不同坡向白桦木材材性与生长特性及其相关性研究

杨志慧, 王梦蕾, 孙照斌*, 唐 爽, 张晓燕

(1.隆化国有林场管理处徐八屋林场,河北 隆化068150;2.河北农业大学林学院,河北 保定 071000;3.河北能源职业技术学院,河北 唐山063004)

白桦在我国分布广泛,遍及东北、华北、西北和西南的四川等地,可作锯材、单板材和纸浆材,是多种工业用材的原料[1]。近年来越来越多的学者对不同树种的生长特性与木材材性的关系展开研究,如马尾松的胸径、材积与其木材力学性能呈显著负相关关系[2];杂种落叶松的冠幅与胸径、材积存在极显著正相关关系[3];美洲黑杨无性系树高、胸径和材积之间呈极显著正遗传相关[4,5];油松建筑材林材性与生长性状之间不相关[6];黑桦的生长特性与木材解剖特性存在显著相关,但与木材物理力学特性之间相关性较小[7];尾细桉F1子代生长性状与木材基本密度呈显著正相关[8]。

本研究通过对冀北山区河北省承德隆化县不同坡向白桦天然林的生长特性、木材材性及其相关性进行研究分析,旨在为冀北山区白桦的工业原料林定向培育与加工利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验样木于2016年10月采自承德隆化县茅荆坝林场小冰榔沟,面积413.33 hm2,平均海拔1 250 m,年平均气温7.9℃,年降水量460～580 mm。全场植被类型以天然次生落叶林为主,白桦次生林是本区域的典型森林类型,土壤类型为棕壤土。标准地概况及样木基本信息见表1。阴坡与半阴坡分别采集解析木各3株。

表1 标准地概况及样木基本情况

1.2 试验方法

1.2.1 生长特性试验方法

采用两米取段法[9]截取圆盘,并对圆盘的工作面进行刨光处理。量取各个高度圆盘东、西、南、北4个方向年轮宽度,计算各调查因子胸径、树高及材积连年生长量、平均生长量。

1.2.2 木材物理力学特性

(1)物理特性:木材物理特性主要包括木材密度、干缩性和湿涨性等指标,其中木材密度是主要测试指标,按照《GB/T 1932-2009 木材密度测定方法》进行测定。

(2)力学特性:木材抗弯强度、抗弯弹性模量、横纹抗压强度、顺纹抗压强度分别按照《GB/T 1936-1-2009木材抗弯强度试验方法》、《GB/T 1936-2-2009木材抗弯弹性模量测定方法》、《GB/T 1939-2009木材横纹抗压试验方法》、《GB/T 1935-2009木材顺纹抗压强度试验方法》进行测定。

1.2.3 数据处理

数据处理采用Excel 2016软件和SPSS20.0进行;相关性分析采用SPSS20.0中Pearson相关分析法进行。

2 结果与分析

2.1 生长特性

2.1.1 树高生长

阴坡与半阴坡白桦树高生长量见图1和图2。

图1 阴坡白桦树高生长量 图2 半阴坡白桦树高生长量

由图1可知,白桦为速生树种,0～5 a为树高的速生期,达到最大值,为0.915 m。树高连年生长量5～15 a间呈先下降后上升的趋势,20～25 a间下降幅度较大,45a时略有上升波动。阴坡白桦树高平均生长量在5～10 a时下降迅速,随后缓慢下降,50 a时达最小值为0.38 cm。

由图2可知,半阴坡白桦树高连年生长量和平均生长量总体均呈下趋势,连年生长量在5～20 a时下降迅速,此后趋于平缓。连年生长量和平均生长量均在50 a时达到最小值,分别为0.153 m、0.352 m。半阴坡50年生白桦树高连年生长量和平均生长量的曲线未相交。

2.1.2 胸径生长

阴坡与半阴坡白桦胸径生长量见图3和图4。

图3 阴坡白桦树胸径生长量 图4 半阴坡白桦树胸径生长量

由图3可知,阴坡白桦胸径最快成长期为5～20 a,在20 a时达到最大值,连年生长量为0.714 cm,平均生长量最大值发生在20～25 a,比连年生长量出现的峰值要晚,而且在峰值后平均生长量总是大于连年生长量,这符合树木生长的一般规律在27 a时阴坡上白桦胸径的平均生长量和连年生长量相交。20～35 a间下降幅度较大,到40 a时略有上升趋势,随后缓慢下降,50 a时达最小值为0.157 cm。白桦胸径平均生长量在第10 a时略有下降,随后增长迅速,在25 a时达到最大值,为0.546 cm,25～50 a呈缓慢下降趋势,50 a时达最小值为0.391 cm。

由图4可知,半阴坡白桦胸径连年生长量总体变化趋势为:5～15 a间呈增长趋势,第15 a时达到最大值,为0.698 cm,15～50 a间呈下降-上升-下降趋势,变化幅度较大,35～40 a时变化幅度较小,40 a以后迅速下降,50 a时胸径连年生长量最小达0.067 8 cm。白桦胸径平均生长量在5～10 a时呈上升趋势,15 a达最大值为0.562 cm,随后一直缓慢下降,50 a时连年生长量为0.377 cm。半阴坡白桦胸径平均生长量和连年生长量在18 a时相交。

2.1.3 材积生长

阴坡白桦材积生长量见图5。半阴坡白桦材积生长量见图6。两种坡向白桦生长特性方差分析见表2。

图5 阴坡白桦材积生长量 图6 半阴坡白桦材积生长量

表2 两种坡向白桦生长特性方差分析

由图5可知,阴坡白桦材积连年生长量前15 a增长幅度较小,只有0.002 m3,15～25 a时增长迅速,25 a时达到最大为0.009 2 m3,此阶段为白桦材积生长的速生期,随后缓慢下降,40 a时略有上升波动,后45～50 a期间下降幅度较大,材积生长进入慢生期。平均生长量在45 a左右时达到最大,达0.005 5 m3左右,46 a时连年生长量和平均生长量曲线相交,说明阴坡上白桦的数量成熟龄确定在46 a左右。

由图6可知,半阴坡白桦材积连年生长量前15 a增长幅度较小,只有0.001 6 m3,15～25 a时增长迅速,25 a时达到最大为0.007 7 m3,此阶段为白桦材积生长的速生期,随后呈下降趋势,40～45 a时变化较小,材积生长进入慢生期。平均生长量在45 a左右时达到最大,达0.004 5 m3左右,46 a时连年生长量和平均生长量曲线相交,说明半阴坡白桦的数量成熟龄确定在46 a左右。

由表2可知,两种坡向间白桦胸径生长量和材积生长量没有显著差异(P>0.05)。两种坡向间白桦树高生长量差异极显著(P<0.01)。

2.2 木材密度与力学特性

2.2.1 木材密度

两种坡向间白桦木材密度测量结果与方差分析见表3。

表3 两种坡向间白桦木材密度测量结果与方差分析

由表3可知,阴坡白桦木材气干密度、全干密度、基本密度的平均值分别为0.65 g/cm3、0.66 g/cm3、0.53 g/cm3,半阴坡白桦木材气干密度、全干密度、基本密度的平均值分别为0.60 g/cm3、0.61 g/cm3、0.51 g/cm3。阴坡白桦木材气干密度、全干密度、基本密度均大于半阴坡白桦木材。按木材材性分级规定[10],白桦在阴坡、半阴坡上的木材气干密度、基本密度均属于“Ⅲ”级;两种坡向间白桦木材的气干密度、全干密度和基本密度差异极显著。

2.2.2 力学特性

两种坡向间白桦木材的力学特性测量结果与方差分析见表4。

表4 两种坡向间白桦木材的力学特性测量结果与方差分析

由表4可知,阴坡白桦木材的顺纹抗压强度、全部横纹抗压强度、局部横纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别为67.18 MPa、9.81 MPa、9.8 MPa、130.52 MPa、16 256.61 MPa,半阴坡白桦木材的顺纹抗压强度、全部横纹抗压强度、局部横纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别为61.46 MPa、8.80 MPa、7.11 MPa、115.44 MPa、15 239.82 MPa。白桦木材的力学特性中的抗弯弹性模量、抗弯强度、横纹抗压强度、顺纹抗压强度均表现为阴坡木材大于半阴坡的,其中顺纹抗压强度、抗弯弹性模量强度差异表现的更为明显。两种坡向间白桦木材横纹全部抗压强度和横纹局部抗压强度差异极显著,顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量差异不显著。

按木材材性分级规定,阴坡与半阴坡白桦顺纹抗压强度均处在第“Ⅳ”级水平;横纹全部抗压强度均处在第“Ⅲ”级别;横纹局部抗压强度均处在第“Ⅲ”级别。抗弯弹性模量均属于第“Ⅴ”级别。阴坡、半阴坡白桦木材强度值分别为197.7 MPa、176.9 MPa,白桦均属于高强度木材。阴坡、半阴坡白桦木材的强度品质系数分别为3 720.0×105Pa、3 468.62×105Pa,白桦在阴坡、半阴坡上的木材按照强度品质系数等级分类,均属于高品质木材[11,12]。

2.3 相关性分析

2.3.1 生长特性与木材物理力学特性之间的相关性分析

生长特性与物理力学特性之间的相关性分析见表5。

表5 白桦生长特性与物理力学特性之间的相关性分析

由表5可知,阴坡上,白桦生长特性与气干密度、全干密度呈不显著的正相关;与基本密度均达0.05水平正相关。生长特性与干缩性能、湿胀性能之间均未达到显著相关。生长特性与顺纹抗压强度均呈0.05水平正相关;与横纹全部抗压、横纹局部抗压强度呈不明显的正相关;材积与抗弯强度呈0.05水平负相关;与抗弯弹性模量相关度不高。

半阴坡上,白桦生长特性与气干密度、全干密度呈不显著的正相关;与基本密度达0.01水平正相关。生长特性与干缩性能、湿胀性能之间均未达到显著水平相关;生长特性与顺纹抗压强度呈0.01水平相关;与横纹全部抗压、横纹局部抗压强度呈不明显的相关水平;与抗弯强度、抗弯弹性模量呈不显著相关。

2.3.2 木材密度与力学特性之间的相关性分析

基本密度与力学特性之间的相关性分析见表6。

表6 白桦木材密度与力学特性之间的相关性分析

由表6可知,阴坡上,基本密度与顺纹抗压强度、抗弯强度呈极显著正相关,相关系数分别为0.763、0.793;与横纹局部抗压强度呈极显著负相关,相关系数为0.764;与横纹全部抗压强度呈显著负相关,相关系数为-0.669;与抗弯弹性模量呈显著正相关,相关系数为0.694。半阴坡上,基本密度与顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量呈极显著正相关,相关系数分别为0.779、0.817、0.797;与横纹局部抗压强度呈极显著负相关,相关系数为0.792;与横纹全部抗压强度呈显著负相关,相关系数为-0.856。

3 讨论

3.1 生长特性

本研究中50 a生阴坡上的白桦树高(19.0 m)显著高于半阴坡(17.6 m)。一般在湿润气候条件下,树木生长在阳坡或半阴半阳坡向比阴坡好。因为阳坡、半阴半阳坡向相对阴坡来说光照强,气温高,风力小,土壤深厚,对大多数树种来说是良好的生长环境;相反在干燥地区,阴坡阴湿适度,森林生长更新良好,优于其他坡向[11-13]。白桦林在中国地区内分布的地理特点具有如下规律:由北向南、由东向西,白桦林的分布由多渐少,由各坡向逐渐集中阴坡、半阴坡[14]。两种坡向立地间,坡向直接影响着树木的生长环境条件,包括温度、湿度、土壤肥力等。由于华北地区阴坡太阳辐射柔和,土壤湿润,温度相对低,水分蒸发量较少,土壤肥力较高,腐殖质含量较多;半阴坡日照总量较大,加上反射率低,吸收率高,使其容易出现高温,造成水分蒸发量大,导致土壤干旱,土壤肥力较低,腐殖质含量少。因此,阴坡的立地条件更适宜白桦生长。

有研究显示,立地条件的好坏与胸径、树高、材积生长量呈正相关关系,天然次生林白桦生长受立地条件的影响较大,立地条件越好,培育适用工业原料生产的优质木材的可能性越大[15-17]。茅荆坝林场白桦胸径生长高峰期(5～20 a)、数量成熟期(46 a)比郭延朋研究的塞罕坝林场白桦的晚[18],树高生长高峰期两地的基本一致;胸径、树高生长高峰期和数量成熟期较史忠阁研究东北地区白桦(胸径生长高峰期25～50 a,树高生长高峰期15～25 a,数量成熟期大于70 a)出现的早[19];不同立地条件下白桦生长存在一定的差异,生长高峰期时间不一。这与李兵兵[20]、刘相兵[21]研究不同立地条件对天然林白桦生长的影响结果一致。

3.2 物理力学特性

本研究中冀北山区天然林白桦木材物理力学特性等指标在两种坡向间差异具有不同程度的显著差异。阴坡白桦木材强度值和强度品质系数分别为197.7 MPa、3 720.0×105Pa,半阴坡白桦分别为176.9 MPa、3 468.62×105Pa,。白桦在林木生长状况较好的坡向上木材物理力学特性较优。有研究显示,林木生长量与木材各物理力学特性指标之间成促进作用或者抑制作用[22]。林木受到抑制,生长慢的劣势个体木材材性受到影响;这是因为林木生长过程中,常因特殊的质量因子,包括树干通直、干性完满、枝条粗细等间接影响了诸如抗风力、生活力、长期的发展趋势及立地稳定性,从而生长使木材材性发生改变。这与李海英研究樟子松[23]、林金国研究米老排[24]结果基本一致。木材材性变异十分复杂,两种坡向间林木生长的影响机理、木材材性的内在形成机理还有待进一步分析研究。

4 结论

(1)50 a生阴坡上的白桦,胸径、树高、材积总生长量为19.57 cm、19.0 m、0.268 3 m3;半阴坡上的白桦胸径、树高、材积总生长量为18.86 cm、17.6 m、0.216 4 m3。阴坡、半阴坡白桦树高生长量达极显著水平,其余生长量未达到显著水平。

(2)阴坡白桦木材气干密度、全干密度、基本密度均大于半阴坡白桦木材的。白桦木材的力学特性均表现为阴坡优于半阴坡,白桦在阴坡、半阴坡上的木材均属于高品质木材。

(3)生长特性与阴坡白桦的基本密度、顺纹抗压强度呈显著正相关关系,与半阴坡白桦的基本密度、顺纹抗压强度呈极显著正相关关系,与其他力学指标均不相关;阴坡与半阴坡白桦的基本密度与顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量呈显著正相关关系,与横纹抗压强度呈极显著负相关关系。