油麥吊云杉木材解剖性質(zhì)與材性分析

彭建, 楊嵐, 李艷梅, 莫?jiǎng)叛? 程一倫, 辜云杰*, 李曉清

1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；

2.四川勿角自然保護(hù)區(qū)管理處，四川 九寨溝 623400；

3.九寨溝縣林業(yè)和草原局，四川 九寨溝 623400；

4.長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)江上游森林資源保育與生態(tài)安全國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華西雨屏區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)研究長(zhǎng)期科研基地，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，生態(tài)林業(yè)研究所，四川 成都 611130

木質(zhì)部細(xì)胞類型、數(shù)量、形態(tài)和排列方式?jīng)Q定了木材的性質(zhì)[1]。人們對(duì)一個(gè)樹種木材高效利用的前提主要依賴于對(duì)其材性的研究和了解[2]。樹干解析是研究樹木生長(zhǎng)和材性生長(zhǎng)的基本方法，也是最為成熟的方法。油麥吊云杉（Picea brachytyla(Franch.)Pritz.var.complanata(Mast.) Cheng ex Rehd.）是松科（Pinaceae Lindl.）云杉屬（PiceaDietr.）麥吊云杉（Picea brachytyla(Franch.) Pritz）的變種，為我國(guó)特有樹種，主要生長(zhǎng)于四川、湖北、陜西、甘肅等海拔1 500～2 900 m地帶，少部分生境海拔可達(dá)3 500 m；其樹體高大，木材堅(jiān)韌，紋理細(xì)密，是優(yōu)良的用材樹種，宜選作森林更新或荒山造林樹種[3]。油麥吊云杉遭人為破壞嚴(yán)重，天然林資源減少，1999年8月4日公布的《國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄（第一批）》中，油麥吊云杉列為國(guó)家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物。目前，對(duì)油麥吊云杉的研究主要集中在繁育技術(shù)、自然更新、營(yíng)造林技術(shù)和人工林生長(zhǎng)等方面[4-8]。而對(duì)油麥吊云杉木材解剖和材性性質(zhì)的研究幾乎沒有，因此，本研究擬通過對(duì)麥吊云杉解剖形態(tài)和材性性狀的徑向變異規(guī)律，以期為油麥吊云杉的木材加工利用和采伐期預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

解析木材料來源于四川省甘孜州瀘定縣雨灑坪林場(chǎng)龍凼溝（N29°31′41″，E102°12′58″）。該地區(qū)屬川西高原最深陷之峽谷區(qū)，年均溫15.5 ℃，全年無霜期279 d，相對(duì)濕度年降雨量664.4 mm，年均日照時(shí)數(shù)為1 323.6 h。在油麥吊云杉的天然林分內(nèi)布設(shè)20×20 m的典型樣地3個(gè)，每個(gè)樣地選擇一株35年生以上的油麥吊云杉枯立木（平均樹高21.5 m、胸徑34.8 cm、冠幅5.6 m）樹干1.3 m處圓盤作為研究材料，參照《木材物力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法》（GB1927—1991）方法采集解析木圓盤。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 制作顯微切片

用帶鋸機(jī)沿圓盤北側(cè)截取長(zhǎng)、寬約1 cm的過髓心木條，將截取的木條沒入水中煮沸軟化，隨后用薄刀片將軟化木條切成長(zhǎng)、寬、高約1 cm的正方體樣塊，最后使用木材切片機(jī)將樣塊制成切片，厚度約30 μm。通過番紅染色、梯度乙醇脫水（30%、50%、70%、90%、95%、無水乙醇、無水乙醇+二甲苯1∶1溶液），隨后制成裝片，顯微鏡鏡檢。

1.2.2 測(cè)定年輪寬度

采用精密顯微投影儀（TYH 150），測(cè)定解析木從髓心端到樹皮端的每個(gè)年輪的寬度（20×，精度0.01 mm）。

1.2.3 解剖性質(zhì)

管胞長(zhǎng)度、管胞寬度、管胞腔徑和管胞雙壁厚度的測(cè)定選在每個(gè)那輪中部位置，測(cè)量管胞的徑向尺寸。將制好的切片至于顯微鏡下拍照（奧林巴斯BXS1），采用木材分析軟件（TDY-5.2I）測(cè)量管胞長(zhǎng)度、寬度等指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)分別測(cè)量30個(gè)/部位。

1.2.4 材性測(cè)定

從髓心到樹皮均勻取10個(gè)樣塊（20 mm×20 mm×20 mm），每個(gè)樣塊含有3個(gè)年輪左右，共取得10個(gè)樣塊，用以測(cè)定木材含水率（氣干含水率和生材含水率）、干縮性質(zhì)（氣干干縮率和飽和干縮率）和密度（生材密度、氣干密度、絕干密度和基本密度）。參照GB/T 1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》測(cè)定木材氣干含水率和生材含水率，GB/T 1932—2009《木材干縮性質(zhì)測(cè)定方法》測(cè)定木材氣干干縮率和飽和干縮率，GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》測(cè)定生材密度、氣干密度、絕干密度和基本密度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用OriginPro和SPSS軟件對(duì)分析木材的解剖性質(zhì)與材性變異。

2 結(jié)果與分析

2.1 年輪寬度的徑向變異

樹木年輪的寬度標(biāo)志著樹木徑向的生長(zhǎng)速度。由圖1所示，髓心至第20年年輪寬度呈多峰生長(zhǎng)曲線，在第9年和17年時(shí)年輪徑向生長(zhǎng)存在2個(gè)峰值，分別為9.56 mm和9.34 mm；17 年后呈快速下降的趨勢(shì)，平均年輪寬度3.25 mm。油麥吊云杉木材次生生長(zhǎng)在1～17 年之間均較為旺盛，平均年輪寬度在8.00 mm以上。整體而言，油麥吊云杉年輪平均寬度為5.17 mm，為較速生樹種。。

圖1 油麥吊云杉生長(zhǎng)輪寬度的徑向變異模式Fig.1 Radial variation model of growth ring width

2.2 管胞形態(tài)特征及徑向變異規(guī)律

油麥吊云杉木材管胞尺寸從髓心向外呈逐漸增加的趨勢(shì)（見圖2）。管胞寬度的增加趨勢(shì)較為平緩，寬度由28.41 mm增加到43.50 mm；管胞長(zhǎng)度在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)均呈逐漸增加的趨勢(shì)由1 363.98 mm增至3 498.38 mm。，雙壁厚度、管胞腔徑、管胞長(zhǎng)度與寬度整體均呈逐漸增加的趨勢(shì)（見圖3）。管胞雙壁厚由4.22 μm增至6.55 μm，管胞雙壁厚最大時(shí)生長(zhǎng)輪齡為22年；腔徑由13.74 μm增至37.20 μm，腔徑最大時(shí)的生長(zhǎng)輪齡為28年。

2.3 木材材性性質(zhì)徑向變異規(guī)律

由圖4可知，油麥吊云杉?xì)飧珊食手饾u增加的趨勢(shì)，從髓心向外由16.48%增加至24.60%。生材含水率先緩慢增加，后迅速下降趨于平緩后又略有上升，最高為51.95%（約21年），最低為41.95%（約12年）。木材徑向和弦向干縮率的變化趨勢(shì)基本保持一致（見圖5）。軸向氣干干縮率最高值為0.24%（約21年），軸向飽和干縮率最高為0.65%（約12年）。徑向氣干和飽和干縮率均在1年、9年和30年左右時(shí)處于較高水平，氣干干縮率分別為2.81%、2.19%和2.03%，飽和干縮率分別為3.73%、2.90%和3.50%。弦向氣干干縮率在12 a達(dá)到最高，為5.03%，飽和干縮率在27年時(shí)最高，為6.82%。全體積氣干和飽和干縮率變化較為平緩，未見明顯上升或下降。木材氣干密度、絕干密度和基本密度從髓心向外均呈逐漸增加的趨勢(shì)，越到生長(zhǎng)后期，木材的密度越高（見圖6）。生材密度9年～21年間略有下降，21a時(shí)最低為0.51 g·cm-3，最高為30年時(shí)，生材密度達(dá)0.63 g·cm-3。從髓心向外，木材氣干密度由 0.35 g·cm-3增至 0.46 g·cm-3，絕干密度由0.31 g·cm-3增至 0.37 g·cm-3，基本密度由 0.29 g·cm-3增至0.34 g·cm-3，表明油麥吊云杉木材密度與徑向生長(zhǎng)無明顯關(guān)系。

圖2 木材管胞長(zhǎng)度與寬度的徑向變異Fig.2 Radial variation of wood tracheid length and width

圖3 木材管胞雙壁厚度和腔徑的徑向變異規(guī)律Fig.3 Radial variation law of double wall thickness and lumen diameter of wood tracheid

圖4 木材含水率的徑向變異Fig.4 Radial variation of wood moisture

3 討論

木材形成層原始細(xì)胞分裂頻率和細(xì)胞尺寸決定了樹木徑向生長(zhǎng)的快慢，其徑向生長(zhǎng)速度的標(biāo)志是年輪的寬窄[1]。油麥吊云杉在1～17年間年輪寬度較大，生長(zhǎng)較快，隨后逐漸減低至趨于平緩。與香椿、鄧恩桉等闊葉樹種水杉、馬尾松等針葉樹種年輪寬度隨樹齡先增加后降低的趨勢(shì)有所不同[1,9-11]。形成層紡錘絲原始細(xì)胞分裂形成針葉樹木材木質(zhì)部的管胞[10]。針葉樹與闊葉樹木材木質(zhì)部構(gòu)成的不同，可能是造成油麥吊云杉年輪生長(zhǎng)模式與闊香椿、鄧恩桉等闊葉樹年輪生長(zhǎng)模式差異的原因之一；而與水杉、馬尾松等針葉樹種年輪寬度生長(zhǎng)模式的差異可能是由于油麥吊云杉分布海拔較高，氣溫相對(duì)較低的原因造成的。同時(shí)也表明油麥吊云杉為早期速生樹種，若人工培育油麥吊云杉，最低生長(zhǎng)采伐年限應(yīng)在17年后，以保證獲得最高的生長(zhǎng)性增益。針葉樹材管胞長(zhǎng)度在髓心附近最短，從髓心向外迅速增加，在距離髓心的10～15年管胞長(zhǎng)度變化減少，20年左右長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定[12,13]。油麥吊云杉管胞長(zhǎng)度變化規(guī)律與該規(guī)律些許不同，從髓心向外，管胞長(zhǎng)度在1～10年迅速增加，10～30年管胞長(zhǎng)度呈緩慢增加的趨勢(shì)，30年后長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定。一般而言，從髓心向樹皮方向，針葉樹管胞寬度呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，但其增長(zhǎng)率顯著低于管胞長(zhǎng)度[14]。在整個(gè)生長(zhǎng)期，油麥吊云杉管胞寬度雖有緩慢增加，但整體趨于穩(wěn)定。與赤松、落羽杉等針葉樹種管胞寬度生長(zhǎng)模式基本保持一致[15,16]。表明氣候，尤其是海拔、溫度對(duì)油麥吊云杉管胞長(zhǎng)度的影響較大，同時(shí)也說明隨著樹齡的增加，油麥吊云杉管胞長(zhǎng)寬比值增大，可作為優(yōu)良的造紙?jiān)稀９馨p壁厚影響密度和強(qiáng)度等木材質(zhì)量管胞腔徑影響木材的利用率[17,18]。油麥吊云杉管胞雙壁后與腔徑在髓心附近較小，隨著生長(zhǎng)輪齡的增加，指標(biāo)值呈明顯的增大趨勢(shì)。與杉木、水杉等針葉樹種具有類似的趨勢(shì)[10,19]。表明油麥吊云杉可作為優(yōu)良的工業(yè)原料林培育。

圖5 木材干縮率的徑向變異Fig.5 Radial variation of wood drying shrinkage

圖6 木材密度的徑向變異Fig.6 Radial variation of wood density

生材含水率在樹干內(nèi)的分布和變異規(guī)律是影響生材干燥和加工利用的主要因素之一[11]。油麥吊云杉平均生材含水率為46.60%，樹皮與髓心方向生材含水率基本相同，表明油麥吊云杉生材含水率低且分布均勻，在加工過程中不易出現(xiàn)內(nèi)裂。木材密度是木材利用的重要性質(zhì)指標(biāo)[11]。油麥吊云杉木材氣干密度、基本密度和絕干密度均呈逐漸增加的趨勢(shì)。與桉樹、黃果厚殼桂、擎天樹的研究結(jié)果相一致[17,20,21]。油麥吊云杉平均氣干密度較低，僅0.39 g/cm3，表明油麥吊云杉不適宜生產(chǎn)纖維板材，更加適合作為工業(yè)原料林培育。木材干縮性、徑向和弦向干縮率是木材的重要性質(zhì)，決定了木材生產(chǎn)過程中是否會(huì)出現(xiàn)裂縫和翹曲[21]。油麥吊云杉徑向氣干干縮率和弦向干縮率分別為1.94%和4.62%，干縮率差異性為2.38，表明油麥吊云杉木材干縮性不均勻，導(dǎo)致在木材生產(chǎn)的干燥過程中容易發(fā)生開裂或翹曲變形，也說明油麥吊云杉用于木材加工的難度相對(duì)較大。因此，綜合分析油麥吊云杉木材解剖性質(zhì)和材性性狀，我們認(rèn)為油麥吊云杉可以優(yōu)良的工業(yè)原料林，如紙漿材為培育的首要目標(biāo)。