不同強(qiáng)度修枝對(duì)杉木木材密度、硬度及無節(jié)材比例的影響1)

陳明旭 沙子舟 范少輝

(國(guó)家林草局杉木工程技術(shù)研究中心(福建農(nóng)林大學(xué)),福州,350002) (國(guó)際竹藤中心竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

葉代全 馬祥慶 何宗明

(福建省洋口國(guó)有林場(chǎng)) (國(guó)家林草局杉木工程技術(shù)研究中心(福建農(nóng)林大學(xué)))

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)是我國(guó)南方主要造林樹種,具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好等特點(diǎn)[1],是我國(guó)人工林面積最大的造林樹種。由于杉木側(cè)枝較多,側(cè)枝枯死后不易脫落,留存在樹干上,易被樹干包裹在內(nèi),形成木材中的節(jié)疤,影響木材的美觀,降低木材質(zhì)量[2-4]。因此,培育杉木無節(jié)材成為當(dāng)前林業(yè)生產(chǎn)上急需解決的重要課題[5]。

大量研究表明,修枝是培育無節(jié)材的有效營(yíng)林措施,能改善木材品質(zhì),增加木材價(jià)值[6-9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了修枝對(duì)主要樹種人工林生長(zhǎng)和木材品質(zhì)影響的研究,取得了一些成果[2,9-10]。但目前有關(guān)杉木人工林修枝方面的研究不多。鄒紹榮[11]對(duì)杉木無節(jié)材培育的修枝技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。程朝陽[12]研究發(fā)現(xiàn)修枝對(duì)杉木生長(zhǎng)有顯著影響。沙子舟[13]、張群等[14]對(duì)修枝9、20 a杉木生長(zhǎng)研究表明,合適的修枝強(qiáng)度能促進(jìn)杉木胸徑生長(zhǎng)。然而有關(guān)修枝對(duì)杉木木材品質(zhì)方面影響的研究較少,缺乏修枝對(duì)杉木木材干形與材性的長(zhǎng)期影響研究。

鑒于此,課題組1999年12月選取福建省洋口國(guó)有林場(chǎng)4年生杉木林為研究對(duì)象,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),開展4種不同強(qiáng)度修枝對(duì)杉木林生長(zhǎng)、材性影響的長(zhǎng)期定位研究。2020年1月對(duì)不同強(qiáng)度修枝20 a的杉木林進(jìn)行生長(zhǎng)和木材材性的調(diào)查、測(cè)定[13],探討不同強(qiáng)度修枝對(duì)杉木干形、密度、硬度、無節(jié)材比例的影響,篩選可供生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的杉木無節(jié)材培育修枝技術(shù),為杉木無節(jié)材培育提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省順昌縣洋口國(guó)有林場(chǎng)打鐵坑工區(qū),為武夷山支脈的低山丘陵區(qū),年平均降水量為1 880 mm,年平均氣溫為18.5 ℃。土壤為山地紅壤,黏質(zhì)壤土;林地前茬為馬尾松人工林,1995年皆伐后進(jìn)行煉山、挖穴整地;1996年春進(jìn)行杉木造林;1999年底選擇4年生杉木幼齡林開展不同修枝強(qiáng)度試驗(yàn);2015年底對(duì)不同杉木試驗(yàn)林進(jìn)行第二次間伐,間伐后林分保留密度700株·hm-2。

2 研究方法

1999年在福建省順昌縣洋口國(guó)有林場(chǎng)選擇4年生杉木林為研究對(duì)象,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)開展不同修枝強(qiáng)度試驗(yàn)。不同修枝強(qiáng)度處理分別為:修除樹干直徑6、8、10、12 cm位置以下枝條,每個(gè)處理4次重復(fù),共設(shè)16個(gè)處理小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積600 m2,修枝后試驗(yàn)林保留密度1 200株·hm-2。2015年對(duì)不同試驗(yàn)林進(jìn)行第二次間伐,間伐后林分保留密度700株·hm-2。

1999年在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中,隨機(jī)選擇30株杉木目標(biāo)樹,進(jìn)行不同修枝強(qiáng)度處理,其余不修枝杉木作為對(duì)照處理。修枝強(qiáng)度以修枝處樹干直徑作為控制指標(biāo),將修枝強(qiáng)度分為6、8、10、12 cm這4個(gè)等級(jí),即修枝時(shí)以樹干任意位置直徑達(dá)到修枝強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為修枝粗度基準(zhǔn),修去修枝基準(zhǔn)點(diǎn)以下樹干上所有枝條(修枝強(qiáng)度分別簡(jiǎn)稱為強(qiáng)度I、II、III、IV)。傳統(tǒng)林木修枝強(qiáng)度多以樹冠層高度來進(jìn)行控制,本研究采用直徑作為控制指標(biāo)更有利于培育相同規(guī)格的無節(jié)材。當(dāng)修枝高度達(dá)到樹高7 m時(shí),可滿足普通鋸材原木的需求,將此時(shí)期作為修枝停止時(shí)間,此后不再進(jìn)行修枝。

木材樣品取樣方法:2020年1月在對(duì)不同修枝強(qiáng)度杉木林進(jìn)行全面調(diào)查基礎(chǔ)上,按照平均標(biāo)準(zhǔn)木法,選擇不同修枝強(qiáng)度和未修枝處理的標(biāo)準(zhǔn)木。每個(gè)試驗(yàn)處理選擇3株標(biāo)準(zhǔn)木,4個(gè)不同修枝強(qiáng)度處理和對(duì)照處理共砍伐15株標(biāo)準(zhǔn)木。鑒于本研究杉木修枝處理控制在樹干7 m以下,只調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)木7.3 m以下部分,每株標(biāo)準(zhǔn)木分成4段([0,1.3)、[1.3,3.3)、[3.3,5.3)、[5.3,7.3]m)[15],帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同修枝處理杉木木材品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。

杉木木材尖削度測(cè)定方法:尖削度是樹木生長(zhǎng)過程中其單位長(zhǎng)度直徑變化的參數(shù),尖削度越小,林木出材量就越大。鑒于尖削度是表征木材品質(zhì)的重要指標(biāo),本試驗(yàn)選取不同修枝強(qiáng)度處理杉木樹高[1.3,7.3]m木段進(jìn)行樹干尖削度測(cè)定。以1.3 m處的直徑為大頭直徑、7 m處的直徑為小頭直徑,即尖削度等于大頭直徑與小頭直徑的差與材長(zhǎng)之比,尖削度(T,%)計(jì)算公式如下[16]:

式中:D1.3為杉木樹高1.3 m處的直徑(cm);D7為杉木樹高7 m處的直徑(cm)。

杉木木材形率測(cè)定方法:一般用樹干上某一位置直徑與比較直徑之比的形率(q,%)來表示樹干形狀變化。本研究通過測(cè)定樹高4、7 m處的形率值,由此來比較不同修枝處理樹干干形的差異。在樹干長(zhǎng)度固定條件下,形率值越接近1,說明干形越好[17]。

q4=D4/D1.3,

q7=D7/D4,

q=(q4+q7)/2。

式中:q4為木材4 m處形率值;q7為木材7 m處形率值;q為木材整體形率值;D4為杉木樹高4 m處的直徑(cm);D1.3為杉木樹高1.3 m處的直徑(cm);D7為杉木樹高7 m處的直徑(cm)。

杉木無節(jié)材比例的測(cè)定方法:選取4種不同修枝強(qiáng)度處理和對(duì)照杉木標(biāo)準(zhǔn)木各3株,采用樹干剖析法進(jìn)行修枝段[0,7.3]m標(biāo)準(zhǔn)木無節(jié)材比例的測(cè)定。為保證精確測(cè)定到標(biāo)準(zhǔn)木的每一個(gè)節(jié)子,將標(biāo)準(zhǔn)木按照20 mm厚度鋸板(圖1),把每株平均木圓木按2 m長(zhǎng)度分段鋸成厚20 mm、長(zhǎng)2 m的杉木板。

圖1 不同試驗(yàn)處理杉木標(biāo)準(zhǔn)木鋸板示意圖

不同試驗(yàn)處理杉木標(biāo)準(zhǔn)木鋸成板后,將每塊木板上每個(gè)節(jié)子近似看作一個(gè)臺(tái)體(圖2),利用透明的標(biāo)準(zhǔn)紙鋪在杉木板上,描出每個(gè)板材上下兩面節(jié)子的形狀,通過測(cè)定每個(gè)圓臺(tái)體上下兩面的面積,利用臺(tái)體體積公式,計(jì)算出每塊板上每個(gè)節(jié)子的體積(V,cm3),再除以整塊木板的體積(Vm,cm3),計(jì)算出每塊木板的無節(jié)材所占比例(P),可用公式表示為:

圖2 杉木板上節(jié)子臺(tái)體的示意圖

臺(tái)體體積計(jì)算公式:

式中:V為臺(tái)體體積(cm3);h為臺(tái)體高度(mm),即木材厚度(mm);r為臺(tái)體上底半徑(mm);R為臺(tái)體下底半徑(mm)。

杉木木材密度與硬度測(cè)定方法:選取不同修枝強(qiáng)度處理和對(duì)照杉木平均木,在室內(nèi)氣干后,加工成無疵小試樣。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1933-2009《木材密度測(cè)定方法》[18]、GB/T 1941-2009《木材硬度試驗(yàn)方法》[19],進(jìn)行不同修枝強(qiáng)度處理杉木木材氣干密度、全干密度、弦面硬度、端面硬度、徑面硬度的測(cè)定[20-21]。

利用SPSS 25.0軟件進(jìn)行修枝、未修枝處理杉木測(cè)定指標(biāo)的配對(duì)t檢驗(yàn),檢驗(yàn)修枝強(qiáng)度對(duì)杉木干形指標(biāo)的影響;采用方差分析與最小顯著性差異法(LSD),檢驗(yàn)不同修枝強(qiáng)度間木材氣干密度、全干密度、弦面硬度、端面硬度、徑面硬度、無節(jié)材比例的影響[22]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同修枝強(qiáng)度對(duì)杉木木材干形的影響

3.1.1 木材尖削度

不同修枝強(qiáng)度對(duì)杉木木材尖削度有顯著影響(表1)。修枝20 a后的杉木木材尖削度隨修枝強(qiáng)度的變化呈下降趨勢(shì),從大到小依次為對(duì)照處理(CK)、強(qiáng)度IV、強(qiáng)度III、強(qiáng)度I、強(qiáng)度II,其中修枝強(qiáng)度II顯著降低了木材尖削度(P<0.05),與對(duì)照處理的差異達(dá)顯著水平,其他修枝強(qiáng)度處理與對(duì)照處理的差異未達(dá)顯著水平。結(jié)果表明,修枝強(qiáng)度II降低了杉木木材的尖削度,尖削度越小,木材越飽滿通直。

表1 不同修枝強(qiáng)度時(shí)杉木木材的干形

3.1.2 木材形率

不同修枝強(qiáng)度對(duì)杉木人工林形率的影響顯著(表1)。修枝20 a后的杉木木材形率隨修枝強(qiáng)度的變化而呈增大趨勢(shì),從大到小依次為強(qiáng)度II、I、III、IV、對(duì)照處理(CK),不同修枝強(qiáng)度與對(duì)照處理的差異均達(dá)到顯著水平,修枝強(qiáng)度II與修枝強(qiáng)度III、IV之間的差異也達(dá)到顯著水平(P<0.05),修枝強(qiáng)度II處理杉木干形形率比修枝強(qiáng)度IV處理提高3.23%。結(jié)果表明,人工修枝明顯改善了杉木木材的干形。

3.2 不同修枝強(qiáng)度對(duì)杉木木材密度、硬度及無節(jié)材比例的影響

3.2.1 木材密度

不同修枝強(qiáng)度對(duì)杉木木材氣干密度、全干密度有不同程度的影響(表2)。修枝20 a后的杉木木材氣干密度、全干密度均隨修枝強(qiáng)度的增大而減小,整體從大到小依次為對(duì)照處理(CK)、強(qiáng)度IV、III、II、I。強(qiáng)度I、II、III的杉木木材氣干密度、全干密度均顯著小于修枝強(qiáng)度IV以及對(duì)照處理,其中強(qiáng)度I、II、III的杉木木材氣干密度、全干密度之間的差異達(dá)到顯著水平,結(jié)果表明,修枝明顯降低了杉木木材的密度。

表2 不同修枝強(qiáng)度時(shí)杉木木材的密度

3.2.2 木材硬度

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

與未修枝對(duì)照處理相比,強(qiáng)度I顯著提高了杉木木材端面硬度、徑面硬度;強(qiáng)度II顯著降低了杉木木材弦面硬度;強(qiáng)度III顯著降低了杉木木材弦面硬度、徑面硬度;強(qiáng)度IV顯著降低了杉木木材弦面硬度(表3)。其中,強(qiáng)度I杉木木材的端面硬度、弦面硬度、徑面硬度均顯著高于強(qiáng)度II、III、IV處理。

表3 不同修枝強(qiáng)度時(shí)杉木木材的硬度

3.2.3 木材節(jié)子長(zhǎng)度

按照杉木木材節(jié)子長(zhǎng)度進(jìn)行的頻率分析結(jié)果見表4。在離地1.3～7.3 m范圍內(nèi),[0,10]mm長(zhǎng)度節(jié)子頻率隨修枝強(qiáng)度增加而增大,[11,20]mm長(zhǎng)度節(jié)子頻率隨修枝強(qiáng)度增加而減小,修枝強(qiáng)度對(duì)杉木木材節(jié)子長(zhǎng)度有顯著影響。

表4 不同修枝強(qiáng)度時(shí)杉木節(jié)子的長(zhǎng)度

3.2.4 無節(jié)材比例

不同修枝強(qiáng)度木材的無節(jié)材比例比未修枝對(duì)照處理提高5%～15%(表5)。隨修枝強(qiáng)度增加,杉木無節(jié)材比例呈顯著增加趨勢(shì),從大到小依次為強(qiáng)度I、II、III、IV、對(duì)照處理(未修枝)。結(jié)果表明,修枝能明顯提高杉木木材的無節(jié)材比例。在相同修枝強(qiáng)度時(shí),杉木木材無節(jié)材比例隨樹干高度的增加呈下降趨勢(shì),修枝效果最明顯的木材區(qū)段是[1.3,5.3]m的位置。

表5 不同修枝強(qiáng)度時(shí)杉木的無節(jié)材比例

4 討論與結(jié)論

大量研究表明,修枝對(duì)人工林木材品質(zhì)有顯著影響。通過密度控制、修枝等措施對(duì)人工林株行距、林冠、生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整,可改善林木木材的節(jié)子、干形、早晚材、年輪寬度、密度、管胞長(zhǎng)度等,并提高林分木材的一致性[21,23]。肖祥希[24]以修枝后枝下高度占樹高比例為修枝強(qiáng)度處理,研究發(fā)現(xiàn)修枝提高了福建柏木材的高徑比,與未修枝處理相比,修枝木材的高徑比增加7.0%～14.1%;同時(shí),修枝降低了福建柏木材尖削度。福建柏樹干圓滿度以修枝強(qiáng)度50%為最佳,60%～70%、40%修枝強(qiáng)度的效果較差。本研究表明:修枝20 a后明顯改善了杉木木材的干形,木材尖削度隨修枝強(qiáng)度增加呈下降趨勢(shì),未修枝木材尖削度為1.05%,修枝木材尖削度均小于0.92%。這與修枝后樹干中形成死節(jié),阻擋同化物質(zhì)由樹冠向下運(yùn)輸,導(dǎo)致修枝切口上方的樹干生長(zhǎng)量增加,而切口下部樹干生長(zhǎng)量相對(duì)減少有關(guān)[24-25]。

修枝對(duì)人工林木材密度有顯著影響。一般生長(zhǎng)快的樹木,木材密度呈下降趨勢(shì)[26]。張群[14]研究修枝對(duì)杉木木材力學(xué)性質(zhì)的影響中,發(fā)現(xiàn)修枝降低了杉木木材密度。沙子舟[13]研究發(fā)現(xiàn),在修枝后1～8 a,6、8 cm高強(qiáng)度修枝顯著抑制杉木胸徑和單株材積生長(zhǎng);10、12 cm低強(qiáng)度修枝顯著促進(jìn)杉木胸徑和單株材積生長(zhǎng);但修枝20 a后不同強(qiáng)度修枝對(duì)杉木林生長(zhǎng)的影響未達(dá)顯著水平。本研究發(fā)現(xiàn),6、8 cm高強(qiáng)度修枝顯著降低杉木木材密度,10、12 cm低強(qiáng)度修枝降低木材密度的作用未達(dá)顯著水平。這與高強(qiáng)度修枝時(shí),修除的枝條多,導(dǎo)致葉光合面積損失,進(jìn)而影響杉木光合作用有關(guān)。高強(qiáng)度修枝前期降低了杉木生長(zhǎng),但隨后杉木葉光合面積恢復(fù),光合作用逐漸增強(qiáng),杉木生長(zhǎng)加快。高強(qiáng)度修枝杉木總生長(zhǎng)量小于未修枝,其木材密度呈顯著降低趨勢(shì)。

大量研究表明,節(jié)子是木材的自然缺陷,造成樹木纖維走向背離和扭曲,導(dǎo)致木材強(qiáng)度降低[24]。本研究表明,修枝對(duì)杉木木材節(jié)子長(zhǎng)度有顯著降低作用,能顯著提高杉木無節(jié)材比例。修枝措施修除樹冠下方枝條,樹體內(nèi)殘留的枝條基部被繼續(xù)生長(zhǎng)的樹體包裹進(jìn)內(nèi)形成節(jié)子。由于枝條已經(jīng)死亡,節(jié)子長(zhǎng)度不再增加,節(jié)子體積不再增大,之后生長(zhǎng)的木材就是無節(jié)材。所以,修枝措施能明顯增加無節(jié)材比例。

在杉木無節(jié)材培育過程中,要綜合考慮修枝強(qiáng)度對(duì)杉木生長(zhǎng)、材性的影響及修枝成本,在4種修枝強(qiáng)度中,修枝強(qiáng)度III能明顯增加無節(jié)材比例,且不明顯影響杉木生長(zhǎng),是值得杉木無節(jié)材培育推廣的修枝強(qiáng)度。