山桐子樹干解析及物理力學性質分析

熊星月， 劉 震

（河南農(nóng)業(yè)大學林學院，鄭州 450002）

山桐子（Idesia polycarpa）為大風子科（Flacourtiaceae）山桐子屬（Idesia）落葉喬木，橫跨東亞暖溫帶與亞熱帶廣泛分布［1］. 山桐子果實含油率高，富含不飽和脂肪酸，是重要的木本油料樹種［2-3］；山桐子干形通直，冠層分明，秋季滿冠紅果，也是重要的園林綠化觀賞樹種［1］；同時，又由于山桐子壽命長，木材淺黃色，紋理清晰美觀，軟硬適中，也是優(yōu)良的用材樹種，2019年被國家林草局納入國儲林樹種. 作為果材兼用樹種，過去更多側重于研究其果實成分及開花結實規(guī)律［2-10］，針對木材生長與材性研究較少. 吳登高等（2015）調查了毛葉山桐子（Idesia polycarpaMaxim.var vestita Diels）的生長特性［11］，而有關原種山桐子的生長特性方面未見報道. 本文以山桐子樹木為對象對其進行樹干解析和物理力學性質的測定，探究山桐子樹木生長過程及木材材性，以期為山桐子用材林培育及木材高效合理利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料于2020 年8 月取自河南農(nóng)業(yè)大學林木種苗繁育工程技術中心，選取18 a 生山桐子標準木作為解析木. 在0 m、1.3 m 處鋸取厚度約為5 cm 的圓盤，1.3 m 后以1 m 為一區(qū)分段，分別取鋸取厚度約5 cm的圓盤，共計8 個圓盤進行樹干解析. 余下山桐子樹干根據(jù)測定指標做好試材分配和編號工作，進行初加工得到試樣毛坯，在兩端涂以石蠟防裂，并做好防腐處理. 毛坯在室內氣干后，嚴格按照國家標準《木材物理力學試驗方法總則》（GB/T 1928—2009）、《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》（GB/T 1929—2009）中的標準加工木材物理、力學性質無疵試樣. 測定木材基本、全干和氣干密度、濕脹性及干縮性試樣尺寸均為20 mm×20 mm×20 mm，各16枚；測定木材硬度試樣尺寸為70 mm×50 mm×50 mm，共12枚；測定順紋抗壓強度試驗尺寸為30 mm×20 mm×20 mm，共12枚；測定抗彎強度和抗彎彈性模量用同一試樣，尺寸為300 mm×20 mm×20 mm，共12枚.

1.2 試驗方法

1.2.1 樹干解析 將取得的圓盤拋光后按3 a 為一個齡階進行樹干解析，測量東西和南北方向各齡階的直徑，取兩個方向的平均值為該齡階的均值. 材積采用區(qū)分求積法.

1.2.2 材積生長過程擬合 對山桐子材積的擬合采用Logistics、Gompertz 和Richerds 理論方程及Weibull 經(jīng)驗方程. 通過對比分析相關指數(shù)R2、剩余離差平方和SSE擬合統(tǒng)計量，選出各自最優(yōu)生長方程［12］.

擬合回歸方程公式如下：

Logistic：

Gompertz：

Richerds：

Weibull：

式中：a為樹木生長的最大值參數(shù)；b為與初始值有關的參數(shù)；k為最大生長率參數(shù)；r為生長速率參數(shù)；T為樹齡.

1.2.3 木材物理、力學性質的測定 木材密度、濕脹性及干縮性測定步驟分別參照國家標準《木材密度測定方法》（GB/T 1933—2009）、《木材濕脹性測定方法》（GB/T 1934.2—2009）、《木材干縮性測定方法》（GB/T 1932—2009）進行；木材硬度、順紋抗壓、抗彎強度及抗彎彈性模量測定步驟分別參照國家標準《木材硬度試驗方法》（GB/T 1941—2009）、《木材順紋抗壓強度試驗方法》（GB/T 1935—2009）、《木材抗彎強度試驗方法》（GB/T 1936.1—2009）、《木材抗彎彈性模量測定方法》（GB/T 1936.2—2009）進行，各項力學性質在萬能力學試驗機上測定.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)初步整理分析，采用Origin軟件擬合材積生長過程及繪制圖表.

2 結果與分析

2.1 山桐子胸徑、樹高和材積生長過程

2.1.1 胸徑生長過程分析 根據(jù)樹干解析的結果，計算山桐子樹木胸徑平均生長量、連年生長量、總生長量，依次繪制山桐子樹木的胸徑平均生長量和連年生長量曲線及總生長過程曲線. 由圖1可知，18 a生的山桐子胸徑總生長量為13.35 cm. 連年生長量在12 a達到最大，為0.91 cm；連年生長量和平均生長量曲線相交與18 a左右. 山桐子胸徑在0～3 a生長較為緩慢，3～18 a 生長較快，且在18 a 時仍保持持續(xù)增長的趨勢.

圖1 山桐子樹木胸徑生長過程Fig.1 The DBH growth process of Idesia polycarpa

2.1.2 樹高生長過程分析 根據(jù)樹干解析的結果，計算山桐子胸徑平均生長量、連年生長量、總生長量，依次繪制山桐子胸徑平均生長量和連年生長量曲線及總生長過程曲線圖2. 由圖2 可知，12 a 前為高生長速生期，隨后進入緩慢生長期，18 a 生山桐子樹高總生長量達到8.90 m. 樹高連年生長量在6 a、12 a 出現(xiàn)峰值，分別為0.57 m、0.8 m；連年生長量和平均生長量曲線相交與12～15 a之間. 山桐子樹高在0～6 a快速增長，6～12 a保持較高速增長，12 a后高生長緩慢.

圖2 山桐子樹高生長過程Fig.2 The tree hight growth process of Idesia polycarpa

2.1.3 材積生長過程分析 根據(jù)樹干解析的結果，計算山桐子材積平均生長量、連年生長量、總生長量，依次繪制山桐子材積平均生長量和連年生長量曲線及總生長過程曲線. 由圖3 可知，18 a 生山桐子材積總生長量為0.110 4 m3，材積在18 a 時仍表現(xiàn)出高速增長的趨勢. 材積平均生長量和連年生長量在0～9 a緩慢增長，9～18 a快速增長，在12～15 a期間增長速度放緩，但在18 a仍表現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢；山桐子材積平均生長量和連年生長量曲線并未相交，山桐子在第18 a 時還未達到數(shù)量成熟，樹木材積還處于速生期.

圖3 山桐子材積生長過程Fig.3 The volume growth process of Idesia polycarpa

對材積生長過程進行方程擬合對比分析，將相關指數(shù)R2最大、殘差平方和SSE 最小的Logistics模型選為山桐子的最優(yōu)生長預測模型（見表1）.按照該方程計算出40 a 生山桐子單株材積可以達到0.40 m3.

表1 山桐子材積最優(yōu)回歸模擬模型Tab.1 A regression simulation model for optimal volume of Idesia polycarpa

2.2 山桐子木材物理性質分析

2.2.1 木材密度 由圖4可知，山桐子木材的氣干密度、全干密度和基本密度分別為0.456、0.404、0.384 g/cm3.山桐子木材氣干密度和基本密度屬于Ⅱ級，屬于中低等級密度的樹種.

圖4 山桐子木材密度Fig.4 Wood density of Idesia polycarpa

2.2.2 木材濕脹性 由圖5 可知，在從全干到氣干的狀態(tài)下，徑向、弦向、體積濕脹率為2.68%、2.17%、5.99%，從全干到飽水的狀態(tài)下，徑向、弦向、體積濕脹率為6.17%、5.67%、14.70%. 山桐子木材在氣干和飽水狀態(tài)下，均表現(xiàn)為徑向濕脹率大于弦向，說明山桐子木材弦切板的尺寸更穩(wěn)定.相比從全干到飽水，山桐子木材從全干到氣干的徑向、弦向、體積濕脹率較小. 在濕度較大的環(huán)境中，應考慮濕脹對山桐子木材尺寸造成的影響.

圖5 山桐子木材濕脹率Fig.5 Swelling rate of Idesia polycarpa

2.2.3 木材干縮性 從圖6可知，山桐子木材在氣干狀態(tài)下，徑向、弦向、順紋和體積干縮率為3.27%、3.30%、1.17%和7.55%，在全干狀態(tài)下，徑向、弦向、順紋和體積干縮率為5.78%、5.33%、2.16%和12.72%. 山桐子木材徑向干縮率屬于Ⅳ等級，弦向干縮率屬于Ⅱ等級，山桐子木材徑向和弦向干縮比較均勻，但其體積干縮率較大.

圖6 山桐子木材干縮率Fig.6 Shrinkage rate of Idesia polycarpa

2.3 山桐子木材力學性質

山桐子木材的力學性質測試結果見表2. 山桐子木材的端面、徑面、弦面的硬度分別為4005、2735、2914 N，山桐子木材的端面硬度等級中等. 山桐子木材的抗彎強度為89.85 MPa，抗彎彈性模量為3.90 GPa，順紋抗壓強度為38.14 MPa. 山桐子木材的抗彎強度等級為中等，抗彎彈性模量等級為低等，順紋抗壓強度為中低等.

表2 山桐子木材的力學性能Tab.2 Mechanical properties of Idesia polycarpa wood

3 討論與結論

本研究中18 a 生山桐子胸徑達到13.35 cm，小于寧強縣毛葉山桐子（16.00 cm）和‘豫濟’山桐子（Idesia Polycarpa‘Yuji’）的胸徑（20.03 cm）. 山桐子胸徑連年生長量在12 a 時最大，與寧強縣毛葉山桐子連年生長量在15 a 時最大稍有差異，但二者的胸徑連年生長量與平均生長量均相交于18～19 a［11］，說明山桐子大致在18～19 a時達到胸徑數(shù)量成熟，可以進行第一次生長撫育，促進生長. 18 a生山桐子樹高總生長量為8.90 m，與寧強縣毛葉山桐子的樹高（8.0 m）差別不大，但明顯低于生長于濟源太行山的18 a 生‘豫濟’山桐子的樹高（14.33 m）. 18 a 生山桐子樹高連年生長量在第12 a 之前快速生長，隨后進入緩慢生長期，與寧強縣毛葉山桐子高生長先降低再升高的趨勢不同，共同點是高生長數(shù)量成熟期早于胸徑. 18 a 生山桐子材積達到0.110 4 m3，與毛葉山桐子材積差別不大，材積連年生長量與平均生長量均未相交，即使到39 a材積也未達到數(shù)量成熟，說明山桐子為長壽命樹種，適宜培育大徑級用材林，能很好地滿足國儲林的要求. 39 a生毛葉山桐子單株材積達到0.248 8 m3，遠低于本試驗山桐子材積模擬得出的0.4 m3，而18 a 生‘豫濟’山桐子單株的材積量平均達到0.208 8 m3，蓄積量平均達8.560 8 m3/畝，活立木蓄積達到128.412 m3/hm2，預示著山桐子在人工干預情況下有可能加速其生長. 與中山杉（Taxodium hybrid‘Zhongshanshan 118’）和落羽杉（Taxodium distichum）胸徑在6～7 a連年生長量達到高峰，8～9 a即達到數(shù)量成熟不同［13］，山桐子的生長速度緩慢，更不能與楊樹和泡桐等速生樹種相比，但與油松（Pinus tabulae formis）10～15 a時達到生長高峰，胸徑連年生長量與平均生長量相交于17～26 a，18 a生胸徑只有5～6 cm相比［14］，山桐子屬于相對速生樹種.

山桐子木材基本密度、全干密度、氣干密度分別為0.384、0.404、0.456 g/cm3，低于白樺（Betula pendulaRoth）［15］、陰香木（Cinnamomum burmannii）［16］、閩楠（Phoebe bournei）［17］、化香（platycarya strobilacea）［18］、桃花心木（Swieteniaspp.）［19］、麻櫟（Quercus acutissima）、栓皮櫟（Quercus variabilis）［20］、馬尾松（Pinus massoniana）［21］、落葉松（Larix gmelini）、楸樹（Catalpa bungei）、香樟（Cinnamomum camphora）、青岡（Quercus glauca）、檸檬桉（Eucalyptus citriodora）、梧桐（Firmiana simplex）、白蠟（Fraxinus chinensis）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、拐棗（Hovenia acerba）、核桃楸（Juglans mandshurica）、鵝掌楸（Liriodendron chinense）等［22］，高于杉木（Cunninghamia lanceolata）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、云杉（Picea asperata）、楸葉泡桐（Paulownia catalpifolia）、白花泡桐（Paulownia fortunei）等速生樹種，與加楊（Populus×canadensis）、響葉楊（Populus adenopoda）、巴山冷杉（Abies fargesii）相當［22］. 山桐子木材屬于輕材向中材過度材，屬于Ⅱ級. 山桐子木材徑向干縮率為Ⅳ等級，弦向干縮率為Ⅱ等級，山桐子徑向和弦向干縮較均勻，但其體積干縮率較大，穩(wěn)定性能稍差. 在加工利用山桐子木材時，要充分考干縮濕脹性對木材產(chǎn)品產(chǎn)生的影響.

18 a生山桐子的木材抗彎強度平均為89.9 MPa，等級為中等，低于抗彎強度Ⅴ級的海南子京，高于Ⅰ級的蘭考泡桐. 山桐子抗彎彈性模量平均為3.90 GPa，與泡桐基本相當［22］. 山桐子木材端面硬度等級為中等，與其密度較小有一定的關系. 山桐子木材順紋抗壓強度為中低等.

綜上所述，山桐子為中速生樹種，樹高與胸徑連年生長量12 a最大，胸徑數(shù)量成熟齡在18～19 a，材積數(shù)量成熟齡應在40 a以后；其木材軟硬適中，易加工；抗彎強度適中，可用于建筑、家具裝飾木質材料等，不建議作為彎曲結構和強度要求高的承重結構構件.