熊星月， 劉 震

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄭州 450002）

山桐子（Idesia polycarpa）為大風(fēng)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(shí)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(shí)，又由于山桐子壽命長(zhǎng)，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(chǔ)林樹種. 作為果材兼用樹種，過去更多側(cè)重于研究其果實(shí)成分及開花結(jié)實(shí)規(guī)律［2-10］，針對(duì)木材生長(zhǎng)與材性研究較少. 吳登高等（2015）調(diào)查了毛葉山桐子（Idesia polycarpaMaxim.var vestita Diels）的生長(zhǎng)特性［11］，而有關(guān)原種山桐子的生長(zhǎng)特性方面未見報(bào)道. 本文以山桐子樹木為對(duì)象對(duì)其進(jìn)行樹干解析和物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定，探究山桐子樹木生長(zhǎng)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(yàn)材料

試驗(yàn)材料于2020 年8 月取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林木種苗繁育工程技術(shù)中心，選取18 a 生山桐子標(biāo)準(zhǔn)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(jì)8 個(gè)圓盤進(jìn)行樹干解析. 余下山桐子樹干根據(jù)測(cè)定指標(biāo)做好試材分配和編號(hào)工作，進(jìn)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(nèi)氣干后，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》（GB/T 1928—2009）、《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》（GB/T 1929—2009）中的標(biāo)準(zhǔn)加工木材物理、力學(xué)性質(zhì)無疵試樣. 測(cè)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(cè)定木材硬度試樣尺寸為70 mm×50 mm×50 mm，共12枚；測(cè)定順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)尺寸為30 mm×20 mm×20 mm，共12枚；測(cè)定抗彎強(qiáng)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(yàn)方法

1.2.1 樹干解析 將取得的圓盤拋光后按3 a 為一個(gè)齡階進(jìn)行樹干解析，測(cè)量東西和南北方向各齡階的直徑，取兩個(gè)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(zhǎng)過程擬合 對(duì)山桐子材積的擬合采用Logistics、Gompertz 和Richerds 理論方程及Weibull 經(jīng)驗(yàn)方程. 通過對(duì)比分析相關(guān)指數(shù)R2、剩余離差平方和SSE擬合統(tǒng)計(jì)量，選出各自最優(yōu)生長(zhǎng)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(zhǎng)的最大值參數(shù)；b為與初始值有關(guān)的參數(shù)；k為最大生長(zhǎng)率參數(shù)；r為生長(zhǎng)速率參數(shù)；T為樹齡.

1.2.3 木材物理、力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定 木材密度、濕脹性及干縮性測(cè)定步驟分別參照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材密度測(cè)定方法》（GB/T 1933—2009）、《木材濕脹性測(cè)定方法》（GB/T 1934.2—2009）、《木材干縮性測(cè)定方法》（GB/T 1932—2009）進(jìn)行；木材硬度、順紋抗壓、抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量測(cè)定步驟分別參照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材硬度試驗(yàn)方法》（GB/T 1941—2009）、《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 1935—2009）、《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 1936.1—2009）、《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》（GB/T 1936.2—2009）進(jìn)行，各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定.

1.3 數(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 山桐子胸徑、樹高和材積生長(zhǎng)過程

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

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

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

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

2.1.3 材積生長(zhǎng)過程分析 根據(jù)樹干解析的結(jié)果，計(jì)算山桐子材積平均生長(zhǎng)量、連年生長(zhǎng)量、總生長(zhǎng)量，依次繪制山桐子材積平均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量曲線及總生長(zhǎng)過程曲線. 由圖3 可知，18 a 生山桐子材積總生長(zhǎng)量為0.110 4 m3，材積在18 a 時(shí)仍表現(xiàn)出高速增長(zhǎng)的趨勢(shì). 材積平均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量在0～9 a緩慢增長(zhǎng)，9～18 a快速增長(zhǎng)，在12～15 a期間增長(zhǎng)速度放緩，但在18 a仍表現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；山桐子材積平均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量曲線并未相交，山桐子在第18 a 時(shí)還未達(dá)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(zhǎng)過程Fig.3 The volume growth process of Idesia polycarpa

對(duì)材積生長(zhǎng)過程進(jìn)行方程擬合對(duì)比分析，將相關(guān)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(zhǎng)預(yù)測(cè)模型（見表1）.按照該方程計(jì)算出40 a 生山桐子單株材積可以達(dá)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(zhì)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(jí)，屬于中低等級(jí)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(yīng)考慮濕脹對(duì)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(jí)，弦向干縮率屬于Ⅱ等級(jí)，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(xué)性質(zhì)

山桐子木材的力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)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(jí)中等. 山桐子木材的抗彎強(qiáng)度為89.85 MPa，抗彎彈性模量為3.90 GPa，順紋抗壓強(qiáng)度為38.14 MPa. 山桐子木材的抗彎強(qiáng)度等級(jí)為中等，抗彎彈性模量等級(jí)為低等，順紋抗壓強(qiáng)度為中低等.

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

3 討論與結(jié)論

本研究中18 a 生山桐子胸徑達(dá)到13.35 cm，小于寧強(qiáng)縣毛葉山桐子（16.00 cm）和‘豫濟(jì)’山桐子（Idesia Polycarpa‘Yuji’）的胸徑（20.03 cm）. 山桐子胸徑連年生長(zhǎng)量在12 a 時(shí)最大，與寧強(qiáng)縣毛葉山桐子連年生長(zhǎng)量在15 a 時(shí)最大稍有差異，但二者的胸徑連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量均相交于18～19 a［11］，說明山桐子大致在18～19 a時(shí)達(dá)到胸徑數(shù)量成熟，可以進(jìn)行第一次生長(zhǎng)撫育，促進(jìn)生長(zhǎng). 18 a生山桐子樹高總生長(zhǎng)量為8.90 m，與寧強(qiáng)縣毛葉山桐子的樹高（8.0 m）差別不大，但明顯低于生長(zhǎng)于濟(jì)源太行山的18 a 生‘豫濟(jì)’山桐子的樹高（14.33 m）. 18 a 生山桐子樹高連年生長(zhǎng)量在第12 a 之前快速生長(zhǎng)，隨后進(jìn)入緩慢生長(zhǎng)期，與寧強(qiáng)縣毛葉山桐子高生長(zhǎng)先降低再升高的趨勢(shì)不同，共同點(diǎn)是高生長(zhǎng)數(shù)量成熟期早于胸徑. 18 a 生山桐子材積達(dá)到0.110 4 m3，與毛葉山桐子材積差別不大，材積連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量均未相交，即使到39 a材積也未達(dá)到數(shù)量成熟，說明山桐子為長(zhǎng)壽命樹種，適宜培育大徑級(jí)用材林，能很好地滿足國儲(chǔ)林的要求. 39 a生毛葉山桐子單株材積達(dá)到0.248 8 m3，遠(yuǎn)低于本試驗(yàn)山桐子材積模擬得出的0.4 m3，而18 a 生‘豫濟(jì)’山桐子單株的材積量平均達(dá)到0.208 8 m3，蓄積量平均達(dá)8.560 8 m3/畝，活立木蓄積達(dá)到128.412 m3/hm2，預(yù)示著山桐子在人工干預(yù)情況下有可能加速其生長(zhǎng). 與中山杉（Taxodium hybrid‘Zhongshanshan 118’）和落羽杉（Taxodium distichum）胸徑在6～7 a連年生長(zhǎng)量達(dá)到高峰，8～9 a即達(dá)到數(shù)量成熟不同［13］，山桐子的生長(zhǎng)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(shí)達(dá)到生長(zhǎng)高峰，胸徑連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)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(duì)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(dāng)［22］. 山桐子木材屬于輕材向中材過度材，屬于Ⅱ級(jí). 山桐子木材徑向干縮率為Ⅳ等級(jí)，弦向干縮率為Ⅱ等級(jí)，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(shí)，要充分考干縮濕脹性對(duì)木材產(chǎn)品產(chǎn)生的影響.

18 a生山桐子的木材抗彎強(qiáng)度平均為89.9 MPa，等級(jí)為中等，低于抗彎強(qiáng)度Ⅴ級(jí)的海南子京，高于Ⅰ級(jí)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(dāng)［22］. 山桐子木材端面硬度等級(jí)為中等，與其密度較小有一定的關(guān)系. 山桐子木材順紋抗壓強(qiáng)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(zhǎng)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(yīng)在40 a以后；其木材軟硬適中，易加工；抗彎強(qiáng)度適中，可用于建筑、家具裝飾木質(zhì)材料等，不建議作為彎曲結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求高的承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件.