红松活立木内部腐朽程度的定量检测1)

刘泽旭王立海鲍震宇孙天用

( 森林持续经营与环境微生物黑龙江省重点实验室( 东北林业大学) ，哈尔滨，150040)

活立木腐朽造成大量森林资源流失，及早发现腐朽能减少木材大量的损失。因此腐朽检测技术显得尤为重要。木材无损检测技术包括应力波、阻抗仪、近红外、超声波、X 射线、核磁共振、电阻等几十种检测技术［1-5］。其中，应力波、超声波、阻抗仪和电阻技术被广泛应用于活立木腐朽检测领域［6-9］。应力波技术发展至今，已由初步判断木材内部是否存在腐朽，提高到可形成腐朽区域的二维或三维图像［6，10-12］。超声波技术可以用来确定腐朽位置和估计腐朽的大小、形状，同时也可以测定树木的力学性质。但其易受外界的干扰，而且还会出现传感器与被测材料耦合效果不好等问题［13］。阻抗仪利用木材的力学性质判断立木腐朽位置与腐朽程度［14］。电阻技术在国外已经能对腐朽区域形成二维或三维图像，但国内对该项技术的研究仍处于初级阶段［15］。由于应力波和阻抗仪操作简单便于携带，近年来国内许多学者利用这两种技术进行活立木或古建筑木材内部腐朽检测［14，16-18］。

据Larsson 等研究发现，美国木材因腐朽产生的损失相当于当年木材生产量的15%，腐朽产生的损失相当于其他病害产生损失总和的2 倍［19］。据国家林业局发布的国家林业经济运行报告，2009、2010年全国木材产量分别为7 068．3、7 284 万m3。若能依靠木材无损检测技术使木材因腐朽而造成的损失降低5%，则每年可挽救358．8 万m3木材。由此可见无损检测技术的发展与研究意义重大。

笔者将在野外环境中利用应力波和阻抗仪技术，对内部腐朽的红松进行腐朽检测，并获取相对应的木芯。研究木材质量损失率分别与应力波传播速度和阻抗仪阻力损失值的关系，进而分析两种检测技术表征与木材腐朽程度的关系。为采用应力波和阻抗仪技术进行野外作业提供理论依据。

1 研究区概况

实验地为凉水实验林场(凉水国家级自然保护区)，其地处黑龙江省东北部、小兴安岭南坡，地理位置为东经46°50′8″～46°59′20″，北纬128°57′6″～129°17′50″E，最高海拔1 050 m，最低海拔250 m，以低山丘陵为主，坡度平缓。该地区属于寒温带大陆性季风气候，年均气温1．4 ℃，极端最低气温为-40 ℃(1 月上旬)，极端最高气温达37 ℃(7月)，≥10 ℃年积温2 156 ℃。年均降水量661 mm，全年无霜期115 d。地带性土壤为暗棕壤。林区的地带性植被是以红松为主的温带针阔叶混交林［17，20］。

2 材料与方法

2．1 供试材料

在凉水保护区第18 林班所辖的林地内进行野外试验，地形多为5°～8°的缓坡，样地面积约30 hm2。目测查找可能存在内部腐朽的红松活立木，选取7 株可能存在内部腐朽的红松活立木和1 株健康红松作为样木。用尺确定红松离地40、70、100 cm位置，用Arbotom 应力波测试仪和Resistograph 阻抗仪对腐朽红松每个高度横截面进行腐朽检测，利用生长锥在8 株红松的各个横截面上钻取木芯备用。

2．2 试验方法

利用应力波测试仪对各个横截面进行腐朽检测，根据截面的周长均匀排布传感器，并标记位于正东、正北两个方向上传感器的位置，检测输出结果为一张应力波波速分布图。待应力波检测完后，再利用阻抗仪对两个先前标记的位置进行腐朽检测，检测输出结果为两张阻力变化曲线图。在应力波波速分布图中确定阻抗仪的检测方向。

待阻抗仪检测完后，用生长锥在阻抗仪检测的位置各取一根25 cm 的木芯。将刚取下的木芯存放在自封袋中带回实验室，用电子分析天平(0．1 mg)对刚取下的腐朽木芯称质量记为m1，用电热鼓风干燥箱将木芯(70 ℃)烘至恒质量，称量每个腐朽木芯的干质量记为m2，称量每个健康木芯的干质量，求其平均值记为m3，计算木材质量损失率(L)和含水率(Mc)。公式如下:木材质量损失率L=((m3-m2)/m3)×100%;含水率Mc=((m1-m2)/m2)×100%。

2．3 数据处理

2．3．1 应力波数据处理

图1 为第7 号样木离地40 cm 断面处的应力波传播速度分布图，颜色较深的区域表明应力波传播速度较低，由于该处存在腐朽出现空洞，使应力波传播速度变小［21］。根据图1 计算在阻抗仪检测方向上两点之间应力波传播速度(V)。计算公式如下:

式中:V 为被检测方向上两点之间应力波传播速度(m/s);在检测方向上取25 cm 的距离，然后将相同颜色的区域分为一段;n 为检测方向上所分的段数;Si为该检测方向上第i 段的传播距离(cm);vi为对应于Si上的传播速度(m/s)，根据图1 右侧的速度颜色图例对比得出。

用最小二乘法对应力波传播速度和质量损失率进行一元线性回归分析。以应力波传播速度为因变量，质量损失率和含水率为自变量，用普通最小二乘回归建立多元线性回归方程。

图1 红松活立木应力波波速分布图

2．3．2 阻抗仪数据处理

图2 为第7 号样木离地40 cm 断面处测得的阻力曲线图。取250 mm 以内的曲线为研究对象，利用阻抗仪软件计算出该段曲线的平均阻力(F)。图中A、B、C、E 围合区域为该曲线上明显出现下降的区段，说明此处为腐朽部分，相对于健康部分的阻力值明显减小［17］。定义活立木腐朽部分相对于健康部分阻力值下降幅度为阻力损失值，记为Z。其计算公式［18］如下:。

式中:L1为波谷在横轴上投影的长度(mm);H1和H2分别为波谷左右两边在纵轴上投影的长度，D 为所分析曲线的总长度(mm)。

分别以阻力损失值和平均阻力为因变量，质量损失率为自变量，用最小二乘法进行一元线性回归分析。

3 结果与分析

根据先前公式计算得到质量损失率、含水率、平均阻力值、阻力损失值和应力波传播速度，结果如表1 所示。

3．1 应力波检测表征与木材质量损失率的关系

用最小二乘法对应力波传播速度和质量损失率进行一元线性回归分析，得到图3 和相应回归方程V=-8．574L+860．020(R2=0．487，R=0．698，P＜0．01)，方程的拟合程度很高，且存在较强相关性。这说明应力波传播速度与质量损失率之间有较强的负相关关系，应力波检测结果能清晰地表征木材质量损失率的情况。可知，应力波传播速度随着木芯质量损失 率的增大而减小。

表1 木芯各项检测结果

图2 红松活立木的阻抗力曲线

图3 木材质量损失率与波速散点图

这一现象是由于木材腐朽造成应力波传播路径变化而引起的。而木材内部发生腐朽后，木材中大量的纤维素、半纤维素和木质素被木腐菌腐蚀，则腐朽区域木材绝干密度相应减小，导致木材内部形成空洞［22］。有研究表明［21-23］应力波在活立木中的传播过程受到空洞的影响，当应力波遇到空洞时，应力波不会沿直线传播而是绕着空洞缺陷，沿空洞周围的木材进行传播，使应力波传播路径发生改变，应力波传播路程增长，应力波传播路径上的纹理角也发生变化，导致应力波传播时间增加。在应力波仪器计算过程中，应力波传播路程被设定为两点之间最短的距离，应力波传播时间增加，使传感器接受信号时间变长，故检测得到的应力波传播速度变慢。由此可见，木材质量损失率越大，木材内部应力波传播速度就越小。

由于应力波检测受到很多因素的影响，而含水率是影响木材中应力传播速度的主要因素之一［23-24］。用最小二乘回归对应力波传播速度与质量损失率、含水率进行多元线性回归分析，得到回归方程V=-8．989L+1．519Mc+727．717(R2=0．532，R=0．730，P＜0．01)，方程的拟合程度提高了，说明应力波检测结果需要适当修正。

3．2 阻抗仪检测表征与木材质量损失率的关系

用最小二乘法对阻力损失值和质量损失率进行一元线性回归分析，得到图4 和相应回归方程Z=0．544L+3．414(R2=0．724，R=0．851，P＜0．01)，方程的拟合程度很高且存在显著相关性。这说明阻力损失值与质量损失率之间有显著的正相关关系。阻抗仪检测结果也能清晰地表征木材质量损失率的大小。可知，随着木材质量损失率的增大，阻力损失值也不断增加。

这一现象是由于木材腐朽造成木材力学性能变化而引起的。研究表明生物腐朽后木材质量损失率与木材最大工作载荷、抗弯弹性模量和抗弯强度之间都存在显著负相关关系［28］。随着木材内部质量损失率增大，被腐朽的木材区域单位体积内的质量减小，即该区域木材绝干密度降低，说明质量损失率越大，木材力学强度越差。而阻力曲线图的主要依据是探头匀速旋转刺入过程中所受的阻力，该阻力与木材绝干密度和力学强度有密切联系［14，18］。当木材发生腐朽时，木材绝干密度和力学强度均下降，探头钻入时所受阻力也会下降［16］。由此可见，木材质量损失率越大，腐朽木材相对于健康木材的绝干密度和力学强度的降幅越大，导致探头钻入腐朽木材相对于健康木材所受阻力降幅也越大。

图4 木材质量损失率与阻力损失值散点图

对平均阻力和质量损失率做一元线性回归分析，结果复相关系数为0．512，复决定系数R2=0．262，P=0．01，方程的拟合程度很高，但相关性不显著。这说明阻抗仪平均阻力与质量损失率之间不存在明显的相关关系。在利用阻抗仪分析立木腐朽程度的过程中，平均阻力不能清晰地表征木材质量损失率的大小。

3．3 检测方法的比较

应力波传播速度与质量损失率的拟合程度低于阻抗仪阻力损失值与质量损失率的拟合程度。应力波传播是一个复杂的过程，其传播速度易受到含水率、温度、检测角等因素的影响［24-27］，所以最小二乘法分析的拟合程度较低。阻抗仪探头阻力与木材力学强度密切相关［14，18］，不易受其他因素影响。而质量损失率的大小会直接影响木材绝干密度与木材力学强度，故阻抗仪阻力损失值与质量损失率的拟合程度较高。

表2 检测方法比较

应力波技术可测得二维木材内部应力波速度分布图，利用该图能大致判断腐朽位置与质量损失率分布情况。阻抗仪依靠测得的阻力曲线图，可清晰地分析单一方向上腐朽木材与健康木材的质量损失差别，能为应力波速度分布图单一方向的质量损失率分布分析提供依据。应力波检测对活立木无损伤，阻抗仪检测留下的孔洞对活立木有微弱损伤。

4 结论

应力波在木材内部传播速度与木材质量损失率之间有较强的负相关关系(R=0．698，P＜0．01)，应力波检测结果需要根据影响因素进行适当修正。

阻抗仪阻力损失值与木材质量损失率之间有显著的正相关关系(R=0．851，P＜0．01)，而阻抗仪平均阻力与失重率没有明显的相关关系。

木材质量损失率是木材腐朽程度的主要表征指标［27］。应力波和阻抗仪检测技术都能清晰地表征活立木木材质量损失率，说明两种方法都能有效地检测活立木的腐朽程度。

应力波和阻抗仪检测技术各有特点，应当根据检测需要选择使用。

［1］ 王立海，杨学春，徐凯宏．木材缺陷无损检测技术研究现状［J］．林业科技，2002，27(3):35-38．

［2］ Brashaw B K，Bucur V，Divos F，et al． Nondestructive testing and evaluation of wood:A worldwide research update［J］． Forest Products Journal，2009，59(3):7-14．

［3］ 王志同．无损测试技术在木材工业中的应用［J］．世界林业研究，1991(4):64-69．

［4］ 张鸿富，李耀翔．近红外光谱技术在木材无损检测中应用研究综述［J］．森林工程，2009，25(5):26-31．

［5］ 王立海，孙天用．木材腐朽检测及防治的研究进展［J］．黑龙江大学工程学报，2011，2(2):63-69．

［6］ Nicolotti G，Socco L V，Martinis R，et al． Application and comparison of three tomographic techniques for detection of decay in trees［J］． Journal of Arboriculture，2003，29(2):66-78．

［7］ 刘铁男．基于超声波活立木内部腐朽衰减成像的研究［D］．哈尔滨:东北林业大学，2010．

［8］ Bucur V． Ultrasonic techniques for nondestructive testing of standing trees［J］． Ultrasonics，2005，43(4):237-239．

［9］ Wang X P，Allison R B． Decay detection in red oak trees using a combination of visual inspection，acoustic testing，and resistance microdrilling［J］． Arboriculture ＆ Urban Forestry，2008，34(1):1-4．

［10］ Rojas G，Condal A，Beauregard R． Identification of internal defect of sugar maple logs from CT images using supervised classification methods［J］． Holz als Roh-und Werkstoff，2006，64(4):295-303．

［11］ 李华，刘秀英．大钟寺博物馆钟架的超声波无损检测［J］．木材工业，2003，17(2):33-36．

［12］ 陈雷，戚大伟．计算机断层扫描技术(CT)在原木无损检测中的应用［J］．森林工程，2005，21(3):21-23．

［13］ 杨慧敏，王立海．立木与原木内部腐朽二维成像检测技术研究进展［J］．林业科学，2010，46(7):170-175．

［14］ 黄荣凤，王晓欢，李华，等．古建筑木材内部腐朽状况阻力仪检测结果的定量分析［J］．北京林业大学学报，2007，29(6):167-171．

［15］ 鲍震宇，王立海．电阻测试法在立木腐朽检测中的应用研究进展［J］．森林工程，2013，29(6):47-51．

［16］ 孙天用，王立海，徐华东，等．小兴安岭土壤化学性质对红松活立木树干腐朽的影响［J］．北京林业大学学报，2014，36(2):30-37．

［17］ 孙天用，王立海，孙墨珑，等．小兴安岭红松活立木树干腐朽与立地土壤理化特性的关系［J］．应用生态学报，2013，24(7):1837-1842．

［18］ 安源，殷亚方，姜笑梅，等．应力波和阻抗仪技术勘查木结构立柱腐朽分布［J］．建筑材料学报，2008，11(4):457-463．

［19］ Larsson B，Bengtsson B，Gustafsson M． Nondestructive detection of decay in living trees［J］． Tree Physiology，2004，24(7):853-858．

［20］ 吴蒙蒙，王立海，侯红亚，等．采伐强度对阔叶红松林空间结构的影响［J］．东北林业大学学报，2013，41(9):6-9．

［21］ 徐华东，王立海．空洞对木材中应力波传播路径的影响［J］．东北林业大学学报，2014，42(4):82-84，88．

［22］ 徐华东，王立海．温度和含水率对红松木材中应力波传播速度的影响［J］．林业科学，2011，47(9):123-128．

［23］ 鲍震宇，邸向辉，王立海，等．小兴安岭天然林中冷杉立木含水率对应力波传播速度的影响［J］．林业科技，2013，38(1):22-24．

［24］ 刘泽旭，邸向辉，王立海，等．检测角对健康立木中应力波传播速度的影响［J］．东北林业大学学报，2014，42(4):105-108．

［25］ 王立海，高珊，王洋等．应力波在冻结状态白桦活立木中传播速度的试验［J］．东北林业大学学报，2008，36(11):36-38．

［26］ 徐华东，徐国祺，王立海，等．原木横截面应力波传播时间等值线绘制及影响因素分析［J］．林业科学，2014，50(4):95-100．

［27］ 李坚．木材科学［M］．北京:高等教育出版社，2002．

［28］ 杨忠，任海青，江泽慧．生物腐朽对湿地松木材力学性质影响的研究［J］．北京林业大学学报，2010，32(3):146-149．