人工林班克松木材材質(zhì)徑向變異規(guī)律研究

張 燕，佟 達(dá)，宋魁彥

(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150040)

班克松 (Pinus banksiana)原產(chǎn)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(jìn)行引種，研究者對其種源［1］、引種選優(yōu)［2］、生長量與氣候因素的關(guān)系［3］、物候與生長規(guī)律［4］以及樹脂道的結(jié)構(gòu)特性［5］進(jìn)行了研究，目前未見對班克松木材解剖性質(zhì)的詳細(xì)研究。本文對其木材解剖性質(zhì)的6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，得出其木材材質(zhì)徑向變異規(guī)律，對幼齡材與成熟材進(jìn)行界定，旨在為營林培育、木材材質(zhì)早期預(yù)測、確定合理的輪伐期提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)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(yè)局頭道河林場，地理坐標(biāo)位于東經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)GB1927－91《木材物理力學(xué)試材采集方法》的規(guī)定進(jìn)行。本課題從每株樣木的1.3m高處截取l個(gè)50mm厚圓盤，標(biāo)記好南北方向，帶回實(shí)驗(yàn)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(jīng)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(xué)樹脂膠固定，蓋上蓋玻片，置于干燥處，待固定好后進(jìn)行測定。

1.2 試驗(yàn)方法

采用V5.2彩色圖像計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)測定木材解剖性質(zhì)。評定指標(biāo):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(jié)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(xiàn)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(qiáng)，9～11a后趨于相對穩(wěn)定，表明樹木進(jìn)入成熟期，只是在第16a有相對較大幅度的跌落，可能是當(dāng)年氣候的變化較大或外界原因?qū)е聵淙~的脫落而引起當(dāng)年的養(yǎng)料供應(yīng)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(shù)值逐漸增加 (曲線增加)，到一定年齡曲線變平［6］。晚材細(xì)胞徑向直徑在10μm上下保持相對平穩(wěn)。早材的管胞徑向直徑明顯大于相對應(yīng)晚材。管胞徑向直徑的回歸方程為y=ax2+bx+c，相關(guān)系數(shù)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(biāo)與生長輪齡的關(guān)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(gè)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(guī)律初步界定幼齡材和成熟材區(qū)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(guān)性較好，回歸方程為y=1.833Ln(x)+18.75，相關(guān)系數(shù)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(xiàn)為:早材從隨心到樹皮呈現(xiàn)微小增加趨勢，各年輪間保持著平穩(wěn)的微小波動;而晚材管胞徑腔壁厚在整個(gè)年輪范圍內(nèi)變化很大，具體表現(xiàn)為:4a前，受頂端分生組織生長激素的影響，形成層原始細(xì)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(jìn)一步上移，頂端分生組織對同一高度的形成層區(qū)域影響減小，樹木接近成熟［7］，管胞徑腔壁厚保持相對平穩(wěn)，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(guān)系數(shù)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(gè)樹木的生長期之間均呈現(xiàn)較大的起伏波動，沒有明顯的規(guī)律變化，而且管胞壁腔比的數(shù)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(shí)不容易崩解、帚化，管胞間結(jié)合不是很緊密，制成的紙張強(qiáng)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(zhì)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(guān)系數(shù)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(xiàn)出相反的變化趨勢，早材在2a時(shí)出現(xiàn)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(shù)值上下呈現(xiàn)微小波動。2a時(shí)胞壁率的突變可能由于細(xì)胞分裂速度較慢，形成腔小壁厚的形式，可能因?yàn)楫?dāng)年的氣候變化導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)流動能力減弱引起。早材胞壁率的變化規(guī)律符合Panshin提出的第三類變異模型，從髓心到樹皮木材指標(biāo)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(gè)生長輪內(nèi)，季節(jié)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(guān)系數(shù)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(gè)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(wěn)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(shù)值趨近于0，但是3種比量在整個(gè)生長輪上的變化十分微小，對于木材材質(zhì)的變異規(guī)律的研究貢獻(xiàn)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(biāo)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(guān)系數(shù)為0.907～0.957。

3 結(jié)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(wěn)定，進(jìn)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(guī)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(guān)系數(shù)R2為0.884，回歸性較好;組織比量在整個(gè)生長輪上變化微小，對于木材材質(zhì)的變異規(guī)律的研究貢獻(xiàn)不大，其與生長輪齡的回歸模型滿足y=aLn(x)+b，相關(guān)性較好。

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