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        不同坡向白樺木材材性與生長(zhǎng)特性及其相關(guān)性研究

        2023-11-06 07:35:40楊志慧王夢(mèng)蕾孫照斌張曉燕
        關(guān)鍵詞:陰坡橫紋白樺

        楊志慧, 王夢(mèng)蕾, 孫照斌*, 唐 爽, 張曉燕

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

        白樺在我國(guó)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(lái)越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)不同樹(shù)種的生長(zhǎng)特性與木材材性的關(guān)系展開(kāi)研究,如馬尾松的胸徑、材積與其木材力學(xué)性能呈顯著負(fù)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(wú)性系樹(shù)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(zhǎng)性狀之間不相關(guān)[6];黑樺的生長(zhǎng)特性與木材解剖特性存在顯著相關(guān),但與木材物理力學(xué)特性之間相關(guān)性較小[7];尾細(xì)桉F1子代生長(zhǎng)性狀與木材基本密度呈顯著正相關(guān)[8]。

        本研究通過(guò)對(duì)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(zhǎng)特性、木材材性及其相關(guān)性進(jìn)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(yàn)材料

        試驗(yàn)樣木于2016年10月采自承德隆化縣茅荊壩林場(chǎng)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(chǎng)植被類(lèi)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(lèi)型,土壤類(lèi)型為棕壤土。標(biāo)準(zhǔn)地概況及樣木基本信息見(jiàn)表1。陰坡與半陰坡分別采集解析木各3株。

        表1 標(biāo)準(zhǔn)地概況及樣木基本情況

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 生長(zhǎng)特性試驗(yàn)方法

        采用兩米取段法[9]截取圓盤(pán),并對(duì)圓盤(pán)的工作面進(jìn)行刨光處理。量取各個(gè)高度圓盤(pán)東、西、南、北4個(gè)方向年輪寬度,計(jì)算各調(diào)查因子胸徑、樹(shù)高及材積連年生長(zhǎng)量、平均生長(zhǎng)量。

        1.2.2 木材物理力學(xué)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(biāo),其中木材密度是主要測(cè)試指標(biāo),按照《GB/T 1932-2009 木材密度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定。

        (2)力學(xué)特性:木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、橫紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度分別按照《GB/T 1936-1-2009木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、《GB/T 1936-2-2009木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》、《GB/T 1939-2009木材橫紋抗壓試驗(yàn)方法》、《GB/T 1935-2009木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)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(jìn)行;相關(guān)性分析采用SPSS20.0中Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 生長(zhǎng)特性

        2.1.1 樹(shù)高生長(zhǎng)

        陰坡與半陰坡白樺樹(shù)高生長(zhǎng)量見(jiàn)圖1和圖2。

        圖1 陰坡白樺樹(shù)高生長(zhǎng)量 圖2 半陰坡白樺樹(shù)高生長(zhǎng)量

        由圖1可知,白樺為速生樹(shù)種,0~5 a為樹(shù)高的速生期,達(dá)到最大值,為0.915 m。樹(shù)高連年生長(zhǎng)量5~15 a間呈先下降后上升的趨勢(shì),20~25 a間下降幅度較大,45a時(shí)略有上升波動(dòng)。陰坡白樺樹(shù)高平均生長(zhǎng)量在5~10 a時(shí)下降迅速,隨后緩慢下降,50 a時(shí)達(dá)最小值為0.38 cm。

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

        2.1.2 胸徑生長(zhǎng)

        陰坡與半陰坡白樺胸徑生長(zhǎng)量見(jiàn)圖3和圖4。

        圖3 陰坡白樺樹(shù)胸徑生長(zhǎng)量 圖4 半陰坡白樺樹(shù)胸徑生長(zhǎng)量

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

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

        2.1.3 材積生長(zhǎng)

        陰坡白樺材積生長(zhǎng)量見(jiàn)圖5。半陰坡白樺材積生長(zhǎng)量見(jiàn)圖6。兩種坡向白樺生長(zhǎng)特性方差分析見(jiàn)表2。

        圖5 陰坡白樺材積生長(zhǎng)量 圖6 半陰坡白樺材積生長(zhǎng)量

        表2 兩種坡向白樺生長(zhǎng)特性方差分析

        由圖5可知,陰坡白樺材積連年生長(zhǎng)量前15 a增長(zhǎng)幅度較小,只有0.002 m3,15~25 a時(shí)增長(zhǎng)迅速,25 a時(shí)達(dá)到最大為0.009 2 m3,此階段為白樺材積生長(zhǎng)的速生期,隨后緩慢下降,40 a時(shí)略有上升波動(dòng),后45~50 a期間下降幅度較大,材積生長(zhǎng)進(jìn)入慢生期。平均生長(zhǎng)量在45 a左右時(shí)達(dá)到最大,達(dá)0.005 5 m3左右,46 a時(shí)連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量曲線相交,說(shuō)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(zhǎng)量前15 a增長(zhǎng)幅度較小,只有0.001 6 m3,15~25 a時(shí)增長(zhǎng)迅速,25 a時(shí)達(dá)到最大為0.007 7 m3,此階段為白樺材積生長(zhǎng)的速生期,隨后呈下降趨勢(shì),40~45 a時(shí)變化較小,材積生長(zhǎng)進(jìn)入慢生期。平均生長(zhǎng)量在45 a左右時(shí)達(dá)到最大,達(dá)0.004 5 m3左右,46 a時(shí)連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量曲線相交,說(shuō)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(zhǎng)量和材積生長(zhǎng)量沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。兩種坡向間白樺樹(shù)高生長(zhǎng)量差異極顯著(P<0.01)。

        2.2 木材密度與力學(xué)特性

        2.2.1 木材密度

        兩種坡向間白樺木材密度測(cè)量結(jié)果與方差分析見(jiàn)表3。

        表3 兩種坡向間白樺木材密度測(cè)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(jí)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(jí);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(xué)特性

        兩種坡向間白樺木材的力學(xué)特性測(cè)量結(jié)果與方差分析見(jiàn)表4。

        表4 兩種坡向間白樺木材的力學(xué)特性測(cè)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(qiáng)度、全部橫紋抗壓強(qiáng)度、局部橫紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)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(qiáng)度、全部橫紋抗壓強(qiáng)度、局部橫紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)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(xué)特性中的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為陰坡木材大于半陰坡的,其中順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎彈性模量強(qiáng)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(qiáng)度和橫紋局部抗壓強(qiáng)度差異極顯著,順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量差異不顯著。

        按木材材性分級(jí)規(guī)定,陰坡與半陰坡白樺順紋抗壓強(qiáng)度均處在第“Ⅳ”級(jí)水平;橫紋全部抗壓強(qiáng)度均處在第“Ⅲ”級(jí)別;橫紋局部抗壓強(qiáng)度均處在第“Ⅲ”級(jí)別。抗彎彈性模量均屬于第“Ⅴ”級(jí)別。陰坡、半陰坡白樺木材強(qiáng)度值分別為197.7 MPa、176.9 MPa,白樺均屬于高強(qiáng)度木材。陰坡、半陰坡白樺木材的強(qiáng)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(qiáng)度品質(zhì)系數(shù)等級(jí)分類(lèi),均屬于高品質(zhì)木材[11,12]。

        2.3 相關(guān)性分析

        2.3.1 生長(zhǎng)特性與木材物理力學(xué)特性之間的相關(guān)性分析

        生長(zhǎng)特性與物理力學(xué)特性之間的相關(guān)性分析見(jiàn)表5。

        表5 白樺生長(zhǎng)特性與物理力學(xué)特性之間的相關(guān)性分析

        由表5可知,陰坡上,白樺生長(zhǎng)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(dá)0.05水平正相關(guān)。生長(zhǎng)特性與干縮性能、濕脹性能之間均未達(dá)到顯著相關(guān)。生長(zhǎng)特性與順紋抗壓強(qiáng)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(qiáng)度呈不明顯的正相關(guān);材積與抗彎強(qiáng)度呈0.05水平負(fù)相關(guān);與抗彎彈性模量相關(guān)度不高。

        半陰坡上,白樺生長(zhǎng)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(dá)0.01水平正相關(guān)。生長(zhǎng)特性與干縮性能、濕脹性能之間均未達(dá)到顯著水平相關(guān);生長(zhǎng)特性與順紋抗壓強(qiáng)度呈0.01水平相關(guān);與橫紋全部抗壓、橫紋局部抗壓強(qiáng)度呈不明顯的相關(guān)水平;與抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量呈不顯著相關(guān)。

        2.3.2 木材密度與力學(xué)特性之間的相關(guān)性分析

        基本密度與力學(xué)特性之間的相關(guān)性分析見(jiàn)表6。

        表6 白樺木材密度與力學(xué)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(qiáng)度、抗彎強(qiáng)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(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.764;與橫紋全部抗壓強(qiáng)度呈顯著負(fù)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(qiáng)度、抗彎強(qiáng)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(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.792;與橫紋全部抗壓強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.856。

        3 討論

        3.1 生長(zhǎng)特性

        本研究中50 a生陰坡上的白樺樹(shù)高(19.0 m)顯著高于半陰坡(17.6 m)。一般在濕潤(rùn)氣候條件下,樹(shù)木生長(zhǎng)在陽(yáng)坡或半陰半陽(yáng)坡向比陰坡好。因?yàn)殛?yáng)坡、半陰半陽(yáng)坡向相對(duì)陰坡來(lái)說(shuō)光照強(qiáng),氣溫高,風(fēng)力小,土壤深厚,對(duì)大多數(shù)樹(shù)種來(lái)說(shuō)是良好的生長(zhǎng)環(huán)境;相反在干燥地區(qū),陰坡陰濕適度,森林生長(zhǎng)更新良好,優(yōu)于其他坡向[11-13]。白樺林在中國(guó)地區(qū)內(nèi)分布的地理特點(diǎn)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(shù)木的生長(zhǎng)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(yáng)輻射柔和,土壤濕潤(rùn),溫度相對(duì)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(dǎo)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(zhǎng)。

        有研究顯示,立地條件的好壞與胸徑、樹(shù)高、材積生長(zhǎng)量呈正相關(guān)關(guān)系,天然次生林白樺生長(zhǎng)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(chǎng)白樺胸徑生長(zhǎng)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(chǎng)白樺的晚[18],樹(shù)高生長(zhǎng)高峰期兩地的基本一致;胸徑、樹(shù)高生長(zhǎng)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(zhǎng)高峰期25~50 a,樹(shù)高生長(zhǎng)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(zhǎng)存在一定的差異,生長(zhǎng)高峰期時(shí)間不一。這與李兵兵[20]、劉相兵[21]研究不同立地條件對(duì)天然林白樺生長(zhǎng)的影響結(jié)果一致。

        3.2 物理力學(xué)特性

        本研究中冀北山區(qū)天然林白樺木材物理力學(xué)特性等指標(biāo)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(qiáng)度值和強(qiáng)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(zhǎng)狀況較好的坡向上木材物理力學(xué)特性較優(yōu)。有研究顯示,林木生長(zhǎng)量與木材各物理力學(xué)特性指標(biāo)之間成促進(jìn)作用或者抑制作用[22]。林木受到抑制,生長(zhǎng)慢的劣勢(shì)個(gè)體木材材性受到影響;這是因?yàn)榱帜旧L(zhǎng)過(guò)程中,常因特殊的質(zhì)量因子,包括樹(shù)干通直、干性完滿、枝條粗細(xì)等間接影響了諸如抗風(fēng)力、生活力、長(zhǎng)期的發(fā)展趨勢(shì)及立地穩(wěn)定性,從而生長(zhǎng)使木材材性發(fā)生改變。這與李海英研究樟子松[23]、林金國(guó)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(zhǎng)的影響機(jī)理、木材材性的內(nèi)在形成機(jī)理還有待進(jìn)一步分析研究。

        4 結(jié)論

        (1)50 a生陰坡上的白樺,胸徑、樹(shù)高、材積總生長(zhǎng)量為19.57 cm、19.0 m、0.268 3 m3;半陰坡上的白樺胸徑、樹(shù)高、材積總生長(zhǎng)量為18.86 cm、17.6 m、0.216 4 m3。陰坡、半陰坡白樺樹(shù)高生長(zhǎng)量達(dá)極顯著水平,其余生長(zhǎng)量未達(dá)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(xué)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(zhǎng)特性與陰坡白樺的基本密度、順紋抗壓強(qiáng)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(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與其他力學(xué)指標(biāo)均不相關(guān);陰坡與半陰坡白樺的基本密度與順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與橫紋抗壓強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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