Estudio preliminar de las grietas internas en anillos de madera inicial y su relación con características de la estructura anatómica y densidad en Eucalyptus nitens

Laura Leandro Zúñiga ¹, Rubén A. Ananías ², Alain Cloutier ³, Juan Eduardo Díaz-vaz ⁴, Mirna Bermedo ⁵, Rebeca Sanhueza ⁶ y Jean P. Lasserre ⁷

¹ M.Sc., Estudiante Doctoral en Ingeniería en Maderas, Universidad del Bío Bío (UBIOBIO), Chile. e-mail: lleandro@alumnos.ubiobio.cl.

² Ph.D., Henri Poincaré, Francia. Profesor Departamento de Ingeniería en Maderas, UBIOBIO, Chile. e-mail: ananias@ubiobio.cl.

³ Ph.D. Université Laval. Profesor, Université Laval. Canadá. e-mail: alain.cloutier@sbf.ulaval.ca.

⁴ Ph.D. Universidad de Göttingen, Alemania. Profesor, Universidad Austral. Chile. e-mail: jdiazvaz@uach.cl.

⁵ Ingeniero en Maderas. UBIOBIO. Chile. e-mail: mirnabermedo@hotmail.com.

⁶ M.Sc. Universidad de Concepción, Chile. Jefe Departamento Mejoramiento Genético de Eucalyptus. CMPC, Chile. e-mail: rebeca.sanhueza@forestal.cmpc.cl.

⁷ M.Sc. University of Canterbury, New Zealand. Jefe Departamento Productos Silvícolas. CMPC, Chile. e-mail: jean.lasserre @forestal.cmpc.cl.

RESUMEN

La presencia de grietas internas dentro de los anillos de crecimiento fue relacionada con la densidad y las características anatómicas de un árbol de Eucalyptus nitens. El diseño experimental incluyó como variables la posición radial y apical. Las grietas internas fueron evaluadas después del secado al aire y a 60ºC. Las características anatómicas y la densidad fueron determinadas mediante métodos normalizados y apoyo de rayos X. La intensidad de las grietas internas fue condicionada por la posición radial y apical en el árbol. Las grietas internas fueron más intensas entre los anillos 4 a 9, y se relacionaron inversamente con la densidad de la madera y directamente con la proporción y diámetro de vasos.

Preliminary study of internal checks within growth-rings and their relationship with anatomical features and density in Eucalyptus nitens

SUMMARY

Internal checks within growth rings were correlated with density and anatomical characteristics of Eucalyptus nitens. The radial and longitudinal positions in the tree were the experimental variables. Internal checks were characterized after air drying and after conventional drying at 60°C. The anatomical characteristics and density were determined using standardized methods and the X-ray technique. The size of internal checks was influenced by their radial and longitudinal positions in the tree. Internal checks were larger in growth rings 4 to 9, and were inversely related to wood density and directly related to the proportion and diameter of the vessels.

Estudo preliminar das fissuras internas em anéis de madeira inicial e sua relação com características da estrutura anatômica e densidade em Eucalyptus nitens

RESUMO

A presença de fissuras internas dentro dos anéis de crescimento foi relacionada com a densidade e as características anatômicas de uma árvore de Eucaliptus nitens. O desenho experimental incluiu como variáveis a posição radial e apical. As fissuras internas foram avaliadas depois da secagem ao ar e a 60ºC. As características anatômicas e a densidade foram determinadas mediante métodos normalizados e apoio de raios X. A intensidade das fissuras internas foi condicionada pela posição radial e apical na árvore. As fissuras internas foram mais intensas entre os anéis 4 a 9, e se relacionaram inversamente com a densidade da madeira e diretamente com a proporção e diâmetro de vasos.

PALABRAS CLAVE / Densidad Básica / Eucalipto / Fibras / Grietas Internas / Madera / Secado / Vasos /

Recibido: 09/05/2008. Modificado: 02/09/2008. Aceptado: 08/09/2008.

Introducción

Las especies de Eucalyptus han jugado un papel muy importante en el mundo como fuente de energía y materia prima para la industria de la celulosa y papel. Su utilización ha evolucionado hacia productos de mayor valor agregado, tales como madera aserrada, muebles chapas, tableros, etc. (INFOR, 1989; Pinilla, 2004). En Chile se tienen 585078ha plantadas de Eucalyptus, de las cuales ~130000ha corresponden a E. nitens y el resto corresponde mayoritariamente a E. globulus. La disponibilidad de madera de E. nitens para el año 2020 se estima en más de 5´10⁶m³ anuales (INFOR, 2007). Esta especie ha demostrado ser la de más rápido crecimiento en Chile, con valores de hasta 77m³·ha^-1 por año (INFOR, 1989). Además de su extraordinario crecimiento, presenta una gran resistencia al frío (Pinilla, 2004). Por lo anterior, se ha creado una gran expectativa para utilizar E. nitens en productos remanufacturados de madera no pulpable. Para el aprovechamiento de esta especie como madera aserrada y manufacturas de mayor valor agregado, muebles, paneles y chapas, se requiere resolver el problema tecnológico del secado de la madera, específicamente el colapso y las grietas internas (INFOR, 2004). Estas limitaciones en E. nitens, han sido observadas tanto en madera creciendo en Chile como en Nueva Zelanda (INFOR, 2004; McKim et al., 1988).

Diversos trabajos han reportado las características tecnológicas del E. nitens en relación con el secado. Las grietas internas y el colapso han limitado el secado de la madera (McKimm et al. 1988; Rozas et al. 2005) y se ha evidenciado la propensión a las grietas en trozas, reportándose que las grietas dentro de los anillos son más frecuentes en los márgenes del duramen (Lausberg et al. 1995; Shelbourne et al. 2002).

Por otra parte se ha observado heterogeneidad en las propiedades de la madera de E. nitens, la que esta relacionada con la tendencia a las grietas y el colapso. Shelbourne et al. (2002) motraron que las grietas internas dependen de la altura en el árbol, las características del sitio de crecimiento y las condiciones de secado. Las grietas internas fueron más intensas en discos obtenidos a la altura de pecho, un mayor número de grietas fue asociado con mayores medias anuales de temperatura y copas pequeñas, contrario a la madera obtenida de lugares más fríos, con copas grandes y verdes; además, se reportó mayor frecuencia de grietas internas cuando la madera fue secada al aire, en comparación al secado en horno.

Ee presente trabajo tiene como objetivo relacionar la presencia de grietas internas dentro de los anillos de madera inicial con algunas propiedades anatómicas y con la densidad en un árbol de E. nitens.

Metodos

Este trabajo corresponde a un estudio preliminar en un árbol de Eucalyptus nitens, al cual se evaluó el efecto de la posición radial y la altura sobre algunas propiedades anatómicas y la densidad, en relación con las grietas internas entre los anillos. El detalle de las mediciones experimentales realizadas se muestra en la Tabla I.

TABLA I

DESCRIPCIóN DE LOS EXPERIMENTOS

El árbol correspondiente al estudio preliminar fue obtenido de una plantación de E. nitens ubicada en Mulchén (VIII región, Chile) establecida hace 14 años. De este individuo se extrajeron discos de 5cm de espesor a cada 5m de altura a partir de la base, hasta una altura de 25m, obteniéndose un total de seis discos. A partir de cada uno de estos discos se preparó un listón central que fue subdivido por la mitad en dos partes iguales, a las que se les determinó su contenido de humedad y densidad básica gravimétricamente, de acuerdo a las normas chilenas (INN 1984, 1988).

Para evaluar la densidad por medio de un densitómetro de rayos X se preparó un listón de 4cm de ancho correspondiente al punto cardinal norte, el cual fue acondicionado en una cámara de clima Heraeus-Vostch a 25ºC, hasta un 12% de contenido de humedad. Los listones fueron luego reacondicionados en vapor saturado para recuperar el colapso. Posteriormente las muestras fueron transportadas en bolsas plásticas hasta los laboratorios de la Universidad Laval en Canadá, donde fueron cortados con un espesor de 1,7mm para determinar sus perfiles de densidad mediante un equipo de rayos X y empleando el software Quintek X-Ray Tree Ring Analyser. Este equipo realizó un barrido de la superficie (escaneo), capturando las densidades de los anillos de crecimiento de cada listón, desde la médula a la corteza (Figura 1).

Figura 1. Densitometría mediante rayos X.

Para la determinación de la frecuencia y diámetro de vasos, el espesor de la pared celular y el diámetro del lumen de las fibras, se tomaron trozos de 2´2´2cm a partir del primer listón con dirección norte para cada uno de los individuos y para tres posiciones radiales o tipos de madera de interés: madera central o cercana a la médula, madera lateral o cercana a la corteza y madera de transición o intermedia entre las anteriores. Se tuvo la precaución de recoger los trozos de cada zona del listón considerando siempre los mismos anillos de crecimiento. De cada uno de estos trozos se prepararon muestras de la madera inicial en sentido transversal en un micrótomo, adaptando los protocolos descritos por Jane (1970) y Hoadley (1995). Este procedimiento se realizó siguiendo los siguientes pasos: selección del material a estudiar ,donde se obtuvo de cada listón las tres muestras según las posiciones radiales de interés; seguidamente se realizó el ablandamiento, en el cual se mantuvieron los cubos de madera sumergidos en agua por 36h. Para el corte de las muestras se utilizó un micrótomo de Microm, modelo HM325, ajustado a un espesor de 35µm. Los cortes obtenidos fueron teñidos con una solución de safranina por 5min y posteriormente lavados con abundante agua para eliminar el exceso de tinción. Luego se deshidrataron las muestras sumergiéndolas en soluciones de alcohol de concentraciones ascendentes desde 30 a 80%, manteniéndolas 5min en cada solución. Posteriormente fueron colocadas en xilol para darles rigidez, en tanto el montaje sobre el portaobjeto se hizo con bálsamo de Canadá, cubriendo con un cubreobjeto sobre el cual se colocó un pequeño peso para su óptima adhesión y evitar la presencia de burbujas de aire. Las muestras así preparadas fueron evaluadas a través del análisis de imágenes con apoyo del sofware comercial Wincell (Regent-Canadá), el cual opera capturando imágenes a través de una cámara digital Polaroid DMC, que toma la foto desde un microscopio de cada una de las muestras. La medición de la frecuencia y diámetro de vasos se realizó utilizando la lente 40´ del microscopio, estableciéndose un área de medición de 1,583´0,909mm², donde se determinó el número de vasos en cuatro cuadrantes seleccionados al azar para cada muestra. Para el caso específico de la medición del diámetro de los vasos, ésta se repitió en diez oportunidades para cada cuadrante. En el caso de la medición del espesor de pared y diámetro de lumen, se utilizó la lente de aumento 100´, utilizándose el programa de tal forma que las mediciones fueron interceptadas para obtener dos valores de espesor de pared celular para el sentido tangencial y radial, y un valor de diámetro de lumen promedio para cada dirección. Esta medición se determinó en cuatro cuadrantes seleccionados al azar para cada muestra y se repitió en diez ocasiones para cada cuadrante (Figura 2).

Figura 2. Medición de los vasos con apoyo de software comercial.

Las partes externas al disco fueron utilizadas para evaluar la presencia de grietas internas después de secar esta madera al aire y en estufa a temperatura convencional. El secado al aire se realizó bajo cobertizo por seis meses entre abril y octubre 2006 en Concepción, Chile. El secado en estufa se realizó a 60ºC por 3 semanas. La evaluación de las grietas internas se realizó contabilizando el número y el largo de las grietas entre los anillos de madera inicial desde la médula a la corteza, siguiendo la metodología descrita por Shelbourne et al. (2002).

Análisis estadístico

Las propiedades anatómicas tales como el diámetro y la frecuencia de vasos, el espesor de la pared celular y el diámetro de las fibras fueron analizadas estadísticamente. Se empleó un diseño completamente aleatorio y se realizó un análisis de varianza para comparar los resultados según la posición radial y apical, para un intervalo de confianza de un 95%. Se comprobó la normalidad de los datos y la homogeneidad de la varianza mediante las pruebas de Barlett y de Kolmogoroff-Smirnow, respectivamente. Para el análisis estadístico de las propiedades anatómicas, se utilizó un software comercial.

Resultados y Discusión

Caracterización anatómica

Los resultados de las propiedades anatómicas son mostrados en las Tablas II a V. En las Tablas II y III se observa que el diámetro de vasos y la frecuencia aumentan con la altura del árbol. Igualmente, como se aprecia en las Tablas IV y V, el espesor de pared celular de las fibras aumenta con la altura y el diámetro del lumen de las fibras disminuye apicalmente. Todas estas tendencias resultaron ser estadísticamente significativas (Tabla VI).

TABLA II

FRECUENCIA DE VASOS EN E. nitens

TABLA III

DIáMETRO DE VASOS EN E. nitens

 

TABLA IV

ESPESOR PARED DE LAS FIBRAS DE E. nitens

TABLA V

DIÀMETRO DE LAS FIBRAS DE E. nitens

TABLA VI

VALOR RESULTANTE DEL ANÀLISIS DE VARIANZADE LAS PROPIEDADES ANATÒMICAS DE E. nitens

 

El comportamiento de la frecuencia de los vasos con la altura es similar al reportado en la literatura (Mariani et al., 2005), pero no así la tendencia del diámetro de los vasos. En este estudio el aumento del diámetro de los vasos se correlaciona inversamente con el diámetro del lumen de las fibras en la dirección apical.

Según la posición radial, el espesor de la pared celular y el diámetro del lumen de las fibras disminuyen. La magnitud del espesor de la pared celular en estos ensayos es similar a la reportada por Herrera (2006) pero levemente mayor que la reportada por McKim e Ilic (1987) y por Kibblewhite et al. (2004). Para la frecuencia de vasos se obtuvo una disminución de médula a corteza, sin embargo el diámetro de los vasos fue aumentando de la madera central a la madera lateral o externa, comportamiento que es similar al reportado por McKimm e Ilic (1987). Con respecto al diámetro del lumen no se observaron grandes diferencias según la posición radial, pero para todas las posiciones evaluadas el diámetro siempre fue mayor en sentido tangencial y menor en sentido radial; la misma tendencia se obtuvo con respecto al espesor de pared celular, aunque en este caso se observó que la madera de transición presentó valores mayores que la madera central y lateral. De estas tendencias, resultaron ser estadísticamente significativas, la frecuencia y el diámetro de vasos, así como el diámetro del lumen de las fibras en la dirección radial (Tabla VI).

Caracterización física

Los resultados de densidad básica y densidad normal son presentados en la Figura 3, donde se observa que ambas densidades aumentan con la altura del árbol. La variación apical de la densidad básica resultó ser estadísticamente significativas. Particularmente, se observa que la densidad normal de la madera final se mantiene prácticamente constante con la altura del árbol y que la densidad de la madera inicial aumenta con la altura del árbol. Los menores valores de densidad en la base del árbol están relacionados entonces con la variabilidad de la densidad de la madera inicial. Además, en la base del árbol es más notable la diferencia entre la densidad de la madera inicial (~400kg·m^-3) y final (~900kg·m^-3). En otro estudio realizado sobre este mismo árbol de E. nitens se encontró un contenido de humedad máximo de 175% y un colapso más intenso en la primera troza del árbol (Bermedo, 2007).

Figura 3. Variación apical de la densidad del E. nitens según la densidad básica (a) y la densidad normal (b).

En las densitometrías que se muestran en la Figura 4 se observa que la densidad normal tiendes a aumentar con la posición radial, efecto que es más notable en la base del árbol (Figura 4a). Este comportamiento es probablemente consecuencia de una disminución en la frecuencia de vasos (Tabla II) y un aumento en la proporción de fibras, lo que se deduce de la disminución del diámetro de las fibras (Tabla V) y de la constatación de una pequeña variación en el espesor de la pared celular de las fibras (Tabla IV) en esa zona.

Figure 4. Densitometrías en E. nitens.

Caracterización de las grietas internas en los anillos

En la Figura 5 se muestra la incidencia de grietas de acuerdo con la altura después de aplicar un secado a 60°C, apreciándose que en las alturas correspondientes a 5 y 25m no se observan grietas, mientras que en la Tabla VII se reporta la magnitud de las grietas internas observadas tras los ensayos de secado a 60ºC. La mayor concentración de grietas se observó en la base del árbol, donde el grado de duraminización es probablemente más intenso, lo que favorece la proliferación de grietas internas. Además, la temperatura parece ser un factor limitante en el secado de esta especie, ya que al aplicar una temperatura de 60°C el material se agrietó intensamente en las zonas más débiles, esto es, los anillos de madera inicial.

Figura 5. Grietas en E. nitens después del secado a 60ºC.

TABLA VII

CUANTIFICACIóN DE LAS GRIETAS INTERNAS A DIFERENTES ALTURAS EN UN áRBOL DE E. nitens DESPUÉS DE SECADO A 60ºC

Interrelación entre las propiedades anatómicas y físicas con las grietas internas

El disco tomado de la base del árbol presentó la mayor cantidad de grietas. Se encontró además en este disco una menor densidad en comparación con los discos de alturas superiores, mientras que la proporción de vasos tendió a aumentar y el diámetro de vasos tendió a disminuir con la altura del árbol. La baja densidad en la base del árbol es debida probablemente a una mayor proporción de fibras, derivada de una menor frecuencia de vasos y un mayor diámetro de vasos en este disco. Con respecto a la posición radial, se observó para todos los casos que la mayor concentración de grietas se presentó en la madera de transición, específicamente en las bandas de madera inicial del duramen externo, esto es, para árboles de 14 años, entre los anillos 4 y 9; sin embargo, en algunos casos las grietas también estaban relacionadas con la médula, anillos 1 a 3, pero nunca en la madera externa o lateral, anillos 11-14, que corresponde a la madera de albura que presenta la mayor densidad debido a un incremento en la densidad de la madera inicial y final.

De acuerdo al análisis anterior se observa que la intensidad de las grietas internas dentro de los anillos de crecimiento es condicionada por la posición radial y apical en el árbol. Las grietas internas dentro de los anillos son más intensas en los márgenes del duramen, anillos 4 a 9, y están inversamente relacionadas con la densidad de la madera, pero directamente interrelacionadas con la frecuencia y el diámetro de vasos, que inducen probablemente una menor proporción de fibras.

Conclusiones

La intensidad de las grietas internas dentro de los anillos de crecimiento es condicionada por la posición radial y apical en el árbol. Las grietas internas son más intensas en los márgenes del duramen, entre los anillos 4 y 9, y en la base del árbol, siendo inversamente relacionadas con la densidad de la madera y directamente interrelacionadas con la frecuencia y el diámetro de vasos.

agradecimientos

Los Autores agradecen a la empresa Forestal Mininco por el aporte de la madera necesaria para estos experimentos.

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