油杉、杉木和马尾松木材物理力学性质比较

高 楠，余孟杨，林庆富，章进峰，肖祥希，孙代珍 曾华浩，刘晓辉，赖金全，苏志鹏，邓宗杰，赖振民

（1.福建省林业科学研究院，福建福州 350012；2.福建省清流国有林场，福建清流 365300；3.福建省沙县水南国有林场，福建沙县 365500；4.福建省大田梅林国有林场，福建大田 366100）

油杉（Keteleeria fortunei）为松科（Pinaceae）油杉属大乔木，生长快，适应性强，耐干旱瘠薄，具有松科松属树种的优良特性，是低立地环境造林的优良树种。其树干通直挺拔，材质良好，木材黄褐色、纹理优美、材质重、耐水湿且抗腐性强，是珍贵用材树种[1-4]，也是主要造林树种马尾松（Pinus massoniana）理想的替代树种。曾华浩等[4]对位于福建省永春县油杉人工林的物理力学性质进行测定和分析。本研究团队在永春油杉群落周边地区的大田地区寻找到与其生境相似和年龄相近的杉木（Cunninghamia lanceolata）和马尾松人工林，对其进行测定和分析，并与油杉的物理力学性质进行综合比较，为油杉木材的加工利用提供技术参数，也为油杉资源的培育和利用提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 试验地概况

油杉试验地位于福建省永春县桃城镇大坪村湖（118°17'E，25°21'N），试验地概况参见曾华浩等[4]和邹秀红等[5]的研究。杉木和马尾松试验地位于福建省大田梅林国有林场小湖工区（117°47'E,25°38'N），海拔480～600 m，土壤为山地红壤，立地质量Ⅱ级。该地属中亚热带季风气候，四季明显，雨量充沛，干湿分明，年均降水量1 770 mm，年均气温18．6 ℃，最高气温40 ℃，最低气温-11 ℃，无霜期280～320 天[6]。

1．2 试材采集

每个树种设3 个10 m×10 m 的固定样地，在样地内选择标准木1 株，共选取标准木3 株（表1）。标准木伐倒后，在1．3 m 以上部位截取2 m 作为试材，每个树种有效样本数为30个。

表1 标准木情况Tab.1 Situation of sample trees

1．3 试验方法

将采集的试材放在阴凉通风处自然风干，按照GB/T 1929-2009[7]进行初步加工，自然气干后，按照GB/T 1928-2009[8]测定各项物理力学指标。采用全数字电子万能材料试验机和摆锤式冲击试验机对各项力学强度指标进行测定。油杉木材物理力学性质指标本研究团队已公开发表[4]，本文直接采用。

1．4 数据处理

采用Excel和SPSS软件进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2．1 不同树种木材物理性质

2．1．1 木材密度

木材密度是木材性质的重要指标，木材密度与力学强度呈正相关关系[9]。马尾松木材的基本密度、气干密度和全干密度最大，分别为0．564、0．688和0．666 g/cm3；油杉次之，分别为0．473、0．576 和0．544 g/cm3；杉木最小，分别为0．357、0．418 和0．396 g/cm3（表2）。方差分析表明，不同树种间基本密度、气干密度和全干密度均差异极显著（P＜0．01）。

表2 不同树种木材密度对比Tab.2 Comparison on wood densities of different tree species

2．1．2 干缩性

干缩性直接影响木材和木制品的尺寸、性状和结构的稳定性及使用性能等，是木材性质的重要指标[10]。油杉、杉木和马尾松木材径向全干干缩率分别为5．397%、3．387%和6．010%，弦向全干干缩率分别为7．363%、6．280%和9．230%，体积全干干缩率分别为12．855%、9．613%和15．273%，3 种木材全干干缩率表现为马尾松＞油杉＞杉木（表3）。油杉、杉木和马尾松木材径向气干干缩率分别为3．272%、1．080%和2．500%，弦向气干干缩率分别为4．408%、2．283%和4．280%，体积气干干缩率分别为7．892%、3．380%和7．180%，3 种木材气干干缩率表现为油杉＞马尾松＞杉木（表4）。方差分析表明，不同树种间径向、弦向和体积全干干缩率及气干干缩率均差异极显著（P＜0．01）。差异干缩是判断木材是否容易开裂及变形的重要依据[11-12]。油杉、杉木和马尾松木材从湿材到全干状态，差异干缩分别为1．364、1．854 和1．536；从湿材到气干状态，差异干缩分别为1．347、2．114 和1．712，油杉的差异干缩最小，说明油杉木材不易开裂变形。

表3 不同树种木材全干干缩率对比Tab.3 Comparison on oven-dry shrinkages of woods from different tree species

表4 不同树种木材气干干缩率对比Tab.4 Comparison on air-dry shrinkages of woods from different tree species

2．1．3 湿胀性

木材湿胀性反映了木材吸水后的尺寸变化，湿涨性小，表明木材尺寸稳定性较好，当沿各方向的尺寸变化不均匀时，会引起开裂和变形，影响木材制品的利用[13]。油杉、杉木和马尾松木材的径向气干湿胀率分别为2．250%、2．433%和3．730%，弦向气干湿胀率分别为3．195%、4．257%和5．433%，体积气干湿胀率分别为5．708%、6．937%和9．567%，3 种木材气干湿胀率表现为马尾松＞杉木＞油杉（表5）。油杉、杉木和马尾松木材的径向吸水后湿胀率分别为5．715%、3．560%和6．387%，弦向吸水后湿胀率分别为7．963%、6．717%和10．203%，体积吸水后湿胀率分别为14．794%、10．697%和18．067%，3 种木材吸水后湿胀率表现为马尾松＞油杉＞杉木（表6）。方差分析表明，不同树种间径向、弦向和体积气干湿胀性及吸水后湿胀性均差异极显著（P＜0．01）。油杉木材湿涨性较小，各个方向湿涨性差异较小，木材稳定性较好。

表5 不同树种木材气干湿胀性对比Tab.5 Comparison on air-dry swelling properties of woods from different tree species

表6 不同树种木材吸水后湿胀性对比Tab.6 Comparison on swelling properties of woods from different tree species after absorbing water

2．2 不同树种木材力学性质

2．2．1 抗弯强度

木材抗弯强度体现了木材承受静力弯曲荷载的最大能力[14]。油杉木材的抗弯强度最大（92．701 Mpa)，马尾松次之（91．363 Mpa），杉木最小（76．390 Mpa）（表7）。方差分析表明，不同树种间抗弯强度差异极显著（P＜0．01）。

2．2．2 顺纹抗压强度

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[12]。油杉木材的顺纹抗压强度最大（57．217 Mpa），马尾松次之（50．572 Mpa），杉木最小（39．864 Mpa）（表7）。方差分析表明，不同树种间顺纹抗压强度差异极显著（P＜0．01）。

表7 不同树种木材抗弯强度和顺纹抗压强度对比Tab.7 Comparison on modulus of rupture and compressive strength for parallel to grain direction of woods from different tree species

2．2．3 硬度

木材硬度是指木材抵抗其他刚体压入的能力[12]。木材硬度与木材密度呈密切正相关关系[15]。马尾松木材的端面硬度、弦面硬度和径面硬度分别为5 017．789、3 673．368 和3 467．842 N；油杉分别为4 635．903、3 420．770 和3 606．784 N；杉木分别为3 845．440、2 376．800 和2 581．800 N（表8）。马尾松木材的端面硬度和弦面硬度最大，油杉的径面硬度最大，杉木均最小。方差分析表明，不同树种间端面硬度、弦面硬度和径面硬度均差异极显著（P＜0．01）。

表8 不同树种木材硬度对比Tab.8 Comparison on wood hardness of different tree species

3 结论与讨论

木材密度的表现为马尾松＞油杉＞杉木；木材稳定性的表现为杉木＞油杉＞马尾松；木材力学的表现为油杉＞马尾松＞杉木。与杉木和马尾松等主要用材树种相比，油杉的木材材质指标总体表现良好，可作为主要用材树种培育和经营。

油杉木材的气干密度和全干密度大于杉木，小于马尾松；全干干缩系数大于杉木，小于马尾松；气干干缩系数大于杉木和马尾松；气干差异干缩小于杉木和马尾松；气干湿胀性小于杉木和马尾松；吸水湿胀性小于马尾松，大于杉木；抗弯强度、木材顺纹抗压强度和径面硬度均大于杉木和马尾松；端面硬度和弦面硬度大于杉木，小于马尾松。3 个树种的木材物理和力学指标存在一定差异，可能是因为3个树种的细胞结构不同。

杉木和马尾松一直是南方地区两个最重要的用材树种，造林面积大且用途广泛。但是，近年来马尾松的松材线虫病害频发，寻找马尾松的替代树种极为迫切。同为松科的油杉具有松属树种的优良特性，生长速度快、适应性强且耐瘠薄等。由于油杉的研究和推广起步较晚，人们对该树种还比较陌生，本研究将油杉与杉木、马尾松木材的物理力学性质进行比较，可以更直观地了解油杉的木材材性和利用价值，从木材利用的角度为油杉的推广提供科学依据。