基于硬頭黃竹材質(zhì)變異分析的伐竹年齡判定

李 鳳，齊錦秋，肖 輝，陳玉竹，謝九龍，黃興彥

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 成都611130）

基于硬頭黃竹材質(zhì)變異分析的伐竹年齡判定

李 鳳，齊錦秋，肖 輝，陳玉竹，謝九龍，黃興彥

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 成都611130）

以四川產(chǎn)硬頭黃竹Bambusa rigida為研究對(duì)象，參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》與竹材徑向加壓抗彎性質(zhì)測(cè)定方法，并結(jié)合單因素方差分析方法（ANOVA），對(duì)竹齡為0.5～4.5 a的竹材物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，為硬頭黃竹擇齡伐竹提供參考。結(jié)果表明：①竹齡在0.5～4.5 a間，竹材生材含水率、干縮率逐漸減小，基本密度逐漸增大；②竹齡為3.5 a時(shí)，竹材順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量達(dá)到最大，順紋抗剪強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定；③由竹稈基部至梢部，竹材生材含水率、干縮率呈下降趨勢(shì)，基本密度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量呈增大趨勢(shì)，而順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量在竹齡為4.5 a的竹稈梢部出現(xiàn)下降；④竹齡為3.5 a的竹材材性基本達(dá)到穩(wěn)定，生材含水率、基本密度、干縮率、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量分別為60.67%，0.72 g·cm－3，12.54%，82.41 MPa，11.99 MPa，237.13 MPa和8.32 GPa。推薦材質(zhì)成熟的硬頭黃竹伐竹年齡為3.5 a。表7參27

木材科學(xué)與技術(shù)；硬頭黃竹；物理性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)；伐竹年齡

Abstract:To optimize the logging age of the Bambusa rigida culm,physical-mechanical properties of bamboo culms aged from 0.5 to 4.5 years were sampled by age with sample size of 10 for each age bamboo culm and evaluated according to national standards from Testing Methods for Physical and Mechanical Properties of Bamboos （GB/T 15780-1995） and the radial bending test method.Data from different bamboo ages were statistically analyzed with ANOVA.Results showed that （1） the moisture content of green bamboo and volumetric shrinkage decreased with an increase in bamboo age from 0.5 to 4.5 years;whereas,the basic density increased overall.Also,（2） compression strength parallel to the grain,modulus of rupture （MOR）,and modulus of elasticity（MOE）reached a maximum at 3.5 years of age,and shear strength parallel to the grain had already leveled off at this age. （3） From the base to the top portion of the bamboo culm,moisture content of the green bamboo and volumetric shrinkage decreased;whereas,the basic density,compression strength parallel to the grain,shear strength parallel to the grain,MOR,and MOE all increased.Noteworthy was that shear strength,MOR,and MOE decreased at the top portion of the bamboo at age 4.5,which reflected the aging phenomenon of bamboo culms. （4） The 3.5-year-old bamboo culms had a moisture content of green bamboo,60.67%;basic density,0.72 g·cm－3;volume shrinkage,12.54%;compression strength parallel to the grain,82.41 MPa;shear strength parallel to the grain,11.99 MPa;MOR,237.13 MPa;and MOE,18.32 GPa.Comprehensively,a matured 3.5-year-old Bambusa rigida culm was recommended as the optimal logging age. ［Ch,7 tab.27 ref.］

Key words:wood science and technology;Bambusa rigida;physical properties;mechanical properties;logging age

竹子具有繁殖快、產(chǎn)量高、用途廣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最重要的非木生物質(zhì)資源。竹子資源的開發(fā)利用研究吸引了眾多關(guān)注。課題組對(duì)竹材的稈形結(jié)構(gòu)［1］、 解剖構(gòu)造［2］、物理力學(xué)［3］、化學(xué)成分［4］、 板材利用［5－9］、生物質(zhì)液化［4,10］等進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，發(fā)現(xiàn)竹材的解剖構(gòu)造、物理力學(xué)性質(zhì)是影響竹板材性能的重要因素［7－8］。 竹材的物理力學(xué)性質(zhì)不僅區(qū)別于竹種之間［11］， 也隨竹齡與竹稈高度的變化而發(fā)生變異［3,12－13］。物理力學(xué)性質(zhì)隨竹齡的變異體現(xiàn)了竹材的成熟過程，未成熟或過成熟都會(huì)削弱竹材的使用價(jià)值。竹材物理力學(xué)性質(zhì)隨竹稈高度的變異直接影響著竹材的加工方式以及利用率，通常情況下，竹壁較厚的竹稈中、下部位利用較多，而竹壁較薄的竹稈梢部利用較少。硬頭黃竹Bambusa rigida為禾本科Gramineae簕竹屬Bambusa植物，是四川地區(qū)除慈竹Neosinocalamus affinis外的第二大叢生竹種。硬頭黃竹稈基部竹壁厚、節(jié)間短、硬度大，是制作農(nóng)耕用具的理想材料。硬頭黃竹與毛竹不同，為每年發(fā)筍成竹，作為板材加工的原料，如何選擇物理力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的竹齡伐竹已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，雖有關(guān)于硬頭黃竹物理力學(xué)性質(zhì)的研究，但其局限于3年生竹材的物理力學(xué)性質(zhì)的軸向變異研究，未涉及竹齡對(duì)竹材材性的影響評(píng)估［14］。因此，不同竹齡硬頭黃竹材性的研究空白亟待填補(bǔ)。本課題組已報(bào)道了硬頭黃竹的解剖性質(zhì)［15］與耐老化性質(zhì)［16－17］的相關(guān)研究成果。在本研究中，筆者對(duì)四川宜賓產(chǎn)竹齡為0.5～4.5 a的硬頭黃竹竹材物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期為其擇林伐竹提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試硬頭黃竹采自四川省宜賓市長(zhǎng)寧縣， 28°15′～28°47′N， 104°44′～105°03′E， 屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，無霜期長(zhǎng)，雨熱同季，年均氣溫為18.3℃，年均降水量為1 114.2 mm，年日照時(shí)數(shù)為1 148.0 h，無霜期平均＞350 d。試材采集于2014年2月，此階段竹材淀粉含量最低。竹材年齡判定由當(dāng)?shù)赜薪?jīng)驗(yàn)林主通過竹鞘與竹稈顏色的甄別而實(shí)現(xiàn)。選取竹齡為0.5～4.5 a，生長(zhǎng)良好、無病蟲害的樣竹各10株，齊地伐倒，斷面蠟封，全稈運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。自稈基至稈梢，3 m 1段，分別標(biāo)記為基部、中部、梢部。由于稈高9 m以上竹稈直徑（≤2.6 cm）與壁厚（≤3.10 mm）較薄，不易加工為標(biāo)準(zhǔn)試件，遂放棄對(duì)其測(cè)試。

1.2 方法

1.2.1 竹材物理性質(zhì)的測(cè)定 竹材物理性質(zhì)的試材規(guī)格與測(cè)試方法參照GB/T 15780－1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》［18］。物理性質(zhì)測(cè)定試樣均未去除竹青與竹黃。測(cè)定指標(biāo)包括生材含水率、基本密度、體積干縮率，試樣尺寸均為10 mm×10 mm×t mm（竹壁厚）。竹材伐倒后立即取樣稱量記錄，而后置于電熱干燥箱中烘干（103±2）℃）至恒量，以測(cè)定竹材生材含水率。試驗(yàn)重復(fù)30次·組－1。

1.2.2 竹材力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定 竹材力學(xué)性質(zhì)測(cè)定試樣均為未去除竹青與竹黃的原竹竹材。竹材順紋抗壓強(qiáng)度（compression strength parallel to grain,CS）和順紋抗剪強(qiáng)（shear strength parallel to grain,SS）的試材規(guī)格及測(cè)試方法度參照 GB/T 15780－1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》［18］， 加壓速度恒定為 0.5 mm·min－1，直到壓力達(dá)到最大值或試件破壞為止，試件尺寸分別為20 mm×20 mm×t mm（竹壁厚），35 mm×20 mm×t mm（竹壁厚）?？箯潖?qiáng)度（modulus of rupture,MOR）與抗彎彈性模量（modulus of elasticity,MOE）的試材規(guī)格及測(cè)試方法參照TRAN［19］所述方法進(jìn)行測(cè)定。彎曲試驗(yàn)的試件尺寸為200 mm×12 mm×t mm（竹壁厚），跨距為150 mm，沿竹壁徑向加壓，加壓速度為10 mm·min－1。試驗(yàn)重復(fù)30次·組－1。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 文中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)由Excel 2007實(shí)現(xiàn)，單因素方差分析與Tukey多重比較由SPSS 17.0實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生材含水率

原竹交易多以質(zhì)量計(jì)算，生材含水率是影響竹材價(jià)格的重要因素。因此，生材含水率是竹材交易的重要參考指標(biāo)。如表1所示：竹齡為0.5 a竹材的生材含水率最大（196.30%～227.06%），1.5 a的竹材次之（63.93%～104.13%），3.5～4.5 a時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定（44.06%～76.45%）。Tukey多重比較顯示，竹齡0.5 a的竹材的生材含水率顯著高于其他竹齡竹材（P＜0.05）。自稈基至稈梢，竹材生材含水率呈下降趨勢(shì)。竹材生材含水率隨竹齡及竹稈部位的變異與竹材解剖結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分的變化有關(guān)［20－21］。竹齡0.5 a的硬頭黃竹細(xì)胞壁薄，細(xì)胞腔徑大［15］，可容納自由水的空間大，含水率高。隨竹齡的增加，纖維細(xì)胞逐年增厚［15,22－23］，細(xì)胞腔徑減小，含水率下降。隨稈高的增加，硬頭黃竹纖維細(xì)胞、薄壁細(xì)胞及導(dǎo)管的腔徑減小［15］，竹材孔隙度降低，容水能力下降。

表1 不同竹齡硬頭黃竹生材含水率Table 1 Moisture content of green Bambusa rigida at different bamboo ages

2.2 基本密度與體積干縮率

基本密度是竹材重要的物理性質(zhì)，它與竹材力學(xué)強(qiáng)度、吸水性密切相關(guān)，其大小取決于竹材解剖結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分，是衡量竹材材性的重要指標(biāo)［24］。如表2所示：竹齡為0.5～1.5 a，竹材基本密度的增幅為91.67%，達(dá)顯著水平（P＜0.05），而后逐年平穩(wěn)增加。雖然竹齡0.5 a的竹材結(jié)束了高生長(zhǎng)期，細(xì)胞長(zhǎng)度伸長(zhǎng)完成，但細(xì)胞壁仍發(fā)育不成熟，竹材基本密度較小。高生長(zhǎng)期結(jié)束后，竹材進(jìn)入材質(zhì)成熟階段，竹材的淀粉積累及細(xì)胞壁厚逐漸增大，有機(jī)物積累增加［20－21,25］，此階段可長(zhǎng)達(dá)12.0 a［22］。硬頭黃竹解剖性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)：竹齡0.5～2.5 a，硬頭黃竹纖維細(xì)胞及薄壁細(xì)胞壁厚顯著增大，而后纖維細(xì)胞及薄壁細(xì)胞壁厚增幅較?。?5］。隨稈高的增加，硬頭黃竹竹材基本密度逐漸增大。竹稈高度增加，竹壁厚度減小，竹材維管束密度增大，纖維組織比量增加，因而竹材密度增加［20］。硬頭黃竹竹材基本密度隨竹稈高度的變異規(guī)律與慈竹類似［3］。

表2 不同竹齡硬頭黃竹基本密度變異Table 2 Variation in basic density of Bambusa rigida with respect to bamboo ages

竹材的干縮率是影響竹制品質(zhì)量的重要因素。表3顯示：隨竹齡的增加，硬頭黃竹體積干縮率逐漸減小，其規(guī)律類似于慈竹［3］、大木竹Bambusa wenchouensis［26］。Tukey多重比較表明，竹齡0.5 a的硬頭黃竹體積干縮率與其他竹齡竹材間差異顯著。竹齡越大，竹材木質(zhì)化程度越高，細(xì)胞強(qiáng)度越大，從而竹材穩(wěn)定性越高［21］。自稈基至稈梢，竹材體積干縮率逐漸減小，與KAMRUZZAMAN等［13］研究結(jié)果類似，這可能與維管束密度沿軸向增加有關(guān)［20］。

表3 不同竹齡硬頭黃竹體積干縮率Table 3 Volumetric shrinkage of Bambusa rigida as a function of bamboo ages

2.3 順紋抗壓強(qiáng)度及順紋抗剪強(qiáng)度

竹材的順紋抗壓強(qiáng)度指竹材沿著紋理方向承受壓力荷載的最大能力，反應(yīng)細(xì)胞軸向支撐力，是竹材力學(xué)性質(zhì)中最重要的特征之一，由竹材的微觀構(gòu)造所決定［27］。隨竹齡的增加，硬頭黃竹順紋抗壓強(qiáng)度逐漸增大（表4）。Tukey多重比較發(fā)現(xiàn)：竹齡0.5～1.5 a時(shí)，竹材的順紋抗壓強(qiáng)度顯著增大，達(dá)60.38%，而后增幅減小，3.5 a時(shí)達(dá)到最大（82.41 MPa）。雖然竹齡0.5 a的竹材完成高生長(zhǎng)，但纖維細(xì)胞仍未成熟，軸向支撐力弱，高生長(zhǎng)結(jié)束后，竹材纖維細(xì)胞壁厚顯著增加［15］，軸向支撐力顯著增大。竹齡達(dá)4.5 a時(shí)，順紋抗壓強(qiáng)度略有降低，這與竹材的過成熟化引起的材質(zhì)老化有關(guān)［21］。

竹齡0.5～1.5 a間竹材順紋抗剪強(qiáng)度顯著增大，達(dá)43.41%（表5）。竹齡達(dá)2.5 a后，竹材順紋抗剪強(qiáng)度維持在12.0 MPa左右。竹稈軸向上，竹齡0.5 a的竹材梢部順紋抗壓及抗剪強(qiáng)度小于中部與基部，原因可能是竹子梢部的成熟度弱于竹稈中部與基部。竹齡1.5～4.5 a的竹材順紋抗壓強(qiáng)度及1.5～3.5 a的竹材順紋抗剪強(qiáng)度隨稈高的增加逐漸增大。維管束密度隨稈高的增加是促使力學(xué)性質(zhì)沿稈高增大的重要因素［20］。竹齡4.5 a的竹材順紋抗剪強(qiáng)度由竹稈中部到梢部呈減小趨勢(shì)，可能是因?yàn)橹颀g4.5 a的竹稈梢部木質(zhì)化程度過高，細(xì)胞脆性增大，材質(zhì)老化［21］。

表5 不同竹齡硬頭黃竹順紋抗剪強(qiáng)度Table 5 Shear strength parallel to grain of Bambusa rigida with respect to bamboo ages

2.4 抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量

硬頭黃竹抗彎強(qiáng)度如表6所示。竹齡3.5 a的硬頭黃竹抗彎強(qiáng)度（MOR）最大，達(dá)237.13 MPa，4.5 a次之（215.50 MPa），0.5 a最?。?51.42 MPa）。竹齡3.5 a的硬頭黃竹抗彎彈性模量（MOE）最大，達(dá)18.32 GPa，4.5 a時(shí)下降到15.30 GPa（表7）。竹齡0.5 a的竹材未成熟，抗彎強(qiáng)度小，而后，纖維細(xì)胞壁厚顯著增加［15］，基本密度增大，抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量顯著增大。竹齡4.5 a的竹材細(xì)胞壁木質(zhì)化程度高，竹材脆性大，抗彎強(qiáng)度下降［21］，尤其稈梢處抗彎性能下降明顯（抗彎強(qiáng)度降低達(dá)9.12%，抗彎彈性模量減小達(dá)16.48%）。隨稈高的增加，竹齡0.5～3.5 a的竹材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量逐漸增大，變異規(guī)律與NORDAHLIA等［12］和KAMRUZZAMAN等［13］的研究結(jié)果吻合。竹材抗彎性質(zhì)隨竹稈軸向的變異與維管束密度沿軸向變異有關(guān)，維管束密度越大，竹材抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量越大［20］。然而，竹齡4.5 a的竹稈的抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量在稈梢處出現(xiàn)了減小，可能由竹稈老化造成［21］。

表6 不同竹齡硬頭黃竹抗彎強(qiáng)度Table 6 Modulus of rupture （MOR）of Bambusa rigida at different bamboo ages

3 結(jié)論

隨竹稈高度的增加，竹齡0.5～3.5 a的硬頭黃竹，生材含水率與體積干縮率逐漸降低，基本密度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量逐漸增大。竹齡4.5 a的竹材梢部出現(xiàn)老化現(xiàn)象，造成順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的降低。竹齡3.5 a的硬頭黃竹生材含水率、基本密度、體積干縮率、順紋抗剪強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量達(dá)到最大。因此，竹齡為3.5 a的生長(zhǎng)期可作為硬頭黃竹的伐竹年齡參考。

表7 不同竹齡硬頭黃竹抗彎彈性模量Table 7 Modulus of elasticity （MOE）of Bambusa rigida as a function of bamboo ages

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Logging age for the Bambusa rigida culm based on physical-mechanical properties

LI Feng,QI Jinqiu,XIAO Hui,CHEN Yuzhu,XIE Jiulong,HUANG Xingyan
（College of Forestry,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,Sichuan,China）

S781.9

A

2095-0756（2017）05-0849-07

2016-10-31；

2016-12-28

四川省教育廳高校木材工業(yè)與家具工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目

李鳳，從事竹材材性及保護(hù)研究。E-mail：li_feng2016@126.com。通信作者：齊錦秋，教授，博士，從事木/竹材材質(zhì)特性研究。E-mail：qijinqiu2005@aliyun.com