間伐對(duì)油松木材密度與力學(xué)性能的影響

程利娟 王夢(mèng)蕾 孫照斌

（1.隆化國(guó)有林場(chǎng)管理處十八里汰林場(chǎng)，河北 隆化 068150；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000）

隨著世界性天然林資源的枯竭和國(guó)家天然林保護(hù)工程的實(shí)施，木材資源正經(jīng)歷著從主要來(lái)自天然林到人工林的巨大轉(zhuǎn)變[1]，人工林木材的大量利用已成為解決木材供需矛盾的重要途徑[3]。油松（Pinus tabuliformis）是河北省北部山區(qū)主要造林樹(shù)種，具有生長(zhǎng)快，材質(zhì)好，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，張曉文[4]等對(duì)不同樹(shù)齡油松材性研究發(fā)現(xiàn)：油松材性處于中等或較高級(jí)別,可滿足建筑用材的需要。

撫育間伐[7]是指在人工林的幼齡林至成熟林期間，每隔一段時(shí)間伐除林區(qū)內(nèi)的部分林木，提供更適宜的人工林生長(zhǎng)環(huán)境，使其有助于剩余林木的生長(zhǎng)和發(fā)育，從而實(shí)現(xiàn)人工定向培育的目標(biāo)，滿足日后使用需要。撫育間伐是一項(xiàng)重要的森林經(jīng)營(yíng)管理措施，能夠調(diào)整林分密度和林分結(jié)構(gòu)[8]，減少林木間的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)還會(huì)改變林內(nèi)環(huán)境，影響群落結(jié)構(gòu)及生物多樣性[9]等。目前大部分學(xué)者對(duì)油松的研究多集中在撫育間伐樹(shù)木生長(zhǎng)[10]、碳儲(chǔ)量[11]、土壤性質(zhì)[12]等方面，對(duì)間伐后油松木材材性的研究較少。

本研究選取河北省冀北山區(qū)大力推廣的油松人工林進(jìn)行密度和力學(xué)特性的研究，分析密度與力學(xué)特性之間的相關(guān)性，為油松人工林的定向培育以及木質(zhì)改良提供理論依據(jù)，同時(shí)為油松加工利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自河北省承德市茅荊壩林場(chǎng)。在相同立地條件的油松人工林林分中，分別在經(jīng)過(guò)撫育間伐、未經(jīng)過(guò)撫育間伐的林地中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地，標(biāo)準(zhǔn)地面積為50 m×50 m，間伐時(shí)間在2008 年，每塊標(biāo)準(zhǔn)地選取3 棵平均木作為樣木（表1）。原木運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試材加工。

1.2 試樣制取

在伐倒的樣木上截取兩段長(zhǎng)為1.3 m 的原木作為試材。第一段自伐根0.7m 處以上部位截取，第二段自枝下高以下部位截取，并量出各段的小頭直徑。木段的鋸截方法：按照《GB/T 1929-2009 試材鋸解及試樣截取方法》中4.3 的規(guī)定。

密度與力學(xué)性能測(cè)定 參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1929-2009《木材物理力學(xué)試件鋸解及試樣截取方法》中規(guī)定制取試樣，木材密度根據(jù)《GB/T 1933-2009 木材密度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定，木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋全部抗壓強(qiáng)度、橫紋局部抗壓強(qiáng)度、硬度依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1935~1941-2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel2007 軟件、SPSS20.0 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材密度和力學(xué)特性

2.1.1 密 度

由圖1 可知，無(wú)論間伐與未間伐油松的樹(shù)干下部的氣干密度、絕干密度和基本密度均高于上部；間伐后，油松上部和下部的氣干密度、絕干密度和基本密度均高于未間伐油松。由表2 可知，間伐油松的氣干密度、絕干密度和基本密度均高于非間伐油松。其中間伐油松和非間伐油松的氣干密度分別是0.55、0.50 g/cm3，基本密度分別是0.45、0.42 g/cm3。按木材材性分級(jí)規(guī)定為Ⅱ級(jí)[13-15]。木材造紙要求[16]密度適宜范圍為0.40~0.60 g/cm3，間伐與未間伐油松均符合要求。由方差分析可知，間伐與未間伐油松的氣干密度差異顯著（P＜0.05），全干密度和基本密度差異不顯著。

圖1 間伐與未間伐油松木材密度

2.1.2 力學(xué)特性

由圖2 可知，隨著樹(shù)干部位的增高，不論是間伐還是未間伐油松，抗彎強(qiáng)度變??；相同部位間伐油松抗彎強(qiáng)度大于未間伐油松。不論是間伐還是未間伐油松，下部抗彎彈性模量均大于上部，其中間伐油松抗彎彈性模量大于非間伐油松。相同部位的間伐油松比非間伐油松的順紋抗壓強(qiáng)度大。相同部位，徑弦向的對(duì)比發(fā)現(xiàn)不論間伐還是未間伐油松，弦向橫紋全部抗壓強(qiáng)度均小于徑向橫紋全部抗壓強(qiáng)度。相同部位的間伐油松比未間伐油松的弦向橫紋局部抗壓強(qiáng)度大，徑向橫紋局部抗壓強(qiáng)度也大。不論是間伐還是未間伐油松，其表面硬度端面均大于弦面和徑面。樹(shù)干高度上不同部位間硬度比較，不論弦面、徑面還是端面，表面硬度最大的都是樹(shù)干下部,最小的是樹(shù)干上部。

圖2 間伐與未間伐油松不同部位木材力學(xué)強(qiáng)度

由表2 可知，不論是抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋全部抗壓強(qiáng)度、橫紋局部抗壓強(qiáng)度和硬度，間伐油松均大于未間伐。間伐油松的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度比未間伐分別高1.57%、2.73%、32.30%；對(duì)于橫紋抗壓強(qiáng)度，間伐油松徑向橫紋抗壓強(qiáng)度比未間伐高15.04%；弦向橫紋抗壓強(qiáng)度比未間伐高22.19%。徑向橫紋局部抗壓強(qiáng)度間伐比未間伐高32.04%，弦向橫紋局部抗壓強(qiáng)度間伐比未間伐高26.67%；對(duì)于硬度而言，間伐比未間伐油松的弦面硬度、徑面硬度和端面硬度分別高49.80%、59.77%和38.48%。

由方差分析可知，間伐與未間伐油松順紋抗壓強(qiáng)度與弦向橫紋局部抗壓強(qiáng)度呈顯著差異（P＜0.05），抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和硬度均呈極顯著差異（P＜0.001），其余力學(xué)指標(biāo)差異不顯著。綜上，間伐對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、硬度等指標(biāo)影響較大，對(duì)抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量影響較小。

2.2 相關(guān)性分析

由表3 可知，間伐與未間伐油松的基本密度與抗彎強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.352和0.130；其中間伐油松的基本密度與橫紋弦向全部抗壓強(qiáng)度和橫紋弦向局部抗壓強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為-0.483 和-0.476；與徑向硬度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.297。而未間伐油松的基本密度與橫紋弦向局部抗壓強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.481。間伐與未間伐油松的基本密度與其他力學(xué)指標(biāo)呈不顯著相關(guān)。

表3 油松木材基本密度與力學(xué)特性之間的相關(guān)性分析

2.3 油松較其他松木樹(shù)種比較

由表4 可知，根據(jù)木材物理力學(xué)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17-20]，通過(guò)與落葉松、樟子松和紅松進(jìn)行對(duì)比，間伐油松、未間伐油松、樟子松、紅松氣干密度和基本密度為Ⅱ級(jí)，落葉松為Ⅲ級(jí)；抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量樟子松、紅松為Ⅱ級(jí)，間伐與未間伐油松和落葉松為Ⅲ級(jí)；順紋抗壓強(qiáng)度：未間伐油松、樟子松、紅松為Ⅱ級(jí)，間伐油松為Ⅲ級(jí)，落葉松為Ⅳ級(jí)。冀北油松木材的氣干密度、基本密度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度均處于中等偏上，僅次于落葉松。而橫紋抗壓強(qiáng)度在徑向上的表現(xiàn)最好，優(yōu)于其他三種樹(shù)種，在弦向上僅次于落葉松。鑒于油松力學(xué)性能較好，可作建筑、造船等用材，且間伐油松優(yōu)于未間伐。

表4 油松和不同樹(shù)種松木木材物理力學(xué)性質(zhì)比較

3 結(jié) 論

無(wú)論間伐與未間伐油松樹(shù)干下部的氣干密度、絕干密度和基本密度均高于上部；間伐油松的氣干密度、絕干密度和基本密度均高于非間伐油松。間伐與未間伐油松的樹(shù)干下部力學(xué)性能均高于上部；間伐油松的力學(xué)性能均大于未間伐；間伐對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、硬度等指標(biāo)影響較大；對(duì)抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量影響較小。油松力學(xué)性能較好，可作建筑、造船等用材。間伐與未間伐油松的基本密度與抗彎強(qiáng)度、橫紋局部抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較大，與其他力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性較小。