濕地松活立木彈性模量無損評估技術研究

張帥楠，姜景民，徐永勤，欒啟福*

(1.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江省林木育種技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311400；2.浙江省杭州市余杭區長樂林場，浙江 杭州 311123)

濕地松活立木彈性模量無損評估技術研究

張帥楠1，姜景民1，徐永勤2，欒啟福1*

(1.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江省林木育種技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311400；2.浙江省杭州市余杭區長樂林場，浙江 杭州 311123)

[目的]開發操作簡便、破壞性小且結果可靠的彈性模量無損評估技術，為實現以大群體試驗材料為基礎的遺傳選擇和評估，培育速生優質林木良種奠定基礎。[方法]以22年生濕地松自由授粉家系測定林為研究對象，采用力學阻力儀(Pilodyn)和應力波速(V)記錄儀(AV)等活立木無損評估儀器和方法以及木材物理力學常規檢測方法，建立活立木彈性模量評估技術體系。[結果]Pilodyn測定值Pr與實測基本密度(ρ)間呈顯著負相關(P<0.01)；彈性模量測定值MOEB與彈性模量(計算值)MOE(MOE=ρV2)之間呈極顯著線性相關關系，其線性回歸模型為MOEB=2.013 3+0.828 6MOE，決定系數R2=0.854 1；利用ρ和V計算的彈性模量值MOE與利用Pr和V計算的彈性模量相對值MOEP(MOEP=PrV2)間呈極顯著正相關關系(P<0.001)，回歸模型為MOE= 0.400 7+0.231 1MOEP, 決定系數R2=0.734 0；彈性模量MOE與V值相關極顯著(P<0.001)，V與MOE的回歸方程為MOE= -5.121 8+3.239 4V, 決定系數R2=0.921 9。[結論]在遺傳選擇時彈性模量(計算值)完全可以代表彈性模量測定值進行評估與選育；可直接利用MOEP作為各樣木的彈性模量值參與遺傳分析；同時建立了MOE與V值之間的回歸方程，在比較同一測定群體彈性模量值相對大小時也可直接比較V值，大大減少了工作量。建立的模型對其它樹種測定具有參考意義，但尚需檢驗。

濕地松；活立木；彈性模量；無損評估

為培育速生優質林木良種，需要大規模對遺傳測定群體活立木材性等重要品質性狀開展無損評估。其中，彈性模量(MOE)是林木建筑用材最重要的力學性質，能夠反映木材的韌性和抵抗變形的能力，木材的彈性模量越大，在承受荷載時其變形越小[1-2]。目前，已成功應用于活立木彈性模量無損評估的是基于應力波速法的AV技術，它通過測量應力波在開始探頭和結束探頭之間的傳播時間來測得AV值(波速V)，該數值與立木強度具有顯著的相關性，可以作為活立木強度的檢測工具[3-5]。Ross等[6]采用應力波檢測方法得出木材的彈性模量(MOE)、木材密度(ρ)和應力波速度的關系式：MOE=ρV2，這為應力波速技術在木材彈性模量無損檢測提供了研究基礎[7-9]。活立木木材基本密度(ρ)測定的常規方法是用生長錐在其胸徑處取木芯，然后利用飽和含水量法進行測定[10]，雖然該方法獲得的數據直觀、可靠，但是成本高、耗時長、具破壞性。Pilodyn是應用最為普遍的一種基于阻力的活立木密度無損快速檢測儀器[11-12]，有效地克服了傳統檢測方法的缺點，在活立木木材密度評估中已有一定的進展[13-17]。在實現了應力波速(V)和基本密度(ρ)無損評估的基礎上，Chen等[5, 18]綜合利用了Pilodyn和AV技術，以Pilodyn探測值估測的木材外部密度作為木材基本密度，對挪威云杉(Piceaabies(L.) H. Karst.)大群體MOE和基本密度(ρ)進行了估測，首次實現了數千株大群體活立木材性性狀的遺傳變異分析。

濕地松(PinuselliottiiEngelman var.elliottii)原產于美國東南部，現已成為我國南方重要的用材樹種[19-21]。經過數十年的育種工作，濕地松生長性狀獲得較大的改良[22-24]，以彈性模量為代表的力學性狀由于受測定技術影響改良進程緩慢[25-28]。因此，開發操作簡單方便、破壞性小且結果可靠的彈性模量無損評估技術，實現以大群體試驗材料為基礎的遺傳選擇和評估，對提高遺傳測定的精度與效率、促進遺傳改良進程具有重大現實意義。本研究采用力學阻力儀(Pilodyn)和應力波速記錄儀(AV)等活立木無損評估儀器和方法以及木材物理力學常規檢測方法，初步建立濕地松活立木彈性模量評估技術體系，為濕地松彈性模量等材性性狀遺傳改良奠定基礎，同時對其它樹種材性測定具有參考意義。

1 試驗林概況

試驗地位于浙江省杭州市余杭區長樂林場(30°27′ N，119°48′E)，亞熱帶濕潤季風性氣候，年均降水量1 399 mm，年均氣溫16.1℃，屬低山緩坡，土壤以紅壤為主。

試驗林為濕地松子代測定林，營建于1994年春季，含33個半同胞家系，采取單行6株小區、6個重復的隨機完全區組設計。

2 研究方法

2.1 材性性狀指標測定方法

2.1.1 Pilodyn測定 2015年12月對上述33個濕地松半同胞家系進行取樣測定，隨機選取6個重復中的3個重復，其中，每個小區選取1株平均木作為樣木，總計99個單株，進行Pilodyn(6J，PROCEQ，Switzerland)單株測定[5, 29]。在樣木胸高南、北向分別測定2次(若2次探測值差值大于2 mm，則進行第3次探測，選擇3次探測差異最小的2個值作為有效探測值)，取2次測定的平均值作為南向的Pilodyn值(Ps)和北向的Pilodyn值(Pn)，并取南、北向的平均值作為Pilodyn測定值(Pr)。

2.1.2 基本密度生長錐測定 Pilodyn測定后，用內徑為5 mm的生長錐在樣木胸高處南北向鉆取木芯(木芯穿透樣木)。基本密度(ρ)采用飽和含水量法測定[10]，其計算公式如下：

(1)

式(1)中:ρ為基本密度(g·cm-3);Gmw為飽和含水率時試樣的質量(g);Gh為絕干時試樣的質量(g)。

2.1.4 彈性模量評估

2.1.4.1 無損評估 根據生長錐法和AV技術得出的測定值ρ和V，應用公式MOE=ρV2計算出各樣木的彈性模量(即彈性模量計算值，本文中以MOE表示)；根據Pilodyn法和AV技術得出的測定值Pr和V，以Pr代替ρ，應用上述公式計算出各樣木的彈性模量相對值MOEP(MOEP=PrV2)。

2.1.4.2 常規測定 在99株樣木中隨機選取30株樣木依據國家標準《GB/T 1929-2009 木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》進行破壞性取樣，并委托浙江省林科院質檢站按照國家標準《GB/T 1936.

2-2009 木材抗彎彈性模量測定方法》測定其抗彎彈性模量(即彈性模量測定值，本文中以MOEB表示)。

2.2 統計分析方法

數據分析在R軟件(v 3.1.3，CRAN，http://cran.r-project.org)上進行。

(1)各指標間的相關性分析利用R軟件中的corr. test()函數計算Pearson相關系數r并進行顯著性檢驗。

(2)MOEB和MOE、MOE和MOEP以及MOE和V之間的回歸分析均基于普通最小二乘法(OLS)，利用R軟件中的lm()函數擬合其簡單線性回歸模型：

MOEB= b1+k1MOE

(2)

MOE = b2+k2MOEP

(3)

(4)

式(2)～(4)中:b1、b2、b3代表回歸常數，k1、k2、k3代表回歸系數。

3 結果與分析

3.1 各測定指標的基本情況

99個濕地松單株材性性狀各測定指標的基本情況見表1。濕地松木材基本密度和彈性模量分別為0.502 0 g·cm-3、4.495 6 GPa，其中，MOEP極差與方差均較大，說明彈性模量值變異豐富，這可能是由于MOEP計算時因子Pr與V2的乘積引起的MOEP值波動較大，可能會有較好的遺傳選擇成效。基本密度性狀測定指標(ρ、Pr)變異系數較小(CV<10%)，彈性模量性狀測定指標(MOE、MOEP)變異系數較大(CV>20%)，也說明濕地松彈性模量性狀相對于基本密度性狀具有更豐富的遺傳變異性。

表1 濕地松基本密度和彈性模量性狀各測定指標的基本情況Table 1 Basic information of determination of wood density and MOE of slash pine

3.2 各測定指標間相關性分析

對濕地松木材基本密度性狀測定指標(ρ、Pr)和彈性模量性狀測定指標(V、MOE、MOEP)進行相關分析，結果見表2。從表2中可以看出:ρ與Pr呈顯著負相關關系(P<0.01)，而這二者基本密度性狀測定指標與3個彈性模量性狀測定指標之間相關關系不顯著或顯著性低(P<0.1)；V與MOE及MOEP達到極顯著的高度正相關(r>0.90，P<0.001)。這說明波速是影響濕地松彈性模量估測的關鍵因子，木材密度對彈性模量影響相對較小,而MOE與MOEP之間也呈極顯著高度正相關(r=0.85，P<0.001)，因此，可以認為MOEP也可以對MOE進行預測和評估。

表2 濕地松基本密度和彈性模量性狀各測定 指標間相關關系Table 2 The correlations of determination of wood density and MOE indexes of slash pine

注：括號中為該相關系數顯著性水平；*代表顯著性水平為0.1，**代表顯著性水平為0.01，***代表顯著性水平為0.001。

Note: Significance probability of the correlations were given in parenthesis; *, **, *** representP< 0.05,P< 0.01 andP< 0.001, respectively.

3.3 彈性模量測定值和彈性模量(計算值)的回歸方程

濕地松彈性模量測定值與彈性模量(計算值)的線性回歸模型為MOEB=2.013 3+0.828 6MOE，其決定系數R2=0.854 1(圖1)。模型中，回歸常數和回歸系數都達極顯著水平(P<0.001)，即MOEB與MOE呈極顯著線性相關關系。因此，利用關系式MOE=ρV2得出的濕地松彈性模量計算值MOE雖然不能作為其標準值，卻完全可以代表彈性模量測定值進行評估與選育。

圖1 濕地松彈性模量測定值與彈性模量(計算值)的
簡單線性回歸模型
Fig.1 Simple linear regression model between MOEBand MOE

3.4 彈性模量(計算值)和彈性模量相對值的回歸方程

濕地松彈性模量與彈性模量相對值的線性回歸模型為MOE=0.400 7+0.231 1MOEP，其決定系數R2為0.734 0(圖2)。模型中，回歸常數(P<0.05)和回歸系數(P<0.001)都達顯著水平，這說明該線性模型適合于MOE與MOEP之間的回歸分析，也就是說利用Pilodyn法和AV技術得出的測定值Pr和V，計算出MOEP并應用以上模型即能快速評估彈性模量。

圖2 濕地松彈性模量值與彈性模量相對值的簡單
線性回歸模型
Fig.2 Simple linear regression model between MOE and MOEP

3.5 彈性模量(計算值)和波速的回歸方程

濕地松彈性模量與波速的線性回歸模型為MOE=-5.121 8+3.239 4V，其決定系數R2為0.921 9(圖3)。模型中，回歸常數和回歸系數也都達極顯著水平(P<0.001)，該模型的方差解釋率為91.19%，這說明該線性模型能很好地擬合MOE與V之間的線性回歸關系，即僅利用AV技術也能實現彈性模量評估。

圖3 濕地松彈性模量值與波速V的簡單線性回歸模型
Fig.3 Simple linear regression model between MOE and V

4 討論

彈性模量與樹木本身抵抗倒伏能力密切相關[31]。濕地松作為當前我國南方最重要的用材、采脂及荒山綠化優良樹種，種植面積超過200萬hm2，然而，由于前期研究工作對其抗風雪等力學性質的選擇力度不夠，部分地區濕地松遇到異常天氣情況出現雪壓、風倒等災害，成為制約該樹種發展的一個重要方面[32]，因此，從樹種健康角度考慮，需要繼續加強其彈性模量等物理力學性質的評估與選育研究。隨著無損評估技術的發展，全林選擇測定濕地松彈性模量成為可能。本研究以力學阻力儀(Pilodyn)和應力波速記錄儀(AV)等活立木無損評估儀器和方法，初步建立濕地松活立木彈性模量評估技術體系，為濕地松彈性模量等材性性狀遺傳改良奠定基礎，同時對其它樹種測定具有參考意義。

自Ross等[6]研究得出關系式MOE=ρV2以來，基于應力波速法的AV技術在雪松(Cedrusdeodara(Roxb.) G. Don.)[7]、歐洲赤松(PinussylvestrisL.)[8]、火炬松(PinustaedaL.)[33]、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)[9]等樹種活立木MOE評估中的研究應用逐漸成熟，為濕地松大群體活立木彈性模量的快速評估奠定了基礎。本研究結果也顯示出濕地松彈性模量測定值與彈性模量(計算值)之間存在著極顯著的線性相關關系，其線性回歸模型為MOEB=2.013 3+0.828 6MOE，決定系數R2=0.854 1。可以看出，在濕地松彈性模量評估中，關系式MOE=ρV2不能得出其標準彈性模量值，但這并不能否定該關系式的應用價值，在濕地松無損、快速評估及其遺傳改良研究進程中，其仍具有相當大的優勢，完全可以代表彈性模量測定值進行評估與選育。

濕地松木材基本密度性狀測定指標和彈性模量性狀測定指標相關分析結果顯示：基本密度ρ與Pilodyn測定值Pr呈顯著負相關關系。直接以Pr值代替ρ計算的彈性模量相對值MOEP與彈性模量MOE之間呈極顯著的高度正相關關系，回歸模型MOE=0.400 7+0.231 1MOEP，因此，在不要求精確獲取各樣木彈性模量絕對值時，可直接利用MOEP作為各樣木的彈性模量值參與遺傳分析。以Pr值代替ρ計算的彈性模量相對值MOEP較之先前彈性模量無損評估研究而言，節省了測定相應木材基本密度的工作量[8-9]，具有一定的便利優勢，可在現實工作中應用。同時，相關性研究中還發現,基本密度性狀測定指標(ρ、Pr)與彈性模量性狀測定指標(MOE、MOEP)之間相關關系不顯著或顯著性較低，波速V與彈性模量MOE以及彈性模量相對值MOEP則均達到極顯著高度正相關，說明波速V是彈性模量間接估測中的關鍵因子，而木材密度對其影響相對較小。彈性模量MOE與波速V之間的線性回歸模型MOE= -5.121 8+3.239 4V，該模型很好地擬合了本研究中MOE與V之間的線性關系。可能受試驗材料影響，Wu等[34]以22個4年生桉樹(Eucalyptusspp.)無性系為研究對象，結果認為Pilodyn與彈性模量呈顯著負相關，而本研究中結果顯示，盡管這二者之間存在負相關關系，但相關是不顯著的，與Chen等[5]對5 618株挪威云杉材性無損測定的結果相同。因此，木材基本密度與彈性模量之間的相關性受試驗對象或環境條件影響較大，不同研究對象評估時需要建立對應的評估模型。

一般認為彈性模量由物體基本密度(ρ)和應力波速(V)共同決定，由經驗方程MOE=ρV2可以看出V的影響應該更大，本研究中僅應用V就能很好地預測彈性模量，可以將公式中ρ看作是一個常數，這和Kennedy等[9]的觀點一致，為活立木彈性模量的簡單快速預測奠定了基礎，同時研究中直接用Pilodyn測定值Pr代替ρ計算的彈性模量估計值MOEP也可以作為活立木彈性模量的參考值。

5 結論

(1)濕地松彈性模量測定值MOEB與彈性模量(計算值)MOE之間存在極顯著線性相關關系，在遺傳選擇時MOE完全可以代表彈性模量測定值進行評估與選育。

(2)彈性模量相對值MOEP與彈性模量MOE之間呈極顯著高度正相關關系，回歸模型MOE=0.400 7+0.231 1MOEP，可直接利用MOEP作為各樣木的彈性模量值參與遺傳分析。

(3)彈性模量MOE與波速V之間的線性回歸模型MOE=-5.121 8+3.239 4V，在比較同一測定群體彈性模量值相對大小時也可直接比較V值，大大減少了工作量。

以上建立的模型對其它樹種測定具有參考意義，但尚需檢驗。

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(責任編輯：金立新)

Study on the Modulus of Elasticity Non-destructive Evaluation Technique of Slash Pine Standing Tree

ZHANGShuai-nan1,JIANGJing-min1,XUYong-qin2,LUANQi-fu1

(1.Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Key Laboratory of Tree Breeding of Zhejiang Province,Hangzhou 311400, Zhejiang, China; 2.Changle Forestry Farm of Yuhang District, Hangzhou, Hangzhou 311123, Zhejiang, China)

[Objective]To develop the non-destructive evaluation technique of modulus of elasticity (MOE) for realizing the genetic selection and evaluation of forest tree with the traits of fast growing and high quality based on a large population of test materials. [Method]The evaluation systems of MOE of standing tree were established by non-destructive evaluation technique, Pilodyn and acoustic velocity (AV), and conventional testing methods based on the open pollinated family of 22-year-old slash pine (Pinuselliottii).[Result]The Pilodyn value (Pr) and the basic density (ρ) showed a significant negative correlation (P<0.01). The measurement value ofMOE(MOEB), determined by conventional methods, had a very significant linear correlation with theMOEvalue calculated by the formulaMOE=ρV2. The regression model wasMOEB=2.013 3+0.828 6MOE(Coefficient of determinationR2=0.854 1). A significant positive correlation (P<0.001) was observed betweenMOEandMOEP, the relative value ofMOE, (MOEP=PrV2) (Vmeans the value ofAV), and the linear regression model wasMOE= 0.400 7+0.231 1MOEP(coefficient of determinationR2=0.734 0). The positive correlation betweenMOEandVwas extremely significant (P<0.001) and the linear regression model betweenMOEandVwasMOE= -5.121 8+3.239 4V(coefficient of determinationR2=0.921 9).[Conclusion]The modulus of elasticity calculated byMOE=ρV2can represent the determination values ofMOE. TheMOEPcan be used directly as theMOEvalue for each sample tree to participate in genetic analysis. It is feasible to compare only theVwhen evaluating the relative value ofMOEof the sample trees in the same population. Therefore, these linear models are also useful for other tree species.

slash pine; standing tree; modulus of elasticity; non-destructive evaluation

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.01.011

2016-05-12

國家自然科學基金項目(31570668)；“十二·五”國家林業科技支撐計劃專題(2012BAD01B0203)；國家林業局“948”引進項目(2012-4-46)

張帥楠(1993—)，男，河南安陽人，碩士研究生，主要從事林木遺傳育種研究. * 通訊作者：欒啟福，副研究員，博士，從事林木遺傳育種研究. E-mail: qifu.luan@caf.ac.cn

S791.246

A

1001-1498(2017)01-0075-06