111 專技高考高等考試 林業技師 林產利用學（包括木材物理、木材加工、林產化學） 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對「木本植物發育解剖學」與「木材形成歷程（Wood Formation / Xylogenesis）」的整體架構掌握度。核心考核點涵蓋：

1. 分生組織層級演進：由頂端分生組織（Apical meristem）衍生初生分生組織（原表皮、基本分生組織、原形成層），再過渡至次生分生組織（維管束形成層、木栓形成層）之細胞發育譜系（Cell lineage）。
2. 初生構造與次生構造之定位：

• 髓心（Pith）：初生組織，源自基本分生組織。
• 周皮（Periderm）：次生保護組織，源自木栓形成層。
• 纖維（Fiber）與管胞（Tracheid）：初生木質部（源自原形成層）或次生木質部（源自維管束形成層之紡錘形原始細胞）之軸向厚壁輸導／支持細胞。

3. 細胞分化關鍵生理機制：細胞平周與垂周分裂、細胞伸長與侵入生長（Intrusive growth）、次生壁沉積與木質化（Lignification）、程式性細胞死亡（Programmed cell death, PCD）。

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解題方法

本題採「發育時序與分生組織譜系法」進行系統性破題。 答題應分為兩大軸線：

1. 總綱發展路徑：先建立由「頂端分生組織 $\to$ 初生分生組織 $\to$ 次生分生組織」的發育脈絡流程。
2. 構造專題論述：依題目所指定之四項構造（髓心、周皮、管胞、纖維），分別深入詳述其源起之分生組織、分生分裂方向、細胞分化過程（伸長、細胞壁增厚、孔紋特化、原生質消亡）及其最終解剖特性。

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選項分析

本題為專技高考之申論題（非選擇題），無選項分析。答題關鍵在於能否精準連結「分生組織原形」與「目標分化構造」，切忌將初生組織（髓心）與次生組織（周皮、次生木質部之纖維與管胞）混為一談。各目標構造之發育歸屬與分化特徵如下：

1. 髓心（Pith）：由基本分生組織在軸心處直接分化為等徑薄壁細胞，不經次生分生組織階段。
2. 周皮（Periderm）：莖加粗致使初生表皮破裂後，由皮層薄壁細胞脫分化形成木栓形成層，向外分生木栓層、向內分生栓皮層共同組成。
3. 管胞（Tracheid）：維管束形成層之紡錘形原始細胞向內平周分裂後，進行擴展生長、次生壁沉積、具緣紋孔分化與程式性死亡，兼具輸水與機械支持機能。
4. 纖維（Fiber）：紡錘形原始細胞向內平周分裂後，經過顯著的「侵入生長」，形成兩端尖銳之長形厚壁細胞，次生壁極厚且木質化程度高，紋孔退化為單紋孔或斜裂縫狀，專司機械支持。

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解題技巧

1. 架構化圖形思考：在腦海中先繪製發育樹狀圖： $\text{頂端分生組織 (SAM)} \longrightarrow \begin{cases} \text{基本分生組織} \longrightarrow \textbf{髓心} \\ \text{原表皮} \longrightarrow \text{表皮} \xrightarrow{\text{脫分化}} \text{皮層/木栓形成層} \longrightarrow \textbf{周皮} \\ \text{原形成層} \longrightarrow \text{維管束形成層 (紡錘形原始細胞)} \longrightarrow \begin{cases} \textbf{管胞} \\ \textbf{纖維} \end{cases} \end{cases}$
2. 陷阱提示：

• 避免直接寫「頂端分生組織直接分裂出周皮」，必須交代初生表皮破裂、皮層細胞「脫分化」形成「木栓形成層」之中介過程。
• 區別纖維與管胞時，務必點出纖維特有的「侵入生長（Intrusive growth）」與管胞具備的「具緣紋孔（Bordered pit）」及輸導機能。

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【答案】

一、 木材發育總綱：分生組織之衍生譜系

木本植物莖之生長始於莖頂之莖頂端分生組織（Shoot Apical Meristem, SAM）。頂端分生組織透過細胞有絲分裂，向下分化為三種初生分生組織（Primary meristems）：

1. 原表皮（Protoderm）：分化形成初生表皮組織。
2. 基本分生組織（Ground meristem）：分化為髓心、髓射線與皮層。
3. 原形成層（Procambium）：分化為初生木質部、初生韌皮部，並保留分生能力演變為維管束形成層。

隨著植株進行次生加粗生長，進一步發展出次生分生組織（Secondary meristems），即維管束形成層（Vascular cambium）與木栓形成層（Phellogen），分別產生次生木質部（木材主體）與周皮。

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核心觀念

本題結合了「國家 2050 淨零排放路徑」之宏觀政策與「林產利用學」的專業實務，命題焦點在於木材作為負碳/低碳資材的生命週期特性，以及重振本土林業生產與加工鏈之策略。

1. 自然碳匯與收穫木製品（Harvested Wood Products, HWP）固碳效益：

• 樹木在生長旺盛期（特別是人工林撫育與疏伐階段）具備高光合作用速率，能將二氧化碳固定於生物質中。
• 當林木成熟並收穫加工為耐久性木製品（如木構建材、家具）時，碳素即被長期封存於固相產品中（固碳效益）。
• 以木材取代耗能高、高碳排的鋼筋、混凝土等建材，可產生顯著的減碳效果（材料替代效應，Substitution effect）。

2. 國產材自給率之政策目標：

• 臺灣在民國 106 年（2017 年）宣示為「國產材元年」，主管機關設定木材自給率由當時不到 $1\%$（約 $0.5\%$），於 10 年內（至民國 116 年）提升至 $5\%$ 的政策目標。
• 命題當年（民國 111 年）3 月，國家發展委員會公布「臺灣 2050 淨零排放路徑及策略」，自然碳匯名列 12 項關鍵戰略之一，推動國產材多元利用成為重要支柱。

法規與行政體系備註：本題以命題當年（民國 111 年）法規與體系為準；現行行政院農業委員會已於民國 112 年升格為農業部，主管機關「林務局」改制為「農業部林業及自然保育署」，環境保護署改制為「環境部」。

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解題方法

本題為典型政策結合學理之申論題，切入點不可僅流於空泛宣傳口號，而應以林產利用產業鏈（產—製—銷—規）之系統化架構進行縱深論述：

1. 上游生產端（原料供給）：如何確保人工林可持續經營、降低伐採集運成本、提高供料穩定性。
2. 中游加工研發端（木材物理與加工技術）：如何克服臺灣人工林樹種（如柳杉、臺灣杉、相思樹）多屬小徑木、抗性弱、材質變異大之限制，導入木材物理乾燥、改質及工程木質材料技術。
3. 下游驗證與市場端（品牌流通）：如何建立合法溯源與驗證機制，打擊非法木材，區隔進口材與國產材。
4. 法規政策與消費誘因端（需求拉動）：如何透過建築技術規則修正、公共工程採購以及碳權交易誘因帶動龐大市場需求。

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選項分析（申論題答題架構剖析）

本題為申論題型，無選擇題之 ABC 選項；閱卷委員評分時主要檢視考生是否涵蓋以下四大維度策略，並依論述深度給分：

1. 健全原料端：人工林永續經營與供料專區建置

• 核心內涵：臺灣木材自給率極低之主因在於伐採成本高且供料斷續。策略上應活化公私有經濟人工林，劃定木竹材生產專區，導入低衝擊作業與現代化小型林業機械，降低採伐與集材成本；落實撫育疏伐，以「收穫—造林—利用」的良性循環取代傳統「全面禁伐」迷思。

2. 突破技術端：小徑木高值化加工與工程木質材料開發

• 核心內涵：國產木材多為二期人工林之小徑木，若僅作板模或造紙價值極低。策略上應提升木材物理加工品質（如精準乾燥時程、防腐、阻燃改質處理），並積極研發集成元加工，如直交集成板（Cross-Laminated Timber, CLT）、結構用膠合木（Glulam）、旋切單板等工程木材，使小徑材能跨入高層木構造建築之結構材市場。

3. 完善制度端：推動合法溯源與「臺灣木材標章」

• 核心內涵：進口材價格低廉，國產材必須以「合法、永續、在地」為品牌區隔。政府應推廣林產物產銷監管鏈（Chain of Custody, CoC）驗證，推行「臺灣木材標章」（整合產銷履歷 TAP、優良農產品 CAS 木竹製品標章及溯源二維條碼 QR Code），讓消費者能辨識合法可溯源之國產材，杜絕非法盜伐。

4. 拉動需求端：公共工程優先採用與木構造法規鬆綁

• 核心內涵：由公部門率先示範，落實政府綠色採購法，明定公有公共建築（如遊憩設施、展覽館、學校）一定比例採用國產材；

核心觀念

本題評量林產環境效益與碳中和（Carbon Neutrality）機制，核心聚焦於木材生命週期各階段在減緩全球溫室效應中的角色，涵蓋下列學理機制：

1. 生物固碳與光合作用同化作用：林木透過光合作用將大氣中之 $\text{CO}_2$ 轉換為穩定木質結構，木材化學成分中碳元素質量比例約佔 $50\%$。
2. 低隱含能源（Embodied Energy）與材料替代效應（Material Substitution）：木材機械加工之耗能與溫室氣體排放遠低於水泥、鋼鐵等高耗能建材；木質廢料具化石能源替代效益。
3. 收穫木製品（Harvested Wood Products, HWP）之碳庫保存：木材使用期即碳封存期，透過防腐改性及階梯式循環利用（Cascading Use），能長效阻絕碳素釋回大氣，構築「都市人造森林（Second Forest）」。

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解題方法

本題為標準的「三階段論述型」申論題，答題切入點須緊扣林產利用學的核心架構，採用「生命週期評估（LCA）」視角切入，嚴格對應題目指定的「生長過程」、「製造過程」、「延長使用週期」三大層面：

• 生長過程：立足林木生理學與林業經營，說明大氣 $\text{CO}_2$ 被固定為纖維素、半纖維素、木質素之生物合成機制，並闡述合理伐採更新如何維持森林高碳吸收率。
• 製造過程：立足木材物理加工與材料科學，對比木材與非木質材料（鋼筋、混凝土、塑膠）之隱含碳與加工能耗，並結合製材副產物作為生質能對化石燃料的替代性。
• 延長使用週期：立足木材保存學與木質複合材料技術，闡述提高耐久性之化學／物理處理方法，以及木材自結構材至碎解材料之「階梯式串級利用」對碳庫長期封存的實質效益。

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申論詳解（試卷作答範本）

一、木材生長過程對減碳之貢獻（生物固碳與森林碳匯動態）

1. 光合作用化學固碳機制： 樹木生長時，經由葉綠體進行光合作用，吸收大氣中之二氧化碳與水分，在光能驅動下同化為碳水化合物並釋放氧氣： $6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{光能}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$ 葡萄糖進一步聚合為細胞壁主要組成分——纖維素（Cellulose, 約 $40\%\sim50\%$）、半纖維素（Hemicellulose, 約 $20\%\sim30\%$）及木質素（Lignin, 約 $20\%\sim30\%$）。乾燥木材中碳（$\text{C}$）元素含量約佔乾重之 $50\%$。經化學計量換算，每生成 $1\text{ t}$ 完全絕乾之木材，約可固定 $1.83\text{ t}$ 之大氣二氧化碳（$\frac{44}{12} \times 0.5 \approx 1.83$）。

2. 人工林經營與森林碳匯更新： 幼齡林與壯齡林處於旺盛生長階段，其淨生態系生產力（Net Ecosystem Productivity, NEP）高，固碳速率快；隨著樹齡邁向過熟，林木光合作用固碳量與自養呼吸消耗量漸趨平衡，碳吸存效能下降。推動永續人工林經營，在適熟期予以伐採收穫並隨即造林更新，不僅可維持林地持續高速固碳，更能將已吸收之碳以木質材料形式「移出森林生態系並長效儲存」。

二、木材製造過程對減碳之貢獻（低隱含能與材料替代效應）

1. 極低的加工隱含能（Embodied Energy）與碳排放： 相較於鋼鐵、水泥、鋁合金或塑膠等人工建材，木材加工主要仰賴機械力（製材鋸解、旋切、刨削、加壓黏合）與相對低溫之人工乾燥（約 $40^\circ\text{C}\sim80^\circ\text{C}$），其製造過程消耗之化石能源與溫室氣體排放量極低。水泥製造需高溫鍛燒石灰石並排放大量工藝過程 $\text{CO}_2$，鋼鐵煉製亦需燃燒大量焦炭；木製品生產之隱含碳（Embodied Carbon）僅為鋼材或水泥的數分之一至數十分之一。

2. 建材替代效應（Material Substitution Effect）： 在土木與建築工程中，推廣使用工程木材（如直交集成板 CLT、膠合集成材 Glulam）替代傳統鋼筋混凝土（RC）構件。

核心觀念

本題整合「木材加工學」之造粒成型技術、「木材化學」之木質素熱塑自膠合機理，以及「生物質能源與環境生態」之固體生質燃料規格與碳中和效益。核心觀念涵蓋：

1. 固體生質顆粒成型機制：利用木質原料中木質素（Lignin）在高溫（超過其玻璃轉移溫度 $T_g \approx 70^\circ\text{C} \sim 100^\circ\text{C}$）及高壓作用下的熱塑化特性，使其軟化並充當天然膠黏劑，達成無膠（Binderless）自體黏合之高壓密化成型。
2. 木質顆粒品管標準與規範：依據國家標準「CNS 16016 固體生質燃料－燃料規格與等級－第2部：木質顆粒」及國際標準「ISO 17225-2」，評定直徑、長度、機械耐久性（Mechanical Durability）、含水率、灰分含量、淨熱值（Net Calorific Value）及有害化學元素限量等關鍵指標。
3. 生質燃料之環境效益與化石燃料替代優勢：生物質的「碳中和」（Carbon Neutrality）短週期碳循環機制、低硫低重金屬之潔淨燃燒特性，以及林業剩餘資材之「階梯式利用」（Cascading Use）。

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解題方法

本題屬「專門職業及技術人員高等考試・林業技師」之典型綜合申論問答題，答題架構應劃分為三大核心板塊循序開展：

1. 製造過程：依單元操作（Unit Operations）工藝流程，從「原料篩分雜質去除 $\to$ 粉碎 $\to$ 乾燥 $\to$ 調質 $\to$ 擠壓成型 $\to$ 冷卻固化 $\to$ 篩分與包裝」進行邏輯嚴密的階段式說明，並點出木質素自膠合之物理化學條件。
2. 產品要求：依 CNS 16016 / ISO 17225-2 標準，區分「物理力學特性」（密度、形狀尺寸、耐久性）、「燃燒熱值特性」（含水率、發熱量、灰分）及「化學環保特性」（硫、氯、重金屬含量）三維度建立規格要求架構。
3. 環保替代品成因：自「短碳循環與溫室氣體減排」、「燃燒產物（$\text{SO}_x$、未燃煙塵）之低污染性」、「剩餘資材高值化循環經濟」及「相較化石燃料與散裝生質料之物流/燃燒效率」多方論證。

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選項分析

本題為高等考試申論題，非選擇題，無獨立選項。考生作答時若僅作條列式概念陳述，難獲高分；必須以工程工藝流程圖、定量指標標準（CNS 16016 / ISO 17225-2）與化學燃燒反應機理三者相互對照，呈現完整之技術脈絡與理論深度。

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解題技巧

1. 避開常見陷阱：

• 誤以為製造木質顆粒需要添加大量化學合成膠（如酚醛樹脂、尿素膠）。正確觀念為：木質顆粒通常為「無膠成型」，僅靠木質素熱塑軟化；若有添加，僅限少量食用級澱粉（通常 $\le 2\%$）作為潤滑壓粒助劑。
• 樹皮（Bark）的影響：題目特別提及「樹皮」，作答時應點出樹皮之木質素與抽出物高，但無機礦物質（灰分）也顯著較高。若原料含過多樹皮，易導致產品灰分超標或鍋爐結渣（Slagging），需適度配比。

2. 採分關鍵字：

• 製程關鍵：錘磨機（Hammer mill）、含水率控制（$8\% \sim 12\%$）、環模顆粒機（Ring die pellet mill）、木質素玻璃轉移溫度（Glass transition temperature）、逆流式冷卻（Counter-flow cooling）。
• 產品標準：CNS 16016、ISO 17225-2、機械耐久性（$\text{DU} \ge 97.5\%$）、堆積密度（$\ge 600\text{ kg/m}^3$）、灰分含量（$\le 0.7\%$ 或 $\le 1.2\%$）。
• 環保優勢：短週期碳循環（Short-term carbon cycle）、微量硫含量（避免 $\text{SO}_2$ 酸雨）、混燒發電（Co-firing）、避免甲烷（$\text{CH}_4$）逸散。

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【答案】

一、木質顆粒（Wood Pellets）之製造過程

木質顆粒之製造係將小徑木、樹皮、製材端材及鋸屑等原料，透過一系列物理粉碎、乾燥、調質及高壓模塑成型之連續性工藝加工而成，其主要製造步驟如下：

1. 原料接收、除雜與前處理（Raw Material Sorting & Screening）：

• 將不同型態之木質資材（鋸屑、碎片、端材等）進行分類與預篩分。
• 設置磁選機（Magnetic separator）吸除鐵釘、鐵屑等金屬異物，並利用震動篩或重力分選設備去除砂石泥土等非木質雜質，以保護後續粉碎機與成型模具之磨損。
• 若採用高比例之樹皮或未去皮小徑木，因樹皮灰分含量較高，需依目標產品等級進行原料調配混合（Blending），維持灰分及熱值之均一性。

2. 粗碎與微粉碎（Chipping & Hammer Milling）：

• 較大體積之小徑木與製材端材先經削片機（Chipper）加工成木片（Wood chips）。
• 木片隨後送入錘磨機（Hammer mill）進行細粉碎，將木纖維原料粉碎至粒徑均勻（通常在 $3\text{ mm} \sim 5\text{ mm}$ 以下），使原料具備良好的流動性與壓製緊密接觸面積。

3. 乾燥程序（Drying）：

• 新鮮小徑木或未乾燥鋸屑之含水率常高達 $40\% \sim 60\%$。原料需經旋轉滾筒乾燥機（Rotary drum dryer）或帶式乾燥機，以熱風將含水率精準降至 $8\% \sim 12\%$ 之最適造粒區間。
• 註：含水率若高於 $15\%$，壓製時易因高溫蒸氣逸散導致顆粒膨裂爆碎；若低於 $6\%$，則水分無法充當木質素之塑化劑，顆粒難以膠合且模具摩擦阻力過大。

4. 調質處理（Conditioning）：

• 在粉料進入造粒機前，通入適量高溫飽和蒸氣（或微量溫水），使原料溫度提升至 $60^\circ\text{C} \sim 80^\circ\text{C}$。
• 水分與溫度協同作用能軟化纖維細胞壁，降低木質素之玻璃轉移溫度（Glass transition temperature, $T_g$），活化木質素的黏彈性。

5. 擠壓造粒成型（Pelletizing）：

• 調質後的粉料送入顆粒機（常用環模顆粒機 Ring die pellet mill 或平模顆粒機 Flat die pellet mill）。
• 藉由壓輥（Roller）與模孔（Die hole）間之強大機械擠壓力（壓力達 $100 \sim 150\text{ MPa}$），將粉料強力擠壓穿過孔徑為 $6\text{ mm}$ 或 $8\text{ mm}$ 之圓形模孔。
• 在摩擦高溫（$80^\circ\text{C} \sim 120^\circ\text{C}$）與高壓下，木材內部的木質素發生熱塑化流動，均勻包覆纖維素與半纖維素，形成天然鍵結，完成無化學黏劑之固體密化成型。

6. 切斷、冷卻與硬化（Cutting, Cooling & Hardening）：

• 由模具外側旋轉刀片將連續擠出之圓柱狀條料切成預定長度（約 $3.15 \sim 40\text{ mm}$）。

核心觀念

本題屬於「木材物理學」中木材機械強度性質的核心考題，重點評量影響木材力學性質之三大內外在關鍵因子：

1. 木材水分理論：含水率（Moisture Content, MC）之定義（以全乾重為基準）、自由水與結合水之差異，以及「纖維飽和點」（Fiber Saturation Point, FSP）作為力學性質變化的關鍵分界閾值。
2. 木材非等方性（異方性）與木理：木材三軸方向（縱向、徑向、弦向）構造特徵、纖維走向（木理偏斜角度 $\theta$）之定義，以及描述傾斜木理強度折減之「漢金森公式（Hankinson's formula）」。
3. 木材天然缺陷之影響機制：節（Knot）的發育形成機制、活節（健全節）與死節（落節/鬆弛節）之定義，以及節引發「有效斷面積減少」、「周圍纖維流向嚴重扭曲」與「拉應力集中」等力學削弱機制。

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解題方法

本題為標準的「名詞定義＋機制影響」型申論題，答題架構應條理分明、對稱展開：

1. 分項平行作答：將題目要求的「含水率」、「纖維走向」與「節」獨立分為三大段落，每段嚴格依序回答「定義」與「對機械強度的影響」。
2. 定性與定量並重：

• 「含水率」必須繪製或論述以 $MC = FSP$（約 $28\% \sim 30\%$）為分界的兩階段強度響應。
• 「纖維走向」除定性說明偏斜角度越大強度越低外，應列出漢金森公式（Hankinson's formula），展現應考深度。
• 「節」需區分受力模式（抗彎受拉側 vs. 受壓側）及節的型態（活節 vs. 死節），說明應力集中破壞機制。

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選項分析

本題為公職專技高考之申論題型，無選擇題選項。評分重點著重於各要項的定義嚴謹度、力學作用機制的邏輯推導完整性，以及專有名詞（如纖維飽和點、結合水、木理傾斜度、漢金森公式）之精確度。

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解題技巧

1. 公式防呆：含水率計算分母切勿誤寫為「生材重（濕重）」，木材物理學一律以「全乾重（絕乾重）」為計算基準。
2. 韌性反例加分項：多數強度（抗彎 MOR、平行纖維抗壓、彈性模數 MOE）隨含水率低於 FSP 而上升，但「衝擊彎曲韌性（Toughness / Work to maximum load）」在生材狀態常較乾燥材高（因潮濕木材具較高塑性與延展性），補述此點可取得高分。
3. 拉壓敏感度對比：受節與木理影響時，木材的「平行纖維抗拉強度」對纖維偏斜極度敏感，其折減幅度遠高於「平行纖維抗壓強度」。

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【答案】

一、含水率（Moisture Content, MC）之定義及其對木材機械強度的影響

1. 定義： 木材含水率係指木材內部所含水分之重量，與該木材經烘乾至完全無水狀態（全乾狀態，Oven-dry condition）重量之百分比，公式如下： $MC = \frac{W_w - W_0}{W_0} \times 100\%$ 式中：

• $W_w$ 為木材之濕重（生材重）。
• $W_0$ 為木材之全乾重（絕乾重）。

2. 對木材機械強度的影響： 木材中之水分區分為細胞腔內的「自由水」與細胞壁內部的「結合水（吸著水）」。兩者對強度的影響以**纖維飽和點（Fiber Saturation Point, FSP，約 $25\% \sim 30\%$）**為關鍵轉折點：

• 當含水率高於 FSP 時（$MC \ge FSP$）： 水分的增減僅發生於細胞腔內之自由水，細胞壁內部結合水保持飽和狀態，細胞壁微纖維分子間距與氫鍵鍵結維持不變，因此木材各項機械強度性質（如抗彎強度、縱向抗壓強度、彈性模數等）均維持定值，不隨含水率變動。
• 當含水率低於 FSP 時（$MC < FSP$）：