香椿木材年輪寬度與解剖形態(tài)特征研究

香椿木材年輪寬度與解剖形態(tài)特征研究

羅建勛1盧丹2齊錦秋2黃興彥2李鳳2

(1.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081； 2.四川農業(yè)大學林學院，四川 雅安 625014)

摘要：采用木材切片法和光學顯微技術，研究香椿木材的微觀特征，分析年輪寬度、導管及纖維形態(tài)的徑向變異。結果表明：髓心至第10年年輪寬度迅速增加，1～20 a間均保持旺盛的生長；早材和晚材的導管寬度、雙壁厚、腔徑由髓心向外逐漸增大，約19 a后趨于平穩(wěn)，早材導管寬度121.80 μm，晚材導管寬度38.75 μm，早材導管雙壁厚度10.98 μm，晚材導管雙壁厚度16.49 μm；纖維長度由髓心向外呈逐漸增大的趨勢，18 a后纖維長度基本趨于穩(wěn)定，纖維形態(tài)指標平均值分別為：長度1080.94 μm，寬度26.76 μm，長寬比40.25，雙壁厚7.96 μm，腔徑18.80 μm，壁腔比0.43。

關鍵詞：香椿；年輪寬度；纖維；導管；微觀構造

中圖分類號：S781.1

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1914(2015)02-0095-05

Abstract:Growth ring, vessel and fiber morphology of Toona sinensis wood were evaluated by using xylotomy and optical microscopy. The results were as follows: the growth ring width increased from pith to 10-year old, keeping vigorous growth from 1 to 20 years. The width, double wall thickness and lumen diameter of vessel in early wood and late wood increased from pith to 19-year old, then tending towards stability. The width of vessel in early wood and late wood were 121.80 μm and 38.75 μm, and the double wall thickness of vessel in early wood and late wood were 16.49 μm and 10.98 μm, respectively. The fiber length first increased from pith to 18-year, ending up with stability. The average fiber length, width, length to width ratio (L/W), double wall thickness, lumen diameter and double wall thickness to lumen diameter ratio (2T/D) were1080.94μm, 26.76 μm, 40.25, 7.96 μm, 18.80 μm, 0.43, respectively.

Keywords:Toona sinensis; growth ring width; fiber; vessel; microstructure

收稿日期：2014-10-10

基金項目：西南林業(yè)大學科技創(chuàng)新基金項目(C1420)資助；西南林業(yè)大學與企業(yè)合作基金項目(31261801)資助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.017

Growth Ring Width and Anatomical Properties

ofToonasinensisWood

LUO Jian-xun1,LU Dan2,QI Jin-qiu,HUANG Xing-yan2,LI Feng2

(1.Sichuan Academy of Forestry, Chengdu Sichuan 610081, China;

2. College of Forestry, Sichuan Agricultural University, Ya′an, Sichuan 625014, China)

木材性質是由構成木質部的細胞類型、形態(tài)、數(shù)量以及細胞排列方式所決定。香椿木材細胞主要由木纖維細胞、導管、木射線、軸向薄壁細胞組成，其中木纖維細胞約占木材體積的50%以上，在木材中起到主要機械支持作用，纖維細胞形態(tài)是影響香椿木材性質的重要指標。導管是闊葉材中直徑最大的細胞，是形成木材花紋的重要結構。

香椿(Toonasinensis)為楝科香椿屬，又名椿樹、毛椿、椿芽樹等。落葉喬木，高達25 m，胸徑可達1 m，是我國特有的珍貴速生用材樹種。香椿材色為淺紅褐色，木材花紋美麗、耐腐，材質硬度適中。香椿木材為環(huán)孔材，在一個年輪中表現(xiàn)為早材管孔直徑遠大于晚材管孔，木材顏色呈紅褐色，有光澤[1]，因此，在木材弦切面和徑切面的花紋較美麗。香椿木材是我國重要的家具、地板、室內裝飾裝潢用材。通過對香椿年輪寬度、導管及纖維細胞的徑向變異研究，以期為香椿材質預測及其高效加工利用提供科學的理論基礎。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗材料取自四川省達州市大竹縣，地處東經(jīng)107°13′，北緯30°51′。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均溫度15℃，無霜期284 d，相對濕度84%，日照時數(shù)1 329.4 h。取樣林分為香椿人工林純林，林分密度1 110株/hm2，林齡25 a，林分平均胸徑30 cm，平均樹高20 m。試材采集方法依據(jù)GB 1927—1991《木材物理力學實驗方法》中相關要求進行，采集5株平均木，截取樹干1.3 m處圓盤，樹干胸高部位年輪數(shù)為24 a，標記圓盤北側方向。

1.2試驗方法

1.2.1顯微切片的制作沿木材圓盤北側方向，用帶鋸機截取寬度和厚度約1 cm的通過髓心的木條，然后進行水煮軟化。用刀片將軟化好的木條切成徑向長度1 cm的樣塊。用木材切片機(TU-250)將軟化好的試材切成厚度30 μm的切片，經(jīng)番紅染色、系列乙醇脫水、中性樹脂膠封固，制成永久切片。

1.2.2年輪寬度的測量將切片置于精密顯微投影儀(TYH 150)下，測量從髓心到樹皮的每個年輪寬度。放大倍數(shù)20倍，測量精度0.01 mm 。

1.2.3解剖性質

1) 纖維和導管的寬度、壁厚、腔徑測量：纖維寬度、壁厚、腔徑指標測量部位選在每個年輪中部位置，測量纖維細胞的徑向尺寸。因香椿早晚材導管尺寸差異較大，所以導管寬度、壁厚、腔徑指標測量部位分別選在早材和晚材部位，測量導管的徑向尺寸。將切片放在奧林巴斯顯微鏡(BXS1)下進行顯微攝影，利用木材分析軟件(TDY-5.2I)進行測量。纖維形態(tài)指標每個年輪測量60個，導管形態(tài)指標在每個年輪的早材和晚材部位分別測量30個，取平均值。

2) 纖維長度的測量：采用離析法，分別在每個年輪的中部取樣，切成火柴桿大小，放在10%鉻酸和10%硝酸混合溶液內，室溫下離析10～15 h。離析完成后制作臨時切片，在數(shù)顯投影儀下(TYH 150)進行測量，每個年輪分別測量60根。

1.3數(shù)據(jù)處理

使用 Excel 2003和DPS v7.05軟件對木材的解剖構造數(shù)量特征值進行統(tǒng)計分析。

2結果與分析

2.1微觀構造特征

香椿木材3切面顯微構造見圖1。

由圖1可知，香椿木材為環(huán)孔材；導管在橫切面上為圓形及卵圓形，單管孔，短徑列復管孔及少數(shù)管孔團；管間紋孔式互列；軸向薄壁組織略多，環(huán)管束狀、輪界狀與少數(shù)星散狀，含樹膠。木射線非疊生，單列射線數(shù)少，高1～8細胞或以上，多數(shù)5～15細胞；多列射線寬2～5細胞，高3～18細胞或以上，多數(shù)5～15細胞；射線組織異形Ⅲ，含大量樹膠。

2.2年輪寬度的徑向變異

年輪寬窄是樹木徑向生長速度的標志，樹木徑向生長的快慢由形成層原始細胞分裂頻率和細胞尺寸所決定。年輪寬度不僅受到樹木自身遺傳學特性的影響，同時受到立地條件的影響。香椿年輪寬度徑向變異趨勢見圖2。

由圖2可知，髓心至第10年年輪寬度迅速增加，在第10年年輪寬度達最大值(10.3mm)；11～24 a年輪寬度呈波動式下降趨勢。香椿快速生長期為10a，與張友元等[2]、管磊等[3]研究結果基本一致。香椿木材在1～20a間均保持較為旺盛的次生生長，年輪寬度大于4 .0mm。香椿為速生材，平均年輪寬度6.3mm。

2.3導管形態(tài)特征及徑向變異規(guī)律

樹木通過根系從土壤中吸收水分和無機鹽，并通過以斜壁相連的導管長距離向上運輸。導管的生理活動與樹木生長過程密切相關，對木材后期加工利用過程也會產生重要的影響。導管分子的數(shù)量、大小影響木材的粗糙度、孔隙率、表面涂飾性和用途等，也在一定程度上反映該樹種的進化程度[4]。導管由形成層原始細胞分裂分生而來，木材導管不僅在樹種間存在差異，在株間及株內的不同部位間均存在差異。香椿木材導管尺寸從髓心向外呈增加趨勢，與桉樹(Eucalyprusrobusta)、青楊(Populusussuriensis)變化趨勢基本一致[5-6]。從圖3可以看出，香椿木材早材和晚材導管寬度由髓心向外逐漸增大，19a后趨于平穩(wěn)。早材導管寬度由77μm增至129μm；晚材導管寬度由24μm增至46μm。早、晚材導管腔徑和壁厚變化與導管寬度的徑向變化規(guī)律基本一致(圖3～5)，早材導管腔徑由47μm增至135μm，晚材導管腔徑由11μm增至31μm；早材導管壁厚由7μm增至13μm，晚材導管壁厚由10μm增至19μm。

香椿木材為環(huán)孔材，其導管形態(tài)不僅影響木材的材質特性，且對木材表面花紋的構成起到重要的作用。香椿早材導管寬度大于晚材，早材導管寬度平均為121.80μm，晚材平均為38.75μm，早材導管寬度為晚材的3.14倍。早材導管雙壁厚度小于晚材，早材導管雙壁厚度平均為10.98μm，晚材平均為16.49μm，晚材導管雙壁厚度約為早材的1.5倍。

2.4纖維形態(tài)特征及徑向變異規(guī)律

纖維形態(tài)包括纖維長度、纖維寬度、長寬比、壁厚、腔徑等，是木材質量、密度和強度等物質性質的基礎。國際木材解剖家學會將纖維長度分為3類：<900μm的纖維屬短纖維，900～1600μm為中等纖維，>1600m的為長纖維[7]。香椿纖維長度平均1080.94μm，為中等纖維。木材的纖維長度變化規(guī)律是樹木年輪材質分析的主要參數(shù)之一，同時也是反映木材及其利用價值的重要指標。由圖6可知，在1～18a，纖維長度由髓心向外呈逐漸增大的趨勢，18a以后纖維長度基本趨于穩(wěn)定，紅椿木材纖維長度為695～1447μm。

香椿木材纖維寬度平均值為26.76μm，長寬比平均值為40.25。纖維寬度在1～10a呈現(xiàn)增大趨勢，10a后基本趨于穩(wěn)定(圖7)，纖維寬度的穩(wěn)定時間略早于纖維長度。纖維長寬比隨著輪齡數(shù)的增大趨勢同纖維長度(圖8)，這是因為纖維長度的增加幅度大于纖維寬度。

纖維雙壁厚平均值為7.96μm，腔徑平均值為18.80μm，壁腔比均值為0.43。纖維雙壁厚在距離髓心的1～8a間，由髓心向外呈逐漸增大的趨勢，其后基本趨于穩(wěn)定(圖7)。纖維腔徑的變異規(guī)律同纖維寬度。壁腔比從距離髓心的第5年呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢(圖8)。

纖維細胞尺寸大小受種源、立地條件、林木年齡等多方面因素影響。與福建產香椿木材比較，本研究中香椿木材的纖維長度與范振富等[8]的研究結果基本一致，但本研究中的纖維寬度表現(xiàn)略大。纖維細胞是由形成層原始細胞分裂分生而來，形成層原始細胞長度隨著形成層年齡的增加而增長，當達到一定年齡后，其細胞尺寸基本達到穩(wěn)定，樹木達到成熟年齡。此時木材細胞尺寸均一，材質特性優(yōu)良。形成層原始細胞長度未穩(wěn)定階段的木材通常稱為未成熟材，形成層原始細胞長度在穩(wěn)定階段形成的木材稱為成熟材，未成熟材與成熟材比較，木材強度、密度等物理力學性質的變化較大，未成熟材木材的材質較差[9-10]。在闊葉材中，纖維細胞是厚壁細胞，占木材體積的50%以上，對木材力學性質起到關鍵作用。因此，闊葉材成熟齡的判定依據(jù)以纖維長度為主要依據(jù)。根據(jù)纖維長度達到的穩(wěn)定輪齡分析，并綜合年輪寬度與導管寬度指標，香椿木材的成熟齡約為18年。

3結論

香椿木材為環(huán)孔材，從髓心至第10年年輪寬度迅速增加，1～20a均保持旺盛的次生生長。胸徑年輪數(shù)為24a的香椿木材平均年輪寬度6.3mm。早材和晚材的導管寬度、壁厚、腔徑由髓心向外逐漸增大，約19a后趨于平穩(wěn)。早材導管寬度121.80μm，晚材導管寬度38.75μm。早材導管雙壁厚度10.98μm，晚材導管雙壁厚度16.49μm。纖維長度由髓心向外呈逐漸增大的趨勢，18a以后纖維長度基本趨于穩(wěn)定。纖維形態(tài)指標平均值分別為：長度1080.94μm，寬度26.76μm，長寬比40.25，雙壁厚7.96μm。根據(jù)纖維長度、年輪寬度與導管寬度指標分析，香椿木材的成熟齡約為18a。

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(責任編輯曹龍)

第1作者：沈洋(1989—)，男，碩士生。研究方向：木塑復合材料。Email：polo2007_shen@163.com。

通信作者：吳章康(1967—)，男，博士，教授。研究方向：木質材料性能,木質復合材料。Email：xr40978135@126.com。