關于楊樹木材的物理力學性質分析

　　為了使不同栽培條件下生長的楊樹木材能找到最佳使用場合，必需對其木材材性進行綜合研究。筆者對不同密度林分中生長的無性系楊樹（I-63楊、I-69楊和I-214楊）進行了干縮、壓縮和抗彎等主要物理力學性質的研究，意在為找出造林密度與楊樹木材材性之間的關系，為造林優化設計和合理利用楊樹提供理論依據。
　　
　　一、試驗材料和方法
　　
　　試材是黑楊派無性系的Populus eltoides Bartr.cv“Harvard”（I-63楊），P.deltoides Barr.cv“Lux”（I-69楊）和P.xeuramericana（Dode）Guinier cv.I-214（I-214楊）。造林密度為525株/公頃、400株/公頃、278株/公頃，相應的株行距分別為4×4m、5×5m、6×6m，共計9株樹。取0.3～2.3m高處木段的邊材部位的木材進行材性測定，試材按《木材物理力學試驗方法》（GB1927-1943-91）進行加工。抗彎強度（MOR）和抗彎彈性模量（MOE）的加荷速度為5mm/min，采用三點加載方式測定MOE和MOR；順紋抗壓強度的加荷速度為3mm/min，橫紋抗壓強度的加荷速度為2mm/min。壓縮厚度為試樣厚度過的50%，進行徑向大變形橫紋抗壓能量吸收。每個試樣做完試驗后立即取一小塊測定其含水率，試材含水率范圍在12.6－14.5%之間。全部試驗均在島津AG-10TA力學試驗機上進行。全干縮率和吸水率的測定完全按國標（GB1927-1943-91）進行。微拉伸試樣是取自I-63楊株行距為7×7m的胸高處的木塊，沿徑向從外向內用滑走式切片機連續切片制成厚度為60μm的薄片，再在模子下用單面刀片加工成啞鈴形試片，兩端用單板粘住，在力學試驗機上用5KN的傳感器進行拉伸試驗。纖絲角采用偏光顯微鏡法進行測定。
　　
　　二、結果與分析
　　
　　1、測試結果與方差分析。方差分析表明：①MOE是無性系之間差異不顯著；株行距之間差異顯著。②MOR是各無性系之間和株行距之間差異均極顯著。③順紋抗壓強度和橫紋抗壓能量吸收是各無性系之間差異極顯著，而株行距之間差異不顯著。④橫紋抗壓強度則是各無性系和株行距之間差異均不顯著。⑤縱向干縮率是株行距間差異極顯著，弦向干縮率是無性系間差異極顯著。在進行抗彎性能測試中發現I-69楊在較大彎曲變形下不發生破壞，具有較好的韌性，而I-63楊常出現脆斷。為此進行大變形徑向橫紋抗壓能量吸收的試驗，以觀察在超過彈性范圍進入塑性區域后木材的性能。結果表明I-69楊能量吸收均大于I-63楊和I-214楊，故I-69楊可作為彎曲木生產的原材料。
　　2、主成分分析。在多指標（參數變量）的研究中，往往由于變量個數太多，并且彼此之間存在著一定相關性，因而使得所觀測的數據在一定程度上反映的信息有所重疊，而且當變量較多時，在高維空間中研究樣本的分布規律比較麻煩，而利用主成分分析可以找出幾個綜合因子來代表原來眾多的變量，使這些綜合因子能盡可能地反映原來變量的信息，而且彼此之間互不相關。以三個無性系在三個株行距下共9株標準木的10個主要材性的平均值為基本資料，對10個主要指標編號如下：X1：MOE（GPa）；X2—MOR（MPa）；X3—順紋抗壓（MPa）；X4—橫紋抗壓（MPa）；X5—橫紋抗壓能量吸收（J）；X6—氣干密度（g/cm3）；X7—縱向全干縮率（%）；X8—徑向全干縮率（%）；X9—弦向全干縮率（%）；X10—差異干縮。因前三個特征根的累計貢獻率己達94.32%，故前三個因素己經能較好地表達原始變量所含的大部分信息。第一主成分的貢獻率為52%，第二主成分的貢獻率為31%，前兩個主成分的累計貢獻率為83%，即前兩個主成分集中了全部10個變量83％的信息。第一主成分的X1－X6個載荷因子都是正值，集中反映了與木材力學性能有關的各個變量，它的大小可表明強度的高低，稱為強度指標；第二主成分反映了木材的干縮性能，稱為干縮指標。這一結果與李堅對中國主要樹種物理力學性質進行主成分分析的結論完全一致，即木材物理力學性能的第一主成分為強度指標，第二主成分為干縮指標。從主成分分析可見，木材物理力學性質參數指標通過簡化為幾個彼此獨立的綜合指標，使統計分析系統結構簡化，并且可以根據各主成分中因子載荷量的分布推測主成分批指標的意義，從而對各類綜合指標進行有效的分析。
　　3、微拉伸強度與木材解剖性狀的關系。由髓心沿半徑方向從內向外在第6年時順紋抗拉強度急劇上升、纖絲角急劇下降、基本密度明顯上升、年輪寬度突然變窄和纖維長度增加的現象表明，1-6年為楊樹的幼齡階段，7-10年進入成熟階段。無性系楊樹其成熟年齡為6-7年，并與呂士行提出楊樹的數量成熟齡的觀點基本一致。為了分析強度與解剖性狀的關系對各指標進行編號并進行回歸分析，多元回歸方程為：Y=693.25-7.41 X1-1267.78 X2-1.23 X3+2001.79 X4-62.87 X5-40.20 X6。式中X1：纖絲角；X2：基本密度；X3：年輪寬度；X4：纖維長度；X5：纖維寬度；X6：長寬比；Y：微片的順紋抗拉強度。復相關系數平方=0.9043，ＤＷ統計量=2.2787。由此可見，影響木材拉伸強度的主要指標是木材密度和纖維長度。
　　
　　三、結論
　　
　　1、I-63楊和I-69楊和強度相近，I-214楊的強度較低。I-69楊具有較好的彎曲韌性可用作曲木家具的原材料。2、無性系和株行距與各力學強度的差異各不相同，各項力學指標三種楊樹均在株行距為4×4m時最高，因此在進行造林密度設計和選擇無性系時應根據各種定向培育的要求來進行優化設計。3、主成分分析表明，木材物理力學性質的第一主成分為強度指標，第二主成分為干縮指標。4、多元回歸的結果表明，影響木材順紋抗拉強度的主要因素是木材的密度和纖維長度。5、沿半徑方向，6－7年是楊樹從幼齡材向成熟材過度的轉折點，抗拉強度、纖絲角、基本密度、纖維長度和年輪寬度均可以作為判斷木材成熟期的指標。
　　（作者單位：黑龍江省林產工業研究所）