油杉、杉木和馬尾松木材物理力學性質比較

高 楠，余孟楊，林慶富，章進峰，肖祥希，孫代珍 曾華浩，劉曉輝，賴金全，蘇志鵬，鄧宗杰，賴振民

（1.福建省林業(yè)科學研究院，福建福州 350012；2.福建省清流國有林場，福建清流 365300；3.福建省沙縣水南國有林場，福建沙縣 365500；4.福建省大田梅林國有林場，福建大田 366100）

油杉（Keteleeria fortunei）為松科（Pinaceae）油杉屬大喬木，生長快，適應性強，耐干旱瘠薄，具有松科松屬樹種的優(yōu)良特性，是低立地環(huán)境造林的優(yōu)良樹種。其樹干通直挺拔，材質良好，木材黃褐色、紋理優(yōu)美、材質重、耐水濕且抗腐性強，是珍貴用材樹種[1-4]，也是主要造林樹種馬尾松（Pinus massoniana）理想的替代樹種。曾華浩等[4]對位于福建省永春縣油杉人工林的物理力學性質進行測定和分析。本研究團隊在永春油杉群落周邊地區(qū)的大田地區(qū)尋找到與其生境相似和年齡相近的杉木（Cunninghamia lanceolata）和馬尾松人工林，對其進行測定和分析，并與油杉的物理力學性質進行綜合比較，為油杉木材的加工利用提供技術參數，也為油杉資源的培育和利用提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 試驗地概況

油杉試驗地位于福建省永春縣桃城鎮(zhèn)大坪村湖（118°17'E，25°21'N），試驗地概況參見曾華浩等[4]和鄒秀紅等[5]的研究。杉木和馬尾松試驗地位于福建省大田梅林國有林場小湖工區(qū)（117°47'E,25°38'N），海拔480～600 m，土壤為山地紅壤，立地質量Ⅱ級。該地屬中亞熱帶季風氣候，四季明顯，雨量充沛，干濕分明，年均降水量1 770 mm，年均氣溫18．6 ℃，最高氣溫40 ℃，最低氣溫-11 ℃，無霜期280～320 天[6]。

1．2 試材采集

每個樹種設3 個10 m×10 m 的固定樣地，在樣地內選擇標準木1 株，共選取標準木3 株（表1）。標準木伐倒后，在1．3 m 以上部位截取2 m 作為試材，每個樹種有效樣本數為30個。

表1 標準木情況Tab.1 Situation of sample trees

1．3 試驗方法

將采集的試材放在陰涼通風處自然風干，按照GB/T 1929-2009[7]進行初步加工，自然氣干后，按照GB/T 1928-2009[8]測定各項物理力學指標。采用全數字電子萬能材料試驗機和擺錘式沖擊試驗機對各項力學強度指標進行測定。油杉木材物理力學性質指標本研究團隊已公開發(fā)表[4]，本文直接采用。

1．4 數據處理

采用Excel和SPSS軟件進行處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2．1 不同樹種木材物理性質

2．1．1 木材密度

木材密度是木材性質的重要指標，木材密度與力學強度呈正相關關系[9]。馬尾松木材的基本密度、氣干密度和全干密度最大，分別為0．564、0．688和0．666 g/cm3；油杉次之，分別為0．473、0．576 和0．544 g/cm3；杉木最小，分別為0．357、0．418 和0．396 g/cm3（表2）。方差分析表明，不同樹種間基本密度、氣干密度和全干密度均差異極顯著（P＜0．01）。

表2 不同樹種木材密度對比Tab.2 Comparison on wood densities of different tree species

2．1．2 干縮性

干縮性直接影響木材和木制品的尺寸、性狀和結構的穩(wěn)定性及使用性能等，是木材性質的重要指標[10]。油杉、杉木和馬尾松木材徑向全干干縮率分別為5．397%、3．387%和6．010%，弦向全干干縮率分別為7．363%、6．280%和9．230%，體積全干干縮率分別為12．855%、9．613%和15．273%，3 種木材全干干縮率表現為馬尾松＞油杉＞杉木（表3）。油杉、杉木和馬尾松木材徑向氣干干縮率分別為3．272%、1．080%和2．500%，弦向氣干干縮率分別為4．408%、2．283%和4．280%，體積氣干干縮率分別為7．892%、3．380%和7．180%，3 種木材氣干干縮率表現為油杉＞馬尾松＞杉木（表4）。方差分析表明，不同樹種間徑向、弦向和體積全干干縮率及氣干干縮率均差異極顯著（P＜0．01）。差異干縮是判斷木材是否容易開裂及變形的重要依據[11-12]。油杉、杉木和馬尾松木材從濕材到全干狀態(tài)，差異干縮分別為1．364、1．854 和1．536；從濕材到氣干狀態(tài)，差異干縮分別為1．347、2．114 和1．712，油杉的差異干縮最小，說明油杉木材不易開裂變形。

表3 不同樹種木材全干干縮率對比Tab.3 Comparison on oven-dry shrinkages of woods from different tree species

表4 不同樹種木材氣干干縮率對比Tab.4 Comparison on air-dry shrinkages of woods from different tree species

2．1．3 濕脹性

木材濕脹性反映了木材吸水后的尺寸變化，濕漲性小，表明木材尺寸穩(wěn)定性較好，當沿各方向的尺寸變化不均勻時，會引起開裂和變形，影響木材制品的利用[13]。油杉、杉木和馬尾松木材的徑向氣干濕脹率分別為2．250%、2．433%和3．730%，弦向氣干濕脹率分別為3．195%、4．257%和5．433%，體積氣干濕脹率分別為5．708%、6．937%和9．567%，3 種木材氣干濕脹率表現為馬尾松＞杉木＞油杉（表5）。油杉、杉木和馬尾松木材的徑向吸水后濕脹率分別為5．715%、3．560%和6．387%，弦向吸水后濕脹率分別為7．963%、6．717%和10．203%，體積吸水后濕脹率分別為14．794%、10．697%和18．067%，3 種木材吸水后濕脹率表現為馬尾松＞油杉＞杉木（表6）。方差分析表明，不同樹種間徑向、弦向和體積氣干濕脹性及吸水后濕脹性均差異極顯著（P＜0．01）。油杉木材濕漲性較小，各個方向濕漲性差異較小，木材穩(wěn)定性較好。

表5 不同樹種木材氣干濕脹性對比Tab.5 Comparison on air-dry swelling properties of woods from different tree species

表6 不同樹種木材吸水后濕脹性對比Tab.6 Comparison on swelling properties of woods from different tree species after absorbing water

2．2 不同樹種木材力學性質

2．2．1 抗彎強度

木材抗彎強度體現了木材承受靜力彎曲荷載的最大能力[14]。油杉木材的抗彎強度最大（92．701 Mpa)，馬尾松次之（91．363 Mpa），杉木最?。?6．390 Mpa）（表7）。方差分析表明，不同樹種間抗彎強度差異極顯著（P＜0．01）。

2．2．2 順紋抗壓強度

木材順紋抗壓強度體現了木材沿紋理方向承受壓力荷載的最大能力[12]。油杉木材的順紋抗壓強度最大（57．217 Mpa），馬尾松次之（50．572 Mpa），杉木最小（39．864 Mpa）（表7）。方差分析表明，不同樹種間順紋抗壓強度差異極顯著（P＜0．01）。

表7 不同樹種木材抗彎強度和順紋抗壓強度對比Tab.7 Comparison on modulus of rupture and compressive strength for parallel to grain direction of woods from different tree species

2．2．3 硬度

木材硬度是指木材抵抗其他剛體壓入的能力[12]。木材硬度與木材密度呈密切正相關關系[15]。馬尾松木材的端面硬度、弦面硬度和徑面硬度分別為5 017．789、3 673．368 和3 467．842 N；油杉分別為4 635．903、3 420．770 和3 606．784 N；杉木分別為3 845．440、2 376．800 和2 581．800 N（表8）。馬尾松木材的端面硬度和弦面硬度最大，油杉的徑面硬度最大，杉木均最小。方差分析表明，不同樹種間端面硬度、弦面硬度和徑面硬度均差異極顯著（P＜0．01）。

表8 不同樹種木材硬度對比Tab.8 Comparison on wood hardness of different tree species

3 結論與討論

木材密度的表現為馬尾松＞油杉＞杉木；木材穩(wěn)定性的表現為杉木＞油杉＞馬尾松；木材力學的表現為油杉＞馬尾松＞杉木。與杉木和馬尾松等主要用材樹種相比，油杉的木材材質指標總體表現良好，可作為主要用材樹種培育和經營。

油杉木材的氣干密度和全干密度大于杉木，小于馬尾松；全干干縮系數大于杉木，小于馬尾松；氣干干縮系數大于杉木和馬尾松；氣干差異干縮小于杉木和馬尾松；氣干濕脹性小于杉木和馬尾松；吸水濕脹性小于馬尾松，大于杉木；抗彎強度、木材順紋抗壓強度和徑面硬度均大于杉木和馬尾松；端面硬度和弦面硬度大于杉木，小于馬尾松。3 個樹種的木材物理和力學指標存在一定差異，可能是因為3個樹種的細胞結構不同。

杉木和馬尾松一直是南方地區(qū)兩個最重要的用材樹種，造林面積大且用途廣泛。但是，近年來馬尾松的松材線蟲病害頻發(fā)，尋找馬尾松的替代樹種極為迫切。同為松科的油杉具有松屬樹種的優(yōu)良特性，生長速度快、適應性強且耐瘠薄等。由于油杉的研究和推廣起步較晚，人們對該樹種還比較陌生，本研究將油杉與杉木、馬尾松木材的物理力學性質進行比較，可以更直觀地了解油杉的木材材性和利用價值，從木材利用的角度為油杉的推廣提供科學依據。