黑楊無性系間木材物理力學(xué)性質(zhì)差異研究

楊 艷，湯玉喜，唐 潔，李永進(jìn)，黎 蕾

（湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004）

作為用材樹種，其木材性能的好壞是決定其直接經(jīng)濟(jì)效益與價值高低的關(guān)鍵因素之一，也是林木栽培及良種選育不可或缺的經(jīng)濟(jì)性狀評價指標(biāo)。目前，隨著人們對木材多元化開發(fā)利用，大宗用材樹種的木材物理力學(xué)性能逐漸受到越來越多專家學(xué)者的關(guān)注，并開展了大量的研究與評價工作，為用材樹種的高質(zhì)量開發(fā)利用及定向精準(zhǔn)培育提供了參考依據(jù)與技術(shù)支撐。胡國民等[1]研究了不同種群白樺木材的主要力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)不同種群的白樺力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異；李大綱和童再康等以美洲黑楊新無性系為研究對象，探討了美洲黑楊木材物理性質(zhì)，結(jié)果表明楊木無性系間力學(xué)性質(zhì)差異顯著，李大綱還得出“可用木材力學(xué)性質(zhì)因子選育優(yōu)良無性系”的結(jié)論[2-3]；姚勝等[4]比較分析了3 種速生楊木材的物理力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這3 種楊樹物理力學(xué)性質(zhì)由大到小依次為三倍體圓葉毛白楊＞三倍體裂葉毛白楊＞中林-46；麻文俊等[5]比較分析了楸樹無性系宛楸8401、宛楸8402 和金絲楸的物理力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這3 個無性系的多項物理力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異。綜合以上可以看出，不同種群及不同無性系的用材樹種的物理力學(xué)性質(zhì)存在著不同程度的差異性，也可能是導(dǎo)致木材遺傳多樣性的關(guān)鍵因子，開展相關(guān)研究對豐富林木特別是用材林的木材遺傳基礎(chǔ)、拓寬用材林開發(fā)利用途徑及指導(dǎo)用材林精準(zhǔn)培育等均具有重要的現(xiàn)實意義。

美洲黑楊作為我國重要的速生用材及綠化樹種，主要栽培于我國長江流域，目前已具備了工業(yè)化利用的資源與群眾基礎(chǔ)。由于其具有速生、抗性強(qiáng)、材質(zhì)好等特性，被廣泛應(yīng)用于制漿造紙以及人造板等行業(yè)[6-7]。近年來，隨著木材加工等開發(fā)利用技術(shù)的成熟，楊木也呈現(xiàn)出多元化開發(fā)利用的趨勢，建筑、家具等行業(yè)也逐漸出現(xiàn)了楊木的“身影”[8-9]，因而，楊樹木材的物理力學(xué)性能也逐步受到相關(guān)研究學(xué)者的關(guān)注。鑒于此，本研究選擇速生性好、表型優(yōu)良的5 個黑楊無性系為研究對象，測定不同無性系的基本密度、干縮率、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量等物理及力學(xué)性能指標(biāo)。通過各無性系木材的物理力學(xué)性質(zhì)的比較分析，不僅能進(jìn)一步豐富美洲黑楊多功能用材的遺傳基礎(chǔ)，還能為美洲黑楊多元化良種選育及精準(zhǔn)定向培育、指導(dǎo)楊木加工利用工藝提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)置在岳陽市君山區(qū)，該區(qū)域為典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16.8℃，極端高溫與低溫分別為39.3℃和-11.8℃，年日照時數(shù)處于1 726.7～1 792 h 之間[10]。春夏多雨、秋冬易干旱，年平均降水量在1 135.3～1 237.9 mm之間。區(qū)域內(nèi)海拔高度為28～35 m，土壤多為江湖沖積而成的潮土，地勢平坦、土壤肥沃、氣候適宜，是速生楊生長的理想“溫床”[11]。

1.2 試驗材料

供試楊樹無性系樣株取自岳陽君山楊樹人工林試驗示范基地的14年生黑楊無性系，分別為無性系58、無性系83、無性系80、無性系86 以及無性系69。每個無性系取3 株標(biāo)準(zhǔn)木，采集方法依據(jù)GB/1927-2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》規(guī)定的方法進(jìn)行[12-13]。樣木齊根伐倒，并在0、1.3、3.3、5.3、7.3、9.3、11.3 m 處各截取2 個厚度為5 cm 的圓盤，在1.3～3.3、5.3～7.3 與9.3～11.3 m 處各鋸取2 m 長的木段作為標(biāo)準(zhǔn)木段分別用來測定不同黑楊無性系木材的物理及力學(xué)性質(zhì)。

1.3 材性指標(biāo)及測定方法

樣木物理力學(xué)性質(zhì)測定的試樣根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1929-2009《木材物理力學(xué)試件鋸解及試樣截取方法》中的規(guī)定制取[14]。分別按照GB/T1933-2009《木材密度測定方法》、GB/T1932-2009《木材干縮性測定方法》、GB/T1935-2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗方法》、GB/T1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗方法》、GB/T1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測定方法》、GB /T 1941-2009《木材硬度試驗方法》等國家標(biāo)準(zhǔn)對楊樹無性系木材的基本密度、全干干縮率、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量以及硬度等10 個物理力學(xué)性狀進(jìn)行測定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

運(yùn)用Microsoft Excel 2016，SPSS 21.0 等軟件進(jìn)行不同無性系間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析。所涉及的相關(guān)計算公式如下[16-19]：

弦向、徑向、材積的全干干縮率：

式(1)中，L濕為全濕材尺寸（mm）或體積（mm3），L全為全干材尺寸（mm）或體積（mm3）。

差異干縮：

式（2）中，KT 為弦向干縮率（%），KR 為徑向干縮率（%）。

式（3）中：X為某品系某個指標(biāo)的測定值；Xmax為所有品系該指標(biāo)測試值的最大值；Xmin為所有品系該指標(biāo)測試值的最小值。

若某指標(biāo)與材性性質(zhì)呈反向關(guān)系，則通過反隸屬函數(shù)計算：

式（4）中：各X值同公式（3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑楊無性系基本密度

木材密度用以表示木材的密實程度，是估算木材的質(zhì)量、判斷木材的工藝性質(zhì)和物理性質(zhì)的依據(jù)。供試各無性系的基本密度見表1，根據(jù)表1可以看出各無性系的基本密度存在一定差異，其中無性系58 的基本密度與其他無性系的基本密度存在極顯著差異，而無性系83 與86 的基本密度差異不顯著，無性系80 和69 的基本密度差異同樣不顯著，但無性系83、86 與無性系80、69 的基本密度卻存在極顯著差異。各無性系的基本密度在0.382～0.427 g·cm-3之間，按著大小排序依次為無性系58、83、86、69、80。其中無性系58、83、86 的基本密度均達(dá)到了0.4 g·cm-3以上，高于一般楊樹資源的木材密度（基本密度為0.35 g·cm-3左右[9]）。

表1 不同黑楊無性系木材基本密度?Table 1 Wood basic density of Populus deltoides Marsh.clones

2.2 不同黑楊無性系干縮性

木材的干縮性能是木材加工和利用的首要瓶頸。弦向、徑向干縮不僅反映了木材在弦向和徑向上尺寸的變化，同時也反映出了差異干縮的大小。差異干縮越小，木材加工利用的穩(wěn)定性越好，反之，木材越易產(chǎn)生干裂、變形，從而影響木材的使用[20-22]。從不同無性系木材的干縮性來看（表2），5 個無性系各干縮指標(biāo)分布范圍分別為：徑向干縮率2.66%～4.98%，弦向干縮率4.29%～6.26%，體積干縮率7.48%～11.27%，差異干縮1.35～1.80，各無性系的干縮率均呈現(xiàn)出“體積干縮率＞弦向干縮率＞徑向干縮率”的變化規(guī)律。通過比較還可以看出，除無性系83 的徑向干縮率（4.98%）、弦向干縮率（6.26%）和體積干縮率（11.27%）居首位外，其他無性系間各項干縮率差異并不大，但無性系各自的徑向、弦向和體積干縮率卻存在較大差異，從而導(dǎo)致各無性系間差異干縮差異也較大。根據(jù)表2可以看出，供試各無性系的差異干縮由大到小依次為無性系80（1.80）＞無性系69（1.73）＞無性系86（1.64）＞無性系58（1.59）＞無性系83（1.35），均小于2.0，表明在木材加工利用過程中，供試各無性系均具有相對較好的穩(wěn)定性，其中83 的穩(wěn)定性最好，差異干縮僅為1.35。

表2 不同無性系全干干縮率Table 2 Total drying shrinkage of different Populus deltoides Marsh.clones

2.3 不同黑楊無性系力學(xué)性質(zhì)

用材林木材的順紋抗壓強(qiáng)度是木材開發(fā)應(yīng)用中必不可少的選育標(biāo)準(zhǔn)，是木材作為承重構(gòu)件所必須的強(qiáng)度指標(biāo)?；趯┰嚨暮跅顭o性系木材順紋抗壓強(qiáng)度的測定（表3），可以看出各供試無性系的順紋抗壓強(qiáng)度存在不同程度的差異性，其中無性系83 的順紋抗壓強(qiáng)度與其他4 個無性系呈極顯著差異，無性系86 與無性系80、69 差異極顯著，與無性系58 差異顯著；無性系58 與無性系80、69 間呈極顯著差異；無性系80 與無性系69 差異顯著。5 個黑楊無性系的木材順紋抗壓強(qiáng)度均高于41 MPa，其中最大的是無性系83，為 48.44 MPa，其次是無性系86（45.45 MPa）、58（44.00 MPa）和80（42.25 MPa），最小的是無性系69（41.06 MPa）。與成俊卿等收錄的黑楊順紋抗壓強(qiáng)度的平均水平32.94 MPa 相比，供試的5 個黑楊無性系木材順紋抗壓強(qiáng)度均高出其平均水平[8,23]。

表3 不同無性系物理力學(xué)性質(zhì)Table 3 Physical and mechanical properties of different Populus deltoides Marsh.clones

抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量是建筑結(jié)構(gòu)用材的最重要的力學(xué)性能之一[24]。根據(jù)表3可以看出，供試的5 個黑楊無性系中抗彎強(qiáng)度差異顯著，由大到小依次為無性系86（97.22 MPa）＞無性系58（78.74 MPa）＞無性系80（75.77 MPa）＞無性系69（69.86 MPa）＞無性系83（67.83 MPa）。其中無性系86 的平均抗彎強(qiáng)度高達(dá)97.22 MPa，超出了各種木材抗彎強(qiáng)度的平均值90 MPa[23]。通過比較分析，各無性系的抗彎彈性模量也存在著顯著性差異，其中抗彎彈性模量最大的無性系為86（9 228.94 MPa），其次是無性系58（8 061.07 MPa）、83（7 765.88 MPa）、80（7 389.84 MPa），無性系69 抗彎彈性模量最小，為7 367.83 MPa。按照木材物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)可知[25-26]，供試的5 個黑楊無性系除無性系86 的抗彎強(qiáng)度屬于Ⅲ級之外，無性系86 的抗彎彈性模量以及其他無性系的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量均屬于Ⅱ級。

木材硬度是木材抵抗其他剛性體壓入木材的能力，為木材開發(fā)利用的工藝性質(zhì)指標(biāo)之一。供試黑楊無性系間的各項木材硬度指標(biāo)存在不同程度的差異性（表3），其中無性系58、80、69 的徑面硬度差異不顯著，但與無性系83 和86 相比以及83 和86 間徑面硬度均呈現(xiàn)極顯著差異；無性系58、86 以及83 的端面硬度差異不大，均達(dá)到3.5 kN 以上，但與無性系80 和69 相比卻呈現(xiàn)出極顯著差異；5 個無性系的弦面硬度差異性均為極顯著。各供試黑楊無性系徑面硬度變幅范圍為1.83～2.05 kN，端面硬度變幅范圍為3.25～3.56 kN，弦面硬度變幅范圍為2.21～2.61 kN，且各無性系的3 個硬度指標(biāo)均呈現(xiàn)出“端面硬度＞弦面硬度＞徑面硬度”的排序規(guī)律。供試5個黑楊無性系硬度（徑面硬度、端面硬度和弦面硬度）由大到小依次為無性系86＞無性系83＞無性系58＞無性系69＞無性系80，其中最大的無性系86 的端面硬度、弦面硬度以及徑面硬度依次為3.56、2.61 和2.05 kN，硬度最小的無性系80 的端面硬度、弦面硬度以及徑面硬度依次為3.25、2.21 和1.83 kN，供試黑楊無性系中端面硬度最小值也達(dá)到了物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ級水平[27]。

2.4 物理力學(xué)評價

為綜合評價5 個黑楊無性系木材的材性狀況，利用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法對不同無性系木材物理力學(xué)性能進(jìn)行了綜合比較（表4）。由表4可以看出，綜合各項物理力學(xué)性質(zhì)，供試5 個黑楊無性系的隸屬值由大到小依次為無性系86（0.634）＞無性系83（0.604）＞無性系58（0.482）＞無性系80（0.324）＞無性系69（0.306），無性系86和83 的隸屬值均達(dá)到了0.6 以上，無性系58 的隸屬值也達(dá)到了0.48，高出無性系69 的隸屬值55.56%。根據(jù)上文分析的各無性系的物理力學(xué)試驗值（表3），無性系86 的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量以及各硬度指標(biāo)均為最高，綜合強(qiáng)度（順紋抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度的總和為142.67 MPa）最大，木材基本密度以及順紋抗壓強(qiáng)度均較高，差異干縮較??；無性系83 的順紋抗壓強(qiáng)度最大，木材硬度、基本密度、抗彎彈性模量也均較大，綜合強(qiáng)度（116.27 MPa）較小，差異干縮最小；無性系58 的木材基本密度最大，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、綜合強(qiáng)度（122.74 MPa）均較大，差異干縮較小，僅次于無性系83，木材硬度各指標(biāo)在供試無性系中排名第三。由此可見，供試黑楊無性系的隸屬函數(shù)排名與試驗值相符，無性系86、83 以及58 各項物理力學(xué)性能指標(biāo)均比較理想，其中無性系86 無論是木材基本密度、木材結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還是木材力學(xué)性質(zhì)均達(dá)到了基本承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的要求，具有較高的可塑性。

表4 不同無性系木材性狀隸屬值Table 4 Membership values of wood characters of different Populus deltoides Marsh.clones

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

木材物理力學(xué)性質(zhì)是木材合理利用的重要依據(jù)，是木材實際應(yīng)用時的最主要的相關(guān)參數(shù)，木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究在樹種選育和木材的實際加工利用中具有重要的指導(dǎo)意義[28-30]。本研究通過對供試的5 個黑楊無性系的木材物理力學(xué)性質(zhì)綜合分析得出，無性系86 的抗彎強(qiáng)度（97.22 MPa）、抗彎彈性模量（9 228.94 MPa）以及各硬度指標(biāo)（徑面硬度、端面硬度以及弦面硬度依次為2.05、3.56和2.61 kN）均為最高，木材基本密度以及順紋抗壓強(qiáng)度（45.45 MPa）均較高，差異干縮較??；無性系83 的順紋抗壓強(qiáng)度（48.44 MPa）最大，木材硬度（徑面硬度、端面硬度以及弦面硬度依次為1.95、3.55 和2.56 kN）、基本密度、抗彎彈性模量（7 765.88 MPa）也均較大，差異干縮最小；無性系58 的木材基本密度最大，順紋抗壓強(qiáng)度（44.00 MPa）、抗彎強(qiáng)度（78.74 MPa）、抗彎彈性模量（8 061.07 MPa）均較大，差異干縮較小，僅次于無性系83，木材硬度各指標(biāo)（徑面硬度、端面硬度以及弦面硬度依次為1.86、3.53 和2.47 kN）在供試無性系中排名第三；無性系80和69 各項力學(xué)性質(zhì)均較低。綜合以上可知，供試的黑楊無性系的木材順紋抗壓強(qiáng)度平均值均大于41 MPa，高于黑楊順紋抗壓強(qiáng)度的平均水平（32.94 MPa）[8,23]。按照木材物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，供試的5 個黑楊無性系除無性系86 的抗彎強(qiáng)度屬于Ⅲ級之外，無性系86 的抗彎彈性模量以及其他無性系的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量及各無性系的端面硬度均達(dá)到了物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ級水平[25-27]?？梢姡總€無性系木材又各具其優(yōu)點，在加工利用中可以根據(jù)不同無性系的特異性擇其優(yōu)點而用之，已達(dá)到物盡其用，實現(xiàn)黑楊資源效益的最大化。

3.2 討 論

木材密度是判斷木材的物理力學(xué)性質(zhì)和工藝性能的重要指標(biāo)。研究木材密度是掌握木材性質(zhì)的基礎(chǔ)，是木材性質(zhì)改良和定向培育的主要依據(jù)，對木材的加工、利用及優(yōu)良品種篩選都具有重要意義[25,31-32]。目前對楊樹木材密度研究較多，但各研究供試楊樹的基本密度大多分布范圍在0.26～0.40 g·cm-3之間[33-35]。本研究供試的5 個黑楊無性系木材基本密度在0.382～0.427 g·cm-3之間，其中無性系58、83、86 的基本密度均達(dá)到了0.4 g·cm-3以上，無性系69 的木材基本密度也在0.39 以上，該結(jié)論與石傳喜等[36]對50 號楊（0.39 g·cm-3）以及南楊（0.43 g·cm-3）的木材基本密度測定結(jié)果具有相似性；供試無性系木材基本密度最小的是無性系80（0.382 g·cm-3），也高于王桂巖等[27]所測定的13 個黑楊和白楊的木材基本密度的最大值（0.379 g·cm-3）?？梢?，供試5 個黑楊無性系的基本密度高于一般楊樹資源的木材基本密度，為進(jìn)一步豐富楊樹木材高密度遺傳資源奠定了基礎(chǔ)。

木材干燥過程中線性和體積變化值及其均勻性是判定其加工利用方向的一項重要指標(biāo)[37]。徑向和弦向干縮率的差異決定著差異干縮（弦向干縮與徑向干縮之比）的大小，而差異干縮又是判斷木材開裂以及變形的依據(jù)[38]。石傳喜和李大綱等研究團(tuán)隊通過對楊樹無性系的木材干縮性的研究發(fā)現(xiàn)，供試楊樹無性系木材的差異干縮均大于2.00，相關(guān)研究還得出“速生楊木屬于較易翹曲變形的樹種”的結(jié)論[2,36]。本研究從供試黑楊無性系的木材干縮情況來看，各無性系的木材差異干縮由大到小依次為無性系80＞無性系69＞無性系86＞無性系58＞無性系83，木材的差異干縮均小于2.0，且最小的僅為1.35（無性系83），達(dá)到了木材差異干縮分級的最小標(biāo)準(zhǔn)（小于1.5）[23,33]，表明供試各無性系的弦向和徑向干縮性差異小，在木材加工利用過程中不易開裂和變形，相對來講比較穩(wěn)定[39]。本研究結(jié)論雖然與當(dāng)前關(guān)于黑楊木材差異干縮的研究結(jié)論具有一定的相悖性[2,9,27,34,36]，但卻進(jìn)一步表明了黑楊木材干縮性能具有更大的選擇空間，為黑楊木材的選擇性加工利用提供了更多的參考依據(jù)，也進(jìn)一步拓寬了黑楊的開發(fā)利用途徑。

利用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法對供試黑楊無性系木材物理力學(xué)性能進(jìn)行評價與分析，最終得出：供試5 個黑楊無性系物理力學(xué)的隸屬值由大到小依次為無性系86＞無性系83＞無性系58＞無性系80＞無性系69，表明無性系86、83 以及58 各項物理力學(xué)性能指標(biāo)均比較理想，其中無性系86 尤為最佳，木材具有較高的穩(wěn)定性和理想的抗彎性能，可作為楊樹工程結(jié)構(gòu)材良種選育及推廣的優(yōu)良遺傳材料，為楊樹資源的多目標(biāo)開發(fā)利用奠定廣泛的遺傳基礎(chǔ)，有望打破黑楊資源的開發(fā)利用瓶頸，實現(xiàn)楊樹產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)經(jīng)營。

目前，國內(nèi)楊樹資源多用于加工人造板以及造紙原料，資源開發(fā)利用有限，楊木結(jié)構(gòu)材定向培育及實木加工利用較少。本研究僅選取了5 個楊樹優(yōu)良無性系開展了木材物理力學(xué)測定與評價，雖能初步探明供試的楊樹優(yōu)良無性系大徑材的木材物理力學(xué)性能，為楊樹優(yōu)良無性系的推廣利用提供了參考依據(jù)，但具有一定的局限性，今后有必要進(jìn)一步拓寬楊樹種質(zhì)資源并深入開展木材解剖性質(zhì)及物理力學(xué)性能等指標(biāo)的綜合評價以及結(jié)構(gòu)材定向精準(zhǔn)培育相關(guān)研究，并構(gòu)建楊樹材性指標(biāo)的數(shù)據(jù)庫，以期能夠為楊樹木材遺傳改良、加工利用以及結(jié)構(gòu)材定向培育提供理論依據(jù)，對楊樹資源的高附加值開發(fā)利用以及楊樹產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級均具有重要意義。