沈玉林，王喜明，寧國(guó)艷

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

胡楊(Populuseuphratica)又稱異性楊，是落葉中型天然喬木，直徑可達(dá)1.5 m，木質(zhì)堅(jiān)硬，樹葉闊大清香。耐旱耐澇，生命力比較頑強(qiáng)，在自然界中屬于稀有的樹種之一。胡楊對(duì)研究亞非荒漠區(qū)氣候變化、河流變遷、植物區(qū)系的演變以及古代經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展都有著重要的科學(xué)價(jià)值。

從20世紀(jì)50年代起，各地在發(fā)展胡楊方面做了不少工作，通過封灘育林和人工造林，都取得了一定成果。特別是從1985年以來(lái)，內(nèi)蒙古的阿拉善盟、鄂爾多斯、巴彥淖爾、包頭等地在采種、育苗、造林等各環(huán)節(jié)都進(jìn)行了較深入的研究，加快了造林育林進(jìn)度。目前“胡楊之鄉(xiāng)”額濟(jì)納旗境內(nèi)有東、西2條季節(jié)性河流，沿岸分布的胡楊天然次生林有2萬(wàn)多公頃，胡楊和沙棗混交林有將近0.2萬(wàn)hm2[1-2]。阿拉善盟、鄂爾多斯、巴彥淖爾及包頭市已發(fā)展人工造林400多hm2[3]。說明胡楊的生長(zhǎng)區(qū)域集中，我們要大量開發(fā)胡楊的造林技術(shù)，而且還要研究胡楊的生物學(xué)特性，提高干燥質(zhì)量，利于合理開發(fā)和利用，向節(jié)約胡楊資源方向發(fā)展。

研究木材與水分的關(guān)系，必須先了解木材中水分存在狀態(tài)，它的分布規(guī)律，以及木材中水分的測(cè)定和計(jì)算。C.Shaar[9]認(rèn)為木材中的水分一般有3種狀態(tài)，即：存在于細(xì)胞腔中的自由水、存在于細(xì)胞壁中的吸著水和水蒸氣。吸著水的變化是木材性質(zhì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，木材的各項(xiàng)性質(zhì)均隨吸著水的增減而發(fā)生變化。但是自由水的增減不會(huì)影響到木材的力學(xué)等性質(zhì)，僅僅影響到木材的重量、電學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)。木材內(nèi)水分通道有三：相互連通的細(xì)胞腔、細(xì)胞間隙、紋孔膜上的小孔，闊葉材的水分移動(dòng)途徑包括導(dǎo)管和導(dǎo)管狀管胞、管胞等。

木材的水分特性研究對(duì)木材的干燥工藝具有重要意義，與木材防腐、防蟲藥劑的浸注，木材制品的油漆、著色、膠合等也都有著密切關(guān)系，而對(duì)于胡楊這種珍貴木材，對(duì)比研究胡楊木3個(gè)不同狀態(tài)，即活立木、伐倒木、枯倒木的水分特性，包括初含水率、干縮率、水分弛豫T2值、吸水性和平衡含水率等，對(duì)胡楊木的存放和應(yīng)用具有很重要的意義。也可以解惑胡楊為什么被稱為“活化石”。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

額濟(jì)納旗的胡楊林保護(hù)區(qū)冬季寒冷、夏季炎熱，溫差大，陽(yáng)光充足。年平均氣溫8.3℃，極端高溫達(dá)到42.2℃，極端低溫達(dá)到-37.6℃，年平均降水量37.9～49.3 mm，而年蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于年降水量。此地盛行西北風(fēng)，多風(fēng)月平均揚(yáng)沙日數(shù)為21 d，冬春風(fēng)大且常伴寒流出現(xiàn)。

本研究所用的試驗(yàn)材料采伐自于內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗的胡楊林保護(hù)區(qū)，選擇胡楊活立木伐倒后用保鮮膜包起來(lái)放在冰箱儲(chǔ)存(模擬活立木)，伐倒木、枯倒木各一段。活立木及伐倒木有心邊材的區(qū)分，枯倒木由于時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致心邊材區(qū)分困難，為了保證研究可靠性，這里不作區(qū)別。

1.2 儀器與設(shè)備

木材干燥的設(shè)備：DZF-6210型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司提供。

核磁共振技術(shù)檢測(cè)儀器：德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的低場(chǎng)核磁共振馳豫儀。

1.3 方法

1.3.1 含水率、干縮性及吸水性的測(cè)定 根據(jù)GB/T 1931-2009 《木材含水率測(cè)定方法》和GB/T 1932-2009 《木材干縮性測(cè)定方法》GB/T 1934.1-2009《木材吸水性測(cè)定方法》進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 核磁共振技術(shù)測(cè)定木材中水分的T2值 1)將胡楊的活立木、伐倒木和枯倒木3種木材進(jìn)行氣干處理，再用曲心鉆鉆取直徑10 mm、長(zhǎng)度約為20 mm的圓柱體，為了防止水分變化影響試驗(yàn)結(jié)果，試件在取出時(shí)立即用保鮮膜包裹(3種木材各取2～3試件)。

2)將核磁共振儀進(jìn)行預(yù)熱，然后將空試管放入磁體內(nèi)進(jìn)行信號(hào)量測(cè)量，將試件放入磁體中，調(diào)入FID-T2.app程序，調(diào)試參數(shù)(磁體頻率：20 MHz，90°脈沖寬度：15.02 μs,180°脈沖寬度：30.7 μs，馳豫時(shí)間：4.8 μs，循環(huán)延遲：2 s，回波時(shí)間：0.5 ms，掃描次數(shù)：16，回波數(shù)：1 500)，然后進(jìn)行測(cè)量及采集數(shù)據(jù)。

3)將同一試件置于(103±2)℃干燥箱中進(jìn)行絕干處理，絕干后取出放入玻璃干燥器中冷卻，然后再放入核磁共振儀磁體中用同一個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和采集數(shù)據(jù)。

4)將所有測(cè)出的T2值進(jìn)行反演處理，進(jìn)行氣干材和室干材對(duì)比分析水分存在狀態(tài)。

1.3.3 平衡含水率測(cè)定 用溫濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量出實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度和濕度，根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)[4]，每種木材取試件數(shù)40個(gè)左右進(jìn)行稱重，之后放入鐵方盤中(注意試件之間留有一定的空間)，之后每隔4～5 d拿出2～3個(gè)試件進(jìn)行稱重，直到重量無(wú)變化，試件水分達(dá)到一個(gè)新的平衡。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率及干縮率

2.1.1 含水率 3種狀態(tài)胡楊木的初含水率測(cè)試結(jié)果見表1，可以看出活立木、伐倒木、枯倒木3種木材的初含水率有很大的差異，原因是活立木的邊材導(dǎo)管對(duì)水分還起著輸導(dǎo)作用，所以水分較多，伐倒木在砍伐后一段時(shí)間內(nèi)水分會(huì)自然喪失一部分，枯倒木由于枯倒時(shí)間過長(zhǎng)，密度減小，滲透性增加，水分喪失較多，只存留少部分水分。

比較活立木和伐倒木的邊材和心材含水率，心邊材的含水率有明顯的差別，根據(jù)心材樹種的定義，判定為胡楊屬于心材樹種。木材在伐倒一段時(shí)間后，水分在大自然條件下進(jìn)行調(diào)節(jié)，心材由于輸導(dǎo)系統(tǒng)阻塞，滲透性降低，密度較大，水分喪失得要比邊材慢一些，所以伐倒木心材的含水率要高于邊材的含水率。

2.1.2 干縮率和干縮系數(shù) 3種狀態(tài)胡楊木材的干縮率測(cè)試結(jié)果見表2，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于3種木材線向干縮率都是：弦向>徑向>縱向，與其他木材的干縮特性一樣，原因是木材具有各向異性，導(dǎo)致木材干縮和濕脹在不同方向上具有差異，且木材干縮還受到次生壁中層微纖絲的排列方向和木射線對(duì)徑向收縮有抑制作用等因素影響。

由表3可知3種狀態(tài)胡楊木材的干縮系數(shù)接近。弦向的干縮系數(shù)>徑向和縱向的干縮系數(shù)，干縮系數(shù)是衡量木材尺寸穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，三者干縮系數(shù)之所以相近，是因?yàn)樗鼈兪峭粯浞N，產(chǎn)地相同，且木材的構(gòu)造穩(wěn)定，即使伐倒木和枯倒木長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)生命狀態(tài)，但它們的紋理方向包括細(xì)胞壁中各層微纖絲排列方向幾乎不發(fā)生變化，這些特點(diǎn)決定了三者干縮系數(shù)接近，進(jìn)一步說明胡楊木材尺寸穩(wěn)定。

由表4數(shù)據(jù)可知，胡楊活立木的差異干縮與其他8種楊木相比差異較大，胡楊的差異干縮最小，在干燥失去水分時(shí)相比于其他楊木不易造成干縮應(yīng)力差異，不易開裂。胡楊與其他楊樹木材構(gòu)造比較可知，胡楊天然林木材管孔數(shù)目均多于其他各代表樹種，導(dǎo)管分子的細(xì)胞壁、木纖維的細(xì)胞壁的平均厚度較其他各代表樹種為厚，因此在楊屬木材中干縮穩(wěn)定性最佳，北京楊最差。

由表5可知活立木體積干縮量較大，由于木材干縮發(fā)生在含水率降至纖維飽和點(diǎn)以下，隨著木材含水率的降低，干縮量隨之增大，直至木材含水率降為零，其干縮量達(dá)到最大?；盍⒛镜暮矢哂诜サ鼓竞涂莸鼓?，所以體積干縮量比較大。從伐倒木和活立木的心邊材作比較，可發(fā)現(xiàn)心材比邊材更容易變形。綜上得之，木材的含水率對(duì)木材干縮具有一定的影響關(guān)系，且枯倒木的尺寸穩(wěn)定性最佳。

表1 木材初含水率

表2 線向干縮率的平均值

表3 線向干縮系數(shù)

表4 胡楊與其他幾種楊木[8]差異干縮表

注：差異干縮=弦向干縮系數(shù)/徑向干縮系數(shù)。

表5 體積干縮率

2.2 水分馳豫時(shí)間

由于胡楊木在自然條件下水分散失較快，在這里只進(jìn)行氣干和室干2種狀態(tài)下水分狀態(tài)的對(duì)比研究。

弛豫時(shí)間T2間接表明水分與木材的自由度，T2值越小說明水分與木材的結(jié)合強(qiáng)度越高，水分越不容易排出。N.Labbé[11]等學(xué)者認(rèn)為一般情況T2值≤10 ms時(shí)，木材中水分狀態(tài)為結(jié)合水，當(dāng)T2值≥10 ms并趨近于100 ms時(shí)則為自由水，但具體的T2值隨著樹種、初含水率等條件的不同而不同。

表6是根據(jù)馳豫時(shí)間的長(zhǎng)短，將胡楊的活立木、伐倒木和枯倒木3種木材在氣干和室干2種狀態(tài)下進(jìn)行區(qū)分，T2值代表每種狀態(tài)下水分的弛豫時(shí)間。圖1、圖2和圖3是每種狀態(tài)下水分反演圖像，我們可以結(jié)合T2值和峰面積，對(duì)水分狀態(tài)和水分量的變化進(jìn)行分析。

表6 T2值分布

圖1 活立木氣干狀態(tài)和室干狀態(tài)水分T2分布

圖2 伐倒木氣干狀態(tài)下和室干狀態(tài)下水分T2分布

結(jié)合表6和圖1可以看出活立木在氣干狀態(tài)下有2種結(jié)合水，一種結(jié)合水T2值為2.59，另一種T2值為11，2種結(jié)合水與木材的結(jié)合強(qiáng)度不同，T2值為2.59的結(jié)合水與木材的結(jié)合更為緊密，不易排出。室干狀態(tài)下只存在1種結(jié)合水，T2值為1.7，說明與木材結(jié)合強(qiáng)度較低的結(jié)合水全部排出，結(jié)合較為緊密的結(jié)合水沒有全部排出。

圖3 枯倒木氣干狀態(tài)下和室干狀態(tài)下水分T2分布

結(jié)合表6和圖2可以看出,伐倒木在氣干狀態(tài)下有結(jié)合水的存在，從峰的面積上看結(jié)合水的水分量很多，在室干處理后，大部分的結(jié)合水排出，只剩下少部分的結(jié)合水存在，且結(jié)合強(qiáng)度較高，說明要達(dá)到絕干狀態(tài)極其困難。

結(jié)合表6和圖3可以看出,對(duì)于枯倒木和伐倒木水分狀態(tài)是一樣的，氣干狀態(tài)下都只有一種結(jié)合水，且與木材的結(jié)合強(qiáng)度較低。室干處理后可發(fā)現(xiàn)，存在結(jié)合水的T2值為0.18，與伐倒木狀態(tài)接近，說明枯倒木要達(dá)到絕干狀態(tài)也是極其困難的。

綜上3種木材水分狀態(tài)的分析可以得出，活立木由于細(xì)胞存活狀態(tài)好，水分在細(xì)胞內(nèi)結(jié)合的能力較強(qiáng)；伐倒木和枯倒木在失去生命力的狀態(tài)下，木材中還有水分結(jié)合，說明胡楊在外界環(huán)境下對(duì)于水分的平衡調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)，客觀說明了胡楊不易腐朽的原因。

2.3 吸水性

每個(gè)試樣在規(guī)定的測(cè)試吸水時(shí)間的吸水率(A)按下列公式計(jì)算，準(zhǔn)確值至1%。

(1)

式中，A表示試樣的吸水率(%)；m表示試樣吸水后質(zhì)量(g)；m0表示試樣全干時(shí)質(zhì)量(g)。

2.3.1 水容量分析 在第8天認(rèn)為試樣達(dá)到了最大含水率，進(jìn)行取平均值分析，活立木的水容量為128.3%，伐倒木的水容量為156%，枯倒木的水容量為153.9%。 利用方差分析(表7)，在0.05顯著性水平下，伐倒木和枯倒木在木材的水容量上無(wú)顯著性差異，而活立木的水容量較其他2種木材有顯著差異。木材的吸水性與木材的密度、構(gòu)造和內(nèi)含物狀況有關(guān)。因?yàn)榛盍⒛镜臉洳膬?nèi)含有樹膠、較多的侵填體或其他的內(nèi)含物，而且密度也比伐倒木和枯倒木高，使得活立木的水容量較低。

2.3.2 吸水率的動(dòng)態(tài)變化 根據(jù)每種木材的試件在規(guī)定吸水時(shí)間的吸水率，將其繪制成吸水曲線圖(圖4)，活立木吸水過程大致可以分為3段：0～1、1～5、5～8 d，吸水速率逐漸下降，在8 d基本趨于水平并且?guī)缀醪辉傥账帧６鴮?duì)于伐倒木和枯倒木，在6 h內(nèi)吸水量>活立木，它們的吸水速率變化比較平緩，在7 d時(shí)已經(jīng)開始趨于穩(wěn)定，表明伐倒木和枯倒木達(dá)到吸水平衡用時(shí)少于活立木，它們之間水容量差異主要在0～1 d體現(xiàn)。就吸水速度而言，木材原有含水率越高，其吸水速度顯然低于原有含水率低的狀況。由于活立木原有的含水率也較高，所以在前6 h，相同的時(shí)間段內(nèi)活立木的水容量低于伐倒木和枯倒木。但在72 h發(fā)現(xiàn)活立木的吸水速度快于伐倒木和枯倒木，因?yàn)橛捎诜サ鼓竞涂莸鼓镜拿芏鹊?，?xì)胞中內(nèi)含物減少，使得吸水速度非?？?，6 h幾乎接近于飽和，導(dǎo)致之后的吸水速度下降。徐峰[13]等對(duì)20多種木材進(jìn)行吸水性研究，就吸水速度而言，木材密度大小不是吸水快慢的主要影響因素，它主要受木材細(xì)胞的大小及紋孔的大小、細(xì)胞中的內(nèi)含物等因素影響，我們通過化學(xué)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，他們的抽提物含量差異較大，這是三者吸水速度不同的主要原因。

表7 方差分析表

圖4 吸水率的動(dòng)態(tài)變化

2.4 平衡含水率

4月份在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過21 d放置，測(cè)量木材重量不再變化，認(rèn)為木材達(dá)到了新的水分平衡，用下列公式算出平衡含水率(E)：

(2)

式中，A為達(dá)到新的水分平衡時(shí)試件重量(g)，A0為試件全干時(shí)重量(g)。計(jì)算結(jié)果見表8：可以看出，三者平衡含水率存在差異，活立木和伐倒木的平衡含水率相對(duì)大一點(diǎn)。

測(cè)定胡楊的化學(xué)性質(zhì)時(shí)，從不同狀態(tài)胡楊木材的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)從活立木到伐倒木和枯倒木，木材中的羥基吸收峰的強(qiáng)度在降低，因此羥基數(shù)量在減少。因?yàn)榭莸鼓鹃L(zhǎng)時(shí)間處于干燥狀態(tài)，分子之間的距離較近，使部分游離態(tài)的羥基之間結(jié)合成氫鍵，導(dǎo)致木材中能吸收水分的羥基和自由基數(shù)目減少，從而降低了由吸收所達(dá)到的平衡含水率。伐倒木和枯倒木的密度較大，水分排出后，所留的空隙較多較大，很多都被空氣占據(jù)，妨礙了木材對(duì)水分的吸收。以上原因?qū)е铝巳咦罱K所達(dá)到的平衡含水率有所差異。

表8 胡楊木材的平衡含水率

注：試驗(yàn)地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)；試驗(yàn)時(shí)間：4月8號(hào)至5月1號(hào)；溫度14℃；濕度34%

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)胡楊活立木、伐倒木和枯倒木的水分特性的對(duì)比研究，我們可以了解到胡楊木在3種不同材質(zhì)狀態(tài)下的初含水率、平衡含水率、水分存在狀態(tài)、尺寸的穩(wěn)定性以及吸收水分的狀況。

初含水率：活立木(心材：48.3%，邊材：37.9%)>伐倒木(心材：11.6%，邊材：9.7%)>枯倒木6.2%。胡楊的心邊材顏色和含水率有明顯差別，心材含水率>邊材含水率，判定胡楊屬于心材樹種[5]，與其他楊木等闊葉材有所不同。胡楊3種木材3個(gè)方向的干縮率都是：弦向>徑向>縱向，與其他的木材干燥特性一樣，主要影響因素是次生壁中層微纖絲排列方向和木射線抑制作用[6]。3種胡楊木材的干縮系數(shù)接近，由于胡楊比其他各派代表樹種的管孔多，細(xì)胞壁厚[7]，因此在楊屬木材中穩(wěn)定性最佳[8]。由體積干縮率可知胡楊的心材比邊材更容易變形,枯倒木的尺寸穩(wěn)定性最佳，說明含水率對(duì)干縮性具有一定的影響[9]。

在氣干狀態(tài)下，活立木含有2種結(jié)合水，一種結(jié)合水T2值為2.59，另一種T2值為11，伐倒木和枯倒木只有1種結(jié)合水，T2值分別為16.8和10.3。在室干狀態(tài)下，活立木、伐倒木和枯倒木的結(jié)合水的T2值分別為1.7、0.11、0.18。活立木中的2種結(jié)合水與木材的結(jié)合強(qiáng)度不同[10]，且與木材結(jié)合強(qiáng)度要強(qiáng)于伐倒木和枯倒木。伐倒木和枯倒木達(dá)到絕干狀態(tài)極其困難。

活立木的水容量為128.3%，伐倒木的水容量為156%，枯倒木的水容量為153.9%。伐倒木和枯倒木的水容量>活立木，伐倒木和枯倒木的吸水能力強(qiáng)，而活立木的吸水能力較弱，因?yàn)榉サ购蟮哪静奈詴?huì)增強(qiáng)[12]。吸水速度主要受到木材原有的含水率[6]，以及細(xì)胞中的抽提物含量影響[13]。由于吸水速度較快，說明他們有良好的浸注性[14]。

平衡含水率，活立木為1.94%，伐倒木為1.80%，枯倒木為1.33%?；盍⒛驹谛碌沫h(huán)境中，最先達(dá)到新的水分平衡，其次是伐倒木。說明活立木對(duì)環(huán)境相應(yīng)機(jī)制最容易適應(yīng)，也說明活立木有很強(qiáng)吸著和解吸能力。三者平衡含水率有差異，主要原因是能吸收水分的羥基和自由基數(shù)目減少，降低了由吸收所達(dá)到的平衡含水率[15]，自身材質(zhì)也是主要的影響因素[16]。

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