木麻黄无性系和相思树种林分生长与性状的关系

木麻黄无性系和相思树种林分生长与性状的关系

台风是一种自然灾害，全球发生频率高，影响范围广，造成严重损失。我国是世界上受台风影响最严重的国家之一,平均每年有7个台风或热带气旋在东南沿海各省登陆,使这些地区受到台风袭击的频率和影响程度居于各种自然灾害之首,每年因台风损失超过百亿元。2008年9月24日强台风“黑格比”袭击广东、广西,对当地人们的生产生活产生灾难性影响,“黑格比”导致两广财产损失超过50亿元,特别重创农林种植业,仅广西桂南沿海地区二十多个县市,风害直接造成林业遭受损失就超过9亿多元。沿海防护林对台风可以起到明显降低或防止其危害作用,为了有效地预防风灾,降低风害损失,保障人们的生命安全和沿海城市生态安全,建立和健全沿海防护林带是极其必要的。目前,国内外涉及林木抗风的相关研究中,陈少雄等、陈士银研究了桉树(Eucalyptus)、木麻黄(Casuarinaequisetifolia)不同的株行距配置对林分抗风防风效果,多以野外调查和统计的方法研究风害与个体林木形态特征之间的关系,而对风载(wind-load)下树木干体应力分布状态的分析等领域的研究也不多。而涉及抗风的力学理论模型较少,如周广胜和朱延耀,关德新等对森林的阻力系数和透风系数关系进行了研究和单株树木的阻力系数方面进行了讨论,李国旗等根据藤本登留公式对不同风压和高度处树木应力的分布进行了研究,而宋晓鹤和王琳对云杉分别建立风倒(windthrow)单株立木静力学和动力学模型,而关德新和朱延耀就林带结构与抗风能力关系进行了分析。在英美等国家,对樟子松(Pinussylvestris)、西家云杉(Piceasitchensis)、挪威云杉(P.abies)、西铁杉(Tsugaheterophylla)等树种的抗风机理进行了较深入、广泛的研究。通过动力学理论推导,结合野外试验中林木和土壤力学参数的测定,地形数字高层模型和实物模型风洞试验,获得了复杂地形下和不同林分密度时的风场分布,建立了一系列力学方程来描述林木的抗风性,对风倒的力学机理也进行了相应的阐述,形成若干关于林木风倒机理的模型。木麻黄和相思(Acacia)均为热带、亚热带常绿乔木,为多用途速生树种,因适应性强,广泛用于我国东南沿海营造防护林建设,在防风固沙、盐碱地改良和干旱地区绿化、防御沿海自然灾害、改善生态环境等方面发挥了巨大作用。目前关于木麻黄、相思的培育技术已较为成熟,但关于木麻黄的木材材性研究相对较少,而木麻黄和相思人工林木材材性等性状与抗风效果之间关系的研究尚未见报道。本试验以目前组成防护林主要树种中的木麻黄和相思为研究材料,开展对其树种生长、抗风性状调查分析,探明其中抗风性状对抗风效果的影响规律,明晰其抗风倒/风折的原因,为沿海抗风防护林建设和经营提供指导。1材料和方法1.1南三海岸土壤地质试验调查样地位于广东湛江市坡头区南三岛南三镇林场东面沿海防护林带。北纬21°08′,东经110°35′,年均气温23.6℃,绝对最低温2.8℃,绝对最高温37.0℃,月平均温度18.0℃以上,年降水量1400～1800mm,属于热带北缘季风气候。大风次数较多,6级以上大风全年达34～50d,多发生在6-9月,夏季常受热带风暴袭击,年均4次以上,最大风力大于35m/s,南三岛海岸地势平坦,相对高差不到30m,土壤为潮积和风积沙壤,厚10～20m,表层(0～20cm)、细沙(直径0.12～0.25mm)占了绝大部分,透气透水性强,肥力贫乏,地下水深0.5～4.0m,呈微碱性。2009年1月5-8日,在初植密度为2m×2m的沿海防护林带中分别选取10株具代表性的不同林龄的粤601和粤701木麻黄2个无性系、台湾相思(A.confusa)、马占相思(A.mangium)林分进行单株树高(H,treeheight)、胸径(DBH,diameteratbreastheight)、Pilodyn值(PPV,Pilodynpenetrationvalue)、树皮厚度(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)、林分郁闭度(canopydensity)等调查分析,并对其中的5株立木进行应力波速(AV,acousticvelocity)、生长应变值(GSV,growthstrainvalue)测定,同时以生长锥取木芯进行木材基本密度分析。1.2林木基本密度测定以Pilodyn(6J-Forest)仪器,用2.5mm探针于1.3m树高处对去皮立木进行木材密度与强度的无损检测。在1.3m树高附近处,以5mm直径的生长锥沿南北方向过髓心取得去皮木芯(而大树取生长锥最大限度长,木芯长约25cm),用排水法测定整个木芯基本密度。同时以生长应力波FAKKOP检测仪器分析木材的应力波波速;以轴向生长应变仪测定生长应变值表示生长应力大小。每个性状指标重复测定3次,取平均值,以Excel和SPSS10.0统计包对每个样地、品系进行数据统计分析。干形通直度分为4级,1级:主干圆满通直;2级:主干一般性通直;3级:主干少许弯曲;4级:主干多弯曲而不成锯材。林分风害评估以6级风害等级表示,分别为,1级:正常而无损害;2级:部分叶片脱落、树枝折断;3级:一部分树木主干倾斜(倾斜度小于30°);4级:一部分树木被刮倒或主干大于30°的倾斜;5级:较多的树木被刮倒或主干折断;6级:多数树木连根拔起或主干折断。2结果与分析2.1不同树种生长、形质和关联度指标的差异分别对4,6-8年生木麻黄及8年生相思林分样地进行各性状调查,结果表明(表1),各林分的郁闭度为0.520～0.805,郁闭度最大的为20号样地林分,最小的为6号样地,其次为5号样地;林分其他平均各级生长、抗风性状指标的方差分析发现均极其显著。胸径、树高、树皮厚度、平均冠幅、基本密度基本呈随着林龄的增加而变大的趋势。从品种看,相思树种平均值在生长量、树皮厚度、生长应变值、平均冠幅等上大于同林龄的木麻黄,但木麻黄生长保存率、基本密度等方面明显占优。当选择树种作为第一层变量时进行均值比较,发现胸径、树高等性状指标与树种之间存在着不同程度的关联性。Eta值(η,关联度统计量)是一个反应因变量与自变量之间密切程度的统计量,其值越接近1,说明两者之间的联系越密切。除了分枝角度与树种之间存在着很弱的关系外,各性状的Eta值均大于0.5(表2),说明树种差异对胸径、树高等性状有着明显的影响,这与方差分析结果是一致的。综合来看,不同树种之间的性状存在着显著性差异。2.2不同林龄油松林各性状间的差异分别对木麻黄粤701无性系不同林龄林分进行比较分析,发现各性状之间差异极明显(表3),一般来说,随着林龄的增加,胸径、树高、干形通直度相应的增加,但发现7年生林分在树皮厚度、平均冠幅、生长应变值、木芯基本密度上均比8年生林分的要高,这说明差异来源于不同立地条件,加之来源于林龄之间的差异导致不同林龄林分之间各性状差异显著。同样对变量林龄与其他性状指标的关联度分析,也表明林龄与各性状之间密切相关(表4)。2.3木材性质性状间的相关性分析除了分枝角度与胸径无相关性外,其他性状与林分立木的大小密切相关,均达到显著水平以上(表5)。一般情况下,立木大小与林分林龄呈正相关性,因此一定程度上可以说这些性状与林龄有很强的相关性,这与上面的结果是一致的。应力波速、Pilodyn值、生长应变值和木芯密度是各树种木材力学性质方面不同层次上的反映,因此它们之间的相关性是显著的。而单株立木如分枝角度、干形通直度与品种密切相关的一些性状与林龄的相关性不大,因此也决定与生长性状和木材力学性质性状之间的相关系数不大。分别对10个性状指标,以主成分方法进行因子分析结果发现(表6),3个主要因子载荷均超过了0.762,其中第1主要因子由胸径、树皮厚度、冠幅等反映立木大小生长量指标,第2主要因子由Pilodyn值、应力波速、木芯密度等反映材性性状指标,第3主要因子由树高、分枝角度等反映立木形态性状指标。这与对性状的因子分析的结果一致。2.4风害等级及与林分关系将除4年生外的18个林分样地,按胸径、树高等性状,采取类间平均链锁法以欧式平方距离测度方法进行系统聚类,结果表明,样地7,8,9,11,12,13为一类第1层,后与样地15合并为一类(图1);样地18,19,20为一小类,样地10,14,17为另一小类,两者与样地16合并为一类;而相思树种21和22之间存在着距离,但最后合并为一类。样地5和6之间的差异较少,为一小类,但与其他林分之间存在明显的差异,最后与其他林分合并在一起。2008年8月6日台风“北冕”和2008年9月24日强台风“黑格比”登陆广东沿海,由于风力强、离台风近(中心距离120～130km),粤西地区受台风影响损失严重。根据2次台风对样地风害的综合结果(图2),发现,4～8年生大部分木麻黄林分只存在断枝/梢等级较低风害,而相思林分风折严重,马占相思中立木几乎全部遭遇3.5～7.0m处树干折断风害,风害等级为6级;台湾相思林地受害略轻,除了部分植株断干外,所有立木均出现断枝等风害情况,风害等级为5级;而不同林龄木麻黄均没有出现树干折断,多出现断枝的风害。由于林地为沙地,加之长时间的台风暴雨冲刷,导致防护林前沿带木麻黄出现等级较高的风倒和风斜情况,如样地5和6号林分,同时位于防护林前沿带,常年遭遇东西方向海风侵袭和盐害胁迫,林分均呈1～10°东西方向的倾斜,同时表现生长胸径较小、树高较矮、树冠稀疏、郁闭度低、基本密度大、分枝角度小等特点。结果表明,相思树种21和22林分在抗风效果区别于其他林分,由于相思木材材性较脆(基本密度小,生长应力大等),决定其林分抗风折能力弱。这是样地聚类时分为一类的原因。分别以6-8年各树种的风害等级与其林分生长、抗风性状建立回归方程(Enter强制法),发现回归方程有效,模型决定系数为0.861(表7～9),对抗风性影响最大的是应力波速、基本密度和Pilodyn值,其中影响最小的是分枝角度、树高和干形通直度。从回归方程看,树高、应力波速、冠幅和生长应变值对风害等级呈正向效应,其中应力波速、基本密度和Pilodyn值标准化回归系数绝对值比较大,这也就是立木材性是决定是否抗风折的主要因素,其次就是形态性状、立木大小。由于胸径、平均冠幅、Pilodyn值、应力波速、基本密度等性状的膨胀因子(VIF,varianceinflationfactor)>10,表明这些性状在模式中会产生共线问题。这与胸径、平均冠幅、Pilodyn值、应力波速、基本密度之间存在显著的相关性是一致的。根据模型分别对6年生的木麻黄粤601和粤701风害等级比较结果,发现两者差别不大,其中粤601无性系的风害等级为1.42,而粤701为1.41,前者略比后者大一点;8年生的木麻黄粤701风害等级为1.90,明显小于8年生相思林分(马占相思为5.94,台湾相思4.90)。表7回归方程ANOVA分析3不同林分树种抗风性的比较风害是一种农业气象灾害,是指风对农业生产造成的直接和间接危害。其中风造成林木和作物倒伏、折干、断枝、落叶、拔根、落粒落果等最直接风害机械性损伤。把这种引起树木在风载作用下发生的干折、断枝称为风折(wind-breakage),而把涉及非机械损伤性倒伏或连根拔起的风害称风倒。影响风折或风倒的主要因素包括林木的生物力学特性、根系与土壤的相互作用和风的扰动等。其中,林木的生物力学特性与树龄、树干强度、树干和树冠的外形和尺寸以及树木健康状况有关;根系与土壤间的相互作用则受土壤的剪切强度、湿度、树木根系深度等因素的影响,此两者共同决定了树木的总抗风性。从对不同林龄、不同树种/品系生长性状和抗风指标试验结果看,不同林分在树高、胸径、树皮厚度平均生长量、抗风性状指标平均冠幅、木材材性等方面存在着显著的差异;胸径、树高、树皮厚度、平均冠幅、基本密度基本呈随着林龄的增加而变大的趋势(表1)。同时关联度分析表明,这些差异与树种/品系和林龄相关(表2和4)。分别对各性状进行表型相关分析结果中,除了分枝角度与胸径无相关性外,其他性状与林分立木大小密切相关,均达到显著水平以上。以主成分方法对性状指标进行因子分析结果也表明各性状可分为3类;对不同林分进行系统聚类结果也表明不同树种/品系的各林分之间在各性状之间存在着显著的差异。林分风害也因不同林分的差异而各异,从试验林分的各个性状之间以及与风害等级之间关系(表8)等方面表明林木的抗风性与树种、林龄、立木形态大小、材性等密切相关。而立木的形态、材性性状均受林木的遗传性控制,表明林木的抗风是具有遗传性,而罗建中等对不同桉树杂交树种抗风性遗传进行了研究。通过对木麻黄与相思树种等各方面的比较发现木麻黄树种立木具有较小的Pilodyn值、较大基本密度和应力波速(表1),因此决定木麻黄木质坚硬,抗弯等弹性模量(密度与应力波速平方的乘积)较大,因此不易风折;生长应力(growthstress)是树木在细胞分化成熟时形成层内产生的细胞间的相互作用力,高生长应力易导致活立木出现脆心,原木易端裂(endsplit),锯解时对产品产生开裂和变形等不良影响。同时木麻黄生长应力较小(应变值)(表1),因此木材不会因外力的影响而导致开裂,也表明了相思树种木材材性较脆,决定其林分抗风折能力弱。王志洁等研究了马占相思、厚荚相思(A.crassicarpa)等5个相思树种与木麻黄抗风能力,木麻黄抗台风的能力强于各种相思树种,而且发现台风对各相思树种造成的最大危害是使其树梢折断;其结论与本试验结果相同。从风害等级与其林分生长、抗风性状关系看(表8中回归方程),对抗风性影响最大的是应力波速、基本密度和Pilodyn值,其中影响最小的是分枝角度、树高和干形通直度。说明立木材性是决定是否抗风折的主要因素,其次就是立木大小、形态性状,这与前面Achim等研究结果是一致的。树木树冠上在风载作用下,对树干产生风压矩,而风压矩随离地高度的增加呈比例减小,因此茎干基部是最大,由于不同的高度风压矩使树干呈不同大小的弯曲应力(bendingstress)。树干的结构弯曲刚度随着树干高度的增加而降低,而刚度(stiffness,指受外力作用的材料、构件或结构抵抗变形的能力)是结构弹性模量与截面惯性矩2项的乘积,而截面惯性矩与树干截面直径的4次方成正比,因而,树干在给定高度处的弯曲刚度,主要依赖于截面的直径。当在风载作用下树干上任意截面的惯性矩和风压矩是一致的,因此树干截面某处的实际应力为惯性矩与抗弯截面模量的比值,对于特定的树木来说,其抗弯截面模量是一个常量,当风压矩产生很大应力时在树干的某个部分需要足够大的抗弯截面模量材料来维持其平衡,否则将破坏这平衡,即树干的某处部分所承受的应力大于树干的强度(strength,材料抵抗破坏的能力)极限,树木就会折断。本试验结果中对抗风性影响最大的是应力波速、基本密度和Pilodyn值,这些材性性状无不是木材的刚度和强度物理性质的反映。