不同樹種木材性質及其抗臺風性能

許秀玉，王明懷，仲崇祿，張華新

（1.中國林業科學研究院國家林業局鹽堿地研究中心，北京 100091；2.廣東省林業科學研究院，廣東廣州 510520；3.中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東廣州 510520）

不同樹種木材性質及其抗臺風性能

許秀玉1，2，王明懷1，仲崇祿3，張華新1

（1.中國林業科學研究院國家林業局鹽堿地研究中心，北京 100091；2.廣東省林業科學研究院，廣東廣州 510520；3.中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東廣州 510520）

為闡明不同樹種木材性質對抗臺風效果的影響規律，確定影響林木風害的主要材性因子，采用相關分析、逐步回歸分析等方法對強臺風過后6個樹種風害情況及8個材性性狀進行了研究。結果表明：臺風對沿海防護林的破壞以1級風害（風折或風倒）和2級風害（嚴重風斜）為主；瓊崖海棠Calophylluminophyllum，木麻黃Casuarina equisetifolia最抗臺風，馬占相思Acaciamangium，巨尾桉Eucalyptusgrandis×Eu.urophylla次之，厚莢相思Acacia crassicarpa最不抗風；樹種總風害率分別與纖維寬度（r=0.958 0，P＜0.05），纖維長寬比（r=-0.868 0，P＜0.05）存在顯著相關；樹種抗風值分別與纖維寬度（r=-0.944 0，P＜0.05），纖維長寬比（r=0.890 0，P＜0.05）存在顯著相關。逐步回歸分析表明：以總風害率為因變量，只有纖維寬度（r2=0.917 8，P=0.002 6），抗彎彈性模量（r2= 0.972 5，P=0.009 2）這2個性狀納入了方程，它們對總風害率影響最大；以抗風值為因變量，只有纖維寬度（r2= 0.890 5，P=0.004 7）這個性狀納入方程，其對樹種抗風值影響最大；以1級風害率為因變量，纖維長寬比（r2= 0.825 9，P=0.012 1），順紋剪切強度（r2=0.974 0，P=0.176 9），抗彎彈性模量（r2=0.919 5，P=0.158 6）納入回歸方程，回歸方程達到顯著水平；纖維寬度（r2=0.818 8，P=0.106 4），沖擊韌性（r2=0.882 4，P=0.055 6）對2級風害率影響最大。建立的回歸方程可用于其他樹種抗風性能的預測及評價。圖2表4參19

森林保護學；木材性質；抗臺風；木材密度；纖維形態；力學性質

中國是世界上少數受臺風影響最嚴重的國家之一，平均有臺風或熱帶氣旋7個·a-1在東南沿海各省登陸，重創農林種植業。目前，國外對林木抗風機制研究主要集中在樟子松Pinussylvestris，西家云杉Piceasitchensis，挪威云杉P.abies，西鐵杉Tsugaheterophylla等樹種，通過動力學理論推導建立了一系列力學方程來描述林木的抗風性，形成了若干關于林木風倒機理的模型［1-5］。國內涉及林木抗風機制的相關研究中，關德新等［6］進行了林帶結構與抗風能力關系的理論分析，鄭興峰等［7］從木材纖維的解剖特征來探討巴西橡膠樹Heveabrasiliensis的抗風性能，朱成慶［8］從生長指標、木材密度、造林密度、行間走向等多方面探討了桉樹無性系的抗風性，吳志華等［9］從形態性狀、應力波速、基本密度、Pilodyn值等方面探討木麻黃Casuarinaequisetifolia及相思Acacia的抗風性。這些研究均未涉及木材力學性質對樹種抗臺風效果的影響規律，也未探明影響林木風倒、風折的主要材性因子。木麻黃是華南沿海地區不可替代的海防林主栽樹種［10］，馬占相思Acaciamangium，厚莢相思A.crassicarpa，巨尾桉Eucalyptus grandis×Eu.urophylla是華南沿海地區主要的經濟用材樹種［11-14］，苦楝Meliaazedarach和瓊崖海棠Calophylluminophyllum是華南沿海地區鄉土樹種、濱海鹽堿地造林樹種及園林綠化景觀樹種。目前，對于這些樹種的培育技術已較為成熟，而對這些樹種抗臺風性能與材性性狀之間關系的研究極少見報道。本研究通過開展風害調查及木材物理、力學性質測定，探討木材材性對抗臺風效果的影響規律，對樹種抗臺風能力進行評價與預測，為沿海防護林抗風樹種的選擇和利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣東湛江東海島，為典型的季風氣候，年降水量為1 500.0 mm，其中75%以上的降水集中在4-9月；年平均氣溫為25.0℃，最低氣溫在1月為2.0℃，最高氣溫在7月為38.0℃；年均相對濕度為80%，土壤為海濱潮積沙土。木麻黃、苦楝、馬占相思、瓊崖海棠、巨尾桉、厚莢相思等6個樹種在試驗地上隨機區組排列，40～50株·小區-1，4次重復。2005年造林，林分平均胸徑11 cm，平均樹高9.5m。

1.2 木材性質的測定

分別樹種選擇試驗林中生長正常，樹干較圓滿通直而無明顯缺陷的平均木3～5株，伐倒，截取原木試材。具體方法參考國家標準GB/T 1927-1991《木材物理力學試材采集方法》。試樣的截取參考國家標準GB/T 1929-1991《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》。試樣制作、含水率的調整、試驗結果的計算等參考國家標準GB/T 1928-1991《木材物理力學試驗方法總則》。

參考國家相應標準［14］，測定各樹種絕干密度、纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比、木材順紋抗剪、沖擊韌性、木材抗彎強度、木材抗彎彈性模量等8個材性指標。

1.3 風害調查

2012年13 級強臺風“啟德”在湛江市麻章區登陸，對試驗林造成了一定破壞，臺風過后7 d內對試驗林開展風害調查，并以5級風害等級評估林分風害情況，估算相應的抗風值［15-16］。1級，樹干傾斜角度＞45°或樹干折斷，得1分；2級，樹干傾斜角度30°～45°或樹梢折斷，得2分；3級，樹干傾斜角度15°～30°，得3分；4級，樹干傾斜角度＜15°或上端樹冠傾斜，得4分；5級，正常而無損害，得5分。

抗風值=（1級風害抗風值×株數+2級風害抗風值×株數+3級風害抗風值×株數+4級風害抗風值×株數+5級風害抗風值×株數）/總株數。

1.4 數據處理

應用SAS系統軟件［17］，進行方差分析、相關分析、逐步回歸分析等統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同樹種間各材性性狀比較分析

由圖1可以看出：各樹種材性性狀差異較大，木麻黃絕干密度、纖維長度及其長寬比、沖擊韌性的平均值均大于其他樹種。厚莢相思的絕干密度最小，纖維寬度最大，纖維長寬比值最小。瓊崖海棠纖維寬度平均值最小，順紋剪切強度、抗彎強度平均值最大。苦楝纖維長度、順紋剪切強度、抗彎彈性模量平均值均低于其他樹種。經方差分析，參試樹種各材性性狀存在著極顯著差異，這些差異性狀為探討林木抗臺風性能差異提供了遺傳基礎。

圖1 參試樹種材性性狀比較Figure 1 Wood property in different tree species

8個材性性狀相關分析（表1）表明：纖維形態、木材密度、力學性狀兩兩之間相關關系顯著，纖維長寬比值越大，木材密度越大，沖擊韌性越強，抗彎強度越大。順紋剪切強度、沖擊韌性、抗彎強度、抗彎彈性模量4個力學性狀兩兩之間相關均不顯著，抗彎彈性模量與其他材性性狀相關關系均不顯著。

表1 材性性狀相關分析Table 1 Correlation analysis of wood property

2.2 不同樹種抗風效果比較分析

風害研究結果表明：巨尾桉、馬占相思、厚莢相思臺風過后風折風倒嚴重，1級風害率占總風害率的比值最大，分別為72.4%，74.4%，64.7%；臺風對瓊崖海棠、木麻黃的危害主要是風斜、斷梢、枝葉脫落等，2級與3級風害占的比例較大；苦楝以1級和2級風害為主。比較各樹種的抗風值，其抗風性能由大到小依次為：瓊崖海棠＞木麻黃＞苦楝＞巨尾桉＞馬占相思＞厚莢相思（圖2）。研究結果還表明：臺風過后，參試樹種樹干傾斜角度＜30°或只是上端樹冠傾斜時，絕大部分植株都能在后期生長中恢復直立，臺風對沿海防護林的危害主要是風折、風倒及嚴重風斜（即1級和2級風害），造成林木的機械破壞、生長勢下降及由此可能引發的病蟲害。

圖2 不同樹種抗風表現差異F igure 2 Anti-typhoon performance in different tree species

2.3 抗風效果與材性性狀的相關分析

相關分析結果表明（表2）：樹種總風害率及1級風害率與纖維寬度呈顯著正相關，與纖維長寬比呈顯著負相關，與絕干密度、纖維長度、順紋剪切強度、沖擊韌性、抗彎強度、抗彎彈性模量呈不顯著負相關；樹種抗風值與纖維寬度呈顯著負相關，與纖維長寬比呈顯著正相關，與其他木材材性性狀呈不顯著正相關。由以上分析可知，纖維寬度、纖維長寬比與樹種總風害率、1級風害率及抗風值大小有著密切的關系；樹種抗風效果與木材力學性狀間多呈不顯著負相關或不顯著正相關，2類性狀似相互獨立，這對育種上開展綜合選擇非常有利。

表2 抗風效果與材性性狀的相關分析Table 2 Correlation analysis between anti-typhoon performance and wood property

2.4 影響林木抗風性能的主要材性因子分析

木材材性性狀之間、林木抗風性能與材性性狀間存在著復雜的關系。為了確定哪些變量是影響林木抗風性能的主效因子，并尋找這些變量間的規律，分別以絕干密度（x1），纖維長度（x2），纖維寬度（x3），纖維長寬比（x4），順紋剪切強度（x5），沖擊韌性（x6），抗彎強度（x7）及抗彎彈性模量（x8）為自變量，以總風害率（y1），1級風害率（y2），2級風害率（y3），抗風值（y4）為因變量進行逐步回歸分析。

結果表明：以總風害率（y1）為因變量進行逐步回歸分析時，由于絕干密度、纖維長度、纖維長寬比、順紋剪切強度、沖擊韌性、抗彎強度等6個變量對樹種總風害率影響不顯著或者變量之間共線性原因，在逐步回歸過程中被剔除，只有纖維寬度、抗彎彈性模量這2個性狀納入了方程，回歸方程達到顯著水平；以1級風害率（y2）為因變量進行逐步回歸分析時，只有纖維長寬比、順紋剪切強度、抗彎彈性模量這3個性狀納入了方程，回歸方程達到顯著水平；以2級風害率（y3）為因變量進行逐步回歸分析時，只有纖維寬度、沖擊韌性這2個性狀納入了方程，回歸方程達到顯著水平；以樹種抗風值（y4）為因變量進行逐步回歸分析時，只有纖維寬度這個性狀納入了方程，回歸方程達到顯著水平（表3）。

表3 逐步回歸分析Table 3 Regression analysis

以總風害率（y1），1級風害率（y2），2級風害率（y3）和抗風值（y4）作因變量，分別與各自納入方程的性狀建立回歸方程如下：

由表4可以看出進入模型各因子決定系數（R2）均大于0.8，方程擬合程度較高。

表4 逐步回歸過程Table 4 Process of regression analysis

3 結論與討論

本研究參試樹種均為廣東、海南沿海大面積、普遍種植的6個樹種，其8個材性性狀變異幅度極大，均呈現極顯著差異，這為研究木材材性對抗風的影響及抗風樹種的選擇、評價與利用提供了依據。6個參試樹種中，瓊崖海棠、木麻黃最抗風，苦楝、馬占相思、巨尾桉次之，厚莢相思最不抗風。這些試驗結果與王志潔等［18］研究發現木麻黃抗臺風的能力強于各種相思樹種，陳勝［19］研究發現厚莢相思抗強風能力較弱等的研究結果基本一致。臺風對沿海防護林的破壞以1級風害、2級風害為主，對巨尾桉、馬占相思、厚莢相思的危害主要是樹干折斷、樹梢折斷，對瓊崖海棠、木麻黃的危害主要是風斜、斷梢、枝葉脫落等。

相關分析表明：樹種抗臺風性能與木材纖維形態（纖維寬度、纖維長寬比）存在著直接的線性相關。這可能由于木材纖維形態與木材密度、力學性質指標之間呈顯著相關關系，不同樹種木材纖維形態直接影響著各樹種的木材密度及力學性能，木材密度隨著纖維長寬比的增加而增加，力學性能隨著纖維長寬比的增加而增強，從而對臺風的侵襲表現出不同的抗性。一般來說，纖維長寬比越大、全干密度越大，木材結構就越致密，因此，從本研究來看木材結構越致密的樹種相對來說抗風性越強。這與吳志華等［9］研究發現相思樹種木材材性較脆，決定其林分抗風折能力弱等研究結果相一致。

逐步回歸分析表明：8個材性指標中對總風害率影響最大的是纖維寬度、抗彎彈性模量這2個指標，對樹種抗風值影響最大的是纖維寬度，對1級風害率影響最大的是纖維長寬比、順紋剪切強度、抗彎彈性模量3個指標，對2級風害率影響最大的是纖維寬度、沖擊韌性這2個指標。本研究所建立的回歸方程可用于其他樹種抗風性能的預測及評價。

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Wood properties and anti-typhoon performance in selected trees

XU Xiuyu1，2，WANG Minghuai1，ZHONG Chonglu3，ZHANG Huaxin1（1.Research Centre on Saline and Alkali Lands of State Forestry Administration，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China；2.Guangdong Academy of Forestry，Guangzhou 510520，Guangdong，China；3.Research Institute of Tropical Forestry，Chinese Academy of Forestry，Guangzhou 510520，Guangdong China）

To analyze the relationship between anti-typhoon performance and wood properties，eightwood 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（Calophylluminophyllum，Casuarinaequisetifolia，Meliaazedarach，Acaciamangium，Eucalyptusgrandis×Eucalyptusurophylla，andAcaciacrassicarpa）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 treeswas in the order：Calophylluminophyllum＞Casuarinaequisetifolia＞M.azedarach＞A.mangium＞Eu. grandis×Eu.urophylla＞A.crassicarpa.The direct linear correlation between anti-typhoon performance（totalwind damage）and fiberwidth（r=0.958 0，P＜0.05），and that between totalwind damage and ratio of fiber length to width（r=-0.868 0，P＜0.05）were found.Regression analysis showed that fiberwidth（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 totalwind 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 wellwith the actual value.Thus，the regression equation could be used for forecasting and evaluating wind-resistance performance of other tree species.［Ch，2 fig.4 tab.22 ref.］

forest protection；wood property；anti-typhoon；wood density；fiber feature；mechanical characteristic

S728.6；S761.2

A

2095-0756（2014）05-0751-07

2013-11-07；

2013-12-20

“十一五”國家林業科技支撐計劃專題（2009BADB2B0101）；廣東省財政專項；廣東省鄉土樹種良種選育與繁育項目

許秀玉，高級工程師，博士研究生，從事林木遺傳育種及森林生態研究。E-mail：81250908@163. com。通信作者：張華新，研究員，博士生導師，從事植物抗逆育種研究。E-mail：13601283540@126. com