東北林區(qū)十個樹種凍結(jié)活立木中應(yīng)力波傳播速度試驗研究

高 珊，王立海，王 洋

（森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室 （東北林業(yè)大學），哈爾濱 150040）

木材質(zhì)量無損檢測是提高木產(chǎn)品質(zhì)量，提高木 材利用率的一個重要途經(jīng)。應(yīng)用應(yīng)力波法進行活立木的木材質(zhì)量檢測是準確評估森林經(jīng)濟價值，有效利用森林資源的一項最為直接的手段之一。東北林區(qū)是我國最大的林業(yè)生產(chǎn)基地。在該林區(qū)大部分樹木的采伐作業(yè)在冬季仍持續(xù)進行。而寒冷的冬季進行采伐作業(yè)時，樹木內(nèi)水分呈現(xiàn)冰凍結(jié)晶狀態(tài)，這種水分存在狀態(tài)有利于樹木防御凍害。冰點以下的樹木其細胞內(nèi)脂肪和單寧物質(zhì)的含量均有所增加。此時細胞液變濃，原生質(zhì)膜形成擬脂層，降低了其透性，因此稱此時的樹木處于凍結(jié)狀態(tài)［1］。木材是吸濕性極強的生物質(zhì)材料，活立木和剛采伐的新鮮原木都有大量的水分存在。低溫對活立木應(yīng)力波傳播的影響對木材質(zhì)量等級的評估尤為重要。但是目前，應(yīng)力波檢測技術(shù)的研究大都是在常見作業(yè)環(huán)境下，針對一些板材和木質(zhì)產(chǎn)品進行應(yīng)力波傳播速度與木材的各種性能之間的關(guān)系研究，而對立木尤其是低溫下處于凍結(jié)狀態(tài)下的立木的研究的報道還很少。

Koichi Yamamoto等人（1998）和 William T.Simpson（2001）對板材和橡膠樹試驗研究了應(yīng)力波傳播速度與含水率的關(guān)系，結(jié)果表明含水率與應(yīng)力波的傳播速度之間存在顯著的負相關(guān)關(guān)系［2－3］。2005年，van Dyk和Rice［4］進行了一項實驗研究來考察是否可以用超聲波速度來測定凍結(jié)材和非凍結(jié)材中的含水率。通過對云杉試材（38 mm×100 mm）在五種不同含水率下的徑向波速進行測定后發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)材和非凍結(jié)材中的平均徑向波速分別為2 173 m/s和2 077 m/s。凍結(jié)材中的徑向波速比非凍結(jié)材中相比高5%，具有統(tǒng)計顯著性。2003年，Wang和Ross［5］針對結(jié)構(gòu)材的應(yīng)力分等對凍結(jié)材的波速進行了試驗研究。試材為50根新鮮黃松（Ponderosa Pinus）板材（51 mm×102 mm×2.59 m），含水率均在纖維飽和點以上。應(yīng)力波測試分別在室溫（15.6℃）和冰窖中（－18.3℃）兩個溫度條件下進行。測試結(jié)果表明，當溫度從常溫降到凍結(jié)狀態(tài)時，板材的應(yīng)力波速度顯著增加。在室溫時板材應(yīng)力波的最低、最高傳播速度分別為1 367 m/s和2 978 m/s，而在 －18.3℃時分別為2 555 m/s和3 833 m/s。凍結(jié)時的應(yīng)力波傳播速度比常溫時高出49%。早在2007年我們的研究團隊由王立海帶領(lǐng)對應(yīng)力波在凍結(jié)狀態(tài)白樺和落葉松活立木中的傳播速度進行了測試，并將研究結(jié)果在2008和2009年發(fā)表。將試驗結(jié)果與國內(nèi)外已有的常溫下應(yīng)力波在活立木中傳播速度的研究結(jié)果進行比較時發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力波在凍結(jié)狀態(tài)白樺活立木中的徑向傳播速度明顯高于常溫情況，且傳播速度受含水率影響較大，二者成負相關(guān)［6－7］。Chan等人（2010）研究溫度和含水率對200 mm×80 mm×55 mm放射松（Radiata pine）中波速和動彈性模量的影響進行研究。研究結(jié)果表明，含水率在纖維飽和點以下的板材中的聲速，雖與溫度之間存在著線性關(guān)系，但是纖維飽和點以上的板材，聲速在冰點發(fā)生突變［8］。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為東北地區(qū)有代表性的10個主要樹種，來自哈爾濱林業(yè)示范基地的人工林場（經(jīng)度126°，緯度45°）。每個樹種分別選擇胸徑接近、長勢優(yōu)好、節(jié)疤較少的健康活立木30棵進行應(yīng)力波傳播速度測試。5種針葉樹，有云杉（Picea asperata）、黑皮油松（Pinus tabulae formis）、落葉松（Larix gmelini）、樟子松（Pinus sylvestris）和冷杉（Abies fabric），5種闊葉樹，有楊樹（Populus pseudosimonii）、白樺（Betula platyphylla）、榆樹（Ulmus pumila）、蒙古櫟（Quercus mongolica）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）。

1.2 試驗設(shè)備

本試驗應(yīng)用儀器主要有應(yīng)力波傳播記時器（FAKOPP Microsecond Timer，匈牙利進口）。該儀器用來測量在立木距根部在1 m距離內(nèi)的應(yīng)力波的縱向與徑向傳播時間。儀器特點靈活小巧，方便攜帶，并且能量損失小，測量精度高。其規(guī)定的工作溫度范圍在（－10～50℃），但經(jīng)過預先測試證明在超過該規(guī)定范圍的5～7℃其工作的穩(wěn)定性仍可保證。含水率的測試主要采用意大利生產(chǎn)的針式木材水分計（KT－80），用來測量立木的邊材含水率。其它便攜儀器有樹木測徑儀，皮尺，鋼尺等。由于野外對立木的含水率的測量難度相對較大，因此本實驗中通過采用幾種木材測濕儀器對立木邊材含水率進行測量以后，對比發(fā)現(xiàn)KT－80的測量結(jié)果相對穩(wěn)定，故本實驗采用KT－80進行野外立木含水率的測量。

1.3 試驗方法

在2010年1月份，環(huán)境溫度為－15～－10℃進行應(yīng)力波傳播速度測試。首先用鋼卷尺分別在樹陰面距離地面50 cm和150 cm處做標記。在這兩點將應(yīng)力波傳播記時器（FAKOPP Microsecond Timer）的錐形傳感器以45°角在敲入樹中（錐形傳感器應(yīng)透過樹皮）。固定傳感器后，再次用鋼卷尺精確確定兩個傳感器之間的距離，然后用錘敲擊傳感器觸發(fā)端，發(fā)送應(yīng)力波，記錄應(yīng)力波順紋理方向（縱向）的傳播時間，從而獲得該距離內(nèi)的傳播速度。一般取繞立木3個方向6～8次敲擊的平均時間作為傳播時間記錄，以測得精確的應(yīng)力波的傳播時間。再用測徑儀在徑向截面處測量樣本樹的直徑，并用Timer測量應(yīng)力波在樹木十字交叉徑向的傳播時間，獲得徑向傳播速度（如圖1與圖2所示）。再用KT－80測量含水率。由于KT－80的工作條件限制，所獲得的測量結(jié)果存在一定的不穩(wěn)定性。所以，為保證試驗結(jié)果的準確性，在KT－80的測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，又通過采用木材試樣的烘干試驗，并根據(jù)2種方法獲得的含水率之間的關(guān)系，對KT－80獲得的實驗數(shù)據(jù)進行修正。所以，本論文中所列含水率數(shù)據(jù)均為修正后的KT－80所得數(shù)值（由于篇幅限制，KT－80測得含水率的修正報告將獨立發(fā)表）。

圖1 縱向應(yīng)力波傳播速度測試示意圖Fig.1 Set-up for velocity measurements in longitudinal direction

圖2 徑向應(yīng)力波傳播速度測試示意圖Fig.2 Set-up for velocity measurements in radial direction

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果描述及分析

將試驗測得10個樹種的應(yīng)力波縱向傳播速度、徑向傳播速度、立木含水率、胸徑等指標數(shù)據(jù)經(jīng)過Excel進行整理和計算，并通過SPSS統(tǒng)計軟件包完成統(tǒng)計分析。10個樹種的總體描述見表1和表2。凍結(jié)狀態(tài)下應(yīng)力波的縱向傳播速度總體平均為是在4 187 m·s－1，徑向傳播速度的總體平均值為2 013 m·s－1。同樣縱向應(yīng)力波的傳播速度明顯高于徑向傳播速度，幾乎是徑向度的2倍。其中應(yīng)力波在闊葉樹種中的縱向傳播速度平均為4 195 m·s－1，高于針葉樹種4 180 m·s－1;闊葉樹種中徑向傳播平均速度為2 039.56 m·s－1，高于針葉樹種1 988.09 m·s－1。因為闊葉樹種的密度高于針葉樹種［9］，而應(yīng)力波在樹木中的傳播速度又和木材的密度成正相關(guān)［3－4］，所以應(yīng)力波在闊葉樹種中的傳播速度高于針葉樹種得結(jié)論可以解釋。在縱波試驗中，波速又受到早材和晚材的密度、纖維的長度及聲波的傳播方向的影響［10］。所以，木材內(nèi)的波速，不僅依存于密度，還依存于木材的構(gòu)造。針葉材中，波速受到纖維長度的影響，在長纖維材中比短纖維材中快［10］。落葉松和樟子松要比油松和云、冷杉纖維長度長，兩者均屬于長纖維［9］，所以，應(yīng)力波在落葉松和樟子松中的傳播速度均高于油松和云、冷杉。

本試驗中應(yīng)力波在闊葉樹種中的傳播速度水曲柳最高，其次是楊樹，然后是白樺、榆樹，蒙古櫟最小。這是因為闊葉材波速隨纖維長度的增加而減小，水曲柳隨密度增加而波速增加，其他闊葉材波速隨密度增大而減小［9］。本試驗測得10個樹種的凍結(jié)狀態(tài)下活立木的含水率總體平均值為83.60%，在79.80%和90.70%之間波動，其中白樺和云杉的含水率相對高些，達90%左右。且立木的陰陽面的含水率有所不同，陽面的含水率普遍高于陰面2～6個百分點，且陽面的縱向傳播速度普遍低于陰面。

2.2 凍結(jié)狀態(tài)下應(yīng)力波傳播速度影響因素分析

應(yīng)力波在非均勻介質(zhì)和多層介質(zhì)中的傳播規(guī)律也早有研究［11－13］，但木材是各項異性物質(zhì)，這就為應(yīng)用應(yīng)力波法在木材中的傳播規(guī)律的探討帶來了很多困難。這里我們對凍結(jié)的活立木中應(yīng)力波的傳播速度的影響因素做數(shù)學分析。通過對凍結(jié)狀態(tài)下的縱向和徑向應(yīng)力波傳播速度進行分布檢驗可知，各組數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，且通過K－S檢驗。以縱向應(yīng)力波傳播速度為獨立變量（y），徑向傳播速度（VR）、含水率（MC）、胸徑（D）作為自變量進行回歸統(tǒng)計。

（1）縱向應(yīng)力波傳播速度影響因素分析。以樟子松的數(shù)學分析結(jié)果為例，其凍態(tài)下應(yīng)力波縱向傳播速度與立木的含水率的相關(guān)性較高，二者呈現(xiàn)負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)可達0.89，得到的回歸方程為:y=3490.37－38.64MC（這里的y為應(yīng)力波在凍結(jié)狀態(tài)下的樟子松中縱向傳播速度，MC為凍結(jié)狀態(tài)下樟子松的含水率，統(tǒng)計置信度為95%，雙尾t檢驗顯著性概率都是均遠小于0.05）。而縱向傳播速度與徑向傳播速度和胸徑的相關(guān)系數(shù)較小，低于0.4（置信度為95%，雙尾t檢驗顯著性概率都是均遠大于0.05），說明徑向應(yīng)力波速度與胸徑對縱向應(yīng)力波傳播速度影響不顯著。冬季樟子松的應(yīng)力波縱向傳播速度與含水率的回歸散點如圖3所示。同時表3以白樺為例說明應(yīng)力波縱向傳播速度、徑向速度以及邊材含水率的相關(guān)性統(tǒng)計結(jié)果。

對其余樹種的統(tǒng)計分析和回歸顯著性檢驗可知，應(yīng)力波在凍結(jié)狀態(tài)下的縱向傳播速度與含水率的相關(guān)性較高，而和徑向傳播速度、胸徑的相關(guān)性較低。由表4得到10個樹種的縱向應(yīng)力波傳播速度與含水率的有效回歸方程及其相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計可知:凍結(jié)狀態(tài)下，應(yīng)力波在活立木中的縱向傳播速度主要受含水率的影響，且影響顯著。總的趨勢是，隨著立木的含水率的降低，應(yīng)力波的縱向傳播速度明顯增高，針葉樹種中含水率與應(yīng)力波的相關(guān)系數(shù)均在0.90左右，普遍高于闊葉樹種，一般隨含水率升高1%降低50 m/s左右。圖4、圖5與圖6分別顯示了冬季水曲柳、白樺和落葉松的縱向應(yīng)力波傳播速度與含水率關(guān)系的回歸效果圖。這樣的結(jié)果可能與樹木內(nèi)部水份的存在狀態(tài)有關(guān)。在完全凍結(jié)的狀態(tài)下，木材內(nèi)的自由水固態(tài)形式存在，此時樹木的微觀成分發(fā)生變化，如細胞內(nèi)脂肪和單寧物質(zhì)都有所增加，這有對應(yīng)力波的縱向傳播可能產(chǎn)生相應(yīng)的影響，其具體影響方式還有待進一步研究。利用不同樹種在得到凍結(jié)狀態(tài)下的含水率與應(yīng)力波傳播速度之間的關(guān)系，可為解釋凍結(jié)木材中的應(yīng)力波傳播速度高于常溫這一發(fā)現(xiàn)作為基礎(chǔ)。

表1 應(yīng)力波傳播速度在凍結(jié)狀態(tài)下統(tǒng)計信息Tab.1 Statistical information of SWPV in frozen state

表2 立木在凍結(jié)狀態(tài)下含水率和胸徑的統(tǒng)計信息Tab.2 Statistical information of MC in frozen state and DBH

表3 10個樹種在凍結(jié)狀態(tài)下縱向應(yīng)力波傳播速度和含水率有效回歸方程及其相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Regression models and correlation coefficients between longitudinal SWPV and MC of 10 species under frozen state

表4 白樺活立木在凍結(jié)狀態(tài)下縱、徑向傳播速度和含水率相關(guān)矩陣Tab.4 The correlation matrix among longitudinal SWPV，radial SWPV and MC of standing trees under frozen state

（2）徑向應(yīng)力波傳播速度影響因素分析。經(jīng)過統(tǒng)計分析可知在10個樹種的凍結(jié)活立木中，含水率與應(yīng)力波的徑向傳播速度的相關(guān)系數(shù)均在0.40以下（置信度為95%，雙尾t檢驗顯著性概率都是均遠大于0.05，說明無明顯相關(guān)）。由此可得出結(jié)論:在凍結(jié)狀態(tài)下，應(yīng)力波的徑向傳播速度受立木的含水率的影響不明顯。而在取胸徑變化范圍較大的闊葉樹種－楊樹和針葉樹種落葉松與冷杉的試驗中，得到徑向應(yīng)力波的傳播速度與胸徑得相關(guān)系數(shù)徘徊在0.60左右。其中楊樹的為0.69，針葉樹種冷杉和落葉松分別為0.67和0.63。此結(jié)果說明，應(yīng)力波的徑向傳播速度與木材的胸徑可能存在一定聯(lián)系。

圖3 冬季應(yīng)力波在樟子松中縱向傳播速度與含水率關(guān)系的回歸散點圖Fig.3 Regression scatter diagram of relationship between longitudinal SWPV and MC of Pinus sylvestris in winter

圖4 冬季應(yīng)力波在水曲柳中縱向傳播速度與含水率關(guān)系的回歸散點圖Fig.4 Regression scatter diagram of relationship between longitudinal SWPV and MC of Fraxinus mandshurica in winter

圖5 冬季應(yīng)力波在白樺中縱向傳播速度與含水率關(guān)系的回歸散點圖Fig.5 Regression scatter diagram of relationship between longitudinal SWPV and MC of Betula platyphylla in winter

圖6 冬季應(yīng)力波在落葉松中縱向傳播速度與含水率關(guān)系的回歸散點圖Fig.6 Regression scatter diagram of relationship between longitudinal SWPV and MC of Larix gmelini in winter

3 結(jié)論

（1）凍結(jié)狀態(tài)下應(yīng)力波在10個活立木樹種中的縱向傳播速度總體平均值為4 187 m/s，徑向傳播速度總體平均值為2 013 m/s。

（2）凍結(jié)狀態(tài)下的應(yīng)力波縱向傳播速與含水率之間存在顯著的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)多數(shù)在0.8以上。

（3）徑向傳播速度受含水率的影響不是十分顯著，受胸徑的影響有待進一步研究。

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