Mechanical stability of Virginian juniper trees in steppe zone of the eastern-european plain

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper establishes a relationship between the temperature factor, a physico-mechanical parameter — the modulus of elasticity of the Virginian juniper (Juniperus virginiana L.) wood tissues and its crown architectonics. Thus, with high positive temperatures in summer, a decrease in the elastic modulus leads to slow bending of the skeletal branches, which, in turn, affects the crown projection area, as well as its light permeability and, as a result, the temperature and humidity under the canopy. First of all, the temperature will affect the mechanical stability of trees, which is characterised by a critical ratio of the trunk diameter to its length (coefficient d/l ≤ 0.009) and the lowest range of the trunk’s resilience. The article developed a scheme for the mechanical stability of the Virginian juniper — due to the appearance of gaps and, in general, changes in the architectonics of the crown, uneven heating of the trunk occurs, which leads to a disruption of its uniformity in terms of the physico-mechanical properties of tissues. Irreversible deformations and numerous trunk breakages were revealed at an average height of 1.5 ± 0.5 m and in the root collar zone. As a result, the light regime of the forest stand is disturbed, which affects the phytoclimatic and bioecological features of the forest steppe plantations. A change in the phytoclimate under the canopy towards increased illumination due to a change in architectonics leads to a decrease in stability and, as a result, the inability of woody plants to resist the pressure of aggressive herbaceous and tree-shrub vegetation.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. O. Kornienko

Donetsk State University

Author for correspondence.
Email: kornienkovo@mail.ru
Russian Federation, Universitetskaya st., 24, Donetsk, 83001

V. N. Kalaev

Voronezh State University

Email: kornienkovo@mail.ru
Russian Federation, Universitetskaya sq. 1, Voronezh, 394018

References

  1. Alekseev V.A., Diagnostika zhiznennogo sostoyaniya derev’ev i drevostoev (Diagnostics of vitality of trees and stands), Lesovedenie, 1989, No. 4, pp. 51–57.
  2. Bel’gard A.L., Stepnoe lesovedenie (Steppe forestry), Moscow: Lesnaya promyshlennost’, 1971, 336 p.
  3. Dahle G.A., Grabosky J.C., Variation in modulus of elasticity (E) along Acer platanoides L. (Aceraceae) branches, Urban Forestry & Urban Greening, 2010, Vol. 9, pp. 227–233.
  4. Dahle G.A., James K.R., Kane B., Grabosky J.C., Detter A., A review of factors that affect the static loadbearing capacity of urban trees, Arboriculture & Urban Forestry, 2017, Vol. 43, No. 3, pp. 89–106.
  5. Ivan’ko I.A., Ekologicheskaya rol’ svetovoi struktury v formirovanii lesnykh kul’turbiogeotsenozov v stepi (sredopreobrazovanie, sil’vatizatsiya, ustoichivost’). Diss. kand. biol. nauk (The ecological role of light structure in the formation of forest cultures of biogeocenoses in the steppe (environment transformation, sylvatization, stability). Candidate’s biol. sci. thesis), Dnepropetrovsk: Dnepropetrov. nats. un-t, 2002, 239 p.
  6. James K.R., Dahle G.A., Grabosky J., Kane B., Detter A., Tree biomechanics literature review: dynamics, Arboriculture & Urban Forestry, 2014, Vol. 40, No. 1, pp. 1–15.
  7. James K.R., Haritos N., Ades P.K., Mechanical stability of trees under dynamic loads, American Journal of Botany, 2006, Vol. 93, No. 10, pp. 1522–1530.
  8. Jelonek T., Tomczak A., Karaszewski Z., Jakubowski M., Arasimowicz-Jelonek M., Grzywiński W., Kopaczyk J., Klimek K., The biomechanical formation of trees, Drewno, 2019, Vol. 62, No. 204, pp. 5–22.
  9. Kornienko V.O., Kalaev V.N., Ekologicheskoe znachenie biomekhanicheskikh svoistv drevesnykh rastenii na primere Juniperus virginiana L. (The ecological significance of the biomechanical properties of woody plants on the example of Juniperus virginiana L.), Vestnik VGU. Seriya: Khimiya. Biologiya. Farmatsiya, 2018, No. 1, pp. 97–103.
  10. Kornienko V.O., Kalaev V.N., Elizarov A.O., Vliyanie temperatury na biomekhanicheskie svoistva drevesnykh rastenii v usloviyakh zakrytogo i otkrytogo grunta (The influence of temperature on biomechanical properties of woody plants in the conditions of protected and open grounds), Sibirskii lesnoi zhurnal, 2018, No. 6, pp. 91–102.
  11. Kornienko V.O., Kalaev V.N., Vliyanie prirodno-klimaticheskikh faktorov na mekhanicheskuyu ustoichivost’ i avariinost’ derev’ev berezy povisloi v g. Donetske (The impact of natural climatic factors on a mechanical stablility and accident proneness of the silver birch trees in Donetsk city), Lesovedenie, 2022, No. 3, pp. 321–334.
  12. Kozlovskii B.L., Ogorodnikova T.K., Kuropyatnikov M.V., Fedorinova O.I., Assortiment drevesnykh rastenii dlya zelenogo stroitel’stva v Rostovskoi oblasti (Assortment of woody plants for green construction in the Rostov region), Rostov-na-Donu: YuFU, 2009, 416 p.
  13. Netsvetov M.V., Suslova E.P., Mekhanicheskaya ustoichivost’ derev’ev i kustarnikov k vibratsionnym nagruzkam (Mechanical stability of trees and schrubs under vibration loads), Promyshlennaya botanika, 2009, No. 9, pp. 60–67.
  14. Netsvetov M.V., Vliyanie vetra na osveshchennost’ podpologovogo prostranstva Acer saccharinum L. i Acer pseudoplatanus L. (Influence of wind on the illumination of the subsoil space of Acer saccharinum L. and Acer pseudoplatanus L.), Ukrainskii botanicheskii zhurnal, 2012, Vol. 69, No. 1, pp. 46–53.
  15. Niklas K.J., Spatz H.C., Worldwide correlations of mechanical properties and green wood density, American Journal of Botany, 2010, Vol. 97, No. 10, pp. 1587–1594.
  16. Nock C.A., Lecigne B., Taugourdeau O., Greene D.F., Dauzat J., Delagrange S., Messier Ch., Linking ice accretion and crown structure: towards a model of the effect of freezing rain on tree canopies, Annals of Botany, 2016, Vol. 117, No. 7, pp. 1163–1173.
  17. Tropical Tree Physiology. Adaptations and Responses in a Changing Environment, Springer, 2016, Vol. 6. 467 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Control (1) and experimental (2) stands of Virgin juniper on the territory of the arboretum of the Donetsk Botanical Garden.

Download (1MB)
3. Fig. 2. Bending of the cylinder (branch section) under the action of a force applied to its end F = mg, where l is the length of the cylinder; x is the displacement of the free end of the cylinder (Netsvetov, Suslova, 2009).

Download (72KB)
4. Fig. 3. Temperature dependence of the modulus of elasticity for all studied samples of Virginian juniper. Note. Each value of MY(T) is normalized to MY+15.

Download (138KB)
5. Fig. 4. The dependence of the relative bending resistance on the diameter of the trunk (a) and the morphometric marker of stability (b) under the influence of an environmental factor (ambient temperature). Note. The simulation was performed in the winter season at a temperature of –18C (1), with accelerated thawing T = +12C (3) and in the summer season at T = +15C (2).

Download (293KB)
6. Fig. 5. The dependence of bending stiffness on the diameter of the barrel under the influence of an environmental factor (ambient temperature). Note. The simulation was performed in the winter season at a temperature of –18C (1), with accelerated thawing T = +12C (3) and in the summer season at T = +15C (2).

Download (142KB)
7. Fig. 6. The dependence of the critical mass (mcr) on the ratio of the diameter of the trunk (d) to its length (l) under the action of an environmental factor (ambient temperature). Note. The simulation was performed in the winter season at a temperature of –18C (1), with accelerated thawing T = +12C (3) and in the summer season at T = +15C (2).

Download (139KB)
8. Fig. 7. A theoretical scheme reflecting the effect of local heating of the trunk on the mechanical stability of the plant as a whole. Note. 1 — the middle part of the trunk is warming up; 2 — warming up in the area of the root neck; A — inside the stand; B — open space.

Download (348KB)
9. Fig. 8. Loss of mechanical stability of the trunks of the Virginian juniper (photo in the arboretum of the DBS, Kornienko V.O., 2019).

Download (1MB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».