秦黑杨杂交新品种木材纤维形态及物理力学性质

冯德君，赵泾峰，陈卫华

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100)

美洲黑杨(Populusdeltoides)是我国上世纪引进的速生杨树树种，具有适应性强、生长迅速、材质优良和高产等特点，可作制浆造纸及人造板制造的原料，是速生用材及绿化造林的主要树种，具有良好的经济和生态效益，在我国杨树产业中占有重要的地位[1-2]。

秦黑卜杨(P.deltoides×P.purdomii)、秦黑青杨1号(P.deltoides×P.cathayana)和秦黑青杨2号(P.deltoides×P.cathayana)是由西北农林科技大学林学院杨树育种课题组按照严格育种程序，历时12 a，从美洲黑杨×卜氏杨、美洲黑杨×青杨杂交组合中选育出的3个杨树派间杂交新品种[3]。

秦黑卜杨、秦黑青杨1号、秦黑青杨2号3个杂交新品种的主要特点是干型通直圆满，生长迅速(5年生树木材积生长量分别比当地同类生产主栽品种陕林4号(P.deltoides×P.cathayana)大139.01%、28.97%、47.42%)。现有区域栽培试验表明，上述3个秦黑杨杂交新品种在陕西延安以南、青海西宁及周边较高海拔相似气候区均生长良好。同时，秦黑青杨1号和2号枝叶繁茂，树皮光滑、翠绿，高抗溃疡病，观赏价值大，也可用作很好的风景园林树种[4]。

为了更好地体现速生秦黑杨杂交新品种成材后的利用优势，对秦黑杨杂交新品种木材的材性和纤维形态进行系统研究，并与当地同类主栽杨树品种陕林4号对比分析，为秦黑杨杂交新品种的推广种植、加工利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料采集于西北农林科技大学周至渭河试验站6～7年生的对比试验林，其中秦黑卜杨、秦黑青杨1号、秦黑青杨2号及对照样陕林4号各2株，共8株(表1)。

1.2 测定方法

在试材1.3 m处截取5 cm厚圆盘，沿南北向截取3 cm中心木条，分年轮劈成火柴棍大小的试样，南北向混合，采用硝酸-氯酸钾法分离木纤维，制成简易切片，在光学显微镜下随机测定50根木纤维的长度、宽度，并对数据进行计算及分析。

将试材按照国家标准GB/T1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》进行初步加工，加工后的试材毛坯在实验室阴凉通风处进行堆垛气干放置，直到试样达到气干，再按照国家标准GB/T1930-1941-2009《木材物理力学性质试验方法》加工试样，主要测定的物理力学性能指标有气干密度、全干干缩率及干缩系数(弦向、径向、体积)、顺纹抗压强度、横纹(全部)抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量。其中试样数量按照国家标准GB/T1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》中所需要试样数为准，密度试样各20个、干缩试样各120个、顺纹抗压强度试样各30个、横纹(全部)抗压强度各65个、抗弯强度及抗弯弹性模量试样各65个。以上各项力学性质在万能力学试验机上测定，试验结果均换算成含水率为12%时的数据。

表1 样木基本情况Table 1 Basic situations of the sample trees

2 结果与分析

2.1 秦黑杨杂交新品种木材纤维形态

纤维形态是木材作为造纸和纤维工业必须要考虑的性能指标，纤维越长、长宽比越大的制品强度越好。3种秦黑杨及陕林4号木材纤维测定结果见表2。

木材纤维是起着支撑树体和给木材提供强度的作用，木材纤维长度的变化规律是树木年轮材质分析的主要参数之一，同时也是反映木材及其利用价值的重要指标。在造纸工业中，纤维长度对纸张的拉伸强度和撕裂度都有着极强的相关性，并且细长的纤维能提高纤维柔韧性使纸张形成良好的粘结性。由表2可知，3种秦黑杨新品种的木纤维长度为987.5～1 087 μm，均大于陕林4号的935 μm；秦黑青杨1号和秦黑青杨2号明显大于秦黑卜杨。仅从木纤维长度来讲，作为造纸和纤维工业3种秦黑杨新品种要优于陕林4号，秦黑青杨1号和秦黑青杨2号要优于秦黑卜杨。依据木材解剖分子分级规定[5]，4种杨木的木纤维长度均在900～1 600 μm，属于中等长度木纤维。

表2 木材纤维测定结果Table 2 Wood fiber morphologies

由表2可知，随着树龄的增加，4种杨木纤维长宽比变异规律基本一致，整体呈上升趋势，变化幅度较小，曲线较为平缓。木纤维长宽比大的，制品的强度较高；3种秦黑杨木纤维长宽比为41.3～42.75，略小于陕林4号的44.9；仅从木纤维长宽比考虑，陕林4号略优于3种秦黑杨。按照造纸原料标准，木纤维长宽比>33，纸张交织较好，强度较高，说明4种杨木均为优良的造纸原料。

武恒等[6]研究人工林杨树12个无性系木材纤维形态；潘存娥[7]研究新疆几种杨树品种纤维形态，长度均为中等长度(900～1 600 μm)，长宽比均在36.0～50.7，具有相同的研究结果。

2.2 秦黑杨杂交新品种木材物理力学性质

根据试验结果，3种秦黑杨及陕林4号木材各项物理性质指标见表3。

2.2.1 密度 由表3可知，3种新培育的秦黑杨木材的气干密度为0.42～0.44 g/cm3，小于陕林4号的0.49 g/cm3，这样的气干密度在杨树品种中已经算中等，密度越大，木材的强度越大；依据木材材性分级规定[5]，4种杨木气干密度均在0.36～0.55 g/cm3，属于小密度范围。

表3 秦黑杨等4种木材气干密度与干缩系数Table 3 Air dry density and shrinkage coefficients of the woods

2.2.2 木材干缩性能 由表3可知，4种杨木弦向、径向、体积干缩系数大小依次为秦黑卜杨>秦黑青杨1号>秦黑青杨2号>陕林4号，从木材利用来讲木材干缩越小越好，3种新培育的秦黑杨的弦向、径向、体积干缩系数均大于陕林4号，仅从木材干缩来讲，秦黑青杨2号是3种秦黑杨新品种中最小的，也是最接近陕林4号的干缩性能的；从4种杨木的弦向、径向、体积干缩系数来看，都是相对较小的。依据木材材性分级规定[5]，4种杨木体积干缩系数均<0.45%，属于小干缩系数范围。

木材力学性能是木材抵抗使其改变大小和形状的外力的能力，即木材适应外力作用的能力[8]。3种秦黑杨与陕林4号木材主要力学性能结果见表4。

表4 木材主要力学性能测定结果Table 4 Mechanical properties of the woods MPa

2.2.3 顺纹抗压强度 从表4可知，3种秦黑杨新品种的顺纹抗压强度为34.79～36.21 MPa，均小于陕林4号的46.29 MPa，3种秦黑杨的顺纹抗压强度只有陕林4号的75%～78%；依据木材物理力学性质分级表[9]，4种杨木顺纹抗压强度均在33.9～50.7 MPa，属于低强度范围。作为结构用木材，陕林4号杨木的顺纹抗压强度就比较小，3种秦黑杨新品种顺纹抗压强度更小，说明不适合。

2.2.4 横纹(全部)抗压强度 由表4可知，4种杨木的径向横纹(全部)抗压强度都是大于弦向横纹(全部)抗压强度，杨木是散孔材，早晚材缓变，早晚材差距很小，径向横纹(全部)抗压强度大于弦向，主要是木射线的作用；4种杨木径向和弦向的横纹(全部)抗压强度从大到小的顺序为陕林4号>秦黑青杨2号>秦黑卜杨>秦黑青杨1号。

2.2.5 抗弯强度 由表4可知，3种秦黑杨新品种的抗弯强度为60.52～63.18 MPa，均小于陕林4号的81.34 MPa，3种秦黑杨的抗弯强度只有陕林4号的74.4%～77.7%；依据木材物理力学性质分级表[9]，4种杨木的抗弯强度均在60.5～98.8 MPa的范围内，属于低强度的范围。作为结构用木材，这个抗弯强度值太低。

2.2.6 抗弯弹性模量 由表4可知，3种秦黑杨新品种的抗弯弹性模量为6 339.31～6 896.67 MPa，均小于陕林4号的8 082.40 MPa，3种秦黑杨新品种的抗弯弹性模量只有陕林4号的78.4%～85.3%；我国阔叶树材大多数树种的抗弯弹性模量在8.0～14 GPa[10]，4种杨木只有陕林4号在此区间，3种秦黑杨新品种均<8.0 GPa。

2.2.7 木材综合强度 木材作为承重构件时，必须考虑其顺纹抗压强度和抗弯强度，所以通常用顺纹抗压强度和抗弯强度之和来表示木材的综合强度，以表明木材强度品质等级[11]。由表4可知，3种秦黑杨新品种的木材综合强度为95.31～99.64 MPa，均小于陕林4号的127.63 MPa，3种秦黑杨新品种的木材综合强度只有陕林4号的74.7%～78.1%；依据木材材性分级标准[12]，3种秦黑杨新品种木材的综合强度均<108 MPa，属于强度低的范围；陕林4号木材的综合强度在108～167 MPa，属于中等强度范围。作为结构用木材来讲，3种秦黑杨新品种木材的综合强度与陕林4号有很大差距。

3 结论

木材的利用主要是2个方面：一是作为纤维工业用材，二是作为结构用木材。从结构用木材考虑，密度大、干缩小、强度大者为好[13]。木材密度的大小对木材物理力学性质以及木材加工工艺性质有直接影响[14]，同时木材密度与力学性质之间存在正相关系[15]。

从纤维工业和造纸用材的要求考虑，木纤维越长，长宽比越大的制品强度越高[16]。3种秦黑杨的木纤维长度略大于陕林4号的，而3种秦黑杨的木纤维长宽比又略小于陕林4号，综合木纤维长度和木纤维长宽比来考虑，4种杨木都是很好的纤维工业和造纸用材。

4种杨树中，陕林4号的气干密度、顺纹抗压强度、横纹(全部)径向与弦向抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、木材综合强度均大于3种秦黑杨新品种，陕林4号干缩同时小于3种秦黑杨新品种；从木材主要物理力学性能来看，作为结构用木材，陕林4号明显要优于3种秦黑杨新品种；3种秦黑杨新品种相互比较，秦黑卜杨性能略优于秦黑青杨1号和秦黑青杨2号。