人工林尾巨桉生长应变与木材性质关系及高生长应变形成机理的研究

摘要

本文以我国南方大面积种植的人工林尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)为研究对象，对其生长应变和主要木材性质进行了详尽的研究，揭示了生长应变与木材性质的相互关系以及正常木高生长应变的形成机理。研究结果对森林定向培育和木材加工利用具有重要的理论意义和实际应用价值。 本研究采用应变片法测定了活立木的表面轴向生长应变，比较了该方法与法国轴向生长应变仪法之间的差异；研究了伐倒木表面轴向生长应变与木材物理力学性质间的关系；揭示了残余应变的径向分布规律及其与木材性质的关系，提出了根据残余应变径向分布曲线和树木直径划分幼龄材和成熟材的新思路；应用透射电子显微镜、可见光显微分光光度计、扫描电子显微镜结合X射线能谱分析(SEM-EDXA)等先进设备，特别是结合木质素溴化等细胞和组织化学分析方法，得到了木质化过程中细胞壁各微区上的木质素含量的分布规律，探讨了正常木高生长应变产生与木质化过程的相互关系，提出了高生长应变正常木存在“欠木质化”现象的新观点。 本文的主要研究结果如下：1.用应变片法测试尾巨桉活立木胸高处表面轴向生长应变，测试过程一般需要3min左右；表面轴向生长应变一般分布在651×10-6-1100×10-6之间。单因素方差分析表明，尾巨桉表面轴向生长应变在两家系间、南北向间、株内不同高度间差异不显著，胸高处表面轴向生长应变可以作为评估整株树生长应力水平的一个参考指标。2.法国轴向生长应变仪的结果要大于应变片法的结果，不共点测试时前者是后者的1.3倍，共点测试时前者是后者的2.0倍。 3.沿树高增加方向，尾巨桉木材径向、轴向、弦向和体积干缩率的变化趋势相似，基本密度变化甚小，抗弯强度没有明显的变化规律，抗弯弹性模量呈现出明显的增大趋势。单因素方差分析表明，轴向、弦向、体积干缩率、基本密度和抗弯强度在不同高度间没有显著差异，而径向干缩率和抗弯弹性模量差异显著。表面轴向生长应变只与轴向干缩率具有显著相关性。 4.尾巨桉原木内部轴向残余应变径向分布沿髓心的对称性较好，靠近树皮的位置为最大的拉应变，向髓心方向，拉应变在绝对值上呈下降趋势至某个半径处达到零值，随后转变为压应变，向髓心处呈现明显的增加趋势。尾巨桉内部轴向残余应变径向分布的回归方程为：y=-21.075x2+4.5297x+890.75(相关系数0.87)，在0.01水平下极显著相关；拉应变向压应变转变的树干半径为0.681R。尾巨桉内部轴向残余应变在不同高度上的径向分布模式相似，相关性随着树干高度的增加而降低。 5.尾巨桉木材的解剖性质(纤维长度、宽度、壁厚、纤维的长宽比、微纤丝角、各类型细胞的组织比量和胞壁率等)、物理性质(基本密度)和化学性质(α-纤维素含量、纤维素结晶度、综纤维素含量和Klason木质素含量)在径向上的变化趋势各不相同。单因素方差分析表明，纤维长度、纤维宽度、纤维壁厚、导管分布频率、导管弦向直径、α-纤维素含量、综纤维素含量和基本密度在径向五个部位间差异极显著；微纤丝角、纤维长宽比、纤维壁腔比、纤维腔径比、各类型细胞的组织比量、胞壁率和纤维素结晶度在径向各部位间差异不显著。残余拉应变与纤维长度、纤维宽度、导管弦向直径和综纤维素含量间存在着显著的正相关关系，与α-纤维素含量有极显著的正相关关系；而残余压应变与纤维壁厚和导管分布频率间为显著的正相关关系。 6.内部轴向残余应变的径向分布变化梯度受树干直径影响显著，直径越小曲线越陡峭。对于本研究中的尾巨桉来说，原木直径大于19.9cm，残余应变径向分布变化梯度随直径的增大而变小，表明直径达到19.9cm以后，树木生长开始进入成熟期，因此提出依据内部轴向残余应变径向分布曲线和树干直径，对幼龄材和成熟材进行划分的新思路。 7.在木质化过程中，高生长应变材料与低生长应变材料木纤维细胞壁木质素沉积方式没有明显的差异。在次生壁S1层开始形成之后，木质素最早出现在细胞壁角隅处的胞间层位置，以团块状沉积。随着S2层的沉积，木质化过程沿角隅处向胞间层其它区域和次生壁各层同时扩展，并且在角隅处沉积的木质素含量明显增加。当S3层开始沉积后，木质素在整个次生壁上以不均匀团块状方式沉积。 8.组织化学染色法研究表明，木质化过程中，高生长应变材料与低生长应变材料木纤维细胞壁各微区木质素组成单元为紫丁香基木质素(Syringyl，S基木质素)和愈创木基木质素(Guaiacyl，G基木质素)，二者含量随着木质化的进程是先增加而后趋于稳定的趋势，S基木质素为主要组成单元。随着生长应变的增加，细胞壁微区上S基和G基木质素含量降低的同时，S基木质素含量在细胞壁微区间的差异呈现减小趋势，最后趋向于均匀沉积，而G基木质素含量在细胞壁微区间的差异呈现增大趋势。 9.X射线能谱分析研究表明，木质化过程中，木纤维细胞壁各微区上木质素含量都是随着木质化的进程而逐渐增加最后趋于恒定的，各微区间的木质素含量大小关系为：角隅处＞复合胞间层＞S1＞S2＞S3。随着生长应变的增加，木纤维细胞壁上木质素含量整体上呈下降趋势，木质化速度减慢，木质化过程延长。由此，本研究提出了高生长应变正常木木纤维细胞壁上存在“欠木质化”现象的新观点，这种现象是树木适应和抵抗外界环境变化的内在反应。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:正文图表目录

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第1章引言

1.1树木生长应力形成机理

1.1.1木质素膨胀假说

1.1.2纤维素张力假说

1.1.3统一假说

1.2树木生长应力的测试方法

1.3树木生长应力的分布特性

1.4树木生长应力的变异性

1.5树木生长应力与木材性质的关系

1.6本论文研究的目的和意义

1.7本论文的构成

第2章表面轴向生长应变特性研究

2.1试验林基本情况及样木的选择

2.2实验仪器和工作原理

2.2.1应变片法

2.2.2法国轴向生长应变仪法

2.3实验方法

2.3.1活立木表面轴向生长应变测试

2.3.2伐倒木表面轴向生长应变测试

2.4实验结果

2.4.1活立木胸高处表面轴向生长应变测试结果

2.4.2伐倒木表面轴向生长应变测试结果

2.4.3不同树干高度处表面轴向生长应变测试结果

2.5讨论

2.5.1表面轴向生长应变的变异

2.5.2两种测试方法在共点与不共点测试时比较分析

2.6本章小结

第3章表面轴向生长应变与木材物理力学性质的关系

3.1材料和方法

3.1.1实验材料

3.1.2实验方法

3.2实验结果

3.2.1不同高度原木表面轴向生长应变测试结果

3.2.2不同高度木材全干干缩率测试结果

3.2.3不同高度木材基本密度测试结果

3.2.4不同高度木材MOR测试结果

3.2.5不同高度木材MOE测试结果

3.3讨论

3.3.1表面轴向生长应变与木材物理力学性质间关系的株间变异

3.3.2表面轴向生长应变与木材物理力学性质间关系不同高度间变异

3.3.3表面轴向生长应变与木材物理力学性质间关系

3.4本章小结

第4章内部轴向残余应变径向分布研究

4.1材料与方法

4.1.1实验材料

4.1.2实验方法

4.2实验结果

4.3讨论

4.3.1内部轴向残余应变径向分布特性

4.3.2不同高度内部轴向残余应变径向分布特性

4.3.3树干直径对内部轴向残余应变径向分布的影响

4.4本章小结

第5章内部轴向残余应变与木材性质径向变异间的关系

5.1材料和方法

5.1.1实验材料

5.1.2实验方法

5.2实验结果

5.2.1内部轴向残余应变径向分布

5.2.2木材解剖特征径向变异

5.2.3尾巨桉木材物理和化学性质径向变异

5.3讨论

5.3.1内部轴向残余应变与木材性质的径向变异

5.3.2内部轴向残余应变与木材性质的关系

5.4本章小结

第6章高生长应变正常木木质素沉积及其组成的研究

6.1材料和方法

6.1.1实验材料

6.1.2实验方法

6.2实验结果

6.2.1应拉木鉴别

6.2.2木质化过程中木质素的沉积方式

6.2.3木质化过程中木质素组成单元含量的变化

6.2.4木质化过程中木质素含量的变化

6.3讨论

6.3.1高生长应变正常木的木质素的沉积方式

6.3.2高生长应变正常木木质素的组成单元的特点

6.3.3高生长应变正常木木质素含量的特点

6.3.4木质素组成单元含量与总木质素含量的关系

6.4本章小结

图版

第7章正常木高生长应变与木质素沉积的关系

7.1正常木高生长应变与木质素组成的关系

7.2正常木高生长应变与木质素含量的关系

7.3本章小结

第8章总结论

8.1尾巨桉表面轴向生长应变及其与木材物理力学性质的关系

8.2尾巨桉内部轴向残余应变及其与木材性质径向变异间关系

8.3尾巨桉正常木高生长应变与木质素沉积的关系

参考文献

致谢

附录1

附录2

附录3