天然林五角槭木材材質徑向變異規律初探

佟 達，張 燕，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)

木材的材質具有變異性［1］，把握木材材質的變異規律可以為營林培育和木材材質的早期預測提供理論依據。研究者對人工林木材解剖性質的研究較多，包括木材性質［2］、不同立地條件對木材材質的影響［3－5］、幼齡材與成熟材的界定及早期預測等［6］，但是對天然林的研究只見對赤松、馬尾松和白樺的相關研究［7－10］。五角槭是一種生長速度緩慢、材質均一的木材［11］，本文對其木材材質徑向變異規律進行研究，以期得到對天然林資源的合理、高效利用。

1 試驗材料與測試方法

1.1 試材采集

五角槭試材采自位于黑龍江省巴彥縣境內興隆林業局螞螂河林場，陽坡，坡中上，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。本研究課題從每株樣木的1.3 m高處截取l個50 mm厚的圓盤，標記好南北方向，帶回實驗室。

1.2 試樣制備和測試方法

(1)木纖維長度。采用離析法進行測定。具體步驟為:①將木材試樣 (高15～20 mm，寬10 mm，長為從髓心到樹皮的半徑長)按每個生長輪分早材、過渡帶和晚材劈成片狀，放入試管中，加入30%硝酸至浸沒木材為止，放在試管架上，然后放入烘箱中加熱，在80℃條件下烘8～10 h;②將試管取出，倒出硝酸，用水沖洗試管中的試樣數次，用大姆指按住試管口，用力振蕩，使木材變為木漿;③用針或毛筆挑少量木漿于載玻片上，加上一滴水，加上蓋玻片置于帶測微尺的顯微投影儀下測量;④每個試樣測量30個木纖維長度，求出平均值，即為此年輪中早材、過渡帶或晚材的平均木纖維長度;⑤將每個年輪早材、過渡帶和晚材的平均木纖維長度再求平均，作為本實驗的測試值。

(2)細胞壁厚、壁腔比、徑向直徑、弦向直徑、胞壁率和組織比量。①在圓盤試材上截取高15～20 mm、寬10 mm的試樣，長度為從髓心到樹皮的半徑長;②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;③在橫切面上切取15～20μm厚的切片;④切片經番紅染色，經30%、50%、80%、95%的酒精脫水、無水乙醇、無水乙醇與二甲苯混合液、二甲苯順序處理;⑤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，待固定好后采用V5.2彩色圖像計算機分析系統進行測定。

1.3 測定指標

木纖維長度、細胞壁厚、壁腔比、徑向直徑、弦向直徑、胞壁率、組織比量。

2 結果與分析

2.1 木纖維長度

五角槭木纖維長度的徑向變異規律如圖1所示，從髓心到樹皮方向先增加迅速，29～30 a間微小回落后保持相對穩定，變異模式符合PanshinⅠ模型，14 a和26 a有相對較大波動。對其進行回歸分析，回歸方程為y=71.216Ln(x)+493.12，相關系數R2=0.708，由于在29～30 a間有一定程度的回落，這對曲線擬合度有一定的影響，對其進行分段分析，29 a前回歸方程為y=112.82Ln(x)+413.51，R2=0.941，擬合度大大提高;30 a后木纖維保持在720μm上下呈微小波動。

圖1 木纖維的徑向變異Fig.1 Radial variation of wood fiber length

2.2 細胞壁厚

細胞壁厚隨著年輪增長呈微小的上升趨勢，但在整個過程中都存在不同程度的變化，28～30 a前的變化起伏較大，之后趨于相對平穩，進入成熟期，保持在11μm上下，在14 a和26 a前后存在大幅度的下降，如圖2所示。

圖2 細胞壁厚的徑向變異Fig.2 Radial variation of cell wall thickness

2.3 壁腔比

五角槭作為一種材質均一的珍貴木材，其細胞壁腔比除個別生長輪外，數值上都小于1，每一個細胞都呈現中空的支架結構，使木材的強度增大。細胞壁腔比均呈現無規律的起伏變化，14 a、21 a和26 a前后產生突變，而在29～31 a后的起伏變化較之前的起伏小，如圖3所示。

圖3 壁腔比的徑向變異Fig.3 Radial variation of cell wall to cavity radio

2.4 胞壁率

作為一種材質均一，早晚材變異不大的優質闊葉材，五角槭的胞壁率的徑向變異從隨心到樹皮總體保持在60%上下浮動，但是在生長的過程中伴隨著不同程度的波動，也是在14 a、21 a和26 a前后波動較大，如圖4所示，不同年份之間的氣候變化可能是產生這種波動的直接原因。在31～33 a后，胞壁率的變化波動減小，樹木進入成熟期。

2.5 徑、弦向直徑

徑向直徑的變化如圖5所示，其在整個年輪中呈現波動的微小上升趨勢，徑向直徑的波動集中在14～20μm之間，29～31 a后徑向直徑的波動略小于之前的變化。弦向直徑的變化趨勢同徑向直徑，弦向直徑數值集中在11～17μm之間，29～31 a后的變化幅度較之前變小，生長處于成熟期，如圖6所示。徑、弦向直徑都在14 a、21 a和26 a有較大的波動，徑向直徑大于對應輪齡的弦向直徑，成熟材弦向直徑的波動比徑向直徑的波動顯著。

圖4 胞壁率的徑向變異Fig.4 Radial variation of fiber wall ratio

圖5 徑向直徑的徑向變異Fig.5 Radial variation of radial diameter

圖6 弦向直徑的徑向變異Fig.6 Radial variation of tangential diameter

綜合以上5項指標可以初步把幼齡材和成熟材界定在28～33 a之間。在14 a和26 a前后，木纖維長度、細胞壁厚、壁腔比和胞壁率都存在一定程度的下降，而徑向直徑和弦向直徑都有所增加，形成的木纖維具有腔大，壁薄，長度較小的特點，說明當年的生長過程中，營養物質主要供給樹木橫向上的生長，樹木高度上的生長較小;在21 a，壁腔比和胞壁率突然變大，徑、弦向直徑突然減小，而木纖維長度和細胞壁厚變化不大，形成的木纖維的細胞腔較小，可能受當年氣候影響，致使形成層原始細胞活動能力減弱，細胞分裂亦因而減弱。

2.6 組織比量

組織比量的徑向變異規律如圖7所示，從髓心到樹皮方向木纖維比量呈小幅度下降，導管比量有所上升，木射線比量在生長期間波動較大［12］。在樹木生長過程中，隨著年輪的增長，木材所需的養料越來越多，就需要更多的運送機制去滿足生長的需求，導管在木材的生長中是水分和養料的運輸通道，只有導管數量的增加才能滿足上述需求，故導管比量有所增加。排除較大數值波動的干擾，對五角槭組織比量進行回歸分析，見表1，木纖維、導管和木射線比量均可達到很好的擬合度，擬合方程分別為y=72.951e－0.0007x，R2=0.820;y=17.991e0.0022x，R2=0.875;y=9.463 5e0.0074x，R2=0.778。

表1 組織比量與生長輪齡的關系Tab.1 Relationship between tissue radio and growth ring age

圖7 組織比量的徑向變異Fig.7 Radial variation of tissue radio

3 結束語

天然林五角槭木纖維長度徑向變異規律符合PanshinⅠ模型，其幼齡材的回歸方程為 y=112.82Ln(x)+413.51，相關系數 R2為0.941，擬合性較好;成熟后木纖維長度在720μm上下微小浮動;細胞壁厚、壁腔比、徑向直徑、弦向直徑和胞壁率的變化規律相似，都表現為幼齡材階段數值波動較大，而進入成熟期后波動程度減弱;綜合以上各測試指標初步界定幼齡材與成熟材的年限為29－33 a之間，各年輪間測定指標的變化受不同生長因素的影響;木纖維比量呈微小下降，導管比量有所上升，木射線比量在生長期間波動較大，回歸方程滿足y=a ebx變異模型，相關系數在0.778～0.875范圍內，擬合性較好。

［1］管 寧，姜笑梅，文小明.木材材性株內徑向變異模式初探－Ⅰ論材性株內徑向變異模式的系統研究［J］.林業科學，1996，32(4):366－377.

［2］欒樹杰，戴澄月，王書光.杉木生長輪材質變異的研究［J］.林業科學，1988，24(4):430 －437.

［3］陳廣勝，郭明輝，黃 冶.不同初植密度興安落葉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(2):12－16.

［4］郭明輝，潘月潔，陳廣勝.不同海拔高度白樺木材解剖特征徑向變異［J］.東北林業大學學報，2000，28(4):25 －29.

［5］王 瑩，郭明輝，李明君.適度間伐對人工林大青楊解剖特征和物理特征的影響［J］.東北林業大學學報，2010，38(6):15 －19.

［7］金春德，王 成，金玉善，等.天然林赤松木材材質變異規律的初步研究［J］.東北林業大學學報，2000，28(1):39 －42.

［8］金春德，吳義強，王 成，等.人工林與天然林赤松木材管胞形態特征及密度的變異［J］.東北林業大學學報，2001，29(6):102 －104.

［9］姜笑梅.人工林和天然林馬尾松幼齡材與成熟材解剖性質的比較研究［J］.世界林業研究，1995，(專輯):1 －9.

［10］劉曉春，賈洪柏，王秋玉.白樺天然種群木材材質性狀的變異與相關性［J］.東北林業大學學報，2008，36(8):8 －10.

［11］劉一星.中國東北地區木材性質與用途手冊［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［12］胡志棟，趙小強.基于ANSYS的木質基復合材料的靜力學分析［J］.森林工程，2010，26(5):31 －33.