林分密度对长白落叶松木材主要物理力学性质的影响

林分密度对长白落叶松木材主要物理力学性质的影响

落叶松是一种耐寒、温带的树种。在针叶树种中，垂直分布达到森林分布的上限。落叶松分布在中国各地超过1500万公顷，种植面积超过9.2亿hm。20世纪90年代,国内学者对于落叶松的研究大多集中在营林培育和解剖结构方面的研究。如今落叶松已成为我国短周期造纸材和建筑用材的重要栽培树种,落叶松的研究也集中到制浆造纸和建筑用材上。随着木结构建筑的迅猛发展,国家科技部将高强度结构材的相关加工利用研究提上日程,与杉木、杨树和桉树等商品林树种相比,落叶松树干通直,力学强度高,开展落叶松木材力学的研究对于开发落叶松高强度材的研究更具有现实意义。抗弯弹性模量(MOE)、抗弯强度(MOR)、顺纹抗压强度均是木材重要的力学指标。抗弯弹性模量应用在计算梁及珩架在荷载下的变形和允许安全荷载,抗弯强度主要用于建筑物的珩架、桥梁和家具横挡等易于弯曲构件的设计。抗压强度主要用于建筑、家具等承重梁的设计中。有鉴于此本研究系统比较了不同林分密度下长白落叶松LarixolgensiHenry人工林木材的抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度和气干密度,分析了不同林分密度对木材抗弯弹性模量、抗弯强度等主要力学性质的影响及其变异规律,并对其气干密度与力学性质进行了相关分析,为人工林的定向培育和加工利用提供科学依据。1材料和方法1.1样木的生长情况4个不同林分的长白落叶松采自黑龙江省佳木斯市孟家岗林场,该林场为中温带大陆性季风气候,地貌为低山丘陵区,年平均气温2.7℃,年平均降水量为550mm,全年日照时数为1955h,无霜期120d。试材采集地海拔高度170~575m,地理坐标为东经130°32′42″~130°52′36″,北纬46°20′16″~46°30′50″。土壤大部分为暗棕壤,采伐样木为每个林分各3株(具体样木的生长情况见表1),共4个林分,每株样木在1.3m以上每隔2.5m(1.3m,3.8m,6.3m,11.3m,13.8m)处截断,运回实验室,气干后按照国标方法(GB1927~1943~2009)加工出抗弯强度(抗弯弹性模量)、顺纹抗压强度、气干密度试样并进行测试。其中抗弯强度(抗弯弹性模量)尺寸为300mm×20mm×20mm,顺纹抗压强度尺寸为35mm×20mm×20mm,密度尺寸为20mm×20mm×20mm。1.2林分密度对木材纵向变异的影响数据分析采用SAS软件进行。采用单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纵向变异情况,利用回归方程简单建立气干密度与不同力学强度指标的关系模型。2结果与分析2.1植物内的突变2.1.1林分密度对白领落叶松木材力学性能的影响表2是4个不同林分密度下长白落叶松木材的抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度在株内纵向上的统计分析表。从表中可知,4个林分密度下木材的抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压强度在纵向均呈现下降趋势。图1~4是4个林分长白落叶松木材的三种力学强度在树木纵向上的变异趋势图。从图中可以看出,4个不同林分密度下的长白落叶松木材的抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度在纵向上均呈现递减趋势,其中林分密度为200株/hm2的第4林分与其它3个林分相比变化幅度较平缓。林分密度为580株/hm2的不同力学指标在纵向上的均值优于其它3个林分,而第4林分则最差。2.1.2林分密度对行业的影响从图2中可以看出,4个不同林分密度下的气干密度随着树木高度的增加呈现递减趋势,第三林分的气干密度从1.3m到11.3m呈现平滑的变化趋势;第二林分、第四林分曲线基本一致呈现波浪式下降,总体变化不大;第一林分从1.3m到7.3m变化平缓,从7.3m到9.3m时出现急剧下降。从图2可以看出,第三林分纵向上的气干密度显著优于其它三个林分。表3的方差分析表明,长白落叶松三种力学指标和气干密度在纵向上的变异性均显著,其中抗弯弹性模量和抗弯强度在0.05水平下显著,抗压强度、气干密度均在0.01水平下极显著。综上所述,长白落叶松木材的抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压强度和气干密度的均值在纵向的比较是第三林分>第二林分>第一林分>第四林分,林分密度较大(第三林分为580株/hm2)的物理力学指标在树木纵向上均高于林分密度较小(第四林分为200株/hm2)的木材,这与陈广胜等对于不同初植密度兴安落叶松等对于生长轮参数的研究一致,林分密度大的林分,生长空间比较小,相应获得的水分、养分、光线较其它林分要少,则树木生长速度也相对较慢,树木因此具有各不相同的生长轮宽度,晚材率、生长轮密度等,这些因素影响了木材物理力学性质。长白落叶松材株内随着高度的增加三种力学强度和气干密度均出现显著性递减趋势,这种变异模式是南洋杉,澳柏、落叶松和黄杉属等共有的,是松属中2/3树种的变异模式。这与其它学者的研究结果相一致。2.2不同种群之间的变化2.2.1木材耐弯性能从表4可知,第三林分的木材抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压强度各均值均为最大,均值分别为15.234GPa、110.535MPa、57.717MPa,变异系数分别为18.2、22.7、15.8。第四林分的木材抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压强度各均值均为最小,均值分别为13.665GPa、96.030MPa、52.913MPa,相应的变异系数分别为17.0、18.8、17.7。表明林分密度大的三种力学强度和变异系数均大,林分密度小的3种力学强度和变异系数均小。2.2.2林分密度对价值木材的生长和物表5为长白落叶松不同林分间气干密度测定结果,从表中可知,第三林分的木材气干密度均值在四个林分中最大,均值为0.634g/cm3,而变异系数在四个林分中最小为9.27。第四林分的气干密度指标的均值是最小,均值为0.574g/cm3,相应的变异系数最大为13.2。结果表明密度的变异系数与力学强度的表现不一致,力学强度表现为林分密度小的林分均值、变异系数均大,密度表现为林分密度小的林分均值大,变异系数则小。表6方差分析表明:4个不同林分密度下长白落叶松的抗弯弹性模量、抗弯强度和抗压强度在林分间差异性并不显著。气干密度在四个不同林分密度的林分间差异性在0.01水平下极显著,这与柳学军等对落羽衫不同种源气干密度的研究相一致。长白落叶松木材的抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压强度和气干密度的均值比较是第三林分>第二林分>第一林分>第四林分。从样木生长情况可知第三林分(580株/hm2)的三种力学指标和气干密度均优于其他林分,第四林分(200株/hm2)相比则较差,林分密度小的林分,则树木生长速度也相对较快,树木因此具有较宽的生长轮宽度,较低晚材率和较低的生长轮密度等,由于这些因素的影响,导致了木材物理力学性质降低。陈广胜等对兴安落叶松不同初植密度下横纹抗弯强度、横纹抗弯弹性模量、顺纹抗压强度进行方差分析,结果认为不同的初植密度对横纹抗弯强度影响显著,对横纹抗弯弹性模量影响不显著,对顺纹抗压强度影响极其显著,与刘杏娥等对小黑杨研究认为不同初植密度间抗弯强度和抗弯弹性模量的差异均达到了显著水平。崔京日等对人工林赤松研究表明,林分密度对抗弯强度影响显著,对抗弯弹性模量、顺纹抗压强度的影响均为极显著。本文根据方差分析得出的三种力学强度在四种林分间密度下的变异性不显著。由于本实验主要考虑建筑用材则选择成熟林的优势木作为实验材料,材性变化较稳定。其他学者选择样木的年龄和胸径均小于本研究,林分间物理力学强度的变异性不显著。由此可以根据对木材最终用途采取不同的林分密度。伐期短的纸浆材可以选用较小的营林密度进行培育,而强度要求高的建筑用材可以选用相对较大的营林密度进行培育。2.3立地条件对长效落叶松木材力学性能的影响长白落叶松气干密度与力学性质间相关性分析见表7,从表中可知,长白落叶松木材的抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度之间呈现正相关,相关性均在0.01水平显著。力学强度间抗弯弹性模量与抗弯强度密切相关,相关系数为0.872,抗弯弹性模量与抗压强度间和抗压强度与抗弯强度间都为中度相关。气干密度与三种力学强度指标间都是中度相关,相关性在0.01水平显著。气干密度与顺纹抗压强度的相关性也很好,为0.732,与抗弯弹性模量和抗弯强度的相关性次之。图5是长白落叶松三种木材力学强度指标与气干密度的简单预测模型。从图中得出木材气干密度与抗弯弹性模量、抗弯强度和抗压强度相关回归方程,密度与各力学强度间存在线性相关性,决定系数为0.562~0.736。抗弯弹性模量和抗弯强度间存在高度的线性相关性,决定系数高达0.835,可以通过对落叶松规格材抗弯弹性模量的测试来预测抗弯强度。很多研究证明了气干密度可以有效地预测和评价木材的力学强度。根据气干密度与物理力学强度的相关分析来选择性状进行定向培育、制定相关的育种改良策略。在气干密度与活立木间建立相关关系,对活立木力学性质进行快速预测,避免人力物力等方面的浪费。3立地条件对价值的影响长白落叶松材株内随着高度的增加三种力学强度和密度均出现显著性递减趋势,均值在纵向是第三林分>第二林分>第一林分>第四林分。方差分析表明长白落叶松木材三种力学指标和气干密度在纵向上的变异性均显著,其中抗弯弹性模量和抗弯强度在0.05水平下显著,抗压强度、气干密度均在0.01水平下极显著。不同林分长白落叶松木材物理力学性质的分析结果表明,林分密度580株/hm2的第三林分木材抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压强度和气干密度均值均为最大,均值分别为15.234GPa、110.535MPa、57.717MPa,变异系数分别为18.2、22.7、15.8。林分密度200株/hm2的第四林分的木材抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压强度均值均为最小,均值分别为13.665GPa、96.030MPa、52.913MPa,相应的变异系数分别为17.0、18.8、17.7。方差分析表明本林分密度对力学强度存在影响,但并不显著。林分密度为580株/hm2的第三林分的木材的气干密度均值最大,均值为0.634g/cm3,而变异系数在四个林分中均最小为9.2。林分