杉木速生無(wú)性系30年生木材材性的比較

趙林峰，高建亮

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)杉木Cunninghamia lanceolata無(wú)性系木材材性進(jìn)行過(guò)許多研究。田荊祥等[1]研究了9年生杉木無(wú)性系與實(shí)生林的木材材性后認(rèn)為：有的無(wú)性系材性比實(shí)生林好，有的卻差于實(shí)生林；趙承開(kāi)等[2]研究了杉木無(wú)性系19年生木材的基本密度和木材材性后認(rèn)為：隨著年齡的增長(zhǎng)無(wú)性系的材性與實(shí)生林差異變小，且各無(wú)性系之間的木材材性有一定的差異；施季森等[3]研究了杉木實(shí)生林15年生前的生長(zhǎng)性狀與材性的相關(guān)性；邊黎明等[4]測(cè)定16年生杉木實(shí)生林的彈性模量達(dá)到3.87 GPa；龔迎春等[5]測(cè)定24年生杉木實(shí)生林木材的抗彎強(qiáng)度是43.42～48.72 MPa；韋如萍等[6]認(rèn)為：杉木在56年生之前木材密度隨年齡增長(zhǎng)而增大，56年生后則隨年齡增長(zhǎng)而降低；梁宏溫等[7]認(rèn)為：杉木木材的抗壓程度高，大于禿杉1.5%～17.5%，且這種情形會(huì)隨著林齡的增加而增大；林金國(guó)等[8]認(rèn)為：木材材性隨年齡增長(zhǎng)而增大；杉木12年生木材的順紋抗壓強(qiáng)度是29.9 MPa，17年生則達(dá)到了34.5 MPa。

木材是一種生物材料，也是一種各向異性的高分子材料，由于其構(gòu)造的各向異性導(dǎo)致其力學(xué)性能的各向異性[9]。木材的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是由木材的材性決定的[10]。許多木材加工處理工藝的制定以及用材部門(mén)對(duì)木材的選擇都依賴(lài)于木材物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定結(jié)果[11]。

作者根據(jù)湖南省金洞林場(chǎng)7 個(gè)30年生杉木速生無(wú)性系與杉木實(shí)生林的木材材性試驗(yàn)結(jié)果，比較了各無(wú)性系之間的木材材性差異后認(rèn)為：無(wú)性系不同，其木材材性差異十分明顯。

1 材料與方法

1.1 立地條件

湖南省金洞林場(chǎng)的地處110°53′43″E，26°21′37″N，屬中亞熱帶東南季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候，年均氣溫18℃，年均降雨量1 000～1 800 mm，年均蒸發(fā)量1 225 mm，年均有效日照時(shí)數(shù)為1 617 h，相對(duì)濕度75%～82%。土壤屬森林黃壤，厚30～60 cm，pH 值4.5～5.5。

1.2 試樣來(lái)源

本次選出的7 個(gè)杉木速生無(wú)性系和1 個(gè)對(duì)照（實(shí)生林，下同）均來(lái)自于1986年11月整地，1987年2月?tīng)I(yíng)造的杉木無(wú)性系田間試驗(yàn)林。無(wú)性系原株是湖南省會(huì)同縣種子園的種子在湖南省永州市生產(chǎn)性苗圃中按1/50 000 比例選出的1年生超級(jí)苗。原株用人工促萌方式促進(jìn)根頸部“隱芽”萌發(fā)，待萌芽條生長(zhǎng)到5～12 cm 時(shí)進(jìn)行扦插育苗。每一原株的分生株扦插為1 個(gè)無(wú)性系。對(duì)照是金洞林場(chǎng)杉木嫁接種子園種子在本地培育的1年生時(shí)健壯實(shí)生苗。

在同一坡向、坡位的土壤上設(shè)計(jì)3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每一試驗(yàn)區(qū)按抽簽的方式安排無(wú)性系和對(duì)照，5 株小區(qū)，6 次重復(fù)，即每一無(wú)性系有30 株參與試驗(yàn)，對(duì)照是90 株。試驗(yàn)林不補(bǔ)植。

1.3 試樣選擇

無(wú)性系和對(duì)照CK 試樣是2016年10月從30年生無(wú)性系田間試驗(yàn)林中選擇的。在參試的131個(gè)無(wú)性系中按H≥CK5%、D1.3≥CK10%、V立≥CK20%的標(biāo)準(zhǔn)選出了7 個(gè)速生無(wú)性系。根據(jù)每一速生無(wú)性系的平均值在6 個(gè)重復(fù)中選擇有代表性的、較接近平均值的樣株3 株，于2016年11月進(jìn)行伐倒；對(duì)照CK 也按同樣的方式在整個(gè)試驗(yàn)林分中選擇樣株3 株，同時(shí)伐倒。

1.4 樣本截取方法

按GB/T1927-2009《木材物理力學(xué)試件采集方法》的規(guī)定，樣樹(shù)伐倒后在伐根以上部分截取1.3 m 長(zhǎng)的圓筒一段，送中南林業(yè)科技大學(xué)木材實(shí)驗(yàn)室按木材測(cè)試規(guī)定制作樣材，再按順紋方向鋸解成試件。各項(xiàng)目的測(cè)試試件數(shù)按GB/T1928-2009公式計(jì)算（變異系數(shù)取10%～12%）。

試件數(shù)：N=V2T2/P2，式中V為待測(cè)項(xiàng)目性質(zhì)的變異系數(shù)，T為結(jié)果可靠性指標(biāo)（取1.96），P為準(zhǔn)確指數(shù)（取5%）。準(zhǔn)確指數(shù)P=2(ST/X)×100%，式中X為測(cè)試結(jié)果平均值，ST為平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

1.5 材性指標(biāo)和測(cè)定方法

本研究所進(jìn)行的木材材性測(cè)試的指標(biāo)主要有氣干密度、基本密度、順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量、橫紋全部抗壓強(qiáng)度（弦向、徑向）、橫紋局部抗壓強(qiáng)度（弦向、徑向）共10 項(xiàng)。性能測(cè)試分別按照GB/T1933-2009《木材密度測(cè)定方法》、GB/T1938-2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T1935-2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》、GB/T1939-2009《木材橫紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)采用Excel 2016、SPSS 25.0 等軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析。通過(guò)比較不同無(wú)性系木材材性的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果，了解各無(wú)性系之間30年生木材物理力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣樹(shù)的基本情況

速生無(wú)性系樣樹(shù)和對(duì)照CK 的基本情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可知，30年生無(wú)性系平均樹(shù)高19.01 m，對(duì)照CK 是17.30 m，無(wú)性系是CK 的109.88%；無(wú)性系平均胸徑是26.82 cm，對(duì)照CK 是23.57 cm，無(wú)性系是CK 的113.79%；無(wú)性系平均單株立木蓄積是0.527 3 m3，對(duì)照CK 是0.380 9 m3，無(wú)性系是CK 的138.43%。因此，所選擇的無(wú)性系屬于速生無(wú)性系范疇。

表1 樣樹(shù)基本情況Table 1 The basic situation of 30 a sample tree

2.2 木材密度

木材密度反應(yīng)了木材的致密程度，與木材力學(xué)強(qiáng)度呈正向相關(guān)，是判斷木材工藝性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)[12-13]，在建筑材料應(yīng)用中，木材的各種性質(zhì)主要是由木材密度決定的[14]。另外，木材密度對(duì)林木材性育種與遺傳改良也有重要的指導(dǎo)意義[15]。由表2可知，氣干密度：速生無(wú)性系的均值是0.409 g·cm-3（范圍0.372～0.449 g·cm-3），對(duì)照是0.412 g·cm-3（范圍0.380～0.436 g·cm-3），速生無(wú)性系均值小于對(duì)照0.97%，但有4 個(gè)速生無(wú)性系的氣干密度大于對(duì)照；而基本密度：速生無(wú)性系的均值是0.332 g·cm-3（范圍0.301～0.355 g·cm-3），對(duì) 照 是0.334 g·cm-3（范圍0.308～0.353 g·cm-3），速生無(wú)性系均值小于對(duì)照0.60%，也有4 個(gè)速生無(wú)性系大于對(duì)照。密度在前3 位的速生無(wú)性系是79172、7922 和79182；從密度的平均值來(lái)看：30年生時(shí)速生無(wú)性系木材與實(shí)生林木材無(wú)差異，且木材密度的測(cè)試樣本變異系數(shù)都低于10%，說(shuō)明木材分散程度比較均勻，能大大降低木材加工的難度。

表2 杉木木材密度Table 2 The air-dry and basic density

2.3 木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量

抗彎強(qiáng)度體現(xiàn)了木材承受靜力彎曲荷載的最大能力，木材彈性模量是指木材在比例極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力，木材作為結(jié)構(gòu)用材優(yōu)劣程度判定的重要力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)[16]。從表3可知，抗彎強(qiáng)度分析：速生無(wú)性系的均值是70.652 MPa（范圍61.41～82.52 MPa），對(duì)照是70.708 MPa（范圍68.99～73.81 MPa），速生無(wú)性系均值小于對(duì)照0.07%，有4 個(gè)速生無(wú)性系大于對(duì)照。彈性模量分析：速生無(wú)性系的均值是8.298 GPa（范圍7.472～9.119 GPa），對(duì)照是8.262 GPa（范圍7.958～8.458 GPa），速生無(wú)性系均值大于對(duì)照0.43%，大于對(duì)照的速生無(wú)性系也是4 個(gè)，都處于前3 位的是7922、79173 和79172。從木材的抗彎強(qiáng)度和木材的彈性模量來(lái)看：30年生時(shí)速生無(wú)性系木材與實(shí)生林木材無(wú)差異。速生無(wú)性系試件的變異系數(shù)均低于5%，說(shuō)明30年生杉木木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量的分散程度比較均勻。

表3 木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量Table 3 The modulus of rupture and modulus of elasticity parallel to grain

2.4 木材順紋抗壓、抗拉強(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[17]。由表4可知，木材順紋抗壓強(qiáng)度分析：速生無(wú)性系均值是46.56 MPa（范圍42.01～51.98 MPa），對(duì)照是46.78 MPa（范圍43.59～48.97 MPa），速生無(wú)性系均值小于對(duì)照0.47%，但79172 和7922 大于對(duì)照。木材順紋抗拉強(qiáng)度分析：速生無(wú)性系均值是104.30 MPa（范圍89.38～119.43 MPa），對(duì)照是104.84 MPa（范圍96.49～109.68 MPa），速生無(wú)性系均值小于對(duì)照0.51%，但79172、7922、7911 和79173 大于對(duì)照。就木材順紋抗拉、抗壓強(qiáng)度來(lái)看：30年生時(shí)速生無(wú)性系和對(duì)照木材沒(méi)有差異。

表4 木材順紋抗拉和順紋抗壓強(qiáng)度Table 4 The tensile strength and compression strength parallel to grain

2.5 木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度（弦向、徑向）

由表5可知，弦向抗壓：速生無(wú)性系均值是2.06 MPa（范圍1.69～2.45 MPa），對(duì)照是2.06 MPa（范圍1.99～2.24 MPa），速生無(wú)性系均值與對(duì)照一般，其中79172、7922 和79173 大于對(duì)照。徑向抗壓：速生系均值是1.91 MPa（范圍1.49～2.18 MPa），對(duì)照是1.90 MPa（范圍1.78～2.05MPa），速生無(wú)性系均值大于對(duì)照0.53%，其中79172、7922、79173 和79182 都大于對(duì)照。從木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度來(lái)看；速生無(wú)性系林與實(shí)生林無(wú)差異。速生無(wú)性系試件的木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)都低于5.0%，說(shuō)明木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度比較強(qiáng)。

表5 木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度Table 5 The compression strength prependicular (on radial and on flat)

2.6 木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度（弦向、徑向）

從表6可知，弦向抗壓：速生無(wú)性系均值是3.46 MPa（范圍3.05～3.72 MPa），對(duì)照是3.47 MPa（范圍3.36～3.64 MPa），速生無(wú)性系均值小于對(duì)照-0.29%，但7922、79172、79173、79182和8219 大于對(duì)照。徑向抗壓：速生無(wú)性系均值是3.29 MPa（范圍3.05～3.65 MPa），對(duì)照是3.34 MPa（范圍3.10～3.48 MPa），速生無(wú)性系均值小于對(duì)照-0.49%，但7922、79172、79173 都大于對(duì)照。從木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度來(lái)看；速生無(wú)性系林與實(shí)生林無(wú)差異。速生系木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)都低于5.0%，說(shuō)明木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度比較均勻。

表6 木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度Table 6 The compression strength prependicular to grain on localcross (on radial and on flat)

2.7 優(yōu)良無(wú)性系木材材性方差分析

在方差分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳參數(shù)估算是林木遺傳育種重要的遺傳變異分析方法之一[18]。從表7可知，對(duì)7 個(gè)速生無(wú)性系在30年生時(shí)的木材材性方差分析表明：無(wú)性系品種不同，其木材材性是不同的，即各無(wú)性系之間的木材材性存在有差異或顯著性差異。在95%的可靠性估計(jì)下，各無(wú)性系間有顯著差異的材性項(xiàng)目是密度、順紋抗壓和抗拉及局部抗壓（弦向、徑向）；有極顯著差異的材性項(xiàng)目是順紋抗彎和彈性模量、全部抗壓（弦向、徑向）。在生產(chǎn)中可通過(guò)無(wú)性系間的材性差異來(lái)篩選無(wú)性系良種。

表7 杉木優(yōu)良無(wú)性系木材材性方差分析?Table 7 Variance analysis of wood properties of fine clones of Cunninghamia lanceolata

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

1）本研究發(fā)現(xiàn)，30年生時(shí)速生無(wú)性系材性測(cè)定均值與實(shí)生林測(cè)定值的差異在±1%，根據(jù)《國(guó)產(chǎn)樹(shù)種分級(jí)規(guī)格材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量要求》和《木材力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，它們應(yīng)屬于同一木材等級(jí)。

2）7 個(gè)速生無(wú)性系間在30年生時(shí)的木材材性存在著差異，有的表現(xiàn)出極顯著差異。其中有顯著差異的材性項(xiàng)目是密度、順紋抗壓和抗拉強(qiáng)度、橫紋局部抗壓（弦向、徑向）；有極顯著差異的材性項(xiàng)目是抗彎強(qiáng)度和彈性模量、橫紋全部抗壓（弦向、徑向）。表明此次試驗(yàn)的評(píng)選具有較大價(jià)值，可以通過(guò)無(wú)性系間的差異進(jìn)行篩選，能得到生長(zhǎng)好、材性?xún)?yōu)的良種。

3）木材的密度能一定程度上反映出環(huán)境信息[19]，對(duì)木材的物理性質(zhì)也有決定性影響，對(duì)林木材性育種與遺傳改良也有重要的指導(dǎo)意義[9]，速生無(wú)性系木材的基本密度、氣干密度分別為0.409 g·cm-3和0.332 g·cm-3，根據(jù)我國(guó)木材氣干密度［16］的分級(jí)情況可知，氣干密度屬于國(guó)產(chǎn)木材的輕量水平，較易發(fā)生干裂，其尺寸穩(wěn)定性一般。

4）杉木速生無(wú)性系木材的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度分別為70.724 MPa、9.119 GPa、46.71 MPa、104.74 MPa；其木材的弦向和徑向的橫紋全部抗壓強(qiáng)度和局部抗壓強(qiáng)度分別為2.06、1.91、3.47、3.32 MPa，且弦向抗壓能力明顯大于徑面的抗壓能力[9，20]。根據(jù)《木材材性分級(jí)規(guī)定》可知，其綜合強(qiáng)度在強(qiáng)度和硬度方面均屬一般水平或中等水平。

5）從木材材性測(cè)試結(jié)果中可以看出：杉木速生無(wú)性系各種木材材性與木材密度緊密相關(guān)，如木材密度處于前3 位的無(wú)性系7922、79172 和79173 中，其中79172 和7922 的各種木材材性數(shù)值均處在前3 位，選擇時(shí)可以重點(diǎn)加以考慮。

3.2 討 論

本研究?jī)H為30年生的無(wú)性系材性測(cè)定結(jié)果，沒(méi)有進(jìn)行多年份、多批次的測(cè)定，僅依據(jù)單一年份測(cè)定材料的分析結(jié)果存在一定的局限性。為了更加科學(xué)地研究與評(píng)價(jià)杉木速生無(wú)性系物理力學(xué)性質(zhì)的遺傳變異及改良效果，將會(huì)盡快開(kāi)展多年份、多批次的測(cè)定，同時(shí)繼續(xù)跟蹤這些試驗(yàn)林的測(cè)定分析，采用更加全面的試驗(yàn)手段來(lái)驗(yàn)證這些結(jié)論。