郝清玉,曹小林
(熱帶島嶼生態(tài)學教育部重點實驗室,海南省熱帶動植物生態(tài)學重點實驗室,海南師范大學 生命科學學院,海南 海口 571158)
木材基本密度、彈性模量(MOE)等性狀是木材強度的重要性能指標[1]。木材密度決定木材的強度和剛度,彈性模量則是物體產(chǎn)生單位應變所需要的應力,彈性模量值越大,材料的強度也越大。20世紀50年代,國外一些發(fā)達國家相繼開展了應力波的研究,通過應力波技術達到評估木材質(zhì)量的目的[2]。應力波是通過沖擊或用給定的應力使被檢測物體產(chǎn)生振動,可根據(jù)應力波傳播時間進行木材動彈性模量的檢測[3]。R.J.Ross等[4]采用應力波檢測方法得出木材的彈性模量(MOE)、木材密度(ρ)和應力波速度的關系式:MOE=ρV2,這為應力波技術在木材彈性模量無損檢測提供了科學基礎。之后,國內(nèi)外許多學者進行了各種活立木的應力波試驗,表明通過應力波方法可以實現(xiàn)活立木質(zhì)量的預測,從而確定木材性能[5-10]。為了進一步證實應力波技術的可靠性,趙秀等[11]通過使用萬能力學實驗機和Fakaopp應力波檢測儀分別對落葉松和樟子松指接規(guī)格材測試了靜態(tài)彈性模量和動態(tài)彈性模量,結果表明2種彈性模量之間存在線性相關(R2=0.714和0.75)。然而,應力波在木材內(nèi)部的傳播是一個較為復雜的過程,應力波傳播速度/時間受到多種因素的影響,其中,應力波傳播速度與樹種[12]和木材節(jié)子大小及數(shù)量有關[13],并與溫度和木材含水率呈負相關[14-17],與胸徑呈正相關[12]。這些研究均未涉及木材力學性質(zhì)對樹種抗臺風效果的影響規(guī)律,為了探明影響林木風倒、風折的主要材性因子,許秀玉等[18]對風害與木材性狀進行了多元線性逐步回歸分析,表明1級風害率(傾倒或樹干折斷)與木材纖維長寬比、順紋剪切強度和抗彎彈性模量有關;總風害率與纖維寬度和抗彎彈性模量有關,相關性達到顯著水平,所以樹木的抗彎彈性模量不僅是木材強度的重要指標,也是判定樹木抗風性能的重要力學指標。此外,鄭興峰等[19]分析了巴西橡膠樹(Heveabrasiliensis)抗風品系的木材纖維解剖特征;朱成慶[20]從生長指標、木材密度等多方面探討了按樹無性系的抗風性;吳志華等[21]從應力波速、基本密度等方面探討了木麻黃(Casuarinaewuisetifolia)和相思(Acacia)的抗風性。
目前,海南島人工海防林建設取得了巨大成績,但仍存在林分結構簡單、樹種單一的現(xiàn)象,其中,人工海防林主要樹種仍然以木麻黃為主,占基干林帶人工林面積的76.36 %;其次為椰子純林,占13.9%,相思、桉樹等僅有少量分布[22-23]。這與海南豐富的植物物種多樣性形成了巨大的反差。這主要是因為很多樹種難以在海南島海防林惡劣的生境條件下成功定居。海防林樹種除應具有良好生長特性和更新性能外,還應具有較強的抗風性能。國內(nèi)外關于抗風性樹種的篩選主要采用風害調(diào)查方法,多集中在城市園林植物[24-26],基于應力波技術大范圍篩選海防林抗風樹種的報道還很少見。本研究基于應力波技術對活立木應力波傳播時間的測定,計算出彈性模量,并分析不同樹種彈性模量的影響因素,從而探究含水率和徑級對不同樹種彈性模量的影響并通過彈性模量和木材密度的大小判定不同樹種的抗風潛力,為海南島海防林樹種的篩選提供科學依據(jù)。
研究區(qū)分別位于海南島東、南、西、北不同區(qū)域的海防林及海榆東線、中線和西線的路邊綠化林帶。海防林土壤以濱海沙土為主,土壤貧瘠;路邊綠化林帶土壤以磚紅壤為主,土壤較肥沃。海南島氣候?qū)儆诤Q笮詿釒Ъ撅L氣候,是我國最具熱帶海洋氣候特色的地方,全年暖熱,年平均氣溫22.5~25.6℃,雨量充沛,年降雨量1 500~2 500 mm(西部沿海約1 000 mm),干濕季節(jié)明顯,降雨季節(jié)分配不均勻,其中5-10月是雨季,降雨量占全年的70%~90%。熱帶氣旋是影響海南島的主要自然災害,年平均影響7.4個,主要集中在5-11月。
1.2.1 測量儀器 試驗測量儀器主要有匈牙利Fakopp Bt 公司生產(chǎn)的應力波傳播計時器(TreeSonic Timer),意大利Klortner S.P.A 公司生產(chǎn)的木材水分測試儀(KT-50)和哈爾濱宇達電子技術有限公司生產(chǎn)的密度儀(HYD-12)。這些儀器小巧、方便攜帶且能量損失小。應力波傳播計時器測量精度高,時間分辨率為±1.2 μs,用來測量活立木在1 m距離內(nèi)的應力波的縱向傳播時間。木材水分測試儀用來測試活立木木材水分,木材密度儀則用來測試活立木木材密度。
表1 應力波測試樣本的基本情況Table 1 Basic information of the tested sample tree species for the stress wave
1.2.2 儀器測量方法 應力波傳播計時器:分別在距離地面150 cm和50 cm處將應力波傳播計時器的錐形傳感器以斜向上和斜向下各45°角敲入樹干中(錐形傳感器應透過樹皮)。用應力波專用錘敲擊傳感器觸發(fā)端,發(fā)送應力波,記錄縱向應力波的傳播時間,同時記錄樹種名稱及胸高直徑。為獲得精確的應力波傳播時間,每棵試驗樹木應在同一個方向多次敲擊,取傳播時間穩(wěn)定且相近的3次時間的平均值作為傳播時間。
木材水分和密度測量之前,應先砍掉一小塊樹皮,露出木質(zhì)部以便進行測量。若只測量活立木密度,需要露出的木質(zhì)部很小,2 cm×2 cm即可,但水分測試儀需要露出的木質(zhì)部面積稍大,約7 cm×13 cm (儀器的尺寸:6 cm×12 cm)。若2項同時測量,按水分測量儀所需要清理的木質(zhì)部面積即可,樹皮清理部位選擇在胸高直徑處。木材密度測試儀:用力將木材密度儀的探針插入木質(zhì)部,然后讀取表盤的讀數(shù)即可。木材水分測試儀:打開儀器,根據(jù)所測量的木材密度值,選擇1~5相應的檔位,然后將木材水分測試儀的背面緊貼在木質(zhì)部,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,讀取并記錄含水率數(shù)據(jù)。最后用2%~5%硫酸銅溶液對錐形傳感器與樹木接觸的部位及露出木質(zhì)部的部位進行消毒處理,以保護樹木。
1.2.3 計算公式[3]應力波傳播速度為:V=1 000 000×L/T,其中,V為應力波傳播速度(m·s-1),L為2個傳感器間的距離,本研究中L=1 m,T為應力波傳播時間(μs)。
縱向彈性模量為:MOE=ρV2/1 000,其中,ρ為木材密度(g·cm-3),MOE為縱向彈性模量(MPa)。
為了解徑級對彈性模量的影響,將徑級劃分為小(5 cm≤DBH<10 cm)、中(10 cm≤DBH<16 cm)和大(DBH≥16 cm)3個徑級組。
活立木密度、應力波傳播速度和彈性模量均劃分為高、中和低3個等級。采用系統(tǒng)聚類方法將測試數(shù)據(jù)聚類成3類,并依據(jù)各類中數(shù)值的大小,與高、中和低3個等級相對應。
測試樣地分別位于海南島東部海岸帶的瓊海和萬寧,西部海岸帶的昌江,南部海岸帶的三亞和北部海岸帶的??冢昂S軚|線、中線和西線的路邊綠化林帶。本研究共選擇了25個樹種,其中紅厚殼(Calophylluminophyllum)和海南紅豆(Ormosiapinnata)2個樹種因樣本數(shù)量不足未參與整體分析,只進行了彈性模量的比較。為了篩選出木材力學性質(zhì)較好的海防林樹種,測試樹種選擇的范圍較廣,即包括海南島人工海防林主要造林樹種,也包括天然海防林重要樹種及海岸帶次生林天然更新性能良好的樹種,還包括生長性能或天然更新性能良好的路邊綠化或園林樹種,其中人工海防林樹種3個:木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、馬占相思(Acaciamangium)和大葉相思(Acaciaauriculiformis);天然海防林或海岸帶次生林樹種13個:青皮(Vaticamangachapoi)、海杧果(Cerberamanghas)、欖仁樹(Terminaliacatappa)、對葉榕(Ficushispida)、蓮葉桐(Hernandiasonora)、烏桕(Sapiumsebiferum)、白楸(Mallotuspaniculatus)、鵲腎樹(Streblusasper)、潺槁木姜子(Litseaglutinosa)、紅厚殼、海南紅豆、水黃皮(Pongamiapinnata)和黃槿(Hibiscustiliaceus);路邊綠化及園林樹種9個:火焰樹(Spathodeacampanulata)、鳳凰木(Delonixregia)、橡膠樹(Heveabrasiliensis)、小葉欖仁(Terminalianeotaliala)、臺灣相思(Acaciaconfusa)、苦楝(Meliaazedarach)、檸檬桉(Eucalyptuscitriodora)、濕地松(Pinuselliottii)和銀合歡(Leucaenaleucocephala)。
在樣地內(nèi)對生長健康、樹干通直的樹木進行應力波、木材密度和木材含水率測量。每個樹種測量的樣本數(shù)量至少為30株,胸徑6 cm 以上,天然林或海岸次生林由于個體數(shù)量有限,樣本數(shù)量則根據(jù)各樹種自然分布的個體數(shù)量多少而定,具體情況詳見表1。另外,由于青皮是國家二級重點保護植物,為了減少對樹木的破壞,木材含水率和密度僅測量了4個樣本,且測量的部位選擇在較粗的樹枝上進行。
差異性檢驗均使用t檢驗和方差分析(Duncan多重比較),相關性使用Pearson相關分析,多元線性回歸使用逐步回歸方法。上述統(tǒng)計過程均在Microsoft Excel 2019和IBM SPSS19.0中完成。
23個樹種活立木密度的變化范圍為0.070~0.594 g·cm-3(圖1)。其中,高密度樹種有13個,從小到大依次為濕地松、青皮、鵲腎樹、黃槿、銀合歡、馬占相思、水黃皮、苦楝、檸檬桉、潺槁木姜、大葉相思、木麻黃、欖仁樹,密度變化范圍為0.418~0.594 g·cm-3。中密度樹種有9個,分別為海杧果、臺灣相思、蓮葉桐、烏桕、白楸、橡膠樹、小葉欖仁、鳳凰木和對葉榕,密度變化范圍為0.229~0.391 g·cm-3。低密度樹種有1個,為火焰木(0.070 g·cm-3),其密度顯著低于其他樹種。
注:不同小寫字母表示差異顯著性(P<0.05)。下同。
23個樹種活立木應力波傳播速度的變化范圍為2 424.081~4 161.619 m·s-1(圖2)。其中,高應力波傳播速度樹種2個,分別為銀合歡和木麻黃,應力波傳播速度分別為3 920.753 m·s-1和4 161.619 m·s-1,應力波傳播速度顯著高于其他樹種。中應力波傳播速度樹種10個,應力波傳播速度從小到大依次為臺灣相思、橡膠樹、欖仁樹、黃槿、潺槁木姜子、青皮、檸檬桉、馬占相思、大葉相思、苦楝,應力波傳播速度變化范圍為3 225.264~3 675.965 m·s-1。低應力波傳播速度樹種11個,分別為烏桕、對葉榕、火焰木、鵲腎樹、小葉欖仁、水黃皮、白楸、濕地松、鳳凰木、海杧果、蓮葉桐,應力波傳播速度變化范圍為2 424.081~3 101.871 m·s-1。
圖2 不同樹種應力波傳播速度與彈性模量Fig.2 Stress wave propagation velocity and elastic modulus of different tree species
從圖2可知,23個樹種彈性模量的變化范圍為539.702~9 503.209 MPa。其中,高彈性模量樹種1個,為木麻黃,彈性模量為9 503.209 MPa,顯著高于其他樹種的彈性模量。中彈性模量樹種9個,從小到大依次為青皮、黃槿、馬占相思、潺槁木姜子、檸檬桉、苦楝、欖仁樹、大葉相思、銀合歡,彈性模量變化范圍為5 229.005~7 495.477 MPa。低彈性模量樹種13個,分別為火焰木、烏桕、海杧果、對葉榕、白楸、小葉欖仁、臺灣相思、蓮葉桐、鵲腎樹、鳳凰木、橡膠樹、濕地松和水黃皮,彈性模量變化范圍為539.702~4 288.321 MPa。
考慮到高彈性模量等級僅有1個木麻黃樹種,故將其與中彈性模量的樹種合并為較高彈性模量的樹種,共計10個。水黃皮雖然被聚類到低彈性模量等級,但其彈性模量與中彈性模量的青皮無顯著差異。另外,還有5個樹種,依次為蓮葉桐、鵲腎樹、鳳凰木、橡膠樹和濕地松與水黃皮彈性模量無顯著差異,因此,這6個樹種歸類為中等彈性模量樹種。其余樹種為較低彈性模量樹種,分別為火焰木、烏桕、海杧果、對葉榕、白楸、小葉欖仁和臺灣相思。紅厚殼和海南紅豆的彈性模量也較小,分別為2 897.026 MPa和2 945.889 MPa,位列白楸和小葉欖仁之間,因此也屬于低彈性模量樹種。
在23個樹種中,不同徑級組應力波傳播速度呈顯著差異的樹種有4個(圖3),占17.39%,分別為:海杧果,其中、小徑級組的應力波傳播速度顯著大于大徑級組(P<0.05);木麻黃,其中、小徑級組的應力波傳播速度顯著小于大徑級組(P<0.05);檸檬桉,其小徑級組的應力波傳播速度顯著小于大徑級組(P<0.05),中徑級組與其他2個徑級組的應力波傳播速度則無顯著差異(P>0.05)和濕地松,其中、小徑級組的應力波傳播速度顯著小于大徑級組(P<0.05)。
在23個樹種中,不同徑級組彈性模量呈顯著差異的樹種有3個(圖4),僅占13.04%,分別為:白楸,其中、小徑級組的彈性模量顯著大于大徑級組(P<0.05);檸檬桉,其中、小徑級組的彈性模量顯著小于大徑級組(P<0.05)和濕地松,其中、小徑級組的彈性模量顯著小于大徑級組(P<0.05)。不同徑級組之間的應力波傳播速度和彈性模量差異性比較分析,可以看出檸檬桉和濕地松在不同徑級組之間,應力波速度和彈性模量均存在顯著差異,海杧果和木麻黃僅應力波速度存在顯著差異,而白楸僅彈性模量存在顯著差異。
圖3 不同樹種不同徑級組應力波傳播速度Fig.3 Stress wave propagation velocity of different species in different diameter classes
從表2可知,全部23個樹種的合計彈性模量與分析的5個因素均存現(xiàn)顯著相關關系,其中彈性模量與活立木胸徑(DBH)和樹皮含水率呈極顯著負相關,與活立木密度和應力波傳播速度呈極顯著正相關,與活立木木材含水率呈顯著負相關。全部23個樹種的彈性模量中,除海杧果與應力波傳播速度呈顯著正相關外,其他22個樹種均與應力波傳播速度呈極顯著正相關。大部分樹種的彈性模量與活立木木材含水率無關,但蓮葉桐和濕地松與活立木材含水率呈極顯著負相關,小葉欖仁的彈性模量則與木材含水率呈極顯著正相關。另外,檸檬桉彈性模量還與樹皮含水率呈顯著正相關;濕地松與樹皮含水率呈極顯著負相關,小葉欖仁與樹皮含水率則呈極顯著正相關。對葉榕、欖仁樹、大葉相思和水黃皮的彈性模量與活立木密度無關,但其他樹種均勻木材密度呈正相關,占82.61%。有7個樹種的彈性模量與活立木胸徑的大小呈顯著相關,占30.43%,其中,馬占相思、橡膠樹、火焰樹和白楸與胸徑呈顯著負相關;檸檬桉、濕地松和小葉欖仁則與胸徑呈顯著正相關。
圖4 不同徑級組不同樹種的彈性模量Fig.4 Elastic modulus of different species in different diameter classes
表2 不同樹種彈性模量的影響因素及相關系數(shù)(r)Table 2 Impact factors and correlation coefficient of elastic modulus for different tree species (r)
多元線性回歸分析表明,僅蓮葉桐的活立木彈性模量與木材含水率相關,其他樹種與含水率均不相關。僅有5個樹種的彈性模量與胸徑大小相關,分別為:對葉榕、臺灣相思、橡膠樹、苦楝和銀合歡。除鵲腎樹的彈性模量僅與應力波速度相關外,所有樹種的彈性模量均同時與應力波速度和密度相關。鵲腎樹之特例是樣本容量太小的緣故,還是木材本身結構的原因,有待深入研究。另外,各樹種彈性模量模型的復相關系數(shù)(R)很高,均≥0.9,22個樹種合計彈性模量回歸模型的復相關系數(shù)也達到了0.959。直接通徑系數(shù)分析表明,個別樹種的彈性模量即使與DBH和木材含水率相關,但其直接通徑系數(shù)也很小,遠遠小于應力波速度和木材密度的直接通徑系數(shù),各影響因素的回歸參數(shù)及部分直接通徑系數(shù)詳見表3。
表3 不同樹種彈性模量多元線性回歸模型參數(shù)Table 3 Parameters of multiple linear regression model of elastic modulus for different tree species
相關及多元線性回歸分析表明,不同樹種活立木彈性模量的影響因素有所差異,影響因素從大到小依次為,應力波傳播速度、木材密度、DBH和木材含水率,其中應力波傳播速度是最主要的影響因素,其直接通徑系數(shù)最大,木材密度次之,DBH影響較小,含水率幾乎沒有影響,因此在進行樹木活立木彈性模量分析過程中,含水率可以忽略不計。含水率對彈性模量沒有顯著影響的原因是本研究各測試樹種活立木的含水率均在木材含水率纖維飽和點(32%)以上(海杧果除外)。當木材含水率高于纖維飽和點時,含水率對應力波傳播速度無顯著影響[14,27],從而導致對彈性模量沒有影響。
聚類分析結果表明,高木材密度樹種有13個,從小到大依次為濕地松、青皮、鵲腎樹、黃槿、銀合歡、馬占相思、水黃皮、苦楝、檸檬桉、潺槁木姜、大葉相思、木麻黃、欖仁樹;高應力波傳播速度樹種有2個,分別為銀合歡和木麻黃;高彈性模量樹種僅有1個,為木麻黃。通過將聚類分析和方差分析相結合的方法,將彈性模量的分級調(diào)整為較高、中等和較低3個等級。其中較高彈性模量級有10個樹種,從小到大依次為青皮、黃槿、馬占相思、潺槁木姜子、檸檬桉、苦楝、欖仁樹、大葉相思、銀合歡和木麻黃;中等彈性模量級有6個樹種,依次為蓮葉桐、鵲腎樹、鳳凰木、橡膠樹、濕地松和水黃皮;較低彈性模量級有7個樹種,依次為火焰木、烏桕、海杧果、對葉榕、白楸、小葉欖仁、臺灣相思。彈性模量較高的10個樹種均屬于高木材密度和較高應力波傳播速度的樹種。有些樹種則屬于高木材密度,低應力波傳播速度,如水黃皮、濕地松和鵲腎樹。蓮葉桐和鳳凰木為中密度,低應力波傳播速度;橡膠樹則屬于木材密度和應力波傳播速度均為中等。
不同徑級組之間,86.96%樹種的彈性模量無顯著差異,僅白楸、檸檬桉和濕地松的彈性模量在不同徑級組之間存在顯著差異,其中白楸的小徑級組彈性模量顯著大于大徑級組(P<0.05);檸檬桉和濕地松小徑級組的彈性模量顯著小于大徑級組(P<0.05)。但是,這3個樹種彈性模量的多元線性回歸模型均與胸徑無關,即使與胸徑有關的對葉榕、臺灣相思、橡膠樹、苦楝和銀合歡5個樹種,其直接通徑系數(shù)也很小,絕對值變化范圍為0.02~0.198。這一結果進一步證實徑級對彈性模量的影響是有限的。因此,不同樹種彈性模量的比較也不會因胸徑大小的差異而受到顯著影響。
在彈性模量較高的10個樹種排序中,青皮和木麻黃位列兩端。青皮是海南島萬寧石梅灣天然海防林的建群樹種,經(jīng)受過無數(shù)次臺風的考驗,具有較強的抗風性能。木麻黃則是人工海防林的建群樹種,較馬占相思和大葉相思樹種的基本密度、應力波速和抗彎彈性模量大,因此木質(zhì)堅硬,不易風折[21]。實踐證明,青皮和木麻黃均是良好的海防林樹種,這與其較大的彈性模量有關。介于青皮和木麻黃之間的這些樹種,理論上也應該具有較強的抗風性能。馬占相思和大葉相思已是海防林樹種,其抗臺風能力雖然較木麻黃弱,但臺風對相思樹種的主要危害是斷梢,災后恢復較快,對相思林分生長并不會產(chǎn)生大的影響[28]。黃槿、潺槁木姜子、檸檬桉、苦楝、欖仁樹和銀合歡雖然彈性模量較高,但多數(shù)還不是人工海防林造林樹種,個別樹種僅在局部海岸帶才能見到,如欖仁樹和苦楝。此外,水黃皮、蓮葉桐、鵲腎樹、鳳凰木、橡膠樹和濕地松這6個樹種,其彈性模量為中等,也具有一定的抗風性能,但目前均不是海防林造林樹種。當然,篩選適宜的海防林樹種是項復雜的系統(tǒng)工程,除了具有較強的木材力學性質(zhì)外,還應該考慮[29]樹種生長特性、樹冠形態(tài)特征、葉面積指數(shù)、根系分布等。潺槁木姜子、鵲腎樹、苦楝和欖仁樹是在木麻黃海防林天然更新良好的樹種[30],蓮葉桐和水黃皮則是半紅樹植物,是海岸帶的本土樹種,同樣具有良好的天然更新及生長性能,因此,這些樹種應該優(yōu)先考慮入選海防林造林樹種。銀合歡目前主要用于路旁綠化,但調(diào)查發(fā)現(xiàn)該樹種也具有良好的天然更新和生長性能,作為海防林造林樹種是否適合,尚需進行深入的試驗研究。欖仁樹和蓮葉桐雖然樹冠較大,葉面積指數(shù)也較大,理論上抗風性能會受到影響,但位于萬寧石梅灣海岸的大徑欖仁樹和瓊海排園海岸的大徑蓮葉桐可佐證其較強的抗風性能。檸檬桉的樹高可能是影響其抗風性能的一個因素,因為風害率與樹高呈正相關[20],但貧瘠濱海沙土可能會制約其高生長,從而降低其風害率。另外,海南島東西西北不同方位的發(fā)生臺風的強度和頻度差異性很大,其中海南島東部和南部是臺風多發(fā)區(qū),西部和北部則臺風較少,強度也相對較低,因此可根據(jù)這些樹種的實際抗風性能,將其種植在不同的區(qū)域。最后,需要闡明,樹種具有較高彈性模量,只是具備海防林造林樹種的條件之一,是否能入選海防林樹種,還要根據(jù)其在貧瘠的濱海沙土上的造林難易程度和生長性能等進行綜合判定。
應力波傳播速度和木材密度是影響彈性模量的主要因素。胸徑大小和木材含水率僅對個別樹種有影響。
彈性模量與應力波傳播速度和木材密度均呈正相關。通常,木材密度大的樹種,其應力波傳播速度也大,彈性模量也高,但個別樹種也有例外,木材密度高,應力波傳播速度反而低。
活立木彈性模量較高的樹種,其抗風性能較強,是入選海防林造林樹種的必要條件之一,但也要兼顧其他方面的性能,如海岸帶惡劣生境條件的適應能力、生長及天然更新性能等。