温州40 年生降香木材物理力学性质研究

李效文，唐荣强，王金旺，陈秋夏，方崇荣

（1.浙江省亚热带作物研究所，浙江 温州 325005；2.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023）

降香Dalbergia odorifera为豆科Leguminosae 黄檀属Dalbergia半落叶大乔木，又称海南黄花梨、降香黄檀[1]，是国家二级保护野生植物。国标《红木》（GB/T 181 07—2017）将其木材归为香枝木类红木，心材呈红褐色或深红褐色，质地坚硬、花纹细密美观、具特殊芳香气味等，明亮度较高[2]，是高档家具、工艺品和装饰用材，也为传统中药与名贵香料。浙江省温州市地处东海之滨，中亚热带南缘，1976 年从当时的广西林科所引种了一批降香。目前，这批引种的降香尚存23 株大树，每年开花结实和自然落种繁育，为文献报道降香引种成功的最北缘地区[3]。

作为珍贵红木用材树种，引种地心材质量能否达到了相关标准是评价其推广应用前景的核心要素。前人的研究结果表明，降香心材开始形成的时间为6—8 年生时，在20—40 年生时增长速度较快，且其心材径、面积心材比率、径心材比率与树龄呈现出极显著的正相关关系[4-5]。心材的形成是一个极其复杂的过程，包括薄壁组织死亡、乙烯等代谢物的产生、部分酶活性的变化、营养元素的迁移积累和侵填体的产生等[6]。除遗传因素的影响外，主要受生长地区气候、立地条件、抚育措施等影响，逆境胁迫带来植物体内激素水平的变化可以促进或调控其心材的形成[7-8]。由于受试样少、取样成本高等限制，对降香心材特性的研究很少[9-11]，特别是对温州引种的降香心材的物理性状的研究更未见报道。本文对温州引种40 年生降香心材率和木材性质进行了系统的测定，验证其在最北缘引种地区的心材生长情况，丰富不同地区和年龄的降香木材性质，更为降香在温州种植和可持续发展提供科学支持。

1 材料与方法

1.1 材料

试材采自于浙江省温州市瓯海区景山公园（28°0′8″ N，120°37′49″ E），属亚热带海洋性季风气候，年降水量为1 700～1 900 mm，年均气温为17.9℃，最低温在1—2 月，城区历史最低温度为-3.9℃，年低温天数少、历时短。

降香生长地点的海拔为50 m，坡向为西北山坡，坡度为5°，土壤为红壤，土层厚，种植后粗放管理，林下有众多落种繁殖的株苗，自成小群落。2016 年5 月，砍伐1 株株龄为40 a、株高为9.65 m、基部长短径为26 cm×23 cm 的降香，室内放置3 a 至气干状态后进行制样、测定。

1.2 心材率测定

样株树干在距离地面1.15 m 高度处分为2 枝，且枝丫弯曲，采伐时在各弯曲处切割。用钢卷尺测定树干断面、心材断面的长径和短径，以平均直径计算圆面积[10]。

心材率(%)＝心材面积/横切面总面积×100。

1.3 木材物理力学性质测定

1.3.1 试验设计 木材均具有一定的变异性，作为珍稀名贵木材的降香也不例外，尤其是心材与边材、主干材与枝丫材的物理力学性质不同。由于木材利用领域和评价范畴不同，对材性的要求也不同，从“红木”来定位，只有密度、结构和材色（以在大气中变深的材色分类）符合《红木》GB/T 18107—2017 规定的心材才属于红木范畴；从“红木制品”角度，理想状态的红木制品不应有边材（背面允许不超过部件的10%）。鉴于红木树种资源匮乏以及提高木材利用率应用现状等考虑，降香主干的心材、边材以及枝丫材均应得到物尽其用，以减少资源浪费。为此，本文研究测试了降香主干心材、主干边材和枝丫材等不同部位的物理力学性质并对其进行比较，为人工林降香的加工利用提供参考依据。考虑到主干直径较大，可以制作足够数量的试件，将主干的心材、边材分组测试；枝丫材直径较小且弯曲度高，心材占比较小，受试材条件和试件尺寸要求的限制，无法锯解成心边材分明的试件，故枝丫材的心材、边材未进行分组测试。

1.3.2 试样制备与测试方法 在降香样株的各试样木段，按标准裁取若干尺寸为20 mm×20 mm×300 mm 的试件，将其置于恒温恒湿箱内（温度为20±2℃，相对湿度为65%±5%）进行含水率平衡，试验时试样的含水率为12.5%。最终按国家标准将试验结果换算至12%含水率的数值。

木材试件的气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、全部横纹抗压强度分别按《木材密度测定方法》（GB/T 19 33—2009）《木材抗弯强度试验方法》（GB/T 1936.1—2009）《木材抗弯弹性模量测定方法》（GB/T 1936.2—2009）《木材顺纹抗压强度试验方法》（GB/T 1935—2009）《木材横纹抗压强度试验方法》（GB/T 1939—2009）进行测定。

1.4 相关性分析

采用SPSS 17.0 中双变量相关性程序，分析各木材力学指标与气干密度之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同高度的心材率变化

降香样株不同高度处的心材率的计算结果见表1。

表1 降香样株不同高度处的心材率Table 1 Heartwood percentage of D.odorifera trunk at different height

由表1 可知，降香主干的心材率随着树高的增加而减小，在树干基部的心材率最大，为45.36%，在树高1.15 m 处的心材率为27.55%。

两个枝丫的心材率和心材高度存在一定的差异。枝丫1 的心材最高在树高约6.5 m 处，此处的心材率仅为1.1%，树高6.5 m 以下的平均心材率为16.19%；枝丫2 的心材最高在树高约为6 m，此处的心材率仅为0.33%，树高6 m 以下的平均心材率为10.45%；心材率随着枝丫高度的增加而减小，且同一枝丫部分节点的心材率存在较大的波动。此外，两个枝丫相似高度处的心材率也存在较大的差异，如枝丫2 的3.5～4.5 m 高度处的心材率为枝丫1 相同高度处的2 倍以上。

2.2 木材物理力学性质分析

温州40 年生降香的木材物理力学性能测试结果，见表2。

由表2 可知，试样心材的气干密度范围为0.687～0.852 g·cm-3，平均值为0.792 g·cm-3；12 个心材测试件内，取自树干中下部的6 个测试件的气干密度超过《红木》GB/T 18107—2017 香枝木类的要求0.80 g·cm-3（含水率12%）。说明该样株心材气干密度整体接近或部分超过《红木》GB/T 18107—2017 规定香枝木类的密度要求。

表2 降香不同部位木材物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of different parts of D.odorifera

对主干部分而言，心材的平均气干密度（0.792 g·cm-3）大于边材的平均气干密度（0.736 g·cm-3），这是由于木材心材中抽提物的含量高于边材的；同样，样株主干的平均气干密度（0.764 g·cm-3）大于枝丫材的平均气干密度（0.721 g·cm-3），也是由于2 个部位的心材提取物含量不同而有所差异。

从力学性质数据可以看出，抗弯强度、顺纹抗压强度、全部横纹抗压强度（径向）、全部横纹抗压强度（弦向）4 个指标均表现为相同趋向规律，即主干心材 >主干边材 >枝丫材。对于抗弯强度，主干心材（106.47 MPa）>主干边材（96.83 MPa），主干材（101.65 MPa）>枝丫材（99.57 MPa）；对于顺纹抗压强度，主干心材（64.98 MPa）>主干边材（55.41 MPa），主干材（60.19 MPa）>枝丫材（54.49 MPa）；对于全部横纹抗压强度（径向），主干心材（15.68 MPa）>主干边材（12.10 MPa），主干材（13.89 MPa）>枝丫材（10.40 MPa）；对于全部横纹抗压强度（弦向），主干心材（15.02 MPa）>主干边材（10.30 MPa），主干材（12.66 MPa）>枝丫材（9.82 MPa）。由于木材密度是与单位体积内木材细胞壁物质数量相关的指标，是决定木材强度和刚度的基础性指标，木材强度和刚性随着木材密度的增大而增高，进一步分析也表明本样株的这4 个力学性质指标的测定结果与气干密度存在极显著正相关（表3），即4 项力学性质均随密度的增大而增大。此外，样株各部位试样（主干心材、主干边材、枝丫材）的全部横纹抗压强度径向均大于弦向，说明木射线对径向横纹抗压强度的增加起了作用。

抗弯弹性模量主干边材（10.8×103MPa）>主干心材（10.4×103MPa），主干材（10.62×103MPa）稍微大于枝丫材（10.59×103MPa）；进一步分析发现抗弯弹性模量与气干密度之间的相关性不显著（表3），这可能与部分主干心材存在少量“松软组织”有关。

表3 温州降香木材的力学性质与气干密度相关性分析Table 3 Correlation analysis on mechanical properties and air-dry density of D.odorifera

2.3 不同产地木材性质比较分析

比较广西柳州25 年生、广西南宁50 年生和浙江温州40 年生降香的木材性质（表4），发现不同产地和树龄样株的心材率、密度和力学性质存在较大的差异。温州40 年生降香样株根径处的心材率最大，且其平均心材率为南宁50 年生样株的约2 倍，但又远低于柳州25 年生样株的；温州40 年生样株主干心材的气干密度为0.792 g·cm-3，扣除12%的含水率后的基本密度为0.697 g·cm-3，介于柳州25 年生样株的心材基本密度0.729 g·cm-3与南宁50 年生样株的0.617 g·cm-3之间；除抗弯强度较弱外，温州40 年生样株木材的其他力学性质指标均强于南宁50 年生样株的（表4）。相较于降香主要分布和引种区域，温州和柳州等引种的北缘地区，年均降水量少和温度低，存在冬季低温胁迫，降香的生长速率会低，但心材率和木材物理力学性质反而更好。

表4 不同产地和树龄降香的木材特性比较Table 4 Comparison of D.odorifera wood properties from different producing area and different ages

3 结论与讨论

3.1 结论

随着降香树高的增加，温州40 年生样株的心材率逐渐减小，这与前人的研究具有共同规律[9-10]。树干基部的心材率最大，为45.36%，自下而上心材率逐渐减少，至树高6.5 m 处消失，树高6.5 m 以下的平均心材率为16.19%。此外，两个枝丫的心材率、心材消失的树干高度和相近高度处的心材率存在一定的差异，且部分节点处的心材率存在较大的波动。

温州40 年生降香样株主干心材的气干密度范围在0.687～0.852 g·cm-3，平均值为0.792 g·cm-3；取自中下部的6 个测试件的气干密度超过《红木》GB/T 18107—2017 规定香枝木类的要求0.80 g·cm-3（含水率12%）。温州40 年生样株主干材的气干密度（0.764 g·cm-3）属Ⅳ级(0.751～0.950 g·cm-3)，抗弯强度（101.6 MPa）属Ⅲ级（88.1～118.0 MPa），抗弯弹性模量（10.6×103MPa）属Ⅲ级（10.4×103～13.2×103MPa），顺纹抗压强度（60.2 MPa）属Ⅳ级（59.1～73.0 MPa）[12]，全部横纹抗压强度（径向）（12.7 MPa）、全部横纹抗压强度（弦向）（11.7 MPa）属中等。

温州40 年生降香样株木材的抗弯强度和抗弯弹性模量指标，心材大于边材；主干材大于枝丫材。但主干边材的抗弯强度略低于枝丫边材的，其原因是枝丫边材取样包括少许心材。

温州40 年生降香的抗压强度指标，顺纹抗压强度、横纹抗压强度（径向、弦向）3 个指标均呈现主干心材大于其边材、且大于枝丫材的趋势，均随密度的增大而增大。主干材与枝丫材的抗弯弹性模量受密度影响较为明显，主干心材和边材的抗弯弹性模量受密度影响的规律不明显。

降香在温州引种成功，材质优良，大多指标并不弱于广西等地的降香木材。说明在引种分布的北缘地区，降香的生长受到气候胁迫，更有利于心材的累积。

3.2 讨论

降香心材物质的形成和累积是个复杂的过程，需加强心材物质形成和运输、枝结和弯曲对心材影响等分析研究。不同生长立地环境、地理种源差异，甚至单株差异都能一定程度上影响其心材和木材性质。

在温州培植降香用材林完全能够实现，可在生境良好区域进行适度的推广种植。