SCIENTIA FORESTALIS Agrupamento de especies florestais por analises univariadas e multivariadas das caracteristicas anatOmica, fisica e quimica das suas madeiras
Clustering of forest species by univariate and multivariate analysis of anatomical, physical and chemical characteristics of wood
Moises Silveira Lobaol, Vinicius Resende de Castro2, Alisson Range13, Camila Sarto4, Mario Tomazello Filho5, Francides Gomes da Silva Junior, Lauro de Camargo Neto7 e Maria Aparecida Rizzato Chavez Bermudez8
Resumo No agrupamento de especies nativas e ex6ticas é importante analisar conjuntamente as varias caracteristi- cas da madeira. Neste aspecto, a analise estaffstica multivariada apresenta vantagens, por proporcionar a aplicacao de metodos estaffsticos que permitem descrever e analisar as caracteristicas anatomicas, ffsicas e quimicas da madeira. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo agrupar e identificar o po- tencial de uso de 12 especies florestais pelas propriedades anatomicas, ffsicas e quimicas da madeira e, posteriormente, aplicando o teste de Scott-Knott como suporte para a interpretacao dos resultados. Foi ana- lisada a madeira de 12 especies nativas e introduzidas, determinando as caracteristicas ffsicas (densidade basica, retratibilidade volumetrica), anatomicas (comprimento, largura e espessura de parede das fibras, diametro, frequencia e area ocupada pelos vasos) e quimicas (teor de extrativos, holocelulose e lignina total). As analises estaffsticas univariadas e multivariadas indicaram que as caracteristicas da madeira sao eficientes para o seu agrupamento e identificacao do potencial de uso. As caracteristicas mais importantes da madeira na separacao dos grupos de especies florestais, pela Analise de Componentes Principais, fo- ram o teor de holocelulose, a densidade basica e a espessura da parede das fibras no Componente 1 e a retratibilidade volumetrica, diametro dos vasos e o teor de extrativos totais no Componente 2. Palavras-chave: Ana lise de Componentes Principais, Teste de Scott-Knott; Qualidade da madeira
Abstract In the grouping of native and exotic species itis important to examine several wood features. In this respect, the multivariate analysis has advantages; since it provides the application of statistical methods that allow describing and analyzing the anatomical, physical and chemical wood characteristics. This work aimed at grouping and identifying the potential use of 12 forest species by their anatomical, physical and chemical wood properties and then applying the Scott-Knott test to interpret of results. Twelve native and introduced wood species were analyzed; for which physical characteristics (density, volumetric shrinkage), anatomical (length, width and fiber wall thickness, diameter, frequency and area occupied by vessels) as well as chemical (extractives total, holocellulose and lignin) were determied. The univariate and multivariate statistical analysis indicated that wood characteristics are effective for grouping and identifying for potential uses. The most important characteristics of wood in separating groups of forest species by Principal Component Analysis were: holocellulose, basic density and fiber wall thickness in Component 1 and volumetric shrinkage, vessel diameter and total extractives in Component 2. Keywords: Principal Components Analysis, Scott-Knott Test; Wood quality.
1Professor Adjunto do Centro de Ciencias Biologicas e da Natureza da Universidade Federal do Acre (UFAC). Rodovia 364, Km 04, Campus da UFAC, Rio Branco, AC - E-mail: moises [email protected] 2Mestrando do Programa de Pas Graduacao em Recursos Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" (ESALQ-USP). Av. Avenida Paduas Dias, 11 Independencia, 13418-900 - Piracicaba, SP - E-mail: [email protected] 3Mestrando do Programa de Pas Graduacao em Recursos Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" (ESALQ- USP). Av. Avenida Paduas Dias, 11 Independencia, 13418-900 - Piracicaba, SP - E-mail: [email protected] 4Mestranda do Programa de Pos Graduacao em Recursos Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" (ESALQ-USP). Av. Avenida Paduas Dias, 11 Independencia, 13418-900 - Piracicaba, SP - E-mail: [email protected] 'Professor Titular do Departamento de Ciencias Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" (ESALQ- USP). Av. Avenida Paduas Dias, 11 Independencia, 13418-900 - Piracicaba, SP - E-mail: [email protected] 'Professor Associado do Departamento de Ciencias Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" (ESALQ- USP). Av. Avenida Paduas Dias, 11 Independencia, 13418-900 - Piracicaba, SP - E-mail: [email protected] 'Graduando do Curso de Gestao Ambiental da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" (ESALQ-USP). Av. Aveni- da Paduas Dias, 11 Independencia, 13418-900 - Piracicaba, SP - E-mail: [email protected] 8Tecnica Laboratorista do Departamento de Ciencias Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" (ESALQ-USP). Av. Avenida Paduas Dias, 11 Independencia, 13418-900 - Piracicaba, SP - E-mail: [email protected] Sci. For., Piracicaba, v. 39, n. 92, p. 469-477, dez. 2011 469 Lobao et al. - Agrupamento de especies florestais por analises univariadas e multivariadas das caracteristicas anatornica, fisica e quirnica das suas madeiras
INTRODUCAO MATERIAL E METODOS
A complexidade e a variabilidade estruturalEspecies florestais e coleta do lenho das arvores refletem na variacao dasdas amostras do lenho suas propriedades fisicas, quirnicas e mecanicas No presente estudo foram analisadas a ma- (RICHTER; BURGER, 1991). 0 conhecimento deira de arvores de Balfourodendron riedelianum dessas propriedades possibilita a classificacao e (pau-marfim), Hymenolobium petraeum (angelim o agrupamento das especies, pela aplicacao das pedra), Ocotea porosa (imbuia), Aspidosperma analises uni e multivariadas, permitindo a pre-polyneuron (peroba rosa), Cedrela odorata (cedro), conizacao dos usos da madeira (ARAUJO, 2007; Schizolobium parahyba var. amazonicum (parica); MAINIERI; CHIMELO, 1989; ZENID, 1997). Apeiba tibourbou (pente de macaco), Ochroma Dentre as caracteristicas mais relevantes da ma- pyramidale (pau de balsa); Eucalyptus grandis e E. deira, destacam-se a sua anatomia, a densidade e asaligna (eucalipto), Tabebuia serratifolia (ipe ama- composicao quirnica (OLIVEIRA, 1988; RICHTER; relo) e Tectona grandis (teca). Amostras do lenho BURGER, 1991). 0 valor da densidade da madei-foram coletadas no DAP do tronco de 4 arvores ra é utilizado, normalmente, para a preconizacao de Apeiba tibourbou, Ochroma pyramidales, Schizo- de seu uso, sendo influenciado pela sua estrutura lobium parahyba var. amazonicum e Cedrela odora- anatornica (dimensoes celulares) e composicaota (total de 16 arvores-amostras) ocorrentes na quirnica (PANSHIN; De ZEEUW, 1980). Reserva Experimental Catuaba, Rio Branco, AC. A literatura reporta os resultados de pesquisasAs amostras do lenho das arvores de Eucalyptus de diferentes especialidades da ciencia e tecnologiasaligna e E. grandis foram coletadas de arvores da madeira que visam agrupar as diferentes espe-(7 anos) de plantacoes da Estacao Experimental cies atraves de caracteristicas similares (PRESOT-de Anhembi, Anhembi, SP e da Duratex S.A. de TI; BARRETO, 2009; ZENID, 1997). Desta forma, LencOis Paulista, SP, respectivamente, de acor- inumeras publicacoes, como as de Brito e Barri- do corn as normas da NBR/7190 (ABNT, 1997). chelo (1977), Chime lo e Alfonso (1985), Chime-As amostras de madeira de Hymenolobium pe- lo e Humphreys (1992), Cordeiro et al., (1995); traeum, Aspidosperma polyneuron, Tabebuia serra- Fedalto et al., (1989), Haselein et al. (2004), IBDF tifolia, Ocotea porosa, Balfourodendron riedelianum (1985, 1988), INPA (1991) e IPT (1989, 2009), e de Tectona grandis foram coletadas na Serra- relacionadas corn a caracterizacao tecnolOgica da ria do Departamento de Ciencias Florestais, da madeira restringem-se, ern geral, a analise de pou- ESALQ/ USP, de acordo corn as normas NBR cas variaveis fisicas, anatornicas e quirnicas. Esses 7190 (ABNT, 1997). trabalhos indicam a importancia da aplicacao da analise de componentes principais e de outras me- Analises das caracteristicas anatilmica, todologias, como ferramenta para a correlacao defisica e quimica da madeira parametros das propriedades da madeira visando Na caracterizacao anatornica foram cortados o agrupamento das especies florestais (AYRES et 12 corpos de prova do lenho (cubos de 1 cm al., 2000; JOHNSON; WICHERN, 1988). de aresta). Seis corpos de prova do lenho fo- Os testes de comparacoes multiplas apre-ram amolecidos ern agua a ebulicao, cortadas sentam, algumas vezes, resultados de dificil in-secoes finas (3 pianos de estudo), corn navalha terpretacao, recomendando-se o teste de Scott-de aco de micrOtomo de deslize, coradas corn Knott, como metodo de agrupamento, comosafranina e montadas ern laminas histolOgicas alternativa eficiente na avaliacao de grandenit - (IAWA, 1989). Os cortes histolOgicos do lenho mero de tratamentos. Este teste tern a finalidadeforam analisados ern microscOpio de luz e, ern de separar as medias ern grupos distintos, atravesseguida, mensuradas as fibras e os vasos corn o da minimizacao da variacao dentro dos grupos eprograma "Image Tool Alpha 3". Seis amostras maximizacao da variacao entres grupos. do lenho foram cortadas ern fragmentos, trans- Pelo exposto, o presente trabalho tern comoferidos para tubos de ensaio corn solucao mace- objetivo o agrupamento de 12 especies florestais rante (acido acetico glacial + perOxido de hidro- pelas propriedades fisica, quirnica e anatornicagenio, 50/50%), mantidos ern estufa (60°C, 48 da madeira, atraves da aplicacao da analise deh), seguindo-se a substituicao da solucao mace- componentes principais, visando a preconizacaorante por agua e confeccionadas laminas histo- dos seus usos, incluindo o teste de Scott-KnottlOgicas corn a suspensao de fibras coradas corn como suporte na interpretacao dos resultados. safranina e glicerina (IBAMA, 1992).
Sci. For., Piracicaba, v. 39, n. 92, p. 469-477, dez. 2011 470 Na caracterizacao fisica foram confeccionados 0a) Oiu-ini000
(Tabela 1). A analise dos componentes principais E (D CO dessas caracteristicas da madeira das 12 especies E RS RS (3.--- N(I) 4::: .S33. 4s. (1) RS g) (Ci ',... .., !... indica que 4 componentes explicam 83% da va- .._0 L. ------M ti 0 co 0 - 0 -15" -. . - C.) 8 m --...,:22 ,---. 2 2 2 2 riabilidade, sendo que os 2 primeiros (Fatores 1 e 4) 0 ..0.m -o ,.... co m o ... co Et2 45 ,..-, ,---:. 0o.)0) 0...0...0...0..0.) ) u) 2) sao responsaveis por 58% (Tabela 2). wN0...¢¢opO Ili uidcjuii--:1--: Sci. For., Piracicaba, v. 39, n. 92, p. 469-477, dez. 2011 471 Lobao et al. - Agrupamento de especies florestais por analises univariadas e multivariadas das caracteristicas anatornica, fisica e qufmica das suas madeiras
Tabela 2.Autovalores e autovetores na analise multivariada por componentes principais do lenho das arvores das 12 especies florestais. Table 2. Eigenvalues and eigenvectors for multivariate analysis by principal components of the 12 wood tree species. Fator Autovalor Vartancia Total (%) Autovalor acumulado Vartancia Total acumulada (%)
1 3,68 36,76 3,68 36,76 2 2,13 21,28 5,80 58,03 3 1,56 15,60 7,36 73,64 4 0,91 9,10 8,27 82,74 5 0,56 5,56 8,83 88,29 6 0,47 4,69 9,30 92,99 7 0,41 4,10 9,71 97,09 8 0,16 1,61 9,87 98,70 9 0,13 1,30 10,00 100,00
A importancia das propriedades do lenho parada parede das fibras tern forte correlacao corn agrupar as arvores das 12 especies, por classe de a densidade basica do lenho e, desta forma, in- uso, determinada atraves dos seus autovetores,fluencia nas propriedades e usos da madeira; o estabelece que (i) no componente principal 1, o teor de holocelulose tern, normalmente, relacao teor de holocelulose, a densidade basica e a es- pessura das fibras foram estatisticamente signifi- 1,0 cativos e explicam 54,4% da variancia total; (ii) Di etro vase no componente 2, a retratibilidade volumetrica, Extrativo Totals ti Compri ento o diametro dos vasos e os extrativos totais foram 0,5 ,E'spessura palade significativos e explicam 63,6% da variacao total _.... rr Dilimetro lume // ... desse componente principal (Tabela 3, Figura 1). / _...----- ..-/-- Na analise de componentes principais (ACP), G ---- Densidade b 0,0 --- os vetores relacionados as propriedades do le- nina Total 1 nho de dimensoes reduzidas (ex.: frequencia de Holocelul vasos, comprimento das fibras) indicam atribu- Frequ ci vaso tos caracterizados pela pequena diferenciacao. -0,5 Por outro lado, os vetores das propriedades do Retrat bilida e Volumetricaf lenho de grandes dimensoes (ex.: holocelulose e densidade basica - quadrante 1; diametro dos -1,0
vasos e retratibilidade volumetrica - quadrante -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 2) sao de grande importancia para explicar as Factor 1: 36,76% variacoes existentes entre as especies florestais. Figura 1.Analise de Componentes Principais mostran- A dimensao das fibras e a densidade aparente do a importancia das caracteristicas anatorni- cas, fisicas e quirnicas da madeira na consti- do lenho variam entre as especies e sao contro- tuicao dos grupos de especies. ladas pelo manejo florestal e pelo fator genetico Figure 1.Principal Components Analysis showing the importance of the anatomical, physical and (ZOBEL; BUJTENEN, 1989). Ruy (1998) e Yi- chemical wood properties for the constitution Quing et al. (2006) observaram que a espessura of the group of species.
Tabela 3. Contribuicao das variaveis das caracteristicas do lenho das arvores das 12 especies florestais. Table 3. Contribution of variable characteristics of the 12 wood tree species. Peso Contribuicao Peso Contribuicao Variavel Fator 1 Fator 1 (%) Fator 2 Fator 2 (%) Comprimento fibra -0,08 0,15 0,47 10,31 Diametro lumefibra -0,65 11,61 0,18 1,54 Espessura parede fibra 0,74* 14,82* 0,32 4,69 Diarnetro vaso -0,53 7,55 0,69* 22,59* Frequencia vaso 0,03 0,03 -0,53 13,13 Extrativos Totais 0,68 12,68 0,58* 15,73* Lignina Total 0,66 11,99 -0,22 2,31 Holocelulose -0,86* 20,31* -0,30 4,36 Densidade basica 0,84* 19,25* -0,03 0,06 Retratibilidade volumetrica 0,24 1,61 -0,73* 25,29* *Variaveis corn contribuicao significativa nos fatores. * Variables with significant contribution in the factors. Sci. For., Piracicaba, v. 39, n. 92, p. 469-477, dez. 2011 472 inversa corn o teor de lignina e de extrativosdensidade basica e retratibilidade volumetrica (SANTOS, 2008; SILVA et al., 2005); a retratibi-extremamente baixas e corn diametro dos vasos lidade volumetrica mostra relacao inversa corn e lume das fibras elevados; 2) o 2° grupo foi o diametro dos vasos, sendo diretamente pro-formado pela especie S. parahyba var. amazoni- porcional a densidade basica do lenho (KOLL- cum, que possuei fibras de lume muito grande, MANN; COTE, 1968). A amplitude da retratibi- corroborado por Lisi et al. (2008), Marcati et al. lidade é indicadora da estabilidade dimensional (2008) e Tomazello Filho et al. (2004), e eleva- da madeira e de seus produtos, sendo que ado teor de holocelulose (BIANCHE, 2009; PE- razdo ou coeficiente de anisotropia dos valores REIRA et a1.,1982); 3) o 3° grupo foi constituido de retratibilidade tangencial-radial explica, nor- pela especie A. tibourbou, a qual apresenta urn malmente, os defeitos de secagem da madeiralenho de baixa densidade, grande frequencia de (GONcALEZ et al., 2006). vasos e alto teor de holocelulose (DE PAULA; AL- 0 componente principal 1 correlaciona-se ne- VES, 2007; FOREST PRODUCTS LABORATORY, gativamente corn a holocelulose e positivamente 1999); 4) o 4° grupo foi formado pelas especies corn a densidade basica e a espessura da paredeA. polyneuron, C. odorata, E. grandis, B. riedelia- das fibras, possibilitando discriminar 6 gruposnum e T grandis, que possuem valores interme- de especies (Tabela 3, Figura 2). 0 componentediarios de densidade basica, lignina e extrativos principal 2 evidencia que a retratibilidade volu-no lenho e corn diferentes possibilidades de metrica e a frequencia dos vasos correlacionam- aplicacao (ABNT, 1997; IPT,1989; JANKOWSKY se negativamente, o diametro dos vasos e o teoret al., 1990; KLEIN, 1984; MAINIERI; CHIME- de extrativos totais positivamente, indicando queLO, 1989); 5) o 5° grupo foi constituido pelas exercem significativa influencia na estabilidadeespecies E. saligna, T serratifolia e de 0. porosa, dimensional da madeira das especies. reconhecidas por medios a altos valores de den- A analise por componentes principais evi-sidade basica e alto teor de lignina, conferindo- denciou que: 1) o 1° grupo foi constituido pelalhes boas propriedades de resistencia mecanica especie 0. pyramidale, caracteristicamente pio- e rigidez (ABNT, 1997; MADY, 2000; IPT, 2009; neira, de rapido crescimento corn madeira de ZENID, 1997) e para T serratifolia e 0. porosa,
Al P'04 Ft6 3 A3 Pe2 AS Ft6 A2 A5
Pb3 2
1 0o6 4 Tfol,1,1 r Tay 0 ",o5 Eg3 Ce Pn"
5
-1 Pe 8 lot AP3 Apt AC3 - ol 3 Aos4011 -2
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Factor 1:36,76% Figura 2. An.6Iise de Componentes Principais corn a indicagao dos grupos de especies constituidos pelas caracteris- ticas anatornicas, fisicas e quirnicas das madeiras. Figure 2.Principal Component Analysis with the characterization of the groups of species by anatomical, physical and chemical wood properties. Sci. For., Piracicaba, v. 39, n. 92, p. 469-477, dez. 2011 473 Lobao et al. - Agrupamento de especies florestais por analises univariadas e multivariadas das caracteristicas anatornica, fisica e quirnica das suas madeiras
grande durabilidade natural da madeira (CAR- diametro dos vasos, respectivamente, como vari- VALHO, 1994; CZARNESKI et al., 2001; DE PAU- aveis corn medias mais discrepantes que as sepa- LA e ALVES, 1997; MAEGLIN, 1991) e; 6) o 6° ram estatisticamente pelo teste Scott-Knott. grupo foi constituido pela especie H. petraeum Considerando-se as duas principais variaveis corn caracteristica da madeira similar a do grupo (tratamentos) do primeiro componente princi- anterior, porem, corn maior teor de extrativos e pal da PCA, a densidade basica e a holocelulose, menor retratibilidade volumetrica (ALVES et al., verifica-se a formacao de 6 grupos tanto no tes- 2009; ZENID, 1997). te Scott-Knott quanto na PCA para a densidade As analises evidenciaram variacoes signifi-basica. Para a holocelulose, o teste Scott-Knott cativas das propriedades fisicas (densidade ba-agrupou as 12 especies ern 8 grupos, sendo que sica e retratibilidade volumetrica), anatornicasesse maior numero de grupos deve-sediscre- (comprimento e diametro das fibras, diametropancia dos dados pela variavel ser expressa ern do lume, espessura de parede, diametro e fre-percentagem. Da mesma forma, o teste Scott- qiiencia dos vasos) e quhnicas (teor de extrativos Knott por ser uma analise univariada apresenta totais, lignina total, holocelulose) da madeiradificuldade para a analise conjunta das variaveis, demonstrando sua eficacia no agrupamento das sendo mais restrita que a PCA para realizar esse doze especies florestais (Tabela 1) concordando, tipo de agrupamento. de modo geral, corn a literatura (FOREST PRO- 0 agrupamento das arvores das 12 especies DUCTS LABORATORY, 1999; NASCIMENTO et florestais pela similaridade das caracteristicas al., 1997; ZENID, 1997; SILVA et al., 2005; TRU- da madeira permite, corn suporte na literatura GILHO et al., 2003). especializada, comparar e comprovar as apli- A analise estatistica pelo Teste Scott-Knott in- cacoes dos agrupamentos (ALVES et al., 2009; dicou que: i) para a densidade basica e a retratibi- DE PAULA; ALVES, 2007; FOREST PRODUCTS lidade volumetrica as especies ficaram agrupadas LABORATORY, 1999; IPT,1989; 2009; JANKO- em 6 e 4 classes de agrupamento, respectivamen- WSKY et al.,1990; KLEIN 1984; LAMPRECHT, te; ii) para as dimensoes das fibras, ou seja, com- 1990; LIMA et al., 2003; LORENZI, 1992; MAI- primento, largura, diametro do lume e espessura NI ERI; CH IM EL 0, 1989; MALLQUE; KIKATA, da parede das fibras em 4, 3, 4 e 3 classes, res- 1994; SIQUEIRA et al., 2010; WENGERT, 2005; pectivamente; iii) para os elementos de vasos, ou ZENID, 1997). A madeira das especies do 1° seja, diametro e frequencia, em 4 e 6 classes, res- Grupo, para a aplicacao ern materiais esporti- pectivamente; iv) para o teor de extrativos totais, vos, aeromodelismo, artesanato; as dos 2° e 3° lignina total e holocelulose em 6, 6 e 8 classes, Grupos como embalagens leves, canoas, miolo respectivamente (Tabela 1). A analise de compo- de paineis e portas, formas de concreto, pasta de nentes principais agrupou a madeira das 12 espe- celulose, entre outros; as do 4° Grupo na cons- cies em 6 grupos distintos, sendo que os grupos 4 trucao civil leve, mOveis, laminas, compensado, e 5 com 5 e 3 especies, respectivamente. marcenaria ern geral; as dos 5° e 6° Grupos para Para a separacao das especies dentro do mes- pisos, pontes, dormentes, assoalhos, construcao mo grupo, o teste estatistico Scott-Knott possui a civil leve e pesada, entre outras aplicacoes. vantagem de ausencia de ambiguidade dos testes de comparacao multipla de media. No grupo 4 CONCLUSOES para a separacao da madeira de A. polyneuron das demais especies, a frequencia de vasos foi a va- Os resultados do presente trabalho permitem navel corn media mais discrepante. Nas demaisconcluir que (i) as caracteristicas e os testes es- especies desse grupo (B. riedelianum, C. odorata, tatisticos da Analise de Componentes Principais E. grandis e T grandis) as variaveis corn medias (multivariada) foram mais eficientes do que o mais discrepantes foram a densidade basica, ho-Teste Scott-Knott (univariada) no agrupamento locelulose, retratibilidade, largura, diametro doe na preconizacao do use da madeira das doze lume e comprimento das fibras, extrativos totais especies; (ii) dentre as caracteristicas quIrnicas, e teor de holocelulose, respectivamente. anatornicas e fisicas da madeira, o teor de ho- 0 grupo 5 apresentou 3 especies de madeira, locelulose, a espessura da parede da fibra e a E. saligna, 0. porosa, T serratifolia, corn o diame-densidade basica, no Componente 1, e o teor de tro e frequencia dos vasos, comprimento, diame-extrativos totais, o diametro dos vasos e retratibi- tro do lume das fibras, frequencia dos vaso, teorlidade volumetrica, no Componente 2, foram as de holocelulose, extrativos, densidade basica ecaracteristicas mais relevantes no agrupamento
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Recebido em 29/06/2011 Aceito para publicacao em 01/11/2011 Sci. For., Piracicaba, v. 39, n. 92, p. 469-477, dez. 2011 477