秦黑楊雜交新品種木材纖維形態及物理力學性質

馮德君，趙涇峰，陳衛華

(西北農林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100)

美洲黑楊(Populusdeltoides)是我國上世紀引進的速生楊樹樹種，具有適應性強、生長迅速、材質優良和高產等特點，可作制漿造紙及人造板制造的原料，是速生用材及綠化造林的主要樹種，具有良好的經濟和生態效益，在我國楊樹產業中占有重要的地位[1-2]。

秦黑卜楊(P.deltoides×P.purdomii)、秦黑青楊1號(P.deltoides×P.cathayana)和秦黑青楊2號(P.deltoides×P.cathayana)是由西北農林科技大學林學院楊樹育種課題組按照嚴格育種程序，歷時12 a，從美洲黑楊×卜氏楊、美洲黑楊×青楊雜交組合中選育出的3個楊樹派間雜交新品種[3]。

秦黑卜楊、秦黑青楊1號、秦黑青楊2號3個雜交新品種的主要特點是干型通直圓滿，生長迅速(5年生樹木材積生長量分別比當地同類生產主栽品種陜林4號(P.deltoides×P.cathayana)大139.01%、28.97%、47.42%)。現有區域栽培試驗表明，上述3個秦黑楊雜交新品種在陜西延安以南、青海西寧及周邊較高海拔相似氣候區均生長良好。同時，秦黑青楊1號和2號枝葉繁茂，樹皮光滑、翠綠，高抗潰瘍病，觀賞價值大，也可用作很好的風景園林樹種[4]。

為了更好地體現速生秦黑楊雜交新品種成材后的利用優勢，對秦黑楊雜交新品種木材的材性和纖維形態進行系統研究，并與當地同類主栽楊樹品種陜林4號對比分析，為秦黑楊雜交新品種的推廣種植、加工利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料采集于西北農林科技大學周至渭河試驗站6～7年生的對比試驗林，其中秦黑卜楊、秦黑青楊1號、秦黑青楊2號及對照樣陜林4號各2株，共8株(表1)。

1.2 測定方法

在試材1.3 m處截取5 cm厚圓盤，沿南北向截取3 cm中心木條，分年輪劈成火柴棍大小的試樣，南北向混合，采用硝酸-氯酸鉀法分離木纖維，制成簡易切片，在光學顯微鏡下隨機測定50根木纖維的長度、寬度，并對數據進行計算及分析。

將試材按照國家標準GB/T1929-2009《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》進行初步加工，加工后的試材毛坯在實驗室陰涼通風處進行堆垛氣干放置，直到試樣達到氣干，再按照國家標準GB/T1930-1941-2009《木材物理力學性質試驗方法》加工試樣，主要測定的物理力學性能指標有氣干密度、全干干縮率及干縮系數(弦向、徑向、體積)、順紋抗壓強度、橫紋(全部)抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量。其中試樣數量按照國家標準GB/T1929-2009《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》中所需要試樣數為準，密度試樣各20個、干縮試樣各120個、順紋抗壓強度試樣各30個、橫紋(全部)抗壓強度各65個、抗彎強度及抗彎彈性模量試樣各65個。以上各項力學性質在萬能力學試驗機上測定，試驗結果均換算成含水率為12%時的數據。

表1 樣木基本情況Table 1 Basic situations of the sample trees

2 結果與分析

2.1 秦黑楊雜交新品種木材纖維形態

纖維形態是木材作為造紙和纖維工業必須要考慮的性能指標，纖維越長、長寬比越大的制品強度越好。3種秦黑楊及陜林4號木材纖維測定結果見表2。

木材纖維是起著支撐樹體和給木材提供強度的作用，木材纖維長度的變化規律是樹木年輪材質分析的主要參數之一，同時也是反映木材及其利用價值的重要指標。在造紙工業中，纖維長度對紙張的拉伸強度和撕裂度都有著極強的相關性，并且細長的纖維能提高纖維柔韌性使紙張形成良好的粘結性。由表2可知，3種秦黑楊新品種的木纖維長度為987.5～1 087 μm，均大于陜林4號的935 μm；秦黑青楊1號和秦黑青楊2號明顯大于秦黑卜楊。僅從木纖維長度來講，作為造紙和纖維工業3種秦黑楊新品種要優于陜林4號，秦黑青楊1號和秦黑青楊2號要優于秦黑卜楊。依據木材解剖分子分級規定[5]，4種楊木的木纖維長度均在900～1 600 μm，屬于中等長度木纖維。

表2 木材纖維測定結果Table 2 Wood fiber morphologies

由表2可知，隨著樹齡的增加，4種楊木纖維長寬比變異規律基本一致，整體呈上升趨勢，變化幅度較小，曲線較為平緩。木纖維長寬比大的，制品的強度較高；3種秦黑楊木纖維長寬比為41.3～42.75，略小于陜林4號的44.9；僅從木纖維長寬比考慮，陜林4號略優于3種秦黑楊。按照造紙原料標準，木纖維長寬比>33，紙張交織較好，強度較高，說明4種楊木均為優良的造紙原料。

武恒等[6]研究人工林楊樹12個無性系木材纖維形態；潘存娥[7]研究新疆幾種楊樹品種纖維形態，長度均為中等長度(900～1 600 μm)，長寬比均在36.0～50.7，具有相同的研究結果。

2.2 秦黑楊雜交新品種木材物理力學性質

根據試驗結果，3種秦黑楊及陜林4號木材各項物理性質指標見表3。

2.2.1 密度 由表3可知，3種新培育的秦黑楊木材的氣干密度為0.42～0.44 g/cm3，小于陜林4號的0.49 g/cm3，這樣的氣干密度在楊樹品種中已經算中等，密度越大，木材的強度越大；依據木材材性分級規定[5]，4種楊木氣干密度均在0.36～0.55 g/cm3，屬于小密度范圍。

表3 秦黑楊等4種木材氣干密度與干縮系數Table 3 Air dry density and shrinkage coefficients of the woods

2.2.2 木材干縮性能 由表3可知，4種楊木弦向、徑向、體積干縮系數大小依次為秦黑卜楊>秦黑青楊1號>秦黑青楊2號>陜林4號，從木材利用來講木材干縮越小越好，3種新培育的秦黑楊的弦向、徑向、體積干縮系數均大于陜林4號，僅從木材干縮來講，秦黑青楊2號是3種秦黑楊新品種中最小的，也是最接近陜林4號的干縮性能的；從4種楊木的弦向、徑向、體積干縮系數來看，都是相對較小的。依據木材材性分級規定[5]，4種楊木體積干縮系數均<0.45%，屬于小干縮系數范圍。

木材力學性能是木材抵抗使其改變大小和形狀的外力的能力，即木材適應外力作用的能力[8]。3種秦黑楊與陜林4號木材主要力學性能結果見表4。

表4 木材主要力學性能測定結果Table 4 Mechanical properties of the woods MPa

2.2.3 順紋抗壓強度 從表4可知，3種秦黑楊新品種的順紋抗壓強度為34.79～36.21 MPa，均小于陜林4號的46.29 MPa，3種秦黑楊的順紋抗壓強度只有陜林4號的75%～78%；依據木材物理力學性質分級表[9]，4種楊木順紋抗壓強度均在33.9～50.7 MPa，屬于低強度范圍。作為結構用木材，陜林4號楊木的順紋抗壓強度就比較小，3種秦黑楊新品種順紋抗壓強度更小，說明不適合。

2.2.4 橫紋(全部)抗壓強度 由表4可知，4種楊木的徑向橫紋(全部)抗壓強度都是大于弦向橫紋(全部)抗壓強度，楊木是散孔材，早晚材緩變，早晚材差距很小，徑向橫紋(全部)抗壓強度大于弦向，主要是木射線的作用；4種楊木徑向和弦向的橫紋(全部)抗壓強度從大到小的順序為陜林4號>秦黑青楊2號>秦黑卜楊>秦黑青楊1號。

2.2.5 抗彎強度 由表4可知，3種秦黑楊新品種的抗彎強度為60.52～63.18 MPa，均小于陜林4號的81.34 MPa，3種秦黑楊的抗彎強度只有陜林4號的74.4%～77.7%；依據木材物理力學性質分級表[9]，4種楊木的抗彎強度均在60.5～98.8 MPa的范圍內，屬于低強度的范圍。作為結構用木材，這個抗彎強度值太低。

2.2.6 抗彎彈性模量 由表4可知，3種秦黑楊新品種的抗彎彈性模量為6 339.31～6 896.67 MPa，均小于陜林4號的8 082.40 MPa，3種秦黑楊新品種的抗彎彈性模量只有陜林4號的78.4%～85.3%；我國闊葉樹材大多數樹種的抗彎彈性模量在8.0～14 GPa[10]，4種楊木只有陜林4號在此區間，3種秦黑楊新品種均<8.0 GPa。

2.2.7 木材綜合強度 木材作為承重構件時，必須考慮其順紋抗壓強度和抗彎強度，所以通常用順紋抗壓強度和抗彎強度之和來表示木材的綜合強度，以表明木材強度品質等級[11]。由表4可知，3種秦黑楊新品種的木材綜合強度為95.31～99.64 MPa，均小于陜林4號的127.63 MPa，3種秦黑楊新品種的木材綜合強度只有陜林4號的74.7%～78.1%；依據木材材性分級標準[12]，3種秦黑楊新品種木材的綜合強度均<108 MPa，屬于強度低的范圍；陜林4號木材的綜合強度在108～167 MPa，屬于中等強度范圍。作為結構用木材來講，3種秦黑楊新品種木材的綜合強度與陜林4號有很大差距。

3 結論

木材的利用主要是2個方面：一是作為纖維工業用材，二是作為結構用木材。從結構用木材考慮，密度大、干縮小、強度大者為好[13]。木材密度的大小對木材物理力學性質以及木材加工工藝性質有直接影響[14]，同時木材密度與力學性質之間存在正相關系[15]。

從纖維工業和造紙用材的要求考慮，木纖維越長，長寬比越大的制品強度越高[16]。3種秦黑楊的木纖維長度略大于陜林4號的，而3種秦黑楊的木纖維長寬比又略小于陜林4號，綜合木纖維長度和木纖維長寬比來考慮，4種楊木都是很好的纖維工業和造紙用材。

4種楊樹中，陜林4號的氣干密度、順紋抗壓強度、橫紋(全部)徑向與弦向抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量、木材綜合強度均大于3種秦黑楊新品種，陜林4號干縮同時小于3種秦黑楊新品種；從木材主要物理力學性能來看，作為結構用木材，陜林4號明顯要優于3種秦黑楊新品種；3種秦黑楊新品種相互比較，秦黑卜楊性能略優于秦黑青楊1號和秦黑青楊2號。