基于应力波技术对人工海防林树种桉树的评价.docx

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基于应力波技术对人工海防林树种桉树的评价

海南师范大学

本科生毕业论文

题目:

基于应力波技术对人工海防林树种桉树的评价

姓名：

赵婷婷

学号：

201208010250

专业：

生物科学

年级：

2012级

院别：

生命科学学院

完成日期：

2015年6月

指导教师：

郝清玉（教授）

本科生毕业论文（设计）独创性声明

本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

论文（设计）作者签名：

日期：

本科生毕业论文（设计）使用授权声明

海南师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。

本人授权海南师范大学可以将本毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文（设计）。

论文（设计）作者签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

目录

1.前言……………………………………………………………………………1

2.研究地概况……………………………………………………………………2

3.研究方法………………………………………………………………………3

3.1样地选择及实验树种木麻黄的选择…………………………………….3

3.2试验方法………………………………………………………………….3

4结果与分析………………………………………………………………….4

5结论与讨论………………………………………………………………….5

6致谢………………………………………………………………………….6

7展望…………………………………………………………………………..7

7参考文献…………………………………………………………………….7

基于应力波技术对人工海防林树种桉树的评价

——以海南海防林为例

作者：

赵婷婷指导教师：

郝清玉教授

（海南师范大学生命科学学院，海口，571158）

摘要：

海南岛是我国最南边的一个小岛，四处环海，每年平均都会有3-4次的台风登陆，属于台风多发地区,因此建立海防林是非常有必要的。

海南省海防林常见树种为木麻黄、想思、椰子树；以及在海南常见的桉树作为研究。

应力波是近年来备受关注的无损检测技术，具有测量精度高，能量损失小，灵活小巧，方便携带，适合野外作业等特点。

本实验要以海南岛东南西北四个方向海防林树木木材桉树作为研究材料，基于应力波技术对其活立木进行抗风特性进行评价。

实验发现其研究成果将为筛选出适合海南岛沿海地区生态建设的其他优良抗风树种提供理论参考。

关键词：

桉树；海防林；抗风性；应力波；海南岛；木麻黄

EvaluationofartificialHaiFangLinspeciescasuarinabased

onstresswavetechniques

Author：

ChenWei：

Professor:

HaoQingyu

（Collegeoflifescience,Hainannormaluniversity，Haikou,571158）

Abstract:

HainanIslandsurroundedbyseaandlocatedinthemostsouthofChina,itbelongstothetyphoonproneareasandeveryyearhas3to4timesoftyphoononaverage,thereforeitisnecessaryforustoestablishHaiFangLin.Casuarina、Lovesickness、LoconutpalmarethecommonspeciesofHainanHaiFangLin.Stresswavehasbeenfousedonasanondestructivedetectioninrecentyears,ithaslotsofadvantagescontainshighmeasurementprecision、energylossissmall、smallnessandflexible、convenienttocarry、suitableforfieldoperation.CasuarinabelongstothewholeofHainanIslandwereusedasmaterialsaswellstresswavewereusedasbasictechnologytoevaluatewind-resistanceoflivingtrees.ExperimentalresultsshowedthatTheresearchresultswillprovidetheoreticalreferenceforscreeningothertreeswhichhaveexcellentwindresistanceandsuitableedforcoastalareaecologicalconstruction.

Keywords：

Casuarina,HaiFangLin,windresistance,Stresswave,HainanIsland

1.前言

海防林是防护林中的一种，具有可以防潮固堤、降低风速、防风固沙、改变小气候等功能且可以产生巨大的生态效益[1]。

海南省的海防林建设分为四个阶段[2]，海防林建设的成败直接关系到滨海城市总体建设水平[3]。

被划定为沿海基干林带的林地有27万hm2，涉及沿海12个市县分别为海口、琼海、昌江、陵水、文昌、万宁、东方、乐东、三亚、儋州、澄迈、临高，大多树种结构简单，主要为木麻黄、相思、椰子树[2]为主。

我国海防林建设起步于上世纪五六十年代晚于国外[3]，也围绕建设开展了一定的研究[4-6]，并取得了一定的成绩[7]。

应力波作为一种无损检测方法,由于其不受被测木材形状和尺寸的限制和影响,不损坏被测木材,正传感器和被测木材之间不用任何耦合剂,从20世纪60年代开始,已经在木材工业领域得到了广泛的应用[7]。

其检测不破坏目标物体内部及外观结构和特性（如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等），具有可靠性高、设备方便携带、操作简便、时间经济、对人体无伤害等特点［８］。

应力波（Stresswave）是应力和应变扰动的传播形式，应力波技术用于检测木材性质原理是用一个脉冲锤敲击被测木材样本,在其内部将会产生一个应力波,用两个触发器感应该波的变化,并在计时器上显示时间差[９，１０],通过应力波传播时间的变化来判断木材的内部缺陷[7].最后通过测量应力波传播速度的变化来确定木材材料性质[1１]。

.因其开发的检测仪器价格低廉、能量损失小、灵活小巧、方便携带、实用性强、在木材中具有较好的传播信号，因而得到了广泛应用[1３]。

目前国内外对应力波的研究很多，利用应力波计时器（stresswavetimer）等设备对木材的力学性质（弹性模量）、木材的缺陷检测进行了研究,用应力波测试仪器测得应力波传播时间和速度来计算木材试件的弹性模量[7]如XipingWang研究得出应力波技术可以评价立木的力学性质且应力波技术可以跟踪木材性质的变化[1３]，杨学春等发现随着直径的增加应力波径向传播速度也随之增大，径向传播速度和直径之间存在线性相关性[1４]，徐东华和王立海以红松木材为实验材料表明应力波的传播速度与含水率、温度均呈负相关[1５]。

刘丰禄等研究发现应力波法检测木材缺陷的基本原理是应力波在缺陷材和健康材中的传播时间不同即传播速度不同[1６]。

桉树（Eucalyptus）是桃金娘科桉树属的总称,又名尤加利树[1７]。

桉树是世界公认的速生造林树种,因具有广泛的适应性而得到大力发展,已成为我国林业史上引种最为成功的树种之一[1８]我国从1890年引进桉树，到现在已经有100多年的历史了，其原产地为澳大利亚和少数几个印度尼西亚及附近的岛屿[1７]。

桉树具有耐干旱瘠薄、适应性广、萌芽力高、速生高产,抗逆性强、生长快、材质优、经济效益好等特点,还被联合国粮农组织推荐为三大速生造林树种（桉、松、杨）之一,也迅速成为我国最重要的速生商品林外来树种[1７]。

桉树很适合我国南方地区种植,发展桉树林利大于弊,可获得巨大的经济效益和社会效益同时对生态环境产生积极的影响[1８]。

桉树在发展生态林中生长快，迅速覆盖林地，很快发挥生态效益；能够与许多植物共生，构成一个完整的体系；能够培养经济型生态林，生态效益和经济效益显著，桉树品种多,形态不一功能各异,可供不同的气候、立地条件进行选择[1７]。

在海南、云南、湖南、广东等地都有大量种植[1８]

国内外桉树的研究主要集中在桉树人工林的生态退化，生态效应，物种多样性的生态变化，桉树林的科学经营，桉树的造纸等。

如杨民胜等对其生态效应及经营的研究,发现它能够涵养水源、做防护林、保护农田、景观林、绿化护路林[1７]；徐大平在桉树林的生态研究进展中对于养分的研究，得出桉树能够在贫瘠的土地的生长，并且能够积累储存养分，这对于在沙旱地，盐碱地的生存提供了依据[1９]；而涉及抗风的力学理论模型的较少[２０]。

陈少雄在雷州半岛还做过尾叶桉（Eucalyptusurophylla）和巨尾桉（EucalyptusgrandisxE.urophylla）幼林不同株行距配置抗台风效果的试验，结果证明不同林分密度、不同龄级的桉树在遭受风害的等级上有明显差别，同时证明窄行宽株的种植方式能增强林带抗风效果[2１,2２]。

桉树是中国南方人工林速生树种中病虫害最少、生长最快、发展最迅猛、经济效益最高、创汇最多，同时兼有社会效益和生态效益的树种[2２]，且在作为沿海防护林中能够有减少飞盐危害，加固海堤安全，提高土壤肥力，增加土壤多样性，降低风速，调节气候等功能[2２]。

应力波无损检测技术是多种木材无损检测技术中的一种,基本原理是木材的一端受冲击力作用,其内部产生应力波的传播,通过测量应力波传播速度的变化来确定木材材料的性质[22]。

应力波技术是近几年备受关注的无损检测技术[2４]，罗衫、殷亚方等用3种无损检测方法评估巨尾桉的木材性质时表示应力波测试方法可以通过公式Eus=（L∕t）2ρ（t为平均传播时间，单位是μs；L为两个传感器间的距离，单位是cm.）计算动态弹性模量Eus，从而来确定木材性质[3种无损检测方法]。

但将应力波技术应用于海防林树种抗风性的测量还少有报导尤其是海南还未曾有过。

应力波本身具有的特点以及随着研究深入用其检测人工林立木的力学性能，将成为木材无损检测领域的研究热点之一[1２，1６，2５．２６]。

桉树的引进已经有100多年的历史，桉树已经成为我国南方发展速生丰产林的战略树种，同时也是我国南方沿海防护林和纸浆材板材树种因此对于桉树抗风性能的研究显得尤为重要（张华林.雷州半岛主要树种抗风性研究和评价.2012（6））。

对于沿海地区的生态安全起着至关重要的作用，是维持沿海生态平衡的关键[1５]。

研究区概况

海南省，简称琼。

位于中国的最南端，地处北纬03°20′~20°18′，东经107°10′，~119°10′，全省包括海南岛和中沙、西沙、南沙群岛及其周围广阔的海域。

是中国最大的海洋省，最小的陆地省。

在北回归线和赤道之间，位于大陆东岸，受季风控制明显，纬度低，年均气温高，属于热带季风气候。

海南岛年平均气温为23.8℃，月平均气温都大于15℃，年平均日照1750~2700小时，干湿季分明，光、热资源充足。

雨量丰富、雨季长、雨热同季的特点，年均降雨量1500~2000毫米，为我国南方多雨地区。

大部分地方的年降水量都在1200毫米以上，有的地方超过2000毫米。

海南岛东部年雨量为2200-2800毫米,海南岛西部沿海地区的雨量减至900毫米左右。

3.研究方法

3.1样地选择及实验树种桉树的选择

调查样地分别选在海南岛东、南、西、北四个方位的海防林，包括海口、琼海、三亚、昌江、万宁、陵水和文昌。

选取所在实验地区健康、通直、高大、胸径相近的30棵桉树作为一组实验树种。

同一个实验地点采集多组数据进行分析比较，则以胸径大小作为分组标准。

每组实验数据在选择树种时均遵循上面所说的择优原则。

3.2试验方法

实验开始前测量并记录实验地点的经纬度、湿度、温度、树龄、树种的平均高度。

采用应力波FAKOPP检测仪器测量不同木麻黄实验树种的应力波传播时间。

第一步：

用钢卷尺分别在要测量面距离地面50cm和150cm处做标记。

在150cm处将应力波传播计时器（FAKOPPMicrosecondTimer）的锥形传感器开始极以斜向上45°角敲入树中（锥形传感器应透过树皮）。

在50cm处以斜向下45°将接收极敲入树中。

实验中为确保实验人员的安全，应先固定接收极再固定开始极。

固定传感器后，再次用钢卷测量两个传感器之间的距离以确保实验的准确性。

第二步：

用应力波专用锤敲击传感器触发端（为了减小实验误差，每次敲击应该控制在相同的力度，因此在整个实验过程中固定一个人负责敲击工作。

），发送应力波，记录应力波顺纹理方向（纵向）的传播时间（每棵实验树种的一个方向多次敲击取传播时间稳定且相近的三次时间的平均值作为传播时间，以获得精确的应力波传播时间）。

第三步：

卷尺测量离地面130cm处的胸径，此测量起点应该与之前测量50cm、150cm的起点保持一致。

第四步：

将同一棵实验树种的胸径、应力波传播时间都记录在相应位置即为一个实验数据，以同样的方式采集数据直至30个。

所在实验地点数据采集完毕后，则在其他实验地点进行下一轮实验。

图1纵向应力波传播时间测试示意图

Fig.1TestschematicdiagramofpropagationtimeofLongitudinalStressWave

4.结果与分析

4.1同一树种不同方向之间的应力波传播时间的比较

图2.海口木麻黄不同方位应力波传播时间比较图

Fig.2ComparisongraphofcasuarinapropagationtimeofstresswaveindifferentazimuthinHaikou

实验中以海口后尾村为研究地点，选取30棵成熟林木麻黄，用应力波检测仪器Fakopp

北四个方向的平均传播时间进行测量，以μs为单位。

从图中我们可以看出，木麻黄东边方向应力波传播时间平均为为244.70μs,西边方向为236.36μs，南边方向为247.24μs，北边方向为243.47μs。

通过统计分析可得，F=0.881、df=3、p=0.454。

因为p＞0.05，所以认为木麻黄四个方位应力波传播时间不存在显著差异。

图3.昌江桉树不同方位应力波传播时间比较图

实验中以昌江为研究地点，选取30课健康的桉树，用应力波检测仪器Fakopp

北四个方向的平均传播时间进行测量，以μs为单位。

从图中我们可以得出，桉树东边方向应力波传播时间平均为254.42μs,西边方向为258.46μs，南边方向为255.42μs，北边方向为254.70μs。

通过统计分析数据可得，F=0.664、df=3、p=0.576。

因为p＞0.05，所以认为桉树四个方位应力波传播时间不存在显著差异。

4.2.2桉树不同径级对应力波平均传播时间的影响

桉树不同径级（cm）对其应立波平均传播时间（μs）也具有显著影响（图9）。

通过分析可得出相关系数=－0.448（N=60p=0.000<0.01）,所以胸径与应力波传播时间呈显著负相关,即随着胸径的增大，应力波传播时间逐渐减小。

图9.不同径级桉树应力波平均传播时间图

Fig.9Thegraphofeucalyptusaveragpropagationtimeofstresswavewhichdiameteratbreastheightisdifferent

4.2同一地点不同胸径间的应力波传播速度的比较

4.3不同地点的应力波传播速度的比较

4.4抗风效果评价

图4.不同树种应力波传播时间的比较

本次实验主要对海防林树种木麻黄、桉树、椰子树进行应力波传播时间的测量，但在实验中也对一些本地优良树种（如海杧果）或已知的生长在海边的树种（如莲叶桐）进行测量。

从图中可以看出木麻黄（成熟林）应力波传播时间平均值为236.32，木麻黄（中龄林）为238.90μs，桉树为262.91μs，椰子树为432.13μs，马占相思为252.23μs，海杧果为337.75μs，莲叶桐为326.58μs，对叶榕为285.53μs。

分析可得同一树种不同年龄对应力波传播时间影响不大，不同树种间的应力波传播时间相差明显。

5.结论与讨论

本研究参试树种均为海南岛沿海地区大面积种植的海防林树种。

（1）桉树四个方位应力波传播时间不存在显著差异。

基于应力波技术对木材力学特性的检测，木材的弹性模量Eus,应力波速度C和木材密度ρ之间的关系：

E=ρC2，因为传播时间几乎无差异，探针测量距离相同，那么传播C也无差异（C=L/t）。

同一树，不同方向传播时间及传播速度相同，表明不同方位其木材密度也相同，因此根据上面的公式可知，同一树木不同方位的弹性模量也是无差异。

研究结果表明，在海南地区，属于热带亚热带地区，因日照充足，降雨量充沛，湿度均匀。

树木不同方位的生长差异性不显著，4个方位应力波传播时间相同，木材密度相同，因此各方位的抗风性能也不会存在显著差异。

（2）树木径级是影响抗风能力的重要因素。

从四个地区桉树不同径级以应力波传播时间的关系（图9）可知胸径与应力波传播时间成负相关，对大量桉树的应力波分析可知：

桉树径级越大，应力波传播时间越小，抗风能力越强。

洪奕丰、王小明等人对“闽东沿海防护林台风灾害的影响因子”的研究也表明：

受灾林木最集中于12~14cm的中径级，比例高达46.3%，22cm以上的大径级林木受害仅表现为轻度弯干或断枝，基本不影响其正常生长[33]。

本实验研究结论与之相一致。

（3）树木分布于不同的区域对于抗风能力也有影响，通过对海口、琼海、昌江、三亚等东南西北四个方向桉树树种的研究得出昌江地区应力波的传播平均值最小，其次是海口、琼海、三亚地区应力波传播平均值最大。

这表明昌江地区树种抗风能力最强，三亚地区最小。

这可能与不同地区的温度、气温、降雨量、湿度、树种品系的不同有关。

刘昊、高建民研究表明：

随含水率的减少，应力波传播速度增加,时间减小[27]。

这与本实验相近。

海南三亚地区湿度较大，其次是琼海、海口，昌江地区湿度最小。

湿度大使树木边材含水率增加，应力波传播时间增大，防风性能降低。

低含水率使昌江桉树的抗风能力最强，木材性能最好。

高含水率使三亚桉树的抗风性能最低。

孙晔[28]对“应力波在木材内部传播的影响因素”研究表明：

应力波传播速度随温度升高而降低。

6.展望

（1）树种抗风性能的影响因素很多，应力波只是其中的一个方面，若从更多角度分析树种抗风性能，如从树高、树冠冠幅、根系等，就更具有说服力了。

（2）由于海南的当地人为气候使得海南防护林多是常用混合林的模式规划，这相对于单一的防护林树种起到了更好的效果。

7.致谢

本实验在郝清玉教授的悉心指导下完成。

在论文期间，还得到陈微学姐、曾红梅同学、高颖慧同学的热心帮忙。

在此一并致谢！

参考文献：

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