v letu 2010 znašala 1.211.840 ha, 59,8 % površine Slovenije, lesna zaloga gozdov 331,0 milijonov m3, prirastek 8,1 milijonov m3, letni možni posek lesa 5,3 milijona m3, dejansko posekano pa je
bilo 3,37 milijona m3), geografsko ustrezno razpršene in tehnološko dokaj
dobro opremljene predelovalne obrate. Še posebej je treba poudariti multiplikacijski učinek predelave lesa, saj imamo v Sloveniji sklenjeno celotno
gozdno-lesno vrednostno verigo, od lastnikov in upravljavcev gozdov, primarne predelave lesa, pohištvene industrije, gradbeništva z lesom, papirništva in energetike, do arhitektov, oblikovalcev ter prodajalcev. Omeniti pa
velja tudi skrite potenciale biodiverzitete, ki jo skrivajo in ohranjajo gozdovi,
tako v procesih dinamike ogljika in blaženja učinkov klimatskih sprememb,
zdravilnih učinkovin v doslej neraziskanih organizmih, novih sistemih pridobivanja hrane in energije v zunajgozdnih nasadih, v ekonomskih in sociodemografskih učinkih nelesnih gozdnih proizvodov in storitev.
Dobro razvita gozdno-lesna proizvodna veriga je med drugim posledica
uspešnega raziskovalnega-razvojnega delovanja raziskovalnih organizacij s
področja gozdarstva lesarstva in papirništva. Ocenjujemo, da je bil v zadnjem desetletju na tem področju dosežen velik napredek, ki se odraža v
številnih objavah v uglednih znanstvenih revijah, citatih, patentih, v sodelovanju v mednarodnih projektnih skupinah, uredniških odborih in evropskih
ekspertnih sistemih na področju znanosti, gozdarstva in na gozdu in lesu
temelječih panog. Veliko zaslugo za to ima Javna agencija za raziskovalno
dejavnost RS, ki je s stabilnim financiranjem omogočala razvoj znanstvene
in posledično tudi strokovne dejavnosti. Še posebej velja izpostaviti pozitivne učinke financiranja programskih skupin, zato ocenjujemo, da je smiselno
še okrepiti ta mehanizem financiranja raziskovalne dejavnosti.
prof. dr. Miha Humar in prof. dr. Hojka Kraigher
uvodnik
Ustanovitelj in izdajatelj
Zveza lesarjev Slovenije.
Gozd in Les:
Izjemni znanstveni
dosežki in učinki
raziskave in razvoj
Thomas A. Nagel*
UDK 630*228.8
Moving beyond traditional
views of forest dynamics in
Central Europe:
the importance of natural
disturbance processes
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Abstract: In contrast to traditional models of vegetation dynamics that emphasize “steady-state” and “equlibrium” concepts,
ecologists and foresters now accept a non-equilibrium view of ecosystems that highlights the role of natural disturbances
in driving vegetation dynamics. Using two common forest communities in Central Europe as case studies, I summarize how
this paradigm shift is changing the understanding of ecology and management of forests in the region. Research clearly
shows that periodic disturbances, such as windstorms and bark beetle outbreaks, have a major influence on the structure
and composition of forests in Central Europe. These findings have important implications for forest management based on
natural patterns and processes, such as “close-to-nature” silviculture commonly practiced in Central Europe.
Keywords: disturbance ecology, forest management, non-equilibrium, old-growth, phytosociology, vegetation
dynamics
94
A major paradigm shift within the study of ecology during
the last century was the recognition that plant communities are not in equilibrium, but are dynamic due to the
influence of natural disturbances (Pickett and White, 1985).
For a long time, plant ecologists postulated that a steadystate, predictable plant community was the endpoint of
succession on a particular site type, often referred to as climax vegetation (Clements, 1916). The alternative viewpoint, that many different pathways of succession may occur
because both environment and species availability vary in
space and time (Gleason, 1926), and because disturbances
(e.g. windthrow, fire, drought, insect outbreaks, etc) often
prevent a plant community from reaching an equilibrium
(Pickett and White, 1985), was not accepted until the latter
part of the 20th century. Today, however, understanding
natural disturbance regimes and the consequences of disturbances on plant community structure and composition are major conceptual themes in ecology.
* University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Forestry and Renewable
Forest Resources, Vecna Pot 83, 1000 Ljubljana, Slovenia, Phone: +38613203535;
Fax: +38612571169; E-mail [email protected]
Despite the wide acceptance of non-equilibrium in ecology, the study of forestry in Central Europe has been
slow to embrace this viewpoint. Contemporary forestry
literature still contains ideas of self-maintaining, steadystate communities and site-controlled climax vegetation,
to the extent that this view is a normal part of forestry
dogma in some parts of Europe. This is well exemplified
by an ongoing debate on natural potential vegetation
and phytosociology in the European vegetation science literature sparked by a recent paper by Carrion and
Fernandez (2009) (see replies by Carrion, 2010; Chiarucci
et al., 2010; Farris et al., 2009; Loidi et al., 2010; Loidi and
Fernandez-Gonzalez, 2012). They criticize the concept of
natural potential vegetation and the floristic-phytosociological models of vegetation dynamics, both of which are
based on the idea of site-controlled, climax vegetation.
Citing paleoecological studies throughout Spain, they
show that current phytosociological based explanations
of natural potential vegetation in the Canary Islands and
the Iberian Peninsula are in fact a result of anthropogenic
disturbances thousands of years ago. For example, the famous “Monteverde laurel forests” on Tenerife were once
64(2012) št. 5
These studies not only demonstrate the pitfalls of assuming site-controlled climax communities, but also show
that historical disturbance processes are important drivers of contemporary vegetation structure and compo-
sition, and that vegetation is dynamic. Why then do we
still find these traditional views within forest science in
Central Europe? Carrion and Fernandez (2009) suggest
it is simply the power of tradition. Splechtna et al (2005)
propose that it is partly because of the lack of old-growth forests in Europe where disturbance processes can
be observed, but also because forests in Central Europe
are compositionally stable, in that late-successional species often dominate a site after disturbance due to a persistent bank of advance regeneration. And last but not
least, pioneer work in old-growth remnants in eastern
and southeastern Europe considered small-scale, endogenous mortality (i.e. gap dynamics) the main driver of
forest dynamics, while less emphasis was placed on the
role of infrequent, higher intensity disturbances (Korpel,
1982). Disturbances, such as windthrow events or barkbeetle outbreaks, that killed a large amount of basal area
in a stand were likely considered “outside” the normal developmental dynamic of old-growth forests.
raziskave in razvoj
dominated by Quercus and Carpinus before the arrival of
humans (De Nascimento et al., 2009). In parts of the Iberian Peninsula, current phytosociological models describe
the natural potential vegetation as evergreen oak forests
and shrubland, while palaeoecological studies show that
oak was rare in the mid-Holocene and replaced more diverse communities due to burning and grazing by people (Carrion et al., 2009). There are other examples outside of Spain. In Bialowieza National Park, Poland, which is
considered one of the most-well preserved old-growth
forests in Europe, the “lime-oak-hornbeam forest” that is
commonly described as the climax forest community is
now thought to be a successional community shaped by
anthropogenic burning practices centuries ago (Bobiec
et al., 2011).
Figure 1. Norway spruce forests in Sumava National Park, Czech Republic have been effected by a recent
bark beetle outbreak, resulting in nearly complete mortality of overstory spruce trees over large areas of
the park (photo: M. Svoboda)
64(2012) št. 5
95
raziskave in razvoj
During the last decade, however, forest science in Central Europe has started to question traditional conceptual
models of forest dynamics. For example, modern phytosociology is taking advantage of rich, long-term empirical
datasets to move beyond syntaxonomy and descriptions
of plant associations (Ewald, 2003). Examples include research on mechanisms of species coexistence and environmental drivers of plant diversity (Zeleny et al., 2010),
functional classifications of plant communities (Herault
and Honnay, 2007), and the effects of global change on
vegetation (Dengler et al., 2011). Likewise, the fields of forest ecology and silviculture have gone through similar
changes. In particular, many recent studies have focused
on the importance of disturbance processes in driving
forest dynamics. To give an example of this “revival” in
Central European forest ecology, I briefly review the findings of recent studies focused on the role of disturbance
in spruce forests and mixed temperate forest, two of the
major forest ecosystems in the region.
Spruce forests
Naturally occurring Norway spruce (Picea abies (L.) Karst)
forests cover much of the landscape in the montane zone
in Central Europe, such as in the Carpathian and Bohemian forest regions. During the past several decades, extensive areas of these forests were damaged by severe windthrow and bark beetle outbreaks (Grodzki et al., 2003;
Svoboda and Pouska, 2008; Zielonka et al., 2009) (Figure
1). These widespread disturbances generated considerable controversy regarding the management of spruce
forests, particularly in protected areas where non-timber
forest functions (e.g. biodiversity conservation) are an important management goal. The main reason behind this
controversy is that natural spruce forests in this region
were traditionally thought to be highly structured stands maintained by small-scale gap dynamics (Korpel, 1995,
but see Mayer and Ott (1991) for an alternative view from
the Alps); large-scale, high-severity disturbances are thought to only occur in stands where past management has
reduced structural heterogeneity (e.g. even-aged monocultures) because homogenous stands should be more
vulnerable to high-intensity disturbances. This traditional
view has been used to justify large-scale salvage logging
in protected areas following windthrow and bark beetle
mortality (Svoboda and Pouska, 2008).
This controversy motivated a number of studies on the
natural disturbance regime in montane spruce forests.
The main goal of these studies was to determine if largescale, high severity disturbances are part of the historical
range of natural variability in spruce forests. Using both
historical archives and dendroecology (i.e. the study of
tree rings to provide insight into ecological processes),
96
researchers quantified the history of natural disturbances
across a range of old-growth spruce forests in Central Europe, including the Bohemian forest of the Czech Republic (Svoboda et al., 2010; Svoboda et al., 2012), the Tatra
Mountains and Babia Gora in the northwestern Carpathians (Szewczyk et al., 2011; Zielonka et al., 2009; Zielonka
and Malcher, 2009), and the Rila Mountains of Bulgaria
(Panayotov et al., 2011). Taken together, these studies reveal that the natural disturbance regime in montane spruce forests in the region is complex, ranging from stands
driven my small-scale gaps, to areas with a history of intermediate size damage from wind and bark beetles, to
large areas devastated by high-intensity windstorms and
widespread bark beetle outbreaks. Thus, there is strong
evidence that large, stand replacing disturbances, similar
to the recent windthrow and bark beetle outbreaks in the
region, are part of the historic range of natural variability
in montane spruce forests.
Mixed fir-beech-spruce forests
Forests comprised of various mixtures of silver fir (Abies
alba Miller), European beech (Fagus sylvatica L.), Norway
spruce, and other less dominant species (e.g. sycamore
maple, Scotch elm, European ash) are common throughout the mountains of Central Europe. Many small oldgrowth remnants of this forest type are scattered throughout the region, mainly in the Carpathian and Dinaric
Mountain regions. The current understanding of stand
dynamics in mixed-temperate forests of Central Europe
is largely based on the pioneer work of forward thinking
foresters who recognized the value of these old-growth
remnants many decades ago (Korpel, 1982; Leibundgut,
1982; Prusa, 1985). Similar to spruce forests, the conceptual model that emerged from these early studies was that
continuous, endogenous death of individual canopy trees (i.e. gap dynamics) maintained a structurally heterogeneous forest at small spatial scales, and that this structure
maintained itself on a stand scale.
While there is no doubt that endogenous tree mortality
processes play a role in the dynamic of these forests, recent studies have questioned if they account for all the
variability in forest structure and composition found in
old-growth stands. To address this question, researchers
have investigated forest dynamics and disturbance processes in old-growth forests throughout the mountains
of Central Europe, including the eastern Alps, the Carpathian Mountains, and the Dinaric Mountains. These
studies make use of several different approaches, such
as direct observations of recent disturbance events (Marinsek, 2002; Nagel and Diaci, 2006), studies that quantify
characteristics of the gap disturbance regime (Bottero
et al., 2011; Kucbel et al., 2010; Nagel and Svoboda, 2008;
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
Figure 2. Intermediate severity damage from storms with strong wind is an important component of the
disturbance regime in mixed forests of Central Europe. The two photographs show typical damage patterns
following intermediate intensity windstorms in the Pecka (photo: M. Lenarčič, 2004) and Menina-Strojnik
forest reserves (photo: T. Rugani, 2011) in Slovenia
64(2012) št. 5
97
raziskave in razvoj
Splechtna and Gratzer, 2005), dendroecological studies
that reconstruct longer-term disturbance histories (Firm
et al., 2009; Motta et al., 2011; Nagel et al., 2007; Splechtna
et al., 2005), and others that examine the successional response of forest stands to disturbance (Nagel et al., 2006;
Nagel et al., 2010).
Although all the studies listed above clearly show that
small-scale tree mortality is an important element of forest dynamics, most of them show that less frequent, intermediate intensity windthrow events play a key role as
well (Figure 2). For example, gap studies reveal that most
canopy openings encountered in a stand are small and
formed by the death or one or two trees (i.e. the traditional view), but larger openings several thousand square
meters in size with multiple snapped and uprooted gapmakers are also encountered. Moreover, these larger
openings make up a disproportionately large part of the
disturbed area compared to small gaps. Dendroecological studies support these findings. Most of the disturbance history reconstructions (with the exception of Motta
et al. (2011)) indicate a continuous history of low intensity disturbances interrupted by occasional higher intensity events, which are most likely related to storms that
cause intermediate severity damage in a stand. A third
piece of evidence that helps confirm patterns found in
reconstructive studies are direct observations of mortality patterns following intermediate severity wind damage
in contemporary forest ecosystems; studies of mortality
patterns after such storms in both Slovenia (Nagel and
Diaci, 2006) and North America (Woods, 2004) match
well with those found in gap studies and dendroecological reconstructions of disturbance. To summarize, recent
studies indicate that periodic, intermediate severity wind
disturbances are a key driver of structural and compositional change in mixed forests of Central Europe.
Conclusion
The recognition that disturbances play an important
role in Central European forest ecosystems has myriad
implications, especially for how forests are managed.
Knowledge of natural disturbance regimes and forest
dynamics is the foundation for any system of ecologically based forest management (e.g. ecological forestry,
close-to-nature silviculture, natural disturbance based
silviculture, ecosystem based management, etc). A main
premise of this type of management is that basing silviculture on patterns and processes found in old-growth
forests will maintain a variety of non-timber forest functions (e.g. provision of important habitat for biodiversity,
maintenance of soil productivity and water quality, etc).
For readers interested in more information regarding this
type of forest management there are a number of recent
98
overviews in the forestry literature (Keeton, 2006; Long,
2009; Mitchell et al., 2002; Mori, 2011; Seymour et al., 2002).
An understanding of natural disturbance processes and
forest dynamics is also important for managing forests in
the context of global change. Without a doubt, climate
change is one of the most significant challenges facing
the practice of forestry. Most attention has been focused
on the potential effects of temperature and precipitation
changes on tree species distributions, yet climate change is also predicted to alter disturbance regimes. These
changes may have more of an influence on species distributions and forest dynamics than temperature and precipitation induced changes (Dale et al., 2001). In order for
forest management to assess and adapt to these future
changes, it is necessary to have an understanding of “baseline” conditions regarding natural disturbance regimes
as well as knowledge of how forest communities recover from disturbances. Finally, this “baseline” information
is important for simulation models of forest dynamics,
which are fundamental tools for predicting long-term
changes in biomass, structure, and species composition
of forests under various climate change scenarios.
References:
1. Bobiec A., Jaszcz, E., Wojtunik, K. (2011) Oak (Quercus robur L.) regeneration as a response to natural dynamics of stands in European
hemiboreal zone. European Journal of Forest Research, 130, 5: 785-797
2. Bottero A., Garbarino, M., Dukic, V., Govedar, Z., Lingua, E., Nagel, T. A., Motta, R. (2011) Gap-phase dynamics in the old-growth
forest of Lom, Bosnia and Herzegovina. Silva Fennica, 45, 5: 875-887
3. Carrion J. S. (2010) The concepts of potential natural vegetation
(PNV) and other abstractions (trying to pick up fish with wet hands). Journal of Biogeography, 37, 11: 2214-2215
4. Carrion J. S., Fernandez, S. (2009) The survival of the ‘natural
potential vegetation’ concept (or the power of tradition). Journal
of Biogeography, 36, 12: 2202-2203
5. Carrion J. S., Fernandez, S. (2009) The survival of the ‘natural
potential vegetation’ concept (or the power of tradition). Journal
of Biogeography, 36, 12: 2202-2203
6. Carrion J. S., Fernandez, S., Jimenez-Moreno, G., Fauquette,
S., Gil-Romera, G., Gonzalez-Samperiz, P., Finlayson, C. (2010)
The historical origins of aridity and vegetation degredation in
southeastern Spain. Journal of Arid Environments, 74, 7: 731-736
7. Chiarucci A., Araujo, M. B., Decocq, G., Beierkuhnlein, C., Fernandez-Palacios, J. M. (2010) The concept of potential natural vegetation: an epitaph? Journal of Vegetation Science, 21, 6: 1172-1178
8. Clements F. E. (1916) Plant succession: an analysis of the development of vegetation. Carnegie Institution of Washington, Washington, DC, 512
9. Dale V. H., Joyce, L. A., Mcnulty, S., Neilson, R. P., Ayres, M. P.,
Flannigan, M. D., Hanson, P. J., Irland, L. C., Lugo, A. E., Peterson, C. J., Simberloff, D., Swanson, F. J., Stocks, B. J., Wotton,
B. M. (2001) Climate change and forest disturbances. Bioscience,
51, 9: 723-734
10. De Nascimento L., Willis, K. J., Fernandez-Palacios, J. M., Criado, C., Whittaker, R. J. (2009) The long-term ecology of the lost
forests of La Laguna, Tenerife (Canary Islands). Journal of Biogeography, 36, 3: 499-514
64(2012) št. 5
64(2012) št. 5
Journal of Forest Research-Revue Canadienne De Recherche Forestiere, 36, 3: 629-638
32. Nagel T. A., Levanic, T., Diaci, J. (2007) A dendroecological reconstruction of disturbance in an old- growth Fagus-Abies forest
in Slovenia. Annals of Forest Science, 64, 8: 891-897
33. Nagel T. A., Svoboda, M. (2008) Gap disturbance regime in an
old-growth Fagus-Abies forest in the Dinaric Mountains, BosniaHerzegovina. Canadian Journal of Forest Research-Revue Canadienne De Recherche Forestiere, 38, 11: 2728-2737
34. Nagel T. A., Svoboda, M., Diaci, J. (2006) Regeneration patterns
after intermediate wind disturbance in an old-growth Fagus-Abies
forest in southeastern Slovenia. Forest Ecology and Management,
226, 1-3: 268-278
35. Nagel T. A., Svoboda, M., Rugani, T., Diaci, J. (2010) Gap regeneration and replacement patterns in an old-growth Fagus-Abies
forest of Bosnia-Herzegovina. Plant Ecology, 208, 2: 307-318
36. Panayotov M., Kulakowski, D., Dos Santos, L. L., Bebi, P. (2011)
Wind disturbances shape old Norway spruce-dominated forest in
Bulgaria. Forest Ecology and Management, 262, 3: 470-481
37. Pickett S. T. A., White, P. S. (1985) The ecology of natural disturbance and patch dynamics. Academic Press, New York, 472
38. Prusa E. (1985) Die böhmischen und mährischen Urwälder - ihre
Struktur und Ökologie. Verlag der Tschechoslowakischen Akademie der Wisenschaften, Praga, 578
39. Seymour R. S., White, A. S., Demaynadier, P. G. (2002) Natural
disturbance regimes in northeastern North America - evaluating
silvicultural systems using natural scales and frequencies. Forest
Ecology and Management, 155, 1-3: 357-367
40. Splechtna B. E., Gratzer, G. (2005) Natural disturbances in Central
European forests: approaches and preliminary results from Rothwald, Austria. Forest Snow and Landscape Research, 79, 1-2: 57-67
41. Splechtna B. E., Gratzer, G., Black, B. A. (2005) Disturbance history of a European old-growth mixed-species forest - A spatial dendro-ecological analysis. Journal of Vegetation Science, 16, 5: 511-522
42. Svoboda M., Fraver, S., Janda, P., Bace, R., Zenahlikova, J.
(2010) Natural development and regeneration of a Central European montane spruce forest. Forest Ecology and Management,
260, 5: 707-714
43. Svoboda M., Janda, P., Nagel, T. A., Fraver, S., Rejzek, J., Bace,
R. (2012) Disturbance history of an old-growth sub-alpine Picea
abies stand in the Bohemian Forest, Czech Republic. Journal of Vegetation Science, 23, 1: 86-97
44. Svoboda M., Pouska, V. (2008) Structure of a Central-European
mountain spruce old-growth forest with respect to historical development. Forest Ecology and Management, 255, 7: 2177-2188
45. Szewczyk J., Szwagrzyk, J., Muter, E. (2011) Tree growth and disturbance dynamics in old-growth subalpine spruce forests of the
Western Carpathians. Canadian Journal of Forest Research-Revue
Canadienne De Recherche Forestiere, 41, 5: 938-944
46. Woods K. D. (2004) Intermediate disturbance in a late-successional
hemlock- northern hardwood forest. Journal of Ecology, 92, 3: 464-476
47. Zeleny D., Li, C. F., Chytry, M. (2010) Pattern of local plant species richness along a gradient of landscape topographical heterogeneity: result of spatial mass effect or environmental shift? Ecography, 33, 3: 578-589
48. Zielonka T., Holeksa, J., Fleischer, P., Kapusta, P. (2009) A treering reconstruction of wind disturbances in a forest of the Slovakian Tatra Mountains, Western Carpathians. Journal of Vegetation
Science, 21, 1: 31-42
49. Zielonka T., Malcher, P. (2009) The dynamics of a mountain
mixed forest under wind disturbances in the Tatra Mountains, central Europe - a dendroecological reconstruction. Canadian Journal
of Forest Research-Revue Canadienne De Recherche Forestiere,
39, 11: 2215-2223
raziskave in razvoj
11. Dengler J., Ewald, J., Kuhn, I., Peet, R. K. (2011) Ecoinformatics
and global change - an overdue liaison. Journal of Vegetation Science, 22, 4: 577-581
12. Ewald J. (2003) A critique for phytosociology. Journal of Vegetation Science, 14, 2: 291-296
13. Farris E., Filibeck, G., Marignani, M., Rosati, L. (2009) The power of potential natural vegetation (and of spatial-temporal scale): a response to Carrion & Fernandez (2009). Journal of Biogeography, 37, 11: 2212-2213
14. Firm D., Nagel, T. A., Diaci, J. (2009) Disturbance history and
dynamics of an old-growth mixed species mountain forest in the
Slovenian Alps. Forest Ecology and Management, 257, 9: 1893-1901
15. Gleason H. A. (1926) The individualistic concept of the plant association. Bulletin of the Torrey Botanical Club, 53, 7-26
16. Grodzki W., Jakus, R., Gazda, M. (2003) Patterns of bark beetle
occurrence in Norway spruce stands of national parks in Tatra Mts.
in Poland and Slovakia. Anzeiger Fur Schadlingskunde-Journal of
Pest Science, 76, 3: 78-82
17. Herault B., Honnay, O. (2007) Using life-history traits to achieve a functional classification of habitats. Applied Vegetation Science, 10, 1: 73-80
18. Keeton W. S. (2006) Managing for late-successional/old-growth
characteristics in northern hardwood-conifer forests. Forest Ecology and Management, 235, 1-3: 129-142
19. Korpel S. (1982) Degree of equilibrium and dynamical changes of
the forest on example of natural forests of Slowakia. Acta Facutatis
Forestalis, Zvolen, Czechoslovakia, 24, 9-30
20. Korpel S. (1995) Die Urwälder der Westkarpaten. Gustav Fischer
Verlag, Stuttgart, 312
21. Kucbel S., Jaloviar, P., Saniga, M., Vencurik, J., Klimas, V. (2010)
Canopy gaps in an old-growth fir-beech forest remnant of Western
Carpathians. European Journal of Forest Research, 129, 3: 249-259
22. Leibundgut H. (1982) Europäische Urwälder der Bergstufe.
Haupt, Bern, 308
23. Loidi J., Del Arco, M., De Paz, P. L. P., Asensi, A., Garretas, B.
D., Costa, M., Gonzalez, T. D., Fernandez-Gonzalez, F., Izco, J.,
Penas, A., Rivas-Martinez, S., Sanchez-Mata, D. (2010) Understanding properly the ‘potential natural vegetation’ concept. Journal of Biogeography, 37, 11: 2209-2211
24. Loidi J., Fernandez-Gonzalez, F. (2012) Potential natural vegetation: reburying or reboring? Journal of Vegetation Science,
25. Long J. N. (2009) Emulating natural disturbance regimes as a basis for forest management: A North American view. Forest Ecology
and Management, 257, 9: 1868-1873
26. Marinsek A. (2002) Development of initial phase after wind
throw in vigin forest Ravna Gora. University of Ljubljana, Department of Forestry, Ljubljana, 69
27. Mayer H., Ott, E. (1991) Gebirgswaldbau-Schutzwaldpflege.
Ein waldbaulicher Beitrag zur Land-schaftsökologie und zum
Umweltschutz. Gustav-Fischer Verlag, Stuttgart
28. Mitchell R. J., Huater, M. L., Palik, B. J. (2002) Natural disturbance as a guide to silviculture - Preface. Forest Ecology and Management, 155, 1-3: 315-317
29. Mori A. S. (2011) Ecosystem management based on natural disturbances: hierarchical context and non-equilibrium paradigm.
Journal of Applied Ecology, 48, 2: 280-292
30. Motta R., Berretti, R., Castagneri, D., Dukic, V., Garbarino, M.,
Govedar, Z., Lingua, E., Maunaga, Z., Meloni, F. (2011) Toward
a definition of the range of variability of central European mixed
Fagus-Abies-Picea forests: the nearly steady-state forest of Lom
(Bosnia and Herzegovina). Canadian Journal of Forest ResearchRevue Canadienne De Recherche Forestiere, 41, 9: 1871-1884
31. Nagel T. A., Diaci, J. (2006) Intermediate wind disturbance in an
old-growth beech-fir forest in southeastern Slovenia. Canadian
99
raziskave in razvoj
Barbara PIŠKUR* UDK 630*443
Endofiti v lesu – nadloga
ali skrit potencial?
Endophytes in the wood – a trouble or a hidden potential?
Povzetek: Endofiti so organizmi, ki živijo v oziroma na površini rastlin ter vsaj v delu življenjskega cikla ne povzročajo bolezenskih simptomov na gostitelju. Pozitivno vplivajo na rast in obrambne mehanizme gostitelja pred škodljivimi organizmi,
v določenih razmerah pa lahko postanejo patogeni in/ali saprofiti. Patogene aktivnosti endofitov se bodo zelo verjetno
povečevale zaradi predvidenih klimatskih sprememb in večanja globalnega trgovanja, tudi zato, ker karantenski ukrepi niso
prilagojeni za ugotavljanje in spremljanje latentnih oblik patogenov. V prispevku so opisane določene funkcije endofitnih
združb in pomen novejših metodologij za spremljanje in diagnostiko potencialno patogenih gliv.
Ključne besede: endofiti, les, molekularne metode, mutualizem, patogeni, saprofiti
Abstract: Endophytes are organisms that live within or on the surface of plants and at least in a part of their life cycle do
not cause disease symptoms on their host. Endophytes can positively affect plant growth and plant responses to harmful
organisms; under certain circumstances they can act as pathogens and/or saprophytes. Pathogenic activities of endophytes
are expected to increase due to predicted climate changes and global trade, especially since quarantine systems are not
well suited to deal with latent pathogens. This contribution presents selected functions of endophytic communities and the
importance of molecular methods to monitor and identify potentially pathogenic fungi.
Keywords: endophytes, wood, molecular methods, mutualism, pathogens, saprophytes
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Uvod
100
Glavne komponente olesenele celične stene so celuloza, hemiceluloza in lignin. Na lastnosti lesa pomembno
vplivajo tudi nizkomolekularne spojine (Fengel in Wegener, 1989). Delež celuloze v adultnem lesu je precej stalen
(42 ± 2 %) (Torelli, 1986). Hemiceluloza skupaj z ligninom
predstavlja ovojnico celuloznim vlaknom, ki vzdržuje
celovitost celulozne strukture ter ščiti celulozo pred razgradnjo (Uffen, 1997). V oleseneli celični steni je od 25 %
do 40 % hemiceluloze (Eaton in Hale, 1993; Saha, 2003).
Lignin je kompleksen tridimenzionalen polimer in predstavlja od 18 % do 33 % olesenele celične stene (Eaton in
Hale, 1993; Donaldson, 2001). V celični steni ima strukturno funkcijo, obenem pa omogoča vodno neprepustnost
ter predstavlja zaščito pred delovanjem škodljivih organizmov in pred oksidativnim stresom (Pérez in sod., 2002;
Hatfield in Fukushima, 2005).
* dr., Gozdarski inštitut Slovenije, Oddelek za varstvo gozdov, Večna pot 2, SI-1000
Ljubljana, Slovenija, e-pošta: [email protected]
Strukturne komponente lesa, predvsem ligninsko in hemicelulozno ogrodje ter visoko razmerje med ogljikom in
dušikom, ki variira v območju 300 do 1200 : 1, omogočajo,
da je les odporen, saj je neugoden ter težko izkoristljiv vir
hranil za organizme (Eaton in Hale, 1993; Piškur in Pohleven, 2008). Kljub temu pa je les biološko razgradljiv material, ki se v ustreznih razmerah nenehno spreminja in predstavlja življenjsko okolje spreminjajoči se združbi različnih
organizmov (Garstang in sod., 2002; Piškur in sod., 2009).
Leta 1866 je Anton de Bary uporabil besedo endofit, s katero je označil vso mikrobioto, ki se nahaja v rastlinskih
tkivih (de Bary, 1866). Zanimivo je, da so se predpostavke
o sterilnosti zdravih rastlinskih tkiv, tudi lesa, pojavljale še
sto let po nastanku endofitske terminologije (Shigo, 1972).
Danes je splošno znano, da so v sicer zdravih rastlinskih
tkivih prisotni različni organizmi, ki predstavljajo nevidne
ali asimptomatske okužbe ter med celotnim ali le v delu
življenjskega cikla ne povzročijo nastanka bolezenskih
simptomov na okuženi rastlini. Tako definirane organizme označujemo kot endofite. Endofiti lahko pozitivno
64(2012) št. 5
Vrednotenje mikrobno-glivnih združb v kompleksnih
ekosistemih kot je les predstavlja raziskovalni izziv. Klasične okoljske študije lesnih gliv se navadno nanašajo na popis trosnjakov ter uporabo hranilnih medijev za izolacijo
vegetativnih oblik gliv (Vainio in Hantula, 2000). Pri nekaterih vrstah je tvorba trosnjakov redek ter časovno in prostorsko variabilen pojav, odvisen od okoljskih dejavnikov.
Izolacija in gojenje v laboratorijskih razmerah večinoma
pospešuje hitrorastoče vrste, poleg tega pa lahko le 17 %
od trenutno znanih glivnih vrst gojimo na enostavnih oziroma splošno razširjenih gojiščih (Vainio in Hantula, 2000;
Bridge in Spooner, 2001; Hunt in sod., 2004). Zato je vpogled v vrstno pestrost kolonizatorjev lesa omejen (Vainio
in Hantula, 2000). Analiza sekvenc DNA, pridobljenih iz
različnih okoljskih vzorcev, postaja zato pomembna metoda okoljskih raziskav (Jellison in Jasalavich, 2000). Kljub
temu, da molekularne tehnike sicer olajšajo identifikacijo,
pa v bazah podatkov pogosto ni referenčnih nukleotidnih
zaporedij, ki bi omogočala identifikacijo do nivoja glivne
vrste. Vse to nakazuje, da raznolikost gliv v veliki meri ni
proučena, in Sieber (2007) predvideva, da je okoli 465.000
endofitskih glivnih vrst še vedno neopisanih.
Slika 1. Potencialne vloge endofitskih gliv (povzeto
po Porras-Alfaro in Bayman, 2011)
združbo gliv (prirejeno po Frankland, 1998; Hyde in Jones,
2002). Časovni razkroj lesa je odvisen od zaporedja delovanja gliv ter interakcij med njimi. Začetni kolonizatorji
izrabijo lažje dostopna hranila, sledijo vrste, ki so vpletene
v razgradnjo celuloze, hemiceluloze in lignina; hkrati nastane glivna in bakterijska biomasa, ki predstavlja nov vir
hranil (Boddy, 2001; Ponge, 2005). V začetnih stopnjah razgradnje lesa imajo verjetno pomembno vlogo endofitske
glive, saj je dokazano, da tvorijo encimatske sisteme, vpletene v razgradnjo strukturnih komponent lesa (Baum in
sod., 2003; Oses in sod., 2006). Baum in sodelavci (2003) so
ugotovili, da s časom inkubacije lesa v sterilnih razmerah
število izraščenih izolatov močno narašča. Zaprtotrosnice
(Ascomycota) imajo v primerjavi s prostotrosnicami (Basidiomycota) tudi daljše inkubacijske čase, da prodrejo iz
vzorcev lesa. Verjetno ima pomembno vlogo pri aktivaciji latentnih okužb v aktiven micelij sušenje beljave kot
posledica sušnih razmer, poškodbe koreninskega sistema
oziroma zmanjšanja transpiracije (Boddy, 1994).
raziskave in razvoj
vplivajo na rast in obrambne mehanizme gostitelja pred
škodljivimi organizmi, v določenih razmerah lahko postanejo patogeni in/ali saprofiti, velikokrat pa je njihova
vloga nepojasnjena (Slika 1). Znotraj iste gostiteljske skupine prevladujejo sorodne endofitske glivne vrste – red
Diaporthales (vrtačarji) prevladuje pri listavcih, red Helotiales (pecljarji) pa pri iglavcih. Evolucijsko razhajanje med
obema skupinama gliv sovpada z ločitvijo golosemenk in
kritosemenk, kar pomeni, da se dominantni endofiti evolucijsko razvijajo skupaj s svojimi gostitelji že več kot 300
milijonov let (Sieber, 2007).
Molekularni pristopi razkrivajo obsežno in do sedaj neodkrito raznolikost glivnih združb (npr. Vainio in Hantula,
2000; Vandenkoornhuyse in sod., 2002). Kljub temu pa
obstaja vrsta pomanjkljivosti pri izvedbi in analizi pridobljenih podatkov, zato je kritično pristopanje pri vrednotenju molekularnih rezultatov nujno.
Ena izmed pogosto uporabljenih tehnik za preučevanje
glivnih združb je denaturacijska gradientna gelska elektroforeza (DGGE) (Kirk in sod., 2004). Primer dinamike profilov
DGGE glivnih združb v bukovih sekancih je predstavljen
na Sliki 2. Vertikalne linije predstavljajo posamezne vzorce, lise pa predstavljajo posamezne glivne skupine. Opazimo lahko variabilnost v strukturi združb med posameznimi vzorci. V svežih sekancih (Slika 2, 0 msc) smo z metodo
DGGE zaznali glive, ki predstavljajo začetek razvoja glivnih
združb v sekancih. S časom se v lesni material zanesejo
spore in fragmenti micelija iz okolice, ki dodatno vplivajo na razvoj glivne združbe v lesnem materialu. En razred
S prispevkom želim osvetliti običajno prezrto komponento lesa – endofitske glive. Na primeru dveh že zaključenih
raziskav bom predstavila novejšo metodologijo, ki nam
omogoča vpogled v strukturo endofitskih združb v lesu
in s tem nakazuje velikanski potencial endofitskih gliv,
tako za različne biotehnološke aplikacije kot tudi za razvoj
novih bolezni rastlin.
Sukcesija gliv pri razgradnji lesnega
substrata
Sukcesija gliv je zaporedje pojavljanja in prostorske razporejenosti glivnih vrst, ki v določeni ekološki niši sestavljajo
64(2012) št. 5
Slika 2. Dinamika profilov DGGE glivne združbe v
vzorcih bukovih sekancev v 17 mesecih izpostavitve
abiotskim in biotskim dejavnikom
101
raziskave in razvoj
lis na gelu DGGE je prisoten tako v začetnem materialu
kot tudi v preostalih vzorcih sekancev. Predvidevamo, da
omenjeni razred predstavlja taksonomsko skupino gliv, ki
so v lesu bukve verjetno kot endofiti in v določenih razmerah preidejo na saprofitski način življenja. Skupina je
prisotna v celotnem obdobju spremljanja, kar nakazuje
njeno vlogo pri razgradnji lesa, saj lahko preživi v kompleksnem in spreminjajočem se okolju razgrajenega lesa
(Piškur, 2009; Piškur in sod., 2011a).
V veliki meri na preživetje in vzpostavitev združb vpliva
medsebojna povezanost med različnimi organizmi. Zato
smo preučevali, kako na razvoj glivne združbe vpliva
inokulacija substrata z izbrano glivo bele trohnobe Pleurotus ostreatus. V začetnih mesecih je imela dodana gliva
prednost pred drugimi organizmi in je začela z intenzivno kolonizacijo ter razgradnjo strukturnih komponent
lesa. Poleg tega je inokulacija z glivo P. ostreatus vplivala
na potek sukcesije gliv, saj se je v 17-mesečnem obdobju
spremljanja zmanjšala pestrost glivne združbe v primerjavi z naravno razvijajočo se združbo (Piškur, 2009; Piškur in
sod., 2009; Piškur in sod., 2011a). Izsledki so pomembni za
načrtovanje mikoremediacijskih strategij, kjer izkoriščamo
posebne glivne lastnosti za nevtralizacijo različnih organskih onesnažil ali za odstranjevanje težkih kovin iz kontaminiranih substratov oziroma apliciramo glive za sanacijo
degradiranih in z organskimi hranili osiromašenih tal (npr.
Pointing, 2001; Humar in Pohleven, 2003; Singh, 2006; Vidic, 2008; Piškur in sod., 2009). Kljub vsemu pa aplikacija
gliv ni vedno ekonomsko niti ekološko upravičena, saj, kot
smo ugotovili s spremljanjem razgradnih procesov lesa,
dodani glivni vcepek pomembno vpliva na razvoj glivnih
združb. Še več, lesni substrat je nosilec raznolike glivne
združbe, ki sodeluje v razgradnih procesih lesa in izraža
encimatske komplekse, ki bi lahko bili ključni v bioremediacijah (Piškur in sod., 2011a).
Patogene aktivnosti endofitskih gliv
Nekatere znane patogene glive so pogosto prisotne v/
na zdravih rastlinah, kjer običajno ne povzročajo bolezenskih simptomov. V kombinaciji z določenimi dejavniki
(npr. suše, poškodbe …) pa delujejo patogeno in sprožijo
razvoj bolezni (Sieber, 2007). Endofitske glive so namreč
običajno v speči, neaktivni obliki, ki pa se lahko ob spremenjenih razmerah v okolju »zbudijo« in začnejo z aktivno kolonizacijo svojega gostitelja, kar lahko vodi do obsežnih poškodb in celo do odmiranja gostitelja (Piškur in
Jurc, 2011).
Vrste gliv iz družine Botryosphaeriaceae so splošno razširjene endofitske glive, ki pa v povezavi s sušnim stresom,
mehanskimi poškodbami, zmrzaljo, sadnjo na neprimernih lokacijah ter biotskimi poškodbami lahko delujejo
102
patogeno (Slippers in Wingfield, 2007). Družina Botryosphaeriaceae je vrstno bogata družina, s številnimi kriptičnimi vrstami, ki jih lahko ugotovimo le z molekularnim
pristopom (Bickford in sod., 2007; Lombard in Crous, 2011).
Kompleksi morfološko težko ločljivih vrst so pri glivah pogosti in so vzrok pogostih napačnih identifikacij. Zanesljiva identifikacija povzročitelja bolezni je kritičen korak
pri napovedovanju potencialnega vpliva ter tveganja in
za določitev ustreznih ukrepov za omejitev bolezni oziroma njenega ekonomskega učinka. Pravilna taksonomska
umestitev je še posebej relevantna za potencialno invazivne in nove vrste, saj uveljavljanje karantenskih ukrepov
temelji ravno na natančni diagnozi (Desprez-Loustau in
sod., 2007). Nekatere regije v genomu lahko uporabimo
za identifikacijo vrst in izračun sorodnosti med različnimi
taksonomskimi skupinami, zato je v zadnjih letih aktualna pobuda za določitev regije DNA, ki bi predstavljala
črtno kodo za posamezno vrsto (The DNA Barcode of
Life Initiative). Kot najprimernejša regija za kraljestvo gliv
se pogosto omenja regija rDNA (ribosomska DNA), ki je
sestavljena iz nekodirajočih in iz evolucijsko stabilnejših
kodirajočih regij, vendar so v nekaterih primerih bolj informativni drugi odseki genoma (npr. geni za elongacijski
faktor 1-α, β-kalmodulin) (Rossman in Palm-Hernandez,
2008; Piškur, 2010; Lombard in Crous, 2011).
Kako nam novejše tehnike pomagajo razumeti razvoj
bolezni, nakazuje raziskava odmiranja črnih gabrov v Sloveniji in Italiji, ki se je začelo pojavljati po letu 1997. Kot
povzročiteljica odmiranja je bila določena gliva Botryosphaeria dothidea (družina Botryosphaeriaceae), do tedaj
neznana kot patogen črnih gabrov (Jurc in sod., 2006). S
preučevanjem genetske variabilnosti izolatov B. dothidea,
pridobljenih iz prizadetega območja, smo ugotovili heterogeno strukturo populacije omenjene glive, kar nakazuje, da je nenadni pojav bolezni črnih gabrov povezan s
samoniklo populacijo endofitske glive in ne kot posledica
vnosa patogena na prizadeto območje. Populacija omenjene vrste je sobivala s svojim gostiteljem – črnim gabrom, v določenem trenutku pa je nabor dejavnikov (najverjetneje suše in visoke temperature) sprožil patogene
aktivnosti do tedaj neškodljive glive (Piškur in Jurc, 2011;
Piškur in sod., 2011b).
Glive iz družine Botryosphaeriaceae predstavljajo skrito,
vendar izredno pomembno grožnjo vsem lesnatim rastlinam, predvsem zaradi vsesplošne razširjenosti, endofitne
latentne faze in nevarnosti, da izredno hitro povzročijo
bolezenske simptome pri gostiteljih, ki so izpostavljeni
stresu. Še več, patogene aktivnosti se bodo zelo verjetno
povečevale zaradi predvidenih klimatskih sprememb in
zaradi večanja globalnega trgovanja, predvsem, ker karantenski ukrepi niso prilagojeni za ugotavljanje in spre-
64(2012) št. 5
Endofitska variabilnost –
preživetvena strategija gostiteljev?
Variabilnost endofitskih združb je pogojena tako z gostiteljem kot z okoljskimi razmerami. Gosta poseljenost
gostiteljskih tkiv z endofitskimi glivami nakazuje na pomembnost takih združb za gostitelja, ki »izkoriščajo«
svoje endofitske najemnike za prilagajanje na okoljske
spremembe ter za obrambo pred herbivori, patogenimi
glivami in žuželkami (Jurc, 1997). Omenjene strategije
so dobro znane pri endofitskih glivah trav, pri lesnatih
rastlinah pa ostajajo ti pojavi bolj ali manj neraziskani
(Kannadan in Rudgers, 2008). Za oris številčnosti endofitskih združb nam je lahko raziskava Bissegerrja in Sieberja
(1994), ki je razkrila, da v 1,5 cm2 velikem koščku skorje lahko najdemo do šest različnih vrst endofitov (Carroll, 1995;
Porras-Alfaro in Bayman, 2011). Seveda pa je zaradi že
omenjenih omejitev klasičnih tehnik izolacije število vrst
podcenjeno. K pestrosti združb prispeva tudi raznolikost
med posameznimi osebki iste vrste.
Porras-Alfaro in Bayman (2011) povzemata več raziskav, v
katerih so ugotovili vpliv endofitov na prilagajanje rastlin
na stresne razmere, kot so npr. suša, povišane temperature ali povišana koncentracija CO2. Endofiti v takih razmerah vplivajo na izražanje gostiteljskih genov in s tem
posledično na metabolizem rastline. Znano je tudi, da
endofiti izločajo številne sekundarne metabolite (alkaloide, poliketide, terpenoide, flavonoide, steroide, itd.), ki
imajo farmakološko zanimive aktivnosti. V naravi pa so te
substance najverjetneje pomemben dejavnik pri obrambi
rastline pred napadi škodljivih organizmov. Nekatere izmed teh snovi vplivajo tudi neposredno na gostiteljske
obrambne mehanizme, tako da inducirajo sistemsko pridobljeno odpornost. Variabilnost endofitskih združb in
kompleksnost interakcij z gostiteljem lahko predstavljata
pomembno prednost za gostitelja v nenehno spreminjajočem se okolju (Porras-Alfaro in Bayman, 2011).
Slovarček
Črtna koda
DNA:
kratka regija DNA za namen določanja vrste (ang. DNA Barcode)
DNA:
deoksiribonukleinska kislina; tudi
DNK (uporabljamo samo v poljudnih
besedilih, ne v strokovnih prispevkih
ali učbenikih)
Elektroforeza DNA:
metoda, s katero ločujemo molekule
DNA glede na velikost in naboj. Molekule DNA se pod vplivom električnega polja začnejo zaradi negativnega
naboja fosfatne skupine na verigi
DNA premikati proti pozitivnemu
potencialu – anodi
Endofit:
organizem (običajno bakterija ali
gliva), ki živi v/na tkivih živih rastlin ter
med celotnim ali delnim življenjskim
ciklom ne povzroči nastanka bolezenskih simptomov na okuženi rastlini
Izolat (glive): čista micelijska kultura, izolirana iz populacije osebkov iz npr. okoljskega vzorca
(v nasprotju z izrazom sev, ki predstavlja izolat oziroma skupino izolatov z
znanimi fenotipskimi in/ali genotipskimi
lastnostmi, ki jih ločijo od drugih izolatov iste taksonomske skupine)
Karantenski
organizem:
škodljiv organizem (virus, bakterija,
gliva, rastlina, žival) za rastline ali njihove dele, ki pa še ni prisoten v neki
državi ali regiji kljub ugodnim razmeram za njegov razvoj oziroma je
njegova prisotnost pod strogim nadzorom. Opustitev nadzora in ukrepov
za preprečitev širjenja karantenskega
organizma lahko privede do hudih
ekoloških in ekonomskih posledic
Kriptične
vrste:
morfološko podobne vrste, ki se
razlikujejo na genetskem nivoju. S klasično identifikacijo kriptičnih vrst ne
moremo ločiti in jih pogosto zmotno
opisujemo kot eno vrsto
PCR:
verižna reakcija s polimerazo, kjer s
termostabilno polimerazo pomnožimo specifičen odsek v genomu
organizma, ki ga definiramo z dvema
začetnima oligonukleotidoma
Sekvenca
DNA:
zaporedje nukleotidov v DNA
Sterilnost:
stanje brez živih organizmov in spor
Zaključek
Vloga endofitov pri lesnatih rastlinah ostaja kljub vsemu
bolj ali manj nepojasnjena. Nekatere skupine endofitov
se pri določenih razmerah »aktivirajo« in začno delovati
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
mljanje latentnih patogenov. Z vnosom neavtohtonih rastlin v novo okolje prenesemo namreč tudi širok spekter
endofitskih gliv, ki lahko kužijo in povzročajo razvoj bolezenskih simptomov na sosednjih rastlinah, ki nimajo razvite odpornosti proti vnešenim vrstam. Po drugi strani pa
se lahko občutljivo razmerje med endofitom in gostiteljsko rastlino poruši že ob prenosu gostitelja v novo, eksotično okolje in se izrazi v razvoju bolezni na tem gostitelju
(Brasier, 2000; Slippers in Wingfield, 2007).
103
raziskave in razvoj
patogeno. Nekatere endofitske glive izločajo ligninolitične encime in imajo pomembno vlogo pri razgradnji lesa
odmrlih gostiteljev. Endofiti lahko delujejo kot zaščitniki
svojih gostiteljev in preprečujejo okužbe s patogenimi
glivami in napade žuželk. V določenih stresnih razmerah
lahko sobivanje endofita in gostitelja pomeni preživetveno strategijo. Največkrat pa so funkcije endofitov skrite in
nerazjasnjene. Za preučevanje in spremljanje endofitov
je čedalje pomembnejša implementacija molekularnih
tehnik, predvsem za diagnostiko potencialno patogenih
endofitskih gliv.
Zahvala
Prispevek je nastal v okviru programske skupine Gozdna
biologija, ekologija in tehnologija (P4-0107) in Javne gozdarske službe na Gozdarskem inštitutu Slovenije (Poročevalska, prognostično-diagnostična služba za gozdove).
Viri
1. Baum S., Sieber T., Schwarze F., Fink S. (2003) Latent infections
of Fomes fomentarius in the xylem of European beech (Fagus sylvatica). Mycological Progress, 2: 141-148
2. Bickford D., Lohman D.J., Sodhi N.S., Ng P.K.L., Meier R., Winker K., Ingram K.K., Das I. (2007) Cryptic species as a window
on diversity and conservation. Trends in Ecology & Evolution, 22:
148-155
3. Bissegger M., Sieber T.N. (1994) Assemblages of endophytic
fungi in coppice shoots of Castanea sativa. Mycologia, 86: 648-655
4. Boddy L. (1994) Latent decay fungi: The hidden foe? Arboricultural
Journal, 18: 113-135
5. Boddy L. (2001) Fungal community ecology and wood decomposition processes in angiosperms: from standing tree to complete decay of coarse woody debris. Ecological Bulletins, 49: 43-56
6. Brasier C. (2000) The rise of the hybrid fungi. Nature, 405: 134-135
7. Bridge P., Spooner B. (2001) Soil fungi: diversity and detection.
Plant and Soil, 232: 147-154
8. Carroll G.C. (1995) Forest endophytes: pattern and procesess. Canadian Journal of Botany, 73: S1316-S1324
9. de Bary A. (1866) Morphologie und Physiologie der Pilze, Flechten und Myxomyceten. Engelman, Leipzig, 316
10. Desprez-Loustau M.L., Robin C., Buee M., Courtecuisse R.,
Garbaye J., Suffert F., Sache I., Rizzo D.M. (2007) The fungal
dimension of biological invasions. Trends in Ecology & Evolution,
22: 472-80
11. Donaldson L.A. (2001) Lignification and lignin topochemistry an ultrastructural view. Phytochemistry, 57: 859-873
12. Eaton R.A., Hale M.D.C. (1993) Wood: decay, pests and protection. Chapman & Hall, London, 546
13. Fengel D., Wegener G. (1989) Wood: chemistry, ultrastructure,
reactions. Walter de Gruyter, Berlin, 613
14. Frankland J.C. (1998) Fungal succession - Unraveling the unpredictible. Mycological Research, 102: 1-15
15. Garstang J., Weekes A., Poulter R., Bartlett D. (2002) Identification and characterisation of factors affecting losses in the large-scale, non-ventilated bulk storage of wood chips and development of best storage practices URN 02/1535. First Renewables
Ltd, Leeds, 116
16. Hatfield R., Fukushima R.S. (2005) Can lignin be accurately me-
104
asured? Crop Science, 45: 832-839
17. Humar M., Pohleven F. (2003) Mikoremediacija s CCB (Cu/Cr/B)
pripravki zaščitenega lesa. V: Slovenski kemijski dnevi, Maribor, 25.
in 26. september 2003. Zbornik referatov s posvetovanja. Glavič P.,
Brodnjak-Vončina D. (Ur.), FKKT, Maribor, 1-6
18. Hunt J., Boddy L., Randerson P.F., Rogers H.J. (2004) An evaluation of 18S rDNA approaches for the study of fungal diversity in
grassland soils. Microbial Ecology, 47: 385-395
19. Hyde K.D., Jones E.B.G. (2002) Introduction to fungal succession. Fungal Diversity, 10: 1-4
20. Jellison J., Jasalavich C. (2000) A review of selected methods for
the detection of degradative fungi. International Biodeterioration
& Biodegradation, 46: 241-244
21. Jurc D., Ogris N., Grebenc T., Kraigher H. (2006) First report of
Botryosphaeria dothidea causing bark dieback of European hop
hornbeam in Slovenia. Plant Pathology, 55: 299
22. Jurc M. (1997) Patogeni - simbionti - endofiti: sinonimi ali samostojne kategorije organizmov? V: Zbornik predavanj in referatov 3.
slovenskega posvetovanja o varstvu rastlin v Portorožu od 4. do
5. marca 1997. Maček J. (Ur.), Društvo za varstvo rastlin Slovenije,
Ljubljana, 285-290
23. Kannadan S., Rudgers J.A. (2008) Endophyte symbiosis benefits
a rare grass under low water availability. Functional Ecology, 22:
706-713
24. Kirk J.L., Beaudette L.A., Hart M., Moutoglis P., Klironomos
J.N., Lee H., Trevors J.T. (2004) Methods of stuying soil microbial
diversity. Journal of Microbiological Methods, 58: 169-188
25. Lombard L., Crous P.W. (2011) DNA Barcoding of Botryosphaeriaceae. CBS-KNAW Fungal Biodiversity Centre. http://www.dnabarcodes2011.org/documents/presentations/12-2/taxsessionsa/
fungi1/1000-Lombard.pdf (23.2.2012)
26. Oses R., Valenzuela S., Freer J., Baeza J., Rodríguez J. (2006)
Evaluation of fungal endophytes for lignocellulolytic enzyme production and wood biodegradation. International Biodeterioration
& Biodegradation, 57: 129-135
27. Pérez J., Muñoz-Dorado J., de la Rubia T., Martínez J. (2002)
Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose and lignin: an overview. International Microbiology, 5: 53-63
28. Piškur B., Pohleven F. (2008) Les kot hrana. Wood as food. Les,
60: 92-97
29. Piškur B. (2009) Sukcesivni procesi razgradnje lesnega substrata
inokuliranega z glivo Pleurotus ostreatus na degradiranih območjih.
Doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 132
30. Piškur B., Zule J., Piškur M., Jurc D., Pohleven F. (2009) Fungal
wood decay in the presence of fly ash as indicated by gravimetrics and by extractability of low molecular weight volatile organic
acids. International Biodeterioration & Biodegradation, 63: 594-599
31. Piškur B. (2010) Kaj se dogaja z jesenom pri nas? - Četrto nadaljevanje. Gozdarski Vestnik, 68: 340-344
32. Piškur B., Bajc M., Robek R., Humar M., Sinjur I., Kadunc A.,
Oven P., Rep G., Al Sayegh Petkovšek S., Kraigher H., Jurc D.,
Pohleven F. (2011a) Influence of Pleurotus ostreatus inoculation on
wood degradation and fungal colonization. Bioresource Technology, 102: 10611-10617
33. Piškur B., Jurc D. (2011) Nenavadne vremenske razmere kot
sprožilci patogenih aktivnosti endofitnih gliv na primeru vrste
Botryosphaeria dothidea. V: Zbornik predavanj in referatov 10. slovenskega posvetovanja o varstvu rastlin z mednarodno udeležbo,
Podčetrtek, 12. marec 2011. Maček J., Trdan S. (Ur.), Društvo za varstvo rastlin Slovenije, Ljubljana, 242-245
34. Piškur B., Pavlic D., Slippers B., Ogris N., Maresi G., Wingfield
M., Jurc D. (2011b) Diversity and pathogenicity of Botryosphaeriaceae on declining Ostrya carpinifolia in Slovenia and Italy fol-
64(2012) št. 5
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
lowing extreme weather conditions. European Journal of Forest
Research, 130: 235-249
35. Pointing S.B. (2001) Feasibility of bioremediation by white-rot
fungi. Applied Microbiology and Biotechnology, 57: 20-33
36. Ponge J.F. (2005) Fungal communities: relation to resource succession. V: The fungal community. Its organization and role in the
ecosystem. Dighton J., White J.F., Oudemans P. (Ur.), Taylor & Francis
Group, Boca Raton, 169-180
37. Porras-Alfaro A., Bayman P. (2011) Hidden fungi, emergent properties: endophytes and microbiomes. Annual Review of Phytopathology, 49: 291-315
38. Rossman A.Y., Palm-Hernandez M.E. (2008) Systematics of
plant pathogenic fungi: Why it matters. Plant Disease, 92: 13761386
39. Saha B.C. (2003) Hemicellulose bioconversion. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 30: 279-291
40. Shigo A.L. (1972) Successions of microorganisms and patterns of
discoloration and decay after wounding in red oak and white oak.
Phytopathology, 62: 256-259
41. Sieber T.N. (2007) Endophytic fungi in forest trees: are they mutualists? Fungal Biology Reviews, 21: 75-89
42. Singh H. (2006) Mycoremediation: fungal bioremediation. John
Wiley & Sons, New Jersey, 592
43. Slippers B., Wingfield M.J. (2007) Botryosphaeriaceae as endophytes and latent pathogens of woody plants: diversity, ecology and impact. Fungal Biology Reviews, 21: 90-106
44. Torelli N. (1986) Zgradba lesa. Biotehniška fakulteta, Oddelek za
lesarstvo, Ljubljana, 52
45. Uffen R.L. (1997) Xylan degradation: a glimpse at microbial diversity. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 19: 1-6
46. Vainio E.J., Hantula J. (2000) Direct analysis of wood-inhabiting
fungi using denaturing gradient gel electrophoresis of amplified
ribosomal DNA. Mycological Research, 104: 927-936
47. Vandenkoornhuyse P., Baldauf S.L., Leyval C., Straczek J., Young J.P.W. (2002) Extensive fungal diversity in plant roots. Science, 295: 2051
48. Vidic I. (2008) Razgradnja kloriranih organskih biocidov z lignolitičnimi glivami. Magistrsko delo, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 104
105
raziskave in razvoj
Tjaša Tolar*, Anton Velušček*, Katarina Čufar** UDK 903(497.4 Stare gmajne)«636«
Arheobotanične raziskave na
kolišču Stare gmajne, datiranem
na osnovi raziskav lesa
Archaeobotanical investigations at the pile-dwelling site
Stare gmajne, dated on the basis of wood investigations
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: Na kolišču Stare gmajne z Ljubljanskega barja smo pridobili in raziskali 932 vzorcev lesa. Z uporabo dendrokronologije ter metod 14C in »wiggle matching« smo ugotovili, da je bilo naseljeno od 3350 do 3330 in od 3160 do 3110 pr. n.
št. Vpeljali smo nove metode arheobotaničnih raziskav in analizirali makrorastlinske ostanke (semena in plodove), iz obeh
obdobij naselbine. Glavne kulturne rastline, ki so jih gojili koliščarji: eno- in dvozrna pšenica, ječmen, mak, lan in grah. Za prehrano so nabirali: jabolka, hruške, jagode, robide, volčje jabolko, rumeni dren, glog, črni trn, grozdje, šipek ter želode, lešnike
in vodne oreške. Z novimi reprezentativnimi arheobotaničnimi metodami smo na najdišču prazgodovinske naselbine v Sloveniji prvič identificirali lan ter eno- in dvozrno pšenico na podlagi ohranjenih žitnih plev. Primerjave naših arheobotaničnih
rezultatov z rezultati raziskav s sočasnih kolišč severno od Alp so pokazale, da so pri nas gojili eno- in dvozrno pšenico, severno od Alp pa trdo pšenico. Na slovenskem kolišču so bili bistveno bolj pogosti plodovi rumenega drena, vodnega oreška
in vinske trte.
Ključne besede: arheobotanika, datiranje, dendrokronologija, koliščarska naselbina, les, Ljubljansko barje, makrorastlinski ostanki
106
Abstract: We investigated 932 samples of wood from the prehistoric pile-dwelling site Stare gmajne at Ljubljansko barje.
With the help of dendrochronology, radiocarbon dating and wiggle matching method we established that the dwelling
was settled in two periods from approximately 3350 until 3330, and from 3160 until 3110 cal. BC. We introduced an archaeobotanical method which is widely used in other European laboratories and identified macrobotanical remains (seeds
and fruits) from both settlement periods. Most important cultural plants were: einkorn, emmer, barley, opium poppy, flax
and peas. Most frequent gathered plants were: apples, pears, strawberries, blackberries, bladder cherries, cornelian cherries,
hawthorns, blackthorns, grapes, dog-rose berries and nuts (acorn, hazel nut and water chestnut). While a widely accepted
method was used, we identified for the first time flax and einkorn / emmer wheat on the basis of chaff remains at a Slovenian prehistoric site. We compared plant economy habits between Stare gmajne and some contemporaneous lake dwellings
around the Alps; the most important cultivated wheats at Stare gmajne were emmer and einkorn, while at the sites north of
the Alps naked wheat was often found. Corenlian cherry, water chestnut, and grape vine were frequent at Stare gmajne, but
they were rare or were not found on the sites north of the Alps.
Keywords: archaeobotany, dating, dendrochronology, pile-dwelling settlement, wood, Ljubljansko barje, macrobotanical remains
1. Uvod
* dr., Inštitut za arheologijo Znanstvenoraziskovalnega centra Slovenske akademije
znanosti in umetnosti, Novi trg 2, 1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
** prof. dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana
Arheobotanika raziskuje rastlinske ostanke, ki so se ohranili v sedimentu z arheoloških najdišč. Rastlinski ostanki so
t. i. ekofakti in so največkrat rezultat človekove aktivnosti.
Z njihovimi raziskavami ugotavljamo predvsem, s čim so
64(2012) št. 5
Ljubljansko barje predstavlja zakladnico arheoloških najdišč in z njimi tudi botaničnih ostankov, predvsem iz obdobja kolišč, tj. s konca mlajše kamene, celotne bakrene
in starejšega dela bronaste dobe, od približno 4600 do
1500 pr. n. št. (Velušček, 2006; Velušček in sod., 2011). Pri
nas do pred kratkim kolišča niso bila natančno datirana,
v arheobotaniki pa so uporabljali metode, ki niso bile primerljive z metodami, ki jih uporabljajo sodobni laboratoriji drugod po svetu.
Cilj prispevka je predstaviti del raziskav, ki so bile opravljene
v okviru doktorske disertacije Tjaše Tolar z naslovom Arheobotanične raziskave na najdiščih z Ljubljanskega barja (Tolar, 2011). Predstaviti želimo glavne rezultate arheobotaničnih raziskav, kjer smo najprej kritično ovrednotili dosedanje
arheobotanične metode in uvedli novo reprezentativno
metodologijo, prirejeno za slovenske razmere. Raziskave
smo opravili na koliščarski naselbini Stare gmajne.
Posebej smo se posvetili tudi raziskavam arheološkega
lesa. Z dendrokronološkimi in radiokarbonskimi analizami
smo Stare gmajne absolutno datirali in ugotovili, da je bilo
območje poseljeno dvakrat, od približno 3350 do 3330,
po prekinitvi pa še od približno 3160 do 3110 pr. n. št. Ker
smo uporabili reprezentativne arheobotanične metode,
smo dobljene rezultate lahko primerjali z rezultati raziskav
na istodobnih naselbinah v širšem srednjeevropskem
prostoru.
2. Material in metode dela
Najdišče Stare gmajne
Material za pričujoče raziskave smo pridobili z arheološkega najdišča Stare gmajne (sl. 1a), ki ga kulturno uvrščamo
64(2012) št. 5
v bakreno dobo. V času Starih gmajn je na Ljubljanskem
barju in v širšem območju Alp živelo več koliščarskih naselbin (sl. 1).
Raziskave lesa
Na Starih gmajnah je bil les za raziskave pobran iz osmih
drenažnih jarkov in treh sond (sl. 2a), in sicer v letih: 2002,
2004, 2006 in 2007. Zbranih je bilo 932 vzorcev, iz vseh odkritih lesenih najdb (večinoma kolov), ne glede na obliko,
premer in lesno vrsto. Lesenim elementom smo najprej
izmerili natančne koordinate in nato odžagali 10 cm do
20 cm dolg vzorec, ki smo ga takoj po odvzemu izmerili, označili z identifikacijsko številko in ga zalitega z vodo
shranili v neprodušno zaprti polietilenski vrečki.
raziskave in razvoj
se ljudje prehranjevali in kako so rastline in njihove dele
znali uporabiti, npr. za kurjavo, krmo in steljo domačim
živalim, za izdelavo tekstila, vrvi, nakita, lesenih kuhinjskih pripomočkov, toporišč za orodja, čolnov, vozov in za
gradnjo bivališč. Rastlinski ostanki so pogosto zogleneli
in predstavljajo pooglenel les s kurišč, ostanke predmetov, ki jih je uničil požar ter zoglenela semena in plodove
prehranskih rastlin, predvsem žitnih zrn in plev. Nezogleneli rastlinski ostanki pa se lahko dolgo, tudi več tisočletij,
ohranijo pod vodo ali v z vodo prepojenem, ilovnatem
in zato anoksičnem okolju. Ostanki rastlin s časom doživljajo počasne spremembe. Procesu (fosilizaciji), ki vodi v
njihovo ohranitev, pravimo tafonomija (Schiffer, 1987; Jacomet in Kreuz, 1999), od katere je odvisno kaj in koliko
makrorastlinskih ostankov bomo lahko pridobili iz sedimenta. Rezultati so odvisni tudi od raziskovalnih metod,
ki vključujejo: vzorčenje na terenu, transport, skladiščenje,
shranjevanje, spiranje / sejanje, sortiranje, identifikacijo in
kvantifikacijo ostankov (Tolar in sod., 2010).
V dendrokronološkem laboratoriju smo vzorce lesa obdelali z mizarskimi stroji, nato pa jih posamično globoko
zamrznili in jim zgladili prečno površino. Sledil je pregled
pod stereomikroskopom in štetje branik. Lesno vrsto smo
pri hrastu in jesenu določili z opazovanjem pod stereomikroskopom, za druge vrste pa smo naredili 20 µm debele preparate vseh treh anatomskih prerezov in opravili
mikroskopsko identifikacijo lesa s pomočjo uveljavljenih
ključev (Schweingruber, 1990; Torelli, 1991; Richter in Dallwitz, 2002; Schoch in sod., 2004).
Za dendrokronološke meritve smo izbrali samo vzorce
hrasta in jesena, ki so imeli več kot 45 branik. Širine branik
smo merili s pomočjo pomične mizice, stereomikroskopa
in računalniškega programa TSAP / X in TSAP / Win. Dobljena zaporedja širin branik smo sinhronizirali in združili v
kronologije širin branik, ločeno za jesen in hrast. Sestavili
smo dve jesenovi in dve hrastovi kronologiji.
Kronologije s Starih gmajn smo primerjali z že obstoječimi
kronologijami širin branik za kolišča na Ljubljanskem barju. Iz štirih skrbno izbranih vzorcev merjenega lesa smo
odvzeli vzorce lesa, ki so vsebovali od 5 do 10 relativno
datiranih branik in jih poslali na radiokarbonsko datiranje
v Heidelberger Akademie der Wissenschaften, Radiometrische Altersbestimmung von Wasser und Sedimenten.
Ko smo pridobili radiokarbonske datume, smo z metodo
»wiggle-matching« uspešno absolutno datirali dve hrastovi kronologiji, na osnovi datumov posekov lesa pa smo
ocenili, kdaj je naselbina živela (Čufar in sod., 2009; 2010).
Analiza makrorastlinskih ostankov
Večino materiala za arheobotanične raziskave smo pridobili med arheološkim izkopavanjem v letu 2007 (Tolar in
sod., 2010; 2011). Lokacije in pogostnost odvzema vzorcev
smo določili že pred začetkom izkopavanja, vzorčenje pa
je bilo naključno sistematično, kar pomeni, da smo vzorce
jemali iz treh naključno določenih točk (kvadrantov) (sl. 2b)
107
raziskave in razvoj
Slika 1. a) Ljubljansko barje ter lega koliščarske naselbine Stare gmajne in nekaterih kolišč iz 4. tisočletja pr.
n. št. in b) mesta sočasnih naselbin v širšem alpskem prostoru (risbi: Tamara Korošec, 2012).
Fig. 1. a) Ljubljansko barje with pile-dwelling settlement Stare gmajne and some other pile-dwellings from
the 4th millennium BC and b) locations of contemporaneous dwellings in the circum Alpine region (drawings:
Tamara Korošec, 2012).
108
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
Slika 2. a) Najdišče Stare gmajne, z označenimi 8 jarki in 3 sondami, od koder je bil zbran les za raziskave.
Vzorci za arheobotanične raziskave so bili odvzeti iz sonde 3. b)Tloris izkopane sonde 3 iz leta 2007 s sivo
označenimi kvadranti, ki so bili naključno izbrani za arheobotanično vzorčenje (horizontalno vzorčenje).
c) Pogled na izkopano sondo 3. d) Prerez izkopane sonde 3, na levi prikaz 5 cm poglobitev (vertikalno
vzorčenje) (risbe: Tamara Korošec, 2011; foto: Dejan Veranič).
Fig. 2. a) Stare gmajne site with marked 8 drainage ditches and 3 trenches, from where wood was collected.
Archaeobotanical samples were taken from the trench no. 3, in the year 2007. b) Marked, grey quadrants in the
trench no. 3 were randomly chosen for sampling (horizontal sampling). c) View on the excavated trench no. 3.
d) The vertical stratigraphy of the trench; on the left 5 cm deepenings are shown (vertical sampling) (drawings:
Tamara Korošec, 2011; photo: Dejan Veranič).
v raziskovalni sondi (sl. 2c) in sistematično, iz vsakega kvadranta ločeno, po 5 cm poglobitvah (sl. 2d). Tako smo skupno zbrali 15 vzorcev sedimenta (po cca. 2 do 3 kg oz. litre).
Po končanem izkopavanju je bilo ugotovljeno, da 4. in 5.
poglobitvi pripadata mlajši, 7. in 8. poglobitvi pa starejši
fazi poselitve (sl. 2d). 6. poglobitev smo med raziskavami
poimenovali kot vmesno (IL) fazo.
2 do 3 kg oz. litrske mokre vzorce sedimenta, shranjene
na hladnem v neprodušno zaprtih polietilenskih vrečkah,
64(2012) št. 5
smo po končanem izkopavanju spirali oz. mokro sejali v
laboratoriju preko sit dveh velikosti (2 mm in 0,355 mm).
Delo je potekalo počasi, s polflotacijo in z nežnim curkom
vode. Na sitih so tako ostali organski, predvsem makrorastlinski ostanki (sl. 3a), ki smo jih nežno pobrali s sit, ločeno za veliko (2 mm) in malo (0,355 mm) frakcijo. Organske frakcije s sit smo shranili v PVC lončkih, z dodatkom
destilirane vode in v hladilniku, da ni prišlo do propada
organskih ostankov, ki smo jih želeli preučiti. Makrorastlinske ostanke, večje od 0,355 mm, smo nato analizirali pod
109
raziskave in razvoj
3. Rezultati in razprava
Raziskave lesa in datiranje naselbine
Slika 3. Mokro presejan arheobotanični vzorec s
kolišča Stare gmajne: a) organske frakcije na sitih,
b) makrorastlinski ostanki pod stereomikroskopom
(vodni sovec (Oenanthe aquatica) v ospredju) (foto:
Tjaša Tolar, 2007).
Fig. 3. Wet sieved archaeobotanical sample from the
pile-dwelling site Stare gmajne: a) organic fractions
on the sieves, b) macrobotanical remains under
stereomicroscope (Oenanthe aquatica in the middle)
(photo: Tjaša Tolar, 2007).
stereomikroskopom z do 50-kratno povečavo (sl. 3b). Pri
delu (sortiranju oz. prebiranju makroostankov) smo uporabili mehko pinceto in ločevalne PVC škatlice. Najdbe (v
večini semena in plodove) smo zalivali z destilirano vodo,
za daljšo konzervacijo pa smo uporabili zmes kemikalij (alkohol : glicerin : destilirana voda : thymol) v razmerju (1 :
1 : 1 : 0,1). Sledila je identifikacija in štetje makrorastlinskih
ostankov. Pri identifikaciji arheoloških semen in plodov
smo uporabili določevalne ključe (npr. Beijerinck, 1947;
Berggren, 1969 in 1981; Schoch in sod., 1988; Anderberg,
1994; Jones in sod., 2004; Cappers in sod., 2006) ter lastno referenčno zbirko recentnih in arheoloških semen /
plodov.
Sledilo je štetje identificiranih makrorastlinskih ostankov,
pri čemer smo se držali vnaprej določenih kriterijev, kaj
šteti kot eno enoto (npr. Tolar in sod., 2011, tab. 1, str. 210),
saj so nezogleneli organski ostanki, stari več tisoč let, v
večini primerov ohranjeni le kot fragmenti.
110
Arheološki les s Starih gmajn je, tako kot pri drugih koliščarskih naselbinah na Ljubljanskem barju, večinoma
ostanek navpičnih kolov, ki so jih koliščarji zabili v tla in na
njih postavili bivališča. Na osnovi anatomije lesa smo v nekaterih primerih določili lesno vrsto, v primerih, ko na Ljubljanskem barju in njegovi okolici uspeva več predstavnikov istega rodu, ki jih na osnovi zgradbe lesa ne moremo
zanesljivo razlikovati, pa smo določili le rod (npr. Quercus
sp. in Fraxinus sp.). Najpogosteje uporabljeni gradbeni les
na Starih gmajnah je jesenovina (Fraxinus sp.), ki je zastopana s kar 44 % vzorcev, sledi pa ji hrastovina (Quercus sp.)
s 36 % vzorcev (sl. 4). Le petina vzorcev je pripadala drugim vrstam, med katerimi so koli iz lesa topola (Populus
sp.), bukve (Fagus sylvatica), jelše (Alnus glutinosa), javorja
(Acer sp.), vrbe (Salix sp.), leske (Corylus avellana), belega
gabra (Carpinus betulus) in jelke (Abies alba). Manjše število
vzorcev (pod 1 %) je bilo preveč uničenih, da bi lahko določili lesno vrsto oz. rod.
Za merjenje širin branik je bilo primernih le 115 (12 %)
vzorcev jesena in 193 (33 %) vzorcev hrasta, ki so imeli nad
45 branik. Sestavili smo dve kronologiji jesena in dve kronologiji hrasta in vanju vključili 34 vzorcev jesena in 124
vzorcev hrasta, kar predstavlja 17 % od vseh 932 raziskanih vzorcev (sl. 4). Kronologiji hrasta, SG-QUSP2 (SG-old)
in SG-QUSP1 (SG-young), sta bili najbolj primerni za datiranje (sl. 5).
SG-old kronologijo hrasta smo sinhronizirali s kronologijama dveh koliščarskih naselbin na Ljubljanskem barju, Spodnje mostišče (SM-QU123) in Črešnja pri Bistri (CR-QUSP1)
(za lokacijo glej sl. 1a), radiokarbonski datumi pa so omogočili, da smo zadnjo braniko na kronologiji SG-old datirali v leto 3330 (± 10) pr. n. št. Po pregledu datumov posekov
dreves za kole smo ugotovili, da je bila naselbina naseljena približno dve desetletji v obdobju 3350 – 3330 (± 10)
pr. n. št. (Čufar in sod., 2010).
SG-young kronologijo smo sinhronizirali s kronologijo koliščarske naselbine Veliki Otavnik (VO-QUSP1) na Ljubljanskem barju (za lokacijo glej sl. 1a). Na osnovi treh radiokarbonskih datumov in metode »wiggle-matching«, smo
tudi to kronologijo datirali in določili leto nastanka zadnje
branike, tj. 3110 (± 12) pr. n. št., kolišče pa je bilo naseljeno
približno 50 let v obdobju 3160 – 3110 (± 12) pr. n. št. (Čufar in sod., 2010).
Stare gmajne so bile torej poseljene v dveh obdobjih (sl.
5). Ugotovljena vmesna 170-letna prekinitev v poselitvi območja Starih gmajn sovpada z najverjetnejšo prekinitvijo v
poselitvi celotnega Ljubljanskega barja. Več študij tudi po-
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
Slika 4. Deleži lesnih vrst na kolišču Stare gmajne: jesen (Fraxinus sp.), hrast (Quercus sp.), topol (Populus sp.),
bukev (Fagus sylvatica), jelša (Alnus glutinosa), javor (Acer sp.), vrba (Salix sp.), leska (Corylus avellana), beli
gaber (Carpinus betulus), jelka (Abies alba) in neidentificiran les. Identificirali smo 932 kosov lesa, merjenje
širin branik smo opravili na skupno 33 % vzorcih jesena in hrasta, sinhronizirali in relativno datirali pa smo
17 % vzorcev.
Figure 4. Percentages of wood species / genera on the pile-dwelling Stare gmajne: ash (Fraxinus sp.), oak
(Quercus sp.), polar (Populus sp.), beech (Fagus sylvatica), elder (Alnus glutinosa), maple (Acer sp.), willow (Salix
sp.), hazel (Corylus avellana), hornbeam (Carpinus betulus), fir (Abies alba) and not identified wood (neidentificirano). We identified 932 pieces of wood which mainly represented the rests of piles on which the dwellings
were built. We measured tree-ring widths in 33 % of samples of ash and oak. Only 17 % samples (of total) were
successfully cross-dated and joined in tree-ring chronologies.
Slika 5. Hrastovi kronologiji širin branik SG-old (zadnje leto 3330 (± 10) pr. n. št.) in SG-young (zadnje leto
3110 (± 12) pr. n. št.) iz koliščarske naselbine Stare gmajne, datirani na osnovi radiokarbonskih datumov in
metode »wiggle-matching« (prim. Čufar in sod., 2010). Obarvani sta obdobji, ko je bilo kolišče naseljeno.
Figure 5. Tree-ring chronologies of oak SG-old (end date 3330 (± 10) cal. BC) and SG-young (end date 3110 (± 12)
cal. BC) from the pile-dwelling Stare gmajne, dated with the help of radiocarbon and wiggle-matching method
(c.f. Čufar et al., 2010). The periods when the dwelling was settled are coloured.
64(2012) št. 5
111
raziskave in razvoj
roča, da je bilo to obdobje, ko so se verjetno dogajale klimatske spremembe (ohladitve in več padavin), ki so vplivale na migracije takratnih prebivalcev koliščarskih naselbin
v celotnem Alpskem prostoru (npr. Magny in Haas, 2004).
Omenjeni kronologiji sta omogočili, da smo na ± 12 let
natančno datirali tudi arheološke plasti in arheobotanične ostanke v njih.
Raziskave ostalih makrorastlinskih
ostankov
S pomočjo opisanih dendrokronoloških raziskav smo
arheobotanične vzorce, ki so bili sistematično odvzeti iz
kulturne plasti (sl. 2b), tudi dokaj natančno datirali. Vzorci
iz mlajše ali pozne faze poselitve (PF) so datirani okoli 3110
pr. n. št., vzorci iz starejše ali zgodnje faze poselitve (ZF) pa
okoli 3330 pr. n. št. Vmesna, 6. poglobitev (VF), na podlagi
arheobotaničnih rezultatov (pregl. 1), najverjetneje pripada zgodnejši naselbini.
Iz preglednice 1 lahko razberemo, da so bile najpomembnejše kulturne rastline na kolišču Stare gmajne, tako v starejši kot tudi v mlajši fazi: eno- in dvozrna pšenica, ječmen,
mak, lan in v manjši meri tudi grah. Opazne so razlike v
koncentracijah semen / plodov med starejšo in mlajšo
poselitveno fazo, ki kažejo na arheobotanično bogatejše
plasti v starejši fazi poselitve, kar predvsem pomeni, da je
bila zgodnejša faza poselitve na točki, kjer smo izkopavali
Preglednica 1. Povprečne koncentracije semen / plodov (na liter sedimenta) najpomembnejših prehranskih
rastlin na najdišču Stare gmajne. Ločeno za zgodnjo (tj. starejšo) poselitveno fazo (ZF): datirano v okvirno
3350–3330 let pr. n. št., pozno (tj. mlajšo) poselitveno fazo (PF): datirano v okvirno 3160–3110 let pr. n. št. in
za vmesno (VF) fazo poselitve.
Table 1. Average plant concentrations of the most important edible plant taxa at Stare gmajne for the early
(dated app. 3350–3330 cal. BC) (ZF), intermediate (VF) and later (dated app. 3160–3110 cal. BC) (PF) settlement
phase.
112
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
Slika 6. Arheobotanične najdbe pomembnejših kulturnih rastlin s Starih gmajn: a) zoglenela pleva dvozrne
pšenice (Triticum dicoccum), b) zoglenela pleva enozrne pšenice (Triticum monococcum), c) zogleneli rahisi
ječmena (Hordeum vulgare), d) nezoglenelo seme maka (Papaver somniferum), e) nezoglenelo seme lanu
(Linum usitatissimum), f) zoglenela zrna ječmena (Hordeum vulgare) (foto: Tjaša Tolar, 2007).
Fig. 6: Archaeobotanical remains of most important cultural plants from Stare gmajne: a) charred spikelet fork
of emmer (Triticum dicoccum) and b) einkorn (Triticum monococcum), c) charred rachis fragment of barley
(Hordeum vulgare), d) uncarbonised opium poppy (Papaver somniferum) seed and e) flax (Linum usitatissimum)
seed, f) charred barley (Hordeum vulgare) grain (photo: Tjaša Tolar, 2007).
(glej sl. 2a: sonda 2007), močnejša. Čeprav je bil raziskani
vzorec v primerjavi z velikostjo celotne naselbine (sl. 2a)
zelo majhen, nakazuje, da je bila v zgodnji poselitveni fazi
pomembnejša dvozrna pšenica, v poznejši oz. mlajši fazi
pa ječmen. Tudi lan in mak sta bolje zastopana v zgodnejši naselbini (pregl. 1).
Med rastlinami, ki so jih nabirali, so bili najpogostejši gozdni in obgozdni sadeži: jabolka, hruške (lesnike in drobnice), gozdne jagode, robide, plodovi volčjega jabolka,
drenulje rumenega drena, glog, črni trn, grozdje divje
vinske trte, šipek ter oreški: hrasta (želod), leske (lešnik) in
vodnega oreška.
Arheobotanični rezultati z mokrotnih barjanskih tal prispevajo tudi zanimive podatke o okoljski vegetaciji. V z
vodo prepojenih, anoksičnih in ilovnatih tleh je namreč
zavrta mikrobiološka razgradnja organskih ostankov, zato
smo lahko iz vzorcev, odvzetih iz kulturne plasti, na podlagi nezoglenelih makrorastlinskih ostankov (v večini semen
64(2012) št. 5
in plodov), identificirali 71 rastlinskih taksonov divjih, torej
negojenih, rastlinskih vrst, ki jih lahko razvrstimo v 6 večjih
skupin, glede na ekološke razmere, v katerih uspevajo oz.
jih potrebujejo za rast in razmnoževanje (npr. po Behre
in Jacomet, 1991; Brombacher in Jacomet, 1997): vodne
rastline (V), obrežne in močvirske rastline (OM), gozdne
rastline (G), rastline z gozdnega obrobja in jas (GJ), plevelne in ruderalne rastline (PR) ter rastline s travišč (T), (sl. 7).
Ob predpostavki, da večina identificiranih rastlinskih taksonov, ugotovljenih na podlagi analize makrorastlinskih
ostankov iz kulturne plasti (če izvzamemo taksone kulturnih rastlin), predstavlja ostanke naravnega rastja na najdišču, sklepamo, da se je kolišče nahajalo v bližini jezera in
na mokrotnih / močvirnih tleh. Najdene so bile namreč
tako močvirske kot tudi prave vodne rastlinske vrste. Naleteli smo tudi na vrste, ki kažejo na občasno osušene
terene, kar bi lahko pomenilo, da se je jezero periodično
krčilo in poplavljalo, oz. da je prihajalo do spremenjenih
okoljskih razmer.
113
raziskave in razvoj
monococcum) in dvozrno pšenico (Triticum dicoccum). To
potrjuje nedavno privzeto hipotezo, da so trdo pšenico
začeli prej kultivirati severno od Alp in ne južno / vzhodno
od Alp, kot so predpostavljali doslej in kot velja za večino
kultivarjev (Maier, 1996; Hosch in Jacomet, 2001; Jacomet,
2007; 2009).
Ugotovili smo tudi nekaj razlik v uporabi (in najverjetneje
tudi uspevanju) sadežev in oreškov divjih rastlinskih vrst.
Na najdišču Stare gmajne so pogosto nabirali grozdje divje vinske trte ter plodove rumenega drena in vodnega
oreška. Najdbe ostankov teh rastlin so bile severno od Alp
zelo redke ali pa jih sploh ni bilo. Uspevanje trte, rumenega drena in vodnega oreška v Sloveniji nakazuje, da je bila
klima pri nas nekoliko toplejša kot severno od Alp.
Slika 7. Deleži 71 identificiranih divje rastočih rastlinskih taksonov glede na ekološke skupine. Vodne
rastline (V), obrežne in močvirske rastline (OM),
gozdne rastline (G), rastline z gozdnega obrobja in
jas (GJ), plevelne in ruderalne rastline (PR) ter rastline s travišč (T).
Fig. 7. Percentages of 71 taxa of wild plants according
to ecological groups. Water plants (V), plants of lake
shore and wetlands (OM), plants of woodlands (G),
plants of wood edges and clearings (GJ), field weeds
and ruderal plants (PR), plants of grasslands (T).
Glede na spekter uporabljenih drevesnih vrst za kole, na
katerih so stale kolibe na Starih gmajnah, so v bližini naselbine morale obstojati tudi poplavne ravnice, kjer so
uspevale najpogosteje uporabljene lesne vrste: jesen najverjetneje veliki jesen (Fraxinus excelsior) s 44 %; hrast
- najverjetneje dob (Quercus robur) s 36 %; topol (Populus
sp.) s 6 %; jelša (Alnus glutinosa) s 3 % in vrba (Salix sp.) z 2 %.
Na južnem delu Ljubljanskega barja pa je na pobočjih Dinarskega gorstva najverjetneje, podobno kot tudi še danes, uspeval strnjen mešani oz. jelovo-bukov gozd z gozdnim obrobjem in jasami, kjer so uspevali: hrast – graden
(Quercus petraea), bukev (Fagus sylvatica), javor (Acer sp.),
jelka (Abies alba), leska (Corylus avellana) in ostale odkrite
drevesno-grmovne vrste.
Primerjava z istočasnimi kolišči
4. Zaključki
Dendrokronološke raziskave so v povezavi z radiokarbonskim datiranjem lesa in metodo »wiggle matching« omogočile datacijo najdišča Stare gmajne, ki je bilo poseljeno
dvakrat, v obdobju 3350–3330 (± 10) in 3160–3110 (± 12)
pr. n. št. Tudi arheološki profil in arheobotanične raziskave
sedimenta iz kulturne plasti v sondi 3 iz leta 2007 so pokazali dve fazi poselitve.
Koliščarji s Starih gmajn so se prehranjevali z rastlinami,
ki so jih gojili, in z nabranimi gozdnimi, obgozdnimi in
vodnimi sadeži ter oreški. Glavne gojene rastline so bile:
eno- in dvozrna pšenica, ječmen, lan in mak.
V času, ko je bilo poseljeno najdišče Stare gmajne, so živele številne naselbine ob obalpskih jezerih v Franciji, Švici,
Nemčiji, Italiji in Avstriji. Približno takrat je živel tudi znameniti ledeni mož Ötzi, ki so ga leta 1991 odkrili v severnoitalijanskih Alpah.
Pri raziskavi Starih gmajn smo prvič uporabili arheobotanično metodo, ki je v skladu z uveljavljenimi evropskimi
standardi, in tako odkrili lan (Linum usitatissimum) ter dve
vrsti pšenice (Triticum mono- in dicoccum) ter skupno več
kot 90 rastlinskih taksonov, ki so nam med drugim omogočili razložiti, kakšno je bilo okolje, v katerem so živeli
koliščarji s Starih gmajn. Ker je bilo raziskano najdišče tudi
natančno datirano, smo dobljene rezultate lahko primerjali z rezultati iz dobro raziskanih sočasnih naselbin severno od Alp.
Absolutna datacija kolišča in uvedba novih reprezentativnih raziskovalnih metod sta nam omogočili, da smo lahko
arheobotanične rezultate s Starih gmajn primerjali z rezultati raziskav z drugih sočasnih kolišč po Evropi (sl. 1b).
Med kulturnimi (tj. gojenimi) rastlinskimi vrstami so na
koliščih v Švici in Nemčiji pogosto našli trdo pšenico
(Triticum durum / turgidum), pri nas pa enozrno (Triticum
114
64(2012) št. 5
1. Anderberg A. L. (1994) Atlas of seeds and small fruits of
Northwest-European plant species with morphological descriptions. Part 4: Resedaceae - Umbelliferae. Risbergs Tryckeri AB, Uddevalla, Schweden
2. Behre K. E., Jacomet S. (1991) The ecological interpretation of
archaeological data. V: Progress in Old World palaeoethnobotany.
Van Zeist W. A. (Ur.), Wasylikowa K. (Ur.), Behre K. E. (Ur.), Balkema,
Rotterdam, 81-108
3. Beijerinck W. (1947) Zadenatlas der Nederlandsche flora. H. Veenman und Zonen, Wageningen, 316
4. Berggren G. (1969) Atlas of Seeds and small fruits of NortwestEuropean plant species (Sweden, Norway, Denmark, East Fennoscandia and Iceland) with morphological descriptions. Part 2:
Cyperaceae. Swedish Natural Science Research Council, Stockholm
5. Berggren G. (1981) Atlas of Seeds and small fruits of NortwestEuropean plant species (Sweden, Norway, Denmark, East Fennoscandia and Iceland) with morphological descriptions. Part 3: Saliacaceae - Cruciferae. Swedish Natural Science Research Council,
Stockholm
6. Brombacher C., Jacomet S. (1997) Ackerbau, Sammelwirtschaft
und Umwelt: Ergebnisse archäobotanischer Untersuchungen. V:
Ökonomie und Ökologie neolithischer und bronzezeitlicher Ufersiedlungen am Zürichsee. Schibler J (Ur.), Hüster-Plogmann H (Ur.),
Jacomet S (Ur.), Brombacher C (Ur.), Gross-Klee E (Ur.), Rast-Eicher A
(Ur.), Zürich in Egg, 220-279
7. Cappers R., Bekker R. M., Jans J. E. A. (2006) Digitale Zadenatlas
van Nederland (Digital Seed Atlas of the Netherlands). Barkhuis Publishing & Groningen University Library, Groningen, 502
8. Čufar K., Velušček A., Tolar T., Kromer B. (2009) Dendrokronološke raziskave na koliščarskih nasebinah Stare gmajne in Blatna
Brezovica. V: Koliščarska naselbina Stare gmajne in njen čas. Velušček A (Ur.), Opera Instituti Archaeologici Sloveniae 16, Inštitut za
arheologijo ZRC SAZU, Založba ZRC, Ljubljana, 177-195
9. Čufar K., Kromer B., Tolar T., Velušček A. (2010) Dating of 4th
millennium BC pile-dwellings on Ljubljansko barje, Slovenia. Journal of Archaeological Science, 37: 2031-2039
10. Hosch S., Jacomet S. (2001) New Aspects of Archaeobotanical
Research in Central European Neolithic Lake Dwelling Sites. Environmental Archaeology 6: 59-71
11. Jacomet S., Kreuz A. (1999) Archäobotanik. Aufgaben, Methoden und Ergebnisse Vegetations- und Agrargeschichtlicher Forschungen. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart, 368
12. Jacomet S. (2007) Neolithic plant economies in the northern alpine foreland from 5500-3500 B.C. cal. V: The origins and spread of
domestic plants in southwest Asia and Europe. Colledge S. (Ur.),
Conolly J., (Ur.), Left Coast Press, Walnut Creek, 221-258
13. Jacomet S. (2009) Plant economy and village life in Neolithic lake
dwellings at the time of the Alpine Iceman. Vegetation History and
Archaeobotany 18: 47-59
14. Jones S., Taylor J., Ash F. (2004) Seed Identification handbook.
Agriculture, Horticulture and Weeds (2nd edition). NIAB, Cambridge, 94
15. Kutschera W., Müller W. (2003) »Isotope language« of the Alpine Iceman investigated with AMS and MS. Nucl Instrum Methods
Phys Res B 204: 705-719
16. Magny M., Haas J.N. (2004) A major widespread climatic change
around 5300cal. Year BP at the time of the Alpine Iceman. Journal
of Quaternary Science 19: 423-430
17. Maier U. (1996) Morphological studies of free-threshing wheat
ears from a Neolithic site in southwest Germany, and the history
of naked wheats. Vegetation History and Archaeobotany 5: 39-55
18. Richter H.G., Dallwitz M.J. (2002) Commercial timbers: descrip-
64(2012) št. 5
tions, illustrations, identification and information retrieval. Računalniški program – ključ za določanje komercialnih lesnih vrst
INTKEY 2002.
19. Schiffer M.B. (1987) Formation Processes of the Archaeological
Record. University of New Mexiko Press, Albuquerque, NM
20. Schoch W., Heller I., Schweingruber F.H., Kienast F. (2004)
Wood anatomy of central European Species. Spletna verzija: www.
woodanatomy.ch
21. Schoch W. H., Pawlik B., Schweingruber F. H. (1988) Botanical
macro-remains. Paul Haupt Publishers, Berne and Stuttgart, 223
22. Schweingruber F.H. (1990) Mikroskopische Holzanatomie. Birmensdorf, 225
23. Tolar T. (2011) Arheobotanične raziskave na najdiščih z Ljubljanskega barja. Doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, Biotehniška
fakulteta, Oddelek za biologijo, 90
24. Tolar T., Velušček A., Čufar K. (2010) Recovery techniques for
waterlogged archaeological sediments: a comparison of different
treatment methods for samples from Neolithic lake shore settlements. Vegetation History and Archaeobotany, 19: 53-67
25. Tolar T., Velušček A., Čufar K. (2011) Plant economy at a late
Neolithic lake dwelling site in Slovenia at the time of the Alpine
Iceman. Vegetation History and Archaeobotany, 20: 207-222
26. Torelli N. (1991) Makroskopska in mikroskopska identifikacija lesa
(ključi). Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, 121
27. Velušček A. (2006) Resnikov prekop, najstarejša koliščarska naselbina na Ljubljanskem barju. Opera Instituti Archaeologici Sloveniae 10, Inštitut za arheologijo ZRC SAZU, Založba ZRC, Ljubljana, 154
28. Velušček A., Toškan B., Čufar K. (2011) Zaton kolišč na Ljubljanskem barju. Arheološki vestnik, 62: 51-82
raziskave in razvoj
5. Literatura
115
raziskave in razvoj
Nataša Čuk*, Matjaž Kunaver*,**,
Edita JasiukaitytE Grojzdek*,**, Sergej Medved*** UDK 630*861:630*813
UTEKOČINJANJE LESA S POMOČJO
ULTRAZVOKA IN IZDELAVA
IVERNIH PLOŠČ Z UPORABO
LEPILNIH MEŠANIC Z DODANIM
UTEKOČINJENIM LESOM
Liquefaction of wood using ultrasound and production of particleboards using adhesive mixtures with added liquefied wood
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: Les lahko utekočinimo in uporabimo za sintezo različnih polimernih materialov, med drugim tudi za lepila. Glavni
cilj naše raziskave je bil uporabiti utekočinjen les za pripravo lepila za iverne plošče ter določiti fizikalne in mehanske lastnosti
izdelanih plošč. Določili smo čas želiranja različnih lepilnih mešanic v odvisnosti od deleža utekočinjenega lesa, vrste ter deleža katalizatorja in temperature. Za izdelavo ivernih plošč smo uporabili melamin-formaldehidno lepilo, ki smo mu dodali
utekočinjen les in amonijev formiat kot katalizator. Ugotavljali smo vpliv deleža dodanega utekočinjenega lesa, vrste ter
deleža katalizatorja in temperature stiskanja. Rezultati so pokazali, da se je čas želiranja z večanjem deleža dodanega utekočinjenega lesa podaljšal, z večanjem deleža katalizatorja in višanjem temperature pa skrajšal. Optimalne lastnosti ivernih
plošč smo dosegli pri deležu utekočinjenega lesa 30 %, deležu katalizatorja 3 % in temperaturi stiskanja 180 °C.
Ključne besede: iverne plošče, melamin-formaldehidno lepilo, melamin-urea-formaldehidno lepilo, obnovljivi viri,
utekočinjen les.
116
Abstract: Wood can be liquefied and used for the synthesis of different polymer materials as well as for the adhesives. The aim
of our research was to evaluate the utilization of liquefied wood as a part of an adhesive mixture in particleboard production and to assess physical and mechanical properties of produced particleboards. We determined gelation time for different
adhesive mixtures depending on the liquefied wood portion, the type and the amount of the catalyst and temperature. For
particleboard production, we used melamine-formaldehyde resin with added liquefied wood and ammonium formate as
a catalyst. We examined the influence of liquefied wood portion, the type and the amount of the catalyst and pressing temperature on the particleboard properties. Results showed that gelation time increased with higher liquefied wood portion
and decreased as the amount of catalyst and temperature increased. The optimal properties of particleboards were obtained
at 30 % portion of liquefied wood, at 3 % amount of the catalyst and at pressing temperature of 180°C.
Keywords: particleboards, melamine-formaldehyde adhesive, melamine-urea-formaldehyde adhesive, renewable
resources, liquefied wood.
* Kemijski inštitut, Hajdrihova 19, 1001 Ljubljana, Slovenija, e-pošta: [email protected]
**Center odličnosti za polimerne materiale in tehnologije, Tehnološki park 24, 1000 Ljubljana, Slovenija
*** Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Rožna dolina Cesta VIII/34, 1000 Ljubljana, Slovenija
64(2012) št. 5
V današnjih časih postaja izkoriščanje obnovljivih virov
vedno bolj pomembno. Enega najpomembnejših obnovljivih virov predstavlja biomasa, ki igra veliko vlogo pri
zmanjšanju odvisnosti od fosilnih goriv. Biomaso rastlinskega izvora je možno pretvoriti tako v različne uporabne oblike energije kot tudi v kemično surovino. Najbolj
znana oblika rastlinske biomase je lesna biomasa, ki jo
kot vir energije tudi najpogosteje uporabljamo. Obsega
predvsem les iz gozdov (hlodi, vejevje, grmovje), lesne
ostanke iz industrije (odpadni kosi, žagovina, vejevje ...) ter
odslužene proizvode iz lesa (gajbice, palete, odsluženo
pohištvo ...).
Obstaja več procesov pretvorbe lesne biomase, med
katerimi je tudi utekočinjanje. Poleg lesa kot takega je
možno utekočiniti tudi lesne ostanke. Le-ti predstavljajo
enega najbolj razširjenih, cenovno konkurenčnih in okolju
prijaznih virov biomase. Proizvajalci proizvedejo ogromno
količino lesnih ostankov pri proizvodnji različnih produktov kot so stavbni les, pohištvo, palete, papir in drugo. Na
splošno velja, da manj kot 50 % drevesa konča v končnem
izdelku, kar predstavlja močno neizkoriščen vir. Ena izmed
prednosti uporabe lesnih ostankov je poleg zmanjšanja
onesnaževanja (zaradi manjše rabe fosilnih goriv) tudi
znižanje stroškov odlaganja zaradi preusmeritve lesnih
ostankov stran od odlagališč.
Po podatkih Statističnega urada Republike Slovenije ima
les (in druga trdna biomasa) med porabo obnovljivih virov energije in odpadkov daleč največji delež pred drugimi oblikami obnovljive energije. Podatki za obdobje od
leta 2002 do leta 2010 kažejo trend naraščanja porabe obnovljivih virov, predvsem pa po letu 2008 (SURS, 2012a).
Na področju obdelave in predelave lesa ter proizvodnje
pohištva, papirja in kartona je leta 2010 nastalo skoraj
400.000 ton odpadkov (SURS, 2012b). Poleg odpadkov
iz proizvodnih in storitvenih dejavnosti je bilo z javnim
odvozom odpadkov ločeno zbranih še okoli 14.500 ton
lesa in okoli 46.300 ton papirja in kartona (SURS, 2012c).
Največ lesnih ostankov se skuri, problem pri tem pa je, da
se lahko v ozračje sproščajo tudi okolju škodljive snovi. Z
utekočinjanjem lesa in uporabo utekočinjenega lesa lahko pripomoremo k zmanjšanju količine lesnih odpadkov
na odlagališčih ter s tem povečamo izrabo lesne biomase.
Hkrati iz obnovljivih virov sintetiziramo nove materiale, ki
predstavljajo odlično alternativo materialom, ki jih sicer
pridobivamo iz surove nafte.
Utekočinjanje lesa je kemična reakcija, pri kateri pride do
razgradnje glavnih lesnih komponent: celuloze, hemiceluloz in lignina (Minami in Saka, 2003; Jasiukaitytė in sod.,
2009; Jasiukaitytė in sod., 2010). Med reakcijo utekočinja-
64(2012) št. 5
nja komponente lesa razpadejo na manjše molekule, ki so
nestabilne in reaktivne, ter pri katerih lahko pride do ponovne polimerizacije. Posledica številnih fizikalnih, strukturnih in kemičnih sprememb, do katerih pride, je, da les
preide v tekoče stanje. Spremembe med utekočinjanjem
so posledica različnih procesov, ki potekajo med reakcijo
in sicer solvolize, depolimerizacije, dekarboksilacije in drugih (Demirbas, 2008). Nov pristop pri utekočinjanju lesa
predstavlja uporaba ultrazvoka, ki zavira nastanek velikih
molekulskih struktur, skrajša reakcijski čas ter zmanjša porabo energije, hkrati pa ne vpliva na število hidroksilnih
skupin. Produkt utekočinjanja s pomočjo ultrazvoka je
bolj homogen in ima v primerjavi s klasičnim utekočinjanjem nižjo viskoznost (Kunaver in sod., 2011).
raziskave in razvoj
UVOD
Čeprav je sestava utekočinjenega lesa zelo kompleksna
ter močno odvisna od osnovnih sestavin lesa in reagentov, predstavlja utekočinjen les zaradi velikega števila
prostih hidroksilnih skupin bogat vir surovin za sintezo
najrazličnejših produktov. Med drugim je utekočinjen
les možno uporabiti kot lepilo za lepljenje lesa in lesnih
ploščnih kompozitov. Med slednjimi največji delež predstavljajo iverne plošče in sicer skoraj 60 %. Novejše raziskave na področju proizvodnje ivernih plošč kažejo težnjo
k uporabi alternativnih, predvsem obnovljivih materialov,
tako za lepila kot za material za izdelavo plošč.
Z namenom uporabe naravnih in obnovljivih virov, izboljšanja lastnosti ivernih plošč, zniževanja stroškov izdelave,
uporabe odpadnih materialov itd., so v zadnjem desetletju različni avtorji za izdelavo ivernih plošč uporabili
različne materiale. Poleg običajno uporabljenega ureaformaldehidnega lepila so uporabili tudi druga lepila:
urea-formaldehidna lepila, modificirana z melaminom
(Hse in sod., 2008), fenol-formaldehidna in melamin-ureafenol-formaldehidna lepila (Wagner in sod., 2007), izocianatna lepila (Papadopoulos in sod., 2002; Mo in sod.,
2003) ter lepila na osnovi sojinih proteinov (Wang in Sun,
2002; Mo in sod., 2003), riževih otrobov (Pan in sod., 2006),
trigliceridov in anhidrida polikarbonske kisline (Boquillon
in sod., 2004) ter celo cementa (Erakhrumen in sod., 2008).
Iz utekočinjenega lesa so pripravili izocianatna lepila, ki so
jih uporabili za lepljenje vezanih plošč (Tohmura in sod.,
2005) ter epoksi smole, ki so jih prav tako uporabili za lepljenje vezanih plošč, pa tudi za izdelavo raznih kompozitov (Kishi in sod., 2006). Ugovšek in sod. (2010) so pripravili lepilne mešanice iz utekočinjenega lesa v kombinaciji
s fenolno smolo in ugotovili, da lahko do 25 % fenolne
smole nadomestijo z utekočinjenim lesom, pri tem pa se
strižna trdnost suhih vzorcev izboljša. Utekočinjen les so
v kombinaciji z melamin-urea-formaldehidnim lepilom
uporabili tudi za izdelavo opažnih plošč. Ugotovili so, da
lahko 20 % melamin-urea-formaldehidnega lepila nado-
117
raziskave in razvoj
mestijo z utekočinjenim lesom in dosežejo kakovostne lepilne spoje za vlažne in zunanje pogoje uporabe, za suhe
pogoje uporabe pa lahko z utekočinjenim lesom nadomestijo kar 40 % melamin-urea-formaldehidnega lepila
(Jež, 2011). Utekočinjene lignocelulozne materiale so uporabili tudi za izdelavo ivernih plošč, Lee in Liu (2003) sta iz
utekočinjene skorje pripravila fenolno smolo tipa resol in
jo uporabila pri izdelavi ivernih plošč, ki so imele dobre
mehanske lastnosti.
Na lastnosti ivernih plošč vplivajo številni dejavniki: vrsta
lesa, ki ga uporabimo, njegova struktura in lastnosti, oblika in velikost iveri, postopek priprave iveri, vrsta in količina lepila in utrjevalca, pogoji stiskanja, debelina plošče,
vsebnost vlage, končna obdelava in drugi (Kollman in
sod., 1975). Že iz prejšnjih raziskav smo ugotovili, da lahko
utekočinjen les v lepilni mešanici, ki je uporabljena za izdelavo ivernih plišč, v določeni meri uspešno nadomesti
sintetično lepilo (Kunaver in sod., 2010). Ker je uporaba
utekočinjenega lesa nov pristop k izdelavi ivernih plošč,
smo želeli ugotoviti vpliv različnih dejavnikov na lastnosti
izdelanih ivernih plošč. Določili smo čas želiranja različnim lepilnim mešanicam v odvisnosti od deleža utekočinjenega lesa, vrste ter deleža katalizatorja in temperature.
Hkrati smo ugotavljali, kako na lastnosti plošč vpliva delež
dodanega utekočinjenega lesa, vrsta ter delež dodanega
katalizatorja in temperatura stiskanja.
EKSPERIMENTALNI DEL
Utekočinjanje lesa
Žagovino smreke (Picea abies (L.) Karst.) smo utekočinjali
z mešanico glicerola in dietilenglikola v razmerju 80:20.
Razmerje med količino lesa in količino glikolov je bilo 1:3.
Kot katalizator smo uporabili 3 % (glede na maso glikolov)
p-toluensulfonske kisline.
Mešanico glikolov in kisline smo zatehtali v steklen reaktor
z zunanjim segrevanjem, opremljen z mehanskim mešalom, termometrom in hladilnikom. Ko smo les utekočinjali s pomočjo ultrazvoka, je bila skozi pokrov reaktorja
vstavljena še sonotroda. Reakcijsko zmes smo segrevali
do temperature 160 °C in dodali les. Po dodatku lesa smo
temperaturo zvišali na 180 °C in reakcijo določen čas vzdrževali.
Pri utekočinjanju lesa s pomočjo ultrazvoka smo ugotavljali vpliv amplitude ultrazvoka na čas reakcije in netopni
ostanek lesa. Za utekočinjen les, ki smo ga uporabili v lepilnih mešanicah za izdelavo ivernih plošč, smo uporabili
80 % amplitudo ultrazvoka.
118
Ugotavljanje časa želiranja/reaktivnosti
Mešanico utekočinjenega lesa, melamin-formaldehid­
ne (MF) oziroma melamin-urea-formaldehidne (MUF)
smole ter ustrezne količine katalizatorja (amonijev sulfat
(AS) oziroma amonijev formiat (AF)) smo dali v epruveto
in segrevali v silikonski kopeli pri temperaturi 100 °C. Ko
smo ugotavljali vpliv temperature na čas želiranja, so bile
temperature segrevanja: 100 °C, 110 °C, 120 °C, 130 °C, 140
°C, 150 °C, 160 °C, 170 °C in 180 °C. Pri ugotavljanju vpliva
katalizatorja in temperature je bil delež utekočinjenega
lesa 30 %, delež katalizatorja pri ugotavljanju vpliva deleža utekočinjenega lesa in temperature pa je bil 3 %. Ob
konstantnem mešanju s stekleno palčko smo čas želiranja
oziroma reaktivnost lepilne mešanice določili kot čas od
začetka segrevanja do nastanka gela. Za vsako meritev
smo opravili 3 ponovitve.
Priprava lepilnih mešanic za izdelavo ivernih plošč
Lepilne mešanice smo pripravili tako, da smo utekočinjen
les dodali MF smoli in dobro premešali. Delež dodanega utekočinjenega lesa je bil 30 %, razen pri določanju
lastnosti ivernih plošč v odvisnosti od deleža dodanega
utekočinjenega lesa, pri čemer so bili deleži dodanega
utekočinjenega lesa 10 %, 20 %, 30 %, 40 % in 50 %. Nato
smo dodali vodo in katalizator (10 % vodna razopina raztopina AF ali 20 % vodna raztopina raztopina AS) in vse
skupaj pred uporabo še nekaj minut mešali. Delež katalizatorja je bil 3 %, razen takrat, ko smo ugotavljali vpliv
količine katalizatorja na lastnosti plošč.
Izdelava ivernih plošč
Izdelali smo trislojne iverne plošče z dimenzijami 50 cm
x 50 cm, debelino 16 mm in gostoto 0,650 g/cm3. Faktor
oblepljanja je bil v zunanjem sloju 10,50 % in v srednjem
sloju 6,50 %. Faktor oblepljanja je bil določen takšen, kot
se uporablja v industriji za določene pogoje stiskanja in
uporabo ivernih plošč. Izbrani faktor oblepljanja je služil
kot osnova za zatehte iverja in delov lepilne mešanice. Katalizator smo dodali le v lepilno mešanico za srednji sloj.
Iverje lesa smreke (Picea abies (L.) Karst.) (75 %) in bukve (Fagus sylvatica L.) (25 %) smo najprej posušili na vlažnost približno 4 % in ga nato oblepili v stroju za oblepljanje. Iverje
smo oblepili ločeno za zunanji in srednji sloj. Ko je bilo iverje oblepljeno, smo ga ročno natresli in s pomočjo lesenega
kalupa izdelali iverno pogačo, ki smo jo prenesli v stiskalnico. Iverno pogačo smo stiskali 3 minute pri temperaturi
180 °C in tlaku 3 N/mm2. Kasneje smo plošče stiskali še pri
različnih temperaturah 140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C in 220
°C. Po končanem stiskanju smo plošče kondicionirali 4-5
dni pri temperaturi 20 °C in relativni zračni vlažnosti 65 %.
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
Testiranje ivernih plošč
Ivernim ploščam smo skladno z Evropskimi standardi določili naslednje fizikalne in mehanske lastnosti: gostoto EN
323, vsebnost vlage EN 322, upogibno trdnost in modul
elastičnosti EN 310, razslojno trdnost EN 319, čvrstost površine EN 311 in debelinski nabrek EN 317.
REZULTATI IN RAZPRAVA
Utekočinjanje lesa z ultrazvokom
Med utekočinjanjem lesa smo spremljali vpliv različnih
amplitud ultrazvoka na zmanjševanje deleža netopnega
ostanka lesa v odvisnosti od časa reakcije utekočinjanja
(slika 1). Reakcijo smo spremljali, dokler delež netopnega
ostanka ni znašal manj kot 5 %. Pri utekočinjanju brez ultrazvoka je bil čas, potreben za dokončanje reakcije, 120
minut, že pri amplitudi 20 % pa se je skrajšal za tretjino in
znašal 80 minut. Pri 100 % amplitudi smo dosegli skoraj
popolno utekočinjenje že po 10 minutah.
Slika 2 : Čas želiranja različnih lepilnih mešanic v
odvisnosti od deleža utekočinjenega lesa
Figure 2: Gelation time of different adhesive mixtures
as a function of the portion of liquefied wood
Na sliki 3 so prikazani časi želiranja v odvisnosti od deleža katalizatorja. Ugotovili smo, da se je z večanjem deleža
obeh dodanih katalizatorjev v lepilni mešanici čas želiranja skrajšal, pri čemer so bili časi želiranja krajši pri dodanem AF. Večje razlike v času želiranja so bile opazne pri
nižjih deležih katalizatorja in sicer do 3 %. Čas želiranja pri
obeh dodanih katalizatorjih je bil krajši v primeru uporabe
MF smole. Ko smo uporabili katalizator AF, so bile razlike
med MUF in MF smolo bistveno manjše, kot ko smo uporabili katalizator AS.
Ugotavljali smo tudi vpliv temperature na čas želiranja in
ugotovili, da se je z višanjem temperature čas želiranja
skrajšal, kar pomeni, da je reakcija kondezacije pri višjih
Slika 1: Spreminjanje deleža netopnega ostanka
lesa s časom reakcije pri različnih amplitudah ultrazvoka
Figure 1: Variation in the amount of residue with
time during the liquefaction at different ultrasound
amplitudes
Čas želiranja/reaktivnost
Rezultati so pokazali, da se je čas želiranja pri večjem deležu utekočinjenega lesa v lepilni mešanici podaljšal, kar
je tudi razvidno iz slike 2. Čas želiranja je bil krajši, ko smo
kot katalizator uporabili AF. Če primerjamo čas želiranja
obeh vrst smole, vidimo, da je bil čas želiranja krajši pri MF,
razlike med njima pa so bile manjše v primeru uporabe
katalizatorja AF.
64(2012) št. 5
Slika 3: Čas želiranja različnih lepilnih mešanic s 30
% dodanega utekočinjenega lesa v odvisnosti od
deleža katalizatorja
Figure 3: Gelation time of different adhesive mixtures
with 30% portion of added liquefied wood as a function of the amount of the catalyst
119
raziskave in razvoj
dodanega utekočinjenega lesa, vendar je bil naš cilj dodati čim večji delež utekočinjenega lesa, hkrati pa doseči
čim boljše mehanske lastnosti plošč. Pri deležu dodanega
utekočinjenega lesa 40 % in več so se mehanske lastnosti
plošč v primerjavi s 30 % deležem poslabšale. Predvsem
sta se poslabšala čvrstost površine in debelinski nabrek,
ki sta dosegla slabše lastnosti tudi v primerjavi z MF lepilom brez utekočinjenega lesa, medtem ko so bile ostale
lastnosti primerljive z lepilom brez utekočinjenega lesa ali
celo boljše.
Slika 4. Čas želiranja različnih lepilnih mešanic s 30
% dodanega utekočinjenega lesa v odvisnosti od
temperature
Figure 4. Gelation time of different adhesive mixtures
with 30 % portion of added liquefied wood as a function of the temperature
temperaturah potekala hitreje. Reaktivnost se je torej z
višjo temperaturo povečala, kar prikazuje slika 4. Skladno
s prejšnjimi ugotovitvami so bili časi želiranja krajši pri MF
smoli in pri katalizatorju AF.
Lastnosti ivernih plošč
Lastnosti ivernih plošč, ki smo jih izdelali z različnimi deleži utekočinjenega lesa v lepilni mešanici, so prikazane v
preglednici 1. Rezultati so pokazali, da so se z dodatkom
utekočinjenega lesa MF lepilu lastnosti izdelanih ivernih
plošč izboljšale. Kot optimalno količino dodanega utekočinjenega lesa smo ocenili 30 %. Pri tem deležu so bile
sicer lastnosti ivernih plošč približno enake kot pri 20 %
Količina katalizatorja v lepilnih mešanicah, ki smo jih uporabili za izdelavo ivernih plošč, je znašala od 1 % do 4 %.
Ugotovili smo, da so se mehanske lastnosti z deležem katalizatorja sicer izboljšale, vendar smo optimalne lastnosti
dosegli pri količini katalizatorja 3 % (preglednica 2). Opazili smo, da količina katalizatorja ni bistveno vplivala na debelinski nabrek, pa tudi čvrstost površine se bistveno ni
spreminjala, kar pa niti ni presenetljivo, saj v lepilno mešanico za zunanji sloj katalizatorja nismo dodali. Količino katalizatorja moramo vedno prilagoditi pogojem utrjevanja
(temperaturi, času) in je ne smemo nenadzorovano večati, saj ima prevelika količina lahko negativen vpliv na kakovost plošče. Prevelik dodatek kislega katalizatorja lahko
povzroči delno utrjenost še pred stiskanjem ali preveliko
utrjenost po stiskanju in s tem krhkost lepilnega spoja ter
prevelik delež ostanka kisline v spoju. To lahko privede do
degradacije utrjenega lepilnega spoja in s tem do izgube
mehanske trdnosti (Akyüz in sod., 2010; Marra, 1992; Pizzi
in Mittal, 2003). Kislost v območju lepilnega spoja se lahko
še dodatno poveča glede na to, da je lepilni mešanici dodaten utekočinjen les, ki ima nizko pH vrednost (Ugovšek
in Šernek, 2011). Poleg degradacije lepilnega spoja prevelika koncentracija kisline lahko povzroči tudi hidrolizo celičnih sten lesa ob lepilnem spoju (Gamage in sod., 2009).
Preglednica 1. Lastnosti ivernih plošč v odvisnosti od deleža
utekočinjenega lesa v lepilu
Table 1. Properties of particleboards made by using an adhesive with different liquefied wood loading
Delež dodanega utekočinjenega lesa
0%
10 %
20 %
30 %
40 %
50 %
Gostota (g/cm )
0,641
0,653
0,644
0,680
0,649
0,666
Vsebnost vlage (%)
6,22
6,40
5,98
5,74
5,55
5,53
Upogibna trdnost (N/mm2)
11,80
12,79
14,21
13,89
12,70
10,69
Modul elastičnosti (N/mm )
2239
2456
2701
2718
2512
2463
Razslojna trdnost (N/mm )
0,38
0,43
0,55
0,54
0,48
0,39
Čvrstost površine (N/mm )
1,08
1,07
1,09
1,06
0,88
0,81
Debelinski nabrek (%)
19,35
18,12
19,86
20,43
25,02
29,65
3
2
2
2
120
V preglednici 3 so zbrani rezultati testiranj ivernih plošč, ki smo jih
stiskali pri različnih temperaturah.
Ugotovili smo, da so se z višanjem
temperature končne lastnosti ivernih plošč izboljšale, optimalne lastnosti pa smo dosegli pri temperaturi 180 °C. Temperatura stiskanja
ni imela bistvenega vpliva na debelinski nabrek. Pri temperaturah
stiskanja 200 °C in 220 °C smo opazili poslabšanje mehanskih lastnosti
ivernih plošč. Razlog za to bi lahko
bilo zmanjšanje trdnosti polimernih
vezi, ki se pojavi kot posledica delovanja visokih temperatur. Poleg
tega temperatura lahko še poveča
64(2012) št. 5
Delež AF
1%
2%
3%
4%
0,658
0,643
0,627
0,660
7,80
7,55
7,98
8,27
Upogibna trdnost (N/mm )
12,37
12,71
13,42
12,70
Modul elastičnosti (N/mm )
2286
2327
2322
2240
Razslojna trdnost (N/mm )
0,40
0,54
0,47
0,47
Čvrstost površine (N/mm2)
1,22
1,22
1,28
1,18
Debelinski nabrek (%)
20,82
18,77
19,51
18,20
Gostota (g/cm )
3
Vsebnost vlage (%)
2
2
2
raziskave in razvoj
Preglednica 2: Lastnosti ivernih plošč, izdelanih z uporabo lepilne mešanice na
osnovi utekočinjenega lesa in MF lepila pri različnih deležih katalizatorja
Table 2: Properties of particleboards made with an adhesive mixture based on
liquefied wood and MF adhesive at different amount of the catalyst
Preglednica 3: Lastnosti ivernih plošč, izdelanih z uporabo lepilne mešanice na
osnovi utekočinjenega lesa in MF lepila pri različnih temperaturah stiskanja
Table 3: Properties of particleboards made with an adhesive mixture based on
liquefied wood and MF adhesive pressed at different temperatures
Temperatura stiskanja
140 °C
160 °C
180 °C
200 °C
220 °C
0,668
0,658
0,666
0,663
0,665
7,73
7,30
7,01
6,56
6,15
Upogibna trdnost (N/mm )
10,98
12,52
12,65
12,05
11,42
Modul elastičnosti (N/mm )
2381
2601
2663
2673
2491
Razslojna trdnost (N/mm2)
0,52
0,63
0,63
0,54
0,51
Čvrstost površine (N/mm2)
1,23
1,23
1,28
1,24
1,18
Debelinski nabrek (%)
19,64
19,20
18,67
19,94
19,09
Gostota (g/cm )
3
Vsebnost vlage (%)
2
2
vpliv kislosti, ki jo v lepilnem sloju povzročata katalizator in
utekočinjen les (Angles in sod., 1999; Pizzi in Mittal, 2003).
SKLEPI
V prispevku je predstavljena uporaba utekočinjenega
lesa za pripravo lepilnih mešanic za iverne plošče. Poleg
ugotavljanja lastnosti ivernih plošč smo določili tudi čas
želiranja za različne lepilne mešanice v odvisnosti od deleža dodanega utekočinjenega lesa, vrste in deleža katalizatorja ter temperature. Rezultati so pokazali, da se je z
večanjem deleža katalizatorja v lepilni mešanici in z višanjem temperature čas želiranja skrajšal, kar pomeni, da se
je reaktivnost zvišala, medtem ko se je z večjim deležem
utekočinjenega lesa čas želiranja podaljšal. Pri testiranju
ivernih plošč smo ugotovili, da je za doseganje ustreznih
lastnosti plošč optimalna količina dodanega utekočinje-
64(2012) št. 5
nega lesa 30 %. Lastnosti ivernih plošč so se izboljšale z
večanjem deleža dodanega katalizatorja, kot optimalno
količino katalizatorja pa smo določili 3 %. Prav tako so se
lastnosti ivernih plošč izboljšale z naraščajočo temperaturo, pri čemer je bila optimalna temperatura 180 °C.
ZAHVALA
Avtorji se zahvaljujemo:
`` Ministrstvu za visoko šolstvo, znanost in tehnologijo
Republike Slovenije v okviru programa P2-0145-0104,
`` GG Postojna za njihovo finančno in materialno podporo,
`` Melaminu Kočevje za njihovo materialno podporo,
`` Janezu Renku za njegovo tehnično pomoč pri izdelavi
ivernih plošč.
121
raziskave in razvoj
122
VIRI
1. Akyüz K.C., Nemli G., Baharoglu M., Zekovic (2010) Effects of
acidity of the particles and amount of hardener on the physical
and mechanical properties of particleboards bonded with urea
formaldehyde. International journal of adhesion & adhesives,
30:166-169
2. Angles M.N., Reguant J., Montane D., Ferrando F., Farriol X.,
Salvado J. (1999) Binderless composites from pretreated residual
softwood. Journal of applied polymer science, 73: 2485-2491
3. Boquillon N., Elbez G., Schönfeld U. (2004) Properties of wheat
straw particleboards bonded with different types of resin. Journal
of wood science, 50: 230-235
4. Demirbas A. (2008) Liquefaction of biomass using glycerol. Energy sources, part A: recovery, utilization and environmental effects,
30: 1120-1126
5. EN 310 (1993) Wood-based panels – Determination of modulus of
elasticity in bending and of bending strength.
6. EN 311 (2002) Wood-based panels – Surface soundness – Test
method.
7. EN 317 (1993) Particleboards and fibreboards – Determination of
swelling in thickness after immersion in water.
8. EN 319 (1993) Particleboards and fibreboards – Determination of
tensile strength perpendicular to the plane of the board.
9. EN 322 (1993) Wood-based panels – Determination of moisture
content.
10. EN 323 (1993) Wood-based panels – Determination of density.
11. Erakhrumen A.A., Areghan S.E., Ogunleye M.B., Larinde S.L.,
Odeyale O.O. (2008) Selected physico-mechanical properties of
cement-bonded particleboard made from pine (Pinus caribaea M.)
sawdust-coir (Cocos nucifera L.) mixture. Scientific research and essay, 3: 197-203
12. Gamage N., Setunge S., Jollands M., Hague J. (2009) Properties
of hardwood saw mill residue-based particleboards as affected by
processing parameters. Industrial crops and products, 29: 248-254
13. Hse C.Y., Fu F., Pan H. (2008) Melamine-modified urea-formaldehyde resin for bonding particleboard. Forest products journal,
58: 56-61
14. Jasiukaitytė E., Kunaver M., Crestini C. (2010) Lignin behaviour during wood liquefaction-Characterization by quantitative 31P,
13C NMR and size-exclusion chromatography. Catalysis today, 156:
23-30
15. Jasiukaitytė E., Kunaver M., Strlič M. (2009) Cellulose liquefaction in acidified ethylene glycol. Cellulose, 16: 393-405
16. Jež B. (2011) Izdelava opažne plošče z lepilom na osnovi utekočinjenega lesa. Diplomski projekt. Ljubljana, Univerza v Ljubljani,
Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo: 30 str.
17. Kishi H., Fujita A., Miyazaki H., Matsuda S., Murakami A.
(2006) Synthesis of wood-based epoxy resins and their mechanical and adhesive properties. Journal of applied polymer science,
102: 2285-2292
18. Kollmann F.F.P., Kuenzi E.W., Stamm A.J. (1975) Principles of
wood science and technology. Volume II: Wood based materials.
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 463
19. Kunaver M., Jasiukaitytė E., Čuk N. (2011) Ultrasonically assisted
liquefaction of lignocellulosic materials. Bioresource technology,
103: 360-366
20. Kunaver M., Medved S., Čuk N., Jasiukaitytė E., Poljanšek I.,
Strnad T. (2010) Application of liquefied wood as a new particle
board adhesive system. Bioresource technology, 101: 1361-1368
21. Lee W.J., Liu C.T. (2003) Preparation of liquefied bark-based resol resin and its application to particleboard. Journal of applied
polymer science, 87: 1837-1841
22. Marra A. (1992) Technology of wood bonding: principles and
practice. Van Nostrand Reinhold, New York, 454
23. Minami E., Saka S. (2003) Comparison of the decomposition
behaviours of hardwood and softwood in supercritical methanol.
Journal of wood science, 49: 73-78
24. Mo X., Cheng E., Wang D., Sun X.S. (2003) Physical properties of
medium-density wheat straw particleboard using different adhesives. Industrial crops and products, 18: 47-53
25. Pan Z., Cathcart A., Wang D. (2006) Properties of particleboard
bond with rice bran and polymeric methylene diphenyl diisocyanate adhesives. Industrial crops and products, 23: 40-45
26. Papadopoulos A.N., Traboulay E.A., Hill C.A.S. (2002) One layer experimental particleboard from coconut chips – (Cocos nucifera L.). Holz als Roh- und Werkstoff, 60: 394-396
27. SURS (2012a) Poraba obnovljivih virov energije in odpadkov, Slovenija, letno. Statistični urad Republike Slovenije.
28. SURS (2012b) Nastale količine odpadkov iz proizvod­
nih in storitvenih dejavnosti in ravnanje z njimi po klasifikacijskem seznamu odpadkov, Slovenija, letno. Statistični urad Republike Slovenije. http://pxweb.stat.si/pxweb/
Dialog/varval.asp?ma=2706303S&ti=&path=../Database/Okolje/27_okolje/02_Odpadki/02_27063_odpadki_iz_dej/&lang=2
(17.2.2012)
http://pxweb.stat.si/pxweb/Dialog/varval.
asp?ma=1822303S&ti=&path=../Database/Okolje/18_energetika/05_18223_obnovljivi_viri_odpadki/&lang=2 (17.2.2012)
29. SURS (2012c) Skupne količine ločeno zbranih frakcij, zbranih z
javnim odvozom odpadkov (tone), Slovenija, letno. Statistični urad
Republike Slovenije. http://pxweb.stat.si/pxweb/Dialog/varval.
asp?ma=2706101S&ti=&path=../Database/Okolje/27_okolje/02_
Odpadki/01_27061_odvoz_odpadkov/&lang=2 (17.2.2012)
30. Tohmura S.I., Li G.Y., Qin T.F. (2005) Preparation and characterization of wood polyalcohol-based isocyanate adhesives. Journal
of applied polymer science, 98: 791-795
31. Ugovšek A., Kariž M., Šernek M. (2010) Bonding of wood with
adhesive mixtures made of liquefied wood combined with tannin
or phenolic resin, V: Ristić R, Madarević M, Popović Z (ur.), Congress
Abstracts of the »Future with forest« - First Serbian forestry congress. Beograd, Serbia, 11-13 November 2010, 263-264
32. Ugovšek A., Šernek M. (2011) Vpliv vrednosti pH utekočinjenega
lesa na strižno trdnost in trajnost lepljenih spojev. Les(wood), 63:
232-237
33. Wagner D., Schwarzinger C., Leidl M., Schmidt H., Endesfelder A. (2007) Particleboards from acetylated wood flakes. Monatshefte für Chemie, 138: 321-325
34. Wang D., Sun X.S. (2002) Low density particleboard from wheat
straw and corn pith. Industrial crops and products, 15: 43-50
64(2012) št. 5
UDK 595.773.1
Ecosystem services and
phenology of hoverflies
(Diptera: Syrphidae) in a
Slovenian forest stand
raziskave in razvoj
Maarten de Groot*, Danilo Bevk** Ekosistemske usluge in fenologija muh trepetavk
(Diptera: Syrphidae) v slovenskem gozdnem sestoju
Abstract: The availability of hoverflies as pollinators and biocontrol agents over the course of a year was investigated. In
total, 62 species and 252 individuals were found. Hoverflies can pollinate trees, shrubs and herbs throughout the year, with
peaks in May, June and July. Specifically, species that feed on aphids during the larval stage occur throughout the year and
have the largest numbers in May, June and July. The results are discussed in the context of availability of these ecosystem
services and the possibilities for further research.
Keywords: Ecosystem services, hoverflies, Syrphidae, phenology, biocontrol, pollination
Introduction
Many organisms have functions within ecosystems that
help support human life (Daily, 1997); these functions are
called ‘ecosystem services’. Biological control and pollination are two important ecosystem services for agriculture
and other areas. However, in this changing world, many
species performing ecosystem services are under threat
by habitat destruction, pesticides, etc. (Steffan-Dewenter
et al., 2005). Therefore, it is important to investigate the
availability of alternative species groups providing the
same ecosystem service.
In order to let the ecosystem service function maximally,
* Department of Forest Protection, Slovenian Forestry Institute, Večna pot 2, Ljubljana,
Slovenia
**Department of Entomology, National Institute of Biology, Večna pot 111, Ljubljana,
Slovenia,
64(2012) št. 5
services such as biological control or pollination should
be synchronized with the targets to which they are providing the service. Availability during the appearance of
the target groups (e.g. flowering plants, pest insects, etc.)
is therefore one of the most important factor to make the
ecosystem service applicable (Daily, 1997). Synchrony in
species interactions in time are increasingly a problem
with climate change. Interacting species can have different mechanisms that trigger the occurrence period.
When the occurrence of species A depends on the temperature and the occurrence of species B depends on the
daylight regime, increasing temperatures would mean
that species B would occur earlier, resulting into mismatches in time (Donnelly et al., 2011).
Hoverflies have important functions as pollinators and
biological control agents (Rotheray and Gilbert, 2011).
They are the second most important group, beside bees,
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Povzetek: Raziskali smo razpoložljivost muh trepetavk za opraševanje in biokontrolo preko leta. Skupaj smo našli 62 vrst in
252 osebkov. Muhe trepetavke lahko oprašujejo drevesa, grme in zelnate rastline vse leto, največjo številčnost pa dosežejo
maja, junija in julija. Vrste, ki se kot ličinke hranijo z listnimi ušmi, se pojavljajo vse leto, najbolj številčne pa so maja, junija in
julija. Razpravljamo o razpoložljivosti obeh ekosistemskih uslug in o možnostih za nadaljnje raziskave.
Ključne besede: ekosistemske usluge, muhe trepetavke, Syrphidae, fenologija, biokontrola, opraševanje
123
raziskave in razvoj
in pollinating plants. Although both of the groups are
decreasing rapidly (Biesmeijer et al., 2006; Goulson et al.,
2008), hoverfly populations seem more stable (Biesmeijer,
et al., 2006). In addition, they are found to be efficient pollinators of crops (Rader et al., 2009). Furthermore, they
search for nectar and pollen on a large variety of trees,
climbing plants, shrubs and herbs (Speight et al., 2010).
As a larva, different species have different feeding modes.
They can feed on animals (aphids, ant larvae, bumblebee
larvae, etc.), plants and microbes in terrestrial and aquatic
ecosystems (Rotheray and Gilbert, 2011). Because of the
large variety of feeding modes and other life history traits,
hoverflies are suggested as bio-indicators for changing
environments (Sommaggio, 1999; Dziock, 2006).
The main aim of this research was to investigate the
availability of the ecosystem services of pollination and
biological control delivered by hoverflies in a forest ecosystem. First, the phenology of species that pollinate different plant categories is investigated. The variability in
the number of individuals pollinating the different plant
categories is also shown. An additional aim was to show
whether certain species pollinate more than one category. Regarding biological control, the occurrence of species and number of individuals feeding as larvae on aphids
were assessed over the year. Furthermore, we were interested whether this ecosystem service is recurring in one
species over the year.
Materials and Methods
The survey was done in the area of Sovodenj, near Cerkno
(46°4’51.52’’ N, 14°1’55.96’’ E, altitude: 637 m). The area of
Sovodenj comprises a mosaic landscape of mixed forests
and grasslands. The main association present is a combination of spruce (Picea abies) and beech (Fagus sylvatica).
The undergrowth consists of species, such as blueberry
(Vaccinium myrtillus). The grasslands function either as
meadows or pastures.
Hoverflies were caught from 1st April to 31st October with
a Townsend malaise trap (165 cm × 110 cm). Malaise trapping is a standard method in studying hoverflies (Sommaggio and Burgio, 2004). The trap was positioned on a
slope on the edge of a spruce forest stand and a meadow. Most species of hoverflies use the forest edge as a
corridor; therefore, forest edges and forest gaps are the
most suitable places to sample the local community with
a malaise trap. The ethanol bottles with were changed
every two to three weeks. The collected specimens were
identified according to Van Veen (2004).
Syrph the Net (Speight, et al., 2010) was used to determine the feeding mode of the adults and the larvae. Both
124
the number of species and the number of individuals
with a certain feeding mode were compared over the
collecting period. The phenology for adult feeding places
and larval feeding modes was investigated. Adult feeding
places consisted of species feeding on flowers of trees,
vines, shrubs or bushes and herbs. Larval modes consisted of species feeding on animals (in this dataset these
were only aphids). The data was standardized to number
of species/individuals per day to avoid any influences of
the catch period. Furthermore, the number of generations per species was determined in order to investigate
the frequency of the occurrences of a species during one
year.
Results
A total of 62 hoverfly species with 295 individuals were
found in 2011 in Sovodenj (Table 1). Species do not occur
at the same time of the year. Some species occur more in
spring (e.g. Melanostoma incompletum) and some more
during the summer (e.g. Episyrphus balteatus). All species
feed on herbs; 52 species also feed on shrubs and bushes,
33 species on trees, and 23 species on vines. Forty-two
species feed as larvae on animals, 19 species on microorganisms (all saproxilic species) and two species on plants.
Throughout the year, the abundance of species that feed
on herbs was highest, followed by the abundance of
species feeding on shrubs, trees and vines (Fig. 1a). The
abundances of species feeding on herbs and shrubs had
three peaks and reached the highest abundance in June
and August. The species feeding on trees had two peaks,
which started later in the year; the highest peak was in
the beginning of August. The abundance of species feeding on vines also showed only two peaks: one in the
beginning of June and a major one from the beginning
of July until the middle of September.
The largest number of species fed on herbs, followed by
shrubs and bushes, trees and vines (Fig 1b). All these groups followed the same pattern over the year. The highest
peak for all groups was at the beginning of June. Furthermore, there were peaks in the beginning of July and the
beginning of August. The last species were found in the
beginning of October.
Most hoverflies use more plant categories to find nectar
or pollen (Fig. 2a, b). Only for Microdon analis is it unknown
whether they actually visit flowers for nectar or pollen.
Both for the abundance and the number of species, over
the year the largest proportion are feeding on animals as
larvae (Fig 3a, b). The abundance of hoverflies feeding on
animals showed three peaks: one in spring (May) and two
in the summer (beginning of June and July) (Fig 3a). The
64(2012) št. 5
Species
Spring
18.4
1.5
Summer
15.5
Cheilosia proxima
1
Parasyrphus lineolus
1
Sericomyia silentis
1
Xanthogramma citrofasciatum
1
Brachypalpus chrysites
1
1
Brachypalpus laphriformis
1
1
Parasyrphus annulatus
1
1
20
16
Melanostoma incompletum
1
29.5
Chalcosyrphus valgus
1
Epistrophe nitidicollis
1
Neoascia obliqua
1
Sphaerophoria bankowskae
1
Sphegina montana
6
1
Chrysotoxum vernale
1
1
Helophilus pendulus
1
1
Blera fallax
1
Chrysotoxum octomaculatum
1
Criorhina asilica
1
Epistrophe flava
1
Epistrophe melanostoma
1
1
Microdon analis
26.6
10.7
1
3
1
11.9
25.9
7
1
1
1
Doros profuges
1
Eupeodes corollae
1
Eupeodes latifasciatus
1
1
1
Parasyrphus macularis
2
Platycheirus albimanus
1
Sphegina latifrons
1
Temnostoma vespiforme
2
1
1
2
2
Meliscaeva auricollis
1
1
Myathropa florea
1
1
Chrysotoxum fasciolatum
64(2012) št. 5
4.9
1
Brachypalpoides lentus
Chrysotoxum intermedium
14.8
1
4
Criorhina berberina
1.8
1
1
Neoascia podagrica
Melanostoma mellinum
11.6
Autumn
raziskave in razvoj
Table 1. Phenology of hoverfly species caught continuously in a malaise trap in Sovodenj in the period from
the first of April until the 31st of October 2011. Only the collecting dates and the unstandardized data are
shown.
1
1
1
2
125
raziskave in razvoj
Sphaerophoria scripta
1
4
Eupeodes lapponicus
7
1
1
1
2
Didea fasciata
1
Eumerus pulchellus
1
Sphaerophoria taeniata
4
1
Syrphus torvus
1
Pipizella sp.
1
2
2
Eumerus flavitarsis
4
1
2
Chrysotoxum bicinctum
6
6
Meligramma cincta
1
2
Xylota sylvarum
1
2
Meliscaeva cinctella
Sphaerophoria sp.
3
1
3
1
Melanostoma scalare
2
3
1
1
2
6
1
Paragus cf. pecchiolii
2
1
3
7
2
9
1
2
1
1
1
3
Xanthogramma pedissequum
1
6
13
8
2
1
3
2
Xanthandrus comtus
1
Xylota segnis
1
4
Syrphus vitripennis
1
Trichopsomyia flavitarsis
1
The results show that hoverfly species are available to
provide pollinating and biological control ecosystem
services over the entire growing season of plants. They
mainly pollinate herbs and shrubs, some also trees and
climbing plants. Interestingly, the largest part of the hoverfly species pollinates species of two or more plant
categories. Furthermore, species that feed on aphids in
1
1
1
Discussion
1
4
Ferdinandea cuprea
number of species with larvae feeding on animals had the
largest peak at the beginning of June and a smaller peak
at the beginning of July (Fig 3b). Afterwards, the number
of species slowly decreased. Most of the aphid feeding
species had one or two generations each year (18 and 21
species, respectively) (Fig. 4). Ten species had more than
two generations each year. None of the species feeding
on aphids had a generation time of more than one year.
2
1
1
Sphaerophoria laurae
Eupeodes luniger
1
1
Paragus pecchiolii
Episyrphus balteatus
1
4
1
Chrysotoxum arcuatum
126
2
their larval stage occurred throughout the year. Most of
the species had one or two generations per year. This means that these beneficial species can provide the service
at least once a year.
There is a group of plants that are already flowering in
early spring. In this survey, the early season until the first
of April was not covered. In other countries, some species
are already on the wing in February/March (Reemer et al.,
2009). These are species that mainly winter as adults, such
as like Episyrphus balteatus, or pupae, such as Melangyna
quadrimaculata (Speight, et al., 2010). However, the low
abundance caught in the first period at the beginning of
April suggests that there is probably also a low abundance in the period before. During that time many plant species are visited by bumblebees, honeybees and flies other
than hoverflies, which are better equipped for foraging
during low temperatures.
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
Figure 1. Phenology of relative abundance(a) and relative
number of hoverfly species (b) feeding on different plant
categories in 2011 in Sovodenj.
Figure 2. Number of individuals (a) and
number of species (b) using 0 or more plant
categories
After the beginning of October, no hoverflies
were found. However, many species can still occur
in October until November (Reemer, et al., 2009;
Speight, et al., 2010; M. de Groot, personal observations). This can be explained by the fact that
hoverflies are mainly present during warmer and
sunny days. The research area was at a relatively
high altitude, which consequently also has an earlier drop in temperature with earlier ending of the
flight period of the hoverflies. In 2011, the relatively
early drop in temperature and the snowfall in October explain the absence of hoverflies in the trap.
However, it is likely that in warmer years hoverflies
are present longer and in greater abundance in
October and November.
Figure 3. Phenology of relative abundance (a) and relative
number of species (b) of hoverflies feeding on animals in
their larval stage in the year 2011 in Sovodenj.
64(2012) št. 5
Hoverflies’ availability during a large period of
the season coincides with most of the flowering
plants. The plants flowering in the beginning of
May, beginning of June and beginning of July
have the most advantages over the hoverflies.
Early and late flowering plant species will be visited less frequently. Furthermore, the foraging of
127
raziskave in razvoj
References
Figure 4. Number of aphid feeding species with a
particular number of generations per year.
hover­flies depends on the flower morphology (Lázaro et
al., 2008). Hoverflies visit open flowers more frequently.
Many species can be found on Asteracaea and flowering
poison ivy. Therefore, probably only a selection of plant
species will be visited.
In this research, when the adults of aphid feeding animals
were flying has been shown. The larval development in
these species is faster compared to microphagous species. Therefore, more generations of one species can occur.
It can take just a few weeks between the larval stage and
the adult stage (Rotheray and Gilbert, 2011). In other studies, it was found that the occurrence of aphids is rapidly
followed by the occurrence of hoverfly larvae (Bastian,
1986). This means that the phenology of adult hoverflies can to some extent show the availability of biological
control potential in a certain area. However, it is still a question what the survival rate is from larvae to adult, in order to estimate the real potential for the biological control
from adult abundance data in more detail.
This study gives an indication how hoverflies are available
through the growing season. They fulfil different ecosystem functions in their life history, which makes them an
important group to investigate in regard to ecosystem
services. Important questions that are remain unanswered are to what extent the different hoverfly species are
specialized in their feeding habits, how flexible they are in
their flight period, how this is all linked to climate change
and habitat modifications, and what this means for the
stability of the ecosystem services.
1. Bastian O. (1986) Schwebfliegen. Neue Brehm-Bücherei. Wittenberg
2. Biesmeijer J.C., Roberts S.P.M., Reemer M., Ohlemüller R.,
Edwards M., Peeters T., Schaffers A.P., Potts S.G., Kleukers R.,
Thomas C.D., Settele J., Kunin W.E. (2006) Parallel declines in
pollinators and insect-pollinated plants in Britain and the Netherlands. Science, 313: 351-354
3. Daily G. (1997) Nature’s services, societal dependence on natural
ecosystems. Island Press. Washington
4. Donnelly A., Caffarra A., O’Neill B.F. (2011) A review of climate-driven mismatches between interdependent phenophases in
terrestrial and aquatic ecosystems. Int. J. Biometeorol., 55: 805-817
5. Dziock F. (2006) Life-history data in bioindication procedures,
using the example of hoverflies (Diptera, Syrphidae) in the Elbe
floodplain. International review of hydrobiology, 91: 341-363
6. Goulson D., Lye G.C., Darvill B. (2008) decline and conservation
of bumblebees. Annual Reviews of Entomology, 53: 191-208
7. Lázaro A., Hegland S.J., Totland Ř. (2008) The relationships
between floral traits and specifity of pollination systems in three
Scandinavian plant communities. Oecologia, 157: 249-257
8. Rader R., Howlett B.G., Cunningham S.A., Westcott D.A.,
Newstrom-Lloyd L.E., Walker M.K., Teulon D.A.J., Edwards W.
(2009) Alternative pollinator taxa are equally efficient but not as
effective as honeybee in a mass flower crop. Journal of Applied
Ecology, 46: 1080-1087
9. Reemer M., Renema W., van Steenis W., Zeegers T., Barendregt A., Smit J.T., Van Veen M.P., van Steenis J., van der Leij
L.J.J.M. (2009) De Nederlandse zweefvliegen (Diptera: Syrphidae). Natuurhistorisch Museum Naturalis, KNNV uitgeverij, European Invertebrate Survey - Nederland. Leiden
10. Rotheray G., Gilbert F. (2011) The natural history of hoverflies.
Forrest texts. Ceredigion
11. Sommaggio D. (1999) Syrphidae: can they be used as environmental bioindicator? Agriculture, Ecosystems and Environment,
74: 343-356
12. Speight, M.C.D., Monteil, C., Castella, E.&Sarthou, J.-P. (2010)
StN_2010. In: Speight, M. C. D., Castella, E., Sarthou, J.-P. & Monteil,
C. Syrph the Net on CD, Issue 7. The database of European Syrphidae. Syrph the Net Publications, Dublin.
13. Steffan-Dewenter I., Potts S.G., Packer L. (2005) Pollinator diversity and crop pollination services are at risk. Trends in Ecology &
Evolution, 20: 651-652
14. Van Veen M. (2004) Hoverflies of Northwest Europe, Identification keys to the Syrphidae. KNNV Publishing. Utrecht
Acknowledgements
We would like to thank Tim Faasen for commenting on
an earlier version of the manuscript. MdG was financed
under Naloge 2 Javne gozdarske službe on the Slovenia
Forestry Institute.
128
64(2012) št. 5
UDK 630*44
JESENOV OŽIG V SLOVENIJI:
POŠKODOVANOST JESENOV V
JESENOVIH SEMENSKIH OBJEKTIH
raziskave in razvoj
Tine HAUPTMAN*, Mitja SKUDNIK**, Dušan JURC***
Ash dieback in Slovenia:
ash damage at ash seed collecting stands
Izvleček: Popis poškodovanosti jesenov zaradi jesenovega ožiga smo izvedli v devetih jesenovih semenskih objektih. Ocenjevali smo delež odmrle krošnje in prezgodaj odpadlega listja ter iskali druge škodljive organizme, ki sodelujejo v procesu
propadanja jesenov. Povprečni delež odmrle krošnje na različnih lokacijah je bil med 7 % in 39 %, povprečni delež prezgodaj
odpadlega listja manj kot 10 %, pogosto pa smo na odmirajočih jesenih odkrili tudi okužbe z glivami iz rodu Armillaria.
Ključne besede: Chalara fraxinea, Fraxinus excelsior, Fraxinus angustifolia, popis
Abstract: Ash dieback damage assessment was performed in nine ash seed collecting stands. Dead crown share and share
of prematurely fallen leaves were assessed and other harmful organisms were determined. Average dead crown share at
different locations was between 7 % and 39 % and average share of premature fallen leaves was below 10 %. Weakened ash
trees were often infected with Armillaria spp.
Keywords: Chalara fraxinea, Fraxinus excelsior, Fraxinus angustifolia, inventory
Močno odmiranje in sušenje jesenov se je sredi devetdesetih let prejšnjega stoletja pojavilo na Poljskem in v Litvi
ter se do danes razširilo na večji del Evrope (Hauptman,
2011; Timmermann in sod., 2011). Leta 2006 so bili simptomi bolezni prvič odkriti tudi v SV delu Slovenije (Ogris in
sod., 2009), že v naslednjih dveh letih pa se je bolezen, ki
smo jo pri nas poimenovali jesenov ožig, razširila na območje celotne države (Hauptman in sod., 2010). Povzročiteljica tako obsežne epifitocije je gliva neprava pecljevka
(Hymenoscyphus pseudoalbidus Queloz in sod., 2011), ki
oblikuje anamorf z imenom Chalara fraxinea T. Kowalski
(2006). Zaradi tega, ker je bil anamorf povzročiteljice bolezni opisan pet let pred njenim teleomorfom in ker se z
* univ. dipl. inž. gozd., Gozdarski inštitut Slovenije, Oddelek za varstvo gozdov, Večna
pot 2, SI-1000 Ljubljana, Slovenija, e-pošta: [email protected]
** univ. dipl. inž. gozd., Gozdarski inštitut Slovenije, Oddelek za načrtovanje in
monitoring gozdov in krajine, Večna pot 2, SI-1000 Ljubljana, Slovenija
*** prof. dr., Gozdarski inštitut Slovenije, Oddelek za varstvo gozdov, Večna pot 2,
SI-1000 Ljubljana, Slovenija
64(2012) št. 5
izolacijo v čisto kulturo oblikuje samo anamorf, je splošno
uporabljeno ime glive, povzročiteljice jesenovega ožiga,
Chalara fraxinea.
Bolezen v evropskih gozdovih ogroža veliki jesen (Fraxinus excelsior L.) in poljski jesen (F. angustifolia Vahl), malega
jesena (Fraxinus ornus L.) pa bolezen pri nas doslej ni prizadela. Gliva povzroča veliko število simptomov: venenje
in zgodnje odpadanje listja, nekroze listja, listnih pecljev
in skorje, odmiranje in sušenje poganjkov, rakave rane
na poganjkih in vejah ter spremembe barve okuženega
lesa. Ogrožena so drevesa vseh starosti, mortaliteta je večja med osebki mlajših razvojnih faz, oteženo je naravno
pomlajevanje jesena, močno pa je otežena tudi pridelava
zdravih sadik v gozdnih drevesnicah (Hauptman, 2011; Kirisits in sod., 2009).
Jesenov ožig je v Evropi že povzročil veliko škode, najbolj
pa je do zdaj prizadel območja, kjer se je bolezen najprej
pojavila. V Litvi je bilo tako že leta 2009 predvidenih za
golosečnjo 30 % – 40 % jesenovih sestojev, v preostalih
jesenovih sestojih pa je bilo le 25 %–30 % jesenov na vi-
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
1. UVOD
129
raziskave in razvoj
dez zdravih (Lygis in sod., 2009). Površina jesenovih sestojev se je v Latviji v letih med 2000 in 2007 zmanjšala za 23
% (Kenigsvalde in sod., 2010). V Avstriji, kjer je bila bolezen ugotovljena leta 2005, so poškodbe jesenov bistveno
manjše. Na 15 stalnih raziskovalnih ploskvah v Spodnji Avstriji je bila poškodovanost jesenovih krošenj zaradi jesenovega ožiga v letu 2010 med 2 % in 38 %, mortaliteta pa
je bila manjša kot 5 % (Keßler in sod., 2011).
Leta 2011 smo za namene spremljanja jesenovega ožiga, ocene trenutne poškodovanosti jesenovih sestojev
ter določitve drugih škodljivih organizmov, ki sodelujejo
v procesu propadanja jesena, tudi v Sloveniji postavili
stalne raziskovalne ploskve. V tem članku predstavljamo
najpomembnejše rezultate in ugotovitve prvega popisa.
2. MATERIAL IN METODE
Popise poškodovanosti jesenovih dreves smo izvedli
v devetih jesenovih semenskih objektih (preglednica
1, slika 1). Na vsaki lokaciji smo postavili pet trajnih raziskovalnih ploskev. Prostorska razporeditev raziskovalnih
ploskev je bila vezana na oglišča vzorčne mreže 25 m ×
25 m oziroma 50 m × 50 m, kjer je bil semenski objekt
večje površine. Oglišča zarisane vzorčne mreže so predstavljala središča potencialnih ploskev. V vsakem semenskem objektu je bila prva ploskev izbrana slučajnostno in
je predstavljala izhodišče za izbiro vseh nadaljnjih ploskev.
Izbiro vsake naslednje ploskve na mreži je določala omejitev, da je šesto najbližje jesenovo drevo (debelejše od
10 cm) od središča ploskve oddaljeno manj kot 30 m. Ker
zaradi opisanega načina izbire ploskev na nekaterih lokacijah vse potencialne ploskve niso bile v okviru semenskega objekta, so bile nekatere postavljene v neposredni
bližini semenskih objektov.
Na vsaki ploskvi je bilo torej izbranih šest sredini najbližjih jesenovih dreves, v vseh devetih semenskih sestojih
je bilo skupaj popisanih 270 dreves. Izbira in popis dreves na ploskvi je potekal po navodilu popisa M6 ploskev
(metoda šestih najbližjih dreves), ki je opisan v priročniku
za monitoring gozdov in gozdnih ekosistemov (Kovač,
2011). Vsakemu drevesu smo ocenili delež odmrle krošnje,
ki predstavlja zgolj oceno poškodovanosti krošnje zaradi jesenovega ožiga. Ta podatek ni enak oceni osutosti
krošnje, kot jo definira priročnik (Kovač, 2011) in vključuje
samo tipične simptome jesenovega ožiga (odmiranje poganjkov v krošnji, odmrlo listje, ki je še pritrjeno na veje).
Slika 1. Lokacije izbranih semenskih objektov
Figure 1. Location of selected ash seed stands
130
64(2012) št. 5
Lokacija / Location
Vrsta jesena* /
ash species*
Povprečni prsni premer (cm) /
Mean diam. at breast height (cm)
Datum popisa /
date of assessment
Brezje; 46°20'22'' N, 14°13'30'' E
F. excelsior
20,0 (10,2 - 38,5)
11.08.2011
Konjiška gora; 46°19'50'' N, 15°22'40'' E
F. excelsior
34,1 (15,3 - 46,2)
25.08.2011
Kostanjevica; 45°51'45'' N, 15°26'06'' E
F. angustifolia
50,7 (24,2 - 75,4)
18.08.2011
Krekovše; 45°59'21'' N, 13°55'05' E
F. excelsior
27,7 (15,9 - 42,3)
30.08.2011
Kropivnica; 46°08'42'' N, 14°54'51'' E
F. excelsior
39,1 (16,6 - 74,8)
08.08.2011
Murska šuma; 46°30'01'' N, 16°30'45'' E
F. excelsior
30,2 (10,8 - 60,5)
23.08.2011
Odolina; 45°35'15'' N, 14°01'21'' E
F. excelsior
20,2 (10,5 - 31,5)
19.08.2011
F. angustifolia
28,0 (11,5 - 51,2)
23.08.2011
F. excelsior
27,7 (11,8 - 63,7)
16.08.2011
Orlovšček; 46°32'25'' N, 16°19'44'' E
Željne; 45°38'13'' N, 14°54'43'' E
raziskave in razvoj
Preglednica 1. Podatki o izbranih jesenovih semenskih objektih, popisanih drevesih in datumi popisov
Table 1. Data on selected ash seed collecting stands, on assessed trees and dates of assessments
*prevladujoča vrsta na lokaciji / dominant ash species at particular location
Posebej smo ocenili delež prezgodaj odpadlih listov (v
obdobju vegetacije), ki je prav tako lahko posledica okužbe z glivo C. fraxinea. Obe vrednosti smo ocenjevali na 5
% natančno, pri čemer zasenčenih spodnjih delov krošenj
pri ocenjevanju nismo upoštevali. Rezultate smo analizirali s programom Statistica 10, uporabili pa smo neparametrični Kruskal-Wallisov test.
3. REZULTATI
Poškodbe jesenov oziroma simptomi jesenovega ožiga
so bili prisotni v vseh devetih izbranih jesenovih semenskih objektih (preglednica 2). Razlike v deležu odmrle kro-
šnje med lokacijami so bile statistično značilne (p < 0,001).
Izstopala je lokacija Željne (preglednica 2, slika 2), na kateri je bil delež odmrle krošnje statistično značilno večji
od deleža odmrle krošnje na ostalih lokacijah (p < 0,05)
razen od deleža odmrle krošnje na lokaciji Kropivnica (p =
0,06). Razlike med ostalimi lokacijami niso bile statistično
značilne. Povprečni delež odmrle krošnje je bil na osmih
lokacijah med 7,2 % in 19,3 %, le na lokaciji Željne je bil
ocenjen na 38,7 %. Na treh lokacijah smo med 30 izbranimi drevesi odkrili vsaj eno odmrlo drevo. Jeseni brez
simptomov jesenovega ožiga so bili prisotni na vseh izbranih lokacijah, razen na lokaciji Željne. Upoštevajoč vsa
Preglednica 2. Delež znamenj poškodovanosti, mraznice in odmrlih dreves na poskusnih ploskvah
Table 2. Share on symptoms, honey fungus and dead trees on research plots
Lokacija / Location
Delež odmrle krošnje
(%)* / Dead crown
share (%)*
Delež prezgodaj odpadlega listja (%)* /
Share of prematurely
fallen leaves (%)*
Delež okužb z mraznico (%) / Share of
Armillaria infected
trees (%)
Delež odmrlih dreves
(%) / Share of dead
trees (%)
Brezje
7,7 ± 2,7
9,3 ± 3,2
16,7
3,3
Konjiška gora
10,3 ± 1,8
1,8 ± 1,1
3,3
0
Kostanjevica
10,8 ± 1,8
0,2 ± 0,2
0
0
Krekovše
7,2 ± 1,5
7,8 ± 1,4
0
0
Kropivnica
19,3 ± 4,6
1,7 ± 0,8
3,3
3,3
Murska šuma
17,7 ± 4,6
0,5 ± 0,4
20,0
0
Odolina
10,0 ± 1,9
1,7 ± 0,7
0
0
Orlovšček
9,5 ± 2,4
1,0 ± 0,4
6,7
0
Željne
38,7 ± 5,4
0,5 ± 0,4
26,7
10,0
* Prikazana so povprečja in standardne napake / Means and standard errors are shown
64(2012) št. 5
131
raziskave in razvoj
Slika 2. Delež odmrle krošnje jesenovih dreves na devetih različnih lokacijah v Sloveniji (levo); delež odmrle
krošnje jesenovih dreves različnih socialnih položajev, upoštevajoč vse lokacije (desno).
Figure 2. Dead crown share of ash trees at nine different locations in Slovenia (left); dead crown share of ash
trees of different social class (right).
drevesa iz vseh devetih lokacij je bil delež odmrle krošnje
sovladajočih in obvladanih dreves (3. in 4. socialni položaj) statistično značilno (p = 0,02) večji kot delež odmrlih
krošenj vladajočih dreves (2. socialni položaj) ter tudi večji,
vendar ne značilno (p = 0,32), od deleža odmrle krošnje
dreves 1. socialnega položaja (slika 2).
Prezgodnje odpadanje listja zaradi okužbe z glivo C. fraxinea smo opazili na vseh lokacijah (preglednica 2, slika 3). Iz
Slika 3. Delež prezgodaj odpadlega jesenovega listja na devetih različnih lokacijah v Sloveniji (levo); delež
prezgodaj odpadlega jesenovega listja dreves različnih socialnih položajev (desno).
Figure 3. Share of prematurely fallen ash leaves at nine different locations in Slovenia (left); share of prematurely fallen ash leaves of trees of different social class (right).
132
64(2012) št. 5
Na šestih lokacijah smo poleg simptomov jesenovega ožiga na jesenih odkrili tudi mraznice (Armillaria spp.) (slika
4). Največji delež dreves okuženih z mraznico je bil na lokaciji Željne (26,7 %), sledili sta lokaciji Murska šuma (20,0
%) in Brezje (16,7 %), na lokacijah Orlovšček (6,7 %), Konjiška gora (3,3 %) in Kropivnica (3,3 %) pa je ta delež manjši
(preglednica 2).
Fuss), predvsem na lokacijah Odolina in Kostanjevica pa
je bilo na jesenovem listju pogosto opaziti izjede, katerih
povzročitelja nam ni uspelo odkriti.
4. DISKUSIJA
Rezultati popisa kot tudi naša opazovanja na terenu so
pokazala, da je povprečni delež poškodovanost jesenovih
krošenj na večini lokacij manj kot 20 %, mortaliteta pa le
nekaj odstotna. Izstopala je le lokacija Željne (slika 4), kjer
je bil povprečni delež odmrle krošnje skoraj 40 %, mortaliteta pa okoli 10 %. Treba je poudariti, da so bili popisi
narejeni v dokaj starih sestojih (78 % popisanih dreves
raziskave in razvoj
popisanih dreves na sedmih lokacijah (Konjiška gora, Kostanjevica, Kropivnica, Murska šuma, Odolina, Orlovšček
in Željne) je povprečno manj kot 2 % listja odpadlo prezgodaj. Ta delež je na lokacijah Brezje in Krekovše znašal
9,3 % oziroma 7,8 %, vendar se je od ostalih sedmih lokacij
statistično razlikovala le lokacija Krekovše (p < 0,05). Gledano vse lokacije skupaj, je bilo prezgodnje odpadanje
listja na drevju 3. in 4. socialnega položaja bolj izraženo
kot na drevju 1. in 2. socialnega položaja (slika 3), vendar
statističnih značilnih razlik nismo ugotovili (p = 0,11).
V sestoju Krekovše smo na odpadlem listju v sledovih
ugotovili jesenovo pepelovko (Phyllactinia fraxini (DC.)
Slika 5. Pogled na močno poškodovan sestoj na
lokaciji Željne (foto: Tine Hauptman, 16.08.2011)
Figure 5. View on the highly damaged ash stand at
location Željne (photo: Tine Hauptman,16.08. 2011)
Slika 4. Micelijske pahljače in rizomorfi mraznice
pod skorjo odmrlega jesena (foto: Tine Hauptman,
2011)
Figure 4. Mycelia fans and rhizomorphs of Armillaria sp. under the bark of dead ash tree (photo: Tine
Hauptman, 2011)
64(2012) št. 5
Slika 6. Pogled na manj poškodovan sestoj na
lokaciji Konjiška gora (foto: Tine Hauptman,
25.08.2011)
Figure 6. View on the less damaged ash stand at
location Konjiška gora (photo: Tine Hauptman,
25.08.2011)
133
raziskave in razvoj
pripada močnejšemu drogovnjaku ter tanjšemu ali močnejšemu debeljaku), v semenskih objektih, ki so izbrani zaradi velike kakovosti sestojev. V mlajših sestojih bi bil delež
poškodovane krošnje, predvsem pa mortaliteta najverjetneje nekoliko višja. Na to kaže tudi visoka stopnja okuženosti in mortalitete jesenovega mladja, ki je bila opažena
na vseh lokacijah, kjer je bilo jesenovo mladje prisotno.
Povzročiteljica jesenovega ožiga je gliva C. fraxinea, pomembno vlogo v procesu propada jesenov pa, kot kaže,
imajo tudi mraznice (Armillaria spp.) oziroma štorovke, kot
jih imenujemo v pogovornem jeziku. Kljub temu, da smo
za odkrivanje okužb z mraznicami preverjali samo drevesa s kakršnimi koli poškodbami koreničnika, smo značilne
micelijske pahljače oziroma rizomorfe mraznic odkrili na
8,5 % vseh popisanih dreves, med drugim tudi na vseh
odmrlih jesenih. Vsekakor imajo te glive sekundarno vlogo, kljub temu pa močno pospešijo propad drevesa. Tudi
pri nekaterih tujih raziskavah jesenovega ožiga so bile glive iz rodu Armillaria ugotovljene kot sekundarni škodljivi
organizem. Omenjajo vrsti A. cepistes in A. gallica (Bakys
in sod., 2011; Skovsgaard in sod., 2010). Prav slednja je bila
v Sloveniji že najdena na velikem jesenu (Munda,1997) in
tudi rezultati molekularnih analiz vzorca nabranega na
velikem jesenu na lokaciji Kropivnica kažejo, da je rumenovenčna mraznica (Armillaria gallica Marxm. & Romagn.)
pomemben patogen jesenov (B. Piškur, ustna informacija). Iz nekaterih držav poročajo, da oslabljena jesenova
drevesa pogosto napadejo tudi jesenovi podlubniki, najpogosteje pisani jesenov ličar (Leperesinus fraxini Panzer)
(Keßler in sod., 2011; Kunca in sod., 2011). Na naših raziskovalnih ploskvah simptomov napada jesenovih podlubnikov nismo odkrili, se pa že pojavljajo na nekaterih drugih
lokacijah v Sloveniji (Hauptman, 2012).
Bolezen se širi s pomočjo askospor, ki nastajajo v apotecijih na odpadlih lanskoletnih listnih pecljih. Jesenovo
listje je tudi glavno mesto novih okužb (Kirisits in sod.,
2009), čeprav domnevajo, da gliva lahko okuži gostitelja
tudi skozi lenticele na koreničniku oziroma nadzemnih
delih korenin (Husson in sod., 2012). Predvsem na mestih z visoko relativno zračno vlago okuženo listje pogosto
prezgodaj odpade. Tudi raziskovalne ploskve na lokacijah
Krekovše in Brezje, kjer je bil delež odpadlega listja večji,
so na mestih z višjo zračno vlago. Na lokaciji Krekovše je
razlog za nekoliko večji delež odpadlega listja lahko tudi
okužba s pepelovko Phyllactinia fraxini, verjetno pa k temu
nekoliko pripomore tudi dejstvo, da je bil popis na tej lokacij narejen najkasneje. Pojav jesenove pepelovke pred
odpadanjem listja je običajen in zaradi kasnega pojavljanja ne slabi drevesa. Stopnja poškodovanosti krošnje v
naslednjem letu je najverjetneje odvisna od tega, ali se
gliva C. fraxinea iz okuženega listja uspe razrasti skozi pe-
134
celj do poganjka, preden listje odpade. Povečan delež
odpadlega listja zaradi okužbe z jesenovim ožigom torej
lahko nakazuje povečanje poškodovanosti krošnje v naslednjem letu.
Ne samo odpadanje okuženega listja, ampak tudi drugi simptomi jesenovega ožiga so na zasenčenih mestih
z višjo zračno vlago in nekoliko nižjimi temperaturami
bolj pogosti, stopnja poškodovanosti jesenov zaradi jesenovega ožiga pa zato višja (Ogris, 2008). Tako so tudi
krošnje jesenov, ki so bolj izpostavljene soncu in s tem
višjim temperaturam ter vetru in s tem manjši zračni vlagi,
manj poškodovane kot krošnje jesenov, ki tvorijo polnilni
sloj sestoja. Te ugotovitve potrjujejo tudi rezultati našega
popisa, saj je bil povprečni delež odmrle krošnje kot tudi
povprečni delež odpadlega listja sovladajočih in obvladanih jesenov nekoliko večji od nadvladajočih in vladajočih
jesenov v sestojih.
Poškodovanost jesenov zaradi jesenovega ožiga na izbranih raziskovalnih ploskvah v Sloveniji je podobna poškodovanosti jesenov na raziskovalnih ploskvah v Spodnji
Avstriji (Keßler in sod., 2011). V povprečju stopnja poškodovanosti v Avstriji iz leta v leto nekoliko narašča (popise
poškodovanosti izvajajo od leta 2007), vendar pa se na
nekaterih lokacijah poškodovanost ni veliko spremenila in
ostaja na precej nizkem nivoju. Kako hitro se bo poškodovanost zaradi jesenovega ožiga povečevala pri nas, bodo
pokazali popisi v prihodnjih letih.
Najpomembnejša ugotovitev dosedanjih raziskav jesenovega ožiga za gospodarjenje z velikim in poljskim jesenom je individualna odpornost posameznih osebkov
jesena (Hauptman in sod., 2010; McKinney in sod., 2011a;
McKinney in sod., 2011b). Kljub temu, da bolezen v Sloveniji že povzroča veliko škode, upanje za obstoj jesenov v
slovenskih gozdovih torej še ostaja. Na to kaže tudi približno 13 % jesenov brez simptomov jesenovega ožiga v
naši raziskavi in velike razlike v poškodovanosti popisanih
dreves.
5. ZAHVALA
Delo je potekalo v okviru projekta L4-2301 Jesenov ožig
v Sloveniji in proučevanje glive Chalara fraxinea, ki ga financirata Agencija za raziskovalno delavnost Republike
Slovenije in Ministrstvo za kmetijstvo in okolje ter Programske skupine P4 0107 Gozdna biologija, ekologija in
tehnologija, ki jo financira Agencija za raziskovalno delavnost Republike Slovenije. Za pomoč pri delu na terenu se
zahvaljujemo Juretu Žlogarju.
64(2012) št. 5
1. Bakys R., Vasiliauskas A., Ihrmark K., Stenlid J., Menkis A.,
Vasaitis R. (2011) Root rot, associated fungi and their impact on
health condition of declining Fraxinus excelsior stands in Lithuania.
Scandinavian Journal of Forest Research, 26: 128-135
2. Hauptman T. (2011) Jesenov ožig po svetu in pri nas. V: Zbornik
predavanj in referatov 10. slovenskega posvetovanja o varstvu rastlin. Društvo za varstvo rastlin Slovenije, Ljubljana, 247-251
3. Hauptman T. (2012) Propadanje velikega jesena v KE Zagorje. Ljubljana, Gozdarski inštitut Slovenije, 4 str.
4. Hauptman T., Ogris N., Jurc D. (2010) Kaj se dogaja z jesenom
pri nas? - Tretje nadaljevanje. Gozdarski vestnik, 68: 71-73
5. Husson C., Caël O., Grandjean J.P., Nageleisen L.M., Marçais
B. (2012) Occurrence of Hymenoscyphus pseudoalbidus on infected ash logs. Plant Pathology, v tisku
6. Kenigsvalde K., Arhipova N., Laivins M., Gaitnieks T. (2010)
Fungus Chalara fraxinea as a causal agent for ash decline in Latvia.
Forest Science, 21, 54: 110-120
7. Keßler M., Cech T.L., Brandstetter M., Kirisits T. (2011) Dieback
of Ash (Fraxinus excelsior and Fraxinus angustifolia) in Eastern Austria: Disease development on Monitoring plots from 2007 to 2010.
V: Global Change and Forest Diseases: New Threats, New strategies. Diez J.J. (Ur.), Martínez-Álvarez P. (Ur.), Romeralo C. (Ur.), DIMOMPAL S.L., Cantabria, Spain, 134-134
8. Kirisits T., Matlakova M., Mottinger-Kroupa S., Cech T.L.,
Halmschlager E. (2009) The current situation of ash dieback caused by Chalara fraxinea in Austria. SDU Faculty of Forestry Journal,
97-119
9. Kovač M. (Ur.)(2011) Monitoring gozdov in gozdnih ekosistemov
- Priročnik za terensko snemanje podatkov (v tisku). Ljubljana, Gozdarski inštitut Slovenije, 213
10. Kowalski T. (2006) Chalara fraxinea sp. nov. associated with dieback of ash (Fraxinus excelsior) in Poland. Forest Pathology, 36: 264270
11. Kunca A., Leontovyč R., Zúbrik M., Gubka A. (2011) Bark beetle on weakened ash trees and applied control measures. EPPO
Bulletin, 4: 11-13
12. Lygis V., Bakys R., Vasaitis R. (2009) Ash decline in Lithuania: the
current situation and research. V: SNS Workshop, Network of Climate Change Risk on Forests. Tvärminne, Finland, 23-23
13. McKinney L.V., Nielsen L.R., Hansen J.K., Kjaer E.D. (2011a)
Presence of natural genetic resistance in Fraxinus excelsior (Oleraceae) to Chalara fraxinea (Ascomycota): an emerging infectious
disease. Heredity, 106: 788-797
14. McKinney L.V., Thomsen I.M., Kjær E.D., Nielsen L.R. (2011b)
Genetic resistance to Hymenoscyphus pseudoalbidus limits fungal growth and symptom occurrence in Fraxinus excelsior. Forest
Pathology: v tisku
15. Munda A. (1997) Raziskave štorovk (Armillaria (Fr.:Fr.) Staude) v
Sloveniji. V: Zbornik ob 50. obletnici obstoja in delovanja Gozdarskega inštituta Slovenije, 211-220
16. Ogris N. (2008) Jesenov ožig, Chalara fraxinea. Novice iz varstva
gozdov, Ljubljana, Gozdarski inštitut Slovenije: 1-1
17. Ogris N., Hauptman T., Jurc D. (2009) Chalara fraxinea causing
common ash dieback newly reported in Slovenia. Plant Pathology,
58: 1173-1173
18. Queloz V., Grunig C.R., Berndt R., Kowalski T., Sieber T.N.,
Holdenrieder O. (2011) Cryptic speciation in Hymenoscyphus albidus. Forest Pathology, 41: 133-142
19. Skovsgaard J.P., Thomsen I.M., Skovgaard I.M., Martinussen
T. (2010) Associations among symptoms of dieback in even-aged
stands of ash (Fraxinus excelsior L.). Forest Pathology, 40: 7-18
64(2012) št. 5
20. Timmermann V., Børja I., Hietala A.M., Kirisits T., Solheim H.
(2011) Ash dieback: pathogen spread and diurnal patterns of ascospore dispersal, with special emphasis on Norway. EPPO bulletin,
41: 14-20
raziskave in razvoj
6. LITERATURA
135
raziskave in razvoj
Ines Štraus*, Tijana Martinović,
Peter Železnik, Hojka Kraigher
UDK 630*160.203:630*176.1 Fagus sylvatica L.
Obrat drobnih korenin pri
Fagus sylvatica L. v rizotronih
in analiza z računalniškim
programom Rootfly©
Fine root turnover on Fagus sylvatica L. in rhizotrons and
analysis with Rootfly© computer programme
Izvleček: Drobne korenine imajo v gozdnih ekosistemih pomembno vlogo pri kroženju ogljika, hranil in vode. Od hitrosti
obrata drobnih korenin je odvisna dinamika ogljika v tleh. Večina metod študija korenin sloni na zajemanju slik in računalniški analizi le-teh. V prispevku predstavljamo računalniški program Rootfly© in primerjavo programov (Rootfly©, WinRhizo©
in WinRhizoTron©) za analiziranje slik korenin v rizotronih in minirizotronih.
Ključne besede: bukev, minirizotroni, obrat drobnih korenin, rizotroni, Rootfly©, WinRhizo©, WinRhizoTron©
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Abstract: Fine roots play an important role in forest carbon, nutrient and water cycles. The turnover of fine roots determines
part of carbon dynamics in forest soils. Most techniques to study fine roots are based on picture taking and computerized
image analyses. Therefore, in this study, we present computer programme Rootfly© and compare different programmes
(Rootfly©, WinRhizo© in WinRhizoTron©) for picture analyses taken in rhizotrons and minirhizotrons.
Keywords: beech, minirhizotrons, fine root turnover, rhizotrons, Rootfly©, WinRhizo©, WinRhizoTron©
136
UVOD
Gozdovi pokrivajo 41 milijonov km2 ali 30 % zemeljskega
površja, pri čemer drevesa predstavljajo okoli 80 % svetovne biomase (Lorenz in Lal, 2010). Korenine predstavljajo 20 % do 40 % gozdne biomase in imajo ključno vlogo
pri privzemanju vode in hranil iz tal, shranjevanju komponent ogljika (C) in zagotavljanju fizične stabilnosti dreves (Brunner in Godbold, 2007; Lukac in Godbold, 2010).
Drobne korenine dreves se v procesu rasti in odmiranja,
ki ga imenujemo življenjski obrat korenin, nenehno nadomeščajo z novimi in na ta način vnašajo pomembne
količine biomase oziroma C v tla (Brunner in Godbold,
2007; Helmisaari in sod., 2002). Drobne korenine dreves so
vedno povezane z mikoriznimi glivami (MF), v njih pa se
* Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, 1000 Ljubljana; e-pošta: ines.straus@
gozdis.si
investira približno od 20 % do 30 % tekočih asimilatov. MF
zagotavljajo prostorsko in časovno delitev vode, hranil in
karbohidratov med različnimi biotskimi komponentami v
gozdnem ekosistemu in podpirajo biodiverziteto na različnih nivojih (Brunner in Godbold, 2010; Kraigher, 1996;
Kraigher, 1999; Selosse in sod., 2006; Wilkinson in sod.,
2010). Raziskovanje obrata drobnih korenin je težavno in
zahteva precej dela in časa. Pri vzorčenju in analiziranju
prsti pogosto pride do artefaktov, ki lahko vplivajo na
rezultate (Lukac in Godbold, 2010), zato se pri raziskavah
navadno kombinira različne metode dela za pridobivanje
podatkov o obratu drobnih korenin v tleh (Hirano in sod.,
2009; Johnson in sod., 2001; Lukac in Godbold, 2010; Majdi in sod., 2005).
V osnovi ločimo dva različna metodološka pristopa opazovanja rasti korenin. Metoda z vstavljanjem vrastnih
mrežic (Persson, 1980) v gozdna tla omogoča merjenje
64(2012) št. 5
Kljub številnim razvitim metodam je razumevanje drobnih korenin zaradi tehničnih in metodoloških težav pomanjkljivo (Finér in sod., 2007; Majdi in sod., 2005), poleg
tega se raziskovalci pogosto srečujejo z ogromnimi količinami slik in podatkov, ki jih je potrebno urediti v podatkovne baze za nadaljnjo statistično obdelavo (Železnik in
sod., 2011).
Slike rizotronov in minirizotronov, posnete s skenerji ali
digitalnimi kamerami, lahko obdelamo z različnimi programi, kot so WinRhizo© (1996-2009, Regent Instruments,
Kanada), WinRhizoTron© (2001-2008, Regent Instrument,
Kanada) in Rootfly© (2005-2011, Clemson University, US).
V prispevku bomo prikazali način obdelave slik rizotronov
s programom Rootfly© in komentirali prednosti oziroma
slabosti omenjenih programskih oprem za analiziranje slik
rizotronov.
Slika 1. Primer slike rizotrona, slikanega z dveh
strani s fotoaparatom (foto: Ines Štraus, 2011).
Figure 1. Image of rhizotron from two sides made by
digital camera (photo: Ines Štraus, 2011)
64(2012) št. 5
MATERIAL IN METODE
Rast drobnih korenin smo opazovali na sadikah bukve
Fagus sylvatica L., ki so posajene v rizotrone in rastejo pri
štirih različnih temperaturnih pogojih, opisanih v Štraus
in sod. (2011). Nedestruktivne analize rasti in razvoja korenin in mikorize na sadikah bukve smo analizirali s pomočjo slik rizotronov. Rizotrone smo slikali s fotoaparatom (EOS 500D, Canon, Japonska). Slike smo pregledali
s programom Rootfly© (v2.0.2., Clemson University, US).
Za primerjavo smo del slik analizirali tudi s programom
WinRhizoTron© (2001-2008, Regent Instrument, Kanada).
Statistične analize smo naredili v programu R Version
2.12.2. in MS Excel.
raziskave in razvoj
biomase korenin in rast drobnih korenin v časovnem intervalu (Majdi in sod., 2005; Železnik in sod., 2012). Hirano
in sod. (2009) so razvili novo metodo za opazovanje rasti
korenin, ki sicer temelji na metodi vrastnih mrežic, kjer z
uporabo jeklene nerjaveče plošče vstavimo mrežico v tla.
Pri omenjeni metodi mrežic ne polnimo s prstjo, zato je
postopek vstavljanja hitrejši, povzroči minimalno motnjo
v tleh in zahteva le enostavno opremo. Drugi način opazovanja dinamike korenin v tleh je nedestruktivna metoda, kjer s pomočjo slikanja korenin s kamero (Wöllmer in
Kottke, 1990) (najbolj pogosto se uporablja minirizotrone
ali rizotrone (Hendrick in Pregitzer, 1992; Taylor in sod.,
1990; Železnik in sod., 2012)), opazujemo rast in razvoj korenin v določenem intervalu brez povzročanja motenj v
tleh, slike pa analiziramo z različnimi računalniškimi programi.
ANALIZA PODATKOV S PROGRAMOM
ROOTFLY©, PRIMERJAVA S PROGRAMOM
WINRHIZOTRON IN DISKUSIJA
Priprava slik za pregledovanje v
programu Rootfly©
Slike rizotronov (slika 1) za analiziranje morajo biti ustrezno
poimenovane. Ime slike mora vsebovati oznako za: Tube
(oznaka za lokacijo, na kateri so slike posnete), Window
(oznaka za pozicijo slikanega dela v cevi oziroma strani
rizotrona) in Session (oznaka za posamezno skupino slik,
posnetih na določen dan, v določenem času ipd). Ostale
informacije (ime eksperimenta, čas, datum, oznake po lastni izbiri) so izbirne in jih lahko poljubno spreminjamo.
Obdelava slik v programu Rootflly©
Pred začetkom pregledovanja slik rizotronov je potrebno
kalibriranje merilne enote (število slikovnih točk v enem
milimetru). Za kalibracijo uporabimo sliko rizotrona z milimetrskim papirjem (slika 2). Če slike pregledujemo brez
predhodne kalibracije, jih shranimo v formatu .rfy (rootfly), ki nam omogoča naknadno kalibracijo slik in posodobitev podatkov.
Ko končamo s kalibriranjem, nadaljujemo z analiziranjem,
oziroma z označevanjem korenin na slikah rizotronov. S
klikom na korenino izberemo korenino, ki jo želimo analizirati. Začnemo na začetku korenine ter v smiselnih razmikih nadaljujemo do konca korenine. Označevanje zaključimo z dvojnim klikom na korenini. Postopek nadaljujemo,
dokler ne označimo vseh korenin na sliki rizotrona. Program Rootfly© nam omogoča, da za vsako korenino
označimo tudi premer, barvo, vitalne in odmrle korenine
ter druge lastnosti, ki jih potrebujemo. Po končani analizi
podatke izvozimo v excel datoteko (.csv).
137
raziskave in razvoj
Slika 2. Kalibriranje slike rizotrona (foto: Tijana Martinović, 2012)
Figure 2. Calibration of rhizotron image (photo, Tijana Martinović, 2012)
PRIMERJAVA ANALIZE PODATKOV Z RAZLIČNIMI RAČUNALNIŠKIMI PROGRAMI
Za analize drobnih korenin lahko izbiramo med različnimi programi, kot so WinRhizo© (1996-2009, Regent Instruments, Kanada), WinRhizoTron© (2001-2008, Regent
Instrument, Kanada) in Rootfly© (2005-2011, Clemson
University, US). Vsak od naštetih programov ima svoje prednosti oziroma slabosti, na podlagi katerih se pri
analizi slik odločamo (preglednica 1). Rootfly© je prosto
dostopen na internetu, medtem ko sta WinRhizoTron© in
WinRhizo© licenčna programa in na ta način omejujeta
število uporabnikov.
Resolucija slik rizotronov, posnetih s fotoaparatom (EOS
500D, Canon, Japonska) za obdelavo v Rootfly© naj ne
bi presegala 1000 x 1500 slikovnih točk, saj se s povečevanjem resolucije slik povečuje čas obdelave slike. Nasprotno velja za WinRhizo© in WinRhizoTron©, saj je velikost ene slikovne točke prevelika, zato bi bilo bolje, če bi
bile slike posnete s skenerjem. Poleg tega bi pri uporabi
WinRhizo© programa prišlo do zapleta pri analizi barvnih
slik, ker so korenine enake barve kot ozadje (substrat), česar program ne zazna.
S primerjavo rezultatov dolžine korenin analiziranih slik z
WinRhizoTron©, Rootfly© in ročnim merjenjem korenin
na rizotronu smo ugotovili, da pri meritvah ne prihaja do
sistematičnih napak, da se razlike pojavljajo brez sistematičnega vzorca in so večinoma posledica subjektivnega
označevanja raziskovalca, ki s klikanjem vzdolž korenin
določi njihov začetek in konec (preglednica 2).
Preglednica 1: Primerjava lastnosti programov Rootfly© in WinRhizoTron©
Table 1: Comparison of the characteristic of Rootfly© in WinRhizoTron©
138
WinRhizoTron©
Rootfly©
Dostopnost
Nakup licence
Prosto dostopen na internetu
Podatki
Dolžina, premer, površina in volumen za vse korenine Dolžina, premer in barva korenin (sliskupaj in ločeno za vitalne in odmrle korenine (slika 3) ka 4)
Čas obdelave 1 slike
pribl. 60 min
pribl. 30 min
Uporabnost
minirizotroni, rizotroni
rizotroni
64(2012) št. 5
Meritve [mm]
Primerjava
Ročna meritev
(RM)
Rootfly© (RF)
Winrhizotron©
(WRT)
RF glede na
RM
WRT glede na
RM
WRT glede
na RF
K1
16,72
16,01
16,48
-0,72
-0,24
0,48
K2
17,77
18,43
17,33
0,66
-0,44
-1,11
K3
25,17
22,77
23,88
-2,41
-1,29
1,11
K4
26,13
21,80
23,70
-4,33
-2,43
1,90
K5
30,31
30,69
30,89
0,38
0,58
0,20
K6
43,90
40,53
44,50
-3,37
0,60
3,97
K7
46,64
44,36
43,43
-2,28
-3,21
-0,93
K8
46,64
72,28
45,27
25,65
-1,37
-27,02
K9
51,40
47,98
49,90
-3,42
-1,50
1,93
K10
54,20
97,14
50,88
42,94
-3,33
-46,26
K11
54,36
45,32
47,72
-9,03
-6,64
2,39
K12
55,40
51,92
55,29
-3,48
-0,12
3,37
K13
59,58
56,82
59,87
-2,76
0,29
3,04
K14
62,72
51,65
54,19
-11,07
-8,53
2,54
K15
62,94
57,90
60,85
-5,04
-2,08
2,96
K16
74,48
68,55
73,94
-5,93
-0,54
5,39
K17
99,65
92,61
100,11
-7,04
0,46
7,50
K18
100,84
110,41
103,65
9,57
2,81
-6,76
K19
106,62
95,78
102,65
-10,84
-3,97
6,87
K20
117,07
105,35
112,74
-11,73
-4,33
7,40
Korenina
K21
120,21
121,16
128,60
0,95
8,39
7,44
K22
121,01
84,66
121,49
-36,35
0,48
36,83
K23
136,93
109,55
122,00
-27,38
-14,94
12,44
K24
178,75
164,35
175,78
-14,40
-2,96
11,44
K25
_
x
223,69
189,94
216,94
-33,75
-6,75
27,00
77,33
72,72
75,28
-4,61
-2,04
2,57
SD
51,33
44,52
50,48
15,97
4,29
15,05
Minimum
16,72
16,01
16,48
-36,35
-14,94
-46,26
Maksimum
223,69
189,94
216,94
42,94
8,39
36,83
Me
68,71
72,50
67,40
-4,82
-1,77
3,67
-
-
-
0,1622
0,02567*
0, 4024
P vrednost
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
Preglednica 2. Primerjava dolžine korenin v rizotronu, analizirane z WinRhizoTron© (WRT), Rootfly© (RF)
in ročnim merjenjem (RM) korenin ter rezultati statistične analize za opravljene meritve dolžine korenin. –
aritmetična sredina, SD-standardna deviacija, Me-mediana, p<0,05*, p<0,01**, p<0,001***.
Table 2. Comparison of root length analyses with WinRhizoTron©, Rootfly© and manual measurement of root
and results of statistical analysis for root length measurements. - Mean, SD-standard deviation, Me-Median,
p<0,05*, p<0,01**, p<0,001***.
139
raziskave in razvoj
Slika 3. Izbor podatkov iz analize s programom WinRhizoTron© (Foto: Ines Štraus, 2012)
Figure 3. Data selection from WinRhizoTron© analyses (Photo: Ines Štraus, 2012)
Slika 4. Izbor podatkov iz analize s programom Rootfly© (Foto: Ines Štraus, 2012)
Figure 4. Data selection from Rootfly© analyses (Photo: Ines Štraus, 2012)
WinRhizoTron© in Rootfly© sta namenjena predvsem za
analize slik minirizotronov, kjer se lahko korenine iz ene
slike nadaljujejo v naslednjo. Na tem mestu se pojavi težava pri programu Rootfly©, ki ne omogoča prehoda iz
ene slike na drugo in zato isto korenino označi kot dve
ločeni korenini. V primeru rizotronov, kjer imamo le eno
sliko in ne serije slik, ta težava ne predstavlja ovire. Dve
sliki predstavljata dve strani rizotrona, kjer ločeno označimo korenine.
ZAKLJUČEK
Drobne korenine predstavljajo velik delež drevesne biomase in pomembno prispevajo k vnosu C v tla. Raziskovanje obrata drobnih korenin in pridobivanje podatkov vodita do boljšega razumevanja pretoka ogljika v gozdnem
ekosistemu. Namen prispevka je bil predstaviti uporabo
nove programske opreme za analize drobnih korenin, in
primerjati prednosti oziroma slabosti programskih oprem
za analiziranje slik rizotronov. Računalniški program Rootfly© je program, primeren za analize slik rizotronov in za
140
slike, ki imajo manjšo resolucijo. Dobra stran programa je,
da je prosto dostopen na internetu, vendar bi za še boljše delovanje potreboval določene programske posodobitve, ki bi uporabniku prihranile čas, ki ga potrebuje za
zmanjšanje in preimenovanje slik v obliko, ki jo program
sprejme.
S primerjavo programov Rootfly© in WinRhizoTron© ter
ročnim merjenjem korenin smo ugotovili, da napake so,
vendar so verjetno posledica subjektivnega označevanja
raziskovalca. Čas, potreben za analizo ene slike rizotrona s
programom WinRhizotron© je okoli 60 minut, s programom Rootfly© pribl. 30 minut in z ročnim merjenjem, ki
ne vključuje samodejnega oblikovanja baze podatkov,
pribl. 15 minut.
ZAHVALA
Prispevek je bil pripravljen v okviru raziskovalnega projekta L4-2265, ki ga financira Agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije in programa mlade raziskovalke
Ines Štraus.
64(2012) št. 5
1. Brunner I., Godbold, D. (2010) Belowground carbon in forests
soils: Turnover as a key process. COST Action FP0803: Belowground
Carbon Turnover in European Forests-State of the Art, 26-28 jan
2010, Switzerland: 13-16
2. Brunner I., Godbold, D. L. (2007) Tree roots in a changing world.
Journal of Forest Research, 12, 2: 78-82
3. Finér L., Helmisaari, H. S., Lõhmus, K., Majdi, H., Brunner, I.,
Børja, I., Eldhuset, T., Godbold, D., Grebenc, T., Konôpka, B.,
Kraigher, H., Möttönen, M. R., Ohashi, M., Oleksyn, J., Ostonen, I., Uri, V., Vanguelova, E. (2007) Variation in fine root biomass of three European tree species: Beech (Fagus sylvatica L.),
Norway spruce (Picea abies L. Karst.), and Scots pine (Pinus sylvestris L.). Plant Biosystems - An International Journal Dealing with all
Aspects of Plant Biology, 141, 3: 394-405
4. Helmisaari H. S., Makkonen, K., Kellomaki, S., Valtonen, E.,
Malkonen, E. (2002) Below- and above-ground biomass, production and nitrogen use in Scots pine stands in eastern Finland.
Forest Ecology and Management, 165, 1: 317-326
5. Hendrick R. L., Pregitzer, K. S. (1992) Spatial variation in tree
root distribution and growth associated with minirhizotrons. Plant
and Soil, 143, 283-288
6. Hirano Y., Noguchi, K., Ohashi, M., Hishi, T., Makita, N., Fujii,
S., Fin, Eacute, R, L. (2009) A new method for placing and lifting
root meshes for estimating fine root production in forest ecosystems. Plant Root, 3, 26-31
7. Johnson M. G., Tingey, D. T., Phillips, D. L., Storm, M. J. (2001)
Advancing fine root research with minirhizotrons. Environmental
and Experimental Botany, 45, 3: 263-289
8. Kraigher H. (1996) Tipi ektomikorize – Taksonomija, pomen in
aplikacije. Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49, 33-66
9. Kraigher H. (1999) Diversity of types of ectomycorrhizae on Norway spruce in Slovenia. Phyton (Horn), 39, 3: 199-202
10. Lorenz K., Lal, R. (2010) Carbon Sequestration in Forest Ecosystems. First edition. Springer Dordrecht Heidelberg London New
York, 277
11. Lukac M., Godbold, D. (2010) Fine root biomass and turnover
in southern taiga estimated by root inclusion nets. Plant and Soil,
331, 1-2: 505-513
12. Majdi H., Pregitzer, K., Morén, A.-S., Nylund, J.-E., I. Ågren, G.
(2005) Measuring Fine Root Turnover in Forest Ecosystems. Plant
and Soil, 276, 1: 1-8
13. Persson H. (1980) Fine-root production, mortality and decomposition in forest ecosystems. Plant Ecology, 41, 2: 101-109
14. Selosse M.-A., Richard, F., He, X., Simard, S. W. (2006) Mycorrhizal networks: des liaisons dangereuses? Trends in Ecology &amp;
Evolution, 21, 11: 621-628
15. Štraus I. A., Bajc, M., Grebenc, T., Mali, B., Kraigher, H. (2011)
Tipi ektomikorize pri sadikah bukve (Fagus sylvatica L.) v rizotronih.
Zbornik gozdarsvta in lesarstva, 95, 23-36:
16. Taylor H. M., Upchurch, D. R., Mcmichael, B. L. (1990) Applications and limitations of rhizotrons and minirhizotrons for root
studies. Plant and Soil, 129, 1: 29-35
17. Wilkinson A., Solan, M., Taylor, A. F. S., Alexander, I. J., Johnson, D. (2010) Intraspecific Diversity Regulates Fungal Productivity and Respiration. PLoS ONE, 5, 9: e12604
18. Wöllmer H., Kottke, I. (1990) Fine root studies in situ and in the
laboratory. Environmental Pollution, 68, 3–4: 383-407
19. Železnik P., Grebenc, T., Kraigher, H. (2012) Pregled metod monitoringa dinamike ogljika v drobnih koreninah in z dekompozicijo
opada. Gozdarski vestnik, 70, 1: 21-26
64(2012) št. 5
20. Železnik P., Stojanova, D., Kraigher, H. (2011) Organization of
fine root data obtained from minirhizotrons and ingrowth soil cores (how to construct an operational database using MS Acces).
Zbornik gozdarstva in lesarstva, 95, 37-44
raziskave in razvoj
LITERATURA
141
raziskave in razvoj
Saša Vochl*, Tine Premrl**, Tine Grebenc**,
Andreja Ferreira** UDK 630*908.1
Kmetijsko-gozdarski sistem njegova vpeljava v slovenske
znanstvene vsebine in
uporaba v praksi
Agroforestry system – its implementation in research
and forestry practise in Slovenia
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Povzetek: Kmetijsko-gozdarski sistem (KGS) je način rabe zemljišč, pri katerem na istem zemljišču rastejo drevesa in se hkrati
izvaja ekstenzivno kmetijstvo. V Evropi se navaja 6 različnih podsistemov: drevesno-poljedelski podsistem, obvodna drevnina, gojenje nelesnih gozdnih dobrin, drevesno-pašni podsistem, drevesa z možnostjo večnamenske rabe in kolobarjenje z
gozdnimi drevesnimi/grmovnimi vrstami. KGS predstavlja velik potencial tudi za Slovenijo, saj združuje številne ekonomske,
ekološke in socialne funkcije. V prispevku predstavljamo prvi pregled možnosti uporabe KGS v Sloveniji, proizvode in storitve
ter zakonske osnove za izvajanje. S tem želimo tudi spodbuditi nove raziskave, nadgradnjo obstoječega znanja in interdisciplinarnost pri širjenju njegove uporabe ter izpostaviti prednosti, ki jih nudi v slovenskem prostoru.
Ključne besede: Kmetijsko-gozdarski sistem, drevesno-poljedelski podsistem, obvodna drevnina, gojenje nelesnih
gozdnih dobrin, drevesno-pašni podsistem, drevesa z možnostjo večnamenske rabe, kolobarjenje z gozdnimi drevesnimi/grmovnimi vrstami, zakonodaja
142
Abstract: Agroforestry is a land use system in which trees are grown in combination with extensive agriculture on the same
land. In Europe there are 6 basic types of agroforestry practices: silvoarable agroforestry, riparian buffers, forest farming,
silvopasture, multipurpose trees and improved fallow. They present a great potential for Slovenia due to their economical,
ecological and social role. The paper presents the first overview of potential uses of such systems, their products and services, and a legal basis for implementation of agroforestry in Slovenia. By that, we would also like to encourage new research,
upgrading of existing knowledge and interdisciplinarity in making such systems more popular, and also to highlight the
benefits that can be obtained in by agroforestry approach on the Slovenian territory.
Keywords: agroforestry, silvoarableagroforestry, riparianbuffers, forestfarming, silvopasture, multipurposetree, improvedfallow, legislation
1. Uvod
Slovenija je z vključitvijo v Evropsko unijo pristopila k izvajanju skupne kmetijske politike in si tako zagotovila
možnosti za pridobivanje sredstev iz evropskega prora* Vodilni: Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, SI-1000 Ljubljana, Slovenija;
e-pošta: [email protected]
**Vsi: Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, SI-1000 Ljubljana, Slovenija
čuna. Osnovo za črpanje finančnih sredstev iz Evropskega kmetijskega sklada za razvoj podeželja (EKSRP, 2005)
predstavlja Program razvoja podeželja 2007–2013. Ta temelji na skupni evropski strategiji razvoja podeželja ter na
nacionalnih razvojnih potrebah oziroma zmožnostih slovenskega podeželja (Program razvoja podeželja …, 2007).
Z iztekajočim se programskim obdobjem 2007–2013 je v pripravi nov Program razvoja podeželja za obdobje 2014–2020.
64(2012) št. 5
Različne oblike kmetijsko-gozdarskega sistema (KGS) se
pojavljajo kot pomembni elementi kmetijske krajine v
tropskih in zmernih podnebnih pasovih. Njihov pomen
se je v centralni Evropi začel bistveno zmanjševati v srednjem veku, predvsem zaradi uvajanja kolobarjenja na
kmetijskih površinah in manjše potrebe po vnosu hranil
iz gozdnih na kmetijske površine. Dodatno je k zmanjšanju doprinesla tudi uporaba umetnih gnojil v 19. stoletju
(Eichhorn in sod., 2006). Čeprav ima v Evropi takšna raba
zemljišč dolgo tradicijo, je zaradi ostrega razmejevanja
prostora na kmetijske in gozdarske površine vsaj v formalnem smislu marsikje izginila. Drugje različne oblike KGS še
vedno najdemo oziroma so v porastu, bodisi zaradi njihovega kulturnega pomena (ohranjanje kulturne krajine,
starih običajev) ali kot sonaravna in pomembna dopolnitev intenzivne kmetijske dejavnosti (Smith, 2010).
V primerjavi z izključno kmetijsko ali izključno gozdarsko
rabo zemljišč prinaša KGS številne ekološke, proizvodne
in socialne prednosti. Kljub temu se drevesa, zlasti na
kmetijskih površinah, še danes pogosto nepremišljeno
odstranjuje z željo po čim večjih donosih. Vse večji pritiski
na okolje pa nas silijo v iskanje novih in oživljanje starih,
sonaravnih načinov rabe naravnih virov. Tako KGS z vsemi še neraziskanimi potenciali postaja vse bolj zanimiv in
prepoznaven.
Skupna evropska kmetijska politika je svojo podporo
omenjenemu sistemu prvič namenila v Programu razvoja
podeželja za obdobje 2007–2013. Tudi pri nas je bil ukrep
vzpostavitve KGS v tem obdobju predviden, vendar se
ni izvajal. Tudi Program razvoja podeželja za programsko
obdobje 2014–2020 predvideva ukrep vzpostavitve tega
sistema. V Uredbi sveta št. 1698/2005 je KGS definiran kot
način rabe zemljišč, pri katerih na istem zemljišču rastejo
drevesa in se izvaja ekstenzivno kmetijstvo. Zaradi številnih
ekonomskih, socialnih in ekoloških prednosti je KGS zanimiv tudi za slovenski prostor. Še toliko bolj, ker so naravne
razmere za kmetijstvo v Sloveniji razmeroma neugodne.
KGS pa ima ravno v takšnih pogojih številne primerjalne
prednosti. Področje KGS je bilo v Sloveniji v preteklosti bolj
ali manj prezrto. Namen prispevka je predstaviti sistem,
ugotoviti njegovo prisotnost in možnosti širjenja v Sloveniji, opredeliti možnosti njegovega vključevanja v obstoječo
zakonodajo in izpostaviti njegov pomen in prednosti. S
člankom želimo tudi spodbuditi raziskave, ki bi definirale in
ovrednotile pomen vzpostavitve KGS tudi pri nas.
64(2012) št. 5
2. Pregled KGS v Evropi
V različnih delih sveta uporabljamo različne načine delitve
KGS glede na lokalne potrebe in značilnosti okolja. Delitve
na podsisteme temeljijo na namenu in načinu integracije drevesnih ter grmovnih vrst s kmetijskimi praksami. V
literaturi najdemo več delitev KGS, od katerih v zmernih
podnebnih pasovih, konkretno v Evropi, največkrat zasledimo delitev na 6 podsistemov: drevesno-poljedelski
podsistem (silvoarable agroforestry), obvodna drevnina
(riparian buffer strips), gojenje nelesnih gozdnih dobrin
(forest farming), drevesno-pašni podsistem (silvopasture),
drevesa z možnostjo večnamenske rabe (multipurpuse
tree) in kolobarjenje z gozdnimi drevesnimi/grmovnimi
vrstami (improved fallow) (Alavalapati in Nair, 2001; Mosquera-Losada in sod., 2009).
raziskave in razvoj
V luči strategije Evropa 2020 prihodnja skupna kmetijska politika daje še večji poudarek konkurenčnosti in trajnostnemu
gospodarjenju (EKSRP, 2005). S tega vidika je pomembno
tudi iskanje novih, še neizkoriščenih priložnosti.
2.1. Drevesno-pašni podsistem
Drevesno-pašni podsistem je bil in je še vedno v Evropi
najbolj razširjen KGS (Mosquera-Losada in sod., 2009). Z
namenom čim bolj optimalne rabe naravnih virov združuje na eni površini proizvodnjo lesa in/ali drevesnih
plodov ter pašo živali. Če se vsemu naštetemu pridruži
še pridelava poljščin, ga označujemo kot agrosilvopastoralni podsistem (agro-silvo-pastural) (Rois-Díaz in sod.,
2006 ). Razlike v kulturi in naravnih danostih so v različnih
delih Evrope pogojevale nastanek različnih oblik drevesno-pašne rabe. Mosquera-Losada in sod. (2009) delijo
drevesno-pašni podsistem na pašo v gozdu in pašo na
površinah, poraslih z gozdnim drevjem (kamor kot primer
uvrščajo pogozdene oz. zaraščajoče površine). Med drevesno-pašnimi podsistemi je zelo znana španska dehesa,
kjer na isti površini gojijo hraste in pasejo živino (Moreno
in sod., 2009; Castro, 2009; Olea in sod., 2006). Podobno
rabo tal predstavlja portugalski montado in grški kouri. V
Avstriji, Švici in Franciji poznajo t.i. larchenwisen, ki združuje pašo živine pod macesnovimi drevesi. Različne kombinacije paše živine in gojenja dreves pa poznajo tudi v
drugih evropskih državah (Papanastasis in sod., 2009).
2.2. Drevesa z možnostjo večnamenske rabe
V ta podsistem se uvršča sadno in drugo drevje, ki je naključno ali sistematično razmeščeno po polju ali pašniku z
namenom proizvodnje sadja (za človeško ali živalsko prehrano), lesa za kurjavo, listja kot dodatne krme za živali in
drugih oblik storitev (Mosquera-Losada in sod., 2009). V
preteklosti se je plodove in listje nekaterih drevesnih vrst
uporabljalo za prehrano ljudi in živali v času pomanjkanja ostalih virov hrane. Zlasti v mediteranskih deželah je
v času poletnega mirovanja rastlin obvejevanje dreves
predstavljalo pomemben dodaten vir prehrane za živali
na paši (Mosquera-Losada in sod., 2009). Sadovnjaki so
143
raziskave in razvoj
ena najbolj prepoznavnih in razširjenih tradicionalnih
oblik kmetijsko-gozdarske rabe tal v Evropi. V Nemčiji
so poznani kot streuobst, v Franciji jih poznajo pod imenom prés vergers in kot fruit- tree meadows ali orchards
v Angliji. Najpogosteje gre za površino, zasajeno s sadnim
drevjem z gostoto 20–100 dreves na hektar. Ena izmed
oblik sadovnjaka so tudi v vrstah posajena sadna drevesa
ob cestah (Herzog, 1998, 2000).
2.3 Gojenje nelesnih gozdnih dobrin
Podsistem predstavljajo gozdne površine, na katerih pridelujemo ali nabiramo naravne ali gojene pridelke za
prehrano, medicinske, dekorativne in druge namene.
Usmerjeno gojenje nelesnih gozdnih dobrin na gozdnih
površinah v Sloveniji je zelo razširjeno, le da ne pod imenom tega podsistema. V Evropi 27 % dohodka od nelesnih dobrin odpade na proizvode, pridobljene v KGS (Mosquera-Losada in sod., 2009). Med primere dobre prakse
v svetovnem merilu zagotovo sodi proizvodnja več vrst
gomoljik. Glivo v obliki mikorize (sožitje med glivo in rastlino) prinesemo na plantažo na koreninskem sistemu
dreves. Za preživetje glive moramo zagotoviti tudi ustrezno pripravljena tla in rastne razmere. Z gojenjem so v
večji meri začeli v 70-ih letih prejšnjega stoletja v Franciji
(Chevalier in Frochot, 1997). Danes so plantaže osnovane
že v več evropskih državah, pa tudi v Avstraliji, ZDA, Čilu in
drugje (Hall in sod., 2003). Obhodni čas v tovrstnih nasadih je okoli 30 let, odvisno od kombinacije gliva-drevesna
vrsta in produktivnosti samega nasada. Poleg gomoljik s
podobnimi postopki v plantažah pridelujemo tudi vrste
iz rodov lupljivk in mlečnic, medtem ko so postopki za
gojenje gobanov, lisičk in karžljev še v razvoju.
2.4. Kolobarjenje z gozdnimi drevesnimi/
grmovnimi vrstami
Kolobarjenje z gozdnimi drevesnimi/grmovnimi vrstami
zagotavlja izboljšanje tal in proizvode gozdnih drevesnih
vrst v času kolobarjenja na sicer kmetijski površini. Tovrstno kolobarjenje se v Evropi od začetka uporabe umetnih gnojil v glavnem ne uporablja več. Podsistem temelji
na kroženju faze pogozdenosti in faze, v kateri na zemlji
pridelujemo kmetijske pridelke. Pri tem je faza pogozdenosti namenjena regeneraciji tal. V ta namen uporabljamo hitrorastoče drevesne vrste s kratko obhodno dobo
10–20 let, ki rastejo v simbiozi z bakterijami za vezavo
dušika. Podsistem je s stališča vložka dela precej zahteven in v večini primerov ni dobičkonosen. Kljub temu je
upravičen v primerih organske proizvodnje hrane (Mosquera-Losada in sod., 2009). Danes tovrstni podsistem še
vedno uporabljajo na velikih površinah predvsem nekateri staroselci v porečju Amazonke (Coomes in sod., 2000).
Primerljivo rabo tal, le da v kombinaciji s požigalništvom,
144
pa uporabljajo še v nekaterih predelih Azije, npr. v Laosu
(Chazée, 1994).
2.5. Drevesno-poljedelski podsistem
Drevesno-poljedelski podsistem združuje gozdne drevesne vrste in eno- ali večletne kmetijske kulture, gojene
med drevjem. Prednost tega podsistema je v funkcijah, ki
jih opravljajo drevesa s poudarkom na protivetrni zaščiti in
zaščiti pred drugimi negativnimi okoljskimi vplivi. Drevesa
prispevajo tudi k zadrževanju gnojil in s tem zmanjšujejo onesnaževanje podzemnih voda, hkrati pa gnojenje
pozitivno vpliva na rast dreves. Drevesa prispevajo tudi k
dolgotrajnejši absorpciji CO2. Drevesno-poljedelski podsistem predstavlja vmesno cono med različnimi rabami tal
in zmanjšuje vpliv ene na drugo (Eichhorn in sod., 2006).
Najpogostejši tipi drevesno-poljedelskih podsistemov
v Evropi so tisti, kjer so drevesa razporejena v eni ali več
vrstah, poljščine pa v širših pasovih med drevesi. Drugo
obliko predstavljajo redka, neenakomerno razporejena
drevesa in poljščine. Tretjo pa širši pasovi drevja kot so
npr. mejice, žive meje, omejki in protivetrni pasovi drevja
v kmetijski krajini. Drevesno- poljedeljski podsistem lahko
delimo tudi glede na proizvode, ki jih dajejo drevesa (sadje, olje, les, lesna biomasa, pluta, krma). V Grčiji so pogosti
sistemi z oljko (McAdam in sod., 2009). V Španiji poznajo
pamaradas, kjer gre za kombinacijo sadnih dreves in žit
oz. zelenjave. V Italiji in Franciji imajo t.i. preverges, ki združujejo topole in poljščine, s poudarkom na proizvodnji
tehničnega lesa (McAdam in sod., 2009).
Drevesno-poljedelski podsistemi so bili (a ne pod tem
imenom) v preteklosti močno razširjeni tako v evropskem
kot tudi v slovenskem prostoru. Drevesa so bila ob vedno
večji intenzifikaciji poljedelstva moteč dejavnik in so bila
v veliki meri odstranjena pri agromelioracijah zemljišč. Danes ponovno spoznavamo vsestranski pomen dreves oz.
zaplat gozdov v kmetijski krajini in se zavedamo, da je bila
s takimi posegi v preteklosti povzročena velika škoda.
2.6. Obvodna drevnina
Obvodno drevnino predstavljajo naravni ali umetno osnovani pasovi vegetacije (drevje, grmovje), ki razmejujejo vodna telesa (vodotoki, jezera, ribniki, močvirja,…) od kmetijskih površin. Ti varujejo rečne brežine pred vodno erozijo
(Osborne in Kovačič, 1993) in vode pred onesnaženjem (Mosquera-Losada in sod., 2009), še posebej z nitrati (Haycock
in Pinay, 1992). Obvodna drevnina ima tudi velik biotski
pomen, saj predstavlja koridorje za prehajanje in bivanje živalskih vrst (Machtans in sod., 1996). Prispeva k izboljšanju
krajine, hkrati pa tu uspevajo nekatere drevesne vrste, katerih les lahko na trgu dosega visoke vrednosti. Njen pomen
je podoben pomenu drevesno-poljedelskega podsistema.
64(2012) št. 5
`` trajni travnik (1300), kmetijsko zemljišče v zaraščanju
(1410), drevesa in grmičevje (1500), neobdelano kmetijsko zemljišče (1600) in kmetijsko zemljišče, poraslo z
gozdnim drevjem (18001) (Vidrih in sod., 2008),
`` vodovarstvena območja (Čemažar, 2007).
Slika 1. Paša v gozdu na Pokljuki (foto: B. Mali, 2011)
3. KGS v Sloveniji ter priložnosti za
njegovo širitev v prihodnje
3.1. Drevesno-pašni podsistem
V Sloveniji je drevesno-pašni podsistem tradicionalno že
prisoten, vendar ne pod tem imenom. Tako Vidrih in sod.
(2009) navajajo, da se je v preteklosti v Sloveniji izvajalo
dva tipa drevesno-pašnega podsistema, ki sta v rabi še
danes. Paša na planinah Jelovice, Pokljuke (slika 1) in Pohorja, kjer se v poletnem času večinoma goveja živina
pase na zeliščnem sloju v gozdu in pašniki v Lipici, kjer se
pod redkim zastorom gradna pasejo konji.
Prepoznavnost drevesno-pašnega podsistema v Sloveniji sega v 90. leta prejšnjega stoletja. Takrat je bila na
območju Vremščice izvedena obsežna interdisciplinarna
raziskava pod vodstvom Veterinarske fakultete (Pogačnik
in sod., 1999). Avtorji so raziskovali primernost nekaterih
drevesnih vrst ter možnosti rekultiviranja opuščenih hribovskih kraških zemljišč z vpeljavo drevesno-pašnega
podsistema. Analizirali so tudi količino proizvodne mase
v grmišču leske kot dodatnega vira krme pašnim živalim.
Med gozdarji se je z omenjeno tematiko ukvarjal Kotar
(Kotar in sod., 1995, Kotar, 1996), ki meni, da je tudi v Sloveniji umestno preizkusiti drevesno-pašni podsistem kot
možnost za povečanje donosov na pašnikih. Pogačnik in
sod. (1999) navajajo, da v Sloveniji uspešnost drevesnopašnega podsistema z gradnom dokazujejo parki in pašniki v okolici Lipice, kjer gradni dosegajo razmeroma visoko kakovost lesa na izven-gozdnih površinah.
Na podlagi reliefa, kamninske podlage in kmetijske rabe
različni avtorji navajajo naslednja območja oz. rabe tal v
Sloveniji, primerne za drevesno-pašno rabo:
`` nižinski Kras, Tolminsko, Idrijsko-Cerkljansko hribovje,
Bela in deloma Suha krajina, Haloze in Kozjansko (Vi-
64(2012) št. 5
Po do sedaj pregledanih virih je bila večina raziskav na
temo drevesno-pašnega podsistema opravljena na Biotehniški fakulteti. Glede uvajanja kmetijsko-pašnega podsistema obstajajo precej natančne usmeritve, vendar se
te nanašajo predvsem na travno rušo in ne toliko na drevesa. Raziskave so večinoma vezane na kraško območje.
Drevesa se obravnava pretežno z vidika zaščitne funkcije,
povečevanja biotske pestrosti in dodatne krme. Rezultati ankete izvedene na devetih poljedelsko-živinorejskih
kmetijah na vodovarstvenem območju Kleče so pokazali,
da je prepoznavnost drevesno-pašnega podsistema med
kmeti razmeroma slaba. Osveščanje kmetov in okoliškega
prebivalstva o prednostih, ki jih prinaša takšen način kmetovanja, je izredno pomembno (Čemažar, 2007).
raziskave in razvoj
drih in sod., 2009),
3.2 Drevesa z možnostjo večnamenske rabe
Razvoj ekstenzivnih travniških sadovnjakov v Sloveniji
sega v čas, ko je sadje predstavljalo pomemben vir prehrane za kmečko prebivalstvo. Plodovi so bili namenjeni
samooskrbi in prodaji, višek pa so predelali v suho sadje,
žganje ali brezalkoholni mošt (Ložar in sod., 1944). Sadna
drevesa so sadili večinoma na manj uporabna zemljišča,
ob ceste ali na strmejše lege v bližini domačij. Glavno
oskrbo sadovnjakov je poleg obrezovanja predstavljala
paša živine, ki je nasade gnojila. Tako je šlo za dvonamensko rabo, kjer se je na eni površini pridelovalo sadje
in travo. Z razvojem kmetijstva in intenzivnih nasadov je
travniški sadovnjak izgubil na pomenu in bil zato deležen
vedno manjše oskrbe.
V devetdesetih letih prejšnjega stoletja pa je s projektom
»Oživljanje travniških sadovnjakov in sadnih vrtov Slovenije« ponovno pridobil na veljavi. Poleg ohranjanja in
širjenja travniških nasadov zaradi pomembne okoljske in
biotske funkcije je bila v projekt vključena tudi zamisel o
proizvodni oz. ekonomski rabi travniških sadovnjakov. Na
podlagi obstoječega znanja iz Nemčije, Avstrije in Švice so
tako razvijali tehnologije in minimalne standarde predelave sadja iz teh sadovnjakov. S projektom so bili postavljeni
tudi standardi oskrbe in ravnanja s travniškimi sadovnjaki
(Kmetič Škof, 2010), ki so služili kot osnova za financiranje
Slovenskega kmetijsko okoljskega programa – KOP (Kmetič Škof, 2010). Oživljanje travniških sadovnjakov je v Programu razvoja podeželja za obdobje 2007–2013 uvrščeno
1 šifre rabe tal (Interpretacijski ključ…, 2011)
145
raziskave in razvoj
v podukrep travniški sadovnjaki (podukrep 214-II/4), kjer
lastniki za njihovo oskrbo lahko pridobijo dodatno plačilo
(Žvikart in sod., 2010).
3.3. Gojenje nelesnih gozdnih dobrin
Resolucija o nacionalnem gozdnem programu (ReNGP)
uvršča med nelesne gozdne proizvode med, gobe, kostanj, novoletna drevesca, veje in storže iglavcev ter zdravilna zelišča, ki so zanimivi tudi z vidika tega kmetijskogozdarskega podsistema. Načini gospodarjenja z gozdovi
za namene proizvodnje omenjenih dobrin v obstoječih
(naravnih gozdnih) sestojih so znani. Za primer lovne divjadi, ki tudi sodi v podsistem KGS (Mosquera-Losada in
sod., 2009) imamo v Sloveniji izdelane načrte gospodarjenja (Čas in sod., 2011). Slabše so znani ukrepi za usmerjeno
gojenje specifičnih proizvodov, na primer ektomikoriznih
gliv, med katere sodijo gobani, gomoljike, ježki, lupljivke,
lisičke itd. Kljub temu, da v tujini obstaja literatura in dobre
prakse (slika 2), pa postopki za Slovenijo še niso povsem
prilagojeni in v širši uporabi. Zato praktičnih primerov gojenja ektomikorizih gliv na plantažah ali na prilagojenih
naravnih rastiščih še nimamo.
Slika 3. Protivetrni pas topolov v Vipavski dolini
(foto: T. Premrl, 2012)
3.4. Kolobarjenje z gozdnimi drevesnimi/
grmovnimi vrstami
Podatkov o kolobarjenju z gozdnimi drevesnimi/grmovnimi vrstami v Sloveniji ni, ravno tako so, glede na nedonosnost, majhne možnosti motivacije lastnikov za vpeljavo
podsistema.
3.5. Drevesno–poljedelski podsistem
V Sloveniji bi drevesno-poljedelski podsistem lahko predstavljala krajina, v kateri so prisotne mejice, omejki, žive
meje in protivetrni pasovi drevja. Prisotnost teh krajinskih
elementov na kmetijskih zemljiščih se upošteva tudi v
registru kmetijskih gospodarstev (Tisu in Rozman, 2011).
Slika 4. Posledica delovanja burje pozimi 2012, ki je
z njive v Vipavski dolini odnesla zgornjo plast tal s
posevki (foto: T. Premrl, 2012)
Tako se slednji lahko vštejejo v površino GERK-ov2, če so
sestavni del tradicionalne kulturne krajine in dobre kmetijske prakse in če njihova širina, upoštevana pri tleh, ne
presega dveh metrov (Tisu in Rozman, 2011). Pomen
omejkov in živih mej v kmetijski krajini, za izboljšanje življenjskega prostora male divjadi, biotske raznovrstnosti
in izgleda krajine, poudarja tudi Resolucija o gozdnem
nacionalnem programu (2008). Njihovo vzdrževanje se
sofinancira iz sredstev Republike Slovenije v okviru nacionalnega programa vlaganja v gozdove.
V Sloveniji bi bilo smiselno dati posebno pozornost tudi
protivetrnim pasovom drevja (slika 3). Njihova funkcija je
preprečevanje vetrne erozije in zmanjševanje evapotranspiracije. S tem predstavljajo učinkovito zaščito in hkrati
povečujejo biotsko raznovrstnost v kmetijski krajini. Za
protivetrne pasove se navadno uporablja topole, jelše, ci-
Slika 2. Primer nasada, namenjenega gojenju gomoljik v južni Franciji (foto: T. Grebenc, 2007)
146
2 Grafična enota rabe zemljišča kmetijskega gospodarstva (GERK) je strnjena površina
kmetijskega zemljišča z enako dejansko rabo, ki je v uporabi enega kmetijskega
gospodarstva (Tisu in Rozman, 2011).
64(2012) št. 5
3.6. Obvodna drevnina
Slovensko gozdarstvo gospodarjenje z obvodno drevnino določa v gozdnogospodarskih načrtih. Zakon o gozdovih (1993) razlikuje med avtohtonimi in neavtohtonimi
obrečnimi pasovi, pri čemer slednje ne uvršča v kategorijo
»gozd«. Rauch in Pirnat (2008) sklepata, da za avtohtone
obrečne pasove vendarle veljajo določbe Zakona o gozdovih. Obvodno drevnino gozdarska stroka največkrat
obravnava z vidika biotske, varovalne in estetske, vloge.
Rauch (2005) ugotavlja, da še vedno obstaja razkorak med
pravno zahtevanim oz prepovedanim in dejanskim ravnanjem: ekonomski interesi prevladajo nad naravovarstvenimi, tako na legalni kot na nelegalni ravni. Ob tem meni, da
stroka pridobiva in širi znanje. Osveščanje mladih in starejših pa je po njegovem mnenju v domeni države, ki mora
poskrbeti tudi za izvajanje nadzora ter finančno podporo,
saj voda kot strateški naravni vir pridobiva na pomenu.
4. Vpetost KGS v slovensko zakonodajo
V pravnem smislu pomeni »kmetijsko-gozdarski sistem«
nov termin, zato ga slovenska zakonodaja ne obravnava.
V vsebinskem smislu pa se nanj oz. na njegove podsisteme nanašajo številni zakoni, programi, strategije, resolucije (preglednica 1). Ker gre za skupno kmetijsko-gozdarsko
rabo, predstavljajo osnovno zakonsko podlago Zakon o
gozdovih (ZG, 1993 s spremembami), Zakon o kmetijstvu
(ZKme-1) in Zakon o kmetijskih zemljiščih (ZKZ, 2008 s
spremembami), v primeru podsistema obvodna drevnina
pa tudi Zakon o vodah (ZV-1, 2002 s spremembami). V širšem smislu se nanj nanašata tudi Zakon o ohranjanju narave (ZON, 99 s spremembami) ter Zakon o varstvu okolja
(ZVO-1, 2004 s spremembami). V primeru vzpostavitve
kmetijsko-gozdarskega sistema v Sloveniji, bo treba temu
prilagoditi tudi zakonske podlage.
raziskave in razvoj
prese ali robinije (Štampar in sod., 2005). Protivetrni pasovi
so običajno sestavljeni iz treh vrst visoko rastočih dreves.
Pomen protivetrnih pasov je lepo viden na primeru Vipavske doline, kjer je močna burja februarja 2012 iz polj
odnesla 5 cm do 15 cm zemlje (slika 4). Pri tem so bile
opazne razlike med polji, kjer obstajajo protivetrni pasovi
in polji, kjer slednjih ni (Kmečki glas, 2012).
Preglednica 1. Proizvodi in storitve kmetijsko-gozdarskega sistema ter njihova potencialna povezava z
izbranimi zakonskimi podlagami
Proizvodi, storitve
Zakoni, programi, resolucije, strategije
ohranjanje narave, biotske raznovrstnosti, habita- Zakon o ohranjanju narave (ZON), Zakon o gozdnem reprotov, gozdnih genskih virov …
dukcijskem materialu (ZGRM), Program razvoja podeželja RS za
obdobje 2007–2013 (PRP RS), Strategija razvoja kmetijstva (SRK),
Resolucija o nacionalnem gozdnem programu (ReNGP)
ohranjanje in izboljševanje kakovosti okolja, traj- Zakon o varstvu okolja (ZVO-1), PRP RS, SRK, ReNGP
nostna raba naravnih virov
ohranjanje poseljenosti ter krajine, obdelanosti Zakon o kmetijstvu (ZKme-1), Zakon o kmetijskih zemljiščih
kmetijskih površin, razvoj podeželja
(ZKZ), PRP RS, SRK, ReNGP
povečanje obsega kmetijskih površin, ohranjanje ZKme-1, ZKZ, PRP RS, SRK
in izboljšanje virov za trajnostno pridelavo hrane,
pridelovalnega potenciala; trajnostno ravnanje z
rodovitno zemljo
zagotavljanje primerne dohodkovne ravni kmetij- ZKme-1, PRP RS, SRK, ReNGP
skih gospodarstev
varstvo pred onesnaženjem kmetijskih zemljišč, ZKme-1, ZKZ, (ZVO-1), Zakon o vodah (ZV-1), Zakon o gozdovih
voda, okolja kot celote, odpravljanje posledic (ZG), PRP RS, SRK, ReNGP
obremenjevanja okolja, varstvo pred erozijo
zagotavljanje dobrega počutja živali (zavetje pred Strategija Evropske unije za zaščito in dobro počutje živali 2012–
neugodnimi vremenskimi pojavi ter dodatna 2015
krma)
zmanjševanje požarne ogroženosti okolja
ZG, ReNGP
zagotavljanje rekreacijske in izobraževalne vloge
ZG, ReNGP
64(2012) št. 5
147
raziskave in razvoj
Preglednica 2. Funkcije, proizvodi in storitve kmetijsko-gozdarskega sistema (prirejeno po McAdam in sod.,
2009)
Funkcija
Opis funkcije
Proizvodi, storitve
Proizvodna
Ustvarjanje biomase, surovin, hra- Drevo: plodovi, les, olja, smola, skorja, živalska krma, med ...
ne …
Živali: meso, mleko, volna, usnje …
Kmetijski pridelki: kmetijske kulture
Ostali gozdni proizvodi: gobe, zelišča, plodovi (maline, borovnice
…), okrasni elementi …
Habitatna
Zagotavljanje habitatov in ohra- Habitatna, vrstna (pasemska) in genetska pestrost, zaščita pašnih
njanje biološke raznovrstnosti
živali pred vremenskimi vplivi …
Zaščitna
Zagotavljanje ekoloških procesov Zaščita vodnih virov, preprečevanje siromašenja tal s hranili,
zmanjševanje požarne ogroženosti, vezava ogljika, preprečevanje erozije, protivetrna zaščita …
Socialna
Zagotavljanje možnosti za izvaja- Ohranjanje kulturne krajine, rekreacija, turizem, lov, raziskovalna
nje rekreacije, turizma, izobraže- dejavnost
vanja …
5. Dodana vrednost KGS
Združevanje kmetijske in gozdarskega rabe na eni površini prinaša številne ekonomske, socialne in ekološke prednosti (preglednica 2), ki predstavljajo temelj trajnostnega
gospodarjenje z naravnimi viri. V Sloveniji imamo le malo
podatkov o konkretnih donosih KGS in obstoječih primerljivih sistemih, zato bi morali v tem pogledu več raziskav
usmeriti v priložnosti, ki nam jih ponuja kmetijsko-gozdarska raba zemljišč.
6. Zaključki
Kmetijsko-gozdarska raba tal (čeprav ne pod tem imenom) je bila v preteklosti v evropskem prostoru tradicionalen način rabe tal, ki je zaradi različnih dejavnikov
marsikje izginila. V zadnjem času KGS s svojimi podsistemi
ponovno pridobiva na veljavi, saj prinaša številne prednosti: ohranja tradicionalno kulturno krajino, preprečuje
siromašenje tal s hranili, povečuje biotsko raznovrstnost,
omogoča boljše počutje živali na paši in še mnoge druge.
V evropskem merilu je treba za večjo prepoznavnost in
uspešno upravljanje s KGS opraviti še več raziskav, izobraževanj in urediti zakonodajo na tem področju. KGS predstavlja velik potencial tudi za Slovenijo, saj združuje številne ekonomske, ekološke in socialne funkcije, pomembne
za slovenski prostor. Iz pregleda je razvidno, da večina
podsistemov KGS v Sloveniji eksplicitno ni urejenih, čeprav nekatere od njih izvajamo pod različnimi drugimi
imeni ali rabami. Tudi obstoječa zakonodaja ne obravnava KGS, čeprav se posredno nanj nanaša več zakonskih
podlag. Nekateri členi obravnavanih zakonov že ustrezno
urejajo njegovo vzpostavljanje, delovanje in omejitve.
148
Trenutno stanje na področju KGS v Sloveniji kaže na neorganiziranost, pomanjkanje ali razdrobljenost znanja in
izkušenj. Primanjkuje tudi demonstracijskih primerov dobrih praks, ki bi na konkretnih primerih omogočili prikaz
realnih doprinosov za uporabnike in spodbujali njihovo
rabo. Tako bi morali ovrednotiti, uvajati in glede na specifiko območja čim bolj izkoristiti obravnavane podsisteme. Nove raziskave, nadgradnja obstoječega znanja in
interdisciplinarnost nam lahko omogočijo, da v najboljši
možni meri izkoristimo vse prednosti KGS v slovenskem
prostoru. Hkrati pričakujemo, da bodo intenzivnejše raziskave in aplikacije na tem področju povezale gozdarski in
kmetijski sektor in zagotovile učinkovito ter donosnejšo
rabo naravnih virov.
7. Zahvala
Pripravo prispevka sta sofinancirala Programska skupina
P4-0107 Gozdna biologija, ekologija in tehnologija ter
program Javne gozdarske službe. Zahvaljujemo se dr.
Mateju Vidrihu, univ. dipl. inž. agr. z Biotehniške fakultete,
Oddelka za agronomijo za strokovne nasvete.
8. Literatura in viri
1. Alavalapati J., Nair P.K.R. (2001) Socioeconomic and institutional perspectives of Agroforestry. V: World Forests, Society and Environment - Markets and Policies. Palo M, Uusivuori J (Ur.), Kluwer
Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 71-81
2. Castro M. (2009) Chapter 6 Silvopastoral Systems in Portugal: Current Status and Future Prospects. V: Agroforestry in Europe: Current Status and Future Prospects.Rigueiro-Rodríguezc A, McAdam
J, Mosquera-Losada MR, Rosa M (Ur.). Springer Science + Business
Media B.V., 11-126
3. Chazée L. (1994) Shifting Cultivation Policies in Laos: present
systems and their future. V: Shifting Cultivation Systems and Ru-
64(2012) št. 5
64(2012) št. 5
22. McAdam J.H., Burges P.J., Grave A.R., Rigueiro-Rodrígue A.,
Mosquera-Losad M.R. (2009) Chapter 2: Classification and functions of agroforestry systems in Europe.V: Agroforestry in Europe:
Current Status and Future Prospects. Rigueiro-Rodríguezc A, McAdam J, Mosquera-Losada MR, Rosa M (Ur.). Springer Science + Business Media B.V., 21-41
23. Moreno G., Pulido F (2009) Chapter 7: The Functioning, Management and Persistence of Dehesas. V: Agroforestry in Europe: Current Status and Future Prospects. Rigueiro-Rodríguezc A, McAdam
J, Mosquera-Losada MR, Rosa M (Ur.). Springer Science + Business
Media B.V., 127-160
24. Mosquera-Losada M.R., McAdam J.H., Romero-Franco R.,
Santiago-Freijanes J.J., Rigueiro-Rodriguez A. (2009) Chapter
1 Definitions and components of agroforestry practices in Europe.
V: Agroforestry in Europe: Current Status and Future Prospects.
Rigueiro-Rodríguezc A, McAdam J, Mosquera-Losada MR, Rosa M
(Ur.). Springer Science + Business Media B.V., 3-19
25. Olea, L., San Miguel-Ayanz A. (2006) The Spanish dehesa. A
traditional Mediterranean silvopastoral system linking production
and nature conservation. 21st General Meeting of the European
Grassland Federation. Badajoz (Spain). Opening Paper. http://
www.fao.org/fileadmin/templates/agphome/images/iclsd/documents/wk1_c5_radomski.pdf (19.03.2012)
26. Osborne L. L., Kovačič D. A. (1993) Riparian vegetated buffer
strips in water-quality restoration and stream management. Freshwater Biology, 29: 243–258
27. Papanastasis V.P., Mantzanas K., Dini-Papanastasi O., Ispikoudis I. (2009) Chapter 5. Traditional agroforestry systems and their
evolution in Greece. V: Agroforestry in Europe: Current Status and
Future Prospects. Rigueiro-Rodríguezc A, McAdam J, MosqueraLosada MR, Rosa M (Ur.). Springer Science + Business Media B.V.,
89-109
28. Pogačnik. M.M., Kompan D., Kotar M., Vidrih. A., Juntes P.
(1999) Rekultiviranje opuščenih hribovitih kraških zemljišč z okolju prilagojenimi tehnologijami reje in zdravja živali. Raziskovalno
razvojni projekt (od 1995–1998). Zaključno poročilo CRP Zemlja,
Univerza v Ljubljani, Veterinarska fakulteta, Ljubljana.
29. Pravilnik o varstvu gozdov Ur.l. RS, št. 92/2000
30. Program razvoja podeželja Republike Slovenije za obdobje
2007–2013 (2007) Ministrstvo za kmetijstvo, gozdarstvo in prehrano. Ljubljana
31. Rauch M. (2005) Gozd in obvodna drevnina v obrežnem pasu
spodnjega toka Kokre. Diplomsko delo. BF, Oddelek za gozdarstvo
in obnovljive gozdne vire, 93 s.
32. Rauch M., Pirnat J. (2008) Gozd in obvodna drevnina v obrežnem pasu spodnje Kokre. Gozdarski vestnik, 66: 5-6
33. Resolucija o nacionalnem gozdnem programu.- Ur. l. RS, št. 1115510/07.
34. Rois-Díaz. M., Mosquera-Losada R., Rigueiro-RodrÍguez A.
(2006) Biodiversitiy indicators on silvopastoralism across Europe.
European Forest Institute.
35. Smith J. (2010) The History of Temperate Agroforestry. Organic
Research Centre, Research.
36. Sporočilo Komisije Evropskemu parlamentu, svetu in Evropskemu ekonomsko-socialnemu odboru o Strategiji Evropske
unije za zaščito in dobro počutje živali 2012–2015. (2012)Bruselj, Evropska komisija, 12 s.http://ec.europa.eu/food/animal/
welfare/actionplan/docs/aw_strategy_19012012_sl.pdf (28.3.2012)
37. Strategija razvoja kmetijstva (delovno gradivo). (2009) - Ljubljana, MKGP, 34 s. http://www.mkgp.gov.si/fileadmin/mkgp.gov.
si/pageuploads/Novinarsko_sredisce/Govori/Strategija_vizija_in_
cilji.pdf (28.3.2012)
38. Štampar F., Lešnik M., Veberič R., Solar A., Koron D., Usenik
V., Hudina M., Ostrec G. (2005) Sadjarstvo. Ljubljana Kmečki glas,
raziskave in razvoj
ral Development in the Lao PDR. Van Gansberghe D, Pals R. (Ur.),
UNDP & Nabong Agricultural College. Vientiane, 66-97
4. Chevalier G., Frochot H. (1997) La Truffe de Bourgogne (Tuber
uncinatum Chatin). Editions Petrarque, Levallois–Perret Cedex,
France.
5. Coomes O.T., Grimard F., Burt G.J. (2000) Tropical forests and
shifting cultivation: secondary forest fallow dynamics among traditional farmers of the Peruvian Amazon. Ecological Economics,
32: 109–124
6. Čas M., Jerina K., Kadunc A., Košir B., Kovač M., Kutnar L.,
Medved M., Pokorny B., Robek R. (2011) Zaključno poročilo
presoj gozdnogospodarskih načrtov območij in lovskoupravljavskih načrtov območij (2011–2020). Gozdarski inštitut Slovenije,
Ljubljana, 33 str.
7. Čemažar F. (2007) Drevesno-pašna raba travinja na vodovarstvenem območju Kleče. Diplomsko delo, VSŠ, BF, Oddelek za agronomijo, Ljubljana.http://www.digitalna-knjiznica.bf.uni-lj.si/vs_cemazar_filip.pdf (27.2.2012)
8. Eichhorn, M.P., Paris P., Herzog F., Incoll L.D., Liagre F., Mantzanas K., Mayus M., Moreno G., Papanastasis V.P., Pilbeam
D.J., Pisanelli A., Dupraz C. (2006) Silvoarable systems in Europe - past, present and future prospects. Agroforestry Systems, 67:
29-50
9. http://www.springerlink.com/content/841r225p06l5g2l6/fulltext.pdf (19.03.2012)
10. Hall I.R., Yun W., Amicucci A. (2003) Cultivation of edible ectomycorrhizal mushrooms. Trends in Biotechnology, 21(10): 433-438
11. Haycock N.E., Pinay G. (1992) Groundwater Nitrate Dynamics in
Grass and Poplar Vegetated Riparian Buffer Strips during the Winter. Journal of Environmental Quality. 22: 273-278
12. Herzog F. (1998) Streuobst: a traditional agroforestry system as a
model for agroforestry development in temperate Europe. Agroforestry Systems, 42: 61–80
13. http://www.springerlink.com/content/g575216705631827/fulltext.pdf (19.03.2012)
14. Herzog F. (2000) The importance of perennial trees for the balance of northern European agricultural landscapes. Unasylva, 200
(51): 42-48
15. Interpretacijski ključ (2011) Podroben opis metodologije zajema dejanske rabe kmetijskih in gozdnih zemljišč. RS Ministrstvo
za kmetijstvo, gozdarstvo in prehrano. Direktorat za kmetijstvo,
Služba za register kmetijskih gospodarstev. Verzija 5.2. 1.1. 2011
http://rkg.gov.si/GERK/documents/RABA_IntKljuc_20110101.pdf
(27.3.2012)
16. Kmečki glas (2012) Kje so vetrozaščitni pasovi? Odstranjevanje
posledic burje na Vipavskem.http://www.kmeckiglas.com/index.
php?option=com_content&task=view&id=4416&Itemid=125
(28.03.2012)
17. Kmetič Škof T. (2010) Oživljanje travniških sadovnjakov. Zelena dežela, 87: 6-9 www.kmetijskizavod-nm.si/file/1421/download/1646 (14. 2.2012)
18. Kotar M., Kompan D., Pogačnik M. (1995) The importance of
the forest in Slovenian Karst area. Sodobno kmetijstvo, 28(5): 243254.
19. Kotar. M. (1996) Drevesno-pašniški sistem z vidika reje drobnice.
http://agri.bfro.uni-lj.si/drobnica/postojna96/KOTAR.html
(02.07.2012)
20. Ložar R., Breznik A., Grafenauer I., Kotnik F., Marolt F., Orel
B., Vilfan S. (1944) Narodopisje Slovencev. 1. del. Klas, znanstvena
knjižnica. Ljubljana.
21. Machtans C. S., Villard M.-A., Hannon S. J. (1996) Use of Riparian Buffer Strips as Movement Corridors by Forest Birds. Conservation Biology 10, 1366–1379
149
raziskave in razvoj
150
str. 416
39. Tisu M., Rozman M. (2011) Aplikacija za vodenje Registra kmetijskih gospodarstev.
40. Uredba sveta (ES) št. 1698/2005 z dne 20. septembra 2005 o
podpori za razvoj podeželja iz Evropskega kmetijskega sklada za
razvoj podeželja (EKSRP).
41. Vidrih M., Čop J., Eler K., Udovč A. (2008) Značilnosti pašnikov
Primorskega krasa in njihova raba : strokovne podlage za opredelitev novega ukrepa namenjenega ohranjanju slovenskih kraških
območij. Ljubljana: Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo,
2008. 29 s.
42. Vidrih M., Vidrih T., Kotar M. (2009) Chapter 20 In Slovenia:
Management of intesive land use system. V: Agroforestry in Europe: Current Status and Future Prospects. Rigueiro-Rodríguezc A,
McAdam J, Mosquera-Losada MR, Rosa M (Ur.). Springer Science +
Business Media B.V., 397-414
43. Zakon o gozdnem reprodukcijskem materialu.-Ur .l. RS, št. 582810/02, pop. Ur. l. RS, št. 85-9439/02, sprem. Ur. l. RS, št. 45-2131/04,
Ur. l. RS, št. 77-3278/11.
44. Zakon o gozdovih.-Ur .l. RS, št. 30-1299/93, sprem. Ur. l. RS, št. 673231/02, Ur. l. RS, št. 110-5469/07.
45. Zakon o kmetijskih zemljiščih.- Ur.l. RS, št. 45-1978/08, sprem.
Ur..l. RS, št. 67-3230/02, Ur. l. RS, št. 36-1718/03, Ur.l. RS, št. 43-2042/11.
46. Zakon o kmetijstvu.- Ur. l. RS, št. 45-1978/08.
47. Zakon o ohranjanju narave.- Ur.l. RS, št. 56-2655/99, pop. Ur. l.
RS, št. 31/00, sprem. Ur. l. RS, št. 119-5832/02, Ur. l. RS, št. 41-1693/04.
48. Zakon o varstvu okolja.-Ur. l. RS, št. 41-1694/04, sprem. Ur. l. RS,
št. 20-745/06, Ur. l. RS, št. 39-1682/06, Ur .l. RS, št. 70-3026/2008, Ur.
l. RS, št. 108-4888/09)
49. Zakon o vodah.- Ur. l. RS, št. 67-3237/02, sprem. Ur. l. RS, št. 572417/08.
50. Žvikart M., Nose Marolt M. (2010) Program razvoja podeželja
Republike Slovenije za obdobje 2007–2013, Ukrep Kmetijsko okoljska plačila (Ukrep KOP), Podukrep 214-II/4, TRAVNIŠKI SADOVNJAKI
– PODUKREP TSA. Ministrstvo za kmetijstvo gozdarstvo in prehrano. April, 2010.
64(2012) št. 5
UDK 630*68:630*94
Vloga gozdarskih zadrug
pri gospodarjenju
z zasebnimi gozdovi
raziskave in razvoj
Špela Pezdevšek Malovrh*, Lidija Zadnik Stirn**, Janez Krč***
The influence of forest cooperatives
on private forest management
Abstract: The study analyzes the challenges and prospects of private forest owners’ cooperation in forest cooperatives in
Slovenia applying the strengths, weaknesses, opportunities and threats approach (SWOT analysis) in combination with the
analytic hierarchy process (AHP). The data from interviews with directors of forest cooperatives were used to develop and to
analyze the strategies for forest owners’ cooperation within cooperatives. Results reveal that the members of forest cooperatives are satisfied with the operation of the existing forest cooperatives and that the activities of forest cooperatives meet
the members’ interests related to forest management, timber sale and timber marketing. The directors of forest cooperatives
perceive the tradition of cooperatives, as well as organized management activities as major strengths of forest cooperatives.
Further, providing national and EU funds for private forest management and extension of activities are recognized as an important opportunity. The focus on local markets is identified as a weakness for forest cooperatives, and the non-cooperation
between owners is identified as a critical threat. However, the rank of importance of the SWOT groups leads to defensive
approach in the strategic planning where forest cooperatives have to minimize weaknesses in order to avoid threats. These
results provide important insights in the future development of forest owners’ cooperation within forest cooperatives.
Keywords: private forest management, private forest owners’ cooperation, forest cooperatives, A’WOT method, strategic planning
* asist. dr. , Biotehniška fakulteta, Oddelek za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire, Večna pot 83, 1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
**red. prof. dr., Biotehniška fakulteta, Oddelek za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire, Večna pot 83, 1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
*** izr. prof dr. , Biotehniška fakulteta, Oddelek za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire, Večna pot 83, 1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected]
64(2012) št. 5
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: Članek analizira izzive in možnosti sodelovanja zasebnih lastnikov gozdov v gozdarskih zadrugah v Sloveniji s
pomočjo analize prednosti, slabosti, priložnosti in nevarnosti (SWOT analiza) v kombinaciji z analitičnim hierarhičnem procesom (AHP). Podatki iz intervjujev z direktorji gozdarskih zadrug so uporabljeni za analizo stanja in razvoj strategij sodelovanja lastnikov gozdov v gozdarskih zadrugah. Rezultati kažejo, da so člani gozdarskih zadrug z delovanjem obstoječih
gozdarskih zadrug zadovoljni in da dejavnosti, povezane z gospodarjenjem z gozdovi, prodajo lesa in trženjem lesa zadovoljujejo interese članov. Direktorji gozdnih zadrug dojemajo tradicijo zadrug, kot tudi organizirano izvajanje del in predelavo
lesa kot pomembni prednosti gozdarskih zadrug. Poleg tega prepoznajo kot pomembno priložnost zagotavljanje državnih
in EU sredstev za gospodarjenje z zasebnimi gozdovi in razširitev dejavnosti. Usmerjenost na lokalne trge je prepoznana kot
slabost za gozdarske zadruge in nesodelovanje med lastniki kot kritična nevarnost. Lestvica pomembnosti SWOT skupin
vodi do defenzivnega pristopa pri strateškem planiranju, kjer morajo gozdarske zadruge minimizirati pomanjkljivosti, da
bi se izognile nevarnostim. Ti rezultati zagotavljajo pomemben vpogled v prihodnji razvoj sodelovanja lastnikov gozdov v
gozdarskih zadrugah.
Ključne besede: gospodarjenje z zasebnimi gozdovi, povezovanje lastnikov gozdov, gozdarske zadruge, A’WOT metoda, strateško planiranje
151
raziskave in razvoj
1. UVOD
Preučevanje gospodarjenja z zasebnimi gozdovi ima zaradi prevladujočega deleža teh gozdov tako v svetu kot
v Sloveniji velik pomen. Problematika gospodarjenja z
zasebnimi gozdovi je povezana s strukturnimi spremembami v družbi, ki so pripeljale do vedno večje raznolikosti
med zasebnimi lastniki gozdov. Le-te se kažejo v naraščanju števila lastnikov in solastnikov (predvsem nekmečkih
so/lastnikov), starostni strukturi lastnikov, zmanjševanju
povprečne posesti ter naraščanju razdrobljenosti. Ta heterogenost med lastniki je povezana z zmanjšanjem interesa lastnikov za gospodarjenje, ki se odraža v nizki ravni
izvedbe načrtov za gospodarjenje in posledično nizki stopnji izkoriščenosti proizvodnih potencialov gozdov.
Za intenziviranje in učinkovito izvedbo gospodarskih
aktivnosti v zasebnih gozdovih je potrebna višja raven
organiziranosti in povezanosti procesov na področju gospodarjenja z zasebnim gozdom. Z bolje organiziranim in
povezanim delom vseh akterjev bi bilo mogoče preseči
večino ovir, ki jih predstavlja majhna razdrobljena gozdna
posest in z njo povezana drobna tržna proizvodnja gozdnih lesnih sortimentov (Winkler, 1992).
Lastnike gozdov v prvi vrsti motivira za gospodarjenje z gozdovi ekonomski interes (prihodek) (Vokoun in sod., 2006),
vendar je le-ta na majhni in razdrobljeni gozdni posesti neznaten. Lastniki gozdov z majhno tržno proizvodnjo se ne
morejo samostojno uspešno ukvarjati s prodajo lesa, zato
je zadruga kot organizacija vnaprej nedoločenega števila
članov, ki temelji na poslovnem in kapitalskem povezovanju
deležnikov gozdno-lesne verige, tista oblika povezovanja
lastnikov gozdov, ki omogoča svojim članom gospodarski/
ekonomski učinek. Tradicija zadružništva in pospeševanje
gospodarske koristi članov zadrug kažeta na smiselnost
vključevanja lastnikov gozdov v gozdarske zadruge.
Namen prispevka je predstaviti pogled, mnenje in vizijo
zadrug, ki delujejo izključno na področju gozdarstva. S
pomočjo A’WOT analize, v katero je bila vključena najvišja
raven vodstva gozdarskih zadrug, je podano mnenje o internih procesih gozdarskih zadrug in o okolju, ki vpliva na
uspešnost njihovega delovanja.
2. METODE DELA
V A’WOT analizo gozdarskih zadrug smo vključili pet direktorjev gozdarskih zadrug, ki se ukvarjajo izključno z
gozdarsko dejavnostjo.
2.1. A’WOT metoda – aplikacija na primeru
zasebnih gozdov
A’WOT metoda je kombinacija SWOT analize in AHP metode. V prvem koraku naše raziskave smo izvedli SWOT
152
analizo (analiza prednosti, slabosti, priložnosti in nevarnosti), ki nam je dala celovito sliko o gozdarskih zadrugah in
njihovi umeščenosti v okolje. Prvi del SWOT analize predstavlja notranja analiza, pri kateri smo iskali prednosti in
slabosti delovanja gozdarskih zadrug. Interna analiza nam
je pomagala ugotoviti, v kakšnem položaju so gozdarske
zadruge, ter tako omogočila spoznanje strateških prednosti gozdarskih zadrug. Drugi del SWOT analize predstavlja
zunanja analiza, ki ocenjuje okolje, v katerem gozdarske
zadruge delujejo. Zunanja analiza je obsegala zbiranje informacij o okolju, v katerem delujejo gozdarske zadruge
ter njihovo analiziranje (Pesonen in sod., 2001b; Dyson,
2004; Pučko, 1996). Na ta način prepoznamo priložnosti
in nevarnosti, ki vplivajo na delovanje gozdarskih zadrug.
Na podlagi izvedene SWOT analize smo zbrane odgovore
razvrstili po vsebinskih sklopih za posamezne SWOT skupine ter pripravili vprašalnik za pridobivanje individualnih
ocen parnih primerjav. Na ta način smo v SWOT analizo
vpeljali analitični hierarhični proces - AHP, ki temelji na
postopnem medsebojnem primerjanju dveh parametrov
na istem nivoju (Saaty, 1980; Kurttila in sod., 2000; Saaty,
2003). Za primerjanje uporabimo lestvico od 1 (kriterija i
in j sta enako pomembna) do 9 (kriterij i je absolutno pomembnejši od kriterija j).
Na podlagi individualnih ocen parnih primerjav smo dobili osnovne matrike. Skupne ocene odločevalcev smo
dobili z združevanjem individualnih ocen parnih primerjav s pomočjo geometrijske sredine (Lai in sod., 2002;
Saaty, 2003; Šporčič in sod., 2010; Grošelj in Zadnik Stirn,
2012; Pezdevšek Malovrh in sod., 2012). Geometrijske sredine smo uporabili za tvorjenje skupinskih matrik parnih
primerjav. Na osnovi skupinskih matrik smo vektorje koristnosti (w) za vsak SWOT faktor izračunali s pomočjo AHP
metode (Saaty, 1980; Saaty, 2003).
Na podlagi izračunov smo iz vsake SWOT skupine izbrali
faktor z največjo pomembnostjo, ki je predstavljal skupino (Pesonen in sod., 2001a). Ponovno smo pripravili vprašalnik za pridobivanje individualnih ocen parnih primerjav
SWOT skupin ter vektorje koristnosti (w) za vsako SWOT
skupino izračunali s pomočjo AHP metode.
Rezultate A’WOT analize smo uporabili za podajanje strateških usmeritev gozdarskih zadrug, kjer poznamo dva pristopa, in sicer ofenzivni ter defenzivni pristop. Ofenzivni
pristop k strateškemu oblikovanju predstavljata dve možni kombinaciji. Prva je uporaba prednosti za izkoriščanje
priložnosti in druga izkoriščanje priložnosti s premagovanjem slabosti. Defenzivni pristop v strateškem načrtovanju
predstavlja kombinaciji, pri katerih lahko uporabimo prednosti za izogibanje nevarnostim ali se z minimiziranjem
slabosti izognemo nevarnostim (Marušič, 2005).
64(2012) št. 5
V preglednici 1 so predstavljeni rezultati SWOT analize
gozdarskih zadrug.
Gozdarske zadruge imajo veliko prednosti pred drugimi
oblikami povezovanja predvsem zaradi ugleda in dolgoletne tradicije obstoja, kar se kaže v velikem številu članov
(Pezdevšek Malovrh, 2010) in sami zvestobi in zaupanju
v zadružno sodelovanje. Gozdarske zadruge lahko lastnikom gozdov organizirajo posek, posekan les odkupijo po
dobrih pogojih/cenah, les z lastnim prevozom odpeljejo
iz gozda, hkrati pa imajo posamezne gozdarske zadruge
tudi organizirano predelavo lesa. V gozdarskih zadrugah
se zavedajo pomembnosti prodajne cene za člane, zato
skušajo od svojih dobaviteljev doseči kar se da ugodne
nabavne pogoje, po drugi strani pa nuditi članom dobre
odkupne pogoje. Njihov uspeh na tem področju se kaže
v zadovoljstvu članov s trgovsko dejavnostjo, trženjem in
odkupom lesa (Pezdevšek Malovrh, 2010).
Med slabosti gozdarskih zadrug so našteli predvsem
ključne probleme v zadružništvu, ki so povezani s prePreglednica 1. SWOT analiza gozdarskih zadrug
Table 1. SWOT analysis of Forestry Cooperatives
PREDNOSTI
SLABOSTI
Dolgoletna tradicija zadružništva
Premajhna zvestoba
članov
Organiziran odkup in
prodaja gozdnih-lesnih
sortimentov
Usmerjenost na lokalne
trge
Dobri odkupni pogoji za
lastnike
Kapitalska in kadrovska
šibkost
Organizirano izvajanje del
in predelava lesa
Nepovezanost zadrug
Konkurenca na trgu
S W
O T
PRILOŽNOSTI
NEVARNOSTI
Boljša povezanost med
zadrugami in ZGS
Nepovezanost lastnikov
Zagotavljanje državnih
in evropskih sredstev za
gospodarjenje
Pospeševanje povezovanja s strani ZGS v druge
oblike
Razširitev dejavnosti
Močna konkurenca na
trgu
Prilagajanje tržnim razmeram
64(2012) št. 5
majhno poslovno učinkovitostjo zadrug in njihovo prešibko poslovno ter kapitalsko povezanostjo (Kovačič,
1999). Vzrokov za premajhno poslovno učinkovitost gozdarskih zadrug je več in so nedvomno povezani s krizo
zaupanja in zmanjševanjem poslovne zvestobe članov ter
pomanjkanjem lastnega kapitala in kadrovsko šibkostjo v
zadrugah. Prešibka poslovna in kapitalska povezanost ne
samo gozdarskih zadrug, temveč vseh zadrug, lesnopredelovalnih podjetij in trgovine, onemogoča oblikovanje
učinkovitega zadružnega poslovnega sistema, kar bi prispevalo k možnosti izkoriščanja sinergij med procesi in s
tem izboljšanju položaja zadrug na trgu. Hkrati pa se je
povečala tudi konkurenca na trgu, zato je toliko bolj pomembno, da gozdarske zadruge niso usmerjene le na
lokalne trge, ampak vstopajo na globalni trg. Cilji gozdarskih zadrug morajo biti povezani z boljšim organiziranjem
proizvodnje in trženjem izdelkov iz lesa, razvojem tržno
uspešnih programov, usmerjeni v funkcionalnost in kvaliteto storitev za člane po konkurenčnih cenah, če želijo
povečati produktivnost, kot jo dosega njihova konkurenca na trgu.
raziskave in razvoj
3. REZULTATI IN DISKUSIJA
Slabosti v delovanju gozdarskih zadrug so prepoznali tudi
člani, saj le-te ne izpolnjujejo vseh pričakovanj članov. Člani menijo, da je do tega prišlo zaradi slabo organiziranega
odkupa in prodaje lesa, slabega trženja lesa in izdelkov iz
njega ter nekonkurenčnosti ponudbe gozdarskih zadrug
(Pezdevšek Malovrh, 2010).
Gozdarske zadruge delujejo po zadružnih načelih, med
katerimi je tudi načelo prostovoljnosti, ki omogoča prostovoljno proizvodno sodelovanje z gozdarsko zadrugo.
To pomeni, da član ni obvezan, da vse posle pelje preko
gozdarske zadruge, lahko pa izkoristi ugodnejše pogoje na trgu, kar predstavlja eno od slabosti vseh zadrug.
Dogaja se, da nekateri člani poslujejo preko gozdarskih
zadrug le takrat, ko določene izdelke težko prodajo, sicer
pa nastopajo na trgu mimo nje. Pri tem se močno izrazi
poslovna zvestoba med člani, ki je nenapisano pravilo in
tudi zelo cenjena lastnost, vendar v današnjem času žal
zelo redka.
Priložnosti se nanašajo na izboljšanje gospodarjenja z zasebnimi gozdovi, ki bo po mnenju direktorjev gozdarskih
zadrug odvisno od zagotavljanja državnih in evropskih
sredstev za gospodarjenje in boljšo povezanostjo med
gozdarsko zadrugo kot poslovnim subjektom in Zavodom za gozdove Slovenije (ZGS), kot javnim zavodom.
ZGS bi moral v gozdarskih zadrugah in Zadružni zvezi Slovenije videti partnerja za uresničevanje ciljev gospodarjenja z gozdom, saj bi bili preko gozdarskih zadrug lastniki
gozdov vključeni v procese dodajanja vrednosti na gozdno-lesni verigi. Na drugi strani se priložnosti gozdarskih
zadrug kažejo v razširitvi dejavnosti in izboljšanju storitev
153
raziskave in razvoj
ter skrbi za nadaljnji razvoj in rast gozdarskih zadrug. Pri
tem pa morajo biti gozdarske zadruge previdne, da ne
pride do prevelikega števila nezdružljivih dejavnosti, ki
so usmerjene izključno v zagotavljanje interesov članov.
Hkrati pa se morajo zadruge prilagajati tržnim razmeram,
saj je zadruga gospodarski subjekt, ki deluje na trgu – tržna funkcija zadrug je v bistvu posredovanje med člani in
globalnim trgom (Kovačič, 1999).
Zadružništvo je lahko uspešna oblika poslovnega povezovanja v gozdarstvu, če se bo izognilo nevarnostim kot
so nepovezanost lastnikov, pospeševanje povezovanja s
strani ZGS v druge oblike in če se bo znalo prilagoditi konkurenci na trgu. Vse to je mogoče doseči, če bodo/bomo
povečali interes kmetov za aktivno članstvo v gozdarskih
zadrugah, če jih bodo kapitalsko okrepili in povečali njihovo gospodarnost, okrepili medsebojno poslovno sodelovanje in izboljšali ugled gozdarskega zadružništva v
javnosti (povzeto po Kovačič, 1999).
Vektorji koristnosti (w) in konsistentnost matrike na podlagi skupinskih matrik za SWOT faktorje so predstavljeni v
preglednicah od 2 do 5.
Priložnosti
w
Dolgoletna tradicija
0,5069
Organizirano izvajanje del in predelava
lesa
0,2651
Organiziran odkup in prodaja gozdnihlesnih sortimentov
0,1419
Dobri odkupni pogoji za lastnike
0,0861
Zagotavljanje državnih in evropskih sredstev za gospodarjenje
0,3552
Razširitev dejavnosti
0,2415
Prilagajanje tržnim razmeram
0,2184
Boljša povezanost med zadrugami in ZGS
0,1849
λmax=4,2256; CI=0,0752; CR=0,0836
Preglednica 5. Vektor koristnosti nevarnosti
Table 5. Priority vector of threats
Nevarnosti
Preglednica 3. Vektor koristnosti slabosti
Table 3. Priority vector of weaknesses
154
w
Usmerjenost na lokalne trge
0,3511
Nepovezanost zadrug
0,2359
Konkurenca na trgu
0,2134
Kapitalska in kadrovska šibkost
0,1054
Premajhna zvestoba članov
0,0942
λmax=4,2444; CI=0,0815; CR=0,0905
w
Nepovezanost lastnikov
0,5673
Močna konkurenca na trgu
0,2420
Pospeševanje povezovanja s strani ZGS v
druge oblike
0,1908
Na podlagi vektorjev koristnosti SWOT faktorjev smo izbrali faktor, ki predstavlja skupino. Prednosti je predstavljal
faktor “Dolgoletna tradicija”, slabosti faktor “Usmerjenost
na lokalne trge”, priložnosti faktor “Zagotavljanje državnih
in evropskih sredstev za gospodarjenje” ter nevarnosti
faktor “Nepovezanost lastnikov”.
V nadaljevanju so predstavljeni vektorji koristnosti (w) in
konsistentnost matrike na podlagi skupinskih matrik za
SWOT skupine.
λmax=4,2581; CI=0,0860; CR=0,0956
Slabosti
w
λmax=3,0191; CI=0,0096; CR=0,0165
Preglednica 2. Vektor koristnosti prednosti
Table 2. Priority vector of strengths
Prednosti
Preglednica 4. Vektor koristnosti priložnosti
Table 4. Priority vector of opportunities
S
W
O
T
S
1,000
0,588
0,288
0,261
W
1,699
1,000
1,414
1,414
O
3,829
0,707
1,000
1,000
0,2827
T
3,465
0,707
1,000
1,000
0,2923
0,1089
→
0,3160
λmax=4,1592; CI=0,0531; CR=0,0590
Analiza, ki smo jo izvedli po A’WOT metodi, je pokazala,
da je pri iskanju strateških usmeritev gozdarskih zadrug
najpomembnejše, da te minimizirajo slabosti (w = 0,3160)
za izogibanje nevarnostim (w = 0,2923), zato smo se pri
oblikovanju strategij odločili za defenzivni pristop k strateškemu planiranju.
64(2012) št. 5
5. LITERATURA IN VIRI
A’WOT analiza izlušči v prednostih, slabostih, priložnostih
in nevarnostih dejavnike tradicije, velikosti trga (globalizacije), širše družbene podpore (subvencij) in socialnega kapitala med lastniki gozdov (nepovezanosti). Odločitev za
defenzivni pristop k strateškemu planiranju pomeni željo
gozdarskih zadrug za čim hitrejše prilagajanje novim pogojem poslovanja, ki jih določa globalni trg. Zavedajo se,
da je širitev dejavnosti in krepitev moči na trgu mogoča le
z močno bazo članov, torej povezanimi lastniki gozdov, ki
bodo s svojo aktivnostjo zagotavljali trajno in kakovostno
delovanje zadružnega poslovnega sistema.
1. Dyson R.G. (2004) Strategic development and SWOT analysis at
the University of Warwick. European Journal of Operational Research, 152: 631-640
2. Grošelj P., Zadnik Stirn L. (2012) Acceptable consistency of
aggregated comparison matrices in Analytic Hierarchy Process.
European Journal of Operational Research, članek v tisku
3. Kovačič M. (1999) Aktualni problemi kmetijskega zadružništva v
Sloveniji. V: Zadružništvo včeraj, danes, jutri. Šuštar M. (Ur.), Občina
Ljubljana, Ministrstvo za kmetijstvo, gozdarstvo in prehrano, Ministrstvo za znanosti in tehnologijo, Dobre polje, 77-103
4. Kurtila M. in sod. (2000) Utilizing the analytic hierarhy process
(AHP) in SWOT analysis – a hybrid method and its application to
a forest certification case. Forest Policy and Economics, 1, 1: 41-52
5. Lai V.S. in sod. (2002) Group decision making in a multiple criteria environment: A case using the AHP in software selection. European Journal of Operational Research, 137: 134-144
6. Marušič M. (2005) SWOT analiza podjetja PU-MA d.o.o.: diplomsko delo. (Univerza v Ljubljani, Ekonomska Fakulteta). Ljubljana,
samozaložba: 42
7. Pesonen M. in sod. (2001a) Applying A’WOT to Forest Industry
Investment strategies: Case Study of a Finnish Company in North
America. V: The Analytic Hierarchy Process in Natural Resource and
Environmental Decision Making. Schmoldt D. L. (Ur.). Netherlands,
Kluwer Academic Publishers, 187-198
8. Pesonen M. in sod. (2001b) Assessing the Priorities Using A’WOT
among Resource Management Strategies at the Finnish Forest and
Park Service. Forest Science, 47, 4: 534-541
9. Pezdevšek Malovrh Š. (2010) Vpliv institucij in oblik povezovanja
lastnikov gozdov na gospodarjenje z zasebnimi gozdovi, doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek
za gozdarstvo in obnovljive gozdne vire: 224
10. Pezdevšek Malovrh Š. in sod. (2012) The present state and prospects of Slovenian private forest owners’ cooperation within machinery rings. CROJFE, članek v tisku
11. Pučko D. (1996) Strateški management: poslovni prihodki. Ljubljana, Ekonomska fakulteta, 159
12. Saaty T.L. (1980) Multicriteria Decision Making: The Analytic Hierarchy Process. McGraw-Hill, New
13. York, 154
14. Saaty T. L. (2003) Decision making with the AHP: Why is the principal eigenvector necessary. European Journal of Operational Research, 145: 85-91
15. Šporčič M. in sod. (2010) Višekriterijsko odlučivanje kao podrška
u gospodarjenju šumama – modeli i izkustva. Šumarski list, 5-6:
275-286
16. Vokoun M. in sod. (2006) Scale of harvesting by non-industrial
private forest landowners. Journal of Forest Economics, 11,4: 223244
17. Winkler I. (1992) Gozdno zadružništvo. Gozdarski vestnik, 3: 137145
Defenzivno oblikovanje strategij gozdarskih zadrug predstavlja kombinacijo naslednjih strateških usmeritev: vstopanje gozdarskih zadrug na globalni trg, kar bi prisililo
gozdarske zadruge k povezovanju, hkrati pa bi omogočilo
njihovo boljšo poslovno učinkovitost in oblikovanje kompleksnejšega zadružnega poslovnega sistema. Ta bi manj
občutil gospodarsko in finančno krizo, saj bi s tem dosegli
večji vpliv gozdarskih zadrug na tržne razmere in njihovo
konkurenčnejše poslovanje. S tem bi članom zagotovili
(naj)boljše pogoje na trgu, kar bi jih odvrnilo od nezvestobe. Ob minimiziranju slabosti se bodo gozdarske zadruge
izognile nevarnostim, kot so nepovezanost lastnikov in
močna konkurenca na trgu. Če bodo gozdarske zadruge
okrepile svoj položaj, bodo bolj privlačne tudi za lastnike
gozdov, zato se ni bati, da bi pospeševanje povezovanja
s strani ZGS v druge oblike kakorkoli vplivalo na njihovo
delovanje – nasprotno, saj druge oblike povezovanja pomenijo manjšo nevarnost, kot jo prestavljajo nepovezani
lastniki gozdov.
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
4. ZAKLJUČKI
155
raziskave in razvoj
Nejc THALER*, Boštjan LESAR**, Miha HUMAR*
UDK 630*841.4
Vrednotenje odpornosti lesa,
impregniranega z bakrovimi
pripravki na prostem
Service life prediction of wood treated with copper based
solutions in outdoor exposure
Povzetek: V raziskavi smo z dvoslojnim testom preučevali življenjsko dobo lesa, izpostavljenega na prostem, v tretjem razredu izpostavitve. Naravnim razmeram smo izpostavili vzorce smrekovine, impregnirane z baker-etanolaminskim biocidnim
proizvodom na vodni osnovi (Silvanolin) in posameznimi sestavinami tega pripravka. Za primerjavo smo izpostavili tudi
nezaščitene vzorce smrekovine, macesnovine, bukovine in hrastovine. Skozi celotno obdobje izpostavitve smo spremljali
klimatske podatke pod vzorci in na vremenski postaji. Rezultati kažejo, da impregnacija s pripravki na osnovi bakrovih spojin
dobro zaščiti les. Odpornost lesa, zaščitenega z baker-etanolaminskimi pripravki, je odvisna od koncentracije raztopine in
dodanih kobiocidov.
Ključne besede: bakrove spojine, napovedovanje življenjske dobe, naravna odpornost, vlažnost lesa
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Abstract: In our research, service life of wood exposed outdoor in the third use class, determined with double layer test,
was investigated. Therefore, Norway spruce wood specimens were impregnated with a copper-ethanolamine (Silvanolin)
water based solution and aqueous solutions of individual components. For comparison, untreated Norway spruce, larch,
beech and oak wood specimens were exposed as well. The results showed that impregnation with copper based solutions
prolong service life of wood considerably. Resistance of wood was influenced by concentration of solutions and addition of
cobiocides.
Keywords: copper compounds, service life prediction, natural durability, wood moisture content
156
Uvod
Napovedovanje življenjske dobe lesa na prostem postaja
vedno bolj pomembno. Zahtevajo ga različni gradbeni
predpisi po vsem svetu. Za Slovenijo je najpomembnejša evropska direktiva o gradbenih proizvodih (European
Construction Products Directive, CPD 89/106/EEC), ki v
aneksu I podaja zahteve za mehansko odpornost, trdnost
in varnost med uporabo.
Na začetku moramo pojasniti tri osnovne pojme, ki so
ključni za razumevaje prispevka: naravno odpornost, traj* Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Jamnikarjeva 101,
Ljubljana, Slovenija; e-pošta: [email protected]
**Montažna gradnja Tadej Zimic s.p., Ul., Bratov Komel 29, 1210 Ljubljna - Šentvid,
Slovenija
nost in življenjsko dobo lesa. Naravna odpornost lesa je
lastnost, ki jo ima les v naravnem zdravem stanju in označuje dovzetnost za škodljivce (SIST EN 350-1 1994). Izraz
naravna odpornost se uporablja zgolj za nezaščiten les,
medtem ko se za zaščiten ali modificiran les uporablja
izraz odpornost lesa. Življenjska doba lesa je obdobje, v
katerem les ohrani trdnost in stabilnost, ki sta zahtevani za
določen proizvod. Ko so te lastnosti manjše oziroma slabše od zahtevanih, je treba proizvod zamenjati, tako da se
zagotovi varnost uporabnikov čez celotno dobo uporabe
(Brischke in sod., 2006). V slovenščini se poleg življenjske
dobe uporablja še drug podoben izraz: trajnost lesa, ki
je definirana kot obdobje, v katerem les obdrži vse svoje
naravne lastnosti in je odvisna od (naravne) odpornosti
lesa ter mesta in načina vgradnje oziroma konstrukcije ter
mesta uporabe (Pohleven, 2008). Naravne lastnosti lesa
64(2012) št. 5
V preteklosti se je že izkazalo, da so lahko rezultati laboratorijskih testiranj odpornosti zaščitenega lesa zavajajoči.
V laboratoriju namreč ni možno v celoti simulirati naravnih razmer za delovanje vseh organizmov, ki povzročajo
razkroj lesa (Rapp in sod., 2006). Namen naše raziskave je
bil določiti življenjsko dobo lesa, impregniranega z biocidnimi proizvodi na osnovi bakra in etanolamina, ter
nezaščitenega lesa v tretjem razredu izpostavitve. Vsem
omenjenim kombinacijam zaščite lesa, ki smo jih terensko testirali, smo z laboratorijskimi testi že določili njihovo
odpornost, tako da bomo lahko primerjali oba pristopa.
Materiali in metode
Biocidni proizvod
Osnovni baker-etanolaminski zaščitni pripravek (CuEaQO), ki je dostopen tudi kot komercialni pripravek Silvanolin (Silvaprodukt d. o. o.), smo pripravili z bakrovim(II)
sulfatom, kvartarnimi amonijevimi spojinami (alkil dimetil
benzil amonijev klorid (ADBAC)) in topborom (Na2B8O13
x 4H2O). Etanolamin in oktanojska kislina sta bila dodana
za izboljšanje vezave (Humar in Pohleven, 2008). Poleg
osnovnega smo pripravili še štiri zaščitna sredstva, ki smo
jih zmešali brez ene ali več sestavin osnovnega zaščitnega
sredstva. Prva je bila pripravljena z bakrovim(II) sulfatom,
etanolaminom in oktanojsko kislino (CuEaO), druga samo
z bakrovim(II) sulfatom (CuS), tretja z bakrovim(II) sulfatom
in etanolaminom (CuEa) in četrta z etanolaminom, top-
borom in kvartarnimi amonijevimi spojinami (EaBQ) (Preglednica 1). Kot referenčni biocidni pripravek smo uporabili komercialni pripravek Silvanol GBP (Silvaprodukt d. o.
o.) na osnovi bakrovih, kromovih in borovih spojin (CCB),
ki se fiksira v les in se že več desetletij uporablja za zaščito
lesa na prostem. Vse zaščitne raztopine smo uporabili v
dveh različnih koncentracijah, tako da smo po impregnaciji dosegli ciljni navzem zaščitnih raztopin (Preglednica
4). Ciljne navzeme smo izbrali na osnovi laboratorijskih
testiranj (Atelšek, 2007) in priporočil mejnih vrednosti iz
literature (Willeitner, 2001).
raziskave in razvoj
so trdnost, odpornost, barva itd., ki se lahko s časom uporabe spreminjajo, na primer barva, a ne vplivajo na zmanjšanje mehanskih lastnosti in odpornosti, ki sta ključni za
zagotavljanje varnosti skozi celotno obdobje uporabe
lesa. Zato se nam zdi življenjska doba bolj primeren izraz
in ga bomo uporabljali v nadaljevanju prispevka.
Impregnacija in izpostavitev vzorcev
V raziskavi smo uporabili vzorce smrekovine (Picea abies
Karst.), dimenzij 25 mm × 50 mm × 500 mm. Vzorci so
bili pol-radialni, branike so z vzdolžno površino tvorile
kot 45±15°. Vzorce smo po treh tednih uravnovešanja pri
20 °C in 65-odstotni relativni zračni vlažnosti (RH) impregnirali z baker- etanolaminskimi pripravki po vakuumsko
tlačnem postopku (1 h -0,9 bar vakuum, 2 h 6 bar in 15
min pri normalnem tlaku). Po impregnaciji smo vzorcem
gravimetrično določili mokri navzem posameznih biocidnih proizvodov. Za vsako od uporabljenih raztopin smo
uporabili po 10 vzporednih vzorcev.
Po štirih tednih sušenja v sobnih razmerah smo impregnirane in kontrolne vzorce terensko testirali. Poleg kontrolnih smrekovih vzorcev smo za primerjavo uporabili neodporne vzorce bukovine (Fagus sylvatica L.) in odporne
vzorce jedrovine macesna (Larix sp.) in jedrovine hrasta
(Quercus sp.). Ves les je izviral iz osrednje Slovenije. Vzorce
smo izpostavili terenskemu testiranju v različnih časovnih
obdobjih, in sicer: 7. 4. 2006, 28. 5. 2007 in 19. 6. 2008 (Preglednica 3). Izpostavili smo jih na Oddelku za lesarstvo v
Rožni dolini v Ljubljani na pretežno senčno in zatišno lego
Preglednica 1. Sestava biocidnih proizvodov na osnovi bakra in etanolamina. Pred uporabo smo pripravke
ustrezno razredčili, da smo dosegli zastavljeni ciljni navzem.
Biocidni proizvod
Masa posamezne sestavine v 1000 g zaščitnega pripravka
Bakrov(II) sulfat
penta hidrat
(CuS))
Etanolamin (EA)
Oktanojska kislina
(O)
ADBAC*
Topbor (B)
(g)
(g)
(g)
(g)
(g)
CuS
39,3
-
-
-
-
CuEa
39,3
57,7
-
-
-
CuEaO
39,3
57,7
8,1
-
-
CuEaQO
39,3
57,7
8,1
10
22,7
-
57,7
8,1
10
22,7
EABQ
* alkil dimetil benzil amonijev klorid
64(2012) št. 5
157
raziskave in razvoj
Preglednica 2. Ocene razkroja vzorcev (Rapp in Augusta, 2004; SIST EN 252, 2004).
Ocena
Razvrstitev
Opis preizkušanca
0
Ni znakov razkroja
Na preizkušancu ni zaznavnih sprememb
1
Neznaten razkroj
Na vzorcu so vidni znaki razkroja, vendar razkroj ni intenziven in je zelo prostorsko
omejen:
- Spremembe, ki se pokažejo predvsem kot sprememba barve ali zelo površinski
razkroj, mehčanje lesa je najpogostejši kazalec, razkroj sega do 1 mm v globino.
2
Zmeren razkroj
Jasne spremembe v zmernem obsegu:
- Spremembe, ki se kažejo kot mehčanje lesa od 1 mm do 3 mm globoko na 1
cm2 ali večjem delu vzorca.
3
Močan razkroj
Velike spremembe:
- Izrazit razkroj lesa od 3 mm do 5 mm globoko na velikem delu površine (večje
od 20 cm2), ali mehčanje lesa globlje kot 10 mm na površini, večji od 1 cm2.
4
Propadanje
Preizkušanec je močno razkrojen:
- Ob padcu z višine 0,5 m se zlomi.
(310 m n. m.). Izpostavljeni so bili v 3.2 razredu izpostavitve (nepokrito na prostem, pogosto močenje) (SIST EN
335-1/2 2006). Za določanje trajnosti lesa smo v tej raziskavi uporabili dvoslojni test (ang. double layer test) (Rapp
in Augusta, 2004; SIST EN 252, 2004). Pet enako obdelanih
vzorcev smo zložili v spodnjo in pet v zgornjo vrsto. Vzorci
v zgornji vrsti so bili za polovico vzorca zamaknjeni. Med
različno obdelanimi vzorci so bili slepi vzorci (nezaščiteni
smrekovi vzorci slabše kvalitete).
Skozi celotno obdobje trajanja raziskave smo vsako uro
spremljali temperaturo in zračno vlažnost z vremensko
postajo Davis, ki je bila postavljena na Gozdarskem inštitutu (pribl. 300 m oddaljena od testnega polja). Podatke
o dnevni količini padavin smo pridobili od Agencije Republike Slovenije za okolje s klimatološke postaje Ljubljana Bežigrad. Klimatski podatki so prikazani kot povprečja
tedenskih meritev.
Ocenjevanje vzorcev je potekalo vsako leto med petnajstim majem in petnajstim junijem. Vsak vzorec smo si na-
tančno ogledali in ocenili stopnjo razkroja po standardu
(SIST EN 252, 2004; SIST-TS CEN/TS 12037 2005; Rapp in
Augusta, 2004) (Preglednica 2).
Rezultati in razprava
V celotnem obdobju izpostavitve vzorcev smo spremljali
klimatske podatke, ki vplivajo na pogoje za razkroj lesa.
Povprečna letna temperatura je bila med 10,5 °C (2006)
in 11,1 °C (2007, 2009) povprečna relativna zračna vlažnost
pa med 50,8 % (2009) in 72 % (2006). V letu 2010 so povprečna temperatura (8,5 °C), relativna zračna vlažnost (47
%) in količina padavin nekoliko nižje, ker je v povprečje
zajeta le prva (hladnejša in bolj suha) polovica leta. Letna
količina padavin za preiskovano obdobje je znašala med
1195 mm in 1440 mm (Preglednica 3). Na življenjsko dobo
lesa zunaj veliko bolj vpliva število deževnih dni kot količina padavin (Brischke in sod., 2006). Opazili smo, da zadnja
leta število deževnih dni narašča in sicer v letu 2006 je bilo
takšnih 113 dni, v letu 2009 že 166 dni, v pol leta 2010 pa
kar 94 dni (preglednica 3). V štirih letih in pol so bila samo
Preglednica 3. Povprečna letna temperatura, zračna vlažnost, letna količina padavin in število deževnih dni
v posameznih letih izpostavitve vzorcev
Leto
Povprečna
temperatura (°C)
Povprečna relativna
zračna vlažnost (%)
Letna količina padavin
(mm)
Število deževnih dni
2006
10,5
72,0
1440
113
2007
11,1
69,5
1195
136
2008
10,7
58,9
1411
153
2009
11,1
50,8
1405
166
2010*
8,5
47,0
675
94
*1. 1. do 30. 6. 2010
158
64(2012) št. 5
Glavni namen naše raziskave je bil določiti trajnost zaščitenega lesa v tretjem razredu izpostavitve. Vzorci, zloženi
v spodnji vrsti, so bili ne glede na tip impregnacije bolj
vlažni in bolj razkrojeni, kot vzorci v zgornji vrsti. Poleg
tega se je pri vzorcih v spodnjem sloju razkroj pojavil prej.
Na vseh vzorcih v zgornji plasti je bila zgornja površina
bolj ali manj degradirana zaradi delovanja UV svetlobe ne
glede na tip impregnacije. Površina je postala siva in vlaknasta zaradi razgradnje osnovnih komponent lesa (Chang
in sod., 1982; Zhang in sod., 2009).
Prvi znaki glivnega razkroja so se pojavili na smrekovih, neimpregniranih vzorcih že po prvem letu izpostavitve. V nadalj-
raziskave in razvoj
njih letih je postajal razkroj vedno bolj izrazit, tako da smo
vzorce iz smrekovine po petih letih testiranja na prostem
ocenili s povprečno oceno 3,2, kar pomeni, da smo ocenili
izrazit razkroj od 3 mm do 5 mm globoko na velikem delu
površine (večje od 20 cm2). Skoraj na vseh vzorcih je bil viden
tudi micelij, za katerega menimo, da je pripadal eni od vrst
tramovk (Gloeophyllum sp.). To domnevo so po dveh letih
potrdila tudi plodišča, ki so se pojavila na kontrolnih vzorcih.
Zanimivo je, da na odpornost močno vpliva kvaliteta lesa.
Smrekovi vzorci, ki so bili testiranju izpostavljeni leto kasneje,
so propadli prej. Po štirih letih izpostavitve so bili vzorci povsem razkrojeni (Preglednica 4). Relativno hitro so zaradi delovanja gliv propadali tudi bukvi vzorci. Po 4 letih delovanja so
glive močno razkrojile bukove vzorce, tako da smo jih ocenili
s povprečno oceno 3,3. Razkroj je bil zaradi večje gostote in
s tem same mase vzorcev verjetno počasnejši v primerjavi s
smrekovimi vzorci. Po drugi strani pa na hrastovih oziroma
macesnovih vzorcih po treh oziroma štirih letih izpostavitve
ni bilo zaznati večjih znakov razkroja (Preglednica 4).
tri suha obdobja daljša od dveh tednov. Les se v takšnih
pogojih ne osuši in ima stalno vlažnost, ki jo glive potrebujejo za razkroj. Večja količina padavin in večje število
deževnih/snežnih dni pozimi ima manjši vpliv na razkroj
kot spomladi, poleti in jeseni oziroma v obdobju, ko so
temperature ugodne za razkroj (Brischke in sod., 2010).
Preglednica 4. Navzem baker-etanolaminskih pripravkov, ocena razkroja v odvisnosti od sestave biocidnih
proizvodov. Vzorci so bili izpostavljeni terenskemu testiranju od 7. 4. 2006 do 15. 6. 2011.
Biocidni proizvod/ lesna vrsta
Ciljni navzem
(kg/m3)
Mokri navzem
(kg/m3)
Suhi navzem
(kg/m3)
2007
2008
2009
2010
2011
4,9
397
4,0
0
0
0
0
0
19,6
368
18,1
0
0
0
0
0
CuEaQO
CuEaO
CuS
CuEa
EaBQ
Ocena Rating
1,2
276
1,3
0
0
0
0,1
1,3
5,6
301
5,6
0
0
0
0
0
14,9
340
12,7
0
0
0
0
0
1,4
305
1,1
0
0
0
0,1
0,4
5,6
461
6,5
0
0
0
0
0,1
3,4
210
2,1
0
0
0
0,3
0,6
13,8
316
10,9
0
0
0
0
0
3,5
339
3,4
0
0
0,1
0,4
0,7
14,0
254
8,9
0
0
0,5
0,5
1,4
CCB
4
409
4,1
0
0
0
0
0,1
Smreka 06*
0
0
0
0,2
0,8
1,8
2,8
3,2
Smreka 07**
0
0
0
-
1,4
2,5
3,7
4
Smreka 08***
0
0
0
-
-
0
0,2
0,4
Macesnovina
0
0
0
-
-
0
0
0
Bukovina
0
0
0
-
1,2
2,5
3,0
3,3
Hrastovina
0
0
0
-
0,3
0,1
0,1
0
Smreka 06*- kontrolni vzorci smrekovine izpostavljeni 7. 4. 2006
Smreka 07** - kontrolni vzorci smrekovine izpostavljeni 28. 5. 2007
Smreka 08*** - kontrolni vzorci smrekovine izpostavljeni 19. 6. 2008
64(2012) št. 5
159
raziskave in razvoj
Kakorkoli, na vzorcih, impregniranih z najbolj kompleksnim biocidnim proizvodom CuEaQO, nismo opazili nobenih znakov glivnega razkroja. Tako vzorci, impregnirani
z nižjo koncentracijo, kot tudi vzorci, impregnirani z višjo
koncentracijo biocidnega proizvoda CuEaQO, so bili povsem ohranjeni ne glede na to, v kateri plasti so se nahajali.
Tudi na vzorcih, impregniranih s pripravkom Silvanol GBP,
smo zaznali le manjše znake razkroja (Preglednica 4). Med
impregniranimi vzorci se je najizrazitejši razkroj pojavil
na vzorcih, ki so bili prepojeni z vodno raztopino borove
učinkovine, ADBC in etanolamina (EaBQ). Očitno je, da
se je iz lesa bor sčasoma spral, kar se posledično izraža v
manjši učinkovitosti. Verjetno pa je bila koncentracija kvartarne amonijeve spojine prenizka, da bi zaščitila les pred
glivami. Razkroj je izrazitejši na vzorcih, prepojenih z nižjo
koncentracijo aktivnih učinkovin. Poleg tega so se znaki
razkroja pojavili še na vzorcih, ki so bili prepojeni le z biocidnimi proizvodi nižje koncentracije na osnovi bakrovih
spojin brez dodanih kobiocidov in sicer CuS, CuE in CuEO.
Po petih letih izpostavitve je razkroj še omejen, vendar
jasno kaže na to, da bakrove učinkovine same po sebi ne
nudijo zadostne zaščite proti glivam razkrojevalkam.
Zaključki
Smrekov in bukov les sam po sebi ni zaščiten pred delovanjem biotskih in abiotskih dejavnikov razkroja v 3.2 razredu uporabe. Če ga zaščitimo z biocidnimi proizvodi na
osnovi bakrovih spojin, ki so jim dodani ustrezne rešitve
za vezavo in kobiocidi, na lesu tudi po petih letih izpostavitve ni opaziti znakov trohnenja. Po drugi strani pa se je
izkazalo, da bakrovi pripravki brez dodatka kobiocidov ne
nudijo zadostne zaščite pred lesnimi glivami. Z raziskavami bomo še nadaljevali in upamo, da se bodo sčasoma
razvile še druge razlike.
Literatura
1. Atelšek J. (2007) Določanje minimalne koncentracije zaščitnega
pripravka na osnovi bakra in etanolamina za zaščito lesa pred trohnenjem. Diplomska naloga 45 s.
2. Brischke C., Bayerbach R., Rapp A.O. (2006) Decay-influencing
factors: A basis for service life prediction of wood and wood-based
products. Wood Material Science and Engineering 1, 91-107.
3. Brischke C., Rapp A.O., Hasan M., Despot R. (2010) Impact of
climate change on wood deterioration - Challenges and solutions
for cultural heritage and modern structures. The Internation Research Group on Wood Protection, IRG/WP 10-20441, 14.
4. Chang S.T., Hon D.N.S., Feist W.C. (1982) Photodegradation
And Photoprotection Of Wood Surfaces. Wood and Fibber 14, 2:
104-117.
5. COUNCIL OF THE EUROPEAN COMMUNITIES (1988) Council
Directive of 21 December on the approximation of laws, regulations and administrative provisions of the member states relating
to construction products (89/106/EEC). Bruselj; Council of the European Communities.
6. Humar M., Pohleven F. (2008) Solution for wood preservation:
EP1791682(B1). Geneva: World intellectual property organization.
7. Pohleven F. (2008) Konstrukcijska zaščita lesa pred škodljivci. V:
Gradnja z lesom - Izziv in priložnost za Slovenijo. K.K. M. (ur.). Ljubljana, Biotehniška Fakulteta
8. Rapp A.O., Augusta U. (2004) The full guideline for the »double
layer test method« - A Field test method for determinating the durability of wood out of ground. IRG/WP 04-20290
9. SIST EN 252 (2004) - Terenska preskusna metoda za ugotavljanje relativne preventivne učinkovitosti zaščitnega sredstva za les
v stiku z zemljo
10. SIST EN 335-1 (2006) - Trajnost lesa in lesnih proizvodov - Definicija uporabnosti razredov - 1. del: Splošno
11. Willeitner H. (2001) Current national approaches to defining retentions in use. COST E22 6 s.
12. Zhang J., Kamdem D.P., Temiz A. (2009) Weathering of copperamine treated wood. Applied Surface Science 256, 3: 842-846.
Zahvala
Avtorji se zahvaljujemo Javni agenciji za raziskovalno dejavnost republike Slovenije za finančno podporo v okviru
projektov L4-0820-0481 in V4-1139 ter programske skupine P4-0015-0481. Za klimatološke podatke se zahvaljujeva
doc. dr. Jožici Gričar in doc. dr. Tomu Levaniču z Gozdarskega inštituta Slovenije.
160
64(2012) št. 5
UDK 630*813.2:630*852.17
EKSTRAKCIJA IN GC-MS ANALIZA
EKSTRAKTIVOV V POŠKODOVANEM
LESU BUKVE (Fagus sylvatica L.)
raziskave in razvoj
Viljem VEK*, Primož OVEN**, Ida Poljanšek***
Extraction and GC-MS analysis of extractives in wounded wood
of beech (Fagus sylvatica L.)
Abstract: Lipophilic and hydrophilic extractives in mechanically wounded stem wood and knots of beech (Fagus sylvatica
L.) were qualitatively and quantitatively analyzed by means of gas chromatography coupled with mass spectrometer (GCMS). High contents of hydrophilics were determined for methanolic extracts of wound-wood and knots. Results of GC-MS
analysis revealed that the most significant peak of cyclohexanic extracts was ascribed to β-sitosterol. High amounts of
catechin in methanolic extracts of wound-wood and knots could be assigned to assumed protective and defensive functions of these tissues, which are formed as response of metabolism of living parenchyma cells to negative consequences of
traumatic events.
Key words: beech, wound-associated tissues, knots, lipophilic and hydrophilic extractives, extraction, gas chromatography, β-sitosterol, catechin.
UVOD
Navadna bukev predstavlja eno izmed industrijsko in
ekonomsko najpomembnejših drevesnih vrst v Sloveniji. V preteklosti se je bukovina uporabljala pretežno za
kurjavo, z razvojem lesno predelovalnih tehnologij pa
je postala uporabna in cenjena surovina v lesni industriji (pohištvo, globinsko impregnirani železniški pragovi,
* mladi raziskovalec, univ. dipl. inž. les., 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]
*** doc. dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, SI-1000 Ljubljana
64(2012) št. 5
vezan les, krivljen les ipd.) (Torelli, 1979; Hakkou in sod.,
2006). Bukev je poleg jesena, javorja, lipe in npr. topola,
drevesna vrsta brez jedrovine, za katero je značilen fakultativen nastanek diskoloriranega lesa na lokaciji sušine
(Torelli, 2003). Vrednost diskolorirane bukovine je lahko v
primerjavi s svetlim in enotno obarvanim lesom na tržišču
nižja tudi do 50 %, kar lahko pripišemo težji impregnaciji,
težavam pri sušenju in proizvodnji bukovega furnirja ter
neenakomerno obarvani površini, ki predstavlja estetsko
hibo (Zell in sod., 2004). Nastanek diskoloriranega lesa je
v tesni povezavi z odzivom lesa na travmatski dogodek,
običajno poškodbe, ki so lahko indirektne ali direktne. Indirektne poškodbe lahko opišemo npr. z odlomom veje
zaradi vremenskih ujm oziroma abscisije kot dela home-
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: Kvalitativno in kvantitativno smo analizirali lipofilne in hidrofilne ekstraktive v mehansko poškodovanem lesu debla in grčah bukve (Fagus sylvatica L.), za kar smo uporabili plinsko kromatografijo sklopljeno z masnim spektrometrom
(GC-MS). Visoka vsebnost hidrofilnih ekstraktivov je bila značilna za metanolne ekstrakte poranitvenega lesa in grč. Rezultati
GC-MS analize so pokazali, da najintenzivnejši vrh cikloheksanske frakcije opisuje β-sitosterol. Visoke deleže katehina v metanolnih ekstraktih poranitvenega lesa ter v živih in mrtvih grčah je mogoče pripisati domnevnim zaščitnim in obrambnim
funkcijam teh tkiv, ki nastanejo kot odziv metabolizma živih parenhimskih celic na negativne posledice poškodb.
Ključne besede: bukev, poranitvena tkiva, grče, lipofilni in hidrofilni ekstraktivi, ekstrakcija, plinska kromatografija,
β-sitosterol, katehin
161
raziskave in razvoj
ostaze, direktne površinske poškodbe pa so najpogosteje
posledica gozdarskih aktivnosti oziroma uporabe težke
mehanizacije pri sečnji in spravilu hlodovine. Za t.i. ranitveno srce, torej diskoloracije, ki nastane kot posledica
površinskega poškodovanja, je značilno obarvanje, ki izhaja neposredno iz mesta ranitve (Sorz in Hietz, 2008). V
živem drevesu predstavlja mehanska poškodba prvo fazo
v zaporedju kompleksnih procesov, ki vodijo do biotskih
in abiotskih diskoloracij, biološkega razkroja in eventualno do izvotlitve drevesa. Odziv drevesa na mehansko
poškodbo je moč pojasniti s konceptualnim modelom
CODIT (Compartmentalization Od Decay In Trees) (Shigo
in Marx, 1977) oziroma z modelom dinamičnih reakcijskih con, ki ga je razvil L. Shain (1979). Odziv beljave na
neugodne posledice mehanskega poškodovanja vključuje mikrookoljske spremembe, t.j. povečanje vlažnosti
in posledično zmanjšanje vsebnostjo kisika, in aktiven
odziv živih parenhimskih celic, pri čemer pride do kopičenja antimikrobnih spojin (fitoaleksinov) in nastanka
okluzij (depoziti gume, tile) v vaskularnem sistemu lesa
(Pearce, 1996; Merela in sod., 2005; Oven in sod., 2008).
Omenjene spojine, ki jih imenujemo tudi akcesorne snovi
ali ekstraktivi, lahko odstranimo iz lesnega matriksa z uporabo topil različnih polarnosti (Fengel in Wegener, 1984;
Holmbom, 1999; Willför in sod., 2006). Z ozirom na to, da
kompartmentalizacijskim tkivom na splošno pripisujemo
zaščitno in obrambno funkcijo, domnevamo, da bi se lahko prav v teh tkivih, kot tudi v grčah, pojavili ekstraktivi z
bioaktivnim potencialom, ki bi lahko diskolorirani in razvrednoteni bukovini povišali tržno vrednost. Predvideva
se, da omenjena tkiva vsebujejo spojine s flavonoidnim
karakterjem, ki imajo dokazano bioaktivni potencial (npr.
katehin, taksifolin ali naringenin) (Malterud in sod., 1985;
Dalluge in sod., 1998; Välimaa in sod., 2007). Pojav flavan3-olov in sorodnih substanc je značilen za normalen les
bukve, kjer le-te sodelujejo tudi pri formaciji diskoloracije
oziroma rdečega srca (Kubel in sod., 1988; Koch in sod.,
2003; Zule in Može, 2003). Katehini bi lahko predstavljali
atraktivne spojine, saj je za te značilen inhibitorni vpliv na
razvoj določenih lesnih gliv, pripisujejo pa jim tudi antimikrobne, antioksidativne in antikancerogene lastnosti
(Baum in Schwarze, 2002; Taylor in sod., 2005; Friedman in
sod., 2006; Jiang in Zhang, 2010). Pregled literature kaže,
da so podatki o karakterju bioaktivnih ekstraktivov v poranitvenih lesnih tkivih in grčah bukve zelo skopi.
Namen pričajoče študije je bili določiti delež celokupnih
lipofilnih ih hidrofilnih ekstraktivov v različnih poranitvenih tkivih in grčah mehansko poškodovane bukve ter kvalitativno in kvantitativno analizirati pridobljene ekstrakte s
plinsko kromatografijo, sklopljeno z masnim spektrometrom (GC-MS).
162
MATERIAL IN METODA
Material
V raziskavo smo vključili več mehansko poškodovanih
bukev, ki so bila posekana v gozdovih Kočevskega Roga,
približno 85 km JV od Ljubljane. Iz vsakega drevesa sta
bila na različnih višinah izžagana dva koluta debeline cca
10 cm, hkrati pa smo odvzeli tudi kolute z živimi in mrtvimi vejami. Na kolutih smo na osnovi rastnih posebnosti
označili mesta vzorčenja ter izžagali vzorce zdrave beljave
(B), poranitvenega lesa (W), reakcijske cone (RZ), diskoloriranega lesa (rdeče srce) (RS) ter živih (GŽ) in mrtvih grč
(GM), kot je opisano v Vek in sod. (2010). Vzorce smo homogenizirali na rotacijskem mlinu Retsch ZM200, s čimer
smo pridobili 0,5 mm lesno frakcijo. Nezaželenemu gretju
vzorcev med procesom mletja smo se izognili z uporabo
suhega ledu (CO2).
Ekstrakcija
Lipofilne in hidrofilne spojine smo iz vzorcev poškodovanega lesa in grč bukve ekstrahirali z nepolarnim in polarnim topilom, torej s cikloheksanom ter mešanico metanola in vode (95:5, v/v). Dodatek vode k metanolu izboljša
penetracijo topila in omogoča ekstrakcijo bolj polarnih
komponent, kot so fenolni oziroma flavonoidni glikozidi
(Willför in sod., 2006). Ekstrakcija je bila izvedena na sistemu za pospešeno ekstrakcijo Büchi speed extractor E-916
s kvarterno HPLC črpalko, ki mogoča ekstrakcijo z mešanico štirih različnih topil. Znano je, da sodobni sistemi
za pospešeno ekstrakcijo predstavljajo optimalno izbiro
pri ekstrakciji lesnih vzorcev pred običajno ekstrakcijo v
Soxhlet aparaturi. Poleg boljše ekstrakcijske učinkovitosti, sam postopek namreč poteka pri povišanem tlaku in
temperaturi v inertni dušikovi atmosferi, je ekstrakcija na
takih sistemih hitrejša, hkrati pa je tudi poraba topil občutno manjša (Thurbide in Hughes, 2000).
Pred ekstrakcijo so bili vsi homogenizirani vzorci liofilizacijsko posušeni v Christ liofilizatorju, v katerem je sušenje
potekalo 24 ur pri 0,054 barih in – 54 °C. Po sušenju smo
na analitski tehtnici natehtali 0,5 g posameznega vzorca in
ga prenesli v ustrezno 10 mL ekstrakcijsko celico. Slednje
smo zatesnili s filter papirjem, železno frito in vijačnim čepom ter zgornjim krovnim filtrom. Ekstrakcija je bila izvedena na Büchi E-916 ekstraktorju s šestimi ekstrakcijskimi
mesti. Ekstrakcijske celice z vzorci smo vstavili v ustrezna
mesta v grelni blok ekstraktorja. Sistem smo pred pričetkom ekstrakcije spirali s slepim tokom ustreznega topila, s
čimer smo odstranili vse nečistoče in morebitne ostanke
predhodno uporabljenih topil. Ustrezno število 15 min ciklov smo določili s preliminarno GC-FID analizo na dolgi
kapilarni koloni (HP-5, 30 m × 320 µm × 0,25 µm).
64(2012) št. 5
Pridobljene ekstrakte (slika 1) smo nato prelili v 50 mL merilne bučke in jih redčili z ustreznim topilom do značke, s
čimer smo vse ekstrakte definirali na enake volumne ter
določili razmerje vzorec/topilo (R) na 1:100 (Naczk in Shahidi, 2007).
nami (alkoholi, kisline, steroli, fenoli) kemijsko modificirali
v trimetilsililne (TMS) derivate. V ta namen smo ustrezne
količine ekstraktov prenesli v 10 mL viale in v vsako izmed
teh dodali 100 µL raztopine posameznega internega
standarda. Kot interna standarda smo uporabili heneikozanojsko kislino (C21:0) in betulinol. Topila smo odstranili
s sušenjem v vakuumski komori pri 45 mbar preko noči.
Sledila je sililacija, za kar se kot reagent uporablja N,Obis(trimetilsilil) trifluoroacetamid (BSTFA), ki reagira z večino organskih spojin, reaktivnost le-tega pa poveča dodatek trimetilklorosilana (TMCS). Zmesi vzorca in internih
standardov smo dodali 80 μL BSTFA, 20 μL TMCS in 20 μL
piridina. Reakcijsko smo pustili teči 45 minut pri 70 °C, na
kar smo viale ohladili in vsebino prenesli v 1,5 mL viale ter
te nato postavili na ustrezno mesto avtomatskega vzorčevalnika plinskega kromatografa.
raziskave in razvoj
Sledila je ekstrakcija lipofilnih ekstraktivov s cikloheksanom pri 90 °C in tlaku 110 bar (11,0 MPa) z dvema 15 min
statičnima cikloma. Ekstrakte smo prestregli v predhodno
označene 240 mL zbiralne viale. Ekstrakciji s cikloheksanom je sledila ekstrakcija hidrofilnih ekstraktivov z mešanico metanola in vode (95:5, v/v) pri 100 °C in 110 bar.
KROMATOGRAFSKA ANALIZA
Slika 1. Metanolni ekstrakti beljave (B), reakcijske
cone (RZ), rdečega srca (RS) in poranitvenega lesa (W)
v zbiralnih vialah sistema za pospešeno ekstrakcijo.
GC-FID analizo smo izvedli na Agilent Technologies GC
7890A sistemu za plinsko kromatografijo, pri čemer je
bil za manipulacijo in injiciranje vzorcev uporabljen avtomatski vzorčevalnik Agilent 7693. Ločba spojin bukovih
ekstraktov je potekala na dolgi kapilarni koloni, ločene
substance pa so bile detektirane s plamensko ionizacijskim detektorjem (FID).
Vse ekstrakte smo do pričetka GC-MS analiz hranili v temnem hladilnem prostoru na 4 °C.
Identifikacijo neznanih spojin smo izvedli na skrbno izbranih vzorcih, za analizo katerih smo uporabili Agilent
Technologies GC 7890A sistem za plinsko kromatografijo
sklopljen z 5975C MSD masnim spektrometrom (slika 2).
VSEBNOST LIPOFILNIH IN HIDROFILNIH
EKSTRAKTIVOV
Za obdelavo kromatogramov in identifikacijo vrhov smo
uporabili Agilent ChemStation B.05.02 oziroma E.02.00 programsko opremo.
Vsebnosti celokupnih ekstraktivov, topnih v cikloheksanu
oziroma metanolu, smo določili gravimetrično. S stekleno
pipeto smo v predhodno stehtano erlenmajerico prenesli 10
mL ekstrakta in jih 24 ur sušili na 105 °C. Ko je topilo izparelo,
smo erlenmajerice s suhim ekstraktom ohladili v eksikatorju
ter jih ponovno stehtali. Vsebnosti v cikloheksanu in metanolu topnih spojin
smo izračunali na podlagi pridobljenih
mas ter rezultate izrazili v miligramih
lipofilnih oziroma hidrofilnih ekstraktivov na gram suhega lesa [mg/g].
GC-FID analiza
Ločitev lipofilnih in hidrofilnih ekstraktivov je potekala
na nepolarni fenil metil siloksanski HP-5 koloni, dimenzij
DERIVATIZACIJA EKSTRAKTOV
Pred snemanjem plinskih kromatogramov (GC-FID in GC-MS) smo vse cikloheksanske in metanolne ekstrakte
derivatizirali po protokolu, ki ga navaja
Willför s sod. (2003). Na ta način smo Slika 2. Kemijska analiza bukovih ekstraktov je potekala na GC-FID in
spojine s prostimi hidroksilnimi spoji- GC-MS kromatografih
64(2012) št. 5
163
raziskave in razvoj
30 m × 320 µm × 0,25 µm. Analizo na plinskem kromatografu smo izvedli pri sledečih eksperimentalnih pogojih
- temperaturni program segrevanja kolone: 150 °C (1 min),
4 °C/min, 220 °C, 20 °C/min, 320 °C (6,5 min); nosilni plin:
He (1,4 mL/min); split injektor (1:10) - 260 °C; FID detektor:
300 °C; volumen injiciranja 1 µL. Kot interna standarda
smo uporabili heneikozanojsko kislino in betulinol, rezultate kvantitativne analize pa smo izrazili v miligramih na
gram suhega lesa.
Identifikacija ekstraktivov z GC-MS tehniko
Identifikacijo ločenih spojin cikloheksanskih in metanolnih ekstraktov smo izvedli na osnovi GC-MS kromatogramov in ustreznih masnih spektrov kromatografskih vrhov.
Pred samo GC-MS analizo smo skrbno pregledali vse GCFID kromatograme in izmed njih izbrali omejeno število
vzorcev.
Ločitev je potekala na dolgi kapilarni koloni HP-5MS (30
m × 250 µm × 0,25 µm), katero smo zagotovili z zgoraj
opisanim temperaturnim programom segrevanja kolone.
Identifikacija ločenih spojin je potekala z MS-EI detektorjem (280 °C, 70 eV). Masne spektre smo primerjali s spektri
čistih substanc zbranih v knjižnicah, ki so bile na voljo v
laboratoriju na Tehnični Univerzi na Dunaju (TU Wien).
REZULTATI IN DISKUSIJA
VSEBNOST CELOKUPNIH EKSTRAKTIVOV
Vsebnosti celokupnih lipofilnih in hidrofilni ekstraktivov
bukovih vzorcev so predstavljene v preglednici 1 kot povprečne vrednosti za posamezen tip tkiv.
Preglednica 1. Vsebnost celokupnih lipofilnih in
hidrofilnih ekstraktivov v lesnih tkivih debla in v
grčah bukve.
Vsebnost celokupnih ekstraktivov
Vzorec*
Poranitveni les
Lipofilni
[mg/g]**
Hidrofilni
[mg/g]**
10,69 ± 7,91
56,95 ± 10,99
Beljava
9,69 ± 6,12
42,14 ± 12,67
Reakcijska cona
9,93 ± 4,87
34,26 ± 13,10
Rdeče srce
10,92 ± 7,09
30,44 ± 10,42
Živa grča
9,14 ± 5,81
61,69 ± 11,00
Mrtva grča
8,41 ± 2,42
67,81 ± 11,47
*Vzorci različnih kategorij lesa in grč mehansko poškodovane
bukve.
**Rezultate smo izrazili v miligramih na gram suhega lesa kot
povprečje meritev s standardnim odklonom.
164
Vzorci lesa debla in grč poškodovanih bukev so vsebovali
9,90 mg/g lipofilnih in 50,41 mg/g hidrofilnih ekstraktivov.
Visoka vsebnost ekstraktivov topnih v metanolu je bila
značilna za ekstrakte poranitvenega lesa in grč. Relativno visoke vsebnosti hidrofilnih spojin so bile značilne za
vzorce intaktne beljave in reakcijske cone. Kot pričakovano, smo najnižje deleže hidrofilnih ekstraktivov določili v
vzorcih rdečega srca. V primeru cikloheksanskih ekstraktov, razlike v vsebnosti lipofilnih ekstraktivov med posameznimi tipi lesnih tkiv debla in grč niso bile tako izrazite
kot v primeru hidrofilne frakcije. Kot zanimivost lahko izpostavimo cikloheksanske ekstrakte rdečega srca, ki poleg ekstraktov poranitvenega lesa, vsebujejo višji delež
lipofilnih ekstraktivov.
REZULTATI GC-FID IN GC-MS ANALIZE
Identificirane akcesorne spojine, ki so karakteristične za
metanolne ekstrakte mehansko poškodovane bukve so
prikazane v preglednici 2.
Lipofilno frakcijo različnih kategorij ranitvenih tkiv in grč
bukve sestavljajo nasičene in nenasičene maščobne kisline,
maščobni alkoholi, monoacilgliceroli, triterpeni in steroli, kar
sovpada z literaturnimi podatki (Kubel in sod., 1988; Koch
in sod., 2003; Zule in Može, 2003). Palmitinska kislina (C16:0),
poleg določenih nenasičenih C18:n kislin, predstavljala prevladujočo maščobno kislino cikloheksanskih ekstraktov. Najpomembnejši sterol bukovih ekstraktov je β-sitosterol, ki je
opisan z najintenzivnejšim vrhom na kromatogramih cikloheksanskih ekstraktov. Poleg β-sitosterola so za lipofilno frakcijo
bukovine značilni še aciklični triterpen skvalen in steren stigmasta-3,5-dien. Za slednjega je znano, da se lahko pojavlja
kot dehidracijska spojina sitosterola (Amelio in sod., 1998).
Za polarno frakcijo bukovih ekstraktov so značilni monosaharidi, disaharidi in trisaharidi, o čemer poročata tudi
Kubel in Weiβmann (1988). Izmed sladkorjev smo kot karakteristične določili fruktozo, ksilozo, galaktozo, glukozo,
ramnozo, manozo in disaharid saharozo. Poleg omenjenih so se v metanolnih ekstraktih pojavljale tudi različne
kisline (npr. malična, treonična, ribonična, vanilinska, glukuronska, citrična, siringinska, malonilna in galna kislina),
inositoli, sladkorni alkoholi (npr. eritritol, arabitol, sorbitol)
in prekurzorji lignina, katerih predstavnik je tudi sinapilni
alkohol. Kot pričakovano je karakteristično fenolno spojino hidrofilnih ekstraktov lesa bukve predstavljal katehin. V
metanolnih ekstraktih se pojavlja tudi taksifolin in neidentificirana spojina flavonoidnega tipa. Pojav flavonoidov
spremljajo tudi neidentificirani lignanski tipi spojin, ki pa
so po vsej verjetnosti razgradnji produkti lignina (slika 3).
Vsebnosti (mg/g) β-sitosterola ter katehina v debelnih tkivih in grčah mehansko poškodovane bukve so prikazane
v preglednici 3.
64(2012) št. 5
Sestava metanolnih ekstraktov
Preglednica 3. Vsebnost β-sitosterola in katehina v
beljavi, rdečem srcu in mrtvi grči
Spojina
Vrh
Vanilinska kislina
Fenolna kislina
4
Vzorec**
Siringilna kislina
Fenolna kislina
7
Galna kislina
Fenolna kislina
Sinapilni alkohol
Monolignol
Inositoli
Poliol
Lesni monosaharidi
Glukuronska kislina
β-Sitosterol [mg/g]*
Katehin [mg/g]*
Beljava
0,0693
1,0304
10
Rdeče srce
0,0596
0,0787
14
Mrtva grča
0,0980
1,6168
11, 13, 15
1-3, 5, 6, 8,
9, 12, 15-18
Karboksilna
(sladkorna)
kislina
Lesni oligosaharidi
19
* Vrednosti so izražene v miligramih identificirane spojine na
gram suhega lesa
** Vzorci beljave in rdečega srca ter mrtve grče mehansko
poškodovane bukve
raziskave in razvoj
Preglednica 2. Identificirani hidrofilni ekstraktivi v
lesu debla in grčah bukve.
β-Sitosterol
20-22
Katehin
Flavan-3-ol
Taksifolin
Flavonoid, flavanonol
Spojine lignanskega
tipa
Spojina flavonoidnega Flavonoid
tipa
23
24, 25
26
Kvantitativna GC analiza izbranih cikloheksanskih ekstraktov je pokazala, da bukovi ekstrakti vsebujejo 0,09 mg/g
β-sitosterola, medtem ko je vsebnost katehina v metanolnih ekstraktih znašala 0,80 mg/g.
Visoki deleži β-sitosterola, katerega strukturna formula je
predstavljena s sliko 4, so bili značilni za ekstrakte mrtve
veje, relativno visok delež pa je bil ugotovljen tudi za intaktno beljavo.
(+)-katehin
Slika 4. Kemijska struktura β-sitosterola in katehina
Najvišja vsebnost katehina (slika 4) je bila izmerjena v metanolnem ekstraktu mrtve grče, najmanj tega flavan-3-ola
pa so vsebovali vzorci diskoloriranega lesa. Vsi rezultati
so skladni s primerljivimi analizami, ki so bile izvedene na
vzorcih beljave in rdečega srca bukve (Kubel in sod., 1988;
Hofmann in sod., 2004).
ZAKLJUČKI
Slika 3. GC-FID kromatogram metanolnega ekstrakta reakcijske
cone (RZ), posnet na dolgi kapilarni koloni. ISTD označuje interna
standarda. Za oznako vrhov glej preglednico 2.
64(2012) št. 5
Rezultati pričajoče raziskave kažejo, da je
visoka vsebnost hidrofilnih ekstraktivov v
lesu bukve značilna za tkiva, ki so nastala
kot na travmatski dogodek. V primerjavi z
debelnimi tkivi, so bile visoke vsebnosti ekstraktivov karakteristične za ekstrakte grč,
kar sovpada s ugotovitvami drugih raziskovalnih skupin (Pietarinen in sod., 2006).
Slednje je mogoče pojasniti z domnevno
zaščitno in obrambno funkcijo otiljenega
zaščitnega sloja na bazi mrtvih vej, saj je
znano, da se akcesorne spojine akumulirajo na potencialnih mestih vdora mikroorganizmov po odlomu veje (Torelli, 1990).
165
raziskave in razvoj
Kvalitativna in kvantitativna kromatografska analiza je
pokazala, da sta najbolj intenzivna in karakteristična vrha
bukovih ekstraktov β-sitosterol in katehin. Poznano je, da
ima β-sitosterol pomembno fiziološko funkcijo v drevesu.
Rastlinski steroli so namreč pomembne strukturne komponente celične membrane živih parenhimskih celic lesa
in vplivajo na njihove fizikalne lastnosti, kot je npr. togost
in propustnost. V lesu steroli pogosto nastopajo kot estri
z maščobnimi kislinami, najpogosteje s palmitinsko, oleinsko in linoleinsko, torej z dominantnimi maščobnimi
kislinami bukovih ekstraktov. Domneva se, da β-sitosterol
vpliva na koncentracijo lipidov v rastlinskih tkivih. Na ta
način sterilni estri najverjetneje predstavljajo zalogo shranjenih maščobnih kislin (Nes, 1989; Piispanen in Saranpaa,
2002). Dokazano je tudi, da β-sitosterol kot glukozid sodeluje pri biosintezi celuloze (Piispanen in Saranpää, 2004).
Povišana vsebnost β-sitosterola v tkivih, ki so nastala kot
odziv na poškodbo, bi utegnila biti povezana z akumulacijo in transformacijo lipidov v sladkorje, ki kasneje sodelujejo pri nastanku fenolnih substanc (Umezawa, 2000;
Vermerris in Nicholson, 2006).
Najbolj karakteristična komponenta bukovih ekstraktov je
prav gotovo katehin, katerega visoke koncentracije so značilne za ekstrakte poranitvenega lesa in grč. Katehin velja
za enega izmed pogostih predstavnikov flavan-3-olov v
lesnih tkivih, značilni pa so predvsem za ekstrakte zelenega in črnega čaja. Katehini, posebno tisti, ki nastopajo
v estrski zvezi z galno kislino, so spojine z antioksidativnimi in antimikrobnimi lastnostmi, njihovi kemopreventivni
in kardiozaščitni vplivi so bili dokazani s številnimi in vivo
analizami, domnevno pa naj bi sodelovali pri termogenezi in oksidaciji maščob, s čimer kažejo svoj potencial
na področju dietičnih dodatkov (Harborne, 1989; Dalluge
in sod., 1998; Jiang in Zhang, 2010). Tkivom s povišanim
deležem katehina bi domnevno lahko pripisali večjo odpornost proti delovanju škodljivih organizmov. Brignolas s
sod. (1995) poroča, da je biosinteza flavonoidov vključena
pri obrambnih mehanizmih smreke proti delovanju gliv
razkrojevalk lesa, česar indikator naj bi bila prisotnost taksifolina in akumulacija katehina ter posledična formacija
taninov. Ti naravni polimeri pa naj bi les ščitili tudi pred
ksilofagnimi insekti (Dubeler in sod., 1997).
ZAHVALA
Avtorji se zahvaljujemo Javni agenciji za raziskovalno
dejavnost Republike Slovenije za finančno podporo programske skupine P4-0015-0481. Zahvala tudi dr. Karin
Fackler in Thomasu Tersu ter vsem ostalim sodelavcem
na Tehniški univerzi na Dunaju (TU Wien) za vsestransko
pomoč in sodelovanje.
166
VIRI
1. Amelio M., Rizzo R., Varazini F. (1998) Separation of stigmasta3,5-diene squalene isomers, and wax esters from olive oils by single high-performance liquid chromatography run. Journal of the
American Oil Chemists Society, 75: 527-530
2. Baum S., Schwarze F. (2002) Large-leaved lime (Tilia platyphyllos) has a low ability to compartmentalize decay fungi via reaction
zone formation. New Phytologist, 154: 481-490
3. Brignolas F., Lacroix B., Lieutier F., Sauvard D., Drouet A., Claudot A.C., Yart A., Berryman A.A., Christiansen E. (1995) Induced Responses in Phenolic Metabolism in 2 Norway Spruce Clones
after Wounding and Inoculations with Ophiostoma-Polonicum, a
Bark Beetle-Associated Fungus. Plant Physiology, 109: 821-827
4. Dalluge J.J., Nelson B.C., Brown Thomas J., Sander L.C. (1998)
Selection of column and gradient elution system for the separation of catechins in green tea using high-performance liquid chromatography. Journal of Chromatography A, 793: 265-274
5. Dubeler A., Voltmer G., Gora V., Lunderstadt J., Zeeck A.
(1997) Phenols from Fagus sylvatica and their role in defence against Cryptococcus fagisuga. Phytochemistry, 45: 51-57
6. Fengel D., Wegener G. (1984) Wood: Chemistry, Ultrastructure,
Reactions. W. de Gruyter, Berlin-New York, 613
7. Friedman M., Henika P.R., Levin C.E., Mandrell R.E., Kozukue
N. (2006) Antimicrobial Activities of Tea Catechins and Theaflavins
and Tea Extracts against Bacillus cereus. Journal of Food Protection,
69: 354-361
8. Hakkou M., Pétrissans M., Gérardin P., Zoulalian A. (2006)
Investigations of the reasons for fungal durability of heat-treated
beech wood. Polymer Degradation and Stability, 91: 393-397
9. Harborne J.B. (1989) Flavonoids. V: Natural products of woody
plants I. Chemicals extraneous to the ligno-celulosic cell wall.,
Rowe JW (Ur.), Springer-Verlag, New York, Berlin, Heidelberg, 533570
10. Hofmann T., Albert L., Retfalvi T. (2004) Quantitative TLC
Analysis of (+)-Catechin and (-)-Epicatechin from Fagus sylvatica L.
with and without Red Heartwood. Jpc-Journal of Planar Chromatography, 17: 350-354
11. Holmbom B. (1999) Extractives. V: Analytical Methods in Wood
Chemistry, Pulping and Papermaking. Sjöström E, Alén R (Ur.),
Springer-Verlang, Berlin, 316
12. Jiang G., Zhang T. (2010) Quantitative Analysis of Catechins in
Tea by UHPLC/UV. In. Thermo Fisher Scientific, San Jose, CA, USA
13. Koch G., Puls J., Bauch J. (2003) Topochemical characterisation
of phenolic extractives in discoloured beechwood (Fagus sylvatica
L.). Holzforschung, 57: 339-345
14. Kubel H., Weissmann G., Lange W. (1988) Investigations on
the Cancerogenicity of Wood Dust - the Extractives of Beech and
Spruce. Holz Als Roh-Und Werkstoff, 46: 215-220
15. Malterud K.E., Bremnes T.E., Faegri A., Moe T., Dugstad E.K.S.,
Anthonsen T., Henriksen L.M. (1985) Flavonoids from the Wood
of Salix caprea as Inhibitors of Wood-Destroying Fungi. Journal of
Natural Products, 48: 559-563
16. Merela M., Straže A., Zupančič M., Torelli N., Oven P. (2005)
Osnovna gostota, permeabilnost in zgradba reakcijskih con pri bukvi. Les, 57: 11-16
17. Naczk M., Shahidi F. (2007) Phenolics in cereals, fruits and vegetables: Occurrence, extraction and analysis (vol 41, pg 1523, 2006).
Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 43: 798-798
18. Nes W.R. (1989) Steroids. V: Natural products of woody plants
.Chemical extraneous to the lignocellulosic cell wall. Rowe JW (Ur.),
Springer -Verlag, New York, 808-842
64(2012) št. 5
64(2012) št. 5
raziskave in razvoj
19. Oven P., Merela M., Mikac U., Sersa I. (2008) 3D magnetic resonance microscopy of a wounded beech branch. Holzforschung,
62: 322-328
20. Pearce R.B. (1996) Antimicrobial defences in the wood of living
trees. New Phytologist, 132: 203-233
21. Pietarinen S., Willför S., Ahotupa M., Hemming J., Holmbom
B. (2006) Knotwood and bark extracts: strong antioxidants from
waste materials. Journal of Wood Science, 52: 436-444
22. Piispanen R., Saranpaa P. (2002) Neutral lipids and phospholipids in Scots pine (Pinus sylvestris) sapwood and heartwood. Tree
Physiology, 22: 661-666
23. Piispanen R., Saranpää P. (2004) Seasonal and within-stem variations of neutral lipids in silver birch (Betula pendula) wood. Tree
Physiology, 24: 991-999
24. Shain L. (1979) Dynamic responses of differentiated sapwood to
injury and infection. USA, American Phytopathological Society:
Symposium on wood decay in living trees, 69: 1143-1147
25. Shigo A.L., Marx H.G. (1977) Compartmentalization of decay in
trees. USDA Forest Service Agriculture Information Bulletin, 405: 73
26. Sorz J., Hietz P. (2008) Is oxygen involved in beech (&lt;i&gt;Fagus
sylvatica&lt;/i&gt;) red heartwood formation? Trees - Structure and
Function, 22: 175-185
27. Taylor P.W., Hamilton-Miller J.M.T., Stapleton P.D. (2005) Antimicrobial properties of green tea catechins. Food Sci Technol Bull,
2: 71-81
28. Thurbide K.B., Hughes D.M. (2000) A rapid method for determining the extractives content of wood pulp. Industrial & Engineering Chemistry Research, 39: 3112-3115
29. Torelli N. (1979) Fiziologija nastanka rdečega srca. Les = Wood,
9/10: 191-195
30. Torelli N. (1990) Les & skorja - slovar strokovnih izrazov. (Wood
and bark). Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za
lesarstvo, Ljubljana, 71
31. Torelli N. (2003) Ojedritev - vloga in proces. Les, 55: 368-379
32. Umezawa T. (2000) Chemistry of Extractives. V: Wood and Cellulosic Chemistry. Hon DNS, Shiraishi N (Ur.), Marcel Dekker, Inc., New
York, 213-241
33. Välimaa A.-L., Honkalampi-Hämäläinen U., Pietarinen S.,
Willför S., Holmbom B., von Wright A. (2007) Antimicrobial and
cytotoxic knotwood extracts and related pure compounds and
their effects on food-associated microorganisms. International Journal of Food Microbiology, 115: 235-243
34. Vek V., Oven P., Rep G. (2010) Vsebnost skupnih fenolov v beljavi, rdečem srcu in poranitvenem lesu pri bukvi (Fagus sylvatica L.).
Les-Wood, 62: 193-198
35. Vermerris W., Nicholson R. (2006) Phenolic Compound Biochemistry. Springer Science+Business Media B.V., Netherlands, 276
36. Willfor S.M., Ahotupa M.O., Hemming J.E., Reunanen M.H.T.,
Eklund P.C., Sjoholm R.E., Eckerman C.S.E., Pohjamo S.P.,
Holmbom M.R. (2003) Antioxidant activity of knotwood extractives and phenolic compounds of selected tree species. Journal of
Agricultural and Food Chemistry, 51: 7600-7606
37. Willför S.M., Smeds A.I., Holmbom B.R. (2006) Chromatographic analysis of lignans. Journal of Chromatography A, 1112:
64-77
38. Zell J., Hanewinkel M., Seeling U. (2004) Financial optimisation of target diameter harvest of European beech (Fagus sylvatica)
considering the risk of decrease of timber quality due to red heartwood. Forest Policy and Economics, 6: 579-593
39. Zule J., Može A. (2003) GC analysis of extractive compounds in
beech wood. Journal of Separation Science, 26: 1292-1294
167
raziskave in razvoj
Aleš Ugovšek*, Matjaž Pavlič**, Marko Petrič***, Milan Šernek***
UDK 630*829.1:543.422.3-74
Vpliv temperature in časa
utrjevanja na površinske in
kemijske lastnosti premaza
iz utekočinjenega lesa
Influence of temperature and curing time on surface and
chemical properties of a coating made of liquefied wood
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Izvleček: Utekočinjen les je material, ki je bil v dosedanjih raziskavah na področju premazov za les uporabljen predvsem v
kombinacijah z različnimi izocianati. Zaradi sposobnosti utrjevanja pri visokih temperaturah lahko utekočinjen les potencialno uporabimo kot samostojno komponento v premazu. V raziskavi je bil utekočinjen les uporabljen kot premaz za les brez
dodanih reagentov. Proučen je bil vpliv temperature in časa utrjevanja na površinske in kemijske lastnosti utrjenih filmov.
Ugotovljen je bil negativen vpliv previsokih in prenizkih temperatur ter predolgih in prekratkih časov utrjevanja na površinske
in kemijske lastnosti utrjenih filmov, poleg tega pa smo opazili, da je najverjetneje prišlo do karbonizacije filmov, utrjenih pri
temperaturah 150 °C in 160 °C ter času utrjevanja 60 minut.
Ključne besede: čas utrjevanja, FT-IR spektroskopija, premaz, temperatura, utekočinjen les, utrjevanje
168
Abstract: Liquefied wood is a material that has been in the field of wood coatings in previous studies mainly used in combinations with various isocyanates. Due to its ability of curing at elevated temperatures, liquefied wood has a potential to
be used as an independent component for a wood coating. In this study, liquefied wood was used as a coating material
without any additional reagents. Influence of curing temperature and time on chemical and surface properties was studied.
Negative influence of too high and too low curing temperatures on surface properties was determined, as well as negative
influence of too short and too long curing times. It was also noticed that at curing temperatures of 150 °C and 160 °C and
curing time of 60 minutes, carbonization of films most likely occurred.
Keywords: curing time, FT-IR spectroscopy, coating, temperature, liquefied wood, curing
1. Uvod
Utekočinjen les (UL) v zadnjih dveh desetletjih predstavlja osnovo mnogih aplikativnih raziskav, ki posegajo na
področja uporabe UL za lepljenje lesa (Kobayashi in sod.,
* univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana, e-pošta: [email protected];
**dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Jamnikarjeva
101, 1000 Ljubljana
*** prof. dr., Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo,
Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana
2001; Kunaver in sod., 2010; Ugovšek in sod., 2010), ogljikova vlakna (Ma in Zhao, 2010), pene (Yao in sod., 1995; Alma
in Shiraishi, 1998), polimerne kompozite (Doh in sod., 2005)
in ne nazadnje premaze (Kurimoto in sod., 2001; Budija in
sod., 2009a). Izdelava premazov na osnovi UL je bila večinoma usmerjena v sintezo z izocianati, o katerih poleg naštetih avtorjev poročajo še Wei in sodelavci (2004), UL pa se
je v omenjenih primerih izkazal kot uporaben soreagent.
Zaradi slabe vodoodpornosti in slabših mehanskih lastnosti produktov, izdelanih z uporabo UL kot samostoj-
64(2012) št. 5
Poleg reagenta ima pomembno vlogo pri zamreženju
tudi vrsta katalizatorja. Med procesom utekočinjanja nam­
reč prihaja do degradacije osnovnih komponent lesa (celuloza, hemiceluloze in lignin), pri čemer lignin razpade na
manjše fragmente, ki so v nadaljevanju reakcije podvrženi
t. i. rekondenzaciji. V primeru uporabe žveplove kisline
kot katalizatorja pri utekočinjanju pride do kondenzacije
med ogljikom na α-mestu in ogljikom aromatskih obročev lignina, pri tem pa se tvorijo difenilmetanske strukture
(Yamada in Ono, 1999). Kobayashi in sodelavci (2004) so
v svoji raziskavi predpostavili, da med depolimerizirano
celulozo in aromatskimi derivati lignina nastopi reakcija
nukleofilne substitucije celuloze in fenoksidnega iona. O
pomembnem vplivu vrednosti pH lesa na lepljenje z UL
sta poročala tudi Ugovšek in Šernek (2011).
Namen raziskave je bil uporabiti UL kot samostojno komponento v premazu za les in proučiti vpliv temperature
ter časa utrjevanja na površinske in kemijske lastnosti utrjenih filmov.
2. Materiali in metode
2.1. Utekočinjanje lesa
Za utekočinjanje lesa smo uporabili manjše frakcije topolove (Populus nigra L.) žagovine, ki smo jo pred tem
posušili v laboratorijskem sušilniku (103 °C, 24 h). Utekočinjanje lesa je potekalo v 1000 mL steklenem reaktorju, in
sicer 120 min pri 180 °C. Kot reagent za utekočinjanje smo
uporabili etilen glikol (EG) (p. a., Sigma-Aldrich, Nemčija)
in kot katalizator 97 % žveplovo(VI) kislino (ŽK) (p. a., Sigma-Aldrich, Nemčija). Masno razmerje med topolovino
in EG je bilo 1:3, dodatek ŽK pa je znašal 3 % glede na
maso EG. Po končanem utekočinjanju smo UL razredčili
z zmesjo 1,4-dioksana in vode (masno razmerje 4:1) ter
ga s pomočjo podtlaka prefiltrirali prek filtrirnih papirjev
(Sartorius filter disks, Grade 388). V nadaljevanju smo z rotavaporjem (Büchi rotavapor R-210) in vakuumsko črpalko
(Vacuubrand, PC 3003 VARIO) pri 55 °C ter prilagojenem
višanju podtlaka od 100 kPa do 1 kPa odstranili 1,4-dio-
64(2012) št. 5
ksan ter vodo. Po odstranitvi 1,4-dioksana in vode smo
pri 120 °C in podtlaku 1 kPa odstranili večji del EG. Maso
UL smo med odparevanjem EG spremljali gravimetrično.
Tak utekočinjen les, s končnim masnim razmerjem med
topolovino in EG 1:1, smo uporabili za nadaljnje raziskave.
2.2. Nanos in utrjevanje premazov
UL smo s pomočjo ročnega slojnika nanesli na iverno ploščo, oblepljeno z bukovim furnirjem. Debelina reže med
nanosom je bila optimirana na podlagi preliminarnih testov in je znašala 480 μm. Utrjevanje premazov je potekalo v sušilniku pri temperaturah (T) 120 °C, 130 °C, 140 °C,
150 °C in 160 °C ter časih (t) utrjevanja 15 min, 30 min in
60 min. Zaradi nezadostne utrjenosti so bili iz nadaljnje
obravnave izločeni sistemi, utrjeni pri 120 °C in 130 °C (15
min in 30 min) ter 140 °C (15 min).
raziskave in razvoj
ne komponente, se v literaturi redko najdejo objave na
to temo. O sposobnosti samozamreženja UL so poročali
Budija in sodelavci (2009b), medtem ko so Šernek in sodelavci (2010) UL uporabili kot samostojno komponento
za lepljenje lesa. V slednjem primeru se je UL z uporabljenim utekočinjevalnim reagentom – glicerolom, izkazal
kot neprimeren. Ugovšek in sodelavci (2011) so glicerol
nadomestili z etilen glikolom ter z dodatnim postopkom
po končanem utekočinjanju odstranili velik del reagenta
ter s tem pridobili UL z nizkim deležem topila. Takšen UL
je omogočil učinkovitejše lepljenje lesa in zagotavljal zlepljene spoje, ki so v suhih pogojih obdržali svojo trdnost.
2.3. Določanje površinskih lastnosti premazov
Določanje sijaja (SIST EN ISO 2813:1999): Sijaj smo določili
z merilcem sijaja X-Rite AcuGloss TRI. Na vsakem vzorcu
smo na naključnih mestih pri kotu vpadne svetlobe 60°
izvedli po 18 meritev v vzdolžni smeri glede na potek lesnih vlaken.
Določanje odpornosti površine proti hladnim tekočinam
(SIST EN 12720:2009): Za preizkus smo izbrali naslednje tekočine in čase izpostavitve: voda 1 h; alkohol (48 %) 1 h;
aceton 2 min. Površine smo po 20 h od konca izpostavitve ocenili z ocenami od 1 do 5 (preglednica 1).
Določanje odpornosti površine proti razenju (SIST EN ISO
1518:2001): Razenje smo izvedli s tako imenovanim vzmetnim svinčnikom, v katerem je igla s konico poloblaste
oblike premera 1 mm. Razili smo v dolžini približno 70
mm in prečno na potek vlaken. Hitrost razenja je bila med
30 mm/s in 40 mm/s. Obremenitev na konico smo stopnjevali vse do tedaj, ko se je film premaza poškodoval ali
pa je bila širina plastične deformacije (sledi razenja z iglo)
večja od 0,5 mm.
Določanje odpornosti površine proti udarcu (SIST ISO
4211-4:1995): Utež z maso 500 g smo spuščali na jekleno
kroglico premera 14 mm, ki je nalegala na površino vzorca. Pri tem smo uporabili različne višine spusta, in sicer 10
mm, 25 mm, 50 mm in 100 mm. Z vsake višine smo izvedli
po 6 udarcev na različnih mestih. Po udarcih smo poškodbe ocenili z ocenami od 1 do 5 (preglednica 1).
Določanje oprijema premaza metoda odtrgovanja pečatov (SIST EN ISO 4624: 2004): Na vsak vzorec smo na površino nalepili 8 pečatov premera 2 cm. Po utrditvi lepila (24
h) smo film okoli pečata zarezali vse do podlage in tako
razmejili obravnavano površino pečata od preostale. Tako
169
raziskave in razvoj
Preglednica 1. Ocenjevanje poškodb, nastalih pri določanju odpornosti površine proti hladnim tekočinam
in udarcu
pripravljene pečate smo nato s trgalno napravo Defelsko
PosiTest AT Adhesion Tester odtrgali od podlage in določili napetost, ki je bila za to potrebna. Poleg vrednosti
oprijema v MPa smo zabeležili še vrsto loma.
2.4. FT-IR spektroskopija
fazi utrjuje z oddajanjem vode in EG, čemur sledi kemijska
reakcija pri višjih T (Ugovšek in Šernek, 2012). Pri višjih T
in daljših t utrjevanja se je film povsem izsušil, kar se je
odrazilo na zmanjšanju sijaja. Pri 60 min utrjevanju (150
°C in 160 °C) je bilo na določenih delih na površini filma
mogoče opaziti nastanek sivih madežev.
FT-IR spektroskopija je bila uporabljena za ugotavljanje
kemijskih razlik med premazi, utrjenimi pri različnih pogojih. Za analizo je bil uporabljen FT-IR spektrometer Spectrum One (Perkin-Elmer Instruments). Za vsako meritev je
bilo opravljenih po 32 meritev. Spektri so bili posneti v
ATR tehniki s spektralno resolucijo 4 cm-1.
Odvisnost lastnosti površine od T in t utrjevanja se je izkazala tudi v primeru odpornosti površine proti udarcu
(preglednica 2). Do razpok v filmu je prihajalo predvsem v
primeru površin, utrjenih pri višji T in daljših t, površine pa
so se v teh primerih izkazale kot krhke. Pri nižjih T oz. krajših t utrjevanja je bilo mogoče opaziti sicer širše premere
3. Rezultati
3.1. Vpliv temperature in časa utrjevanja
na površinske lastnosti premazov
V okviru ugotavljanja površinskih lastnosti premazov je bil
proučevan vpliv T in t utrjevanja na sijaj površine, odpornost površine proti udarcu, hladnim tekočinam in razenju
ter vpliv na oprijem premaza.
Sijaj površine je bil v precejšnji meri odvisen tako od T kot
tudi od t utrjevanja (slika 1). Z višanjem T je sijaj postajal
manj intenziven, prav tako se je intenziteta sijaja manjšala
s podaljševanjem t utrjevanja. S povečevanjem obeh parametrov se je v utrjenem filmu nižala količina topila, ki
je sestavni del UL. Kot je bilo ugotovljeno, UL v primarni
170
Slika 1. Vpliv temperature in časa utrjevanja UL na
sijaj površine
64(2012) št. 5
udrtin, a zaradi večje prožnosti film ni razpokal.
Kljub nekoliko večji krhkosti nekaterih sistemov lahko
zaključimo, da je odpornost proti udarcu vseh sistemov
enaka ali celo boljša od odpornosti proti udarcu površinskih sistemov pohištva slovenskih proizvajalcev, ki so jo
leta 2003 ugotovili Pavlič in sodelavci.
Premazi, utrjeni pri daljših t utrjevanja so izkazali zadovoljivo odpornost proti hladnim tekočinam (preglednica 3).
Opaziti je mogoče, da so bile nižje T (120 °C) nezadostne
za doseganje učinkovite odpornosti površin proti hladnim tekočinam, slednje pa je še bolj izrazito pri krajših t
utrjevanja (15 min). To povezujemo z nezadostno utrjenostjo premazov, ki se je odražala v mehkejših in ponekod
lepljivih filmih.
Odpornost površine proti tekočini z oceno 4 se v praksi
šteje za še sprejemljivo. Iz rezultatov lahko tako vidimo,
da ima večina sistemov (razen sistemov 150/15 in 160/15)
zelo dobro odpornost proti acetonu, kar je primerljivo z
odpornostjo proti acetonu kvalitetnih UV utrjujočih pre-
mazov (Pavlič in sod., 2003). Le
dva sistema (140/60 in 160/30)
pa sta odporna tudi proti vodi
in alkoholu. Podobna slaba odpornost proti vodi in alkoholu
je bila ugotovljena tudi pri poliuretanskem premazu iz utekočinjenega lesa (Budija in sod.,
2009a).
Nezadostna ali prekomerna utrjenost filmov iz UL je bila
zelo očitna pri preizkusu odpornosti površine proti razenju (preglednica 4). Vsi sistemi so bili neodporni proti
razenju, saj so se poškodbe pojavile že pri sili 1 N. Kljub
temu pa je posebno pozornost potrebno posvetiti naravi
poškodb, saj nakazujejo na različne mehansko-fizikalne
lastnosti filma. Višje T (150 °C in 160 °C) ter krajši t (15 min)
utrjevanja so onemogočili enotno utrjenost po debelini filma, saj je bila površina filma utrjena, medtem ko je
ostala notranjost slabše utrjena in mehkejša. Slednje priča
o nezmožnosti oddajanja topila med utrjevanjem, ki je
ostalo ujeto v notranjosti filma, medtem ko je površina že
utrdila. Pri daljših t utrjevanja (60 min) je film sicer utrdil,
vendar je pri razenju hitro razpokal. Nizka T (120 °C) se je
kljub dolgemu t utrjevanja izkazala za nezadostno, saj je
bil film lepljiv in se je ob razenju raztrgal. Ker smo pri preskusu odpornosti površin proti razenju pri sistemih 150/15
in 160/15 ugotovili, da notranjost filma ni povsem utrjena,
kasneje na teh površinah nismo določali oprijema filma
na podlago, saj bi bilo to nesmiselno.
Preglednica 3. Vpliv temperature in časa utrjevanja UL na odpornost
površine proti hladnim tekočinam
Preglednica 4. Vpliv temperature in časa utrjevanja UL na odpornost
površine proti razenju
raziskave in razvoj
Preglednica 2. Vpliv temperature in časa utrjevanja UL na odpornost
površine proti udarcu
Preizkušanje oprijema premazov je izkazalo zanimiv fenomen, o katerem sta na področju lepljenja lesa z UL poročala
že Ugovšek in Šernek (2011). UL
zaradi svoje visoke reaktivnosti
in nizke vrednosti pH pri visokih T reagira s površino lesa, s
katero je v stiku. Pri tem pride
do degradacije površine v območju penetracije UL, kar se pri
lepljenju z UL odraža v visokih
deležih loma po lesu, kljub sorazmerno nizkim doseženim
strižnim trdnostim. Do podobnega efekta je prišlo tudi v primeru premazov iz UL.
Vrednosti oprijema, izražene v
MPa (slika 2), v večini primerov
prikazujejo trdnost sloja pod
furnirjem. Med utrjevanjem
premazov je namreč prišlo do
64(2012) št. 5
171
raziskave in razvoj
tem ko ima utrjevanje pri višjih T (160 °C) in najdaljših t (60
min) za posledico prekomerno utrjenost, nastanek grobe
površine zaradi prekomerne intenzitete odparevanja hlapnih komponent in pojav sivih madežev. Posledica krajših
t utrjevanja (15 min) in visokih T (150 °C in 160 °C) je bila
neutrjena notranjost filma. Optimalna izbrana T in t utrjevanja med primerjanimi kombinacijami bi bila 140 °C in
30 min, zaradi poteka utrjevanja UL pa bi bil priporočljiv
režim utrjevanje s postopnim višanjem T od začetne 120
°C do končne 150 °C.
3.2. Vpliv temperature in časa utrjevanja
UL na kemijske lastnosti premaza
Slika 2. Vpliv temperature in časa utrjevanja UL na
oprijem premaza
penetracije UL prek furnirja in do porušitve strukture lesa
le-tega. Degradacijo površine lesa v območju penetracije
UL med lepljenjem so z mikroskopskimi analizami dokazali
tudi Ugovšek in sodelavci (2012). Posledično je tako prišlo
do kohezijskega loma pod furnirjem, ki je bil izrazitejši
predvsem pri višjih T utrjevanja, kar nakazuje na višjo intenziteto in globino degradacije furnirja. Pri nižjih T in krajših t utrjevanja sta bila poleg kohezijskega loma prisotna
še adhezijski lom ter kombinacija kohezijskega in adhezijskega loma (slika 3). Pomembno je omeniti, da je tudi v
primeru adhezijskega loma prišlo do degradacije površine
furnirja, vendar pa je bilo pri lomu opaziti le poškodovana
vlakna furnirja. Manj intenzivna in manjša globina degradacije se je odrazila tudi na vrednostih oprijema, saj so se
le-te nižale tako z višanjem T kot daljšanjem t utrjevanja.
Na podlagi mehanskih preizkusov lastnosti površin, premazanih z UL, lahko ugotovimo, da tako T kot t utrjevanja bistveno vplivata na lastnosti površin. Utrjevanje pri
nižjih T (120 °C) in najkrajših časih (15 min) se je izkazalo
kot nezadostno za doseganje primerne utrjenosti, med-
Kemijske lastnosti premaza iz UL so bile okarakterizirane
na podlagi FT-IR nihajnih spektrov. Odvisnost utrjenih
premazov od t utrjevanja pri 150 °C je prikazana na sliki 4.
T utrjevanja 150 °C je bila izbrana zaradi obsega celotnega
časovnega področja utrjevanja (15 min, 30 min in 60 min),
izbrani spektri pa se niso bistveno razlikovali od spektrov
pri T 160 °C. Najopaznejše razlike, ki so posledica podaljševanja t utrjevanja, je opaziti pri naslednjih valovnih številih: padec intenzitete traku pri 3400 cm-1, ki ga pripisujemo raztezanju –OH skupin celuloze in lignina (Vázquez in
sod., 1997; Pandey in Pitman, 2003; Schwanninger in sod.,
2004); izostanek traku pri 2876 cm-1 (valenčno nihanje CH2
pri celulozi ali nihanje vezi C-H pri metilnih in metilenskih
skupinah lignina) (Vázquez in sod., 1997; Schwanninger in
sod., 2004; Merela in Oven, 2009); nastanek traku pri 2339
cm-1 je potencialno povezan z vezmi C=C=O ketenov
(Fanning in Vannice, 1993; de Celis in sod., 2009); zmanjšana intenzivnost in izostanek traku pri 1350 cm-1 povezanega z OH skupinami celuloze (Schwanninger in sod.,
2004); spremembe traku pri 1242 cm-1 (raztezanje vezi C-O
v ligninu in ksilanu) in 1053 cm-1 (raztezanje vezi C-O v celulozi in hemicelulozah) (Pandey in Pitman, 2003); izostanek traku pri 884 cm-1, ki ga pripisujemo glukomananom
(Fackler in sod., 2010).
Do zelo podobnih oziroma skoraj identičnih sprememb je prišlo pri ugotavljanju
vpliva T utrjevanja (slika 5). Tako pri podaljševanju t kot pri višanju T utrjevanja prihaja do cepljenja določenih vezi, ki v svoji
osnovi izvirajo bodisi iz celuloze, lignina,
hemiceluloz ali ostalih polisaharidov oziroma produktov njihove depolimerizacije
med utekočinjanjem. Slednje se odraža v
zmanjšani intenziteti ali izostanku trakov
pri valovnih dolžinah 3400 cm-1, 2867 cm1
, 1350 cm-1, 1242 cm-1, 1053 cm-1 in 884
Slika 3. Različne oblike loma pri trganju pečatov (1 kohezijski lom cm-1. Najzanimivejša sprememba, ki je bila
pod furnirjem; 2 kombiniran kohezijski in adhezijski lom; 3 adhe- opazna pri najdaljših t (60 min) oziroma
zijski lom)
najvišjih T utrjevanja (150 °C in 160 °C) je
172
64(2012) št. 5
Utekočinjen les z nizko vsebnostjo topila se
je izkazal kot uporabna alternativa za premaz
za les. Mehanski testi so izkazali velik vpliv
temperature in časa utrjevanja na lastnosti
površin. Ugotovljeno je bilo, da je temperatura 120 °C prenizka za zadostno utrditev
utekočinjenega lesa, medtem ko utrjevanje
pri 160 °C povzroči prekomerno utrjenost in
grobo površino. Prav tako se je čas utrjevanja
15 minut izkazal za neprimernega, po 60 minutnem utrjevanju pa so se na površini pojavili sivi madeži. Izmed proučevanih kombinacij se je kot optimalno izkazalo 30 minutno
utrjevanje pri 140 °C.
Slika 4. Vpliv časa utrjevanja na kemijske spremembe površine
premaza iz UL pri T 150 °C
raziskave in razvoj
4. Sklep
Kemijska analiza utrjenih premazov iz utekočinjenega lesa je prav tako izkazala odvisnost
od temperature in časa utrjevanja. Z višanjem
temperature in daljšanjem časa utrjevanja je
prihajalo do cepljenja določenih vezi, ki v
svoji osnovi izvirajo bodisi iz celuloze, lignina,
hemiceluloz ali ostalih polisaharidov, oziroma produktov njihove depolimerizacije med
utekočinjanjem lesa. Pri najvišjih temperaturah in 60 minutnem utrjevanju je najverjetneje prišlo do delne karbonizacije premaza,
na kar nakazujejo posneti FT-IR spektri.
Zahvala
Slika 5. Vpliv temperature utrjevanja na kemijske spremembe
površine premaza iz UL pri t 60 min
nastanek traku pri valovni dolžini 2339 cm-1. Pri visokih T
in zaradi izredno nizke vrednosti pH uporabljenega UL
(Ugovšek in Šernek, 2011) ter prisotnosti ŽK so omogočeni pogoji za karbonizacijo. Pri aktivnem temperaturnem
delovanju nad 120 °C bi namreč ŽK povzročila dehidracijo celuloze, pri čemer bi prišlo do reakcije Cn(H2O)m →
mH2O + nC (Kim in sod., 2001) oziroma karbonizacije. Trak
pri podobni valovni dolžini so pri izdelavi aktivnega oglja
iz lesnega prahu, obdelanega s fosforno kislino, zaznali de
Celis in sod. (2009), prav tako sta o traku v okolici 2300
cm-1 poročala Fanning in Vannice (1993). Karbonizacijo
spoja, formiranega med lepljenjem lesa z utekočinjenim
lesom, so zaznali tudi Ugovšek in sodelavci (2012).
64(2012) št. 5
Prispevek je nastal v okviru temeljnega raziskovalnega projekta J4-2177 »Razvoj okolju
prijaznih lepil iz obnovljivih rastlinskih polimerov« in aplikativnega raziskovalnega projekta
L4-2144 »Premazi iz utekočinjenega lesa« ter
raziskovalnega programa P4-0015 »Les in lignocelulozni kompoziti«, ki jih financira Javna
agencija za raziskovalno dejavnost RS.
Viri
1. Alma M.H., Shiraishi N. (1998) Preparation of polyurethane-like
foams from NaOH-catalyzed liquefied wood. European journal of
wood products, 56(4): 245-246
2. Budija F., Bradeško D., Kričej B., Tavzes Č., Sever Škapin A.,
Petrič, M. (2009a) Priprava in karakterizacija dvokomponentnega
poliuretanskega površinskega sistema na vodni osnovi iz utekočinjenega topolovega lesa. Les, 61(5): 274-281
3. Budija F., Tavzes Č., Zupančič-Kralj L., Petrič M. (2009b) Selfcrosslinking and film formation ability of liquefied black poplar.
Bioresource technology, 100: 3316-3323
4. de Celis J.P., Villaverde M.S., Cukierman A.L., Amadeo N.E.
(2009) Oxidative dehydrogenation of ethylbenzene to styrene on
activated carbons derived from a native wood as catalyst. Latin
American applied research, 39: 165-171
173
raziskave in razvoj
174
5. Doh G.H., Lee S.Y., Kang I.A., Kong Y.T. (2005) Thermal behavior
of liquefied wood polymer composites (LWPC). Composite structures, 68(1): 103-108
6. Fackler K., Stevanic J.S., Ters T., Hinterstoisser B., Scwanninger M., Salmén L. (2010) Localisation and characterisation of incipent brown-rot decay within spruce wood cell walls using FT-IR
imaging microscopy. Enzyme and microbial technology, 47:257267.
7. Fanning P.E., Vannice M.A. (1993) A drifts study of the formation
of surface groups on carbon by oxidation. Carbon, 31(5): 721-730
8. Kim D., Nishiyama Y., Wada M., Kuga S. (2001) High-yield carbonization of cellulose by sulfuric acid impregnation. Cellulose,
8:29-33.
9. Kobayashi M., Asano T., Kajiyama M., Tomita B. (2004) Analysis
on residue formation during wood liquefaction with polyhydric alcohol. Journal of wood science, 50: 407-414
10. Kobayashi M., Hatano Y., Tomita B. (2001) Viscoelastic Properties of Liquefied Wood/Epoxy Resin and its Bond Strength. Holzforschung, 55: 667–671
11. Kunaver M., Medved S., Čuk N., Jasiukaityte E., Poljanšek I.,
Strnad T. (2010) Application of liquefied wood as a new particle
board adhesive system. Bioresource technology, 101: 1361-1368
12. Kurimoto Y., Takeda M., Doi S., Tamura Y., Ono H. (2001) Network structures and thermal properties of polyurethane films prepared from liquefied wood. Bioresource technology, 77(1): 33-40
13. Ma X.J., Zhao G.J. (2010) Preparation of carbon fibers from liquefied wood. Wood science and technology, 44(1): 3-11
14. Merela M., Oven P. (2009) Spektroskopija FTIR mehansko poškodovanega lesa bukve in doba. Les, 61(5): 231-239
15. Pandey K.K., Pitman A.J. (2003) FTIR studies of the changes in
wood chemistry following decay by brown-rot and white-rot fungi. International biodeterioration & biodegradation, 52:151-160.
16. Pavlič M., Kričej B., Tomažič M., Petrič M. (2003) Kakovost površinskih sistemov pohištva slovenskih proizvajalcev. Les, 55(10):
322-327
17. Schwanninger M., Rodrigues J.C., Pereira H., Hinterstoisser
B. (2004) Effects of short-time vibratory ball milling on the shape
of FT-IR spectra of wood and cellulose. Vibrational spectroscopy,
36:23-40.
18. Šernek M., Kariž M., Budija F., Petrič M., Ugovšek A. (2010) The
strength and durability of novel adhesives using liquefied wood.
V: Ecowood: abstracts book. Porto: Universidale Fernando Pessoa,
2010, 25
19. SIST EN 12720. Pohištvo – Ocenjevanje odpornosti površine proti
hladnim tekočinam – Furniture – Assessment of surface resistance
to cold liquids. 2009: 15 str.
20. SIST EN ISO 1518. Barve in laki – Preskus z razenjem (ISO 1518:1992)
– Paints and varnishes – Scratch test (ISO 1518:1992). 2001: 10 str.
21. SIST EN ISO 2813. Barve in laki – Določevanje sijaja neefektnih
premaznih sredstev pod koti 20°, 60° in 85° (ISO 2813:1994, vključno
s tehničnim popravkom 1:1997) – Paints and varnishes – Determination of specular gloss of non metallic paint films at 20°, 60° and
85° (ISO 2813:1994, Including Technical Corrigendum 1:1997). 1999:
11 str.
22. SIST EN ISO 4624. Barve in laki – Merjenje oprijema z metodo odtrganja filma (Pull-off test) (ISO 4624:2002) – Paints and varnishes
– Pull-off test for adhesion (ISO 4624:2002), 2004: 14 str.
23. SIST ISO 4211-4. Furniture – Test for surfaces – Part 4: Assessment
of resistance to impact. 1995: 7 str.
24. Ugovšek A., Kariž M., Šernek M. (2010) Bonding of beech wood
with an adhesive mixture made of liquefied wood and phenolic resin, V: Németh R. and Teischinger A. (ur), Proceedings of the
»Hardwood Science and Technology« - The 4th conference on har-
dwood research and utilisation in Europe. Sopron, Hungary, 17-18
May 2010, 64-68
25. Ugovšek A., Šernek M. (2011) Vpliv vrednosti pH utekočinjenega
lesa na trdnost in trajnost zlepljenih spojev. Les, 63(5): 232-237
26. Ugovšek A., Šernek M. (2012) Characterisation of the curing of
liquefied wood by rheometry, DEA and DSC. Poslano v objavo
27. Ugovšek A., Sever Škapin A., Humar M., Šernek M. (2012)
Microscopic analysis of the wood bond line using liquefied wood
as adhesive. Poslano v objavo.
28. Ugovšek A., Budija F., Kariž M., Šernek M. (2011) The influence
of solvent content in liquefied wood and of the addition of condensed tannin on bonding quality. Drvna industrija, 62(2): 87-95
29. Vázquez B., Antorrena G., González J., Freire S. (1997) FTIR, 1H
and 13C NMR characterization of acetosolv-solubilized pine and
eucalyptus lignins. Holzforschung, 51:158-166.
30. Wei Y., Cheng F., Li H., Yu J. (2004) Synthesis and properties of
polyurethane resins based on liquefied wood. Journal of applied
polymer science, 92: 351–356
31. Yamada T., Ono H. (1999) Rapid liquefaction of lignocellulosic
waste by using ethylene carbonate. Bioresource technology, 70:
61-67
32. Yao Y.G., Yoshioka M., Shiraishi N. (1995) Rigid polyurethane
foams from combined liquefaction mixtures of wood and starch.
Mokuzai Gakkaishi, 41(7): 659-668
64(2012) št. 5
UDK 630*829.11
Bleaching of liquefied wood
by oxidation with manganese
sulphate/sodium bicarbonate
activated hydrogen peroxide
raziskave in razvoj
Arnaud Maxime Cheumani Yona*, Pavli Pori**, Borut Kričej***,
Andreja Kutnar*,****, Franc Budija*, Črtomir Tavzes*, Marko Petrič*** Beljenje utekočinjenega lesa z vodikovim peroksidom, aktiviranim
z manganovim sulfatom in natrijevim hidrogen karbonatom
Izvleček: Oksidacija oz. razbarvanje utekočinjenega lesa sta bila izvedena z oksidativnim sistemom manganov sulfat/
natrijev hidrogen karbonat/vodikov peroksid. Spremembe barve utekočinjenega lesa smo merili s spektrofotometrom, spremembe sestave pa smo ocenili z določitvijo hidroksilnega in kislinskega števila in z FT-IR spektroskopijo. Ugotovili smo, da
lahko barvo utekočinjenega lesa spremenimo iz temno rjave v oranžno, rumeno in svetlo rumeno, z večanjem količine
uporabljenega vodikovega peroksida. Na primer, barvna sprememba v velikosti ΔE* = 41 je bila dosežena že pri uporabi 20
% vodikovega peroksida glede na maso utekočinjenega lesa. Pri količinah dodanega vodikovega peroksida (do 80 % glede
na maso utekočinjenega lesa) so se pojavile le manjše spremembe sestave utekočinjenega lesa. Zato menimo, da je možno
pripraviti dovolj svetel utekočinjen les, ki je primeren za izdelavo prosojnih premazov za les.
Ključne besede: utekočinjen les, beljenje/razbarvanje, natrijev hidrogen karbonat, manganov sulfat, vodikov peroksid
* Institute of Wood Science and Technology, and Sustainable Development, Celovška
cesta 268, SI-1000 Ljubljana, Slovenia, e-mail: [email protected]
**Chemcolor Sevnica d.o.o., Dolnje Brezovo 35, SI-8290 Sevnica, Slovenia
*** University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Wood Science and
Technology, Jamnikarjeva 101, SI-1000 Ljubljana, Slovenia
**** University of Primorska, Andrej Marušič Institute, Muzejski trg 2, SI-6000 Koper,
Slovenia
64(2012) št. 5
1. Introduction
Biomass is seen as a promising alternative to fossil resources for the production of fuels, chemicals and materials.
Liquefaction of lignocellulosic materials by solvolysis at
moderate conditions (120 °C - 250 °C, atmospheric pressure) and the use of liquefied products in the synthesis of
Originalni znanstveni članek (orignal scientific paper)
Abstract: Oxidation/discolouration of liquefied wood was achieved by using a manganese sulphate/sodium bicarbonate/
hydrogen peroxide oxidant system. Colour changes of liquefied wood were measured with a spectrophotometer, and the
structural changes were assessed by the determination of hydroxyl number, acid value and FT-IR. It was found out that
the colour of liquefied wood can be changed from dark-brown to orange, yellow and light yellow with the increase of the
quantity of hydrogen peroxide applied. A value of ΔE* = 41 was for example measured after application of only 20 % of
hydrogen peroxide (based on liquefied wood mass). Only minor structural changes of liquefied wood were observed in the
range of hydrogen peroxide applied (up to 80 % based on liquefied wood mass). So, it is possible to produce biomaterials
from liquefied wood with sufficient light colour for applications in domains with high aesthetic requirements such as in the
coatings industry.
Key words: liquefied wood, bleaching/discolouration, sodium bicarbonate, manganese sulphate, hydrogen peroxide
175
raziskave in razvoj
polymers have been intensively investigated in recent years. Wood, bark, agricultural waste or other lignocellulosicbased waste materials have been liquefied using different
kinds of solvents such as phenol (Lin et al., 1997), cyclic
carbonates (Yamada et al., 1999; Xie and Chen, 2005) and
polyhydric alcohol (Budija et al., 2009). Liquefied products
obtained can be used as a part of phenol-formaldehyde
(PF), melamine-formaldehyde (MF) and melamine-ureaformaldehyde (MUF) resins (Kunaver at al., 2010), blending
material in epoxy resins (Asano et al., 2007; Kobayashi et
al., 2000; Wu and Lee, 2011). Liquefied products can also
be used as raw materials in preparation of epoxy resins
or polyurethanes via reactions of their hydroxyl groups
with epichlorohydrin (Kishi et al., 2006, Kishi et al., 2010)
or diisocyanates (Kurimoto et al., 2004). As at biorefineries in general, several technological barriers have still to
be overcome before liquefied lignocellulosic products
meet the requirements of the market as a raw material for
polymer synthesis. One of them is their colour. Liquefied
products have a dark-brown or almost black colour.
We showed in a recent work that liquefied lignocellulosic
products can be significantly lightened by oxidation with
some activated hydrogen peroxide systems. Activators
such as potassium carbonate and CuCl2/pyridine were successfully applied. Herein, we investigated a new activation system based on manganese sulphate and sodium bicarbonate. It has been reported that manganese-(II) salts,
for example manganese sulphate, can catalyse epoxidation of various alkenes using 30 % hydrogen peroxide as
the terminal oxidant and in the presence of sodium bicarbonate (Lane and Burgess, 2001, Lane et al., 2002; Yao and
Richardson, 2000). The elimination of insaturation (carbon-carbon double bonds) in liquefied products can in
principle induce the lightening of the material by reduction of conjugation of those groups with carbonyls, and
the introduction of epoxide groups in liquefied wood
can increase their compatibility as a blending material for
epoxy resins, for example. Oxidation of liquefied wood by
manganese sulphate/sodium bicarbonate activated hydrogen peroxide was studied with a spectrophotometer
(“colorimeter”) using CIELAB colour system, by chemical
analysis (hydroxyl and acid numbers), and by FT-IR.
2. Materials and Methods
2.1. Materials
Black Poplar (Populus nigra L.) was used for the preparation of liquefied wood. Sawdust (< 0.5 mm sieves) was
oven-dried at 105 °C for 24 h and used for liquefaction reaction. All chemicals were reagent grade, and were used
without further purification.
176
2.2 Preparation of liquefied wood
Liquefaction of wood was performed in a four neck round bottom 2 L reactor equipped with a condenser and
a mechanical stirrer. Wood sawdust (100 g), glycerol (300
g), sulphuric acid (9 g) were pre-mixed at room temperature, and placed in an oil bath preheated at 180 °C (the
reaction temperature). Reaction time was set at 2 h. At
the end of the reaction, the liquefied product was cooled
down and diluted with 1,4-dioxane/water (4/1, v/v). The
mixture was filtered under reduced pressure through a
filter disk (Sartorius filter disks 388 grade/12 μm - 15 μm
particles retention). Liquefaction yield determined by the
measurement of a solid residue in 1,4-dioxane/water (4/1,
v/v) was almost 100 %.
2.3. Oxidation/decolourisation of
liquefied wood
In a 300 mL Erlen-meyer flask, the liquefied product (5 g)
was diluted with 1,4-dioxane/water mixture (8:2, v/v) (15
g). The pH of the solution was adjusted to 6.6 with a 40
% aqueous sodium hydroxide solution. Solid sodium bicarbonate (0.75 g) and solid manganese sulphate (0.1 g)
were added. Heterogeneous mixtures were obtained due
to the partial solubility of the salts in dioxane/water binary
solvents. Hydrogen peroxide (different quantity) diluted
three time in 1,4-dioxane/water solution was dropwise
added to the reaction mixture. The Erlen-meyer flask was
closed with a paraffin film, and kept at 25 °C in a ventilated
oven for 24 h. Oxidized liquefied wood mixtures were filtered under reduced pressure through a filter disk (Sartorius
filter disks 388 grade/12 μm - 15 μm particles retention)
to remove the residual salts. The pH of the filtrate was adjusted to slightly acid value (pH 6.7-6.8) for crystallisation
of salts. The mixture was filtrated, and the solvents were
evaporated under reduced pressure at 80 °C. The oxidized
liquefied products were diluted again in a new mixture of
1,4-dioxane/water (8:2) (about 50 g) for further removal of
salts, filtered and the solvents evaporated. The quantities
of reactants used in this section were fixed according to
previous work (not shown in this paper).
2.4. Determination of hydroxyl and acid
numbers
Acid and hydroxyl numbers of initial and oxidized liquefied wood were determined according to standard procedures described in the literature (Kunaver et al., 2010).
2.5. Colour Measurements
Lightness L* and chromatic coordinates a* and b* of the
CIELAB colour system were measured with a spectrophotometer (colorimeter) X-rite SP 62 Series-Optronik using
64(2012) št. 5
Table 1. Manganese sulphate/sodium bicarbonate
activated hydrogen peroxide oxidation of liquefied
wood: CIELAB parameters as a function of the quantity of hydrogen peroxide applied
samples
L*
a*
b*
ΔE*
2.6. FTIR Measurements
LW
23.59
0.13
0.06
0.00
FT-IR analyses were performed with a Perkin-Elmer Spectrum One FT-IR Spectrometer using ATR technique (HATR
ZnSe 45 deg. flat-plate). All the spectra were recorded at
a 4 cm-1 resolution, and were the averages of 40 scans.
OLW-20%
42.65
19.55
30.75
41.00
OLW-40%
57.89
6.51
48.81
59.95
OLW-60%
61.21
-1.13
44.26
58.05
OLW-80%
67.14
-7.56
37.02
57.63
3. Results and Discussion
3.1. Colour changes of liquefied wood
raziskave in razvoj
a light source type D65. Liquid samples were placed between two glass plates. The thickness of films between
the glass plates was 140 μm. The color changes of the
sample ΔE* were calculated according to the Equation:
ΔE*= [(ΔL*)2 + (Δa*)2 + (Δb*)2]1/2.
LW: liquefied wood; OLW-20 %: liquefied wood oxidized with
20 % of H2O2; OLW-40 %: liquefied wood oxidized with 40 %
of H2O2; OLW-60%: liquefied wood oxidized with 60 % of H2O2;
OLW-80 %: liquefied wood oxidized with 80 % of H2O2; ΔE*: colour difference between un-oxidized liquefied wood (original)
liquefied wood and the oxidized liquefied wood.
Liquefied wood samples were oxidized-decolourized
with hydrogen peroxide in the presence of manganese sulphate and sodium bicarbonate used as activators.
Increasing quantities of hydrogen peroxide (H2O2) were 3.2 FT-IR Analysis
applied, 20 % to 80 % (based on liquefied wood mass). FT-IR spectra of oxidized liquefied wood were recorded
Colour change of liquefied wood was measured with and compared with original liquefied wood (Fig. 2).
a colorimeter using CIELAB Colour system. The CIELAB
parameters as a function of the quantity of
hydrogen applied are shown in Table 1. In CIELAB colour system, L* represents the brightness of the sample, it varies from zero (black)
to 100 (white), a* represents the green (- a*)
– red (+ a*) axis and b* the blue (– b*) - yellow
(+ b*) axis. All these parameters were significantly changed by oxidation reactions. The
brightness L* of liquefied wood increased
continuously with the quantity of hydrogen
peroxide applied. As shown by the coordinates a* and b* and Fig. 1, the colour of liquefied wood was changed from dark to orange
(mixture of red and yellow), and to yellow as
the quantity of hydrogen peroxide applied
increased. A considerable colour change was Fig. 2. FT-IR spectra of (a) original liquefied wood (LW), (b)
obtained (ΔE*= 41) with only 20 % of hydro- liquefied wood oxidized with 20 % H O (OLW-20 %), (c) lique2 2
gen peroxide.
fied wood oxidized with 40 % H2O2 (OLW-40 %) and (d) liquefied
wood oxidized with 80 % H2O2 (OLW-80 %).
Fig. 1. Colour change of liquefied wood during manganese sulphate/sodium bicarbonate activated hydrogen peroxide oxidation as a function of the quantity of hydrogen peroxide applied
64(2012) št. 5
177
raziskave in razvoj
FT-IR analysis showed only small changes in the spectra,
suggesting the chemical structure of liquefied wood was
not significantly modified by the oxidation reactions. The
new band observed at 1604 cm-1 in oxidized liquefied
wood can be assigned to absorption vibrations of carbonyl
(C=O) in carboxylate (COO-) groups. An increase of the relative intensity of carbonyl vibrations bands, 1714 cm-1 for
carbonyl in carboxylic acid groups or conjugated ketones
and 1604 cm-1 for carbonyls in carboxylate groups, was generally observed after oxidation, specially when the quantity of hydrogen peroxide applied was high (see spectra
OLW-80 %). Residual sodium bicarbonate salt in oxidized
liquefied wood can also contribute to the increase of the
intensity of the bands at 1604 cm-1. It was not possible to
observe by FT-IR the formation of epoxy groups because
of the absorption of original liquefied wood in the region
of oxirane group, 915 cm-1 and 870 cm-1 (Evtushenko et al.,
2003). Further analyses are in progress to elucidate the mechanism of the oxidation/discolouration process.
4.4 Hydroxyl and acid numbers
Hydroxyl and acid numbers of original liquefied wood
and oxidized liquefied wood are shown in Table 2.
Table 2. Hydroxyl and acid numbers of liquefied
wood prior to and after oxidation with manganese
sulphate/sodium bicarbonate activated hydrogen
peroxide.
Sample
Hydroxyl number
(mg KOH/g)
Acid number
(mg KOH/g)
LW
868
26.8
OLW-20 %
692
7.9
OLW-40 %
710
8.3
OLW-60 %
785
17.9
OLW-80 %
765
30.8
Oxidation reactions generally induced a decrease of the
hydroxyl number of liquefied wood and an increase of
the acid number. The acid number of original liquefied
is mainly due to residual sulphuric acid used as a catalyst
for liquefaction reaction. So, liquefied wood products can
be significantly lightened without drastical changes of its
hydroxyl and acid numbers.
4. Conclusions
The results clearly showed that manganese sulphate/
sodium bicarbonate activated hydrogen can be used to
lighten liquefied wood without significant changes of its
main characteristics. The colour of liquefied can be changed for dark-brown to orange and then to light yellow,
178
depending on the quantity of hydrogen peroxide applied. So, bio-materials with a colour that can be further
modified with dyes and colorants can be produced from
liquefied lignocellulosic materials, by using a two-step
process, liquefaction reaction and oxidation with activated hydrogen peroxide.
Acknowledgements
The authors acknowledge financial support of the Slovenian Research Agency (the project L4-2144 and the
programme P4-0015), and the Slovene Human Resources
Development and Scholarship Fund (the grant No 110136/2011-4).
References
1. Asano, T., Kobayashi, M., Tomita, B., Kajiyama, M. (2007) Synthesis and properties of liquefied products of ozone treated wood/
epoxy resins having high wood contents. Holzforschung 61, 14-18.
2. Budija, F., Tavzes, C., Zupancic-Kralj, L., Petric, M. (2009) Selfcrosslinking and film formation ability of liquefied black poplar.
Bioresour. Technol. 100, 3316-3323.
3. Evtushenko, Y.M., Ivanov, V.M., Zaitsev, B.E. (2003) Determination of epoxides and hydroxyl groups in epoxides resins by IR
spectrometry. J. Anal. Chem. 58, 347-350.
4. Kishi, H., Fujita, A., Miyazaki, H., Matsuda, S. (2006) Synthesis
of wood-based epoxy resins and their mechanical and adhesive
properties. J. Appl Polym Sci. 102, 2285-2292.
5. Kishi, H., Akamatsu, Y., Noguchi, M., Fujita, A., Matsuda, S.,
Nishida, H. (2010) Synthesis of epoxy resins from alcohol-liquefied wood and the mechanical properties of the cured resins. J.
Appl. Polym. Sci. 120, 745-751.
6. Kobayashi, M., Hatano, Y., Tomita, B. (2000) Application of
liquefied wood to a new resin system synthesis and properties of
liquefied wood/epoxy resins. Holforchung 54, 2285-2292.
7. Kunaver, M., Medved, S., Cuk, N., Jasiukaityte, E., Poljansek,
I., Strnad, T. (2010) Application of liquefied wood as a new particle board adhesive system. Bioresour. Technol. 101, 1361-1368.
8. Kurimoto, Y. Koizumi, A., Yamauchi, S., Doi, S., Tamura, Y.
(2000) Mechanical properties of polyurethane films prepared from
liquefied wood with polymeric MDI. Bioresourc. Technol. 74, 151-157.
9. Lane, B.S., Burgess, K. (2001) A cheap, catalytic, scalable, and
environmentally begnin method for alkene epoxidations. J. Am.
Chem. Soc 123, 2933-2934.
10. Lane, B.S., Vogt, M., DeRose, V.J., Burgess, K. (2002) Manganese-catalyzed epoxidations of alkenes in bicarbonate solutions. J.
Am. Chem. Soc. 124, 11949-11954.
11. Lin, L., Yao, Y., Yoshioka, M., Shiraishi, N. (1997) Molecular weights and molecular weight distributions of liquefied wood obtained by acid catalysed phenolysis. J. Appl. Polym. Sci. 64, 351-357.
12. Wu, C.-C., Lee, W.-J. (2011) Curing behaviour and adhesion properties of epoxy resin blended with polyhydric alcohol-liquefied
Cryptomeria japonica wood. Wood sci. Technol. 45, 559-571.
13. Xie, T., Chen, F. (2005) Fast liquefaction of bagasse in ethylene
carbonate and preparation of epoxy resin from the liquefied product. J. APPl. Polym. Sci. 98, 1961-1968.
14. Yamada, T., Ono, H. (1999) Rapid liquefaction of lignocellulosic
waste by using ethylene carbonate. bioresour. Technol. 70, 61-67.
15. Yao, H., Richardson, D.E. (2000) Epoxidation of alkenes with bicarbonate-activated hydrogen peroxide. J. Am. Chem. Soc. 122, 3220-3221.
64(2012) št. 5
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
64(2012) št. 5
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.
raziskave in razvoj
NAVODILA AVTORJEM
za pripravo prispevkov
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.
179
Namenite 0,5 % dohodnine
za donacijo Zvezi lesarjev Slovenije
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/
Čar lesa 2012
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 2012.
Vnaprej se vam najlepše zahvaljujemo za izkazano
podporo.
arhiv revije Les od leta
1997 do 2008 je v
elektronski obliki dostopen
na spletni strani
http://www.dlib.si/
180
Letos si že četrto leto zapored lahko ogledate prireditev Čar lesa. V Cankarjevem domu je na ogled od
14. do 20. maja, v Mestni hiši v Ljubljani pa od 22.
maja do 8. junija.
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/
64(2012) št. 5