人工林觀光木主要解剖特性及基本密度研究

劉曉玲，符韻林

（廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004）

觀光木Tsoongiodendron odorum，又名觀光木蘭、香花木、香花楠，木蘭科Magnoliaceae觀光木屬Tsoongiodendron植物，常綠大喬木。為了紀(jì)念植物學(xué)家鐘觀光先生，中國(guó)科學(xué)院華南植物研究所所長(zhǎng)陳煥鏞教授將這種樹(shù)木命名為觀光木。觀光木樹(shù)形優(yōu)美，分枝整齊，花大美麗，芳香撲鼻，材質(zhì)輕軟細(xì)致，邊材淡黃色，心材淡綠褐色，為優(yōu)良的庭園美化樹(shù)種及行道樹(shù)種［1］。主要分布于廣東、廣西、湖南、福建、江西、海南、貴州及云南東南部，分布面積不大，資源較稀缺［2］。觀光木為珍稀瀕危樹(shù)種，屬國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物［3］，近年來(lái)得到了各業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注和研究。主要的研究包括繁殖技術(shù)、生物活性成分、干燥特性及生材性質(zhì)等方面的研究［1－3］，有關(guān)人工林觀光木木材解剖特性的研究仍未見(jiàn)報(bào)道。本研究對(duì)觀光木人工林木材的主要解剖特性及基本密度等進(jìn)行測(cè)定，找到它在樹(shù)高方向和樹(shù)齡方向的縱向變異和徑向變異規(guī)律，為觀光木的最佳成熟樹(shù)齡的確定提供切實(shí)可靠的科學(xué)依據(jù)，對(duì)觀光木資源保護(hù)、開(kāi)發(fā)和利用都具有現(xiàn)實(shí)的重要意義。

1 材料與方法

1.1 試樣采集

按GB 1927－1991《木材物理力學(xué)試材采集方法》的標(biāo)準(zhǔn)［4］，在廣西南寧市良鳳江國(guó)家森林公園采集觀光木試材，共采集27年生6株觀光木試驗(yàn)樣木。以羅盤確定方向，在樹(shù)干北側(cè)以向上箭頭標(biāo)明北向。自伐根起，以皮尺測(cè)量樹(shù)干全高及枝下高（至第一活枝處），并以粉筆在樹(shù)干上自1.3 m處起（以2.0 m晉級(jí)）標(biāo)明各鋸截區(qū)段的端點(diǎn)，如1.3，3.3，5.3……，同時(shí)截鋸出約5 cm厚的2個(gè)圓盤。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用離析法測(cè)定27個(gè)生長(zhǎng)輪纖維特性，玻片制作完成后采用數(shù)碼顯微圖像電腦分析系統(tǒng)（XSJ-HS，XTJ-30）進(jìn)行纖維形態(tài)的觀察及測(cè)定，試樣隨機(jī)測(cè)定數(shù)據(jù)60組·試樣－1。采用碘結(jié)晶法測(cè)定微纖絲角。測(cè)定注意，避免測(cè)定紋孔附近的微纖絲角，因紋孔的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致其微纖絲角突然增大。測(cè)定數(shù)據(jù)50組·試樣－1。木材基本密度是決定林木品質(zhì)的重要材性因子之一，采用排水法測(cè)定。將樣品充分吸水至飽和，用排水法測(cè)定體積后在（103±2）℃中干燥，恒量后用電子天平快速稱量。測(cè)定按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1933－2009《木材密度測(cè)定方法》要求進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維形態(tài)特征及變異

纖維形態(tài)特征與木材物理、力學(xué)性質(zhì)和加工利用等直接相關(guān)。木材纖維長(zhǎng)度是造紙用材的重要指標(biāo)，同時(shí)也是纖維形態(tài)研究中最重要的因子。從纖維作為紙張和纖維板利用的觀點(diǎn)看，纖維寬度較小者其纖維交織性能好，而纖維壁厚的則被認(rèn)為是次等纖維［5］。觀光木木材纖維的平均長(zhǎng)度為1 354.23 μm，變異范圍為985.78～1 678.20 μm，屬于中等長(zhǎng)度纖維。壁腔比變異范圍為0.29～0.92，平均為0.57，屬于很好的纖維原料。觀光木木材的纖維寬度、腔徑大小、雙壁厚的平均值分別為27.08，17.69和9.38 μm，變異范圍分別是 21.37 ～33.15 μm，12.36 ～23.66 μm 和 6.34～12.84 μm。

2.1.1 纖維形態(tài)縱向變異 從圖1中可以看出：①長(zhǎng)度沿樹(shù)干高度的變化自樹(shù)干基部往上先增大而后減小。整體來(lái)看，纖維平均長(zhǎng)度以1.3 m處最長(zhǎng)，達(dá)1 478.35 μm，在接近樹(shù)梢處最小，為1 239.57 μm。這與覃引鸞［5］、 劉盛全［6］的研究結(jié)果相似，與樹(shù)木的生長(zhǎng)規(guī)律相一致，而與王小芳等［7］、 楊文忠等［8］研究結(jié)果相反。②寬度和腔徑的縱向變異規(guī)律與其長(zhǎng)度的縱向變異相似，都是隨樹(shù)干高度的增加先增加而后減小，整體來(lái)看，纖維平均寬度在1.3 m處最大，達(dá)29.73 μm，接近樹(shù)梢處最小，為24.75 μm，但是寬度的變化幅度較大。這反映了纖維長(zhǎng)度和纖維寬度之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，與樹(shù)木的生長(zhǎng)規(guī)律是一致的，即纖維長(zhǎng)度和直徑同時(shí)增長(zhǎng)才促使了樹(shù)木的生長(zhǎng)。③腔徑大小自樹(shù)干基部沿樹(shù)高方向先緩慢增大，到5.3 m處達(dá)到最大，為20.03 μm，而后開(kāi)始緩慢減小。這與纖維長(zhǎng)度和寬度的縱向變化極為相似，只是變化的幅度不大。④與纖維長(zhǎng)度、寬度及腔徑相比，雙壁厚沿樹(shù)高的變化波動(dòng)較大。在7.3 m以下，木材纖維雙壁厚做降低—增加的較大幅度波動(dòng)，7.3 m以上的變化就比較平穩(wěn)?？偟膩?lái)看，呈現(xiàn)出了先降低再增加后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。長(zhǎng)寬比自樹(shù)干基部往上總體呈現(xiàn)增大—減小—增大—減小的波動(dòng)變化趨勢(shì)。⑤長(zhǎng)寬比自樹(shù)干基部往上首先是緩慢增大然后減小，到5.3 m處達(dá)到最小值，之后又開(kāi)始增大，至7.3 m后又緩慢減小，總體呈現(xiàn)增大—減小—增大—減小的波動(dòng)變化趨勢(shì)。⑥與纖維長(zhǎng)度、寬度及腔徑相比，纖維在5.3 m以下，壁腔比沿樹(shù)高往上是逐漸減小的，5.3 m以上又緩慢增大，總體呈現(xiàn)出了先減小后增大的變化趨勢(shì)。⑦腔徑比與其纖維長(zhǎng)度、寬度及腔徑的縱向變異相似，沿樹(shù)干高度方向也是先增大，到5.3 m處達(dá)到最大，之后緩慢減小，總體呈現(xiàn)出了先增大后減小的變化趨勢(shì)。采用一元線性回歸分析建立纖維形態(tài)縱向變異的回歸模型。長(zhǎng)度的回歸模型是y＝－17.710 1x＋1 498.115，寬度的回歸模型是 y＝－0.310 2x＋29.374 8，腔徑的回歸模型是 y＝－0.272 6x＋19.711 3，相關(guān)系數(shù)分別是 0.984 4，0.927 1，0.812 6，相關(guān)性非常顯著。

圖1 觀光木纖維形態(tài)縱向變異規(guī)律圖Figure 1 Rule diagram of fiber morphology longitudinal variation of Tsoonpiodendron odorum

圖2 觀光木纖維形態(tài)徑向變異規(guī)律圖Figure 2 Rule diagram of fiber morphology radial variation of Tsoonpiodendron odorum

2.1.2 纖維形態(tài)徑向變異 從圖2中可以看出：①長(zhǎng)度在徑向上的變異明顯，自髓心向外先迅速增大，此時(shí)樹(shù)木正處于生長(zhǎng)旺盛期，形成層細(xì)胞分裂能力較強(qiáng)，纖維長(zhǎng)度等指標(biāo)明顯迅速增大，到一定年齡后已趨于穩(wěn)定，但出現(xiàn)少許波動(dòng)變化。其變異范圍為985.78～1 678.20 μm，平均值為1 354.23 μm。這一變異規(guī)律符合 “Sanio定律”，即纖維長(zhǎng)度自髓心向外隨著年齡的增加而依次增大，達(dá)到最大長(zhǎng)度時(shí)呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)［5］。這一變化規(guī)律與尹思慈［9］、 萇姍姍［10］的研究規(guī)律一致，與王小芳等［7］、 楊文忠等［8］的研究結(jié)果相反。②與長(zhǎng)度相比，寬度的徑向變異規(guī)律并不太明顯，總體上呈現(xiàn)出先緩慢增大后趨于平穩(wěn)。其變異范圍為 21.37～33.15 μm，平均值為 27.08 μm。這一變化規(guī)律與萇姍姍等［10］、 覃引鸞［5］研究木材纖維寬度變化規(guī)律一致。在前6 a，寬度自髓心向外在平緩減小之后有一個(gè)明顯的增大過(guò)程，這與觀光木的快速生長(zhǎng)有關(guān)；在6～10 a時(shí)，波動(dòng)變化比較明顯；10～15 a，變化較為穩(wěn)定，但呈現(xiàn)小幅度的緩慢增長(zhǎng)，15 a時(shí)達(dá)到最大。10 a是纖維寬度變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折期，標(biāo)志著觀光木幼齡材到成熟材的轉(zhuǎn)化。③腔徑的徑向變異規(guī)律與寬度的徑向變異規(guī)律基本一致，這表現(xiàn)了纖維寬度和纖維腔徑的高度相關(guān)性，符合觀光木的自然生長(zhǎng)規(guī)律。其變異范圍為12.36～23.66 μm，平均值為17.69 μm。④雙壁厚自髓心向外波動(dòng)變化較為明顯，但總體呈增大后趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。其變異范圍為6.34～12.84 μm，平均值為9.38 μm。前10 a，雙壁厚自髓心向外呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但總體呈增大趨勢(shì)；10～15 a時(shí)，雙壁厚比較穩(wěn)定，沒(méi)有太大變化并基本趨于穩(wěn)定。⑤長(zhǎng)寬比自髓心向外先是變大而后減小，在6 a時(shí)達(dá)到最低值；6～14 a是長(zhǎng)寬比不斷緩慢增大的過(guò)程，說(shuō)明這一時(shí)期纖維在不斷地增長(zhǎng)；12 a后，木材纖維的長(zhǎng)寬比在緩慢增長(zhǎng)后波動(dòng)變化很大。⑥壁腔比自髓心向外先是迅速增加而后緩慢減??；6～10 a，壁腔比隨著樹(shù)齡的增加而增大；10～16 a，壁腔比的變化比較穩(wěn)定，并有小幅上升的趨勢(shì)；18 a后壁腔比基本穩(wěn)定。⑦腔徑比自髓心向外先是迅速減小而后逐漸趨于穩(wěn)定?？傮w看來(lái)，10～22 a這段曲線與10 a前曲線的變化有明顯差別。如果不考慮15～18 a時(shí)曲線存在的異常變化外，10～22 a這一區(qū)段的木材纖維腔徑比是基本穩(wěn)定的，可以認(rèn)為10 a后木材進(jìn)入了成熟穩(wěn)定時(shí)期。采用一元線性回歸分析建立纖維形態(tài)徑向變異的回歸模型。從回歸分析得出：長(zhǎng)度的回歸模型是y＝15.665 8x＋1 251.196 7，雙壁厚的回歸模型是 y＝0.097 4x＋8.530 4，長(zhǎng)寬比的回歸模型是y＝－0.409 9x＋45.745 3，壁腔比的回歸模型是y＝0.006 4x＋0.445 3，腔徑比的回歸模型是 y＝－0.002 6x＋0.697 8，相關(guān)系數(shù)分別是 0.757 9，0.675 1，0.631 5，0.603 7，0.604 3，相關(guān)性非常顯著。

2.2 微纖絲角特征及變異

微纖絲角是指木材細(xì)胞次生壁中層（也稱S2層）和細(xì)胞主軸之間構(gòu)成的角度。微纖絲角是影響纖維強(qiáng)度的主要因素，微纖絲角越小木材強(qiáng)度越大，反之越小。所以微纖絲角與木材的物理力學(xué)關(guān)系密切，研究者們常將其作為材質(zhì)評(píng)定及早期良種選育的重要指標(biāo)。經(jīng)測(cè)定，觀光木木材微纖絲角為9.57°～20.26°，平均值為10.45°，變異系數(shù)為14.16%。

從圖3中可以看出：觀光木木材的微纖絲角自樹(shù)干基部至樹(shù)高1.3 m處迅速減小，從樹(shù)干1.3 m至5.3 m減小的趨勢(shì)趨于平緩，5.3 m至11.3 m處基本穩(wěn)定，11.3 m往上開(kāi)始有所增大，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因?yàn)?1.3 m往上樹(shù)木生長(zhǎng)的年限較短，幼齡材的比例較大所致。這一變異趨勢(shì)與楊文忠等［8］的研究規(guī)律一致，與覃引鸞［5］研究的變化規(guī)律不同。微纖絲角在徑向上的變異明顯，表現(xiàn)為自髓心向外木材微纖絲角先迅速增大后又迅速減小，到一定年齡后減小的趨勢(shì)變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。在前4 a，木材微纖絲角增加迅速，最大值達(dá)到13.3°；4～7 a為迅速降低的過(guò)程，7～17 a為緩慢下降的過(guò)程，在17 a時(shí)達(dá)到最小值9.6°，此后木材微纖絲角的變化趨于穩(wěn)定。采用一元線性回歸分析對(duì)微纖絲角和樹(shù)齡建立回歸模型，回歸模型為y＝－0.104 3x＋11.954 2，相關(guān)系數(shù)為0.789 6，微纖絲角與樹(shù)齡的相關(guān)性極顯著。

圖3 觀光木微纖絲角縱向和徑向的變化規(guī)律圖Figure 3 Rules diagram of micro fiber silk Angle longitudinal and radial variation of Tsoonpiodendron odorum

2.3 基本密度的變異

基本密度是指木材全干質(zhì)量與飽水狀態(tài)時(shí)木材體積的比值，它所表示的是單位生材體積或者含水最大體積時(shí)所含木材的實(shí)際質(zhì)量，是材性比較和林木育種等方面的一個(gè)重要指標(biāo)。經(jīng)測(cè)定計(jì)算得出，觀光木木材的基本密度為 0.338～0.490 g·cm－3，平均為 0.417 g·cm－3，變異系數(shù)為 7.738%。

從圖4中可以看出：觀光木木材的基本密度沿樹(shù)干向上整體是逐漸減小的，其中樹(shù)干基部到樹(shù)高3.3 m這一區(qū)間的下降趨勢(shì)最為明顯，3.3 m處向上，基本密度先小幅上升后又逐漸減小，但是變化的趨勢(shì)不明顯。這一變異規(guī)律與夏炎等［11］的研究規(guī)律一致，而與覃引鸞［5］研究的變化規(guī)律不同?；久芏鹊膹较蜃儺愖运栊南蛲獗憩F(xiàn)為增大—減小—增大的變化趨勢(shì)。前10 a，基本密度在波動(dòng)變化中逐漸增大；10～17 a為基本密度逐漸減小的過(guò)程；17～24 a基本密度又表現(xiàn)為逐漸小幅增大的趨勢(shì)，24 a后，基本密度逐漸減小。從整個(gè)曲線的變化來(lái)看，10～23 a這段曲線與10 a前曲線的變化有明顯差別?？膳卸?0 a為觀光木生長(zhǎng)進(jìn)入成熟期的年齡界限。采用一元線性回歸分析對(duì)基本密度和樹(shù)高建立回歸模型，回歸模型為y＝－0.002 4x＋0.432 0，相關(guān)系數(shù)為0.874 0，基本密度與樹(shù)干高度的相關(guān)性極其顯著。

圖4 觀光木基本密度縱向和徑向的變化規(guī)律圖Figure 4 Rules diagram of basic density longitudinal and radial variation of Tsoonpiodendron odorum

2.4 纖維形態(tài)及基本密度的相關(guān)關(guān)系

對(duì)觀光木木材縱向方向上纖維形態(tài)隨基本密度的變化進(jìn)行回歸分析，以基本密度為自變量，纖維形態(tài)為因變量作一元線性回歸分析。其回歸方程及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 纖維形態(tài)與基本密度的縱向回歸分析表Table 1 Fiber morphology and basic density of longitudinal regression analysis table

對(duì)觀光木木材徑向方向上纖維形態(tài)隨基本密度的變化進(jìn)行回歸分析，以基本密度為自變量，纖維形態(tài)為因變量作一元線性回歸分析。其回歸方程及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 纖維形態(tài)與基本密度的徑向回歸分析表Table 2 Fiber morphology and basic density of radial regression analysis table

采用一元線性回歸分析對(duì)纖維形態(tài)和基本密度建立回歸模型，縱向變異中，纖維寬度與基本密度的回歸模型為y＝99.097 5x－13.964 3，相關(guān)系數(shù)為0.818 7，基本密度與纖維寬度呈極顯著正相關(guān)；纖維長(zhǎng)度與基本密度的回歸模型為y＝4138.551 0x－359.669 0，相關(guān)系數(shù)為0.731 1，纖維長(zhǎng)度與基本密度呈顯著正相關(guān)。徑向變異中，長(zhǎng)寬比與基本密度的回歸模型為y＝120.850 3x＋0.368 4，相關(guān)系數(shù)為0.544 3，相關(guān)系數(shù)較小。為證明其顯著性，采用F-檢驗(yàn)方程顯著性，F(xiàn)＜0.01，所以所建立的回歸方程非常顯著，長(zhǎng)寬比與基本密度呈極顯著正相關(guān)；長(zhǎng)度與基本密度的回歸模型為y＝2 446.452 0x＋330.645 2，相關(guān)系數(shù)為0.452 8，相關(guān)系數(shù)較小。為證明其顯著性，采用F-檢驗(yàn)方程顯著性，0.01＜F＜0.05，所以所建立的回歸方程顯著，纖維長(zhǎng)度與基本密度呈顯著正相關(guān)。其他纖維形態(tài)與基本密度的相關(guān)關(guān)系不顯著。

2.5 幼齡材與成熟材年齡的初步界定

成熟材和幼齡材在密度、纖維長(zhǎng)度、干縮性、力學(xué)強(qiáng)度等都存在明顯的差別，一般認(rèn)為成熟材的各項(xiàng)材性指標(biāo)普遍優(yōu)于幼齡材，因此，對(duì)幼齡材和成熟材之間界限的劃分在科研和生產(chǎn)上都受到極大的重視。

本研究運(yùn)用DPS軟件的有序聚類分析法（最優(yōu)分割法）對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行聚類分為兩類，從而劃分出幼齡材與成熟材之間的年齡界限。通過(guò)對(duì)所有指標(biāo)的綜合聚類分析，得出觀光木成熟材與幼齡材的年齡界限為10 a。有序聚類分析的結(jié)果列于表3。

表3 各項(xiàng)指標(biāo)的有序聚類分析Table 3 Orderly clustering analysis of each index

3 結(jié)論

觀光木木材纖維長(zhǎng)度變異范圍為985.78～1 678.20 μm，平均長(zhǎng)度為1 354.23 μm，屬于中等長(zhǎng)度的纖維。

觀光木木材微纖絲角為9.57°～20.26°，平均為10.45°，變異系數(shù)為14.16%。徑向變異表現(xiàn)為自髓心向外先迅速增大后又迅速減小，到一定年齡后減小的趨勢(shì)變緩并逐漸趨于穩(wěn)定，微纖絲角與樹(shù)齡的相關(guān)性極顯著。

觀光木木材的基本密度為 0.338～0.490 g·cm－3，平均為 0.417g·cm－3，變異系數(shù)為 7.738%?？v向變異表現(xiàn)為沿樹(shù)干向上逐漸減?。粡较蜃儺愖运栊南蛲獗憩F(xiàn)為增大—減小—增大的變化趨勢(shì)，木材基本密度與樹(shù)干高度的相關(guān)性極顯著。

根據(jù)有序聚類分析法確定觀光木的幼齡材與成熟材年齡界限為第10年。

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