不同林分長(zhǎng)白落葉松木材氣干密度和主要力學(xué)性質(zhì)的變異性與相關(guān)性

邵亞麗 ，邢新婷 ，趙榮軍 ，安 珍 ，上官蔚蔚

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材藝院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010010)

不同林分長(zhǎng)白落葉松木材氣干密度和主要力學(xué)性質(zhì)的變異性與相關(guān)性

邵亞麗1，2，邢新婷1，趙榮軍1，安 珍2，上官蔚蔚1

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材藝院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010010)

以4個(gè)不同林分密度下的9株長(zhǎng)白落葉松木材為實(shí)驗(yàn)材料，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 1927～1943—2009)對(duì)其抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和氣干密度等主要物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明:林分密度為580株/hm2的長(zhǎng)白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、氣干密度的均值均高于其他3個(gè)林分，而且氣干密度在四個(gè)不同林分間的差異水平均在0.01水平顯著。相反，林分密度為200株/hm2的長(zhǎng)白落葉松木材的各種物理力學(xué)均值最小。4個(gè)林分密度下的長(zhǎng)白落葉松木材主要力學(xué)性質(zhì)在縱向均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，方差分析表明抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度縱向上的變異在0.05水平顯著，順紋抗壓強(qiáng)度、氣干密度均在0.01水平顯著。長(zhǎng)白落葉松木材的氣干密度與抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度呈線(xiàn)性正相關(guān)，決定系數(shù)分別為0.652、0.562 和 0.736。

長(zhǎng)白落葉松；力學(xué)性質(zhì)；氣干密度

落葉松Larix是寒溫帶及溫帶的樹(shù)種，在針葉樹(shù)種中最耐寒，垂直分布達(dá)到森林分布的最上限，我國(guó)落葉松的分布面積已超過(guò)1 050萬(wàn)hm2，蓄積量達(dá)到9.2億m3[1]。20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于落葉松的研究大多集中在營(yíng)林培育和解剖結(jié)構(gòu)方面的研究[2-3]。如今落葉松已成為我國(guó)短周期造紙材和建筑用材的重要栽培樹(shù)種，落葉松的研究也集中到制漿造紙和建筑用材上[4-5]。隨著木結(jié)構(gòu)建筑的迅猛發(fā)展，國(guó)家科技部將高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材的相關(guān)加工利用研究提上日程，與杉木、楊樹(shù)和桉樹(shù)等商品林樹(shù)種相比，落葉松樹(shù)干通直，力學(xué)強(qiáng)度高，開(kāi)展落葉松木材力學(xué)的研究對(duì)于開(kāi)發(fā)落葉松高強(qiáng)度材的研究更具有現(xiàn)實(shí)意義?？箯潖椥阅Ａ?MOE)、抗彎強(qiáng)度(MOR)、順紋抗壓強(qiáng)度均是木材重要的力學(xué)指標(biāo)。抗彎彈性模量應(yīng)用在計(jì)算梁及珩架在荷載下的變形和允許安全荷載，抗彎強(qiáng)度主要用于建筑物的珩架、橋梁和家具橫擋等易于彎曲構(gòu)件的設(shè)計(jì)?？箟簭?qiáng)度主要用于建筑、家具等承重梁的設(shè)計(jì)中。有鑒于此本研究系統(tǒng)比較了不同林分密度下長(zhǎng)白落葉松Larix olgensi Henry人工林木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和氣干密度，分析了不同林分密度對(duì)木材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度等主要力學(xué)性質(zhì)的影響及其變異規(guī)律，并對(duì)其氣干密度與力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)分析，為人工林的定向培育和加工利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

4個(gè)不同林分的長(zhǎng)白落葉松采自黑龍江省佳木斯市孟家崗林場(chǎng)，該林場(chǎng)為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地貌為低山丘陵區(qū)，年平均氣溫2.7℃，年平均降水量為550 mm，全年日照時(shí)數(shù)為1 955 h，無(wú)霜期120 d。試材采集地海拔高度170 ～ 575 m，地理坐標(biāo)為東經(jīng)130°32′42″ ～ 130°52′36″，北緯46°20′16″ ～ 46°30′50″。土壤大部分為暗棕壤，采伐樣木為每個(gè)林分各3株(具體樣木的生長(zhǎng)情況見(jiàn)表1)，共4個(gè)林分，每株樣木在1.3 m以上每隔2.5 m(1.3 m, 3.8 m, 6.3 m, 11.3 m,13.8 m)處截?cái)?，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，氣干后按照國(guó)標(biāo)方法(GB 1927～1943～ 2009)加工出抗彎強(qiáng)度(抗彎彈性模量)、順紋抗壓強(qiáng)度、氣干密度試樣并進(jìn)行測(cè)試。其中抗彎強(qiáng)度(抗彎彈性模量)尺寸為300 mm×20 mm×20 mm, 順紋抗壓強(qiáng)度尺寸為35 mm×20 mm×20 mm，密度尺寸為20 mm×20 mm×20 mm。

表1 不同林分長(zhǎng)白落葉松樣木生長(zhǎng)情況Table 1 Growth situation of Larix olgensi sample trees in different stands

1.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SAS軟件進(jìn)行。采用單因素方差分析和多因素方差分析方法分析了不同林分密度下木材縱向變異情況，利用回歸方程簡(jiǎn)單建立氣干密度與不同力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 株內(nèi)變異

2.1.1 抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度

表2是4個(gè)不同林分密度下長(zhǎng)白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度在株內(nèi)縱向上的統(tǒng)計(jì)分析表。從表中可知，4個(gè)林分密度下木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度在縱向均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

表2 不同林分密度下長(zhǎng)白落葉松木材縱向的物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 MOE, MOR, compressive strength, air-dried density of different stand Larix olgensi wood

圖1～4是4個(gè)林分長(zhǎng)白落葉松木材的三種力學(xué)強(qiáng)度在樹(shù)木縱向上的變異趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，4個(gè)不同林分密度下的長(zhǎng)白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度在縱向上均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，其中林分密度為200 株/hm2的第4林分與其它3個(gè)林分相比變化幅度較平緩。林分密度為580 株/hm2的不同力學(xué)指標(biāo)在縱向上的均值優(yōu)于其它3個(gè)林分，而第4林分則最差。

圖1 不同林分密度長(zhǎng)白落葉松木材抗彎彈性模量(MOE)縱向變異Fig.1 Longitudinal variation of MOE of different stand Larix olgensi wood

圖2 長(zhǎng)白落葉松不同林分密度木材抗彎強(qiáng)度(MOR)縱向變異Fig. 2 Longitudinal variation of MOR of different stand Larix olgensi wood

圖3 長(zhǎng)白落葉松不同林分密度木材順紋抗壓強(qiáng)度縱向變異Fig. 3 Longitudinal variation of compression strength parallel to grain of different stand Larix olgensi wood

2.1.2 氣干密度

從圖2中可以看出，4個(gè)不同林分密度下的氣干密度隨著樹(shù)木高度的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，第三林分的氣干密度從1.3 m到11.3 m呈現(xiàn)平滑的變化趨勢(shì)；第二林分、第四林分曲線(xiàn)基本一致呈現(xiàn)波浪式下降，總體變化不大；第一林分從1.3 m到7.3 m變化平緩，從7.3 m到9.3 m時(shí)出現(xiàn)急劇下降。從圖2可以看出，第三林分縱向上的氣干密度顯著優(yōu)于其它三個(gè)林分。

圖4 長(zhǎng)白落葉松不同林分密度木材氣干密度縱向變異Fig. 4 Longitudinal variation of air-dry density of different stand Larix olgensi wood

表3的方差分析表明，長(zhǎng)白落葉松三種力學(xué)指標(biāo)和氣干密度在縱向上的變異性均顯著，其中抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度在0.05水平下顯著，抗壓強(qiáng)度、氣干密度均在0.01水平下極顯著。

表3 長(zhǎng)白落葉松縱向木材物理力學(xué)性質(zhì)方差分析Table 3 Longitudinal variation of MOE, MOR, compression strength parallel to grain and air-dry density of different stand Larix olgensi wood

綜上所述，長(zhǎng)白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和氣干密度的均值在縱向的比較是第三林分＞第二林分＞第一林分＞第四林分，林分密度較大(第三林分為580株/hm2)的物理力學(xué)指標(biāo)在樹(shù)木縱向上均高于林分密度較小(第四林分為200 株/hm2)的木材，這與陳廣勝等[9]對(duì)于不同初植密度興安落葉松等對(duì)于生長(zhǎng)輪參數(shù)的研究一致，林分密度大的林分，生長(zhǎng)空間比較小，相應(yīng)獲得的水分、養(yǎng)分、光線(xiàn)較其它林分要少，則樹(shù)木生長(zhǎng)速度也相對(duì)較慢，樹(shù)木因此具有各不相同的生長(zhǎng)輪寬度，晚材率、生長(zhǎng)輪密度等，這些因素影響了木材物理力學(xué)性質(zhì)。

長(zhǎng)白落葉松材株內(nèi)隨著高度的增加三種力學(xué)強(qiáng)度和氣干密度均出現(xiàn)顯著性遞減趨勢(shì)，這種變異模式是南洋杉，澳柏、落葉松和黃杉屬等共有的，是松屬中2/3樹(shù)種的變異模式。這與其它學(xué)者的研究結(jié)果相一致[6-7]。

2.2 不同林分間變異

2.2. 1 抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度

從表4可知， 第三林分的木材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度各均值均為最大，均值分別為 15.234 GPa、110.535 MPa、57.717 MPa，變異系數(shù)分別為18.2、22.7、15.8。第四林分的木材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度各均值均為最小，均值分別為13.665 GPa、96.030 MPa、52.913 MPa，相應(yīng)的變異系數(shù)分別為17.0、18.8、17.7。表明林分密度大的三種力學(xué)強(qiáng)度和變異系數(shù)均大，林分密度小的3種力學(xué)強(qiáng)度和變異系數(shù)均小。

表4 不同林分密度下長(zhǎng)白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度Table 4 MOE, MOR, compression strength parallel to grain of different stand Larix olgensi wood

2.2.2 氣干密度

表5為長(zhǎng)白落葉松不同林分間氣干密度測(cè)定結(jié)果，從表中可知，第三林分的木材氣干密度均值在四個(gè)林分中最大，均值為0.634 g/cm3，而變異系數(shù)在四個(gè)林分中最小為9.27。第四林分的氣干密度指標(biāo)的均值是最小，均值為0.574 g/cm3，相應(yīng)的變異系數(shù)最大為13.2。結(jié)果表明密度的變異系數(shù)與力學(xué)強(qiáng)度的表現(xiàn)不一致，力學(xué)強(qiáng)度表現(xiàn)為林分密度小的林分均值、變異系數(shù)均大，密度表現(xiàn)為林分密度小的林分均值大，變異系數(shù)則小。

表5 長(zhǎng)白落葉松不同林分密度木材的氣干密度Table 5 Air-dry density of different stand Larix olgensi wood

表6方差分析表明：4個(gè)不同林分密度下長(zhǎng)白落葉松的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度在林分間差異性并不顯著。氣干密度在四個(gè)不同林分密度的林分間差異性在0.01水平下極顯著，這與柳學(xué)軍等[8]對(duì)落羽衫不同種源氣干密度的研究相一致。

表6 不同林分間長(zhǎng)白落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)方差分析Table 6 Variance analysis of of MOE, MOR, compression strength parallel to grain and air-dry density of different stand Larix olgensi wood

長(zhǎng)白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和氣干密度的均值比較是第三林分＞第二林分＞第一林分＞第四林分。從樣木生長(zhǎng)情況可知第三林分(580 株/hm2)的三種力學(xué)指標(biāo)和氣干密度均優(yōu)于其他林分，第四林分(200 株/hm2)相比則較差，林分密度小的林分，則樹(shù)木生長(zhǎng)速度也相對(duì)較快，樹(shù)木因此具有較寬的生長(zhǎng)輪寬度，較低晚材率和較低的生長(zhǎng)輪密度等，由于這些因素的影響，導(dǎo)致了木材物理力學(xué)性質(zhì)降低[8]。

陳廣勝等[9]對(duì)興安落葉松不同初植密度下橫紋抗彎強(qiáng)度、橫紋抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，結(jié)果認(rèn)為不同的初植密度對(duì)橫紋抗彎強(qiáng)度影響顯著，對(duì)橫紋抗彎彈性模量影響不顯著，對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度影響極其顯著，與劉杏娥[10]等對(duì)小黑楊研究認(rèn)為不同初植密度間抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量的差異均達(dá)到了顯著水平。崔京日[11]等對(duì)人工林赤松研究表明，林分密度對(duì)抗彎強(qiáng)度影響顯著，對(duì)抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度的影響均為極顯著。本文根據(jù)方差分析得出的三種力學(xué)強(qiáng)度在四種林分間密度下的變異性不顯著。由于本實(shí)驗(yàn)主要考慮建筑用材則選擇成熟林的優(yōu)勢(shì)木作為實(shí)驗(yàn)材料，材性變化較穩(wěn)定。其他學(xué)者選擇樣木的年齡和胸徑均小于本研究，林分間物理力學(xué)強(qiáng)度的變異性不顯著。由此可以根據(jù)對(duì)木材最終用途采取不同的林分密度。伐期短的紙漿材可以選用較小的營(yíng)林密度進(jìn)行培育，而強(qiáng)度要求高的建筑用材可以選用相對(duì)較大的營(yíng)林密度進(jìn)行培育。

2.3 氣干密度與力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

長(zhǎng)白落葉松氣干密度與力學(xué)性質(zhì)間相關(guān)性分析見(jiàn)表7，從表中可知，長(zhǎng)白落葉松木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度之間呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)性均在0.01水平顯著。力學(xué)強(qiáng)度間抗彎彈性模量與抗彎強(qiáng)度密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.872，抗彎彈性模量與抗壓強(qiáng)度間和抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度間都為中度相關(guān)。氣干密度與三種力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)間都是中度相關(guān)，相關(guān)性在0.01水平顯著。氣干密度與順紋抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性也很好，為0.732，與抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度的相關(guān)性次之。

表7 長(zhǎng)白落葉松木材各力學(xué)性質(zhì)間的相關(guān)分析Table 7 Relationship between mechanical property and air-density of Larix olgensi

圖5是長(zhǎng)白落葉松三種木材力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)與氣干密度的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)模型。從圖中得出木材氣干密度與抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度相關(guān)回歸方程，密度與各力學(xué)強(qiáng)度間存在線(xiàn)性相關(guān)性，決定系數(shù)為0.562～0.736。抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度間存在高度的線(xiàn)性相關(guān)性，決定系數(shù)高達(dá)0.835，可以通過(guò)對(duì)落葉松規(guī)格材抗彎彈性模量的測(cè)試來(lái)預(yù)測(cè)抗彎強(qiáng)度。很多研究證明了氣干密度可以有效地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)木材的力學(xué)強(qiáng)度[12-13]。根據(jù)氣干密度與物理力學(xué)強(qiáng)度的相關(guān)分析來(lái)選擇性狀進(jìn)行定向培育、制定相關(guān)的育種改良策略。在氣干密度與活立木間建立相關(guān)關(guān)系，對(duì)活立木力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行快速預(yù)測(cè)，避免人力物力等方面的浪費(fèi)。

3 結(jié)論與討論

長(zhǎng)白落葉松材株內(nèi)隨著高度的增加三種力學(xué)強(qiáng)度和密度均出現(xiàn)顯著性遞減趨勢(shì)，均值在縱向是第三林分＞第二林分＞第一林分＞第四林分。方差分析表明長(zhǎng)白落葉松木材三種力學(xué)指標(biāo)和氣干密度在縱向上的變異性均顯著，其中抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度在0.05水平下顯著，抗壓強(qiáng)度、氣干密度均在0.01水平下極顯著。

圖5 長(zhǎng)白落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)間的回歸分析Fig.5 Regression analysis between mechanical property and air-dry density of Larix olgensi

不同林分長(zhǎng)白落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)的分析結(jié)果表明，林分密度580株/hm2的第三林分木材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和氣干密度均值均為最大，均值分別為15.234 GPa、110.535 MPa、57.717 MPa，變異系數(shù)分別為18.2、22.7、15.8。林分密度200株/hm2的第四林分的木材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均值均為最小，均值分別為13.665 GPa、96.030 MPa、52.913 MPa，相應(yīng)的變異系數(shù)分別為17.0、18.8、17.7。方差分析表明本林分密度對(duì)力學(xué)強(qiáng)度存在影響，但并不顯著。

林分密度為580 株/hm2的第三林分的木材的氣干密度均值最大，均值為0.634 g/cm3，而變異系數(shù)在四個(gè)林分中均最小為9.2。林分密度為200株/hm2的第四林分的氣干密度的均值最小，均值為0.574 g/cm3，相應(yīng)的變異系數(shù)最大分別為13.2。方差分析表明氣干密度在4個(gè)同林分密度的林分間差異性極顯著。

長(zhǎng)白落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)間存在顯著相關(guān)性。氣干密度與抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)性，決定系數(shù)分別為0.652、0.562、0.736。抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度間存在高度的線(xiàn)性相關(guān)性，決定系數(shù)高達(dá)0.835。研究證明了氣干密度可以有效的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)木材的力學(xué)強(qiáng)度。

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Variability and relationship between wood density and main wood mechanical properties in different stand Larix olgensi

SHAO Ya-yi1,2, XING Xin-ting1, ZHAO Rong-jun1, AN Zhen2, SHANGGUAN Wei-wei1
(1. Research Institute of Wood Industry, CAF, Beijing 10009, China;2. College of Material Science and Art Design, Inner Mongolia Agriculture University, Hohhot 010010, China)

Nine sample trees of Larix olgensi from four different stands were selected as the testing materials. The MOE(modulus of rupture), MOR(modulus of rupture), compression strength parallel to grain and wood density of different stand Larix olgensi were studied with National Standard(GB 1927～1943-2009). The results show that the MOE, MOR, compression strength parallel to grain and airdry density of Larix olgensi with 580 stand density were higher than others, and the difference of air-dry density among the four stands was at 0.01 level. On the contrary, all physical and mechanical indeхes of 200 stand density of Larix olgensi were lowest. All main mechanical peroperties of Larix olgensi from different stand decreased in longitudinal direction. MOE and MOR have a difference (at 0.05 level) in longitudinal direction, and compression strength parallel to grain, air-dry density had a significant difference (at 0.01 level). The air-dry density and mechanical properties were statically significant difference (at 0.01 level), and wood air-dry density had positive linear relationship with other mechanical properties which R2were 0.652, 0.562 and 0.736.

Larix olgensi; mechanical properties; air-dry density

S791.22

A

1673-323X(2012)02-0141-06

2011- 08-01

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(CAFYBB2008008)和(CAFINT2009C07) ；國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（30730076）

邵亞麗(1986—)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，主要從事木材科學(xué)與技術(shù)研究

邢新婷(1971—)，女，河北藁城人，副研究員，博士，主要研究方向：材質(zhì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)；E-mail: хingхinting@caf.ac.cn

[本文編校：羅 列]