大花序桉和火力楠木材物理力學性質比較

洪小龍

(福建省東山赤山國有防護林場，福建 東山 363400)

木材的物理性質和力學性質是木材性能的基礎指標，反映了木材的纖維特性、可加工利用的潛力和結構穩定性能等，其中木材密度是一項非常重要的木材物理性質指標，根據木材密度可以大致推測木材力學強度[1]。木材的物理性質和力學性質能夠評估木材品質，為木材品質的改良、定向培育和樹種篩選等工作提供重要的理論基礎和科學依據。大花序桉(Eucalyptuscloeziana)原產于澳大利亞[2]，后廣泛引種至亞洲水熱條件較好的區域。引種后大花序桉能較好地適應地理環境，樹形通直，具有硬度高、材質較為均勻等特點，常用于建筑和家具制造等方面。有學者對我國現有的大花序桉木材密度、纖維形態和化學組分進行分析，證明大花序桉是一種優良的造紙樹種[3]。大花序桉隨著年齡和種源的變化，其木材性能也產生一定的變化。大花序桉的木材密度隨著年齡增加呈逐漸上升的趨勢[4-5]。不同種源的大花序桉的木材密度、順紋抗壓強度、抗彎強度等物理力學性質均具有一定差別[6]，造成差異可能與植物本身的遺傳特性和植物的生長環境息息相關。較多的學者通過比較同一區域的不同物種，以揭示物種間的木材物理力學性質的差異，為木材合理利用提供參考。大花序桉引種至福建漳州后，長勢良好，但其在漳州的木材物理力學性質尚未有研究。因此，本研究以漳州市龍海九龍嶺國有林場12年生的大花序桉人工林為研究對象，并以鄉土樹種23年生的火力楠(Micheliamacclurei)人工林為對照，對大花序桉和火力楠的木材物理性質和力學性質進行比較，以期為大花序桉和火力楠木材的合理利用、林分科學經營提供參考。

1 試驗地概況

試驗樣地位于福建省漳州市龍海九龍嶺國有林場(117°37′30″—117°45′E、24°20′—24°75′N)，屬南亞熱帶海洋性季風氣候。年均氣溫21.4 ℃左右，年最高氣溫為38℃(7月)，年最低氣溫為0 ℃(1月)，每年霜期較短，年均降水量約1450 mm。林場海拔150～350 m，坡度一般在20°～30°，土壤層厚度通常為40～100 cm左右，腐殖質層相對較薄，以磚紅壤性紅壤為主要土壤類型。

2 研究方法

2.1 樣品采集

于2014年在大花序桉、火力楠人工林中不同坡位選取5處，設置20 m×20 m標準地，選擇平均木10株作為樣木，將樣木貼地伐倒后，在伐根處查看年輪數，測量全樹高、枝下高、胸徑(表1)。第1段0～1.3 m，之后按每段2 m做試材。

表1 標準木情況

2.2 木材物理性質測定方法

依據GB/T 1929—2009 木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法[8]測定大花序桉和火力楠的物理性質：木材氣干密度、全干密度、全干時干縮率、氣干時干縮率、氣干時濕脹性、吸水后濕脹性。將原木逐段鋸解，取1.3～2.3、2.3～3.3 m為1段，3.3 m以上按每2 m為1段做試材。將每個木段沿長度方向鋸解成端面為25 mm×25 mm的方條(無樹皮)，大花序桉、火力楠的每段木材分別取方條5根、3根，1個試件共30根方條，并將方條捆好、標記和晾干處理。

2.3 木材力學性質測定方法

大花序桉和火力楠各選取5株樣木，每株樣木選取3段木段，鋸成板坯后在室內進行氣干處理。依據GB/T 1928—2009木材物理力學試驗方法總則[9]進行加工，將每個木段沿長度方向鋸解成端面為25 mm×25 mm，長度為1000 mm的方條(無樹皮)，每段木材各選取方條4根。力學性質測定前將試樣置于恒溫箱，溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±3)%，確保試樣的含水率在12%左右。通過木材萬能力學試驗機(Amsler 4 t)測定大花序桉和火力楠的順紋抗壓強度、抗彎強度以及端面、徑面和弦面的木材硬度，有效樣本數30個以上。

2.4 綜合評分

參考曾華浩等[7]對樹種木材物理力學的加權綜合評價方法，將氣干密度、全干密度、抗彎強度、順紋抗壓強度、端面的硬度、弦面的硬度、徑面的硬度作為評價指標，權重設定為等權重，即權重值取1/7。

2.5 數據處理與分析

運用Excel 2013 對數據進行統計與分析。運用SPSS 19.0對大花序桉和火力楠的物理性質和力學性質指標的差異性進行配對T檢驗分析。

3 結果與分析

3.1 物理性能

由表2可知，大花序桉木材的氣干密度為(0.78±0.08) g·cm-3，火力楠木材的氣干密度為(0.58±0.03) g·cm-3。大花序桉弦向的全干時干縮率為(8.8±1.3)%，徑向的全干時干縮率為(6.4±0.7)%；弦向的氣干時干縮率為(5.1±1.5)%，徑向的氣干時干縮率為(3.7±1.6)%；弦向的氣干時濕漲性為(4.0±1.1)%，徑向的氣干時濕漲性為(2.9±0.8)%；弦向的吸水后濕漲性為(9.7±1.6)%，徑向的吸水后濕漲性為6.8%。火力楠弦向的全干時干縮率為(6.8±1.2)%，徑向的全干時干縮率為(5.1±1.1)%；弦向的氣干時干縮率為(3.9±1.1)%；徑向的氣干時干縮率為(2.8±1.2)%；弦向的氣干時濕漲性為(3.2±0.8)%，徑向的氣干時濕漲性為(2.5±1.2)%；弦向的吸水后濕漲性為(7.3±1.2)%，徑向的吸水后濕漲性為(5.4±1.9)%。大花序桉的氣干、全干密度均顯著高于火力楠(P<0.05)，而2個樹種徑向的氣干時濕脹性之間沒有顯著差異。

表2 大花序桉和火力楠人工林木材物理性質

3.2 力學性質

由表3可知，大花序桉的順紋抗壓強度為(67.8±8.76) MPa，抗彎強度為(135.9±9.74) MPa，木材的綜合強度為203.7 MPa；大花序桉的端面、徑面、弦面的木材硬度分別為(8750±621.3) N、(6430±578.4) N、(6800±428.1) N。火力楠的順紋抗壓強度為(52.6±7.28) MPa，抗彎強度為(102.0±6.98) MPa，木材綜合強度為154.6 MPa；火力楠的端面、徑面、弦面的木材硬度分別為(5420±486.3) N、(3560±361.5) N、(3740±281.1) N。

表3 大花序桉和火力楠人工林木材力學性質

3.3 與其他樹種物理力學性質的比較

將大花序桉、火力楠與福建省主要造林樹種(油杉[7]、馬尾松[8]、濕地松[8]、杉木[9]、禿杉[9])的木材物理力學性質進行比較，并根據其木材物理力學性質進行綜合評分(表4)。通過綜合評分可知，大花序桉和火力楠的綜合評分高于其它樹種，其順紋抗壓強度明顯高于其它樹種。此外，大花序桉的氣干密度和全干密度也高于其它樹種。

表4 大花序桉、火力楠與其它樹種木材物理力學性質比較

4 討論與結論

大花序桉生長速度快，而且木材物理力學性質優良。根據氣干密度進行劃分等級[10]，大花序桉木材氣干密度屬Ⅳ級(0.751～0.95 g·cm-3)，火力楠木材氣干密度屬Ⅲ級(0.551～0.75 g·cm-3)，說明大花序桉木材結構偏硬，密度相對較高，而火力楠木材密度屬于中等水平。

木材的干縮率和濕脹性是木材的固有性質[13]。干縮率和濕脹性的變化越低，木材發生干燥開裂的情況就越小，表明木材的尺寸穩定較高[14]。相對于大花序桉，火力楠木材全干時干縮率和氣干時干縮率更低，表明火力楠木材干縮性小，具有較好的尺寸穩定性，不易變形，這一結果與韋鵬練等[1]的研究結果一致。而大花序桉木材的干縮率和濕脹性均顯著高于火力楠，在尺寸的穩定性上相對較弱一點。

木材的強度采用綜合強度進行衡量，為順紋抗壓強度和抗彎強度之和[14]。本研究中，大花序桉木材的綜合強度為203.7 MPa，而火力楠木材的綜合強度為154.6 MPa。根據木材材性的綜合強度的劃分標準進行劃分[15]，大花序桉木材的綜合強度屬中上水平，火力楠木材的綜合強度屬于中等水平，即大花序桉和火力楠均較適宜家具和室內裝飾的用途。這2個樹種的木材物理力學性質的差異可能與樹種的細胞結構特征差異有關[16]。

大花序桉和火力楠作為福建林業重要的用材樹種，適應性強，用途廣泛。通過與福建省主要造林樹種的材性對比發現，大花序桉和火力楠的綜合評分相對較高，即二者的木材材性方面具有較大的潛力和應用價值。本研究通過比較2個樹種的木材物理力學性質的差異，可以從木材性能的角度為大花序桉和火力楠的推廣提供參考。