松嫩平原栽培区杨树木材物理力学性质及其径向变异

摘 要：【目的】研究不同品系杨树木材物理力学性质及其径向变异规律，为杨树优良种质资源选育和木材高效加工利用提供理论依据。【方法】以采自黑龙江省齐齐哈尔市错海林场的15年生黑青杨、青山杨、小黑杨、银中杨4个品系的木材为研究对象，参照国家标准测定其物理力学性质，分析不同品系间材性差异及径向变异规律，并采用隶属函数法，对木材材性进行综合评价。【结果】4个品系杨树木材基本密度、气干密度、绝干密度、气干体积干缩率、气干差异干缩、全干体积干缩率、全干差异干缩、体积湿胀率、差异湿胀、抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度的测量值分别为0.29～0.38 g·cm-3、0.36～0.47 g·cm-3、0.34～0.43 g·cm-3、7.31%～8.56%、1.50～3.16、9.96%～11.04%、1.45～2.82、14.73%～16.55%、1.40～1.82、4.71～7.60 GPa、56.09～90.78 MPa、40.75～57.44 MPa；木材径向的尺寸稳定性均优于弦向。在不同品系中，银中杨的密度、差异干缩、差异湿胀以及力学性能表现最好，黑青杨气干体积干缩率、湿胀率均最小。从径向变异看，不同品系自髓心至树皮的材性变异规律是：黑青杨和青山杨的基本密度先减后增，而小黑杨和银中杨的基本密度递增；黑青杨差异干缩先减后增，青山杨、小黑杨的差异干缩递增，银中杨的差异干缩递减；4个品系杨树体积湿胀率和力学性能均逐渐递增，近树皮处木材综合性能均优于近髓心处。【结论】4个品系中银中杨材性综合评价最佳，在所研究的树种中最适合用于杨树工业用材优良品种的定向培育。

关键词：杨树；密度；干缩性；力学性质；径向变异

中图分类号：S781.3 文献标志码：A 文章编号：1673-923X（2024）09-0170-09

基金项目：“十四五”国家重点研发计划项目（2021YFD2201205）。

Physical and mechanical properties and radial variation of different poplar clones grown in Songnen Plain， Northern China

WANG Xintao1， WANG Peng1， XU Huadong1， HU Yanbo1， DING Changjun2， WANG Fusen3， XING Zhenghua3

（1.a. College of Mechanical and Electrical Engineering； b. College of Life Science， Northeast Forestry University， Harbin 150040， Heilongjiang， China； 2.a. State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding； b. Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of National Forestry and Grassland Administration， Research Institute of Forestry， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， China； 3. Qiqihar Branch of Heilongjiang Academy of Forestry， Qiqihar 161006， Heilongjiang， China）

Abstract：【Objective】The study compared the physical and mechanical properties of woods and radial variation among different clones of poplar trees. The aim was to provide a theoretical basis for the selection and efficient utilization of excellent germplasm resources and wood in poplar breeding.【Method】Four clones of poplar trees， namely， HQ （Populus euramericana ‘N3016’ × P. ussuriensis）， QS （Poplars cathayana × P. deltodides）， XH （Populus simonii × Populus nigra）， YZ （Populus alba × P. berolinensis）， collected from Cuo Hai Forest Farm in Heilongjiang province， were selected as the research subjects. The physical and mechanical properties of the woods were determined according to national standards， and the differences in wood properties and radial variation patterns between different strains were analyzed. The membership function method was used to comprehensively evaluate the wood properties.【Result】The measured values of the basic density， air-dry density， oven-dry density， air-dry shrinkage of volume， air-dry shrinkage ratio difference， absolute-dry shrinkage of volume， absolute-dry shrinkage ratio difference， swelling rate of volume， swelling rate ratio difference， modulus of elasticity， bending strength， and compression strength parallel to grain of the four poplar clones ranged between 0.29-0.38 g·cm-3， 0.36-0.47 g·cm-3， 0.34-0.43 g·cm-3， 7.31%-8.56%， 1.50-3.16， 9.96%-11.04%， 1.45-2.82， 14.73%-16.55%， 1.40-1.82， 4.7-7.60 GPa， 56.09-90.78 MPa， 40.75-57.44 MPa， respectively. The dimensional stability of the wood in the radial direction was superior to that in the tangential direction. Among the different strains， the YZ showed the best performance in terms of density， shrinkage ratio difference， swelling rate ratio difference， and mechanical properties， while the air-dry shrinkage of volume and swelling rate of the HQ were the smallest. In terms of radial variation， the variation pattern of wood properties from pith to bark differed among the different strains， showing as follows： the basic density of HQ and QS initially decreased and then increased， while that of XH and YZ increased continuously. The swelling rate ratio difference of HQ initially decreased and then increased， while that of XH and YZ increased continuously， and the swelling rate ratio difference of YZ decreased continuously. The volume swelling rate and mechanical properties of the four poplar clones gradually increased. The comprehensive performance of the wood near the bark was superior to that near the pith.【Conclusion】The fuzzy membership function analysis concludes that the YZ has the best comprehensive evaluation of wood properties among the four clones and is the most suitable for directed cultivation as an excellent variety for industrial use in poplar wood.

Keywords： poplar； density； shrinkage； mechanical properties； radial variation

木材的物理力学性质是木材材质评估的重要依据，目前，国内外学者对常见木材的物理力学性质及径向变异规律进行了大量研究。首先，学者们关注的是不同品种间的材性差异。陈勇平等[1]对4种杨树Populus的物理力学性能进行了研究，发现不同杨木的密度差异显著，107杨P.×euramericana cv.‘Neva’的密度最大，更适合用于胶合板的制造。杨艳等[2]发现86号杨木材稳定性和抗弯性能较优，可作为杨树工程结构用材的优良品种。陈楠楠等[3]发现不同品系刺槐Robinia pseudoacacia的弦向干缩率、差异干缩、体积湿胀率均存在显著性差异。Beaudoin等[4]发现不同品系欧美杨Populus×euramericana的木材密度存在显著差异，胸径处木材的密度可以用来估计整株样木的密度。另外，在同一品种内，学者们还重点研究了材性的径向变异规律。邢馨忆等[5]发现楸木Catalpa bungei边材的密度均比心材的高。张沛健等[6]发现桉树Eucalyptus的物理力学性质指标与树龄存在正相关关系。周凡等[7]发现黑木相思Acacia melanoxylon木材各项物理性质的株内变异主要由径向差异引起，木材密度自心材到边材呈递增的趋势。吴艳华等[8]发现辐射松Pinus radiata木材体积湿胀率自近树皮至近髓心呈现出逐渐减小的趋势。Sch？nfelder等[9]发现苏格拉松Pinus sylvestris干缩率由髓心到形成层递增。Hernández等[10]发现欧美杨杂交种Hybrid Populus×euramericana木材密度和强度随着与髓的径向距离而增加。Bendtsen等[11]发现成熟材具有更大的弹性模量和断裂模量。Panshin等[12]将木材密度径向变异归纳为3种类型：自髓心向外先降低后增大的趋势（例如I-27杨[13]）；自髓心向外递减的趋势（例如桑巨杨[14]）；自髓心向外递增（例如楸树[5]）的趋势。以上研究表明，木材材性在不同品系及不同取材位置间存在显著差异，因此研究不同品系木材物理力学性质及径向变异规律对优良种质资源选育和木材高效加工利用具有现实意义。

杨树Populus spp.是杨柳科杨属多年生落叶树种的统称[15-16]，包括100多个天然种、变种和数以千计的无性系，分布于我国亚热带、暖温带、中温带地区，在速生丰产林建设中占有重要地位[17]。据第九次全国森林资源清查结果，我国是世界杨树人工林面积最大的国家，杨树人工林面积为757万hm2，蓄积量为5.46亿m3，分别占人工乔木林面积和蓄积的13%和16%。杨树具有生长快、成材早、产量高、易更新等特点，但也存在密度低、材质软、变异性大等材质问题[18]，直接影响杨木的加工利用。

松嫩平原西部半干旱区地处科尔沁沙地北部边缘地带，属农牧交错区，生态环境脆弱[19]。该区人工林抚育主要任务以提升松嫩平原防护林质量、培育高价值的大径材为主，树种以杨树和樟子松为主，但对其木材物理力学性能的研32c2b6bd68aca31821679d09636f92f8究鲜有报道。本研究以该区4个品系杨树为研究对象，对比木材物理力学性质的差异，并探寻其径向变异规律，旨在为该区杨树适地适种的精细经营和木材高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于黑龙江省齐齐哈尔市龙江县错海林场，地处大兴安岭东坡余脉，地形以低山丘陵为主，土壤类型为暗棕壤，年平均气温3.4 ℃，全年日照时长约2 600 h，无霜期125 d左右，年降水量420～480 mm，年蒸发量1 600～1 700 mm。林场内植被类型丰富，拥有大量的杨树人工林，乔木树种以樟子松Pinus sylvestris、落叶松Larix gmelini和云杉Picea asperata为主，常见灌木有胡枝子Lespedeza bicolor、山杏Armeniaca sibirica、怪柳Tamarix chinensis等，草本植物主要有羊草Leymus chinensis、野谷草Arundinella hirta和三楞草Pinellia ternata等。

1.2 试验材料

4个杨树品系分别为黑青杨Populus euramericana‘N3016’×P. ussuriensis、青山杨Poplars pseudocathayana×P. deltodides、小黑杨Populus simonii×Populus nigra、银中杨Populus alba×P. berolinensis，从试验地中选取生长性状良好、树干通直且无明显缺陷的样木，每个品系各取3株，标记南北向后伐倒，分别在树干高1.3 m处截取长80 cm的原木段。样木基本情况见表1。

利用带锯将原木段锯解为若干25 mm厚的木板，并将木板加工成横截面尺寸为25 mm（径向）×25 mm（弦向）的毛坯条，将毛坯条运回实验室，调整含水率并达到平衡。精加工时，利用平面刨床将毛坯条刨光成截面尺寸为20 mm（径向）×20 mm（弦向）的木条，在木条上依次截取抗弯性能试件、顺纹抗压强度试件以及用于木材密度、干缩率、湿胀率测试试件，规格分别为20 mm（径向）×20 mm（弦向）×300 mm（纵向）、20 mm（径向）×20 mm（弦向）×30 mm（纵向）、20 mm（径向）×20 mm（弦向）×20 mm（纵向）。分别选取近髓心试件（2～6年轮）、过渡区试件（6～10年轮）、近树皮试件（10～14年轮）用于木材材性的径向变异研究（图1）。

1.3 测定指标与方法

测定指标包括密度、干缩率、湿胀率、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度。以上指标分别参照国家标准GB/T 1927.5—2021、GB/T 1927.6—2021、GB/T 1927.8—2021、GB/T 1927.9—2021、GB/T 1927.10—2021、GB/T 1927.11—2022进行测定。

1.4 数据处理与分析

2 结果与分析

2.1 不同品系杨树木材密度及其径向变异分析

密度是评估木材物理性能的基本指标，木材密度越高，通常其抗弯和抗压性能也越强。表2为不同品系杨树木材材性的测定值。表2表明，4个品系杨树木材的基本密度、气干密度和绝干密度均值分别为0.29～0.38、0.36～0.47和0.34～0.43 g·cm-3。单因素方差分析表明，4个品系杨树的木材密度存在显著性差异（P<0.05），3个指标由大到小排序均为：银中杨>小黑杨>青山杨>黑青杨。按照我国常用木材基本密度的分级标准，黑青杨为Ⅰ级，青山杨、小黑杨和银中杨为Ⅱ级。

在分析木材密度径向变异时发现，自髓心至树皮，小黑杨和银中杨木材基本密度逐渐递增，黑青杨和青山杨则呈先减小后增加的趋势（图2）。与基本密度类似，气干密度和绝干密度的径向变异呈现同样的变化规律。

2.2 不同品系杨树木材干缩率和湿胀率及其径向变异分析

2.2.1 干缩率分析

干缩率是指木材在干燥过程中的尺寸缩减比例，对于评估木材在干燥环境中稳定性具有重要的参考价值。由表2可知，4个品系杨树木材的气干干缩率分别为1.93%～3.28%（径向）、4.73%～5.97%（弦向）、7.31%～8.56%（体积）、1.50～3.16（差异干缩），全干干缩率分别为2.94%～4.23%（径向）、5.99%～7.66%（弦向）、9.96%～11.04%（体积）、1.45～2.82（差异干缩）。对比木材径向和弦向的干缩率发现，4个品系杨树木材径向干缩性能均优于弦向。对比木材体积的干缩率发现，气干状态下，黑青杨最小，青山杨和小黑杨较大；木材全干体积干缩率差异不显著。从木材的差异干缩来看，银中杨气干、全干差异干缩最小；黑青杨气干、全干差异干缩最大，在干燥时易发生翘曲变形。按照我国常用木材气干干缩率分级标准，黑青杨和银中杨为Ⅲ级，青山杨和小黑杨为Ⅳ级。

不同品系杨树木材干缩率径向变异情况见表3。自髓心至树皮，小黑杨、银中杨木材体积干缩率均递增，黑青杨、青山杨体积干缩率变化不明显；黑青杨木材差异干缩先减后增，青山杨、小黑杨木材差异干缩均递增，银中杨木材差异干缩递减。在木材加工利用中，需注意干缩率的径向差异对产品尺寸稳定性的影响，根据具体用材需求选择心、边材，做到适材适用。

2.2.2 湿胀率分析

湿胀率反映了木材在潮湿环境中的尺寸变化情况。由表2可知，4个品系杨树木材饱水湿胀率分别为5.66%～6.68%（径向）、8.92%～9.88%（弦向）、14.73%～16.55%（体积）、1.40～1.82（差异湿胀）。对比木材湿胀率数据发现，与干缩率类似，径向湿胀率均显著小于弦向。不同品系杨树木材的径向、弦向湿胀率均不存在显著性差异。其中，黑青杨木材体积湿胀率最小，表明在潮湿环境下的尺寸稳定性较好，而小黑杨木材的体积湿胀率最大。银中杨木材的差异湿胀最小，青山杨木材的差异湿胀最大，表明在潮湿环境下易发生弯曲变形。

对比不同径向位置木材湿胀率数据（表3）发现，自髓心至树皮，4个品系杨树木材径向、弦向、体积湿胀率均递增，表明边材的尺寸稳定性优于心材。黑青杨过渡区木材差异湿胀较大，青山杨、小黑杨、银中杨近髓心处木材差异湿胀均小于近树皮处，表明心材径向湿胀率和弦向湿胀率的差异小，发生开裂变形的几率小于边材。

2.3 不同品系杨树木材力学性质及其径向变异分析

2.3.1 抗弯弹性模量分析

抗弯弹性模量是指在受力情况下木材抵抗弯曲的刚度。4个品系杨树木材抗弯弹性模量为4.71～7.60 GPa，平均值为5.68 GPa（表2）。木材抗弯弹性模量在4个品系杨树之间存在显著性差异（P<0.05）。黑青杨和青山杨木材抗弯弹性模量显著小于其他品系。银中杨木材抗弯弹性模量值最大，比最低的青山杨木材抗弯弹性模量值高65.0%。按照我国常用木材抗弯弹性模量分级标准，黑青杨、青山杨和小黑杨为Ⅰ级，银中杨为Ⅱ级。

4个品系杨树木材抗弯弹性模量均呈现出自髓心至树皮递增的径向变异规律（图3），近树皮部分总体上比近髓心部分高了25.6%～35.4%，表明边材抵抗外力使其发生形变的能力强于心材。从抗弯弹性模量的径向增长速率来看，青山杨由髓心至过渡区、小黑杨由过渡区到树皮这两处的增长速率较低，表明对应部位木材的均质性较好。

2.3.2 抗弯强度分析

抗弯强度是指木材承受弯曲载荷的最大能力。4个品系杨树木材抗弯强度为56.09～90.78 MPa，平均值为71.18 MPa（表2）。4个品系杨树木材抗弯强度的排序为银中杨>小黑杨>黑青杨>青山杨。银中杨木材抗弯强度值最大，比最低的青山杨木材抗弯强度值高61.8%，黑青杨和青山杨木材抗弯强度差异不大。按照我国常用木材抗弯强度分级标准，黑青杨和青山杨为Ⅱ级，小黑杨和银中杨为Ⅲ级。

与抗弯弹性模量类似，4个品系杨树木材抗弯强度均呈现出自髓心至树皮递增的径向变异规律（图3），近树皮部分总体上比近髓心部分高31.5%～59.6%，表明近树皮处木材的抗弯性能强于近髓心处。

2.3.3 顺纹抗压强度分析

顺纹抗压强度是指木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力。4个品系杨树木材顺纹抗压强度为40.75～57.44 MPa，平均值为47.59 MPa（表2）。银中杨木材顺纹抗压强度值最大，比最低的青山杨木材顺纹抗压强度值高41.0%，青山杨和黑青杨木材顺纹抗压强度差异不明显，而青山杨的标准差较小，具有较稳定的顺纹抗压强度性能。按照我国常用木材顺纹抗压强度分级标准，黑青杨和青山杨为Ⅱ级，小黑杨和银中杨为Ⅲ级。

与抗弯性能类似，4个品系杨树木材顺纹抗压强度也呈现出自髓心至树皮递增的径向变异规律（图3），表明木材力学性能间存在正相关关系，顺纹抗压强度近树皮部分总体上比近髓心部分高8.9%～21.5%。在加工利用中，如需制作承压的木结构，可以根据木材力学性能径向变异规律，优先选用性能较强的边材。

2.4 不同品系杨树木材的材性综合评价

对不同品系杨树木材物理力学性质分析可知，气干密度、差异干缩、差异湿胀、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度这6项指标存在显著差异（表2）。应用隶属函数法计算上述6项指标的隶属值（其中差异干缩和差异湿胀的大小取反向值），对不同品系杨树木材的材性进行综合评价。

由表4可知，黑青杨、青山杨、小黑杨、银中杨物理力学性质的平均隶属值分别为0.223、0.243、0.613、0.881。结果表明，黑青杨和小黑杨木材的材性较差，小黑杨较优，银中杨木材的材性最佳。进一步分析径向变异发现，黑青杨、小黑杨、银中杨隶属值自髓心至树皮逐渐增大，青山杨对应数据先减后增。相比较而言，银中杨近树皮处木材的气干密度、干缩性、抗弯性能和顺纹抗压性能均最佳，可用于杨树工业用材优良品种的定向培育。4个品系杨树边材综合性能均优于心材，表明随着树木年轮龄级的增加，木材的各项性能指标在逐渐提高。因此，在实际应用中，为做到适材适用，需充分考虑不同径向位置木材的材性特点，分别进行加工利用，提高木材的利用率。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

在人工林的建设及林业产业发展中，适地适树被视为最基本的原则[22]，在相同的立地条件和抚育措施下，林木材性优劣能够反映树种对林区地质、水文等自然特征的适应程度。杨树是平原地区的主要用材林和防护林之一，具有速生、抗逆性强和适应范围广等优良特性。本研究通过对比松嫩平原4个品系杨树木材的物理力学性质发现，在不同品系间，杨树木材的材性存在显著差异；在同一品系内，杨树木材材性也呈现出不同的径向变异规律。

密度是木材材性分析中的主要指标之一，与许多其他指标高度相关[6-7，23]，其变异规律对林木培育、实木加工及纸浆选材具有重要的指导作用。本研究中，银中杨在密度这一指标上表现优异，气干密度高达0.47 g·cm-3，银中杨木材的基本密度、气干密度和绝干密度均显著大于其他3个品系。与此同时，银中杨木材抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度分别为7.60、90.78、57.44 MPa，在4个品系中，银中杨的力学性能均表现最强。银中杨的木材差异干缩、差异湿胀均最小，不易发生翘曲变形。以上研究表明，银中杨更适合应用于具有较高强度、不易翘曲变形要求的建筑、家具等领域。黑青杨和青山杨在密度和力学性能指标上表现较差，可以考虑将其木材应用于纸浆生产等非结构用材领域。

对同一品系杨树木材的材性径向数据对比发现，自髓心向外，小黑杨和银中杨木材密度逐渐递增，与邢馨忆等[5]对楸树木材密度的研究结果一致；黑青杨和青山杨木材密度呈先减小后增加的趋势，与姜笑梅等[23]对‘I-214’杨密度的研究结果一致。4个品系杨树木材抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度自髓心向外均逐渐递增。自髓心向外，黑青杨木材差异干缩先减后增，青山杨、小黑杨木材差异干缩均递增，银中杨木材差异干缩递减。黑青杨过渡区木材差异湿胀较大，青山杨、小黑杨、银中杨近髓心处木材差异湿胀均小于近树皮处。4个品系杨树木材干缩率和湿胀率径向变异规律与密度、力学性质差异较大，可能是由于木材干缩性和湿胀性受微纤丝角、细胞壁结构等多因素的复杂影响[24]，这一结果与颜耀等[25]对杉木的研究结果一致。

杨树木材物理力学性质间存在复杂的相关性，本研究利用隶属函数法对4个品系杨树木材的材性进行综合评价，排名次序依次为银中杨、小黑杨、青山杨、黑青杨。综合评价结果表明，4个杨树品系中，银中杨的综合材性最佳，是松嫩平原栽培区杨树结构用材林培育的首选品系；边材的综合材性优于心材，在杨树木材加工利用中可以根据用材需求合理选用心、边材。

本研究以15年生的黑青杨、青山杨、小黑杨、银中杨为研究对象，对其物理力学性质进行了对比，分析了其径向变异规律，并利用隶属函数法对木材材性进行了综合评价，研究具有一定的应用价值。但引起木材材性变异的原因有很多，由于试验条件有限，仅对木材宏观物理力学性质进行了比较，后续的研究应补充对木材细胞壁力学性质、显微结构及化学成分的测定，探究木材物理力学性质与微观结构及化学成分的相关性，阐明不同品系杨树材性差异的结构机理，完善杨树木材用途的综合评定，为杨树定向选育和木材加工利用提供理论依据。

3.2 结 论

1）木材密度大小排序均为银中杨>小黑杨>青山杨>黑青杨。木材径向干缩和湿胀稳定性能均优于弦向，银中杨差异干缩和差异湿胀最小，不易开裂变形。木材力学性能强弱排序为银中杨>小黑杨>黑青杨>青山杨。

2）自髓心至树皮，黑青杨和青山杨的基本密度先减后增，小黑杨和银中杨的基本密度递增，4个品系杨树体积湿胀率均递增，近髓心处木材在潮湿环境下尺寸稳定性较好，4个品系杨树抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度均递增。

3）隶属函数法综合评价结果表明，黑青杨和小黑杨的材性较差，小黑杨的材性较优，银中杨的材性最佳。近树皮处木材的材性总体上优于近髓心处。在木材的加工利用中，需根据具体用材需求选用心、边材，做到适材适用。

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[本文编校：谢荣秀]