天然林五角槭木材材質(zhì)徑向變異規(guī)律初探

佟 達，張 燕，宋魁彥

(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，哈爾濱150040)

木材的材質(zhì)具有變異性［1］，把握木材材質(zhì)的變異規(guī)律可以為營林培育和木材材質(zhì)的早期預(yù)測提供理論依據(jù)。研究者對人工林木材解剖性質(zhì)的研究較多，包括木材性質(zhì)［2］、不同立地條件對木材材質(zhì)的影響［3－5］、幼齡材與成熟材的界定及早期預(yù)測等［6］，但是對天然林的研究只見對赤松、馬尾松和白樺的相關(guān)研究［7－10］。五角槭是一種生長速度緩慢、材質(zhì)均一的木材［11］，本文對其木材材質(zhì)徑向變異規(guī)律進行研究，以期得到對天然林資源的合理、高效利用。

1 試驗材料與測試方法

1.1 試材采集

五角槭試材采自位于黑龍江省巴彥縣境內(nèi)興隆林業(yè)局螞螂河林場，陽坡，坡中上，取樣方法按照國家標準GB1927－91《木材物理力學(xué)試材采集方法》的規(guī)定進行。本研究課題從每株樣木的1.3 m高處截取l個50 mm厚的圓盤，標記好南北方向，帶回實驗室。

1.2 試樣制備和測試方法

(1)木纖維長度。采用離析法進行測定。具體步驟為:①將木材試樣 (高15～20 mm，寬10 mm，長為從髓心到樹皮的半徑長)按每個生長輪分早材、過渡帶和晚材劈成片狀，放入試管中，加入30%硝酸至浸沒木材為止，放在試管架上，然后放入烘箱中加熱，在80℃條件下烘8～10 h;②將試管取出，倒出硝酸，用水沖洗試管中的試樣數(shù)次，用大姆指按住試管口，用力振蕩，使木材變?yōu)槟緷{;③用針或毛筆挑少量木漿于載玻片上，加上一滴水，加上蓋玻片置于帶測微尺的顯微投影儀下測量;④每個試樣測量30個木纖維長度，求出平均值，即為此年輪中早材、過渡帶或晚材的平均木纖維長度;⑤將每個年輪早材、過渡帶和晚材的平均木纖維長度再求平均，作為本實驗的測試值。

(2)細胞壁厚、壁腔比、徑向直徑、弦向直徑、胞壁率和組織比量。①在圓盤試材上截取高15～20 mm、寬10 mm的試樣，長度為從髓心到樹皮的半徑長;②將試樣用熱水浸泡，然后在1∶1的乙醇和甘油混合液中浸泡15d以上;③在橫切面上切取15～20μm厚的切片;④切片經(jīng)番紅染色，經(jīng)30%、50%、80%、95%的酒精脫水、無水乙醇、無水乙醇與二甲苯混合液、二甲苯順序處理;⑤將切片放在載玻片上，用光學(xué)樹脂膠固定，蓋上蓋玻片，置于干燥處，待固定好后采用V5.2彩色圖像計算機分析系統(tǒng)進行測定。

1.3 測定指標

木纖維長度、細胞壁厚、壁腔比、徑向直徑、弦向直徑、胞壁率、組織比量。

2 結(jié)果與分析

2.1 木纖維長度

五角槭木纖維長度的徑向變異規(guī)律如圖1所示，從髓心到樹皮方向先增加迅速，29～30 a間微小回落后保持相對穩(wěn)定，變異模式符合PanshinⅠ模型，14 a和26 a有相對較大波動。對其進行回歸分析，回歸方程為y=71.216Ln(x)+493.12，相關(guān)系數(shù)R2=0.708，由于在29～30 a間有一定程度的回落，這對曲線擬合度有一定的影響，對其進行分段分析，29 a前回歸方程為y=112.82Ln(x)+413.51，R2=0.941，擬合度大大提高;30 a后木纖維保持在720μm上下呈微小波動。

圖1 木纖維的徑向變異Fig.1 Radial variation of wood fiber length

2.2 細胞壁厚

細胞壁厚隨著年輪增長呈微小的上升趨勢，但在整個過程中都存在不同程度的變化，28～30 a前的變化起伏較大，之后趨于相對平穩(wěn)，進入成熟期，保持在11μm上下，在14 a和26 a前后存在大幅度的下降，如圖2所示。

圖2 細胞壁厚的徑向變異Fig.2 Radial variation of cell wall thickness

2.3 壁腔比

五角槭作為一種材質(zhì)均一的珍貴木材，其細胞壁腔比除個別生長輪外，數(shù)值上都小于1，每一個細胞都呈現(xiàn)中空的支架結(jié)構(gòu)，使木材的強度增大。細胞壁腔比均呈現(xiàn)無規(guī)律的起伏變化，14 a、21 a和26 a前后產(chǎn)生突變，而在29～31 a后的起伏變化較之前的起伏小，如圖3所示。

圖3 壁腔比的徑向變異Fig.3 Radial variation of cell wall to cavity radio

2.4 胞壁率

作為一種材質(zhì)均一，早晚材變異不大的優(yōu)質(zhì)闊葉材，五角槭的胞壁率的徑向變異從隨心到樹皮總體保持在60%上下浮動，但是在生長的過程中伴隨著不同程度的波動，也是在14 a、21 a和26 a前后波動較大，如圖4所示，不同年份之間的氣候變化可能是產(chǎn)生這種波動的直接原因。在31～33 a后，胞壁率的變化波動減小，樹木進入成熟期。

2.5 徑、弦向直徑

徑向直徑的變化如圖5所示，其在整個年輪中呈現(xiàn)波動的微小上升趨勢，徑向直徑的波動集中在14～20μm之間，29～31 a后徑向直徑的波動略小于之前的變化。弦向直徑的變化趨勢同徑向直徑，弦向直徑數(shù)值集中在11～17μm之間，29～31 a后的變化幅度較之前變小，生長處于成熟期，如圖6所示。徑、弦向直徑都在14 a、21 a和26 a有較大的波動，徑向直徑大于對應(yīng)輪齡的弦向直徑，成熟材弦向直徑的波動比徑向直徑的波動顯著。

圖4 胞壁率的徑向變異Fig.4 Radial variation of fiber wall ratio

圖5 徑向直徑的徑向變異Fig.5 Radial variation of radial diameter

圖6 弦向直徑的徑向變異Fig.6 Radial variation of tangential diameter

綜合以上5項指標可以初步把幼齡材和成熟材界定在28～33 a之間。在14 a和26 a前后，木纖維長度、細胞壁厚、壁腔比和胞壁率都存在一定程度的下降，而徑向直徑和弦向直徑都有所增加，形成的木纖維具有腔大，壁薄，長度較小的特點，說明當年的生長過程中，營養(yǎng)物質(zhì)主要供給樹木橫向上的生長，樹木高度上的生長較小;在21 a，壁腔比和胞壁率突然變大，徑、弦向直徑突然減小，而木纖維長度和細胞壁厚變化不大，形成的木纖維的細胞腔較小，可能受當年氣候影響，致使形成層原始細胞活動能力減弱，細胞分裂亦因而減弱。

2.6 組織比量

組織比量的徑向變異規(guī)律如圖7所示，從髓心到樹皮方向木纖維比量呈小幅度下降，導(dǎo)管比量有所上升，木射線比量在生長期間波動較大［12］。在樹木生長過程中，隨著年輪的增長，木材所需的養(yǎng)料越來越多，就需要更多的運送機制去滿足生長的需求，導(dǎo)管在木材的生長中是水分和養(yǎng)料的運輸通道，只有導(dǎo)管數(shù)量的增加才能滿足上述需求，故導(dǎo)管比量有所增加。排除較大數(shù)值波動的干擾，對五角槭組織比量進行回歸分析，見表1，木纖維、導(dǎo)管和木射線比量均可達到很好的擬合度，擬合方程分別為y=72.951e－0.0007x，R2=0.820;y=17.991e0.0022x，R2=0.875;y=9.463 5e0.0074x，R2=0.778。

表1 組織比量與生長輪齡的關(guān)系Tab.1 Relationship between tissue radio and growth ring age

圖7 組織比量的徑向變異Fig.7 Radial variation of tissue radio

3 結(jié)束語

天然林五角槭木纖維長度徑向變異規(guī)律符合PanshinⅠ模型，其幼齡材的回歸方程為 y=112.82Ln(x)+413.51，相關(guān)系數(shù) R2為0.941，擬合性較好;成熟后木纖維長度在720μm上下微小浮動;細胞壁厚、壁腔比、徑向直徑、弦向直徑和胞壁率的變化規(guī)律相似，都表現(xiàn)為幼齡材階段數(shù)值波動較大，而進入成熟期后波動程度減弱;綜合以上各測試指標初步界定幼齡材與成熟材的年限為29－33 a之間，各年輪間測定指標的變化受不同生長因素的影響;木纖維比量呈微小下降，導(dǎo)管比量有所上升，木射線比量在生長期間波動較大，回歸方程滿足y=a ebx變異模型，相關(guān)系數(shù)在0.778～0.875范圍內(nèi)，擬合性較好。

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