楊露露，董喜斌，徐華東

(東北林業(yè)大學(xué) 森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

0 引言

近年來，我國森林資源持續(xù)增長，森林面積達(dá)2.2億hm2，森林蓄積量達(dá)175.6億m3，森林覆蓋率已從20世紀(jì)70年代的12.7%提高至目前的23.04%；然而與世界平均森林覆蓋率32%[1]相比，我國仍是一個缺林少綠、生態(tài)脆弱的國家，森林資源相對匱乏。要徹底解決我國森林資源短缺問題，須從以下2方面入手：一要合理采伐木材，伐后及時(shí)更新，使木材生長量與采伐量基本平衡；二要保證樹木健康，提高木材利用率和綜合利用率。

活力木健康檢測需在無損情況下進(jìn)行，目前，國內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的無損檢測方法主要有電阻法和應(yīng)力波法。翁翔等[2]研究了應(yīng)力波在樹木徑切面?zhèn)鞑ニ俣茸兓闆r，并建立了對應(yīng)的速度傳播模型；Yang等[3]利用應(yīng)力波無損檢測技術(shù)評估了木材腐朽菌對濕地松(Pinuselliottii)彈性模量的影響；岳小泉等[4]對電阻斷層、應(yīng)力波和阻抗儀3種無損檢測方式在活立木中的缺陷檢測效果作了定量分析；張春曉等[5]建立了應(yīng)力波在樹木不同角度縱切面的傳播速度模型；焦治等[6]基于速度誤差校正提高了應(yīng)力波斷層成像的準(zhǔn)確性；孫麗萍等[7]分析了應(yīng)力波在木材無損檢測中的應(yīng)用及研究進(jìn)展；Xu等[8]利用電阻法無損檢測技術(shù)對我國古樹的保護(hù)進(jìn)行了研究；岳小泉等[9]利用電阻法研究了不同含水率下腐朽木材的電阻值；郝泉齡[10]基于電阻層析技術(shù)對東北地區(qū)典型樹種ERT圖像隨季節(jié)的變化進(jìn)行了分析并對樹木腐朽程度進(jìn)行了判斷。

電阻法和應(yīng)力波法均能檢測樹木腐朽程度，但對于不同腐朽程度的活立木，2種檢測方法哪一種更加可靠、高效目前還沒有定量的對比說明。鑒于此，文中基于電阻法和應(yīng)力波法檢測機(jī)理不同，采用2種方法對不同腐朽程度的活立木進(jìn)行檢測，通過對比分析，判斷在不同腐朽程度下哪一種檢測方法與真實(shí)結(jié)果更接近，從而更好地對樹木進(jìn)行檢測，以實(shí)現(xiàn)對活立木腐朽程度更加高效、準(zhǔn)確檢測的目的。

1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)材料、方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場，126°37′6″～126°46′18″E，45°43′8″～45°56′23″N，海拔136～140 m，地勢稍有起伏，西高東低、南高北低，土地總面積約43.95 hm2。屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫3.6 ℃，最低氣溫-38.1 ℃(1月中旬)，最高氣溫36.4 ℃(7月中旬)，全年無霜期136 d，年均降水量約623 mm。林場于20世紀(jì)50年代末期和60年代初期進(jìn)行了人工造林試驗(yàn)，林場內(nèi)共46塊樣地分布著18種人工林，每塊樣地面積約0.5 hm2，樣地內(nèi)均栽植1種樹種。

1.2 試驗(yàn)材料

在林場內(nèi)選擇水曲柳(Fraxinusmandshurica)活立木作為試驗(yàn)材料，首先目測可能存在內(nèi)部腐朽的活立木，主要根據(jù)枝葉是否出現(xiàn)枯落、樹干是否出現(xiàn)空洞、樹皮是否有外傷或腐爛、樹干是否存在痂皮或臃腫等現(xiàn)象來判斷；然后選取9株內(nèi)部可能存在腐朽缺陷的水曲柳和1株健康水曲柳作為樣木，樹齡均為50～60 a，胸徑為22～32 cm。

1.3 試驗(yàn)儀器

Arbotom應(yīng)力波斷層成像系統(tǒng)，德國Rinntech公司生產(chǎn)； Picus Tree Tronic型樹木電阻斷層成像系統(tǒng)，德國Argus公司生產(chǎn)； CO300型樹木生長錐，瑞典生產(chǎn)；101-3A型鼓風(fēng)干燥機(jī)，天津生產(chǎn)；電子天平和卷尺。

1.4 試驗(yàn)方法

將待檢活立木分上、下2個不同高度截面，分別為距離地面40 cm和90 cm處橫截面，用記號筆標(biāo)記。使用樹木電阻斷層成像系統(tǒng)(ERT)和應(yīng)力波斷層成像系統(tǒng)對樣木各橫截面進(jìn)行腐朽檢測，在立木橫截面上根據(jù)周長等距離布置12個電極和傳感器，并標(biāo)記位于正北、正東2個方向上的電極以及傳感器位置。由電阻斷層成像系統(tǒng)得到的二維圖為電阻分布斷層圖，應(yīng)力波斷層成像系統(tǒng)得到的二維圖為應(yīng)力波波速斷層圖。

電阻法和應(yīng)力波法檢測完畢后，在立木上電阻法和應(yīng)力波法檢測正北、正東傳感器的位置用生長錐各取一段木芯(圖1)?；盍⒛灸拘痉湃朊芊獯醒杆賻Щ貙?shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理分析，首先用電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)(70 ℃)將木芯烘干到恒質(zhì)量，然后用電子天平(精度為0.1 mg)稱量每個腐朽木芯的質(zhì)量，記為m1，稱量每個健康木芯的質(zhì)量，并求其平均值記為m2，根據(jù)下式計(jì)算木芯質(zhì)量損失率(Ms)

(1)

圖1 木芯照片F(xiàn)ig.1 Wood core photos

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 電阻斷層成像數(shù)據(jù)處理

圖2為電阻法測得的水曲柳活立木橫截面電阻分布斷層圖。在圖中顏色標(biāo)尺下方的圓形區(qū)域內(nèi)，紅色區(qū)域電阻值較大，藍(lán)色區(qū)域電阻值較小(該區(qū)域因腐朽病變使鉀、鈣、錳和鎂等金屬離子含量增加，陽離子含量增大，電阻值減小)，顏色標(biāo)尺表示不同顏色所對應(yīng)的電阻值[11-13]。為準(zhǔn)確計(jì)算生長錐所取木芯的平均電阻值，將電阻分布斷層圖在生長錐所取木芯方向上取長度L，將相同顏色區(qū)域分為一段，按照顏色對應(yīng)的電阻值記為Ri，共分為n份(n為無限大)，則在該方向上平均電阻值Rd為：

(2)

定義電阻法檢測的立木腐朽程度為Ed，計(jì)算公式為

(3)

式中：R0為水曲柳健康立木橫截面生長錐所取木芯方向上的平均電阻值，Ω。

圖2 水曲柳立木橫截面電阻值分布斷層Fig.2 Fault diagram of resistance value distribution of Fraxinus mandshurica stand cross section

2.2 應(yīng)力波斷層成像數(shù)據(jù)處理

圖3為應(yīng)力波法測得的水曲柳立木橫截面波速分布斷層圖。在圖中顏色標(biāo)尺的左側(cè)圓形區(qū)域內(nèi)，紅色區(qū)域應(yīng)力波傳播速度較小(該處由于出現(xiàn)腐朽缺陷，使應(yīng)力波傳播速度降低)，綠色區(qū)域應(yīng)力波傳播速度較大(該處為樹木健康區(qū)域)，右邊顏色標(biāo)尺表示不同顏色所對應(yīng)的應(yīng)力波傳播速度[14-16]。為準(zhǔn)確計(jì)算生長錐所取木芯的應(yīng)力波傳播速度均值，將應(yīng)力波波速分布斷層圖在生長錐所取木芯方向上取長度L，將相同顏色區(qū)域分為一段，每段長度為Si，按照顏色將對應(yīng)于每段Si上的速度記為vi，共分為n份(n為無限大)，則在該方向上應(yīng)力波的傳播速度均值Vy為

(4)

定義應(yīng)力波檢測的立木腐朽程度為Wy，計(jì)算公式為

(5)

式中：V0為水曲柳健康立木橫截面生長錐所取木芯方向上應(yīng)力波傳播速度均值，m/s。

圖3 水曲柳立木橫截面應(yīng)力波波速分布Fig.3 Stress wave velocity distribution of Fraxinus mandshurica stand cross section

3 結(jié)果與分析

由圖4可知，每張檢測圖像均由不同顏色構(gòu)成，其中紅色區(qū)域電阻值較大，表明此處樹木健康，藍(lán)色區(qū)域電阻值較小，表明此處存在腐朽缺陷，之間的黃色和橘色區(qū)域?yàn)檫^渡區(qū)域，表示不同程度腐朽。電阻斷層圖基于不同部位電阻值的差異直觀表現(xiàn)木材缺陷，可以通過分析檢測圖像中電阻值變化判斷樹木腐朽程度。由圖5可知，整個圖像由不同顏色構(gòu)成，其中紅色區(qū)域應(yīng)力波波速較小，表明此處存在腐朽缺陷，綠色區(qū)域應(yīng)力波波速較大，表明此處為健康區(qū)域，從綠色到紅色波速逐漸減少，表示不同腐朽程度。應(yīng)力波斷層圖基于不同部位應(yīng)力波波速的差異直觀表現(xiàn)木材缺陷，可以通過分析應(yīng)力波檢測圖像中應(yīng)力波傳播速度變化判斷樹木腐朽程度。

圖4 不同腐朽程度水曲柳電阻法檢測圖像Fig.4 Detection image of Fraxinus mandshurica with different decay degree by resistance method

為更好比較電阻法和應(yīng)力波法對不同腐朽程度樹木的檢測效果，對2種方法進(jìn)行定量分析。根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理公式得到木芯質(zhì)量損失率Ms、電阻法測得的腐朽程度Ed以及應(yīng)力波法測得的腐朽程度Wy，結(jié)果見表1。

表1 電阻法與應(yīng)力波法檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical table of test results of resistance method and stress wave method %

3.1 電阻法檢測結(jié)果與木材腐朽程度之間的關(guān)系

采用最小二乘法對電阻法測得的樹木腐朽程度Ed和木芯質(zhì)量損失率Ms進(jìn)行一元線性回歸分析，得到對應(yīng)的線性回歸方程為Ed=0.739Ms+9.062(R2=0.793,P<0.01)，方程擬合程度較高，表明Ed和Ms之間相關(guān)性極顯著。

圖5 不同腐朽程度水曲柳應(yīng)力波法檢測圖像Fig.5 Detection image of Fraxinus mandshurica with different decay degree by stress wave method

由圖6可見，在Ms大于30%和小于30%時(shí)，二者之間相關(guān)關(guān)系存在明顯分界，因此以Ms=30%為界線，分成Ms<30%和Ms≥30%2個區(qū)域進(jìn)行一元線性回歸分析。Ms<30%時(shí)得到的線性回歸方程為Ed=1.443Ms+1.979(R2=0.935,P<0.01)；Ms≥30%時(shí)得到的線性回歸方程為Ed=0.569Ms+15.300(R2=0.418,P<0.01)。結(jié)果表明，Ms<30%區(qū)域的決定系數(shù)明顯高于Ms≥30%區(qū)域，因此可得，當(dāng)活立木腐朽程度Ms<30%時(shí)，電阻法檢測結(jié)果與真實(shí)值更接近。

圖6 活立木腐朽程度真值Ms與電阻法腐朽程度Ed之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between true value Ms of wood decay degree and decay degree Ed by resistance method

3.2 應(yīng)力波法檢測結(jié)果與木材腐朽程度之間的關(guān)系

采用最小二乘法對應(yīng)力波法測得的樹木腐朽程度Wy和木芯質(zhì)量損失率Ms進(jìn)行一元線性回歸分析，得到對應(yīng)的線性回歸方程為Wy=1.108Ms+7.561(R2=0.859,P<0.01)，方程擬合程度較高，表明Wy和Ms之間相關(guān)性顯著。由圖7可明顯看到，在Ms大于30%和小于30%時(shí)，二者之間相關(guān)關(guān)系存在明顯分界，因此以Ms=30%為界線，分成Ms<30%和Ms≥30%2個區(qū)域進(jìn)行一元線性回歸分析。Ms<30%時(shí)得到的線性回歸方程為Wy=1.295Ms+6.117(R2=0.536,P<0.01)，Ms≥30%時(shí)得到的線性回歸方程為Wy=1.239Ms+0.500(R2=0.899,P<0.01)。結(jié)果表明，Ms≥30%區(qū)域的決定系數(shù)明顯高于Ms<30%區(qū)域，因此可得，當(dāng)活立木腐朽程度Ms≥30%時(shí)，應(yīng)力波法檢測結(jié)果與真實(shí)值更接近。

圖7 活立木腐朽程度真值Ms與應(yīng)力波法腐朽程度Wy之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between true value Ms of wood decay degree and decay degree Wy by stress wave method

4 結(jié)論與討論

整體上看，樹木真實(shí)腐朽程度Ms與電阻法測得樹木腐朽程度Ed之間的擬合程度稍低于樹木真實(shí)腐朽程度Ms與應(yīng)力波法測得樹木腐朽程度Wy之間的擬合程度，但從以上結(jié)果可知，電阻法和應(yīng)力波法分別在Ms<30%和Ms≥30%2個區(qū)域擬合程度最好。出現(xiàn)這種區(qū)域差異的原因主要是在木材腐朽初期，木材外觀、質(zhì)量等特征沒有發(fā)生很大變化，木材內(nèi)部未出現(xiàn)嚴(yán)重腐朽形成空洞等缺陷，但此時(shí)木材化學(xué)成分發(fā)生了很大變化。木材腐朽主要受木腐菌感染，當(dāng)木腐菌進(jìn)入木材細(xì)胞中在細(xì)胞間定居后便開始分泌多種酶，將其細(xì)胞壁中的木質(zhì)素、半纖維素和纖維素等分解為糖類，并進(jìn)一步以其為養(yǎng)料進(jìn)行消化分解，導(dǎo)致腐朽變色區(qū)含水率升高，且組織中的鈣、鎂、錳和鉀等金屬離子含量升高[17-18]。木材電阻主要與木材含水率以及結(jié)構(gòu)中的金屬離子含量相關(guān)，故在腐朽初期，電阻檢測法較為準(zhǔn)確。隨著木材腐朽程度增加，木腐菌對木材細(xì)胞分解開始趨于穩(wěn)定，腐蝕部位電阻值不再大幅變化，此時(shí)腐朽部位的木材細(xì)胞壁孔膜被進(jìn)一步消化分解，內(nèi)部出現(xiàn)許多孔洞使木材間孔隙率增大，導(dǎo)致應(yīng)力波在木材內(nèi)部傳播時(shí)出現(xiàn)衍射，傳播路徑發(fā)生變化，同時(shí)由于腐朽部位木材密度減小使應(yīng)力波傳播介質(zhì)變小以及腐朽部位含水率增大，使應(yīng)力波傳播速度大大降低，傳播時(shí)間增大。使用應(yīng)力波斷層成像系統(tǒng)檢測時(shí)，檢測系統(tǒng)將應(yīng)力波在木材中的傳遞路徑設(shè)置為兩傳感器之間的直線距離，如果應(yīng)力波在木材中傳播時(shí)間增大，那么傳感器接收到應(yīng)力波信號的時(shí)間也會相繼變長，應(yīng)力波傳播速度降低，故在腐朽程度較大時(shí)，應(yīng)力波檢測法較為可靠。因此，使用電阻法和應(yīng)力波法對木材進(jìn)行無損檢測時(shí)，應(yīng)根據(jù)木材腐朽程度選擇合適的測量方法，當(dāng)木材剛開始出現(xiàn)腐朽時(shí)，采用電阻法能夠更加真實(shí)地反映木材腐朽程度；當(dāng)木材腐朽較為嚴(yán)重時(shí)，采用應(yīng)力波法能夠更加真實(shí)地反映木材腐朽程度[4,19]。

本研究采用電阻法和應(yīng)力波法2種無損檢測方法對木材內(nèi)部腐朽缺陷進(jìn)行檢測圖像對比以及定量分析，根據(jù)分析結(jié)果可得：電阻法和應(yīng)力波法均可以通過分析對應(yīng)的二維檢測圖像對樹木腐朽程度進(jìn)行直觀判斷；電阻法測得的樹木腐朽程度(Ed)與樹木真實(shí)腐朽程度(Ms)之間相關(guān)性顯著，且當(dāng)樹木真實(shí)腐朽程度Ms<30%時(shí)，電阻法檢測結(jié)果與真實(shí)值最接近，電阻法測得的樹木腐朽程度(Ed)與樹木真實(shí)腐朽程度(Ms)之間的決定系數(shù)最大(R2=0.935,P<0.01)；應(yīng)力波法測得的樹木腐朽程度(Wy)與樹木真實(shí)腐朽程度(Ms)之間相關(guān)性顯著，且當(dāng)樹木真實(shí)腐朽程度Ms≥30%時(shí)，應(yīng)力波法檢測結(jié)果與真實(shí)值更接近，應(yīng)力波法測得的樹木腐朽程度(Wy)與樹木真實(shí)腐朽程度(Ms)之間的決定系數(shù)最大(R2=0.899,P<0.01)。因此在使用電阻法與應(yīng)力波法對木材進(jìn)行無損檢測時(shí)，應(yīng)根據(jù)活立木腐朽程度選擇合適的測量方法。當(dāng)活立木剛開始出現(xiàn)腐朽時(shí)，采用電阻法能夠更加真實(shí)地反映木材腐朽程度；當(dāng)活立木腐朽程度較嚴(yán)重時(shí)，采用應(yīng)力波法能夠更加真實(shí)地反映木材腐朽程度。