日本落葉松人工林不同生長勢(shì)林木的木材物理力學(xué)性質(zhì)1)

王斯棟 褚江依 陳東升 江京輝

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京，100091)(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所)

日本落葉松(Larixkaempferi(Lamb.) Car)原產(chǎn)日本中部，我國于1884年開始引種栽培，主要分布于我國遼寧、甘肅、湖北等地，也是我國北緯45°以南亞高山區(qū)主要造林樹種之一[1]。日本落葉松具有抗病性強(qiáng)、成活率高、成熟期短(20～30 a)、干形直、力學(xué)性能優(yōu)良[2-3]等特點(diǎn)，可用作建筑材料與工業(yè)用材原料，在我國林業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。

國外學(xué)者研究了晚材率、微觀構(gòu)造和遺傳效應(yīng)等因素對(duì)日本落葉松物理力學(xué)性質(zhì)的影響[4-6]；國內(nèi)學(xué)者研究了樹齡、生長期對(duì)日本落葉松的物理力學(xué)性質(zhì)的影響[7-8]。不同生長勢(shì)林木(優(yōu)勢(shì)木、平均木和劣勢(shì)木)對(duì)水分、光照、營養(yǎng)汲取情況不同，會(huì)對(duì)木材的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生潛在影響。吳義強(qiáng)等[9]對(duì)日本落葉松優(yōu)勢(shì)木和平均木的物理力學(xué)性質(zhì)比較發(fā)現(xiàn)，平均木的密度和力學(xué)指標(biāo)大于優(yōu)勢(shì)木；Jelonek et al.[10]等測(cè)定了不同長勢(shì)歐洲落葉松的物理力學(xué)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)長勢(shì)對(duì)木材的力學(xué)性能沒有顯著影響，與木材的密度關(guān)聯(lián)顯著，且優(yōu)勢(shì)木的密度大于劣勢(shì)木。刑新婷等[11]與郝華濤等[12]分別測(cè)定了日本巖手縣與遼寧溫道林場日本落葉松木材的力學(xué)性能，結(jié)果表明巖手縣日本落葉松木材的抗彎強(qiáng)重比高于溫道林場，順紋抗拉強(qiáng)重比則較低；Takada et al.[13]測(cè)定了不同樣地日本落葉松的楊氏模量，并發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在顯著差異。Tumenjargal et al.[14]評(píng)估了西伯利亞落葉松材性隨產(chǎn)地的變異情況，結(jié)果表明不同產(chǎn)地的木材物理力學(xué)特性存在顯著性差異。有關(guān)研究表明，木材解剖指標(biāo)與化學(xué)組分的徑向變異[15-17]，以及胸徑與木材材性顯著關(guān)聯(lián)，成熟材的材性優(yōu)于幼齡材[18-20]，成熟材材性隨胸徑的變化規(guī)律則隨樹種而異[21-22]，而日本落葉松材性隨胸徑的變化規(guī)律未見報(bào)道。由于生長勢(shì)對(duì)落葉松物理和力學(xué)性質(zhì)的影響尚存爭議，且產(chǎn)地和胸徑對(duì)日本落葉松材性的影響有待進(jìn)一步探究，因此，本研究根據(jù)不同生長勢(shì)、產(chǎn)地和胸徑的日本落葉松樣木，分析日本落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)的變異規(guī)律，旨在為日本落葉松木材的合理利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)及樣木選擇

試材于2020年1月采自甘肅省天水市龍門與沙壩實(shí)驗(yàn)中心的16～41年生日本落葉松林分，兩個(gè)試材采集點(diǎn)地形數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)地概況(見表1)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查數(shù)據(jù)選取劣勢(shì)木、平均木、優(yōu)勢(shì)木進(jìn)行采伐，記錄采伐樣木的胸徑、樹高等指標(biāo)(見表2)。將試材鋸解為1 m長的原木，原木兩端用石蠟封端，運(yùn)至中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所試驗(yàn)室。

表1 日本落葉松標(biāo)準(zhǔn)地概況

表2 采伐木基本概況

1.2 材性指標(biāo)及測(cè)定方法

按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1929—2009)[23]對(duì)試材進(jìn)行鋸解，并加工為相應(yīng)規(guī)格試樣。試樣規(guī)格和試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)[24-29](見表3)。

表3 試樣規(guī)格和參照標(biāo)準(zhǔn)

使用螺旋測(cè)微器(精度0.001 mm)與電子天平(精度0.001 g)分別對(duì)處于氣干、飽水、絕干狀態(tài)的木材密度試件與干縮性試件的徑向、弦向尺寸和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定；干縮性是衡量木材材性優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，參照表國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算氣干密度、基本密度、絕干密度、干縮比(弦向干縮率與徑向干縮率之比)、氣干干縮率、全干干縮率。

使用游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測(cè)量抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性試件的截面尺寸，使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)ALL-50KNB、精度1.0%)測(cè)定并記錄抗彎強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度試件的破壞載荷和抗彎彈性模量試件的載荷與應(yīng)變曲線，使用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(精度1.0%)測(cè)定沖擊韌性試件的沖擊韌性，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再用Origin軟件進(jìn)行方差分析以及Fisher LSD多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同長勢(shì)對(duì)日本落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)的影響

由表4可知，不同長勢(shì)的日本落葉松的基本密度、全干密度、氣干密度差異不顯著，這與吳義強(qiáng)等[9]對(duì)日本落葉松優(yōu)勢(shì)木與劣勢(shì)木材性的研究結(jié)論不同。劣、平、優(yōu)勢(shì)日本落葉松間的徑向氣干干縮率無顯著性差異；不同長勢(shì)試材的弦向與體積氣干干縮率均達(dá)到0.001水平差異顯著性，表現(xiàn)出劣勢(shì)木、平均木、優(yōu)勢(shì)木遞增的趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)木的弦向氣干干縮率與體積氣干干縮率分別比劣勢(shì)木高14.39%與9.03%；長勢(shì)對(duì)氣干干縮比有非常顯著的影響，劣勢(shì)木與平均木的氣干干縮比差異較小且相近，平均木為2.03，比優(yōu)勢(shì)木小11.25%。不同生長勢(shì)日本落葉松間的徑向全干干縮率達(dá)到0.05水平差異顯著性，弦向全干干縮率和體積全干干縮率以及全干干縮比則達(dá)到0.001水平差異顯著性。徑向、弦向和體積全干干縮率以及全干干縮比均隨長勢(shì)呈遞增規(guī)律，優(yōu)勢(shì)木比劣勢(shì)木分別高7.65%、16.35%、13.26%與8.18%。干縮差異率是衡量木材變形程度的指標(biāo)，一般來說木材尺寸穩(wěn)定性與其呈反比[30]。在纖維含水率飽和點(diǎn)以下，優(yōu)勢(shì)木形變大于平均木和劣勢(shì)木。因此，優(yōu)勢(shì)木在干燥時(shí)應(yīng)選用較軟的工藝基準(zhǔn)，其木制品在加工過程中應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行防水防潮處理。

表4 不同長勢(shì)日本落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)值

由表5可知，日本落葉松抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性與抗拉強(qiáng)度平均值分別為12.09、85.48 MPa、50.97 kJ/m2和106.41 MPa，各指標(biāo)均不具有顯著性差異。這與Jelonek et al.[10]對(duì)不同長勢(shì)的歐洲落葉松的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定結(jié)論一致，即長勢(shì)對(duì)木材的力學(xué)性能沒有顯著影響，但與木材的物理性質(zhì)有顯著關(guān)聯(lián)；有研究認(rèn)為日本落葉松平均木的力學(xué)性能優(yōu)于優(yōu)勢(shì)木[9]，本試驗(yàn)未得出力學(xué)指標(biāo)間存在顯著性差異，原因是試材的樹齡為16～41 a，日本落葉松的力學(xué)性質(zhì)與樹齡正相關(guān)[7]，這對(duì)不同生長勢(shì)林木的力學(xué)性可能產(chǎn)生了一定影響。

表5 不同長勢(shì)試材的木材力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)值

2.2 產(chǎn)地對(duì)日本落葉松物理力學(xué)性質(zhì)的影響

由表6可知，不同產(chǎn)地間日本落葉松密度存在顯著差異(P<0.05)，龍門的日本落葉松基本密度、全干密度與氣干密度分別較沙壩的高2.50%、3.10%、2.54%。龍門與沙壩日本落葉松的徑向、弦向和體積氣干干縮率達(dá)到0.001水平差異顯著性，日本落葉松的徑向、弦向和體積氣干干縮率沙壩比龍門分別高8.90%、11.20%、9.37%。徑向、弦向和體積全干干縮率差異則不顯著，全干干縮比達(dá)到0.01水平顯著性差異，全干干縮比沙壩比龍門高5%。因此，龍門日本落葉松試材的物理性質(zhì)優(yōu)于沙壩。

表6 不同產(chǎn)地試材的木材物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)值

由表7可知，沙壩的日本落葉松的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和順紋抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)高于龍門的，但差異均不顯著，原因是試驗(yàn)地均位于甘肅省境內(nèi)，所處氣候相近。孫曉梅等[2]測(cè)定了遼寧省清源縣的日本落葉松力學(xué)性能，彈性模量和沖擊韌性強(qiáng)度分別為12.42 MPa、51.95 kJ/m2，與龍門的相近；抗彎強(qiáng)度為102.11 MPa，比龍門的高16.87%；順紋抗拉強(qiáng)度為97.92 MPa，比龍門的小9.12%。

表7 不同產(chǎn)地試材木材力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)值

由表8可知，沙壩與龍門的日本落葉松抗彎強(qiáng)重比存在顯著性差異(P<0.05)，沖擊韌性與順紋抗拉強(qiáng)重比則不存在顯著性差異。沙壩的日本落葉抗彎強(qiáng)重比較龍門高12.04%，這是因?yàn)樯硥螛?biāo)準(zhǔn)地年平均降水量小，且坡位為中，土層厚度薄，較龍門(下坡位、較厚土層)水分少，這對(duì)樹木的生長有一定抑制作用。

表8 不同產(chǎn)地日本落葉松試材的強(qiáng)重比

刑新婷等[11]測(cè)定日本巖手縣的日本落葉松的抗彎強(qiáng)重比為142.7，順紋抗拉強(qiáng)重比為160.5；郝華濤等[12]測(cè)定了遼寧省溫道林場日本落葉松的抗彎強(qiáng)重比為137.3，順紋抗拉強(qiáng)重比為209.1?？梢姡拭C省沙壩鎮(zhèn)的日本落葉松強(qiáng)重比指標(biāo)較高，具有更優(yōu)良的力學(xué)特性。

由表9可知，日本落葉松基本密度、全干密度、氣干密度的產(chǎn)地-長勢(shì)交互作用達(dá)到0.001水平(極顯著)，均呈現(xiàn)龍門劣、平、優(yōu)勢(shì)木遞增，沙壩遞減的規(guī)律，原因與兩地?zé)o霜期和土壤厚度有關(guān)，龍門的土壤厚度較大且無霜期較短，較高大優(yōu)勢(shì)木可以充分吸收養(yǎng)分與光照，所以密度較平、劣勢(shì)木高；沙壩的無霜期較長，雖然林木一年中的生長期較長，但由于土層較薄，供給的營養(yǎng)物質(zhì)較少，樹木較矮小。徑向氣干干縮率和氣干干縮比的產(chǎn)地-長勢(shì)交互作用達(dá)到0.01水平顯著；龍門的劣勢(shì)木與平均木的徑向氣干干縮率相近，優(yōu)勢(shì)木的最大，沙壩的則是平均木與優(yōu)勢(shì)木的徑向氣干干縮率相近，劣勢(shì)木的最小。龍門和沙壩的氣干干縮比呈現(xiàn)劣勢(shì)木與平均木相近，優(yōu)勢(shì)木最大的規(guī)律。產(chǎn)地-長勢(shì)對(duì)抗彎強(qiáng)重比交互作用達(dá)到0.05水平顯著，龍門的劣勢(shì)木抗彎強(qiáng)重比最小，平均木最大，沙壩的則是平均木最小，優(yōu)勢(shì)木最大。

表9 產(chǎn)地-長勢(shì)對(duì)日本落葉松物理力學(xué)性質(zhì)的交互作用

注：表中R表示徑向干縮率，T表示弦向干縮率，T/R表示干縮比，V表示體積干縮率；*表示0.05水平顯著，** 表示0.01水平顯著，*** 表示0.001水平顯著。

2.3 胸徑對(duì)日本落葉松物理力學(xué)性質(zhì)的影響

由表10可知，將試材按照胸徑(D)從小到大排列，順序分配7根試材為一組，依次為：組1(7 cm≤D<11 cm)、組2(11 cm≤D<15 cm)、組3(15 cm≤D<22 cm)、組4(22 cm≤D<28 cm)、組5(28 cm≤D<33 cm)。不同胸徑間日本落葉松的物理性質(zhì)存在顯著性差異，基本密度、全干密度和氣干密度隨胸徑總體呈增大趨勢(shì)。弦向與體積干縮率和干縮比隨胸徑的增大而增大，徑向干縮率則先減小后增大。日本落葉松生長初期生長輪增長率高，導(dǎo)致密度較低[31]。

表10 林木不同胸徑試材的木材物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)值

由表11可知，不同胸徑日本落葉松間抗彎彈性模量達(dá)到0.05水平差異顯著性，抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性以及順紋抗拉強(qiáng)度差異不顯著?？箯潖椥阅Ａ侩S胸徑先增大后減小，與張曉文[15]對(duì)不同樹齡油松力學(xué)性質(zhì)研究所得結(jié)論一致。經(jīng)多重比較分析，組1日本落葉松彈性模量、抗彎強(qiáng)度與其余4組差異顯著，其主要原因是組1多為幼齡材，幼齡材指標(biāo)總體上小于成熟材[18]。組4(胸徑22～28 cm)日本落葉松所處生長發(fā)育階段材性較優(yōu)，處于較好的采伐階段，胸徑小于22 cm則幼齡材比例較高，胸徑大于28 cm則力學(xué)強(qiáng)度下降，氣干干縮比增大，材性降低。

表11 林木不同胸徑試材的木材力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)值

3 結(jié)論

日本落葉松劣勢(shì)木、平均木與優(yōu)勢(shì)木間的力學(xué)性質(zhì)和密度無顯著性差異，弦向和徑向干縮率以及干縮比均表現(xiàn)劣勢(shì)木、平勢(shì)木、優(yōu)勢(shì)木遞增的規(guī)律。說明劣勢(shì)木、平勢(shì)木、優(yōu)勢(shì)木在加工利用方面的差異集中體現(xiàn)在干縮性上，在干燥優(yōu)勢(shì)木木材時(shí)可以選擇較軟的干燥基準(zhǔn)，以達(dá)到提高干燥質(zhì)量的目的。

不同產(chǎn)地間日本落葉松的物理力學(xué)性質(zhì)均表現(xiàn)出一定差異。龍門的日本落葉松密度較沙壩的大，氣干干縮率、全干干縮比、抗彎強(qiáng)重比較沙壩的小，氣干干縮比、全干干縮率、抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、順紋抗拉強(qiáng)度則無顯著差異。龍門的日本落葉松物理性質(zhì)較優(yōu)，沙壩的力學(xué)性質(zhì)較優(yōu)。

不同胸徑日本落葉松物理性質(zhì)存在顯著性差異，密度隨胸徑先增大后減小，弦向和體積干縮率，以及干縮比與胸徑正相關(guān)，徑向干縮率則隨胸徑的增大，先減小后增大。不同胸徑間抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性與順紋抗拉強(qiáng)度均差異不顯著性，彈性模量隨胸徑的增大，先增大后減小。綜合而言，日本落葉松胸徑22～28 cm時(shí)，材性較優(yōu)，處于適伐階段。

產(chǎn)地-長勢(shì)對(duì)日本落葉松密度、徑向氣干干縮率、氣干干縮比、抗彎強(qiáng)重比等物理力學(xué)性質(zhì)具有顯著的交互作用；沙壩優(yōu)勢(shì)木力學(xué)指標(biāo)值最大，龍門劣勢(shì)木干縮性最優(yōu)。