天然次生林白樺與水曲柳的材性研究

鄭淯文，李祥，林文樹

(東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

天然次生林白樺與水曲柳的材性研究

鄭淯文，李祥，林文樹*

(東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

為了全面了解天然次生林白樺與水曲柳的材性，根據(jù)國標法，通過萬能力學試驗機與圖像分析儀測定其木材性質，對于合理利用木材，提高經(jīng)濟效益具有重要意義。本文對黑龍江省東方紅實驗林場的天然次生林白樺和水曲柳的物理力學與解剖性質進行了測定，并針對實驗數(shù)據(jù)進行對比分析。結果表明：水曲柳的木材基本密度、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量與硬度均大于白樺，并且差異十分顯著，其中白樺與水曲柳的順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量分別為52.2 MPa、87.8 MPa、7.57 GPa和59.8 MPa、114.2 MPa、10.4 GPa；白樺和水曲柳端面、弦面、徑面的硬度分別為3 019.7、 2695.7、2 401.9 N和6 812.7、5 109.7、4 595.2 N；白樺成熟材的組織比量由大到小分別為木纖維組織比量、導管組織比量與木射線組織比量；從纖維長度及長寬比方面來評價，白樺的是制漿造紙的良好原料。

白樺；水曲柳；物理力學性質；解剖性質

0 引言

黑龍江省的次生林面積占地極廣，約為全省森林面積一半以上，對全省的生態(tài)環(huán)境保護與建設及木材生產(chǎn)有著十分重要的意義[1]。而隨著經(jīng)濟的發(fā)展，木材需求量的增大，次生林面積也在逐漸減少，所以對次生林木材的合理利用極為重要，以達到木材有序利用最大化。為了科學的利用木材，就必須要了解木材的本身，也就是說，要了解木材的各種性質，根據(jù)性質來確定木材的質量等級，然后合理利用木材，盡可能的獲得最大經(jīng)濟效益。

白樺是生長速度快，分布廣泛且萌生能力強的先鋒樹種，其主要分布在東北地區(qū)的小興安嶺、完達山林區(qū)，多為次生林。白樺除了有利于恢復森林和維護森林的生態(tài)效益外，還可作家具、鋸材、單板材人造板等，也可用作制漿造紙和各種工藝品，是多種工業(yè)及家用材的高質量的原料[2]。水曲柳是我國東北林區(qū)重要的樹種之一，也是商品材的主要原料之一，其分布較為廣泛，蓄積量較多，紋理十分美觀，主產(chǎn)于東北華北地區(qū)，樹干通直，是一種較為珍貴的樹種，在航空、木橋、室內(nèi)裝修、各種高級家具和樂器、船舶、建筑材料等均有廣泛的用途。

崔永志等[3]對東北次生林五種蓄積量較大的木材進行研究，其中就包括白樺與水曲柳的次生林與原始林的物理力學性質對比，但沒有提供具體數(shù)據(jù)和微觀性質。劉曉春等[4]以東北天然林為對象研究了白樺的不同種群的微觀性質，并對各白樺種群的微觀性質進行對比。佟達[5]研究了水曲柳解剖特征因子間的徑向變異規(guī)律與其力學性質，并推測出成熟材與幼齡材的分界為11 a左右。而國外的研究者對針葉材的研究頗多，對白樺與水曲柳之類闊葉材的材質材性研究較少[6-8]。以上研究者對白樺和水曲柳的性質做了力學或微觀結構的研究，但沒有對其材性進行系統(tǒng)評價和對比研究。本文就東北地區(qū)次生林白樺與水曲柳的主要物理力學性質與解剖性質進行詳細研究，為其家具制材以及造紙等方面的廣泛應用提供一定的依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試材采集

試驗材料取自黑龍江省帶嶺林業(yè)實驗局東方紅實驗林場，選取合適的白樺和水曲柳樹種作為樣木，白樺與水曲柳的樹齡均為31～35 a，白樺樹高為13.5～14.4 m，胸徑為13.1～13.9 cm；水曲柳樹高為14.1～14.4 m，胸徑為12.4～12.6 cm。

將所選擇樣木沿根頸處伐倒，每隔1m截取厚度約為3～5 cm的圓盤，同時在胸高為1.3 m處截取厚約3～5 cm的圓盤，剩余每段木段截取50 cm拿回實驗室。

1.2 物理力學試驗試材制取與方法

1.2.1 試材制取

本次試驗的物理力學試件取材為每棵樹從樹根到樹梢，取材均勻，可以包括每棵樹的各個高度的性質；解剖試驗采用胸徑處的心邊材和心材，從髓心到樹皮。各物理力學試件個數(shù)均為30個。

圖1 白樺與水曲柳胸徑處的木段Fig.1 The wood segments at the DBH of Betula platyphylla and Fraxinus mandschurica

圖2 萬能力學試驗機進行抗彎強度的試驗Fig.2 Test on bending strength of universal mechanical testing machine

1.2.2 測定方法

(1)基本密度(ρ)測定方法：參照國家標準GB 1933-91和排水體積測定法。

(2)力學性質的測定方法：木材抗彎彈性模量按照GB 1936.2-91 的方法測定；木材抗彎強度按照GB 1936.1-91 的方法測定；木材順紋抗壓強度和木材硬度按照GB 1935-91 的方法測定。

1.3 解剖試驗試材制取與方法

1.3.1 試材制取

將胸徑處的圓盤從帶回實驗室后放置一段時間，待其氣干后進行圓盤創(chuàng)光，通過髓心沿南北方向截取一根1.5 cm×4 cm的試條(寬×高)，再沿橫向切成1.5 cm×1 cm的試條，試條由上而下進行編號，用于測定纖維形態(tài)指標。

1.3.2 試驗方法

(1)取樣：根據(jù)測定方案，按年輪分別取一定量木片放入試管中編號，余下部分木段軟化后顯微切片用。

(2)離析木纖維：向試管中加入約10 mL 30%的硝酸和少量的氯酸鉀，然后在常溫下浸泡約5h后，放入烘箱加熱，溫度為50～60℃；待木材膨脹并顏色變白時取出，用玻璃棒輕觸木材確定其已松軟，之后吸去硝酸，用水緩慢沖洗數(shù)次，以保證洗去木材上殘余的硝酸；將適量的蒸溜水注入試管并用玻璃棒攪拌，直到木材呈漿狀，用吸管移少許木槳到載玻片上，蓋上蓋玻片，即可在已標定的顯微投影測量微鏡下觀察、量取木纖維長。每年輪隨機測量50次，精確到0.5 mm。

(3)組織比量的測定采用日本Nikon80i顯微鏡、Nikon的DS-Ri1數(shù)碼攝像機將制作好的橫切面切片，將測定指標按照年輪順序采集清晰的木材照片待用。

(4)將軟化后的樺木與水曲柳樣進行切片。采用滑走式木材切片機，截取厚度約為12～15 μm的木材切片，先經(jīng)過染色，然后乙醇梯度脫水，二甲苯透明，最后施膠封蓋玻片。將蓋玻片置于光學顯微鏡下，將木材橫切面圖像成像到CCD攝像頭上，進行圖像采集，并規(guī)定采集的圖像分辨率為640×480，格式為JPG，最后將采集得到的圖像在計算機上進行二值化和二值篩選。

2 結果分析

2.1 白樺與水曲柳的力學性質

木材的強度和其密度之比被認為是衡量木材強度質量的重要標準，稱為強重比[11]。木材的力學性質是衡量木材材性的一項重要指標，木材的力學性質包括木材彈性、松弛、塑性、蠕變、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、抗彎強度、硬度、抗劈和沖擊韌性等。順紋抗拉強度是指木材沿纖維方向承受拉伸載荷的最大能力，取決于木材中纖維或管胞的強度以及這些細胞的長度和排列的方位，紋理通直與否、有無節(jié)子等因素對其影響很大；木材的沖擊韌性，是指木材受沖擊力而彎曲折斷時試樣單位面積所吸收的能量，吸收的能量越大，表明木材的韌性越高而脆性越低，沖擊破壞消耗的功越大，木材的韌性越大。

本次試驗主要對幾種主要的力學性質進行測定，即白樺與水曲柳的順紋抗壓強度、抗彎彈性模量(MOE)、抗彎強度(MOR)。實驗時木材的含水率為12%。詳細的力學性質測定結果見表1和表2。

2.1.1 白樺與水曲柳的順紋抗壓強度

木材順紋抗壓強度是指木材在順紋方向承受壓力的程度，是木材作為受壓材料中重要的指標[12]。由于順紋抗壓強度與其他力學強度均存在相關性，而試驗相對操作簡單，所以順紋抗壓強度被認為是一個重要的力學測試項目。由表1和表2得到：白樺的順紋抗壓強度變化范圍為46.4～61.8 MPa，平均值為52.2 MPa，變異系數(shù)為7.66%；水曲柳的順紋抗壓強度變化范圍為57.1～69.0 MPa，平均值為62.5 MPa，變異系數(shù)為5.64；白樺的變異系數(shù)較大，說明白樺在徑向上變化幅度較大；白樺按等級劃分屬于中等材(45.1～60.0 MPa)。對比表1和表2可知，木材的順紋抗壓強度：水曲柳>白樺，所以，在作為受壓材料方面，如建筑材料，水曲柳要優(yōu)于白樺。

表1 白樺木材力學性質均值及變異統(tǒng)計Tab.1 The average value and variance of mechanical properties of Betula platyphylla

表2 水曲柳木材力學性質均值及變異統(tǒng)計Tab.2 The average value and variance of mechanical properties of Fraxinus mandchurica

2.1.2 白樺與水曲柳的抗彎強度

木材抗彎強度亦被稱為靜曲極限強度，即木材在橫向上承受外界壓力的能力，是木材力學的主要性質之一[13]，是在建筑物的屋架、木橋、地板和家具中的柜體、長條等易于彎曲的構件選擇時應當首先考慮的因素。由表1和表2得到：白樺的抗彎強度變化范圍為62.3～106.8MPa，平均值為87.8 MPa，變異系數(shù)為11.31；水曲柳的抗彎強度變化范圍為103.5～129.2 MPa，平均值為114.1 MPa，變異系數(shù)為6.45；白樺的變異系數(shù)最大，其抗彎強度在徑向上變化幅度最大；根據(jù)木材抗彎強度5檔的分級標準，水曲柳的強度屬于中等(90.1～120.0 MPa)；對比表1和表2可知，木材的抗彎強度：水曲柳>白樺。所以，在作為彎曲構件選材方面水曲柳要優(yōu)于白樺。

2.1.3 白樺與水曲柳的抗彎彈性模量

抗彎強度和抗彎彈性模量是木材力學最重要的性質。在木材承受一定的外界壓力時將會產(chǎn)生變形，其變形程度與抗彎彈性模量相關，木材的彈性模量越大，變形越小，則木材的剛度越大；反之則較柔曲[14]。由表1和表2得到：白樺的抗彎彈性模量變化幅度為5.45～9.21 GPa，平均值為7.57 GPa，變異系數(shù)為12.42；水曲柳的抗彎彈性模量變化幅度為8.52～11.77 GPa，平均值為10.43 GPa，變異系數(shù)為5.46；白樺的變異系數(shù)最大；木材的抗彎強度：水曲柳>白樺，水曲柳較白樺剛硬。

2.1.4 白樺與水曲柳的木材硬度

木材硬度反映的是其加工的難易程度和耐磨損的能力。一般而言，木材的硬度與木材的密度相關，密度越大則硬度越高，但是，當木材的密度相近時，構造不同，其硬度也有所差異，所以硬度也與構造相關。由表1和表2得到：白樺的端面、弦面、徑面硬度分別3 019.7、2 695.7、2 401.9 N；水曲柳的端面、弦面、徑面硬度分別為6 812.7、5 109.7、4 595.2 N，由此可知，木材的端面的硬度最大，弦面次之，徑面最小。白樺與水曲柳的硬度差異極其顯著，表現(xiàn)為水曲柳>白樺。

由白樺與水曲柳的材性對比可以看出，相同情況下，無論是木材的抗彎強度、抗彎彈性模量還是抗壓強度、硬度，水曲柳的遠大于白樺，所以水曲柳的材性較好于白樺，在制作家具時，水曲柳可作為上等木材，而在做建筑材料時，水曲柳可做特殊建筑材料，白樺相對于水曲柳是較普遍的一般建筑材料。

2.2 白樺與水曲柳的基本密度

木材密度與木材的力學性質和部分微觀性質有著密切的關系[15]。在進行木材的基本密度測定時，其絕干材的重量和生材體積相對穩(wěn)定，多以測定的結果準確，所以在進行木材性質比較方面較為適合。木材的基本密度測定結果見表3，由表3可知：白樺的基本密度變化范圍為0.438～0.524，平均值為0.469；水曲柳的基本密度變化范圍為0.453～0.572，平均值為0.532；由表1和表2可知，白樺與水曲柳的基本密度均處于中等水平，水曲柳的基本密度要大于白樺。

表3 白樺與水曲柳的物理性質均值及變異統(tǒng)計Tab.3 The average value and variance of physical properties ofBetula platyphylla and Fraxinus mandschurica

2.3 白樺的微觀性質

2.3.1 白樺的纖維長度

根據(jù)Panshin[16]的觀點，幼齡材的纖維長度以髓心向外呈統(tǒng)一類型的遞增趨勢，進入成熟期的管胞長度的徑向變異可以歸納為3種類型：①纖維長度以水平線狀保持不變；②纖維長度以曲線形式不斷增加；③纖維長度以拋物線狀增加到最大然后再稍微減小。根據(jù)白樺纖維長度測定結果，如圖1所示，可以判斷白樺的纖維長度變化屬于第三種，以拋物線形式增加到最大值然后減小。

圖3 白樺的纖維長度Fig.3 The fiber length of Betula platyphylla

由圖3可以判斷，31～34年生的白樺木材均已為成熟材，成熟時期的白樺纖維長度基本保持穩(wěn)定，這是因為在其達到成熟期，形成層的原始細胞逐漸成熟，體形開始變長，較短的細胞加速期消逝速度，然后產(chǎn)生較長的子細胞[17-18]。本文的試驗結果顯示白樺的變化幅度為1 101～1 446 μm，平均值為1275 μm。

國際木材解剖學會理事會對木材纖維長度確定分級標準，紙漿造紙的適宜長度為中等長度(約 900～1 600 μm)。纖維長度與紙張耐破度和耐折度等有一定關系，通常情況下纖維長度與紙張撕裂度為正相關，纖維長度越大，紙張的撕裂度也越大。而由試驗可知，白樺的成熟材纖維平均長度為1 275 um，屬于中等長度，適宜造紙。

2.3.2 白樺的纖維寬度與長寬比

木材的纖維寬度與長寬比是評價其在制漿造紙方面的重要指標。白樺的纖維寬度和長寬比如圖4和5所示。

圖4 白樺的纖維寬度Fig.4 The fiber diameter of Betula platyphylla

圖5 白樺纖維的長寬比Fig.5 The fiber length ratio of Betula platyphylla

纖維寬度對制漿、造紙和紙張的性能有一定的影響。由圖4可知，成熟期的白樺成熟材的纖維寬度基本保持不變，纖維寬度變化幅度為11.0～18.4 um，平均值為15.7 um。

纖維長寬比和纖維長度均為評價紙漿造紙程度的十分重要的纖維形態(tài)指標。長寬比的比值越大，在打漿時其纖維的結合面積就會越大，紙張的撕裂指數(shù)高，成紙強度高；反之不宜打漿，成紙強度低[19]。實踐證明，當纖維的長寬比大于35時，適用于制漿造紙。由圖5可知，白樺成熟材的變化幅度相對較大，為67.78～113.77，平均值為83.15。而在測量纖維的長度和寬度時，使用的是不同儀器并分別對纖維隨機測量，由于長寬比不是在同一個纖維上，所以長寬比變化幅度較大，結果有一定的偏差，但其平均值相對準確，可以代表其準確數(shù)值。白樺成熟材的長寬比平均值遠遠大于35，則可以初步判斷，白樺木材適宜造紙。

2.3.3 白樺組織比量

木材組織比量是指構成木材的各種細胞所占其橫截面積的比重。木材的組織比量包括纖維組織比量、導管組織比量、木纖維組織比量和薄壁組織比量，本次實驗測量了白樺的纖維組織比量、導管組織比量和木纖維組織比量，結果分別如圖6～圖8所示。

圖6 白樺的纖維組織比量Fig.6 The fiber proportion of Betula platyphylla

圖7 白樺的導管組織比量Fig.7 The vessel proportion of Betula platyphylla

圖8 白樺的木射線組織比量Fig.8 The ray proportion of Betula platyphylla

由圖6可知，白樺成熟材的木纖維組織比量有波動，但總體變化不大，變化范圍為66.19～73.11，平均值為71.65。說明白樺在進入到成熟期以后，形成層的原始細胞的分裂將變化不大，趨于穩(wěn)定。

由圖7可知，白樺導管組織比量的波動較小，變化不大，變化范圍為18.92～26.11，平均值為22.28。說明白樺在進入到成熟期以后，細胞的分裂變化不大，趨于穩(wěn)定，優(yōu)良細胞擴散并分化為導管分子，成熟期的導管比量相對幼年期的較多。

由圖8可知，木射線組織比量的大小與纖維組織比量和導管組織比量大小有著很大關系，當?shù)竭_一定年齡時，導管比量逐漸變大，使得木材的纖維比量與木射線比量都有所減少[20]。本實驗得到的白樺的木射線比量變化范圍為5.55～10.86，平均值為7.72，成熟材的白樺木射線比量變化不大，基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結論

(1)按照木材物理力學性質分級標準可以得出，白樺的抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量與端面硬度分級分別為Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ；水曲柳的抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量與端面硬度分級分別為Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅲ。水曲柳的力學性質均大于白樺。

(2)白樺與水曲柳的基本密度為0.469、0.517，均屬于Ⅲ級，水曲柳的基本密度大于白樺。

(3)從纖維長度和長寬比兩個方面來評價，白樺屬于紙漿造紙的優(yōu)質原料；而成熟材的組織比量，木纖維組織比量最大為71.65，導管組織比量次之，木射線組織比量最小為7.72。

[1] 朱洪坤.黑龍江省次生林類型及經(jīng)營方式的探討[J].林業(yè)勘查設計，2010(2)：22-23.

[2] 劉曉春，賈洪柏，王秋玉.白樺天然種群木材材質性狀的變異與相關性[J].東北林業(yè)大學學報.2008，36(8)：8-10.

[3] 崔永志，劉一星，孫鐵華，等.東北次生林五種闊葉樹木材物理力學性質測定[J].東北林業(yè)大學學報，1991，19(S1)：305-311.

[4] 劉曉春，賈洪柏，王秋玉.白樺天然種群木材材質性狀的變異與相關性[J].東北林業(yè)大學學報，2008，36(8)：8-10.

[5] 佟達.人工闊葉林木材材質材性預測模型研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2013.

[6] Auty D，Gardiner B A，Achim A，et al.Models for predicting microfibril angle variation in Scots pine[J].Annals of Forest Science，2012，70(2)：209-218.

[7] Moore J R，Cown D J，McKinley R B，et al.Effects of stand density and seedlot on three wood properties of young radiata pine grown at a dry-land site in New Zealand[J].New Zealand Journal of Forestry Science，2015，45(1)：4.

[8] Carson S D，Cown D J，McKinley R B，et al.Effects of site，silviculture and seedlot on wood density and estimated wood stiffness in radiata pine at mid-rotation[J].New Zealand Journal of Forestry Science，2014，44(1)：1-12.

[9] Vincent M，Duchesne I.Modeling flexural properties in white spruce(Picea glauca)and jack pine(Pinus banksiana)plantation trees[J].Canadian Journal of Forest Research，2013，44(1)：82-91.

[10] Newton P F.Developmental Trends of Black Spruce Fibre Attributes in Maturing Plantations[J].International Journal of Forestry Research，2016，12：1-12.

[11] Tomczak A.Strength quality coefficient of scots pine juvenile wood(Pinus sylvestris L.)and their variability on the longitudinal cross section of the trunk[J].Forestry Letters，2013，106(4)：37-44.

[12] 李大綱.楊樹新無性系木材物理力學性質的研究[J].江蘇林業(yè)科技，2001，28(4)：10-13.

[13] 萇姍姍.巨尾桉木材解剖特性和物理力學性質及其變異的研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學，2006.

[14] 李堅.木材科學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[15] 陳奕良.伯樂樹木材物理力學性質的研究[J].浙江林業(yè)科技，2010，36(5)：20-23.

[16] Panshin A J，Zeeuw C D，Brown H P.Text book of wood technology(Fourth Edition)[M].New York：McGraw-Hill Book Company，1980：1-2.

[17] 徐有明.油松管胞形態(tài)特征的變異[J].林業(yè)科學，1990，26(4)：337-343.

[18] 魯星玉，王書文.小興安嶺地區(qū)天然白樺林直徑分布的研究[J].林業(yè)科技，2016，41(1)；14-15.

[19] 鮑甫成，江澤慧.中國主要人工林樹種木材性質[M].北京：中國林業(yè)出版社，1998.

[20] 胡進波.尾巨桉S2 層微纖絲角及組織比量的徑向變異[J].中南林業(yè)科技大學學報，2008，28(1)：30-34.

ResearchontheWoodPropertiesofBetulaPlatyphyllaandFranxinusMadschuricainNaturalSecondaryForest

Zheng Yuwen，Li Xiang，Lin Wenshu*

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to fully understand the wood properties ofBetulaplatyphyllaandFranxinusmadschuricain natural secondary forest，according to the national standard method，wood properties were determined by the universal mechanical testing machine and image analyzer.It was of great significance for the rational use of timber and the improvement of economic benefits.The physical-mechanical and anatomical properties were studied forBetulaplatyphyllaandFraxinusmandchuricaof natural secondary forest from DongFanghong forest farm，Heilongjiang province.After compared and analyzed the experimental data，the results showed that the basic density，compressive strength parallel to the grain，bending strength，modulus of elasticity and hardness ofFraxinusmandchuricaare greater than those ofBetulaplatyphylla，and the difference was significant.The compressive strength parallel to the grain，bending strength and modulus of elasticity ofBetulaplatyphyllaandFraxinusmandchuricawere 52.2MPa、87.8MPa、7.57GPa and 59.8MPa、114.2MPa、10.4GPa，respectively.The hardness of cross，radial and tangential section were 3019.7，2695.7，2401.9N and 6812.7，5109.7，4595.2N，respectively.The tissue proportion of mature wood ofBetulaplatyphyllafrom high to low were fiber proportion，vessel proportion and ray proportion.From the aspect of fiber length and length-width ratio，Betulaplatyphyllais a good raw material for pulping and papermaking.

Betulaplatyphylla；Fraxinusmandschurica；physical-mechanical properties；anatomical properties

S781.2

：A

：1001-005X(2017)05-0035-06

2017-03-31

黑龍江省政府博士后資助經(jīng)費項目(LBH-Z15007)

鄭淯文，碩士研究生。研究方向：林業(yè)遙感。

林文樹，博士，副教授。研究方向：森林與環(huán)境遙感監(jiān)測，E-mail：linwenshu@126.com

鄭淯文，李祥，林文樹.天然次生林白樺與水曲柳的材性研究[J].森林工程，2017，33(5)：35-40.