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中心组合设计响应面法优化毛竹竹筒车削去青工艺

胡守恒 陈李璨 邵迎涛 张水珍 王新洲 李延军

朱文见, 张慧, 王懿祥. 采伐对森林土壤呼吸影响的研究进展[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(5): 1000-1011. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210365
引用本文: 胡守恒, 陈李璨, 邵迎涛, 等. 中心组合设计响应面法优化毛竹竹筒车削去青工艺[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(4): 787-792. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190510
ZHU Wenjian, ZHANG Hui, WANG Yixiang. Research progress on effects of cutting on forest soil respiration[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(5): 1000-1011. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210365
Citation: HU Shouheng, CHEN Lican, SHAO Yingtao, et al. Optimization of turning technology for removing out-layer of bamboo culm with Box-Behnken Design-response surface methodology[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(4): 787-792. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190510

中心组合设计响应面法优化毛竹竹筒车削去青工艺

DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190510
基金项目: “十三五”国家重点研发计划项目(2018YFF0214501);江苏省科技计划项目(BE2018391);浙江省级重点研发计划课题(BE2018391);浙江省竹资源与高效利用协同创新中心开放项目(2017ZZY2-06)
详细信息
    作者简介: 胡守恒,从事竹材工程材料研究。E-mail: 398101810@qq.com
    通信作者: 李延军,教授,博士,从事竹材工程材料研究。E-mail: lalyj@126.com
  • 中图分类号: S781.9

Optimization of turning technology for removing out-layer of bamboo culm with Box-Behnken Design-response surface methodology

  • 摘要:   目的  由于竹筒竹青的存在会对竹材展平加工产生不良影响,为了保证产品质量,亟需研究优化竹筒的去青工艺。  方法  通过单因素试验设计,来确定竹筒车削去青工艺中车削参数的最佳条件。以竹筒的去青度作为因变量,采用中心组合设计(Box-Behnken Design)响应面法对车削参数(竹筒转速、进给速度、气缸压力)进行研究,运用Design Expert 12 软件对数据进行分析,建立去青度与各车削参数的多元二次回归方程,优化竹筒车削去青工艺。  结果  当竹筒转速为60 r·min–1,进给速度为0.25 m·min–1,气缸压力为0.20 MPa时,得最大去青度为66.97%。采用上述的工艺条件进行实际验证,得到的去青度为65.36%,与理论预测值的误差为–2.37%。  结论  本研究所得模型是合理的,可用于实际去青度的预测。图5表6参13
  • 全球土壤碳储量约为1 500 Pg,超过全球陆地植被碳储量和大气碳储量之和[1]。土壤呼吸年均释放80~95 Pg二氧化碳-碳(CO2-C)到大气中[2-3],是化石燃料燃烧产生二氧化碳排放量的11倍以上[4-5],是陆地生态系统第二大碳通量。全球范围内,森林在减缓气候变化方面发挥着重要的作用[6]。作为地下生态过程的土壤呼吸显著影响着陆地生态系统的碳循环[7],其通量过程已成为全球变化生态学研究的核心和焦点之一。一方面,大气中CO2等温室气体的增加是导致全球气候变化的主要原因。另外一方面,全球气候变化也会加速土壤呼吸速率,进一步增加CO2年排放量。CO2排放与全球气候变化的正反馈作用将放大全球气候变化对陆地生态系统的影响,因此备受学术界和各国政府关注[5, 8]。森林是陆地生态系统中最大的碳库,其面积约占陆地面积的1/3,对全球碳收支有着重要影响。森林土壤碳储量约占森林生态系统碳储量的2/3,约占全球土壤碳储量的39%[9-10]。森林土壤不仅是植被生长的基础,也是CO2的源、汇地之一,通过土壤呼吸排放到大气中的CO2是大气的重要碳源[11]。在碳中和背景下,被关注的重点是非自然变动引起的森林土壤呼吸的增加或减少,这种变化量才是森林生态系统的有效碳源或碳汇。森林生态系统中的人为干扰(如森林经营活动)能在很大程度上影响土壤CO2排放[12]。其中,森林采伐作为最重要的经营措施及干扰程度最大的人为干扰活动之一,通过改变植被组成、林内光照、凋落物质量、数量及土壤温湿度等进而影响着土壤CO2排放。学者们针对不同气候带的森林开展了多种采伐方式对土壤呼吸影响的研究,但是结论并不一致,存在很大的不确定性。科学认识采伐干扰下森林土壤CO2排放的特征,探讨减少土壤呼吸的森林经营措施对于增强森林的固碳减排功能具有重要的科学意义和实践价值。为此,本研究综述了不同采伐方式对森林土壤呼吸的影响及其机制,主要包括不同采伐方式处理下、不同森林类型对于森林土壤呼吸总量、土壤呼吸组分及其温度敏感性(Q10)的影响,并总结了采伐对土壤呼吸影响的调控因子,在此基础上,提出了该领域的研究前景,以期为中国选择合理的采伐方式,降低森林土壤CO2排放,2060年实现碳中和提供参考。

    土壤释放CO2的过程称为土壤呼吸,包括3个生物学过程和1个非生物学过程[13]。3个生物学过程分别是自养呼吸、土壤微生物异养呼吸和土壤动物异养呼吸。植物根系与根际呼吸产生的CO2排放,称为自养呼吸;微生物分解土壤有机质产生的CO2排放,称为土壤微生物异养呼吸;土壤动物呼吸产生的CO2排放,称为土壤动物异养呼吸[13]。非生物学过程是指土壤含碳矿物质化学氧化产生的CO2排放[13],其产生的CO2量远少于生物学过程而通常被忽略不计。

    土壤呼吸组分因其产生途径、产生部位和所利用碳源的不同有着不同的术语表达,且经常存在土壤呼吸组分术语混用的问题[14]。在分析森林采伐对土壤呼吸的影响时,可以以采伐影响土壤呼吸的产生途径、产生部位和碳源等某一方面为主进行分析。从土壤CO2排放的产生途径来分析,可以分为自养呼吸(autotrophic respiration)和异养呼吸(heterotrophic respiration)[8, 15]。从土壤CO2排放的产生部位来分析,可分为根际区、无根系影响的土壤和凋落物层3个部位[16]。从土壤CO2排放所利用的碳源来分析,可以分为土壤有机质源CO2和植物源CO2(包括凋落物源、死根源、活根源)[17-19]

    森林采伐是一种非常普遍的经营作业方式,一般分为针对成熟林或过熟林的皆伐、择伐和渐伐等主伐、针对中幼龄林的间伐以及针对防护林的更新采伐。皆伐是将伐区上的林木一次性全部伐除或几乎伐除(保留部分母树)的主伐方式。择伐、渐伐、间伐、更新采伐都是仅将伐区上的林木移除一部分,为方便叙述,本研究统一称它们为部分采伐。森林采伐要砍伐林分中的所有或部分林木,势必会降低冠层覆盖,去除林分或改变林分结构,影响各种环境因子,进而影响土壤呼吸。

    目前,关于皆伐影响土壤总呼吸的研究有很多,结果并不一致(表1),可以分为增加、不变、减少3种结论。通常认为皆伐短期内会增加土壤总呼吸[20]:锐齿栎Quercus aliena皆伐4个月后土壤总呼吸增加5%[21];挪威云杉Picea abies林皆伐后第2年土壤总呼吸增加29%,第3年增加52%[22];云杉Picea asperata林皆伐后2 a土壤总呼吸增加50%[23]。其主要原因有:①土壤温度升高提升了异养呼吸速率。林地皆伐后土壤受阳光直射,其温度会发生剧烈的变化[24],从而提升了土壤有机质的分解速率和土壤微生物异养呼吸[21],大量研究表明土壤温度提升可以解释85%~98%的土壤呼吸变化[25-29]。②土壤有机质增加。皆伐林地内残留的死根、凋落物和伐木残留物的丰富和矿化导致土壤呼吸在皆伐后几年内增加[23]。③土壤理化性质变化。皆伐会通过影响土壤理化性质,进而影响土壤呼吸。皆伐影响土壤氮含量,土壤氮能加速植物生长,影响土壤根呼吸,同时土壤氮也是土壤微生物的重要影响因子;皆伐还会影响土壤pH,土壤pH通过调控土壤中化学反应的进程和土壤酶活性来间接影响土壤呼吸[30]。还有研究表明皆伐会影响土壤全碳、全氮、碳氮比、速效氮磷钾和土壤容重等,而这些都是土壤呼吸的影响因子[31-35]

    表 1  土壤呼吸及其组分对皆伐的响应
    Table 1  Response of soil respiration and its components to clear cutting
    地点气候带皆伐更新
    方式
    剩余物
    处理方式
    伐后时
    间/a
    观察时间森林类型总呼吸/
    %
    自养呼吸/
    %
    异养呼吸/
    %
    Q10/%参考文献
    中国福建省 亚热带 1 5 cm以上收集,
    以下归堆清理
    5~6 整年 杉阔混交林 −37 −48 −34 −17 [37]
    中国黑龙江省 温带  1 1 生长季 白桦沼泽 −6 [58]
    中国吉林省 温带  1 主干移除
    枝叶未清
    12~13 生长季 阔叶红松林 −25 −35 [72]
    美国加利福尼亚州 温带  1 1~2 整年 云杉林 −29 [38]
    中国甘肃省 暖温带 1 1 4个月后整年 锐齿栎 5 [21]
    俄罗斯莫斯科州 温带  1 凋落物保留
    剩余物保留
    1~2 生长季 云杉林 50
    50
    [23]
    芬兰 温带  1 保留 1 整年 挪威云杉 −16 16
    17
    25
    [22]
    2 整年 29
    3 整年 52
    美国密苏里州 热带  主干移除 2~4 整年 栎-山核桃林 −18 [73]
    全移除 −17
    芬兰 温带  1 全部移除 1 整年 苏格兰松 23 [64]
    2 整年 −16
    3 整年 −20
    加拿大魁北克省 寒带  1 6~7 整年 黑云杉 16 [74]
    2 9
    加拿大新斯科舍省 温带  3 3~4 整年 混合杉木林 −1 [43]
    中国浙江省 亚热带 1 25~26 整年 杉木林 17 −15 [75]
    瑞典乌普萨拉省 温带  4 树干树桩收获
    树冠枝条保留
    21~22 整年 苏格兰松
    挪威云杉
    −10 [65]
    五大湖流域 温带  1 生长季 糖枫 −7 [57]
    日本 温带  4 保留竹类 1~3 整年 寒温带针阔
    混交林
    17 [76]
    日本 温带  4 保留竹类 1~10 整年 寒温带针阔
    混交林
    61 [77]
    马来西亚 热带  1 树干收获,
    其余保留
    1~2 5个月 重红婆罗双林
    龙脑香林
    不变
    不变
    [44]
    韩国 温带  4 1 整年 红松林 41 [78]
    中国浙江省 亚热带 1 移除 1 整年 杉木林 −15 −20 [79]
    5 火烧 −27 −27
    中国浙江省 亚热带 1 保留 2 整年 杉木林 13 −10 [79]
    1 保留且翻土 32 −11
    中国浙江省 亚热带 1 保留 3 整年 杉木林 16 −10 [79]
    1 保留且翻土 30 −12
    英国英格兰 温带  1 1 整年 云杉 −22 [80]
    2 −42
    3 −30
    4 −10
    马来西亚 热带  1 1~9 隔4周测2周 阔叶混交林 13 [81]
    日本 亚热带 1 清除 2 每年5−10月 天然混交林 16 14 [82]
    3 11 33
    4 20 48
    5 5 57
    6 5 67
    7 20 29
    8 4 38
      说明:皆伐更新方式中1表示皆伐后自然恢复,2表示皆伐后翻土,3表示皆伐后喷洒除草剂,4表示皆伐后人工种植,5表示皆伐后火烧。     栎Quercus spp.,山核桃Carya spp.,黑云杉Picea mariana,重红婆罗双Shorea spp.,龙脑香Dipterocarpus spp.,红松      Pinus koraiensis。空白表示无此项观测记录
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    也有少数研究认为,皆伐造成的根呼吸降低大于采伐造成的异养呼吸增加,因此皆伐造成土壤总呼吸的降低[36]。杉阔混交林皆伐第5年土壤呼吸减少48%[37]。云杉林皆伐1 a后土壤呼吸减少29%[38]。皆伐减少土壤呼吸的原因主要有:①皆伐后土壤自养呼吸显著下降。根呼吸占土壤呼吸的50%[39],皆伐迹地植被活根的减少会导致土壤自养呼吸速率下降[40],当自养呼吸下降幅度大于异养呼吸的增加幅度时土壤总呼吸速率表现为降低[21]。②皆伐后采伐剩余物的清除方式。皆伐后火烧或清除采伐剩余物、清理凋落物等都会减少土壤有机质输入,从而减少碳输入[41],微生物的异养呼吸会在一段时间后消耗掉大量的土壤碳[42],减少皆伐迹地土壤碳含量,进而降低土壤呼吸。③皆伐迹地植被恢复的时间不同。从皆伐后立即开展研究到皆伐后若干年开展研究,观察到的皆伐迹地恢复阶段不统一,导致相同气候和人为干扰措施可能因为不同植被恢复阶段而得到不同的研究结论。

    还有研究发现皆伐对土壤呼吸无显著影响。例如:杉木Cunninghamia lanceolata林皆伐后第25年土壤呼吸未发生明显变化[43]。杨玉盛等[25]发现杉木林皆伐后土壤呼吸的变化不显著。皆伐后土壤呼吸变化不大的原因可能有:①土壤异养呼吸的增加弥补了根呼吸的减少导致了土壤总呼吸基本不变。皆伐后根系呼吸的下降和物质输入的消失可降低土壤自养呼吸,而采伐剩余物的分解增加及新近死亡的根系分解可能促进土壤异养呼吸,两方面综合作用可能导致土壤总呼吸的不变[25]。也有研究表明,皆伐后土壤微生物呼吸的增加与根呼吸的减少相抵消,从而使得土壤总呼吸未发生明显变化[44-45]。②研究区微地形的影响和地下潜在因素众多,尤其是皆伐后林区排水能力的变化影响地下水位,进一步影响微生物活性,本应增加的土壤微生物呼吸未发生明显变化,导致土壤呼吸未发生明显变化[43]

    综上可见,皆伐对土壤呼吸影响的效果因皆伐措施的不同、森林类型的不同和伐后恢复时间的不同呈现显著的时空和地域异质性[46-47]

    部分采伐对森林土壤呼吸影响的研究相对于皆伐较少[48]。部分采伐收获了部分林木,对林分及其土壤的干扰程度相比皆伐较低。从目前的研究情况(表2)来看,部分采伐对土壤呼吸影响的研究结果也不一致,有增加[49-50],减少[36, 51]和基本不变[52-54]共3类。有关部分采伐对土壤呼吸影响的研究常聚焦于不同采伐强度的影响上。如马尾松Pinus massoniana林间伐15%和间伐70%后1 a内土壤呼吸分别为保持不变和增加17%[55];杉阔混交林间伐35%、49%和68%第5年土壤呼吸分别增加15%、增加16%和减少10%[37]。毛竹Phyllostachys edulis林择伐24%第3~8个月土壤呼吸减少16%[56]。糖枫Acer saccharum林间伐35%第5~10个月土壤呼吸减少19%[57]。白桦Betula platyphylla沼泽林渐伐45%第8~13个月土壤呼吸减少15%[58]

    表 2  土壤呼吸及其组分对部分采伐的响应
    Table 2  Response of soil respiration and its components to partial cutting
    地点气候带部分采伐
    强度/%
    剩余物
    处理方式
    伐后时
    间/a
    观察时间森林类型总呼吸/
    %
    自养呼吸/
    %
    异养呼吸/
    %
    Q10/%参考文献
    中国湖北省 亚热带 除灌 清理 1 整年 马尾松林 −17 −17 −18 [56]
    15 移除树干 −14 11
    70 移除树干 17 11 22
    中国山西省 温带  20 清除 1 生长季 油松人工林 −4 18 −6 6 [69]
    30 23 64 19 −30
    40 52 290 30 −13
    中国湖北省 亚热带 24 1 生长季 毛竹林 −16 28 −29 9 [56]
    中国福建省 亚热带 35 5 cm以上收集,
    以下归堆
    5~6 整年 杉阔混交林 15 14 15 52 [37]
    49 16 13 17 34
    68 −10 −5 −12 −1
    中国黑龙江省 温带  45 1 生长季 白桦沼泽 −15 [58]
    中国陕西省 温带  15 清除采伐剩余物 3~4 生长季 华北落叶松 −5 47 [84]
    35 16 3
    50 −3 15
    中国陕西 温带  12 1~4 生长季 华北落叶松 [28]
    32 17
    47
    斯洛文尼亚 温带  50
    100
    1~3 生长季 山毛榉林 47
    69
    [85]
    中国黑龙江省 温带  20 堆腐 1~4 生长季 针阔混交林 23 [59]
    39 22
    52 24
    62 27
    71 22
    挪威 寒带  41 32~33 夏季 挪威云杉 13 [86]
    55 17
    加拿大安大略省 温带  50 2 生长季 耐寒阔叶林 54 [57]
    爱尔兰 温带  42 1~2 整年 云杉 13 [87]
    日本 亚热带 50 2~4 整年 日本雪松林 46 [88]
    加拿大安大略省 温带  28 1 生长季 杉阔混交林 17 −25 [50]
    2 18 −6
    3 16 19
    中国湖北省 亚热带 23 手工除草为对照
    除草剂除草为处理
    1 整年 毛竹林 −7 20 −13 3 [83]
    斯洛文尼亚 温带  50 1~3 生长季 云杉林/冷杉林 26 [85]
    100 48
    中国湖北省 亚热带 15 清除 1~3 全年 马尾松林 29 14 39 [89]
    70 42 19 59
      说明:日本雪松Cryptomeria japonica。空白表示无此项观测记录;−表示减少
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    部分采伐增加土壤呼吸的原因有:①部分采伐减小了森林郁闭度,林下光照强度增加导致土壤温度增加,促进土壤有机质分解,从而增加土壤异养呼吸,同时也促进植物根系的生长,增加土壤自养呼吸[49];②部分采伐后采伐剩余物例如木屑和树枝树叶等进入土壤,为土壤微生物活动提供底物,增加土壤异养呼吸[59]。部分采伐降低土壤呼吸可以归因为:①部分采伐时整株植物被移除,凋落物减少,碳底物供应下降导致土壤呼吸减弱[56]。②部分采伐后乔木层减少,树木蒸腾作用减弱,地下水位上升,土壤孔隙减少,导致土壤呼吸减小[58]。部分采伐对土壤呼吸无显著影响可能是因为:①部分采伐提高了土壤异养呼吸,但又同时降低了根呼吸,综合作用下部分采伐对土壤呼吸无影响[55]。②部分采伐后林地凋落物储量、有机碳储量、土壤总孔隙度及细根生物量仍能维持较高的水平,与对照相比土壤呼吸未发生显著变化[37]

    总体上,部分采伐对土壤湿度、细根生物量和土壤碳储量(包括土壤总碳含量、土壤有机碳和微生物量碳)无显著影响。但是部分采伐会导致凋落物等显著减少,土壤温度升高,土壤总呼吸上升。轻度和中度部分采伐显著增加土壤呼吸,尤其是在植被恢复的早期阶段(≤2 a)[60]

    虽然近些年来对土壤呼吸组分的研究大幅度增加(表1表2),但是与采伐对森林土壤呼吸影响的研究相比,采伐对土壤呼吸组分影响的研究要少得多。土壤自养呼吸和土壤异养呼吸受到土壤温度、土壤湿度和细根生物量等一系列因素的影响[44]

    皆伐导致细根大量死亡,土壤自养呼吸显著下降[37]。皆伐后森林乔木层消失,太阳直射地表导致土壤温度升高,地表水分加速蒸发[61]。地表温度的上升促进了枯枝落叶层和表层土壤有机质的分解[29];皆伐带来的新鲜采伐剩余物为土壤微生物提供了大量的碳源[62],以上2点原因导致了皆伐后土壤异养呼吸增加[63]。但此部分碳源分解较快,长时间土壤异养呼吸下降会导致土壤异养呼吸短时间内增加长时间内减少,其他研究也佐证了这一结论。例如苏格兰松Pinus sylvestris皆伐第1年土壤异养呼吸增加23%,第2年减少16%,第3年减少20%[64]。这是因为皆伐时产生的碎木屑进入土壤,增加了土壤微生物呼吸的底物,导致了土壤异养呼吸的增加,但是这部分底物很少,在第2年和第3年时底物分解殆尽,土壤异养呼吸下降。杉阔混交林皆伐第5年土壤自养呼吸减少48%,土壤异养呼吸减少34%[37]。这是因为皆伐收获了林木,植物根大量死亡,土壤自养呼吸显著下降,同时皆伐后林地凋落物、土壤总孔隙度和土壤有机质都出现了明显的下降,土壤异养呼吸显著下降。苏格兰松和挪威云杉在皆伐第22年土壤异养呼吸减少10%[65]。而这可能是因为此研究采用挖掘机收获伐桩,比起用带有刀片的推土机,对土壤的扰动更小,不同收获方式导致土壤呼吸的变化不同。

    总体来看,与对照组相比,皆伐破坏了森林地上植被,导致根系死亡,土壤自养呼吸下降;皆伐后保留采伐剩余物短时间内土壤异养呼吸增加,长时间后则土壤异养呼吸会下降。这是因为保留采伐剩余物为土壤微生物呼吸和土壤动物呼吸提供了碳源,但是这种碳源易分解,短时间内会释放大量CO2,长时间后则易分解有机质减少,土壤异养呼吸下降。同时皆伐砍伐灌木、清除草本和根系分解可能补偿根系和根际呼吸的减少[66]

    部分采伐主要通过以下两方面影响土壤呼吸组分:①不同的采伐剩余物处理方法对土壤微生物底物的供应不同,影响土壤微生物呼吸,从而影响土壤异养呼吸。②部分采伐强度不同,对植物根的破坏程度不同,对土壤自养呼吸的影响也不同。例如,马尾松林间伐15%和70%在1 a内(仅移除树干)土壤自养呼吸分别减少14%和增加11%,土壤异养呼吸分别增加11%和22%。这是因为15%间伐清除了林下灌木和部分林下树种,这些植被细根比例大且分布较浅,清除后可能会显著降低表层土壤根系生物量,导致土壤自养呼吸减少[55];70%间伐导致地上植被减少,但是充足的养分会促进剩余植被的生长,导致根系生物量增加,进而增加根呼吸,原本应减少的根呼吸无显著变化[55];2种强度的采伐后林地残留的伐根死亡为土壤异养呼吸增加了底物,同时活立木的减少改变了林木微环境,为土壤微生物活动创造了适宜的条件,导致土壤异养呼吸增加[67-68]。油松Pinus tabulaeformis人工林择伐20%、30%和40%第2~7个月(采伐剩余物清除)土壤自养呼吸分别增加18%、64%和290%,土壤异养呼吸分别减少6%、增加19%和增加30%[69]。此研究中随着林分密度的递减,林地总活根量密度增大,而总活根量在一定程度上决定根呼吸,故随采伐强度增加,土壤自养呼吸越强。随着采伐强度的增加,进入土壤的枯枝落叶增加,而枯枝落叶层的覆盖对土壤CO2的排放有一定的阻碍[70],故对照组异养呼吸低于处理组。毛竹林间伐24%第3~8个月土壤异养呼吸增加28%,土壤自养呼吸减少29%[56]。这是因为采伐后林地表面温度升高,地上碳供应减少,根基分泌物减少,导致土壤有机碳分解增加,土壤矿质呼吸增加,而根呼吸的下降可能是因为底物供应的下降[71]。杉阔混交林择伐35%、49%和68%第5年(采伐剩余物长度5 cm以上收集以下归堆清理)土壤自养呼吸分别增加14%、增加13%和减少5%,土壤异养呼吸分别增加15%、增加17%和减少12%[37],而这些差异在统计学上并不显著。这是因为择伐后林地凋落物储量、土壤总孔隙度、有机碳储量、有机质和细根生物量仍维持在较高的水平,土壤呼吸组分未发生显著变化。

    可以看出,部分采伐对土壤呼吸组分的影响会随着采伐剩余物处理方式的不同而发生显著的变化,保留采伐剩余物短时间内通常会增加土壤异养呼吸;同时林分根系的生长也会随着伐后恢复的程度而得到增强,伐后恢复时间越久,部分采伐对土壤呼吸组分的影响越小。

    土壤温度是影响土壤呼吸的重要环境因子,土壤呼吸的温度敏感性用Q10来表示,是指土壤呼吸随温度每升高10 ℃所增加的倍数。Q10值不仅随地理位置、森林生态系统的不同而不同,也会受到人为干扰活动如采伐的影响。

    皆伐对土壤呼吸温度敏感性的影响主要取决于皆伐迹地植被恢复的时间。例如欧洲云杉皆伐1~3 a Q10连年上升,第1年增加16%,第2年增加17%,第3年增加25%[22],阔叶红松林皆伐13 a后生长季Q10减少35%[72],但杉木林皆伐1~3 a无论是移除还是保留采伐剩余物Q10皆下降[79]。而杉阔混交林皆伐5 a后Q10减少17%[37]。由于皆伐后采伐剩余物管理方式的不同,进入土壤的易分解有机质有多有少,短期内Q10也表现出不同的变化规律,但长期后因为皆伐迹地植被的恢复,土壤温度敏感性基本呈现下降的趋势。

    部分采伐对土壤温度敏感性的影响主要取决于部分采伐的强度,但是不同研究的结果并不统一。低强度部分采伐下,短时间内Q10通常增加,毛竹林23%间伐1 a后Q10增加3%[83],油松人工林20%间伐1 a后生长季Q10增加6%[69],毛竹林24%间伐1 a后生长季Q10增加9%[56],杉阔混交林35%和49%间伐5~6 a内Q10分别增加52%和34%[37],华北落叶松15%间伐3~4 a内生长季Q10增加47%[84]。但是也有结果相反的研究,例如杉阔混交林28%间伐1、2 a后Q10分别减少25%和6%,这和此研究中夏季降雨量减小有关。高强度采伐后Q10的变化并不统一,例如油松人工林40%间伐1 a后生长季Q10减少13%[69],杉阔混交林间伐68% 5~6 a内Q10减少1%[37],华北落叶松50%间伐3~4 a Q10增加15%[74]。这可能是因为高强度部分采伐后林窗面积增大,其他植物荫蔽林窗的能力受到当地气候等因素的影响。从以上研究中可以看出,一部分研究结果呈现轻度、中度部分采伐短时间内Q10增加的趋势,随着植被的恢复,Q10也逐渐接近对照林。但是也有部分研究受到其它因素例如降雨量变化的影响,结果与上述研究相反。

    总体上皆伐会破坏森林植被,造成植物根系大量死亡,土壤自养呼吸降低,同时皆伐将更多的枯枝落叶带入土壤,加上死亡的植物根系,土壤异养呼吸增加。两者共同作用决定了土壤总呼吸的变化,如果皆伐后对皆伐迹地进行清理,土壤总呼吸往往会下降,如果皆伐迹地内采伐剩余物较多,土壤总呼吸可能会先上升后下降。与皆伐相比,部分采伐对森林的干扰程度不同,一定强度的部分采伐可能会增加土壤总呼吸,随着部分采伐强度的增大,土壤呼吸的变化接近皆伐迹地内土壤呼吸的变化。

    森林土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,在全球气候变化中起着重要的作用。皆伐或部分采伐作为重要的人为干扰经营措施,对森林林冠、覆盖率、枝叶雨水截流、土壤温度、土壤湿度等土壤理化性质和土壤呼吸有着显著的影响。森林不同强度部分采伐对伐后植被不同恢复阶段土壤呼吸和土壤碳储量的影响尚不清晰,建议加强土壤呼吸组分对部分采伐强度响应的长期研究。除此之外,森林采伐和林下除灌、除草、定期打枝等其他经营措施的交互作用以及全球大气CO2浓度上升等全球变化因子对区域森林变化也应纳入考量中。

  • 图  1  车削去青机及去青车刀

    Figure  1  Turing machine of removing bamboo green and turning tool

    图  2  图像处理前后展平竹板材试样表面

    Figure  2  Surface of flat bamboo sample before and after image processing

    图  3  竹筒转速和进给速度对去青度相互影响的响应面图和等高线图

    Figure  3  Contour and response surface plots of Y=f(A, B)

    图  4  竹筒转速和气缸压力对去青度相互影响的响应面图和等高线图

    Figure  4  Contour and response surface plots of Y=f(A, C)

    图  5  进给速度和气缸压力对去青度相互影响的响应面图和等高线图

    Figure  5  Contour and response surface plots of Y=f(B, C)

    表  1  竹筒转速的单因素试验结果

    Table  1.   Single factor experimental result of bamboo roration speed

    竹筒转速/
    (r·min−1)
    去青效果
    破裂率/%去青厚度/mm去青度/%
    3220.4738.29
    4060.5342.94
    4860.6149.33
    56100.7356.62
    64100.9164.48
    72161.0980.29
      说明:进给速度为0.35 m·min−1;气缸压力为0.20 MPa
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    表  2  进给速度的单因素试验结果

    Table  2.   Single factor experimental result of bamboo feed speed

    进给速度/
    (m·min−1)
    去青效果
    破裂率/%去青厚度/mm去青度/%
    0.2580.8164.17
    0.3040.7560.43
    0.3560.7255.91
    0.4040.6752.19
    0.4580.6050.11
    0.5060.5445.87
      说明:竹筒转速为50 r·min–1;气缸压力为0.20 MPa
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    表  3  气缸压力的单因素试验结果

    Table  3.   Single factor experimental result of bamboo pressure

    气缸压力/MPa去青效果
    破裂率/%去青厚度/mm去青度/%
    0.0500.2223.11
    0.1020.4535.19
    0.1540.5840.02
    0.2080.7158.82
    0.25140.9268.88
    0.30181.1283.29
      说明:竹筒转速为50 r·min–1;进给速度为0.35 m·min–1
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    表  4  响应面BBD试验因素及水平

    Table  4.   Factors and levels of BBD test

    水平因素
    竹筒转速A/(r·min–1)进给速度B/(m·min–1)气缸压力C/MPa
    –1400.250.10
    0500.300.15
    1600.350.20
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    表  5  响应面BBD试验设计及结果

    Table  5.   Design and results of BBD test

    试验号竹筒转速
    A/(r·min–1)
    进给速度
    B/(m·min–1)
    气缸压力
    C/MPa
    去青度
    Y/%
    试验号竹筒转速
    A/(r·min–1)
    进给速度
    B/(m·min–1)
    气缸压力
    C/MPa
    去青度
    Y/%
    1500.300.1540.3610500.300.1539.63
    2500.300.1540.3311400.350.1533.02
    3400.250.1538.8112500.250.1031.56
    4600.350.1544.3913500.300.1541.08
    5500.350.2051.6514500.350.1030.47
    6600.300.2060.3415400.300.1021.25
    7600.250.1552.4916500.250.2060.39
    8600.300.1035.9917500.300.1541.88
    9400.300.2047.66
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    表  6  回归模型方差分析

    Table  6.   Variance analysis of regression model

    方差分析项平方和自由度FP方差分析项平方和自由度FP
    模型1 720.669232.45<0.000 1**A20.5010.600.463 1
    竹筒转速A344.141418.41<0.000 1**B214.64117.800.003 9*
    进给速度B70.33185.51<0.000 1**C24.1915.090.058 7
    气缸压力C1 269.3211 543.28<0.000 1**残差5.767
    AB1.3311.620.243 5失拟项2.8331.290.391 9
    AC1.0611.290.293 5纯误差2.924
    BC14.63117.79 0.003 9*总离差1 726.4216
      说明:回归模型R2=0.996 7,R2adj=0.992 4,${R^2_{\rm{P}} }$=0.971 1,变异系数CV=2.17;**P<0.000 1,差异极显著;*表示P<0.05,差异显著
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  • 收稿日期:  2019-09-02
  • 修回日期:  2020-02-11
  • 网络出版日期:  2020-07-21
  • 刊出日期:  2020-07-21

中心组合设计响应面法优化毛竹竹筒车削去青工艺

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190510
    基金项目:  “十三五”国家重点研发计划项目(2018YFF0214501);江苏省科技计划项目(BE2018391);浙江省级重点研发计划课题(BE2018391);浙江省竹资源与高效利用协同创新中心开放项目(2017ZZY2-06)
    作者简介:

    胡守恒,从事竹材工程材料研究。E-mail: 398101810@qq.com

    通信作者: 李延军,教授,博士,从事竹材工程材料研究。E-mail: lalyj@126.com
  • 中图分类号: S781.9

摘要:   目的  由于竹筒竹青的存在会对竹材展平加工产生不良影响,为了保证产品质量,亟需研究优化竹筒的去青工艺。  方法  通过单因素试验设计,来确定竹筒车削去青工艺中车削参数的最佳条件。以竹筒的去青度作为因变量,采用中心组合设计(Box-Behnken Design)响应面法对车削参数(竹筒转速、进给速度、气缸压力)进行研究,运用Design Expert 12 软件对数据进行分析,建立去青度与各车削参数的多元二次回归方程,优化竹筒车削去青工艺。  结果  当竹筒转速为60 r·min–1,进给速度为0.25 m·min–1,气缸压力为0.20 MPa时,得最大去青度为66.97%。采用上述的工艺条件进行实际验证,得到的去青度为65.36%,与理论预测值的误差为–2.37%。  结论  本研究所得模型是合理的,可用于实际去青度的预测。图5表6参13

English Abstract

朱文见, 张慧, 王懿祥. 采伐对森林土壤呼吸影响的研究进展[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(5): 1000-1011. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210365
引用本文: 胡守恒, 陈李璨, 邵迎涛, 等. 中心组合设计响应面法优化毛竹竹筒车削去青工艺[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(4): 787-792. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190510
ZHU Wenjian, ZHANG Hui, WANG Yixiang. Research progress on effects of cutting on forest soil respiration[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(5): 1000-1011. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210365
Citation: HU Shouheng, CHEN Lican, SHAO Yingtao, et al. Optimization of turning technology for removing out-layer of bamboo culm with Box-Behnken Design-response surface methodology[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(4): 787-792. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190510
  • 中国竹类资源十分丰富,自20世纪80年代初至今的几十年时间内,中国竹材加工产业从无到有得以迅速发展[1]。传统的竹加工生产工艺由于利用率不高,会造成竹材资源的极大浪费[2-3]。为了开展竹材的高效加工利用,竹材软化展平,特别是竹筒无裂纹展平技术近年来发展壮大,它实现了以竹片和竹束为主的竹材加工构成单元向展平竹板转变,大大提高了竹材利用率[4]。目前,专家学者主要针对于竹材软化展平工艺与设备、竹材软化展平机理等方面进行研究[5]。虽然竹材的软化和展平是竹筒无裂纹展平的重中之重,但竹筒的预处理,即去青处理也极为关键。竹材的竹青主要由蜡质层、硅脂层和维管束构成,且竹青部位的纤维素、木质素比竹黄和竹肉部位都高,因此竹青层质地坚韧,组织致密,难以压缩、拉伸、变形和软化[6-7]。因此,去青效果的优劣将会影响到最终展平竹板的展平质量。目前,学者主要研究重组竹的去青程度对物理力学强度的影响,以及去青设备的制造。而针对竹展平的去青研究鲜有报道,由于竹青的存在会对竹材展平加工产生不良影响,因此研究竹筒的去青工艺对实际生产具有积极意义。叶良明等[8]就是否去青,对重组竹板材的物理力学强度的影响进行研究;李大胜[9]对整竹去青技术及装备进行研究;邓健超等[10]研究了竹束去青程度对竹束单板层积材物理力学性能的影响。响应面法(response surface method,RSM)是一种采用多元回归方程拟合响应值与因素之间函数关系的优化统计方法,通过对响应曲面及等高线的分析来获得最优的工艺参数[11]。其中的中心组合设计方法(Box-Behnken Design,BBD)是一种基于3水平的一阶或多阶试验设计建模方法,具有试验次数少,结果准确性高的优点[12]。车削工艺参数对毛竹 Phyllostachys edulis竹筒去青效果存在潜在影响,本研究采用BBD响应面法探讨竹筒转速、进给速度和气缸压力对竹筒去青度的影响,从而获得竹筒最佳车削去青工艺参数。

    • 采伐于浙江丽水竹口镇的5年生新鲜毛竹(静置室外2周),选取壁厚10~11 mm,外径100~110 mm的竹筒截断至75 cm。

    • 浙江庄诚竹业有限公司自主研制的纵向展平机、车削去青机、去节机、圆锯机(型号:MJ105A)、高温压力罐、游标卡尺(精度0.02 mm)、皮尺等。

    • 竹筒软化展平的技术路线如下:备料、截断、去节、车削去青、开槽、软化、纵向展平、定型、刨削、铣边、干燥[13]。截断好的竹筒通过去节机去除内节,通过车削去青机(图1),按照规定的车削工艺参数去青处理。去青完毕后,测量竹筒破损个数(每组试验50个试样)、去青厚度和去青度,作为去青效果的评价指标。其中,竹筒去青度的测量采用软件Image J(图2),对软化展平后的竹板图片进行处理分析,测量竹板上的带青区域的面积占整个竹板面积的比例,记录数据并计算。去青度S=(1–s1)×100%。其中:S为竹筒去青度;s1为展平竹板带青区域的面积比例。

      图  1  车削去青机及去青车刀

      Figure 1.  Turing machine of removing bamboo green and turning tool

      图  2  图像处理前后展平竹板材试样表面

      Figure 2.  Surface of flat bamboo sample before and after image processing

    • 在前期单因素试验结果基础上,采用BBD(Box-Behnken Design)响应面法进行3因素3水平的试验,以竹筒转速、刀具的进给速度、气缸压力为变量,以去青度为响应值,应用Design Expert 12 软件,建立数学回归模型,优化竹筒的去青工艺。

    • 根据响应面试验结果,得出较优的去青工艺参数,再进行竹筒的软化展平并计算去青度,与响应面模型预测值对比,验证其可靠性。

    • 表1可知:竹筒转速对去青效果具有明显影响。当竹筒转速过低时,转速与进给速度不匹配,竹筒表面会出现规律性的完全未吃刀的留青情况,导致去青质量无法达到展平所需的要求。当竹筒转速过高时,在单位时间内刀具与工件及切屑的摩擦频率增大,导致竹青面重复吃刀,去青厚度增大,甚至有可能切削到竹肉。高转速下竹筒的去青厚度达1.00 mm,大于竹筒本身竹青层的厚度,降低了出材率。因此在进给速度和气缸压力一定的条件下,竹筒转速以48~56 r·min–1为佳。

      表 1  竹筒转速的单因素试验结果

      Table 1.  Single factor experimental result of bamboo roration speed

      竹筒转速/
      (r·min−1)
      去青效果
      破裂率/%去青厚度/mm去青度/%
      3220.4738.29
      4060.5342.94
      4860.6149.33
      56100.7356.62
      64100.9164.48
      72161.0980.29
        说明:进给速度为0.35 m·min−1;气缸压力为0.20 MPa
    • 表2可知:随着进给速度增大,竹筒的去青厚度和去青度总体呈下降趋势,导致去青质量无法达到展平所需的要求。若进给速度过小时,单位时间内刀具相对于工件位移量小于工件每旋转1周时,刀具切削所产生的切削宽度,导致重复切削,去青厚度增大,甚至有可能切削到竹肉。根据实际生产要求,在保证去青效果达到要求的前提下,应尽可能的选用较大的进给速度以获得最大的生产效率。因此在竹筒转速和气缸压力一定的条件下,进给速度以0.25~0.35 m·min–1为佳。

      表 2  进给速度的单因素试验结果

      Table 2.  Single factor experimental result of bamboo feed speed

      进给速度/
      (m·min−1)
      去青效果
      破裂率/%去青厚度/mm去青度/%
      0.2580.8164.17
      0.3040.7560.43
      0.3560.7255.91
      0.4040.6752.19
      0.4580.6050.11
      0.5060.5445.87
        说明:竹筒转速为50 r·min–1;气缸压力为0.20 MPa
    • 气缸压力是指用于顶紧去青车刀的气缸预先设置好的压力大小。由表3可知:随着气缸压力的增加,竹筒的去青厚度和去青度均有大幅度的增长,但此时破裂率也大大增加。压力的增加使得切削深度增加,进而使车削力变大。当车削力超出竹筒所能承受范围时,竹筒撕裂。因此虽然较大的压力可以提高竹筒的去青质量,但破裂率也同时提高,不符合实际生产的要求。综上所述,在竹筒转速和进给速度一定的条件下,气缸压力以0.10~0.20 MPa为佳。

      表 3  气缸压力的单因素试验结果

      Table 3.  Single factor experimental result of bamboo pressure

      气缸压力/MPa去青效果
      破裂率/%去青厚度/mm去青度/%
      0.0500.2223.11
      0.1020.4535.19
      0.1540.5840.02
      0.2080.7158.82
      0.25140.9268.88
      0.30181.1283.29
        说明:竹筒转速为50 r·min–1;进给速度为0.35 m·min–1
    • BBD响应面试验因素与水平见表4,试验设计及结果见表5。经Desigin-Expert 12 软件对17个试验点的去青度进行回归统计分析,得到的去青度Y回归方程Y=40.66+6.56A–2.96B+12.60C–0.5775AB–0.515AC–1.91BC–1.0.343A2+1.86B2。通过二次回归方程计算模拟,当A=60 r·min–1B=0.25 m·min–1C=0.20 MPa时,此时去青度Y的理论最佳值为66.97%。由表6可知:该模型的F=232.45,P<0.000 1,达极显著水平,说明该模型有意义。失拟项P=0.391 9>0.05,表明其影响不显著,无失拟因素存在,且预测$R^2_{\rm{P}} $值与校正R2adj接近,说明试验操作和理论预测可信,可用该回归方程代替试验真实点对结果进行分析。由回归方程系数的显著性检验说明可知:模型一次项(ABC)影响极显著,交互项(BC)和二次项(B2)影响显著,其余变量对去青度的影响不显著。依据回归方程Y内的系数,A的系数为6.56、B的系数为–2.96、C的系数为12.60,可得出因素对去青度的主效应顺序为:CAB,即气缸压力>竹筒转速>进给速度。

      表 4  响应面BBD试验因素及水平

      Table 4.  Factors and levels of BBD test

      水平因素
      竹筒转速A/(r·min–1)进给速度B/(m·min–1)气缸压力C/MPa
      –1400.250.10
      0500.300.15
      1600.350.20

      表 5  响应面BBD试验设计及结果

      Table 5.  Design and results of BBD test

      试验号竹筒转速
      A/(r·min–1)
      进给速度
      B/(m·min–1)
      气缸压力
      C/MPa
      去青度
      Y/%
      试验号竹筒转速
      A/(r·min–1)
      进给速度
      B/(m·min–1)
      气缸压力
      C/MPa
      去青度
      Y/%
      1500.300.1540.3610500.300.1539.63
      2500.300.1540.3311400.350.1533.02
      3400.250.1538.8112500.250.1031.56
      4600.350.1544.3913500.300.1541.08
      5500.350.2051.6514500.350.1030.47
      6600.300.2060.3415400.300.1021.25
      7600.250.1552.4916500.250.2060.39
      8600.300.1035.9917500.300.1541.88
      9400.300.2047.66

      表 6  回归模型方差分析

      Table 6.  Variance analysis of regression model

      方差分析项平方和自由度FP方差分析项平方和自由度FP
      模型1 720.669232.45<0.000 1**A20.5010.600.463 1
      竹筒转速A344.141418.41<0.000 1**B214.64117.800.003 9*
      进给速度B70.33185.51<0.000 1**C24.1915.090.058 7
      气缸压力C1 269.3211 543.28<0.000 1**残差5.767
      AB1.3311.620.243 5失拟项2.8331.290.391 9
      AC1.0611.290.293 5纯误差2.924
      BC14.63117.79 0.003 9*总离差1 726.4216
        说明:回归模型R2=0.996 7,R2adj=0.992 4,${R^2_{\rm{P}} }$=0.971 1,变异系数CV=2.17;**P<0.000 1,差异极显著;*表示P<0.05,差异显著
    • 响应面分析中等高线图可以直观反映各因素之间的相互作用。等高线图中的线条呈圆形表示两因素的交换作用不显著,若呈椭圆形则表示交换作用显著。如图3所示:竹筒转速和进给速度交换作用较显著,且进给速度在轴向等高线变化较为密集,竹筒转速在轴向等高线变化较为稀疏,因此竹筒转速对去青度峰值影响较大;如图4所示:竹筒转速和气缸压力交换作用显著,且压力在轴向等高线变化较为稀疏,竹筒转速在轴向等高线变化较为密集,因此压力对去青度峰值影响较大;同理,如图5所示:进给速度和气缸压力交换作用显著,且压力在轴向等高线变化较为稀疏,进给速度在轴向等高线变化较为密集,因此压力对去青度峰值影响较大。

      图  3  竹筒转速和进给速度对去青度相互影响的响应面图和等高线图

      Figure 3.  Contour and response surface plots of Y=f(A, B)

      图  4  竹筒转速和气缸压力对去青度相互影响的响应面图和等高线图

      Figure 4.  Contour and response surface plots of Y=f(A, C)

      图  5  进给速度和气缸压力对去青度相互影响的响应面图和等高线图

      Figure 5.  Contour and response surface plots of Y=f(B, C)

    • 通过响应面法优化得到的最佳车削去青工艺:当竹筒转速为60 r·min–1,进给速度为0.25 m·min–1,气缸压力为0.20 MPa时,得最大去青度为66.97%。采用上述的工艺条件进行实际验证,得到的去青度为65.36%,与理论预测值的误差为–2.37%,证明模型是合理的,可用于实际去青度的预测。

    • 本研究采用车削去青工工艺对竹筒进行去青处理,通过单因素试验和BBD试验对工艺进行优化,得出最佳去青条件:竹筒转速为60 r·min–1,进给速度为0.25 m·min–1,气缸压力为0.20 MPa,竹筒的去青度为66.97%。同时,建立了竹筒去青度与各因素变量的二次回归模型方程,该模型极显著,且失拟项不显著,表明该方程对试验拟合性好,可以应用于实际生产加工之中。

参考文献 (13)

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