不同種源杉木木材特性的比較研究

顏 耀，李秉鈞，何宗明，劉雨暉，李 明，俞新妥，馬祥慶*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省杉木種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心，福建 福州 350002；3.國家林業(yè)和草原局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；4.福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場，福建 三明 365002)

杉木[Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.]廣泛分布于我國南方17 個省區(qū)，具有生長快、材質(zhì)優(yōu)、產(chǎn)量高等特點，是我國人工林面積最大的造林樹種，在林業(yè)生產(chǎn)中占重要地位[1]。不同種源杉木在長期適應(yīng)不同氣候環(huán)境條件的過程中形成了對環(huán)境的不同要求，產(chǎn)生了不同的杉木地理類型[2-4]。為比較不同種源杉木生長和材性差異，俞新妥1958 年在國內(nèi)率先開展了杉木種源試驗，從南方各省收集了9 個不同種源杉木種子，營造了不同種源的杉木林，取得了一些研究成果[5-7]。并在1979年對23 年生不同種源杉木的生長和材性進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不同種源杉木木材材性存在顯著差異[7]，但由于當(dāng)時測定時杉木的年齡僅23 年，未能揭示種源對杉木材性的長期影響規(guī)律。

長期以來不同學(xué)者對杉木材性進行了大量研究，取得了一定研究成果[8-10]。施季森等[11]發(fā)現(xiàn)杉木生長與材性性狀在遺傳上可能相互獨立。孫成志等[12]對12 個杉木種源的研究發(fā)現(xiàn)南亞和北亞熱帶種源材性優(yōu)于中亞熱帶種源。王傳貴等[13]對較小林齡的33 種杉木種源測定發(fā)現(xiàn)不同種源杉木材性存在差異，同一種源不同生長點間的材性也存在差異，且不同種源杉木木材的主要物理性質(zhì)隨生長地緯度的增加呈漸增趨勢。高建亮等[14]發(fā)現(xiàn)30 年生杉木萌生林材性優(yōu)于實生林。韋如萍等[15]發(fā)現(xiàn)廣東樂昌種源杉木木材基本密度隨年齡增大而增加，而管胞長寬比在不同年齡間無顯著差異。李魁鵬等[2]發(fā)現(xiàn)20 年生廣西融水紅心杉木單株材積與基本密度的相關(guān)性不顯著?？梢姡壳坝嘘P(guān)不同種源杉木材性方面的研究相對較少，以單一種源、無性系和年齡較小的木材材性研究居多[16-18]，未能揭示種源對杉木材性的長期影響。

有鑒于此，本研究以1958 年營造的61 年生全國第一片杉木種源試驗林為研究對象，通過對不同種源杉木林分調(diào)查，選擇標準木取樣測定不同種源杉木木材密度、管胞形態(tài)、干縮性、濕脹性、抗彎強度、硬度、順紋抗壓強度、抗彎彈性模量、沖擊韌性、順紋抗剪強度等指標，比較不同種源杉木木材材性差異，采用聚類分析和主成分分析方法對不同種源杉木木材特性進行綜合評價，為揭示地理種源對杉木材性的長期影響規(guī)律和篩選材性優(yōu)良種源提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地位于福建省三明市莘口教學(xué)林場渡頭坪（117°30′ E、26°11′ N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，土壤為山地紅壤，年平均氣溫19.5℃，年平均降水量1 700 mm，海拔250～300 m，坡度20～25°。1956年從南方各省收集不同種源的杉木種子，1957 年春在福州魁岐苗圃育苗，1957 年10 月對造林地劈雜煉山，按株行距1 m×1.3 m 進行塊狀整地(40 cm×40 cm×30 cm)，1958 年春造林。采用隨機區(qū)組設(shè)計，每個種源面積225～530 m2不等。幼林每年撫育1～2 次，1973 年進行一次撫育間伐，1979 年冬部分林分被盜砍，1980 年在相應(yīng)部位補植同一種源苗木。試驗林分基本情況見表1，杉木產(chǎn)區(qū)劃分參考《杉木栽培學(xué)》[19]。林下植被主要有烏毛蕨(Blechnum orientaleL.)、地 菍 (Melastoma dodecandrumLour.)、芒萁(Dicranopteris dichotoma(Thunb.) Berhn.)等。

表1 不同種源杉木試驗林概況Table 1 Conditions of Chinese fir provenance test plantation

2 研究方法

2.1 外業(yè)調(diào)查方法

2018 年1 月，對不同種源杉木林進行每木檢尺，調(diào)查胸徑、樹高和冠幅，每個種源選擇3 株標準木，整株伐倒。截取樹高3.6～5.6 m 處木段，在當(dāng)?shù)啬静募庸S每個木段沿長度方向取端面25 mm×25 mm 方條（無樹皮）5～15 根，取端面55 mm×55 mm 方條（無樹皮）3～5 根。將加工好的方條捆好，做好標記，運回實驗室測定。

2.2 材性測定方法

外業(yè)取回的杉木木材樣品自然風(fēng)干后，送福建省林業(yè)科學(xué)研究院進行木材材性測定。根據(jù)國家標準GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1932—2009《木材干縮性測定方法》、GB/T 1934.1—2009《木材濕脹性測定方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強度試驗方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度試驗方法》、GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測定方法》、GB/T 1940—2009《木材沖擊韌性試驗方法》、GB 1937—91《木材順紋抗剪強度試驗方法》進行木材密度、干縮性、濕脹性、抗彎強度、硬度、順紋抗壓強度、抗彎彈性模量、沖擊韌性、順紋抗剪強度的測定。木材管胞形態(tài)測定采用硝酸-氯酸鉀法[20]離析，用1%番紅染色液染色，管胞寬度通過生物顯微鏡和目鏡測微尺測量，管胞長度采用23J 臺式投影儀和木制滾輪尺測量。根據(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級表》[21]對木材主要物理力學(xué)性質(zhì)進行分級。

2.3 材性綜合評價方法

對試驗測定的數(shù)據(jù)進行標準化處理后，根據(jù)各因子間相關(guān)性，對因子進行降維，得到主成分因子（F1、F2、F3、F4···），以及對應(yīng)的相對貢獻率（δ1、δ2、δ3、δ4···），根據(jù)因子得分和綜合得分公式[22]分別計算各因子得分（Fp）和綜合得分（Y）：

式中，μp1、μp2、μp3···μpm表示第p個主成分因子的m個標準化的原始變量，X1、X2、X3···Xm表示第P個主成分因子的m個標準化的原始變量對應(yīng)的成份得分系數(shù)。

根據(jù)上述綜合評價方法，對不同種源杉木的木材氣干密度、全干密度、管胞長度、管胞寬度、管胞長寬比、體積干縮系數(shù)、氣干體積干縮率、氣干體積濕脹率、吸水體積濕脹率、差異干縮、抗彎彈性模量、沖擊韌性、抗彎強度、順紋抗剪強度、順紋抗壓強度、端面硬度、弦面硬度、徑面硬度等18 項指標進行綜合評價，依據(jù)綜合評價得分對不同種源杉木的木材材性進行排序。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用Excel 2007 進行數(shù)據(jù)整理，應(yīng)用SPSS 19.0 軟件進行單因素方差分析、Duncan 顯著性分析、系統(tǒng)聚類分析、主成分分析及綜合得分計算。應(yīng)用Origin 2018 進行圖形繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種源杉木木材密度及管胞形態(tài)的比較

由表2 得，不同種源杉木的木材氣干密度均屬2 級，但不同種源杉木木材密度和管胞形態(tài)存在顯著差異。其中，安徽休寧種源的全干密度和氣干密度顯著高于其他種源，浙江金華與貴州劍河種源的全干密度和氣干密度顯著低于其他種源。廣東郁南種源的管胞長度顯著大于其他種源，貴州劍河種源的管胞長度顯著低于其他種源。浙江金華種源的管胞寬度最小，貴州劍河種源的管胞寬度最大。廣東郁南種源的管胞長寬比顯著高于貴州劍河、安徽休寧和湖南會同種源。與該試驗林23 年生時的研究結(jié)果[7]相比，隨林齡增加，安徽休寧種源木材密度超過福建南平種源，貴州劍河種源管胞長度仍最小，廣東郁南和湖北竹溪種源管胞長度超過福建南平和湖南會同種源。

表2 不同種源杉木木材密度及管胞形態(tài)的比較Table 2 Comparison of wood density and tracheid morphology of Chinese fir from different provenances

3.2 不同種源杉木木材干縮性及濕脹性的比較

表3 表明，9 種不同種源杉木木材干縮性及濕脹性存在顯著差異，北帶種源木材干縮性及濕脹性略大于中帶和南帶種源。其中，貴州劍河種源木材體積干縮系數(shù)、氣干體積濕脹率和吸水體積濕脹率顯著小于其他種源。說明貴州劍河種源杉木保持尺寸穩(wěn)定的能力較強。廣東郁南種源杉木氣干體積干縮率最小。不同種源杉木氣干體積濕脹率大小排序為：安徽休寧 >福建南平 >湖北竹溪 >廣東郁南 >浙江金華 >四川彭縣 >四川廬山 >湖南會同 >貴州劍河。安徽休寧種源杉木吸水體積濕脹率顯著高于其他種源，不同種源杉木吸水體積濕脹率大小排序為：安徽休寧 >湖北竹溪 >浙江金華 >四川彭縣 >福建南平 >四川廬山 >廣東郁南 >湖南會同 >貴州劍河。安徽休寧種源杉木差異干縮顯著低于貴州劍河、四川彭縣、湖北竹溪、湖南會同、福建南平種源，說明安徽休寧種源杉木在干燥過程中相對不易發(fā)生開裂和變形。

表3 不同種源杉木干縮性及濕脹性的比較Table 3 Comparison of shrinkage and swelling of Chinese fir from different provenances

3.3 不同種源杉木木材力學(xué)性質(zhì)的比較

由圖1 得到，9 種不同種源杉木的力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異，四川廬山和福建南平種源木材力學(xué)性質(zhì)總體較好，而23 年生時福建南平和廣東郁南種源木材力學(xué)性質(zhì)較好[7]，說明隨著林齡增加，福建南平種源杉木材性仍較好，四川廬山種源杉木材性好于廣東郁南種源。福建南平種源杉木抗彎彈性模量最大，屬2 級。貴州劍河種源杉木抗彎彈性模量最小，屬1 級。安徽休寧種源杉木沖擊韌性最高，屬2 級。湖南會同種源杉木沖擊韌性最低，屬2 級。福建南平種源杉木抗彎強度顯著高于其他種源，屬2 級。安徽休寧與四川廬山種源杉木順紋抗剪強度較高，屬2 級。湖北竹溪和浙江金華種源杉木順紋抗剪強度較低，屬1 級。福建南平和廣東郁南種源杉木順紋抗壓強度較高，屬3 級。四川彭縣、浙江金華和貴州劍河種源杉木順紋抗壓強度較低，屬2 級。四川廬山、安徽休寧和福建南平種源杉木端面硬度顯著高于其他種源，屬2 級。四川廬山種源杉木弦面硬度顯著高于其他種源，屬2 級。浙江金華種源杉木弦面硬度最小，屬2 級。四川廬山和福建南平種源杉木徑面硬度較高，浙江金華種源杉木徑面硬度最小?？傮w上表現(xiàn)為端面硬度 >徑面硬度 >弦面硬度。

圖1 不同種源杉木木材力學(xué)性質(zhì)的比較Fig.1 Comparison of wood mechanical properties of Chinese fir from different provenances

3.4 不同種源杉木木材材性指標的相關(guān)性分析

由表4 得，不同種源杉木材性指標之間存在相關(guān)性。全干密度與順紋抗壓強度、弦面硬度及徑面硬度存在顯著正相關(guān)，與端面硬度存在極顯著正相關(guān)。體積干縮系數(shù)與沖擊韌性存在顯著正相關(guān)，與吸水體積濕脹率存在極顯著正相關(guān)，與差異干縮存在顯著負相關(guān)。吸水體積濕脹率與沖擊韌性存在顯著正相關(guān)?？箯潖椥阅Ａ颗c管胞長寬比存在顯著正相關(guān)。沖擊韌性與差異干縮存在顯著負相關(guān)。順紋抗剪強度與端面硬度、弦面硬度及徑面硬度存在顯著正相關(guān)。順紋抗壓強度與端面硬度、弦面硬度及徑面硬度存在顯著正相關(guān)。端面硬度與弦面硬度及徑面硬度存在極顯著正相關(guān)。弦面硬度與徑面硬度存在極顯著正相關(guān)。

表4 不同種源杉木木材材性指標的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of wood property indexes of Chinese fir from different provenances

3.5 不同種源杉木木材材性的綜合評價

根據(jù)測定的18 項材性指標，對9 種不同種源杉木進行聚類分析。聚類結(jié)果（圖2）把9 種種源杉木劃分為3 類，福建南平、廣東郁南、四川廬山和安徽休寧種源歸為一類，四川彭縣、浙江金華、湖北竹溪和湖南會同種源歸為一類。貴州劍河種源歸為一類。

圖2 不同種源杉木木材材性的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of wood properties of Chinese fir from different provenances

應(yīng)用主成分分析方法對全干密度、氣干密度、管胞長度、管胞寬度、體積干縮系數(shù)、氣干體積干縮率、氣干體積濕脹率、吸水體積濕脹率、抗彎彈性模量、抗彎強度、沖擊韌性、順紋抗剪強度、順紋抗壓強度、端面硬度、弦面硬度、徑面硬度、差異干縮、管胞長寬比18 項指標進行降維。由于前4 個因子累計貢獻率達89.828%，故提取前4 個因子F1、F2、F3、F4作為主因子來表征全部18 項指標，由此進行不同種源杉木材性的綜合評價分析。通過綜合得分評價公式：Y=0.471 2F1+0.252 6F2+0.164F3+0.112 2F4，分別計算4 個主因子得分、綜合評價得分及排名（表5）。

表5 不同種源杉木木材材性主因子及綜合評價Table 5 Principal component analysis and comprehensive evaluation of wood properties of Chinese fir from different provenances

根據(jù)綜合評價得分，9 種不同種源杉木木材的材性優(yōu)劣排序為：安徽休寧 >四川廬山 >福建南平 >廣東郁南 >四川彭縣 >浙江金華 >湖北竹溪 >湖南會同 >貴州劍河。安徽休寧和四川廬山種源杉木材性總體較優(yōu)。

4 討論

4.1 種源對林木材性的影響

大量研究表明，種源對林木材性有顯著影響[7,23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)不同種源杉木的材性存在顯著差異，這與盛國星[3]的研究結(jié)果一致。與23 年生同一試驗林的材性研究結(jié)果[7]相比，9 種不同種源杉木材性同樣存在顯著差異，說明同一環(huán)境條件下不同種源杉木材性主要受遺傳差異影響，王傳貴等[13]還發(fā)現(xiàn)，在一定程度上地理環(huán)境因素比遺傳因素對材性的影響更為顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，不同種源杉木木材密度、管胞形態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)無明顯的地理變異規(guī)律，但木材干縮性及濕脹性表現(xiàn)出隨種源地緯度增加而增大的趨勢，這可能是由于緯度影響了當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥赖拳h(huán)境，杉木的部分性狀做出適應(yīng)性進化而形成一定的地理變異。杉木種源材性與地理位置可能存在密切關(guān)系，氣溫因子可能是其材性呈“V”形緯向變異趨勢的原因[12-13,25]。這說明杉木材性變異與地理位置并非簡單的線性相關(guān)。不同種源杉木具有不同的生長規(guī)律，部分種源在23 年時仍處于生長階段，一些北帶種源杉木的生長成熟期可能在30 年后[7]，生長性狀影響了木材材性[26-27]，這可能是61 年生時9 種種源杉木材性排序發(fā)生變化的原因。

4.2 林木材性指標的相關(guān)性及其材性評價標準

本研究表明，杉木材性評價指標之間存在復(fù)雜的相關(guān)性，木材密度與順紋抗壓強度、硬度相關(guān)性較高，但與其他力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性不明顯，木材密度顯著影響木材部分力學(xué)性質(zhì)，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論一致[28]，木材密度是林木材性評價的重要指標之一，但不能完全以此判斷材性好壞。本研究發(fā)現(xiàn)，管胞長度與順紋抗壓強度顯著相關(guān)，說明管胞形態(tài)影響木材強度。這可能是因為木材由多細胞組成，細胞越長，搭載的細胞數(shù)就越少，而細胞間的搭接力小于細胞自身強度，木材細胞長度越長，木材強度越高。杉木的干縮性和濕脹性與木材密度無顯著相關(guān)，但楊秀凎等[29]研究認為杉木木材干縮性與木材密度間存在極顯著遺傳負相關(guān)，也有學(xué)者[30]認為木材干縮性越大，木材密度越大。造成結(jié)論不一致的原因可能與木材干縮性和濕脹性受木材密度和微纖絲角度等多因素的復(fù)雜影響有關(guān)。目前關(guān)于木材材性的評價標準尚不統(tǒng)一[21,31-33]，本研究認為木材材性的評價應(yīng)由木材的用途確定。管胞長寬比大于35，木材有較好的造紙效果[34]，9 種種源杉木木材均符合造紙要求，以廣東郁南種源較好。建筑用材需要較高的力學(xué)性質(zhì)，9 種種源杉木木材力學(xué)性質(zhì)等級均較高，說明杉木是優(yōu)良的建筑用材，安徽休寧、四川廬山和福建南平種源力學(xué)性質(zhì)較好。木材差異干縮越小，木材尺寸穩(wěn)定性越強，木材制品不易開裂和翹曲[28,35]，安徽休寧種源木材是較穩(wěn)定的家具用材。

5 結(jié)論

本研究表明：不同種源杉木材性存在差異，干縮性和濕脹性有隨緯度增加而變大的趨勢，其他材性指標無明顯地理變異規(guī)律。安徽休寧種源木材密度顯著高于其他種源，管胞長寬比大小排序為廣東郁南 >浙江金華 >福建南平 >四川彭縣 >四川廬山 >湖北竹溪 >湖南會同 >安徽休寧 >貴州劍河。安徽休寧種源的差異干縮最小，貴州劍河種源體積干縮系數(shù)最小。福建南平種源木材抗彎彈性模量和抗彎強度最高，安徽休寧種源木材沖擊韌性和順紋抗剪強度最高，廣東郁南種源木材順紋抗壓強度最高，四川廬山種源木材硬度最高。

根據(jù)不同種源杉木材性的差異，將9 種種源分為3 類，福建南平、廣東郁南、四川廬山和安徽休寧種源歸為一類，四川彭縣、浙江金華、湖北竹溪和湖南會同種源歸為一類，貴州劍河種源歸為一類。

不同種源杉木材性指標間存在顯著相關(guān)性，對9 種種源杉木材性進行綜合評價排序為安徽休寧 >四川廬山 >福建南平 >廣東郁南 >四川彭縣 >浙江金華 >湖北竹溪 >湖南會同 >貴州劍河。木材密度、管胞形態(tài)、干縮性、濕脹性及物理力學(xué)性質(zhì)相對較好的種源為安徽休寧、四川廬山、福建南平和廣東郁南種源。