油杉、杉木和馬尾松木材物理力學(xué)性質(zhì)比較

高 楠，余孟楊，林慶富，章進(jìn)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(xué)研究院，福建福州 350012；2.福建省清流國有林場(chǎng)，福建清流 365300；3.福建省沙縣水南國有林場(chǎng)，福建沙縣 365500；4.福建省大田梅林國有林場(chǎng)，福建大田 366100）

油杉（Keteleeria fortunei）為松科（Pinaceae）油杉屬大喬木，生長快，適應(yīng)性強(qiáng)，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(zhì)良好，木材黃褐色、紋理優(yōu)美、材質(zhì)重、耐水濕且抗腐性強(qiáng)，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(duì)位于福建省永春縣油杉人工林的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定和分析。本研究團(tuán)隊(duì)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(duì)其進(jìn)行測(cè)定和分析，并與油杉的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行綜合比較，為油杉木材的加工利用提供技術(shù)參數(shù)，也為油杉資源的培育和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)地概況

油杉試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)地位于福建省大田梅林國有林場(chǎng)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(zhì)量Ⅱ級(jí)。該地屬中亞熱帶季風(fēng)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(gè)樹種設(shè)3 個(gè)10 m×10 m 的固定樣地，在樣地內(nèi)選擇標(biāo)準(zhǔn)木1 株，共選取標(biāo)準(zhǔn)木3 株（表1）。標(biāo)準(zhǔn)木伐倒后，在1．3 m 以上部位截取2 m 作為試材，每個(gè)樹種有效樣本數(shù)為30個(gè)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)木情況Tab.1 Situation of sample trees

1．3 試驗(yàn)方法

將采集的試材放在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，按照GB/T 1929-2009[7]進(jìn)行初步加工，自然氣干后，按照GB/T 1928-2009[8]測(cè)定各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)。采用全數(shù)字電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。油杉木材物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)本研究團(tuán)隊(duì)已公開發(fā)表[4]，本文直接采用。

1．4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同樹種木材物理性質(zhì)

2．1．1 木材密度

木材密度是木材性質(zhì)的重要指標(biāo)，木材密度與力學(xué)強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)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(duì)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及使用性能等，是木材性質(zhì)的重要指標(biāo)[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(xiàn)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(xiàn)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(jù)[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(duì)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(duì)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(dāng)沿各方向的尺寸變化不均勻時(shí)，會(huì)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(xiàn)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(xiàn)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(gè)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(duì)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(duì)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(xué)性質(zhì)

2．2．1 抗彎強(qiáng)度

木材抗彎強(qiáng)度體現(xiàn)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(qiáng)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(qiáng)度差異極顯著（P＜0．01）。

2．2．2 順紋抗壓強(qiáng)度

木材順紋抗壓強(qiáng)度體現(xiàn)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(qiáng)度最大（57．217 Mpa），馬尾松次之（50．572 Mpa），杉木最?。?9．864 Mpa）（表7）。方差分析表明，不同樹種間順紋抗壓強(qiáng)度差異極顯著（P＜0．01）。

表7 不同樹種木材抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度對(duì)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(guān)關(guān)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(duì)比Tab.8 Comparison on wood hardness of different tree species

3 結(jié)論與討論

木材密度的表現(xiàn)為馬尾松＞油杉＞杉木；木材穩(wěn)定性的表現(xiàn)為杉木＞油杉＞馬尾松；木材力學(xué)的表現(xiàn)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(zhì)指標(biāo)總體表現(xiàn)良好，可作為主要用材樹種培育和經(jīng)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(shù)大于杉木，小于馬尾松；氣干干縮系數(shù)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(qiáng)度、木材順紋抗壓強(qiáng)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(gè)樹種的木材物理和力學(xué)指標(biāo)存在一定差異，可能是因?yàn)?個(gè)樹種的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同。

杉木和馬尾松一直是南方地區(qū)兩個(gè)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(yīng)性強(qiáng)且耐瘠薄等。由于油杉的研究和推廣起步較晚，人們對(duì)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(xué)性質(zhì)進(jìn)行比較，可以更直觀地了解油杉的木材材性和利用價(jià)值，從木材利用的角度為油杉的推廣提供科學(xué)依據(jù)。