轮伐期马尾松力学性质的影响因素研究

郭桂芬，吴旭冬，夏 磊，章丽红

(龙泉市林业局，浙江 丽水 323700)

1 引言

力学性质是评价林木价值的关键要素，早期相关资料显示，不同树种、同种不同源树木的木材力学性质存在明显差异，且环境因素也会对其产生一定影响[1]。基于此认为，在开展木材生产经营管理过程中，确定林木定向培育规划应兼顾的内容包括水热条件、遗传控制、遗传变异等因素。武国芳等[2]、韩刘杨等[3]，对不同种源林木遗传变异规律进行研究，能够掌握林木生长对环境的适应机制，有助于提高林木经营效益。季孔庶等[4]、曹展洪等[5]发现，年降水量、年平均气温与林木木材力学性质之间呈现显著的负相关，即水热条件是木材力学性质的限制因子。马尾松(PinusmassonianaLamb)生长速度快，环境适应能力强，在我国南方有广泛的种植。自20世纪80年代开始，我国南方多地开展马尾松种源试验，目的在于选出更多速生优质用材[6]。在既往关于马尾松的研究中，学者们将关注点放在其抗性机制、种子萌发、间伐作业等方面。例如，牛琼华等[7]对马尾松毛虫抗阿维菌素种群的抗性机制进行研究；武欣怡等[8]通过多年试验，揭示了酸胁迫对马尾松种子萌发不同时期酶活性的影响；李鹏等[9]以马尾松人工林林龄为研究对象，分析土壤、叶片养分含量；程传鹏等[10]分析间伐作业对亚热带马尾松人工林碳动态的影响。师志强等[11]针对暖温带马尾松进行研究，分析马尾松茎干径向变化特点，并探究其对环境因子的响应。关于马尾松力学性质的研究，也多集中在中幼龄马尾松上[12,13]。针对轮伐期马尾松力学性质影响因素的报道比较有限。为此，本研究选取不同种源33年生马尾松，分析影响其力学性质的因素。

2 材料与方法

2.1 材料来源地概况

本研究材料来自浙江省龙泉市某国有林场马尾松种源试验林，位于北纬27°42′～28°20′，东经118°42′～119°25′，属中亚热带季风气候区，雨量充沛，四季分明，年平均温度17.6 ℃，冬季霜期短，全年作物生长期长，年降水量为1699.4 mm，无霜期263 d。

2.2 试验材料

种源试验林采用完全随机区组设计，8株双列，株行距2.0 m×2.0 m，8次重复。于2021年6月选择试验林中保存相对完整的4个区组，包含来自10个省(区)的10个具有代表性的种源材料(表1)，每个种源选择5株长势良好的33年生马尾松个体，共200株作为试验材料。

表1 10个种源材料具体情况

2.3 生长指标测定方法及力学指标测定依据

生长指标包括：树高(H)、胸径(DBH、材积(V)，H采用测高杆进行测量；DBH采用围尺测量；V=0.000062341803×H(0.95682492)×DBH(1.8551497)[14]。

力学指标：包括抗压强度、抗弯强度、硬度、气干密度、冲击韧性，测定依据见表2。

表2 木材力学相关指标以及测定依据[15]

2.4 统计学方法

方差和相关性分析采用22.0版本SPSS软件，结合相关性分析结果，筛选环境因子(与马尾松力学性质显著相关)，通过种源与材料试验地的相对差值，分别与力学性质指标建立回归模型，分析试验林中不同种源马尾松的力学性质。与此同时，不同种源马尾松力学性质指标的隶属值采用隶属函数法，隶属值参照权威文献[16]的相关计算方法：

力学性质指标隶属值=(W-Wmin)/(Wmax-Wmin)×100%

(1)

式(1)中，W表示某种源马尾松力学性质指标测定值，Wmin表示全部种源测定值中的最小值，Wmax表示全部部种源测定值中的最大值。

3 结果与分析

3.1 种源间生长和力学指标的差异

方差分析结果显示，生长指标中，种源间树高差异显著(P<0.05)，材积、胸径差异极显著(P<0.01)，试验地间树高、材积差异极为显著(P<0.01)；力学指标中，种源间抗压强度、抗弯强度、端面硬度、径面硬度、弦面硬度、气干密度、冲击韧性差异极显著(P<0.01)，试验地间弦面硬度、气干密度差异极显著(P<0.01).其中，变异系数最小的是气干密度(5.41%)，最大是冲击韧性(21.06%)，具体结果见表3。

3.2 种源地理气候因子与力学指标的相关性

相关性分析结果表明，种源地纬度、经度与马尾松力学性质相关性不够显著(P>0.05)；抗压强度只与地理气候因子中年降水量呈显著负相关(P<0.05)；抗弯强度地理气候因子中年平均气温、≥10 ℃积温呈显著负相关(P<0.05)；在种源地理气候因子中，端面硬度与年均温、绝对低温呈极显著负相关(P<0.01)，与7月均温、1月均温、≥10 ℃积温呈显著负相关(P<0.05)；年平均气温、7月均温、≥10 ℃积温与马尾松径面硬度呈显著负相关(P<0.05)；马尾松弦面硬度仅与7月均温呈显著负相关(P<0.05)，结果见表4。

表3 不同种源间马尾松生长性状与力学性质的方差分析结果

表4 马尾松力学指标与种源地理气候因子的相关性

3.3 生长指标与力学指标的相关性

相关性分析结果显示，马尾松力学指标间互为正相关，其中端面、弦面和径面硬度两两间对比结果显示，均呈显著正相关(P<0.05)；气干密度与冲击韧性呈显著正相关(P<0.05)，与抗压强度和径面、弦面硬度呈极显著正相关(P<0.01)，说明单一力学指标增加后，其他力学指标也会随之增加；力学指标和生长指标呈现较为复杂的相关性：其中，端面硬度与高径比呈显著正相关，与胸径呈显著负相关(P<0.05)；弦面硬度与高径比呈显著正相关(P<0.05)；径面硬度与高径比呈显著正相关，与材积、胸径呈显著负相关(P<0.05)，说明速生马尾松种源很有可能会造成其力学性质下降，见表5。

表5 马尾松力学指标与生长指标的相关性

4 结论与讨论

通过与《木材物理力学性质分级表》中相关标准的对照证实，表3中马尾松种源力学指标的平均值处于中低等水平，但是本研究中部分力学指标值比高楠[17]的测定结果要高，出现差异的原因在于本研究试验材料为轮伐期马尾松，树龄比较大。有报道[18,19]认为，通常只有在经历极端气候的情况下，林木才能完全适应造林地的自然环境条件，说明木材力学性质是有比较显著的年龄效应的，高楠所选用的是9年生马尾松，可能无法更加真实地反映收获期马尾松的力学特点。本研究为避免此类问题，并更加准确地反映种源之间变异规律，故选则33年生马尾松进行研究。通过方差分析证实，不同种源间33年生马尾松生长情况与力学性质存在明显的差异性，与文献[20]报道结果相一致，说明通过种源选择，能够获取预期的遗传改良效果，为马尾松生长和定向培育提供一定理论依据。

方差和相关性分析结果显示，不同种源间轮伐期马尾松力学性质存在显著差异性，且马尾松力学指标与种源降水量、气温存在显著的相关性，气温越低，马尾松抗弯强度和木材硬度在试验地的表现越好。结合权威文献[21]报道内容认为，上述研究结果说明马尾松种源力学性质差异使其对环境因素选择适应和进化的遗传结果。表3中数据显示，种源间生长和力学指标的差异特点为：力学指标种源×试验地互作效应显著，生长指标种源×试验地互作效应不显著，说明个体生长微环境对马尾松力学性质影响比较大，对马尾松生长指标的影响相对较小，不同造林区应结合实际情况正确选择种源进行造林。而表4中马尾松力学性质之所以存在差异，主要是受到种源水热条件的影响，其中以气温影响最为显著[22]。马尾松生长指标与力学指标的相关性分析结果则显示，气干密度与多数力学性质之间均呈显著正相关，表明气干密度可作为马尾松力学性质的评价和预测指标，根据两者之间的相关性制定育种改良、定向培育策略，从而促进林木选择效率的提升[23]。

综上所述，本研究所得结果初步揭示不同种源轮伐期马尾松力学性质存在的丰富的遗传变异，为种源选择提供一定理论基础，在造林时可根据不同利用方向对马尾松开展定向培育。在未来研究中，应将重点放在马尾松不同种源在不同环境下生长状况，进一步评价其生长适应性，从而方便马尾松遗传改良策略的制定。