BENDING MECHABICAL PROPERTIES OF Pinus radiata WOOD, GROWING IN A SILVOPASTORAL SYSTEM. I: ELASTICITY AND STRENGHT.

Mauricio Ramírez V¹., Luis Valenzuela H¹., Cristian Díaz S¹.
¹Laboratorio Silvotecnológico de la Madera. Facultad de Ciencias Forestales, Universidad de Concepción. Concepción, Chile.

Autor para correspondencia: lvalenzu@udec.cl

Se evaluaron, los efectos de la frecuencia de fertilización y de dos alturas en el fuste, sobre los parámetros de elasticidad y resistencia en flexión (módulo de elasticidad, esfuerzo en el límite proporcional y módulo de ruptura), de la madera de P. radiata creciendo en un sistema silvopastoral. Para tales objetivos, fueron muestreados 27 árboles provenientes de tres ensayos silvopastorales (9 árboles por tratamiento), establecidos en el Centro Experimental “Tanumé”. Los ensayos destructivos de flexión estática fueron realizados de acuerdo con lo prescrito por la norma ASTM D 143-94, el diseño experimental aplicado fue anidado de efectos mixtos y el procesamiento de la información se realizó mediante análisis de varianza.

Los resultados demostraron que la frecuencia de fertilización no tuvo un efecto significativo en los diferentes parámetros físicos y mecánicos evaluados. Sin embargo, la altura en el fuste, tuvo un efecto significativo en el esfuerzo en el límite proporcional y el módulo de ruptura, respuesta que fue explicada por las diferencias encontradas a diferentes alturas en los valores promedios del ancho de anillo de crecimiento y de la densidad nominal.

Keywords: Módulo de elasticidad, módulo de ruptura, silvopastoral, fertilización, Pinus radiata.

The effects of fertilization frequency and two stem heights on elasticity and strength in static bending (modulus of elasticity, stress at proportional limit and modulus of rupture) of Pinus radiata wood, growing in a silvopastoral system were evaluated. Twenty-seven trees were selected from three silvopastoral trials (nine trees per treatment) established at “Tanumé” Experimental Center. Destructive static bending test were realized according to ASTM D 143-94, the analysis of the variables was carried out using a nested design and the effects of variables were evaluated by analysis of variance (ANOVA).

According to the results, the fertilization frequency on the different physical and mechanical parameters that were evaluated did not have a significant effect. However, stem height had a significant effect on stress at proportional limit and modulus of rupture due to different average values of annual ring width and nominal density found at two different heights of the stem tree.

Keywords: Modulus of elasticity, modulus of rupture, silvopastoral, fertilization, Pinus radiata.

Los sistemas silvopastorales, a diferencia de los cultivos forestales tradicionales, son sistemas complejos con un manejo basado en el concepto de uso múltiple del suelo (Sharrow, 1999). Según Maclaren (1993), Klopfenstein et al. (1997) y Sharrow (1999), estos sistemas forman parte de la agroforestería y en un mismo sitio es posible obtener productos ganaderos, pecuarios y forestales.

Tanto en sistemas silvopastorales como forestales, la adición de fertilizantes se ha constituido en una práctica de manejo habitual, especialmente en sitios con deficiencias nutricionales. En plantaciones forestales con P. radiata, se ha comprobado que la fertilización mejora el crecimiento de los árboles, lo que se traduce en un aumento de la producción en biomasa, un cambio en los incrementos anuales del volumen y una disminución en las propiedades de la madera (Rudman et al., 1970; McKinell et al., 1973; Birk, 1994; Beets et al., 2001). Por otro lado en sistemas silvopastorales, autores como Klopfenstein et al. (1997) y Sharrow (1997, 1999) señalan que esta práctica de manejo incrementa la producción de forraje y mejora el crecimiento de los árboles; sin embargo, el efecto sobre las propiedades de la madera y específicamente en los parámetros de elasticidad y resistencia en flexión, no ha sido evaluado.

La flexión estática ha sido considerada la principal propiedad mecánica para la evaluación de madera con fines estructurales, ya que en ella se integran propiedades como la compresión, la tracción y el cizalle (Valenzuela et al., 1991; Cown et al., 1999). Además, el efecto que tienen la densidad de la madera e inclinación de la fibra sobre parámetros como el módulo de elasticidad (MOE) y de ruptura (MOR), ha sido un tema de investigación que se ha acentuado en los últimos años, demostrándose que ambos parámetros físicos generan una fuente de variación adicional en el comportamiento de los parámetros determinados en esta propiedad (Valenzuela et al., 1991; Addis Tsehaye et al., 1995; Zhang, 1997).

En este contexto, el objetivo del presente estudio es determinar si la fertilización en un sistema silvopastoral establecido con P. radiata, tiene algún efecto en los parámetros de elasticidad y resistencia (MOE, esfuerzo en el límite proporcional (ELP) y MOR) en flexión estática, para dos alturas en el fuste. Específicamente se propone i) determinar el efecto de la fertilización y la variación en la altura del fuste, en el MOE, ELP y MOR, ii) analizar el comportamiento del MOE, ELP y MOR en función de la densidad nominal (DN) de la madera, el ancho del anillo de crecimiento (AAC) y el revirado de la fibra (q ).

MATERIAL Y MÉTODOS.

Procedencia del material.

En junio de 1983, la Corporación Nacional Forestal (CONAF), con el objetivo de evaluar la viabilidad técnica y económica de la producción ganadera, pecuaria y forestal, estableció en el centro experimental Tanumé (34°9` - 34°15` S; 72°53` - 72°59` W) un ensayo silvopastoral con plantaciones de P. radiata. Este ensayo contempló el establecimiento de 12 tratamientos que combinan diferentes densidades iniciales de plantación y frecuencias de fertilización (Cancino et al., 1999).

Para la realización de este estudio, se seleccionaron árboles de tres tratamientos, los cuales fueron establecidos en módulos de 6 ha, con una densidad de plantación de 625 árboles/ha y distintas frecuencias de fertilización (Tabla 1). La distribución espacial al establecimiento fue de cuatro plantas en conglomerado, con un distanciamiento de 2 x 2 m entre plantas y 6 m entre conglomerados. Cada tratamiento fue intensivamente manejado, considerando la aplicación de podas (años 1988, 1990 y 1993) y raleos (años 1989, 1991 y 1993); siendo las intensidades de estas intervenciones similares para todos los tratamientos.

Muestreo de árboles.

En seis parcelas permanentes establecidas en cada tratamiento, las variables de estado altura total (AT), diámetro a la altura del pecho (DAP) y longitud de la copa viva fueron registradas anualmente a partir de los años 1986, 1988 y 1989, respectivamente. Con esta información, se elaboró la distribución de frecuencia diamétrica de cada población. Posteriormente, cada distribución fue dividida terciles, y con el objetivo de obtener una muestra representativa de la población, desde cada tercil tres árboles fueron seleccionados aleatoriamente, obteniéndose 9 árboles por tratamiento y 27 en total. El promedio, de las variables AT, DAP, altura comercial (Dlu 10 cm) (ADLU) y altura de inicio de la copa viva (AICV) de los árboles muestreados por tratamiento, se presentan en la Tabla 2.

Obtención y procesamiento de las trozas.

Dos trozas de 1,3 m de longitud fueron obtenidas desde cada árbol en terreno, durante el mes de marzo de 1999. La primera fue extraída a una altura que correspondió al 25% de la altura comercial (H1: 4,5 m aproximadamente), y la segunda desde la zona inmediatamente inferior al inicio de la copa viva (H2: 7,2 m aproximadamente); obteniéndose un total de 54 trozas. En el Laboratorio Silvotecnológico de la Madera de la Universidad de Concepción, las trozas fueron procesadas, y de cada troza, se obtuvo una vigueta central orientada en la dirección Norte – Sur. Posteriormente, de cada vigueta, se extrajeron las probetas (25 x 25 x 410 mm) siguiendo la dirección radial; totalizando 841 probetas codificadas y libres de defectos. Finalmente las probetas fueron acondicionadas hasta alcanzar un 12% de contenido de humedad.

Ensayo de flexión estática.

Todas las probetas fueron ensayadas en flexión estática de acuerdo con lo prescrito por la norma americana estandarizada D 143-94 (ASTM, 1998), utilizando una máquina universal de ensayos marca Metrotec, con una capacidad máxima de carga de 20 ton.

Las variables respuesta determinadas a partir de las curvas carga deflección, fueron el MOE, ELP y MOR. Además, en cada una de las probetas se midió la DN, obtenida mediante la relación entre la masa anhidra de una muestra de madera y su volumen al 12% de contenido de humedad; el AAC determinado de acuerdo al ancho promedio de los anillos presentes en las caras transversales de cada probeta; y q medido en las caras tangenciales utilizando el método descrito por Valenzuela et al. (1991).

Análisis estadístico.

El análisis de las variables respuesta MOE, ELP y MOR, se realizó mediante un diseño anidado (árbol en la frecuencia de fertilización) de efectos mixtos, con arreglo factorial (fertilización con tres niveles y altura con dos niveles). La unidad experimental estuvo constituida por el promedio de las probetas ensayadas para cada una de las alturas en cada árbol, obteniéndose un total de 54 unidades experimentales.

El efecto de la frecuencia fertilización y la altura en el fuste, se evalúo mediante un análisis de varianza. Para la comparación de medias, se utilizó el test de Tukey.

Por otra parte, mediante análisis de regresión múltiple se determinó el efecto de la DN, AAC y q , en el comportamiento de las variables MOE, ELP y MOR.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Efecto de la fertilización y la altura en los parámetros físicos y mecánicos.

Los análisis de varianza realizados permiten observar que para las variables respuesta evaluadas, el efecto de la frecuencia de fertilización no fue significativo (Tabla 3). Sin embargo, el efecto de la altura fue significativo para el ELP y altamente significativo para el MOR.

Según Daniel et al. (1982), el proceso de competencia es el responsable de la diferenciación y estratificación de los árboles dentro de un rodal (diámetro y doseles); por lo tanto, el no haber encontrado un efecto significativo de la frecuencia de fertilización se debió a la baja densidad inicial de plantación y la aplicación de raleos, los cuales contribuyen a mantener rodales uniformes, generándose así la inexistencia o anulación de la competencia intraespecífica (Sharrow, 1999), situación que se comprueba al observar las variables de estado medidas para los tres tratamientos considerados (Tabla 2).

Según Espinosa et al. (1988), en coníferas, el mayor AAC y por consiguiente los menores valores de densidad, se producen en la base de la copa viva; por lo tanto, los resultados obtenidos en este estudio (Tabla 5) confirmarían dicho planteamiento. Es necesario señalar que tanto el aumento en el valor medio del AAC y la disminución en el valor de DN, se reflejaron finalmente, en una disminución significativa del MOR y ELP. A su vez, esto permite reafirmar lo planteado por Larson (1962) y Hejnowics et al. (1969), quienes señalan que tanto la actividad cambial como la disponibilidad de carbohidratos, ejercen su influencia sobre el desarrollo del xilema generando diferencias en los aspectos morfológicos y físicos de la madera producida, lo que se traduce en una menor resistencia mecánica y en un menor valor de mercado de las trozas obtenidas a mayor altura.

Finalmente es conveniente señalar, que el uso de la madera como materia prima para la elaboración de distintos productos se encuentra asociada a determinadas propiedades que definen su aptitud para los requerimientos de resistencia del producto final (Jozsa et al., 1995); por lo tanto, si la utilización de la madera generada en este tipo de sistemas (silvopastorales) contempla un uso estructural, los cálculos para el diseño, debieran realizarse teniendo en consideración los valores medios de los parámetros físicos y mecánicos, determinados para cada altura (Tabla 5).

Efecto de la DN, AAC y q , en el comportamiento del MOR, MOE y ELP.

El análisis de regresión múltiple, muestra el efecto de cada una de las propiedades físicas sobre los diferentes parámetros mecánicos considerados (Tabla 6). De acuerdo a estos resultados, la principal variable que afecta positivamente el comportamiento del MOR, MOE y ELP es la DN, a diferencia de las restantes variables (AAC y q ) que afectan de forma negativa a los parámetros de resistencia y elasticidad evaluados.

Estos resultados, concuerdan con los obtenidos por Cown et al. (1983), Tian et al. (1995), Zhang (1997), quienes plantean que la densidad de la madera es la principal propiedad involucrada en la resistencia de la madera cuando es puesta en servicio. Sin embargo también es reconocido, que existe una importancia de q y AAC en el comportamiento del MOE y MOR, así lo demuestran los trabajos realizados por Cown et al. (1991), Addis Tsehaye et al. (1995) y Leban et al. (1999).

Para las condiciones en las cuales se realizó el presente estudio y considerando los resultados, argumentos y planteamientos establecidos en el análisis realizado precedentemente, se puede concluir que:

La frecuencia de fertilización no tuvo un efecto significativo en los parámetros físicos y mecánicos medidos en flexión; por lo tanto, se puede inferir que la realización de esta práctica en este ensayo silvopastoral, se encuentra orientada únicamente al mejoramiento de las praderas, y no necesariamente contribuye a mejorar el crecimiento de los árboles y a diferenciar las propiedades de la madera producida por P. radiata.

La altura tuvo un efecto significativo en el MOR y en el ELP; siendo menor el valor en la troza obtenida de la zona inmediatamente inferior al inicio de la copa viva, lo que se explica por el menor valor de DN y mayor valor del AAC obtenidos a dicha altura.

Aún cuando las condiciones de crecimiento de los árboles establecidos en un sistema silvopastoral difieren a la de un cultivo forestal tradicional, las relaciones básicas entre las propiedades físicas AAC, DN y q , y los parámetros mecánicos MOR, MOE y ELP medidos en flexión, se mantienen; confirmando que la densidad de la madera es la principal propiedad involucrada en el comportamiento de los parámetros mecánicos evaluados.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a las siguientes instituciones y personas, por el apoyo brindado en la presente investigación:
CONAF, VI Región.
Sr. Rolando Rodríguez. Ingeniero Forestal, M. Sc. CONAF VIII Región.
Sr. Cesar Cabrera. Ingeniero Forestal. CONAF VI Región.
Sr. Osvaldo Herrera. Director del Centro Experimental “Tanumé”.
Sr. Manuel Sánchez. Ingeniero Forestal, Dr. Facultad de Ciencias Forestales, Universidad de Concepción.
Sr. Glenn Hofmann, Ph D. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Concepción.
Sr. Alex Opazo. Ingeniero Forestal, Candidato a Magister en Ciencias Forestales.
Trabajadores del Centro Experimental “Tanumé”.

BIBLIOGRAFÍA

Addis, T y J.C.F, Walker. 1995. Spiral grain in Canterbury Pinus radiata: Within-and between-tree variations and effect on mechanical properties. New Zealand Journal of Forestry Science. 25 (3): 358-366.

American Society for Testing and Materials (ASTM). 1998. Standard methods of testing small clear specimens of timber. D 143 – 94. En: Annual Book of ASTM Standards. Section 4, Construction. Vol. 04.10 wood. ASTM. West Conshohocken, Pa. pp. 22-52.

Beets, P.N.; Gilchrist, K y M.P, Jeffreys. 2001. Wood density of radiata pine: effect of nitrogen supply. Forest Ecology and Management. 145: 173-180.

Birk, E.M. 1994. Fertilizer use in the management of pine and eucalypt plantations in Australia. A review of past and current practices. New Zealand Journal of Forestry Science. 24 (2-3): 289-320

Cancino, J.; Espinosa, M y A, Varas. 1999. Projection of height and diameter growth and estimation of future volume yield in a silvopastoral trial. Forest Ecology and Management. 123 (2-3): 275-285.

Cown, D.J. 1980. Radiata pine: wood age and wood property concepts. New Zealand Journal of Forestry Science. 10 (3): 504-507.

Cown, D.J. 1992. Corewood (Juvenile wood) in Pinus radiata - should we be concerned?. New Zealand Journal of Forestry Science. 22 (1): 87-95.

Cown, D.J. y D.L, McConchie. 1980. Wood property variations in an old-crop stand of radiata pine. New Zealand Journal of Forestry Science. 10 (3): 508-520

Cown, D.J. y J.D, Hutchison. 1983. Wood density as an indicator of the bending properties of Pinus radiata poles. New Zealand Journal of Forestry Science. 13 (1): 87-99

Cown, D.J.; Young, G.D y M.O, Kimberley. 1991. Spiral grain patterns in plantation-grown Pinus radiata. New Zealand Journal of Forestry Science. 21 (3): 206-216.

Cown, D.J.; Herbert, J y R. Ball. 1999. Modelling Pinus radiata lumber characteristics. Part 1: Mechanical properties of small clears. New Zealand Journal of Forestry Science. 29 (2): 203-213

Daniel, T.W.; Helms, J.A y F.S, Baker. 1982. Principios de silvicultura (2ª Edición). McGraw-Hill, México, 492 p.

Espinosa, M.; García, J y E, Peña. 1988. Evaluación del crecimiento de una plantación de raulí (Nothofagus alpina (Poepp. et Endl.) Oerst.) a los 34 años de edad. Agro-Ciencia 4(1): 67-74.

Hejnowics, A. y M, Tomaszewiski. 1969. Growth regulators and wood formation in Pinus silvestris. Physiologia Plantarum. 22: 984-992.

Jozsa, L.A. y G.R, Middleton. 1995. Discussion of Wood quality attributes and their practical implications. Forintek Canada Corp. Western Laboratory. Vancouver, B. C.

Klopfenstein, N.; Rietveld, W.; Carman, R.; Clason, T.; Sharrow, S.; Garrett, G y Anderson, B. 1997. Silvopasture: An agroforestry practice. USDA Forest Service, Rocky Mountain Research Station. Agroforestry Notes - 8.

Larson, P.R. 1962. A biological approach to wood quality. Tappi. 45 (6): 443-448.

Leban, J.M. y D.W, Haines. 1999. The modulus of elasticity of hybrid larch predicted by density, rings per centimeter, and age. Wood and Fiber Science. 31 (49): 394-402.

Maclaren, J.P. 1993. Radiata pine growers’ manual. New Zealand Forest Research Institute. FRI Bulletin No. 184.

McKinell, F.C. y P, Rudman. 1973. Potassium fertilizer and wood density of Pinus radiata. Appita. 26: 283-286.

Rudman, P. y F.H, McKinnell. 1970. Effect of fertilizers on wood density of young radiata pine. Australian Forestry. 34 (3): 170-178.

Sharrow, S.H. 1997. The biology of silvopastoralism. USDA Forest Service, Rocky Mountain Research Station. Agroforestry Notes - 9.

Sharrow, S.H. 1999. Silvopastorism: competition and facilitation between trees, livestoock, and improved grass-clover pastures on temperate rainfed lands. En: L. E. Buck, J. P. Lassoie and E. C. M. Fernandes (Eds.): Agroforestry in sustainable agricultural systems. p. 111-130. CRC Press, London.

Steel, R. y Torrie, J. 1995. Bioestadística: principios y procedimientos. McGraw-Hill. México D.F. México.

Tian, X.; Cown, D.J y McConchie, D.L. 1995. Modelling of Pinus radiata wood properties. Part 2: Basic density. New Zealand Journal of Forestry Science. 25 (2): 214-230.

Valenzuela, L. y Y, Nakayama. 1991. The bending work of radiata pine grown in Chile. Mokuzai Gakkaishi. 37 (5): 396-404.

Zhang, S.Y. 1997. Wood specific gravity-mechanical property relationship at species level. Wood Science and Technology. 31 (3): 181-191.