紅松活立木內(nèi)部腐朽程度的定量檢測1)

劉澤旭王立海鮑震宇孫天用

( 森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 東北林業(yè)大學(xué)) ，哈爾濱，150040)

活立木腐朽造成大量森林資源流失，及早發(fā)現(xiàn)腐朽能減少木材大量的損失。因此腐朽檢測技術(shù)顯得尤為重要。木材無損檢測技術(shù)包括應(yīng)力波、阻抗儀、近紅外、超聲波、X 射線、核磁共振、電阻等幾十種檢測技術(shù)［1-5］。其中，應(yīng)力波、超聲波、阻抗儀和電阻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于活立木腐朽檢測領(lǐng)域［6-9］。應(yīng)力波技術(shù)發(fā)展至今，已由初步判斷木材內(nèi)部是否存在腐朽，提高到可形成腐朽區(qū)域的二維或三維圖像［6，10-12］。超聲波技術(shù)可以用來確定腐朽位置和估計(jì)腐朽的大小、形狀，同時(shí)也可以測定樹木的力學(xué)性質(zhì)。但其易受外界的干擾，而且還會出現(xiàn)傳感器與被測材料耦合效果不好等問題［13］。阻抗儀利用木材的力學(xué)性質(zhì)判斷立木腐朽位置與腐朽程度［14］。電阻技術(shù)在國外已經(jīng)能對腐朽區(qū)域形成二維或三維圖像，但國內(nèi)對該項(xiàng)技術(shù)的研究仍處于初級階段［15］。由于應(yīng)力波和阻抗儀操作簡單便于攜帶，近年來國內(nèi)許多學(xué)者利用這兩種技術(shù)進(jìn)行活立木或古建筑木材內(nèi)部腐朽檢測［14，16-18］。

據(jù)Larsson 等研究發(fā)現(xiàn)，美國木材因腐朽產(chǎn)生的損失相當(dāng)于當(dāng)年木材生產(chǎn)量的15%，腐朽產(chǎn)生的損失相當(dāng)于其他病害產(chǎn)生損失總和的2 倍［19］。據(jù)國家林業(yè)局發(fā)布的國家林業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行報(bào)告，2009、2010年全國木材產(chǎn)量分別為7 068．3、7 284 萬m3。若能依靠木材無損檢測技術(shù)使木材因腐朽而造成的損失降低5%，則每年可挽救358．8 萬m3木材。由此可見無損檢測技術(shù)的發(fā)展與研究意義重大。

筆者將在野外環(huán)境中利用應(yīng)力波和阻抗儀技術(shù)，對內(nèi)部腐朽的紅松進(jìn)行腐朽檢測，并獲取相對應(yīng)的木芯。研究木材質(zhì)量損失率分別與應(yīng)力波傳播速度和阻抗儀阻力損失值的關(guān)系，進(jìn)而分析兩種檢測技術(shù)表征與木材腐朽程度的關(guān)系。為采用應(yīng)力波和阻抗儀技術(shù)進(jìn)行野外作業(yè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地為涼水實(shí)驗(yàn)林場(涼水國家級自然保護(hù)區(qū))，其地處黑龍江省東北部、小興安嶺南坡，地理位置為東經(jīng)46°50′8″～46°59′20″，北緯128°57′6″～129°17′50″E，最高海拔1 050 m，最低海拔250 m，以低山丘陵為主，坡度平緩。該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫1．4 ℃，極端最低氣溫為-40 ℃(1 月上旬)，極端最高氣溫達(dá)37 ℃(7月)，≥10 ℃年積溫2 156 ℃。年均降水量661 mm，全年無霜期115 d。地帶性土壤為暗棕壤。林區(qū)的地帶性植被是以紅松為主的溫帶針闊葉混交林［17，20］。

2 材料與方法

2．1 供試材料

在涼水保護(hù)區(qū)第18 林班所轄的林地內(nèi)進(jìn)行野外試驗(yàn)，地形多為5°～8°的緩坡，樣地面積約30 hm2。目測查找可能存在內(nèi)部腐朽的紅松活立木，選取7 株可能存在內(nèi)部腐朽的紅松活立木和1 株健康紅松作為樣木。用尺確定紅松離地40、70、100 cm位置，用Arbotom 應(yīng)力波測試儀和Resistograph 阻抗儀對腐朽紅松每個高度橫截面進(jìn)行腐朽檢測，利用生長錐在8 株紅松的各個橫截面上鉆取木芯備用。

2．2 試驗(yàn)方法

利用應(yīng)力波測試儀對各個橫截面進(jìn)行腐朽檢測，根據(jù)截面的周長均勻排布傳感器，并標(biāo)記位于正東、正北兩個方向上傳感器的位置，檢測輸出結(jié)果為一張應(yīng)力波波速分布圖。待應(yīng)力波檢測完后，再利用阻抗儀對兩個先前標(biāo)記的位置進(jìn)行腐朽檢測，檢測輸出結(jié)果為兩張阻力變化曲線圖。在應(yīng)力波波速分布圖中確定阻抗儀的檢測方向。

待阻抗儀檢測完后，用生長錐在阻抗儀檢測的位置各取一根25 cm 的木芯。將剛?cè)∠碌哪拘敬娣旁谧苑獯袔Щ貙?shí)驗(yàn)室，用電子分析天平(0．1 mg)對剛?cè)∠碌母嗄拘痉Q質(zhì)量記為m1，用電熱鼓風(fēng)干燥箱將木芯(70 ℃)烘至恒質(zhì)量，稱量每個腐朽木芯的干質(zhì)量記為m2，稱量每個健康木芯的干質(zhì)量，求其平均值記為m3，計(jì)算木材質(zhì)量損失率(L)和含水率(Mc)。公式如下:木材質(zhì)量損失率L=((m3-m2)/m3)×100%;含水率Mc=((m1-m2)/m2)×100%。

2．3 數(shù)據(jù)處理

2．3．1 應(yīng)力波數(shù)據(jù)處理

圖1 為第7 號樣木離地40 cm 斷面處的應(yīng)力波傳播速度分布圖，顏色較深的區(qū)域表明應(yīng)力波傳播速度較低，由于該處存在腐朽出現(xiàn)空洞，使應(yīng)力波傳播速度變?。?1］。根據(jù)圖1 計(jì)算在阻抗儀檢測方向上兩點(diǎn)之間應(yīng)力波傳播速度(V)。計(jì)算公式如下:

式中:V 為被檢測方向上兩點(diǎn)之間應(yīng)力波傳播速度(m/s);在檢測方向上取25 cm 的距離，然后將相同顏色的區(qū)域分為一段;n 為檢測方向上所分的段數(shù);Si為該檢測方向上第i 段的傳播距離(cm);vi為對應(yīng)于Si上的傳播速度(m/s)，根據(jù)圖1 右側(cè)的速度顏色圖例對比得出。

用最小二乘法對應(yīng)力波傳播速度和質(zhì)量損失率進(jìn)行一元線性回歸分析。以應(yīng)力波傳播速度為因變量，質(zhì)量損失率和含水率為自變量，用普通最小二乘回歸建立多元線性回歸方程。

圖1 紅松活立木應(yīng)力波波速分布圖

2．3．2 阻抗儀數(shù)據(jù)處理

圖2 為第7 號樣木離地40 cm 斷面處測得的阻力曲線圖。取250 mm 以內(nèi)的曲線為研究對象，利用阻抗儀軟件計(jì)算出該段曲線的平均阻力(F)。圖中A、B、C、E 圍合區(qū)域?yàn)樵撉€上明顯出現(xiàn)下降的區(qū)段，說明此處為腐朽部分，相對于健康部分的阻力值明顯減?。?7］。定義活立木腐朽部分相對于健康部分阻力值下降幅度為阻力損失值，記為Z。其計(jì)算公式［18］如下:。

式中:L1為波谷在橫軸上投影的長度(mm);H1和H2分別為波谷左右兩邊在縱軸上投影的長度，D 為所分析曲線的總長度(mm)。

分別以阻力損失值和平均阻力為因變量，質(zhì)量損失率為自變量，用最小二乘法進(jìn)行一元線性回歸分析。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)先前公式計(jì)算得到質(zhì)量損失率、含水率、平均阻力值、阻力損失值和應(yīng)力波傳播速度，結(jié)果如表1 所示。

3．1 應(yīng)力波檢測表征與木材質(zhì)量損失率的關(guān)系

用最小二乘法對應(yīng)力波傳播速度和質(zhì)量損失率進(jìn)行一元線性回歸分析，得到圖3 和相應(yīng)回歸方程V=-8．574L+860．020(R2=0．487，R=0．698，P＜0．01)，方程的擬合程度很高，且存在較強(qiáng)相關(guān)性。這說明應(yīng)力波傳播速度與質(zhì)量損失率之間有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，應(yīng)力波檢測結(jié)果能清晰地表征木材質(zhì)量損失率的情況。可知，應(yīng)力波傳播速度隨著木芯質(zhì)量損失 率的增大而減小。

表1 木芯各項(xiàng)檢測結(jié)果

圖2 紅松活立木的阻抗力曲線

圖3 木材質(zhì)量損失率與波速散點(diǎn)圖

這一現(xiàn)象是由于木材腐朽造成應(yīng)力波傳播路徑變化而引起的。而木材內(nèi)部發(fā)生腐朽后，木材中大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素被木腐菌腐蝕，則腐朽區(qū)域木材絕干密度相應(yīng)減小，導(dǎo)致木材內(nèi)部形成空洞［22］。有研究表明［21-23］應(yīng)力波在活立木中的傳播過程受到空洞的影響，當(dāng)應(yīng)力波遇到空洞時(shí)，應(yīng)力波不會沿直線傳播而是繞著空洞缺陷，沿空洞周圍的木材進(jìn)行傳播，使應(yīng)力波傳播路徑發(fā)生改變，應(yīng)力波傳播路程增長，應(yīng)力波傳播路徑上的紋理角也發(fā)生變化，導(dǎo)致應(yīng)力波傳播時(shí)間增加。在應(yīng)力波儀器計(jì)算過程中，應(yīng)力波傳播路程被設(shè)定為兩點(diǎn)之間最短的距離，應(yīng)力波傳播時(shí)間增加，使傳感器接受信號時(shí)間變長，故檢測得到的應(yīng)力波傳播速度變慢。由此可見，木材質(zhì)量損失率越大，木材內(nèi)部應(yīng)力波傳播速度就越小。

由于應(yīng)力波檢測受到很多因素的影響，而含水率是影響木材中應(yīng)力傳播速度的主要因素之一［23-24］。用最小二乘回歸對應(yīng)力波傳播速度與質(zhì)量損失率、含水率進(jìn)行多元線性回歸分析，得到回歸方程V=-8．989L+1．519Mc+727．717(R2=0．532，R=0．730，P＜0．01)，方程的擬合程度提高了，說明應(yīng)力波檢測結(jié)果需要適當(dāng)修正。

3．2 阻抗儀檢測表征與木材質(zhì)量損失率的關(guān)系

用最小二乘法對阻力損失值和質(zhì)量損失率進(jìn)行一元線性回歸分析，得到圖4 和相應(yīng)回歸方程Z=0．544L+3．414(R2=0．724，R=0．851，P＜0．01)，方程的擬合程度很高且存在顯著相關(guān)性。這說明阻力損失值與質(zhì)量損失率之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系。阻抗儀檢測結(jié)果也能清晰地表征木材質(zhì)量損失率的大小。可知，隨著木材質(zhì)量損失率的增大，阻力損失值也不斷增加。

這一現(xiàn)象是由于木材腐朽造成木材力學(xué)性能變化而引起的。研究表明生物腐朽后木材質(zhì)量損失率與木材最大工作載荷、抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度之間都存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系［28］。隨著木材內(nèi)部質(zhì)量損失率增大，被腐朽的木材區(qū)域單位體積內(nèi)的質(zhì)量減小，即該區(qū)域木材絕干密度降低，說明質(zhì)量損失率越大，木材力學(xué)強(qiáng)度越差。而阻力曲線圖的主要依據(jù)是探頭勻速旋轉(zhuǎn)刺入過程中所受的阻力，該阻力與木材絕干密度和力學(xué)強(qiáng)度有密切聯(lián)系［14，18］。當(dāng)木材發(fā)生腐朽時(shí)，木材絕干密度和力學(xué)強(qiáng)度均下降，探頭鉆入時(shí)所受阻力也會下降［16］。由此可見，木材質(zhì)量損失率越大，腐朽木材相對于健康木材的絕干密度和力學(xué)強(qiáng)度的降幅越大，導(dǎo)致探頭鉆入腐朽木材相對于健康木材所受阻力降幅也越大。

圖4 木材質(zhì)量損失率與阻力損失值散點(diǎn)圖

對平均阻力和質(zhì)量損失率做一元線性回歸分析，結(jié)果復(fù)相關(guān)系數(shù)為0．512，復(fù)決定系數(shù)R2=0．262，P=0．01，方程的擬合程度很高，但相關(guān)性不顯著。這說明阻抗儀平均阻力與質(zhì)量損失率之間不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。在利用阻抗儀分析立木腐朽程度的過程中，平均阻力不能清晰地表征木材質(zhì)量損失率的大小。

3．3 檢測方法的比較

應(yīng)力波傳播速度與質(zhì)量損失率的擬合程度低于阻抗儀阻力損失值與質(zhì)量損失率的擬合程度。應(yīng)力波傳播是一個復(fù)雜的過程，其傳播速度易受到含水率、溫度、檢測角等因素的影響［24-27］，所以最小二乘法分析的擬合程度較低。阻抗儀探頭阻力與木材力學(xué)強(qiáng)度密切相關(guān)［14，18］，不易受其他因素影響。而質(zhì)量損失率的大小會直接影響木材絕干密度與木材力學(xué)強(qiáng)度，故阻抗儀阻力損失值與質(zhì)量損失率的擬合程度較高。

表2 檢測方法比較

應(yīng)力波技術(shù)可測得二維木材內(nèi)部應(yīng)力波速度分布圖，利用該圖能大致判斷腐朽位置與質(zhì)量損失率分布情況。阻抗儀依靠測得的阻力曲線圖，可清晰地分析單一方向上腐朽木材與健康木材的質(zhì)量損失差別，能為應(yīng)力波速度分布圖單一方向的質(zhì)量損失率分布分析提供依據(jù)。應(yīng)力波檢測對活立木無損傷，阻抗儀檢測留下的孔洞對活立木有微弱損傷。

4 結(jié)論

應(yīng)力波在木材內(nèi)部傳播速度與木材質(zhì)量損失率之間有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=0．698，P＜0．01)，應(yīng)力波檢測結(jié)果需要根據(jù)影響因素進(jìn)行適當(dāng)修正。

阻抗儀阻力損失值與木材質(zhì)量損失率之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(R=0．851，P＜0．01)，而阻抗儀平均阻力與失重率沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

木材質(zhì)量損失率是木材腐朽程度的主要表征指標(biāo)［27］。應(yīng)力波和阻抗儀檢測技術(shù)都能清晰地表征活立木木材質(zhì)量損失率，說明兩種方法都能有效地檢測活立木的腐朽程度。

應(yīng)力波和阻抗儀檢測技術(shù)各有特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測需要選擇使用。

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