劉艷萍 錢世江 田麗 夏玉寶

(河南省林業(yè)科學(xué)研究院，鄭州，450008) (信陽(yáng)市平橋區(qū)林業(yè)局)

責(zé)任編輯:戴芳天。

廣玉蘭(Magnolia grandiflora L.)為常綠喬木，樹姿端莊雄偉、枝繁葉茂、葉大光亮、花期較長(zhǎng)且潔白芳香，耐煙抗風(fēng)，尤其是對(duì)二氧化硫等有毒氣體具有很高的抗性，具有很高的經(jīng)濟(jì)觀賞價(jià)值，多用于城市綠化、園林景觀設(shè)計(jì)中［1－2］;其樹皮含酚性成分，認(rèn)為它可作為厚樸的代用品，其葉和花含有芳香油、木蘭花堿等多種化學(xué)成分，可制鮮花浸膏，藥理實(shí)驗(yàn)表明對(duì)正常或麻醉狀態(tài)下的動(dòng)物均有緩慢的降壓作用［3－6］;廣玉蘭生長(zhǎng)速度中等，3年后生長(zhǎng)逐漸加快，平均每年高生長(zhǎng)0.5～0.6 m［7］;同時(shí)廣玉蘭材質(zhì)優(yōu)良，為珍貴用材樹種［8］。木材是古老而永恒的家具原料，對(duì)我國(guó)家具行業(yè)發(fā)展具有重要作用［9］。木材的結(jié)構(gòu)影響木材的性質(zhì)，也決定了木材的利用方向［10－12］。作為珍貴用材樹種之一的廣玉蘭，其木材的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究對(duì)廣玉蘭木材的微觀結(jié)構(gòu)、顯微變異性和木材物理力學(xué)性能進(jìn)行了分析，以期為廣玉蘭的家具制造提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河南信陽(yáng)浉河區(qū)，東經(jīng)114°05'，北緯32°12'，呈西南高、東北低的緩傾地形，西部和南部分別是桐柏山和大別山，東部、北部為淮河沖積形成的平原，最高海拔906 m，最低海拔54 m。該地處于亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡地帶，年平均降雨量1 194 mm。年平均氣溫15.1 ℃，極端最高氣溫40.9 ℃，極端最低氣溫零下20 ℃，無(wú)霜期221 d，相對(duì)濕度76%。沿河平原地表物質(zhì)為洪積沖積物，地勢(shì)開(kāi)闊平坦，地層深厚，土壤肥沃，地下水資源豐富，宜種多種農(nóng)作物。

2 材料與方法

在信陽(yáng)浉河區(qū)某苗圃地取試材5 株;樹齡為15 a、樹高平均為10.0 m、胸徑平均為20.4 cm、枝下高平均為3.73 m;主干明顯、冠層密。

先按樹干解析法的要求進(jìn)行標(biāo)記，采用中央斷面積區(qū)分法進(jìn)行樹干解析［13］，區(qū)分段長(zhǎng)1.0 m，在每段中央、梢底及根頸處鋸圓盤，并在各圓盤背面編號(hào)。同時(shí)將主干剩余木段作好標(biāo)記，一并取回以備木材構(gòu)造、基本密度、力學(xué)性能等各項(xiàng)材性測(cè)定之用。

木材構(gòu)造特征的測(cè)定:?、蛱?hào)圓盤(1.3 m)處的1/4 作為試材，將其切成2 cm×2 cm×2 cm(長(zhǎng)×寬×厚)的木塊，按文獻(xiàn)［14］的方法進(jìn)行軟化處理、切樣和制片，利用光學(xué)顯微鏡觀察記載構(gòu)造特征;并配合目鏡測(cè)微尺測(cè)定管孔的直徑及木射線的寬度、長(zhǎng)度和高度，每一試樣測(cè)量不少于30 次。

掃描電子顯微鏡觀察:將木材的橫切面、徑切面和弦切面三向切片分別置于戊二醛中固定，磷酸緩沖液清洗，酒精梯度脫水，乙酸異戊脂置換，臨界點(diǎn)干燥，噴金，采用FEI Quanta 200 環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察。

基本密度的測(cè)定:取解析木的0、1、2、3、4、5、6、7 號(hào)圓盤作為試材，并將其切成一定體積的小塊，放在蒸餾水中浸泡至木塊飽和，按序號(hào)用濕毛巾覆蓋保持原濕度。利用排水法進(jìn)行測(cè)定，并按下式計(jì)算木材的基本密度:

式中:ρy為基本密度(g/cm3);mo為全干材質(zhì)量(g);Vmax為飽和體積(cm3)。

木材力學(xué)性能的測(cè)定:試樣經(jīng)氣干處理后，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行木材國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1929—2009 的要求進(jìn)行木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取;廣玉蘭木材的各項(xiàng)物理力學(xué)性能按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1931—2009、GB/T 1935—2009、GB/T 1936.1—2009、GB/T 1936.2—2009、GB/T 1938—2009 中規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 廣玉蘭木材構(gòu)造特征

3.1.1 宏觀構(gòu)造

廣玉蘭樹皮灰褐色，粗糙，樹皮厚，約1.0 cm，易剝離。髓實(shí)心，小，圓形。心材與邊材區(qū)別不明顯，材質(zhì)潔白。木材有光澤，無(wú)氣味，無(wú)特殊的滋味。生長(zhǎng)輪明顯，輪寬1.5～13.0 mm，寬度均勻至不均勻。散孔材(圖1a)，管孔在肉眼下偶有可見(jiàn)，多數(shù)為復(fù)管孔、2～8 個(gè)管孔連在一起、徑列狀，偶有管孔團(tuán)、5～8 個(gè)管孔聚成一團(tuán)。軸向薄壁組織量較多，為傍管類的環(huán)管束狀，且多數(shù)為全部包圍。早材至晚材緩變。橫切面上木射線寬度極細(xì)，約為0.05 mm，肉眼下不見(jiàn)，中至多。通常木材的紋理直，木材結(jié)構(gòu)細(xì)、均勻，質(zhì)量、硬度較大。

3.1.2 微觀構(gòu)造

導(dǎo)管為紡錘形和圓柱形，梯狀穿孔(圖1b)。橫切面上管孔為圓形、橢圓形(圖1a)，管孔數(shù)量多數(shù)為76 個(gè)/mm2，多數(shù)為復(fù)管孔、2～8 個(gè)管孔連在一起，徑列狀，偶有管孔團(tuán)，5～8 個(gè)管孔聚成一團(tuán)。管孔徑向直徑為31～62 μm，平均為47 μm;管孔弦向直徑為33～67 μm，平均為45 μm，管孔平均直徑為46 μm，屬于直徑較小級(jí)別。軸向薄壁組織量較多，為傍管類的環(huán)管束狀，且多數(shù)為全部包圍。木纖維長(zhǎng)845.60～2 200.80 μm，平均1 121.77～1 717.43 μm，屬于中等和長(zhǎng)級(jí)別;寬度為20.3～35.5 μm，平均為26.09～32.04 μm，屬于中等寬度級(jí)別，按平均值劃歸為第三級(jí)(26～32 μm);壁厚為2.8～13.3 μm，平均6.65～10.64 μm，按胞腔與壁厚的比例分類則為“甚薄”的一級(jí)。徑切面(圖1c)上射線組織多為同型多列，偶有異形射線，直立或方型細(xì)胞1～2 列，通常1 列，位于射線上下邊緣(圖1d)，直立射線細(xì)胞比橫臥細(xì)胞稍高;直立射線細(xì)胞高度為寬度的1～2 倍，橫臥射線細(xì)胞的寬度是高度的2～5 倍，木射線高度為364～700 μm，平均為521 μm;木射線寬度為140～252 μm，平均為190 μm。弦切面上多列射線數(shù)量多，多為2、3 列(圖1e);單列射線較少。單列射線有6～8 個(gè)細(xì)胞左右，高度為252～280 μm，平均為266 μm，寬度為28～39 μm，平均為33.6 μm;多列射線由26～50 個(gè)細(xì)胞左右，高度為420～840 μm，平均為648 μm，寬度為61.6～84 μm，平均為76 μm。

3.2 廣玉蘭木材基本密度及其變異

木材密度是木材性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是判斷木材強(qiáng)度的最佳指標(biāo)。表1為廣玉蘭木材基本密度的軸向變異模式。可以看出，隨著樹干高度的增加，基本密度整體上呈下降趨勢(shì)，最大基本密度值出現(xiàn)在胸徑1.3 m 處，為0.47 g/cm3，其基本密度大于同科的中國(guó)鵝掌楸(貴州，Liriodendron chinense Sarg.)［15］1308、雜 種 鵝 掌 楸(南 京，Liriodendron chinense×L.tulipifera)［16］和香樟(安徽，Cinnamomum camphora (L.)Presl)［15］1292的基本密度。方差分析表明，廣玉蘭木材基本密度的軸向變異差異極顯著(P＜0.01)。

3.3 廣玉蘭的力學(xué)性質(zhì)

廣玉蘭木材力學(xué)性狀測(cè)定與統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，各力學(xué)性狀均值準(zhǔn)確指數(shù)都小于5%，因此認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果較可靠。廣玉蘭木材端面硬度、徑面硬度和弦面硬度分別為4.87、3.84、4.26 kN，端面硬度分別為徑面硬度和弦面硬度的1.27、1.14 倍。對(duì)于木材硬度指標(biāo)來(lái)說(shuō)，針、闊葉材均是端面硬度比側(cè)面硬度高［17－18］，本試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)。根據(jù)《木材物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》(中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所，1982)，劃分木材等級(jí)的指標(biāo)范圍(見(jiàn)表3)。可知，廣玉蘭木材端面硬度屬中等，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度低，這可能與此次所取樣木的樹齡有關(guān)，樣木樹齡均為15 a，通常樹木的幼齡期在5～20 a，且圍繞髓心呈圓柱體［19］473。據(jù)資料介紹，杉木的幼齡期是14 a、馬尾松的幼齡期是13 a、長(zhǎng)白落葉松和火炬松的幼齡期都是15 a［19］474－477，可以推斷出15年生的廣玉蘭仍處于幼齡期或幼齡期至成熟期的過(guò)渡階段，故其木材力學(xué)性能較低。

表1 廣玉蘭木材基本密度的軸向變異

圖1 廣玉蘭木材的微觀構(gòu)造

表2 廣玉蘭木材的力學(xué)性質(zhì)

表3 木材等級(jí)指標(biāo)范圍

廣玉蘭材質(zhì)優(yōu)良，為珍貴用材樹種。選擇與廣玉蘭同科的中國(guó)鵝掌楸(貴州，Liriodendron chinense Sarg.)，以及我國(guó)不同地區(qū)所特有的4 種珍貴用材樹 種 香 樟、紅 椿(云 南，Toona sureni (Bl.)Merr.)［15］1332、核 桃 楸(東 北，Juglans mandshurica Maxim.)［15］1306、黃波欏(東北，Phellodendron amurense Rupr.)［15］1314與廣玉蘭進(jìn)行比較(表4)。從表4可以看出，廣玉蘭的端面硬度、徑面硬度和弦面硬度略高于中國(guó)鵝掌楸和香樟的，卻顯著高于紅椿、核桃楸和黃波欏的，廣玉蘭的端面硬度、徑面硬度和弦面硬度分別是中國(guó)鵝掌楸的1.15、1.05、1.07 倍，是香樟的1.21、1.09、1.16 倍，是紅椿的1.31、1.51、1.62 倍，是核桃楸的1.40、1.38、1.58 倍，是黃波欏的1.47、1.61、1.98 倍。木材硬度是表征木材抵抗其他剛體壓入木材的能力，通常是木材硬度高者耐磨性大，即抵抗磨損的能力大;反之，則抵抗磨損的能力?。?5］。實(shí)驗(yàn)證明利用廣玉蘭木材加工的木制品較耐磨。廣玉蘭的順紋抗壓強(qiáng)度高于黃波欏的，與紅椿、中國(guó)鵝掌楸和核桃楸的相近，略低于的香樟的。與其他珍貴用材樹種相比，廣玉蘭的順紋抗拉強(qiáng)度明顯高于香樟和紅椿的，分別高出21.37%和23.72%，且與中國(guó)鵝掌楸和核桃楸的相近。從木材的抗彎強(qiáng)度來(lái)看，廣玉蘭木材與中國(guó)鵝掌楸、香樟相當(dāng)，顯著高于紅椿、核桃楸和黃波欏的;廣玉蘭的抗彎彈性模量高于香樟、紅椿和黃波欏的，與中國(guó)鵝掌楸和核桃楸木材的相近。

采用加權(quán)法［17，20］(其中端面硬度、徑面硬度、弦面硬度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量的比重分別為1/7)綜合評(píng)價(jià)廣玉蘭木材的力學(xué)性質(zhì)和工藝性質(zhì)優(yōu)于香樟、紅椿，與優(yōu)良的家具和室內(nèi)裝飾用材樹種中國(guó)鵝掌楸和黃波欏等相似，較核桃楸略差。這可能與此次所取樣木的樹齡有關(guān)，樣木樹齡均為15 a，根據(jù)資料可以推斷出15年生的廣玉蘭仍處于幼齡期或幼齡期至成熟期的過(guò)渡階段，故其木材力學(xué)性能與核桃楸相比，稍有遜色。

4 結(jié)論

廣玉蘭木材屬于散孔材;材質(zhì)潔白，有光澤，紋理直，木材結(jié)構(gòu)細(xì)、均勻，質(zhì)量、硬度較大。橫切面上管孔為圓形、橢圓形，管孔數(shù)量為76 個(gè)/mm2，多數(shù)為復(fù)管孔、2～8 個(gè)管孔連在一起、徑列狀;徑切面上射線組織多為同型多列，偶有異形射線;弦切面上多列射線數(shù)量多，多為2、3 列，單列射線較少。

廣玉蘭木材基本密度隨著樹干高度的增加整體上呈下降趨勢(shì)，最大基本密度值出現(xiàn)在胸徑1.3 m處，為0.47 g/cm3。

廣玉蘭木材屬于高檔用材。木材端面硬度、徑面硬度、弦面硬度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量分別為4.87 kN、3.84 kN、4.26 kN、35.02 MPa、114.97 MPa、83.30 MPa 和10 500 MPa。采用加權(quán)法綜合評(píng)價(jià)得出:廣玉蘭木材的力學(xué)性質(zhì)和工藝性質(zhì)優(yōu)于香樟、紅椿，與優(yōu)良的家具和室內(nèi)裝飾用材樹種中國(guó)鵝掌楸和黃波欏等相似，較核桃楸略差。

［1］ 曹受金.荷花玉蘭在園林景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.林業(yè)實(shí)用技術(shù)，2006(10):44－45.

［2］ 溫紅，陳方宏，許振平，等.優(yōu)良觀賞樹木廣玉蘭在邯鄲城市綠化中應(yīng)用前景探析［J］.河北林業(yè)科技，2010(4):66.

［3］ 王琪，李映麗.荷花玉蘭的生藥學(xué)研究［J］.西北藥學(xué)雜志，2001，16(2):57－59.

［4］ 蘆金清，彭信玉，蔣禮成.荷花玉蘭樹皮的酚性成分研究［J］.中成藥，1990，12(5):32.

［5］ 陳興榮，魏春紅.荷花玉蘭化學(xué)成分研究［J］.中藥材，2000，23(3):159.

［6］ 《全國(guó)中草藥匯編》編寫組.全國(guó)中草藥匯編:上冊(cè)［M］.北京:人民衛(wèi)生出版社，1975.

［7］ 劉艷萍，楊清淮，周玲，等.廣玉蘭的生長(zhǎng)規(guī)律［J］.林業(yè)實(shí)用技術(shù)，2012(10):54－55.

［8］ 黎云昆.論我國(guó)珍貴用材樹種資源的培育［J］.綠色中國(guó)，2005(6):24－28.

［9］ 吳智慧.中國(guó)家具產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.家具，2013，34(5):1－4，15.

［10］ 張耀麗，徐永吉，徐柯，等.不同施肥處理對(duì)尾葉桉纖維形態(tài)的影響［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，24(1):41－44.

［11］ 郭明輝.紅松人工林木材解剖特征的徑向變異［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29(4):12－15.

［12］ Robison T L，Mize C W.Specific gravity and fiber length variation in a European black alder provenance study［J］.Wood and Fiber Science，1987，19(3):225－232.

［13］ 孟憲宇.測(cè)樹學(xué)［M］.2 版.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1996.

［14］ 劉艷萍，陳志林，張洋，等.白蠟條木材解剖性質(zhì)及其變異的研究［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，33(4):125－128.

［15］ 成俊卿.木材學(xué)［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1985.

［16］ 徐朝陽(yáng).雜種鵝掌楸材性研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2004.

［17］ 江香梅，肖復(fù)明，龔斌，等.閩楠天然林與人工林木材物理力學(xué)性質(zhì)研究［J］.林業(yè)科學(xué)研究，2008，21(6):862－866.

［18］ 石雷，孫慶豐，鄧疆.引進(jìn)樹種印度黃檀木材解剖構(gòu)造及物理力學(xué)性質(zhì)的初步研究［J］.林業(yè)科學(xué)研究，2008，21(3):335－339.

［19］ 鮑甫成，江澤慧.中國(guó)主要人工林樹種木材性質(zhì)［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1998.

［20］ 李曉清，唐森強(qiáng)，隆世良，等.楨楠木材的物理力學(xué)性質(zhì)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41(2):77－79.