《Dendrochronologia》：A new scratch-based approach to studying the structure of annual growth rings suitable for dendrochronology and dendroclimatology
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木材年轮结构基于划痕测试法的机械特性分析，通过记录划痕过程中法向力分布的振荡特征，结合松树与落叶松样本测试，发现该方法的硬度曲线与密度法结果高度相关（误差<5%），且具有操作简便、客观性强等优势，为年轮研究提供新手段。
亚历山大·A·萨莫杜罗夫|亚历山大·I·图林|玛丽亚·A·尤纳克|维亚切斯拉夫·V·罗达耶夫|德米特里·尤·戈洛文|弗拉基米尔·A·沙马耶夫|亚历山大·V·鲁苏
“纳米材料与纳米技术”研究中心，G.R. 杰尔扎文坦波夫国立大学，国际街33号，坦波夫，392000，俄罗斯
摘要
在树木年轮学、树木气候学和树木生态学等学科中，研究基于木材年轮结构的信息，这些信息通常通过光学方法获得。然而，木材的光学性质与其其他性质（如机械性质）之间并没有直接关联。同时，一些用于研究机械性质的方法（如密度测量法）被认为更具信息量。然而，这些方法相当耗时且需要昂贵的设备。
因此，有必要开发一种简单、信息丰富且易于使用的木材机械性质研究方法。本文讨论了一种通过连续测量木材微观力学性质来进行划痕测试的方法。该方法基于在特定深度用探针划伤横截面时记录的法向力Fn的径向分布。
该方法在苏格兰松（Pinus sylvestris L.）和西伯利亚落叶松（Lárix sibirica）的木材上进行了测试。划痕测试能够考虑年轮内部结构的特征，并获得硬度Hs的分布曲线。该曲线具有振荡特性，其最小值和最大值对应于早材和晚材的机械性质。所得到的硬度曲线与通过扫描电子显微镜（SEM）分析木材细胞结构得到的密度曲线高度相关。年轮宽度是根据划痕测试数据确定的；对于松木，划痕测试与光学方法得到的结果之间的差异小于3%，对于落叶松则小于5%。
划痕测试方法表现出高效性，且比其他测量木材局部性质的方法更省力。它在进一步发展树木年轮学等领域具有巨大潜力。
引言
研究天然木材的机械性质、其微观结构特征及其相互关系对于技术和自然科学都具有重要意义。特别是关于年轮（GR）结构的信息是树木年轮学（Bernabei等人，2019年；Rubino和Baas，2019年；Frank等人，2022年）、树木气候学（Anchukaitis，2017年；Douglass，1919年；Ljungqvist等人，2020年；Büntgen等人，2022年）、树木生态学（Amoroso等人，2017年）、树木考古学（Domínguez-Delmás，2020年）、树木地貌学等领域的基础。年轮宽度、年轮内部特征以及细胞微观结构与气候、环境等因素相关的生长条件密切相关。
年轮分析的数据通常通过光学方法（OM）获得，这些方法通常会结合软件来分析木材横截面的数字图像（Cook和Kairiukstis，1990年；Amoroso等人，2017年；Douglass，1919年；Rubino和Baas，2019年；Domínguez-Delmás，2020年；Frank等人，2022年）。例如，有一种称为“蓝强度”（BI）方法的光学分析技术（McCarroll等人，2002年；Campbell等人，2007年），它在树木年轮学和树木气候学中得到广泛应用（Buckley等人，2018年；Fuentes等人，2018年；Matulewski等人，2022年）。光学方法基于早材（EW）和晚材（LW）的反射率差异。
值得注意的是，几乎所有光学方法都需要操作员来决定年轮边界、早材层和晚材层的划分，并过滤掉虚假年轮，这给分析结果带来了主观性。所有光学方法的一个共同缺点是，木材结构各组成部分的光学性质虽然不同，但与它们的机械和其他物理性质之间没有直接关联。
表面质量对光学方法至关重要。Spiecker等人（2000年）提出了一种使用高精度金刚石飞轮铣刀进行高质量表面处理的方法。这种方法可以制备大尺寸的木材样本横截面，以便对单个细胞进行解剖学分析。
除了光学方法外，物理材料科学的方法也被广泛用于研究木材结构和年轮。例如，同步辐射方法（Alves等人，2021年）、核磁共振方法（Kang等人，2019年）等（Desch和Dinwoodie，1996年；Chen等人，2020年）也被应用于木材科学。
使用X射线密度测量法（Jacquin等人，2017年；Moghaddam等人，2017年）获得的木材局部密度数据与强度数据之间的相关性更为明显。例如，云杉晚材的密度大约是早材的2.5倍，其顺纹方向的抗拉强度是早材的2.7倍（Mehlehov，1934年）。这种关系适用于大多数树种。
微观力学测试方法，特别是压痕法（Golovin等人，2022年；Golovin等人，2023a；Golovin等人，2023b），已被证明在研究年轮内部结构和解决树木年轮学问题方面非常有效。根据所施加的载荷或样品的变形区域，这些方法可以在纳米到宏观尺度上进行研究。然而，这些方法相当耗时，且实施所需的设备价格昂贵。
这表明需要开发简单、方便的方法来研究木材的微观力学性质，这些方法应具有更高的信息含量、更好的分辨率和生产效率，以及更低的劳动强度和设备成本。
本研究的主要目的是开发一种客观的、不受操作员影响的方法，通过划伤木材横截面来扫描年轮的微观力学性质，并探讨该方法在树木年轮学和树木气候学中的应用潜力，同时比较机械划痕测试和密度测量法的结果。
材料与方法
实验使用了约60年的苏格兰松（Pinus sylvestris L）和125年的西伯利亚落叶松（Lárix sibírica）样本。Pinus属和Lárix属是全球典型的、分布最广的针叶树种。苏格兰松来自俄罗斯坦波夫地区的森林。采样于2021年9月进行。西伯利亚落叶松来自俄罗斯伊尔库茨克地区的森林。采样于6月进行
划痕测试
第一系列实验旨在测试划痕测试方法的能力和应用范围。为此，在苏格兰松（1957年至2020年）和西伯利亚落叶松（1925年至2022年）的木材上进行了多组划痕测试，划痕深度d的范围为10至250微米。原始数据以法向力曲线Fn的形式获得（图2）。根据d的值和木材的机械性质，
结论
本文提出了一种新的木材年轮内部结构研究方法。该方法基于在径向划伤木材横截面或芯样时记录和分析法向力曲线Fn(x)。在针叶树种（苏格兰松和西伯利亚落叶松）上对划痕测试方法进行了实验验证。结果表明，Fn(x)曲线表现出振荡特性。其最大值和最小值反映了晚材的机械性质
术语说明
GR：年轮。
OM：光学方法。
EW：早材。
LW：晚材。
SEM：扫描电子显微镜。
密度测量法用于分析年轮内的木材密度变化。该方法可以通过树木的增量芯样无损地进行，所得结果可以生成详细的密度曲线，这对树木年轮学、气候学以及木材质量评估非常有用。
压痕硬度测试在机械工程中用于确定材料的硬度
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：亚历山大·图林表示获得了俄罗斯科学基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
