不同坡向白樺木材材性與生長特性及其相關(guān)性研究

楊志慧, 王夢蕾, 孫照斌*, 唐 爽, 張曉燕

(1.隆化國有林場管理處徐八屋林場,河北 隆化068150;2.河北農(nóng)業(yè)大學林學院,河北 保定 071000;3.河北能源職業(yè)技術(shù)學院,河北 唐山063004)

白樺在我國分布廣泛,遍及東北、華北、西北和西南的四川等地,可作鋸材、單板材和紙漿材,是多種工業(yè)用材的原料[1]。近年來越來越多的學者對不同樹種的生長特性與木材材性的關(guān)系展開研究,如馬尾松的胸徑、材積與其木材力學性能呈顯著負相關(guān)關(guān)系[2];雜種落葉松的冠幅與胸徑、材積存在極顯著正相關(guān)關(guān)系[3];美洲黑楊無性系樹高、胸徑和材積之間呈極顯著正遺傳相關(guān)[4,5];油松建筑材林材性與生長性狀之間不相關(guān)[6];黑樺的生長特性與木材解剖特性存在顯著相關(guān),但與木材物理力學特性之間相關(guān)性較小[7];尾細桉F1子代生長性狀與木材基本密度呈顯著正相關(guān)[8]。

本研究通過對冀北山區(qū)河北省承德隆化縣不同坡向白樺天然林的生長特性、木材材性及其相關(guān)性進行研究分析,旨在為冀北山區(qū)白樺的工業(yè)原料林定向培育與加工利用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗樣木于2016年10月采自承德隆化縣茅荊壩林場小冰榔溝,面積413.33 hm2,平均海拔1 250 m,年平均氣溫7.9℃,年降水量460～580 mm。全場植被類型以天然次生落葉林為主,白樺次生林是本區(qū)域的典型森林類型,土壤類型為棕壤土。標準地概況及樣木基本信息見表1。陰坡與半陰坡分別采集解析木各3株。

表1 標準地概況及樣木基本情況

1.2 試驗方法

1.2.1 生長特性試驗方法

采用兩米取段法[9]截取圓盤,并對圓盤的工作面進行刨光處理。量取各個高度圓盤東、西、南、北4個方向年輪寬度,計算各調(diào)查因子胸徑、樹高及材積連年生長量、平均生長量。

1.2.2 木材物理力學特性

(1)物理特性:木材物理特性主要包括木材密度、干縮性和濕漲性等指標,其中木材密度是主要測試指標,按照《GB/T 1932-2009 木材密度測定方法》進行測定。

(2)力學特性:木材抗彎強度、抗彎彈性模量、橫紋抗壓強度、順紋抗壓強度分別按照《GB/T 1936-1-2009木材抗彎強度試驗方法》、《GB/T 1936-2-2009木材抗彎彈性模量測定方法》、《GB/T 1939-2009木材橫紋抗壓試驗方法》、《GB/T 1935-2009木材順紋抗壓強度試驗方法》進行測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2016軟件和SPSS20.0進行;相關(guān)性分析采用SPSS20.0中Pearson相關(guān)分析法進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長特性

2.1.1 樹高生長

陰坡與半陰坡白樺樹高生長量見圖1和圖2。

圖1 陰坡白樺樹高生長量 圖2 半陰坡白樺樹高生長量

由圖1可知,白樺為速生樹種,0～5 a為樹高的速生期,達到最大值,為0.915 m。樹高連年生長量5～15 a間呈先下降后上升的趨勢,20～25 a間下降幅度較大,45a時略有上升波動。陰坡白樺樹高平均生長量在5～10 a時下降迅速,隨后緩慢下降,50 a時達最小值為0.38 cm。

由圖2可知,半陰坡白樺樹高連年生長量和平均生長量總體均呈下趨勢,連年生長量在5～20 a時下降迅速,此后趨于平緩。連年生長量和平均生長量均在50 a時達到最小值,分別為0.153 m、0.352 m。半陰坡50年生白樺樹高連年生長量和平均生長量的曲線未相交。

2.1.2 胸徑生長

陰坡與半陰坡白樺胸徑生長量見圖3和圖4。

圖3 陰坡白樺樹胸徑生長量 圖4 半陰坡白樺樹胸徑生長量

由圖3可知,陰坡白樺胸徑最快成長期為5～20 a,在20 a時達到最大值,連年生長量為0.714 cm,平均生長量最大值發(fā)生在20～25 a,比連年生長量出現(xiàn)的峰值要晚,而且在峰值后平均生長量總是大于連年生長量,這符合樹木生長的一般規(guī)律在27 a時陰坡上白樺胸徑的平均生長量和連年生長量相交。20～35 a間下降幅度較大,到40 a時略有上升趨勢,隨后緩慢下降,50 a時達最小值為0.157 cm。白樺胸徑平均生長量在第10 a時略有下降,隨后增長迅速,在25 a時達到最大值,為0.546 cm,25～50 a呈緩慢下降趨勢,50 a時達最小值為0.391 cm。

由圖4可知,半陰坡白樺胸徑連年生長量總體變化趨勢為:5～15 a間呈增長趨勢,第15 a時達到最大值,為0.698 cm,15～50 a間呈下降-上升-下降趨勢,變化幅度較大,35～40 a時變化幅度較小,40 a以后迅速下降,50 a時胸徑連年生長量最小達0.067 8 cm。白樺胸徑平均生長量在5～10 a時呈上升趨勢,15 a達最大值為0.562 cm,隨后一直緩慢下降,50 a時連年生長量為0.377 cm。半陰坡白樺胸徑平均生長量和連年生長量在18 a時相交。

2.1.3 材積生長

陰坡白樺材積生長量見圖5。半陰坡白樺材積生長量見圖6。兩種坡向白樺生長特性方差分析見表2。

圖5 陰坡白樺材積生長量 圖6 半陰坡白樺材積生長量

表2 兩種坡向白樺生長特性方差分析

由圖5可知,陰坡白樺材積連年生長量前15 a增長幅度較小,只有0.002 m3,15～25 a時增長迅速,25 a時達到最大為0.009 2 m3,此階段為白樺材積生長的速生期,隨后緩慢下降,40 a時略有上升波動,后45～50 a期間下降幅度較大,材積生長進入慢生期。平均生長量在45 a左右時達到最大,達0.005 5 m3左右,46 a時連年生長量和平均生長量曲線相交,說明陰坡上白樺的數(shù)量成熟齡確定在46 a左右。

由圖6可知,半陰坡白樺材積連年生長量前15 a增長幅度較小,只有0.001 6 m3,15～25 a時增長迅速,25 a時達到最大為0.007 7 m3,此階段為白樺材積生長的速生期,隨后呈下降趨勢,40～45 a時變化較小,材積生長進入慢生期。平均生長量在45 a左右時達到最大,達0.004 5 m3左右,46 a時連年生長量和平均生長量曲線相交,說明半陰坡白樺的數(shù)量成熟齡確定在46 a左右。

由表2可知,兩種坡向間白樺胸徑生長量和材積生長量沒有顯著差異(P>0.05)。兩種坡向間白樺樹高生長量差異極顯著(P<0.01)。

2.2 木材密度與力學特性

2.2.1 木材密度

兩種坡向間白樺木材密度測量結(jié)果與方差分析見表3。

表3 兩種坡向間白樺木材密度測量結(jié)果與方差分析

由表3可知,陰坡白樺木材氣干密度、全干密度、基本密度的平均值分別為0.65 g/cm3、0.66 g/cm3、0.53 g/cm3,半陰坡白樺木材氣干密度、全干密度、基本密度的平均值分別為0.60 g/cm3、0.61 g/cm3、0.51 g/cm3。陰坡白樺木材氣干密度、全干密度、基本密度均大于半陰坡白樺木材。按木材材性分級規(guī)定[10],白樺在陰坡、半陰坡上的木材氣干密度、基本密度均屬于“Ⅲ”級;兩種坡向間白樺木材的氣干密度、全干密度和基本密度差異極顯著。

2.2.2 力學特性

兩種坡向間白樺木材的力學特性測量結(jié)果與方差分析見表4。

表4 兩種坡向間白樺木材的力學特性測量結(jié)果與方差分析

由表4可知,陰坡白樺木材的順紋抗壓強度、全部橫紋抗壓強度、局部橫紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量分別為67.18 MPa、9.81 MPa、9.8 MPa、130.52 MPa、16 256.61 MPa,半陰坡白樺木材的順紋抗壓強度、全部橫紋抗壓強度、局部橫紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量分別為61.46 MPa、8.80 MPa、7.11 MPa、115.44 MPa、15 239.82 MPa。白樺木材的力學特性中的抗彎彈性模量、抗彎強度、橫紋抗壓強度、順紋抗壓強度均表現(xiàn)為陰坡木材大于半陰坡的,其中順紋抗壓強度、抗彎彈性模量強度差異表現(xiàn)的更為明顯。兩種坡向間白樺木材橫紋全部抗壓強度和橫紋局部抗壓強度差異極顯著,順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量差異不顯著。

按木材材性分級規(guī)定,陰坡與半陰坡白樺順紋抗壓強度均處在第“Ⅳ”級水平;橫紋全部抗壓強度均處在第“Ⅲ”級別;橫紋局部抗壓強度均處在第“Ⅲ”級別?？箯潖椥阅Ａ烤鶎儆诘凇阿酢奔墑e。陰坡、半陰坡白樺木材強度值分別為197.7 MPa、176.9 MPa,白樺均屬于高強度木材。陰坡、半陰坡白樺木材的強度品質(zhì)系數(shù)分別為3 720.0×105Pa、3 468.62×105Pa,白樺在陰坡、半陰坡上的木材按照強度品質(zhì)系數(shù)等級分類,均屬于高品質(zhì)木材[11,12]。

2.3 相關(guān)性分析

2.3.1 生長特性與木材物理力學特性之間的相關(guān)性分析

生長特性與物理力學特性之間的相關(guān)性分析見表5。

表5 白樺生長特性與物理力學特性之間的相關(guān)性分析

由表5可知,陰坡上,白樺生長特性與氣干密度、全干密度呈不顯著的正相關(guān);與基本密度均達0.05水平正相關(guān)。生長特性與干縮性能、濕脹性能之間均未達到顯著相關(guān)。生長特性與順紋抗壓強度均呈0.05水平正相關(guān);與橫紋全部抗壓、橫紋局部抗壓強度呈不明顯的正相關(guān);材積與抗彎強度呈0.05水平負相關(guān);與抗彎彈性模量相關(guān)度不高。

半陰坡上,白樺生長特性與氣干密度、全干密度呈不顯著的正相關(guān);與基本密度達0.01水平正相關(guān)。生長特性與干縮性能、濕脹性能之間均未達到顯著水平相關(guān);生長特性與順紋抗壓強度呈0.01水平相關(guān);與橫紋全部抗壓、橫紋局部抗壓強度呈不明顯的相關(guān)水平;與抗彎強度、抗彎彈性模量呈不顯著相關(guān)。

2.3.2 木材密度與力學特性之間的相關(guān)性分析

基本密度與力學特性之間的相關(guān)性分析見表6。

表6 白樺木材密度與力學特性之間的相關(guān)性分析

由表6可知,陰坡上,基本密度與順紋抗壓強度、抗彎強度呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.763、0.793;與橫紋局部抗壓強度呈極顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.764;與橫紋全部抗壓強度呈顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.669;與抗彎彈性模量呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.694。半陰坡上,基本密度與順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.779、0.817、0.797;與橫紋局部抗壓強度呈極顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.792;與橫紋全部抗壓強度呈顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.856。

3 討論

3.1 生長特性

本研究中50 a生陰坡上的白樺樹高(19.0 m)顯著高于半陰坡(17.6 m)。一般在濕潤氣候條件下,樹木生長在陽坡或半陰半陽坡向比陰坡好。因為陽坡、半陰半陽坡向相對陰坡來說光照強,氣溫高,風力小,土壤深厚,對大多數(shù)樹種來說是良好的生長環(huán)境;相反在干燥地區(qū),陰坡陰濕適度,森林生長更新良好,優(yōu)于其他坡向[11-13]。白樺林在中國地區(qū)內(nèi)分布的地理特點具有如下規(guī)律:由北向南、由東向西,白樺林的分布由多漸少,由各坡向逐漸集中陰坡、半陰坡[14]。兩種坡向立地間,坡向直接影響著樹木的生長環(huán)境條件,包括溫度、濕度、土壤肥力等。由于華北地區(qū)陰坡太陽輻射柔和,土壤濕潤,溫度相對低,水分蒸發(fā)量較少,土壤肥力較高,腐殖質(zhì)含量較多;半陰坡日照總量較大,加上反射率低,吸收率高,使其容易出現(xiàn)高溫,造成水分蒸發(fā)量大,導致土壤干旱,土壤肥力較低,腐殖質(zhì)含量少。因此,陰坡的立地條件更適宜白樺生長。

有研究顯示,立地條件的好壞與胸徑、樹高、材積生長量呈正相關(guān)關(guān)系,天然次生林白樺生長受立地條件的影響較大,立地條件越好,培育適用工業(yè)原料生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)木材的可能性越大[15-17]。茅荊壩林場白樺胸徑生長高峰期(5～20 a)、數(shù)量成熟期(46 a)比郭延朋研究的塞罕壩林場白樺的晚[18],樹高生長高峰期兩地的基本一致;胸徑、樹高生長高峰期和數(shù)量成熟期較史忠閣研究東北地區(qū)白樺(胸徑生長高峰期25～50 a,樹高生長高峰期15～25 a,數(shù)量成熟期大于70 a)出現(xiàn)的早[19];不同立地條件下白樺生長存在一定的差異,生長高峰期時間不一。這與李兵兵[20]、劉相兵[21]研究不同立地條件對天然林白樺生長的影響結(jié)果一致。

3.2 物理力學特性

本研究中冀北山區(qū)天然林白樺木材物理力學特性等指標在兩種坡向間差異具有不同程度的顯著差異。陰坡白樺木材強度值和強度品質(zhì)系數(shù)分別為197.7 MPa、3 720.0×105Pa,半陰坡白樺分別為176.9 MPa、3 468.62×105Pa,。白樺在林木生長狀況較好的坡向上木材物理力學特性較優(yōu)。有研究顯示,林木生長量與木材各物理力學特性指標之間成促進作用或者抑制作用[22]。林木受到抑制,生長慢的劣勢個體木材材性受到影響;這是因為林木生長過程中,常因特殊的質(zhì)量因子,包括樹干通直、干性完滿、枝條粗細等間接影響了諸如抗風力、生活力、長期的發(fā)展趨勢及立地穩(wěn)定性,從而生長使木材材性發(fā)生改變。這與李海英研究樟子松[23]、林金國研究米老排[24]結(jié)果基本一致。木材材性變異十分復(fù)雜,兩種坡向間林木生長的影響機理、木材材性的內(nèi)在形成機理還有待進一步分析研究。

4 結(jié)論

(1)50 a生陰坡上的白樺,胸徑、樹高、材積總生長量為19.57 cm、19.0 m、0.268 3 m3;半陰坡上的白樺胸徑、樹高、材積總生長量為18.86 cm、17.6 m、0.216 4 m3。陰坡、半陰坡白樺樹高生長量達極顯著水平,其余生長量未達到顯著水平。

(2)陰坡白樺木材氣干密度、全干密度、基本密度均大于半陰坡白樺木材的。白樺木材的力學特性均表現(xiàn)為陰坡優(yōu)于半陰坡,白樺在陰坡、半陰坡上的木材均屬于高品質(zhì)木材。

(3)生長特性與陰坡白樺的基本密度、順紋抗壓強度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與半陰坡白樺的基本密度、順紋抗壓強度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與其他力學指標均不相關(guān);陰坡與半陰坡白樺的基本密度與順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與橫紋抗壓強度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。