间伐对油松木材密度与力学性能的影响

程利娟 王梦蕾 孙照斌

（1.隆化国有林场管理处十八里汰林场，河北 隆化 068150；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000）

随着世界性天然林资源的枯竭和国家天然林保护工程的实施，木材资源正经历着从主要来自天然林到人工林的巨大转变[1]，人工林木材的大量利用已成为解决木材供需矛盾的重要途径[3]。油松（Pinus tabuliformis）是河北省北部山区主要造林树种，具有生长快，材质好，适应性强等特点，张晓文[4]等对不同树龄油松材性研究发现：油松材性处于中等或较高级别,可满足建筑用材的需要。

抚育间伐[7]是指在人工林的幼龄林至成熟林期间，每隔一段时间伐除林区内的部分林木，提供更适宜的人工林生长环境，使其有助于剩余林木的生长和发育，从而实现人工定向培育的目标，满足日后使用需要。抚育间伐是一项重要的森林经营管理措施，能够调整林分密度和林分结构[8]，减少林木间的竞争，同时还会改变林内环境，影响群落结构及生物多样性[9]等。目前大部分学者对油松的研究多集中在抚育间伐树木生长[10]、碳储量[11]、土壤性质[12]等方面，对间伐后油松木材材性的研究较少。

本研究选取河北省冀北山区大力推广的油松人工林进行密度和力学特性的研究，分析密度与力学特性之间的相关性，为油松人工林的定向培育以及木质改良提供理论依据，同时为油松加工利用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料取自河北省承德市茅荆坝林场。在相同立地条件的油松人工林林分中，分别在经过抚育间伐、未经过抚育间伐的林地中设置标准地，标准地面积为50 m×50 m，间伐时间在2008 年，每块标准地选取3 棵平均木作为样木（表1）。原木运回实验室进行试材加工。

1.2 试样制取

在伐倒的样木上截取两段长为1.3 m 的原木作为试材。第一段自伐根0.7m 处以上部位截取，第二段自枝下高以下部位截取，并量出各段的小头直径。木段的锯截方法：按照《GB/T 1929-2009 试材锯解及试样截取方法》中4.3 的规定。

密度与力学性能测定 参照国家标准GB/T 1929-2009《木材物理力学试件锯解及试样截取方法》中规定制取试样，木材密度根据《GB/T 1933-2009 木材密度测定方法》进行测定，木材抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、横纹全部抗压强度、横纹局部抗压强度、硬度依据国家标准GB/T1935~1941-2009《木材物理力学试验方法》进行测定。

1.3 数据处理与分析方法

采用Excel2007 软件、SPSS20.0 等软件进行数据处理、方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 木材密度和力学特性

2.1.1 密 度

由图1 可知，无论间伐与未间伐油松的树干下部的气干密度、绝干密度和基本密度均高于上部；间伐后，油松上部和下部的气干密度、绝干密度和基本密度均高于未间伐油松。由表2 可知，间伐油松的气干密度、绝干密度和基本密度均高于非间伐油松。其中间伐油松和非间伐油松的气干密度分别是0.55、0.50 g/cm3，基本密度分别是0.45、0.42 g/cm3。按木材材性分级规定为Ⅱ级[13-15]。木材造纸要求[16]密度适宜范围为0.40~0.60 g/cm3，间伐与未间伐油松均符合要求。由方差分析可知，间伐与未间伐油松的气干密度差异显著（P＜0.05），全干密度和基本密度差异不显著。

图1 间伐与未间伐油松木材密度

2.1.2 力学特性

由图2 可知，随着树干部位的增高，不论是间伐还是未间伐油松，抗弯强度变小；相同部位间伐油松抗弯强度大于未间伐油松。不论是间伐还是未间伐油松，下部抗弯弹性模量均大于上部，其中间伐油松抗弯弹性模量大于非间伐油松。相同部位的间伐油松比非间伐油松的顺纹抗压强度大。相同部位，径弦向的对比发现不论间伐还是未间伐油松，弦向横纹全部抗压强度均小于径向横纹全部抗压强度。相同部位的间伐油松比未间伐油松的弦向横纹局部抗压强度大，径向横纹局部抗压强度也大。不论是间伐还是未间伐油松，其表面硬度端面均大于弦面和径面。树干高度上不同部位间硬度比较，不论弦面、径面还是端面，表面硬度最大的都是树干下部,最小的是树干上部。

图2 间伐与未间伐油松不同部位木材力学强度

由表2 可知，不论是抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、横纹全部抗压强度、横纹局部抗压强度和硬度，间伐油松均大于未间伐。间伐油松的抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度比未间伐分别高1.57%、2.73%、32.30%；对于横纹抗压强度，间伐油松径向横纹抗压强度比未间伐高15.04%；弦向横纹抗压强度比未间伐高22.19%。径向横纹局部抗压强度间伐比未间伐高32.04%，弦向横纹局部抗压强度间伐比未间伐高26.67%；对于硬度而言，间伐比未间伐油松的弦面硬度、径面硬度和端面硬度分别高49.80%、59.77%和38.48%。

由方差分析可知，间伐与未间伐油松顺纹抗压强度与弦向横纹局部抗压强度呈显著差异（P＜0.05），抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度均呈极显著差异（P＜0.001），其余力学指标差异不显著。综上，间伐对顺纹抗压强度、横纹抗压强度、硬度等指标影响较大，对抗弯强度和抗弯弹性模量影响较小。

2.2 相关性分析

由表3 可知，间伐与未间伐油松的基本密度与抗弯强度呈显著正相关，相关性系数分别为0.352和0.130；其中间伐油松的基本密度与横纹弦向全部抗压强度和横纹弦向局部抗压强度呈极显著负相关，相关性系数分别为-0.483 和-0.476；与径向硬度呈显著正相关，相关性系数为0.297。而未间伐油松的基本密度与横纹弦向局部抗压强度呈极显著正相关，相关性系数为0.481。间伐与未间伐油松的基本密度与其他力学指标呈不显著相关。

表3 油松木材基本密度与力学特性之间的相关性分析

2.3 油松较其他松木树种比较

由表4 可知，根据木材物理力学指标分级标准[17-20]，通过与落叶松、樟子松和红松进行对比，间伐油松、未间伐油松、樟子松、红松气干密度和基本密度为Ⅱ级，落叶松为Ⅲ级；抗弯强度和抗弯弹性模量樟子松、红松为Ⅱ级，间伐与未间伐油松和落叶松为Ⅲ级；顺纹抗压强度：未间伐油松、樟子松、红松为Ⅱ级，间伐油松为Ⅲ级，落叶松为Ⅳ级。冀北油松木材的气干密度、基本密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均处于中等偏上，仅次于落叶松。而横纹抗压强度在径向上的表现最好，优于其他三种树种，在弦向上仅次于落叶松。鉴于油松力学性能较好，可作建筑、造船等用材，且间伐油松优于未间伐。

表4 油松和不同树种松木木材物理力学性质比较

3 结 论

无论间伐与未间伐油松树干下部的气干密度、绝干密度和基本密度均高于上部；间伐油松的气干密度、绝干密度和基本密度均高于非间伐油松。间伐与未间伐油松的树干下部力学性能均高于上部；间伐油松的力学性能均大于未间伐；间伐对顺纹抗压强度、横纹抗压强度、硬度等指标影响较大；对抗弯强度和抗弯弹性模量影响较小。油松力学性能较好，可作建筑、造船等用材。间伐与未间伐油松的基本密度与抗弯强度、横纹局部抗压强度相关性较大，与其他力学指标相关性较小。