基于应力波技术对海南岛海防林抗风树种的筛选

郝清玉，曹小林

(热带岛屿生态学教育部重点实验室，海南省热带动植物生态学重点实验室，海南师范大学 生命科学学院，海南 海口 571158)

木材基本密度、弹性模量(MOE)等性状是木材强度的重要性能指标[1]。木材密度决定木材的强度和刚度，弹性模量则是物体产生单位应变所需要的应力，弹性模量值越大，材料的强度也越大。20世纪50年代，国外一些发达国家相继开展了应力波的研究，通过应力波技术达到评估木材质量的目的[2]。应力波是通过冲击或用给定的应力使被检测物体产生振动，可根据应力波传播时间进行木材动弹性模量的检测[3]。R.J.Ross等[4]采用应力波检测方法得出木材的弹性模量(MOE)、木材密度(ρ)和应力波速度的关系式:MOE=ρV2，这为应力波技术在木材弹性模量无损检测提供了科学基础。之后，国内外许多学者进行了各种活立木的应力波试验，表明通过应力波方法可以实现活立木质量的预测，从而确定木材性能[5-10]。为了进一步证实应力波技术的可靠性，赵秀等[11]通过使用万能力学实验机和Fakaopp应力波检测仪分别对落叶松和樟子松指接规格材测试了静态弹性模量和动态弹性模量，结果表明2种弹性模量之间存在线性相关(R2=0.714和0.75)。然而，应力波在木材内部的传播是一个较为复杂的过程，应力波传播速度/时间受到多种因素的影响，其中，应力波传播速度与树种[12]和木材节子大小及数量有关[13]，并与温度和木材含水率呈负相关[14-17]，与胸径呈正相关[12]。这些研究均未涉及木材力学性质对树种抗台风效果的影响规律，为了探明影响林木风倒、风折的主要材性因子，许秀玉等[18]对风害与木材性状进行了多元线性逐步回归分析，表明1级风害率(倾倒或树干折断)与木材纤维长宽比、顺纹剪切强度和抗弯弹性模量有关；总风害率与纤维宽度和抗弯弹性模量有关，相关性达到显著水平，所以树木的抗弯弹性模量不仅是木材强度的重要指标，也是判定树木抗风性能的重要力学指标。此外，郑兴峰等[19]分析了巴西橡胶树(Heveabrasiliensis)抗风品系的木材纤维解剖特征；朱成庆[20]从生长指标、木材密度等多方面探讨了按树无性系的抗风性；吴志华等[21]从应力波速、基本密度等方面探讨了木麻黄(Casuarinaewuisetifolia)和相思(Acacia)的抗风性。

目前，海南岛人工海防林建设取得了巨大成绩，但仍存在林分结构简单、树种单一的现象，其中，人工海防林主要树种仍然以木麻黄为主，占基干林带人工林面积的76.36 %；其次为椰子纯林，占13.9%，相思、桉树等仅有少量分布[22-23]。这与海南丰富的植物物种多样性形成了巨大的反差。这主要是因为很多树种难以在海南岛海防林恶劣的生境条件下成功定居。海防林树种除应具有良好生长特性和更新性能外，还应具有较强的抗风性能。国内外关于抗风性树种的筛选主要采用风害调查方法，多集中在城市园林植物[24-26]，基于应力波技术大范围筛选海防林抗风树种的报道还很少见。本研究基于应力波技术对活立木应力波传播时间的测定，计算出弹性模量，并分析不同树种弹性模量的影响因素，从而探究含水率和径级对不同树种弹性模量的影响并通过弹性模量和木材密度的大小判定不同树种的抗风潜力，为海南岛海防林树种的筛选提供科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区分别位于海南岛东、南、西、北不同区域的海防林及海榆东线、中线和西线的路边绿化林带。海防林土壤以滨海沙土为主，土壤贫瘠；路边绿化林带土壤以砖红壤为主，土壤较肥沃。海南岛气候属于海洋性热带季风气候，是我国最具热带海洋气候特色的地方，全年暖热，年平均气温22.5～25.6℃，雨量充沛，年降雨量1 500～2 500 mm(西部沿海约1 000 mm),干湿季节明显，降雨季节分配不均匀，其中5-10月是雨季，降雨量占全年的70%～90%。热带气旋是影响海南岛的主要自然灾害，年平均影响7.4个，主要集中在5-11月。

1.2 仪器与测量方法

1.2.1 测量仪器 试验测量仪器主要有匈牙利Fakopp Bt 公司生产的应力波传播计时器(TreeSonic Timer),意大利Klortner S.P.A 公司生产的木材水分测试仪(KT-50)和哈尔滨宇达电子技术有限公司生产的密度仪(HYD-12)。这些仪器小巧、方便携带且能量损失小。应力波传播计时器测量精度高，时间分辨率为±1.2 μs，用来测量活立木在1 m距离内的应力波的纵向传播时间。木材水分测试仪用来测试活立木木材水分，木材密度仪则用来测试活立木木材密度。

表1 应力波测试样本的基本情况Table 1 Basic information of the tested sample tree species for the stress wave

1.2.2 仪器测量方法 应力波传播计时器：分别在距离地面150 cm和50 cm处将应力波传播计时器的锥形传感器以斜向上和斜向下各45°角敲入树干中(锥形传感器应透过树皮)。用应力波专用锤敲击传感器触发端，发送应力波，记录纵向应力波的传播时间，同时记录树种名称及胸高直径。为获得精确的应力波传播时间，每棵试验树木应在同一个方向多次敲击，取传播时间稳定且相近的3次时间的平均值作为传播时间。

木材水分和密度测量之前，应先砍掉一小块树皮，露出木质部以便进行测量。若只测量活立木密度，需要露出的木质部很小，2 cm×2 cm即可，但水分测试仪需要露出的木质部面积稍大，约7 cm×13 cm (仪器的尺寸：6 cm×12 cm)。若2项同时测量，按水分测量仪所需要清理的木质部面积即可，树皮清理部位选择在胸高直径处。木材密度测试仪：用力将木材密度仪的探针插入木质部，然后读取表盘的读数即可。木材水分测试仪：打开仪器，根据所测量的木材密度值，选择1～5相应的档位，然后将木材水分测试仪的背面紧贴在木质部，待数据稳定后，读取并记录含水率数据。最后用2%～5%硫酸铜溶液对锥形传感器与树木接触的部位及露出木质部的部位进行消毒处理，以保护树木。

1.2.3 计算公式[3]应力波传播速度为：V=1 000 000×L/T，其中，V为应力波传播速度(m·s-1)，L为2个传感器间的距离，本研究中L=1 m，T为应力波传播时间(μs)。

纵向弹性模量为：MOE=ρV2/1 000，其中，ρ为木材密度(g·cm-3),MOE为纵向弹性模量(MPa)。

为了解径级对弹性模量的影响，将径级划分为小(5 cm≤DBH<10 cm)、中(10 cm≤DBH<16 cm)和大(DBH≥16 cm)3个径级组。

活立木密度、应力波传播速度和弹性模量均划分为高、中和低3个等级。采用系统聚类方法将测试数据聚类成3类，并依据各类中数值的大小，与高、中和低3个等级相对应。

1.3 样地及测试树种的选择

测试样地分别位于海南岛东部海岸带的琼海和万宁，西部海岸带的昌江，南部海岸带的三亚和北部海岸带的海口，及海榆东线、中线和西线的路边绿化林带。本研究共选择了25个树种，其中红厚壳(Calophylluminophyllum)和海南红豆(Ormosiapinnata)2个树种因样本数量不足未参与整体分析，只进行了弹性模量的比较。为了筛选出木材力学性质较好的海防林树种，测试树种选择的范围较广，即包括海南岛人工海防林主要造林树种，也包括天然海防林重要树种及海岸带次生林天然更新性能良好的树种，还包括生长性能或天然更新性能良好的路边绿化或园林树种，其中人工海防林树种3个：木麻黄(Casuarinaequisetifolia)、马占相思(Acaciamangium)和大叶相思(Acaciaauriculiformis)；天然海防林或海岸带次生林树种13个：青皮(Vaticamangachapoi)、海杧果(Cerberamanghas)、榄仁树(Terminaliacatappa)、对叶榕(Ficushispida)、莲叶桐(Hernandiasonora)、乌桕(Sapiumsebiferum)、白楸(Mallotuspaniculatus)、鹊肾树(Streblusasper)、潺槁木姜子(Litseaglutinosa)、红厚壳、海南红豆、水黄皮(Pongamiapinnata)和黄槿(Hibiscustiliaceus)；路边绿化及园林树种9个：火焰树(Spathodeacampanulata)、凤凰木(Delonixregia)、橡胶树(Heveabrasiliensis)、小叶榄仁(Terminalianeotaliala)、台湾相思(Acaciaconfusa)、苦楝(Meliaazedarach)、柠檬桉(Eucalyptuscitriodora)、湿地松(Pinuselliottii)和银合欢(Leucaenaleucocephala)。

在样地内对生长健康、树干通直的树木进行应力波、木材密度和木材含水率测量。每个树种测量的样本数量至少为30株，胸径6 cm 以上，天然林或海岸次生林由于个体数量有限，样本数量则根据各树种自然分布的个体数量多少而定，具体情况详见表1。另外，由于青皮是国家二级重点保护植物，为了减少对树木的破坏，木材含水率和密度仅测量了4个样本，且测量的部位选择在较粗的树枝上进行。

1.4 数据处理

差异性检验均使用t检验和方差分析(Duncan多重比较)，相关性使用Pearson相关分析，多元线性回归使用逐步回归方法。上述统计过程均在Microsoft Excel 2019和IBM SPSS19.0中完成。

2 结果与分析

2.1 活立木木材密度

23个树种活立木密度的变化范围为0.070～0.594 g·cm-3(图1)。其中，高密度树种有13个，从小到大依次为湿地松、青皮、鹊肾树、黄槿、银合欢、马占相思、水黄皮、苦楝、柠檬桉、潺槁木姜、大叶相思、木麻黄、榄仁树，密度变化范围为0.418～0.594 g·cm-3。中密度树种有9个，分别为海杧果、台湾相思、莲叶桐、乌桕、白楸、橡胶树、小叶榄仁、凤凰木和对叶榕，密度变化范围为0.229～0.391 g·cm-3。低密度树种有1个，为火焰木(0.070 g·cm-3)，其密度显著低于其他树种。

注：不同小写字母表示差异显著性(P<0.05)。下同。

2.2 不同树种活立木应力波速度及弹性模量

23个树种活立木应力波传播速度的变化范围为2 424.081～4 161.619 m·s-1(图2)。其中，高应力波传播速度树种2个，分别为银合欢和木麻黄，应力波传播速度分别为3 920.753 m·s-1和4 161.619 m·s-1，应力波传播速度显著高于其他树种。中应力波传播速度树种10个，应力波传播速度从小到大依次为台湾相思、橡胶树、榄仁树、黄槿、潺槁木姜子、青皮、柠檬桉、马占相思、大叶相思、苦楝，应力波传播速度变化范围为3 225.264～3 675.965 m·s-1。低应力波传播速度树种11个，分别为乌桕、对叶榕、火焰木、鹊肾树、小叶榄仁、水黄皮、白楸、湿地松、凤凰木、海杧果、莲叶桐，应力波传播速度变化范围为2 424.081～3 101.871 m·s-1。

图2 不同树种应力波传播速度与弹性模量Fig.2 Stress wave propagation velocity and elastic modulus of different tree species

从图2可知，23个树种弹性模量的变化范围为539.702～9 503.209 MPa。其中，高弹性模量树种1个，为木麻黄，弹性模量为9 503.209 MPa，显著高于其他树种的弹性模量。中弹性模量树种9个，从小到大依次为青皮、黄槿、马占相思、潺槁木姜子、柠檬桉、苦楝、榄仁树、大叶相思、银合欢，弹性模量变化范围为5 229.005～7 495.477 MPa。低弹性模量树种13个，分别为火焰木、乌桕、海杧果、对叶榕、白楸、小叶榄仁、台湾相思、莲叶桐、鹊肾树、凤凰木、橡胶树、湿地松和水黄皮，弹性模量变化范围为539.702～4 288.321 MPa。

考虑到高弹性模量等级仅有1个木麻黄树种，故将其与中弹性模量的树种合并为较高弹性模量的树种，共计10个。水黄皮虽然被聚类到低弹性模量等级，但其弹性模量与中弹性模量的青皮无显著差异。另外，还有5个树种，依次为莲叶桐、鹊肾树、凤凰木、橡胶树和湿地松与水黄皮弹性模量无显著差异，因此，这6个树种归类为中等弹性模量树种。其余树种为较低弹性模量树种，分别为火焰木、乌桕、海杧果、对叶榕、白楸、小叶榄仁和台湾相思。红厚壳和海南红豆的弹性模量也较小，分别为2 897.026 MPa和2 945.889 MPa，位列白楸和小叶榄仁之间，因此也属于低弹性模量树种。

2.3 不同径级组应力波速度及弹性模量比较

在23个树种中，不同径级组应力波传播速度呈显著差异的树种有4个(图3)，占17.39%，分别为：海杧果，其中、小径级组的应力波传播速度显著大于大径级组(P<0.05)；木麻黄，其中、小径级组的应力波传播速度显著小于大径级组(P<0.05)；柠檬桉，其小径级组的应力波传播速度显著小于大径级组(P<0.05)，中径级组与其他2个径级组的应力波传播速度则无显著差异(P>0.05)和湿地松，其中、小径级组的应力波传播速度显著小于大径级组(P<0.05)。

在23个树种中，不同径级组弹性模量呈显著差异的树种有3个(图4)，仅占13.04%，分别为：白楸，其中、小径级组的弹性模量显著大于大径级组(P<0.05)；柠檬桉，其中、小径级组的弹性模量显著小于大径级组(P<0.05)和湿地松，其中、小径级组的弹性模量显著小于大径级组(P<0.05)。不同径级组之间的应力波传播速度和弹性模量差异性比较分析，可以看出柠檬桉和湿地松在不同径级组之间，应力波速度和弹性模量均存在显著差异，海杧果和木麻黄仅应力波速度存在显著差异，而白楸仅弹性模量存在显著差异。

图3 不同树种不同径级组应力波传播速度Fig.3 Stress wave propagation velocity of different species in different diameter classes

2.4 活立木弹性模量的影响因素

从表2可知，全部23个树种的合计弹性模量与分析的5个因素均存现显著相关关系，其中弹性模量与活立木胸径(DBH)和树皮含水率呈极显著负相关，与活立木密度和应力波传播速度呈极显著正相关，与活立木木材含水率呈显著负相关。全部23个树种的弹性模量中,除海杧果与应力波传播速度呈显著正相关外，其他22个树种均与应力波传播速度呈极显著正相关。大部分树种的弹性模量与活立木木材含水率无关，但莲叶桐和湿地松与活立木材含水率呈极显著负相关，小叶榄仁的弹性模量则与木材含水率呈极显著正相关。另外，柠檬桉弹性模量还与树皮含水率呈显著正相关；湿地松与树皮含水率呈极显著负相关，小叶榄仁与树皮含水率则呈极显著正相关。对叶榕、榄仁树、大叶相思和水黄皮的弹性模量与活立木密度无关，但其他树种均匀木材密度呈正相关，占82.61%。有7个树种的弹性模量与活立木胸径的大小呈显著相关，占30.43%，其中，马占相思、橡胶树、火焰树和白楸与胸径呈显著负相关；柠檬桉、湿地松和小叶榄仁则与胸径呈显著正相关。

图4 不同径级组不同树种的弹性模量Fig.4 Elastic modulus of different species in different diameter classes

表2 不同树种弹性模量的影响因素及相关系数(r)Table 2 Impact factors and correlation coefficient of elastic modulus for different tree species (r)

多元线性回归分析表明，仅莲叶桐的活立木弹性模量与木材含水率相关，其他树种与含水率均不相关。仅有5个树种的弹性模量与胸径大小相关，分别为：对叶榕、台湾相思、橡胶树、苦楝和银合欢。除鹊肾树的弹性模量仅与应力波速度相关外，所有树种的弹性模量均同时与应力波速度和密度相关。鹊肾树之特例是样本容量太小的缘故，还是木材本身结构的原因，有待深入研究。另外，各树种弹性模量模型的复相关系数(R)很高，均≥0.9，22个树种合计弹性模量回归模型的复相关系数也达到了0.959。直接通径系数分析表明，个别树种的弹性模量即使与DBH和木材含水率相关，但其直接通径系数也很小，远远小于应力波速度和木材密度的直接通径系数，各影响因素的回归参数及部分直接通径系数详见表3。

表3 不同树种弹性模量多元线性回归模型参数Table 3 Parameters of multiple linear regression model of elastic modulus for different tree species

3 讨论

相关及多元线性回归分析表明，不同树种活立木弹性模量的影响因素有所差异，影响因素从大到小依次为，应力波传播速度、木材密度、DBH和木材含水率，其中应力波传播速度是最主要的影响因素，其直接通径系数最大，木材密度次之，DBH影响较小，含水率几乎没有影响，因此在进行树木活立木弹性模量分析过程中，含水率可以忽略不计。含水率对弹性模量没有显著影响的原因是本研究各测试树种活立木的含水率均在木材含水率纤维饱和点(32%)以上(海杧果除外)。当木材含水率高于纤维饱和点时，含水率对应力波传播速度无显著影响[14,27]，从而导致对弹性模量没有影响。

聚类分析结果表明，高木材密度树种有13个，从小到大依次为湿地松、青皮、鹊肾树、黄槿、银合欢、马占相思、水黄皮、苦楝、柠檬桉、潺槁木姜、大叶相思、木麻黄、榄仁树；高应力波传播速度树种有2个，分别为银合欢和木麻黄；高弹性模量树种仅有1个，为木麻黄。通过将聚类分析和方差分析相结合的方法，将弹性模量的分级调整为较高、中等和较低3个等级。其中较高弹性模量级有10个树种，从小到大依次为青皮、黄槿、马占相思、潺槁木姜子、柠檬桉、苦楝、榄仁树、大叶相思、银合欢和木麻黄；中等弹性模量级有6个树种，依次为莲叶桐、鹊肾树、凤凰木、橡胶树、湿地松和水黄皮；较低弹性模量级有7个树种，依次为火焰木、乌桕、海杧果、对叶榕、白楸、小叶榄仁、台湾相思。弹性模量较高的10个树种均属于高木材密度和较高应力波传播速度的树种。有些树种则属于高木材密度，低应力波传播速度，如水黄皮、湿地松和鹊肾树。莲叶桐和凤凰木为中密度，低应力波传播速度；橡胶树则属于木材密度和应力波传播速度均为中等。

不同径级组之间，86.96%树种的弹性模量无显著差异，仅白楸、柠檬桉和湿地松的弹性模量在不同径级组之间存在显著差异，其中白楸的小径级组弹性模量显著大于大径级组(P<0.05)；柠檬桉和湿地松小径级组的弹性模量显著小于大径级组(P<0.05)。但是，这3个树种弹性模量的多元线性回归模型均与胸径无关，即使与胸径有关的对叶榕、台湾相思、橡胶树、苦楝和银合欢5个树种，其直接通径系数也很小，绝对值变化范围为0.02～0.198。这一结果进一步证实径级对弹性模量的影响是有限的。因此，不同树种弹性模量的比较也不会因胸径大小的差异而受到显著影响。

在弹性模量较高的10个树种排序中，青皮和木麻黄位列两端。青皮是海南岛万宁石梅湾天然海防林的建群树种，经受过无数次台风的考验，具有较强的抗风性能。木麻黄则是人工海防林的建群树种，较马占相思和大叶相思树种的基本密度、应力波速和抗弯弹性模量大，因此木质坚硬，不易风折[21]。实践证明，青皮和木麻黄均是良好的海防林树种，这与其较大的弹性模量有关。介于青皮和木麻黄之间的这些树种，理论上也应该具有较强的抗风性能。马占相思和大叶相思已是海防林树种，其抗台风能力虽然较木麻黄弱，但台风对相思树种的主要危害是断梢，灾后恢复较快，对相思林分生长并不会产生大的影响[28]。黄槿、潺槁木姜子、柠檬桉、苦楝、榄仁树和银合欢虽然弹性模量较高，但多数还不是人工海防林造林树种，个别树种仅在局部海岸带才能见到，如榄仁树和苦楝。此外，水黄皮、莲叶桐、鹊肾树、凤凰木、橡胶树和湿地松这6个树种，其弹性模量为中等，也具有一定的抗风性能，但目前均不是海防林造林树种。当然，筛选适宜的海防林树种是项复杂的系统工程，除了具有较强的木材力学性质外，还应该考虑[29]树种生长特性、树冠形态特征、叶面积指数、根系分布等。潺槁木姜子、鹊肾树、苦楝和榄仁树是在木麻黄海防林天然更新良好的树种[30]，莲叶桐和水黄皮则是半红树植物，是海岸带的本土树种，同样具有良好的天然更新及生长性能，因此，这些树种应该优先考虑入选海防林造林树种。银合欢目前主要用于路旁绿化，但调查发现该树种也具有良好的天然更新和生长性能，作为海防林造林树种是否适合，尚需进行深入的试验研究。榄仁树和莲叶桐虽然树冠较大，叶面积指数也较大，理论上抗风性能会受到影响，但位于万宁石梅湾海岸的大径榄仁树和琼海排园海岸的大径莲叶桐可佐证其较强的抗风性能。柠檬桉的树高可能是影响其抗风性能的一个因素，因为风害率与树高呈正相关[20]，但贫瘠滨海沙土可能会制约其高生长，从而降低其风害率。另外，海南岛东西西北不同方位的发生台风的强度和频度差异性很大，其中海南岛东部和南部是台风多发区，西部和北部则台风较少，强度也相对较低，因此可根据这些树种的实际抗风性能，将其种植在不同的区域。最后，需要阐明，树种具有较高弹性模量，只是具备海防林造林树种的条件之一，是否能入选海防林树种，还要根据其在贫瘠的滨海沙土上的造林难易程度和生长性能等进行综合判定。

4 结论

应力波传播速度和木材密度是影响弹性模量的主要因素。胸径大小和木材含水率仅对个别树种有影响。

弹性模量与应力波传播速度和木材密度均呈正相关。通常，木材密度大的树种，其应力波传播速度也大，弹性模量也高，但个别树种也有例外，木材密度高，应力波传播速度反而低。

活立木弹性模量较高的树种，其抗风性能较强，是入选海防林造林树种的必要条件之一，但也要兼顾其他方面的性能，如海岸带恶劣生境条件的适应能力、生长及天然更新性能等。