不同强度修枝对杉木木材密度、硬度及无节材比例的影响1)

陈明旭 沙子舟 范少辉

(国家林草局杉木工程技术研究中心(福建农林大学),福州,350002) (国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室)

叶代全 马祥庆 何宗明

(福建省洋口国有林场) (国家林草局杉木工程技术研究中心(福建农林大学))

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)是我国南方主要造林树种,具有生长快、产量高、材质好等特点[1],是我国人工林面积最大的造林树种。由于杉木侧枝较多,侧枝枯死后不易脱落,留存在树干上,易被树干包裹在内,形成木材中的节疤,影响木材的美观,降低木材质量[2-4]。因此,培育杉木无节材成为当前林业生产上急需解决的重要课题[5]。

大量研究表明,修枝是培育无节材的有效营林措施,能改善木材品质,增加木材价值[6-9]。国内外学者开展了修枝对主要树种人工林生长和木材品质影响的研究,取得了一些成果[2,9-10]。但目前有关杉木人工林修枝方面的研究不多。邹绍荣[11]对杉木无节材培育的修枝技术进行了总结。程朝阳[12]研究发现修枝对杉木生长有显著影响。沙子舟[13]、张群等[14]对修枝9、20 a杉木生长研究表明,合适的修枝强度能促进杉木胸径生长。然而有关修枝对杉木木材品质方面影响的研究较少,缺乏修枝对杉木木材干形与材性的长期影响研究。

鉴于此,课题组1999年12月选取福建省洋口国有林场4年生杉木林为研究对象,采用随机区组设计,开展4种不同强度修枝对杉木林生长、材性影响的长期定位研究。2020年1月对不同强度修枝20 a的杉木林进行生长和木材材性的调查、测定[13],探讨不同强度修枝对杉木干形、密度、硬度、无节材比例的影响,筛选可供生产上推广应用的杉木无节材培育修枝技术,为杉木无节材培育提供技术支撑。

1 研究区概况

试验地位于福建省顺昌县洋口国有林场打铁坑工区,为武夷山支脉的低山丘陵区,年平均降水量为1 880 mm,年平均气温为18.5 ℃。土壤为山地红壤,黏质壤土;林地前茬为马尾松人工林,1995年皆伐后进行炼山、挖穴整地;1996年春进行杉木造林;1999年底选择4年生杉木幼龄林开展不同修枝强度试验;2015年底对不同杉木试验林进行第二次间伐,间伐后林分保留密度700株·hm-2。

2 研究方法

1999年在福建省顺昌县洋口国有林场选择4年生杉木林为研究对象,采用随机区组设计开展不同修枝强度试验。不同修枝强度处理分别为:修除树干直径6、8、10、12 cm位置以下枝条,每个处理4次重复,共设16个处理小区,每个小区面积600 m2,修枝后试验林保留密度1 200株·hm-2。2015年对不同试验林进行第二次间伐,间伐后林分保留密度700株·hm-2。

1999年在每个试验小区中,随机选择30株杉木目标树,进行不同修枝强度处理,其余不修枝杉木作为对照处理。修枝强度以修枝处树干直径作为控制指标,将修枝强度分为6、8、10、12 cm这4个等级,即修枝时以树干任意位置直径达到修枝强度标准为修枝粗度基准,修去修枝基准点以下树干上所有枝条(修枝强度分别简称为强度I、II、III、IV)。传统林木修枝强度多以树冠层高度来进行控制,本研究采用直径作为控制指标更有利于培育相同规格的无节材。当修枝高度达到树高7 m时,可满足普通锯材原木的需求,将此时期作为修枝停止时间,此后不再进行修枝。

木材样品取样方法:2020年1月在对不同修枝强度杉木林进行全面调查基础上,按照平均标准木法,选择不同修枝强度和未修枝处理的标准木。每个试验处理选择3株标准木,4个不同修枝强度处理和对照处理共砍伐15株标准木。鉴于本研究杉木修枝处理控制在树干7 m以下,只调查标准木7.3 m以下部分,每株标准木分成4段([0,1.3)、[1.3,3.3)、[3.3,5.3)、[5.3,7.3]m)[15],带回实验室进行不同修枝处理杉木木材品质指标测定。

杉木木材尖削度测定方法:尖削度是树木生长过程中其单位长度直径变化的参数,尖削度越小,林木出材量就越大。鉴于尖削度是表征木材品质的重要指标,本试验选取不同修枝强度处理杉木树高[1.3,7.3]m木段进行树干尖削度测定。以1.3 m处的直径为大头直径、7 m处的直径为小头直径,即尖削度等于大头直径与小头直径的差与材长之比,尖削度(T,%)计算公式如下[16]:

式中:D1.3为杉木树高1.3 m处的直径(cm);D7为杉木树高7 m处的直径(cm)。

杉木木材形率测定方法:一般用树干上某一位置直径与比较直径之比的形率(q,%)来表示树干形状变化。本研究通过测定树高4、7 m处的形率值,由此来比较不同修枝处理树干干形的差异。在树干长度固定条件下,形率值越接近1,说明干形越好[17]。

q4=D4/D1.3,

q7=D7/D4,

q=(q4+q7)/2。

式中:q4为木材4 m处形率值;q7为木材7 m处形率值;q为木材整体形率值;D4为杉木树高4 m处的直径(cm);D1.3为杉木树高1.3 m处的直径(cm);D7为杉木树高7 m处的直径(cm)。

杉木无节材比例的测定方法:选取4种不同修枝强度处理和对照杉木标准木各3株,采用树干剖析法进行修枝段[0,7.3]m标准木无节材比例的测定。为保证精确测定到标准木的每一个节子,将标准木按照20 mm厚度锯板(图1),把每株平均木圆木按2 m长度分段锯成厚20 mm、长2 m的杉木板。

图1 不同试验处理杉木标准木锯板示意图

不同试验处理杉木标准木锯成板后,将每块木板上每个节子近似看作一个台体(图2),利用透明的标准纸铺在杉木板上,描出每个板材上下两面节子的形状,通过测定每个圆台体上下两面的面积,利用台体体积公式,计算出每块板上每个节子的体积(V,cm3),再除以整块木板的体积(Vm,cm3),计算出每块木板的无节材所占比例(P),可用公式表示为:

图2 杉木板上节子台体的示意图

台体体积计算公式:

式中:V为台体体积(cm3);h为台体高度(mm),即木材厚度(mm);r为台体上底半径(mm);R为台体下底半径(mm)。

杉木木材密度与硬度测定方法:选取不同修枝强度处理和对照杉木平均木,在室内气干后,加工成无疵小试样。按照国家标准GB/T 1933-2009《木材密度测定方法》[18]、GB/T 1941-2009《木材硬度试验方法》[19],进行不同修枝强度处理杉木木材气干密度、全干密度、弦面硬度、端面硬度、径面硬度的测定[20-21]。

利用SPSS 25.0软件进行修枝、未修枝处理杉木测定指标的配对t检验,检验修枝强度对杉木干形指标的影响;采用方差分析与最小显著性差异法(LSD),检验不同修枝强度间木材气干密度、全干密度、弦面硬度、端面硬度、径面硬度、无节材比例的影响[22]。

3 结果与分析

3.1 不同修枝强度对杉木木材干形的影响

3.1.1 木材尖削度

不同修枝强度对杉木木材尖削度有显著影响(表1)。修枝20 a后的杉木木材尖削度随修枝强度的变化呈下降趋势,从大到小依次为对照处理(CK)、强度IV、强度III、强度I、强度II,其中修枝强度II显著降低了木材尖削度(P<0.05),与对照处理的差异达显著水平,其他修枝强度处理与对照处理的差异未达显著水平。结果表明,修枝强度II降低了杉木木材的尖削度,尖削度越小,木材越饱满通直。

表1 不同修枝强度时杉木木材的干形

3.1.2 木材形率

不同修枝强度对杉木人工林形率的影响显著(表1)。修枝20 a后的杉木木材形率随修枝强度的变化而呈增大趋势,从大到小依次为强度II、I、III、IV、对照处理(CK),不同修枝强度与对照处理的差异均达到显著水平,修枝强度II与修枝强度III、IV之间的差异也达到显著水平(P<0.05),修枝强度II处理杉木干形形率比修枝强度IV处理提高3.23%。结果表明,人工修枝明显改善了杉木木材的干形。

3.2 不同修枝强度对杉木木材密度、硬度及无节材比例的影响

3.2.1 木材密度

不同修枝强度对杉木木材气干密度、全干密度有不同程度的影响(表2)。修枝20 a后的杉木木材气干密度、全干密度均随修枝强度的增大而减小,整体从大到小依次为对照处理(CK)、强度IV、III、II、I。强度I、II、III的杉木木材气干密度、全干密度均显著小于修枝强度IV以及对照处理,其中强度I、II、III的杉木木材气干密度、全干密度之间的差异达到显著水平,结果表明,修枝明显降低了杉木木材的密度。

表2 不同修枝强度时杉木木材的密度

3.2.2 木材硬度

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

与未修枝对照处理相比,强度I显著提高了杉木木材端面硬度、径面硬度;强度II显著降低了杉木木材弦面硬度;强度III显著降低了杉木木材弦面硬度、径面硬度;强度IV显著降低了杉木木材弦面硬度(表3)。其中,强度I杉木木材的端面硬度、弦面硬度、径面硬度均显著高于强度II、III、IV处理。

表3 不同修枝强度时杉木木材的硬度

3.2.3 木材节子长度

按照杉木木材节子长度进行的频率分析结果见表4。在离地1.3～7.3 m范围内,[0,10]mm长度节子频率随修枝强度增加而增大,[11,20]mm长度节子频率随修枝强度增加而减小,修枝强度对杉木木材节子长度有显著影响。

表4 不同修枝强度时杉木节子的长度

3.2.4 无节材比例

不同修枝强度木材的无节材比例比未修枝对照处理提高5%～15%(表5)。随修枝强度增加,杉木无节材比例呈显著增加趋势,从大到小依次为强度I、II、III、IV、对照处理(未修枝)。结果表明,修枝能明显提高杉木木材的无节材比例。在相同修枝强度时,杉木木材无节材比例随树干高度的增加呈下降趋势,修枝效果最明显的木材区段是[1.3,5.3]m的位置。

表5 不同修枝强度时杉木的无节材比例

4 讨论与结论

大量研究表明,修枝对人工林木材品质有显著影响。通过密度控制、修枝等措施对人工林株行距、林冠、生长进行调整,可改善林木木材的节子、干形、早晚材、年轮宽度、密度、管胞长度等,并提高林分木材的一致性[21,23]。肖祥希[24]以修枝后枝下高度占树高比例为修枝强度处理,研究发现修枝提高了福建柏木材的高径比,与未修枝处理相比,修枝木材的高径比增加7.0%～14.1%;同时,修枝降低了福建柏木材尖削度。福建柏树干圆满度以修枝强度50%为最佳,60%～70%、40%修枝强度的效果较差。本研究表明:修枝20 a后明显改善了杉木木材的干形,木材尖削度随修枝强度增加呈下降趋势,未修枝木材尖削度为1.05%,修枝木材尖削度均小于0.92%。这与修枝后树干中形成死节,阻挡同化物质由树冠向下运输,导致修枝切口上方的树干生长量增加,而切口下部树干生长量相对减少有关[24-25]。

修枝对人工林木材密度有显著影响。一般生长快的树木,木材密度呈下降趋势[26]。张群[14]研究修枝对杉木木材力学性质的影响中,发现修枝降低了杉木木材密度。沙子舟[13]研究发现,在修枝后1～8 a,6、8 cm高强度修枝显著抑制杉木胸径和单株材积生长;10、12 cm低强度修枝显著促进杉木胸径和单株材积生长;但修枝20 a后不同强度修枝对杉木林生长的影响未达显著水平。本研究发现,6、8 cm高强度修枝显著降低杉木木材密度,10、12 cm低强度修枝降低木材密度的作用未达显著水平。这与高强度修枝时,修除的枝条多,导致叶光合面积损失,进而影响杉木光合作用有关。高强度修枝前期降低了杉木生长,但随后杉木叶光合面积恢复,光合作用逐渐增强,杉木生长加快。高强度修枝杉木总生长量小于未修枝,其木材密度呈显著降低趋势。

大量研究表明,节子是木材的自然缺陷,造成树木纤维走向背离和扭曲,导致木材强度降低[24]。本研究表明,修枝对杉木木材节子长度有显著降低作用,能显著提高杉木无节材比例。修枝措施修除树冠下方枝条,树体内残留的枝条基部被继续生长的树体包裹进内形成节子。由于枝条已经死亡,节子长度不再增加,节子体积不再增大,之后生长的木材就是无节材。所以,修枝措施能明显增加无节材比例。

在杉木无节材培育过程中,要综合考虑修枝强度对杉木生长、材性的影响及修枝成本,在4种修枝强度中,修枝强度III能明显增加无节材比例,且不明显影响杉木生长,是值得杉木无节材培育推广的修枝强度。