黑杨无性系间木材物理力学性质差异研究

杨 艳，汤玉喜，唐 洁，李永进，黎 蕾

（湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004）

作为用材树种，其木材性能的好坏是决定其直接经济效益与价值高低的关键因素之一，也是林木栽培及良种选育不可或缺的经济性状评价指标。目前，随着人们对木材多元化开发利用，大宗用材树种的木材物理力学性能逐渐受到越来越多专家学者的关注，并开展了大量的研究与评价工作，为用材树种的高质量开发利用及定向精准培育提供了参考依据与技术支撑。胡国民等[1]研究了不同种群白桦木材的主要力学性质，发现不同种群的白桦力学性质存在显著差异；李大纲和童再康等以美洲黑杨新无性系为研究对象，探讨了美洲黑杨木材物理性质，结果表明杨木无性系间力学性质差异显著，李大纲还得出“可用木材力学性质因子选育优良无性系”的结论[2-3]；姚胜等[4]比较分析了3 种速生杨木材的物理力学性质，发现这3 种杨树物理力学性质由大到小依次为三倍体圆叶毛白杨＞三倍体裂叶毛白杨＞中林-46；麻文俊等[5]比较分析了楸树无性系宛楸8401、宛楸8402 和金丝楸的物理力学性质，发现这3 个无性系的多项物理力学性质存在显著差异。综合以上可以看出，不同种群及不同无性系的用材树种的物理力学性质存在着不同程度的差异性，也可能是导致木材遗传多样性的关键因子，开展相关研究对丰富林木特别是用材林的木材遗传基础、拓宽用材林开发利用途径及指导用材林精准培育等均具有重要的现实意义。

美洲黑杨作为我国重要的速生用材及绿化树种，主要栽培于我国长江流域，目前已具备了工业化利用的资源与群众基础。由于其具有速生、抗性强、材质好等特性，被广泛应用于制浆造纸以及人造板等行业[6-7]。近年来，随着木材加工等开发利用技术的成熟，杨木也呈现出多元化开发利用的趋势，建筑、家具等行业也逐渐出现了杨木的“身影”[8-9]，因而，杨树木材的物理力学性能也逐步受到相关研究学者的关注。鉴于此，本研究选择速生性好、表型优良的5 个黑杨无性系为研究对象，测定不同无性系的基本密度、干缩率、顺纹抗压强度、抗弯强度及抗弯弹性模量等物理及力学性能指标。通过各无性系木材的物理力学性质的比较分析，不仅能进一步丰富美洲黑杨多功能用材的遗传基础，还能为美洲黑杨多元化良种选育及精准定向培育、指导杨木加工利用工艺提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设置在岳阳市君山区，该区域为典型的亚热带湿润季风气候，年平均气温为16.8℃，极端高温与低温分别为39.3℃和-11.8℃，年日照时数处于1 726.7～1 792 h 之间[10]。春夏多雨、秋冬易干旱，年平均降水量在1 135.3～1 237.9 mm之间。区域内海拔高度为28～35 m，土壤多为江湖冲积而成的潮土，地势平坦、土壤肥沃、气候适宜，是速生杨生长的理想“温床”[11]。

1.2 试验材料

供试杨树无性系样株取自岳阳君山杨树人工林试验示范基地的14年生黑杨无性系，分别为无性系58、无性系83、无性系80、无性系86 以及无性系69。每个无性系取3 株标准木，采集方法依据GB/1927-2009《木材物理力学试材采集方法》规定的方法进行[12-13]。样木齐根伐倒，并在0、1.3、3.3、5.3、7.3、9.3、11.3 m 处各截取2 个厚度为5 cm 的圆盘，在1.3～3.3、5.3～7.3 与9.3～11.3 m 处各锯取2 m 长的木段作为标准木段分别用来测定不同黑杨无性系木材的物理及力学性质。

1.3 材性指标及测定方法

样木物理力学性质测定的试样根据国家标准GB/T1929-2009《木材物理力学试件锯解及试样截取方法》中的规定制取[14]。分别按照GB/T1933-2009《木材密度测定方法》、GB/T1932-2009《木材干缩性测定方法》、GB/T1935-2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T1936.1-2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB /T 1941-2009《木材硬度试验方法》等国家标准对杨树无性系木材的基本密度、全干干缩率、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量以及硬度等10 个物理力学性状进行测定[15]。

1.4 数据统计分析方法

运用Microsoft Excel 2016，SPSS 21.0 等软件进行不同无性系间的数据统计及分析。所涉及的相关计算公式如下[16-19]：

弦向、径向、材积的全干干缩率：

式(1)中，L湿为全湿材尺寸（mm）或体积（mm3），L全为全干材尺寸（mm）或体积（mm3）。

差异干缩：

式（2）中，KT 为弦向干缩率（%），KR 为径向干缩率（%）。

式（3）中：X为某品系某个指标的测定值；Xmax为所有品系该指标测试值的最大值；Xmin为所有品系该指标测试值的最小值。

若某指标与材性性质呈反向关系，则通过反隶属函数计算：

式（4）中：各X值同公式（3）。

2 结果与分析

2.1 黑杨无性系基本密度

木材密度用以表示木材的密实程度，是估算木材的质量、判断木材的工艺性质和物理性质的依据。供试各无性系的基本密度见表1，根据表1可以看出各无性系的基本密度存在一定差异，其中无性系58 的基本密度与其他无性系的基本密度存在极显著差异，而无性系83 与86 的基本密度差异不显著，无性系80 和69 的基本密度差异同样不显著，但无性系83、86 与无性系80、69 的基本密度却存在极显著差异。各无性系的基本密度在0.382～0.427 g·cm-3之间，按着大小排序依次为无性系58、83、86、69、80。其中无性系58、83、86 的基本密度均达到了0.4 g·cm-3以上，高于一般杨树资源的木材密度（基本密度为0.35 g·cm-3左右[9]）。

表1 不同黑杨无性系木材基本密度†Table 1 Wood basic density of Populus deltoides Marsh.clones

2.2 不同黑杨无性系干缩性

木材的干缩性能是木材加工和利用的首要瓶颈。弦向、径向干缩不仅反映了木材在弦向和径向上尺寸的变化，同时也反映出了差异干缩的大小。差异干缩越小，木材加工利用的稳定性越好，反之，木材越易产生干裂、变形，从而影响木材的使用[20-22]。从不同无性系木材的干缩性来看（表2），5 个无性系各干缩指标分布范围分别为：径向干缩率2.66%～4.98%，弦向干缩率4.29%～6.26%，体积干缩率7.48%～11.27%，差异干缩1.35～1.80，各无性系的干缩率均呈现出“体积干缩率＞弦向干缩率＞径向干缩率”的变化规律。通过比较还可以看出，除无性系83 的径向干缩率（4.98%）、弦向干缩率（6.26%）和体积干缩率（11.27%）居首位外，其他无性系间各项干缩率差异并不大，但无性系各自的径向、弦向和体积干缩率却存在较大差异，从而导致各无性系间差异干缩差异也较大。根据表2可以看出，供试各无性系的差异干缩由大到小依次为无性系80（1.80）＞无性系69（1.73）＞无性系86（1.64）＞无性系58（1.59）＞无性系83（1.35），均小于2.0，表明在木材加工利用过程中，供试各无性系均具有相对较好的稳定性，其中83 的稳定性最好，差异干缩仅为1.35。

表2 不同无性系全干干缩率Table 2 Total drying shrinkage of different Populus deltoides Marsh.clones

2.3 不同黑杨无性系力学性质

用材林木材的顺纹抗压强度是木材开发应用中必不可少的选育标准，是木材作为承重构件所必须的强度指标。基于对供试的黑杨无性系木材顺纹抗压强度的测定（表3），可以看出各供试无性系的顺纹抗压强度存在不同程度的差异性，其中无性系83 的顺纹抗压强度与其他4 个无性系呈极显著差异，无性系86 与无性系80、69 差异极显著，与无性系58 差异显著；无性系58 与无性系80、69 间呈极显著差异；无性系80 与无性系69 差异显著。5 个黑杨无性系的木材顺纹抗压强度均高于41 MPa，其中最大的是无性系83，为 48.44 MPa，其次是无性系86（45.45 MPa）、58（44.00 MPa）和80（42.25 MPa），最小的是无性系69（41.06 MPa）。与成俊卿等收录的黑杨顺纹抗压强度的平均水平32.94 MPa 相比，供试的5 个黑杨无性系木材顺纹抗压强度均高出其平均水平[8,23]。

表3 不同无性系物理力学性质Table 3 Physical and mechanical properties of different Populus deltoides Marsh.clones

抗弯强度和抗弯弹性模量是建筑结构用材的最重要的力学性能之一[24]。根据表3可以看出，供试的5 个黑杨无性系中抗弯强度差异显著，由大到小依次为无性系86（97.22 MPa）＞无性系58（78.74 MPa）＞无性系80（75.77 MPa）＞无性系69（69.86 MPa）＞无性系83（67.83 MPa）。其中无性系86 的平均抗弯强度高达97.22 MPa，超出了各种木材抗弯强度的平均值90 MPa[23]。通过比较分析，各无性系的抗弯弹性模量也存在着显著性差异，其中抗弯弹性模量最大的无性系为86（9 228.94 MPa），其次是无性系58（8 061.07 MPa）、83（7 765.88 MPa）、80（7 389.84 MPa），无性系69 抗弯弹性模量最小，为7 367.83 MPa。按照木材物理力学指标分级标准可知[25-26]，供试的5 个黑杨无性系除无性系86 的抗弯强度属于Ⅲ级之外，无性系86 的抗弯弹性模量以及其他无性系的抗弯强度和抗弯弹性模量均属于Ⅱ级。

木材硬度是木材抵抗其他刚性体压入木材的能力，为木材开发利用的工艺性质指标之一。供试黑杨无性系间的各项木材硬度指标存在不同程度的差异性（表3），其中无性系58、80、69 的径面硬度差异不显著，但与无性系83 和86 相比以及83 和86 间径面硬度均呈现极显著差异；无性系58、86 以及83 的端面硬度差异不大，均达到3.5 kN 以上，但与无性系80 和69 相比却呈现出极显著差异；5 个无性系的弦面硬度差异性均为极显著。各供试黑杨无性系径面硬度变幅范围为1.83～2.05 kN，端面硬度变幅范围为3.25～3.56 kN，弦面硬度变幅范围为2.21～2.61 kN，且各无性系的3 个硬度指标均呈现出“端面硬度＞弦面硬度＞径面硬度”的排序规律。供试5个黑杨无性系硬度（径面硬度、端面硬度和弦面硬度）由大到小依次为无性系86＞无性系83＞无性系58＞无性系69＞无性系80，其中最大的无性系86 的端面硬度、弦面硬度以及径面硬度依次为3.56、2.61 和2.05 kN，硬度最小的无性系80 的端面硬度、弦面硬度以及径面硬度依次为3.25、2.21 和1.83 kN，供试黑杨无性系中端面硬度最小值也达到了物理力学指标分级标准中的Ⅱ级水平[27]。

2.4 物理力学评价

为综合评价5 个黑杨无性系木材的材性状况，利用模糊数学中隶属函数法对不同无性系木材物理力学性能进行了综合比较（表4）。由表4可以看出，综合各项物理力学性质，供试5 个黑杨无性系的隶属值由大到小依次为无性系86（0.634）＞无性系83（0.604）＞无性系58（0.482）＞无性系80（0.324）＞无性系69（0.306），无性系86和83 的隶属值均达到了0.6 以上，无性系58 的隶属值也达到了0.48，高出无性系69 的隶属值55.56%。根据上文分析的各无性系的物理力学试验值（表3），无性系86 的抗弯强度、抗弯弹性模量以及各硬度指标均为最高，综合强度（顺纹抗压强度与抗弯强度的总和为142.67 MPa）最大，木材基本密度以及顺纹抗压强度均较高，差异干缩较小；无性系83 的顺纹抗压强度最大，木材硬度、基本密度、抗弯弹性模量也均较大，综合强度（116.27 MPa）较小，差异干缩最小；无性系58 的木材基本密度最大，顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、综合强度（122.74 MPa）均较大，差异干缩较小，仅次于无性系83，木材硬度各指标在供试无性系中排名第三。由此可见，供试黑杨无性系的隶属函数排名与试验值相符，无性系86、83 以及58 各项物理力学性能指标均比较理想，其中无性系86 无论是木材基本密度、木材结构稳定性，还是木材力学性质均达到了基本承重结构构件的要求，具有较高的可塑性。

表4 不同无性系木材性状隶属值Table 4 Membership values of wood characters of different Populus deltoides Marsh.clones

3 结论与讨论

3.1 结 论

木材物理力学性质是木材合理利用的重要依据，是木材实际应用时的最主要的相关参数，木材物理力学性质的研究在树种选育和木材的实际加工利用中具有重要的指导意义[28-30]。本研究通过对供试的5 个黑杨无性系的木材物理力学性质综合分析得出，无性系86 的抗弯强度（97.22 MPa）、抗弯弹性模量（9 228.94 MPa）以及各硬度指标（径面硬度、端面硬度以及弦面硬度依次为2.05、3.56和2.61 kN）均为最高，木材基本密度以及顺纹抗压强度（45.45 MPa）均较高，差异干缩较小；无性系83 的顺纹抗压强度（48.44 MPa）最大，木材硬度（径面硬度、端面硬度以及弦面硬度依次为1.95、3.55 和2.56 kN）、基本密度、抗弯弹性模量（7 765.88 MPa）也均较大，差异干缩最小；无性系58 的木材基本密度最大，顺纹抗压强度（44.00 MPa）、抗弯强度（78.74 MPa）、抗弯弹性模量（8 061.07 MPa）均较大，差异干缩较小，仅次于无性系83，木材硬度各指标（径面硬度、端面硬度以及弦面硬度依次为1.86、3.53 和2.47 kN）在供试无性系中排名第三；无性系80和69 各项力学性质均较低。综合以上可知，供试的黑杨无性系的木材顺纹抗压强度平均值均大于41 MPa，高于黑杨顺纹抗压强度的平均水平（32.94 MPa）[8,23]。按照木材物理力学指标分级标准，供试的5 个黑杨无性系除无性系86 的抗弯强度属于Ⅲ级之外，无性系86 的抗弯弹性模量以及其他无性系的抗弯强度和抗弯弹性模量及各无性系的端面硬度均达到了物理力学指标分级标准中的Ⅱ级水平[25-27]。可见，每个无性系木材又各具其优点，在加工利用中可以根据不同无性系的特异性择其优点而用之，已达到物尽其用，实现黑杨资源效益的最大化。

3.2 讨 论

木材密度是判断木材的物理力学性质和工艺性能的重要指标。研究木材密度是掌握木材性质的基础，是木材性质改良和定向培育的主要依据，对木材的加工、利用及优良品种筛选都具有重要意义[25,31-32]。目前对杨树木材密度研究较多，但各研究供试杨树的基本密度大多分布范围在0.26～0.40 g·cm-3之间[33-35]。本研究供试的5 个黑杨无性系木材基本密度在0.382～0.427 g·cm-3之间，其中无性系58、83、86 的基本密度均达到了0.4 g·cm-3以上，无性系69 的木材基本密度也在0.39 以上，该结论与石传喜等[36]对50 号杨（0.39 g·cm-3）以及南杨（0.43 g·cm-3）的木材基本密度测定结果具有相似性；供试无性系木材基本密度最小的是无性系80（0.382 g·cm-3），也高于王桂岩等[27]所测定的13 个黑杨和白杨的木材基本密度的最大值（0.379 g·cm-3）。可见，供试5 个黑杨无性系的基本密度高于一般杨树资源的木材基本密度，为进一步丰富杨树木材高密度遗传资源奠定了基础。

木材干燥过程中线性和体积变化值及其均匀性是判定其加工利用方向的一项重要指标[37]。径向和弦向干缩率的差异决定着差异干缩（弦向干缩与径向干缩之比）的大小，而差异干缩又是判断木材开裂以及变形的依据[38]。石传喜和李大纲等研究团队通过对杨树无性系的木材干缩性的研究发现，供试杨树无性系木材的差异干缩均大于2.00，相关研究还得出“速生杨木属于较易翘曲变形的树种”的结论[2,36]。本研究从供试黑杨无性系的木材干缩情况来看，各无性系的木材差异干缩由大到小依次为无性系80＞无性系69＞无性系86＞无性系58＞无性系83，木材的差异干缩均小于2.0，且最小的仅为1.35（无性系83），达到了木材差异干缩分级的最小标准（小于1.5）[23,33]，表明供试各无性系的弦向和径向干缩性差异小，在木材加工利用过程中不易开裂和变形，相对来讲比较稳定[39]。本研究结论虽然与当前关于黑杨木材差异干缩的研究结论具有一定的相悖性[2,9,27,34,36]，但却进一步表明了黑杨木材干缩性能具有更大的选择空间，为黑杨木材的选择性加工利用提供了更多的参考依据，也进一步拓宽了黑杨的开发利用途径。

利用模糊数学的隶属函数法对供试黑杨无性系木材物理力学性能进行评价与分析，最终得出：供试5 个黑杨无性系物理力学的隶属值由大到小依次为无性系86＞无性系83＞无性系58＞无性系80＞无性系69，表明无性系86、83 以及58 各项物理力学性能指标均比较理想，其中无性系86 尤为最佳，木材具有较高的稳定性和理想的抗弯性能，可作为杨树工程结构材良种选育及推广的优良遗传材料，为杨树资源的多目标开发利用奠定广泛的遗传基础，有望打破黑杨资源的开发利用瓶颈，实现杨树产业的可持续经营。

目前，国内杨树资源多用于加工人造板以及造纸原料，资源开发利用有限，杨木结构材定向培育及实木加工利用较少。本研究仅选取了5 个杨树优良无性系开展了木材物理力学测定与评价，虽能初步探明供试的杨树优良无性系大径材的木材物理力学性能，为杨树优良无性系的推广利用提供了参考依据，但具有一定的局限性，今后有必要进一步拓宽杨树种质资源并深入开展木材解剖性质及物理力学性能等指标的综合评价以及结构材定向精准培育相关研究，并构建杨树材性指标的数据库，以期能够为杨树木材遗传改良、加工利用以及结构材定向培育提供理论依据，对杨树资源的高附加值开发利用以及杨树产业的转型升级均具有重要意义。