声学飞行时间法在立木木材性质无损检测中的应用：林木育种程序中的前沿筛选工具

《Discover Plants》：Application of acoustic time of flight measurements for non-destructive evaluation of wood properties in standing trees for tree breeding programs

　　

： 在林木育种中，声学飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）已成为一种有价值的无损检测工具，用于快速筛选和选择具有理想木材品质性状的树木。本系统叙述性综述按照系统综述与荟萃分析优先报告条目（PRISMA）指南进行撰写和报告。研究人员通过使用预定义关键词及纳入和排除标准进行系统性文献检索，识别出相关研究。该综述全面概述了TOF技术的基本原理，并将其性能与评估树木木材品质和结构特性的传统方法进行了比较。除上述基本原理外，本综述还考察了多种应用，包括单株树木监测、腐烂、空洞、裂纹及结构劣化等早期异常检测，以及通过自动化减少劳动力投入的TOF应用。针对白云杉（Picea glauca）、辐射松（Pinus radiata）和欧洲赤松（Pinus sylvestris L.）的案例研究既凸显了取得的成就，也揭示了持续存在的挑战，最终对未来创新及TOF在推进高效林木育种实践中的关键作用进行了前瞻性讨论。

论文主体内容总结：

1 引言

木材作为一种多用途的天然材料，在造纸、家具及房屋建造等众多应用中不可或缺。木材的化学、解剖及细胞特征对其加工过程中的性能和行为起决定性作用，因此基于这些属性对木材进行分级或分类至关重要。近年来，在开发用于评估原木、锯材及立木木材性质的无损检测方法方面取得了显著进展。声学技术作为有前景的工具应运而生，能够在不妨碍木材可用性或结构完整性的前提下评估其物理和力学特性，从而为木材的弹性和阻尼特性提供有价值的见解。多种利用不同波长的技术已被探索用于评估立木、原木及木制品的弹性特性并检测缺陷，常用技术包括超声波法、声发射法、声-超声法及应力波法。其中，TOF法和共振法是评估动态弹性模量（MOE_d）的主要方法。TOF法测量声波在已知距离（L）上的传播时间（t），由此计算声速（v）：v = L/t。在弹性范围内，应力与应变通过胡克定律关联，MOE_d估算为MOE_d = ρv²，其中ρ为木材密度。TOF法通过测量传感器间应力波传播延迟来计算应力波速度。应力波技术已在木材工业中用于无损评估各种木材及复合材料力学性能，最初用于锯材和结构用材的分级，近期已展示出在评估立木结构完整性方面的显著潜力。林木育种通过选择性育种和杂交以提升生产力、适应性和整体健康，在林业和保护中发挥关键作用。TOF法代表林木育种中的前沿创新，有望革新传统实践。

2 方法论

本系统叙述性综述遵循PRISMA 2020指南，通过Crossref、PubMed、Scopus、Science Direct、Google Scholar及Semantic Scholar等在线数据库进行文献检索。检索过程包含四个步骤：关键词创建与使用、系统文献检索、通过筛选收集重要发现以及综述综合。检索涵盖2000年至2025年1月的出版物。主要检索字符串为（"tree breeding" OR "tree improvement"）AND（"non-destructive method" OR "non-destructive testing"），并辅以"time of flight"、"acoustic method"、"stress wave"等相关短语。重复文献、灰色文献、会议论文集、书籍章节及编辑信函被排除。最终共识别2089条记录，去除重复后剩余1040条进行标题和摘要筛选，其中740条因不符合综述范围被排除，300篇全文被评估，最终47项研究符合预定义选择标准并纳入最终定性综合。

2.1 TOF方法的基础与原理

应力波在木材中的传播速度取决于木材的力学和物理特性。与腐烂或劣质木材相比，声波在健康、高品质木材中传播更快。该技术测量应力波从树干一点传播至另一点所需的时间。两个加速度计置于树上以检测冲击装置产生的应力波到达时间，记录起始信号与停止信号之间的持续时间，由此计算波速。例如，未降解花旗松的传播时间约为800 μs/m，而严重降解木材可高达3200 μs/m以上。木材纹理方向影响应力波速度，沿纹理方向传播快于横纹理方向。腐烂的存在显著增加应力波传播时间，传播时间增加30%可对应强度降低50%，这证明了该方法评估木材完整性的有效性。

2.2 与传统育种方法的比较

传统林木育种方法历史上对树种改良贡献显著，但往往依赖破坏性取样技术（如直接弯曲试验）评估木材刚度，耗时且昂贵。相比之下，应力波测量（如声学仪器）允许对立木木材刚度进行无损评估，是育种计划中更高效的选择。多项研究表明，即使在传统技术难以识别木材刚度遗传变异的情况下，声学测量也能快速评估遗传特征，从而在育种计划中实现更有效的选择。TOF测量的遗传力估计因地点而异，凸显了声学技术在预测遗传改良中的实用性。声学测量比涉及大量实验室工作和破坏性测试的传统程序成本更低。声学测量可通过考虑干材密度和微纤丝角等木材品质特征间接预测刚度。在澳大利亚国家育种计划中，声学仪器被评估用于辐射松木材刚度评估，Flynn和Kromelite试验地的平均TOF值分别对应MOE值4.7 GPa和3.7 GPa，Flynn的遗传力估计更高（h² = 0.67 ± 0.10），基于合并TOF数据选择最佳10%树木可获得高达21%的木材刚度遗传增益。

2.3 在推进林木育种技术中的相关性

TOF法通过提供微创和自动化的树木生长评估，解决了传统育种方法的若干局限。该方法减少了对人工测量的需求并最小化环境干扰。TOF支持对单株树木的重复测量，能够早期检测生长异常、病害暴发或胁迫因素，使育种者全面了解树木对环境变化条件的响应，从而更明智地选择育种候选树。此外，TOF法通过提供快速准确的数据采集加速林木育种计划，使育种者能够及时决策并加速改良树种的开发。

2.4 TOF法的测量方式及其应用

测量应力波通过树干的速度是立木评估的首选技术。标准设置中，发射探针和接收探针置于树干边材中，用轻锤敲击发射探针产生应力波，测量波在发射探针与接收探针之间的TOF。由此可确定树干纵向或径向的波速和MOE_d。MOE_d通常与静态MOE具有良好的相关性，可直接从波速计算得出。

2.5 声学方法在林木育种中的优势

声学方法代表了测量树木生长的突破性方法。应力波传播技术已证明可有效对原材料进行分类和诊断。研究证明了这些测量在预测立木和加工木材锯材力学性能方面的实用性。声学方法可用于快速且微创地评估欧洲赤松立木的木材品质特征，并通过重复选择性育种实现遗传改良。此外，研究建议使用横向声波检测潜在缺陷树干段的内腐，增强木材加工中的原材料评估和质量预测。这种微创方法消除了测量过程中对树木造成胁迫或损伤的风险，保持了树木及其周围生态系统的完整性。TOF能够实现树木生长的实时或近实时评估，使育种者和研究人员能够跟踪变化的发生。

2.6 随时间监测单株树木生长的能力

TOF法最显著的特征之一是能够对树木生长动态进行重复和个体化筛选。TOF法使育种者和研究人员能够在较长时间内监测单株树木的生长。这种纵向数据采集对于捕捉生长模式的细微差别、理解季节性变化以及识别零星测量可能遗漏的长期趋势至关重要。偏离预期生长轨迹的突然偏差可被及时识别，提示潜在的健康问题、害虫侵扰或环境胁迫。TOF允许育种者观察单株树木如何适应和响应这些变化，从而为育种策略提供信息。详细记录树木生长轨迹的能力有助于全面的表型表征，这对于识别和选择具有理想性状的树木至关重要。通过分析随时间变化的趋势和生长模式，育种者可以就哪些树木纳入育种计划以及哪些杂交组合可能产生预期结果做出明智决策。研究采用纵向波飞行时间（LWToF）声学技术量化2年生辐射松幼苗10 cm段的声速。

2.7 生长异常或疾病的早期检测

TOF法在林木育种中提供显著优势，尤其是通过早期检测疾病和生长异常的能力。早期检测使森林管理者和育种者能够迅速处理问题，防止疾病传播。树木面临各种胁迫，包括疾病、害虫和环境变化。例如，褐斑病菌已严重影响西班牙北部松林。一种评估病害范围和传播的新方法利用的原理是含水量更高、密度更低的树木被敲击时产生更响亮的声音。该技术已在患病松林中进行有效测试，与视觉评估一致，同时提供客观的预测手段，甚至可在新叶长出前预测树木恢复。TOF提供全面的生长数据，可揭示偏离正常模式的情况，指示潜在的健康问题，增强准确的疾病诊断和治疗。

2.8 通过自动化减少劳动密集型过程

将TOF法整合到林木育种实践中，通过自动化简化操作，为减少劳动密集型过程提供了变革性解决方案。传统树木生长测量方法通常涉及人工数据采集，需要大量人力和时间。TOF自动化允许无需人工干预即可定期评估树木生长，消除了重复访问的需要，释放宝贵的人力资源用于其他关键任务。TOF特别有利于大规模评估，如森林清查或涉及大量树木的育种试验，可高效覆盖广阔区域并提供全面数据。自动化最小化人为错误，确保可靠一致的测量，使研究人员能够专注于数据分析、解释和决策，提高林木育种计划的整体效率。

3 案例研究与应用

3.1 白云杉力学木材性状的遗传改良：声速早期筛选

针对白云杉（Picea glauca）的研究在15年生和32年生两个年龄组的遗传测试中进行，评估声速作为增强力学木材性状的可靠选择性状，特别是通过其与木材密度和微纤丝角（MFA）的关系。声速的遗传力中等，与幼龄和成熟白云杉的木材密度遗传力相当，表明声学性状受充分的遗传控制。声速与MFA之间存在强遗传相关，表明基于高声速选择树木可有效改善MFA。在表型水平上，成熟树木中声速与MFA的相关性比幼龄树木更显著。声速与树高之间存在正但较低的遗传关系，为同时改良树木生长和木材品质提供了机会。将声速与胸径（DBH）和径高比等易测性状结合可增强MFA和整体木材品质的预测模型。

3.2 欧洲赤松锯材刚度和强度的遗传改良

该研究旨在通过选择性林木育种改善欧洲赤松（Pinus sylvestris）的结构木材品质。研究评估了使用微创声学TOF测量确定应力波速度，结合木材密度估算MOE_d，并考察估算MOE_d与锯材静态刚度（MOE）和强度（静曲强度，MOR）之间的关系。在多个阶段进行木材密度（DEN）、声速（VEL）和MOE的无损测量。立木测量包括MOETREE、VELHIT和阻抗图仪木材密度（DENRES），伐倒原木测量包括MOELOG和VELFAK，锯材则进行破坏性测试作为基准性状。所有基于声学的MOE和VEL估计与锯材刚度均表现出强相关性（rA > 0.65）。单株狭义遗传力（h2i）对VEL、MOE和MOR相对较低（0.05至0.26），而木材密度遗传力显著较高（0.34至0.40）。MOE和MOR的加性遗传变异系数范围为5.4%至9.1%，凸显这些性状作为遗传改良的潜在目标。

3.3 案例研究：辐射松声速与密度关系

在8、16和25年生不同年龄的辐射松（Pinus radiata）林分中，研究评估声速是否比传统木材密度更准确地衡量木材刚度（MOE）。声速在伐倒原木（Hitman-共振法）和立木（Fakopp-TOF）中测量。随个体年龄增长，声速和刚度显著上升。Fakopp和Hitman速度差异为9%至17%。声速在筛选树木方面更优，因其显示出更大的变异性（8%至13%变异系数），而密度约为6%至7%。林分内刚度与密度之间存在弱关联。MOE与声速显示强相关（r = 0.81至0.84）。由于年龄效应，合并年龄类别产生虚假的密度-刚度关联。声速是比密度更准确和有效的木材刚度指标，尤其在筛选立木时，密度单独不足以确定刚度，特别是在幼龄林分中。

4 未来展望与创新

未来研究应聚焦于提高TOF声学方法在不同树种、年龄和环境条件下的准确性、可靠性和操作适用性。尽管TOF已被证明是估算木材刚度的有效无损技术，仍需进一步努力标准化测量协议、传感器配置和校准程序。另一个有前景的方向是将TOF测量与互补的无损表型技术整合，特别是近红外光谱、X射线密度测定法和先进统计建模。此类整合方法有望改善经济重要木材性状的预测，同时减少破坏性取样需求。此外，需要更多多地点和多物种验证研究，以评估声学预测在不同遗传背景、营林实践和环境条件下的稳定性。便携式声学传感器、自动化数据采集系统和预测建模的持续进步也有望提高森林树木育种中大规模表型分析的效率。总体而言，TOF应力波方法在革新林木育种技术方面具有巨大潜力，与分子方法和遗传图谱结合可为定向和快速树木改良创造新机遇。

5 局限性

尽管TOF声学方法是一种快速有效的微创木材品质评估技术，其准确性受多种生物、环境和操作因素影响。水分含量和温度可改变声波传播，纹理方向因木材各向异性影响波速。测量准确性还取决于传感器位置、探针耦合和传播距离，而树皮厚度可能降低信号传输并引入变异性。树木特征如直径、纤细度、幼龄材、节子、腐烂及其他内部异质性可进一步影响声速及其与木材性状的关系。TOF的预测性能随树种、树龄、立地条件和营林实践而变化，需要特定树种和立地的校准模型。此外，估算MOE_d需要适当的木材密度值，密度测量误差会影响MOE预测。仪器和校准程序的差异也可能导致所报告声速的变异。最后，从立木、原木和锯材获得的声学测量结果不可直接比较，因为这些材料的边界条件、水分状态和波传播特性不同。

6 结论

TOF声学方法已成为评估立木木材品质性状的有效微创技术。综述研究表明，声速是刚度相关性状（特别是MOE_d）的可靠预测指标，可支持林木育种的早期选择。尽管声速在某些树种中与木材密度相关，但这种关系的强度随树种、年龄、立地条件、幼龄材比例和测量方法而变化。与传统破坏性方法相比，TOF提供快速、可重复且成本有效的评估，便于筛选大型育种群体，同时保护宝贵的遗传资源。未来研究应聚焦于协议标准化、多地点验证、TOF与互补无损技术的整合，以及开发用于操作性林木育种的稳健预测模型。