山桐子树干解析及物理力学性质分析

熊星月， 刘 震

（河南农业大学林学院，郑州 450002）

山桐子（Idesia polycarpa）为大风子科（Flacourtiaceae）山桐子属（Idesia）落叶乔木，横跨东亚暖温带与亚热带广泛分布［1］. 山桐子果实含油率高，富含不饱和脂肪酸，是重要的木本油料树种［2-3］；山桐子干形通直，冠层分明，秋季满冠红果，也是重要的园林绿化观赏树种［1］；同时，又由于山桐子寿命长，木材浅黄色，纹理清晰美观，软硬适中，也是优良的用材树种，2019年被国家林草局纳入国储林树种. 作为果材兼用树种，过去更多侧重于研究其果实成分及开花结实规律［2-10］，针对木材生长与材性研究较少. 吴登高等（2015）调查了毛叶山桐子（Idesia polycarpaMaxim.var vestita Diels）的生长特性［11］，而有关原种山桐子的生长特性方面未见报道. 本文以山桐子树木为对象对其进行树干解析和物理力学性质的测定，探究山桐子树木生长过程及木材材性，以期为山桐子用材林培育及木材高效合理利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料于2020 年8 月取自河南农业大学林木种苗繁育工程技术中心，选取18 a 生山桐子标准木作为解析木. 在0 m、1.3 m 处锯取厚度约为5 cm 的圆盘，1.3 m 后以1 m 为一区分段，分别取锯取厚度约5 cm的圆盘，共计8 个圆盘进行树干解析. 余下山桐子树干根据测定指标做好试材分配和编号工作，进行初加工得到试样毛坯，在两端涂以石蜡防裂，并做好防腐处理. 毛坯在室内气干后，严格按照国家标准《木材物理力学试验方法总则》（GB/T 1928—2009）、《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》（GB/T 1929—2009）中的标准加工木材物理、力学性质无疵试样. 测定木材基本、全干和气干密度、湿胀性及干缩性试样尺寸均为20 mm×20 mm×20 mm，各16枚；测定木材硬度试样尺寸为70 mm×50 mm×50 mm，共12枚；测定顺纹抗压强度试验尺寸为30 mm×20 mm×20 mm，共12枚；测定抗弯强度和抗弯弹性模量用同一试样，尺寸为300 mm×20 mm×20 mm，共12枚.

1.2 试验方法

1.2.1 树干解析 将取得的圆盘抛光后按3 a 为一个龄阶进行树干解析，测量东西和南北方向各龄阶的直径，取两个方向的平均值为该龄阶的均值. 材积采用区分求积法.

1.2.2 材积生长过程拟合 对山桐子材积的拟合采用Logistics、Gompertz 和Richerds 理论方程及Weibull 经验方程. 通过对比分析相关指数R2、剩余离差平方和SSE拟合统计量，选出各自最优生长方程［12］.

拟合回归方程公式如下：

Logistic：

Gompertz：

Richerds：

Weibull：

式中：a为树木生长的最大值参数；b为与初始值有关的参数；k为最大生长率参数；r为生长速率参数；T为树龄.

1.2.3 木材物理、力学性质的测定 木材密度、湿胀性及干缩性测定步骤分别参照国家标准《木材密度测定方法》（GB/T 1933—2009）、《木材湿胀性测定方法》（GB/T 1934.2—2009）、《木材干缩性测定方法》（GB/T 1932—2009）进行；木材硬度、顺纹抗压、抗弯强度及抗弯弹性模量测定步骤分别参照国家标准《木材硬度试验方法》（GB/T 1941—2009）、《木材顺纹抗压强度试验方法》（GB/T 1935—2009）、《木材抗弯强度试验方法》（GB/T 1936.1—2009）、《木材抗弯弹性模量测定方法》（GB/T 1936.2—2009）进行，各项力学性质在万能力学试验机上测定.

1.3 数据处理

采用Excel软件进行数据初步整理分析，采用Origin软件拟合材积生长过程及绘制图表.

2 结果与分析

2.1 山桐子胸径、树高和材积生长过程

2.1.1 胸径生长过程分析 根据树干解析的结果，计算山桐子树木胸径平均生长量、连年生长量、总生长量，依次绘制山桐子树木的胸径平均生长量和连年生长量曲线及总生长过程曲线. 由图1可知，18 a生的山桐子胸径总生长量为13.35 cm. 连年生长量在12 a达到最大，为0.91 cm；连年生长量和平均生长量曲线相交与18 a左右. 山桐子胸径在0～3 a生长较为缓慢，3～18 a 生长较快，且在18 a 时仍保持持续增长的趋势.

图1 山桐子树木胸径生长过程Fig.1 The DBH growth process of Idesia polycarpa

2.1.2 树高生长过程分析 根据树干解析的结果，计算山桐子胸径平均生长量、连年生长量、总生长量，依次绘制山桐子胸径平均生长量和连年生长量曲线及总生长过程曲线图2. 由图2 可知，12 a 前为高生长速生期，随后进入缓慢生长期，18 a 生山桐子树高总生长量达到8.90 m. 树高连年生长量在6 a、12 a 出现峰值，分别为0.57 m、0.8 m；连年生长量和平均生长量曲线相交与12～15 a之间. 山桐子树高在0～6 a快速增长，6～12 a保持较高速增长，12 a后高生长缓慢.

图2 山桐子树高生长过程Fig.2 The tree hight growth process of Idesia polycarpa

2.1.3 材积生长过程分析 根据树干解析的结果，计算山桐子材积平均生长量、连年生长量、总生长量，依次绘制山桐子材积平均生长量和连年生长量曲线及总生长过程曲线. 由图3 可知，18 a 生山桐子材积总生长量为0.110 4 m3，材积在18 a 时仍表现出高速增长的趋势. 材积平均生长量和连年生长量在0～9 a缓慢增长，9～18 a快速增长，在12～15 a期间增长速度放缓，但在18 a仍表现出持续增长的趋势；山桐子材积平均生长量和连年生长量曲线并未相交，山桐子在第18 a 时还未达到数量成熟，树木材积还处于速生期.

图3 山桐子材积生长过程Fig.3 The volume growth process of Idesia polycarpa

对材积生长过程进行方程拟合对比分析，将相关指数R2最大、残差平方和SSE 最小的Logistics模型选为山桐子的最优生长预测模型（见表1）.按照该方程计算出40 a 生山桐子单株材积可以达到0.40 m3.

表1 山桐子材积最优回归模拟模型Tab.1 A regression simulation model for optimal volume of Idesia polycarpa

2.2 山桐子木材物理性质分析

2.2.1 木材密度 由图4可知，山桐子木材的气干密度、全干密度和基本密度分别为0.456、0.404、0.384 g/cm3.山桐子木材气干密度和基本密度属于Ⅱ级，属于中低等级密度的树种.

图4 山桐子木材密度Fig.4 Wood density of Idesia polycarpa

2.2.2 木材湿胀性 由图5 可知，在从全干到气干的状态下，径向、弦向、体积湿胀率为2.68%、2.17%、5.99%，从全干到饱水的状态下，径向、弦向、体积湿胀率为6.17%、5.67%、14.70%. 山桐子木材在气干和饱水状态下，均表现为径向湿胀率大于弦向，说明山桐子木材弦切板的尺寸更稳定.相比从全干到饱水，山桐子木材从全干到气干的径向、弦向、体积湿胀率较小. 在湿度较大的环境中，应考虑湿胀对山桐子木材尺寸造成的影响.

图5 山桐子木材湿胀率Fig.5 Swelling rate of Idesia polycarpa

2.2.3 木材干缩性 从图6可知，山桐子木材在气干状态下，径向、弦向、顺纹和体积干缩率为3.27%、3.30%、1.17%和7.55%，在全干状态下，径向、弦向、顺纹和体积干缩率为5.78%、5.33%、2.16%和12.72%. 山桐子木材径向干缩率属于Ⅳ等级，弦向干缩率属于Ⅱ等级，山桐子木材径向和弦向干缩比较均匀，但其体积干缩率较大.

图6 山桐子木材干缩率Fig.6 Shrinkage rate of Idesia polycarpa

2.3 山桐子木材力学性质

山桐子木材的力学性质测试结果见表2. 山桐子木材的端面、径面、弦面的硬度分别为4005、2735、2914 N，山桐子木材的端面硬度等级中等. 山桐子木材的抗弯强度为89.85 MPa，抗弯弹性模量为3.90 GPa，顺纹抗压强度为38.14 MPa. 山桐子木材的抗弯强度等级为中等，抗弯弹性模量等级为低等，顺纹抗压强度为中低等.

表2 山桐子木材的力学性能Tab.2 Mechanical properties of Idesia polycarpa wood

3 讨论与结论

本研究中18 a 生山桐子胸径达到13.35 cm，小于宁强县毛叶山桐子（16.00 cm）和‘豫济’山桐子（Idesia Polycarpa‘Yuji’）的胸径（20.03 cm）. 山桐子胸径连年生长量在12 a 时最大，与宁强县毛叶山桐子连年生长量在15 a 时最大稍有差异，但二者的胸径连年生长量与平均生长量均相交于18～19 a［11］，说明山桐子大致在18～19 a时达到胸径数量成熟，可以进行第一次生长抚育，促进生长. 18 a生山桐子树高总生长量为8.90 m，与宁强县毛叶山桐子的树高（8.0 m）差别不大，但明显低于生长于济源太行山的18 a 生‘豫济’山桐子的树高（14.33 m）. 18 a 生山桐子树高连年生长量在第12 a 之前快速生长，随后进入缓慢生长期，与宁强县毛叶山桐子高生长先降低再升高的趋势不同，共同点是高生长数量成熟期早于胸径. 18 a 生山桐子材积达到0.110 4 m3，与毛叶山桐子材积差别不大，材积连年生长量与平均生长量均未相交，即使到39 a材积也未达到数量成熟，说明山桐子为长寿命树种，适宜培育大径级用材林，能很好地满足国储林的要求. 39 a生毛叶山桐子单株材积达到0.248 8 m3，远低于本试验山桐子材积模拟得出的0.4 m3，而18 a 生‘豫济’山桐子单株的材积量平均达到0.208 8 m3，蓄积量平均达8.560 8 m3/亩，活立木蓄积达到128.412 m3/hm2，预示着山桐子在人工干预情况下有可能加速其生长. 与中山杉（Taxodium hybrid‘Zhongshanshan 118’）和落羽杉（Taxodium distichum）胸径在6～7 a连年生长量达到高峰，8～9 a即达到数量成熟不同［13］，山桐子的生长速度缓慢，更不能与杨树和泡桐等速生树种相比，但与油松（Pinus tabulae formis）10～15 a时达到生长高峰，胸径连年生长量与平均生长量相交于17～26 a，18 a生胸径只有5～6 cm相比［14］，山桐子属于相对速生树种.

山桐子木材基本密度、全干密度、气干密度分别为0.384、0.404、0.456 g/cm3，低于白桦（Betula pendulaRoth）［15］、阴香木（Cinnamomum burmannii）［16］、闽楠（Phoebe bournei）［17］、化香（platycarya strobilacea）［18］、桃花心木（Swieteniaspp.）［19］、麻栎（Quercus acutissima）、栓皮栎（Quercus variabilis）［20］、马尾松（Pinus massoniana）［21］、落叶松（Larix gmelini）、楸树（Catalpa bungei）、香樟（Cinnamomum camphora）、青冈（Quercus glauca）、柠檬桉（Eucalyptus citriodora）、梧桐（Firmiana simplex）、白蜡（Fraxinus chinensis）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、拐枣（Hovenia acerba）、核桃楸（Juglans mandshurica）、鹅掌楸（Liriodendron chinense）等［22］，高于杉木（Cunninghamia lanceolata）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、云杉（Picea asperata）、楸叶泡桐（Paulownia catalpifolia）、白花泡桐（Paulownia fortunei）等速生树种，与加杨（Populus×canadensis）、响叶杨（Populus adenopoda）、巴山冷杉（Abies fargesii）相当［22］. 山桐子木材属于轻材向中材过度材，属于Ⅱ级. 山桐子木材径向干缩率为Ⅳ等级，弦向干缩率为Ⅱ等级，山桐子径向和弦向干缩较均匀，但其体积干缩率较大，稳定性能稍差. 在加工利用山桐子木材时，要充分考干缩湿胀性对木材产品产生的影响.

18 a生山桐子的木材抗弯强度平均为89.9 MPa，等级为中等，低于抗弯强度Ⅴ级的海南子京，高于Ⅰ级的兰考泡桐. 山桐子抗弯弹性模量平均为3.90 GPa，与泡桐基本相当［22］. 山桐子木材端面硬度等级为中等，与其密度较小有一定的关系. 山桐子木材顺纹抗压强度为中低等.

综上所述，山桐子为中速生树种，树高与胸径连年生长量12 a最大，胸径数量成熟龄在18～19 a，材积数量成熟龄应在40 a以后；其木材软硬适中，易加工；抗弯强度适中，可用于建筑、家具装饰木质材料等，不建议作为弯曲结构和强度要求高的承重结构构件.