人工林班克松木材材質徑向變異規律研究

張 燕，佟 達，宋魁彥

(東北林業大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱150040)

班克松 (Pinus banksiana)原產于北美，又稱為北美短葉松、哈德遜松，近十年來東北三省對其進行引種，研究者對其種源［1］、引種選優［2］、生長量與氣候因素的關系［3］、物候與生長規律［4］以及樹脂道的結構特性［5］進行了研究，目前未見對班克松木材解剖性質的詳細研究。本文對其木材解剖性質的6項指標進行分析研究，得出其木材材質徑向變異規律，對幼齡材與成熟材進行界定，旨在為營林培育、木材材質早期預測、確定合理的輪伐期提供理論依據。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試材采集與制備

(1)試材采集。班克松試材采自黑龍江省柴河林業局頭道河林場，地理坐標位于東經128.55'～129.51'，北緯44.48'～45.27'，坡中下，暗棕壤選取樣木。取樣方法按照國家標準GB1927－91《木材物理力學試材采集方法》的規定進行。本課題從每株樣木的1.3m高處截取l個50mm厚圓盤，標記好南北方向，帶回實驗室。

(2)試材制備。在采集的圓盤試材上截取幾何尺寸為高15～20mm、寬10mm的試樣，長為從髓心到樹皮的半徑長;將試樣用熱水浸泡，然后在1∶1的乙醇和甘油混合液中浸泡15d以上;在橫切面上切取15～20 μm厚的切片;切片經番紅染色，脫水 (30%、50%、80%、95%的酒精)、無水乙醇、無水乙醇與二甲苯混合液、二甲苯順序處理;將切片放在載玻片上，用光學樹脂膠固定，蓋上蓋玻片，置于干燥處，待固定好后進行測定。

1.2 試驗方法

采用V5.2彩色圖像計算機分析系統測定木材解剖性質。評定指標:管胞徑向直徑、管胞弦向直徑、管胞徑腔壁厚、壁腔比、胞壁率和組織比量。

2 結果與討論

2.1 管胞徑向直徑

人工林班克松管胞徑向直徑變異如圖1所示，班克松早材管胞徑向直徑的變異表現為從髓心向樹皮方向呈遞增趨勢，隨輪齡的增加而明顯增強，9～11a后趨于相對穩定，表明樹木進入成熟期，只是在第16a有相對較大幅度的跌落，可能是當年氣候的變化較大或外界原因導致樹葉的脫落而引起當年的養料供應不足，影響到管胞徑向直徑的增加。早材的變化符合Panshin提出的第一類變異模型，即沿半徑方向胞壁率數值逐漸增加 (曲線增加)，到一定年齡曲線變平［6］。晚材細胞徑向直徑在10μm上下保持相對平穩。早材的管胞徑向直徑明顯大于相對應晚材。管胞徑向直徑的回歸方程為y=ax2+bx+c，相關系數R2在0.547以上，見表1。

圖1 管胞徑向直徑徑向變異Fig.1 Radial variation of tracheid radial diameter

表1 班克松評定指標與生長輪齡的關系Tab.1 Relationship between evaluation index and growth ring age of Pinus banksiana

2.2 管胞弦向直徑

早材管胞弦向直徑的變化趨勢同徑向直徑的變化趨勢，符合PanshinⅠ型;在第9～11a后趨于成熟，且在16a有一定幅度的下降，如圖2所示，與徑向直徑16a變化一致。晚材管胞的弦向直徑在整個生長期間呈略微增加的趨勢，但伴隨著各生長輪間的起伏波動。成熟材早材管胞的徑向直徑大于弦向直徑，而晚材管胞的徑向直徑小于弦向直徑。由管胞徑、弦向直徑變異規律初步界定幼齡材和成熟材區分年限在9～11a之間。管胞弦向直徑的回歸分析中，早材的相關性較好，回歸方程為y=1.833Ln(x)+18.75，相關系數R2為0.854，見表1。

2.3 管胞徑腔壁厚

圖2 管胞弦向直徑徑向變異Fig.2 Radial variation of tracheid tangential diameter

管胞徑腔壁厚的變化總體表現為:早材從隨心到樹皮呈現微小增加趨勢，各年輪間保持著平穩的微小波動;而晚材管胞徑腔壁厚在整個年輪范圍內變化很大，具體表現為:4a前，受頂端分生組織生長激素的影響，形成層原始細胞分裂速度較快，管胞徑腔壁厚迅速增加，隨著生長輪的加寬，樹冠進一步上移，頂端分生組織對同一高度的形成層區域影響減小，樹木接近成熟［7］，管胞徑腔壁厚保持相對平穩，17～20a年開始下降后又有波動地上升，這樣的變化受生長條件的影響。晚材管胞徑腔壁厚大于早材，如圖3所示。管胞徑腔壁厚早材回歸分析方程為y=－0.0008x2+0.0403x+5.746，相關系數R2為0.754，見表1。

圖3 管胞徑腔壁厚徑向變異Fig.3 Radial variation of tracheid wall thickness

2.4 壁腔比

早材管胞壁腔比的變異趨勢同管胞徑腔壁厚的變異趨勢，如圖4所示，晚材的管胞壁腔比在整個樹木的生長期之間均呈現較大的起伏波動，沒有明顯的規律變化，而且管胞壁腔比的數值大部分都處于1.00以上，說明管胞壁的厚度較大，腔徑較小，如果作為造紙用材，在打漿時不容易崩解、帚化，管胞間結合不是很緊密，制成的紙張強度較小［8］。然而，班克松的晚材率很小，早材管胞壁腔比均在0.5以下，所以，晚材對于班克松作為紙漿材的整體材質的影響不大。由表1可知管胞壁腔比早材的回歸方程為y=0.0005x2－0.0116x+0.2549，相關系數R2為0.769。

圖4 壁腔比徑向變異Fig.4 Radial variation of cell wall to cavity radio

2.5 胞壁率

胞壁率的徑向變異曲線如圖5所示，早材和晚材在6a之前表現出相反的變化趨勢，早材在2a時出現胞壁率的增大突變，之后隨著輪齡的增加遞減，6a后保持在某一特定數值上下呈現微小波動。2a時胞壁率的突變可能由于細胞分裂速度較慢，形成腔小壁厚的形式，可能因為當年的氣候變化導致營養物質流動能力減弱引起。早材胞壁率的變化規律符合Panshin提出的第三類變異模型，從髓心到樹皮木材指標逐漸減小 (曲線減小);晚材胞壁率的變化符合Panshin的第一類變異模型，但是在11a后伴隨的波動非常大。早材與晚材之間的變化差異說明在每個生長輪內，季節性差異非常明顯，使得早、晚材差異顯著。胞壁率的回歸分析如表1所示，早材胞壁率擬合度比晚材的高，晚材回歸性較差，早材胞壁率回歸方程為:y=－3.5547Ln(x)+43.979，相關系數R2為0.884。

圖5 胞壁率的徑向變異Fig.5 Radial variation of fiber wall radio

2.6 組織比量

圖6 組織比量的徑向變異Fig.6 Radial variation of tissue radio

班克松組織比量的徑向變異如圖6所示，其中1－z，1－w分別表示第一個生長輪的早材和晚材，依此類推。管胞比量、木射線比量及樹脂道比量從隨心到樹皮方向都保持著平穩的微小變化，管胞比量略微上升，而木射線比量呈微小下降，樹脂道比量數值趨近于0，但是3種比量在整個生長輪上的變化十分微小，對于木材材質的變異規律的研究貢獻不大。管胞比量、木射線比量和樹脂道比量的回歸分析見表2，早材各指標回歸方程的擬合度都大于晚材的擬合度，回歸方程滿足y=aLn(x)+b，相關系數為0.907～0.957。

3 結束語

人工林班克松早材管胞徑、弦向直徑從髓心向外迅速增加，9～11a后趨于相對穩定，進入成熟期，符合Panshin第一類模型，幼齡材與成熟材的初步界定年限為9～11a，回歸模型分別為y=ax2+bx+c，y=aLn(x)+b，早材管胞弦向直徑擬合性較好，R2=0.854;早材管胞徑腔壁厚和壁腔比呈微小增加趨勢，晚材壁腔比變化無規律;早材管胞徑腔壁厚和壁腔比大于晚材;早、晚材胞壁率變異趨勢相反，早材胞壁率變異屬于Panshin第三類模型，回歸模型為y=aLn(x)+b，早材相關系數R2為0.884，回歸性較好;組織比量在整個生長輪上變化微小，對于木材材質的變異規律的研究貢獻不大，其與生長輪齡的回歸模型滿足y=aLn(x)+b，相關性較好。

［1］張立功，滿淑華，賈志元，等.班克松種源試驗研究［J］.東北林業大學學報，1997，25(1):19 －21.

［2］林國英，興成彬，金春香，等.北美班克松的引種與選優［J］.林業科技，2006，31(9):6－7.

［3］郭元濤，董 健，季長龍，等.班克松生長量與氣候因素的關聯分析 ［J］.遼寧林業科技，2005(3):29.

［4］王騫春，劉紅梅，崔立明.遼寧省班克松物候及生長規律觀察初報［J］.遼寧林業科技，2009(4):39－40.

［5］王繼志，王西燕，趙國棟.班克松木材樹脂道結構特性［J］.東北林業大學學報，1997，25(1):72－74.

［6］Panshin A J，Carl de Zeeue.Text book of wood technology:4th Edition［M］.New York:Megraw － Hill Book Compcomy，1980.

［7］Zobel B J，Van Buijtenen J P.Wood Variation:Its Causes and Control［M］.Springer－Verlag，1989.

［8］郭明輝.紅松人工林木材解剖特征的徑向變異［J］.東北林業大學學報，2001，29(4):12－15.

［9］張鴻富，李耀翔.近紅外光譜技術在木材無損檢測中應用研究綜述 ［J］.森林工程，2009，25(5):18－21.