杉木速生无性系30年生木材材性的比较

2021-11-06赵林峰高建亮

中南林业科技大学学报 2021年8期

赵林峰，高建亮

（湖南环境生物职业技术学院，湖南衡阳 421005）

近年来，国内学者对杉木Cunninghamia lanceolata无性系木材材性进行过许多研究。田荆祥等[1]研究了9年生杉木无性系与实生林的木材材性后认为：有的无性系材性比实生林好，有的却差于实生林；赵承开等[2]研究了杉木无性系19年生木材的基本密度和木材材性后认为：随着年龄的增长无性系的材性与实生林差异变小，且各无性系之间的木材材性有一定的差异；施季森等[3]研究了杉木实生林15年生前的生长性状与材性的相关性；边黎明等[4]测定16年生杉木实生林的弹性模量达到3.87 GPa；龚迎春等[5]测定24年生杉木实生林木材的抗弯强度是43.42～48.72 MPa；韦如萍等[6]认为：杉木在56年生之前木材密度随年龄增长而增大，56年生后则随年龄增长而降低；梁宏温等[7]认为：杉木木材的抗压程度高，大于秃杉1.5%～17.5%，且这种情形会随着林龄的增加而增大；林金国等[8]认为：木材材性随年龄增长而增大；杉木12年生木材的顺纹抗压强度是29.9 MPa，17年生则达到了34.5 MPa。

木材是一种生物材料，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[9]。木材的经济价值是由木材的材性决定的[10]。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[11]。

作者根据湖南省金洞林场7 个30年生杉木速生无性系与杉木实生林的木材材性试验结果，比较了各无性系之间的木材材性差异后认为：无性系不同，其木材材性差异十分明显。

1 材料与方法

1.1 立地条件

湖南省金洞林场的地处110°53′43″E，26°21′37″N，属中亚热带东南季风湿润性气候，年均气温18℃，年均降雨量1 000～1 800 mm，年均蒸发量1 225 mm，年均有效日照时数为1 617 h，相对湿度75%～82%。土壤属森林黄壤，厚30～60 cm，pH 值4.5～5.5。

1.2 试样来源

本次选出的7 个杉木速生无性系和1 个对照（实生林，下同）均来自于1986年11月整地，1987年2月营造的杉木无性系田间试验林。无性系原株是湖南省会同县种子园的种子在湖南省永州市生产性苗圃中按1/50 000 比例选出的1年生超级苗。原株用人工促萌方式促进根颈部“隐芽”萌发，待萌芽条生长到5～12 cm 时进行扦插育苗。每一原株的分生株扦插为1 个无性系。对照是金洞林场杉木嫁接种子园种子在本地培育的1年生时健壮实生苗。

在同一坡向、坡位的土壤上设计3 个试验区，每一试验区按抽签的方式安排无性系和对照，5 株小区，6 次重复，即每一无性系有30 株参与试验，对照是90 株。试验林不补植。

1.3 试样选择

无性系和对照CK 试样是2016年10月从30年生无性系田间试验林中选择的。在参试的131个无性系中按H≥CK5%、D1.3≥CK10%、V立≥CK20%的标准选出了7 个速生无性系。根据每一速生无性系的平均值在6 个重复中选择有代表性的、较接近平均值的样株3 株，于2016年11月进行伐倒；对照CK 也按同样的方式在整个试验林分中选择样株3 株，同时伐倒。

1.4 样本截取方法

按GB/T1927-2009《木材物理力学试件采集方法》的规定，样树伐倒后在伐根以上部分截取1.3 m 长的圆筒一段，送中南林业科技大学木材实验室按木材测试规定制作样材，再按顺纹方向锯解成试件。各项目的测试试件数按GB/T1928-2009公式计算（变异系数取10%～12%）。

试件数：N=V2T2/P2，式中V为待测项目性质的变异系数，T为结果可靠性指标（取1.96），P为准确指数（取5%）。准确指数P=2(ST/X)×100%，式中X为测试结果平均值，ST为平均值的标准误差。

1.5 材性指标和测定方法

本研究所进行的木材材性测试的指标主要有气干密度、基本密度、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、弹性模量、横纹全部抗压强度（弦向、径向）、横纹局部抗压强度（弦向、径向）共10 项。性能测试分别按照GB/T1933-2009《木材密度测定方法》、GB/T1938-2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》、GB/T1935-2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T1936.1-2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T1939-2009《木材横纹抗压强度试验方法》进行。

1.6 数据统计方法

数据采用Excel 2016、SPSS 25.0 等软件进行试验数据统计和方差分析。通过比较不同无性系木材材性的各项计算结果，了解各无性系之间30年生木材物理力学性质的优劣。

2 结果与分析

2.1 样树的基本情况

速生无性系样树和对照CK 的基本情况统计见表1。由表1可知，30年生无性系平均树高19.01 m，对照CK 是17.30 m，无性系是CK 的109.88%；无性系平均胸径是26.82 cm，对照CK 是23.57 cm，无性系是CK 的113.79%；无性系平均单株立木蓄积是0.527 3 m3，对照CK 是0.380 9 m3，无性系是CK 的138.43%。因此，所选择的无性系属于速生无性系范畴。

表1 样树基本情况Table 1 The basic situation of 30 a sample tree

2.2 木材密度

木材密度反应了木材的致密程度，与木材力学强度呈正向相关，是判断木材工艺性质和物理力学性质的重要指标[12-13]，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[14]。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[15]。由表2可知，气干密度：速生无性系的均值是0.409 g·cm-3（范围0.372～0.449 g·cm-3），对照是0.412 g·cm-3（范围0.380～0.436 g·cm-3），速生无性系均值小于对照0.97%，但有4 个速生无性系的气干密度大于对照；而基本密度：速生无性系的均值是0.332 g·cm-3（范围0.301～0.355 g·cm-3），对照是0.334 g·cm-3（范围0.308～0.353 g·cm-3），速生无性系均值小于对照0.60%，也有4 个速生无性系大于对照。密度在前3 位的速生无性系是79172、7922 和79182；从密度的平均值来看：30年生时速生无性系木材与实生林木材无差异，且木材密度的测试样本变异系数都低于10%，说明木材分散程度比较均匀，能大大降低木材加工的难度。

表2 杉木木材密度Table 2 The air-dry and basic density

2.3 木材抗弯强度和弹性模量

抗弯强度体现了木材承受静力弯曲荷载的最大能力，木材弹性模量是指木材在比例极限内抵抗弯曲变形的能力，木材作为结构用材优劣程度判定的重要力学强度指标[16]。从表3可知，抗弯强度分析：速生无性系的均值是70.652 MPa（范围61.41～82.52 MPa），对照是70.708 MPa（范围68.99～73.81 MPa），速生无性系均值小于对照0.07%，有4 个速生无性系大于对照。弹性模量分析：速生无性系的均值是8.298 GPa（范围7.472～9.119 GPa），对照是8.262 GPa（范围7.958～8.458 GPa），速生无性系均值大于对照0.43%，大于对照的速生无性系也是4 个，都处于前3 位的是7922、79173 和79172。从木材的抗弯强度和木材的弹性模量来看：30年生时速生无性系木材与实生林木材无差异。速生无性系试件的变异系数均低于5%，说明30年生杉木木材抗弯强度和弹性模量的分散程度比较均匀。

表3 木材抗弯强度和弹性模量Table 3 The modulus of rupture and modulus of elasticity parallel to grain

2.4 木材顺纹抗压、抗拉强度

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[17]。由表4可知，木材顺纹抗压强度分析：速生无性系均值是46.56 MPa（范围42.01～51.98 MPa），对照是46.78 MPa（范围43.59～48.97 MPa），速生无性系均值小于对照0.47%，但79172 和7922 大于对照。木材顺纹抗拉强度分析：速生无性系均值是104.30 MPa（范围89.38～119.43 MPa），对照是104.84 MPa（范围96.49～109.68 MPa），速生无性系均值小于对照0.51%，但79172、7922、7911 和79173 大于对照。就木材顺纹抗拉、抗压强度来看：30年生时速生无性系和对照木材没有差异。

表4 木材顺纹抗拉和顺纹抗压强度Table 4 The tensile strength and compression strength parallel to grain

2.5 木材横纹全部抗压强度（弦向、径向）

由表5可知，弦向抗压：速生无性系均值是2.06 MPa（范围1.69～2.45 MPa），对照是2.06 MPa（范围1.99～2.24 MPa），速生无性系均值与对照一般，其中79172、7922 和79173 大于对照。径向抗压：速生系均值是1.91 MPa（范围1.49～2.18 MPa），对照是1.90 MPa（范围1.78～2.05MPa），速生无性系均值大于对照0.53%，其中79172、7922、79173 和79182 都大于对照。从木材横纹全部抗压强度来看；速生无性系林与实生林无差异。速生无性系试件的木材横纹全部抗压强度的变异系数都低于5.0%，说明木材横纹全部抗压强度比较强。

表5 木材横纹全部抗压强度Table 5 The compression strength prependicular (on radial and on flat)

2.6 木材横纹局部抗压强度（弦向、径向）

从表6可知，弦向抗压：速生无性系均值是3.46 MPa（范围3.05～3.72 MPa），对照是3.47 MPa（范围3.36～3.64 MPa），速生无性系均值小于对照-0.29%，但7922、79172、79173、79182和8219 大于对照。径向抗压：速生无性系均值是3.29 MPa（范围3.05～3.65 MPa），对照是3.34 MPa（范围3.10～3.48 MPa），速生无性系均值小于对照-0.49%，但7922、79172、79173 都大于对照。从木材横纹全部抗压强度来看；速生无性系林与实生林无差异。速生系木材横纹局部抗压强度的变异系数都低于5.0%，说明木材横纹局部抗压强度比较均匀。

表6 木材横纹局部抗压强度Table 6 The compression strength prependicular to grain on localcross (on radial and on flat)

2.7 优良无性系木材材性方差分析

在方差分析的基础上进行遗传参数估算是林木遗传育种重要的遗传变异分析方法之一[18]。从表7可知，对7 个速生无性系在30年生时的木材材性方差分析表明：无性系品种不同，其木材材性是不同的，即各无性系之间的木材材性存在有差异或显著性差异。在95%的可靠性估计下，各无性系间有显著差异的材性项目是密度、顺纹抗压和抗拉及局部抗压（弦向、径向）；有极显著差异的材性项目是顺纹抗弯和弹性模量、全部抗压（弦向、径向）。在生产中可通过无性系间的材性差异来筛选无性系良种。

表7 杉木优良无性系木材材性方差分析†Table 7 Variance analysis of wood properties of fine clones of Cunninghamia lanceolata

3 结论与讨论

3.1 结论

1）本研究发现，30年生时速生无性系材性测定均值与实生林测定值的差异在±1%，根据《国产树种分级规格材强度设计值和弹性模量要求》和《木材力学性质分级表》等标准的规定，它们应属于同一木材等级。

2）7 个速生无性系间在30年生时的木材材性存在着差异，有的表现出极显著差异。其中有显著差异的材性项目是密度、顺纹抗压和抗拉强度、横纹局部抗压（弦向、径向）；有极显著差异的材性项目是抗弯强度和弹性模量、横纹全部抗压（弦向、径向）。表明此次试验的评选具有较大价值，可以通过无性系间的差异进行筛选，能得到生长好、材性优的良种。

3）木材的密度能一定程度上反映出环境信息[19]，对木材的物理性质也有决定性影响，对林木材性育种与遗传改良也有重要的指导意义[9]，速生无性系木材的基本密度、气干密度分别为0.409 g·cm-3和0.332 g·cm-3，根据我国木材气干密度［16］的分级情况可知，气干密度属于国产木材的轻量水平，较易发生干裂，其尺寸稳定性一般。

4）杉木速生无性系木材的抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度分别为70.724 MPa、9.119 GPa、46.71 MPa、104.74 MPa；其木材的弦向和径向的横纹全部抗压强度和局部抗压强度分别为2.06、1.91、3.47、3.32 MPa，且弦向抗压能力明显大于径面的抗压能力[9，20]。根据《木材材性分级规定》可知，其综合强度在强度和硬度方面均属一般水平或中等水平。

5）从木材材性测试结果中可以看出：杉木速生无性系各种木材材性与木材密度紧密相关，如木材密度处于前3 位的无性系7922、79172 和79173 中，其中79172 和7922 的各种木材材性数值均处在前3 位，选择时可以重点加以考虑。