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Studies on growth and wind-resistance traits of Casuarina and Acacia stands from coastal protection forest

沿海防护林树种木麻黄和相思生长和抗风性状比较研究



全 文 :书沿海防护林树种木麻黄和相思生长
和抗风性状比较研究
吴志华,李天会,张华林,谢耀坚
(国家林业局桉树研究开发中心,广东 湛江524022)
摘要:对沿海防护林4,6-8年生中的2个木麻黄无性系和2个8年生相思树种进行林分生长量及其与抗风相关的
形态性状和立木材性等方面进行了研究。结果表明,不同林龄的林分生长量差异显著,生长情况表现为随着林龄
的增长呈增大的趋势;不同树种/品系立木在胸径、树高、干形、树皮厚度等方面也存在着差异。各性状之间表型相
关分析结果表明,除了分枝角度与胸径无相关性外,其他性状与林分立木大小密切相关,均达到显著水平以上。以
主成分方法对性状指标进行因子分析结果也表明各性状可分为3类;采取类间平均链锁法对不同林分进行系统聚
类结果也表明各林分之间在各性状之间存在着显著的差异,两相思林分区别于木麻黄林分,但木麻黄5和6号样
地林分受立地条件影响,明显区别于其他林分而归为一类。“北冕”和“黑格比”强台风对样地风害的综合结果发
现:4,6-8年生大部分木麻黄林分只存在断枝/梢等等级较低风害,而相思林分风折严重,马占相思风害等级为6
级;台湾相思风害等级为5级;而木麻黄5和6号样地林分受林带前沿的立地条件影响,出现等级较高的风害情
况。风害等级与其林分生长、抗风性状之间的回归方程表明,对抗风性影响最大的是应力波速、基本密度和Pilo
dyn值,其中影响最小的是分枝角度、树高和干形通直度,其中树高、应力波速、冠幅和生长应变值对风害等级呈正
向效应,从调查数据和回归模型分析结果看,最不抗风的树种是马占相思,其次是台湾相思,而木麻黄两无性系
抗风性强,其中木麻黄粤701略强于麻黄粤601。
关键词:沿海防护林;材性;抗风性;树种选择
中图分类号:S727.23;Q949.67+2  文献标识码:A  文章编号:10045759(2010)04016610
  台风是全球发生频率高,影响范围广,造成损失严重的一种自然灾害[1]。我国是世界上受台风影响最严重的
国家之一,平均每年有7个台风或热带气旋在东南沿海各省登陆,使这些地区受到台风袭击的频率和影响程度居
于各种自然灾害之首,每年因台风损失超过百亿元。2008年9月24日强台风“黑格比”袭击广东、广西,对当地
人们的生产生活产生灾难性影响,“黑格比”导致两广财产损失超过50亿元,特别重创农林种植业,仅广西桂南沿
海地区二十多个县市,风害直接造成林业遭受损失就超过9亿多元[2]。沿海防护林对台风可以起到明显降低或
防止其危害作用,为了有效地预防风灾,降低风害损失,保障人们的生命安全和沿海城市生态安全,建立和健全沿
海防护林带是极其必要的。
目前,国内外涉及林木抗风的相关研究中,陈少雄等[3,4]、陈士银[5]研究了桉树(犈狌犮犪犾狔狆狋狌狊)、木麻黄(犆犪狊狌
犪狉犻狀犪犲狇狌犻狊犲狋犻犳狅犾犻犪)不同的株行距配置对林分抗风防风效果,多以野外调查和统计的方法研究风害与个体林木形
态特征之间的关系,而对风载(windload)下树木干体应力分布状态的分析等领域的研究也不多。而涉及抗风的
力学理论模型较少,如周广胜和朱延耀[6],关德新等[7]对森林的阻力系数和透风系数关系进行了研究和单株树木
的阻力系数方面进行了讨论,李国旗等[8]根据藤本登留公式对不同风压和高度处树木应力的分布进行了研究,而
宋晓鹤[9]和王琳[10]对云杉分别建立风倒(windthrow)单株立木静力学和动力学模型,而关德新和朱延耀[11]就林
带结构与抗风能力关系进行了分析。在英美等国家,对樟子松(犘犻狀狌狊狊狔犾狏犲狊狋狉犻狊)、西家云杉(犘犻犮犲犪狊犻狋犮犺犲狀狊犻狊)、挪
威云杉(犘.犪犫犻犲狊)、西铁杉(犜狊狌犵犪犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪)等树种的抗风机理进行了较深入、广泛的研究。通过动力学理
论推导,结合野外试验中林木和土壤力学参数的测定,地形数字高层模型和实物模型风洞试验,获得了复杂地形
166-175
2010年8月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第19卷 第4期
Vol.19,No.4
 收稿日期:20090531;改回日期:20090629
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划专题(2006BAD03A0107)资助。
作者简介:吴志华(1974),男,湖南涟源人,工程师,硕士。Email:wzhua2889@163.com
通讯作者。Email:xieyj@21cn.com
下和不同林分密度时的风场分布,建立了一系列力学方程来描述林木的抗风性,对风倒的力学机理也进行了相应
的阐述,形成若干关于林木风倒机理的模型[1216]。
木麻黄和相思(犃犮犪犮犻犪)均为热带、亚热带常绿乔木,为多用途速生树种,因适应性强,广泛用于我国东南沿海
营造防护林建设,在防风固沙、盐碱地改良和干旱地区绿化、防御沿海自然灾害、改善生态环境等方面发挥了巨大
作用[17]。目前关于木麻黄、相思的培育技术已较为成熟,但关于木麻黄的木材材性研究相对较少[18],而木麻黄和
相思人工林木材材性等性状与抗风效果之间关系的研究尚未见报道。本试验以目前组成防护林主要树种中的木
麻黄和相思为研究材料,开展对其树种生长、抗风性状调查分析,探明其中抗风性状对抗风效果的影响规律,明晰
其抗风倒/风折的原因,为沿海抗风防护林建设和经营提供指导。
1 材料与方法
1.1 试验地点与材料
试验调查样地位于广东湛江市坡头区南三岛南三镇林场东面沿海防护林带。北纬21°08′,东经110°35′,年
均气温23.6℃,绝对最低温2.8℃,绝对最高温37.0℃,月平均温度18.0℃以上,年降水量1400~1800mm,属
于热带北缘季风气候。大风次数较多,6级以上大风全年达34~50d,多发生在6-9月,夏季常受热带风暴袭
击,年均4次以上,最大风力大于35m/s,南三岛海岸地势平坦,相对高差不到30m,土壤为潮积和风积沙壤,厚
10~20m,表层(0~20cm)、细沙(直径0.12~0.25mm)占了绝大部分,透气透水性强,肥力贫乏,地下水深0.5
~4.0m,呈微碱性[19]。
2009年1月5-8日,在初植密度为2m×2m的沿海防护林带中分别选取10株具代表性的不同林龄的粤
601和粤701木麻黄2个无性系、台湾相思(犃.犮狅狀犳狌狊犪)、马占相思(犃.犿犪狀犵犻狌犿)林分进行单株树高(H,tree
height)、胸径(DBH,diameteratbreastheight)、Pilodyn值(PPV,Pilodynpenetrationvalue)、树皮厚度(BT,
barkthickness)、平均冠幅(CWM,crownwidthmeans)、干形通直度(SS,stemstrength)、分枝角度(BA,branch
ingangle)、木材基本密度(WBD,woodbasicdensity)、林分郁闭度(canopydensity)等调查分析,并对其中的5株
立木进行应力波速(AV,acousticvelocity)、生长应变值(GSV,growthstrainvalue)测定,同时以生长锥取木芯进
行木材基本密度分析。
1.2 分析方法
以Pilodyn(6JForest)仪器,用2.5mm探针于1.3m树高处对去皮立木进行木材密度与强度的无损检测。
在1.3m树高附近处,以5mm直径的生长锥沿南北方向过髓心取得去皮木芯(而大树取生长锥最大限度长,木
芯长约25cm),用排水法测定整个木芯基本密度。同时以生长应力波FAKKOP检测仪器分析木材的应力波波
速;以轴向生长应变仪测定生长应变值表示生长应力大小。每个性状指标重复测定3次,取平均值,以Excel和
SPSS10.0统计包对每个样地、品系进行数据统计分析。
干形通直度分为4级,1级:主干圆满通直;2级:主干一般性通直;3级:主干少许弯曲;4级:主干多弯曲而不
成锯材。
林分风害评估以6级风害等级表示,分别为,1级:正常而无损害;2级:部分叶片脱落、树枝折断;3级:一部
分树木主干倾斜(倾斜度小于30°);4级:一部分树木被刮倒或主干大于30°的倾斜;5级:较多的树木被刮倒或主
干折断;6级:多数树木连根拔起或主干折断。
2 结果与分析
2.1 不同林分之间的各性状比较
分别对4,6-8年生木麻黄及8年生相思林分样地进行各性状调查,结果表明(表1),各林分的郁闭度为
0.520~0.805,郁闭度最大的为20号样地林分,最小的为6号样地,其次为5号样地;林分其他平均各级生长、抗
风性状指标的方差分析发现均极其显著。胸径、树高、树皮厚度、平均冠幅、基本密度基本呈随着林龄的增加而变
大的趋势。从品种看,相思树种平均值在生长量、树皮厚度、生长应变值、平均冠幅等上大于同林龄的木麻黄,但
木麻黄生长保存率、基本密度等方面明显占优。
761第19卷第4期 草业学报2010年
表1 不同林分的生长情况及其抗风性状
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犵狉狅狑狋犺犪狀犱狑犻狀犱狉犲狊犻狊狋犪狀狋狋狉犪犻狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狋犪狀犱狊
树种
Species/
无性系
Clone
样地号
Plot
林龄
Age
(a)
防护林带
中位置
Location
郁闭度
Canopy
density
胸径
DBH
(cm)
树高

(m)
树皮
厚度
BT
(mm)
冠幅
CWM
(m)
Pilodyn值
PPV
(mm)
应力
波速
AV
(km/s)
生长应
变值
GSV
干形通
直度
SS
分枝
角度
BA
(°)
基本
密度
WBD
(g/cm3)
木麻黄粤701
犆.犲狇狌犻狊犲狋犻犳狅犾犻犪
Guangdong701
1 4 中Beltmiddle 0.725 6.8 7.4 3.7 2.2 9.2 - - 1.0 75.0 0.59
2 4 中Beltmiddle 0.780 5.6 9.2 2.9 2.3 8.9 - - 1.0 77.0 0.57
3 4 中Beltmiddle 0.766 6.4 7.7 3.4 2.1 9.0 - - 1.0 76.2 0.59
4 4 中Beltmiddle 0.767 6.0 7.5 2.8 2.0 9.3 - - 1.0 76.2 0.62
5 7 中/带侧Beltmiddle/side 0.555 9.4 11.3 5.1 3.1 8.1 4.20 0.0762 1.4 56.0 0.68
6 6 前/带侧Beltfront/side 0.520 8.6 10.2 4.8 3.2 8.4 4.37 0.0696 1.2 54.0 0.68
9 6 前/带侧Beltfront/side 0.710 8.9 10.0 3.7 2.7 9.9 4.30 0.0862 1.0 71.0 0.58
10 8 前Beltfront 0.772 11.4 11.7 4.1 3.6 10.3 4.17 0.0500 1.4 77.4 0.58
20 8 中/带侧Beltmiddle/side 0.805 12.3 15.5 4.2 2.7 8.4 4.63 0.0420 2.0 82.0 0.69
木麻黄粤601
犆.犲狇狌犻狊犲狋犻犳狅犾犻犪
Guangdong601
7 6 中/带侧Beltmiddle/side 0.685 8.5 10.9 4.4 2.6 8.8 4.29 0.0462 1.0 70.0 0.65
8 6 中/带侧Beltmiddle/side 0.625 9.5 11.6 5.1 3.1 8.1 4.28 0.1010 1.4 68.0 0.67
11 6 中/带侧Beltmiddle/side 0.730 9.4 11.5 3.8 2.8 10.8 4.31 0.0598 1.0 71.0 0.57
12 6 前Beltfront 0.730 8.8 11.1 3.8 3.0 10.5 4.24 0.0770 1.0 71.0 0.57
13 6 前Beltfront 0.755 9.0 11.1 3.8 3.0 10.4 4.20 0.0538 1.6 71.0 0.55
14 7 中Beltmiddle 0.768 9.0 12.5 3.7 3.2 8.4 4.23 0.0480 1.8 77.6 0.62
15 7 中Beltmiddle 0.685 10.9 14.1 3.7 3.1 8.9 4.28 0.0436 1.8 65.0 0.61
16 7 中Beltmiddle 0.755 10.4 16.3 3.6 2.9 9.2 4.31 0.0430 2.0 75.0 0.62
17 6 中Beltmiddle 0.765 9.8 11.9 4.1 3.2 8.6 4.27 0.0592 2.0 74.0 0.61
18 6 中Beltmiddle 0.800 12.0 14.3 4.5 3.1 7.9 4.60 0.0418 1.2 82.0 0.67
19 6 中Beltmiddle 0.790 10.7 13.6 4.2 2.7 8.3 4.58 0.0414 2.0 81.0 0.68
马占相思
犃.犿犪狀犵犻狌犿
21 8 中Beltmiddle 0.733 17.6 11.9 10.5 7.4 12.7 3.31 0.1398 3.6 70.0 0.42
台湾相思
犃.犮狅狀犳狌狊犪
22 8 中Beltmiddle 0.725 12.2 9.3 10.0 7.2 10.4 3.64 0.0680 4.0 75.0 0.53
犉值 Value 13.5720.0327.7337.65 17.01 41.56 3.627023.97 2.6629.60
犘值Value
1.66
×10-19
3.67
×10-25
2.71
×10-30
4.71
×10-35
1.01
×10-22
1.18
×10-30
7.22
×10-5
5.91
×10-28
1.42
×10-3
2.35
×10-31
 注:,带侧是指样地在沿海林带一端,林中指样地位于沿海林带中间;,该列因树小,不能对立木进行AV和GSV分析、其后犉值为有数据
样方后统计的结果,下同。
 Notes:,beltsideandbeltmiddlewasthattheplotlocatedinthesideandmiddleofcoastalprotectionforestbeltrespectively,andbeltfront
meanedtheplotwasinthefrontofcoastalprotectionforest;,Thestatisticalanalysiswascarriedoutwiththemissingvalueof4yearoldAVand
GSVforsmaldiametertree.Thesamebelow.
当选择树种作为第一层变量时进行均值比较,发现胸径、树高等性状指标与树种之间存在着不同程度的关联
性。Eta值(η,关联度统计量)是一个反应因变量与自变量之间密切程度的统计量,其值越接近1,说明两者之间
的联系越密切。除了分枝角度与树种之间存在着很弱的关系外,各性状的Eta值均大于0.5(表2),说明树种差
异对胸径、树高等性状有着明显的影响,这与方差分析结果是一致的。综合来看,不同树种之间的性状存在着显
著性差异。
861 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.4
表2 第一层变量树种的方差和关联度测定
犜犪犫犾犲2 犃犖犗犞犃犪狀犱犿犲犪狊狌狉犲狊狅犳犪狊狊狅犮犻犪狋犻狅狀狅犳狋狉犪犻狋狊犪狀犱狊狆犲犮犻犲狊
指标
Indexes
自由度
d犳
犉值
犉value
概率犘
Probability
相关系数犚
Correlation
coefficient
决定系数犚2
Determination
coefficient
关联系数(η)
Associationcoefficient
(Etavalue)
关联系数(η2)
Associationcoefficient
(Etasquare)
胸径DBH×树种Species 111 29.697 3.64×10-14 -0.60 0.36 0.674 0.454
树高 H×树种Species 111 12.463 4.72×10-7 2.06×10-3 4.25×10-6 0.509 0.259
树皮厚度BT×树种Species 111 139.242 8.34×10-37 -0.88 0.77 0.892 0.796
冠幅CWM×树种Species 110 182.689 9.74×10-42 -0.91 0.82 0.915 0.838
Pilodyn值PPV×树种Species 111 22.632 2.01×10-11 -0.55 0.30 0.623 0.388
应力波速AV×树种Species 91 83.799 1.39×10-25 0.83 0.69 0.862 0.743
生长应变值GSV×树种Species 87 11.038 4.72×10-7 -0.39 0.15 0.534 0.285
干形通直度SS×树种Species 111 81.752 1.42×10-27 -0.83 0.69 0.834 0.696
分枝角度BA×树种Species 95 0.419 0.74 -4.66×10-3 2.17×10-5 0.117 0.014
基本密度 WBD×树种Species 111 32.352 7.49×10-16 0.62 0.38 0.690 0.476
2.2 林龄对林分的影响
分别对木麻黄粤701无性系不同林龄林分进行比较分析,发现各性状之间差异极明显(表3),一般来说,随
着林龄的增加,胸径、树高、干形通直度相应的增加,但发现7年生林分在树皮厚度、平均冠幅、生长应变值、木芯
基本密度上均比8年生林分的要高,这说明差异来源于不同立地条件,加之来源于林龄之间的差异导致不同林龄
林分之间各性状差异显著。同样对变量林龄与其他性状指标的关联度分析,也表明林龄与各性状之间密切相关
(表4)。
表3 不同林龄木麻黄粤701林分各性状情况
犜犪犫犾犲3 犜犺犲犵狉狅狑狋犺犪狀犱狑犻狀犱狉犲狊犻狊狋犪狀狋狋狉犪犻狋狊狅犳狊狋犪狀犱狊犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻狀犆.犲狇狌犻狊犲狋犻犳狅犾犻犪犌狌犪狀犵犱狅狀犵701
林龄
Age(a)
胸径
DBH (cm)
树高
H (m)
树皮厚度
BT(mm)
冠幅
CWM (m)
Pilodyn值
PPV(mm)
应力波速
AV(km/s)
生长应变值
GSV(×10-2)
干形通直度
SS
分枝角度
BA(°)
基本密度
WBD(g/cm3)
4 6.2 7.9 3.20 2.2 9.1 - - 1.0 75.6 0.59
6 8.7 10.1 4.30 2.9 9.2 4.33 7.79 1.1 62.5 0.63
7 9.4 11.3 5.10 3.1 8.1 4.20 7.62 1.4 56.0 0.68
8 11.9 13.6 4.20 3.1 9.3 4.43 4.60 1.7 79.7 0.63
犉值Value 56.04 28.71 13.46 14.53 3.07 8.41 2.03 8.45 7.89 6.11
犘值Value1.42×10-143.51×10-102.96×10-61.36×10-63.83×10-2 0.16 1.93×10-3 2.87×10-49.13×10-8 1.55×10-3
2.3 林分性状之间的关系
除了分枝角度与胸径无相关性外,其他性状与林分立木的大小密切相关,均达到显著水平以上(表5)。一般
情况下,立木大小与林分林龄呈正相关性,因此一定程度上可以说这些性状与林龄有很强的相关性,这与上面的
结果是一致的。应力波速、Pilodyn值、生长应变值和木芯密度是各树种木材力学性质方面不同层次上的反映,因
此它们之间的相关性是显著的。而单株立木如分枝角度、干形通直度与品种密切相关的一些性状与林龄的相关
性不大,因此也决定与生长性状和木材力学性质性状之间的相关系数不大。分别对10个性状指标,以主成分方
法进行因子分析结果发现(表6),3个主要因子载荷均超过了0.762,其中第1主要因子由胸径、树皮厚度、冠幅
等反映立木大小生长量指标,第2主要因子由Pilodyn值、应力波速、木芯密度等反映材性性状指标,第3主要因
子由树高、分枝角度等反映立木形态性状指标。这与对性状的因子分析的结果一致。
961第19卷第4期 草业学报2010年
2.4 林分分类与抗风效果评价
将除4年生外的18个林分样地,按胸径、树高等
性状,采取类间平均链锁法以欧式平方距离测度方法
进行系统聚类,结果表明,样地7,8,9,11,12,13为一
类第1层,后与样地15合并为一类(图1);样地18,
19,20为一小类,样地10,14,17为另一小类,两者与
样地16合并为一类;而相思树种21和22之间存在着
距离,但最后合并为一类。样地5和6之间的差异较
少,为一小类,但与其他林分之间存在明显的差异,最
后与其他林分合并在一起。
2008年8月6日台风“北冕”和2008年9月24日
强台风“黑格比”登陆广东沿海,由于风力强、离台风近
(中心距离120~130km),粤西地区受台风影响损失
严重。根据2次台风对样地风害的综合结果(图2),发
表4 不同林龄木麻黄粤701林分各性状情况
犜犪犫犾犲4 犃犖犗犞犃犪狀犱犿犲犪狊狌狉犲狊狅犳犪狊狊狅犮犻犪狋犻狅狀狅犳狋狉犪犻狋狊
犪狀犱犪犵犲狊犻狀犆.犲狇狌犻狊犲狋犻犳狅犾犻犪犌狌犪狀犵犱狅狀犵701
指标
Indexes
自由度
d犳
犉值
犉value
犘值
Probability
η值
Etavalue
胸径DBH×林龄 Age 3 48.97 5.21×10-20 0.761
树高 H×林龄 Age 3 15.73 1.52×10-8 0.553
树皮厚度BT×林龄 Age 3 36.27 2.91×10-16 0.710
冠幅CWM×林龄 Age 3 17.13 3.81×10-9 0.571
Pilodyn值PPV×林龄 Age 3 4.26 6.96×10-3 0.327
应力波速AV×林龄 Age 3 1.22 0.31 0.201
生长应变值GSV×林龄 Age 3 8.66×10-3 0.46 0.174
干形通直度SS×林龄 Age 3 23.99 5.92×10-12 0.634
分枝角度BA×林龄 Age 3 5.56 1.49×10-3 0.394
基本密度 WBD×林龄 Age 3 1.98 1.21×10-1 0.229
表5 各性状之间表型相关矩阵
犜犪犫犾犲5 犘犲犪狉狊狅狀犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犿犪狋狉犻狓狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻狀犱犲狓犲狊
指标
Indexes
胸径
DBH
树高

树皮厚度
BT
冠幅
CWM
Pilodyn值
PPV
应力波速
AV
生长应变值
GSV
干形通直度
SS
分枝角度
BA
树高 H 0.457
树皮厚度BT 0.741 -0.035
冠幅CWM 0.736 -0.031 0.810
Pilodyn值PPV 0.279 -0.224 0.270 0.416
应力波速AV -0.392 0.315-0.629 -0.754 -0.570
生长应变值GSV 0.268 -0.318 0.635 0.521 0.307 -0.476
干形通直度SS 0.396 0.194 0.335 0.470 0.080 -0.377 0.101
分枝角度BA 0.088 0.264 -0.191 -0.089 0.011 0.191 -0.232 0.236
基本密度 WBD -0.284 0.258 -0.282 -0.552 -0.822 0.722 -0.342 -0.203 -0.004
 表示为0.05水平上相关性显著(二尾检测),为0.01水平上显著(二尾检测)。
 correlationissignificantatthe0.05level(2tailed),andcorrelationissignificantatthe0.01level(2tailed).
现,4~8年生大部分木麻黄林分只存在断枝/梢等级
较低风害,而相思林分风折严重,马占相思中立木几乎
全部遭遇3.5~7.0m处树干折断风害,风害等级为6
级;台湾相思林地受害略轻,除了部分植株断干外,所
有立木均出现断枝等风害情况,风害等级为5级;而不
同林龄木麻黄均没有出现树干折断,多出现断枝的风
害。由于林地为沙地,加之长时间的台风暴雨冲刷,导
致防护林前沿带木麻黄出现等级较高的风倒和风斜情
况,如样地5和6号林分,同时位于防护林前沿带,常
年遭遇东西方向海风侵袭和盐害胁迫,林分均呈1~
10°东西方向的倾斜,同时表现生长胸径较小、树高较
矮、树 冠 稀 疏、郁 闭 度 低、基 本 密 度 大、分 枝
角度小等特点。结果表明,相思树种21和22林分在
表6 旋转后的因子载荷矩阵 (最大正交旋转)
犜犪犫犾犲6 犚狅狋犪狋犲犱犮狅犿狆狅狀犲狀狋犿犪狋狉犻狓
指标Indexes
因子Component
1 2 3
胸径DBH 0.907 -7.21×10-2 1.54×10-2
树高 H 0.383 0.463 0.61
树皮厚度BT 0.854 -0.159 -3.82×10-2
冠幅CWM 0.825 -0.413 -1.81×10-2
Pilodyn值PPV 0.133 -0.879 1.68×10-2
应力波速AV 0.589 -0.152 0.34
生长应变值GSV -0.498 0.692 2.88×10-2
干形通直度SS 0.433 -0.291 -0.599
分枝角度BA 1.56×10-3-0.102 7.93×10-2
基本密度 WBD -0.205 0.923 1.53×10-3
071 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.4
抗风效果区别于其他林分,由于相思木材材性较脆(基
图1 22个不同林分样地系统聚类树状图
犉犻犵.1 犎犻犲狉犪狉犮犺犻犮犪犾犮犾狌狊狋犲狉狊狅犳狊狋犪狀犱狊犳狉狅犿22狆犾狅狋狊
本密度小,生长应力大等),决定其林分抗风折能力弱。
这是样地聚类时分为一类的原因。
分别以6-8年各树种的风害等级与其林分生长、
抗风性状建立回归方程(Enter强制法),发现回归方
程有效,模型决定系数为0.861(表7~9),对抗风性
影响最大的是应力波速、基本密度和Pilodyn值,其中
影响最小的是分枝角度、树高和干形通直度。从回归
方程看,树高、应力波速、冠幅和生长应变值对风害等
级呈正向效应,其中应力波速、基本密度和Pilodyn值
标准化回归系数绝对值比较大,这也就是立木材性是
决定是否抗风折的主要因素,其次就是形态性状、立
木大小。
由于胸径、平均冠幅、Pilodyn值、应力波速、基本
密度等性状的膨胀因子(VIF,varianceinflationfactor)
图2 不同林分风害等级
犉犻犵.2 犜犺犲狑犻狀犱犱犪犿犪犵犲犵狉犪犱犲狅犳狊狋犪狀犱狊
>10,表明这些性状在模式中会产生共线问题。这与
胸径、平均冠幅、Pilodyn值、应力波速、基本密度之间
存在显著的相关性是一致的。
根据模型分别对6年生的木麻黄粤601和粤701
风害等级比较结果,发现两者差别不大,其中粤601
无性系的风害等级为1.42,而粤701为1.41,前者略
比后者大一点;8年生的木麻黄粤701风害等级为
1.90,明显小于8年生相思林分(马占相思为5.94,
台湾相思4.90)。
表7 回归方程犃犖犗犞犃分析
犜犪犫犾犲7 犃犖犗犞犃狅犳狑犻狀犱犱犪犿犪犵犲犳狅狉犿狌犾犪
模型
Model
平方和
Sumof
squares
自由度
d犳
均方
Mean
square
犉 值
犉value
概率犘
Probability
回归方程Regression 31.797 10 3.180 4.324 0.032
残差Residual 5.147 7 0.753
合计Total 36.944 17
3 讨论与结论
风害是一种农业气象灾害,是指风对农业生产造成的直接和间接危害[20]。其中风造成林木和作物倒伏、折
干、断枝、落叶、拔根、落粒落果等最直接风害机械性损伤。把这种引起树木在风载作用下发生的干折、断枝称为
171第19卷第4期 草业学报2010年
风折(windbreakage),而把涉及非机械损伤性倒伏或连根拔起的风害称风倒[21]。
影响风折或风倒的主要因素包括林木的生物力学特性、根系与土壤的相互作用和风的扰动等。其中,林木的
生物力学特性与树龄、树干强度、树干和树冠的外形和尺寸以及树木健康状况有关;根系与土壤间的相互作用则
受土壤的剪切强度、湿度、树木根系深度等因素的影响,此两者共同决定了树木的总抗风性[22]。
从对不同林龄、不同树种/品系生长性状和抗风指标试验结果看,不同林分在树高、胸径、树皮厚度平均生长
量、抗风性状指标平均冠幅、木材材性等方面存在着显著的差异;胸径、树高、树皮厚度、平均冠幅、基本密度基本
呈随着林龄的增加而变大的趋势(表1)。同时关联度分析表明,这些差异与树种/品系和林龄相关(表2和4)。
分别对各性状进行表型相关分析结果中,除了分枝角度与胸径无相关性外,其他性状与林分立木大小密切相关,
均达到显著水平以上。以主成分方法对性状指标进行因子分析结果也表明各性状可分为3类;对不同林分进行
系统聚类结果也表明不同树种/品系的各林分之间在各性状之间存在着显著的差异。林分风害也因不同林分的
差异而各异,从试验林分的各个性状之间以及与风害等级之间关系(表8)等方面表明林木的抗风性与树种、林
龄、立木形态大小、材性等密切相关。而立木的形态、材性性状均受林木的遗传性控制,表明林木的抗风是具有遗
传性,而罗建中等[23]对不同桉树杂交树种抗风性遗传进行了研究。
表8 风害等级回归方程系数犪
犜犪犫犾犲8 犆狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狊狅犳狑犻狀犱犱犪犿犪犵犲犵狉犪犱犲犳狅狉犿狌犾犪
模型 Model
非标准化系数
Unstandardizedcoefficients
待定系数犅
Undeterminedcoefficient犅
标准误差
Std.error
标准化系数
Standardizedcoefficients
β系数
Betacoefficient
犜值
犜testvalue
犘值
Probability
共线性统计
Colinearitystatistics
容差
Tolerance
膨胀因子
VIF
常数Constant 7.676 17.363 0.442 0.672
胸径DBH 0.204 0.315 0.303 0.649 0.537 0.091 10.948
树高 H -0.054 0.278 -0.069 -0.193 0.852 0.155 6.448
树皮厚度BT 0.223 0.719 0.307 0.310 0.765 0.020 49.031
冠幅CWM -0.372 1.201 -0.357 -0.310 0.766 0.015 66.522
Pilodyn值PPV 0.514 0.633 0.449 0.812 0.444 0.065 15.345
应力波速AV -5.856 3.297 -1.244 -1.776 0.119 0.041 24.644
生长应变值GSV -8.015 16.725 -0.140 -0.479 0.646 0.234 4.272
干形通直度SS 0.170 0.808 0.097 0.210 0.840 0.094 10.649
分枝角度BA -0.003 0.043 -0.014 -0.062 0.952 0.383 2.612
基本密度 WBD 22.156 18.255 1.039 1.214 0.264 0.027 36.800
 a.因变量Dependentvariable:风害等级 Winddamagegrade.
通过对木麻黄与相思树种等各方面的比较发现木麻黄树种立木具有较小的Pilodyn值、较大基本密度和应
力波速(表1),因此决定木麻黄木质坚硬,抗弯等弹性模量(密度与应力波速平方的乘积)较大,因此不易风折;生
长应力(growthstress)是树木在细胞分化成熟时形成层内产生的细胞间的相互作用力[24],高生长应力易导致活
立木出现脆心,原木易端裂(endsplit),锯解时对产品产生开裂和变形等不良影响[25,26]。同时木麻黄生长应力较
小(应变值)(表1),因此木材不会因外力的影响而导致开裂,也表明了相思树种木材材性较脆,决定其林分抗风
折能力弱。王志洁等[27]研究了马占相思、厚荚相思(犃.犮狉犪狊狊犻犮犪狉狆犪)等5个相思树种与木麻黄抗风能力,木麻黄
抗台风的能力强于各种相思树种,而且发现台风对各相思树种造成的最大危害是使其树梢折断;其结论与本试验
结果相同。从风害等级与其林分生长、抗风性状关系看(表8中回归方程),对抗风性影响最大的是应力波速、基
本密度和Pilodyn值,其中影响最小的是分枝角度、树高和干形通直度。说明立木材性是决定是否抗风折的主要
因素,其次就是立木大小、形态性状,这与前面Achim等[22]研究结果是一致的。
271 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.4
树木树冠上在风载作用下,对树干产生风压矩,而风压矩随离地高度的增加呈比例减小,因此茎干基部是最
大,由于不同的高度风压矩使树干呈不同大小的弯曲应力(bendingstress)。树干的结构弯曲刚度随着树干高度
的增加而降低[9],而刚度(stiffness,指受外力作用的材料、构件或结构抵抗变形的能力)是结构弹性模量与截面
惯性矩2项的乘积,而截面惯性矩与树干截面直径的4次方成正比,因而,树干在给定高度处的弯曲刚度,主要依
赖于截面的直径[28]。当在风载作用下树干上任意截面的惯性矩和风压矩是一致的,因此树干截面某处的实际应
力为惯性矩与抗弯截面模量的比值,对于特定的树木来说,其抗弯截面模量是一个常量,当风压矩产生很大应力
时在树干的某个部分需要足够大的抗弯截面模量材料来维持其平衡,否则将破坏这平衡,即树干的某处部分所承
受的应力大于树干的强度(strength,材料抵抗破坏的能力)极限,树木就会折断。本试验结果中对抗风性影响最
大的是应力波速、基本密度和Pilodyn值,这些材性性状无不是木材的刚度和强度物理性质的反映。与相思树种
比较,木麻黄弹性模量和木材密度大,有利于平衡因风压距产生的应力,加之其生长应力较小,使破坏树干材料的
应力值偏小,从而有利于其抗风,这与上述风与树木的作用机理是一致的。实际上凡是影响风压矩和截面惯性矩
大小的因素如分枝角度、树高、胸径、平均冠幅等,均与抗风性相关。
从林分的风害等级程度上来看,木麻黄均处于较低等级的损害,很难表现出木麻黄不同林龄、不同无性系对
风害影响,因此回归方程也较难真实地反映木材材性及形态大小等性状与风害之间的关系。由于风折或风倒还
涉及至根系与土壤的相互关系上,由于木麻黄样地中没有出现风倒的林木,因此本试验没有涉及到林木根系及土
壤相互作用对风害类型的影响。
风载/风压的作用下,风折和风倒与树干实际应力与树干负荷极限强度大小相关,但由树冠风载产生的倒伏
力矩即风压矩和根系的附着力矩决定。前者与风速或风压大小,作用方向、作用时间、作用频率以及受力树冠大
小、形状、结构(疏透程度)、树高密切相关。而土壤类型、土层、含水量及林木的根系特征会对根系附着力矩有很
大的影响。根据对2年生桉树不同林分密度研究,在林木总根数多,主根也发达,根系也分布均匀的情况下,林分
的根系表现稳固,易出现树干折断的风害情况(未发表的资料);陈绶柱等[29]对沿海沙岸防风固沙木麻黄幼林研
究时,发现单株侧根多的风斜率虽然也较高,但风倒率和风折率低,受破坏程度轻;单株侧根少的,其风斜率、风倒
率和风折率都高,受破坏程度重,表明根系与土壤的互作强度是决定林木是风折还是风倒的前提。
致谢:本研究中参与试验林调查及取样的有国家林业局桉树研究开发中心助理工程师尚秀华、研究生任世奇、韩
斐扬等人,在此对他们的支持和帮助致以诚挚的谢意!
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471 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.4
犛狋狌犱犻犲狊狅狀犵狉狅狑狋犺犪狀犱狑犻狀犱狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲狋狉犪犻狋狊狅犳犆犪狊狌犪狉犻狀犪犪狀犱
犃犮犪犮犻犪狊狋犪狀犱狊犳狉狅犿犮狅犪狊狋犪犾狆狉狅狋犲犮狋犻狅狀犳狅狉犲狊狋
WUZhihua,LITianhui,ZHANGHualin,XIEYaojian
(ChinaEucalyptResearchCentre,Zhanjiang524022,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Treesfromplots(22)of2clonesof4and6-8yearold犆犪狊狌犪狉犻狀犪andfromtwospeciesof8yearold
犃犮犪犮犻犪stands,weremeasuredforgrowthandwindresistancetraitssuchaswooddensityandpilodynpenetra
tioninasiteattheNansancoastalprotectionforestinZhanjiang.Diameteratbreastheight(DBH),pilodyn
data,woodbasedensity(WBD)andbarkthickness(BT)weremadeataheightof1.3mwhileWBDwas
measuredonwholewoodcoresfrom1.3mheighttakenbyincrementborer.Ingeneral,growthtraitssuchas
DBH,treeheight,barkthickness,crownwidth,andWBDincreasedwithforestagebutthereweresignificant
differencesinstandgrowthbetweenspecies.Therewerealsosignificantdifferencesinaltraitsbetweenforest
ages.AltraitsexceptforbranchangleandDBH weresignificantlycorrelated.Thetraitsweredividedinto
threecategoriesandexaminedbyprincipalcomponentfactoranalysis.Theresultsofhierarchicalclusteranaly
sisinwhichEuclideandistancewastakenasasimilaritymeasureandtheaveragelinkageclustermethodwas
usedasaclusteringalgorithmshowedthatthereweresignificantdifferencesintraitsbetweenplots:Twoplots
of犃.犿犪狀犵犻狌犿狊and犃.犮狅狀犳狌狊犲standswereclassifiedinacategory,andNo.5andNo.6犆犪狊狌犪狉犻狀犪stands
wereclassifiedasthesameclusterandweresignificantlydifferentfromtheothersbecausetheirplotswereloca
tedinfrontoftheprotectionforestbelt.ThestandswerehitbyTyphoonKammuriandthestrongTyphoon
Hagupitin2008.Theywerelocated120-130kmfromtheeyesofthetwostorms.Almostal犆犪狊狌犪狉犻狀犪
standshadlowgradewinddamage(e.g.branchbreakage)only,buttherewasconsiderablewinddamageto
the犃犮犪犮犻犪standswheredamageto犃.犿犪狀犵犻狌犿狊and犃.犮狅狀犳狌狊犲plotswaslevelsixandfiverespectively.A
regressionmodelofstandwinddamagewithgrowthandwindresistancetraitswasdeveloped.Thestatistic犚2
was0.861andshowedthelinearregressionwasagoodfittothedata.Forcategoricaltraits,acousticvelocity
(AV),WBDandpilodynpenetrationvalue(PPV)weremajorwhilebranchangle,treeheight,andstem
strengthwereminorindeterminingthemeaningofwinddamagegrade.Anincreaseintreeheight,crown
width,PPV,andGSVresultedinanincreaseinpredictedwinddamagegrade.Intermsoftheregression,the
plotwiththeworstfitwas犃犮犪犮犻犪犿犪狀犵犻狌犿,thesecondwas犃犮犪犮犻犪犮狅狀犳狌狊犲,andthebestwas犆犪狊狌犪狉犻狀犪clone
701,whereasstandsoftwo犆犪狊狌犪狉犻狀犪cloneswerenotsignificantlydifferent.
犓犲狔狑狅狉犱狊:coastalprotectionforest;woodproperty;windresistance;selectionoftreespecies
571第19卷第4期 草业学报2010年