不同年龄刺槐枝、干和根的物理力学性质对比*

2020-08-14杨茂林冀晓东任一凡

林业科学 2020年7期

杨茂林冀晓东孙恒丛旭杨光侯凯任一凡

(1. 北京林业大学水土保持学院北京市水土保持工程技术研究中心北京 100083； 2. 河南省电力勘测设计院海外事业部郑州 450007)

当前，我国已成为全球第二大木材消耗国，年消耗木材量多达6亿m3，然而我国是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，森林资源总量相对不足，木材需求与生态环境之间的矛盾日益突出(田明华等， 2016)。为了有效缓解木材供应紧缺的现状，满足经济快速发展和人民生活水平不断提高对森林和木制品的大量需求，一方面应采取“开源”措施，大力植树造林，加速森林资源培育，扩大森林资源面积；另一方面应采取“节流”措施，从全方位角度大力发展包括森林采伐剩余物等方面的木材节约利用，提高森林资源利用率(邓长春等， 2016)。

在采伐造材中，所得原木材积一般仅占立木蓄积量的65%左右，其余包括枝和根等均作为剩余物，利用潜力巨大(李静等， 2010；徐有明， 2006； Okaietal.， 2004； Gurauetal.， 2008； Dadzieetal.， 2016)。研究表明，枝密度通常大于干(Fegel， 1941； Kollmannetal.， 1968； Tsoumis， 1968)，力学强度略低于干，直径50～100 mm的枝与干的顺纹抗压强度和冲击韧性相似，但塑性更强(Vanin， 1953)。粗根生物量是森林总生物量的重要组成部分(李宁等， 2013)，但由于根形态体积以及挖掘成本限制，目前对根物理力学性质的研究主要集中在木材密度和细根抗拉强度性能(Ali， 2010；蒋坤云等， 2013)，而粗根抗压和抗弯强度等力学性质研究较少。大多数硬木根的密度和力学强度小于枝和干(Fegel， 1941)，但部分非洲硬木根的密度和力学强度要大于枝和干(Amoahetal.， 2013)。木材物理力学性质决定其经济价值(李明宝， 2007)，研究根和枝的材性特征，对其全树利用具有指导意义。

刺槐(Robiniapseudoacacia)1900年前后引入我国，目前我国刺槐面积约1 000万hm2(赵蓬晖等， 2017)。刺槐木材呈黄色，坚硬强韧，耐腐朽，可作为煤矿矿柱、枕木、车辆、农具、建筑等用材(李永明， 2017)。刺槐干通直向上，枝生物量约为干的25%，粗根生物量约为干的5%(韩玉洁， 2003)。本研究以刺槐为研究对象，对不同年龄刺槐枝、干和根的密度、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量进行研究，并分析其差异，以期为提升刺槐枝、干和根的附加价值及其资源综合利用率提供理论支持和试验依据。

1 材料与方法

1.1 试材采集

试材采集于山东省东营市河口区孤岛镇军马五分场人工刺槐沿海防护林，采集地地理坐标为118°41′E，37°47′ N，海拔8 m，属半干旱暖温带东亚季风区大陆性气候。年平均气温12.3 ℃，最高气温12.9 ℃，最低气温10.9 ℃，年降水量347.0～813.2 mm，年光照2 600～2 800 h。土壤为滨海岩土，沙地棕壤，土层深厚。

依据《木材物理力学试材采集方法》(GB/T 1927—2009)，分散选取长势良好、干通直的4株刺槐作为样木，年龄分别为10、15、20和25年(利用生长锥测定)。在离地650～1 300 mm之间截取高度650 mm的圆盘作为干试材，从每株样木中选取长度约650 mm的二级分枝4枝作为枝试材，选取根径最粗、长度约650 mm的根4根作为根试材。刺槐采集木情况见表1，枝、干和根的取样关系见图1。

表1 刺槐采集木情况Tab.1 Basic parameters of R. pseudoacacia

图1 刺槐枝、干和根取样关系Fig.1 Sampling relationship diagram of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

1.2 试样制作

按照《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》(GB/T 1929—2009)对刺槐枝、干和根试材进行初步加工，加工后的试样毛坯置于阴凉通风处堆垛气干。依据《木材物理力学性质试验方法》(GB/T 1933、1935和1936—2009)加工成试验所用密度、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量试样。试样数量见表2。

1.3 力学强度试验方法

测定前将试样置于恒温恒湿箱(LHS-150SC)内平衡1周，温度设为(20±2)℃，相对湿度设为65%±3%，确保试验时试样含水率在9%～15%之间。采用微机控制电子式万能试验机(WDW-100E)进行力学强度试验，仪器试验力范围为0.4～100 kN，加载采用位移控制，加载速度为2 mm·min-1。试验结束后测定试样含水率，按照《木材物理力学性质试验方法》(GB/T 1933、1935和1936—2009)将所测强度换算成含水率12%时的数据。试验数据取各项平均值，并进行方差分析。

表2 刺槐枝、干和根物理力学强度试样数量Tab.2 Number of physical and mechanical strength samples of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

1.4 解剖构造

从枝、干和根试样中切取3 mm×3 mm×3 mm立方体试块，置于具有回流冷凝器的烧瓶中煮沸约24 h，确保立方体试块饱和柔软。采用超薄切片机(Bright 8000)将试块横向、弦向和径向截面切平。切平后的试块100 ℃烘干，表面喷金后置于场发射电子显微镜(Hitachi S-3400NⅡ)下观察，拍摄试块横向、径向和弦向截面微观SEM。

1.5 化学成分含量测定

枝、干和根力学强度测定试验结束后，将试件粉碎用于化学成分分析。采用意大利VELP公司产粗纤维含量测定仪FIWE6，按照我国木材化学成分分析标准GB/T 2677.7～10—95进行。试验数据取各项平均值，并进行方差分析。

2 结果与讨论

2.1 刺槐枝、干和根密度

按照国内针阔叶材力学性能分级标准(中国林业科学研究院木材工业研究所， 1982)，气干密度在0.551～0.750 g·cm-3之间为中等。由图2可知，10～25年生刺槐枝气干密度为0.752 0～0.785 9 g·cm-3，略高于中等；干和根气干密度为0.626 5～0.751 7 g·cm-3，属于中等。

刺槐同一部位的密度按照分类从大到小依次为气干密度>全干密度>基本密度。对气干密度、全干密度和基本密度两两进行一元线性回归分析发现，相关系数(R2)均接近1，说明气干密度、全干密度和基本密度三者之间密切正相关。

同一株刺槐中，枝密度>干密度>根密度。以20年生刺槐为例，枝、干和根气干密度分别为0.777 6、0.741 5和0.642 2 g·cm-3，全干密度分别为0.718 6、0.682 5和0.601 5 g·cm-3，基本密度分别为0.642 8、0.615 2和0.529 8 g·cm-3，枝气干密度比干高4.87%，干气干密度比根高15.46%。刺槐属于阔叶材，一般认为，阔叶材导管比率和密度之间关系密切，木材导管比率越大，其密度越小(Santosetal.， 2013)。仍以20年生刺槐为例，由图3可知，根管孔数量多且密集，干管孔数量与枝相差不多。利用Image-pro Plus软件进行图像分析发现，相同面积横向截面上，根管孔面积占比68%，干管孔面积占比45%，枝管孔面积占比42%，这在一定程度上解释了枝、干和根密度差异的原因。

图2 刺槐枝、干和根密度测定结果Fig.2 Experimental results for density of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

图3 20年生刺槐枝(a)、干(b)和根(c)横向截面SEMFig.3 Cross sectional SEM of branchs(a)，stems(b)and roots(c)of 20 years old R. pseudoacacia

随年龄增大，刺槐枝、干和根密度呈增大趋势，但增大幅度减小。以枝气干密度为例，10、15、20和25年生分别为0.752 0、0.766 2、0.777 2和0.785 9 g·cm-3，增大幅度分别为1.89%、1.44%和1.12%。生长轮宽度和木材气干密度是反映二者之间内在联系的较好指标，刺槐属于阔叶环孔材，生长轮越窄，密度越大。随年龄增加，树木开始缓慢生长，当生长速度趋于稳定并下降时，生长轮会越来越窄，密度会逐渐增大。

2.2 刺槐枝、干和根力学性能

顺纹抗压强度是设计和选择各种支柱、桩木、坑木等受压木材构件的重要依据，是评估木材质量的重要指标。按照国内针阔叶材力学性能分级标准(中国林业科学研究院木材工业研究所， 1982)，顺纹抗压强度在29.1～44.2 MPa之间为小，在44.2～58.8 MPa之间为中等。由图4可知，10～25年生刺槐枝顺纹抗压强度为46.28～54.62 MPa，干顺纹抗压强度为49.20～58.32 MPa，均为中等；根顺纹抗压强度为40.58～42.34 MPa，为小。

同一株刺槐中，枝、干和根顺纹抗压强度从大到小依次为干>枝>根。方差分析表明，枝和干顺纹抗压强度差异显著(F=14.32，P<0.05)，枝和根顺纹抗压强度差异极显著(F=25.69，P<0.01)。以20年生刺槐为例，枝、干和根顺纹抗压强度分别为52.31、55.76和41.83 MPa，枝顺纹抗压强度比干小6.60%，根顺纹抗压强度大幅小于枝和干，幅度分别为25.05%和33.30%。

阔叶材气干密度与顺纹抗压强度呈线性正相关(林大新， 1988)，但刺槐枝气干密度大于干，顺纹抗压强度却小于干，与Vanin(1953)的研究一致。这是因为木射线数量增多会降低木材顺纹抗压强度(Hakkila， 1989)，对比20年生刺槐枝和干径切面(图5)，枝单位面积木射线数量相较于干更多，可能使得枝顺纹抗压强度小于干。

图4 刺槐枝、干和根力学性能测定结果Fig.4 Experimental results for mechanical property of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

图5 20年生刺槐枝(a)和干(b)径向截面SEMFig.5 Radial sectional SEM of branches(a)and stems(b)of 20-years-old R. pseudoacacia

按照国内针阔叶材力学性能分级标准(中国林业科学研究院木材工业研究所， 1982)，抗弯强度在54.1～88.3 MPa之间为小，在88.3～117.6 MPa之间为中等，在117.6～142.0 MPa时为大；抗弯弹性模量小于7.5 GPa时为很小，在7.5～10.4 GPa之间为小，在10.4～13.3 GPa之间为中等。由图4可知，刺槐枝抗弯强度为89.42～123.86 MPa，其中10～20年生枝属中等抗弯强度，25年生枝属大抗弯强度；干抗弯强度为96.58～136.25 MPa，其中10～15年生干属中等抗弯强度， 20～25年生干属大抗弯强度；根抗弯强度为76.96～86.49 MPa，属小抗弯强度。10～25年生刺槐枝和干抗弯弹性模量分别为10.45～12.84 GPa和10.92～13.11 GPa，均为中等抗弯弹性模量； 10年生根抗弯弹性模量为7.00 GPa，属很小抗弯弹性模量，15～25年生根弹性模量为7.93～8.82 GPa，属小抗弯弹性模量。

根据《木结构设计规范》(GB 50005—2003)中承重结构用材强度检验标准，检验结果的最低强度(抗弯强度)TB13为68 MPa、TB15为81 MPa、TB17为92 MPa。本研究10～25年生刺槐枝最低抗弯强度为89.42 MPa，满足TB15强度要求；干最低抗弯强度为96.58 MPa，满足TB17强度要求；根最低抗弯强度为76.96 MPa，满足TB13强度要求。10年生以上刺槐，干可作为承重木结构原木用材；枝在满足用材尺寸要求的前提下可作为一般结构用材；根可作为小尺寸的装饰结构性用材。

同一株刺槐中，枝、干和根抗弯强度和抗弯弹性模量从大到小依次均为干>枝>根。方差分析表明，枝和干抗弯强度差异显著(F=11.54，P<0.05)，枝和根抗弯强度差异极显著(F=29.81，P<0.01)；枝和干抗弯弹性模量差异不显著(F=3.12，P>0.05)，枝和根抗弯弹性模量差异极显著(F=34.55，P<0.01)。以20年生刺槐为例，枝、干和根抗弯强度分别为116.38、126.86和83.21 MPa，抗弯弹性模量分别为12.49、12.64和8.46 GPa，干抗弯强度高于枝9.00%，枝抗弯强度高于根39.86%，干抗弯弹性模量高于枝1.20%，枝抗弯弹性模量高于根47.64%。

影响木材抗弯强度和抗弯弹性模量的主要因子是木材细胞的解剖构造(Adamopoulosetal.， 2007)。刺槐木纤维约占细胞总量的50%(孙述涛等， 1994)，以20年生刺槐为例，枝纤维双壁厚约(4.6±0.6)μm，干纤维双壁厚约(5.7±0.7)μm，根纤维双壁厚约(3.8±0.4)μm；枝纤维直径约(13.3±1.2)μm，干纤维直径约(16.1±1.4)μm，根纤维直径约(23.5±2.1)μm(图6)。相比枝和干，根纤维壁薄且纤维直径大，抵抗弯曲变形的能力弱于枝和干，因此抗弯强度和抗弯弹性模量小于枝和干；枝纤维直径小于干，但抗弯强度和抗弯弹性模量略小于干，这可能是因为干细胞壁厚于枝，且单位面积木射线数量少于枝，能更好地抵抗弯曲变形。

图6 20年生刺槐枝(a)、干(b)和根(c)横向截面SEMFig.6 Cross sectional SEM of branches(a)，stems(b)and roots(c)20-years-old R. pseudoacacia

图7 刺槐枝、干和根化学成分测定结果Fig.7 Experimental results for chemical composition of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

随年龄增加，刺槐枝、干和根力学强度呈增大趋势，但增大幅度减小。以枝为例，10、15、20和25年生顺纹抗压强度分别为46.28、50.27、52.81和54.62 MPa，每隔5年增大幅度分别为8.62%、5.05%和3.43%；抗弯强度分别为89.42、105.20、116.38和123.86 MPa，每隔5年增大幅度分别为17.65%、10.63%和6.43%；抗弯弹性模量分别为10.45、11.61、12.49和12.84 GPa，每隔5年增大幅度分别为11.10%、7.58%和2.80%。

2.3 刺槐枝、干和根的主要化学成分

刺槐枝、干和根的主要化学成分包括纤维素、半纤维素和木质素。纤维素是细胞壁强度的主要来源，木质素填充于纤维素构架中以增强细胞壁的机械强度，半纤维素以无定形状态渗透在骨架物质中起基体黏结作用，以增强众多纤维整体的强度(张双燕， 2011)。

由图7可知，同一株刺槐中，根纤维素含量大于枝和干，可用于制作中密度纤维板，枝纤维素含量略高于干，随年龄增大，枝、干和根纤维素含量均呈增大趋势。对枝顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量分别与枝纤维素含量进行回归分析，R2分别为0.785、0.683、0.712，呈正相关；同理，对干和根力学强度与纤维素含量进行回归分析，也均呈正相关。

同一株刺槐中，干木质素含量高于枝，枝木质素含量高于根，随年龄增大，枝、干和根木质素含量均呈增大趋势。对枝、干和根力学强度与木质素含量分别进行回归分析，均呈负相关。枝半纤维素含量高于干，干半纤维素含量高于干，随年龄增大，枝、干和根半纤维素含量保持稳定。