火炬松(Pinus teada)原产美国东南部，是美国南方松中最为重要的用材树种(Koch, 1971)。我国引种火炬松已有近70多年的历史，目前该树种已成为我国南方集体林区短周期造纸材和建筑用材的主要栽培树种之一(徐有明等，2005)。作为建筑用材，除了其尺寸稳定性好外，最重要的力学性能是木材的顺纹抗压强度和木材的抗弯特性等(徐有明等，2005；成俊卿，1985；鲍甫成等，1998)。木材弯曲性能主要由抗弯弹性模量和抗弯强度组成。抗弯弹性模量主要用于计算梁及NFDA1架在荷载下的变形和允许安全荷载，抗弯强度主要用于建筑物的NFDA1架、地板、桥梁和家具横挡等易于弯曲构件的设计。由于木材本身顺纹抗拉强度大，抗拉力学试件难于加工以及在生产、实际生活中木材很少因拉力而破坏等原因，通常木结构建筑物设计时可用抗弯强度代替木材抗拉强度(成俊卿，1985)。因此木材的抗弯特性在建筑结构用材中显得特别重要。

1981和1983年，我国先后2次在南方13个省、区29个试验点系统地开展火炬松种源试验研究。在种源水平上，火炬松生长状况、耐寒性、抗病虫害和林分稳定性等方面研究报道较多(潘志刚，1992；2000)，种源间管胞长度和木材密度变异也有报道(鲍甫成等，1998)。但29个种源试验点中，有关其力学性能仅见浙江试验点木材力学性能的差异分析(鲍甫成等，1998)和福建点种源顺纹抗压强度的报道(徐有明等，2005)。从研究来看，浙江试验点种源原产地纬度与顺纹抗压强度、抗弯强度间正相关显著，而福建试验点其种源原产地纬度对顺纹抗压强度影响多为负相关，这说明栽培环境影响很大。国外火炬松种源研究文献多偏重于木材管胞形态特征和木材密度(Megraw, 1985; Byram, 1998; Tauer, 1990; Zobel, 1989)，有关火炬松种源水平上木材力学性质变异报道甚少。研究表明，火炬松木材性状与栽培地环境密切相关，要想了解其在引种栽培地木材性状，只能实测其木材性质(Zobel, 1989)。

本文在火炬松种源木材顺纹抗压强度研究(徐有明等，2005)的基础上，就福建试验点火炬松种源建筑结构用材最为重要的力学指标——抗弯弹性模量、抗弯强度进行系统分析，分析木材抗弯性能与树龄、木材密度、晚材率、生长量、种源原产地地理气象因子间的关系，探讨木材抗弯性能的遗传变异、预测和控制原理，为我国火炬松引种、短周期建筑用材林培育、材质改良与合理利用提供科学依据。

试验材料采集于福建闽侯南屿国有林场1983年统一布置的火炬松种源全分布区试验林。该林场位于119.16° E，25.51° N。试验地海拔约250 m，年均温19.5 ℃，年降水量1 370.4 mm，无霜期308 d，地形为低丘，坡度20°，南坡。土壤为花岗岩山地红壤，土层厚1 m，沙壤土，pH值5.5。参试的31个种源种子采自美国9个州29个地区，由美国林务局提供(Koch, 1971)。31个种源代码及在原产地美国的地理、气候因子见表 1和潘志刚(1992)的文献。1983年育苗，1984年2月造林。试验林随机区组设计，株行距3 m×3 m，3次重复，6株小区。1998年取样，树龄15年。从表 1和文献(潘志刚，1992)中种源地理位置、气象资料来看，各种源原产地纬度均高于南屿林场，南屿林场雨量充沛、热量丰富，适合各种源生长。

表 1 火炬松各种源原产地纬度、经度及其15年生时树高和胸径 Tab.1 The latitude and longitude of Loblolly Pine provenances in their indigenous districts of USA and the height and DBH of 15-year-old trees

表 1 火炬松各种源原产地纬度、经度及其15年生时树高和胸径 Tab.1 The latitude and longitude of Loblolly Pine provenances in their indigenous districts of USA and the height and DBH of 15-year-old trees

取样时，每个种源选择Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个小区，每小区抽取1株平均木，31个种源共抽取93株样木。取样前各小区实测树高与胸径后(均值见表 1)，计算单株材积。每株样木自胸高部位向上截取2.3 m长的圆木段，从胸高部位截取3个2~3 cm厚圆盘用于木材解剖和化学分析。为了方便运输和处理，将圆木段锯成8 cm厚的中心板运回实验室进行气干，再进行调湿处理。

由于火炬松盘枝数多、节多，且节间距离短，取样时尽可能避开树节，以保证抗弯性能测试的试样中间8~10 cm范围无节。因此中心板上，从胸高部位向着树干顶端方向每隔30~40 cm长划线，截取抗弯性能试样。每块中心板可取12~24个试样，最后按照GB 1927-43-1994中力学试样要求，挑选中心板上下两端的样品6个用于试验，每个种源测定的样本数为18个，其余样品备用。每个试样取样前均划线，记载年轮范围，并实测晚材宽度，计算晚材率。按GB 1927-43-1994中有关方法测量木材抗弯模量(MOE)、抗弯强度(MOR)2个性状，试样破坏后立即于破坏处取样测定含水率和木材基本密度。

表 2方差分析结果表明：火炬松31个种源间木材抗弯弹性模量、抗弯强度在各个年龄段都存在显著差异(F>F_0.05=1.65)，其中，5~8轮、9~14轮和1~9轮年轮段2个性状均达到了极显著差异(F > F_0.01= 1.86)。火炬松木材MOE、MOR处于中等遗传水平，MOR广义遗传力h_f2 > 0.422，MOE广义遗传力h_f2 > 0.441，说明这2个材性指标在种源的基础上选择具有一定的效果。抗弯弹性模量和抗弯强度的种源水平上遗传方差分量在43.07%~60.79%范围内，环境方差分量(区组间及机误)范围为39.21%~ 56.93%, 说明火炬松种源木材抗弯弹性模量、抗弯强度除受遗传上中等程度控制外，还显著地受到环境条件的影响。因此在营造火炬松短周期工业用材林时，除了选择优良种源外，应选择较好的立地，辅之有效的营林措施，以充分发挥林地生长潜力，培育量多质优的木材，达到最佳的经济效果。

表 2 火炬松种源各年龄抗弯弹性模量、抗弯强度方差分析和广义遗传力^① Tab.2 Variance analyses and broad sense heritabilities of MOE and MOR at different growth stages for 31 provenances

表 2 火炬松种源各年龄抗弯弹性模量、抗弯强度方差分析和广义遗传力① Tab.2 Variance analyses and broad sense heritabilities of MOE and MOR at different growth stages for 31 provenances

表 3分析结果表明：种源间抗弯弹性模量群体平均值为6 702.6 MPa，各种源木材抗弯弹性模量变化范围为5 042.5~8 610.2 MPa，高于群体均值水平有L₄、L₆、L₇、L₈、L₉、L₁₀、L₁₄、L₁₆、L₁₈、L₂₁、L₂₃、L₂₄、L₂₅、L₂₆、L₂₇、L₃₀、L₃₁等17个种源。抗弯强度群体平均值为99.11 MPa，其群体变化幅度为77.32~119.79 MPa，大于群体平均值的有L₃、L₆、L₇、L₈、L₁₀、L₁₆、L₁₈、L₁₉、L₂₄~L₂₈、L₃₀、L₃₁等15个种源。

表 3 火炬松各种源内木材抗弯弹性模量与抗弯强度统计分析^① Tab.3 Statistic analyses of MOE and MOR within 31 provenances of Loblolly Pine

表 3 火炬松各种源内木材抗弯弹性模量与抗弯强度统计分析① Tab.3 Statistic analyses of MOE and MOR within 31 provenances of Loblolly Pine

参试的31个种源中，L₃₁种源内木材抗弯弹性模量变异系数最大为37.5%，其均值为6 967.0 MPa，变化范围为3 306.0~9 662.3 MPa，最大值与最小值二者相差192.3%；L₂₂种源内抗弯弹性模量变异系数最小为7.3%，其均值为6 121.9 MPa, 范围为5 401.8~6 592.4 MPa，二者相差18.1%。L₃₁种源间抗弯强度变异系数最大为37.7%，其均值为103.83 MPa，变化范围为46.83~134.27 MPa，最大值与最小值二者相差186.7%；L₂₆种源抗弯强度变异系数最小为4.0%，抗弯强度均值为119.79 MPa，变化范围为103.67~126.43 MPa，二者相差21.9%。这也就是说种源内个体间抗弯弹性模量、抗弯强度差异是比较大的。表 3中31个种源抗弯弹性模量变异系数范围为7.3%~37.5%，大于群体均值变异系数8.1%的有30个种源，仅L₂₂种源变异系数7.3%小于群体变异系数8.1%。各种源抗弯强度变异系数范围为4.0%~37.7%，大于群体均值变异系数5.6%有30个种源(仅L₂₆为4.0%，小于5.6%)。从种源群体水平评价来说，火炬松种源内个体间差异大于种源间变异，这表明火炬松材质改良在种源选择的基础上再进行个体改良效果更好。

林木生长周期很长，生长最快的速生树木如意杨(Populus×canadensis cv. ‘I-214’)、桉树(Eucalyptus spp.)等纤维用材轮伐期短至4~6年，南方松类轮伐期短的纸浆材多在15年以上，而建筑材则要25年以上。因此早期选择研究对短周期人工林培育、林木育种和材质改良具有重要指导意义。早期选择主要是利用各性状间早晚期相关分析来选择性状进行定向调控、制定相关的育种改良策略，这就有必要研究木材性质与树龄、年轮宽度、晚材率和木材密度间的关系。

表 4参试的31个种源中，抗弯弹性模量与基本密度相关系数分布范围为0.366 7~0.860 3，在0.05水平上检验有29个种源达到显著相关(n=18, r> r_0.05=0.468 3)，占全部参试种源93.5%，其中有24个种源在0.01水平上相关显著(r_0.01=0.589 7)；抗弯弹性模量与晚材率相关系数分布范围为0.264 1~0.860 2，在0.05水平上检验28个种源达到显著水平，占参试种源的90.3%；抗弯弹性模量与生长轮年龄相关系数分布范围为0.138 1~0.871 4，29个种源达到显著水平，占全部参试种源的93.5%。31个种源558个样品混合分析，木材抗弯弹性模量与基本密度、晚材率和生长轮年龄相关系数分别为0.661 1、0.612 2和0.603 8，在α=0.01水平上呈极显著相关。31个种源木材抗弯强度与基本密度、晚材率和生长轮年龄相关系数分布范围分别为0.567 9~0.990 9、0.486 0~0.948 2和0.420 9~0.934 8，在0.05水平上相关显著的种源数分别为31、30和29个；群体水平混合分析(n= 558)它们的相关系数分别为0.716 0、0.795 6和0.866 3，均在α=0.01水平上呈极显著相关。这些结果反映出随着树龄的增大，火炬松木材抗弯弹性模量、抗弯强度逐渐增大，生长轮年龄、晚材率和基本密度均可用于抗弯性能的估测。由于木材抗弯弹性模量、抗弯强度与基本密度的相关程度均大于晚材率，且木材基本密度可用非破坏性取样，测定方便，数值稳定，用基本密度估测木材抗弯弹性模量、抗弯强度的准确性高于晚材率，因此木材基本密度可很好地预测木材抗弯弹性模量、抗弯强度。

表 4 火炬松种源内木材抗弯性能与生长轮年龄、晚材率、基本密度相关分析 Tab.4 Correlation analyses of MOE and MOR with tree ring ages, latewood proportion and basic density for 31 provenances

表 4 火炬松种源内木材抗弯性能与生长轮年龄、晚材率、基本密度相关分析 Tab.4 Correlation analyses of MOE and MOR with tree ring ages, latewood proportion and basic density for 31 provenances

从表 4中发现：31个种源火炬松生长轮年龄、晚材率和基本密度与抗弯强度的相关系数明显大于抗弯弹性模量对应的相关系数，原因可能在于木材抗弯弹性模量、抗弯强度2个性状测定载荷的范围不同。在静力荷载下，木材抗弯特性主要取决于顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度的差别，木材作为各向异性材料，承受弯曲载荷时，中性层发生位移，最大拉应力不等于梁上侧最大压应力。由于木材顺纹抗拉强度远大于顺纹抗压强度，木材弯曲破坏往往都是因压缩而破坏。木材顺纹抗压强度与木材密度紧密相关(徐有明等，2005)，因此抗弯强度与木材密度自然存在着显著的相关性。而抗弯弹性模量是在比例极限内受力很小情况下测得，它与纤维本身比例极限、刚度、结晶度、纹理方向、纤丝角度等许多因子有关，这种特性决定了木材抗弯弹性模量与木材密度之间回归不如抗弯强度与木材密度间回归那样显著。本试验木材抗弯强度与抗弯弹性模量存在着显著的相关性，表 4中31个种源MOE与MOR相关系数为0.603 2 ~ 0.937 4，在0.01临界水平上显著，说明火炬松木材抗弯强度与抗弯弹性模量具有密切的线性相关，这与柯病凡先生就我国246个主要树种成熟材抗弯弹性模量、抗弯强度的相关分析结果一致(成俊卿，1985)。

本试验参试的31个种源按其原产地地理位置，并考虑大西洋、墨西哥湾和阿巴拉契亚山脉、落基山支脉地形气候、地形条件的影响划分为2个不同属区进行分析。东部沿岸种源区包括L₁~L₁₂、L₁₄、L₁₆，L₁₇、L₂₀共16个种源，南部墨西哥湾种源区包括L₁₀~L₁₅、L₁₈、L₁₉、L₂₁~L₂₈、L₃₀、L₃₁共18个种源。利用徐有明等(2005)、潘志刚(1992)各种源原产地地理气象资料与本试验各种源MOE、MOR相关分析得到的结果见表 5、6。

表 5 火炬松种源木材抗弯弹性模量与原产地气候因子的相关分析^① Tab.5 Correlation analyses of MOE with the local factors of geography and meteorology

表 5 火炬松种源木材抗弯弹性模量与原产地气候因子的相关分析① Tab.5 Correlation analyses of MOE with the local factors of geography and meteorology

表 6 火炬松种源木材抗弯强度与原产地气候因子的相关分析 Tab.6 Correlation analyses of MOR with the local factors of geography and meteorology

表 6 火炬松种源木材抗弯强度与原产地气候因子的相关分析 Tab.6 Correlation analyses of MOR with the local factors of geography and meteorology

表 5中31个种源汇总分析可知：木材抗弯弹性模量与各地理气象因子基本上都未达到显著相关水平。来自美国东部海岸地区种源木材抗弯弹性模量与各地理气象因子的相关性不存在显著差异(n= 31，r_0.05=0.355)，该区向内陆过渡时由于阿巴拉契亚山脉的阻挡，东部沿海山区基本上受海洋性季风气候控制，使其各种源地气象因子大体相同，因而不存在显著的相关性(n= 16，r_0.05=0.497)。而南部墨西哥湾地区(n= 18，r_0.05=0.468)，抗弯弹性模量与经度、6—9月降水量占年降水量的百分率(夏季降水比例)成负相关，在0.05水平上达到显著或接近显著水平。说明在此区域，来自高经度或夏季降水比例小的种源，其木材抗弯弹性模量大。也就是说低纬度远离东海岸的墨西哥湾地区的种源，其木材抗弯弹性模量大，而东部海岸地区种源木材抗弯弹性模量小。

表 6中木材抗弯强度与原产地种源地理气候因子相关分析结果与表 5中抗弯弹性模量一致，规律性表现出更为显著。31个种源汇总分析，木材抗弯强度与8个地理气候因子相关分析不显著，仅见与经度间的正相关系数较大。东海岸区种源木材抗弯强度与8个地理气候因子相关系数很小，表现出原产地地理气候因子对种源木材抗弯强度没有影响(n= 16，r_0.05=0.497)。南部墨西哥湾区种源(n= 18，r_0.05=0.468)木材抗弯强度与经度呈显著的正相关，夏季降雨量以及夏季降雨量占全年雨量的百分比与种源木材抗弯强度成显著的负相关，也就是说来自低纬度远离东海岸的墨西哥湾地区的种源，在我国低纬度近海岸线的福建省种植，其木材抗弯强度大，这与抗弯弹性模量的结果分析一致，也与表 3中2个性状高度正相关一致。因此我国低纬度近海岸的福建引种美国墨西哥湾高经度区火炬松种源栽培，其建筑用材抗弯性能好。

15年生的火炬松31个种源间木材抗弯弹性模量、抗弯强度在各个年龄段都存在显著差异，广义遗传力分别大于0.441、0.422，说明这2个材性指标处于中等遗传水平，在种源的基础上选择具有一定的效果。种源水平上，二者遗传方差分量在43.07%~60.79%范围内，环境方差分量范围为39.21%~56.93%，说明火炬松2个性状既受中等遗传程度控制，也显著地受到栽培环境条件的影响，这与浙江点结果一致(鲍甫成等，1988)。因此火炬松短周期用材林培育时，优良种源应与较好的立地和有效的营林措施相结合，达到速生、丰产、优质、高效之目标。

15年生火炬松种源间抗弯弹性模量群体平均值为6 702.6 MPa，变化范围为5 042.5~8 610.2 MPa，抗弯强度群体平均数为99.11 MPa，变化幅度为77.32~119.79 MPa；它们的群体变异系数小于种源内个体间的差异，表明火炬松材质改良在种源选择的基础上再进行个体改良效果更好。个体间的差异大，是因为种源内个体间差异包含着株内幼龄阶段低强度的髓心材，而种源间变异是以种源内各个体所有样本均值为基础计算的，其变异系数小。由于建筑木结构设计是以最小值为依据来保证结构上的安全，种源内个体间木材力学强度差异小及个体内径向木材力学强度变化小是比较理想的，因此从建筑结构用材设计方面考虑应在关注提高火炬松木材群体力学水平的基础上，重点提高个体树木内髓心幼龄材力学性能，缩短其幼龄期。这就有必要从幼龄材早期选择方面多加研究，既可提高其幼龄材的力学性质，也可显著降低株内材性的变异。

31个种源木材抗弯强度与基本密度、晚材率和生长轮年龄相关系数在α=0.01水平上是高度正相关的。随着树龄的增大，火炬松木材抗弯弹性模量、抗弯强度逐渐增大，生长轮年龄、晚材率和基本密度均可用于抗弯性能的估测。由于木材抗弯弹性模量、抗弯强度与基本密度相关程度均大于晚材率以及木材基本密度可用非破坏性取样、测定方便、数值稳定、用基本密度估测木材抗弯弹性模量、抗弯强度准确性高于晚材率，因此木材基本密度可很好地预测木材抗弯弹性模量、抗弯强度。

目前国内外关于火炬松引种方面材性多偏重于管胞长度和木材基本密度方面(Megraw, 1985; Byram, 1998; Taner, 1990; Zobel, 1989)，有关其引种地种源力学性能差异的报道仅见我国浙江试验点的报道(鲍甫成等，1988)。我国浙江富阳火炬松引种试验林31个种源木材抗弯弹性模量、抗弯强度与原产地纬度高度正相关，而福建南屿试验点火炬松种源木材抗弯弹性模量、抗弯强度与原产地纬度没有相关性，出现明显的差异。2个试验点，种源原产地经度对木材抗弯弹性模量、抗弯性能影响较大，表现一致。究其原因，笔者认为主要在于试验点纬度不同造成生长环境不同所致。浙江富阳地理经度(119.58°)与福建南屿(119.16°)基本相同，两地纬度不同，气候和土壤条件差异大，直接影响到树木生长和晚材的形成及管胞形态特征值的差异，从而影响到木材的力学性能。浙江富阳试验点纬度30.25°N，无霜期221 d，纬度大于或小于参试种源的原产地纬度(29~38.25°N)，无霜期小于大部分参试种源。而福建南屿试验点纬度仅26.1°N，均低于参试种源原产地的纬度(29~37.5°N)，与纬度有关的1月份最低温、年均温等因素都不成为各种源生长的限制因子，该点无霜期308 d，除与L₁₇(314 d)相近外，几乎大于所有参试种源；南屿林场雨量充沛、热量丰富，均适合各种源生长，南屿火炬松生长量明显大于浙江试验点。因此我国福建以南低纬度近海岸区引种火炬松可不考虑原产地种源纬度的影响，重点考虑经度的影响。纬度高于原产地的浙江省引种火炬松既要考虑种源原产地纬度的影响，也要考虑到其经度的影响。我国南方引种火炬松多地域广阔，远离海岸区的不同经纬度的内陆省份，如江苏、安徽、湖北、河南、江西和湖南等地火炬松种源木材力学性能变化规律有待进一步研究。