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中国是世界上少数受台风影响最严重的国家之一,平均有台风或热带气旋7个·a-1在东南沿海各省登陆,重创农林种植业。目前,国外对林木抗风机制研究主要集中在樟子松Pinus sylvestris,西家云杉Picea sitchensis,挪威云杉P. abies,西铁杉Tsuga heterophylla等树种,通过动力学理论推导建立了一系列力学方程来描述林木的抗风性,形成了若干关于林木风倒机理的模型[1-5]。国内涉及林木抗风机制的相关研究中,关德新等[6]进行了林带结构与抗风能力关系的理论分析,郑兴峰等[7]从木材纤维的解剖特征来探讨巴西橡胶树Hevea brasiliensis的抗风性能,朱成庆[8]从生长指标、木材密度、造林密度、行间走向等多方面探讨了桉树无性系的抗风性,吴志华等[9]从形态性状、应力波速、基本密度、Pilodyn值等方面探讨木麻黄Casuarina equisetifolia及相思Acacia的抗风性。这些研究均未涉及木材力学性质对树种抗台风效果的影响规律,也未探明影响林木风倒、风折的主要材性因子。木麻黄是华南沿海地区不可替代的海防林主栽树种[10],马占相思Acacia mangium,厚荚相思A. crassicarpa,巨尾桉Eucalyptus grandis × Eu. urophylla是华南沿海地区主要的经济用材树种[11-14],苦楝Melia azedarach和琼崖海棠Calophyllum inophyllum是华南沿海地区乡土树种、滨海盐碱地造林树种及园林绿化景观树种。目前,对于这些树种的培育技术已较为成熟,而对这些树种抗台风性能与材性性状之间关系的研究极少见报道。本研究通过开展风害调查及木材物理、力学性质测定,探讨木材材性对抗台风效果的影响规律,对树种抗台风能力进行评价与预测,为沿海防护林抗风树种的选择和利用提供依据。
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由图 1可以看出:各树种材性性状差异较大,木麻黄绝干密度、纤维长度及其长宽比、冲击韧性的平均值均大于其他树种。厚荚相思的绝干密度最小,纤维宽度最大,纤维长宽比值最小。琼崖海棠纤维宽度平均值最小,顺纹剪切强度、抗弯强度平均值最大。苦楝纤维长度、顺纹剪切强度、抗弯弹性模量平均值均低于其他树种。经方差分析,参试树种各材性性状存在着极显著差异,这些差异性状为探讨林木抗台风性能差异提供了遗传基础。
8个材性性状相关分析(表 1)表明:纤维形态、木材密度、力学性状两两之间相关关系显著,纤维长宽比值越大,木材密度越大,冲击韧性越强,抗弯强度越大。顺纹剪切强度、冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量4个力学性状两两之间相关均不显著,抗弯弹性模量与其他材性性状相关关系均不显著。
表 1 材性性状相关分析
Table 1. Correlation analysis of wood property
性状 绝干密度 纤维长度 纤维宽度 纤维长宽比 顺纹剪切强度 冲击韧性 抗弯强度 抗弯弹性模量 绝干密度 1.000 纤维长度 0.844* 1.000 纤维宽度 -0.867* -0.602 1.000 长宽比 0.951** 0.907* -0.884* 1.000 顺纹剪切强度 0.709 0.961** -0.393 0.768 1.000 冲击韧性 0.898* 0.856* -0.662 0.856* 0.736 1.000 抗弯强度 0.942** 0.874* -0.816* 0.938** 0.791 0.756 1.000 抗弯弹性模量 0.673 0.465 -0.360 0.448 0.485 0.539 0.658 1.000 说明:**表示极显著相关(P < 0.01),*表示显著相关(P < 0.05)。 -
风害研究结果表明:巨尾桉、马占相思、厚荚相思台风过后风折风倒严重,1级风害率占总风害率的比值最大,分别为72.4%,74.4%,64.7%;台风对琼崖海棠、木麻黄的危害主要是风斜、断梢、枝叶脱落等,2级与3级风害占的比例较大;苦楝以1级和2级风害为主。比较各树种的抗风值,其抗风性能由大到小依次为:琼崖海棠>木麻黄>苦楝>巨尾桉>马占相思>厚荚相思(图 2)。研究结果还表明:台风过后,参试树种树干倾斜角度<30°或只是上端树冠倾斜时,绝大部分植株都能在后期生长中恢复直立,台风对沿海防护林的危害主要是风折、风倒及严重风斜(即1级和2级风害),造成林木的机械破坏、生长势下降及由此可能引发的病虫害。
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相关分析结果表明(表 2):树种总风害率及1级风害率与纤维宽度呈显著正相关,与纤维长宽比呈显著负相关,与绝干密度、纤维长度、顺纹剪切强度、冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量呈不显著负相关;树种抗风值与纤维宽度呈显著负相关,与纤维长宽比呈显著正相关,与其他木材材性性状呈不显著正相关。由以上分析可知,纤维宽度、纤维长宽比与树种总风害率、1级风害率及抗风值大小有着密切的关系;树种抗风效果与木材力学性状间多呈不显著负相关或不显著正相关,2类性状似相互独立,这对育种上开展综合选择非常有利。
表 2 抗风效果与材性性状的相关分析
Table 2. Correlation analysis between anti-typhoon performance and wood property
性状 绝干密度(x1) 纤维长度(x2) 纤维宽度(x3) 纤维长宽比(x4) 顺纹剪切强度(x5) 冲击韧性x6) 抗弯强度(x7) 抗弯弹性模量(x8) 总风害率 -0.781 -0.607 0.958* -0.868* -0.379 -0.637 -0.734 -0.127 1级风害率 -0.810 -0.716 0.908* -0.909* -0.505 -0.738 -0.757 -0.134 2级风害率 -0.383 -0.014 0.720 -0.379 0.150 -0.026 -0.394 -0.151 抗风值 0.796 0.6555 -0.944* 0.890* 0.433 0.679 0.748 0.129 说明:**表示极显著相关(P < 0.01),*表示显著相关(P < 0.05) -
木材材性性状之间、林木抗风性能与材性性状间存在着复杂的关系。为了确定哪些变量是影响林木抗风性能的主效因子,并寻找这些变量间的规律,分别以绝干密度(x1),纤维长度(x2),纤维宽度(x3),纤维长宽比(x4),顺纹剪切强度(x5),冲击韧性(x6),抗弯强度(x7)及抗弯弹性模量(x8)为自变量,以总风害率(y1),1级风害率(y2),2级风害率(y3),抗风值(y4)为因变量进行逐步回归分析。
结果表明:以总风害率(y1)为因变量进行逐步回归分析时,由于绝干密度、纤维长度、纤维长宽比、顺纹剪切强度、冲击韧性、抗弯强度等6个变量对树种总风害率影响不显著或者变量之间共线性原因,在逐步回归过程中被剔除,只有纤维宽度、抗弯弹性模量这2个性状纳入了方程,回归方程达到显著水平;以1级风害率(y2)为因变量进行逐步回归分析时,只有纤维长宽比、顺纹剪切强度、抗弯弹性模量这3个性状纳入了方程,回归方程达到显著水平;以2级风害率(y3)为因变量进行逐步回归分析时,只有纤维宽度、冲击韧性这2个性状纳入了方程,回归方程达到显著水平;以树种抗风值(y4)为因变量进行逐步回归分析时,只有纤维宽度这个性状纳入了方程,回归方程达到显著水平(表 3)。
表 3 逐步回归分析
Table 3. Regression analysis
因变量 自变量 参数估计 标准误 均方 F值 P值 截距 -167.167 91 25.692 878.655 42.34 0.0074 总风害率 纤维宽度 7.11499 0.697 2 163.895 104.26 0.002 0 抗弯弹性模量 0.003 95 0.002 123.728 5.96 0.0924 截距 70.352 87 14.117 496.214 24.84 0.038 0 纤维长宽比 -2.570 18 0.349 1 082.428 54.18 0.018 0 1级风害率 顺纹剪切强度 2.472 94 1.207 83.926 4.20 0.176 9 抗弯弹性模量 0.003 59 0.002 88.256 4.42 0.1703 截距 -13.709 41 4.496 7.239 9.30 0.055 5 2级风害率 纤维宽度 0.79745 0.168 17.511 22.49 0.017 8 冲击韧性 0.042 72 0.014 7.221 9.28 0.055 6 抗风值 截距 9.229 63 0.958 7.494 92.84 0.000 6 纤维宽度 -0.231 19 0.041 2.625 32.53 0.0047 说明:变量进人模型和留在模型的显著水平分别为0.20和0.18。 以总风害率(y1),1级风害率(y2),2级风害率(y3)和抗风值(y4)作因变量,分别与各自纳入方程的性状建立回归方程如下:${{\hat y}_1} =-167.16791 + 7.11499{x_3} + 0.00395{x_8};$${{\hat y}_2} = 70.35287-2.57018{x_4} + 2.47294{x_5} + 0.00359{x_8};$ ${{\hat y}_3} =-13.70941 + 0.79745{x_3} + 0.04272{x_6};$ ${{\hat y}_4} = 9.22963-0.23119{x_3}。$。
由表 4可以看出进入模型各因子决定系数(R2)均大于0.8,方程拟合程度较高。
表 4 逐步回归过程
Table 4. Process of regression analysis
因变量 步数 每步选入的变量 模型的变量数 偏R 2 模型R 2 进入变量的F值 P值 1 纤维宽度 1 0.917 8 0.917 8 44.66 0.002 6 总风害率 2 抗弯弹性模量 2 0.057 0.972 5 5.96 0.009 2 1 纤维长宽比 1 0.825 9 0.825 9 18.98 0.012 1 1级风害率 2 抗弯弹性模量 2 0.093 6 0.919 5 3.49 0.158 6 3 顺纹剪切强度 3 0.055 0.974 0 4.20 0.176 9 1 纤维宽度 1 0.818 8 0.818 8 4.31 0.1064 2级风害率 2 冲击韧性 2 0.363 6 0.8824 9.28 0.055 6 抗风值 1 纤维宽度 1 0.890 5 0.890 5 32.53 0.0047
Wood properties and anti-typhoon performance in selected trees
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摘要: 为阐明不同树种木材性质对抗台风效果的影响规律, 确定影响林木风害的主要材性因子, 采用相关分析、逐步回归分析等方法对强台风过后6个树种风害情况及8个材性性状进行了研究。结果表明:台风对沿海防护林的破坏以1级风害(风折或风倒)和2级风害(严重风斜)为主; 琼崖海棠Calophyllum inophyllum, 木麻黄Casuarina equisetifolia最抗台风, 马占相思Acacia mangium, 巨尾桉Eucalyptus grandis×Eu. urophylla次之, 厚荚相思Acacia crassicarpa最不抗风; 树种总风害率分别与纤维宽度(r=0.958 0, P < 0.05), 纤维长宽比(r=-0.868 0, P < 0.05)存在显著相关; 树种抗风值分别与纤维宽度(r=-0.944 0, P < 0.05), 纤维长宽比(r=0.890 0, P < 0.05)存在显著相关。逐步回归分析表明:以总风害率为因变量, 只有纤维宽度(r2=0.917 8, P=0.002 6), 抗弯弹性模量(r2=0.972 5, P=0.009 2)这2个性状纳入了方程, 它们对总风害率影响最大; 以抗风值为因变量, 只有纤维宽度(r2=0.890 5, P=0.004 7)这个性状纳入方程, 其对树种抗风值影响最大; 以1级风害率为因变量, 纤维长宽比(r2=0.825 9, P=0.012 1), 顺纹剪切强度(r2=0.974 0, P=0.176 9), 抗弯弹性模量(r2=0.919 5, P=0.158 6)纳入回归方程, 回归方程达到显著水平; 纤维宽度(r2=0.818 8, P=0.106 4), 冲击韧性(r2=0.882 4, P=0.055 6)对2级风害率影响最大。建立的回归方程可用于其他树种抗风性能的预测及评价。Abstract: To analyze the relationship between anti-typhoon performance and wood properties, eight wood property factors (oven-dried density, fiber width, fiber length, ratio of fiber length to width, modulus of elasticity, shearing strength, modulus of rupture, and impact toughness) of six tree species (Calophyllum inophyllum, Casuarina equisetifolia, Melia azedarach, Acacia mangium, Eucalyptus grandis×Eucalyptus urophylla, and Acacia crassicarpa)and their anti-typhoon performance were tested. A correlation analysis between anti-typhoon performance and wood properties was conducted. Also, a regression analysis was conducted to determine forecasting and evaluating values for wind-resistance performance. Results for the six tree species showed that each wood property factor presenting a significant difference (P < 0.01) from another. Typhoon-resistance of the trees was in the order:Calophyllum inophyllum> Casuarina equisetifolia> M. azedarach> A. mangium> Eu. grandis×Eu. urophylla> A. crassicarpa. The direct linear correlation between anti-typhoon performance (total wind damage) and fiber width (r=0.958 0, P < 0.05), and that between total wind damage and ratio of fiber length to width (r=-0.868 0, P < 0.05) were found. Regression analysis showed that fiber width (r2=0.917 8, P=0.002 6) and modulus of elasticity (r2=0.972 5, P=0.009 2) got into the regression equation and had the greatest impact on total wind damage. The fiber width (r2=0.890 5, P=0.004 7) got into the regression equation and had the greatest impact on wind-resistance value. Also, ratio of fiber length to width (r2=0.825 9, P=0.012 1), shearing strength (r2=0.974 0, P=0.176 9), and modulus of elasticity (r2=0.919 5, P=0.158 6) got into the regression equation and had the greatest impact on 1st level damage (broken trunk and trunk lodging); whereas, fiber width (r2=0.818 8, P=0.106 4) and impact toughness(r2=0.882 4, P=0.055 6) got into the regression equation and had greatest impact on 2nd level damage (trunk heavily skewed). The forecasting value fitted well with the actual value. Thus, the regression equation could be used for forecasting and evaluating wind-resistance performance of other tree species.
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Key words:
- forest protection /
- wood property /
- anti-typhoon /
- wood density /
- fiber feature /
- mechanical characteristic
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表 1 材性性状相关分析
Table 1. Correlation analysis of wood property
性状 绝干密度 纤维长度 纤维宽度 纤维长宽比 顺纹剪切强度 冲击韧性 抗弯强度 抗弯弹性模量 绝干密度 1.000 纤维长度 0.844* 1.000 纤维宽度 -0.867* -0.602 1.000 长宽比 0.951** 0.907* -0.884* 1.000 顺纹剪切强度 0.709 0.961** -0.393 0.768 1.000 冲击韧性 0.898* 0.856* -0.662 0.856* 0.736 1.000 抗弯强度 0.942** 0.874* -0.816* 0.938** 0.791 0.756 1.000 抗弯弹性模量 0.673 0.465 -0.360 0.448 0.485 0.539 0.658 1.000 说明:**表示极显著相关(P < 0.01),*表示显著相关(P < 0.05)。 表 2 抗风效果与材性性状的相关分析
Table 2. Correlation analysis between anti-typhoon performance and wood property
性状 绝干密度(x1) 纤维长度(x2) 纤维宽度(x3) 纤维长宽比(x4) 顺纹剪切强度(x5) 冲击韧性x6) 抗弯强度(x7) 抗弯弹性模量(x8) 总风害率 -0.781 -0.607 0.958* -0.868* -0.379 -0.637 -0.734 -0.127 1级风害率 -0.810 -0.716 0.908* -0.909* -0.505 -0.738 -0.757 -0.134 2级风害率 -0.383 -0.014 0.720 -0.379 0.150 -0.026 -0.394 -0.151 抗风值 0.796 0.6555 -0.944* 0.890* 0.433 0.679 0.748 0.129 说明:**表示极显著相关(P < 0.01),*表示显著相关(P < 0.05) 表 3 逐步回归分析
Table 3. Regression analysis
因变量 自变量 参数估计 标准误 均方 F值 P值 截距 -167.167 91 25.692 878.655 42.34 0.0074 总风害率 纤维宽度 7.11499 0.697 2 163.895 104.26 0.002 0 抗弯弹性模量 0.003 95 0.002 123.728 5.96 0.0924 截距 70.352 87 14.117 496.214 24.84 0.038 0 纤维长宽比 -2.570 18 0.349 1 082.428 54.18 0.018 0 1级风害率 顺纹剪切强度 2.472 94 1.207 83.926 4.20 0.176 9 抗弯弹性模量 0.003 59 0.002 88.256 4.42 0.1703 截距 -13.709 41 4.496 7.239 9.30 0.055 5 2级风害率 纤维宽度 0.79745 0.168 17.511 22.49 0.017 8 冲击韧性 0.042 72 0.014 7.221 9.28 0.055 6 抗风值 截距 9.229 63 0.958 7.494 92.84 0.000 6 纤维宽度 -0.231 19 0.041 2.625 32.53 0.0047 说明:变量进人模型和留在模型的显著水平分别为0.20和0.18。 表 4 逐步回归过程
Table 4. Process of regression analysis
因变量 步数 每步选入的变量 模型的变量数 偏R 2 模型R 2 进入变量的F值 P值 1 纤维宽度 1 0.917 8 0.917 8 44.66 0.002 6 总风害率 2 抗弯弹性模量 2 0.057 0.972 5 5.96 0.009 2 1 纤维长宽比 1 0.825 9 0.825 9 18.98 0.012 1 1级风害率 2 抗弯弹性模量 2 0.093 6 0.919 5 3.49 0.158 6 3 顺纹剪切强度 3 0.055 0.974 0 4.20 0.176 9 1 纤维宽度 1 0.818 8 0.818 8 4.31 0.1064 2级风害率 2 冲击韧性 2 0.363 6 0.8824 9.28 0.055 6 抗风值 1 纤维宽度 1 0.890 5 0.890 5 32.53 0.0047 -
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2014.05.014