高建亮 趙林峰

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，衡陽，421005)

近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)杉木實(shí)生林的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究和評(píng)價(jià)。施季森等[1]研究了杉木15 a前生長與材性的相關(guān)性，趙承開等[2]研究了杉木19 a木材的基本密度和物理特性；邊黎明等[3]得出了16 a杉木實(shí)生林的木材彈性模量平均是3.87 GPa;龔迎春等[4]得出了24 a杉木實(shí)生林木材的抗彎強(qiáng)度是43.42～48.72 MPa;韋茹萍等[5]分析了24～69 a杉木林的材性性狀，并得出在56 a之前木材基本密度隨年齡增加而增大，56 a之后會(huì)隨著年齡增大而降低；梁宏溫等[6]比較了杉木和禿杉實(shí)生林在8、14、28 a各種材性，認(rèn)為杉木的各種抗壓程度均高于禿杉1.5%～17.5%，且這種情形會(huì)隨著林齡的增加而增大；林金國等[7]研究了12、17 a杉木人工林的材性后認(rèn)為：木材的力學(xué)特性隨年齡增長而增大，杉木12 a時(shí)木材的順紋抗壓強(qiáng)度是29.9 MPa，達(dá)到了建筑材承重物件的最低等級(jí)即A-5級(jí)的要求，木材弦向靜力彎曲強(qiáng)度達(dá)到了44～51 MPa，即TC11級(jí)的要求；17 a時(shí)木材的順紋抗壓強(qiáng)度達(dá)到了34.5 MPa，即A-3級(jí)的要求，木材弦向靜力彎曲強(qiáng)度達(dá)到了51～58 MPa，即TC13級(jí)的要求。

木材是生物材料，也是一種各向異性的高分子材料，由于其構(gòu)造的各向異性導(dǎo)致其力學(xué)性能的各向異性[8]。木材的經(jīng)濟(jì)價(jià)值由木材的材性決定[9]。許多木材加工處理工藝的制定，以及用材部門對(duì)木材的選擇都依賴于木材物理力學(xué)性質(zhì)的測定結(jié)果[10]。

筆者根據(jù)湖南省金洞林場杉木的木材材性試驗(yàn)結(jié)果，比較了30 a萌生林木材與實(shí)生林木材材性，試圖為杉木萌生林和實(shí)生林木材的合理利用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

湖南省金洞林場的地理坐標(biāo)為E110°53′43″、N26°21′37″，屬中亞熱帶東南季風(fēng)濕潤性氣候，年平均氣溫18 ℃，年降水1 000～1 800 mm，年蒸發(fā)1 225 mm，年有效日照時(shí)間為1 617 h，相對(duì)濕度75%～82%。土壤屬森林黃壤，pH=4.5～5.5，通透性較好，石礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%～20%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.1 g/kg，速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)138 mg/kg，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)1 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)71 mg/kg，土壤厚度30～60 cm。

2 材料與方法

2.1 試樣來源

2016年按GB/T 1927—2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》現(xiàn)場選取生長良好、無病蟲害、樹干通直且代表性強(qiáng)的杉木萌生林和實(shí)生林作為試驗(yàn)樣樹，每一類林分選取樣樹3株。樣樹的基本情況見表1，按GB/T 1929—2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》制作待測試件。

杉木萌生林是1986年的杉木采伐跡地上的伐蔸萌生苗培育的萌生林，其前作是杉木插條造林地,該處海拔高500～750 m。杉木實(shí)生林是1986年的杉木采伐跡地后的杉木人工實(shí)生苗造林地，其前作也是杉木實(shí)生苗造林地，該處海拔高150～300 m。

表1 30 a樣樹基本情況

從表1可知：30 a時(shí)實(shí)生林單株立木蓄積是0.165 7 m3，而萌生林僅僅是0.117 3 m3、是實(shí)生林的70.79%?？梢缘贸觯荷寄玖址稚L狀態(tài)的地理變異有明顯的規(guī)律性，即海拔高度影響林木的生長。這與魏鵬[11]對(duì)鵝掌楸天然林的分析結(jié)論基本一致。

2.2 材性指標(biāo)和測定方法

本研究所測物理力學(xué)性質(zhì)包括氣干密度、基本密度、順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、橫紋全部抗壓強(qiáng)度(徑向、弦向)、橫紋局部抗壓強(qiáng)度(徑向、弦向)等10個(gè)指標(biāo)，性狀測試分別按照GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測定方法》、GB/T 1939—2009《木材橫紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)采用Excel、Spss等軟件進(jìn)行不同樣樹的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析。通過計(jì)算不同樣樹木材材性的各種結(jié)果進(jìn)行比較，得出萌生林與實(shí)生林30 a時(shí)木材材性的優(yōu)劣。

3 結(jié)果與分析

3.1 木材密度

木材密度反應(yīng)了木材的致密程度，與其自身的生長特性及外界環(huán)境存在密切相關(guān)性[11]，且與木材的力學(xué)強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。木材密度是判斷木材工藝性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)[12，17]，在建筑材料應(yīng)用中，木材的各種性質(zhì)主要是由木材密度決定的[13]。木材是多孔性材料[14]，不同環(huán)境生長的立木，其胞壁物質(zhì)、孔隙率、內(nèi)含物質(zhì)是不相同的，相應(yīng)的木材密度就有所差異。另外，木材密度對(duì)林木材性育種與遺傳改良也有重要的指導(dǎo)意義[8，15]。氣干密度和基本密度是能比較準(zhǔn)確地反映出木材使用性質(zhì)的指標(biāo)。30 a時(shí)萌生林分與實(shí)生林分木材的氣干和基本密度見表2?？芍?，萌生林分30 a時(shí)木材的氣干密度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別是0.437 g·cm-3、0.027 g·cm-3和6.198%；基本密度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別是0.353 g·cm-3、0.031 g·cm-3和8.782%。實(shí)生林分30 a時(shí)木材的氣干密度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別是0.395 g·cm-3、0.007 g·cm-3和2.811%；基本密度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別是0.321 g·cm-3、0.011 g·cm-3和3.458%。

表2 林齡30 a木材密度

萌生林的氣干密度和基本密度均高于實(shí)生林，其主要原因是萌生林所處環(huán)境的海拔高于實(shí)生林。這種結(jié)果與魏鵬等[11]對(duì)鵝掌楸天然林樹干木材密度的分析結(jié)論“木材基本密度的地理變異有明顯的規(guī)律性，即隨垂直高度的增高而增高”的論述一致，也與楊自湘等[16]對(duì)楊樹研究得出的結(jié)論“木材基本密度受遺傳控制與種群系統(tǒng)發(fā)育史有關(guān)，是較穩(wěn)定的性狀。為改善木材基本密度，產(chǎn)地間選擇比產(chǎn)地內(nèi)選擇更有效”完全吻合。

所有測試樣本的變異系數(shù)均在10%以下，萌生林均值是7.490%、實(shí)生林均值3.135%，說明木材密度分散程度比較均勻，能降低木材加工時(shí)的難度。

根據(jù)《木材的主要力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[18]規(guī)定：氣干密度在0.351～0.550 g·cm-3屬于小級(jí)。因此認(rèn)為：杉木不管是萌生林還是實(shí)生林，其密度都屬于小級(jí)。

3.2 木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量

木材抗彎強(qiáng)度是木材作為結(jié)構(gòu)用材優(yōu)劣程度判定的重要力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)。木材抗彎強(qiáng)度體現(xiàn)了木材承受靜力彎曲荷載的最大能力[10]。木材抗彎彈性模量是指木材在比例極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力，是表示材料勁度和剛性的性能指標(biāo)，能反應(yīng)材料在受力線性應(yīng)變范圍內(nèi)的反應(yīng)力與應(yīng)變力的關(guān)系[10]。彈性模量大則表明木材形變量小，木材就越剛硬，反之則柔軟[13]。30 a時(shí)萌生林分與實(shí)生林分木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量見表3?？梢钥闯觯毫铸g30 a時(shí)，萌生林的木材抗彎強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別是77.152 MPa、2.700 MPa和3.50%；抗彎彈性模量、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別是9.156 GPa、0.385 GPa和4.199%。實(shí)生林的木材抗彎強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別是67.680 MPa、3.929 MPa和5.834%；抗彎彈性模量、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別是8.024 GPa、0.226 GPa和3.193%。

表3 林齡30 a木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量

萌生林的木材抗彎強(qiáng)度是77.152 MPa，實(shí)生林是67.680 MPa。萌生林達(dá)到了針葉樹材弦向靜力彎曲檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的高等級(jí)TC17級(jí)(70～80 MPa)的要求，實(shí)生林達(dá)到了針葉樹材弦向靜力彎曲檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的高等級(jí)TC16級(jí)(60～70 MPa)的要求。因此,杉木木材作為承重構(gòu)件其質(zhì)量是可以保證的,可作為房屋建筑、門窗、天花板、船、車、家具及室內(nèi)裝飾等用材[6]。

萌生林的抗彎強(qiáng)性模量是9.156 GPa，實(shí)生林是8.024 GPa。根據(jù)《機(jī)械應(yīng)力分級(jí)規(guī)格材強(qiáng)度等級(jí)表》[20]的規(guī)定：萌生林的彈性模量超過了M14級(jí)，實(shí)生林的彈性模量達(dá)到了M10級(jí)的要求。

所有試樣的變異系數(shù)均低于6%，說明木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量的分散程度比較均勻。

3.3 木材順紋抗拉、抗壓強(qiáng)度

木材順紋抗壓強(qiáng)度體現(xiàn)了木材沿紋理方向承受壓力荷載的最大能力[18]，通常是作為選擇受壓構(gòu)件的依據(jù)[11]。杉木木材是建筑和結(jié)構(gòu)用的木材，木材的抗壓強(qiáng)度是重要的力學(xué)性能之一，其順紋的抗拉、抗壓強(qiáng)度能力通常是作為選擇受壓木材構(gòu)件的重要依據(jù)。

30 a時(shí)萌生林與實(shí)生林木材的順紋抗拉和順紋抗壓強(qiáng)度見表4。可知,木材順紋抗壓強(qiáng)度，萌生林是51.028 MPa、標(biāo)準(zhǔn)差是1.759 MPa、變異系數(shù)3.422%；實(shí)生林是46.187 MPa、標(biāo)準(zhǔn)差是2.669 MPa、變異系數(shù)5.780%。根據(jù)《木材力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[18]，其抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了中等強(qiáng)度(45.1～60.0 MPa)要求。

表4 林齡30 a木材順紋抗拉和順紋抗壓強(qiáng)度

木材順紋抗拉強(qiáng)度，萌生林是123.113 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差是7.803 MPa，變異系數(shù)6.355%；實(shí)生林是102.648 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差是8.327 MPa，變異系數(shù)8.147%。根據(jù)《國產(chǎn)樹種分級(jí)規(guī)格材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量要求》[20]，萌生林木材順紋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值已經(jīng)達(dá)到Ⅰc類用材標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)生林木材已經(jīng)達(dá)到Ⅱc類用材標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度

30 a時(shí)萌芽林與實(shí)生林木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度見表5?？芍好壬值臋M紋全部抗壓強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)其弦向分別是2.40 MPa、0.168 MPa和7.151%，而徑向分別是2.16 MPa、0.156 MPa和6.021%；實(shí)生林的橫紋全部抗壓強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)其弦向分別是2.04 MPa、0.121 MPa和6.018%，而徑向分別是1.84 MPa、0.119 MPa和5.255%。

試驗(yàn)結(jié)果與《中國主要樹種的木材物理力學(xué)性質(zhì)》[18]一致，和蔡則謨對(duì)湖南杉木的研究結(jié)果基本一致[19]。無論是弦向還是徑向，萌生林的橫紋全部抗壓強(qiáng)度均大于實(shí)生林11%以上。無論是萌芽林還是實(shí)生林，木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)都低于7.5%，說明木材橫紋抗壓強(qiáng)度比較均勻。無論是萌芽林還是實(shí)生林，其弦向的抗壓強(qiáng)度均大于徑向，這種研究結(jié)果與曹麗芳的“針葉樹種弦向抗壓能力明顯大于徑向的抗壓強(qiáng)度”相吻合。

表5 林齡30 a木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度

3.5 木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度

30 a時(shí)萌芽林與實(shí)生林木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度見表6?？芍好壬值臋M紋局部抗壓強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)其弦向分別是3.67 MPa、0.125 MPa和3.091%，而徑向分別是3.54 MPa、0.158 MPa和6.225%；實(shí)生林的橫紋局部抗壓強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)其弦向分別是3.38 MPa、0.142 MPa和5.967%，而徑向分別是3.34 MPa、0.168 MPa和8.342%。

試驗(yàn)結(jié)果與《中國主要樹種的木材物理力學(xué)性質(zhì)》[18]一致，和蔡則謨對(duì)湖南杉木的研究結(jié)果基本一致[19]。無論是弦向還是徑向，萌生林的橫紋局部抗壓強(qiáng)度均大于實(shí)生林6%以上。無論是萌生林還是實(shí)生林，木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)都低于10%，說明木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度比較均勻。無論是萌生林還是實(shí)生林，其弦向的橫紋局部抗壓強(qiáng)度均大于徑向，這種研究結(jié)果與曹麗芳2016的“針葉樹種弦向抗壓能力明顯大于徑向的抗壓強(qiáng)度”相吻合。

表6 林齡30 a木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度林分類型

3.6 木材材性的差異性

林齡30 a時(shí)，萌芽林和實(shí)生林木材的各種材性的差異性分析結(jié)果見表7。可以看出：萌生林與實(shí)生林木材材性比較有顯著差異的是氣干密度、基本密度和木材橫紋全部徑向抗壓強(qiáng)度，有極顯著差異的是木材順紋抗彎強(qiáng)度、木材順紋抗彎彈性模量、木材順紋抗壓強(qiáng)度、木材橫紋全部弦向抗壓強(qiáng)度、木材橫紋局部徑、弦向抗壓強(qiáng)度，有極極顯著差異的是順紋抗拉強(qiáng)度。

表7 30 a木材材性差異性分析

注：*顯著差異；** 極顯著差異；*** 極極顯著差異。

4 結(jié)論與討論

本研究按照國家標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)湖南省金洞林場林齡30 a杉木萌芽林和實(shí)生林木材的氣干密度、基本密度、順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、橫紋全部抗壓強(qiáng)度(徑向、弦向)、橫紋局部抗壓強(qiáng)度(徑向、弦向)等10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果表明：萌生林的基本密度、氣干密度分別是0.353和0.437 g·cm-3，實(shí)生林分別是0.321和0.395 g·cm-3；萌生林彈性模量超過了M14級(jí)，實(shí)生林彈性模量達(dá)到了M10級(jí)；萌生林木材順紋抗拉強(qiáng)度達(dá)到Ⅰc類用材標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)生林木材達(dá)到Ⅱc類用材標(biāo)準(zhǔn)。萌生林10個(gè)指標(biāo)均優(yōu)于實(shí)生林，且萌芽林和實(shí)生林弦向的抗壓強(qiáng)度均大于徑向。

杉木林分生長狀態(tài)的地理變異有明顯的規(guī)律性，隨著海拔高度的增加其林分的生長狀態(tài)就越來越差，即海拔高度影響林木的生長。木材材性與其生長環(huán)境的地理變化有明顯的規(guī)律性，木材密度隨立地海拔的增高而增大，木材密度受遺傳控制，與種群系統(tǒng)發(fā)育史有關(guān)，是較穩(wěn)定的性狀。杉木萌生林所處環(huán)境的海拔高于實(shí)生林，隨著海拔高度的增加，木材材性的抵抗外力的強(qiáng)度增大，為改善木材材性，產(chǎn)地間選擇比產(chǎn)地內(nèi)選擇更有效。