杉木无性系与实生苗木材物理力学性能差异研究.pdf

44(2):209-215.引文格式：陈奎，刘衡，王钟，等.杉木无性系与实生苗木材物理力学性能差异研究 J.西南林业大学学报（自然科学），2 0 2 4,Mar.2024JOURNAL OF SOUTHWEST FORESTRY UNIVERSITY2024年3 月大Vol.44No.2南西报学学业林第2 期第44卷DOI:10.11929/j.swfu.202303023杉木无性系与实生苗木材物理力学性能差异研究陈奎1刘衡2 王钟3秦武明3（1.广西国有高峰林场，广西南宁，53 0 0 0 1；2.中国林业科学研究院热带林业实验中心，广西崇左，53 2 6 0 0；3.广西大学林学院，广西南宁，53 0 0 0 4）摘要：为揭示杉木无性系与实生苗木材物理力学性能的差异，以2 6 年生杉木无性系和实生苗人工林木材为研究对象，对其不同圆周方位（南北向）、不同高度位置的主要物理力学性能进行测定，考察木材强度品质系数，综合评定杉木无性系和实生苗木材的材质等级。结果表明：除冲击韧性外，杉木无性系木材的密度、干缩率、差异干缩、湿胀率（全干-气干）、硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和横纹抗压强度均高于实生苗木材；圆周方位对杉木无性系与实生苗木材物理力学强度影响不显著；树高对杉木无性系木材气干密度、吸水率，实生苗木材基本密度、气干密度、吸水率、横纹抗压强度、硬度影响极显著，对无性系木材基本密度、全干密度、体积湿胀率，实生苗木材全干密度、体积湿胀率影响显著，对2 种木材其他物理力学强度影响不显著；2 种木材的气干密度、端面硬度、横纹抗压强度和顺纹抗压强度随树高增加呈现先降低后升高的趋势；除干缩性外，2 种木材各物理力学性质指标均在国产材中属低等级；2 种杉木木材综合品质系数较高，均为高等级材。关键词：杉木；无性系；实生苗；木材；力学性能；差异中图分类号：S791.27文献标志码：A文章编号：2 0 95-1914(2 0 2 4)0 2-0 2 0 9-0 7Comparison on the Physical and Mechanical Properties BetweenClone and Seedling from Cunninghamia lanceolataChen Kui,Liu Heng2,Wang Zhong,Qin Wuming(1.Guangxi Gaofeng State-owned Forest Farm,Nanning Guangxi 530001,China;2.Tropical Forestry Experimental Center,Chinese Academy ofForestry Sciences,Chongzuo Guangxi 532600,China;3.College of Forestry,Guangxi University,Nanning Guangxi 530004,China)Abstract:In order to reveal the differences in the physical and mechanical properties of wood from Cunning-hamia lanceolata clones and seedling plantations,the main physical and mechanical properties of wood from 26-year-old C.lanceolata clones and seedling plantations at different circumferential orientations(north-south orient-ation)and different height positions were measured,and the wood strength and quality coefficients were investig-ated to comprehensively evaluate the material grades of wood from C.lanceolata clones and seedling plantations.The results showed that in addition to impact toughness,the density,shrinkage,difference shrinkage,swellingrate(all dry-air dry),hardness,flexural strength,flexural modulus of elasticity,compressive strength parallel tograin,and transverse compressive strength of C.lanceolata clones were higher than those of seedlings;the influ-ence of circumferential orientation on the physical and mechanical strength of C.lanceolata clones and seedlings收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 7；修回日期：2 0 2 3-0 5-0 4第1作者：陈奎（197 9），男，工程师。研究方向：森林经营培育。Email:。通信作者：秦武明（1953 一），男，教授，硕士生导师。研究方向：森林经营培育。Email:。210西南林业大学学报第44卷was not significant;tree height had a significant impact on the air dry density and water absorption of C.lanceol-ata clones wood,the basic density,air dry density,water absorption,transverse compressive strength,and hard-ness of seedling wood,while it had a significant impact on the basic density,total dry density,and volume mois-ture expansion of clone wood,the total dry density,and volume moisture expansion of seedling wood,and had nosignificant impact on other physical and mechanical strength of the 2 types of wood;the air dried density,endhardness,transverse compressive strength,and longitudinal compressive strength of the 2 types of wood showed atrend of first decreasing and then increasing with the increase of tree height;in addition to the shrinkage,the phys-ical and mechanical properties of the 2 types of wood were in the low-grade of domestic wood;the comprehens-ive quality coefficient of the 2 types of C.lanceolata wood was relatively high,and they were both high-gradewood.Key words:Cunninghamia lanceolata;clone;seedling;timber;physical and mechanical property;difference作为评价木材的基本要素，木材物理力学性能是决定木材用途的重要依据，直接指导木材的加工利用。林木生长与材性的联合改良是对木材物理力学性能的跨领域研究模式，是林木遗传改良育种最终目标的表征和反映 2-3 。杉木（Cun-ninghamialanceolata）是我国南方特有的重要用材树种和商品材来源，全国杉木产量约占商品材的2 0%2 5%4。骆秀琴等 5 对杉木木材株内密度和力学性质变异研究发现，不同高度上的木材弯曲强度差异极显著；鲍甫成等 6 研究发现杉木物理力学性能在不同高度间无显著差异，木材密度与力学性质呈较高的相关性；吕建雄等 7 研究发现杉木南北向不同对其木材干缩性无显著影响，高度位置的不同对弦向干缩影响显著。此外，树龄、育种方式和种源等对杉木材性的影响研究 8-,推动了杉木的推广利用。但现有研究多是仅对比不同无性系之间或家系之间材性的差异，对无性系和实生苗木材间物理力学性能差异的比较研究报道较少。因此，本研究以杉木无性系和实生苗木材为研究对象，分析其物理力学性能差异，探讨圆周方位（南北向）、不同高度位置对2 种木材物理力学性能的影响规律，以期为合理推广杉木优良品种、科学开展林木选育提供参考。1材料与方法1.1试验材料试验材均采自广西国有高峰林场（2 2 50 2333N，10 8 0 7 10 92 1 E），属南亚热带季风气候，年平均温度2 1.6，年降雨量12 0 0 1600mm。实生林是1991年营造，无性系林是1993年营造（扦插裸根苗），林分郁闭度0.7 5，密度112 5株/hm，林分平均树高17.3 4m，平均胸径2 4.0 5cm。在测定林内分别取无性系和实生苗标准样木各4株（根据林木生长势、平均树高和胸径等情况，取4株具有代表性的林木作为杉木实生苗和无性系试材采集样木），样木采集情况见表1。表1杉木采集林基本情况Table1The basic situation of C.lanceolata sample trees编号树龄/a胸径/cm树高/m枝下高/m实生苗12624.716.65.222630.519.32.532620.616.68.842618.816.75.2平均值2623.617.35.4无性系12624.520.45.822620.016.56.332618.115.57.142627.618.15.5平均值2622.617.66.21.2试验方法1.2.1试样制备每株试材在1.3 m处往上依次截取2 m长原木3 段（分别为1.3 3.3、5.3 7.3、9.3 11.3 m），且在每段原木上沿着南北方向中心线划线标记。根据GB/T1927.2202112)进行取样。将标准件置恒温恒湿箱调湿显（平衡含水率为12%）。1.2.2测试内容本研究的物理力学性能包括密度（基本密度、气干密度、全干密度）、干缩性、湿胀性、吸水性、硬度、顺纹抗压强度、横纹抗压强度（全部）、抗弯强度、抗弯弹性模量和冲击韧性共10类性状，测试方法依据GB/T19272021131进行。211陈奎等：杉木无性系与实生苗木材物理力学性能差异研究第2 期1.2.3数据处理采用SPSS和Origin软件进行数据处理。采用单因素方差分析法和Duncan法进行方差分析和多重比较。2结果与分析2.1杉木无性系与实生苗物理力学性能差异2.1.1不同圆周方位物理力学性能差异由表2 可知，除冲击韧性外，无性系的各项物理力学性能均值都高于实生苗，说明杉木无性系木材具有更优异的物理力学性能。韦颖文等 14研究表明，杉木无性系具有更高的生长稳定性和生长潜力，因此具有更大的发展潜力。方差分析结果（表3）显示，不同圆周方位对杉木无性系和实生苗木材的物理力学性能影响不显著，说明2种杉木木材在不同圆周位置物理力学性能均不具有明显的分化，这与洛秀琴等 5 的研究结果一致；同时，杉木无性系和实生苗木材的密度、湿胀性、吸水性、抗弯强度、抗弯弹性模量和径向横纹抗压强度具有显著性差异（P0.05）。杉木无性系木材基本密度为0.3 2 0 g/cm，气干密度为0.3 6 6 g/cm，实生苗木材基本密度为0.300g/cm，气干密度为0.3 53 g/cm，无性系木材基本密度和气干密度比实生苗木材分别高6.7%、3.7%。一般情况下，木材密度越大，其力学性能越优异 15，这在一定程度上解释了无性系木材力学性能优于实生苗木材，可能也是2 种木材抗弯强度、抗弯弹性模量和径向横纹抗压强度存在显著性差异的原因。杉木无性系木材的吸水率和湿胀率略高于实生苗木材，说明无性系木材的稳定性弱于实生苗木材，但其调湿性更佳 16 。表2 杉木无性系与实生苗木材南北向物理力学性能结果Table 2FResults of physical and mechanical properties of C.lanceolata clones and seedlings in north and south direction密度/横纹抗压硬度/N(gcm)体积干体积湿吸水抗弯强度/抗弯弹性顺纹抗压强度/MPa冲击韧性/方向统计量缩率/%涨率/%率/%MPa模量/GPa强度/MPa(kJm2)基本气干全干径向弦向端面径面弦面北向均值0.313 0.362 0.3415.9253.522221.361.626.41233.214.725 4.9492.5641466182317.83(0.303)(0.351)(0.333)(5.920)(3.218)(223.2)(57.48)(5.968)(34.08)(4.174)(4.827)(2.417)(1384)(1744)(18.74)标准差0.0360.0480.0472.0651.16534.039.910.9886.2581.124 1.460448.8410.6387.22.42(0.027)(0.031)(0.032)(2.851)(0.539)(23.64)(7.12)(7.391)(3.897)(1.067)(0.706)(458.3)(522.6)(499.0)(7.65)变异系数11.5213.3813.66 34.8445.8715.3816.0915.4118.8523.7829.5117.5027.9921.2313.58(8.82)(8.91)(9.48)(48.15)(16.74)(10.59)(12.39)(12.48)(11.44)(25.73)(14.63)(18.96)(37.75)(28.60)(15.63)试样数108108108118118608686769090787878160南向均值0.3360.3710.3526.3313.917207.559.926.27435.853.851 5.62326451571191519.08(0.297)(0.355)(0.331)(5.787)(3.134)(223.7)(55.85)(5.744)(32.53)(3.787)(5.076)(2411)(1444)(1740)(20.06)标准差0.0590.0560.0532.0920.997 37.3717.191.9356.7741.0191.791600.0565.2675.92.60(0.026)(0.056)(0.053)(2.243)(0.793)(33.50)(10.62)(1.074)(4.093)(0.790)(0.832)(429.1)(397.9)(348.3)(9.70)变异系数17.5215.0315.1133.0425.4518.0128.6830.8418.9026.4531.8522.6835.9935.2813.61(8.81)(15.81)(16.14)(38.76)(25.31)(14.97)(19.02)(18.70)(12.58)(20.87)(16.40)(17.80)(27.57)(20.01)(16.28)试样数108108108118118608686769090787878160合计均值0.3200.3660.3546.1253.690223.561.626.41224.274.2805.16026051519187018.53(0.300)(0.353)(0.333)(5.855)(3.176)(214.4)(56.67)(5.856)(33.31)(4.030)(4.420)(2.414)(1413)(1743)(19.39)标准差0.0500.0520.058 2.0081.36529.5710.091.0067.7600.9701.490536.9501.9558.52.63(0.027)(0.034)(0.030)(2.574)(0.688)(36.94)(9.15)(0.963)(4.140)(1.150)(0.750)(448.2)(472.1)(437.3)(3.28)变异系数15.3014.2916.0916.0936.9936.9916.3715.6922.6422.6628.8820.62 33.0529.8814.19(9.00)(9.63)(9.01)(18.92)(21.66)(17.23)(16.15)(16.44)(12.43)(28.54)(16.97)(18.57)(33.42)(25.09)(16.92)试样数216216216236236120172172152180180156156156320注：括号内为杉木实生苗的测定结果，2 种木材的试样数量相同。212西南林业大学学报第44卷表3 杉木无性系与实生苗木材物理力学性能方差分析结果Table3Analysis of variance of physical and mechanical properties for C.lanceolata clones and seedlings物理力学性能无性系和实生苗圆周方位高度密度/g：c m)基本6.086*1.367(0.787)6.943(9.232*)气干3.963*0.948(0.479)11.372*(12.453*)全干5.039*1.210(0.290)6.045(6.072)体积干缩率/%0.6331.068(0.071)1.243(0.843)体积湿胀率/%6.330*0.827(0.199)6.603(6.352)吸水率/%5.350*1.180(0.482)11.632*(10.653*)抗弯强度/MPa4.907*0.007(0.490)1.709(1.486)抗弯弹性模量/GPa6.417*0.061(0.885)1.980(1.180)顺纹抗压强度/MPa0.2980.778(1.127)1.157(2.163)横纹抗压强度/Mpa径向0.7141.802(2.431)0.754(7.564*)弦向3.852*0.386(0.220)0.057(6.997*)硬度/N端面3.6140.267(0.003)0.130(11.471*)径面0.5650.506(0.246)1.449(0.445*)弦面1.0410.321(0.002)0.659(7.894*)冲击韧性/(kJm20.4332.272(0.596)0.454(1.556)注：括号内为杉木实生苗的测定结果；*表示显著相关（P0.05）；*表示极显著相关（P0.01）。2.1.2不同高度部位物理力学性能的差异表4为不同树干高度杉木无性系与实生苗木材的物理力学性能测定结果。根据方差分析结果（表3），对于杉木无性系木材，树高对气干密度、吸水率有极显著影响（P0.01），对木材基本密度、全干密度、体积湿胀率有显著影响（P 0.0 5）；对于杉木实生苗木材，树高对基本密度、气干密度、吸水率、横纹抗压强度、硬度有极显著影响（P0.01），对木材全干密度、体积湿胀率有显著影响（P0.05）。表4杉木无性系与实生苗木材沿不同树干高度物理力学性能结果Table 4Results of physical and mechanical properties of C.lanceolata clones and seedlings with different tree heights密度/横纹抗压体积干体积湿吸水率/抗弯强度/抗弯弹性顺纹抗压硬度/N冲击韧性/高度/m统计量(gcm)强度/MPa缩率/%涨率/%MPa模量/GPa强度/MPa(kJm2)基本气干全干径向弦向端面 径面弦面1.3 3.3均值0.312 0.366 0.346 6.2333.715215.861.526.17534.534.3215.2612640 1639195718.21(0.313)(0.371)(0.348)(6.269)(3.333)(213.5)(58.81)(5.495)(34.95)(3.970)(4.950)(2686)(1706)(1985)(20.74)标准差0.0460.0550.0522.5441.04630.1210.511.1446.961.21 1.73618.2627.8697.73.02(0.032)(0.039)(0.034)(3.282)(0.681)(37.37)(11.98)(1.496)(4.96)(1.00)(0.82)(571.3)(624.6)(577.1)(3.40)变异系数14.7 415.0315.9040.8228.1613.9517.0818.5220.1628.0132.8923.4238.28335.6616.58(10.22)(10.51)(9.77)(52.35)(20.43)(17.50)(20.37)(14.19)(19.14)(25.19)(16.57)(21.27)(37.67)(28.77)(16.39)试样数1201201201201206096967690907878781605.3 7.3均值0.319 0.360 0.3566.2804.342242.665.746.98931.604.1604.9622.5531384181018.67(0.288)(0.339)(0.322)(5.561)(3.086)(220.7)(54.49)(6.175)(37.75)(3.910)(4.326)(2146)(1222)(1556)(19.04)标准差0.0540.053 0.0661.5031.57118.219.530.7597.440.5111.791502.2344.3415.82.26(0.020)(0.025)(0.026)(1.417)(0.617)(47.39)(4.98)(0.671)(2.92)(1.330)(0.540)(462.3)(312.7)(418.6)(2.72)变异系数文16.9314.7218.5423.9336.1817.5114.5010.8623.5412.2636.0919.6724.8822.9712.10(16.94)(17.37)(18.07)(25.48)(19.99)(14.97)(9.14)(11.71)(19.20)(34.02)(12.50)(7.56)(9.23)(14.05)(14.29)试样数1201201201201206096967690907878781609.311.3均值0.3420.3740.3715.7222.979213.955.386.24337.054.3505.11226191439 170019.23(0.294)(0.343)(0.325)(5.527)(3.030)(208.3)(55.65)(5.631)(32.38)(4.271)(3.860)(2345)(1217)(1617)(16.65)标准差0.0520.0480.0561.4751.62431.967.530.4814.520.7120.751288.895.1146.71.89(0.012)(0.019)(0.012)(2.329)(0.804)(21.26)(6.54)(0.636)(3.03)(1.430)(0.353)(201.7)(72.3)(194.1)(2.30)变异系数15.2912.8315.0925.7854.51 14.9413.607.7312.2016.32 14.6810.766.618.639.81(4.08)(5.54)(3.69)(42.14)(26.53)(10.21)(11.75)(11.29)(12.43)(33.49)(9.07)(8.60)(5.94)(12.01)(13.81)试样数120120120120120609696769090787878160注：括号内为杉木实生苗的测定结果，2 种木材的试样数量相同。213陈奎等：杉木无性系与实生苗木材物理力学性能差异研究第2 期由图1可知，随树高增加，杉木无性系木材的基本密度和全干密度逐渐变大，气干密度先变小再变大，均是在9.3 11.3 m处取得最大值；与之相反，杉木实生苗木材的气干密度、基本密度及全干密度均是先变小再变大，在1.3 3.3 m处取得最大值。无性系和实生苗木材密度树干高度方向变异差异一方面与幼龄材所占比例相关，越靠近顶端幼龄材所占比例越高；另一方面也可能受遗传因素的影响 17 0.380.370.370.360.360.35(wo.3)/&(ew0.3)/0.340.350.330.340.320.330.310.320.300.290.311.33.35.37.39.311.31.33.35.37.39.311.3高度/m高度/ma.无性系木材b.实生苗木材气干密度一全干密度一一基本密度图1杉木木材密度的纵向变异Fig.17The wood density longitudinal variation of C.lanceolata clones(a)and seedlings(b)随树高增加，杉木无性系和实生苗木材的端面硬度、顺纹抗压强度和木材气干密度的变化趋势一致，均是先变小后变大，这是因为木材力学强度与木材密度息息相关。杉木实生苗木材抗弯性能的变化趋势和木材抗弯性能变化相似，这和洛秀琴等 5 的研究结果一致；但杉木无性系木材抗弯性能的变化趋势却和木材气干密度变化趋势相反，呈现先变大后变小的趋势，这可能与木材幼龄材与成熟材的比例有关 18 2.2杉木无性系与实生苗物理力学性能的相关关系多数树种的部分物理力学性能之间有着显著的相关性。通过分析木材物理力学性能之间的相互关系，利用某一基本参数作为指标对木材其他材性指标进行预测，能达到快捷、无损检测木材的目的 19，杉木2 种木材的抗弯强度（MOR）与抗弯弹性模量（MOE）的相关性见图2。由图2可知，杉木2 种木材的MOR与MOE之间存在极显著的线性相关性（P0.01）。因此，采用杉木木材抗弯弹性模量预测其抗弯强度性能是可行的，可以实现杉木木材抗弯强度的无损检测。90100y=0.0089x+5.0932y=0.008x+10.320 180R2=0.764 290R2=0.652 08070706060505040403030300040005000600070008000900040005000600070008000900010000抗弯弹性模量/MPa抗弯弹性模量/MPaa.无性系木材b.实生苗木材图2 杉木木材抗弯强度与抗弯弹性模量关系Fig.2 The relationship between bending strength and bending elastic modulus of wood fromC.lanceolata clones(a)and seedlings(b)214西南林业大学学报第44卷2.3杉木无性系与实生苗木材等级评定2.3.1物理力学性能指标等级评定采用木材主要物理力学性能分级表标准 2 0 ,对杉木2 种木材的物理力学指标进行分级（表5）。结果表明：杉木无性系和实生苗木材的各项物理力学性能所处等级区间基本相同，气干密度上，2种杉木都属于小级；干缩性方面，2 种杉木属中等偏上级，高于国产材平均水平（体积干缩系数0.46%）；力学性能上，2 种杉木各项指标都属甚小至小级表5杉木无性系与实生苗木材物理力学性能分级Table 5Physical and mechanical properties grade of woodfrom C.lanceolata clones and seedlings项目平均值所属范围评定等级气干密度/(gcm）0.3 6 6(0.3 53)0.351 0.552(2)体积干缩率/%0.467(0.506)0.401 0.5(0.501 0.6)3(4)差异干缩/%2.399(2.328)2.11 2.64(4)抗弯强度/MPa60.7(56.7)55.1902(2)抗弯弹性模量/GPa6.34(5.86)7.51(1)顺纹抗压强度/MPa34.26(33.31)30.1452(2)冲击韧性/(kJm-2)18.52(19.39)251(1)端面硬度/MPa26.05(24.14)25.1 40(25)2(1)注：括号内为杉木实生苗的测定结果。2.3.2木材强度品质系数根据测定结果计算得到杉木无性系和实生苗木材的强度品质系数，见表6。杉木无性系和实生苗木材的综合品质系数分别为2 593.510 Pa和2547.610Pa，均达到了“综合品质系数大于215610Pa者为高等级材”的木材综合系数等级标准 2 1。因此，杉木2 种木材的品质系数均较高，都属于高等级材，且无性系木材高于实生苗木材。表6 2 种木材强度品质系数Table 6Strength quality coefficient ofC.lanceolata clones and seedlings10Pa顺压品质系数静曲品质系数综合品质系数无性系935.11658.42593.5实生苗943.11604.52547.63结论杉木无性系木材的密度、干缩率、差异干缩、湿胀率（全干-气干）、硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和横纹全部抗压强度均高于实生苗；杉木无性系和实生苗的端面硬度、横纹全部抗压强度和顺纹抗压强度随树高的变异模式与气干密度相同，即随高度增大呈现先降低后升高的趋势。其中，高度不同对2 种木材的气干密度和端面硬度均有显著影响；圆周方位的不同对2 种木材的物理力学性能均无显著性影响；除干缩性（干缩率和差异干缩）外，杉木无性系和实生苗木材的各物理力学性能指标均属低级或较低级。杉木无性系和实生苗木材综合品质系数较高，均为高等级材，且前者优于后者。综上所述，杉木无性系木材的物理力学性能优于实生苗木材，且育种优势明显，因此，相较于实生苗，杉木无性系具有更高的推广价值。参考文献1韦鹏练，赖钦昌，刘衡，等.广东琼楠木材物理力学性能研究 J.西南林业大学学报（自然科学），2 0 2 2,42(1):174-177.2王传贵，柯曙华，费本华，等.不同种源杉木物理力学性质的比较研究 .东北林业大学学报，1998,2 6(4):51-54.3任海青，黄安民，刘君良，等.杉木加工利用研究进展及建议 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