初植密度對(duì)大青楊木材顯微構(gòu)造特征及固碳量的影響1)

朱 莉 關(guān) 鑫 李 堅(jiān) 郭明輝

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

為了實(shí)現(xiàn)森林資源持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，得到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)木材的同時(shí)緩解溫室效應(yīng)，研究木材品質(zhì)、固碳量與森林培育和加工利用的關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)人工林定向培育和高效利用的先導(dǎo)。培育措施包括林分結(jié)構(gòu)、初植密度、間伐、修枝等，是影響木材材質(zhì)和固碳量的重要因子，因此了解不同培育措施與木材微觀構(gòu)造特征和固碳量的相關(guān)關(guān)系，將有利于培育優(yōu)質(zhì)高固碳量人工林［1-4］。初植密度是人工林培育的主要參數(shù)之一，直接關(guān)系到人工林木材的材質(zhì)。目前對(duì)于初植密度的研究結(jié)論較多［5-11］，Polge研究發(fā)現(xiàn)［12］，初植密度較大易產(chǎn)生較大的節(jié)子和較多的幼齡材，而尖削度較大的樹木主要生長(zhǎng)在初植密度較小的空間內(nèi)。Cown研究表明［13］，在初植密度較大的條件下生長(zhǎng)的加勒比松(Pinus caribaea)，其木材密度較低。郭明輝［14］研究表明，紅松(Pinus koraisensis)初植密度較大，其胞壁率、生長(zhǎng)輪密度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、木材密度較大?？梢?，樹木的多樣化使其培育措施具有專屬性［15］。筆者以東北人工林主要樹種之一的大青楊為對(duì)象，主要研究其初植密度對(duì)木材微觀構(gòu)造特征和固碳量的影響，從而推動(dòng)大青楊人工林定向培育技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

1 材料和方法

試材采自東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)老山生態(tài)站的大青楊人工林。選取3種初植密度為2.0 m×2.0 m、3.0 m×3.0 m 和 4.0 m×4.0 m 的林分，在每塊樣地隨機(jī)選取3棵樹，于胸高1.3 m處分別截取厚25、50 mm圓盤各一個(gè)，標(biāo)明南北方向。樣木狀況見表1。

表1 樣木

解剖特征測(cè)量 解剖特征包括纖維長(zhǎng)度、導(dǎo)管長(zhǎng)度、纖維直徑、導(dǎo)管直徑、壁厚、壁腔比、胞壁率和組織比量。其中，纖維和導(dǎo)管長(zhǎng)度采用離析法［1］測(cè)定，其余橫切面解剖特征采用木材顯微圖像分析［1］處理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

木材固碳量計(jì)算 木材是一種復(fù)雜的多孔性材料，其微觀構(gòu)造有導(dǎo)管、管胞、木纖維、木射線、胞間道等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但存在共性，即都是由細(xì)胞腔和細(xì)胞壁構(gòu)成。細(xì)胞壁是碳的儲(chǔ)存體［5］，通過(guò)測(cè)量細(xì)胞壁的量可以總體評(píng)價(jià)木材碳匯能力。計(jì)算公式如下:

式中:C為木材的固碳量;r為胞壁率;V為木材材積，按照伐倒木區(qū)分求積法計(jì)算;n為轉(zhuǎn)化系數(shù)，若C的單位為g，V的單位為 cm3，則n為1，若C的單位為kg，V的單位為m3，則n為103。

2 結(jié)果與分析

2.1 解剖特征與初植密度

2.1.1 木纖維

不同初植密度林分木纖維特征測(cè)定結(jié)果如表2所示。方差分析表明，纖維壁厚、纖維長(zhǎng)度和纖維組織比量差異性顯著。

表2 不同初植密度林分木纖維特征測(cè)定結(jié)果

從數(shù)值上看，初植密度為3.0 m×3.0 m的組織比量最大，其次為4.0 m×4.0 m，最小為 2.0 m×2.0 m。但是初植密度為3.0 m×3.0 m的纖維長(zhǎng)度和纖維壁厚都小于初植密度為4.0 m×4.0 m的木纖維，而初植密度為2.0 m×2.0 m的木纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)。從造紙角度而言，紙張的質(zhì)量品種多樣，纖維長(zhǎng)度影響紙的撕裂強(qiáng)度、耐折度、耐破度等，通常要求纖維長(zhǎng)度在0.9～3.0 mm之間。此外，管胞的長(zhǎng)寬比、壁腔比與紙張強(qiáng)度和質(zhì)量也有密切關(guān)系，一般認(rèn)為長(zhǎng)寬比大于30～45，壁腔比小于1的纖維適合造紙。對(duì)照本研究結(jié)果可知，3種初植密度生長(zhǎng)的大青楊木纖維指標(biāo)均符合造紙要求，且2.0 m×2.0 m優(yōu)于4.0 m×4.0 m，其次為3.0 m×3.0 m。

2.1.2 導(dǎo)管

導(dǎo)管體積一般占木材總體積的7% ～43%，是輸導(dǎo)組織，但導(dǎo)管本身是降低木材物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素之一［16］。不同初植密度林分導(dǎo)管特征測(cè)定結(jié)果如表3所示。方差分析表明，導(dǎo)管直徑、導(dǎo)管壁厚、導(dǎo)管長(zhǎng)度、導(dǎo)管長(zhǎng)寬比和導(dǎo)管組織比量差異性顯著。初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊，其導(dǎo)管相對(duì)短小，導(dǎo)管腔相對(duì)較大，組織比量相對(duì)較小，相對(duì)來(lái)說(shuō)，其既利于樹木生物量的累積，又不會(huì)顯著降低木材的力學(xué)強(qiáng)度。初植密度為3.0 m×3.0 m和2.0 m×2.0 m的大青楊，其導(dǎo)管各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)較為接近。但考慮木材固碳量的累積，初植密度為2.0 m×2.0 m的大青楊，其導(dǎo)管各項(xiàng)指標(biāo)更符合要求。

表3 不同初植密度林分導(dǎo)管特征測(cè)定結(jié)果

2.2 固碳量與初植密度

由圖1 可知:初植密度為2.0 m×2.0 m 和3.0 m×3.0 m的大青楊人工林，其連年固碳量變化趨勢(shì)較為相似，即先緩慢增加(＜16 a)，而后呈相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)性變化;初植密度為2.0 m×2.0 m的大青楊人工林，其連年固碳量在前期的增加幅度要相對(duì)較大;初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊人工林，連年固碳量在短期內(nèi)(＜7 a)快速增加，而后呈相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)性變化。表4表明，初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊人工林連年固碳量最大，其次是被植密度為2.0 m×2.0 m的大青楊人工林連年固碳量，而初植密度為3.0 m×3.0 m的大青楊人工林連年固碳量最小。其中2.0 m×2.0 m的初植密度對(duì)連年固碳量具有高度顯著性影響。不同初植密度的大青楊人工林，連年固碳量的差異性顯著。對(duì)于單株大青楊而言，4.0 m×4.0 m的初植密度將獲得最多的固碳量。而對(duì)于單位面積內(nèi)大青楊人工林總的連年固碳量而言，初植密度為2.0 m×2.0 m的大青楊人工林連年固碳量最大，而初植密度為3.0 m×3.0 m的大青楊人工林連年固碳量最小，初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊人工林連年固碳量介于兩者之間，因此，2.0 m×2.0 m的初植密度應(yīng)是科學(xué)合理的選擇方案，但同時(shí)應(yīng)該采取其他培育措施來(lái)增加大青楊的固碳量，即提高單株樹木固碳量的同時(shí)也提高大青楊人工林總的固碳量。

表4 不同林分類型人工林大青楊木材連年固碳量測(cè)定結(jié)果

圖1 不同初植密度林分固碳量徑向變異

3 結(jié)論

初植密度4.0 m×4.0 m的大青楊人工林，其徑級(jí)相對(duì)較大，力學(xué)性能相對(duì)較好，單株樹木短時(shí)間內(nèi)固碳量累計(jì)較高，因此可考慮作為短期輪伐林的培育模式;初植密度2.0 m×2.0 m的大青楊人工林，其力學(xué)性能相對(duì)低于初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊，但單位面積內(nèi)大青楊累積固碳量較高，因此可考慮作為長(zhǎng)期固碳林的培育模式。此外初植密度為2.0m×2.0m的大青楊，其木纖維各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)較優(yōu)，故采伐后的木材可用作造紙?jiān)稀?/p>

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