含水率對微鉆阻力儀鉆針阻力的影響

姚建峰，雷相東，王雪峰，符利勇，鄭一力，郭旭展，，段光爽，宋新宇

（1.信陽師范學(xué)院 a.計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院；b.數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，河南 信陽 464000；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所，北京 100091；3.北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

微鉆阻力儀（又稱針刺儀，阻抗儀）是使用電機(jī)控制鉆針勻速鉆入樹木并實時記錄鉆針阻力的一種精密測量儀器[1]。鉆針阻力使用電機(jī)所消耗的能量間接表示，當(dāng)鉆針進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度由不同的電機(jī)控制時，鉆針進(jìn)給方向上的阻力由控制鉆針進(jìn)給速度的電機(jī)消耗的能量間接表示，鉆針旋轉(zhuǎn)方向上的鉆針阻力由控制鉆針旋轉(zhuǎn)速度的電機(jī)消耗的能量間接表示[1-2]。但有部分儀器只給出旋轉(zhuǎn)方向上的阻力，沒有給出鉆針進(jìn)給方向上的阻力。當(dāng)鉆針進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度由一個電機(jī)控制時，鉆針阻力即為該電機(jī)所消耗的能量。因此，在沒有明確說明鉆針阻力的方向時，鉆針阻力可能是鉆針旋轉(zhuǎn)方向上的阻力，也可能是鉆針旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)給方向上的阻力和。鉆針阻力主要受鉆針針頭切削木材密度的影響，木材密度越大，破壞木材組織結(jié)構(gòu)所需的能量越大，鉆針阻力越大[3-4]。由于鉆針阻力采樣間距很小，通用版一般是0.1 mm，科學(xué)版一般是0.01 mm。因此，根據(jù)鉆針阻力可以獲取鉆針路徑上微小區(qū)域的木材密度。當(dāng)鉆針沿徑向方向鉆入樹木時，鉆針針頭交替地鉆過樹木年輪的晚材部分和早材部分，鉆針阻力呈波峰-波谷規(guī)律變化，因此，根據(jù)鉆針阻力曲線圖可獲取樹木年輪信息[5-6]。當(dāng)鉆針鉆入腐爛區(qū)域、裂縫、空洞時，鉆針阻力明顯下降，因此，根據(jù)鉆針阻力可檢測木材內(nèi)部的缺陷情況[7]。微鉆阻力儀鉆針針頭寬度僅3 mm，對被測對象損傷較小，為測量木材密度[8-10]、樹木年輪[11]、木材缺陷[12-13]等方面提供了一種微損測量方法。

由于木材的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)不僅受木材密度的影響，而且還受木材含水率的影響[14-15]，因此，鉆針阻力可能受木材含水率的影響。Lin 等[16]把3 棵22年生的禿杉Taiwania cryptomerioides的木材按2 cm×1 cm×18 cm 規(guī)格加工成測試件，首先在木材處于飽和含水率狀態(tài)下取樣各測試件的鉆針阻力，然后每當(dāng)測試件質(zhì)量減小5～8 g時，重新取樣各測試件的鉆針阻力，直到測試件處于自然風(fēng)干狀態(tài)為止，研究發(fā)現(xiàn)鉆針阻力R與木材含水率MC 正相關(guān)，具體回歸模型是：R=0.68MC+312.4（R2=0.31，F(xiàn)=356.7）。李華等[17]把落葉松和云杉的古建材和新鮮材加工成10 cm×10 cm×5 cm 試件，通過恒溫恒濕箱和干燥箱將試件含水率分別控制在4%、12%、20%和28%，在不同含水率下使用微鉆阻力儀對每個試件進(jìn)行1 次徑向取樣和2 次弦向取樣，每組試驗重復(fù)3 次，取3 次測量阻力的平均值為最終測量結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)木材含水率在5%～20%范圍內(nèi)，鉆針阻力與含水率負(fù)相關(guān)；當(dāng)含水率高于20%時，阻力值又有所增加。Mattech 等[18]研究發(fā)現(xiàn)干木材和新鮮材的鉆針阻力的變化趨勢和阻力幅值基本相同。德國Rinntech 公司創(chuàng)始人Rinn 等[1]研究發(fā)現(xiàn)：鉆針阻力主要由木材密度決定，但木材含水率、新鮮木的預(yù)應(yīng)力對鉆針阻力的影響尚不明確。因此，含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系尚無一個統(tǒng)一的結(jié)論，仍有必要進(jìn)一步研究木材含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系。

目前尚不清楚含水率與鉆針阻力之間的具體關(guān)系，如果使用線性回歸模型、多項式回歸模型等傳統(tǒng)模型來擬合含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系，擬合效果可能比較差，不能全面、清晰地反映出木材含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系。廣義相加模型（generalized additional model,GAM）是對傳統(tǒng)廣義線性模型的非參數(shù)拓展，能綜合處理線性關(guān)系和非線性關(guān)系的一種復(fù)合模型，可識別哪些自變量與因變量是線性關(guān)系，哪些自變量與因變量是非線性關(guān)系，以及各自變量對因變量的貢獻(xiàn)率，并能建立基于線性自變量和非線性自變量的綜合模型[19-20]。因此，本研究采用廣義相加模型來研究含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系。

本研究使用德國Rinntech 公司生產(chǎn)的Resistograph 650-S 微鉆阻力儀測量了包含軟闊葉樹、硬闊葉樹和針葉樹的9 個樹種木材在不同含水率下的鉆針阻力，建立各樹種鉆針阻力與木材含水率、木材絕干密度雙因子之間的廣義相加模型和鉆針阻力與木材絕干密度單因子之間的廣義相加模型，對比分析兩個模型的擬合效果，研究木材含水率對鉆針阻力的影響程度，并建立每個樹種木材含水率與濕木狀態(tài)下與絕干狀態(tài)下鉆針阻力差值之間的廣義相加模型，分析每個樹種木材含水率對鉆針阻力的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料是2020年9月—2021年3月在信陽師范學(xué)院校內(nèi)的天然次生林中采伐的風(fēng)倒活木以及近3 個月內(nèi)新死亡的枯立木。在樹高1.3、2.3和3.3 m 處選取樹干通直、無明顯缺陷處截取長度為0.4 m 長的樹干，再把樹干加工成3.0 cm×3.0 cm×3.0 cm 的正方體木塊。試驗材料基本情況如表1所示。

表1 試驗材料基本情況Table 1 Basic information of test materials

1.2 試驗儀器

試驗儀器主要是德國Rinntech 公司最新推出的Resistograph 650-S 微鉆阻力儀，該儀器鉆針進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度固定，鉆針進(jìn)給為60 cm·min-1，鉆針旋轉(zhuǎn)速度未知，鉆針阻力采樣間距為0.01 mm。阻力單位為該公司自定義的阻力單位“Resi”。該儀器配套有DECOM 鉆針阻力處理軟件，使用該軟件打開阻力曲線圖時，縱坐標(biāo)表示鉆針阻力的相對大小，且以百分比形式表示。

1.3 試驗方法

1.3.1 濕木塊鉆針阻力取樣方法

每個試驗樣品在濕木狀態(tài)下取樣一次鉆針阻力。為了使試驗樣品含水率有較大的差異，同時防止木塊干裂，本試驗采用自然風(fēng)干法調(diào)節(jié)木塊的含水率，并分3 批次測量濕木鉆針阻力，每批次取樣時間間隔20 d 左右，具體方法如下：當(dāng)試驗樣品加工好后，先取每個樹種試驗樣品總數(shù)的1/3，使用Resistograph 650-S 微鉆阻力儀沿木材徑向方向鉆入正方體木塊，鉆針鉆入方向與木塊的一條邊平行，使用游標(biāo)卡尺測量鉆針路徑長度，測量精度為0.01 mm，使用電子天平測量每個木塊的質(zhì)量m，精確到0.01 g；把剩下的木塊均勻放置在儲物架上，儲物架通風(fēng)良好，每間隔20 d 左右，取每個樹種的總樣品數(shù)的1/3，使用同樣的方法測量每個木塊的鉆針阻力鉆針路徑長度和質(zhì)量，直至所有樹種濕木塊測量完為止。

1.3.2 試驗樣品絕干密度測量方法

把在濕木狀態(tài)下已經(jīng)測量了鉆針阻力的試驗樣品均勻放入烘箱中，把烘箱溫度設(shè)置為45℃，恒溫干燥6 h；再把烘箱溫度設(shè)置為75℃，恒溫干燥6 h；最后把烘箱溫度設(shè)置為105℃，恒溫干燥48 h，使木塊干燥至絕干狀態(tài)；關(guān)閉烘箱，試驗樣品溫度降到室溫狀態(tài)時把試驗樣品放入玻璃干燥器中保存[14]。使用電子天平測量每個樣品的絕干質(zhì)量m0，測量精度為0.01 g。使用游標(biāo)卡尺測量每個樣品的長a、寬b、高h(yuǎn)，精度為0.001 cm，最后利用體積法計算每個樣品的絕干密度ρ（g·cm-3），計算公式為：

每個木塊含水率MC 的計算公式為：

1.3.3 絕干木塊鉆針阻力取樣方法

為了減小絕干狀態(tài)下和濕木狀態(tài)下所測量的鉆針路徑上木材密度的差異，絕干狀態(tài)下鉆針鉆入方向與濕木狀態(tài)下鉆針阻力取樣方向相同，兩條測量路徑之間的距離不宜過大。同時，為了防止兩條測量路徑交叉或者重合，兩個鉆針鉆入點相距1 cm 左右。使用相同方法測量絕干木塊的鉆針路徑長度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

把每個木塊的濕木狀態(tài)下的鉆針平均阻力、濕木狀態(tài)下的含水率、絕干狀態(tài)下的鉆針阻力和絕干密度作為1 組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在鉆麻梨時，有1個木塊把鉆針卡死，該組數(shù)據(jù)作異常數(shù)據(jù)處理，因此，共測得484 組有效數(shù)據(jù)。首先計算每個木塊濕木狀態(tài)下和絕干狀態(tài)下的平均阻力，分析每個樹種濕木含水率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變動系數(shù)以及濕木狀態(tài)下與絕干狀態(tài)下鉆針阻力差值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變動系數(shù)，初步判斷木材含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系。然后建立各樹種木材含水率、木材絕干密度與鉆針阻力之間的廣義相加模型以及木材絕干密度與鉆針阻力之間的廣義相加模型，分析兩個模型的擬合結(jié)果，以說明木材含水率對微鉆阻力的影響程度。最后建立每個樹種木材含水率與含水狀態(tài)與絕干狀態(tài)下鉆針阻力差值之間的廣義相加模型，分析每個樹種木材含水率對鉆針阻力的影響規(guī)律。

1.4.1 鉆針阻力平均值計算方法

在鉆針在鉆入樹木之前，鉆針在鉆針套頭內(nèi)空載移動8 mm 后才鉆入木材；當(dāng)鉆針鉆穿木塊后，操作人員一般會延時10 s 左右才停止樹木微鉆阻力儀。因此，鉆針在鉆入木塊前和鉆出木塊后各有一小段時間處于空載狀態(tài)。圖1是Resistograph 650-S 樹木微鉆阻力儀鉆針阻力的變化過程，阻力曲線圖的開始部分和結(jié)束部分鉆針針頭都處于空載狀態(tài)，只有中間部分鉆針針頭處于負(fù)載狀態(tài)。

圖1 Resistograph 650-S 鉆針阻力曲線圖Fig.1 Drill resistance curve of Resistograph 650-S

鉆針每前進(jìn)0.01 mm，Resistograph 650-S 采樣1 次鉆針阻力，因此，根據(jù)鉆針鉆入木塊前的空載位移和每個樣品的鉆針路徑長度，選取每個測量數(shù)據(jù)中鉆針在木塊內(nèi)的阻力數(shù)據(jù)的范圍和阻力數(shù)據(jù)的個數(shù)，然后計算鉆針鉆在每個木塊內(nèi)部的平均阻力。具體方法如下：1）將Resistograph 650-S微鉆阻力儀的.dpa 原始阻力記錄文件轉(zhuǎn)換成Excel格式；2）根據(jù)鉆針鉆入木塊前的空載位移，計算鉆針鉆入木塊的起始位置；3）根據(jù)鉆針路徑長度，計算鉆針鉆出木塊的位置和鉆針在木塊內(nèi)部阻力采樣點的個數(shù)；4）分別計算每個木塊在濕木狀態(tài)下平均阻力R0和絕干狀態(tài)下的平均阻力R1。

1.4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

為了分析含水率對鉆針阻力的影響，本研究假設(shè)同一個試驗樣品在濕木狀態(tài)下和絕干狀態(tài)下鉆針路徑上的木材密度分布情況相同，即濕木狀態(tài)下和絕干狀態(tài)下木材密度對鉆針阻力的影響是相同的，濕木狀態(tài)下和絕干狀態(tài)下鉆針阻力的差異主要木材含水率的差異所引起的。絕干木材的含水率為0，因此，濕木含水率與濕木狀態(tài)與絕干狀態(tài)鉆針阻力差值之間的關(guān)系可等價于含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系。為了初步分析含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系，統(tǒng)計分析每個樹種濕木含水率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變動系數(shù)以及濕木狀態(tài)下與絕干狀態(tài)下鉆針阻力平均值的差值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變動系數(shù)。每個測試樣品濕木狀態(tài)與絕干狀態(tài)下鉆針阻力平均值的差值dR計算公式為：

式（3）中，R0為濕木狀態(tài)下鉆針阻力平均值，R1為絕干狀態(tài)下的鉆針阻力平均值。

由于有些樹種的dR是正數(shù)，有些樹種的dR是負(fù)數(shù)，因此，在本研究中，變動系數(shù)d使用平均值μ的絕對值除以標(biāo)準(zhǔn)差σ計算，計算公式為：

1.4.3 廣義相加模型GAM

廣義相加模型是對傳統(tǒng)廣義線性模型的非參數(shù)拓展，能綜合處理線性關(guān)系和非線性關(guān)系的一種復(fù)合模型。另外，廣義相加模型可把自變量劃分成多個連續(xù)的區(qū)間，每一個區(qū)間都能用獨立的線性函數(shù)或者非線性函數(shù)來擬合，可有效處理自變量與因變量之間的關(guān)系隨著自變量范圍的變化而變化的復(fù)雜關(guān)系[20]。GAM 模型的形式為：

式（5）中，y為因變量，g為連接函數(shù)，β0為截距，x1，…，xn為自變量，f1，…，fn為連接自變量的平滑函數(shù)。模型擬合結(jié)果通過自變量的自由度、P、F統(tǒng)計值、調(diào)整后決定系數(shù)（R2）和方差解釋率等參數(shù)來表示。當(dāng)自變量的自由度為1 時，表示該自變量與因變量呈線性關(guān)系；當(dāng)自變量的自由度大于1 時，表示該自變量與因變量呈非線性關(guān)系，且自由度的值越大，非線性關(guān)系越顯著。P值表示統(tǒng)計結(jié)果的顯著性水平，F(xiàn)統(tǒng)計值表示自變量的相對重要性，R2用來表示回歸模型的擬合效果，方差解釋率表示自變量對因變量總體變化的解釋能力。

1.4.4 含水率對鉆針阻力影響程度研究方法

如果含水率對鉆針阻力沒有顯著影響，則濕木狀態(tài)下的鉆針阻力與絕干狀態(tài)下的鉆針阻力沒有顯著差異，鉆針阻力主要受木材絕干密度這個單因子的影響。相反，如果含水率對鉆針阻力有顯著影響，則濕木狀態(tài)下的鉆針阻力與絕干狀態(tài)下的鉆針阻力有顯著差異，鉆針阻力不僅與木材絕干密度有關(guān)，而且與木材含水率有關(guān)。本研究以包括濕木狀態(tài)和絕干狀態(tài)下的鉆針阻力為因變量，分別以木材含水率和木材絕干密度雙因子為自變量、以木材絕干密度單因子為自變量，用薄板樣條函數(shù)對各自變量進(jìn)行平滑處理，薄板樣條函數(shù)節(jié)點的最大個數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值，使用R 語言中的mgcv 包中的gam 函數(shù)建立各樹種鉆針阻力與木材含水率和木材絕干密度雙因子之間以及與木材絕干密度單因子之間的廣義相加模型，分析兩模型擬合結(jié)果，主要分析R2、方差解釋率和AIC這3 個擬合指標(biāo)。如果兩個模型的擬合結(jié)果無顯著差異，說明含水率對鉆針阻力無顯著影響，如果兩個模型的擬合結(jié)果存在顯著差異，說明含水率對鉆針阻力有顯著影響。

1.4.5 含水率與鉆針阻力之間的具體關(guān)系研究方法

以濕木含水率為自變量，以該木塊在濕木狀態(tài)下和在絕干狀態(tài)下鉆針阻力差值為因變量，用薄板樣條函數(shù)對含水率進(jìn)行平滑處理，薄板樣條函數(shù)節(jié)點的最大個數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值，使用R 語言中的mgcv 包中的gam 函數(shù)建立每個樹種含水率與鉆針阻力差值之間的廣義相加模型，分析各樹種廣義相加模型的擬合結(jié)果，繪制各樹種阻力差值與木材含水率之間的擬合曲線，分析各樹種木材含水率與鉆針阻力之間的具體關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕木含水率和鉆針阻力差值的變動程度

各木塊的濕木狀態(tài)下的含水率以及濕木狀態(tài)與絕干狀態(tài)下鉆針阻力差值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變動系數(shù)如表2所示。

表2 木材含水率和鉆針阻力差值平均值統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of wood moisture content and the difference between the average drill resistance value in the wet state and the absolute dry state

從表2中可以看出：1）各樹種木材平均含水率在23.073%～98.052% 之間，各樹種平均含水率差異較大，各樹種含水率的變動系數(shù)在38.217%～87.885% 之間；2）麻梨、李、桃和櫻桃這4 個樹種濕木狀態(tài)與絕干狀態(tài)下鉆針阻力平均值差值的平均值小于0，說明這4 個樹種濕木狀態(tài)下的鉆針阻力小于絕干狀態(tài)下的鉆針阻力，鉆針阻力與木材含水率負(fù)相關(guān)，其他5 個樹種的平均值大于0，說明這5 個樹種濕木狀態(tài)下的鉆針阻力大于絕干狀態(tài)下的鉆針阻力，鉆針阻力與木材含水率正相關(guān)；3）濕木狀態(tài)與絕干狀態(tài)下鉆針阻力平均值的差值的變動系數(shù)在43.570%～7 722.011%，除毛白楊外，其他樹種濕木狀態(tài)與絕干狀態(tài)下鉆針阻力平均值的差值的變動系數(shù)均高于木材含水率的變動系數(shù)，且桃、杉木、麻櫟這3個樹種的阻力差值的變動系數(shù)過大，是木材含水率變動系數(shù)的5 倍以上，說明不同樹種木材含水率對鉆針阻力的影響程度不同。

2.2 含水率對鉆針阻力的影響程度

各樹種鉆針阻力與木材含水率、木材絕干密度雙因子之間的廣義相加模型和與木材絕干密度單因子之間的廣義相加模型的擬合結(jié)果如表3所示。

表3 包含含水率因子與不包含含水率因子的GAM 模型擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of the GAM models with or without the moisture content factor

從表3中可以看出：1）每個樹種不包含木材含水率的單因子模型的R2和方差解釋率均小于包含木材含水率的雙因子模型的R2和方差解釋率，不包含木材含水率的單因子模型的AIC 均小于包含木材含水率的雙因子模型的AIC；2）各樹種包含木材含水率雙因子模型R2的平均值比不包含木材含水率單因子模型R2的平均值高0.231，比不使用含水率因子的模型提高了52.620 個百分點；3）各樹種包含木材含水率的雙因子模型的方差解釋率的平均值比不包含木材含水率的單因子模型方差解釋率的平均值高22.475%，比不使用含水率因子的模型提高了48.892 個百分點；4）各樹種包含木材含水率的雙因子模型的AIC 的平均值比不包含木材含水率的單因子模型的AIC 的平均值低60.39，比不使用含水率因子的模型降低了5.489 個百分點。為了檢驗每個樹種包含含水率與不包含含水率因子的GAM 模型是否存在顯著差異，我們對每個樹種的兩個模型擬合結(jié)果使用anova 函數(shù)做F 檢驗，檢驗結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出：每個樹種的包含含水率因子與不包含含水率因子的GAM 模型在顯著性水平0.01 上存在顯著性差異。

表4 F 檢驗結(jié)果Table 4 Results of F-test

2.3 含水率對鉆針阻力的影響規(guī)律

含水率與濕木與絕干木之間鉆針阻力差值的相關(guān)關(guān)系如圖2所示，圖中實線為GAM 模型擬合值，點線之間的區(qū)域是置信度為95%的范圍。含水率與阻力差值之間GAM 模型擬合結(jié)果如表5所示。

從圖2中可以看出各樹種的含水率與阻力差值之間GAM 模型擬合曲線形狀差異較大。當(dāng)木材含水率較低時，大部分樹種濕木與干木之間的阻力差值隨著木材含水率的增加而增大，當(dāng)木材含水率增加到一定程度時，濕木與干木之間的阻力差值隨著木材含水率的增加而減小。但有少量樹種濕木與干木之間的阻力差值隨著木材含水率的增加而減小。大部分樹種的含水率與阻力差值的散點圖大部分位于95%的置信范圍內(nèi)，少量樹種的散點圖位于95%的置信范圍之外。從表5中可以看出各樹種含水率與阻力差值的GAM 模型擬合結(jié)果差異較大。各樹種GAM 模型的自由度在1～6.062 之間、P值在0～0.619 之間、F值在0.25～23.45、R2在0～0.644 之間、方差解釋率在0.579%～66.7%之間，擬合結(jié)果差異很大，說明含水率對鉆針阻力影響的規(guī)律和程度與樹種有很大的關(guān)系，不同的樹種含水率對鉆針阻力影響規(guī)律和影響程度有很大的差異。

表5 含水率與阻力差值的GAM 模型擬合結(jié)果Table 5 GAM fitting results between moisture content and resistance difference

圖2 含水率與阻力差值之間的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Relations between moisture content and resistance difference

2.4 結(jié)果分析

在本研究中，各樹種濕木狀態(tài)下與絕干狀態(tài)下鉆針阻力差值與木材含水率之間的變化規(guī)律也存在很大差異。造成含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系差異較大的原因可能有：

1）鉆針阻力與木材硬度、木材強(qiáng)度和木材韌性有關(guān)。破壞木材纖維所需要的能量與木材硬度、木材強(qiáng)度和木材韌性有關(guān)。木材硬度越大，鉆針越難鉆入木材，鉆針在進(jìn)給方向上的阻力越大，鉆針與木材切削面的摩擦力越大，從而又導(dǎo)致鉆針在旋轉(zhuǎn)方向上的阻力越大。木材強(qiáng)度越大，破壞木材纖維所需要的能量越大，鉆針在旋轉(zhuǎn)方向上的阻力越大。木材韌性越大，木材所能抵御的瞬時最大沖擊能量越大，木材被擴(kuò)展出一個裂隙和破壞木材組織所需要的能量越高[14]，鉆針在旋轉(zhuǎn)方向上的阻力越大。當(dāng)木材含水率在纖維飽和點以上時，木材含水率對木材的力學(xué)性質(zhì)幾乎沒有影響，含水率對鉆針阻力的影響較小。當(dāng)木材含水率在纖維飽和點以下時，木材含水率與木材硬度和木材強(qiáng)度負(fù)相關(guān)，木材韌性正相關(guān)。當(dāng)木材含水率發(fā)生變化時，如果木材硬度和強(qiáng)度變化所引起的鉆針阻力的變化幅度大于木材韌性變化所引起的鉆針阻力變化幅度時，鉆針阻力與木材含水率負(fù)相關(guān)；如果木材硬度和強(qiáng)度變化所引起的鉆針阻力的變化幅度小于木材韌性變化所引起的鉆針阻力變化幅度時，鉆針阻力與木材含水率正相關(guān)；如果木材硬度和強(qiáng)度變化所引起的鉆針阻力的變化幅度與木材韌性變化所引起的鉆針阻力變化幅度的差異不顯著時，含水率對鉆針阻力的影響也將不顯著。由于各樹種木材纖維飽和含水率存在較大差異，且木材的硬度、強(qiáng)度和韌性隨木材含水率的變化規(guī)律也存在較大差異，因此，各樹種鉆針阻力與木材含水率的變化規(guī)律存在較大差異。

2）鉆針阻力受木材纖維之間連接的緊密程度的影響。鉆針阻力與木材纖維之間的連接力正相關(guān)。由于各樹種木材的干縮率和濕脹率存在較大差異，當(dāng)木材含水率發(fā)生變化時，木材纖維之間的連接力的變化規(guī)律不同。如果木材的干縮率和濕脹率較小，當(dāng)木材含水率增加時，木材纖維膨脹，木材纖維之間的間隙變小，木材纖維之間的連接力增加，使鉆針阻力呈上升趨勢變化；當(dāng)木材含水率減小時，木材纖維收縮，木材纖維之間的間隙變大，木材纖維之間連接力減小，使鉆針阻力呈下降趨勢變化。如果木材的干縮率和濕漲率較大，當(dāng)木材含水率減小時，盡管木材纖維要收縮，但木材體積也要減小，使木材變得更加致密堅硬，木材纖維之間連接力增加，使鉆針阻力呈上升趨勢變化；當(dāng)木材含水率增加時，木材體積增大，盡管木材纖維要膨脹，但木材體積也要增加，木材變得相對稀疏柔軟，木材纖維之間連接力減小，使鉆針阻力呈下降趨勢變化。因此，當(dāng)木材的干縮率和濕脹率較小時，鉆針阻力與木材含水率正相關(guān)；當(dāng)木材的干縮率和濕脹率較大時，鉆針阻力與木材含水率負(fù)相關(guān)。

3）鉆針阻力與樹脂含量及狀態(tài)有關(guān)。樹脂對木材力學(xué)性質(zhì)有較大影響[14]。樹脂含量越高，木材纖維之間連接力越大，鉆針阻力越大。同時，鉆針阻力受樹脂狀態(tài)的影響較大。當(dāng)樹脂處于液態(tài)時，樹脂對鉆針阻力影響較小，當(dāng)樹脂處于固態(tài)時，樹脂對鉆針阻力影響較大。在活立木和新鮮材中，樹脂處于液態(tài)，對鉆針阻力的影響較??；在干材中，樹脂處于固態(tài)，對鉆針阻力影響較大。木材含水率越低，含有樹脂較高的木材越堅硬，鉆針阻力越大。因此，當(dāng)樹脂含量較高時，鉆針阻力與含水率負(fù)相關(guān)。

4）鉆針阻力受鉆針路徑、鉆針磨損程度、鉆針振動幅度等因素的影響。鉆針阻力只能反映出鉆針路徑上的木材力學(xué)性質(zhì)特征，而木材是典型的非均質(zhì)材料，不同路徑上的鉆針阻力存在較大差異。在測量同一試件不同含水率的鉆針阻力時，鉆針路徑是不相同的，因此不同的鉆針路徑也會導(dǎo)致鉆針阻力存在一定的差異。隨著鉆針使用次數(shù)的增加，鉆針針頭磨損越厲害，鉆針鋒利程度下降，鉆針阻力增大。所以，不同的測試次序也會導(dǎo)致鉆針阻力值存在差異。微鉆阻力儀鉆針長500 mm，針桿直徑1.5 mm，鉆針又細(xì)又長，當(dāng)鉆針高速旋轉(zhuǎn)時，鉆針振動幅度較大，特別當(dāng)木材材質(zhì)比較堅硬時，鉆針振動幅度很大，導(dǎo)致鉆針阻力變化幅度很大。因此，每次取樣鉆針阻力時，鉆針震動幅度可能存在一定的差異，導(dǎo)致鉆針阻力存在一定的差異。所以，微鉆阻力儀測量的鉆針阻力存在一定的測量誤差，當(dāng)木材含水率對鉆針阻力影響的幅度小于阻力測量誤差時，鉆針阻力不能反映出含水率對鉆針阻力的影響。

在本研究中，毛白楊、泡桐、馬尾松、麻梨這4 個樹種，當(dāng)含水率低于某一個閾值時，濕木與絕干狀態(tài)下的鉆針阻力差值隨含水率的增加而增加，當(dāng)含水率高于某一個閾值時，濕木與絕干狀態(tài)下的鉆針阻力差值隨含水率的增加而減小，直到阻力差值趨于一個穩(wěn)定值，說明在這4 個樹種中，當(dāng)含水率從絕干狀態(tài)逐步增加時，鉆針阻力增加，當(dāng)含水率增加到某個值時，鉆針阻力值最大，當(dāng)含水率再增加時，鉆針阻力值逐漸減小直到一個穩(wěn)定的值。這可能是這4 個樹種的木材在處于絕干狀態(tài)時，木材韌性較小，木材纖維之間的連接力較小，使鉆針阻力值較小。當(dāng)含水率從絕干狀態(tài)逐步增加時，木材韌性增加對鉆針阻力的影響程度大于木材強(qiáng)度和硬度變小對鉆針阻力的影響程度，使鉆針阻力增加。當(dāng)含水率增加到某一個值時，木材韌性增加對鉆針阻力的影響程度小于木材強(qiáng)度和硬度下降對鉆針阻力的影響程度，使鉆針阻力減小。當(dāng)木材含水率增加到飽和狀態(tài)時，鉆針阻力受含水率的影響較小。麻梨、李、桃和櫻桃這4 個樹種濕木狀態(tài)與絕干狀態(tài)下鉆針阻力平均值差值的平均值小于0，說明從整體上這4 個樹種鉆針阻力與木材含水率負(fù)相關(guān)，這可能是果木木材的樹脂含量較高、木材干縮率和濕脹率較大引起的，木材含水率越低，木材越堅硬致密，鉆針阻力較大。杉木、櫻桃和麻櫟的含水率與濕木狀態(tài)與干木狀態(tài)下鉆針阻力差值的GAM 模型擬合結(jié)果非常差，這3 個樹種的GAM模型的R2均為0。在本試驗中，杉木的年輪線不規(guī)則，櫻桃樹的髓心附近的纖維較粗，鉆針較大，導(dǎo)致這兩個樹種不同路徑下的鉆針阻力差異較大。麻櫟木材密度大，鉆針震動幅度較大，使鉆針阻力變化幅度較大。因此，在本試驗中，杉木、櫻桃和麻櫟3 個樹種鉆針阻力不能反映出含水率對鉆針阻力的影響關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

1）含水率對鉆針阻力有顯著影響。各樹種包含木材含水率和木材絕干密度雙因子GAM 模型的擬合效果比僅包含木材絕干密度單因子GAM 模型的擬合效果在顯著性水平0.01 上有顯著性提高，R2平均提高了52.620 個百分點，方差解釋率平均提高了48.892 個百分點，AIC 平均降低了5.489個百分點。

2）從宏觀上分析，麻梨、李、桃和櫻桃這4個樹種鉆針阻力與木材含水率負(fù)相關(guān)；毛白楊、泡桐、馬尾松、杉木、麻櫟這5 個樹種鉆針阻力與木材含水率正相關(guān)。

3）從微觀上分析，含水率對鉆針阻力影響規(guī)律差異較大，對杉木、櫻桃和李樹這3 個樹種的影響呈線性或者近似線性規(guī)律變化；對毛白楊、泡桐、馬尾松、桃、李、麻櫟這6 個樹種的影響呈非線性規(guī)律變化，且影響規(guī)律差異較大。

因此，在使用微鉆阻力儀時，需要盡量減小被測對象之間含水率的差異，如果被測對象含水率差異較大時，需要建立不同樹種含水率與鉆針阻力之間的數(shù)據(jù)模型，以提高微鉆阻力儀的測量精度。

3.2 討 論

微鉆阻力儀鉆針阻力受木材力學(xué)強(qiáng)度的影響，由于木材的力學(xué)強(qiáng)度受木材含水率的影響比較大，為了科學(xué)、合理地解釋微鉆阻力儀鉆針阻力，本研究進(jìn)一步研究含水率對鉆針阻力的影響程度，減小含水率對微鉆阻力儀測量精度的影響。盡管已經(jīng)有大量學(xué)者研究了含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系，但研究結(jié)果存在較大差異。Ukrainetz 等[22]測試了含水率分別為19%、25%和168%的云杉樹干的阻力，研究發(fā)現(xiàn)含水率對鉆針阻力有較大影響，鉆針阻力隨著木材含水率的增加而增大。張曉芳等[23]把新鮮落葉松、新鮮毛白楊、新鮮杉木、舊落葉松、舊楠木和舊紅松加工成2 cm×2 cm×2 cm 試件，新鮮木材的含水率分別控制在0%（絕干狀態(tài)）、12%左右（氣干狀態(tài)）、30%左右（平衡含水率）和100%，舊木材的含水率控制在12%左右，在不同含水率下使用微鉆阻力儀取樣每個試件的阻力數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)：含水率對新鮮落葉松和新鮮杉木阻力影響不太顯著，且未發(fā)現(xiàn)含水率對這2 個樹種的鉆針阻力影響規(guī)律；含水率對新鮮毛白楊阻力影響非常顯著，且鉆針阻力隨著含水率的增加而增加。王燕婷[24]把杉木（Chinese fir）木材加工成80 個2 cm×2 cm×30 cm 的試件，使用恒溫恒濕箱和干燥箱將試件含水率分別控制在0%、6%、9%、12%、15%、18%、24%和30%，在不同含水率下使用微鉆阻力儀對每個試件取樣3 次阻力數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)：微鉆阻力儀旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)給方向上的阻力均與含水率負(fù)相關(guān)，旋轉(zhuǎn)方向上鉆針阻力與含水率的線性方程為R=728.252-9.439MC (R2=0.988，F(xiàn)=503)，進(jìn)給方向上的鉆針阻力與含水率的線性方程為R=593.787-6.63MC (R2=0.994，F(xiàn)=1 070.59)。從本研究中，麻梨、李、桃和櫻桃這4 個樹種鉆針阻力與木材含水率負(fù)相關(guān)；毛白楊、泡桐、馬尾松、杉木、麻櫟這5 個樹種鉆針阻力與木材含水率正相關(guān)。本研究分析了包含軟闊葉樹、針葉樹、硬闊葉樹的9 個樹種鉆針阻力與木材含水率之間的關(guān)系，研究結(jié)果對研究含水率與鉆針阻力之間的關(guān)系有一定的推動作用，但仍不能確定木材含水率對鉆針阻力影響的機(jī)理，在以后仍需進(jìn)一步研究。

致謝：感謝中國林業(yè)科學(xué)研究院唐守正院士對論文的選題及撰寫等給予的精心指導(dǎo)。