30 a杉木萌生林和实生林木材的材性比较1)

高建亮 赵林峰

(湖南环境生物职业技术学院，衡阳，421005)

近年来，国内学者对杉木实生林的物理力学性质进行了大量的研究和评价。施季森等[1]研究了杉木15 a前生长与材性的相关性，赵承开等[2]研究了杉木19 a木材的基本密度和物理特性；边黎明等[3]得出了16 a杉木实生林的木材弹性模量平均是3.87 GPa;龚迎春等[4]得出了24 a杉木实生林木材的抗弯强度是43.42～48.72 MPa;韦茹萍等[5]分析了24～69 a杉木林的材性性状，并得出在56 a之前木材基本密度随年龄增加而增大，56 a之后会随着年龄增大而降低；梁宏温等[6]比较了杉木和秃杉实生林在8、14、28 a各种材性，认为杉木的各种抗压程度均高于秃杉1.5%～17.5%，且这种情形会随着林龄的增加而增大；林金国等[7]研究了12、17 a杉木人工林的材性后认为：木材的力学特性随年龄增长而增大，杉木12 a时木材的顺纹抗压强度是29.9 MPa，达到了建筑材承重物件的最低等级即A-5级的要求，木材弦向静力弯曲强度达到了44～51 MPa，即TC11级的要求；17 a时木材的顺纹抗压强度达到了34.5 MPa，即A-3级的要求，木材弦向静力弯曲强度达到了51～58 MPa，即TC13级的要求。

木材是生物材料，也是一种各向异性的高分子材料，由于其构造的各向异性导致其力学性能的各向异性[8]。木材的经济价值由木材的材性决定[9]。许多木材加工处理工艺的制定，以及用材部门对木材的选择都依赖于木材物理力学性质的测定结果[10]。

笔者根据湖南省金洞林场杉木的木材材性试验结果，比较了30 a萌生林木材与实生林木材材性，试图为杉木萌生林和实生林木材的合理利用提供依据。

1 试验地概况

湖南省金洞林场的地理坐标为E110°53′43″、N26°21′37″，属中亚热带东南季风湿润性气候，年平均气温18 ℃，年降水1 000～1 800 mm，年蒸发1 225 mm，年有效日照时间为1 617 h，相对湿度75%～82%。土壤属森林黄壤，pH=4.5～5.5，通透性较好，石砾质量分数15%～20%，有机质质量分数3.1 g/kg，速效氮质量分数138 mg/kg，速效磷质量分数1 mg/kg，速效钾质量分数71 mg/kg，土壤厚度30～60 cm。

2 材料与方法

2.1 试样来源

2016年按GB/T 1927—2009《木材物理力学试材采集方法》现场选取生长良好、无病虫害、树干通直且代表性强的杉木萌生林和实生林作为试验样树，每一类林分选取样树3株。样树的基本情况见表1，按GB/T 1929—2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》制作待测试件。

杉木萌生林是1986年的杉木采伐迹地上的伐蔸萌生苗培育的萌生林，其前作是杉木插条造林地,该处海拔高500～750 m。杉木实生林是1986年的杉木采伐迹地后的杉木人工实生苗造林地，其前作也是杉木实生苗造林地，该处海拔高150～300 m。

表1 30 a样树基本情况

从表1可知：30 a时实生林单株立木蓄积是0.165 7 m3，而萌生林仅仅是0.117 3 m3、是实生林的70.79%。可以得出：杉木林分生长状态的地理变异有明显的规律性，即海拔高度影响林木的生长。这与魏鹏[11]对鹅掌楸天然林的分析结论基本一致。

2.2 材性指标和测定方法

本研究所测物理力学性质包括气干密度、基本密度、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、横纹全部抗压强度(径向、弦向)、横纹局部抗压强度(径向、弦向)等10个指标，性状测试分别按照GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》、GB/T 1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》、GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T 1939—2009《木材横纹抗压强度试验方法》进行。

2.3 数据统计方法

数据采用Excel、Spss等软件进行不同样树的试验数据统计、方差分析。通过计算不同样树木材材性的各种结果进行比较，得出萌生林与实生林30 a时木材材性的优劣。

3 结果与分析

3.1 木材密度

木材密度反应了木材的致密程度，与其自身的生长特性及外界环境存在密切相关性[11]，且与木材的力学强度呈正相关关系。木材密度是判断木材工艺性质和物理力学性质的重要指标[12，17]，在建筑材料应用中，木材的各种性质主要是由木材密度决定的[13]。木材是多孔性材料[14]，不同环境生长的立木，其胞壁物质、孔隙率、内含物质是不相同的，相应的木材密度就有所差异。另外，木材密度对林木材性育种与遗传改良也有重要的指导意义[8，15]。气干密度和基本密度是能比较准确地反映出木材使用性质的指标。30 a时萌生林分与实生林分木材的气干和基本密度见表2。可知，萌生林分30 a时木材的气干密度均值、标准差和变异系数分别是0.437 g·cm-3、0.027 g·cm-3和6.198%；基本密度均值、标准差和变异系数分别是0.353 g·cm-3、0.031 g·cm-3和8.782%。实生林分30 a时木材的气干密度均值、标准差和变异系数分别是0.395 g·cm-3、0.007 g·cm-3和2.811%；基本密度均值、标准差和变异系数分别是0.321 g·cm-3、0.011 g·cm-3和3.458%。

表2 林龄30 a木材密度

萌生林的气干密度和基本密度均高于实生林，其主要原因是萌生林所处环境的海拔高于实生林。这种结果与魏鹏等[11]对鹅掌楸天然林树干木材密度的分析结论“木材基本密度的地理变异有明显的规律性，即随垂直高度的增高而增高”的论述一致，也与杨自湘等[16]对杨树研究得出的结论“木材基本密度受遗传控制与种群系统发育史有关，是较稳定的性状。为改善木材基本密度，产地间选择比产地内选择更有效”完全吻合。

所有测试样本的变异系数均在10%以下，萌生林均值是7.490%、实生林均值3.135%，说明木材密度分散程度比较均匀，能降低木材加工时的难度。

根据《木材的主要力学性质分级表》[18]规定：气干密度在0.351～0.550 g·cm-3属于小级。因此认为：杉木不管是萌生林还是实生林，其密度都属于小级。

3.2 木材抗弯强度和弹性模量

木材抗弯强度是木材作为结构用材优劣程度判定的重要力学强度指标。木材抗弯强度体现了木材承受静力弯曲荷载的最大能力[10]。木材抗弯弹性模量是指木材在比例极限内抵抗弯曲变形的能力，是表示材料劲度和刚性的性能指标，能反应材料在受力线性应变范围内的反应力与应变力的关系[10]。弹性模量大则表明木材形变量小，木材就越刚硬，反之则柔软[13]。30 a时萌生林分与实生林分木材的抗弯强度和抗弯弹性模量见表3。可以看出：林龄30 a时，萌生林的木材抗弯强度、标准差和变异系数分别是77.152 MPa、2.700 MPa和3.50%；抗弯弹性模量、标准差和变异系数分别是9.156 GPa、0.385 GPa和4.199%。实生林的木材抗弯强度、标准差和变异系数分别是67.680 MPa、3.929 MPa和5.834%；抗弯弹性模量、标准差和变异系数分别是8.024 GPa、0.226 GPa和3.193%。

表3 林龄30 a木材抗弯强度和弹性模量

萌生林的木材抗弯强度是77.152 MPa，实生林是67.680 MPa。萌生林达到了针叶树材弦向静力弯曲检验标准的高等级TC17级(70～80 MPa)的要求，实生林达到了针叶树材弦向静力弯曲检验标准的高等级TC16级(60～70 MPa)的要求。因此,杉木木材作为承重构件其质量是可以保证的,可作为房屋建筑、门窗、天花板、船、车、家具及室内装饰等用材[6]。

萌生林的抗弯强性模量是9.156 GPa，实生林是8.024 GPa。根据《机械应力分级规格材强度等级表》[20]的规定：萌生林的弹性模量超过了M14级，实生林的弹性模量达到了M10级的要求。

所有试样的变异系数均低于6%，说明木材抗弯强度和弹性模量的分散程度比较均匀。

3.3 木材顺纹抗拉、抗压强度

木材顺纹抗压强度体现了木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力[18]，通常是作为选择受压构件的依据[11]。杉木木材是建筑和结构用的木材，木材的抗压强度是重要的力学性能之一，其顺纹的抗拉、抗压强度能力通常是作为选择受压木材构件的重要依据。

30 a时萌生林与实生林木材的顺纹抗拉和顺纹抗压强度见表4。可知,木材顺纹抗压强度，萌生林是51.028 MPa、标准差是1.759 MPa、变异系数3.422%；实生林是46.187 MPa、标准差是2.669 MPa、变异系数5.780%。根据《木材力学性质分级表》[18]，其抗压强度均达到了中等强度(45.1～60.0 MPa)要求。

表4 林龄30 a木材顺纹抗拉和顺纹抗压强度

木材顺纹抗拉强度，萌生林是123.113 MPa，标准差是7.803 MPa，变异系数6.355%；实生林是102.648 MPa，标准差是8.327 MPa，变异系数8.147%。根据《国产树种分级规格材强度设计值和弹性模量要求》[20]，萌生林木材顺纹抗拉强度标准值已经达到Ⅰc类用材标准，实生林木材已经达到Ⅱc类用材标准。

3.4 木材横纹全部抗压强度

30 a时萌芽林与实生林木材横纹全部抗压强度见表5。可知：萌生林的横纹全部抗压强度、标准差和变异系数其弦向分别是2.40 MPa、0.168 MPa和7.151%，而径向分别是2.16 MPa、0.156 MPa和6.021%；实生林的横纹全部抗压强度、标准差和变异系数其弦向分别是2.04 MPa、0.121 MPa和6.018%，而径向分别是1.84 MPa、0.119 MPa和5.255%。

试验结果与《中国主要树种的木材物理力学性质》[18]一致，和蔡则谟对湖南杉木的研究结果基本一致[19]。无论是弦向还是径向，萌生林的横纹全部抗压强度均大于实生林11%以上。无论是萌芽林还是实生林，木材横纹全部抗压强度的变异系数都低于7.5%，说明木材横纹抗压强度比较均匀。无论是萌芽林还是实生林，其弦向的抗压强度均大于径向，这种研究结果与曹丽芳的“针叶树种弦向抗压能力明显大于径向的抗压强度”相吻合。

表5 林龄30 a木材横纹全部抗压强度

3.5 木材横纹局部抗压强度

30 a时萌芽林与实生林木材横纹局部抗压强度见表6。可知：萌生林的横纹局部抗压强度、标准差和变异系数其弦向分别是3.67 MPa、0.125 MPa和3.091%，而径向分别是3.54 MPa、0.158 MPa和6.225%；实生林的横纹局部抗压强度、标准差和变异系数其弦向分别是3.38 MPa、0.142 MPa和5.967%，而径向分别是3.34 MPa、0.168 MPa和8.342%。

试验结果与《中国主要树种的木材物理力学性质》[18]一致，和蔡则谟对湖南杉木的研究结果基本一致[19]。无论是弦向还是径向，萌生林的横纹局部抗压强度均大于实生林6%以上。无论是萌生林还是实生林，木材横纹局部抗压强度的变异系数都低于10%，说明木材横纹局部抗压强度比较均匀。无论是萌生林还是实生林，其弦向的横纹局部抗压强度均大于径向，这种研究结果与曹丽芳2016的“针叶树种弦向抗压能力明显大于径向的抗压强度”相吻合。

表6 林龄30 a木材横纹局部抗压强度林分类型

3.6 木材材性的差异性

林龄30 a时，萌芽林和实生林木材的各种材性的差异性分析结果见表7。可以看出：萌生林与实生林木材材性比较有显著差异的是气干密度、基本密度和木材横纹全部径向抗压强度，有极显著差异的是木材顺纹抗弯强度、木材顺纹抗弯弹性模量、木材顺纹抗压强度、木材横纹全部弦向抗压强度、木材横纹局部径、弦向抗压强度，有极极显著差异的是顺纹抗拉强度。

表7 30 a木材材性差异性分析

注：*显著差异；** 极显著差异；*** 极极显著差异。

4 结论与讨论

本研究按照国家标准仅对湖南省金洞林场林龄30 a杉木萌芽林和实生林木材的气干密度、基本密度、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、横纹全部抗压强度(径向、弦向)、横纹局部抗压强度(径向、弦向)等10个指标进行测定，结果表明：萌生林的基本密度、气干密度分别是0.353和0.437 g·cm-3，实生林分别是0.321和0.395 g·cm-3；萌生林弹性模量超过了M14级，实生林弹性模量达到了M10级；萌生林木材顺纹抗拉强度达到Ⅰc类用材标准，实生林木材达到Ⅱc类用材标准。萌生林10个指标均优于实生林，且萌芽林和实生林弦向的抗压强度均大于径向。

杉木林分生长状态的地理变异有明显的规律性，随着海拔高度的增加其林分的生长状态就越来越差，即海拔高度影响林木的生长。木材材性与其生长环境的地理变化有明显的规律性，木材密度随立地海拔的增高而增大，木材密度受遗传控制，与种群系统发育史有关，是较稳定的性状。杉木萌生林所处环境的海拔高于实生林，随着海拔高度的增加，木材材性的抵抗外力的强度增大，为改善木材材性，产地间选择比产地内选择更有效。