趙林峰，高建亮

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005）

近年來，國內(nèi)學(xué)者對杉木Cunninghamia lanceolata無性系木材材性進(jìn)行過許多研究。田荊祥等[1]研究了9年生杉木無性系與實(shí)生林的木材材性后認(rèn)為：有的無性系材性比實(shí)生林好，有的卻差于實(shí)生林；趙承開等[2]研究了杉木無性系19年生木材的基本密度和木材材性后認(rèn)為：隨著年齡的增長無性系的材性與實(shí)生林差異變小，且各無性系之間的木材材性有一定的差異；施季森等[3]研究了杉木實(shí)生林15年生前的生長性狀與材性的相關(guān)性；邊黎明等[4]測定16年生杉木實(shí)生林的彈性模量達(dá)到3.87 GPa；龔迎春等[5]測定24年生杉木實(shí)生林木材的抗彎強(qiáng)度是43.42～48.72 MPa；韋如萍等[6]認(rèn)為：杉木在56年生之前木材密度隨年齡增長而增大，56年生后則隨年齡增長而降低；梁宏溫等[7]認(rèn)為：杉木木材的抗壓程度高，大于禿杉1.5%～17.5%，且這種情形會隨著林齡的增加而增大；林金國等[8]認(rèn)為：木材材性隨年齡增長而增大；杉木12年生木材的順紋抗壓強(qiáng)度是29.9 MPa，17年生則達(dá)到了34.5 MPa。

木材是一種生物材料，也是一種各向異性的高分子材料，由于其構(gòu)造的各向異性導(dǎo)致其力學(xué)性能的各向異性[9]。木材的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是由木材的材性決定的[10]。許多木材加工處理工藝的制定以及用材部門對木材的選擇都依賴于木材物理力學(xué)性質(zhì)的測定結(jié)果[11]。

作者根據(jù)湖南省金洞林場7 個(gè)30年生杉木速生無性系與杉木實(shí)生林的木材材性試驗(yàn)結(jié)果，比較了各無性系之間的木材材性差異后認(rèn)為：無性系不同，其木材材性差異十分明顯。

1 材料與方法

1.1 立地條件

湖南省金洞林場的地處110°53′43″E，26°21′37″N，屬中亞熱帶東南季風(fēng)濕潤性氣候，年均氣溫18℃，年均降雨量1 000～1 800 mm，年均蒸發(fā)量1 225 mm，年均有效日照時(shí)數(shù)為1 617 h，相對濕度75%～82%。土壤屬森林黃壤，厚30～60 cm，pH 值4.5～5.5。

1.2 試樣來源

本次選出的7 個(gè)杉木速生無性系和1 個(gè)對照（實(shí)生林，下同）均來自于1986年11月整地，1987年2月營造的杉木無性系田間試驗(yàn)林。無性系原株是湖南省會同縣種子園的種子在湖南省永州市生產(chǎn)性苗圃中按1/50 000 比例選出的1年生超級苗。原株用人工促萌方式促進(jìn)根頸部“隱芽”萌發(fā)，待萌芽條生長到5～12 cm 時(shí)進(jìn)行扦插育苗。每一原株的分生株扦插為1 個(gè)無性系。對照是金洞林場杉木嫁接種子園種子在本地培育的1年生時(shí)健壯實(shí)生苗。

在同一坡向、坡位的土壤上設(shè)計(jì)3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每一試驗(yàn)區(qū)按抽簽的方式安排無性系和對照，5 株小區(qū)，6 次重復(fù)，即每一無性系有30 株參與試驗(yàn)，對照是90 株。試驗(yàn)林不補(bǔ)植。

1.3 試樣選擇

無性系和對照CK 試樣是2016年10月從30年生無性系田間試驗(yàn)林中選擇的。在參試的131個(gè)無性系中按H≥CK5%、D1.3≥CK10%、V立≥CK20%的標(biāo)準(zhǔn)選出了7 個(gè)速生無性系。根據(jù)每一速生無性系的平均值在6 個(gè)重復(fù)中選擇有代表性的、較接近平均值的樣株3 株，于2016年11月進(jìn)行伐倒；對照CK 也按同樣的方式在整個(gè)試驗(yàn)林分中選擇樣株3 株，同時(shí)伐倒。

1.4 樣本截取方法

按GB/T1927-2009《木材物理力學(xué)試件采集方法》的規(guī)定，樣樹伐倒后在伐根以上部分截取1.3 m 長的圓筒一段，送中南林業(yè)科技大學(xué)木材實(shí)驗(yàn)室按木材測試規(guī)定制作樣材，再按順紋方向鋸解成試件。各項(xiàng)目的測試試件數(shù)按GB/T1928-2009公式計(jì)算（變異系數(shù)取10%～12%）。

試件數(shù)：N=V2T2/P2，式中V為待測項(xiàng)目性質(zhì)的變異系數(shù)，T為結(jié)果可靠性指標(biāo)（取1.96），P為準(zhǔn)確指數(shù)（取5%）。準(zhǔn)確指數(shù)P=2(ST/X)×100%，式中X為測試結(jié)果平均值，ST為平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

1.5 材性指標(biāo)和測定方法

本研究所進(jìn)行的木材材性測試的指標(biāo)主要有氣干密度、基本密度、順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量、橫紋全部抗壓強(qiáng)度（弦向、徑向）、橫紋局部抗壓強(qiáng)度（弦向、徑向）共10 項(xiàng)。性能測試分別按照GB/T1933-2009《木材密度測定方法》、GB/T1938-2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T1935-2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測定方法》、GB/T1939-2009《木材橫紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)采用Excel 2016、SPSS 25.0 等軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析。通過比較不同無性系木材材性的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果，了解各無性系之間30年生木材物理力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣樹的基本情況

速生無性系樣樹和對照CK 的基本情況統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可知，30年生無性系平均樹高19.01 m，對照CK 是17.30 m，無性系是CK 的109.88%；無性系平均胸徑是26.82 cm，對照CK 是23.57 cm，無性系是CK 的113.79%；無性系平均單株立木蓄積是0.527 3 m3，對照CK 是0.380 9 m3，無性系是CK 的138.43%。因此，所選擇的無性系屬于速生無性系范疇。

表1 樣樹基本情況Table 1 The basic situation of 30 a sample tree

2.2 木材密度

木材密度反應(yīng)了木材的致密程度，與木材力學(xué)強(qiáng)度呈正向相關(guān)，是判斷木材工藝性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)[12-13]，在建筑材料應(yīng)用中，木材的各種性質(zhì)主要是由木材密度決定的[14]。另外，木材密度對林木材性育種與遺傳改良也有重要的指導(dǎo)意義[15]。由表2可知，氣干密度：速生無性系的均值是0.409 g·cm-3（范圍0.372～0.449 g·cm-3），對照是0.412 g·cm-3（范圍0.380～0.436 g·cm-3），速生無性系均值小于對照0.97%，但有4 個(gè)速生無性系的氣干密度大于對照；而基本密度：速生無性系的均值是0.332 g·cm-3（范圍0.301～0.355 g·cm-3），對 照 是0.334 g·cm-3（范圍0.308～0.353 g·cm-3），速生無性系均值小于對照0.60%，也有4 個(gè)速生無性系大于對照。密度在前3 位的速生無性系是79172、7922 和79182；從密度的平均值來看：30年生時(shí)速生無性系木材與實(shí)生林木材無差異，且木材密度的測試樣本變異系數(shù)都低于10%，說明木材分散程度比較均勻，能大大降低木材加工的難度。

表2 杉木木材密度Table 2 The air-dry and basic density

2.3 木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量

抗彎強(qiáng)度體現(xiàn)了木材承受靜力彎曲荷載的最大能力，木材彈性模量是指木材在比例極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力，木材作為結(jié)構(gòu)用材優(yōu)劣程度判定的重要力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)[16]。從表3可知，抗彎強(qiáng)度分析：速生無性系的均值是70.652 MPa（范圍61.41～82.52 MPa），對照是70.708 MPa（范圍68.99～73.81 MPa），速生無性系均值小于對照0.07%，有4 個(gè)速生無性系大于對照。彈性模量分析：速生無性系的均值是8.298 GPa（范圍7.472～9.119 GPa），對照是8.262 GPa（范圍7.958～8.458 GPa），速生無性系均值大于對照0.43%，大于對照的速生無性系也是4 個(gè)，都處于前3 位的是7922、79173 和79172。從木材的抗彎強(qiáng)度和木材的彈性模量來看：30年生時(shí)速生無性系木材與實(shí)生林木材無差異。速生無性系試件的變異系數(shù)均低于5%，說明30年生杉木木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量的分散程度比較均勻。

表3 木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量Table 3 The modulus of rupture and modulus of elasticity parallel to grain

2.4 木材順紋抗壓、抗拉強(qiáng)度

木材順紋抗壓強(qiáng)度體現(xiàn)了木材沿紋理方向承受壓力荷載的最大能力[17]。由表4可知，木材順紋抗壓強(qiáng)度分析：速生無性系均值是46.56 MPa（范圍42.01～51.98 MPa），對照是46.78 MPa（范圍43.59～48.97 MPa），速生無性系均值小于對照0.47%，但79172 和7922 大于對照。木材順紋抗拉強(qiáng)度分析：速生無性系均值是104.30 MPa（范圍89.38～119.43 MPa），對照是104.84 MPa（范圍96.49～109.68 MPa），速生無性系均值小于對照0.51%，但79172、7922、7911 和79173 大于對照。就木材順紋抗拉、抗壓強(qiáng)度來看：30年生時(shí)速生無性系和對照木材沒有差異。

表4 木材順紋抗拉和順紋抗壓強(qiáng)度Table 4 The tensile strength and compression strength parallel to grain

2.5 木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度（弦向、徑向）

由表5可知，弦向抗壓：速生無性系均值是2.06 MPa（范圍1.69～2.45 MPa），對照是2.06 MPa（范圍1.99～2.24 MPa），速生無性系均值與對照一般，其中79172、7922 和79173 大于對照。徑向抗壓：速生系均值是1.91 MPa（范圍1.49～2.18 MPa），對照是1.90 MPa（范圍1.78～2.05MPa），速生無性系均值大于對照0.53%，其中79172、7922、79173 和79182 都大于對照。從木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度來看；速生無性系林與實(shí)生林無差異。速生無性系試件的木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)都低于5.0%，說明木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度比較強(qiáng)。

表5 木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度Table 5 The compression strength prependicular (on radial and on flat)

2.6 木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度（弦向、徑向）

從表6可知，弦向抗壓：速生無性系均值是3.46 MPa（范圍3.05～3.72 MPa），對照是3.47 MPa（范圍3.36～3.64 MPa），速生無性系均值小于對照-0.29%，但7922、79172、79173、79182和8219 大于對照。徑向抗壓：速生無性系均值是3.29 MPa（范圍3.05～3.65 MPa），對照是3.34 MPa（范圍3.10～3.48 MPa），速生無性系均值小于對照-0.49%，但7922、79172、79173 都大于對照。從木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度來看；速生無性系林與實(shí)生林無差異。速生系木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)都低于5.0%，說明木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度比較均勻。

表6 木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度Table 6 The compression strength prependicular to grain on localcross (on radial and on flat)

2.7 優(yōu)良無性系木材材性方差分析

在方差分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳參數(shù)估算是林木遺傳育種重要的遺傳變異分析方法之一[18]。從表7可知，對7 個(gè)速生無性系在30年生時(shí)的木材材性方差分析表明：無性系品種不同，其木材材性是不同的，即各無性系之間的木材材性存在有差異或顯著性差異。在95%的可靠性估計(jì)下，各無性系間有顯著差異的材性項(xiàng)目是密度、順紋抗壓和抗拉及局部抗壓（弦向、徑向）；有極顯著差異的材性項(xiàng)目是順紋抗彎和彈性模量、全部抗壓（弦向、徑向）。在生產(chǎn)中可通過無性系間的材性差異來篩選無性系良種。

表7 杉木優(yōu)良無性系木材材性方差分析?Table 7 Variance analysis of wood properties of fine clones of Cunninghamia lanceolata

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

1）本研究發(fā)現(xiàn)，30年生時(shí)速生無性系材性測定均值與實(shí)生林測定值的差異在±1%，根據(jù)《國產(chǎn)樹種分級規(guī)格材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量要求》和《木材力學(xué)性質(zhì)分級表》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，它們應(yīng)屬于同一木材等級。

2）7 個(gè)速生無性系間在30年生時(shí)的木材材性存在著差異，有的表現(xiàn)出極顯著差異。其中有顯著差異的材性項(xiàng)目是密度、順紋抗壓和抗拉強(qiáng)度、橫紋局部抗壓（弦向、徑向）；有極顯著差異的材性項(xiàng)目是抗彎強(qiáng)度和彈性模量、橫紋全部抗壓（弦向、徑向）。表明此次試驗(yàn)的評選具有較大價(jià)值，可以通過無性系間的差異進(jìn)行篩選，能得到生長好、材性優(yōu)的良種。

3）木材的密度能一定程度上反映出環(huán)境信息[19]，對木材的物理性質(zhì)也有決定性影響，對林木材性育種與遺傳改良也有重要的指導(dǎo)意義[9]，速生無性系木材的基本密度、氣干密度分別為0.409 g·cm-3和0.332 g·cm-3，根據(jù)我國木材氣干密度［16］的分級情況可知，氣干密度屬于國產(chǎn)木材的輕量水平，較易發(fā)生干裂，其尺寸穩(wěn)定性一般。

4）杉木速生無性系木材的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度分別為70.724 MPa、9.119 GPa、46.71 MPa、104.74 MPa；其木材的弦向和徑向的橫紋全部抗壓強(qiáng)度和局部抗壓強(qiáng)度分別為2.06、1.91、3.47、3.32 MPa，且弦向抗壓能力明顯大于徑面的抗壓能力[9，20]。根據(jù)《木材材性分級規(guī)定》可知，其綜合強(qiáng)度在強(qiáng)度和硬度方面均屬一般水平或中等水平。

5）從木材材性測試結(jié)果中可以看出：杉木速生無性系各種木材材性與木材密度緊密相關(guān)，如木材密度處于前3 位的無性系7922、79172 和79173 中，其中79172 和7922 的各種木材材性數(shù)值均處在前3 位，選擇時(shí)可以重點(diǎn)加以考慮。

3.2 討 論

本研究僅為30年生的無性系材性測定結(jié)果，沒有進(jìn)行多年份、多批次的測定，僅依據(jù)單一年份測定材料的分析結(jié)果存在一定的局限性。為了更加科學(xué)地研究與評價(jià)杉木速生無性系物理力學(xué)性質(zhì)的遺傳變異及改良效果，將會盡快開展多年份、多批次的測定，同時(shí)繼續(xù)跟蹤這些試驗(yàn)林的測定分析，采用更加全面的試驗(yàn)手段來驗(yàn)證這些結(jié)論。