人工林尾巨桉生長應(yīng)變與木材性質(zhì)關(guān)系及高生長應(yīng)變形成機(jī)理的研究.pdf

1、本文以我國南方大面積種植的人工林尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)為研究對象，對其生長應(yīng)變和主要木材性質(zhì)進(jìn)行了詳盡的研究，揭示了生長應(yīng)變與木材性質(zhì)的相互關(guān)系以及正常木高生長應(yīng)變的形成機(jī)理。研究結(jié)果對森林定向培育和木材加工利用具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。 本研究采用應(yīng)變片法測定了活立木的表面軸向生長應(yīng)變，比較了該方法與法國軸向生長應(yīng)變儀法之間的差異；研究了伐倒木表面軸向生長應(yīng)變與木材物理力學(xué)

2、性質(zhì)間的關(guān)系；揭示了殘余應(yīng)變的徑向分布規(guī)律及其與木材性質(zhì)的關(guān)系，提出了根據(jù)殘余應(yīng)變徑向分布曲線和樹木直徑劃分幼齡材和成熟材的新思路；應(yīng)用透射電子顯微鏡、可見光顯微分光光度計、掃描電子顯微鏡結(jié)合X射線能譜分析(SEM-EDXA)等先進(jìn)設(shè)備，特別是結(jié)合木質(zhì)素溴化等細(xì)胞和組織化學(xué)分析方法，得到了木質(zhì)化過程中細(xì)胞壁各微區(qū)上的木質(zhì)素含量的分布規(guī)律，探討了正常木高生長應(yīng)變產(chǎn)生與木質(zhì)化過程的相互關(guān)系，提出了高生長應(yīng)變正常木存在“欠木質(zhì)化”現(xiàn)象的新觀點

3、。 本文的主要研究結(jié)果如下：1.用應(yīng)變片法測試尾巨桉活立木胸高處表面軸向生長應(yīng)變，測試過程一般需要3min左右；表面軸向生長應(yīng)變一般分布在651×10-6-1100×10-6之間。單因素方差分析表明，尾巨桉表面軸向生長應(yīng)變在兩家系間、南北向間、株內(nèi)不同高度間差異不顯著，胸高處表面軸向生長應(yīng)變可以作為評估整株樹生長應(yīng)力水平的一個參考指標(biāo)。2.法國軸向生長應(yīng)變儀的結(jié)果要大于應(yīng)變片法的結(jié)果，不共點測試時前者是后者的1.3倍，共點測試時

4、前者是后者的2.0倍。 3.沿樹高增加方向，尾巨桉木材徑向、軸向、弦向和體積干縮率的變化趨勢相似，基本密度變化甚小，抗彎強(qiáng)度沒有明顯的變化規(guī)律，抗彎彈性模量呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢。單因素方差分析表明，軸向、弦向、體積干縮率、基本密度和抗彎強(qiáng)度在不同高度間沒有顯著差異，而徑向干縮率和抗彎彈性模量差異顯著。表面軸向生長應(yīng)變只與軸向干縮率具有顯著相關(guān)性。 4.尾巨桉原木內(nèi)部軸向殘余應(yīng)變徑向分布沿髓心的對稱性較好，靠近樹皮的位置為

5、最大的拉應(yīng)變，向髓心方向，拉應(yīng)變在絕對值上呈下降趨勢至某個半徑處達(dá)到零值，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，向髓心處呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。尾巨桉內(nèi)部軸向殘余應(yīng)變徑向分布的回歸方程為：y=-21.075x2+4.5297x+890.75(相關(guān)系數(shù)0.87)，在0.01水平下極顯著相關(guān)；拉應(yīng)變向壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變的樹干半徑為0.681R。尾巨桉內(nèi)部軸向殘余應(yīng)變在不同高度上的徑向分布模式相似，相關(guān)性隨著樹干高度的增加而降低。 5.尾巨桉木材的解剖性質(zhì)(纖維長度

6、、寬度、壁厚、纖維的長寬比、微纖絲角、各類型細(xì)胞的組織比量和胞壁率等)、物理性質(zhì)(基本密度)和化學(xué)性質(zhì)(α-纖維素含量、纖維素結(jié)晶度、綜纖維素含量和Klason木質(zhì)素含量)在徑向上的變化趨勢各不相同。單因素方差分析表明，纖維長度、纖維寬度、纖維壁厚、導(dǎo)管分布頻率、導(dǎo)管弦向直徑、α-纖維素含量、綜纖維素含量和基本密度在徑向五個部位間差異極顯著；微纖絲角、纖維長寬比、纖維壁腔比、纖維腔徑比、各類型細(xì)胞的組織比量、胞壁率和纖維素結(jié)晶度在徑向各

7、部位間差異不顯著。殘余拉應(yīng)變與纖維長度、纖維寬度、導(dǎo)管弦向直徑和綜纖維素含量間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系，與α-纖維素含量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系；而殘余壓應(yīng)變與纖維壁厚和導(dǎo)管分布頻率間為顯著的正相關(guān)關(guān)系。 6.內(nèi)部軸向殘余應(yīng)變的徑向分布變化梯度受樹干直徑影響顯著，直徑越小曲線越陡峭。對于本研究中的尾巨桉來說，原木直徑大于19.9cm，殘余應(yīng)變徑向分布變化梯度隨直徑的增大而變小，表明直徑達(dá)到19.9cm以后，樹木生長開始進(jìn)入成熟期，因此

8、提出依據(jù)內(nèi)部軸向殘余應(yīng)變徑向分布曲線和樹干直徑，對幼齡材和成熟材進(jìn)行劃分的新思路。 7.在木質(zhì)化過程中，高生長應(yīng)變材料與低生長應(yīng)變材料木纖維細(xì)胞壁木質(zhì)素沉積方式?jīng)]有明顯的差異。在次生壁S1層開始形成之后，木質(zhì)素最早出現(xiàn)在細(xì)胞壁角隅處的胞間層位置，以團(tuán)塊狀沉積。隨著S2層的沉積，木質(zhì)化過程沿角隅處向胞間層其它區(qū)域和次生壁各層同時擴(kuò)展，并且在角隅處沉積的木質(zhì)素含量明顯增加。當(dāng)S3層開始沉積后，木質(zhì)素在整個次生壁上以不均勻團(tuán)塊狀方式沉

9、積。 8.組織化學(xué)染色法研究表明，木質(zhì)化過程中，高生長應(yīng)變材料與低生長應(yīng)變材料木纖維細(xì)胞壁各微區(qū)木質(zhì)素組成單元為紫丁香基木質(zhì)素(Syringyl，S基木質(zhì)素)和愈創(chuàng)木基木質(zhì)素(Guaiacyl，G基木質(zhì)素)，二者含量隨著木質(zhì)化的進(jìn)程是先增加而后趨于穩(wěn)定的趨勢，S基木質(zhì)素為主要組成單元。隨著生長應(yīng)變的增加，細(xì)胞壁微區(qū)上S基和G基木質(zhì)素含量降低的同時，S基木質(zhì)素含量在細(xì)胞壁微區(qū)間的差異呈現(xiàn)減小趨勢，最后趨向于均勻沉積，而G基木質(zhì)素含

10、量在細(xì)胞壁微區(qū)間的差異呈現(xiàn)增大趨勢。 9.X射線能譜分析研究表明，木質(zhì)化過程中，木纖維細(xì)胞壁各微區(qū)上木質(zhì)素含量都是隨著木質(zhì)化的進(jìn)程而逐漸增加最后趨于恒定的，各微區(qū)間的木質(zhì)素含量大小關(guān)系為：角隅處＞復(fù)合胞間層＞S1＞S2＞S3。隨著生長應(yīng)變的增加，木纖維細(xì)胞壁上木質(zhì)素含量整體上呈下降趨勢，木質(zhì)化速度減慢，木質(zhì)化過程延長。由此，本研究提出了高生長應(yīng)變正常木木纖維細(xì)胞壁上存在“欠木質(zhì)化”現(xiàn)象的新觀點，這種現(xiàn)象是樹木適應(yīng)和抵抗外界環(huán)境變