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楸树新无性系木材的物理力学性质

花匠小妙招
2025-05-23 05:27

摘要：对采自于河南省南阳市的21年生楸树新无性系宛楸8401和宛楸8402与生产上广泛应用的金丝楸无性系进行木材主要物理力学性质的对比研究。结果表明：3个无性系的基本密度、气干密度、端面硬度、弦面硬度、径面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、冲击韧性、弦向抗剪强度和径向抗剪强度差异极显著，宛楸8401和金丝楸相近，且显著优于宛楸8402；3个无性系的成熟材与幼龄材的物理力学性质也表现出显著差异；与黄菠萝、核桃楸、红椿和香樟相比，宛楸8401和金丝楸与香樟和黄菠萝相近，优于红椿，但是比核桃楸稍差，宛楸8402与红椿相近。

Ma Wenjun1, Zhang Shougong1, Wang Junhui1, Zhai Wenji2, Cui Yongzhi3, Wang Qiuxia2

Abstract: In order to study the differences of physical and mechanical properties between two new Catalpa bungei clones "Wanqiu 8401", "Wanqiu 8402" and "Jinsiqiu", three ramets of each clone were determination. The results showed that basic density, air-dried density, hardness of end surface, hardness of tangential section, hardness of radial section, bending strength, modulus of elasticity, compression strength parallel to grain, tensile strength parallel to grain, toughness, shear strength parallel to grain of tangential direction and shear strength parallel to grain of radial direction had significant differences among clones. "Wanqiu 8401" and "Jinsiqiu" were highly similar, which was significantly better than "Wanqiu 8402". Also, significant differences was obversed between mature wood and juvenile wood of three clones. Additionally, three clones were comparison with other timber which were popular in China, "Wanqiu 8401" and "Jinsiqiu" were better than Toona ciliate, but worse than Juglans mandshurica, "Wanqiu 8402" and Toona ciliata were highly similar, "Wanqiu 8401", "Jinsiqiu" and Cinnamomum camphora, Phellodendron amurense were highly similar.

Key words:Catalpa bungei new clones timber physical and mechanical properties differences

木材物理力学性质是木材的主要材性指标(成俊卿，1985)，并且，木材材性改良已经成为林木遗传改良的主要研究方向之一。国内外已针对主要用材树种开展了广泛的材性研究工作，并取得了显著成效。张双燕等(2006)研究发现日本落叶松(Larix kaempferi)木材比日本花柏(Chamaecyparis pisifera)木材的弦径干缩差异大，并且日本花柏木材的干缩率大; 李因刚等(2010)对比研究了桤木(Alnuscremastogyne)、黄山栾树(Koelreuteria bipinnata var.integrifoliola)、枫杨(Pterocarya stenoptera)、法国梧桐(Platanus orientalis)等15个五金工具柄用材树种幼龄材的物理力学性质，发现各项物理力学性质在树种间均存在极显著差异; Shanavas等(2006)研究发现大叶相思(Acacia auriculaeformis)与马占相思(Acacia mangium)的基本密度、体积干缩系数、端面硬度存在显著差异; 童再康等(2002)对10个黑杨(Populus nigra)新无性系的木材物理力学性质研究表明，木材物理性质在速生无性系间无显著差异，而力学性质差异显著或极显著; 刘迎涛等(2005)对红松(Pinus koraiensis)的研究表明，幼龄材的力学性质较成熟材低; Guler等(2007)研究表明黑松(Pinus nigra)幼龄材的物理力学性质与成熟材相比均较低。通过以上研究可知，木材的物理力学性质差异是普遍存在的。因此，针对广泛存在的木材物理力学性质方面的巨大异差，结合不同材种的特性和用途开展材性遗传改良研究，能获得较为理想的效果。

楸树(Catalpa bungei)为紫葳科(Bignoniaceae)梓树属(Catalpa)植物，原产我国，分布范围广，栽培历史悠久，至今已有2 600多年(潘庆凯等，1991)，是著名的优质珍贵用材树种。虽然其适应性强，在我国分布甚广，但由于长期以来人们无节制地砍伐利用，致使这一珍贵树种资源急剧下降，濒于枯竭。随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，对于珍贵用材的需求量越来越大，目前楸木极缺，价格超过一般木材数倍，且大径材奇缺。如何改善资源缺乏的状况，在保证楸木优良品质的前提下，提高其生长量，增加木材供应量，成为楸树遗传改良的迫切需求。“七五”期间，楸树协作组在鄂北、鄂西及河南省南阳市的13个县(市)区收集了55株优树，通过根蘖繁殖，于1983年在河南省南阳市林科所苗圃地进行苗期对比测试，初选了11个无性系进入中试阶段，1987年在南阳市唐河县昝岗乡大方庄村营造良种选育试验林。经21年后，选出了宛楸8401和宛楸8402两个优良无性系。宛楸8401和宛楸8402的生长明显优于生产上广泛使用的优良楸树品种———金丝楸，但由于未进行木材材性测定，所以到目前为止，对宛楸8401和宛楸8402与金丝楸的木材材性差异并不了解。为此，本文在21年生人工林中选取宛楸8401、宛楸8402和金丝楸无性系进行木材物理力学性质测定，对比分析无性系间、幼龄材与成熟材间的差异，旨在揭示新选无性系与推广品种之间木材物理力学性质的差异，为优良无性系的推广应用和培育措施提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 无性系试验地概况

楸树无性系示范林位于南阳市唐河县昝岗乡大方庄村，地理位置110°58'—113°49' E，32°17'—33°48' N，属于典型的季风型大陆性半湿润气候，冬季寒冷，夏季较热，春季温暖，秋季凉爽，四季分明。年降雨量800~1 000 mm，年平均气温14.4~15.8 ℃，极端最高气温42.6 ℃，极端最低气温－ 13.2 ℃，≥ 10 ℃年平均积温5 123.2 ℃，年平均日照时数2 121 h，年平均无霜期225~240天。土壤为砂姜黑土，肥力较差。

1.2 试验材料

楸树样木于2007年6月取自楸树无性系示范林(1987年造林，株行距为4 m × 5 m)，分别为宛楸8401、宛楸8402和金丝楸，在示范林内每个无性系取样3株标准木(由于无性系试验林树木株数有限，还要长期观测，故不能多采伐; 而且是无性系，基因相同，性质比较接近，3株数据具有一定的代表性)。

1.3 测试内容和方法

由于幼龄材生长过程中纤维长度不断增大，到成熟材时纤维长度趋于稳定，所以本研究根据纤维长度划分每个无性系的幼龄材和成熟材，在每个无性系3个单株的基部各截取20 cm的圆盘，测定每个年轮早晚材的纤维长度和年轮宽度。所有试验项目的试样均分别从幼龄材与成熟材部位分别取样，不同物理力学性质测定试样数量见表 2，3。

表 2 无性系成熟材物理力学性质① Tab.2 Physical and mechanical properties of matnre wood of clones

表 3 无性系幼龄材物理力学性质 Tab.3 Physical andmechanical properties of jnvenile wood of clones

本文所测定的物理力学性质包括基本密度、气干密度、端面硬度、径面硬度、弦面硬度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、径向抗劈力、弦向抗劈力、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性、径向抗剪强度和弦向抗剪强度共14个性状，测试方法按照 GB 1927— 1943—80《木材物理力学性质试验方法》进行。测试工作在东北林业大学材料科学与工程学院木材学实验室完成。

1.4 数据处理

用单株平均值进行无性系间成熟材或幼龄材各性状的单因素方差分析和无性系内成熟材与幼龄材间各性状的单因素方差分析，将3个分生株测定值合并计算不同无性系各性状的变异系数。

用 Excel 2003和SPSS16.0进行数据整理分析(卢纹岱，2002)。

2 结果与分析 2.1 无性系生长差异和纤维长度变化

宛楸8401、宛楸8402和金丝楸的生长情况如表 1所示。 3个无性系21年生时树高(F=43.832**)、胸径(F= 5.077**)差异极显著，树高最高的为宛楸8402，其次为宛楸8401，金丝楸最小; 胸径最大的为宛楸8401，其次为宛楸8402。

表 1 3个楸树无性系生长情况 Tab.1 Growth conditions of three clones

随树龄的不断增大，纤维长度呈不断增大至稳定的趋势(图 1)，3个无性系均表现为10年生时纤维长度基本达到稳定，因此，10年生时即达到成熟材的标准，将造林前10年生长的木材划分为幼龄材，10年后生长的木材划分为成熟材。早材纤维长度小于晚材，宛楸8401的纤维长度最长，达到稳定时早材和晚材的纤维长度分别为979 μm和1 228 μm，宛楸8402次之(早材和晚材的纤维长度分别为862 μm和1 086 μm)，金丝楸最短(早材和晚材的纤维长度分别为852 μm和1 058 μm)。10年生时3个无性系各单株的年轮宽度见图 2。各无性系10年生时金丝楸生长最差，其年轮宽度累计最小的单株为41 mm。

图 1 随树龄增大纤维长度的变化 Fig. 1 Changes of fiber length with the increase of the tree age

图 2 不同无性系10年生时年轮宽度累计 Fig. 2 Cumulative ring width differences of ten years old clones

2.2 不同无性系成熟材物理力学性质差异 2.2.1 物理性质差异

木材密度是木材物理性质中最重要的指标，同时也是影响木材物理力学性质的重要参数(童再康等，2002)，宛楸8401、宛楸8402和金丝楸成熟材的基本密度分别为0.430，0.385和0.429 g·cm-3，气干密度分别为0.502，0.450和0.502 g·cm-3，宛楸8402的基本密度和气干密度显著低于宛楸8401和金丝楸(表 2)。

木材在干燥时，其尺寸和体积随着水分的散失而减小，称干缩。干缩系数是反映木材在干燥过程中收缩程度的一个指标，与木材中射线细胞的数量和分布有关(童再康等，2002)。木材的干缩系数越高，表明木材干燥后尺寸和体积的变化越大(成俊卿，1985)。宛楸8401、宛楸8402和金丝楸成熟材的体积干缩系数分别为0.397%，0.397%和0.396%，无性系间差异不显著(表 2)。

2.2.2 力学性质差异

分别对3个无性系成熟材的各种力学性质进行统计分析，结果见表 2。金丝楸的端面硬度、径面硬度、弦面硬度均显著高于其他2个无性系，分别是3 843.154，3 305.452，3 523.913 N，其中端面硬度最大; 顺纹抗压强度和顺纹抗拉强度在无性系间均存在极显著差异，抗压强度和抗拉强度的大小依次为金丝楸＞宛楸8401 ＞宛楸8402; 抗弯强度也是金丝楸最高(113.897MPa)，宛楸8402最低(85.773 MPa); 金丝楸(9.186 GPa)和宛楸8401(9.183 GPa)的抗弯弹性模量极显著高于宛楸8402(7.412 GPa); 宛楸8401和金丝楸的冲击韧性相近，分别为宛楸8402(17.744 kJ·cm-2)的1.75倍和1.84倍; 弦向抗剪强度和径向抗剪强度都是金丝楸最高，宛楸8401次之，宛楸8402最低，无性系间差异均极显著。弦面抗劈力和径面抗劈力在无性系间差异不显著，宛楸8401、宛楸8402和金丝楸成熟材的弦面抗劈力分别为13.496，12.848和13.393 N·mm － 1，径面抗劈力分别为12.907，12.461和12.592 N·mm － 1 。宛楸8401和金丝楸的性质相似，与宛楸8402有显著差别。

成熟材的不同性质在无性系内试样间的变异程度差异较大，在所测定的性质中，径面硬度、弦面硬度、抗拉强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性、弦向抗剪强度、弦面抗劈力和径面抗劈力的变异系数均高于10%，其中径面硬度的变异系数变幅为12.59%~21.63%，抗弯强度的变异系数变幅为12.90%~26.99%，说明株内成熟材的力学性质存在一定差异，并且不同的无性系株内差异不同。

2.3 不同无性系幼龄材物理力学性质差异 2.3.1 物理性质差异

宛楸8401和金丝楸幼龄材的基本密度相近，分别为0.410和0.405 g·cm-3，宛楸8402极显著低于宛楸8401和金丝楸，气干密度与基本密度相同，也是宛楸8401和金丝楸极显著高于宛楸8402(表 3)。宛楸8401、宛楸8402和金丝楸幼龄材的体积干缩系数分别为0.363%，0.366%和0.416%，无性系间差异不显著(表 3)。

2.3.2 力学性质差异

无性系幼龄材的各种力学性质见表 3。幼龄材的端面硬度、弦面硬度、径面硬度在无性系间差异均极显著，都是金丝楸最高、宛楸8401次之、宛楸8402最低; 顺纹抗压强度和顺纹抗拉强度在无性系间均存在极显著差异，宛楸 8401、宛楸8402、金丝楸的抗压强度和抗拉强度分别为40.566，31.825，42.051 MPa和95.186，74.532，111.486 MPa; 无性系的抗弯强度和抗弯弹性模量差异极显著，金丝楸的抗弯强度最高(104.676MPa)，是宛楸8401的1.17倍和宛楸8402的1.47倍; 宛楸8401和金丝楸幼龄材的冲击韧性极显著高于宛楸8402(16.085 kJ·cm-2); 3个无性系幼龄材的弦向抗剪强度差异达显著水平，而径向抗剪强度差异极显著，弦面抗劈力和径面抗劈力在无性系间差异不显著。

幼龄材的不同性质在无性系内试样间的变异程度差异较大，其中，抗拉强度、抗弯强度、抗弯模量、冲击韧性、弦向抗剪强度、弦面抗劈力和径面抗劈力的变异系数均高于10%，并且抗拉强度和冲击韧性的变异系数甚至高于20%，说明株内幼龄材的物理力学性质存在一定差异，并且不同的无性系株内差异不同。

2.4 不同无性系成熟材和幼龄材间物理力学性质差异显著性分析

对无性系成熟材和幼龄材的物理力学性质方差分析结果见表 4。基本密度、气干密度、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、径向抗剪强度、弦向抗剪强度和冲击韧性在无性系间以及成熟材和幼龄材间均存在显著差异; 径向抗劈力和弦向抗劈力在成熟材和幼龄材间差异显著，无性系间差异不显著; 体积干缩系数在无性系间、成熟材和幼龄材间均无显著差异。除了体积干缩系数以外，其他性状无性系的方差分量均在46% 以上，成熟材和幼龄材的方差分量在6.5% 以上，说明不同无性系物理力学性状的差异主要是来源于无性系间的差异，其次为成熟材和幼龄材的差异，依据无性系间差异进行无性系选择可以获得可靠的结果。

表 4 无性系幼龄材和成熟材性状的方差分析 Tab.4 Analysis of variancefor wood properties of jnvenile and mature wood

2.5 楸树无性系与其他常用珍贵树种木材物理力学性质比较

楸树木材(长期以来被称为梓木)由于其具有纹理直、结构粗、干燥容易、无翘裂、干后尺寸稳定、耐腐强等优良特性，早在汉代就已被做成梓棺，属于我国所特有的珍贵材种。选择与楸树同属的滇楸(云南，Catalpa fargesii f. duclouxii)，以及我国不同地区所特有的4种珍贵用材树种黄菠萝(东北，Phellodendron amurense)、核桃楸(东北，Juglans mandshurica)、红椿(云南，Toona ciliata)、香樟(安徽，Cinnamomum camphora)(成俊卿，1985)与楸树新无性系进行比较(由于楸树幼龄材生长较快，21年生时成熟材和幼龄材比例近乎均等，所以将幼龄材与成熟材的材性数据平均后代替整体材性数值，表 5)。宛楸8401和金丝楸的基本密度与香樟和核桃楸相近，较滇楸和红椿高，宛楸8402较低; 楸树无性系的体积干缩系数高于滇楸、香樟和黄菠萝，却比红椿和核桃楸低，3个无性系中金丝楸最高; 宛楸8401和8402的端面硬度低于金丝楸和4种珍贵树种，而宛楸8401却高于滇楸; 宛楸8401和金丝楸的顺纹抗压强度明显高于滇楸、香樟和红椿，而8402却较低，与滇楸相近; 宛楸8401和金丝楸的抗弯强度均高于滇楸、黄菠萝、红椿和香樟，与核桃楸相近; 宛楸8401和金丝楸的抗弯弹性模量与黄菠萝、红椿和香樟相近，高于滇楸，宛楸8402较低。总体来看，宛楸8401和金丝楸的木材物理力学性质相近，并且与香樟和黄菠萝相近，优于滇楸和红椿，但是比核桃楸稍差一些，宛楸8402与滇楸和红椿相近。

表 5 揪树无性系与其他树种木材物理力学性质差异 Tab.5 Physical and mechanical properties differences between Catalpa bungei clones and other tree species

3 讨论

木材的物理力学性质在树种内与树种间、人工林和天然林间、成熟材和幼龄材间都存在较大的差异。如杉木(Cunninghamia lanceolata)、长白落叶松(Larix olgensis)木材在成熟材与幼龄材间存在显著差异(鲍甫成等，1998); 赵志才等(1995)对陕西杨凌地区4个毛白杨(Populus tomentosa)人工栽培种的研究表明，木材解剖特征、物理力学性质都存在不同程度的差异; 顾万春等(1998)对10个13年生毛白杨无性系进行材性测定，结果表明木材全年密度、早材密度和晚材密度在无性系间均存在极显著差异; 22个种源火炬松(Pinus taeda)和8个种源湿地松(Pinus elliottii)的木材密度和管胞长度在种源间和种源内单株间均表现出显著差异，但株间差异较种源间差异显著得多(管宁等，1993)。虽然宛楸8401、宛楸8402和金丝楸都属于楸树，但是在人工林中3个无性系的木材物理力学性质存在显著差异，其中宛楸8401和金丝楸相近，宛楸8402较差; 3个无性系的成熟材主要物理力学性质均显著优于幼龄材。由于宛楸8401的生长量极显著高于金丝楸，所以宛楸8401优于金丝楸; 虽然宛楸8402的主要物理力学性质较金丝楸稍差，但生长量最大，所以应依据不同的利用方向进行宛楸8402与金丝楸的培育。

由于木材的主要物理力学性质在3个楸树无性系间、成熟材和幼龄材之间均存在显著差异，并且由于楸树的地理分布区域较广，立地条件差异很大，所以应当从遗传改良、培育方法和加工利用方式3个方面入手来提高楸树的利用效率和经济效益。遗传改良方面可通过杂交育种、转基因育种等方式，提高幼龄材和成熟材的材性质量，其中杂交育种是目前使用最为广泛的遗传改良手段之一，通过对现有收集保存的基因资源进行物理力学性能测定，选择物理力学性能较高的基因型与生长量大的基因型进行人工授粉，使得双亲优良性状得到聚合，获得生长量大且材质性能优良的新品种。对培育方法的研究主要是立地条件选择、造林密度、抚育间伐措施等，依托不同生态区的试验基地在差异立地条件下建立密度试验林和抚育间伐试验林，为不同生态区不同立地条件分别选择适宜的造林密度和抚育间伐措施。在加工利用方面就是针对幼龄材和成熟材制定不同的利用目标以及不同的深加工工艺体系，使对木材的利用率达到最大化，同时能够产生较高的经济效益。例如对幼龄材进行胶接和涂饰性能研究，可以代替实体木材用于室内装修、实体木材制品使用，胶接刨切薄木可用于木地板的表面装饰等，以解决大径级珍贵材种的刨切薄木供应匮乏问题。

4 结论

1)宛楸8401、宛楸8402和金丝楸的木材物理力学性质差异显著，宛楸8401的材质与生产上广泛推广应用的品种金丝楸相近，优于宛楸8402，并且由于宛楸8401的生长量显著高于金丝楸，因此宛楸8401较金丝楸更适合进行推广应用。

2)成熟材与幼龄材材性差异显著，成熟材材质优于幼龄材，应通过遗传改良途径，减小幼龄材所占比例，并且对成熟材和幼龄材制定不同的利用目标。

3)与几个我国乡土珍贵树种的材性比较表明，宛楸8401和金丝楸与香樟和黄菠萝相近，优于红椿，但是比核桃楸稍差，宛楸8402与红椿相近。