輪伐期馬尾松力學性質的影響因素研究

郭桂芬，吳旭冬，夏 磊，章麗紅

(龍泉市林業局，浙江 麗水 323700)

1 引言

力學性質是評價林木價值的關鍵要素，早期相關資料顯示，不同樹種、同種不同源樹木的木材力學性質存在明顯差異，且環境因素也會對其產生一定影響[1]。基于此認為，在開展木材生產經營管理過程中，確定林木定向培育規劃應兼顧的內容包括水熱條件、遺傳控制、遺傳變異等因素。武國芳等[2]、韓劉楊等[3]，對不同種源林木遺傳變異規律進行研究，能夠掌握林木生長對環境的適應機制，有助于提高林木經營效益。季孔庶等[4]、曹展洪等[5]發現，年降水量、年平均氣溫與林木木材力學性質之間呈現顯著的負相關，即水熱條件是木材力學性質的限制因子。馬尾松(PinusmassonianaLamb)生長速度快，環境適應能力強，在我國南方有廣泛的種植。自20世紀80年代開始，我國南方多地開展馬尾松種源試驗，目的在于選出更多速生優質用材[6]。在既往關于馬尾松的研究中，學者們將關注點放在其抗性機制、種子萌發、間伐作業等方面。例如，牛瓊華等[7]對馬尾松毛蟲抗阿維菌素種群的抗性機制進行研究；武欣怡等[8]通過多年試驗，揭示了酸脅迫對馬尾松種子萌發不同時期酶活性的影響；李鵬等[9]以馬尾松人工林林齡為研究對象，分析土壤、葉片養分含量；程傳鵬等[10]分析間伐作業對亞熱帶馬尾松人工林碳動態的影響。師志強等[11]針對暖溫帶馬尾松進行研究，分析馬尾松莖干徑向變化特點，并探究其對環境因子的響應。關于馬尾松力學性質的研究，也多集中在中幼齡馬尾松上[12,13]。針對輪伐期馬尾松力學性質影響因素的報道比較有限。為此，本研究選取不同種源33年生馬尾松，分析影響其力學性質的因素。

2 材料與方法

2.1 材料來源地概況

本研究材料來自浙江省龍泉市某國有林場馬尾松種源試驗林，位于北緯27°42′～28°20′，東經118°42′～119°25′，屬中亞熱帶季風氣候區，雨量充沛，四季分明，年平均溫度17.6 ℃，冬季霜期短，全年作物生長期長，年降水量為1699.4 mm，無霜期263 d。

2.2 試驗材料

種源試驗林采用完全隨機區組設計，8株雙列，株行距2.0 m×2.0 m，8次重復。于2021年6月選擇試驗林中保存相對完整的4個區組，包含來自10個省(區)的10個具有代表性的種源材料(表1)，每個種源選擇5株長勢良好的33年生馬尾松個體，共200株作為試驗材料。

表1 10個種源材料具體情況

2.3 生長指標測定方法及力學指標測定依據

生長指標包括：樹高(H)、胸徑(DBH、材積(V)，H采用測高桿進行測量；DBH采用圍尺測量；V=0.000062341803×H(0.95682492)×DBH(1.8551497)[14]。

力學指標：包括抗壓強度、抗彎強度、硬度、氣干密度、沖擊韌性，測定依據見表2。

表2 木材力學相關指標以及測定依據[15]

2.4 統計學方法

方差和相關性分析采用22.0版本SPSS軟件，結合相關性分析結果，篩選環境因子(與馬尾松力學性質顯著相關)，通過種源與材料試驗地的相對差值，分別與力學性質指標建立回歸模型，分析試驗林中不同種源馬尾松的力學性質。與此同時，不同種源馬尾松力學性質指標的隸屬值采用隸屬函數法，隸屬值參照權威文獻[16]的相關計算方法：

力學性質指標隸屬值=(W-Wmin)/(Wmax-Wmin)×100%

(1)

式(1)中，W表示某種源馬尾松力學性質指標測定值，Wmin表示全部種源測定值中的最小值，Wmax表示全部部種源測定值中的最大值。

3 結果與分析

3.1 種源間生長和力學指標的差異

方差分析結果顯示，生長指標中，種源間樹高差異顯著(P<0.05)，材積、胸徑差異極顯著(P<0.01)，試驗地間樹高、材積差異極為顯著(P<0.01)；力學指標中，種源間抗壓強度、抗彎強度、端面硬度、徑面硬度、弦面硬度、氣干密度、沖擊韌性差異極顯著(P<0.01)，試驗地間弦面硬度、氣干密度差異極顯著(P<0.01).其中，變異系數最小的是氣干密度(5.41%)，最大是沖擊韌性(21.06%)，具體結果見表3。

3.2 種源地理氣候因子與力學指標的相關性

相關性分析結果表明，種源地緯度、經度與馬尾松力學性質相關性不夠顯著(P>0.05)；抗壓強度只與地理氣候因子中年降水量呈顯著負相關(P<0.05)；抗彎強度地理氣候因子中年平均氣溫、≥10 ℃積溫呈顯著負相關(P<0.05)；在種源地理氣候因子中，端面硬度與年均溫、絕對低溫呈極顯著負相關(P<0.01)，與7月均溫、1月均溫、≥10 ℃積溫呈顯著負相關(P<0.05)；年平均氣溫、7月均溫、≥10 ℃積溫與馬尾松徑面硬度呈顯著負相關(P<0.05)；馬尾松弦面硬度僅與7月均溫呈顯著負相關(P<0.05)，結果見表4。

表3 不同種源間馬尾松生長性狀與力學性質的方差分析結果

表4 馬尾松力學指標與種源地理氣候因子的相關性

3.3 生長指標與力學指標的相關性

相關性分析結果顯示，馬尾松力學指標間互為正相關，其中端面、弦面和徑面硬度兩兩間對比結果顯示，均呈顯著正相關(P<0.05)；氣干密度與沖擊韌性呈顯著正相關(P<0.05)，與抗壓強度和徑面、弦面硬度呈極顯著正相關(P<0.01)，說明單一力學指標增加后，其他力學指標也會隨之增加；力學指標和生長指標呈現較為復雜的相關性：其中，端面硬度與高徑比呈顯著正相關，與胸徑呈顯著負相關(P<0.05)；弦面硬度與高徑比呈顯著正相關(P<0.05)；徑面硬度與高徑比呈顯著正相關，與材積、胸徑呈顯著負相關(P<0.05)，說明速生馬尾松種源很有可能會造成其力學性質下降，見表5。

表5 馬尾松力學指標與生長指標的相關性

4 結論與討論

通過與《木材物理力學性質分級表》中相關標準的對照證實，表3中馬尾松種源力學指標的平均值處于中低等水平，但是本研究中部分力學指標值比高楠[17]的測定結果要高，出現差異的原因在于本研究試驗材料為輪伐期馬尾松，樹齡比較大。有報道[18,19]認為，通常只有在經歷極端氣候的情況下，林木才能完全適應造林地的自然環境條件，說明木材力學性質是有比較顯著的年齡效應的，高楠所選用的是9年生馬尾松，可能無法更加真實地反映收獲期馬尾松的力學特點。本研究為避免此類問題，并更加準確地反映種源之間變異規律，故選則33年生馬尾松進行研究。通過方差分析證實，不同種源間33年生馬尾松生長情況與力學性質存在明顯的差異性，與文獻[20]報道結果相一致，說明通過種源選擇，能夠獲取預期的遺傳改良效果，為馬尾松生長和定向培育提供一定理論依據。

方差和相關性分析結果顯示，不同種源間輪伐期馬尾松力學性質存在顯著差異性，且馬尾松力學指標與種源降水量、氣溫存在顯著的相關性，氣溫越低，馬尾松抗彎強度和木材硬度在試驗地的表現越好。結合權威文獻[21]報道內容認為，上述研究結果說明馬尾松種源力學性質差異使其對環境因素選擇適應和進化的遺傳結果。表3中數據顯示，種源間生長和力學指標的差異特點為：力學指標種源×試驗地互作效應顯著，生長指標種源×試驗地互作效應不顯著，說明個體生長微環境對馬尾松力學性質影響比較大，對馬尾松生長指標的影響相對較小，不同造林區應結合實際情況正確選擇種源進行造林。而表4中馬尾松力學性質之所以存在差異，主要是受到種源水熱條件的影響，其中以氣溫影響最為顯著[22]。馬尾松生長指標與力學指標的相關性分析結果則顯示，氣干密度與多數力學性質之間均呈顯著正相關，表明氣干密度可作為馬尾松力學性質的評價和預測指標，根據兩者之間的相關性制定育種改良、定向培育策略，從而促進林木選擇效率的提升[23]。

綜上所述，本研究所得結果初步揭示不同種源輪伐期馬尾松力學性質存在的豐富的遺傳變異，為種源選擇提供一定理論基礎，在造林時可根據不同利用方向對馬尾松開展定向培育。在未來研究中，應將重點放在馬尾松不同種源在不同環境下生長狀況，進一步評價其生長適應性，從而方便馬尾松遺傳改良策略的制定。