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木材科學與林產利用
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作 者╱
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卓志隆
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出版社別╱
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五南 |
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出版日期╱
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2025/08/31
(1版 1刷)
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I
S B N ╱
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978-626-423-643-0
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書 號╱
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5N83
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頁 數╱
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400
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開 數╱
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16K
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定 價╱
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800
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本書研討有關木材的基礎科學知識與應用價值，主要內容包括：樹木的生長、木材的形成、木材巨視外觀特徵、木材化學組成與細胞壁結構、針闊葉樹木材的組織、木材密度與水分等基礎物理性質、木材力學性質等相關木材科學知識；林產利用研討範圍，則包括：木材收穫作業、林產品分類、木材檢尺與分等、製材作業、乾燥作業、木質複合材料製造及木質能源等木材在各領域的產業應用。木材科學與林產利用為林學中之基礎與應用科學，也是大專林業科系重要之課程，希望本書對專家學者、學子、林產業者、一般消費者能有所裨益。
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※推薦文
【國立宜蘭大學校長 陳威戎】
身為國立宜蘭大學的校長，很榮幸能為本校森林暨自然資源學系卓志隆教授的大作《木材科學與林產利用》撰寫推薦序。卓教授不僅是我深感敬佩的同事，更是學術界的典範；他將畢生所學與豐富經驗凝聚於此書，為木材科學與林產利用領域樹立了新的里程碑。這不僅是一本學術專著的問世，更是卓教授數十年來投身木材科學研究與教育的智慧結晶，對學術界、產業乃至於普羅大眾都將產生深遠的影響。卓志隆教授在木材科學領域深耕逾三十載，其學術成就與貢獻可謂碩果累累。他於國立臺灣大學森林學系取得博士學位，學術根基深厚，專長涵蓋木材鑑別、木材物理學、木材非破壞檢測技術、木質環境學、木材性質與木材結構等多元面向。任教三十多年來，卓教授作育英才無數，可謂桃李滿天下。他曾先後擔任本校森林暨自然資源學系主任與實驗林場場長，為學系的發展和實驗林場的營運貢獻良多。此外，他也曾榮膺中華林產事業協會理事長，足見其在林產業界的崇高地位與影響力。
《木材科學與林產利用》一書，正如卓教授在序言中所述，旨在探討木材的基礎科學知識與應用價值。這本書的出版恰逢其時，全球對於氣候變遷與永續發展的關注日益提升，森林在減緩地球暖化、促進碳吸存方面的關鍵角色備受矚目。卓教授精闢地指出，透過森林面積擴大、林木生長量增加所帶來的碳吸收效益，以及木材與林產品的有效利用所引起的碳貯藏增加，搭配材料碳替代或石化燃料替代所引起的碳排放削減效果，都將是未來實現淨零排放的重要途徑。本書內容架構嚴謹，從宏觀的森林生態系統功能，深入到微觀的木材細胞結構，循序漸進地引導讀者掌握木材的奧祕；內容不僅涵蓋了傳統的林產業知識，更結合了當代科技與環境保護的趨勢，展現了木材在現代社會中的多元價值與無限潛力。特別值得一提的是，卓教授在本書中處處展現其對學術傳承的重視與對恩師的感念。他特別感謝臺灣大學森林環境暨資源學系王松永名譽教授的諄諄教誨，這不僅是師徒情誼的體現，更是學術香火綿延不絕的明證。最後，卓教授也感謝五南出版社為本書的努力與出版，共同成就了這部學術巨著的誕生。
《木材科學與林產利用》不只是一本教科書，更是一部引領讀者深入探索木材世界的指南。對於專家學者而言，本書提供了最新的研究成果與深入的理論解析；對於大專院校林業相關科系的學子而言，本書是不可或缺的教材，將助其建立紮實的專業基礎；對於林產業者而言，本書提供了寶貴的實務指導與產業趨勢分析，有助於提升產業競爭力；而對於一般消費者而言，本書則能增進對木材的認識，理解其在日常生活中所扮演的重要角色。我深信，這本凝聚了卓志隆教授畢生心血的著作，必將對臺灣乃至於國際的木材科學研究與林產事業發展產生積極而深遠的影響。它不僅是知識的傳遞，更是一種對森林資源永續利用理念的推廣。謹此，我誠摯地向各界推薦本書，期待它能引領更多人走進木材科學的殿堂，共同為地球的永續發展貢獻心力。
【國立嘉義大學校長 林翰謙】
全球氣候變遷，「淨零轉型」已成為世界各國政府、企業界及社會大眾關注的重要議題。而森林在永續經營的規劃與運作下，可提供源源不絕、再生循環的林產資源，更能透過固碳（Carbon sequestration）及碳匯（Carbon sink），達成「淨零轉型」的目標。國家發展委員會於2022 年3 月正式公布「臺灣2050 淨零排放路徑及策略總說明」，自然碳匯已列入12 項關鍵戰略之一，以促進關鍵領域之技術、研究與創新，引導產業綠色轉型，打造具競爭力、循環永續、韌性且安全的臺灣。
第4 次全國森林資源調查成果，全國總森林蓄積量5 億200 m3，以闊葉林 2.7 億立方公尺最多，占54%；針葉林1.4 億立方公尺次之，占28%，而竹材計有12 億4,000 萬支，顯見臺灣森林豐富的蘊藏量。又2017 年，林業及自然保育署定為「國產材元年」，目標是透過振興國產木竹材產業，提升臺灣木材自給率，並減少對進口木材的依賴，進而永續經營管理，成為源源不絕的天然資源。木材具質輕且強、易加工、保溫隔熱與可再生等諸多優點，自古以來即為人類生活上不可或缺的材料，加上天然的紋理、光澤與顏色，已廣為工藝、家具、裝潢及建築所採用，並獲得「永續綠建材」美名。
「從木材的物化組成，獲知自然的智慧；從林產的實務應用，成為永續的價值。」2025年世界博覽會在日本大阪如火如荼地舉行，日本建築師藤本壯介建築師，結合木造技藝與現代技術，打造了最具代表性與話題性的世界最大木造建築「大屋根」主場館，顯示木構建築已成為現代的潮流趨勢。而在臺灣，「木材之都」嘉義市利用閒置荒廢的舊監宿舍區，以木都2.0 喚醒城市木造DNA 的實質構想，刻正推動木都重現與木業升級的城市文化工程；個人任教的嘉義大學，2024 年以追求與環境和諧共生的理念規劃「嘉大校友會館」，係以木構造為底蘊，符合世界永續的發展潮流。
卓志隆教授長年耕耘於林產科學領域，無論在學術研究、教材編撰或產業推廣上皆有深厚貢獻。卓教授在臺灣大學森林學系取得學士、碩士及博士學位，師承成就享譽國內外學術界王松永名譽教授（國際木材科學院IAWS fellow）的治學嚴謹，曾任宜蘭大學森林暨自然資源學系主任及實驗林場主任等主管職務，在木材科學及林產利用學有專精，學術暨產學研究成果豐碩。此次卓教授能以畢生學術研究與實務應用成果匯集於《木材科學與林產利用》專書，不僅讓大專林業科系學子有所依循，讓專家學者、林產業者及一般消費者有所裨益，更展現「樹木十年、樹人百年」的永續人才培育精神，身為同為大學的林產教育工作者，深感榮幸見證本著作的成果問世，也樂於向全體林業及永續領域的學界與業界先進推薦本書。相信《木材科學與林產利用》一書的出版，勢必為臺灣甚至華語世界的林業教育與永續實踐帶來積極而深遠的影響。
【中華林產事業協會理事長 吳志鴻】
林業自古以來即為連結自然與人類生活的重要橋梁，而木材，則是這座橋梁上最堅實且歷久彌新的支柱。隨著永續發展與淨零碳排已成為全球共同目標，木材的角色早已超越傳統建材的範疇，成為綠色建築、再生能源與碳循環經濟的核心資源。面對這樣的時代浪潮，推動林產教育、深化木材知識的普及與應用，無疑是我們這一世代責無旁貸的使命。
卓志隆教授所著的《木材科學與林產利用》，正是一部兼具學理基礎與實務應用的優秀著作。全書從樹木生長與木材形成的基本過程談起，涵蓋木材的物理、化學與力學性質，再進一步延伸至木材收穫、製材、乾燥、複合材料與能源利用等應用面向，架構嚴謹、內容豐富，不僅可作為大專林業相關課程的教科書，更能提供產業界與有志投身林產事業者寶貴的參考資源。
目前我國面臨林產自給率偏低、木材知識斷層、木材利用觀念未普及等多項挑戰。《木材科學與林產利用》一書的出版，無疑為國內林產知識的推廣與專業教育注入一股活水。透過對木材本質的深入理解，能夠強化未來林產業者在原料利用、加工設計與循環應用上的思維與創新能力，進而提升整體林產產業的永續競爭力。
中華林產事業協會長期致力於推動國產木材的推廣與林業知識的普及，對於本書的出版深感欣慰與肯定。相信在教育現場與實務應用之間，這本書都將發揮關鍵性的橋接作用，也期待更多年輕世代能透過此書，理解木材、珍惜森林、投身林業，攜手打造兼具產業價值與生態永續的臺灣林產新未來。
謹此推薦。
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卓志隆
學歷
國立臺灣大學森林學研究所博士
現職
國立宜蘭大學森林暨自然資源學系教授
經歷
國立宜蘭大學森林暨自然資源學系主任
國立宜蘭大學附設實驗林場主任
中華木質構造建築協會理事長
中華林產事業協會理事長
中華林學會理事、監事
經濟部標準檢驗局國家標準審查委員會委員
經濟部標準檢驗局木業國家標準技術委員會委員
財團法人台灣建築中心綠建材標章評定小組委員
專長
木材鑑別；木材物理學；木材非破壞檢測技術；木質環境學；木材鑑別、木材性質、木質環境學、木材結構
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第1章 樹木生長及木材形成
第2章 木材巨視外觀特徵
第3章 木材之化學組成與細胞壁結構
第4章 針葉樹木材組織構造
第5章 闊葉樹木材組織構造
第6章 未成熟材與反應材
第7章 木材密度與比重
第8章 木材中水分
第9章 木材強度與力學性質
第10章 木材收穫作業
第11章 林產品分類
第12章 原木分等與檢尺
第13章 製材作業
第14章 木材乾燥
第15章 木材耐久性與保護
第16章 木材膠合
第17章 木質複合材料
第18章 木質能源
主要參考文獻
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第1章 樹木生長及木材形成
跟人類相似，幼齡樹木在有適當養分及合適環境時，會很有活力地生長，樹木需要均衡吸收水分、礦物質等來維持其健康。樹體受傷時，會很快反應達到有效的傷癒結果，隨著樹齡增長，樹木生長活力可維持一段長時間，但隨之開始衰退，樹木生長減緩，開始衰老，傷口不易癒合，不易抵抗疾病，最終樹木死亡。
木材可由不同的木本植物形成，包括喬木（Tree），具有單一主幹，樹高在4-6m（15-20 ft）以上；較小尺寸的植物稱為灌木（Shrub）或矮林（Bush），本章節的說明對象為喬木。
一、木本植物分類
木材種類區分為針葉樹木材（Softwood）與闊葉樹木材（Hardwood）兩大類，針葉樹與闊葉樹在植物分類上屬於種子植物門（Spermatophyte），針葉樹種子植物門下之裸子植物亞門（Gymnosperms）、闊葉樹種子植物門下之被子植物亞門（Angiosperms），裸子植物的種子裸露，而被子植物種子則包藏於果實中。針葉樹具有似針狀樹葉之特徵，一般為常綠植物，大部分針葉樹具有鱗狀毯果，針葉樹主要之樹種包括松屬（Pinus, Pine）、雲杉屬（Picea, Spruce）、落葉松屬（Larix, Larch）、冷杉屬（Abies, Fir）、鐵杉屬（Tsuga, Hemlock）、世界爺屬（Sequoia, Redwood）、紅豆杉屬（Taxus, Yew）、落羽松屬（Taxodium, Bald cypress）、花旗松（Pseudotsuga, Douglas-fir）、扁柏屬（Chamaecyparis, Red or Yellow cypress）、側柏屬（Thuja, Cedar）等。被子植物再區分為單子葉植物與雙子葉植物，闊葉樹為雙子葉植物，主要之樹種包括櫟屬（Quercus, Oak）、光蠟樹屬（Fraxinus, Ash）、榆樹屬（Ulmus, Elm）、槭樹屬（Acer, Maple）、樺木屬（Betula, Birch）、山毛櫸屬（Fagus, Beech）、楊屬（Populus, Cottonwood, Aspen）等。
針葉樹與闊葉樹除樹木外觀有差異外，如圖1-1，所形成的木材結構與形態也不同，包括細胞種類、相對數量、排列等之不同，闊葉樹木材英文名稱為Hardwood，但不一定是重硬的木材，許多針葉樹木材較部分的闊葉樹木材密度高且較堅硬，如白塞木（Ochroma pyramidale）為一材質非常輕軟的闊葉樹。
二、木材—細胞的集合體
木材是由微小的細胞所組成，一般要在放大鏡或顯微鏡下才可觀察到。圖1-2為針葉樹縱向管胞的模式圖，細胞中間處為空腔，稱為細胞腔（Lumen），縱向管胞細胞兩端封閉，在側壁上會形成壁孔（Pit）之穿孔。圖1-3 為針葉樹木材組織的三切面示意圖，此圖顯示木材的三切面：橫切面（Cross section）、徑切面（Radial section）與弦切面（Tangential section），橫切面為與木材或原木（Log）縱向垂直的切面；徑切面為與半徑垂直，沿材長方向的切面；弦切面為與生長輪（Growth ring）相切，沿材長方向的切面。木質線（Ray）組織由數個木質線細胞組成，提供立木中物質的橫向輸導。
三、樹木生長過程
樹木透過樹葉光合作用製造所需的營養物質，光合作用只需要水（來自土壤）、二氧化碳（來自大氣環境）、陽光（來自太陽）。水分伴隨營養物質由根部之木質部外側部分向上輸導到樹冠之葉部，木材細胞提供由根部到葉部間完整的流體管柱路徑，管柱之毛細管作用力會受孔徑大小、表面張力等的影響，依推論之流體輸導高度最大可達約116 m（380 ft）。二氧化碳由樹葉表面微小的氣孔（Stomata）進入，透過葉綠體將水、二氧化碳及陽光合成製造出醣類（Sugar）等物質，提供樹木生長所需之營養與能量，作為樹葉、根部、木材細胞增生用。醣類以樹液（Sap）形態於樹木內進行輸導，樹液為包含醣類、水、生長調節劑（荷爾蒙）及其他物質的溶液，樹液也可以是由根部向上輸導之富含礦物質水分。
樹木生長包括初生生長（Primary growth）與後生生長（Secondary growth），初生生長亦稱為樹高生長，初生生長起源於頂端分生組織之細胞分裂與新生細胞堆積結果，使得樹木高度增加；後生生長亦稱為直徑生長（肥大生長），後生生長起源於側生分生組織（維管束形成層，Vascular cambium）之細胞分裂與新生細胞堆積結果，造成樹木直徑隨樹齡增長而增大。形成層為樹木木質部與韌皮部間的一薄層，具有細胞分裂能力，可產生新的木質部與韌皮部細胞。
幼齡木的發展
圖1-4 為樹木幼苗的頂端分生組織；在早春生長開始時，枝條頂端隨細胞的分裂、形成與生長之組織擴大而膨脹，這些會重複形成新細胞的區域，稱為分生區域，主幹頂端的分生區域特別重要，稱為頂端分生組織，為控制樹木地上部及枝條發展的區域。頂端分生組織的細胞分裂使樹高增長，新分裂之細胞隨後進行細胞伸長與堆積，頂芽向上移動，因樹高生長是因頂端分裂增生的結果，不是從樹木基部細胞堆積增高的關係，因此若將1 鐵釘釘在樹上離地2 m 處，隨著樹木生長，釘子還是維持在2 m處。圖1-5 說明整體樹木生長的過程，頂端分生組織分裂（圖1-5I）出新生細胞會分化出表皮、前形成層與髓心三種組織（圖1-5II），表皮為厚壁且有蠟質覆蓋之細胞，保護樹木不會散失水分；前形成層圍繞成環狀，最後發展為後生分生組織；最中心的部分為髓心（Pith）。前形層向內形成初生木質部（Primary xylem），向外形成初生韌皮部（Primary phloem），如圖1-5III，最終前形成層與初生木質部及初生韌皮部轉換變成形成層（Cambium，圖1-5IV, V）。新形成的側生分生組織形成層向內形成後生木質部（Secondary xylem），向外形成後生韌皮部（Secondary phloem，圖1-5V）。單子葉植物則不會形成形成層，樹木不同位置的形成層在樹木生長期間都保持有分裂能力，使得樹木直徑增大。圖1-5 為約1 年生的樹木生長過程。由於後生韌皮部向外，沒有分裂組織，會隨著樹幹圓周擴大，逐漸變為外樹皮而脫落。
四、維管束形成層與木材形成
( 一 ) 形成層的組成細胞與細胞分裂
組成形成層的細胞種類包括細長形的紡錘形始原細胞（Fusiform initials）與短圓形的木質線始原細胞（Ray initials），如圖1-6 。紡錘形始原細胞可分裂為新的形成層始原細胞、新生木質部、新生韌皮部細胞。木質線始原細胞可分裂為新的木質線始原細胞、新生木質部木質線、新生韌皮部木質線。始原細胞分裂方式基本上包括與圓周平行的平周分裂（Periclinal division）或弦切面分裂；與圓周垂直的垂周分裂（Anticlinal division），如圖1-7 。平周分裂結果形成木質部或韌皮部；垂周分裂則產生新的形成層始原細胞。
紡錘形始原細胞為縱向細長的細胞，在弦切面觀察時，其兩端為尖細的紡錘狀，它是徑向壁非常厚之扁平形細胞，其大小在針葉樹材，弦向徑約30 μm，長度為其弦向徑的100-200 倍；闊葉樹材之弦向徑約10-50 μm，長度為其弦向徑的10-60 倍。而徑向直徑則是依分裂方式的不同而異。紡錘形始原細胞由於弦切面分裂的結果，向形成層內側可形成導管、縱向管胞、木纖維細胞、縱向薄壁細胞等木質部縱向細胞，而向外側可形成韌皮細胞、縱向薄壁細胞、韌皮纖維等。木質線組織始原細胞在弦切面觀察時，為縱向稍長或幾乎等直徑的圓形或橢圓形細胞，其弦向直徑是與紡錘形始原細胞大約相同。由此木質線組織始原細胞在內側可形成木質線組織，向外側可形成韌皮部木質線組織。
形成層始原細胞平周分裂的結果，被分裂為內側與外側之兩個子細胞中的任何一個，會維持原來大小而仍被當作始原細胞保留下來，但其他一個如為內側細胞將成為木質部細胞（Xylem cell），如為外側細胞則將會形成韌皮部細胞（Phloem cell）。始原細胞是如此重複地進行平周分裂，內外之任何一側的一半，經常會當作始原細胞而殘留下來。至於其他一半，是形成木質部或韌皮部細胞，分別堆積在已成熟的木質部或韌皮部細胞上，從始原細胞分裂出來之新生木質部細胞、新生韌皮部細胞在短時間內，是不會失去分裂機能，能重複一次以上之平周分裂後，再逐漸失去其分裂機能被列入於永久組織之內。從始原細胞分割出來而暫時不失去分裂機能的新生木質部細胞、新生韌皮部細胞，各稱為木質部母細胞（Xylem mother cell）、韌皮部母細胞（Phloem mother cell）。形成層在理論上應是一層，而實際上是包含木質部及韌皮部母細胞所形成的幾層仍有分裂功能的細胞，會一起進行分裂，所以要識別出是一層始原細胞層，在形態學上或細胞學上均很困難。因此將始原細胞與木質部及韌皮部母細胞之層，均合併稱為形成層帶（Cambial zone）。圖1-8 為形成層帶平周分裂的模式圖。
生長季節早期，由頂芽初生組織形成新細胞很快，兩個分裂間時間可能只要8-18 h，這個速率隨季節經過會逐漸減緩。形成層細胞分裂通常在頂端分生組織分裂後，分裂的速率相當慢，有研究顯示東部白柏（Thuja occidentalis）的形成層分裂週期在早春時，約一星期一次；白松在早材形成階段的形成層分裂週期為10 天一次，換算為每個生長季節約有30-50 次細胞分裂；香膠冷杉（Balsam fir）每年細胞產生列數平均為37-41 列。
( 二 ) 新生木質部細胞發展與成熟
由形成層帶分裂出之新生木質部細胞會分化成各種形態及不同化學組成的木材細胞，即導管、管胞、木纖維及薄壁細胞等。新生木質部細胞成熟過程，基本上可分為細胞之擴大（細胞壁之面積生長）與細胞壁的肥厚及木質化兩個階段。細胞擴大期之木質部細胞之原生質，是由初生壁（Primary wall）所包圍著。初生壁為等方性，由纖維素（Cellulose）為主構成的微纖維（Microfibril）是作網狀排列，其網狀空隙間會逐漸被新的纖維素插入，即所謂插入生長（Intussusception growth），然後細胞開始逐漸擴大。在此期間細胞間層之大部分化學組成為富有可塑性果膠質（Pectin）。細胞擴大之第一階段是直徑的增大，新生木質部細胞徑向直徑之增大，在針葉樹木材之早材縱向管胞及闊葉樹材之導管會特別明顯，針葉樹木材之早材縱向管胞弦向直徑則幾乎不會增大；闊葉樹材之導管則徑向直徑、弦向直徑均會增大。細胞擴大第二階段為縱向的伸長，細胞之伸長在闊葉樹材之木纖維細胞與針葉樹材之晚材縱向管胞較顯著。不是所有的細胞種類都有直徑的擴大與長度的伸長，如松木、雲杉秋材的縱向細胞主要是長度的伸長，直徑的變大很少；闊葉樹導管直徑擴大很明顯，可能達50 倍，但長度幾乎不會伸長，甚至有時會縮短。
細胞擴大接近完成之際，在初生壁內側會發生微纖維的堆積，使細胞壁增厚，即所謂的附加生長（Apposition growth）。在初生壁內側因附加生長而被堆積之細胞壁，稱為後生壁（Secondary wall），一般木材縱向管胞與木纖維細胞後生壁依微纖維與細胞長軸排列關係，可區分為後生壁外層（S1 layer）、後生壁中層（S2 layer）、後生壁內層（S3 layer），如圖1-9 所示。隨後生壁之增厚後，在細胞間層之各細胞的角落部分，開始產生木質化現象（Lignification），逐漸擴大至各細胞壁層，木質部細胞之成熟就完成了。
( 三 ) 成熟木質部細胞累積
隨著成熟木質部細胞的累積，樹木直徑增大，形成層被往外推，因此為保持形成層完整的圓周環狀形態，透過形成層始原細胞弦向直徑的增大與始原細胞數目的增加來達到。研究顯示因應形成層圓周之擴大，主要透過垂周分裂來增加始原細胞數目，保持完整環狀的形成層。
木材即後生木質部，是經由形成層細胞分裂、新生木質部細胞發展與成熟、成熟木質部細胞之累積等三個過程而形成者。 |
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