秦黑楊雜交新品種木材纖維形態(tài)及物理力學(xué)性質(zhì)

馮德君，趙涇峰，陳衛(wèi)華

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

美洲黑楊(Populusdeltoides)是我國上世紀(jì)引進(jìn)的速生楊樹樹種，具有適應(yīng)性強、生長迅速、材質(zhì)優(yōu)良和高產(chǎn)等特點，可作制漿造紙及人造板制造的原料，是速生用材及綠化造林的主要樹種，具有良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，在我國楊樹產(chǎn)業(yè)中占有重要的地位[1-2]。

秦黑卜楊(P.deltoides×P.purdomii)、秦黑青楊1號(P.deltoides×P.cathayana)和秦黑青楊2號(P.deltoides×P.cathayana)是由西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院楊樹育種課題組按照嚴(yán)格育種程序，歷時12 a，從美洲黑楊×卜氏楊、美洲黑楊×青楊雜交組合中選育出的3個楊樹派間雜交新品種[3]。

秦黑卜楊、秦黑青楊1號、秦黑青楊2號3個雜交新品種的主要特點是干型通直圓滿，生長迅速(5年生樹木材積生長量分別比當(dāng)?shù)赝惿a(chǎn)主栽品種陜林4號(P.deltoides×P.cathayana)大139.01%、28.97%、47.42%)?，F(xiàn)有區(qū)域栽培試驗表明，上述3個秦黑楊雜交新品種在陜西延安以南、青海西寧及周邊較高海拔相似氣候區(qū)均生長良好。同時，秦黑青楊1號和2號枝葉繁茂，樹皮光滑、翠綠，高抗?jié)儾?，觀賞價值大，也可用作很好的風(fēng)景園林樹種[4]。

為了更好地體現(xiàn)速生秦黑楊雜交新品種成材后的利用優(yōu)勢，對秦黑楊雜交新品種木材的材性和纖維形態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)研究，并與當(dāng)?shù)赝愔髟詶顦淦贩N陜林4號對比分析，為秦黑楊雜交新品種的推廣種植、加工利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料采集于西北農(nóng)林科技大學(xué)周至渭河試驗站6～7年生的對比試驗林，其中秦黑卜楊、秦黑青楊1號、秦黑青楊2號及對照樣陜林4號各2株，共8株(表1)。

1.2 測定方法

在試材1.3 m處截取5 cm厚圓盤，沿南北向截取3 cm中心木條，分年輪劈成火柴棍大小的試樣，南北向混合，采用硝酸-氯酸鉀法分離木纖維，制成簡易切片，在光學(xué)顯微鏡下隨機測定50根木纖維的長度、寬度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算及分析。

將試材按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》進(jìn)行初步加工，加工后的試材毛坯在實驗室陰涼通風(fēng)處進(jìn)行堆垛氣干放置，直到試樣達(dá)到氣干，再按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1930-1941-2009《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》加工試樣，主要測定的物理力學(xué)性能指標(biāo)有氣干密度、全干干縮率及干縮系數(shù)(弦向、徑向、體積)、順紋抗壓強度、橫紋(全部)抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量。其中試樣數(shù)量按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》中所需要試樣數(shù)為準(zhǔn)，密度試樣各20個、干縮試樣各120個、順紋抗壓強度試樣各30個、橫紋(全部)抗壓強度各65個、抗彎強度及抗彎彈性模量試樣各65個。以上各項力學(xué)性質(zhì)在萬能力學(xué)試驗機上測定，試驗結(jié)果均換算成含水率為12%時的數(shù)據(jù)。

表1 樣木基本情況Table 1 Basic situations of the sample trees

2 結(jié)果與分析

2.1 秦黑楊雜交新品種木材纖維形態(tài)

纖維形態(tài)是木材作為造紙和纖維工業(yè)必須要考慮的性能指標(biāo)，纖維越長、長寬比越大的制品強度越好。3種秦黑楊及陜林4號木材纖維測定結(jié)果見表2。

木材纖維是起著支撐樹體和給木材提供強度的作用，木材纖維長度的變化規(guī)律是樹木年輪材質(zhì)分析的主要參數(shù)之一，同時也是反映木材及其利用價值的重要指標(biāo)。在造紙工業(yè)中，纖維長度對紙張的拉伸強度和撕裂度都有著極強的相關(guān)性，并且細(xì)長的纖維能提高纖維柔韌性使紙張形成良好的粘結(jié)性。由表2可知，3種秦黑楊新品種的木纖維長度為987.5～1 087 μm，均大于陜林4號的935 μm；秦黑青楊1號和秦黑青楊2號明顯大于秦黑卜楊。僅從木纖維長度來講，作為造紙和纖維工業(yè)3種秦黑楊新品種要優(yōu)于陜林4號，秦黑青楊1號和秦黑青楊2號要優(yōu)于秦黑卜楊。依據(jù)木材解剖分子分級規(guī)定[5]，4種楊木的木纖維長度均在900～1 600 μm，屬于中等長度木纖維。

表2 木材纖維測定結(jié)果Table 2 Wood fiber morphologies

由表2可知，隨著樹齡的增加，4種楊木纖維長寬比變異規(guī)律基本一致，整體呈上升趨勢，變化幅度較小，曲線較為平緩。木纖維長寬比大的，制品的強度較高；3種秦黑楊木纖維長寬比為41.3～42.75，略小于陜林4號的44.9；僅從木纖維長寬比考慮，陜林4號略優(yōu)于3種秦黑楊。按照造紙原料標(biāo)準(zhǔn)，木纖維長寬比>33，紙張交織較好，強度較高，說明4種楊木均為優(yōu)良的造紙原料。

武恒等[6]研究人工林楊樹12個無性系木材纖維形態(tài)；潘存娥[7]研究新疆幾種楊樹品種纖維形態(tài)，長度均為中等長度(900～1 600 μm)，長寬比均在36.0～50.7，具有相同的研究結(jié)果。

2.2 秦黑楊雜交新品種木材物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)試驗結(jié)果，3種秦黑楊及陜林4號木材各項物理性質(zhì)指標(biāo)見表3。

2.2.1 密度 由表3可知，3種新培育的秦黑楊木材的氣干密度為0.42～0.44 g/cm3，小于陜林4號的0.49 g/cm3，這樣的氣干密度在楊樹品種中已經(jīng)算中等，密度越大，木材的強度越大；依據(jù)木材材性分級規(guī)定[5]，4種楊木氣干密度均在0.36～0.55 g/cm3，屬于小密度范圍。

表3 秦黑楊等4種木材氣干密度與干縮系數(shù)Table 3 Air dry density and shrinkage coefficients of the woods

2.2.2 木材干縮性能 由表3可知，4種楊木弦向、徑向、體積干縮系數(shù)大小依次為秦黑卜楊>秦黑青楊1號>秦黑青楊2號>陜林4號，從木材利用來講木材干縮越小越好，3種新培育的秦黑楊的弦向、徑向、體積干縮系數(shù)均大于陜林4號，僅從木材干縮來講，秦黑青楊2號是3種秦黑楊新品種中最小的，也是最接近陜林4號的干縮性能的；從4種楊木的弦向、徑向、體積干縮系數(shù)來看，都是相對較小的。依據(jù)木材材性分級規(guī)定[5]，4種楊木體積干縮系數(shù)均<0.45%，屬于小干縮系數(shù)范圍。

木材力學(xué)性能是木材抵抗使其改變大小和形狀的外力的能力，即木材適應(yīng)外力作用的能力[8]。3種秦黑楊與陜林4號木材主要力學(xué)性能結(jié)果見表4。

表4 木材主要力學(xué)性能測定結(jié)果Table 4 Mechanical properties of the woods MPa

2.2.3 順紋抗壓強度 從表4可知，3種秦黑楊新品種的順紋抗壓強度為34.79～36.21 MPa，均小于陜林4號的46.29 MPa，3種秦黑楊的順紋抗壓強度只有陜林4號的75%～78%；依據(jù)木材物理力學(xué)性質(zhì)分級表[9]，4種楊木順紋抗壓強度均在33.9～50.7 MPa，屬于低強度范圍。作為結(jié)構(gòu)用木材，陜林4號楊木的順紋抗壓強度就比較小，3種秦黑楊新品種順紋抗壓強度更小，說明不適合。

2.2.4 橫紋(全部)抗壓強度 由表4可知，4種楊木的徑向橫紋(全部)抗壓強度都是大于弦向橫紋(全部)抗壓強度，楊木是散孔材，早晚材緩變，早晚材差距很小，徑向橫紋(全部)抗壓強度大于弦向，主要是木射線的作用；4種楊木徑向和弦向的橫紋(全部)抗壓強度從大到小的順序為陜林4號>秦黑青楊2號>秦黑卜楊>秦黑青楊1號。

2.2.5 抗彎強度 由表4可知，3種秦黑楊新品種的抗彎強度為60.52～63.18 MPa，均小于陜林4號的81.34 MPa，3種秦黑楊的抗彎強度只有陜林4號的74.4%～77.7%；依據(jù)木材物理力學(xué)性質(zhì)分級表[9]，4種楊木的抗彎強度均在60.5～98.8 MPa的范圍內(nèi)，屬于低強度的范圍。作為結(jié)構(gòu)用木材，這個抗彎強度值太低。

2.2.6 抗彎彈性模量 由表4可知，3種秦黑楊新品種的抗彎彈性模量為6 339.31～6 896.67 MPa，均小于陜林4號的8 082.40 MPa，3種秦黑楊新品種的抗彎彈性模量只有陜林4號的78.4%～85.3%；我國闊葉樹材大多數(shù)樹種的抗彎彈性模量在8.0～14 GPa[10]，4種楊木只有陜林4號在此區(qū)間，3種秦黑楊新品種均<8.0 GPa。

2.2.7 木材綜合強度 木材作為承重構(gòu)件時，必須考慮其順紋抗壓強度和抗彎強度，所以通常用順紋抗壓強度和抗彎強度之和來表示木材的綜合強度，以表明木材強度品質(zhì)等級[11]。由表4可知，3種秦黑楊新品種的木材綜合強度為95.31～99.64 MPa，均小于陜林4號的127.63 MPa，3種秦黑楊新品種的木材綜合強度只有陜林4號的74.7%～78.1%；依據(jù)木材材性分級標(biāo)準(zhǔn)[12]，3種秦黑楊新品種木材的綜合強度均<108 MPa，屬于強度低的范圍；陜林4號木材的綜合強度在108～167 MPa，屬于中等強度范圍。作為結(jié)構(gòu)用木材來講，3種秦黑楊新品種木材的綜合強度與陜林4號有很大差距。

3 結(jié)論

木材的利用主要是2個方面：一是作為纖維工業(yè)用材，二是作為結(jié)構(gòu)用木材。從結(jié)構(gòu)用木材考慮，密度大、干縮小、強度大者為好[13]。木材密度的大小對木材物理力學(xué)性質(zhì)以及木材加工工藝性質(zhì)有直接影響[14]，同時木材密度與力學(xué)性質(zhì)之間存在正相關(guān)系[15]。

從纖維工業(yè)和造紙用材的要求考慮，木纖維越長，長寬比越大的制品強度越高[16]。3種秦黑楊的木纖維長度略大于陜林4號的，而3種秦黑楊的木纖維長寬比又略小于陜林4號，綜合木纖維長度和木纖維長寬比來考慮，4種楊木都是很好的纖維工業(yè)和造紙用材。

4種楊樹中，陜林4號的氣干密度、順紋抗壓強度、橫紋(全部)徑向與弦向抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量、木材綜合強度均大于3種秦黑楊新品種，陜林4號干縮同時小于3種秦黑楊新品種；從木材主要物理力學(xué)性能來看，作為結(jié)構(gòu)用木材，陜林4號明顯要優(yōu)于3種秦黑楊新品種；3種秦黑楊新品種相互比較，秦黑卜楊性能略優(yōu)于秦黑青楊1號和秦黑青楊2號。