6个杨树无性系木材密度及干缩性能差异

石传喜,于英良,朱莹琦,刘亚梅,余敏,涂道伍,刘盛全

(安徽农业大学林学与园林学院，合肥 230036)

木材的密度及干缩特性是决定木材品质的重要参数，对木材及木制品的尺寸和结构稳定性与安全性具有重要影响。其中，木材密度决定木材的基本力学性质，但会受木材种类、立地条件、取样部位等因素的影响。而引起干缩的主要因素是木材干燥，干燥不均匀就可能导致裂缝、开裂与翘曲变形等不利现象的产生，降低木材稳定性等品质性能，影响木材的高效利用[1-2]。张俊佩等[3]对不同品系核桃木材的弦向全干干缩率和差异干缩进行了研究，发现在不同品系间存在显著差异，而气干和全干状态下的径向和体积干缩率在不同品系的核桃木材间差异不显著；宁国艳等[4]发现不同状态胡杨木的气干密度、全干密度、弦向干缩率、径向干缩率及体积干缩率差异显著，干缩差异的差异不显著；任世奇等[5]对不同桉树无性系不同高度的干缩特性进行了研究，发现除全干弦向干缩差异极显著及体积干缩差异显著，其他指标无明显的显著差异；Pliura等[6]对2个地点的杨树杂交种密度与干缩率相关性进行了研究分析，发现密度与纵向干缩率呈显著的负相关，与径向干缩率和弦向干缩率呈现显著的正相关；潘彪等[7]对11个美洲黑杨无性系气干密度和干缩性进行了研究，发现密度和干缩性之间存在一定的相关性；Nascimento等[8]发现杉木的干缩率较小，适合建筑结构材的使用。

杨树作为我国速生人工林的主要树种之一，是我国工业用材的主要树种，木材的变异性大，很难满足木制品所有特性的要求。因此，加深对杨树密度和干缩特性的研究，对合理高效利用木材，避免木材的浪费极其重要[9]。笔者以6个杨树无性系木材为研究对象，对不同无性系及不同部位的基本密度及气干和全干状态下的径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率、气干密度、全干密度和干缩差异进行分析，为速生人工林杨树优良品种的选育提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试样采集

6个杨树无性系木材试材选自河南省焦作林场(中国林业科学研究院实验基地)，包括50号杨(Populusdeltoides‘55/65’)、中林46杨(P.euramericana‘Zhonglin46’)、108杨(P.euramericana‘Guariento’)、N179杨(P.nigra‘N179’)、桑巨杨(P.euramericana‘Sangju’)、南杨(P.deltoides‘Nanyang’)。其中，50号杨的遗传背景为美洲黑杨，N179杨为欧洲黑杨，南杨是50号杨与36号杨的杂交子代，中林46杨、108杨、桑巨杨是美洲黑杨与欧洲黑杨的杂交种。

河南省焦作市(35°10′～35°21′N，113°40′～113°26′E)属温带季风气候，日照充足，冬冷夏热、春暖秋凉，四季分明，年均气温12.8～14.8 ℃，年均降水量600～700 mm，无霜期200 d。

1.2 试样制备

6个杨树无性系取样信息如表1所示。每个无性系选5株，每株杨树试材于1.0～3.5 m处伐倒。运回木工厂后，根据计划安排，在1.10，1.92，2.62 m处取10 cm直径的物理圆盘，沿髓心向外根据年轮位置的不同，沿南北向，选择第1～4年轮为内部位置、5～7年轮为中间位置、8～10年轮为外部位置，画出30 mm×30 mm的正方形，锯成100 mm×30 mm×30 mm的长方体木条。然后参照GB/T 1929—2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》制备20 mm×20 mm×20 mm的标准试样。每个部位选择光滑、无缺陷的20个试块作为试验材料，每个无性系选取3个位置共300个试样，用于杨树密度和干缩特性的研究。

表1 杨树无性系试样基本情况Table 1 Basic information of cloned poplar samples

1.3 性能测定

密度及干缩性能分别参照GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》和GB/T 1932—2009《木材干缩性测定方法》进行测定。

1.4 数据统计与分析

利用Excel软件进行数据的统计与整理，用OriginPro 2017软件进行数据图像的绘制，利用SPSS 19.0软件对密度和干缩性能的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 密度分析

木材密度可反映出纤维细胞壁中所含物质的多少，是木材材性的一个指标。木材密度沿髓心向外变化模式可分为3类：1)自髓心向树皮呈现直线或者曲线增加的趋势；2)自髓心向外呈现先递减然后再向树皮逐渐递增的趋势；3)自髓心向外以直线或曲线形式降低。6个杨树无性系木材密度统计分析情况见表2。

表2 杨树无性系木材密度统计分析Table 2 The statistical analysis of poplar cloned density

2.1.1 基本密度

基本密度是当木材体积最大时，木材实际质量的大小。基本密度的测量简易准确，误差小，从基本密度可以首先判断木材材质的优劣。由表2可知，6个杨树无性系中南杨基本密度最大,为0.43 g/cm3，变异系数最小为7.61%；中林46杨基本密度最小,为0.33 g/cm3，变异系数为7.67%；50号杨基本密度较大,为0.39 g/cm3。南杨为50号杨的杂交子代，表明50号杨与南杨可稳定遗传，获得后代木材的材性较为优良。基本密度、气干密度和全干密度径向变化规律见图1。由图1可知，50号杨、中林46杨、南杨基本密度沿髓心向外呈现逐渐增加的趋势，符合木材密度沿髓心向外变化的第1种模式，与姚胜等[10]研究三倍体毛白杨密度变化规律一致；108杨、N179杨和桑巨杨呈现先降低后逐渐增加的趋势，符合第2种变化模式，与罗真付等[11]研究‘I-72’杨密度变化规律一致。密度方差分析见表3，由表3可知，6个杨树无性系木材基本密度在无性系之间差异极显著(F=404.172，P=0.000)。

图1 基本密度、气干密度和全干密度径向变化规律Fig. 1 The radial variation of basic density, air-dried density and oven-dried density

表3 密度方差分析Table 3 Variance analysis of density

2.1.2 气干密度

气干密度是12%含水率下木材质量与体积的比值，是最常用的材性指标，通常把气干密度作为工业生产中评估木材质量大小的依据[12-13]。由表2可知，南杨气干密度最大为0.51 g/cm3，变异系数为7.37%，中林46杨最小为0.39 g/cm3，变异系数为8.30%。由图1可知，50号杨、中林46杨、南杨气干密度沿髓心向外呈逐渐增加的趋势，108杨、N179杨和桑巨杨呈先降低后逐渐增加的趋势，与基本密度的径向变化趋势规律一致。方差分析结果表明，6个杨树无性系木材气干密度在无性系之间差异极显著(F=399.155，P=0.000)。

2.1.3 全干密度

全干密度是木材经人工干燥后含水率变为零时木材质量与体积的比值。全干木材由于暴露在空气中很容易吸水，因此，在实际木材加工生产中使用较少，但也是一项重要的科研指标，对6个杨树无性系木材密度研究有很大的利用价值。由表2可知：南杨全干密度最大为0.49 g/cm3，变异系数为7.91%；中林46杨最小为0.37 g/cm3，变异系数为8.31%。全干密度的径向变化规律与基本密度和气干密度相似，都符合木材密度沿髓心向外变化的2种变化模式。全干密度方差分析结果表明，6个杨树无性系木材在无性系之间差异极显著(F=384.822，P=0.000)。

2.2 干缩性能

2.2.1 气干干缩性能

无性系杨树气干干缩率分析如表4所示，木材的干缩特性主要包括线性和体积干缩。气干状态下，108杨弦向、径向和体积干缩率最大，分别为6.08%，2.35%和8.81%，桑巨杨最小，分别为4.61%，1.82%和6.64%。收缩率是衡量木材稳定性的重要依据，通常用干缩差异表示，干缩差异越小，木材在干燥过程中产生的内应力越低，越不易出现开裂扭曲等不良现象，表明木材越稳定，加工生产出的产品质量也越高。气干状态下6个无性系杨树干缩差异均值为2.53， 50号杨最小为2.28。6个杨树无性系木材干缩差异程度属于大级[11]。

表4 无性系杨树气干和全干干缩率分析Table 4 Analysis of dry shrinkage rate of air- and oven-dried cloned poplar

气干干缩差异径向变化规律见图2a。从图2a可以看出，50号杨、N179杨和桑巨杨气干干缩差异沿髓心向外呈现先增加后减小的趋势，表明越靠近树皮稳定性越高；中林46杨呈现逐渐增加的趋势，表明木材稳定性越来越差；而108杨和南杨则是呈现先减小后增加的趋势，表明木材在中部区域的稳定性最好。根据干缩性方差分析结果(表5)可知，在气干状态下，径向、弦向、体积及干缩差异在不同无性系间差异极显著(P=0.000)。

2.2.2 全干干缩性能

由表4可知，全干状态下，108杨弦向和体积干缩率最大，分别为8.63%和12.77%，50号杨径向干缩率最大为4.01%，变异系数14.54%～19.80%；桑巨杨的弦向、径向和体积干缩率最小，分别为7.29%，3.26%和10.79%，变异系数14.66%～24.81%。全干状态下干缩差异均值为2.22，50号杨最小为2.04，表明全干状态下50号杨稳定性最好，但干缩差异值大于2，表明干缩差异程度较大。由图2b可知，50号杨、N179杨和桑巨杨的全干干缩差异在径向呈先增加后降低的趋势，表明材性在中部附近较差，靠近树皮处性能较好；中林46杨则呈逐渐增加的趋势，表明木材稳定性越来越差；108杨和南杨则呈先减小后增加的趋势，表明这2个无性系木材中间部位木材稳定性最佳。由表5可知，在全干状态下，弦向、径向、体积及干缩差异在不同无性系间差异极显著(P=0.000)。

图2 气干和全干干缩差异径向变化规律Fig. 2 The radial variation of air- and oven-dried differential dry shrinkage

表5 干缩性方差分析Table 5 Variance analysis of dry shrinkage property

2.3 密度和干缩性能的相关性分析

6个杨树无性系木材密度与干缩性能相关性分析如表6所示。由表6可知，基本密度与弦向和体积气干干缩率不相关(P>0.05)，相关系数分别为-0.027和-0.003，与气干和全干状态下的干缩差异呈显著负相关，与其他密度和干缩指标呈极显著正相关；气干密度和全干密度与干缩差异呈极显著负相关(P<0.01)，与其他干缩指标呈极显著正相关；气干干缩差异除了与弦向气干干缩率和弦向全干干缩率呈极显著正相关，与其他密度和干缩指标呈极显著负相关(P<0.01)；全干干缩差异与体积气干干缩率不相关(P>0.05)，相关系数仅为-0.011，与弦向全干干缩率呈极显著正相关，与其他密度和干缩指标呈极显著负相关[14-15]。

表6 密度与干缩性能相关性分析Table 6 Correlation analysis of density and dry shrinkage property

3 结 论

1)6个杨树无性系木材基本密度、气干密度、全干密度变化范围分别为0.33～0.43，0.39～0.51和0.37～0.49 g/cm3。南杨密度最大，中林46杨密度最小。50号杨、中林46杨、南杨的基本密度、气干密度和全干密度在径向呈逐渐增加的趋势，而108杨、N179杨和桑巨杨呈现先降低后逐渐增加的趋势。方差分析结果表明，不同杨树无性系木材之间密度差异极显著。

2)6个杨树无性系气干状态下，弦向干缩率、径向干缩率、体积干缩率变化范围分别为4.61%～6.08%，1.82%～2.35%，6.64%～8.81%，干缩差异变化范围为2.28～2.71，108杨的气干干缩率最大，桑巨杨的气干干缩率最小；全干状态下，弦向干缩率、径向干缩率、体积干缩率变化范围为7.29%～8.63%，3.26%～4.01%，10.79%～12.77%，干缩差异变化范围为2.04～2.35；108杨弦向和体积全干干缩率最大，50号杨径向气干干缩率最大，桑巨杨全干干缩率最小，50号杨干缩差异最小。

3)50号杨、N179杨和桑巨杨干缩差异在气干与全干状态下沿髓心向外均呈先增加后减小的趋势，中林46杨呈逐渐增加的趋势，108杨和南杨则呈先减小后增加的趋势。方差分析结果表明，不同无性系杨树木材之间干缩率差异极显著。

4)6个杨树无性系木材基本密度与弦向气干干缩率和体积气干干缩率不相关，全干干缩差异与体积气干干缩率也不相关，其余密度指标与不同干缩性能指标之间都具有显著相关性。