湖南鐵心杉解剖特征及其物理力學性質(zhì)研究

張 勰 彭俊懿 石江濤 徐清乾 許忠坤 黃 帆

（1.湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；2.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037）

杉木（Cunningham lanceolate）作為我國特有的商品材樹種，具有生長速度快、環(huán)境適應性好、樹干通直圓滿，木材紋理直、耐腐性強、質(zhì)量系數(shù)高等特點。一直以來，杉木不僅是我國長江流域最重要的造林樹種之一，還是我國廣泛應用于家具、橋梁、造紙等領(lǐng)域的重要工業(yè)原料。為了保障我國木材資源安全，必須要開展兼具生長性狀與木材材性的良種選育。長期以來，國內(nèi)外同行圍繞杉木良種的選育開展了大量的工作，如種子園建立、良種種質(zhì)資源收集、材性基因圖譜構(gòu)建與遺傳改良等[1-2]。鐵心杉作為杉木的一種特殊變異類型，心材顏色呈深棕色，具有心材率高、紋理密實、天然耐腐等特點。對于杉木心材的研究主要集中在化學成分[3-4]，木材顏色[5]，材質(zhì)性質(zhì)及其變異[6-9]等方面，研究對象多為未成熟的幼齡材，對于鐵心杉木材性質(zhì)的研究還處于原始數(shù)據(jù)積累階段。本研究以湖南永順縣小溪國家自然保護區(qū)成立之前，當?shù)鼐用癫煞サ奶烊涣骤F心杉木材為對象，測定了木材管胞特征、密度、主要的力學性質(zhì)，分析了管胞尺寸的徑向變化規(guī)律，為湖南特色鐵心杉種質(zhì)資源收集與良種選育積累了原始數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗地位于湖南省永順縣小溪國家自然保護 區(qū)（110°06′50″～110°21′35″E,28°42′15″～28°53′55″N,海拔162～1 438 m），氣候年均溫12～14 ℃，無霜期262 d以上；年降水量1 300～1 600 mm，相對濕度79%，土壤多為板頁巖發(fā)育的山地黃紅壤，較肥沃。試驗材料來源于湖南永順縣小溪鎮(zhèn)野竹村農(nóng)戶自家收集的杉木原木，已自然風干30 a以上。共選取來自3棵樹的基部原木（長度2 m），每棵原木過中心鋸解成10 cm厚徑切板，包含完整年輪，平均樹齡約82 a。木材初始含水率為(10.78±0.36)%。

1.2 實驗方法

1.2.1 年輪與管胞特征

依據(jù)GB/T 1930—2009[10]，在木材端面沿徑向畫一條直線，利用年輪測微儀（精確至0.01 mm），沿直線測定每個年輪寬度和晚材寬度。用測定范圍內(nèi)的整年輪總寬度與整年輪數(shù)的比值表示平均年輪寬度。測定范圍內(nèi)晚材總寬度與年輪總寬度的比值為晚材率。心材率通過心材直徑與樹干直徑的比值得出。由于鐵心杉年輪太窄，無法準確區(qū)分所有年輪內(nèi)早晚材，在測定管胞尺寸時，按年輪或?qū)⒉糠帜贻喓喜y定。采用富蘭克林解離法（30% H2O2和冰乙酸體積比1∶1混合溶液）離析木材組織，在顯微鏡下隨機選取至少30個管胞進行測定。

1.2.2 微纖絲傾角測定

采用X射線衍射法測定微纖絲傾角。沿徑向制備標準弦切面薄片，厚度約1 mm，面積約0.6 cm2。測試時X射線光管為銅靶，管電壓和電流分別為40 kV和30 mA，掃描獲得試樣的衍射強度曲線。在分布曲線上確定2個拐點，分別作切線，它與橫軸的2個交點之間的1/2距離為角距離（T），采用0.4T法[11]計算求得微纖絲角。

1.2.3 主要物理力學性質(zhì)測定

選取心材測定力學性質(zhì)，依據(jù)GB/T 1929—2009[12]制備相關(guān)木材測試樣品。木材的基本密度和氣干密度依據(jù)GB/T 1933—2009[13]測定，木材的干縮性和濕脹性分別依據(jù)GB/T 1932—2009[14]和GB/T 1934.2—2009[15]測定，木材的主要力學性質(zhì)依據(jù)GB/T 1935—2009[16]、GB/T 1936.1—2009[17]和GB/T 1936.2—2009[18]測定。所有試驗數(shù)據(jù)均計算平均值和標準差，計算和作圖采用Excel 2013。

2 結(jié)果與分析

2.1 管胞特征及其徑向變化規(guī)律

年輪寬度不僅反映樹木的年生長量，它還是影響材質(zhì)均勻程度的重要因子[19-20]。鐵心杉木材年輪寬度平均值為1.1 mm，從髓心至樹皮呈逐漸下降趨勢，特別是生長的前10 a左右，年輪寬度下降明顯，說明木材年生長量快速下降，這主要是由幼齡材向成熟材過渡所導致的。而在20 a以后，年輪寬度在0.2～0.9 mm間波動（如圖1a），表明木材年生長量趨于穩(wěn)定，這種波動主要與樹木生長的當年環(huán)境有關(guān)。鐵心杉的心材率約為60.7%，晚材率約為18.6%。

鐵心杉木材平均管胞長度(3 182±711) μm，最大為3 952.46 μm，最小為1 438.84 μm；管胞平均寬度(41.93±3.99) μm，最大為45.94 μm，最小為32.46 μm；管胞長寬比為75.04±12.15。依據(jù)IAWA對于管胞長度的分類[21]，鐵心杉管胞為中等長度，偏小。管胞長度、管胞寬度及管胞長寬比在髓心至樹皮的徑向呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，均是逐漸增大的過程。在樹木生長的前10 a，增長速率較快。管胞寬度在樹木生長的約15 a之后趨于穩(wěn)定，在41～45 μm之間波動。而管胞長度在樹木生長15～20 a時還有增大趨勢，45 a之后隨當年環(huán)境略有波動（如圖1b）。

鐵心杉微纖絲傾角平均值為(13.18±4.37)°，最大可達29.2°，最小為10.56°。在髓心至樹皮的徑向呈減小的趨勢（如圖1c），與年輪寬度的徑向變化規(guī)律相似。在樹木生長的前10 a，微纖絲角的快速減小與幼齡材密切相關(guān)。而在樹木生長的20 a之后，微纖絲角趨于穩(wěn)定，期間的波動主要與當年生長環(huán)境有關(guān)。

圖1 鐵心杉年輪寬度、管胞尺寸與細胞壁微纖絲傾角的徑向變化規(guī)律Fig.1 Radial variation of growth ring width,tracheid size and microfiber angle in cell wall of dark-brown heart C.lanceolate

2.2 木材的物理性能

由表1可知，鐵心杉基本密度平均值為0.432 g/cm3，氣干密度平均值為0.509 g/cm3（氣干時的平均含水率是10.78%）。根據(jù)我國木材氣干密度的分級范疇，0.36～0.55 g/cm3為小，0.56～0.75 g/cm3為中，鐵心杉木材密度屬于小偏中等。鐵心杉木材的基本密度接近于貴州產(chǎn)的人工林馬尾松木材。氣干密度值遠大于《中國木材志》[22]中記載的湖南產(chǎn)杉木的（0.371 g/cm3），也明顯大于人工林杉木、巒大杉木（Cunninghamia konishii）等，更接近鐵杉（Tsuga chinensis）、油杉（Keteleeria fortunei）等木材。鐵心杉具有較高的密度與其較窄的年輪寬度和較高的晚材率有關(guān)。此性狀是否具有高度遺傳力還需進一步驗證。

表1 鐵心杉木材物理性質(zhì)及與部分木材的比較Table 1 Comparison of wood physical properties between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

鐵心杉木材徑向和弦向全干干縮率為3.47%和6.30%，而濕脹率分別為3.75%和7.12%，濕脹率略大于干縮率。它的全干干縮率和濕脹率在徑向小于弦向，這與木材的各向異性規(guī)律一致。其體積干縮率和濕脹率分別為10.02%和11.44%。總體認為鐵心杉干縮濕脹不大，屬于中等偏小。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，鐵心杉的全干干縮率和濕脹率，不論是在線性方向上還是體積，均優(yōu)于人工林杉木、巒大杉木、油杉、柳杉（Cryptomeria fortunei）及馬尾松（Pinus massoniana）等木材。這種差異的原因與樹種有密切關(guān)系，同時與樹木的生長環(huán)境也有一定關(guān)系。干縮率和濕脹率的結(jié)果表明鐵心杉具有良好的尺寸穩(wěn)定性，這2個指標可以作為材質(zhì)篩選的重要因子。

2.3 木材的力學性能

由表2可知，鐵心杉木材順紋抗壓強度為69.13 MPa，高于其他類型杉木，甚至高于馬尾松、鐵杉和油杉等樹種。它的木材抗彎強度為106.34 MPa，高于多數(shù)杉科木材，與湖南產(chǎn)的鐵杉（106.7 MPa）相當。鐵心杉的抗彎彈性模量為9.69 GPa，也高于記載中的多數(shù)杉木，但是低于馬尾松、油杉、鐵杉等樹種。這些樹種間的力學性質(zhì)差異，是遺傳因素與生長環(huán)境因子共同作用的結(jié)果。根據(jù)《木材科學研究》[28]中記載的“木材的主要物理力學性質(zhì)分級表”，中等強度的木材抗彎強度為88.1～118.0 MPa，順紋抗壓強度為29.0～44.0 MPa，表明鐵心杉屬于中等偏上強度的木材。在無法確定木材用途的時候，根據(jù)順紋抗壓強度與木材抗彎強度值的總和，可將木材分為3個品質(zhì)等級，強度不高（小于107.8 MPa）、高強度（107.8～170.1 MPa）和強度很高（大于170.1 MPa）[29]。從表2可知，鐵心杉木材順紋抗壓強度和木材抗彎強度平均值總和為175 MPa，屬于強度很高的木材。而當木材用于輕質(zhì)高強工程中時，應考慮木材的品質(zhì)系數(shù)。品質(zhì)系數(shù)是通過順紋抗壓強度與木材抗彎強度分別與不帶單位的基本密度比值之和確定的。它可將木材分為3類，低等（小于196 MPa）、中等（196.1～215.6 MPa）和高等（大于215.6 MPa）樹種[30]。經(jīng)計算得知，鐵心杉的品質(zhì)系數(shù)為406.17 MPa，屬于高等材質(zhì)木材。與部分珍貴用材樹種的木材品質(zhì)系數(shù)比較（見表3），發(fā)現(xiàn)湖南鐵心杉木材品質(zhì)系數(shù)高于紅豆杉（Taxusspp.）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、胡 桃 楸（Juglans mandshurica）等珍貴用材樹種，說明鐵心杉木材是一種優(yōu)質(zhì)的輕量化高強度木材。因此，鐵心杉可作為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材品種來培育及利用。

表2 鐵心杉木材力學性質(zhì)及其與其他木材的比較Table 2 Comparison of wood mechanical properties between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

表3 鐵心杉木材品質(zhì)系數(shù)及其與珍貴木材的比較Table 3 Comparison of wood quality factors between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

3 結(jié)論與討論

樹木的生長性狀結(jié)合木材的品質(zhì)是良種選育的重要參考。通過研究木材主要宏觀特征、密度、尺寸穩(wěn)定性以及力學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)湖南天然林生長的鐵心杉木材具有輕量化和高強度的特征。鐵心杉木材年輪平均寬度為1.1 mm，心材率達到60.7%；管胞平均長度和寬度分別為3 182 μm和41.93 μm，長寬比為75.04。細胞壁層平均微纖絲角為13.18°。鐵心杉管胞長度和寬度與人工林杉木的尺寸[31]并未有顯著的優(yōu)勢，而且在徑向具有相似的變化規(guī)律。管胞長度徑向變化規(guī)律基本符合Pashin I 型，即從髓心到樹皮先快速增大，到達一定樹齡后，管胞長度保持相對穩(wěn)定趨勢。鐵心杉微纖絲角在樹木幼齡期較大，在生長初期隨著樹齡增大而快速減小，等到20 a左右，趨于穩(wěn)定。微纖絲角的徑向變化規(guī)律與黃艷輝等[32]研究結(jié)果一致。這些構(gòu)造特征的徑向變化規(guī)律表明鐵心杉的幼齡材與成熟材界定樹齡在15～20 a。

鐵心杉基本密度為0.432 g/cm3，高于記載中的各種類型杉木，也高于筆者之前研究的湖南會同縣天然林杉木[33]。鐵心杉表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性，這與其木材構(gòu)造特征及基本密度有密切關(guān)系。鐵心杉的順紋抗壓強度、木材抗彎強度和抗彎彈性模量分別達到69.13、106.34 MPa和9.69 GPa，其木材為高強度等級，具有很高的木材品質(zhì)。樹木的生長活動與木材的性質(zhì)是密切相關(guān)的。木材性質(zhì)是遺傳控制和環(huán)境控制的綜合結(jié)果。張運根[34]認為鐵心杉生長性狀受造林立地條件和遺傳因素的影響，而木材的心材率、基本密度主要受遺傳因素的影響，但其研究的紅心杉樹齡較小（6年生），主要是幼齡材，材性變異較大。研究表明無性系之間的木材解剖特征、密度、物理力學性質(zhì)等確實存在顯著差異[19,35]，說明部分木材性質(zhì)受遺傳因素的控制。而王傳貴等[36]研究不同種源杉木物理力學性質(zhì)，認為地理環(huán)境因素比遺傳因素對材性的影響更為顯著。此外，天然林與人工林木材的性質(zhì)差異也是存在的。普遍認為，天然林木材的力學性質(zhì)要高于人工林的，并且在成熟材中表現(xiàn)更為明顯[37]。但是，姬寧等[27]研究認為馬尾松人工林木材基本密度與天然林的差異很小，認為人工林并不一定顯著降低木材的基本密度。而幼齡期木材的密度顯著低于成熟期的現(xiàn)象是廣泛存在的。這也間接說明，木材的基本密度的差異與樹種和樹齡有關(guān)，受遺傳因素影響較大。綜上所述，筆者認為湖南鐵心杉木材具有輕量化和高強度的優(yōu)良遺傳特性，可以作為優(yōu)質(zhì)大徑級結(jié)構(gòu)材的種質(zhì)資源進行培育及開發(fā)利用。