林业科学  2016, Vol. 52 Issue (6): 108-114   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160613
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文章信息

张俊佩, 王滋, 周贤武, 赵荣军, 徐慧鸽, 贾志明, 裴东
Zhang Junpei, Wang Zi, Zhou Xianwu, Zhao Rongjun, Xu Huige, Jia Zhiming, Pei Dong
不同品系美国黑核桃木材物理力学性质的差异
Wood Physical and Mechanical Properties of American Black Walnut of Different Strains
林业科学, 2016, 52(6): 108-114
Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(6): 108-114.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160613

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收稿日期：2015-12-17
修回日期：2016-01-28

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王滋
周贤武
赵荣军
徐慧鸽
贾志明
裴东

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张俊佩, 王滋, 周贤武, 赵荣军, 徐慧鸽, 贾志明, 裴东. 2016. 不同品系美国黑核桃木材物理力学性质的差异[J]. 林业科学, 52(6): 108-114.
Zhang Junpei, Wang Zi, Zhou Xianwu, Zhao Rongjun, Xu Huige, Jia Zhiming, Pei Dong. 2016. Wood Physical and Mechanical Properties of American Black Walnut of Different Strains. Scientia Silvae Sinicae, 52(6): 108-114.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160613
不同品系美国黑核桃木材物理力学性质的差异
张俊佩1, 王滋2, 周贤武2, 赵荣军2, 徐慧鸽3, 贾志明3, 裴东1    
1. 中国林业科学研究院林业研究所 林木遗传育种国家重点实验室 国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091;
2. 中国 林业科学研究院木材工业研究所 国家林业局木材科学与技术重点实验室 北京 100091;
3. 河南省洛宁县林业局 洛阳 471700
收稿日期：2015-12-17; 修回日期：2016-01-28
基金项目："十二五"国家科技支撑计划课题(2013BAD14B01)
通讯作者： 裴东
摘要： 【目的】 研究对比不同品系核桃木材之间物理力学性质的差异,为木材的合理利用及优质木材的定向培育提供参考。 【方法】 以采自河南省洛阳市洛宁县东关村的23年生美国黑核桃比尔、拉兹、皮纳、哈尔、莎切尔、北加州、奇异、大果、帕米尔20号和奥奇1号共10个品系的木材为研究对象,按照国家标准测量其气干密度、全干密度、气干干缩率、全干干缩率、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、硬度(径面硬度、端面硬度和弦面硬度)10个性状,运用Excel,SPSS Statistics,Origin 7.5等软件进行不同品系间的数据统计、方差分析及绘图比较。 【结果】 10个品系美国黑核桃木材的气干密度、全干密度、气干差异干缩、全干差异干缩、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、硬度(径面硬度、端面硬度和弦面硬度)的测量值范围分别为0.613~0.754 g·cm-3,0.575~0.708 g·cm-3,1.4~1.8,1.5~2.4,30.8~37.1 MPa,86.5~123.7 MPa,9.63~16.13 GPa,4880~7120 N,5720~8030 N,4920~7270 N;相应最大值分别为哈尔(0.754 g·cm-3)、哈尔(0.708 g·cm-3)、北加州(1.8)、北加州(2.4)、奥奇1号(37.1 MPa)、奥奇1号(123.7 MPa)、奥奇1号(16.13 GPa)、哈尔(7120 N)、哈尔(8030 N)、莎切尔(7270 N),最小值分别为北加州(0.613 g·cm-3)、北加州(0.575 g·cm-3)、皮纳(1.4)、皮纳(1.5)、大果(30.8 MPa)、北加州(86.5 MPa)、大果(9.63 GPa)、比尔(4880 N)、拉兹(5720 N)、比尔(4920 N)。 【结论】 美国黑核桃木材的物理力学性质中气干密度、全干密度、弦向全干干缩率和差异干缩4项指标在不同品系间存在显著差异,而径向干缩率以及体积干缩率在气干和全干条件下差异均不显著;不同品系间顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度(径面硬度、端面硬度、弦面硬度)均存在显著差异。引种黑核桃木材物理力学性质与原产地黑核桃木材相比整体差异不大,且高于同产地的核桃楸和核桃2种常用的家具用材,所以10个品系的美国黑核桃木材物理力学性质较好,可作为家具用材使用。10个品系美国黑核桃木材中奥奇1号和哈尔材性优于其他品系,而皮纳的尺寸稳定性最好。
关键词: 美国黑核桃     木材     物理力学性质     不同品系    
Wood Physical and Mechanical Properties of American Black Walnut of Different Strains
Zhang Junpei1, Wang Zi2, Zhou Xianwu2, Zhao Rongjun2, Xu Huige3, Jia Zhiming3, Pei Dong1    
1. State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration Research Institute of Forestry, CAF Beijing 100091 ;
 2. Key Laboratory of Wood Science and Technology of State Forestry Administration Research Institute of Wood Industry, CAF Beijing 100091 ;
 3. Forestry Bureau of Luoning County, Henan Province Luoyang 471700
Abstract: 【Objective】 The physical and mechanical properties of American black walnut were compared among ten strains:Bi (J. nigra ‘Bill 81-143’), LZ (J. nigra ‘Wrights G-4’), PN (J. nigra ‘Peanut’), HR (J. nigra ‘Hare’), SQ (J. nigra ‘Thatcher’), BJ (J. hindsii), QY (J. hindsii×J. regia ‘Paradox’), DG (J. major), PM (J. nigra ‘Pammel Park#20’) and AQ (J. nigra ‘Osage County#1’). 【Method】 Using Excel, SPSS Statistics and Origin 7.5, a comparative analysis was carried out on the strategy of air-dry density,absolute-dry density,air-dry shrinkage, absolute-dry shrinkage, compression strength parallel to grain, modulus of rupture, modulus of elasticity and hardness (radial surface, cross section and tangential surface). 【Result】 The results showed that the air-dry density, absolute-dry density, air-dry shrinkage ratio of tangential to radial, absolute-dry shrinkage ratio of tangential to radial, compression strength parallel to grain, modulus of rupture, modulus of elasticity and hardness (radial surface, cross section and tangential surface) were ranged 0.613-0.754 g·cm-3, 0.575-0.708 g·cm-3, 1.4-1.8, 1.5-2.4, 30.8-37.1 MPa, 86.5-123.7 MPa, 9.63-16.13 GPa, 4880-7120 N, 5720-8030 N and 4920-7270 N, respectively. The maximum value of each straits were HR (0.754 g·cm-3), HR (0.708 g·cm-3), BJ (1.8), BJ (2.4), AQ (37.1 MPa), AQ (123.7 MPa), AQ (16.13 GPa), HR (7120 N), HR (8030 N) and SQ (7270 N). The minimum value of each straits were BJ (0.613 g·cm-3), BJ (0.575 g·cm-3), PN (1.4), PN (1.5), DG (30.8 MPa), BJ (86.5 MPa), DG (9.63 GPa), Bi (4880 N), LZ (5720 N) and Bi (4920 N). 【Conclusion】 The results showed that there were significant difference among strains in air-dry density, absolute-dry density, absolute-dry shrinkage in tangential and the shrinkage ratio of tangential to radial, compression strength parallel to grain, modulus of rupture, modulus of elasticity and hardness. Wood physical and mechanical properties of American black walnut in Henan was better than those of Manchurian walnut and Walnut, and was similar with the American black walnut in American. All the ten strains of American black walnut could be used as furniture wood. Moreover, AQ and HR were the best in all strains.
Key words: American black walnut     wood     physical and mechanical properties     different strains    

近年来，国内外学者对主要用材树种的物理力学性质进行了大量评价，为优质木材的定向培育提供了可靠依据。胡国民等(1999) 研究了不同种群白桦(Betula platyphylla)木材的主要力学性质，发现力学性质在种群间差异显著，并挑选出材质最优种群；Shanavas等(2006) 研究发现，大叶相思(Acacia auriculiformis)与马占相思(Acacia mangium)物理力学性质差异显著； 姚胜等(2008) 对3种速生杨木材的物理力学性质进行了分析比较，发现三倍体圆叶毛白杨(round leaf variety of triploid Populus tomentosa)最优、三倍体裂叶毛白杨(decomposite leaf variety of triploid Populus tomentosa)次之、中林-46(Populus×euramericana ‘Zhonglin 46’)最差；孙晓梅等(2012) 对不同种群落叶松(Larix gmelinii)木材的物理力学性质进行了对比研究，发现以日本落叶松(Larix kaempferi)为母本，长白落叶松(Larix olgensis)、兴安落叶松为父本的杂交种优势明显； 麻文俊等(2013) 对比研究了宛楸8401(Catalpa bungei ‘Wanqiu 8401’)、宛楸8402(C. bungei ‘Wanqiu 8402’)和金丝楸(C. bungei ‘Jinsiqiu’)3个新无性系木材的物理力学性质，发现3个无性系在多项物理力学性质中表现出显著差异，其中宛楸8401与金丝楸相近且优于宛楸8402。以上研究表明，种群和品系对木材物理力学性质有显著影响，因此研究不同品系木材的物理力学性质对木材的合理利用和优质木材的定向培育有重大意义。

核桃(Juglans)木是世界名贵木材之一，在我国北方、南方均有生长，其中以我国东北产的材质最佳(张贝，2013)。核桃木材质软硬适中、尺寸稳定性好、冲击韧性好、加工性优良，在高档家具、乐器和室内装饰等方面与柚木(Tectona grandis)、桃花心木(Swietenia mahagoni)、黑檀木(Dalbergia melanaoxylon)齐名，为世界装饰名材，在国内外市场中均占有重要席位(曲艳杰，2005)。黑核桃(Juglans nigra)为美国东部速生用材树种，其材质优良，果仁营养丰富，适应性强，病虫害少，具有较强抗旱性，被认为是最佳阔叶树种之一和经济价值较高的材果兼优树种，在优质木材生产中占有重要地位(吕保聚等，2006)。我国于20世纪80年代开始引种黑核桃，初步试验结果良好(段新芳等，2001)。本文选取从美国引种的黑核桃及亚里桑那黑核桃(J. major)、北加州黑核桃(J. hindsii)共10个品系，通过对各品系木材的物理力学性质的分析，为木材的合理利用及优质木材的定向培育提供科学参考。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验用核桃木材采自河南省洛阳市洛宁县东关村(34°23′54″N，110°40′43″E)，海拔300 m，属暖温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，四季分明。土壤属褐土带土壤，有棕壤、褐土、潮土等土类，pH 6.8～7.5。

1.2 试验材料

10个品系美国黑核桃样木分别为Bi(J. nigra ‘Bill 81-143’，比尔)、LZ(J. nigra ‘Wrights G-4’，拉兹)、PN(J. nigra ‘Peanut’，皮纳)、HR(J. nigra ‘Hare’，哈尔)、SQ(J. nigra ‘Thatcher’，莎切尔)、BJ(J. hindsii，北加州)、QY(J. hindsii×J. regia ‘Paradox’，奇异)、DG(J. major，大果)、PM(J. nigra ‘Pammel Park#20’，帕米尔20号)和AQ(J. nigra ‘Osage County#1’，奥奇1号)，其中SQ取4株样木，BJ，QY，DG各取1株样木，其他品系各取3株样木。

样木基本情况见表 1。10个品系美国黑核桃样木的胸径(P=0.000 02) 和树高(P=0.002) 差异极显著，枝下高(P=0.030) 差异显著。胸径从大到小排列依次为奇异>大果>帕米尔20号>北加州> 奥奇1号>莎切尔>哈尔>拉兹>比尔>皮纳; 树高从大到小排列依次为奥奇1号>莎切尔、帕米尔20号>北加州>哈尔、大果>奇异>比尔>拉兹>皮纳; 枝下高从大到小排列依次为奥奇1号>莎切尔>帕米尔20号>拉兹>比尔、哈尔>皮纳>大果>奇异、北加州。综合胸径、树高和枝下高数值看，奥奇1号、帕米尔20号和莎切尔生长情况较好。

表 1 样木基本情况① Tab.1 Sample wood basic situation
1.3 材性指标及测定方法

本文所测物理力学性质包括气干密度、全干密度、气干干缩率、全干干缩率、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、硬度(径面硬度、端面硬度和弦面硬度)共10个性状，性能测试分别按照GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》、GB/T 1932—2009《木材干缩性测定方法》、GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度试验方法》进行。

1.4 数据统计分析方法

运用Excel，SPSS Statistics，Origin 7.5等软件进行不同品系间的数据统计、方差分析及绘图比较。依据模糊数学中的隶属函数法，通过计算不同品系木材的各指标隶属值及总体平均值，综合比较10个品系美国黑核桃木材的材性优劣。计算公式(乔志霞等，2006； 孙晓梅等，2012)为：

$隶属值=\left( X-{{X}_{\min }} \right)/\left( {{X}_{\max }}-{{X}_{\min }} \right)\times 100%。$

式中：X为某品系某个指标的测定值；Xmax为所有品系该指标测试值的最大值；Xmin为所有品系该指标测试值的最小值。

若某指标与材性性质呈反向关系，则通过反隶属函数计算：

$隶属值=\left[ 1-\left( X-{{X}_{\min }} \right)/\left( {{X}_{\max }}-{{X}_{\min }} \right) \right]\times 100%。$
2 结果与分析 2.1 密度

由表 2可知，美国黑核桃木材的气干密度在0.613～0.754 g·cm-3之间，最大值为哈尔(0.754 g·cm-3)，最小值为北加州(0.613 g·cm-3)；全干密度在0.575～0.708 g·cm-3之间，最大值为哈尔(0.708 g·cm-3)，最小值为北加州(0.575 g·cm-3)。综合看来，在相同含水率下，10个品系美国黑核桃木材的气干密度和全干密度均差异显著，哈尔的密度大于其他9个品系，其中北加州是10个品系木材中密度最小的。10个品系的气干密度在0.613～0.754 g·cm-3之间，按我国木材材性分级标准为中等级别，按照物理力学指标分级标准为Ⅲ级。

表 2 不同品系美国黑核桃木材密度的统计分析 Tab.2 The statistical figures of walnuts’ density
2.2 干缩性

由表 3，4可知，不同品系美国黑核桃木材弦向全干干缩率差异显著，弦向气干干缩率差异不显著，径向干缩率和体积干缩率在气干和全干情况下都差异不显著，气干差异干缩与全干差异干缩均差异显著。不同品系美国黑核桃木材气干干缩率的范围分别为：径向2.3%～3.3%、弦向4.3%～5.5%、体积7.2%～8.2%、差异干缩1.4～1.8；全干干缩率的范围分别为：径向5.1%～5.9%、弦向7.7%～9.5%、体积13.0%～15.2%、差异干缩1.5～2.4。按照木材物理力学指标分级标准可知，10个品系美国黑核桃木材的气干干缩率为Ⅲ级，全干干缩率为Ⅳ级，说明其在干燥过程中变形较大。

表 3 不同品系美国黑核桃木材气干干缩率的统计分析 Tab.3 The statistical figures of walnuts’ air-dry shrinkage
表 4 不同品系美国黑核桃木材全干干缩率的统计分析 Tab.4 The statistical figures of walnuts’absolute-dry shrinkage
2.3 力学性质

由表 5 可得，美国黑核桃木材的顺纹抗压强度在30.8～37.1 MPa之间，抗弯强度在86.5～123.7 MPa之间，抗弯弹性模量在9.63～16.13 GPa之间，径面硬度在4 880～7 120 N之间，端面硬度在5 720～8 030 N之间，弦面硬度在4 920～7 270 N之间。各个品系木材顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、径面硬度、端面硬度和弦面硬度的最大值分别为奥奇1号(37.1 MPa)、奥奇1号(123.7 MPa)、奥奇1号(16.13 GPa)、哈尔(7 120 N)、哈尔(8 030 N)和莎切尔(7 270 N)，各个品系木材顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、径面硬度、端面硬度和弦面硬度的最小值分别为大果(30.8 MPa)、北加州(86.5 MPa)、大果(9.63 GPa)、比尔(4 880 N)、拉兹(5 720 N)和比尔(4 920 N)。

表 5 不同品系美国核桃木材力学性质的统计分析 Tab.5 The statistical figures of walnuts’mechanical property
2.4 物理力学性质评价

通过10个品系美国黑核桃木材物理力学性质的方差分析可知，不同品系木材物理力学性质存在显著差异。为综合评价10个品系美国黑核桃木材的材性状况，采取数学方法进行不同品系木材的综合比较。利用模糊数学中隶属函数法对木材物理力学性质的8个指标进行隶属值计算(表 6)，其中差异干缩试验值与木材性质呈反向关系，需通过反隶属函数计算。隶属值均值排名前2位的是哈尔和奥奇1号，其中哈尔的物理力学试验值中径面硬度、端面硬度、气干密度均为最高，顺纹抗压强度、抗弯强度、弦面硬度及抗弯弹性模量试验值均较高，且差异干缩试验值较小；奥奇1号的物理力学试验值中顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量均为最高，其他物理力学试验值除差异干缩外也均较高。由此可得，隶属函数排名与试验值相符，哈尔和奥奇1号2个品系的美国黑核桃木材材性较优。

表 6 不同品系美国黑核桃木材性状隶属值 Tab.6 Values of subject function of American black walnut in strains
2.5 与其他常用树种木材物理力学性质比较

将引种美国黑核桃木材与核桃楸(Juglans mandshurica)、核桃(J.regia)及美国产黑核桃的木材物理力学性质(成俊卿等，1985； 徐永吉等，1996； 段新芳等，2001)进行比较，结果见表 7。

表 7 美国黑核桃木与其他核桃属树种物理力学性质差异 Tab.7 Physical and mechanical properties differences between walnut and other tree species

与核桃属的核桃楸和核桃相比，引种的美国黑核桃10个品系木材的气干密度、抗弯强度及抗弯弹性模量均高于核桃楸和核桃，而顺纹抗压强度均低于核桃楸及核桃。干缩性结果显示，引种的美国黑核桃10个品系木材的气干干缩率均低于核桃楸和核桃，而全干干缩率除大果外均不低于核桃楸和核桃。由此可见，10个品系美国黑核桃木材的物理力学性质较核桃楸及核桃好，但含水率较低时尺寸变形较大，在加工中要注意干燥条件的控制。

与美国产黑核桃相比，引种的美国黑核桃10个品系木材的气干密度除北加州外较高，气干干缩率与美国产黑核桃相当或略高，全干干缩率普遍高于美国产黑核桃；顺纹抗压强度较低，抗弯强度除哈尔、莎切尔、帕米尔20号和奥奇1号外均低于美国产黑核桃；而抗弯弹性模量除北加州、奇异和大果外均较高。

3 结论

1) 10个品系美国黑核桃木材的气干密度在0.613～0.754 g·cm-3之间，按我国木材材性分级标准为中等级别，按照物理力学指标分级标准为Ⅲ级。其中，气干密度和全干密度最大的均为哈尔，最小的均为北加州。

2) 不同品系美国黑核桃木材弦向全干干缩率差异显著，弦向气干干缩率差异不显著，径向干缩率和体积干缩率在气干和全干情况下都差异不显著。按照木材物理力学指标分级标准可知，10个品系美国黑核桃木材的气干干缩率为Ⅲ级，全干干缩率为Ⅳ级，说明其在干燥过程中变形较大。差异干缩中最小的为皮纳，最大的为北加州。

3) 10个品系美国黑核桃木材的径面硬度、端面硬度及弦面硬度分别在4 880～7 120 N，5 720～8 030 N，4 920～7 270 N之间，按照木材材性分级规定达到中等硬度等级，按照物理力学指标分级标准为Ⅲ，Ⅳ等级。各个品系美国黑核桃木材顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、径面硬度、端面硬度和弦面硬度最大的分别为奥奇1号(37.1 MPa)、奥奇1号(123.7 MPa)、奥奇1号(16.13 GPa)、哈尔(7 120 N)、哈尔(8 030 N)、莎切尔(7 270 N)。

4) 利用隶属函数法，选择气干密度、差异干缩、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、硬度(端面硬度、径面硬度、弦面硬度)8个指标对美国黑核桃木材各品系进行综合材性评价，隶属值均值排名前2位的为哈尔、奥奇1号。

5) 引种的美国黑核桃10个品系木材与美国产黑核桃、同产地核桃楸和核桃相比，气干密度较高、顺纹抗压强度较低，而气干干缩率低于核桃楸和核桃，与美国产黑核桃相当或略高，全干干缩率除大果外均不低于核桃楸和核桃，但普遍高于美国产黑核桃； 抗弯强度高于核桃楸和核桃，但除哈尔、莎切尔、帕米尔20号和奥奇1号外均小于美国产黑核桃。引种美国黑核桃的物理力学性质与美国产黑核桃相比，整体差异不大，且高于同产地的核桃楸和核桃2种常用的家具用材。

总之，与美国产黑核桃、核桃楸及核桃2种常用的家具用材相比，引种的美国黑核桃10个品系木材物理力学性质较好，可作为家具用材开发利用；隶属值均值排名前2位的哈尔、奥奇1号2个品系材性较优，而且奥奇1号的生长情况更好，可作为材用黑核桃定向培育；10个品系中皮纳的差异干缩最小、尺寸稳定性最优，可作为提高木材尺寸稳定性、减少木制品变形开裂的树种定向培育。

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