林分密度對長白落葉松木材主要物理力學性質(zhì)的影響

林分密度對長白落葉松木材主要物理力學性質(zhì)的影響

落葉松是一種耐寒、溫帶的樹種。在針葉樹種中，垂直分布達到森林分布的上限。落葉松分布在中國各地超過1500萬公頃，種植面積超過9.2億hm。20世紀90年代,國內(nèi)學者對于落葉松的研究大多集中在營林培育和解剖結構方面的研究。如今落葉松已成為我國短周期造紙材和建筑用材的重要栽培樹種,落葉松的研究也集中到制漿造紙和建筑用材上。隨著木結構建筑的迅猛發(fā)展,國家科技部將高強度結構材的相關加工利用研究提上日程,與杉木、楊樹和桉樹等商品林樹種相比,落葉松樹干通直,力學強度高,開展落葉松木材力學的研究對于開發(fā)落葉松高強度材的研究更具有現(xiàn)實意義?？箯潖椥阅Ａ?MOE)、抗彎強度(MOR)、順紋抗壓強度均是木材重要的力學指標?？箯潖椥阅Ａ繎迷谟嬎懔杭扮窦茉诤奢d下的變形和允許安全荷載,抗彎強度主要用于建筑物的珩架、橋梁和家具橫擋等易于彎曲構件的設計。抗壓強度主要用于建筑、家具等承重梁的設計中。有鑒于此本研究系統(tǒng)比較了不同林分密度下長白落葉松LarixolgensiHenry人工林木材的抗彎彈性模量、抗彎強度、順紋抗壓強度和氣干密度,分析了不同林分密度對木材抗彎彈性模量、抗彎強度等主要力學性質(zhì)的影響及其變異規(guī)律,并對其氣干密度與力學性質(zhì)進行了相關分析,為人工林的定向培育和加工利用提供科學依據(jù)。1材料和方法1.1樣木的生長情況4個不同林分的長白落葉松采自黑龍江省佳木斯市孟家崗林場,該林場為中溫帶大陸性季風氣候,地貌為低山丘陵區(qū),年平均氣溫2.7℃,年平均降水量為550mm,全年日照時數(shù)為1955h,無霜期120d。試材采集地海拔高度170~575m,地理坐標為東經(jīng)130°32′42″~130°52′36″,北緯46°20′16″~46°30′50″。土壤大部分為暗棕壤,采伐樣木為每個林分各3株(具體樣木的生長情況見表1),共4個林分,每株樣木在1.3m以上每隔2.5m(1.3m,3.8m,6.3m,11.3m,13.8m)處截斷,運回實驗室,氣干后按照國標方法(GB1927~1943~2009)加工出抗彎強度(抗彎彈性模量)、順紋抗壓強度、氣干密度試樣并進行測試。其中抗彎強度(抗彎彈性模量)尺寸為300mm×20mm×20mm,順紋抗壓強度尺寸為35mm×20mm×20mm,密度尺寸為20mm×20mm×20mm。1.2林分密度對木材縱向變異的影響數(shù)據(jù)分析采用SAS軟件進行。采用單因素方差分析和多因素方差分析方法分析了不同林分密度下木材縱向變異情況,利用回歸方程簡單建立氣干密度與不同力學強度指標的關系模型。2結果與分析2.1植物內(nèi)的突變2.1.1林分密度對白領落葉松木材力學性能的影響表2是4個不同林分密度下長白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度在株內(nèi)縱向上的統(tǒng)計分析表。從表中可知,4個林分密度下木材的抗彎彈性模量、抗彎強度、抗壓強度在縱向均呈現(xiàn)下降趨勢。圖1~4是4個林分長白落葉松木材的三種力學強度在樹木縱向上的變異趨勢圖。從圖中可以看出,4個不同林分密度下的長白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度在縱向上均呈現(xiàn)遞減趨勢,其中林分密度為200株/hm2的第4林分與其它3個林分相比變化幅度較平緩。林分密度為580株/hm2的不同力學指標在縱向上的均值優(yōu)于其它3個林分,而第4林分則最差。2.1.2林分密度對行業(yè)的影響從圖2中可以看出,4個不同林分密度下的氣干密度隨著樹木高度的增加呈現(xiàn)遞減趨勢,第三林分的氣干密度從1.3m到11.3m呈現(xiàn)平滑的變化趨勢;第二林分、第四林分曲線基本一致呈現(xiàn)波浪式下降,總體變化不大;第一林分從1.3m到7.3m變化平緩,從7.3m到9.3m時出現(xiàn)急劇下降。從圖2可以看出,第三林分縱向上的氣干密度顯著優(yōu)于其它三個林分。表3的方差分析表明,長白落葉松三種力學指標和氣干密度在縱向上的變異性均顯著,其中抗彎彈性模量和抗彎強度在0.05水平下顯著,抗壓強度、氣干密度均在0.01水平下極顯著。綜上所述,長白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強度、抗壓強度和氣干密度的均值在縱向的比較是第三林分>第二林分>第一林分>第四林分,林分密度較大(第三林分為580株/hm2)的物理力學指標在樹木縱向上均高于林分密度較小(第四林分為200株/hm2)的木材,這與陳廣勝等對于不同初植密度興安落葉松等對于生長輪參數(shù)的研究一致,林分密度大的林分,生長空間比較小,相應獲得的水分、養(yǎng)分、光線較其它林分要少,則樹木生長速度也相對較慢,樹木因此具有各不相同的生長輪寬度,晚材率、生長輪密度等,這些因素影響了木材物理力學性質(zhì)。長白落葉松材株內(nèi)隨著高度的增加三種力學強度和氣干密度均出現(xiàn)顯著性遞減趨勢,這種變異模式是南洋杉,澳柏、落葉松和黃杉屬等共有的,是松屬中2/3樹種的變異模式。這與其它學者的研究結果相一致。2.2不同種群之間的變化2.2.1木材耐彎性能從表4可知,第三林分的木材抗彎彈性模量、抗彎強度、抗壓強度各均值均為最大,均值分別為15.234GPa、110.535MPa、57.717MPa,變異系數(shù)分別為18.2、22.7、15.8。第四林分的木材抗彎彈性模量、抗彎強度、抗壓強度各均值均為最小,均值分別為13.665GPa、96.030MPa、52.913MPa,相應的變異系數(shù)分別為17.0、18.8、17.7。表明林分密度大的三種力學強度和變異系數(shù)均大,林分密度小的3種力學強度和變異系數(shù)均小。2.2.2林分密度對價值木材的生長和物表5為長白落葉松不同林分間氣干密度測定結果,從表中可知,第三林分的木材氣干密度均值在四個林分中最大,均值為0.634g/cm3,而變異系數(shù)在四個林分中最小為9.27。第四林分的氣干密度指標的均值是最小,均值為0.574g/cm3,相應的變異系數(shù)最大為13.2。結果表明密度的變異系數(shù)與力學強度的表現(xiàn)不一致,力學強度表現(xiàn)為林分密度小的林分均值、變異系數(shù)均大,密度表現(xiàn)為林分密度小的林分均值大,變異系數(shù)則小。表6方差分析表明:4個不同林分密度下長白落葉松的抗彎彈性模量、抗彎強度和抗壓強度在林分間差異性并不顯著。氣干密度在四個不同林分密度的林分間差異性在0.01水平下極顯著,這與柳學軍等對落羽衫不同種源氣干密度的研究相一致。長白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強度、抗壓強度和氣干密度的均值比較是第三林分>第二林分>第一林分>第四林分。從樣木生長情況可知第三林分(580株/hm2)的三種力學指標和氣干密度均優(yōu)于其他林分,第四林分(200株/hm2)相比則較差,林分密度小的林分,則樹木生長速度也相對較快,樹木因此具有較寬的生長輪寬度,較低晚材率和較低的生長輪密度等,由于這些因素的影響,導致了木材物理力學性質(zhì)降低。陳廣勝等對興安落葉松不同初植密度下橫紋抗彎強度、橫紋抗彎彈性模量、順紋抗壓強度進行方差分析,結果認為不同的初植密度對橫紋抗彎強度影響顯著,對橫紋抗彎彈性模量影響不顯著,對順紋抗壓強度影響極其顯著,與劉杏娥等對小黑楊研究認為不同初植密度間抗彎強度和抗彎彈性模量的差異均達到了顯著水平。崔京日等對人工林赤松研究表明,林分密度對抗彎強度影響顯著,對抗彎彈性模量、順紋抗壓強度的影響均為極顯著。本文根據(jù)方差分析得出的三種力學強度在四種林分間密度下的變異性不顯著。由于本實驗主要考慮建筑用材則選擇成熟林的優(yōu)勢木作為實驗材料,材性變化較穩(wěn)定。其他學者選擇樣木的年齡和胸徑均小于本研究,林分間物理力學強度的變異性不顯著。由此可以根據(jù)對木材最終用途采取不同的林分密度。伐期短的紙漿材可以選用較小的營林密度進行培育,而強度要求高的建筑用材可以選用相對較大的營林密度進行培育。2.3立地條件對長效落葉松木材力學性能的影響長白落葉松氣干密度與力學性質(zhì)間相關性分析見表7,從表中可知,長白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度之間呈現(xiàn)正相關,相關性均在0.01水平顯著。力學強度間抗彎彈性模量與抗彎強度密切相關,相關系數(shù)為0.872,抗彎彈性模量與抗壓強度間和抗壓強度與抗彎強度間都為中度相關。氣干密度與三種力學強度指標間都是中度相關,相關性在0.01水平顯著。氣干密度與順紋抗壓強度的相關性也很好,為0.732,與抗彎彈性模量和抗彎強度的相關性次之。圖5是長白落葉松三種木材力學強度指標與氣干密度的簡單預測模型。從圖中得出木材氣干密度與抗彎彈性模量、抗彎強度和抗壓強度相關回歸方程,密度與各力學強度間存在線性相關性,決定系數(shù)為0.562~0.736。抗彎彈性模量和抗彎強度間存在高度的線性相關性,決定系數(shù)高達0.835,可以通過對落葉松規(guī)格材抗彎彈性模量的測試來預測抗彎強度。很多研究證明了氣干密度可以有效地預測和評價木材的力學強度。根據(jù)氣干密度與物理力學強度的相關分析來選擇性狀進行定向培育、制定相關的育種改良策略。在氣干密度與活立木間建立相關關系,對活立木力學性質(zhì)進行快速預測,避免人力物力等方面的浪費。3立地條件對價值的影響長白落葉松材株內(nèi)隨著高度的增加三種力學強度和密度均出現(xiàn)顯著性遞減趨勢,均值在縱向是第三林分>第二林分>第一林分>第四林分。方差分析表明長白落葉松木材三種力學指標和氣干密度在縱向上的變異性均顯著,其中抗彎彈性模量和抗彎強度在0.05水平下顯著,抗壓強度、氣干密度均在0.01水平下極顯著。不同林分長白落葉松木材物理力學性質(zhì)的分析結果表明,林分密度580株/hm2的第三林分木材抗彎彈性模量、抗彎強度、抗壓強度和氣干密度均值均為最大,均值分別為15.234GPa、110.535MPa、57.717MPa,變異系數(shù)分別為18.2、22.7、15.8。林分密度200株/hm2的第四林分的木材抗彎彈性模量、抗彎強度、抗壓強度均值均為最小,均值分別為13.665GPa、96.030MPa、52.913MPa,相應的變異系數(shù)分別為17.0、18.8、17.7。方差分析表明本林分密度對力學強度存在影響,但并不顯著。林分密度為580株/hm2的第三林分的木材的氣干密度均值最大,均值為0.634g/cm3,而變異系數(shù)在四個林分中均最小為9.2。林分