郑淯文，李祥，林文树

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

天然次生林白桦与水曲柳的材性研究

郑淯文，李祥，林文树*

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

为了全面了解天然次生林白桦与水曲柳的材性，根据国标法，通过万能力学试验机与图像分析仪测定其木材性质，对于合理利用木材，提高经济效益具有重要意义。本文对黑龙江省东方红实验林场的天然次生林白桦和水曲柳的物理力学与解剖性质进行了测定，并针对实验数据进行对比分析。结果表明：水曲柳的木材基本密度、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量与硬度均大于白桦，并且差异十分显著，其中白桦与水曲柳的顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别为52.2 MPa、87.8 MPa、7.57 GPa和59.8 MPa、114.2 MPa、10.4 GPa；白桦和水曲柳端面、弦面、径面的硬度分别为3 019.7、 2695.7、2 401.9 N和6 812.7、5 109.7、4 595.2 N；白桦成熟材的组织比量由大到小分别为木纤维组织比量、导管组织比量与木射线组织比量；从纤维长度及长宽比方面来评价，白桦的是制浆造纸的良好原料。

白桦；水曲柳；物理力学性质；解剖性质

0 引言

黑龙江省的次生林面积占地极广，约为全省森林面积一半以上，对全省的生态环境保护与建设及木材生产有着十分重要的意义[1]。而随着经济的发展，木材需求量的增大，次生林面积也在逐渐减少，所以对次生林木材的合理利用极为重要，以达到木材有序利用最大化。为了科学的利用木材，就必须要了解木材的本身，也就是说，要了解木材的各种性质，根据性质来确定木材的质量等级，然后合理利用木材，尽可能的获得最大经济效益。

白桦是生长速度快，分布广泛且萌生能力强的先锋树种，其主要分布在东北地区的小兴安岭、完达山林区，多为次生林。白桦除了有利于恢复森林和维护森林的生态效益外，还可作家具、锯材、单板材人造板等，也可用作制浆造纸和各种工艺品，是多种工业及家用材的高质量的原料[2]。水曲柳是我国东北林区重要的树种之一，也是商品材的主要原料之一，其分布较为广泛，蓄积量较多，纹理十分美观，主产于东北华北地区，树干通直，是一种较为珍贵的树种，在航空、木桥、室内装修、各种高级家具和乐器、船舶、建筑材料等均有广泛的用途。

崔永志等[3]对东北次生林五种蓄积量较大的木材进行研究，其中就包括白桦与水曲柳的次生林与原始林的物理力学性质对比，但没有提供具体数据和微观性质。刘晓春等[4]以东北天然林为对象研究了白桦的不同种群的微观性质，并对各白桦种群的微观性质进行对比。佟达[5]研究了水曲柳解剖特征因子间的径向变异规律与其力学性质，并推测出成熟材与幼龄材的分界为11 a左右。而国外的研究者对针叶材的研究颇多，对白桦与水曲柳之类阔叶材的材质材性研究较少[6-8]。以上研究者对白桦和水曲柳的性质做了力学或微观结构的研究，但没有对其材性进行系统评价和对比研究。本文就东北地区次生林白桦与水曲柳的主要物理力学性质与解剖性质进行详细研究，为其家具制材以及造纸等方面的广泛应用提供一定的依据。

1 试验材料与方法

1.1 试材采集

试验材料取自黑龙江省带岭林业实验局东方红实验林场，选取合适的白桦和水曲柳树种作为样木，白桦与水曲柳的树龄均为31～35 a，白桦树高为13.5～14.4 m，胸径为13.1～13.9 cm；水曲柳树高为14.1～14.4 m，胸径为12.4～12.6 cm。

将所选择样木沿根颈处伐倒，每隔1m截取厚度约为3～5 cm的圆盘，同时在胸高为1.3 m处截取厚约3～5 cm的圆盘，剩余每段木段截取50 cm拿回实验室。

1.2 物理力学试验试材制取与方法

1.2.1 试材制取

本次试验的物理力学试件取材为每棵树从树根到树梢，取材均匀，可以包括每棵树的各个高度的性质；解剖试验采用胸径处的心边材和心材，从髓心到树皮。各物理力学试件个数均为30个。

图1 白桦与水曲柳胸径处的木段Fig.1 The wood segments at the DBH of Betula platyphylla and Fraxinus mandschurica

图2 万能力学试验机进行抗弯强度的试验Fig.2 Test on bending strength of universal mechanical testing machine

1.2.2 测定方法

(1)基本密度(ρ)测定方法：参照国家标准GB 1933-91和排水体积测定法。

(2)力学性质的测定方法：木材抗弯弹性模量按照GB 1936.2-91 的方法测定；木材抗弯强度按照GB 1936.1-91 的方法测定；木材顺纹抗压强度和木材硬度按照GB 1935-91 的方法测定。

1.3 解剖试验试材制取与方法

1.3.1 试材制取

将胸径处的圆盘从带回实验室后放置一段时间，待其气干后进行圆盘创光，通过髓心沿南北方向截取一根1.5 cm×4 cm的试条(宽×高)，再沿横向切成1.5 cm×1 cm的试条，试条由上而下进行编号，用于测定纤维形态指标。

1.3.2 试验方法

(1)取样：根据测定方案，按年轮分别取一定量木片放入试管中编号，余下部分木段软化后显微切片用。

(2)离析木纤维：向试管中加入约10 mL 30%的硝酸和少量的氯酸钾，然后在常温下浸泡约5h后，放入烘箱加热，温度为50～60℃；待木材膨胀并颜色变白时取出，用玻璃棒轻触木材确定其已松软，之后吸去硝酸，用水缓慢冲洗数次，以保证洗去木材上残余的硝酸；将适量的蒸溜水注入试管并用玻璃棒搅拌，直到木材呈浆状，用吸管移少许木桨到载玻片上，盖上盖玻片，即可在已标定的显微投影测量微镜下观察、量取木纤维长。每年轮随机测量50次，精确到0.5 mm。

(3)组织比量的测定采用日本Nikon80i显微镜、Nikon的DS-Ri1数码摄像机将制作好的横切面切片，将测定指标按照年轮顺序采集清晰的木材照片待用。

(4)将软化后的桦木与水曲柳样进行切片。采用滑走式木材切片机，截取厚度约为12～15 μm的木材切片，先经过染色，然后乙醇梯度脱水，二甲苯透明，最后施胶封盖玻片。将盖玻片置于光学显微镜下，将木材横切面图像成像到CCD摄像头上，进行图像采集，并规定采集的图像分辨率为640×480，格式为JPG，最后将采集得到的图像在计算机上进行二值化和二值筛选。

2 结果分析

2.1 白桦与水曲柳的力学性质

木材的强度和其密度之比被认为是衡量木材强度质量的重要标准，称为强重比[11]。木材的力学性质是衡量木材材性的一项重要指标，木材的力学性质包括木材弹性、松弛、塑性、蠕变、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度、硬度、抗劈和冲击韧性等。顺纹抗拉强度是指木材沿纤维方向承受拉伸载荷的最大能力，取决于木材中纤维或管胞的强度以及这些细胞的长度和排列的方位，纹理通直与否、有无节子等因素对其影响很大；木材的冲击韧性，是指木材受冲击力而弯曲折断时试样单位面积所吸收的能量，吸收的能量越大，表明木材的韧性越高而脆性越低，冲击破坏消耗的功越大，木材的韧性越大。

本次试验主要对几种主要的力学性质进行测定，即白桦与水曲柳的顺纹抗压强度、抗弯弹性模量(MOE)、抗弯强度(MOR)。实验时木材的含水率为12%。详细的力学性质测定结果见表1和表2。

2.1.1 白桦与水曲柳的顺纹抗压强度

木材顺纹抗压强度是指木材在顺纹方向承受压力的程度，是木材作为受压材料中重要的指标[12]。由于顺纹抗压强度与其他力学强度均存在相关性，而试验相对操作简单，所以顺纹抗压强度被认为是一个重要的力学测试项目。由表1和表2得到：白桦的顺纹抗压强度变化范围为46.4～61.8 MPa，平均值为52.2 MPa，变异系数为7.66%；水曲柳的顺纹抗压强度变化范围为57.1～69.0 MPa，平均值为62.5 MPa，变异系数为5.64；白桦的变异系数较大，说明白桦在径向上变化幅度较大；白桦按等级划分属于中等材(45.1～60.0 MPa)。对比表1和表2可知，木材的顺纹抗压强度：水曲柳>白桦，所以，在作为受压材料方面，如建筑材料，水曲柳要优于白桦。

表1 白桦木材力学性质均值及变异统计Tab.1 The average value and variance of mechanical properties of Betula platyphylla

表2 水曲柳木材力学性质均值及变异统计Tab.2 The average value and variance of mechanical properties of Fraxinus mandchurica

2.1.2 白桦与水曲柳的抗弯强度

木材抗弯强度亦被称为静曲极限强度，即木材在横向上承受外界压力的能力，是木材力学的主要性质之一[13]，是在建筑物的屋架、木桥、地板和家具中的柜体、长条等易于弯曲的构件选择时应当首先考虑的因素。由表1和表2得到：白桦的抗弯强度变化范围为62.3～106.8MPa，平均值为87.8 MPa，变异系数为11.31；水曲柳的抗弯强度变化范围为103.5～129.2 MPa，平均值为114.1 MPa，变异系数为6.45；白桦的变异系数最大，其抗弯强度在径向上变化幅度最大；根据木材抗弯强度5档的分级标准，水曲柳的强度属于中等(90.1～120.0 MPa)；对比表1和表2可知，木材的抗弯强度：水曲柳>白桦。所以，在作为弯曲构件选材方面水曲柳要优于白桦。

2.1.3 白桦与水曲柳的抗弯弹性模量

抗弯强度和抗弯弹性模量是木材力学最重要的性质。在木材承受一定的外界压力时将会产生变形，其变形程度与抗弯弹性模量相关，木材的弹性模量越大，变形越小，则木材的刚度越大；反之则较柔曲[14]。由表1和表2得到：白桦的抗弯弹性模量变化幅度为5.45～9.21 GPa，平均值为7.57 GPa，变异系数为12.42；水曲柳的抗弯弹性模量变化幅度为8.52～11.77 GPa，平均值为10.43 GPa，变异系数为5.46；白桦的变异系数最大；木材的抗弯强度：水曲柳>白桦，水曲柳较白桦刚硬。

2.1.4 白桦与水曲柳的木材硬度

木材硬度反映的是其加工的难易程度和耐磨损的能力。一般而言，木材的硬度与木材的密度相关，密度越大则硬度越高，但是，当木材的密度相近时，构造不同，其硬度也有所差异，所以硬度也与构造相关。由表1和表2得到：白桦的端面、弦面、径面硬度分别3 019.7、2 695.7、2 401.9 N；水曲柳的端面、弦面、径面硬度分别为6 812.7、5 109.7、4 595.2 N，由此可知，木材的端面的硬度最大，弦面次之，径面最小。白桦与水曲柳的硬度差异极其显著，表现为水曲柳>白桦。

由白桦与水曲柳的材性对比可以看出，相同情况下，无论是木材的抗弯强度、抗弯弹性模量还是抗压强度、硬度，水曲柳的远大于白桦，所以水曲柳的材性较好于白桦，在制作家具时，水曲柳可作为上等木材，而在做建筑材料时，水曲柳可做特殊建筑材料，白桦相对于水曲柳是较普遍的一般建筑材料。

2.2 白桦与水曲柳的基本密度

木材密度与木材的力学性质和部分微观性质有着密切的关系[15]。在进行木材的基本密度测定时，其绝干材的重量和生材体积相对稳定，多以测定的结果准确，所以在进行木材性质比较方面较为适合。木材的基本密度测定结果见表3，由表3可知：白桦的基本密度变化范围为0.438～0.524，平均值为0.469；水曲柳的基本密度变化范围为0.453～0.572，平均值为0.532；由表1和表2可知，白桦与水曲柳的基本密度均处于中等水平，水曲柳的基本密度要大于白桦。

表3 白桦与水曲柳的物理性质均值及变异统计Tab.3 The average value and variance of physical properties ofBetula platyphylla and Fraxinus mandschurica

2.3 白桦的微观性质

2.3.1 白桦的纤维长度

根据Panshin[16]的观点，幼龄材的纤维长度以髓心向外呈统一类型的递增趋势，进入成熟期的管胞长度的径向变异可以归纳为3种类型：①纤维长度以水平线状保持不变；②纤维长度以曲线形式不断增加；③纤维长度以抛物线状增加到最大然后再稍微减小。根据白桦纤维长度测定结果，如图1所示，可以判断白桦的纤维长度变化属于第三种，以抛物线形式增加到最大值然后减小。

图3 白桦的纤维长度Fig.3 The fiber length of Betula platyphylla

由图3可以判断，31～34年生的白桦木材均已为成熟材，成熟时期的白桦纤维长度基本保持稳定，这是因为在其达到成熟期，形成层的原始细胞逐渐成熟，体形开始变长，较短的细胞加速期消逝速度，然后产生较长的子细胞[17-18]。本文的试验结果显示白桦的变化幅度为1 101～1 446 μm，平均值为1275 μm。

国际木材解剖学会理事会对木材纤维长度确定分级标准，纸浆造纸的适宜长度为中等长度(约 900～1 600 μm)。纤维长度与纸张耐破度和耐折度等有一定关系，通常情况下纤维长度与纸张撕裂度为正相关，纤维长度越大，纸张的撕裂度也越大。而由试验可知，白桦的成熟材纤维平均长度为1 275 um，属于中等长度，适宜造纸。

2.3.2 白桦的纤维宽度与长宽比

木材的纤维宽度与长宽比是评价其在制浆造纸方面的重要指标。白桦的纤维宽度和长宽比如图4和5所示。

图4 白桦的纤维宽度Fig.4 The fiber diameter of Betula platyphylla

图5 白桦纤维的长宽比Fig.5 The fiber length ratio of Betula platyphylla

纤维宽度对制浆、造纸和纸张的性能有一定的影响。由图4可知，成熟期的白桦成熟材的纤维宽度基本保持不变，纤维宽度变化幅度为11.0～18.4 um，平均值为15.7 um。

纤维长宽比和纤维长度均为评价纸浆造纸程度的十分重要的纤维形态指标。长宽比的比值越大，在打浆时其纤维的结合面积就会越大，纸张的撕裂指数高，成纸强度高；反之不宜打浆，成纸强度低[19]。实践证明，当纤维的长宽比大于35时，适用于制浆造纸。由图5可知，白桦成熟材的变化幅度相对较大，为67.78～113.77，平均值为83.15。而在测量纤维的长度和宽度时，使用的是不同仪器并分别对纤维随机测量，由于长宽比不是在同一个纤维上，所以长宽比变化幅度较大，结果有一定的偏差，但其平均值相对准确，可以代表其准确数值。白桦成熟材的长宽比平均值远远大于35，则可以初步判断，白桦木材适宜造纸。

2.3.3 白桦组织比量

木材组织比量是指构成木材的各种细胞所占其横截面积的比重。木材的组织比量包括纤维组织比量、导管组织比量、木纤维组织比量和薄壁组织比量，本次实验测量了白桦的纤维组织比量、导管组织比量和木纤维组织比量，结果分别如图6～图8所示。

图6 白桦的纤维组织比量Fig.6 The fiber proportion of Betula platyphylla

图7 白桦的导管组织比量Fig.7 The vessel proportion of Betula platyphylla

图8 白桦的木射线组织比量Fig.8 The ray proportion of Betula platyphylla

由图6可知，白桦成熟材的木纤维组织比量有波动，但总体变化不大，变化范围为66.19～73.11，平均值为71.65。说明白桦在进入到成熟期以后，形成层的原始细胞的分裂将变化不大，趋于稳定。

由图7可知，白桦导管组织比量的波动较小，变化不大，变化范围为18.92～26.11，平均值为22.28。说明白桦在进入到成熟期以后，细胞的分裂变化不大，趋于稳定，优良细胞扩散并分化为导管分子，成熟期的导管比量相对幼年期的较多。

由图8可知，木射线组织比量的大小与纤维组织比量和导管组织比量大小有着很大关系，当到达一定年龄时，导管比量逐渐变大，使得木材的纤维比量与木射线比量都有所减少[20]。本实验得到的白桦的木射线比量变化范围为5.55～10.86，平均值为7.72，成熟材的白桦木射线比量变化不大，基本达到稳定状态。

3 结论

(1)按照木材物理力学性质分级标准可以得出，白桦的抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量与端面硬度分级分别为Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ；水曲柳的抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量与端面硬度分级分别为Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅲ。水曲柳的力学性质均大于白桦。

(2)白桦与水曲柳的基本密度为0.469、0.517，均属于Ⅲ级，水曲柳的基本密度大于白桦。

(3)从纤维长度和长宽比两个方面来评价，白桦属于纸浆造纸的优质原料；而成熟材的组织比量，木纤维组织比量最大为71.65，导管组织比量次之，木射线组织比量最小为7.72。

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ResearchontheWoodPropertiesofBetulaPlatyphyllaandFranxinusMadschuricainNaturalSecondaryForest

Zheng Yuwen，Li Xiang，Lin Wenshu*

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to fully understand the wood properties ofBetulaplatyphyllaandFranxinusmadschuricain natural secondary forest，according to the national standard method，wood properties were determined by the universal mechanical testing machine and image analyzer.It was of great significance for the rational use of timber and the improvement of economic benefits.The physical-mechanical and anatomical properties were studied forBetulaplatyphyllaandFraxinusmandchuricaof natural secondary forest from DongFanghong forest farm，Heilongjiang province.After compared and analyzed the experimental data，the results showed that the basic density，compressive strength parallel to the grain，bending strength，modulus of elasticity and hardness ofFraxinusmandchuricaare greater than those ofBetulaplatyphylla，and the difference was significant.The compressive strength parallel to the grain，bending strength and modulus of elasticity ofBetulaplatyphyllaandFraxinusmandchuricawere 52.2MPa、87.8MPa、7.57GPa and 59.8MPa、114.2MPa、10.4GPa，respectively.The hardness of cross，radial and tangential section were 3019.7，2695.7，2401.9N and 6812.7，5109.7，4595.2N，respectively.The tissue proportion of mature wood ofBetulaplatyphyllafrom high to low were fiber proportion，vessel proportion and ray proportion.From the aspect of fiber length and length-width ratio，Betulaplatyphyllais a good raw material for pulping and papermaking.

Betulaplatyphylla；Fraxinusmandschurica；physical-mechanical properties；anatomical properties

S781.2

：A

：1001-005X(2017)05-0035-06

2017-03-31

黑龙江省政府博士后资助经费项目(LBH-Z15007)

郑淯文，硕士研究生。研究方向：林业遥感。

林文树，博士，副教授。研究方向：森林与环境遥感监测，E-mail：linwenshu@126.com

郑淯文，李祥，林文树.天然次生林白桦与水曲柳的材性研究[J].森林工程，2017，33(5)：35-40.