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| Chapitre 2. Matériel et méthodes | ||
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Table des matières
Trente-six arbres ont été récoltés dans la région de Chibougamau, à 400 km au nord de Quebec dans un peuplement dont la densité moyenne est de 1967 arbres/ha (Horvath 2002) (Tableau 2-1). Il s’agit d’un peuplement régénéré naturellement après un incendie en 1906, n’ayant subi aucune intervention humaine, et dont les arbres ont presque le même âge et la même hauteur mais sont répartis aléatoirement sur le terrain. L’espacement entre les arbres est relativement faible mais il est aussi très variable. La superficie étudiée est d’environ un demi hectare.
L’indice de Schütz (Figure 2-1) a été utilisé pour déterminer la distance entre deux arbres pour que ceux-ci soient considérés comme compétitifs. Il s’avère très pratique à utiliser en forêt (Ung et al. 1997) et ne fait pas intervenir le diamètre de l’arbre concurrent. Les calculs préliminaires à partir de cet indice ont permis d’établir à 4 m le rayon de compétition.
L’indice de Schütz est calculé à partir de deux composantes de la compétition, l’une horizontale et l’autre verticale.
L’arbre voisin est considéré comme compétiteur si 
En considérant que les arbres ont la même hauteur (Hv=Hc) et que la cime a en moyenne un rayon de 1m (Dv,c=2) nous avons donc choisi un rayon de 4m.
Chaque arbre a été caractérisé par une densité locale de peuplement définie comme le rapport du nombre d’arbres présents dans le cercle de rayon 4 m et la superficie de ce cercle. Les arbres morts ou de moins de 8 cm de diamètre ont été écartés du décompte du fait de leur faible participation en tant que compétiteur. Les trente-six arbres de l’étude ont ensuite été répartis dans trois groupes de densité de peuplement mais, la densité locale de peuplement étant très variable, il résulte une certaine variabilité à l’intérieur de chaque groupe (Tableau 2-2).
Chaque arbre voisin de l’arbre étudié dans un rayon de 4 m, a été mesuré en diamètre à hauteur de poitrine et caractérisé par sa distance et l’azimut par rapport à l’arbre central. Pour chaque arbre principal on a mesuré la hauteur totale, la hauteur et la largeur du houppier, et le diamètre à hauteur de poitrine. Le côté sud de l’arbre a été déterminé à l’aide d’une boussole et marqué sur le tronc.
Tableau 2-2. Description des trois groupes de densité de peuplement. Les groupes sont statistiquement différents au seuil de probabilité de 1%.
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La présence de nombreux arbres morts suggère que la densité de peuplement pendant toutes ces années de croissance a probablement été différente de celle que l’on a mesurée sur les lieux 83 ans après, en 1999 au moment de la récolte des arbres. Toutefois, une simulation sur le logiciel SDMD de simulation de gestion de peuplement (Stand Density Management Diagram SDMD Version 3.1 MNR Copyright (C) September 2001) (Appendice 1 : Figures 6-5 et 6-6) semble montrer que le peuplement se situe temporellement entre la phase à croissance maximale et la phase de sénescence.
Bien que les peuplements soient issus de feu, donc qu’ils aient été régénérés sur un très court laps de temps, on constate une certaine variabilité entre les arbres concernant leur hauteur, leur diamètre et la datation de la moelle à hauteur de 2,4 m (Appendice 2 : Tableau 6-3, Figure 6-7). En particulier on note une différence maximale de 10 ans entre l’arbre le plus vieux et l’arbre le plus jeune de l’échantillonnage, et l’on constate que les arbres les plus vieux ont tendance à être plus grands et plus gros (Appendice 2 : Figure 6-8).
Chaque arbre a été ébranché et découpé sur le terrain en trois billes de 2,7 m (Figure 2-2). La partie supérieure de chaque bille a été elle-même recoupée au sommet pour prélever un billon d’une longueur de 30 cm environ.
Une planche radiale d’un centimètre d’épaisseur a été prélevée, par sciage à la scie à ruban, dans le centre du billon dans la direction Sud-Nord. Celle-ci a été ensuite recoupée en trois parties, dont la partie supérieure a servi à la préparation des bandes de bois pour les mesures densitométriques (Figure 2-3).
L’échantillon final est obtenu à l’aide d’une double scie qui permet d’avoir une bande régulière de 1,57 mm d’épaisseur dans la direction longitudinale (Figure 2-4). L’épaisseur constante des échantillons est une condition nécessaire à la qualité des résultats puisque la mesure de la densité s’effectue par mesure de l’absorption des rayons X qui dépend de l’épaisseur du matériau traversé par le rayon. Les échantillons ont été régulièrement mesurés au pied à coulisse.
Les échantillons sont traités dans un mélange d’alcool et cyclohexane pendant 24 heures puis 24h dans l’eau bouillante pour enlever les substances extractibles. Ils sont ensuite rincés et séchés à l’air libre sous une charge dans la chambre du densitomètre.
Les échantillons pour l’étude anatomique sont des coupes minces découpées en laboratoire à l’aide d’un microtome. A partir de la planche radiale vue précédemment, on prélève la partie supérieure qui est découpée en cubes d’environ 1 cm de largeur dans la direction radiale. On découpe autant de cube que la longueur de l’échantillon le permet. Les cubes sont immergés et soumis à des cycles de vide atmosphère afin de les imprégner d’eau et les rendre plus faciles à couper.
Des coupes de 20 µm d’épaisseur ont été prélevées sur chaque cube dans le plan transversal. Ces coupes minces ont subi une série de traitements dans l’eau de javel, l’alcool et le toluène, avant d’être fixées sur une lame de verre avec une solution de Permount (Figure 2-5). Elles ont été réalisées en plusieurs exemplaires afin de s’assurer d’avoir la meilleure qualité de coupe lors de l’observation sous le microscope.
Les éprouvettes ont été fabriquées à partir de la planche radiale décrite au paragraphe 2-1-3 (Figure 2-2), en découpant longitudinalement celle-ci à chaque centimètre dans la direction radiale à partir de la moelle afin d’avoir autant d’éprouvettes que le diamètre de l’arbre le permet. Les éprouvettes initialement à 30 cm ont été recoupées à la longueur de 150 mm en enlevant autant que possible les défauts apparents comme les nœuds. On s’est assuré également que les cernes soient parallèles aux cotés des éprouvettes. Néanmoins, cela n’a pas été possible pour les éprouvettes situées près de la moelle dont les cernes ont un petit rayon de courbure. Les éprouvettes ont été découpées à la scie à panneaux, réglée pour obtenir des échantillons de même taille.
Ces éprouvettes de dimension 10 x 10 x 150 mm³ à l’état vert ont été conservées dans une chambre froide jusqu’au moment des premières mesures de retrait.
Les éprouvettes ont été fabriquées à partir des 36 arbres (trois groupes de densité de peuplement) aux trois hauteurs étudiées et de la moelle vers l’écorce.
Les photos ont été prises à cheval sur deux cernes consécutifs (Figure 2-6). Cela permet de séparer plus facilement le bois initial et le bois final. Tous les cernes de la moelle vers l’écorce ont été photographiés à deux emplacements à l’aide d’un microscope à caméra digitale. Les analyses des photos ont été effectuées avec le logiciel WinCell de Régent Instruments® dans le bois final et le bois initial. L’analyse est basée sur les couleurs et les contrastes entre le lumen et la paroi cellulaire. Les données recueillies sont la surface moyenne des lumens, la surface totale de la paroi cellulaire et la surface totale de lumen dans le plan transversal.
L’angle des microfibrilles a été mesuré sur douze échantillons seulement, au CSIRO Forestry and Forest Products Department en Australie à l’aide du procédé SilviScan®. Les échantillons qui font 1 cm² de section et ont une longueur égale à la dimension radiale, ont été traités dans l’alcool dilué, puis dans l’alcool pur, pour les déshydrater.
Ils ont ensuite été recoupés, au CSIRO-FFP, aux dimensions tangentielles et longitudinales respectives de 2 mm et 7 mm. L’angle des microfibrilles peut être mesuré par diffraction des rayons X ou par spectroscopie à infrarouge (Schimleck et Evans 2002). Dans le cas présent, c’est la diffraction des rayons X qui a été utilisée. L’échantillon est placé sur un goniomètre et les rayons X traversent l’échantillon perpendiculairement au plan radial-longitudinal, un système d’analyse d’image permet d’effectuer la mesure (Figure 2-7). Les mesures ont été effectuées avec une résolution de 2 mm. La valeur donnée est une moyenne de l’angle des microfibrilles sur chaque espacement de 2 mm, bois initial et bois final compris.
Les échantillons ont été placés dans le densitomètre équipé d’une caméra vidéo. Les mesures commencent sur la moelle et se poursuivent vers l’écorce. Le logiciel de l’appareil permet d’enregistrer toutes les valeurs obtenues du début de l’acquisition jusqu’à la fin à chaque intervalle de 0,0025 mm. Les données brutes fournies par l’appareil (Figure 2-8) sont ensuite recalculées dans Excel à l’aide d’une macro (Appendice 3) qui permet de décomposer le profil brut en une série de cernes caractérisés par leur densité, leur largeur, leur densité et leur largeur dans le bois initial et le bois final, leur densité maximale, et leur densité minimale.
La principale raison pour laquelle on recalcule les données dans Excel est que le logiciel de l’appareil travaille à partir d’une définition de la transition du bois juvénile au bois mature qui s’avère inutilisable dans notre cas. Celle-ci est fixée arbitrairement par l’appareil à 0,54 (Jozsa et al. 1987) or la transition du bois initial au bois final a lieu dans de nombreux cas au-dessous ou au-dessus de cette valeur. La définition adoptée dans notre étude pour le point de transition est le moment où la courbe de densité intra cerne passe par un point d’inflexion (Figure 2-9) (Koubaa et al. 2002).
Figure 2 9. Décomposition du profil brut de densité en cernes individuels et détermination de la transition du bois initial (BI) au bois final (BF).
Le retrait a été mesuré sur les éprouvettes dans une chambre de conditionnement dont le réglage (65% d’humidité relative, 20°C) permet d’obtenir une humidité d’équilibre hygroscopique de 13.6%. Les éprouvettes à l’état vert ont été placées dans cette chambre sous une charge afin de limiter les déformations et ont été mesurées chaque jour jusqu’à stabilisation de leur poids. Le retrait a été mesuré pour une variation de la teneur en humidité de l’état saturé des fibres jusqu’à 13.6%.
Les trois types de retrait, radial, tangentiel et longitudinal ont été mesurés à l’aide d’un micromètre de précision (0,001 mm) relié à un ordinateur pour une acquisition plus rapide des données. Lors de la mesure, les éprouvettes ont été placées dans un gabarit afin de réduire l’effet de la déformation.
Les essais de flexion ont été réalisés sur un banc de flexion trois points selon la norme ASTM D-143 des éprouvettes de petite dimension, sans défauts, à 13.6% d’humidité d’équilibre hygroscopique. Les éprouvettes ont été disposées sur le banc de flexion avec les cernes orientés horizontalement et le coté de la moelle dirigé vers le haut. Pour les éprouvettes proches de la moelle, présentant un faible rayon de courbure des cernes, il était impossible de discerner la position verticale ou horizontale des cernes. Néanmoins, il y a pas de variation significative selon que l’éprouvette est testée dans un sens ou dans l’autre pour ces éprouvettes selon des tests préliminaires. Par contre pour les autres éprouvettes, et selon les tests préliminaires il y a une plus grande valeur du MOE lorsque les cernes sont présentés verticalement. Deux séries de mesures ont été effectuées, l’une dans le domaine élastique uniquement, et l’autre allant jusqu’à la rupture.
L’appareil utilisé est un MTS de charge maximale 5 kN. Les essais ont été effectués avec une cellule de charge 1 kN et les données sont traitées automatiquement par le logiciel Testworks Version 4.02.
La plus grande partie du travail a consisté à traiter statistiquement les données. Pour cela plusieurs techniques ont été utilisées à l’aide du logiciel SAS.
La première partie de l’analyse se base sur des observations des graphiques représentant les variations radiales de la moelle vers l’écorce des différentes caractéristiques étudiées en fonction de l’âge cambial. Les analyses graphiques ont permis une comparaison rapide des trois densités de peuplements et des trois hauteurs.
L’analyse de la variance a ensuite permis de renforcer nos conclusions et a été utilisée selon les cas dans le bois juvénile et le bois mature. En effet, on a constaté que pour certaines propriétés comme la densité des cernes, il valait mieux séparer dans notre analyse le bois juvénile et le bois mature afin de tirer des conclusions plus précises. Alors qu’une analyse sur l’ensemble du profil pouvait aboutir à un résultat négatif, on a constaté qu’elle pouvait montrer un résultat significatif dans le bois juvénile ou le bois mature. De la même façon les différences entre groupes de densité de peuplements pouvaient être significatives à certaines hauteurs de l’arbre et non significatives à d’autres. Pour les différences en hauteur les groupes de densité de peuplement n’ont pas été pris en compte. En effet, on a constaté dans de nombreux cas l’absence d’interaction entre la hauteur dans l’arbre et la densité de peuplement. Cela supposait que s’il y avait une différence significative en hauteur, elle était identique quel que soit le groupe.
Dans les modèles on a utilisé l’âge cambial et la hauteur ou l’âge cambial et le groupe de densité de peuplement comme variables indépendantes, et les différentes propriétés du bois comme variables dépendantes.
Pour la détermination de l’âge de transition on a utilisé l’analyse de régression non linéaire par segment (NLIN) dans SAS. Elle permet d’obtenir rapidement l’intersection entre deux droites qui constituent une régression linéaire dans chaque partie du profil radial (bois juvénile et bois mature).
Enfin, dans la dernière partie de nos analyses statistiques, on a étudié en utilisant un modèle mixte l’effet de la densité, de la largeur des cernes et de l’angle des microfibrilles sur le module d’élasticité et le module de rupture. Les modèles linéaires mixtes trouvés permettent de mettre en relation quelques propriétés anatomiques, physiques et mécaniques. L’avantage du modèle mixte est de tenir compte à la fois de facteurs fixes (variables étudiées) et de facteurs aléatoires (arbres).
En conclusion de la partie consacrée à l’échantillonnage, on peut retenir les points suivants :
Les échantillons sont destinés à trois types d’études : une partie anatomie, une partie densitométrie et une partie retrait et propriétés mécaniques.
Tous les échantillons sont prélevés de manière à obtenir un profil radial de la moelle vers l’écorce.
Les échantillons sont prélevés à trois hauteurs différentes (2,4; 5,1 et 7,8 m) et proviennent de 36 arbres répartis dans trois groupes de densité de peuplement (1790, 2700 et 3400 arbres/ha).
Les échantillons sont prélevés sur une même planche découpée en section radiale afin d’établir les corrélations entre les diverses parties étudiées.
© Jérôme Alteyrac, 2005
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| Chapitre 1. Revue de literature |  | Chapitre 3. Influence of Stand density on ring width and wood density at different sampling heights in black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) |
