溫州40 年生降香木材物理力學性質研究

李效文，唐榮強，王金旺，陳秋夏，方崇榮

（1.浙江省亞熱帶作物研究所，浙江 溫州 325005；2.浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023）

降香Dalbergia odorifera為豆科Leguminosae 黃檀屬Dalbergia半落葉大喬木，又稱海南黃花梨、降香黃檀[1]，是國家二級保護野生植物。國標《紅木》（GB/T 181 07—2017）將其木材歸為香枝木類紅木，心材呈紅褐色或深紅褐色，質地堅硬、花紋細密美觀、具特殊芳香氣味等，明亮度較高[2]，是高檔家具、工藝品和裝飾用材，也為傳統中藥與名貴香料。浙江省溫州市地處東海之濱，中亞熱帶南緣，1976 年從當時的廣西林科所引種了一批降香。目前，這批引種的降香尚存23 株大樹，每年開花結實和自然落種繁育，為文獻報道降香引種成功的最北緣地區[3]。

作為珍貴紅木用材樹種，引種地心材質量能否達到了相關標準是評價其推廣應用前景的核心要素。前人的研究結果表明，降香心材開始形成的時間為6—8 年生時，在20—40 年生時增長速度較快，且其心材徑、面積心材比率、徑心材比率與樹齡呈現出極顯著的正相關關系[4-5]。心材的形成是一個極其復雜的過程，包括薄壁組織死亡、乙烯等代謝物的產生、部分酶活性的變化、營養元素的遷移積累和侵填體的產生等[6]。除遺傳因素的影響外，主要受生長地區氣候、立地條件、撫育措施等影響，逆境脅迫帶來植物體內激素水平的變化可以促進或調控其心材的形成[7-8]。由于受試樣少、取樣成本高等限制，對降香心材特性的研究很少[9-11]，特別是對溫州引種的降香心材的物理性狀的研究更未見報道。本文對溫州引種40 年生降香心材率和木材性質進行了系統的測定，驗證其在最北緣引種地區的心材生長情況，豐富不同地區和年齡的降香木材性質，更為降香在溫州種植和可持續發展提供科學支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試材采自于浙江省溫州市甌海區景山公園（28°0′8″ N，120°37′49″ E），屬亞熱帶海洋性季風氣候，年降水量為1 700～1 900 mm，年均氣溫為17.9℃，最低溫在1—2 月，城區歷史最低溫度為-3.9℃，年低溫天數少、歷時短。

降香生長地點的海拔為50 m，坡向為西北山坡，坡度為5°，土壤為紅壤，土層厚，種植后粗放管理，林下有眾多落種繁殖的株苗，自成小群落。2016 年5 月，砍伐1 株株齡為40 a、株高為9.65 m、基部長短徑為26 cm×23 cm 的降香，室內放置3 a 至氣干狀態后進行制樣、測定。

1.2 心材率測定

樣株樹干在距離地面1.15 m 高度處分為2 枝，且枝丫彎曲，采伐時在各彎曲處切割。用鋼卷尺測定樹干斷面、心材斷面的長徑和短徑，以平均直徑計算圓面積[10]。

心材率(%)＝心材面積/橫切面總面積×100。

1.3 木材物理力學性質測定

1.3.1 試驗設計 木材均具有一定的變異性，作為珍稀名貴木材的降香也不例外，尤其是心材與邊材、主干材與枝丫材的物理力學性質不同。由于木材利用領域和評價范疇不同，對材性的要求也不同，從“紅木”來定位，只有密度、結構和材色（以在大氣中變深的材色分類）符合《紅木》GB/T 18107—2017 規定的心材才屬于紅木范疇；從“紅木制品”角度，理想狀態的紅木制品不應有邊材（背面允許不超過部件的10%）。鑒于紅木樹種資源匱乏以及提高木材利用率應用現狀等考慮，降香主干的心材、邊材以及枝丫材均應得到物盡其用，以減少資源浪費。為此，本文研究測試了降香主干心材、主干邊材和枝丫材等不同部位的物理力學性質并對其進行比較，為人工林降香的加工利用提供參考依據。考慮到主干直徑較大，可以制作足夠數量的試件，將主干的心材、邊材分組測試；枝丫材直徑較小且彎曲度高，心材占比較小，受試材條件和試件尺寸要求的限制，無法鋸解成心邊材分明的試件，故枝丫材的心材、邊材未進行分組測試。

1.3.2 試樣制備與測試方法 在降香樣株的各試樣木段，按標準裁取若干尺寸為20 mm×20 mm×300 mm 的試件，將其置于恒溫恒濕箱內（溫度為20±2℃，相對濕度為65%±5%）進行含水率平衡，試驗時試樣的含水率為12.5%。最終按國家標準將試驗結果換算至12%含水率的數值。

木材試件的氣干密度、抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、全部橫紋抗壓強度分別按《木材密度測定方法》（GB/T 19 33—2009）《木材抗彎強度試驗方法》（GB/T 1936.1—2009）《木材抗彎彈性模量測定方法》（GB/T 1936.2—2009）《木材順紋抗壓強度試驗方法》（GB/T 1935—2009）《木材橫紋抗壓強度試驗方法》（GB/T 1939—2009）進行測定。

1.4 相關性分析

采用SPSS 17.0 中雙變量相關性程序，分析各木材力學指標與氣干密度之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同高度的心材率變化

降香樣株不同高度處的心材率的計算結果見表1。

表1 降香樣株不同高度處的心材率Table 1 Heartwood percentage of D.odorifera trunk at different height

由表1 可知，降香主干的心材率隨著樹高的增加而減小，在樹干基部的心材率最大，為45.36%，在樹高1.15 m 處的心材率為27.55%。

兩個枝丫的心材率和心材高度存在一定的差異。枝丫1 的心材最高在樹高約6.5 m 處，此處的心材率僅為1.1%，樹高6.5 m 以下的平均心材率為16.19%；枝丫2 的心材最高在樹高約為6 m，此處的心材率僅為0.33%，樹高6 m 以下的平均心材率為10.45%；心材率隨著枝丫高度的增加而減小，且同一枝丫部分節點的心材率存在較大的波動。此外，兩個枝丫相似高度處的心材率也存在較大的差異，如枝丫2 的3.5～4.5 m 高度處的心材率為枝丫1 相同高度處的2 倍以上。

2.2 木材物理力學性質分析

溫州40 年生降香的木材物理力學性能測試結果，見表2。

由表2 可知，試樣心材的氣干密度范圍為0.687～0.852 g·cm-3，平均值為0.792 g·cm-3；12 個心材測試件內，取自樹干中下部的6 個測試件的氣干密度超過《紅木》GB/T 18107—2017 香枝木類的要求0.80 g·cm-3（含水率12%）。說明該樣株心材氣干密度整體接近或部分超過《紅木》GB/T 18107—2017 規定香枝木類的密度要求。

表2 降香不同部位木材物理力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of different parts of D.odorifera

對主干部分而言，心材的平均氣干密度（0.792 g·cm-3）大于邊材的平均氣干密度（0.736 g·cm-3），這是由于木材心材中抽提物的含量高于邊材的；同樣，樣株主干的平均氣干密度（0.764 g·cm-3）大于枝丫材的平均氣干密度（0.721 g·cm-3），也是由于2 個部位的心材提取物含量不同而有所差異。

從力學性質數據可以看出，抗彎強度、順紋抗壓強度、全部橫紋抗壓強度（徑向）、全部橫紋抗壓強度（弦向）4 個指標均表現為相同趨向規律，即主干心材 >主干邊材 >枝丫材。對于抗彎強度，主干心材（106.47 MPa）>主干邊材（96.83 MPa），主干材（101.65 MPa）>枝丫材（99.57 MPa）；對于順紋抗壓強度，主干心材（64.98 MPa）>主干邊材（55.41 MPa），主干材（60.19 MPa）>枝丫材（54.49 MPa）；對于全部橫紋抗壓強度（徑向），主干心材（15.68 MPa）>主干邊材（12.10 MPa），主干材（13.89 MPa）>枝丫材（10.40 MPa）；對于全部橫紋抗壓強度（弦向），主干心材（15.02 MPa）>主干邊材（10.30 MPa），主干材（12.66 MPa）>枝丫材（9.82 MPa）。由于木材密度是與單位體積內木材細胞壁物質數量相關的指標，是決定木材強度和剛度的基礎性指標，木材強度和剛性隨著木材密度的增大而增高，進一步分析也表明本樣株的這4 個力學性質指標的測定結果與氣干密度存在極顯著正相關（表3），即4 項力學性質均隨密度的增大而增大。此外，樣株各部位試樣（主干心材、主干邊材、枝丫材）的全部橫紋抗壓強度徑向均大于弦向，說明木射線對徑向橫紋抗壓強度的增加起了作用。

抗彎彈性模量主干邊材（10.8×103MPa）>主干心材（10.4×103MPa），主干材（10.62×103MPa）稍微大于枝丫材（10.59×103MPa）；進一步分析發現抗彎彈性模量與氣干密度之間的相關性不顯著（表3），這可能與部分主干心材存在少量“松軟組織”有關。

表3 溫州降香木材的力學性質與氣干密度相關性分析Table 3 Correlation analysis on mechanical properties and air-dry density of D.odorifera

2.3 不同產地木材性質比較分析

比較廣西柳州25 年生、廣西南寧50 年生和浙江溫州40 年生降香的木材性質（表4），發現不同產地和樹齡樣株的心材率、密度和力學性質存在較大的差異。溫州40 年生降香樣株根徑處的心材率最大，且其平均心材率為南寧50 年生樣株的約2 倍，但又遠低于柳州25 年生樣株的；溫州40 年生樣株主干心材的氣干密度為0.792 g·cm-3，扣除12%的含水率后的基本密度為0.697 g·cm-3，介于柳州25 年生樣株的心材基本密度0.729 g·cm-3與南寧50 年生樣株的0.617 g·cm-3之間；除抗彎強度較弱外，溫州40 年生樣株木材的其他力學性質指標均強于南寧50 年生樣株的（表4）。相較于降香主要分布和引種區域，溫州和柳州等引種的北緣地區，年均降水量少和溫度低，存在冬季低溫脅迫，降香的生長速率會低，但心材率和木材物理力學性質反而更好。

表4 不同產地和樹齡降香的木材特性比較Table 4 Comparison of D.odorifera wood properties from different producing area and different ages

3 結論與討論

3.1 結論

隨著降香樹高的增加，溫州40 年生樣株的心材率逐漸減小，這與前人的研究具有共同規律[9-10]。樹干基部的心材率最大，為45.36%，自下而上心材率逐漸減少，至樹高6.5 m 處消失，樹高6.5 m 以下的平均心材率為16.19%。此外，兩個枝丫的心材率、心材消失的樹干高度和相近高度處的心材率存在一定的差異，且部分節點處的心材率存在較大的波動。

溫州40 年生降香樣株主干心材的氣干密度范圍在0.687～0.852 g·cm-3，平均值為0.792 g·cm-3；取自中下部的6 個測試件的氣干密度超過《紅木》GB/T 18107—2017 規定香枝木類的要求0.80 g·cm-3（含水率12%）。溫州40 年生樣株主干材的氣干密度（0.764 g·cm-3）屬Ⅳ級(0.751～0.950 g·cm-3)，抗彎強度（101.6 MPa）屬Ⅲ級（88.1～118.0 MPa），抗彎彈性模量（10.6×103MPa）屬Ⅲ級（10.4×103～13.2×103MPa），順紋抗壓強度（60.2 MPa）屬Ⅳ級（59.1～73.0 MPa）[12]，全部橫紋抗壓強度（徑向）（12.7 MPa）、全部橫紋抗壓強度（弦向）（11.7 MPa）屬中等。

溫州40 年生降香樣株木材的抗彎強度和抗彎彈性模量指標，心材大于邊材；主干材大于枝丫材。但主干邊材的抗彎強度略低于枝丫邊材的，其原因是枝丫邊材取樣包括少許心材。

溫州40 年生降香的抗壓強度指標，順紋抗壓強度、橫紋抗壓強度（徑向、弦向）3 個指標均呈現主干心材大于其邊材、且大于枝丫材的趨勢，均隨密度的增大而增大。主干材與枝丫材的抗彎彈性模量受密度影響較為明顯，主干心材和邊材的抗彎彈性模量受密度影響的規律不明顯。

降香在溫州引種成功，材質優良，大多指標并不弱于廣西等地的降香木材。說明在引種分布的北緣地區，降香的生長受到氣候脅迫，更有利于心材的累積。

3.2 討論

降香心材物質的形成和累積是個復雜的過程，需加強心材物質形成和運輸、枝結和彎曲對心材影響等分析研究。不同生長立地環境、地理種源差異，甚至單株差異都能一定程度上影響其心材和木材性質。

在溫州培植降香用材林完全能夠實現，可在生境良好區域進行適度的推廣種植。