楨楠木材構(gòu)造特征及其徑向變異研究

楊 進 ,寧莉萍,b,劉 敏,劉 虎,廖曉玲,胡睿喆,張明雪

(四川農(nóng)業(yè)大學 a林學院，b木材工業(yè)與家具工程高校重點實驗室，四川 成都611134)

歷史上楠、樟、梓、椆并稱為四大名木，而楠木居首[1]。楨楠中文學名為楠木，拉丁學名為PhoebezhennanS.Lee，隸屬樟科楠屬[2]，為常綠高大喬木，屬于瀕危物種，現(xiàn)被列為國家Ⅱ級保護植物[3]。楨楠木不易變形開裂、易加工、耐腐朽，紋理瑰麗多變，是當前國內(nèi)木材行業(yè)公認為“金絲楠”木的最優(yōu)樹種[4]；其樹干通直、高大，枝繁葉茂，樹姿挺拔秀麗，常作為庭蔭樹或行道樹，也是著名的觀賞樹種[5-6]，主要生長于四川、湖北和貴州等省，當前市場普遍認為四川楨楠品質(zhì)最優(yōu)，價格最高[7]。目前楨楠價高卻無鑒定依據(jù)的現(xiàn)狀導致市場上出現(xiàn)大量假冒楨楠產(chǎn)品，商業(yè)糾紛頻現(xiàn)[8]。目前國內(nèi)外關(guān)于楨楠雖有一些報道，但是數(shù)量較少，且研究主要集中在種群分布與變遷、人工林的生長規(guī)律和育苗管理等方面[9]。陳瑞英等[10]、成俊卿等[11]雖然報道過關(guān)于楨楠木材的簡介，但缺乏系統(tǒng)的木材構(gòu)造特征及其徑向變異規(guī)律研究，目前僅見周祖洪等[12]進行過楨楠徑向生長量變化規(guī)律的研究，但解剖參數(shù)的徑向變異規(guī)律尚未見研究。因此，本試驗擬以四川省雅安市金鳳寺的楨楠古樹群作為研究對象，選擇生長狀態(tài)良好的楨楠單株進行采樣，測量其各個年輪段木材構(gòu)造特征參數(shù)并觀察木材的微觀、宏觀構(gòu)造，研究其徑向變異規(guī)律，歸納總結(jié)楨楠的木材結(jié)構(gòu)特征，為楨楠木種的識別與其木材利用提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

2015年11月，對四川省雅安市金鳳寺中的楨楠古樹進行隨機取樣。采用生長錐鉆取木芯樣的方法取樣[13]，取樣處離地1.3 m，鉆取方向由南向北，生長錐直徑5.15 mm。共取樣15株，標記后分別裝入塑料管中并封口，帶回實驗室進一步分析。通過初步篩選，棄去有疤節(jié)、蟲孔及有其他缺陷的木芯樣，最終選定以樹高約為21.1 m、胸徑約為392 mm、樹齡為110年生的單株楨楠樹芯為研究樣本。

1.2 儀器與設(shè)備

使用的主要儀器與設(shè)備有樹木生長錐(長500 mm，兩線，直徑5.15 mm，北京澳作生態(tài)有限公司)、TU-231大型滑走式切片機、光學顯微鏡(OLYMPUS BX51，上海生物科技有限公司)、體視顯微鏡(OLYMPUS X7，上海光密儀器有限公司)、SEM掃描電鏡(日本電子JSM-6490LV)和EDS色散能量分析儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 宏觀構(gòu)造特征觀察 將試樣橫、徑、弦三切面用清水潤濕后，在肉眼、放大鏡、體視顯微鏡下觀察木材生長輪、管孔、軸向薄壁組織、木射線、紋理、構(gòu)造等宏觀特征[14]。

1.3.2 顯微構(gòu)造觀察及構(gòu)造特征參數(shù)測定 在顯微鏡下，觀察木材三切面顯微構(gòu)造并拍攝照片，利用圖像測量分析系統(tǒng)測定木材的構(gòu)造特征參數(shù)(管孔密度、弦向直徑以及纖維長度和寬度)，各項參數(shù)均從不同顯微切片隨機測量60個數(shù)據(jù)；S2層微纖絲角采用X射線衍射法[15-17]，每隔5個年輪取樣1次，處理后使用X射線衍射儀進行測量，由計算機進行統(tǒng)計分析。

1.3.3 超微構(gòu)造觀察及能量色散(EDS)分析 每10個年輪取樣1次，處理后在SEM掃描電鏡下觀察木材三切面超微構(gòu)造并拍攝圖片，圖片拍攝過程中利用EDS色散能譜分析儀對圖片中具有特征形狀的物質(zhì)進行成分分析[18-19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將測量的數(shù)據(jù)采用變數(shù)統(tǒng)計方法進行處理，以此確定每組數(shù)據(jù)平均值的可靠性，并確認是否可采信。對楨楠胸徑連年生長量與徑向解剖參數(shù)、微纖絲角進行回歸分析，得出楨楠胸徑連年生長量與木材構(gòu)造特征參數(shù)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 楨楠木材的宏觀構(gòu)造特征

楨楠木材肉眼下呈黃色或深黃褐色，心材與邊材區(qū)分不明顯；材表面光澤較弱，有微芳香氣味；味微苦，紋理較直，木材構(gòu)造較細膩而均勻；生長輪明顯，輪間呈深色帶；散孔材；年輪寬度較均勻，每cm 2～4輪，橫切面上管孔肉眼下可見，大小略一致，分布均勻，散生或斜列；管孔內(nèi)偶見侵填體；軸向薄壁組織放大鏡下明顯，稀疏傍管狀；橫切面上木射線稀至中，極細至略細，在放大鏡下明顯。

2.2 楨楠木材的微觀構(gòu)造特征

2.2.1 顯微構(gòu)造特征 導管在橫切面上為圓形或卵圓形，部分略具多角形輪廓，每mm2平均20個；管孔組合以單管孔和短徑列復(fù)管孔(2～3個)為主，偶見管孔鏈和管孔團(圖1-A,B)，導管腔內(nèi)少見侵填體(圖1-B)，螺紋加厚缺如；導管細胞壁較薄(3.0 μm)，最大弦徑114 μm，多數(shù)90～100 μm；導管分子長212～514 μm，平均391 μm；具侵填體；螺紋加厚未見。導管細胞端部的穿孔為單穿孔，偶見梯狀復(fù)穿孔(圖1-C)，相鄰導管間細胞壁上紋孔為互列，偶見梯狀紋孔(圖2-A)；紋孔口內(nèi)含，卵圓形或圓形。軸向組織量少，稀疏傍管狀；樹膠少見，晶體未見；油細胞或黏液細胞常見。橫切面上木纖維細胞壁薄，直徑為19～28 μm；長779～1 204 μm，平均1 083 μm；形狀大多呈扁圓形、多角形，細胞壁弦向腔徑略大于徑向(圖1-B)，細胞沿徑向排列整齊有序，弦向上呈交錯排列，較松散；具有分隔木纖維。單列射線極少，高3～7個細胞；多列射線寬2～3個細胞，高7～26個細胞；射線組織異型Ⅲ型或Ⅱ型(圖2-B)；射線-導管間紋孔式呈大圓形或刻痕狀。射線細胞含油細胞，軸向薄壁細胞少見(圖3)；晶體少見，方形；木射線非疊生；每mm 4～8根。

A.40×；B.100×；C.400×

圖1 楨楠木材橫切面的顯微構(gòu)造
Fig.1 Microscopic structure of wood cross section ofPhoebezhennan

A.200×；B.100×圖2 楨楠木材徑切面的顯微構(gòu)造Fig. 2 Microscopic structure of wood radial section of Phoebe zhennan

2.2.2 超微構(gòu)造特征 導管分子偶見梯狀復(fù)穿孔(圖4-A)，導管內(nèi)具有侵填體(圖4-B)；導管內(nèi)具緣紋孔(圖5)，紋孔與管間紋孔為互列式(圖6-A)；木射線細胞內(nèi)常見球形物(圖6-B)和塊狀物(圖6-A,C)。

A.1 000×；B.2 000×
圖4 楨楠木材橫切面的超微構(gòu)造
Fig.4 Ultramicro structure of wood cross section ofPhoebezhennan

圖5 楨楠木材徑切面的超微構(gòu)造(1 000×)
Fig.5 Ultramicro structure of wood radial section ofPhoebezhennan(1 000×)

A.塊狀物(800×)；B.球形物(1 000×)；C.塊狀物(1 000×) A.Block in wood ray(800×)；B.Globe in wood ray(1 000×)；C.Block in wood ray(1 000×)圖6 楨楠木材弦切面的超微構(gòu)造Fig.6 Ultramicro structure of wood tangential section of Phoebe zhennan

由能量色散(EDS)分析可知，這些球形物的主要組成元素是碳和氧(表1)，由此可以認為這種球形物并非無機鹽類而是樹膠類物質(zhì)，Seurfield等[20]也曾在報道中將這種球形物認定為淀粉顆粒；而塊狀物主要組成元素是碳、氧和鈣元素，初步估計可能是含有鈣鹽的樹膠(表2)。

表1 楨楠木射線內(nèi)球形物成分分析Table 1 Component analysis of globe in wood ray of Phoebe zhennan

表2 楨楠木射線內(nèi)塊狀物成分分析Table 2 Component analysis of block in wood ray of Phoebe zhennan

2.3 楨楠木材的構(gòu)造特征參數(shù)

利用圖像測量分析系統(tǒng)測定木材中各類細胞(管孔、木纖維、木射線)的構(gòu)造特征參數(shù)及連年生長量(圖7～12)，對測定的數(shù)據(jù)進行變數(shù)統(tǒng)計，得出的平均值均可靠，可以采信。

2.3.1 管孔密度和弦向直徑 由圖7可以看出，從髓心到邊材，楨楠每mm2的管孔數(shù)量即管孔密度隨著樹齡的增加而波動下降。

從圖8可看出，楨楠管孔弦向直徑隨樹齡的增加均呈波動上升的變異模式，35年前呈波動上升趨勢，35～105年呈平穩(wěn)波動趨勢，之后迅速增加，這說明管孔密度與管孔直徑呈負相關(guān)。

圖7 楨楠木材管孔數(shù)量的徑向變異
Fig. 7 Radial variation of pore density ofPhebezhennan

圖8 楨楠木材管孔弦向直徑的徑向變異
Fig.8 Radial variations in pore tangential diameter ofPhebezhennan

2.3.2 胸徑連年生長量 楨楠胸徑連年生長量隨樹齡的變異見圖9。

圖9 楨楠胸徑連年生長量隨樹齡的變異
Fig.9 Annual increment in radial growth ofPhebezhennan

由圖9可見，楨楠胸徑的連年生長量隨樹齡的增加呈先上升后下降的變異模式。在樹齡為1～40年時增長較快，在40年后呈波動下降模式，90～110年波動逐漸趨于平穩(wěn)，但總體呈現(xiàn)波動下降趨勢。

2.3.3 纖維長度和寬度 纖維長度與木材品質(zhì)有著極強的相關(guān)性，是衡量材性優(yōu)劣的重要參數(shù)。從圖10可以看出，楨楠木材纖維長度在779.75～1 204.55 μm，平均為1 082.83 μm，最大值首先出現(xiàn)在樹齡35年附近，其次是55年附近。髓心附近的木纖維長度較短，而樹皮附近較長，表明楨楠木纖維長度從髓心到邊材總體呈增加趨勢。楨楠木纖維長度的徑向變異較大，呈現(xiàn)的規(guī)律性較其他材性指標明顯，5～35年，隨樹齡增加，纖維長度的增加速度較快，35年時即達到最大值1 204.55 μm；之后隨樹齡增加，纖維長度的變化幅度較小，介于1 030.42～1 163.38 μm，趨于穩(wěn)定。

楨楠木材纖維寬度的徑向變異見圖11。

圖10 楨楠木材纖維長度的徑向變異
Fig.10 Radial variations of fiber length ofPhebezhennan

圖11 楨楠木材纖維寬度的徑向變異
Fig.11 Radial variations of fiber width ofPhebezhennan

由圖11可以看出，楨楠木纖維寬度隨樹齡的增加呈波動上升至平穩(wěn)的變異模式，這符合樹木生長規(guī)律的變異。這是樹木的形成層原始母細胞垂周分裂速度在樹木幼齡期快，但隨著樹齡增大而下降導致的結(jié)果[21]。纖維寬度與木材結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常用纖維寬度來判斷木材結(jié)構(gòu)的粗細[22]。由于本試驗是以離析纖維測定其寬度而不是弦向直徑，因此參照成俊卿等[11]編撰的《中國木材志》中對闊葉樹材木纖維寬度4級標準進行分級：小于16 μm的為結(jié)構(gòu)細，16～25 μm的為結(jié)構(gòu)中，26～30 μm的為結(jié)構(gòu)粗，大于30 μm的為結(jié)構(gòu)甚粗。對照木材纖維寬度的分級標準，可知金鳳寺楨楠木材纖維結(jié)構(gòu)中至粗。

2.3.4 維纖絲角 微纖絲角指次生壁S2層中微纖絲與細胞主軸之間的夾角，其角度愈小則細胞的抗張強度愈大。微纖絲角既影響木材的物理力學性能,如密度、強度、硬度、抗拉伸度、彈性模量等，又是木材干縮濕脹性的原因之一[23-24]。采用X射線衍射法和origin 8軟件測得野生楨楠不同樹齡S2層微纖絲角的變異情況見圖12，對測定數(shù)據(jù)進行變數(shù)統(tǒng)計，得出平均值均可靠，可以采信。由圖12可見，隨樹齡的增加，楨楠木材微纖絲角逐漸減小并趨于平穩(wěn)波動。在前30年微纖絲角呈下降的變異模式，30年后呈平穩(wěn)波動的變異模式。

2.4 楨楠胸徑連年生長量與木材構(gòu)造特征參數(shù)的相關(guān)性

將楨楠胸徑連年生長量與徑向解剖參數(shù)、微纖絲角進行回歸分析，為了判斷各指標之間相關(guān)程度的高低，通過相關(guān)系數(shù)進行判斷，其判斷標準為：r=0，表明二者完全不相關(guān)；0<|r|≤0.3時，認為二者不相關(guān)；0.3<|r|≤0.5時，認為二者低度相關(guān)；0.5<|r|≤0.8時，認為二者顯著相關(guān)；0.8<|r|≤1時，認為二者高度相關(guān)[25]。由顯著性檢驗結(jié)果可知，胸徑連年生長量與管孔密度、纖維寬度呈顯著相關(guān)，與管孔弦向直徑、纖維長度和微纖絲角高度相關(guān)。

圖12 楨楠木材微纖絲角的徑向變異Fig.12 Radial variations of microfibril angle of Phebe zhennan

3 結(jié) 論

本研究中，野生楨楠木材材色在肉眼下呈黃色或深黃褐色，光澤較弱，有微芳香氣味，味微苦，紋理較直，木材構(gòu)造較細膩而均勻；生長輪明顯，年輪寬度較均勻，輪間呈深色帶；橫切面上管孔為圓形或卵圓形，部分略具多角形輪廓，管孔大小較一致，分布略均勻，散孔材，管孔組合以單管孔和短徑列復(fù)管孔(2～3個)為主，偶見管孔鏈和管控團，橫切面上木纖維細胞大多呈扁圓形、多角形，細胞壁弦向腔徑略大于徑向，細胞沿徑向排列整齊有序，弦向上呈交錯排列較松散。射線組織異型Ⅲ型或Ⅱ型。在前人研究的基礎(chǔ)上,本研究發(fā)現(xiàn)，導管分子偶見梯狀復(fù)穿孔，導管內(nèi)具有侵填體；導管內(nèi)紋孔與管間紋孔為互列式，具緣紋孔；木射線細胞內(nèi)常見的球形物可能為樹膠類物質(zhì)，塊狀物可能是含有鈣鹽的樹膠。

隨著樹齡的增長，楨楠生長狀況呈現(xiàn)出一定的差異。隨樹齡的增加，管孔密度總體呈下降趨勢；管孔弦向直徑自髓心向外呈現(xiàn)波動上升趨勢，在樹齡35年之前呈波動上升趨勢，之后處于波動平穩(wěn)狀態(tài)。纖維長度與木材品質(zhì)有極強的相關(guān)性，纖維長度與寬度在樹齡35年左右總體迅速升高，之后呈波動式變化并趨于平穩(wěn)。胸徑連年生長量在樹齡10～40年增長較快，40年后呈波動下降模式，90～110年波動逐漸趨于平穩(wěn)，但總體呈下降趨勢，并且管孔、纖維解剖參數(shù)以及微纖絲角與胸徑連年生長量具有一定的相關(guān)性。這表明野生楨楠在樹齡35年前生長較快，而在35年后生長較為緩慢，在90年后生長極為緩慢。因此，樹齡超過35年的野生楨楠可用作家具與建筑材料，其材性更穩(wěn)定。

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