王斯棟 褚江依 陳東升 江京輝

(中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京，100091)(中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所)(中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所)

日本落葉松(Larixkaempferi(Lamb.) Car)原產(chǎn)日本中部，我國于1884年開始引種栽培，主要分布于我國遼寧、甘肅、湖北等地，也是我國北緯45°以南亞高山區(qū)主要造林樹種之一[1]。日本落葉松具有抗病性強、成活率高、成熟期短(20～30 a)、干形直、力學性能優(yōu)良[2-3]等特點，可用作建筑材料與工業(yè)用材原料，在我國林業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。

國外學者研究了晚材率、微觀構造和遺傳效應等因素對日本落葉松物理力學性質的影響[4-6]；國內學者研究了樹齡、生長期對日本落葉松的物理力學性質的影響[7-8]。不同生長勢林木(優(yōu)勢木、平均木和劣勢木)對水分、光照、營養(yǎng)汲取情況不同，會對木材的物理力學性質產(chǎn)生潛在影響。吳義強等[9]對日本落葉松優(yōu)勢木和平均木的物理力學性質比較發(fā)現(xiàn)，平均木的密度和力學指標大于優(yōu)勢木；Jelonek et al.[10]等測定了不同長勢歐洲落葉松的物理力學指標，發(fā)現(xiàn)長勢對木材的力學性能沒有顯著影響，與木材的密度關聯(lián)顯著，且優(yōu)勢木的密度大于劣勢木。刑新婷等[11]與郝華濤等[12]分別測定了日本巖手縣與遼寧溫道林場日本落葉松木材的力學性能，結果表明巖手縣日本落葉松木材的抗彎強重比高于溫道林場，順紋抗拉強重比則較低；Takada et al.[13]測定了不同樣地日本落葉松的楊氏模量，并發(fā)現(xiàn)結果存在顯著差異。Tumenjargal et al.[14]評估了西伯利亞落葉松材性隨產(chǎn)地的變異情況，結果表明不同產(chǎn)地的木材物理力學特性存在顯著性差異。有關研究表明，木材解剖指標與化學組分的徑向變異[15-17]，以及胸徑與木材材性顯著關聯(lián)，成熟材的材性優(yōu)于幼齡材[18-20]，成熟材材性隨胸徑的變化規(guī)律則隨樹種而異[21-22]，而日本落葉松材性隨胸徑的變化規(guī)律未見報道。由于生長勢對落葉松物理和力學性質的影響尚存爭議，且產(chǎn)地和胸徑對日本落葉松材性的影響有待進一步探究，因此，本研究根據(jù)不同生長勢、產(chǎn)地和胸徑的日本落葉松樣木，分析日本落葉松木材物理力學性質的變異規(guī)律，旨在為日本落葉松木材的合理利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點及樣木選擇

試材于2020年1月采自甘肅省天水市龍門與沙壩實驗中心的16～41年生日本落葉松林分，兩個試材采集點地形數(shù)據(jù)和標準地概況(見表1)。根據(jù)標準地調查數(shù)據(jù)選取劣勢木、平均木、優(yōu)勢木進行采伐，記錄采伐樣木的胸徑、樹高等指標(見表2)。將試材鋸解為1 m長的原木，原木兩端用石蠟封端，運至中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所試驗室。

表1 日本落葉松標準地概況

表2 采伐木基本概況

1.2 材性指標及測定方法

按照國家標準(GB/T 1929—2009)[23]對試材進行鋸解，并加工為相應規(guī)格試樣。試樣規(guī)格和試驗方法參照標準[24-29](見表3)。

表3 試樣規(guī)格和參照標準

使用螺旋測微器(精度0.001 mm)與電子天平(精度0.001 g)分別對處于氣干、飽水、絕干狀態(tài)的木材密度試件與干縮性試件的徑向、弦向尺寸和質量進行測定；干縮性是衡量木材材性優(yōu)劣的重要指標之一，參照表國家標準計算氣干密度、基本密度、絕干密度、干縮比(弦向干縮率與徑向干縮率之比)、氣干干縮率、全干干縮率。

使用游標卡尺(精度0.01 mm)測量抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗拉強度、沖擊韌性試件的截面尺寸，使用萬能力學試驗機(型號ALL-50KNB、精度1.0%)測定并記錄抗彎強度、順紋抗拉強度試件的破壞載荷和抗彎彈性模量試件的載荷與應變曲線，使用擺錘式?jīng)_擊試驗機(精度1.0%)測定沖擊韌性試件的沖擊韌性，并根據(jù)國家標準計算抗彎彈性模量、抗彎強度、順紋抗拉強度、沖擊韌性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel對試驗數(shù)據(jù)進行處理，再用Origin軟件進行方差分析以及Fisher LSD多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同長勢對日本落葉松木材物理力學性質的影響

由表4可知，不同長勢的日本落葉松的基本密度、全干密度、氣干密度差異不顯著，這與吳義強等[9]對日本落葉松優(yōu)勢木與劣勢木材性的研究結論不同。劣、平、優(yōu)勢日本落葉松間的徑向氣干干縮率無顯著性差異；不同長勢試材的弦向與體積氣干干縮率均達到0.001水平差異顯著性，表現(xiàn)出劣勢木、平均木、優(yōu)勢木遞增的趨勢，優(yōu)勢木的弦向氣干干縮率與體積氣干干縮率分別比劣勢木高14.39%與9.03%；長勢對氣干干縮比有非常顯著的影響，劣勢木與平均木的氣干干縮比差異較小且相近，平均木為2.03，比優(yōu)勢木小11.25%。不同生長勢日本落葉松間的徑向全干干縮率達到0.05水平差異顯著性，弦向全干干縮率和體積全干干縮率以及全干干縮比則達到0.001水平差異顯著性。徑向、弦向和體積全干干縮率以及全干干縮比均隨長勢呈遞增規(guī)律，優(yōu)勢木比劣勢木分別高7.65%、16.35%、13.26%與8.18%。干縮差異率是衡量木材變形程度的指標，一般來說木材尺寸穩(wěn)定性與其呈反比[30]。在纖維含水率飽和點以下，優(yōu)勢木形變大于平均木和劣勢木。因此，優(yōu)勢木在干燥時應選用較軟的工藝基準，其木制品在加工過程中應適當進行防水防潮處理。

表4 不同長勢日本落葉松木材物理力學性質統(tǒng)計值

由表5可知，日本落葉松抗彎彈性模量、抗彎強度、沖擊韌性與抗拉強度平均值分別為12.09、85.48 MPa、50.97 kJ/m2和106.41 MPa，各指標均不具有顯著性差異。這與Jelonek et al.[10]對不同長勢的歐洲落葉松的物理力學性質測定結論一致，即長勢對木材的力學性能沒有顯著影響，但與木材的物理性質有顯著關聯(lián)；有研究認為日本落葉松平均木的力學性能優(yōu)于優(yōu)勢木[9]，本試驗未得出力學指標間存在顯著性差異，原因是試材的樹齡為16～41 a，日本落葉松的力學性質與樹齡正相關[7]，這對不同生長勢林木的力學性可能產(chǎn)生了一定影響。

表5 不同長勢試材的木材力學性質統(tǒng)計值

2.2 產(chǎn)地對日本落葉松物理力學性質的影響

由表6可知，不同產(chǎn)地間日本落葉松密度存在顯著差異(P<0.05)，龍門的日本落葉松基本密度、全干密度與氣干密度分別較沙壩的高2.50%、3.10%、2.54%。龍門與沙壩日本落葉松的徑向、弦向和體積氣干干縮率達到0.001水平差異顯著性，日本落葉松的徑向、弦向和體積氣干干縮率沙壩比龍門分別高8.90%、11.20%、9.37%。徑向、弦向和體積全干干縮率差異則不顯著，全干干縮比達到0.01水平顯著性差異，全干干縮比沙壩比龍門高5%。因此，龍門日本落葉松試材的物理性質優(yōu)于沙壩。

表6 不同產(chǎn)地試材的木材物理性質統(tǒng)計值

由表7可知，沙壩的日本落葉松的抗彎彈性模量、抗彎強度、沖擊韌性和順紋抗拉強度等指標高于龍門的，但差異均不顯著，原因是試驗地均位于甘肅省境內，所處氣候相近。孫曉梅等[2]測定了遼寧省清源縣的日本落葉松力學性能，彈性模量和沖擊韌性強度分別為12.42 MPa、51.95 kJ/m2，與龍門的相近；抗彎強度為102.11 MPa，比龍門的高16.87%；順紋抗拉強度為97.92 MPa，比龍門的小9.12%。

表7 不同產(chǎn)地試材木材力學性質統(tǒng)計值

由表8可知，沙壩與龍門的日本落葉松抗彎強重比存在顯著性差異(P<0.05)，沖擊韌性與順紋抗拉強重比則不存在顯著性差異。沙壩的日本落葉抗彎強重比較龍門高12.04%，這是因為沙壩標準地年平均降水量小，且坡位為中，土層厚度薄，較龍門(下坡位、較厚土層)水分少，這對樹木的生長有一定抑制作用。

表8 不同產(chǎn)地日本落葉松試材的強重比

刑新婷等[11]測定日本巖手縣的日本落葉松的抗彎強重比為142.7，順紋抗拉強重比為160.5；郝華濤等[12]測定了遼寧省溫道林場日本落葉松的抗彎強重比為137.3，順紋抗拉強重比為209.1。可見，甘肅省沙壩鎮(zhèn)的日本落葉松強重比指標較高，具有更優(yōu)良的力學特性。

由表9可知，日本落葉松基本密度、全干密度、氣干密度的產(chǎn)地-長勢交互作用達到0.001水平(極顯著)，均呈現(xiàn)龍門劣、平、優(yōu)勢木遞增，沙壩遞減的規(guī)律，原因與兩地無霜期和土壤厚度有關，龍門的土壤厚度較大且無霜期較短，較高大優(yōu)勢木可以充分吸收養(yǎng)分與光照，所以密度較平、劣勢木高；沙壩的無霜期較長，雖然林木一年中的生長期較長，但由于土層較薄，供給的營養(yǎng)物質較少，樹木較矮小。徑向氣干干縮率和氣干干縮比的產(chǎn)地-長勢交互作用達到0.01水平顯著；龍門的劣勢木與平均木的徑向氣干干縮率相近，優(yōu)勢木的最大，沙壩的則是平均木與優(yōu)勢木的徑向氣干干縮率相近，劣勢木的最小。龍門和沙壩的氣干干縮比呈現(xiàn)劣勢木與平均木相近，優(yōu)勢木最大的規(guī)律。產(chǎn)地-長勢對抗彎強重比交互作用達到0.05水平顯著，龍門的劣勢木抗彎強重比最小，平均木最大，沙壩的則是平均木最小，優(yōu)勢木最大。

表9 產(chǎn)地-長勢對日本落葉松物理力學性質的交互作用

注：表中R表示徑向干縮率，T表示弦向干縮率，T/R表示干縮比，V表示體積干縮率；*表示0.05水平顯著，** 表示0.01水平顯著，*** 表示0.001水平顯著。

2.3 胸徑對日本落葉松物理力學性質的影響

由表10可知，將試材按照胸徑(D)從小到大排列，順序分配7根試材為一組，依次為：組1(7 cm≤D<11 cm)、組2(11 cm≤D<15 cm)、組3(15 cm≤D<22 cm)、組4(22 cm≤D<28 cm)、組5(28 cm≤D<33 cm)。不同胸徑間日本落葉松的物理性質存在顯著性差異，基本密度、全干密度和氣干密度隨胸徑總體呈增大趨勢。弦向與體積干縮率和干縮比隨胸徑的增大而增大，徑向干縮率則先減小后增大。日本落葉松生長初期生長輪增長率高，導致密度較低[31]。

表10 林木不同胸徑試材的木材物理性質統(tǒng)計值

由表11可知，不同胸徑日本落葉松間抗彎彈性模量達到0.05水平差異顯著性，抗彎強度、沖擊韌性以及順紋抗拉強度差異不顯著。抗彎彈性模量隨胸徑先增大后減小，與張曉文[15]對不同樹齡油松力學性質研究所得結論一致。經(jīng)多重比較分析，組1日本落葉松彈性模量、抗彎強度與其余4組差異顯著，其主要原因是組1多為幼齡材，幼齡材指標總體上小于成熟材[18]。組4(胸徑22～28 cm)日本落葉松所處生長發(fā)育階段材性較優(yōu)，處于較好的采伐階段，胸徑小于22 cm則幼齡材比例較高，胸徑大于28 cm則力學強度下降，氣干干縮比增大，材性降低。

表11 林木不同胸徑試材的木材力學性質統(tǒng)計值

3 結論

日本落葉松劣勢木、平均木與優(yōu)勢木間的力學性質和密度無顯著性差異，弦向和徑向干縮率以及干縮比均表現(xiàn)劣勢木、平勢木、優(yōu)勢木遞增的規(guī)律。說明劣勢木、平勢木、優(yōu)勢木在加工利用方面的差異集中體現(xiàn)在干縮性上，在干燥優(yōu)勢木木材時可以選擇較軟的干燥基準，以達到提高干燥質量的目的。

不同產(chǎn)地間日本落葉松的物理力學性質均表現(xiàn)出一定差異。龍門的日本落葉松密度較沙壩的大，氣干干縮率、全干干縮比、抗彎強重比較沙壩的小，氣干干縮比、全干干縮率、抗彎彈性模量、抗彎強度、沖擊韌性、順紋抗拉強度則無顯著差異。龍門的日本落葉松物理性質較優(yōu)，沙壩的力學性質較優(yōu)。

不同胸徑日本落葉松物理性質存在顯著性差異，密度隨胸徑先增大后減小，弦向和體積干縮率，以及干縮比與胸徑正相關，徑向干縮率則隨胸徑的增大，先減小后增大。不同胸徑間抗彎強度、沖擊韌性與順紋抗拉強度均差異不顯著性，彈性模量隨胸徑的增大，先增大后減小。綜合而言，日本落葉松胸徑22～28 cm時，材性較優(yōu)，處于適伐階段。

產(chǎn)地-長勢對日本落葉松密度、徑向氣干干縮率、氣干干縮比、抗彎強重比等物理力學性質具有顯著的交互作用；沙壩優(yōu)勢木力學指標值最大，龍門劣勢木干縮性最優(yōu)。