Análisis de metodologías para la evaluación de la madera juvenil en la calidad de la madera

Resum

On conifer species, when growing, on the inner part of the log closer to the pith they produce wood with different characteristics, which show rapid and progressive changes in the rings outward from the pith in a transverse direction until a point is reached where the properties are stabilized. The area closer to the pith is called juvenile wood (JW) to distinguish it from the mature wood (MW). The JW is characterized by having a cellular structure with smaller tracheid length, lumen diameter, wall thickness, transverse shrinkage, stiffness and cellulose/lignin ratio. Other properties are lower, such as density and mechanical properties but others, such as spiral grain and microfibril angle (MFA) are higher. One phenomenon sometimes related to JW is the presence of wider growth-rings and high levels of compression wood, although these last two relationships are not mutually exclusive (Larson 1969, Zobel and Sprague 1998, Larson et al. 2001, Ilic et al. 2003, Rodríguez and Ortega 2006, Ivković et al. 2009). The transition year (TY) between JW and MW can be found by analyzing all these different properties. The boundary tends to change according to the wood property studied (Bendtsen and Senft 1986) with variable patterns from pith to bark (Ilic et al. 2003, Bendtsen and Senft 1986, Larson et al. 2001, Burdon et al. 2004, Sauter et al. 1999). All of these characteristics have undesirable effects on the physical-mechanical and technological properties of the material for solid dimension lumber (Larson 1969, Burdon et al. 2004, Hermoso et al. 2013, Moore and Cown 2017). Also, the higher the proportion of JW, the greater incidence of different drying distortions such as spring, bow, crook and twist (Ilic et al. 2003) resulting in diminished prospects for profitable end use and economic return for solid wood products. Different explanations to the presence of these variations have been proposed and different names have been given to these two areas that can be differentiated in transversal direction of the tree at any height (Burdon et al. 2004, Lachenbruch et al. 2011). When considering the longitudinal variation, the nomenclature usually employed is corewood (CW) and outerwood (OW). But in this Thesis, we will use the JW/MW nomenclature as the Spanish industrial sector still uses it. There are several studies assessing the importance of juvenile wood for solid dimension lumber in Spain (Díez et al. 2001, Hermoso et al. 2016, Conde 2003, Gutierrez-Oliva et al. 2006, Fernández-Golfín et al. 1998). But not much studies have been carried out on Mediterranean conifers regarding the effect of the silviculture on the amount of JW present on the bole. Basic specific gravity, MFA and densitometry have been extensively used as indicators of JW presence. In this Thesis different methodologies are studied for JW determination on Pinus nigra and Pinus sylvestris with different silvicultural management and those results are compared with the ones obtained from densitometry. Chapter one is an introductory section of the thesis arguments and the starting point. Also, the main results of the published scientific work involving JW and radial variation of wood properties were reviewed. On chapter two the influence of silviculture on the TY in black pine and Scots pine stands in Spain using densitometry, is studied. This analysis is done using a segmented linear mixed model including the analysis of the different covariate effects, included in the models, on density. On chapter three the variations on the JW volume and tree taper produced depending on the silvicultural practices using latewood (LW) density radial variation, is studied. The fourth chapter is dedicated to the study of using the height growth for assessing juvenile-mature wood transition on black pine and Scots pine. The objective was to see if at basal height it is possible to estimate a TY, by means of the accumulated whirl yearly length that can be related to the one obtained for yearly LW and medium density. The objective of the fifth chapter is to assess the feasibility of using multipoint near infrared spectra (NIRs) to differentiate between JW and MW. On the same way, the objective on the sixth chapter is to assess the potential of the near infrared hyperspectral imaging (NIR-HI) for semi-automatic identification of JW and MW moieties carried out in Scots pine. The seventh chapter verses on the study of radial and angular shrinkage in the transversal direction along different heights of the bole. Based on the results on shrinkages, it would be seen if the JW/MW areas obtained, can be related to the ones obtained through densitometry. Chapter eight will be a synthesis and a general discussion on the results obtained on the works that compose the thesis document including considerations and future research lines on the topic. And finally, chapter nine corresponds to the list of conclusions derived of the works composing this Thesis. When assessing the JW area on a log, X-ray microdensitometry is a suitable method for its study, results showed that the best density trait for automatization of the process is LW density. If assessing the TY by increment cores, which can be done on standing trees, the pith needs to be in the extracted core in order to assess the boundary correctly. The function developed for segmented mixed models, provides a powerful and more stable tool to predict the TY in a large number of samples using LW density profiles. Drought index is relevant for the modelling affecting LW density, on the slope on the MW or the density in TY determination. Up to a height of 9 meters TY was reached prior to the implementation of any silvicultural treatment, so further sampling is necessary to assess whether any treatment could influence or shift the transition year outside the part influenced by the crown. However, within the crown and in the case of PN, pruning was found to affect the TY because the LW density required to reach it increased, thus delaying the TY and increasing LW density. In both pine species, thinning seems to have a significant albeit slight negative effect on LW density, while the thinning and pruning combined seemed to have a small positive effect on it, compared to the control group. These results presented here may vary depending on the intensity and the timing of thinning, as well as on the amount of green pruning carried out. The growth response after silvicultural treatments show that the amount of JW is reduced in percentage as total volume increases with any silvicultural treatment applied, for both species, in Mediterranean forests. The TY calculated using Chapman-Richards growth functions on the accumulated height increments, does not fit the estimation of the TY obtained through density for the Spanish provenances studied of Scots and black pines. The calibration between measurements obtained with multipoint NIRs and density data derived from X-ray microdensitometry has been found difficult to obtain good enough results. On the other side NIR-HI can be calibrated with µXRD results and the JW, MW and transition point (TP) between both, can be determined on the transversal section of the tree. The results are independent from the silvicultural treatment applied in the Scots pine plantations studied. The principal component analysis was a useful and easy way to provide additional information on the presence and location of compression wood. The partial least squares discriminant analysis approach was the best procedure for detecting the TP between JW and MW, when the EW and LW were evaluated separately. Every strip was classified within ±1 annual ring difference compared with the LW. The biggest margin was ±2 annual rings. A previous automatic classification, by combination with a partitional k-means unsupervised classification, between EW and LW, would probably improve the results and could lead to a better automation of the process. Radial shrinkage tends to be in the first rings, up to the first 8 rings near the pith, between 4 and 9 %, decreasing until it stabilizes around 3%. Regarding the angular shrinkage, is close to 0% or even negative near the pith and increases until a certain ring (9-11) when it becomes more or less stable at around 2 %. These results are valid all along the bole, being greater and the transition produced earlier in radial shrinkage than in the angular one in each height studied. No general patterns can be seen along the same tree at the different heights sampled. Applying silvicultural treatments seems not to have any significance on the radial and angular shrinkage variation. If density is not an issue for the strength grading of solid dimension timber, the volume regarding the area where the shrinkage is stable suggest that, if the longitudinal shrinkage follows a similar pattern, the area that could be segregated for higher quality is bigger than the one provided by latewood density radial variation. References Bendtsen BA, Senft J (1986) Mechanical and Anatomical Properties in Individual Growth Rings of Plantation-Grown Eastern Cottonwood and Loblolly Pine. Wood Fiber Sci, 18, 23–38. Burdon RD, Kibblewhite RP, Walker JCF, Mcgraw RA, Evans R, Cown DJ (2004) Juvenile versus mature wood: A new concept, orthogonal to corewood versus outerwood, with special reference to Pinus radiata and Pinus taeda. For Sci, 50(4), 399-415. Conde M (2003) Caracterización de la madera estructural de Pinus nigra Subsp. Salzmannii (PhD thesis) Universidad Politécnica de Madrid, 198 Cown DJ, Ball RD and Riddell MJC (2004) Wood density and microfibril angle in 10 Pinus radiata clones: Distribution and influence on product performance. N Z J For Sci, 34, 293-315. Díez MR, Fernández-Golfín JL, Hermoso E (2001) Causas de las deformaciones en madera estructural de Pinus nigra. 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La MJ se caracteriza por tener una estructura celular con menor longitud de traqueidas, diámetros de lúmenes, espesor de pared, contracción transversal, rigidez y relación celulosa/lignina. Unas propiedades que también son más bajas serían la densidad y las propiedades mecánicas, pero otras, como el grano en espiral y el ángulo de microfibrillas (MFA), son mayores. Un fenómeno a veces relacionado con la MJ es la presencia de anillos de crecimiento más amplios y altos niveles de madera de compresión, aunque estas dos últimas relaciones no son mutuamente excluyentes (Larson 1969, Zobel y Sprague 1998, Larson et al. 2001, Ilic et al. 2003, Rodríguez y Ortega 2006, Ivković et al. 2009). El año de transición (AT) entre MJ y MM se puede encontrar mediante el análisis de todas estas diferentes propiedades que caracterizan a la MJ. El límite tiende a cambiar según la propiedad de madera estudiada (Bendtsen y Senft 1986) con patrones variables de la médula a la corteza (Ilic et al. 2003, Bendtsen y Senft 1986, Larson et al. 2001, Burdon et al. 2004, Sauter et al. 1999). Todas estas características tienen efectos indeseables en las propiedades físico-mecánicas y tecnológicas de la madera aserrada para uso estructural (Larson 1969, Burdon et al. 2004, Hermoso et al. 2013, Moore y Cown 2017). Además, cuanto mayor sea la proporción de MJ, mayor incidencia de diferentes distorsiones de secado como el curvado de canto, curvado de cara y alabeo (Ilic et al. 2003) lo que resulta en una disminución en las perspectivas de renta de uso final y retorno económico de los productos aserrados estructurales. Se han dado diferentes nombres a estas dos áreas, las cuales se pueden diferenciar en la dirección transversal del árbol a cualquier altura. También se han expuesto diferentes explicaciones al porqué de dichas variaciones (Burdon et al. 2004, Lachenbruch et al. 2011). Si se considera la variación longitudinal, la nomenclatura generalmente empleada es madera interior (CW) y madera exterior (OW). Pero en esta Tesis, utilizaremos la nomenclatura MJ/MM, ya que en el sector industrial español es la nomenclatura que se utiliza. Hay varios estudios que evalúan la importancia de la madera juvenil para la madera aserrada estructural en España (Díez et al. 2001, Hermoso et al. 2016, Conde 2003, Gutierrez-Oliva et al. 2006, Fernández-Golfín et al. 1998). Pero no se han realizado muchos estudios sobre las coníferas mediterráneas sobre el efecto de la silvicultura en la cantidad de MJ presente en el tronco. La gravedad específica, el MFA y la densitometría se han utilizado ampliamente como indicadores de presencia de MJ. En esta Tesis se estudian diferentes metodologías para la determinación de MJ en Pinus nigra y Pinus sylvestris con diferente gestión selvícola y esos resultados se comparan con los obtenidos mediante densitometría. El capítulo uno es una sección introductoria de los argumentos de la Tesis y el punto de partida del estudio. Además, se revisaron los principales resultados del trabajo científico publicado que involucraba a la MJ y a la variación radial de las propiedades de la madera. En el capítulo dos se estudia la influencia de la silvicultura en el AT en las masas de pino salgareño y pino silvestre en España utilizando la densitometría. Este análisis se realiza utilizando un modelo mixto lineal segmentado que incluye el análisis de los diferentes efectos de las covariables incluidas en los diferentes modelos, sobre la densidad. En el capítulo tres se estudian las variaciones en el volumen MJ y la conicidad de árbol producidas en función de las prácticas selvícolas utilizando la variación radial de densidad de la madera de verano (MV). El cuarto capítulo está dedicado al estudio de la aplicabilidad del uso del crecimiento de altura para evaluar la transición de la MJ a MM en el pino salgareño y el pino silvestre. El objetivo era ver si a altura basal es posible estimar un AT, por medio de la curva de crecimiento acumulado en altura anual que puede estar relacionado con el obtenido mediante densidad media y de MV anual. El objetivo del quinto capítulo es evaluar la viabilidad de utilizar espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR) multipunto, para diferenciar entre MJ y MM. Del mismo modo, el objetivo del sexto capítulo es evaluar el potencial de las imágenes hiperespectrales de infrarrojo cercano (NIR-HI) para la identificación semiautomática de las áreas de MJ y MW en el pino silvestre. El séptimo capítulo versa sobre el estudio de la contracción radial y angular en la dirección transversal a lo largo de diferentes alturas del tronco. En base a los resultados sobre las contracciones, se vería si las áreas de MJ y MM obtenidas, pueden estar relacionadas con las obtenidas a través de la densitometría. El capítulo ocho es una síntesis y un debate general sobre los resultados obtenidos sobre los trabajos que componen la Tesis, incluyendo consideraciones y futuras líneas de investigación sobre el tema. Y, por último, en el capítulo nueve se podrá observar un resumen de las conclusiones sobre los trabajos que componen esta Tesis. Cuando se evalúa el área de MJ en un tronco, la micro-densitometría de rayos X es un método adecuado para su estudio, los resultados mostraron que la mejor característica de densidad para la automatización del proceso es la densidad de la MV. Si la determinación del AT se realiza mediante datos de cores, que se pueden extraer sobre los árboles en pie, es necesario que la médula necesita esté en el core para evaluar el límite correctamente. La función desarrollada para la realización de los modelos mixtos segmentados proporciona una herramienta potente y más robusta para predecir el AT en un gran número de muestras, en vez de hacerlo individualmente, utilizando perfiles de densidad de MV. El índice de sequía es relevante para el modelado ya que afecta a la densidad de la MV, a la pendiente de la MM o a la determinación del AT. Hasta una altura de 9 metros el AT se alcanzó antes de la implementación de cualquier tratamiento silvícola, por lo que es necesario tomar hacer otro muestreo en otra masa en la que se hubiesen hecho los tratamientos antes, para evaluar si algún tratamiento pudiera influir o cambiar el AT fuera de la parte del tronco bajo influencia de la copa. Sin embargo, dentro de la copa y en el caso de PN, se encontró que la poda afectaba al AT porque la densidad de la MV a la que se alcanzaba aumentaba, retrasando así el AT y aumentando la densidad de la MV. En ambas especies de pino, las claras parecen tener un efecto negativo significativo, aunque pequeño, sobre la densidad de la MV, mientras que los clareos y la poda combinados parecen tener un pequeño efecto positivo en ella, en comparación con el grupo de control. Estos resultados presentados aquí pueden variar dependiendo de la intensidad y el momento de la clara, así como de la cantidad de poda verde llevada a cabo. La respuesta al crecimiento después de los tratamientos silvícolas muestra que la cantidad de JW se reduce en porcentaje, ya que aumenta el volumen total del tronco con cualquier tratamiento selvícola aplicado, para ambas especies, en los bosques puros mediterráneos. El AT calculado utilizando las funciones de crecimiento Chapman-Richards en los incrementos de altura acumulados, no se ajusta a la estimación del AT obtenido a través de la densidad para las procedencias españolas estudiadas de pino silvestre y salgareño. Respecto a la calibración entre las mediciones obtenidas con NIR multipunto y los datos de densidad derivados de la microdensitometría de rayos X, ha sido difícil y no se han obtenido resultados lo suficientemente buenos. Por otro lado, el NIR-HI se puede calibrar con los resultados de la microdensitometría de rayos X y la MJ, MM y el punto de transición (PT) entre ambos, se puede determinar en la sección transversal del árbol. Los resultados son independientes del tratamiento silvícola aplicado en las plantaciones de pino silvestre estudiadas. El análisis de componentes principales resultó ser una manera útil y fácil de proporcionar información adicional sobre la presencia y ubicación de la madera de compresión. El uso de regresiones de mínimos cuadrados parciales, en nuestro caso, fue la mejor solución para la detección del PT entre MJ y MM, cuando la madera de primavera (MP) y la MV se evaluaron por separado. Cada laminilla se clasificó con una diferencia de ±1 anillo en comparación con la obtenida mediante densidad de la MV. Las mayores diferencias fueron de ± 2 de anillos. Una clasificación automática mediante una combinación con una clasificación no supervisada de k-medias anterior entre la MP y la MV, probablemente mejoraría los resultados y podría conducir a una mejor automatización. La contracción radial tiende a ser mayor en los primeros 8 anillos cercanos a la médula, generalmente entre 4 y 9 % en los primeros anillos disminuyendo hasta que se estabiliza alrededor del 3%. En cuanto a la contracción angular, es cercana al 0% o incluso negativa cerca de la médula y va aumentando hasta un cierto anillo (9-11), cuando se vuelve más o menos estable alrededor del 2 %. Estos resultados son válidos a lo largo del tronco, siendo mayores y la transición producida antes en la contracción radial que angular para cada altura estudiada. No se observan patrones generales a lo largo del mismo árbol en las diferentes alturas muestreadas. La aplicación de los tratamientos silvícolas parece que no no tienen ninguna influencia en las variaciones de contracción radial y angular. Si la densidad no es un problema para la clasificación de resistencia de la madera aserrada de uso estructural, el volumen con respecto al área donde la contracción es estable sugiere que, si la contracción longitudinal sigue un patrón similar, el área que podría ser segregada para una mayor calidad es más grande que la proporcionada por la variación radial de densidad de madera de verano. Referencias Bendtsen BA, Senft J (1986) Mechanical and Anatomical Properties in Individual Growth Rings of Plantation-Grown Eastern Cottonwood and Loblolly Pine. Wood Fiber Sci, 18, 23–38. Burdon RD, Kibblewhite RP, Walker JCF, Mcgraw RA, Evans R, Cown DJ (2004) Juvenile versus mature wood: A new concept, orthogonal to corewood versus outerwood, with special reference to Pinus radiata and Pinus taeda. For Sci, 50(4), 399-415. Conde M (2003) Caracterización de la madera estructural de Pinus nigra Subsp. Salzmannii (PhD thesis) Universidad Politécnica de Madrid, 198 Cown DJ, Ball RD and Riddell MJC (2004) Wood density and microfibril angle in 10 Pinus radiata clones: Distribution and influence on product performance. N Z J For Sci, 34, 293-315. Díez MR, Fernández-Golfín JL, Hermoso E (2001) Causas de las deformaciones en madera estructural de Pinus nigra. Invest Agr: Sist Recur For, 10 (2) Fernández-Golfín JI, Díez Barra MR, Gutiérrez Oliva A (1998) Mechanical characterization of sawn timber for structural use, graded visually in accordance with Spanish standard UNE 56544. 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Wood Sci Technol, 43, 237–257. https://doi.org/10.1007/s00226-008-0232-3 Lachenbruch B, Moore JR, Evans R (2011) Radial variation in wood structure and function in woody plants, and hypotheses for its occurrence. In: Meinzer FC, Lachenbruch B, Dawson TE (eds) Size- and Age-Related Changes in Tree Structure and Function. Springer-Verlag, Berlin, 121-164. doi:10.1007/978-94-007-1242-3_5 Larson PR (1969) Wood formation and the concept of wood quality. New Haven, CT: Yale University, School of Forestry, Bulletin no. 74, 54. Larson PR, Kretschmann DE, Clark AI, Isebrands JG (2001) Formation and properties of juvenile wood in southern pines: a synopsis. Gen Tech Rep FPL-GTR-129. USDA For Serv Forest Prod Lab, Madison, WI. 42. Moore JR, Cown DJ (2017). Corewood (Juvenile Wood) and Its Impact on Wood Utilization. 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