紅錐生長過程中心材變化特征研究

蔣 燚 王 勇 劉曉蔚 韋鑠星 劉雄盛

(廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，國家林業(yè)局中南速生材繁育實驗室，廣西 南寧 530002)

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紅錐生長過程中心材變化特征研究

蔣 燚 王 勇 劉曉蔚 韋鑠星 劉雄盛

(廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，國家林業(yè)局中南速生材繁育實驗室，廣西 南寧 530002)

以廣西林業(yè)科學(xué)研究院老虎嶺試驗林的28年生紅錐單木為研究對象，進行心材變化特征分析，用回歸方程對心材與邊材關(guān)系進行擬合，定量研究心材形成過程中的變化規(guī)律。結(jié)果表明：紅錐心材初始年齡為7.17 a，當(dāng)樹干心材出現(xiàn)之后，心材平均合成速率為0.72輪/a；紅錐心材直徑生長和斷面去皮直徑生長擬合的線性關(guān)系比采用年輪數(shù)效果更好，回歸方程為y=1.021 9x-8.176 6，R2=0.978，紅錐干材去皮直徑為8.00 cm，是心材開始形成的閾值，去皮直徑每增加1.00 cm，心材直徑增加1.02 cm，心材的圓滿度隨直徑增長呈正相關(guān)關(guān)系；紅錐心材沿樹高變化表現(xiàn)為心材形成時間和大小，與樹高生長呈相反趨勢，心材、邊材比例隨紅錐生長而減弱。

紅錐；生長過程；心材變化；邊材轉(zhuǎn)化

心材是珍貴樹種的主要用材部分，其致密堅硬、耐腐蝕。由于心材材質(zhì)好、色澤佳、紋理美觀，其加工成的家具、工藝品深受人們喜愛，市場前景廣闊。廣西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，熱量豐富、雨量充沛、雨熱同季，林木生長迅速，發(fā)展珍貴樹種優(yōu)勢突出[1]。然而多數(shù)珍貴樹種的生長周期長，且木材在材積生長高峰期前，機械強度較低、含水率較高，易開裂，心材比例低，導(dǎo)致加工利用價值不高[2]。因此，培育材性優(yōu)良、速生、豐產(chǎn)、適應(yīng)性強的珍貴樹種，研究其心材形成規(guī)律，篩選出心材生長快、心材比例高的品系是滿足當(dāng)前市場需求的重要途徑。

紅錐(Castanopsishystrix)是廣西珍貴鄉(xiāng)土樹種之一，喜溫?zé)岫酀癍h(huán)境；其生長快，天然更新能力和萌芽力強，韌皮纖維發(fā)達，心邊材區(qū)別明顯，心材所占比例大，材質(zhì)堅硬，木材機械加工性能好[3]，并且改善土壤效果好、涵養(yǎng)水源能力強，是優(yōu)良的珍貴闊葉樹種和公益林樹種，生態(tài)、經(jīng)濟價值極高。20世紀80年代開始，國家林業(yè)局十分重視紅錐的栽培種植，張方秋等[4]、朱積余等[5]進行了不同種源紅錐的造林試驗，認為不同種源紅錐的生長差異極大；其他學(xué)者也針對紅錐大徑材培育進行篩選，總結(jié)了一套不同林齡紅錐人工林優(yōu)樹選擇技術(shù)[6]；中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心已建成紅錐良種基地[7]。目前，紅錐人工林造林面積不斷擴大，但主要研究仍集中在栽培模式對紅錐生長的影響[8-9]、林分生物量及理化性質(zhì)[10-14]方面，對其生長過程中主要收獲部分心材的形成及其沿樹高變化的研究尚未見報道，本研究以28年生紅錐為對象，通過樹干解析分析其生長過程中心邊材的變化及心材與樹高的關(guān)系，為構(gòu)建紅錐心材生長收獲模型和木材的有效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區(qū)南寧市南郊，廣西林業(yè)科學(xué)研究院老虎嶺試驗基地，地處北緯22°55′49″～22°56′09″，東經(jīng)108°19′50″～108°20′04″，海拔135～217 m，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.8 ℃，1月均溫12.8 ℃，7月均溫27.8 ℃，≥10 ℃的年積溫7 200 ℃左右，極端最低溫-1.5 ℃，極端最高溫39.4 ℃，一般年份有2～4 d輕微的霜凍，年均降水量為1 350 mm，蒸發(fā)量1 609 mm，年日照時數(shù)1 800 h，屬丘陵地帶，干濕季明顯，土壤是由頁巖發(fā)育而成的磚紅壤性紅壤。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

在28年生紅錐林中，設(shè)置20 m×20 m樣方3個，選取干形通直、枝葉繁茂的平均木6株，實測胸徑并標(biāo)明北向后伐倒，分別在樹干基部及胸高處取厚為5 cm的圓盤，胸高之后每隔2 m截取1個圓盤，測得樣木的帶皮平均胸徑為24.0 cm，去皮平均胸徑為22.3 cm，平均樹高24.7 m。取回的圓盤先將工作面刨光，根據(jù)心材與邊材顏色差異區(qū)分心邊材界限，測量每個圓盤東西、南北方向的總年輪數(shù)、心材年輪數(shù)、樹干去皮直徑、心材直徑。采用平均數(shù)值計算心邊材半徑和樹皮厚度之間的關(guān)系，比較分析心邊材的變化規(guī)律。

2.2 數(shù)據(jù)處理

樹干某一高度的圓盤總年輪數(shù)表示對應(yīng)高度的形成層年齡(cambial age)。心材年輪數(shù)與形成層年齡回歸曲線的斜率表示每年邊材向心材轉(zhuǎn)化的年輪數(shù)，即心材形成速率；擬合曲線與橫軸的交點表示心材起始樹齡[15-17]。同樣，心材半徑與樹干去皮半徑回歸曲線的斜率表示每年邊材向心材轉(zhuǎn)化的寬度，擬合曲線后可得心材起始樹干的去皮直徑(去皮半徑的2倍)。本研究采用線性模型估算心材起始樹齡，使用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理及圖表整理。計算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 紅錐心材的產(chǎn)生年齡

對28年生紅錐心材與年輪關(guān)系進行擬合，測算不同斷面高心材產(chǎn)生年齡，結(jié)果見圖1～2。

圖1中，回歸曲線的斜率表示紅錐的平均形成速率為0.72 輪/a，由此推算其心材開始形成年齡為7.17 a。

由圖2可以看出，0～3.6 m的圓盤斷面心材年輪減少數(shù)量與樹干年輪減少數(shù)量相同，因此,在這段高度內(nèi)木材心材的形成時間趨于相同；3.6～5.6 m心材年輪數(shù)隨樹干年輪的減少而增多，5.6 m時斷面年輪為23 a，心材年輪達15 a，此時斷面邊材年輪數(shù)明顯減少；之后隨著樹高生長，心材年輪數(shù)逐漸減少，7.6 m處斷面年輪仍為23 a，而心材年輪僅10 a，邊材年輪數(shù)13 a，心材年輪數(shù)變小，與前后斷面有2～3年輪之差，波動比例為15%，邊材年輪數(shù)達最高值。在5.6～7.6 m，紅錐心材、邊材年輪數(shù)在某一處數(shù)量相同，達到平衡，之后邊材年輪數(shù)所占比例逐漸增大。

由圖2折線趨勢可看出，在7.6 m往上的樹干心材、邊材年輪差異趨于穩(wěn)定。15.6 m處心材年輪為4 a，在此高度以上的木材則只有邊材，而心材未觀測到。

圖2中虛線為預(yù)測年輪數(shù)，該估測結(jié)果趨勢與實際趨勢基本一致，斷面年輪數(shù)大，預(yù)測較準(zhǔn)確，僅在5.6 m處斷面心材年齡預(yù)估有較大差異，年輪數(shù)越小預(yù)測結(jié)果偏差越大，預(yù)測心材形成達到位置比實際高出4.0 m。

3.2 紅錐生長過程中心材與邊材比例變化

紅錐心材半徑與斷面半徑的變化關(guān)系見圖3。

圖3中，心材半徑與斷面半徑關(guān)系的回歸方程為y=1.021 9x-8.176 6，擬合的曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.978。當(dāng)斷面直徑為8.00 cm，大于該閾值的斷面即開始形成心材，之后去皮直徑每生長1.00 cm，心材直徑生長1.02 cm，心材直徑生長指標(biāo)與去皮斷面直徑呈顯著的線性關(guān)系。邊材半徑與斷面半徑關(guān)系的回歸方程為y=0.021 9x+8.177 6，相關(guān)系數(shù)R2為0.020，說明紅椎在形成心材以后，同時存在心材、邊材的斷面上，邊材直徑比例無明顯變化，差值為7.20～8.80 cm；去皮直徑與心材直徑在0 m和13.60 m處相差最大，為8.70 cm，其余斷面差值均在0.70 cm內(nèi)。

紅錐心材東西、南北直徑相差比見圖4，在斷面高9.6 m以下部分紅錐心材東西、南北方向直徑比例較穩(wěn)定，相差在16%以內(nèi)；在整體樹干心材年輪數(shù)波動較大的5.6 m斷面位置，邊材、心材直徑相差比變化在2%以內(nèi)；從斷面高在11.6 m以上開始心材直徑相差比差異較大，變化比例在0～34%不等，其中13.6 m處東西、南北心材直徑相同。

對心材直徑大小進行預(yù)測，與實際測定值基本一致，15.6 m及其以下預(yù)測誤差均在10%以內(nèi)，回歸方程擬合結(jié)果良好，但心材預(yù)測所到高度超出實際情況，達到17.6 m處，比實際高出2.0 m，回歸方程效果比采用年輪數(shù)對心材進行預(yù)測更好。

3.3 紅錐心材與邊材變成沿樹高生長的變化關(guān)系

已知紅錐心材形成數(shù)量隨著樹高增加而減少，心材、邊材沿樹高生長趨勢基本一致。不同高度心材直徑與斷面直徑變化關(guān)系見圖5。

圖5表明，不同高度的斷面下，紅錐邊材年輪數(shù)向心材轉(zhuǎn)化的速率不相等，5.6 m斷面處心材年輪達15 a，邊材年輪為8 a；而0～3.6 m邊材年輪達13 a，其心材年輪轉(zhuǎn)化速率小于5.6 m處。

由于用直徑擬合紅錐的心邊材變化比年輪數(shù)更準(zhǔn)確，分別擬合7.6 m以下的斷面和7.6 m以上的斷面的心材、邊材直徑變化線性關(guān)系(圖6)，根據(jù)斜率變化，隨樹高生長紅錐樹干心材的直徑生長速率呈加快的趨勢，7.6～15.6 m的去皮直徑每增加1.00 cm，心材直徑增加1.20 cm。可知其心材形成時間和大小，與樹高生長呈負相關(guān)，而邊材形成與樹高生長變化趨勢呈正相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

木材心材是由邊材轉(zhuǎn)化而來，隨著木材直徑增長，心材所占比例越來越大而邊材越來越小，是樹干內(nèi)部繼形成層原始細胞向木質(zhì)部細胞分化之后，木質(zhì)部細胞發(fā)生的二次變化，也是樹木生長中一個重要的生理學(xué)過程。不同樹種及不同種源的植株，其心材和邊材質(zhì)地與比例均存在差異，與植物遺傳特性有關(guān)[18]，如海南黃花梨在當(dāng)?shù)胤譃橛屠婧涂防?，油梨心材比例較大[19]。樹木生長及立地條件也能造成心材及邊材量的不同[16，20-21]，甚至培育措施、測樹學(xué)參數(shù)也能顯著影響心材的質(zhì)地和數(shù)量[22]，如檀香(Santalumalbum)心材是提取精油的主要部分，培育過程中使用植物生長調(diào)節(jié)劑可以提高心材的芳香氣味[23]。

估算心材、邊材變化規(guī)律有助于了解樹木生長過程，評價用材樹種的木材產(chǎn)量及品質(zhì)[24-25]。本研究基于廣西林業(yè)科學(xué)研究院老虎嶺試驗林的28年生紅錐單木進行心材結(jié)構(gòu)分析，采用回歸方程對心材年輪數(shù)與去皮直徑年輪數(shù)關(guān)系進行擬合，定量研究了心材形成過程中的變化規(guī)律，根據(jù)擬合的生長模型，紅錐心材初始年齡為7.17 a，當(dāng)樹干心材出現(xiàn)之后，心材年齡隨著去皮年輪數(shù)的增加而增加，速率為0.72輪/a。不同樹種心材形成及生長差異明顯，Nowrot等[26]在研究落葉松(Larixgmelini)時認為，落葉松心材開始形成年齡為5 a，形成速率為1輪/a。Pinto[27]在研究海岸松(Pinuspinaster)心材與邊材生長中估測海岸松心材起始年齡為13 a，不同發(fā)育階段心材形成速率不同，當(dāng)樹齡為0～54 a時速率為0.5輪/a，55年生以上海岸松心材形成速率為0.7輪/a。說明不同樹種心材形成差異大，同一樹種不同種源也存在較大差異，其形成也受基因調(diào)控影響，如不同家系輻射松心材開始形成時間在16～23 a不等[28]。

紅錐心材直徑生長和邊材直徑生長密切相關(guān)，相關(guān)性比采用年輪數(shù)效果更好，回歸方程為y=1.021 9x-8.176 6，當(dāng)紅錐干材去皮直徑達8 cm時，心材開始形成，與直徑生長基本一致。干材直徑越大模型預(yù)測效果越準(zhǔn)確，去皮直徑每增加1.00 cm，心材直徑增加1.02 cm，心材的圓滿度隨著直徑增長呈顯著正相關(guān)，5.6 m處心材年齡數(shù)增大，而斷面的心材直徑生長無明顯變化，說明年輪數(shù)并沒有對心材圓滿度造成影響，波動最大為10%。圖3、圖6均顯示28年生紅錐，其心材大小的形成趨勢隨著植株的高生長而減小，這與王興昌等[29]研究東北主要樹種心材與邊材的生長特征的結(jié)果相同。不同樹種、地區(qū)研究結(jié)果不盡相同，如加拿大松心材在沿樹高生長過程中無一定規(guī)律，Climent等[30]認為這可能與試驗地氣候有關(guān)，不同強度的風(fēng)讓林木產(chǎn)生劇烈搖動而促進不同階段心材的形成速率。隨著樹高生長，紅錐心材形成時間和大小，與樹高生長呈相反趨勢，而邊材形成與樹高生長變化趨勢一致，心材、邊材的比例隨紅錐生長而減小，Pande[15]曾研究生長及木材解剖性能和比重對印度黃檀(Dalbergiasissoo)木材心材、邊材、抗拉木的影響，證實該樹種心材、邊材和正常木/抗拉木比例隨樹高生長呈下降趨勢。紅錐是廣西主要珍貴鄉(xiāng)土樹種，但目前對其心邊材生長還處于初步研究中，其材性在林分不同發(fā)育階段的變化，以及心材形成在不同時期變化規(guī)律仍需要進一步探索[31]，今后研究還需根據(jù)收獲目的用材部分心材，篩選心材比例大、形成速度快的紅錐基因型，為發(fā)展生長快、形狀優(yōu)良的紅錐樹種提供保障。

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(責(zé)任編輯 曹 龍)

The Heartwood Variation Characteristics of Growing Processes ofCastanopsishystrix

JIANG Yi，WANG Yong，LIU Xiao-wei，WEI Shuo-xing，LIU Xiong-sheng

(Guangxi Forestry Research Institute,Key Laboratory of Central South Fast-Growing Timber Cultivation of Forestry Ministry of China,Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation,Nanning Guangxi 530002,China )

Based on the 28 years oldCastanopsishystrixin Laohuling test plantation to research the heartwood variation characteristics,and then studied quantitatively the change rule of heartwood forming process by evaluating the relationship between heartwood and sapwood from regression equation.The results were as follows:The initial age of heartwood was estimated to be 7.17 a,heartwood forming rate was 0.72 rings per year after heartwood occurred in trunk.The linear relationship between diameter of heartwood and sapwood was more significant than linear relationship between annual rings:y=1.021 9x-8.176 6,R2=0.978.Heartwood formation should occur until radial and axial distribution of sapwood was wider than 8.00 cm, and the sapwood increased 1.00 cm in diameter while the heartwood increased 1.02 cm. Heartwood stem fullness showed a positively correlated with increasing of diameter.The HW/SW(both in diameter and annual)and the time of heartwood formation decreased with increase of height.

Castanopsishystrix;growth process;heartwood ratio;transformation of sapwood to heartwood

2014-11-14

國家發(fā)改委重大項目(桂發(fā)改農(nóng)經(jīng)〔2010〕599號)資助。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.04.009

S758.5

A

2095-1914(2015)04-0053-05

第1作者：蔣燚(1968—)，博士，教授級高級工程師。研究方向：森林培育和森林生態(tài)學(xué)。Email：jy68@163.com。