Mechanical stability of Fagus sylvatica L. in the conditions of the south of the East European Plain: the theory of loss of stability

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper considers the issues of ecological and biological features of the growth of the European beech in the territory of the steppe zone of Donbass in the conditions of the south of the East European plain. Taking into account the changing climate over the past 10 years, the issues of resistance of introduced species to temperature changes, the effects of snow and ice storms occurring within the seasons are becoming relevant. It was found that the greatest damage, from an ecological point of view, the plant experiences with sudden changes in weather conditions within the season (cyclic processes of freezing/thawing) and uneven heating of wood tissues during thawing, which locally reduces their physico-mechanical properties. As a result, the trunk or skeletal branches lose the property of relative uniformity. The uneven rate of change in mechanical properties leads to a loss of rigidity and increased stress, the upper part of the trunk becomes an additional glaciated mass, while the load on the thawed area approaches critical. The described effects are explained by the state of water in the vessels of woody plants. Thus, in the freezing/thawing cycle (seasonal phenomena), the phase state of free water and, as a result, its physical properties change. When passing through 0°C, ice melts in portions, which over time leads to an uneven decrease in the modulus of elasticity of the wood. As a result, the physical and mechanical properties of wood differ in different parts of the volume and change rapidly during the transitions of water from the solid phase to the liquid phase. The environmental consequences of this phenomenon are irreversible deformations of plant organs, a change in the architectonics of the crown and the angle of inclination of the trunk, in extreme cases, a fragment of the trunk and skeletal branches.

About the authors

Vladimir Olegovich Kornienko

Donetsk State University

Author for correspondence.
Email: kornienkovo@mail.ru

Candidate of Biological Sciences, Head of the Research Department, Associate Professor of the Biophysics Department

Russian Federation, Donetsk

Andrey Stepanovich Yaitsky

Samara State University of Social Sciences and Education

Email: yaitsky@sgspu.ru

Senior Lecturer of the Biology, Ecology and Methods of Teaching Department

Russian Federation, Samara

References

  1. Rowe N., Speck T. Plant growth forms: an ecological and evolutionary perspective // New Phytologist. 2005. Vol. 166, iss. 1. P. 61–72. doi: 10.1111/j.1469-8137.2004.01309.x.
  2. Fournier M., Dlouhá J., Jaouen G., Almeras T. Integrative biomechanics for tree ecology: beyond wood density and strength // Journal of Experimental Botany. 2013. Vol. 64, iss. 15. P. 4793–4815. doi: 10.1093/jxb/ert279.
  3. Корниенко В.О. Влияние экологических факторов на физико-механические свойства, морфометрию и аллометрию древесных растений урбоэкосистем (на примере города Донецка): дис. … канд. биол. наук: 1.5.15. Ростов-на-Дону, 2022. 166 с.
  4. Корниенко В.О. Биомеханика ствола Robinia pseudoacacia L. в онтогенезе // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2017. № 4. С. 48–50.
  5. Tateno M. Increase in lodging safety factor on thigmomorphogenetically dwarfed shoots of mulberry tree // Physiologia Plantarum. 1991. Vol. 81, iss. 2. P. 239–243. doi: 10.1111/j.1399-3054.1991.tb02136.x.
  6. Niklas K.J. Maximum plant height and the biophysical factors that limit it // Tree Physiology. 2007. Vol. 27, iss. 3. P. 433–440. doi: 10.1093/treephys/27.3.433.
  7. Banin L., Feldpausch T.R., Phillips O.L., Baker T.R., Lloyd J., Affum-Baffoe K., Arets E.J.M.M., Berry N.J., Bradford M., Brienen R.J.W., Davies S., Drescher M., Higuchi N., Hilbert D.W., Hladik A., Iida Y., Abu Salim K., Kassim A.R., King D.A., Lopez-Gonzalez G., Metcalfe D., Nilus R., Peh K.S.-H., Reitsma J.M., Sonké B., Taedoumg H., Tan S., White L., Wöll H., Lewis S.L. What controls tropical forest architecture? Testing environmental, structural and floristic drivers // Global Ecology and Biogeography. 2012. Vol. 21, iss. 12. P. 1179–1190. doi: 10.1111/j.1466-8238.2012.00778.x.
  8. Watt M.S., Moore J.R., Facon J.P., Downes G.M., Clinton P.W., Coker G.W.R., Davis M.R., Simcock R., Parfitt R.L., Dando J., Mason E., Bown H. Modelling environmental variation in Young’s modulus for Pinus radiata and implications for determination of critical buckling height // Annals of Botany. 2006. Vol. 98, iss. 4. P. 765–775. doi: 10.1093/aob/mcl161.
  9. Lachenbruch B., Moore J.R., Evans R. Radial variation in wood structure and function in woody plants, and hypotheses for its occurrence // Size- age-related changes in tree structure function. 2011. Vol. 4. P. 121–164. doi: 10.1007/978-94-007-1242-3_5.
  10. Zhang S.-B., Slik J.W.F., Zhang J.-L., Cao K.-F. Spatial patterns of wood traits in China are controlled by phylogeny and the environment // Global Ecology and Biogeography. 2011. Vol. 20, iss. 2. P. 241–250. doi: 10.1111/j.1466-8238.2010.00582.x.
  11. Корниенко В.О., Калаев В.Н., Елизаров А.О. Влияние температуры на биомеханические свойства древесных растений в условиях закрытого и открытого грунта // Сибирский лесной журнал. 2018. № 6. С. 91–102. doi: 10.15372/sjfs20180608.
  12. Корниенко В.О., Калаев В.Н. Механическая устойчивость можжевельника виргинского в условиях степной зоны Восточно-Европейской равнины // Лесоведение. 2024. № 1. С. 70–78. doi: 10.31857/s0024114824010084.
  13. Корниенко В.О., Калаев В.Н. Жизнеспособность дуба черешчатого в условиях города Донецка // Сибирский лесной журнал. 2024. № 4. С. 95–106. doi: 10.15372/sjfs20240409.
  14. Остапко В.М., Шпилевая Н.В. Формирование натурной модели плакорной дубравы в Донецком ботаническом саду НАН Украины // Промышленная ботаника. 2008. № 8. С. 133–140.
  15. Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. 1989. № 4. С. 51–57.
  16. Niklas K.J., Spatz H.-C. Worldwide correlations of mechanical properties and green wood density // American Journal of Botany. 2010. Vol. 97, iss. 10. P. 1587–1594. doi: 10.3732/ajb.1000150.
  17. Niklas K.J. Tree biomechanics with special reference to tropical trees // Tropical Tree Physiology. 2016. Vol. 6. P. 413–435. doi: 10.1007/978-3-319-27422-5_19.
  18. Зиньковская И.И., Сафонов А.И., Юшин Н.С., Неспирный В.Н., Гермонова Е.А. Ингредиентный фитомониторинг в Донбассе для идентификации новых геохимических аномалий // Экологическая химия. 2024. Т. 33, № 1. С. 19–32.
  19. Гермонова Е.А., Сафонов А.И. Детализация результатов фитомониторинга полемостресса в Донбассе с использованием ГИС-технологий // Проблемы экологии и охраны природы техногенного региона. 2024. № 1. С. 8–14.
  20. Сафонов А.И., Алемасова А.С., Зиньковская И.И., Вергель К.Н., Юшин Н.С., Кравцова А.В., Чалигава О. Морфогенетические аномалии бриобионтов в условиях геохимически контрастной среды Донбасса // Геохимия. 2023. Т. 68, № 10. С. 1032–1044. doi: 10.31857/s0016752523100114.
  21. Корниенко В.О., Калаев В.Н. Влияние природно-климатических факторов на механическую устойчивость и аварийность деревьев березы повислой в г. Донецке // Лесоведение. 2022. № 3. С. 321–334.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1 - Objects of research on the territory of the arboretum of Donetsk Botanical Garden

Download (760KB)
3. Figure 2 - Example of overgrown frost boles on trunks of European beech growing in the conditions of the steppe zone of Donbass (photo by V.O. Kornienko, 2024)

Download (805KB)
4. Figure 3 - Dependence of relative bending resistance RRB on trunk diameter (A) and diameter to trunk length ratio (B)

Download (207KB)
5. Figure 4 - Dependence of critical mass (mcr) on barrel diameter

Download (137KB)
6. Figure 5 - Dependence of bending resistance EI on the ratio of diameter to barrel length

Download (155KB)
7. Figure 6 - European beech: melt water flow along the trunk in the area of natural heating from sunlight (from field research materials of V.O. Kornienko, 2023)

Download (845KB)
8. Figure 7 - European beech with horizontal cracks of normal detachment (A), also shear cracks leading to multiple spalling (B) (from photographic materials of field research by V.O. Kornienko, 2023)

Download (789KB)
9. Figure 8 - Stress areas and multiple ice cracks at the bending point during further heating of the trunk by solar rays (from photographic materials of field studies by V.O. Kornienko, 2023)

Download (744KB)
10. Figure 9 - Change of crown architectonics in the area of non-uniform solar heating of skeletal branches (photo by V.O. Kornienko, 2023)

Download (1011KB)
11. Figure 10 - Fracture of European beech trunk in the area of inhomogeneous heating by solar rays with violation of tissue structure homogeneity (photo by V.O. Kornienko, 2023)

Download (855KB)

Copyright (c) 2024 Kornienko V.O., Yaitsky A.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».