木麻黃無性系和相思樹種林分生長與性狀的關(guān)系

木麻黃無性系和相思樹種林分生長與性狀的關(guān)系

臺(tái)風(fēng)是一種自然災(zāi)害，全球發(fā)生頻率高，影響范圍廣，造成嚴(yán)重?fù)p失。我國是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一,平均每年有7個(gè)臺(tái)風(fēng)或熱帶氣旋在東南沿海各省登陸,使這些地區(qū)受到臺(tái)風(fēng)襲擊的頻率和影響程度居于各種自然災(zāi)害之首,每年因臺(tái)風(fēng)損失超過百億元。2008年9月24日強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”襲擊廣東、廣西,對當(dāng)?shù)厝藗兊纳a(chǎn)生活產(chǎn)生災(zāi)難性影響,“黑格比”導(dǎo)致兩廣財(cái)產(chǎn)損失超過50億元,特別重創(chuàng)農(nóng)林種植業(yè),僅廣西桂南沿海地區(qū)二十多個(gè)縣市,風(fēng)害直接造成林業(yè)遭受損失就超過9億多元。沿海防護(hù)林對臺(tái)風(fēng)可以起到明顯降低或防止其危害作用,為了有效地預(yù)防風(fēng)災(zāi),降低風(fēng)害損失,保障人們的生命安全和沿海城市生態(tài)安全,建立和健全沿海防護(hù)林帶是極其必要的。目前,國內(nèi)外涉及林木抗風(fēng)的相關(guān)研究中,陳少雄等、陳士銀研究了桉樹(Eucalyptus)、木麻黃(Casuarinaequisetifolia)不同的株行距配置對林分抗風(fēng)防風(fēng)效果,多以野外調(diào)查和統(tǒng)計(jì)的方法研究風(fēng)害與個(gè)體林木形態(tài)特征之間的關(guān)系,而對風(fēng)載(wind-load)下樹木干體應(yīng)力分布狀態(tài)的分析等領(lǐng)域的研究也不多。而涉及抗風(fēng)的力學(xué)理論模型較少,如周廣勝和朱延耀,關(guān)德新等對森林的阻力系數(shù)和透風(fēng)系數(shù)關(guān)系進(jìn)行了研究和單株樹木的阻力系數(shù)方面進(jìn)行了討論,李國旗等根據(jù)藤本登留公式對不同風(fēng)壓和高度處樹木應(yīng)力的分布進(jìn)行了研究,而宋曉鶴和王琳對云杉分別建立風(fēng)倒(windthrow)單株立木靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,而關(guān)德新和朱延耀就林帶結(jié)構(gòu)與抗風(fēng)能力關(guān)系進(jìn)行了分析。在英美等國家,對樟子松(Pinussylvestris)、西家云杉(Piceasitchensis)、挪威云杉(P.abies)、西鐵杉(Tsugaheterophylla)等樹種的抗風(fēng)機(jī)理進(jìn)行了較深入、廣泛的研究。通過動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo),結(jié)合野外試驗(yàn)中林木和土壤力學(xué)參數(shù)的測定,地形數(shù)字高層模型和實(shí)物模型風(fēng)洞試驗(yàn),獲得了復(fù)雜地形下和不同林分密度時(shí)的風(fēng)場分布,建立了一系列力學(xué)方程來描述林木的抗風(fēng)性,對風(fēng)倒的力學(xué)機(jī)理也進(jìn)行了相應(yīng)的闡述,形成若干關(guān)于林木風(fēng)倒機(jī)理的模型。木麻黃和相思(Acacia)均為熱帶、亞熱帶常綠喬木,為多用途速生樹種,因適應(yīng)性強(qiáng),廣泛用于我國東南沿海營造防護(hù)林建設(shè),在防風(fēng)固沙、鹽堿地改良和干旱地區(qū)綠化、防御沿海自然災(zāi)害、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大作用。目前關(guān)于木麻黃、相思的培育技術(shù)已較為成熟,但關(guān)于木麻黃的木材材性研究相對較少,而木麻黃和相思人工林木材材性等性狀與抗風(fēng)效果之間關(guān)系的研究尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)以目前組成防護(hù)林主要樹種中的木麻黃和相思為研究材料,開展對其樹種生長、抗風(fēng)性狀調(diào)查分析,探明其中抗風(fēng)性狀對抗風(fēng)效果的影響規(guī)律,明晰其抗風(fēng)倒/風(fēng)折的原因,為沿?？癸L(fēng)防護(hù)林建設(shè)和經(jīng)營提供指導(dǎo)。1材料和方法1.1南三海岸土壤地質(zhì)試驗(yàn)調(diào)查樣地位于廣東湛江市坡頭區(qū)南三島南三鎮(zhèn)林場東面沿海防護(hù)林帶。北緯21°08′,東經(jīng)110°35′,年均氣溫23.6℃,絕對最低溫2.8℃,絕對最高溫37.0℃,月平均溫度18.0℃以上,年降水量1400～1800mm,屬于熱帶北緣季風(fēng)氣候。大風(fēng)次數(shù)較多,6級以上大風(fēng)全年達(dá)34～50d,多發(fā)生在6-9月,夏季常受熱帶風(fēng)暴襲擊,年均4次以上,最大風(fēng)力大于35m/s,南三島海岸地勢平坦,相對高差不到30m,土壤為潮積和風(fēng)積沙壤,厚10～20m,表層(0～20cm)、細(xì)沙(直徑0.12～0.25mm)占了絕大部分,透氣透水性強(qiáng),肥力貧乏,地下水深0.5～4.0m,呈微堿性。2009年1月5-8日,在初植密度為2m×2m的沿海防護(hù)林帶中分別選取10株具代表性的不同林齡的粵601和粵701木麻黃2個(gè)無性系、臺(tái)灣相思(A.confusa)、馬占相思(A.mangium)林分進(jìn)行單株樹高(H,treeheight)、胸徑(DBH,diameteratbreastheight)、Pilodyn值(PPV,Pilodynpenetrationvalue)、樹皮厚度(BT,barkthickness)、平均冠幅(CWM,crownwidthmeans)、干形通直度(SS,stemstrength)、分枝角度(BA,branchingangle)、木材基本密度(WBD,woodbasicdensity)、林分郁閉度(canopydensity)等調(diào)查分析,并對其中的5株立木進(jìn)行應(yīng)力波速(AV,acousticvelocity)、生長應(yīng)變值(GSV,growthstrainvalue)測定,同時(shí)以生長錐取木芯進(jìn)行木材基本密度分析。1.2林木基本密度測定以Pilodyn(6J-Forest)儀器,用2.5mm探針于1.3m樹高處對去皮立木進(jìn)行木材密度與強(qiáng)度的無損檢測。在1.3m樹高附近處,以5mm直徑的生長錐沿南北方向過髓心取得去皮木芯(而大樹取生長錐最大限度長,木芯長約25cm),用排水法測定整個(gè)木芯基本密度。同時(shí)以生長應(yīng)力波FAKKOP檢測儀器分析木材的應(yīng)力波波速;以軸向生長應(yīng)變儀測定生長應(yīng)變值表示生長應(yīng)力大小。每個(gè)性狀指標(biāo)重復(fù)測定3次,取平均值,以Excel和SPSS10.0統(tǒng)計(jì)包對每個(gè)樣地、品系進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。干形通直度分為4級,1級:主干圓滿通直;2級:主干一般性通直;3級:主干少許彎曲;4級:主干多彎曲而不成鋸材。林分風(fēng)害評估以6級風(fēng)害等級表示,分別為,1級:正常而無損害;2級:部分葉片脫落、樹枝折斷;3級:一部分樹木主干傾斜(傾斜度小于30°);4級:一部分樹木被刮倒或主干大于30°的傾斜;5級:較多的樹木被刮倒或主干折斷;6級:多數(shù)樹木連根拔起或主干折斷。2結(jié)果與分析2.1不同樹種生長、形質(zhì)和關(guān)聯(lián)度指標(biāo)的差異分別對4,6-8年生木麻黃及8年生相思林分樣地進(jìn)行各性狀調(diào)查,結(jié)果表明(表1),各林分的郁閉度為0.520～0.805,郁閉度最大的為20號(hào)樣地林分,最小的為6號(hào)樣地,其次為5號(hào)樣地;林分其他平均各級生長、抗風(fēng)性狀指標(biāo)的方差分析發(fā)現(xiàn)均極其顯著。胸徑、樹高、樹皮厚度、平均冠幅、基本密度基本呈隨著林齡的增加而變大的趨勢。從品種看,相思樹種平均值在生長量、樹皮厚度、生長應(yīng)變值、平均冠幅等上大于同林齡的木麻黃,但木麻黃生長保存率、基本密度等方面明顯占優(yōu)。當(dāng)選擇樹種作為第一層變量時(shí)進(jìn)行均值比較,發(fā)現(xiàn)胸徑、樹高等性狀指標(biāo)與樹種之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性。Eta值(η,關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計(jì)量)是一個(gè)反應(yīng)因變量與自變量之間密切程度的統(tǒng)計(jì)量,其值越接近1,說明兩者之間的聯(lián)系越密切。除了分枝角度與樹種之間存在著很弱的關(guān)系外,各性狀的Eta值均大于0.5(表2),說明樹種差異對胸徑、樹高等性狀有著明顯的影響,這與方差分析結(jié)果是一致的。綜合來看,不同樹種之間的性狀存在著顯著性差異。2.2不同林齡油松林各性狀間的差異分別對木麻黃粵701無性系不同林齡林分進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)各性狀之間差異極明顯(表3),一般來說,隨著林齡的增加,胸徑、樹高、干形通直度相應(yīng)的增加,但發(fā)現(xiàn)7年生林分在樹皮厚度、平均冠幅、生長應(yīng)變值、木芯基本密度上均比8年生林分的要高,這說明差異來源于不同立地條件,加之來源于林齡之間的差異導(dǎo)致不同林齡林分之間各性狀差異顯著。同樣對變量林齡與其他性狀指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度分析,也表明林齡與各性狀之間密切相關(guān)(表4)。2.3木材性質(zhì)性狀間的相關(guān)性分析除了分枝角度與胸徑無相關(guān)性外,其他性狀與林分立木的大小密切相關(guān),均達(dá)到顯著水平以上(表5)。一般情況下,立木大小與林分林齡呈正相關(guān)性,因此一定程度上可以說這些性狀與林齡有很強(qiáng)的相關(guān)性,這與上面的結(jié)果是一致的。應(yīng)力波速、Pilodyn值、生長應(yīng)變值和木芯密度是各樹種木材力學(xué)性質(zhì)方面不同層次上的反映,因此它們之間的相關(guān)性是顯著的。而單株立木如分枝角度、干形通直度與品種密切相關(guān)的一些性狀與林齡的相關(guān)性不大,因此也決定與生長性狀和木材力學(xué)性質(zhì)性狀之間的相關(guān)系數(shù)不大。分別對10個(gè)性狀指標(biāo),以主成分方法進(jìn)行因子分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表6),3個(gè)主要因子載荷均超過了0.762,其中第1主要因子由胸徑、樹皮厚度、冠幅等反映立木大小生長量指標(biāo),第2主要因子由Pilodyn值、應(yīng)力波速、木芯密度等反映材性性狀指標(biāo),第3主要因子由樹高、分枝角度等反映立木形態(tài)性狀指標(biāo)。這與對性狀的因子分析的結(jié)果一致。2.4風(fēng)害等級及與林分關(guān)系將除4年生外的18個(gè)林分樣地,按胸徑、樹高等性狀,采取類間平均鏈鎖法以歐式平方距離測度方法進(jìn)行系統(tǒng)聚類,結(jié)果表明,樣地7,8,9,11,12,13為一類第1層,后與樣地15合并為一類(圖1);樣地18,19,20為一小類,樣地10,14,17為另一小類,兩者與樣地16合并為一類;而相思樹種21和22之間存在著距離,但最后合并為一類。樣地5和6之間的差異較少,為一小類,但與其他林分之間存在明顯的差異,最后與其他林分合并在一起。2008年8月6日臺(tái)風(fēng)“北冕”和2008年9月24日強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”登陸廣東沿海,由于風(fēng)力強(qiáng)、離臺(tái)風(fēng)近(中心距離120～130km),粵西地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響損失嚴(yán)重。根據(jù)2次臺(tái)風(fēng)對樣地風(fēng)害的綜合結(jié)果(圖2),發(fā)現(xiàn),4～8年生大部分木麻黃林分只存在斷枝/梢等級較低風(fēng)害,而相思林分風(fēng)折嚴(yán)重,馬占相思中立木幾乎全部遭遇3.5～7.0m處樹干折斷風(fēng)害,風(fēng)害等級為6級;臺(tái)灣相思林地受害略輕,除了部分植株斷干外,所有立木均出現(xiàn)斷枝等風(fēng)害情況,風(fēng)害等級為5級;而不同林齡木麻黃均沒有出現(xiàn)樹干折斷,多出現(xiàn)斷枝的風(fēng)害。由于林地為沙地,加之長時(shí)間的臺(tái)風(fēng)暴雨沖刷,導(dǎo)致防護(hù)林前沿帶木麻黃出現(xiàn)等級較高的風(fēng)倒和風(fēng)斜情況,如樣地5和6號(hào)林分,同時(shí)位于防護(hù)林前沿帶,常年遭遇東西方向海風(fēng)侵襲和鹽害脅迫,林分均呈1～10°東西方向的傾斜,同時(shí)表現(xiàn)生長胸徑較小、樹高較矮、樹冠稀疏、郁閉度低、基本密度大、分枝角度小等特點(diǎn)。結(jié)果表明,相思樹種21和22林分在抗風(fēng)效果區(qū)別于其他林分,由于相思木材材性較脆(基本密度小,生長應(yīng)力大等),決定其林分抗風(fēng)折能力弱。這是樣地聚類時(shí)分為一類的原因。分別以6-8年各樹種的風(fēng)害等級與其林分生長、抗風(fēng)性狀建立回歸方程(Enter強(qiáng)制法),發(fā)現(xiàn)回歸方程有效,模型決定系數(shù)為0.861(表7～9),對抗風(fēng)性影響最大的是應(yīng)力波速、基本密度和Pilodyn值,其中影響最小的是分枝角度、樹高和干形通直度。從回歸方程看,樹高、應(yīng)力波速、冠幅和生長應(yīng)變值對風(fēng)害等級呈正向效應(yīng),其中應(yīng)力波速、基本密度和Pilodyn值標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)絕對值比較大,這也就是立木材性是決定是否抗風(fēng)折的主要因素,其次就是形態(tài)性狀、立木大小。由于胸徑、平均冠幅、Pilodyn值、應(yīng)力波速、基本密度等性狀的膨脹因子(VIF,varianceinflationfactor)>10,表明這些性狀在模式中會(huì)產(chǎn)生共線問題。這與胸徑、平均冠幅、Pilodyn值、應(yīng)力波速、基本密度之間存在顯著的相關(guān)性是一致的。根據(jù)模型分別對6年生的木麻黃粵601和粵701風(fēng)害等級比較結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩者差別不大,其中粵601無性系的風(fēng)害等級為1.42,而粵701為1.41,前者略比后者大一點(diǎn);8年生的木麻黃粵701風(fēng)害等級為1.90,明顯小于8年生相思林分(馬占相思為5.94,臺(tái)灣相思4.90)。表7回歸方程ANOVA分析3不同林分樹種抗風(fēng)性的比較風(fēng)害是一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害,是指風(fēng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的直接和間接危害。其中風(fēng)造成林木和作物倒伏、折干、斷枝、落葉、拔根、落粒落果等最直接風(fēng)害機(jī)械性損傷。把這種引起樹木在風(fēng)載作用下發(fā)生的干折、斷枝稱為風(fēng)折(wind-breakage),而把涉及非機(jī)械損傷性倒伏或連根拔起的風(fēng)害稱風(fēng)倒。影響風(fēng)折或風(fēng)倒的主要因素包括林木的生物力學(xué)特性、根系與土壤的相互作用和風(fēng)的擾動(dòng)等。其中,林木的生物力學(xué)特性與樹齡、樹干強(qiáng)度、樹干和樹冠的外形和尺寸以及樹木健康狀況有關(guān);根系與土壤間的相互作用則受土壤的剪切強(qiáng)度、濕度、樹木根系深度等因素的影響,此兩者共同決定了樹木的總抗風(fēng)性。從對不同林齡、不同樹種/品系生長性狀和抗風(fēng)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果看,不同林分在樹高、胸徑、樹皮厚度平均生長量、抗風(fēng)性狀指標(biāo)平均冠幅、木材材性等方面存在著顯著的差異;胸徑、樹高、樹皮厚度、平均冠幅、基本密度基本呈隨著林齡的增加而變大的趨勢(表1)。同時(shí)關(guān)聯(lián)度分析表明,這些差異與樹種/品系和林齡相關(guān)(表2和4)。分別對各性狀進(jìn)行表型相關(guān)分析結(jié)果中,除了分枝角度與胸徑無相關(guān)性外,其他性狀與林分立木大小密切相關(guān),均達(dá)到顯著水平以上。以主成分方法對性狀指標(biāo)進(jìn)行因子分析結(jié)果也表明各性狀可分為3類;對不同林分進(jìn)行系統(tǒng)聚類結(jié)果也表明不同樹種/品系的各林分之間在各性狀之間存在著顯著的差異。林分風(fēng)害也因不同林分的差異而各異,從試驗(yàn)林分的各個(gè)性狀之間以及與風(fēng)害等級之間關(guān)系(表8)等方面表明林木的抗風(fēng)性與樹種、林齡、立木形態(tài)大小、材性等密切相關(guān)。而立木的形態(tài)、材性性狀均受林木的遺傳性控制,表明林木的抗風(fēng)是具有遺傳性,而羅建中等對不同桉樹雜交樹種抗風(fēng)性遺傳進(jìn)行了研究。通過對木麻黃與相思樹種等各方面的比較發(fā)現(xiàn)木麻黃樹種立木具有較小的Pilodyn值、較大基本密度和應(yīng)力波速(表1),因此決定木麻黃木質(zhì)堅(jiān)硬,抗彎等彈性模量(密度與應(yīng)力波速平方的乘積)較大,因此不易風(fēng)折;生長應(yīng)力(growthstress)是樹木在細(xì)胞分化成熟時(shí)形成層內(nèi)產(chǎn)生的細(xì)胞間的相互作用力,高生長應(yīng)力易導(dǎo)致活立木出現(xiàn)脆心,原木易端裂(endsplit),鋸解時(shí)對產(chǎn)品產(chǎn)生開裂和變形等不良影響。同時(shí)木麻黃生長應(yīng)力較小(應(yīng)變值)(表1),因此木材不會(huì)因外力的影響而導(dǎo)致開裂,也表明了相思樹種木材材性較脆,決定其林分抗風(fēng)折能力弱。王志潔等研究了馬占相思、厚莢相思(A.crassicarpa)等5個(gè)相思樹種與木麻黃抗風(fēng)能力,木麻黃抗臺(tái)風(fēng)的能力強(qiáng)于各種相思樹種,而且發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)對各相思樹種造成的最大危害是使其樹梢折斷;其結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果相同。從風(fēng)害等級與其林分生長、抗風(fēng)性狀關(guān)系看(表8中回歸方程),對抗風(fēng)性影響最大的是應(yīng)力波速、基本密度和Pilodyn值,其中影響最小的是分枝角度、樹高和干形通直度。說明立木材性是決定是否抗風(fēng)折的主要因素,其次就是立木大小、形態(tài)性狀,這與前面Achim等研究結(jié)果是一致的。樹木樹冠上在風(fēng)載作用下,對樹干產(chǎn)生風(fēng)壓矩,而風(fēng)壓矩隨離地高度的增加呈比例減小,因此莖干基部是最大,由于不同的高度風(fēng)壓矩使樹干呈不同大小的彎曲應(yīng)力(bendingstress)。樹干的結(jié)構(gòu)彎曲剛度隨著樹干高度的增加而降低,而剛度(stiffness,指受外力作用的材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力)是結(jié)構(gòu)彈性模量與截面慣性矩2項(xiàng)的乘積,而截面慣性矩與樹干截面直徑的4次方成正比,因而,樹干在給定高度處的彎曲剛度,主要依賴于截面的直徑。當(dāng)在風(fēng)載作用下樹干上任意截面的慣性矩和風(fēng)壓矩是一致的,因此樹干截面某處的實(shí)際應(yīng)力為慣性矩與抗彎截面模量的比值,對于特定的樹木來說,其抗彎截面模量是一個(gè)常量,當(dāng)風(fēng)壓矩產(chǎn)生很大應(yīng)力時(shí)在樹干的某個(gè)部分需要足夠大的抗彎截面模量材料來維持其平衡,否則將破壞這平衡,即樹干的某處部分所承受的應(yīng)力大于樹干的強(qiáng)度(strength,材料抵抗破壞的能力)極限,樹木就會(huì)折斷。本試驗(yàn)結(jié)果中對抗風(fēng)性影響最大的是應(yīng)力波速、基本密度和Pilodyn值,這些材性性狀無不是木材的剛度和強(qiáng)度物理性質(zhì)的反映。