6個楊樹無性系木材密度及干縮性能差異

石傳喜,于英良,朱瑩琦,劉亞梅,余敏,涂道伍,劉盛全

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036)

木材的密度及干縮特性是決定木材品質(zhì)的重要參數(shù)，對木材及木制品的尺寸和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性具有重要影響。其中，木材密度決定木材的基本力學(xué)性質(zhì)，但會受木材種類、立地條件、取樣部位等因素的影響。而引起干縮的主要因素是木材干燥，干燥不均勻就可能導(dǎo)致裂縫、開裂與翹曲變形等不利現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低木材穩(wěn)定性等品質(zhì)性能，影響木材的高效利用[1-2]。張俊佩等[3]對不同品系核桃木材的弦向全干干縮率和差異干縮進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在不同品系間存在顯著差異，而氣干和全干狀態(tài)下的徑向和體積干縮率在不同品系的核桃木材間差異不顯著；寧國艷等[4]發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)胡楊木的氣干密度、全干密度、弦向干縮率、徑向干縮率及體積干縮率差異顯著，干縮差異的差異不顯著；任世奇等[5]對不同桉樹無性系不同高度的干縮特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)除全干弦向干縮差異極顯著及體積干縮差異顯著，其他指標(biāo)無明顯的顯著差異；Pliura等[6]對2個地點(diǎn)的楊樹雜交種密度與干縮率相關(guān)性進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)密度與縱向干縮率呈顯著的負(fù)相關(guān)，與徑向干縮率和弦向干縮率呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)；潘彪等[7]對11個美洲黑楊無性系氣干密度和干縮性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)密度和干縮性之間存在一定的相關(guān)性；Nascimento等[8]發(fā)現(xiàn)杉木的干縮率較小，適合建筑結(jié)構(gòu)材的使用。

楊樹作為我國速生人工林的主要樹種之一，是我國工業(yè)用材的主要樹種，木材的變異性大，很難滿足木制品所有特性的要求。因此，加深對楊樹密度和干縮特性的研究，對合理高效利用木材，避免木材的浪費(fèi)極其重要[9]。筆者以6個楊樹無性系木材為研究對象，對不同無性系及不同部位的基本密度及氣干和全干狀態(tài)下的徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率、氣干密度、全干密度和干縮差異進(jìn)行分析，為速生人工林楊樹優(yōu)良品種的選育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試樣采集

6個楊樹無性系木材試材選自河南省焦作林場(中國林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地)，包括50號楊(Populusdeltoides‘55/65’)、中林46楊(P.euramericana‘Zhonglin46’)、108楊(P.euramericana‘Guariento’)、N179楊(P.nigra‘N179’)、桑巨楊(P.euramericana‘Sangju’)、南楊(P.deltoides‘Nanyang’)。其中，50號楊的遺傳背景為美洲黑楊，N179楊為歐洲黑楊，南楊是50號楊與36號楊的雜交子代，中林46楊、108楊、桑巨楊是美洲黑楊與歐洲黑楊的雜交種。

河南省焦作市(35°10′～35°21′N，113°40′～113°26′E)屬溫帶季風(fēng)氣候，日照充足，冬冷夏熱、春暖秋涼，四季分明，年均氣溫12.8～14.8 ℃，年均降水量600～700 mm，無霜期200 d。

1.2 試樣制備

6個楊樹無性系取樣信息如表1所示。每個無性系選5株，每株楊樹試材于1.0～3.5 m處伐倒。運(yùn)回木工廠后，根據(jù)計(jì)劃安排，在1.10，1.92，2.62 m處取10 cm直徑的物理圓盤，沿髓心向外根據(jù)年輪位置的不同，沿南北向，選擇第1～4年輪為內(nèi)部位置、5～7年輪為中間位置、8～10年輪為外部位置，畫出30 mm×30 mm的正方形，鋸成100 mm×30 mm×30 mm的長方體木條。然后參照GB/T 1929—2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》制備20 mm×20 mm×20 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。每個部位選擇光滑、無缺陷的20個試塊作為試驗(yàn)材料，每個無性系選取3個位置共300個試樣，用于楊樹密度和干縮特性的研究。

表1 楊樹無性系試樣基本情況Table 1 Basic information of cloned poplar samples

1.3 性能測定

密度及干縮性能分別參照GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》和GB/T 1932—2009《木材干縮性測定方法》進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與整理，用OriginPro 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像的繪制，利用SPSS 19.0軟件對密度和干縮性能的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度分析

木材密度可反映出纖維細(xì)胞壁中所含物質(zhì)的多少，是木材材性的一個指標(biāo)。木材密度沿髓心向外變化模式可分為3類：1)自髓心向樹皮呈現(xiàn)直線或者曲線增加的趨勢；2)自髓心向外呈現(xiàn)先遞減然后再向樹皮逐漸遞增的趨勢；3)自髓心向外以直線或曲線形式降低。6個楊樹無性系木材密度統(tǒng)計(jì)分析情況見表2。

表2 楊樹無性系木材密度統(tǒng)計(jì)分析Table 2 The statistical analysis of poplar cloned density

2.1.1 基本密度

基本密度是當(dāng)木材體積最大時(shí)，木材實(shí)際質(zhì)量的大小?；久芏鹊臏y量簡易準(zhǔn)確，誤差小，從基本密度可以首先判斷木材材質(zhì)的優(yōu)劣。由表2可知，6個楊樹無性系中南楊基本密度最大,為0.43 g/cm3，變異系數(shù)最小為7.61%；中林46楊基本密度最小,為0.33 g/cm3，變異系數(shù)為7.67%；50號楊基本密度較大,為0.39 g/cm3。南楊為50號楊的雜交子代，表明50號楊與南楊可穩(wěn)定遺傳，獲得后代木材的材性較為優(yōu)良?；久芏?、氣干密度和全干密度徑向變化規(guī)律見圖1。由圖1可知，50號楊、中林46楊、南楊基本密度沿髓心向外呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，符合木材密度沿髓心向外變化的第1種模式，與姚勝等[10]研究三倍體毛白楊密度變化規(guī)律一致；108楊、N179楊和桑巨楊呈現(xiàn)先降低后逐漸增加的趨勢，符合第2種變化模式，與羅真付等[11]研究‘I-72’楊密度變化規(guī)律一致。密度方差分析見表3，由表3可知，6個楊樹無性系木材基本密度在無性系之間差異極顯著(F=404.172，P=0.000)。

圖1 基本密度、氣干密度和全干密度徑向變化規(guī)律Fig. 1 The radial variation of basic density, air-dried density and oven-dried density

表3 密度方差分析Table 3 Variance analysis of density

2.1.2 氣干密度

氣干密度是12%含水率下木材質(zhì)量與體積的比值，是最常用的材性指標(biāo)，通常把氣干密度作為工業(yè)生產(chǎn)中評估木材質(zhì)量大小的依據(jù)[12-13]。由表2可知，南楊氣干密度最大為0.51 g/cm3，變異系數(shù)為7.37%，中林46楊最小為0.39 g/cm3，變異系數(shù)為8.30%。由圖1可知，50號楊、中林46楊、南楊氣干密度沿髓心向外呈逐漸增加的趨勢，108楊、N179楊和桑巨楊呈先降低后逐漸增加的趨勢，與基本密度的徑向變化趨勢規(guī)律一致。方差分析結(jié)果表明，6個楊樹無性系木材氣干密度在無性系之間差異極顯著(F=399.155，P=0.000)。

2.1.3 全干密度

全干密度是木材經(jīng)人工干燥后含水率變?yōu)榱銜r(shí)木材質(zhì)量與體積的比值。全干木材由于暴露在空氣中很容易吸水，因此，在實(shí)際木材加工生產(chǎn)中使用較少，但也是一項(xiàng)重要的科研指標(biāo)，對6個楊樹無性系木材密度研究有很大的利用價(jià)值。由表2可知：南楊全干密度最大為0.49 g/cm3，變異系數(shù)為7.91%；中林46楊最小為0.37 g/cm3，變異系數(shù)為8.31%。全干密度的徑向變化規(guī)律與基本密度和氣干密度相似，都符合木材密度沿髓心向外變化的2種變化模式。全干密度方差分析結(jié)果表明，6個楊樹無性系木材在無性系之間差異極顯著(F=384.822，P=0.000)。

2.2 干縮性能

2.2.1 氣干干縮性能

無性系楊樹氣干干縮率分析如表4所示，木材的干縮特性主要包括線性和體積干縮。氣干狀態(tài)下，108楊弦向、徑向和體積干縮率最大，分別為6.08%，2.35%和8.81%，桑巨楊最小，分別為4.61%，1.82%和6.64%。收縮率是衡量木材穩(wěn)定性的重要依據(jù)，通常用干縮差異表示，干縮差異越小，木材在干燥過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越低，越不易出現(xiàn)開裂扭曲等不良現(xiàn)象，表明木材越穩(wěn)定，加工生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量也越高。氣干狀態(tài)下6個無性系楊樹干縮差異均值為2.53， 50號楊最小為2.28。6個楊樹無性系木材干縮差異程度屬于大級[11]。

表4 無性系楊樹氣干和全干干縮率分析Table 4 Analysis of dry shrinkage rate of air- and oven-dried cloned poplar

氣干干縮差異徑向變化規(guī)律見圖2a。從圖2a可以看出，50號楊、N179楊和桑巨楊氣干干縮差異沿髓心向外呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，表明越靠近樹皮穩(wěn)定性越高；中林46楊呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，表明木材穩(wěn)定性越來越差；而108楊和南楊則是呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，表明木材在中部區(qū)域的穩(wěn)定性最好。根據(jù)干縮性方差分析結(jié)果(表5)可知，在氣干狀態(tài)下，徑向、弦向、體積及干縮差異在不同無性系間差異極顯著(P=0.000)。

2.2.2 全干干縮性能

由表4可知，全干狀態(tài)下，108楊弦向和體積干縮率最大，分別為8.63%和12.77%，50號楊徑向干縮率最大為4.01%，變異系數(shù)14.54%～19.80%；桑巨楊的弦向、徑向和體積干縮率最小，分別為7.29%，3.26%和10.79%，變異系數(shù)14.66%～24.81%。全干狀態(tài)下干縮差異均值為2.22，50號楊最小為2.04，表明全干狀態(tài)下50號楊穩(wěn)定性最好，但干縮差異值大于2，表明干縮差異程度較大。由圖2b可知，50號楊、N179楊和桑巨楊的全干干縮差異在徑向呈先增加后降低的趨勢，表明材性在中部附近較差，靠近樹皮處性能較好；中林46楊則呈逐漸增加的趨勢，表明木材穩(wěn)定性越來越差；108楊和南楊則呈先減小后增加的趨勢，表明這2個無性系木材中間部位木材穩(wěn)定性最佳。由表5可知，在全干狀態(tài)下，弦向、徑向、體積及干縮差異在不同無性系間差異極顯著(P=0.000)。

圖2 氣干和全干干縮差異徑向變化規(guī)律Fig. 2 The radial variation of air- and oven-dried differential dry shrinkage

表5 干縮性方差分析Table 5 Variance analysis of dry shrinkage property

2.3 密度和干縮性能的相關(guān)性分析

6個楊樹無性系木材密度與干縮性能相關(guān)性分析如表6所示。由表6可知，基本密度與弦向和體積氣干干縮率不相關(guān)(P>0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.027和-0.003，與氣干和全干狀態(tài)下的干縮差異呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他密度和干縮指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)；氣干密度和全干密度與干縮差異呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與其他干縮指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)；氣干干縮差異除了與弦向氣干干縮率和弦向全干干縮率呈極顯著正相關(guān)，與其他密度和干縮指標(biāo)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；全干干縮差異與體積氣干干縮率不相關(guān)(P>0.05)，相關(guān)系數(shù)僅為-0.011，與弦向全干干縮率呈極顯著正相關(guān)，與其他密度和干縮指標(biāo)呈極顯著負(fù)相關(guān)[14-15]。

表6 密度與干縮性能相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of density and dry shrinkage property

3 結(jié) 論

1)6個楊樹無性系木材基本密度、氣干密度、全干密度變化范圍分別為0.33～0.43，0.39～0.51和0.37～0.49 g/cm3。南楊密度最大，中林46楊密度最小。50號楊、中林46楊、南楊的基本密度、氣干密度和全干密度在徑向呈逐漸增加的趨勢，而108楊、N179楊和桑巨楊呈現(xiàn)先降低后逐漸增加的趨勢。方差分析結(jié)果表明，不同楊樹無性系木材之間密度差異極顯著。

2)6個楊樹無性系氣干狀態(tài)下，弦向干縮率、徑向干縮率、體積干縮率變化范圍分別為4.61%～6.08%，1.82%～2.35%，6.64%～8.81%，干縮差異變化范圍為2.28～2.71，108楊的氣干干縮率最大，桑巨楊的氣干干縮率最??；全干狀態(tài)下，弦向干縮率、徑向干縮率、體積干縮率變化范圍為7.29%～8.63%，3.26%～4.01%，10.79%～12.77%，干縮差異變化范圍為2.04～2.35；108楊弦向和體積全干干縮率最大，50號楊徑向氣干干縮率最大，桑巨楊全干干縮率最小，50號楊干縮差異最小。

3)50號楊、N179楊和桑巨楊干縮差異在氣干與全干狀態(tài)下沿髓心向外均呈先增加后減小的趨勢，中林46楊呈逐漸增加的趨勢，108楊和南楊則呈先減小后增加的趨勢。方差分析結(jié)果表明，不同無性系楊樹木材之間干縮率差異極顯著。

4)6個楊樹無性系木材基本密度與弦向氣干干縮率和體積氣干干縮率不相關(guān)，全干干縮差異與體積氣干干縮率也不相關(guān)，其余密度指標(biāo)與不同干縮性能指標(biāo)之間都具有顯著相關(guān)性。