溫州40 年生降香木材物理力學(xué)性質(zhì)研究

李效文，唐榮強(qiáng)，王金旺，陳秋夏，方崇榮

（1.浙江省亞熱帶作物研究所，浙江 溫州 325005；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023）

降香Dalbergia odorifera為豆科Leguminosae 黃檀屬Dalbergia半落葉大喬木，又稱海南黃花梨、降香黃檀[1]，是國家二級保護(hù)野生植物。國標(biāo)《紅木》（GB/T 181 07—2017）將其木材歸為香枝木類紅木，心材呈紅褐色或深紅褐色，質(zhì)地堅(jiān)硬、花紋細(xì)密美觀、具特殊芳香氣味等，明亮度較高[2]，是高檔家具、工藝品和裝飾用材，也為傳統(tǒng)中藥與名貴香料。浙江省溫州市地處東海之濱，中亞熱帶南緣，1976 年從當(dāng)時(shí)的廣西林科所引種了一批降香。目前，這批引種的降香尚存23 株大樹，每年開花結(jié)實(shí)和自然落種繁育，為文獻(xiàn)報(bào)道降香引種成功的最北緣地區(qū)[3]。

作為珍貴紅木用材樹種，引種地心材質(zhì)量能否達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是評價(jià)其推廣應(yīng)用前景的核心要素。前人的研究結(jié)果表明，降香心材開始形成的時(shí)間為6—8 年生時(shí)，在20—40 年生時(shí)增長速度較快，且其心材徑、面積心材比率、徑心材比率與樹齡呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系[4-5]。心材的形成是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，包括薄壁組織死亡、乙烯等代謝物的產(chǎn)生、部分酶活性的變化、營養(yǎng)元素的遷移積累和侵填體的產(chǎn)生等[6]。除遺傳因素的影響外，主要受生長地區(qū)氣候、立地條件、撫育措施等影響，逆境脅迫帶來植物體內(nèi)激素水平的變化可以促進(jìn)或調(diào)控其心材的形成[7-8]。由于受試樣少、取樣成本高等限制，對降香心材特性的研究很少[9-11]，特別是對溫州引種的降香心材的物理性狀的研究更未見報(bào)道。本文對溫州引種40 年生降香心材率和木材性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的測定，驗(yàn)證其在最北緣引種地區(qū)的心材生長情況，豐富不同地區(qū)和年齡的降香木材性質(zhì)，更為降香在溫州種植和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試材采自于浙江省溫州市甌海區(qū)景山公園（28°0′8″ N，120°37′49″ E），屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年降水量為1 700～1 900 mm，年均氣溫為17.9℃，最低溫在1—2 月，城區(qū)歷史最低溫度為-3.9℃，年低溫天數(shù)少、歷時(shí)短。

降香生長地點(diǎn)的海拔為50 m，坡向?yàn)槲鞅鄙狡拢露葹?°，土壤為紅壤，土層厚，種植后粗放管理，林下有眾多落種繁殖的株苗，自成小群落。2016 年5 月，砍伐1 株株齡為40 a、株高為9.65 m、基部長短徑為26 cm×23 cm 的降香，室內(nèi)放置3 a 至氣干狀態(tài)后進(jìn)行制樣、測定。

1.2 心材率測定

樣株樹干在距離地面1.15 m 高度處分為2 枝，且枝丫彎曲，采伐時(shí)在各彎曲處切割。用鋼卷尺測定樹干斷面、心材斷面的長徑和短徑，以平均直徑計(jì)算圓面積[10]。

心材率(%)＝心材面積/橫切面總面積×100。

1.3 木材物理力學(xué)性質(zhì)測定

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 木材均具有一定的變異性，作為珍稀名貴木材的降香也不例外，尤其是心材與邊材、主干材與枝丫材的物理力學(xué)性質(zhì)不同。由于木材利用領(lǐng)域和評價(jià)范疇不同，對材性的要求也不同，從“紅木”來定位，只有密度、結(jié)構(gòu)和材色（以在大氣中變深的材色分類）符合《紅木》GB/T 18107—2017 規(guī)定的心材才屬于紅木范疇；從“紅木制品”角度，理想狀態(tài)的紅木制品不應(yīng)有邊材（背面允許不超過部件的10%）。鑒于紅木樹種資源匱乏以及提高木材利用率應(yīng)用現(xiàn)狀等考慮，降香主干的心材、邊材以及枝丫材均應(yīng)得到物盡其用，以減少資源浪費(fèi)。為此，本文研究測試了降香主干心材、主干邊材和枝丫材等不同部位的物理力學(xué)性質(zhì)并對其進(jìn)行比較，為人工林降香的加工利用提供參考依據(jù)。考慮到主干直徑較大，可以制作足夠數(shù)量的試件，將主干的心材、邊材分組測試；枝丫材直徑較小且彎曲度高，心材占比較小，受試材條件和試件尺寸要求的限制，無法鋸解成心邊材分明的試件，故枝丫材的心材、邊材未進(jìn)行分組測試。

1.3.2 試樣制備與測試方法 在降香樣株的各試樣木段，按標(biāo)準(zhǔn)裁取若干尺寸為20 mm×20 mm×300 mm 的試件，將其置于恒溫恒濕箱內(nèi)（溫度為20±2℃，相對濕度為65%±5%）進(jìn)行含水率平衡，試驗(yàn)時(shí)試樣的含水率為12.5%。最終按國家標(biāo)準(zhǔn)將試驗(yàn)結(jié)果換算至12%含水率的數(shù)值。

木材試件的氣干密度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、全部橫紋抗壓強(qiáng)度分別按《木材密度測定方法》（GB/T 19 33—2009）《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 1936.1—2009）《木材抗彎彈性模量測定方法》（GB/T 1936.2—2009）《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 1935—2009）《木材橫紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 1939—2009）進(jìn)行測定。

1.4 相關(guān)性分析

采用SPSS 17.0 中雙變量相關(guān)性程序，分析各木材力學(xué)指標(biāo)與氣干密度之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高度的心材率變化

降香樣株不同高度處的心材率的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 降香樣株不同高度處的心材率Table 1 Heartwood percentage of D.odorifera trunk at different height

由表1 可知，降香主干的心材率隨著樹高的增加而減小，在樹干基部的心材率最大，為45.36%，在樹高1.15 m 處的心材率為27.55%。

兩個(gè)枝丫的心材率和心材高度存在一定的差異。枝丫1 的心材最高在樹高約6.5 m 處，此處的心材率僅為1.1%，樹高6.5 m 以下的平均心材率為16.19%；枝丫2 的心材最高在樹高約為6 m，此處的心材率僅為0.33%，樹高6 m 以下的平均心材率為10.45%；心材率隨著枝丫高度的增加而減小，且同一枝丫部分節(jié)點(diǎn)的心材率存在較大的波動(dòng)。此外，兩個(gè)枝丫相似高度處的心材率也存在較大的差異，如枝丫2 的3.5～4.5 m 高度處的心材率為枝丫1 相同高度處的2 倍以上。

2.2 木材物理力學(xué)性質(zhì)分析

溫州40 年生降香的木材物理力學(xué)性能測試結(jié)果，見表2。

由表2 可知，試樣心材的氣干密度范圍為0.687～0.852 g·cm-3，平均值為0.792 g·cm-3；12 個(gè)心材測試件內(nèi)，取自樹干中下部的6 個(gè)測試件的氣干密度超過《紅木》GB/T 18107—2017 香枝木類的要求0.80 g·cm-3（含水率12%）。說明該樣株心材氣干密度整體接近或部分超過《紅木》GB/T 18107—2017 規(guī)定香枝木類的密度要求。

表2 降香不同部位木材物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of different parts of D.odorifera

對主干部分而言，心材的平均氣干密度（0.792 g·cm-3）大于邊材的平均氣干密度（0.736 g·cm-3），這是由于木材心材中抽提物的含量高于邊材的；同樣，樣株主干的平均氣干密度（0.764 g·cm-3）大于枝丫材的平均氣干密度（0.721 g·cm-3），也是由于2 個(gè)部位的心材提取物含量不同而有所差異。

從力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)可以看出，抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、全部橫紋抗壓強(qiáng)度（徑向）、全部橫紋抗壓強(qiáng)度（弦向）4 個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為相同趨向規(guī)律，即主干心材 >主干邊材 >枝丫材。對于抗彎強(qiáng)度，主干心材（106.47 MPa）>主干邊材（96.83 MPa），主干材（101.65 MPa）>枝丫材（99.57 MPa）；對于順紋抗壓強(qiáng)度，主干心材（64.98 MPa）>主干邊材（55.41 MPa），主干材（60.19 MPa）>枝丫材（54.49 MPa）；對于全部橫紋抗壓強(qiáng)度（徑向），主干心材（15.68 MPa）>主干邊材（12.10 MPa），主干材（13.89 MPa）>枝丫材（10.40 MPa）；對于全部橫紋抗壓強(qiáng)度（弦向），主干心材（15.02 MPa）>主干邊材（10.30 MPa），主干材（12.66 MPa）>枝丫材（9.82 MPa）。由于木材密度是與單位體積內(nèi)木材細(xì)胞壁物質(zhì)數(shù)量相關(guān)的指標(biāo)，是決定木材強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)性指標(biāo)，木材強(qiáng)度和剛性隨著木材密度的增大而增高，進(jìn)一步分析也表明本樣株的這4 個(gè)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的測定結(jié)果與氣干密度存在極顯著正相關(guān)（表3），即4 項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)均隨密度的增大而增大。此外，樣株各部位試樣（主干心材、主干邊材、枝丫材）的全部橫紋抗壓強(qiáng)度徑向均大于弦向，說明木射線對徑向橫紋抗壓強(qiáng)度的增加起了作用。

抗彎彈性模量主干邊材（10.8×103MPa）>主干心材（10.4×103MPa），主干材（10.62×103MPa）稍微大于枝丫材（10.59×103MPa）；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)抗彎彈性模量與氣干密度之間的相關(guān)性不顯著（表3），這可能與部分主干心材存在少量“松軟組織”有關(guān)。

表3 溫州降香木材的力學(xué)性質(zhì)與氣干密度相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis on mechanical properties and air-dry density of D.odorifera

2.3 不同產(chǎn)地木材性質(zhì)比較分析

比較廣西柳州25 年生、廣西南寧50 年生和浙江溫州40 年生降香的木材性質(zhì)（表4），發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地和樹齡樣株的心材率、密度和力學(xué)性質(zhì)存在較大的差異。溫州40 年生降香樣株根徑處的心材率最大，且其平均心材率為南寧50 年生樣株的約2 倍，但又遠(yuǎn)低于柳州25 年生樣株的；溫州40 年生樣株主干心材的氣干密度為0.792 g·cm-3，扣除12%的含水率后的基本密度為0.697 g·cm-3，介于柳州25 年生樣株的心材基本密度0.729 g·cm-3與南寧50 年生樣株的0.617 g·cm-3之間；除抗彎強(qiáng)度較弱外，溫州40 年生樣株木材的其他力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均強(qiáng)于南寧50 年生樣株的（表4）。相較于降香主要分布和引種區(qū)域，溫州和柳州等引種的北緣地區(qū)，年均降水量少和溫度低，存在冬季低溫脅迫，降香的生長速率會(huì)低，但心材率和木材物理力學(xué)性質(zhì)反而更好。

表4 不同產(chǎn)地和樹齡降香的木材特性比較Table 4 Comparison of D.odorifera wood properties from different producing area and different ages

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

隨著降香樹高的增加，溫州40 年生樣株的心材率逐漸減小，這與前人的研究具有共同規(guī)律[9-10]。樹干基部的心材率最大，為45.36%，自下而上心材率逐漸減少，至樹高6.5 m 處消失，樹高6.5 m 以下的平均心材率為16.19%。此外，兩個(gè)枝丫的心材率、心材消失的樹干高度和相近高度處的心材率存在一定的差異，且部分節(jié)點(diǎn)處的心材率存在較大的波動(dòng)。

溫州40 年生降香樣株主干心材的氣干密度范圍在0.687～0.852 g·cm-3，平均值為0.792 g·cm-3；取自中下部的6 個(gè)測試件的氣干密度超過《紅木》GB/T 18107—2017 規(guī)定香枝木類的要求0.80 g·cm-3（含水率12%）。溫州40 年生樣株主干材的氣干密度（0.764 g·cm-3）屬Ⅳ級(0.751～0.950 g·cm-3)，抗彎強(qiáng)度（101.6 MPa）屬Ⅲ級（88.1～118.0 MPa），抗彎彈性模量（10.6×103MPa）屬Ⅲ級（10.4×103～13.2×103MPa），順紋抗壓強(qiáng)度（60.2 MPa）屬Ⅳ級（59.1～73.0 MPa）[12]，全部橫紋抗壓強(qiáng)度（徑向）（12.7 MPa）、全部橫紋抗壓強(qiáng)度（弦向）（11.7 MPa）屬中等。

溫州40 年生降香樣株木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量指標(biāo)，心材大于邊材；主干材大于枝丫材。但主干邊材的抗彎強(qiáng)度略低于枝丫邊材的，其原因是枝丫邊材取樣包括少許心材。

溫州40 年生降香的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度（徑向、弦向）3 個(gè)指標(biāo)均呈現(xiàn)主干心材大于其邊材、且大于枝丫材的趨勢，均隨密度的增大而增大。主干材與枝丫材的抗彎彈性模量受密度影響較為明顯，主干心材和邊材的抗彎彈性模量受密度影響的規(guī)律不明顯。

降香在溫州引種成功，材質(zhì)優(yōu)良，大多指標(biāo)并不弱于廣西等地的降香木材。說明在引種分布的北緣地區(qū)，降香的生長受到氣候脅迫，更有利于心材的累積。

3.2 討論

降香心材物質(zhì)的形成和累積是個(gè)復(fù)雜的過程，需加強(qiáng)心材物質(zhì)形成和運(yùn)輸、枝結(jié)和彎曲對心材影響等分析研究。不同生長立地環(huán)境、地理種源差異，甚至單株差異都能一定程度上影響其心材和木材性質(zhì)。

在溫州培植降香用材林完全能夠?qū)崿F(xiàn)，可在生境良好區(qū)域進(jìn)行適度的推廣種植。