广玉兰木材构造及其物理力学性质1)

刘艳萍 钱世江 田丽 夏玉宝

(河南省林业科学研究院，郑州，450008) (信阳市平桥区林业局)

责任编辑:戴芳天。

广玉兰(Magnolia grandiflora L.)为常绿乔木，树姿端庄雄伟、枝繁叶茂、叶大光亮、花期较长且洁白芳香，耐烟抗风，尤其是对二氧化硫等有毒气体具有很高的抗性，具有很高的经济观赏价值，多用于城市绿化、园林景观设计中［1－2］;其树皮含酚性成分，认为它可作为厚朴的代用品，其叶和花含有芳香油、木兰花碱等多种化学成分，可制鲜花浸膏，药理实验表明对正常或麻醉状态下的动物均有缓慢的降压作用［3－6］;广玉兰生长速度中等，3年后生长逐渐加快，平均每年高生长0.5～0.6 m［7］;同时广玉兰材质优良，为珍贵用材树种［8］。木材是古老而永恒的家具原料，对我国家具行业发展具有重要作用［9］。木材的结构影响木材的性质，也决定了木材的利用方向［10－12］。作为珍贵用材树种之一的广玉兰，其木材的结构和性质鲜见报道。本研究对广玉兰木材的微观结构、显微变异性和木材物理力学性能进行了分析，以期为广玉兰的家具制造提供理论基础。

1 试验地概况

试验地位于河南信阳浉河区，东经114°05'，北纬32°12'，呈西南高、东北低的缓倾地形，西部和南部分别是桐柏山和大别山，东部、北部为淮河冲积形成的平原，最高海拔906 m，最低海拔54 m。该地处于亚热带向暖温带的过渡地带，年平均降雨量1 194 mm。年平均气温15.1 ℃，极端最高气温40.9 ℃，极端最低气温零下20 ℃，无霜期221 d，相对湿度76%。沿河平原地表物质为洪积冲积物，地势开阔平坦，地层深厚，土壤肥沃，地下水资源丰富，宜种多种农作物。

2 材料与方法

在信阳浉河区某苗圃地取试材5 株;树龄为15 a、树高平均为10.0 m、胸径平均为20.4 cm、枝下高平均为3.73 m;主干明显、冠层密。

先按树干解析法的要求进行标记，采用中央断面积区分法进行树干解析［13］，区分段长1.0 m，在每段中央、梢底及根颈处锯圆盘，并在各圆盘背面编号。同时将主干剩余木段作好标记，一并取回以备木材构造、基本密度、力学性能等各项材性测定之用。

木材构造特征的测定:取Ⅱ号圆盘(1.3 m)处的1/4 作为试材，将其切成2 cm×2 cm×2 cm(长×宽×厚)的木块，按文献［14］的方法进行软化处理、切样和制片，利用光学显微镜观察记载构造特征;并配合目镜测微尺测定管孔的直径及木射线的宽度、长度和高度，每一试样测量不少于30 次。

扫描电子显微镜观察:将木材的横切面、径切面和弦切面三向切片分别置于戊二醛中固定，磷酸缓冲液清洗，酒精梯度脱水，乙酸异戊脂置换，临界点干燥，喷金，采用FEI Quanta 200 环境扫描电子显微镜观察。

基本密度的测定:取解析木的0、1、2、3、4、5、6、7 号圆盘作为试材，并将其切成一定体积的小块，放在蒸馏水中浸泡至木块饱和，按序号用湿毛巾覆盖保持原湿度。利用排水法进行测定，并按下式计算木材的基本密度:

式中:ρy为基本密度(g/cm3);mo为全干材质量(g);Vmax为饱和体积(cm3)。

木材力学性能的测定:试样经气干处理后，根据我国现行木材国家标准GB/T 1929—2009 的要求进行木材物理力学试材锯解及试样截取;广玉兰木材的各项物理力学性能按国家有关标准GB/T 1931—2009、GB/T 1935—2009、GB/T 1936.1—2009、GB/T 1936.2—2009、GB/T 1938—2009 中规定的方法进行测定。

3 结果与分析

3.1 广玉兰木材构造特征

3.1.1 宏观构造

广玉兰树皮灰褐色，粗糙，树皮厚，约1.0 cm，易剥离。髓实心，小，圆形。心材与边材区别不明显，材质洁白。木材有光泽，无气味，无特殊的滋味。生长轮明显，轮宽1.5～13.0 mm，宽度均匀至不均匀。散孔材(图1a)，管孔在肉眼下偶有可见，多数为复管孔、2～8 个管孔连在一起、径列状，偶有管孔团、5～8 个管孔聚成一团。轴向薄壁组织量较多，为傍管类的环管束状，且多数为全部包围。早材至晚材缓变。横切面上木射线宽度极细，约为0.05 mm，肉眼下不见，中至多。通常木材的纹理直，木材结构细、均匀，质量、硬度较大。

3.1.2 微观构造

导管为纺锤形和圆柱形，梯状穿孔(图1b)。横切面上管孔为圆形、椭圆形(图1a)，管孔数量多数为76 个/mm2，多数为复管孔、2～8 个管孔连在一起，径列状，偶有管孔团，5～8 个管孔聚成一团。管孔径向直径为31～62 μm，平均为47 μm;管孔弦向直径为33～67 μm，平均为45 μm，管孔平均直径为46 μm，属于直径较小级别。轴向薄壁组织量较多，为傍管类的环管束状，且多数为全部包围。木纤维长845.60～2 200.80 μm，平均1 121.77～1 717.43 μm，属于中等和长级别;宽度为20.3～35.5 μm，平均为26.09～32.04 μm，属于中等宽度级别，按平均值划归为第三级(26～32 μm);壁厚为2.8～13.3 μm，平均6.65～10.64 μm，按胞腔与壁厚的比例分类则为“甚薄”的一级。径切面(图1c)上射线组织多为同型多列，偶有异形射线，直立或方型细胞1～2 列，通常1 列，位于射线上下边缘(图1d)，直立射线细胞比横卧细胞稍高;直立射线细胞高度为宽度的1～2 倍，横卧射线细胞的宽度是高度的2～5 倍，木射线高度为364～700 μm，平均为521 μm;木射线宽度为140～252 μm，平均为190 μm。弦切面上多列射线数量多，多为2、3 列(图1e);单列射线较少。单列射线有6～8 个细胞左右，高度为252～280 μm，平均为266 μm，宽度为28～39 μm，平均为33.6 μm;多列射线由26～50 个细胞左右，高度为420～840 μm，平均为648 μm，宽度为61.6～84 μm，平均为76 μm。

3.2 广玉兰木材基本密度及其变异

木材密度是木材性质的一项重要指标，是判断木材强度的最佳指标。表1为广玉兰木材基本密度的轴向变异模式。可以看出，随着树干高度的增加，基本密度整体上呈下降趋势，最大基本密度值出现在胸径1.3 m 处，为0.47 g/cm3，其基本密度大于同科的中国鹅掌楸(贵州，Liriodendron chinense Sarg.)［15］1308、杂 种 鹅 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，广玉兰木材基本密度的轴向变异差异极显著(P＜0.01)。

3.3 广玉兰的力学性质

广玉兰木材力学性状测定与统计结果见表2。可以看出，各力学性状均值准确指数都小于5%，因此认为试验结果较可靠。广玉兰木材端面硬度、径面硬度和弦面硬度分别为4.87、3.84、4.26 kN，端面硬度分别为径面硬度和弦面硬度的1.27、1.14 倍。对于木材硬度指标来说，针、阔叶材均是端面硬度比侧面硬度高［17－18］，本试验也证实了这一点。根据《木材物理力学性质分级表》(中国林科院木材工业研究所，1982)，划分木材等级的指标范围(见表3)。可知，广玉兰木材端面硬度属中等，顺纹抗压强度、抗弯强度低，这可能与此次所取样木的树龄有关，样木树龄均为15 a，通常树木的幼龄期在5～20 a，且围绕髓心呈圆柱体［19］473。据资料介绍，杉木的幼龄期是14 a、马尾松的幼龄期是13 a、长白落叶松和火炬松的幼龄期都是15 a［19］474－477，可以推断出15年生的广玉兰仍处于幼龄期或幼龄期至成熟期的过渡阶段，故其木材力学性能较低。

表1 广玉兰木材基本密度的轴向变异

图1 广玉兰木材的微观构造

表2 广玉兰木材的力学性质

表3 木材等级指标范围

广玉兰材质优良，为珍贵用材树种。选择与广玉兰同科的中国鹅掌楸(贵州，Liriodendron chinense Sarg.)，以及我国不同地区所特有的4 种珍贵用材树 种 香 樟、红 椿(云 南，Toona sureni (Bl.)Merr.)［15］1332、核 桃 楸(东 北，Juglans mandshurica Maxim.)［15］1306、黄波椤(东北，Phellodendron amurense Rupr.)［15］1314与广玉兰进行比较(表4)。从表4可以看出，广玉兰的端面硬度、径面硬度和弦面硬度略高于中国鹅掌楸和香樟的，却显著高于红椿、核桃楸和黄波椤的，广玉兰的端面硬度、径面硬度和弦面硬度分别是中国鹅掌楸的1.15、1.05、1.07 倍，是香樟的1.21、1.09、1.16 倍，是红椿的1.31、1.51、1.62 倍，是核桃楸的1.40、1.38、1.58 倍，是黄波椤的1.47、1.61、1.98 倍。木材硬度是表征木材抵抗其他刚体压入木材的能力，通常是木材硬度高者耐磨性大，即抵抗磨损的能力大;反之，则抵抗磨损的能力小［15］。实验证明利用广玉兰木材加工的木制品较耐磨。广玉兰的顺纹抗压强度高于黄波椤的，与红椿、中国鹅掌楸和核桃楸的相近，略低于的香樟的。与其他珍贵用材树种相比，广玉兰的顺纹抗拉强度明显高于香樟和红椿的，分别高出21.37%和23.72%，且与中国鹅掌楸和核桃楸的相近。从木材的抗弯强度来看，广玉兰木材与中国鹅掌楸、香樟相当，显著高于红椿、核桃楸和黄波椤的;广玉兰的抗弯弹性模量高于香樟、红椿和黄波椤的，与中国鹅掌楸和核桃楸木材的相近。

采用加权法［17，20］(其中端面硬度、径面硬度、弦面硬度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、抗弯强度、抗弯弹性模量的比重分别为1/7)综合评价广玉兰木材的力学性质和工艺性质优于香樟、红椿，与优良的家具和室内装饰用材树种中国鹅掌楸和黄波椤等相似，较核桃楸略差。这可能与此次所取样木的树龄有关，样木树龄均为15 a，根据资料可以推断出15年生的广玉兰仍处于幼龄期或幼龄期至成熟期的过渡阶段，故其木材力学性能与核桃楸相比，稍有逊色。

4 结论

广玉兰木材属于散孔材;材质洁白，有光泽，纹理直，木材结构细、均匀，质量、硬度较大。横切面上管孔为圆形、椭圆形，管孔数量为76 个/mm2，多数为复管孔、2～8 个管孔连在一起、径列状;径切面上射线组织多为同型多列，偶有异形射线;弦切面上多列射线数量多，多为2、3 列，单列射线较少。

广玉兰木材基本密度随着树干高度的增加整体上呈下降趋势，最大基本密度值出现在胸径1.3 m处，为0.47 g/cm3。

广玉兰木材属于高档用材。木材端面硬度、径面硬度、弦面硬度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、抗弯强度和抗弯弹性模量分别为4.87 kN、3.84 kN、4.26 kN、35.02 MPa、114.97 MPa、83.30 MPa 和10 500 MPa。采用加权法综合评价得出:广玉兰木材的力学性质和工艺性质优于香樟、红椿，与优良的家具和室内装饰用材树种中国鹅掌楸和黄波椤等相似，较核桃楸略差。

［1］ 曹受金.荷花玉兰在园林景观设计中的应用［J］.林业实用技术，2006(10):44－45.

［2］ 温红，陈方宏，许振平，等.优良观赏树木广玉兰在邯郸城市绿化中应用前景探析［J］.河北林业科技，2010(4):66.

［3］ 王琪，李映丽.荷花玉兰的生药学研究［J］.西北药学杂志，2001，16(2):57－59.

［4］ 芦金清，彭信玉，蒋礼成.荷花玉兰树皮的酚性成分研究［J］.中成药，1990，12(5):32.

［5］ 陈兴荣，魏春红.荷花玉兰化学成分研究［J］.中药材，2000，23(3):159.

［6］ 《全国中草药汇编》编写组.全国中草药汇编:上册［M］.北京:人民卫生出版社，1975.

［7］ 刘艳萍，杨清淮，周玲，等.广玉兰的生长规律［J］.林业实用技术，2012(10):54－55.

［8］ 黎云昆.论我国珍贵用材树种资源的培育［J］.绿色中国，2005(6):24－28.

［9］ 吴智慧.中国家具产业的现状与发展趋势［J］.家具，2013，34(5):1－4，15.

［10］ 张耀丽，徐永吉，徐柯，等.不同施肥处理对尾叶桉纤维形态的影响［J］.南京林业大学学报，2000，24(1):41－44.

［11］ 郭明辉.红松人工林木材解剖特征的径向变异［J］.东北林业大学学报，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］ 孟宪宇.测树学［M］.2 版.北京:中国林业出版社，1996.

［14］ 刘艳萍，陈志林，张洋，等.白蜡条木材解剖性质及其变异的研究［J］.南京林业大学学报，2009，33(4):125－128.

［15］ 成俊卿.木材学［M］.北京:中国林业出版社，1985.

［16］ 徐朝阳.杂种鹅掌楸材性研究［D］.南京:南京林业大学，2004.

［17］ 江香梅，肖复明，龚斌，等.闽楠天然林与人工林木材物理力学性质研究［J］.林业科学研究，2008，21(6):862－866.

［18］ 石雷，孙庆丰，邓疆.引进树种印度黄檀木材解剖构造及物理力学性质的初步研究［J］.林业科学研究，2008，21(3):335－339.

［19］ 鲍甫成，江泽慧.中国主要人工林树种木材性质［M］.北京:中国林业出版社，1998.

［20］ 李晓清，唐森强，隆世良，等.桢楠木材的物理力学性质［J］.东北林业大学学报，2013，41(2):77－79.