CN111624114B - 一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法，其特征在于，包括：步骤1，取样：选取待分析木段底端的木材；步骤2，测试：对所选取木材的微观形态特征进行测试；步骤3，评估：根据所测试的数据分别对木材的抗弯强度、抗弯弹性模量以及抗拉强度进行建立回归模型并根据回归模型进行评估。本发明提供一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法，以杉木的抗弯强度、抗弯弹性模量及微切片抗拉强度为因变量，微观解剖各项指标为自变量进行逐步回归分析，建立回归方程。可对杉木的抗弯强度、抗弯弹性模量、抗拉强度进行预测，将为木材的合理加工利用和林木定向培育等提供理论基础，对提高木材利用率具有重要的意义。

Description

一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法
技术领域
本发明涉及木材物理学技术领域，尤其涉及一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法。
背景技术
随着天然林的骤减，人工林成为了全球木材工业的主要原材料。人工林是世界森林重要的组成部分，在生态环境和经济建设发展等方面发挥着重要的作用。根据“我国第八次森林资源清查结果及分析”显示：人工林面积由之前的6169 万公顷增加到6933万公顷，增加了764万公顷，占全国林地面积的36％；人工林蓄积从原来的19.61亿m3加到24.83亿m3，增加了5.22亿m3，并始终保持着持续增长趋势，我国人工林面积居于世界首位。
据中国森林资源报告，在人工林建设中，蓄积量排名居前十位的依次为杉木、杨树、马尾松、桉树、落叶松、橡胶、栎树、柏木、油松、国外松，面积总计为2484.49万hm3，蓄积合计为24.84亿m3，占人工乔木林蓄积量的73.34％。杉木林有990.20万公顷，面积比例占人工林乔木树种的17.35％，蓄积量为 75545.01万立方米，占比为22.30％，杉木组蓄积量为82064.35万立方米，占比为24.22％，为全国优势树种的首位。随着我国对木制品需求量的不断增加，人工林杉木将成为木制品原材料的首选，但是传统培育模式下的人工林木材由于生长周期短，导致密度小、强度低、材质松软、变异性大等问题，严重影响了其应用范围，制约着木材工业的发展。
因此研究遗传改良后木材的微观构造与物理力学性能的关系，对于提高人工林杉木合理高效利用具有重要意义。
发明内容
为了解决上述相关领域中的不足，本发明提供一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法。
本发明的一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法是通过以下技术方案实现的：
一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法，包括：
步骤1，取样：选取待分析木段底端的木材；
步骤2，测试：对所选取木材的微观形态特征进行测试；
步骤3，评估：根据所测试的数据分别对木材的抗弯强度、抗弯弹性模量以及抗拉强度进行建立回归模型并根据回归模型进行评估。
进一步地，所述回归模型是将yn＝b0+b1·x1+b2·x2+……+bm·xm通过spss计算得到的；其中y值越大，说明所选材料相应的力学性能越好；
其中，y包括y1、y2和y3，y1代表木材的抗弯强度，y2代表木材的抗弯弹性模量，y3代表木材的微薄片抗拉强度；
b为回归模型所对应的回归系数；
x为微观形态特征，所述微观形态特征包括管胞形态特征值、组织比量和结晶度x10，所述管胞形态特征值包括基本密度x1、管胞长度x2、管胞宽度x3、管胞双壁厚x4、管胞长宽比x5和管胞壁腔比x6；所述组织比量包括管胞比量x7、薄壁组织比量x8和木射线比量x9；
m为0～10的整数。
进一步地，所述木材为杉木。
进一步地，所述木材的抗弯强度是通过以下公式进行评估的：
y1＝17.001x1+2.433x3+7.92x6+14.237x7+7.457x10-47.824。
进一步地，所述木材的抗弯弹性模量是通过以下公式进行评估的：
y2＝4006.679-13.52x1+8.44x2+0.504x7-0.17x8。
进一步地，所述木材的抗拉强度是通过以下公式进行评估的：
y3＝212.83x1+3.84x2+0.46x7+4.13x10-63.06。
进一步地，所述管胞形态特征值是通过以下步骤得到的：
步骤a，取样：选取待分析木段底端的木材，并在圆盘每个年轮早材部位取 1mm×1mm×20mm(弦向×径向×纵向)大小的试样；
步骤b，排气：将试样放入试管中，加蒸馏水没过试样，然后将试管置于60～90℃水浴锅中加热，直至试样沉在试管底部，此时完成排气；
步骤c，离析：将排气后的试样放入混合溶液中，用保鲜膜封盖，扎孔通气， 60℃～90℃温度下，水浴继续加热至试样颜色完全变白，便于分散为止；
步骤d，冲洗：用蒸馏水将试样冲洗至试样表面pH为7，用镊子夹取少量试样于载玻片上，滴少许蒸馏水，用解剖针轻轻拍打至试样完全分散，以便于观察测量；
步骤e，气干试样后，利用光学显微镜对制好的玻片中完整的管胞进行观察测量，测量完整的管胞长度，管胞宽度及管胞双壁厚，测定若干组；
步骤f，将测定若干组管胞形态特征值的平均值分别作为每个样品的管胞长度、管胞宽度及管胞双壁厚，测定完成后，根据所测数据计算得出双壁厚、长宽比、壁腔比。
进一步地，所述组织比量是通过以下步骤得到的：
步骤i，取样：在各木材同一高度处取一3cm厚圆盘，按心边材各取一个边长为1～2cm的立方体小木块；
步骤ii，软化：将所述小木块置于烧杯中水浴加热软化试样，当试样可切出连续完整的横切面，即认为达到切片要求，用LeiCa滑走式切片机在试样横、弦面各切取2～3片备用，切片厚度为16～22μm；
步骤iii，染色：将切片置于4％番红试剂中，染色至染色液充分浸入组织细胞中为止；
步骤iv，脱水：染色后的试样在30％、50％、75％、95％、100％不同乙醇浓度下逐级各脱水5～10min，防止脱色过度导致组织切片红色变淡及防止透明过程中出现白色浑浊物质；
步骤v，制片：脱水完成的切片逐级置于体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯溶液，体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯I溶液，以及体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯Ⅱ溶液中各处理10min，树胶封固；
步骤vi，测量：制得的切片置于数码光学显微镜下，40倍镜下，在横切面观察测量单位管胞密度；400倍镜下，在横切面测量管胞比量，径切面测量薄壁组织比量，弦切面测量木射线比量，每个试样至少测定30次。
进一步地，所述结晶度是通过以下步骤得到的：
首先，将不同无性系试验材料按心、边材取样，用木粉机磨成木粉；然后，筛选100目以上的粉末，置于恒温恒湿箱内平衡含水率两周；再利用X射线衍射仪测试其结晶度，即可得到相应的结晶度。
进一步地，步骤c所述的混合溶液为体积比为1:1的质量分数为30％的双氧水与纯浓度的冰醋酸的混合溶液。
本发明相对于现有技术而言，具备以下有益效果：本发明提供一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法，以杉木的抗弯强度、抗弯弹性模量及微切片抗拉强度为因变量，微观解剖各项指标为自变量进行逐步回归分析，建立回归方程。可对杉木的抗弯强度、抗弯弹性模量、抗拉强度进行预测，将为木材的合理加工利用和林木定向培育等提供理论基础，对提高木材利用率具有重要的意义。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为实施例1的杉木管胞形态径向变异规律，其中，图1(上)表示的是管胞长度随着生长轮龄(年轮)变化而逐步变大的规律；图1(中)表示的是管胞宽度、管胞双壁厚与生长轮龄的关系图；图1(下)表示的是管胞长宽比和管胞壁腔比随生长轮龄(年轮)的变化趋势图；
图2为实施例2的杉木管胞形态径向变异规律；
图3为实施例3的杉木管胞形态径向变异规律；
图4为实施例4的杉木管胞形态径向变异规律；
图5为实施例1-4的杉木心、边材组织比量差异图；
图6为实施例1-4的杉木基本密度径向变异规律。
具体实施方式
一、实验原料
1.实施例1-4的材料
均取自浙江省开化县林场，地处北纬28°54′、东经118°01′，该地区属于亚热带季风气候，四季分明、温暖湿润，年平均气温为16.4℃，日照时长1712.5 小时，无霜期252d，降水量1814㎜。试验材料均为伐倒样木上沿树高方向截取 3.5m—5.5m处，长为2m的原木段，各株杉木基本情况见表1。
表1各杉木基本情况
Figure SMS_1
2.主要试剂
表2主要试剂
Figure SMS_2
Figure SMS_3
3.主要设备
表3主要设备
Figure SMS_4
二、实验部分
1.实施例1-4木材管胞形态特征值的测量
在各株杉木段底端取一3cm厚的圆盘，该圆盘(本试验研究南向部分)在每个年轮早材部位各取1mm×1mm×20mm(弦向×径向×纵向)大小的试样，共计17个年轮；将试样放入试管中，加蒸馏水没过试样，将试管置于90℃水浴锅中加热直至试样沉在试管底部，完成排气；将排气后的试样放入V30％双氧水： V冰醋酸为1:1的混合溶液中，用保鲜膜封盖，扎孔通气，90℃水浴继续加热至试样完全变白；用蒸馏水将试样冲洗至试样表面pH为7，用镊子夹取少量试样于载玻片上，滴少许蒸馏水，用解剖针轻轻拍打至试样完全分散，以便于观察测量；气干试样后，利用光学显微镜对制好的玻片中完整的管胞进行观察测量，在 40倍镜下测量完整的管胞长度，400倍镜下测管胞宽度及管胞双壁厚时，测量管胞中部附近3个位置的管胞宽度及管胞直径，取这3个部位测量值的平均值作为每个管胞的宽度值和管胞直径值，且每个试样载玻片(每个年轮)上随机测量随机测量80个样本；将测定的80个管胞形态特征值的平均值分别作为每个样品的管胞长度、管胞宽度及管胞双壁厚，测定完成后，将数据录入EXCEL软件，计算得出双壁厚、长宽比、壁腔比。结果如表4、图1-4所示。
表4杉木管胞形态参数特征值
Figure SMS_5
Figure SMS_6
实施例2
Figure SMS_7
实施例3
Figure SMS_8
Figure SMS_9
实施例4
Figure SMS_10
由图1可以看出，实施例1的杉木管胞长度随着生长轮龄的增加变化显著，总体呈现增加趋势，第1a处为最小值848.69μm，1a—6a，管胞长度迅速增加， 7a—17a，管胞长度变化为增加趋势，但波动较大，在16a处达到最大值，为 3366.55μm。管胞宽度和管胞双壁厚无明显的变化规律，管胞宽度最小值为第9a 处29.96μm，最大值在第15a处47.22μm，此时，管胞双壁厚最大值为4.98μm；管胞长宽比和管胞壁腔比从髓心到树皮，数值总体呈现增加的趋势，趋势线上下波动较大，管胞长宽比最小值在1a处，为22.35，最大值在17a处，为117.07， 5-17a间的杉木管胞长宽比均大于50，适用于造纸原材料。胞壁腔比均小于1。
由图2可以看出，实施例2的管胞长度随着生长轮龄的增加变化显著，总体呈现增加趋势，在生长轮龄初期，管胞长度较短，第2a处为最小值1031.46μm， 1a—10a，管胞长度迅速增加，10a—17a，管胞长度变化为增加趋势，存在着一定的波动，在17a处达到最大值，为3757.56μm；管胞宽度无明显的变化规律，管胞宽度最小值为第6a处30.12μm，最大值在第13a处50.93μm；管胞双壁厚在 1a—11a阶段总体呈现递增趋势，到12a处管胞双壁厚值减小，之后保持稳定，在第11a处管胞双壁厚有最大值为6.05μm；管胞长宽比随着生长轮龄的增大，管胞长宽比逐渐增大，在第16a处达到最大值93.32，管胞壁腔比从髓心到树皮，数值总体呈现先增加后减小的趋势，趋势线上下波动较大，最大值在第6a处，为0.243。
由图3可以看出，实施例3的杉木管胞长度随着生长轮龄的增加变化显著，在生长轮龄初期第1a处，管胞长度较短为最小值1155.24μm，1a—13a，管胞长度迅速增加，13a—17a，管胞长度随生长轮龄增加趋势变缓，在17a处达到最大值，为3614.07μm；管胞宽度径向变异不明显，由髓心到树皮，呈现先增加后减小的变化趋势，管胞宽度最小值为第3a处32.26μm，最大值在第9a处40.37μm；管胞双壁厚径向变异模式相似，随着生长轮龄增加，总体呈现先增加后减小的趋势，在第8a处管胞双壁厚有最大值为6.61μm；管胞长宽比随着生长轮龄的增大，管胞长宽比逐渐增大，在第16a处达到最大值106.56，1a—6a期间，管胞长宽比增加速率较小，7a—11a管胞长宽比迅速增加，之后趋于平缓，管胞壁腔比从髓心到树皮无明显的变异规律，在第11a处有最大值0.282。
由图4可以看出，实施例4的杉木管胞长度随着生长轮龄的增加变化显著，总体呈现增加趋势，趋势上略有波动，在生长轮龄初期第1a处，管胞长度较短为最小值976.72μm，1a—14a，管胞长度迅速增加，14a—17a，管胞长度随生长轮龄增加趋势变缓，在14a处达到最大值，为3795.09μm；管胞宽度和管胞双壁厚径向变异规律相似，均随着生长轮龄的增加，总体上呈现先增加后趋于平缓的趋势，管胞双壁厚变异系数较大，受外界影响较大；管胞宽度最小值为第3a处 30.42μm，最大值在第10a处47.74μm；在第11a处管胞双壁厚有最大值为6.07μm；管胞长宽比随着生长轮龄的增大，管胞长宽比逐渐增大，在第13a处达到最大值93.31，1a—13a期间，管胞长宽比增加迅速，13a—17a管胞长宽比值上下波动较大，管胞壁腔比从髓心到树皮无明显的变异规律，在第2a处有最大值0.192。
表5不同无性系杉木管胞形态特征值
Figure SMS_11
表6管胞形态特征在无性系间的方差分析
Figure SMS_12
表7无性系间管胞形态特征变异统计表
Figure SMS_13
Figure SMS_14
重复力(广义遗传力)是无性系测定中的一个重要遗传参数，为环境方差与基因型方差之和在表现方差中所占比例，计算公式为：h2＝1-1/F，式中，F 为方差检验值。
由表5可以观察到四种杉木平均管胞长度范围为2368.64μm～2567.92μm，管胞长度最长的为实施例4的杉木，值为2567.92μm，长度形态值较短的无性系是实施例1的杉木，分别为2479.81μm；四种不同无性系杉木间，变异系数均大于28％，说明管胞长度值径向变化幅度较大，由方差分析表6可看出，无性系间管胞长度、管胞长宽比差异不显著。在0.01水平下，无性系对杉木管胞双壁厚影响极显著，各管胞双壁厚形态值由大到小为实施例4(4.95μm)>实施例3 (4.83μm)>实施例2(4.59μm)>实施例1(4.03μm)，管胞双壁厚最大的无性系比最小的无性系高出22.9％。管胞宽度和管胞壁腔比无性系间具有显著性差异 (0.01<P<0.05)，杉木的管胞宽度值由大到小为：实施例3(38.12μm)>实施例 1(36.34μm)>实施例2(35.95μm)>实施例4(33.79μm)。实施例3杉木的平均管胞宽度比最小值高12.81％，不同无性系杉木变异系数相对较小，管胞宽度形态值变化稳定。平均管胞壁腔比由大到小为：实施例3(0.18)>实施例2 (0.15)>实施例4(0.14)>实施例1(0.12)，无性系Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ杉木变异系数均超过20％，变化幅度较大不稳定。表7中，由于管胞长度、管胞长宽比在无性系间差异不显著，说明该指标受遗传因素的影响较小，故不考虑其重复力的估算。管胞宽度、管胞双壁厚、管胞壁腔比的重复力分别为0.739、0.774、0.618，均大于0.5，属于中等以上水平，说明这些指标受到中度以上的遗传控制，可为遗传改良提供理论依据。
2.实施例1-4木材组织比量的测定
取样：在各木材同一高度处取一3cm厚圆盘，按心边材各取一个边长为1cm 的立方体小木块；软化：将所述小木块置于烧杯中水浴加热软化试样，当试样可切出连续完整的横切面，即认为达到切片要求，用LeiCa滑走式切片机在试样横、弦面各切取3片备用，切片厚度为18μm；染色：将切片置于4％番红试剂中，染色4小时，至染色液充分浸入组织细胞中为止；脱水：染色后的试样在30％、 50％、75％、95％、100％不同乙醇浓度下逐级各脱水10min，防止脱色过度导致组织切片红色变淡及防止透明过程中出现白色浑浊物质；制片：脱水完成的切片逐级置于体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯溶液，体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯I溶液，以及体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯Ⅱ溶液中各处理10min，树胶封固；测量：制得的切片置于数码光学显微镜下，40倍镜下，在横切面观察测量单位管胞密度；400倍镜下，在横切面测量管胞比量，径切面测量薄壁组织比量，弦切面测量木射线比量，每个试样测定30次，结果如表8所示。
表8无性系杉木心、边材组织比量
Figure SMS_15
Figure SMS_16
表9各杉木心、边材方差分析表
Figure SMS_17
注：表9中，SS代表方差分析表中的离差平方和；df代表的是自由度；MS代表均方；
F为检验统计值；P-value代表伴随概率；Fcrit代表F临界值，确定的显著性水平α下的F分布的分位数值。
由表8可以看出，木材细胞各组织比量的由大到小排序为：管胞比量>木射线比量>薄壁组织比量。由图5和表9可以看出，心材的管胞比量、薄壁组织比量均小于边材。木射线比量受到管胞比量和薄壁组织比量的影响，随着生长轮龄的增加，管胞比量增加，木射线比量减小，且在α＝0.05水平下，心、边材对组织比量无显著差异。表10无性系间组织比量的方差分析表可知，四个无性系间杉木平均管胞密度、管胞比量、轴向薄壁组织比量、木射线比量差异均不显著。
表10无性系间组织比量方差分析表
Figure SMS_18
注：表10中，SS代表方差分析表中的离差平方和；df代表的是自由度；MS代表均方；
F为检验统计值；P-value代表伴随概率；Fcrit代表F临界值，确定的显著性水平α下的F分布的分位数值。
3.实施例1-4杉木物理力学特性测定
(1)基本密度的测定
木材基本密度的试验方法和处理参照国家标准《木材密度测定方法》 GB1933-2009采用排水法进行测量，故在此不做赘述，每种杉木制取17个试样，测得结果如表11所示。
表11各株无性系杉木基本密度径向变异
Figure SMS_19
表12无性系杉木间基本密度方差分析表
Figure SMS_20
由表11和图6可知，不同无性系杉木基本密度径向变异模式相似，从髓心到树皮，基本密度值逐渐增大，但在趋势线上下具有一定波动，均在2a附近出现最小值，约为0.29g/cm3，各株杉木中实施例3的平均基本密度较三者小，值为0.326g/cm3，其余杉木在0.335g/cm3左右。据表12无性系杉木间方差表分析可知，α＝0.1水平下，不同无性系间杉木基本密度差异不显著。
(2)结晶度的测定
将不同无性系试验材料按心、边材取样，用木粉机磨成木粉，筛选100目以上的粉末，置于恒温恒湿箱内平衡含水率两周，利用X射线衍射仪(SmartLab，日本理学，日本)测试其结晶度变化。X射线中CuKα辐射波长为
Figure SMS_21
测试时，扫面角度2θ范围在3-50°间，扫描速度，步长为0.02°。参照Segal方法，试验过程中主要获取2θ在22°附近的(002)衍射峰极大值和18°附近的衍射峰极小值，按照相对结晶度计算公式/>
Figure SMS_22
进行计算，其中：Crl是相对结晶度，％；I002表示晶格衍射角的极大强度，一般在2θ＝22.5°附近出现；Iam为 18°附近的非结晶背景衍射的散射强度。根据晶面002处的最大半峰值宽值，通过Scherer公式计算得到木材的D002晶面即微晶宽：/>
Figure SMS_23
其中Dhkl为垂直于晶面(hkl)方向的晶粒直径(nm)，λ是波长(0.154nm)，β是衍射角2θ的最大半峰宽，θ是衍射角，K为Scherer常数(0.9)。/>
表13不同无性系杉木心、边材结晶度比较
Figure SMS_24
表14杉木结晶度株内、株间方差分析
Figure SMS_25
由表13和表14可以看出，四株杉木边材结晶度均大于心材，且在α＝0.1水平上，无性系间及株内结晶度差异均不显著。所以针对结晶度因素进行选育工作时，可不考虑无性系间的差异。
(3)抗弯强度及抗弯弹性模量的测试
抗弯强度根据GB/T1936—2009《木材抗弯强度试验方法》中的规定对不同无性系的杉木木材进行测试，试件尺寸为20mm×20mm×300mm(径向×弦向×纵向)。抗弯弹性模量根据GB/T1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》中的方法对各无性系杉木进行测试。结果如表15所示，不同无性系杉木中，边材的抗弯强度、抗弯弹性模量值较心材大。四株杉木MOR(抗弯强度)、MOE(抗弯弹性模量)最大值均出现在实施例3的边材，值分别为47.756MPa、5723.2MPa，最小值均出现在实施例3的心材，值分别为38.419MPa、4606.2MPa。由表16、 17可知，在α＝0.1水平下杉木株内及株间的抗弯强度、抗弯弹性模量差异性均不显著。因此，进行人工林选育措施时，可不考虑无性系株间对木材抗弯强度及抗弯弹性模量的影响。
表15无性系杉木心材和边材的抗弯强度、抗弯弹性模量
Figure SMS_26
表16 MOR双因素无重复方差分析
Figure SMS_27
/>
表17 MOE无重复双因素方差分析
Figure SMS_28
(2)微薄片拉伸实验
不同无性系杉木在同一高度处截取一5cm厚的圆盘，过髓心按南北向锯解宽为3cm的中心条，浸泡在水中进行软化，用滑走性切片机在各年轮早材处切片，每个年轮各取3片80μm厚的微切片试样，置于两片载玻片之间，用皮筋夹紧。置于恒温恒湿箱内，环境为温度为20℃，含水率为65％，平衡含水率调节后2周进行测试。
将试样置于微力学试验机夹具装置，夹紧试样，输入所测木片试样的宽度、厚度尺寸，测试木片断裂后的最大拉伸应力值，由计算机自动计算出木片的抗拉强度。各株无性系杉木微切片试样的拉伸强度断裂值如表18所示，对不同无性系杉木微薄片拉伸强度值进行方差分析，分析结果如表19，由表18和19可知，微切片抗拉强度值的变化范围在18.31～66.36N间。株内微切片拉伸强度径向变异规律显著，在髓心处，抗拉强度值较小，随着生长轮龄的增加，拉伸断裂荷载值总体呈现增大趋势，存在着一定的波动。无性系间抗拉强度值在α＝0.05水平下差异性不显著，实施例3的杉木的抗拉强度平均值最小，为39.47N，实施例2 的杉木的抗拉强度平均值最大，为44.04N，重复力为0.909，说明该指标受遗传因素的影响较大。
表18无性系杉木微薄片拉伸强度径向变异值
Figure SMS_29
注：/>
Figure SMS_30
表示平均值，V表示变异系数。
表19微薄片拉伸强度值方差分析表
Figure SMS_31
表20无性系间微切片抗拉强度值变异统计表
Figure SMS_32
4.杉木微观构造与物理力学性能关系模型建立
(1)解剖特性与物理力学性能的相关关系
表21各杉木主要性状统计结果
Figure SMS_33
表22各杉木主要性状统计结果
Figure SMS_34
表23主要性状之间的相关矩阵
Figure SMS_35
Figure SMS_36
表24主要性状之间的相关矩阵
Figure SMS_37
注：*表示相关性显著，**表示相关性极显著
由表23、24可知，树高与基本密度、胸径与管胞长宽比及壁腔比、管胞长宽比与管胞壁腔比呈极显著正相关，相关系数分别为0.992、0.905、0.712、0.911；胸径与管胞宽度、管胞长度与管胞双壁厚、双壁厚与管胞长宽比及壁腔比呈显著正相关，相关系数分别为：0.677、0.636、0.645、0.671；树高与胸径、管胞宽度、管胞长宽比、管胞壁腔比，胸径与基本密度，基本密度与管胞长宽比、壁腔比，管胞长度与管胞宽度呈极显著负相关，相关系数分别为：-0.948、-0.776、-0.943、-0.878、-0.956、-0.974、-0.855、-0.829。基本密度与管胞宽度呈显著负相关，相关系数为-0.694。
基本密度与结晶度、MOR、抗拉强度，管胞长度与管胞比量，管胞宽度与管胞木射线比量，结晶度与MOR、抗拉强度，MOR与微切片抗拉强度呈极显著正相关关系。基本密度与管胞比量、MOE，管胞长度与MOR，管胞宽度与结晶度、MOE，管胞长宽比与薄壁组织比量，管胞比量与MOE，结晶度与MOE， MOR与MOE呈显著正相关关系。
基本密度与薄壁组织比量，管胞长度与木射线比量，管胞宽度与管胞比量、 MOR，管胞长宽比与结晶度、抗拉强度，管胞壁腔比与结晶度、MOR、抗拉强度，木射线比量与MOR，薄壁组织与结晶度、MOR、MOE、抗拉强度呈极显著负相关关系；管胞宽度与MOE、抗拉强度，木射线比量与MOE呈负相关关系。
(2)基本密度与木材力学性质的相关关系
木材密度表示单位体积木材物质的数量，因为木材密度指标与木材力学性能关系密切，据前人研究，两者之间的表达式为y＝ax+b和y＝axb。
表25杉木基本密度与木材力学性质之间的相关分析
Figure SMS_38
注：**指在0.01水平下的显著性
从表25可以看出，杉木基本密度对其力学性能有着不同程度的影响，相关系数均在0.6以上，说明基本密度与抗弯强度、抗弯弹性模量及薄片拉伸强度值直接存在显著相关性，且基本密度与抗弯强度的相关性>基本密度与薄片抗拉强度的相关性>基本密度与抗弯弹性模量的相关性。
(3)抗弯强度与抗弯弹性模量的相关关系
对抗弯强度和抗弯弹性模量进行回归分析，发现一元回归方程拟合程度较好，与柯病凡、苌姗姗的研究结果一致。根据表26可知，杉木的抗弯强度与抗弯弹性模量间相关系数在0.571～0.703，存在着较好的相关关系，因此，可根据相应的关系方程式，对木材的材性进行预测，达到定向选育树种和木材的合理加工利用。
表26杉木抗弯强度与抗弯弹性模量之间的相关分析
Figure SMS_39
注：**指在0.01水平下的显著性
(4)解剖特性与力学性能的关系模型
逐步回归是逐步引入和剔除自变量，反应多个自变量对因变量的影响程度的回归函数。以杉木的抗弯强度、抗弯弹性模量及微切片抗拉强度为因变量，微观解剖各项指标为自变量进行逐步回归分析，基本密度、管胞长度、管胞宽度、管胞双壁厚、管胞长宽比、管胞壁腔比、管胞比量、薄壁组织比量、木射线比量、结晶度分别对应自变量x1-x10，建立多元回归方程：y＝b0+b1x1+b2x2+……+bmxm；利用spss计算得到回归模型。
a.解剖特性与抗弯强度的关系模型
表27-29中的模型1-5指的是，逐步回归分析方法中，自变量逐步引入后所对应的回归模型。
表27解剖特性与抗弯强度模型概述表
Figure SMS_40
表28回归系数表
Figure SMS_41
表29方差分析表
Figure SMS_42
/>
Figure SMS_43
由表27-28可知，模型5具有最大相关系数(R2为0.92)，显著性为0.009。可得出影响杉木抗弯强度的主要解剖因子有基本密度、管胞宽度、管胞壁腔比、管胞比量和结晶度，关系模型为：
y1＝17.001x1+2.433x3+7.92x6+14.237x7+7.457x10-47.824。
b.解剖特性与抗弯强度的关系模型
表30解剖特性与抗弯弹性模量模型概述表
Figure SMS_44
表31回归系数表
Figure SMS_45
Figure SMS_46
注：表31中，Beta值代表回归系数；t代表对该回归系数Beta做的假设检验的结果。
表32方差分析表
Figure SMS_47
由表30-32可知，模型4具有最大相关系数(R2为0.894)，显著性为0.004。可得出影响杉木抗弯弹性模量的主要解剖因子有基本密度、管胞长度、管胞比量和木射线比量，关系模型为：y2＝4006.679-13.52x1+8.44x2+0.504x7-0.17x8。
c.解剖特性与微切片拉伸强度的关系模型
表33解剖特性与微切片拉伸强度模型概述表
Figure SMS_48
表34回归系数表
Figure SMS_49
Figure SMS_50
注：表34中，Beta值代表回归系数；t代表对该回归系数Beta做的假设检验的结果。
表35方差分析表
Figure SMS_51
/>
由表33-35可知，模型4具有最大相关系数(R2为0.982)，显著性为0.00012。可得出影响杉木微切片抗拉强度的主要解剖因子有基本密度、管胞长度、管胞比量和结晶度，关系模型为：y3＝212.83x1+3.84x2+0.46x7+4.13x10-63.06。
需要说明的是，本发明所述spss(StatisticalProductandServiceSolutions)，“统计产品与服务解决方案”软件。spss的基本功能包括数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等等。spss统计分析过程包括描述性统计、均值比较、一般线性模型、相关分析、回归分析、对数线性模型、聚类分析、数据简化、生存分析、时间序列分析、多重响应等几大类，每类中又分好几个统计过程，比如回归分析中又分线性回归分析、曲线估计、Logistic回归、Probit回归、加权估计、两阶段最小二乘法、非线性回归等多个统计过程，而且每个过程中又允许用户选择不同的方法及参数。spss也有专门的绘图系统，可以根据数据绘制各种图形。
利用spss进行逐步回归分析，逐步回归分析的基本思想是：将变量一个一个引入，每引入一个变量时，要对已选入的变量进行逐个检验。当原引入的变量由于后面变量的引入而变得不再显著时，将其剔除。这个过程反复进行，直到既无显著的变量选入方程，也无不显著变量从回归方程中剔除为止。本发明以基本密度x1、管胞长度x2、管胞宽度x3、管胞双壁厚x4、管胞长宽比x5和管胞壁腔比x6；所述组织比量包括管胞比量x7、薄壁组织比量x8和木射线比量x9，及结晶度为自变量，将这自变量逐步引入回归方程，得到木材抗弯强度、抗弯弹性模量及微薄片拉伸强度与各自变量的关系模型。

Claims (5)

1.一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法，其特征在于，包括：
步骤1，取样：选取待分析木段底端的木材；
步骤2，测试：对所选取木材的微观形态特征进行测试；
步骤3，评估：根据所测试的数据分别对木材的抗弯强度、抗弯弹性模量以及抗拉强度进行建立回归模型并根据回归模型进行评估；
所述回归模型是将yn＝b0+b1·x1+b2·x2+……+bm·xm通过spss计算得到的，其中y值越大说明所选材料相应的力学性能越好；
其中，y包括y1、y2和y3，y1代表木材的抗弯强度，y2代表木材的抗弯弹性模量，y3代表木材的微薄片抗拉强度；
b为回归模型所对应的回归系数；
x为微观形态特征，所述微观形态特征包括管胞形态特征值、组织比量和结晶度x10，所述管胞形态特征值包括基本密度x1、管胞长度x2、管胞宽度x3、管胞双壁厚x4、管胞长宽比x5和管胞壁腔比x6；所述组织比量包括管胞比量x7、薄壁组织比量x8和木射线比量x9；
m为0～10的整数；
所述木材为杉木；
所述木材的抗弯强度是通过以下公式进行评估的：
y1＝17.001x1+2.433x3+7.92x6+14.237x7+7.457x10-47.824；
所述木材的抗弯弹性模量是通过以下公式进行评估的：
y2＝4006.679一13.52x1+8.44x2+0.504x7-0.17x8；
所述木材的抗拉强度是通过以下公式进行评估的：
y3＝212.83x1+3.84x2+0.46x7+4.13x10-63.06。
2.如权利要求1所述的一种基于木材微观形态特征评估木材物理力学性质的方法，其特征在于，所述管胞形态特征值是通过以下步骤得到的：
步骤a，取样：选取待分析木段底端的木材，并在圆盘每个年轮早材部位取弦向×径向×纵向为1mm×1mm×20mm大小的试样；
步骤b，排气：将试样放入试管中，加蒸馏水没过试样，然后将试管置于60～90℃水浴锅中加热，直至试样沉在试管底部，此时完成排气；
步骤c，离析：将排气后的试样放入混合溶液中，用保鲜膜封盖，扎孔通气，60℃～90℃温度下，水浴继续加热至试样颜色完全变白，便于分散；
步骤d，冲洗：用蒸馏水将试样冲洗至试样表面pH为7，用镊子夹取少量试样于载玻片上，滴少许蒸馏水，用解剖针轻轻拍打至试样完全分散，以便于观察测量；
步骤e，气干试样后，利用光学显微镜对制好的玻片中完整的管胞进行观察测量，测量完整的管胞长度，管胞宽度及管胞双壁厚，测定若干组；
步骤f，将测定若干组管胞形态特征值的平均值分别作为每个样品的管胞长度、管胞宽度及管胞双壁厚，测定完成后，根据所测数据计算得出双壁厚、长宽比、壁腔比。
3.如权利要求2所述的一种用于木材物理力学性质的评估方法，其特征在于，所述组织比量是通过以下步骤得到的：
步骤i，取样：在各木材同一高度处取一3cm厚圆盘，按心边材各取一个边长为1～2cm的立方体小木块；
步骤ii，软化：将所述小木块置于烧杯中水浴加热软化试样，当试样可切出连续完整的横切面，即认为达到切片要求，用LeiCa滑走式切片机在试样横、弦面各切取2～3片备用，切片厚度为16～22μm；
步骤iii，染色：将切片置于4％番红试剂中，染色至染色液充分浸入组织细胞中为止；
步骤iv，脱水：染色后的试样在30％、50％、75％、95％、100％不同乙醇浓度下逐级各脱水5～10min，防止脱色过度导致组织切片红色变淡及防止透明过程中出现白色浑浊物质；
步骤v，制片：脱水完成的切片逐级置于体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯溶液，体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯I溶液，以及体积比为1:1的无水乙醇与二甲苯Ⅱ溶液中各处理10min，树胶封固；
步骤vi，测量：制得的切片置于数码光学显微镜下，40倍镜下，在横切面观察测量单位管胞密度；400倍镜下，在横切面测量管胞比量，径切面测量薄壁组织比量，弦切面测量木射线比量，每个试样至少测定30次。
4.如权利要求2所述的一种用于木材物理力学性质的评估方法，其特征在于，所述结晶度是通过以下步骤得到的：
首先，将不同无性系试验材料按心、边材取样，用木粉机磨成木粉；然后，筛选100目以上的粉末，置于恒温恒湿箱内平衡含水率两周；再利用X射线衍射仪测试其结晶度，即可得到相应的结晶度。
5.如权利要求2所述的一种用于木材物理力学性质的评估方法，其特征在于，步骤c所述的混合溶液为体积比为1:1的质量分数为30％的双氧水与纯浓度的冰醋酸的混合溶液。
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