浙江武義天然林與人工林南方紅豆杉木材理化性質研究

吳網君，王進，聶玉靜，于海霞，徐秋娟，莊曉偉

（1.浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江農林大學，浙江 杭州 311300 3.武義縣林業局，浙江 武義 321200）

南方紅豆杉Taxus wallichianavar.mairei是中國特有的瀕危樹種[1]，為國家一級保護植物，在中國分布較廣，在長江流域以南、包括臺灣省在內的17 個省（區）均有生長。其木材紋理直，結構細，色澤麗，質地韌且耐腐蝕，是珍貴的用材樹種之一[2-3]。南方紅豆杉生長較為緩慢且天然林區資源有限。早在2002 年，國家已經出臺相關法律法規，在全國范圍內禁止野生南方紅豆杉商業化用途。近年來，隨著珍貴樹種大規模培育技術的發展，珍貴木材人工林化的推進就顯得愈發的重要[4]。浙江省重點發展的珍貴木材樹種就有南方紅豆杉，因此，南方紅豆杉人工林化的發展勢必為南方紅豆杉木材的加工利用提供廣闊前景。在此之前，黃日明[5-6]等對福建梅花山國家級自然保護區的南方紅豆杉天然林木材（樹齡不詳）、林賢山[7]等對福建德化葛坑國有林場的南方紅豆杉人工林木材（樹齡39 a）的物理力學性質進行了研究。目前，已經從紅豆杉屬Taxus植物中分離鑒定了大量的紫杉烷類化合物，主要包括紫杉醇、多西他賽，以及具有紫杉烷骨架結構的衍生物；學者們集中研究南方紅豆杉的樹皮、種子、果蒂、細枝和葉的化學成分，但對其木材的化學成分的研究較少。本文針對浙江省武義縣南方紅豆杉天然林木材和人工林木材，從物理力學性能與化學組分性質兩方面進行分析和比較研究，以期為南方紅豆杉木材的基礎理論研究與人工林紅豆杉的發展利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用南方紅豆杉天然林木材由金華市武義縣林業局捐贈提供。該批木材系森林公安依法罰沒，系武義縣天然林的南方紅豆杉，木材胸徑為33 cm，樹齡約為200 a。試驗用南方紅豆杉人工林木材，筆者于武義縣泉溪鎮一人工林培育基地取樣，木材胸徑為15 cm，樹齡為10 a。

1.2 方法

試樣木材測試部位取距離基部1.2 m 處、長1 m 的木段，外觀無破壞，經去皮后裁切制樣。取樣方法按照國家標準《木材物理力學試樣采集方法》GB 1927—2009[8]的規定進行。木材基本密度、氣干密度和全干密度及干縮性測定用同一試樣，尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，共32 個。濕脹性和吸水性測定用另一試樣，尺寸同上，同樣為32 個。

木材密度、濕脹性及吸水性測定按GB/T 1933—2009[9]、GB/T1934.1—2009[10]和GB/T 1934.2—2009[11]進行，其中，質量用PL303 型電子天平稱量，準確至0.001 g，體積用排水法求出。干縮性則按GB 1932—1991[12]測其干縮系數，以便比較。木材抗彎強度、抗彎彈性模量、硬度等力學性質按GB 1936.1—2009[13]、GB 1936.2—2009[14]和GB 1941—2009[15]測定。取木材邊材1 000 g，經粉碎機粉碎并篩選其中40～60 目木粉用于化學成分分析，具體按GB/T 2677.3—1993[16]、GB/T 2677.4—1993[17]、GB/T 2677.6—1994[18]、GB/T 2677.5—1993[19]、GB/T 2677.8—1994[20]、GB/T 2677.9—1994[21]和GB/T 2677.10—1995[22]分別測定灰分、冷熱水抽提物、苯醇抽提物、1% NaOH抽提物、酸不溶木質素、多戊糖、綜纖維素等化學成分含量，平行測試3 次。

金屬元素含量采用消化爐對木材樣品進行消解處理，Fe、Mn、Zn、Cu、Ca、Mg 含量使用原子吸收分光光度計檢測，而K、Na 含量使用火焰原子吸收分光光度計檢測。采用X 射線衍射儀對樣品進行X 射線衍射（XRD）分析，具體參數為：Cu 靶Kα輻射，λ=1.541 8?，管電壓為40 kV，管電流為30 mA，掃描范圍5°～ 80°，掃描速率4°·min-1，掃描角度視樣品而定。紅外線光譜檢測（FTIR）分析采用溴化鉀壓片法制樣，用傅里葉變換紅外光譜儀進行紅外光譜測定。采用X 射線光電子能譜（XPS）分析木材表面元素和化學成分特征。測試儀器主要參數：采用單頻 Al kα（1 486.6eV）射線源，功率250 W，污染碳峰285 eV 為標定標準，本底真空度大于10-7Pa；原始測試數據的采集和處理在Advantage 軟件上進行，分峰主要在XPS peak 軟件上進行，最后將所得的數據導入Origin 來分析。

2 結果與分析

2.1 紅豆杉木材物理力學性質

2.1.1 木材密度分析 木材密度反映了木材細胞壁中物質含量的多少，密度越大其細胞壁中的物質含量越多[23-25]。對武義縣南方紅豆杉天然林與人工林木材密度性狀的測定與統計結果見表1。由表1 可知，武義縣南方紅豆杉天然林與人工林木材在含水率為12%時的氣干密度分別為0.656 g·cm-3和0.654 g·cm-3，絕干密度分別為0.599 g·cm-3和0.586 g·cm-3，屬中等密度木材（0.56～ 0.75 g·cm-3）[26]。差異顯著性t 檢驗結果表明，武義縣南方紅豆杉天然林木材和人工林木材氣干密度差異不顯著（P＞0.05），但絕干密度天然林木材比人工林密度要偏大約2.2%。由表1 還可看出，各性狀均值變異系數基本小于5%，因此認為試驗結果較可靠。天然林南方紅豆杉木材氣干密度和絕干密度均大于人工林南方紅豆杉木材，但兩者略為接近，表明本研究中10 年生人工林南方紅豆杉木材其密度與成熟材木材密度較為接近。

表1 南方紅豆杉天然林與人工林木材密度Table 1 Density of T.wallichiana var.mairei wood from plantation and natural forest

2.1.2 木材干縮性分析 從表2 可知，南方紅豆杉天然林木材和人工林木材在含水率為12%時，其體積氣干干縮率分別為4.805%和4.837%，弦向氣干干縮率分別為2.555%和2.754%，徑向氣干干縮率分別為1.770%和2.159%。武義縣南方紅豆杉木材的體積氣干干縮率、弦向氣干干縮率、徑向氣干干縮率均較低，表明南方紅豆杉木材較為致密，其尺寸穩定性較好。其中，天然林木材的干縮性稍優于人工林木材的，其原因為本研究中天然林木材屬成熟材，而人工林木材屬幼齡材。對天然林和人工林木材干縮性的差異顯著性t 檢驗表明，兩者之間差異不顯著（P＞0.05）。不同方向氣干干縮率均值的變異系數均大于15%，測試數據變異較大；徑向干縮率變異較弦向要大，這與木材取樣的位置、方向均有較大關系。

表2 南方紅豆杉天然林與人工林木材氣干干縮率Table 2 Shrinkage of air-dried wood from plantation and natural T.wallichiana var.mairei forest

2.1.3 木材濕脹性分析 由表3 可知，南方紅豆杉天然林木材和人工林木材從氣干狀態到飽和濕材的體積濕脹率分別為3.945%和3.279%。南方紅豆杉天然林木材較人工林木材濕脹特征更明顯，其原因可能由于天然林木材樹齡為200 a，木材成熟，其性能更為穩定。對天然林和人工林木材濕脹性的差異顯著性t 檢驗表明，兩者之間差異顯著（P＜0.05）。由表3 還可看出，各性狀均值的變異系數大于25%，測試數據變異較大，且從氣干材到濕材的徑向濕脹率變異較弦向變異更大，這與氣干干縮率的變異規律吻合。

表3 南方紅豆杉天然林與人工林木材濕脹率Table 3 Wood swelling of T.wallichiana var.mairei from plantation and natural forest

2.1.4 木材抗彎強度和抗彎彈性模量分析 由表4 可知，武義縣南方紅豆杉天然林木材與人工林木材的抗彎強度分別為97.36 MPa 和63.41 MPa，抗彎彈性模量分別為9 292.02 MPa 和4 489.57 MPa。南方紅豆杉天然林木材的抗彎強度較人工林木材的明顯要高，其原因是測試樣品的天然林木材已成熟，其抗彎性能較幼齡材有明顯優勢。在抗彎彈性模量方面，測試結果表明南方紅豆杉天然林木材較人工林木材明顯要高，其原因同樣與樹齡有關。

表4 南方紅豆杉天然林與人工林木材抗彎性Table 4 Bending strength and modulus of elasticity in bending wood of T.wallichiana var.mairei from plantation and natural forest

2.1.5 木材硬度分析 由表5 可知，武義縣南方紅豆杉天然林木材端面、徑面和弦面硬度分別為3 044 N、2 516 N 和2 806 N，端面硬度分別為徑面硬度和弦面硬度的1.21 倍和1.08 倍。人工林木材端面、徑面和弦面硬度分別為2 622 N、2 535 N 和2 335 N，端面硬度分別為徑面硬度和弦面硬度的1.03 倍和1.12 倍。對于木材硬度指標來說，針、闊葉材均以端面硬度比徑面和弦面硬度高[27]，本研究也證實了這一點。南方紅豆杉天然林木材和人工林木材的硬度結果表明，兩者徑面硬度接近；端面、弦面硬度均是天然林木材明顯偏高，這是因為人工林木材尚屬幼齡材，而天然林木材屬成熟材。

表5 南方紅豆杉天然林與人工林木材硬度Table 5 Hardness of T.wallichiana var.mairei wood from plantation and natural forest

2.2 紅豆杉木材化學性質

2.2.1 化學成分含量分析 木材中化學成分的含量直接影響著木材的材性與利用。本研究對南方紅豆杉木材中木質素、綜纖維素，聚戊糖、抽提物、灰分、金屬元素等組分含量進行了測試，結果如表6。從表6 可看出，南方紅豆杉天然林和人工林木材的主要化學成分含量存在差異，南方紅豆杉天然林和人工林木材中木質素含量分別為27.02%和26.25%，聚戊糖含量分別為8.88%和12.65%，綜纖維素含量分別為75.33%和77.85%。與天然林南方紅豆杉木材相比，人工林南方紅豆杉木材中的戊聚糖、綜纖維素含量均略高，木質素含量偏低，這是由于人工林木材較天然林木材的木質化程度要低。

表6 南方紅豆杉天然林與人工林木材主要化學成分Table 6 Chemical constituents of T.wallichiana var.mairei wood from plantation and natural forest

由表7 可看出，南方紅豆杉天然林木材的苯醇抽提物、熱水抽提物、冷水抽提物、1%氫氧化鈉抽提物等含量均較人工林木材要高。經苯醇抽提后，南方紅豆杉天然林和人工林木材的粉樣顏色明顯變淺，這是由于影響木粉顏色的主要化學物質是酚類化合物，在抽提過程中隨著抽提物的抽離其濃度不斷降低所致。南方紅豆杉人工林木材的材色較天然林木材的材色淺，耐久性較天然林木材略差。灰分影響木材的材性和加工性能，本實驗中南方紅豆杉天然林和人工林木材的灰分含量分別為0.29%和0.24%，人工林木材的灰分含量低于天然林，這與其樹齡明顯偏低，木材中積累的各種無機物質較少有關。

表7 南方紅豆杉天然林與人工林木材抽提物與灰分含量Table 7 Extract and ash content in T.wallichiana var.mairei wood from plantation and natural forest

由表8 可知，南方紅豆杉天然林和人工林木材中檢測的7 種金屬元素的含量由大到小的順序為K＞Ca＞Mg＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu。由此可見，南方紅豆杉木材含有豐富的K 和Ca；Zn 的含量較低，Cu 含量最低，在天然林和人工林木材中的含量分別為3.96 μg·g-1和2.24 μg·g-1。其中，南方紅豆杉天然林木材中K、Ca、Mg、Fe、Cu 這5 種元素的含量較人工林木材中要偏高；而Zn 和Mn 這2 種元素的含量人工林木材較天然林木材偏高。南方紅豆杉木材中金屬元素的含量及其變化規律結果，可為開展南方紅豆杉木材化學加工利用提供參考。

表8 南方紅豆杉天然林與人工林木材金屬含量Table 8 Metal content in T.wallichiana var.mairei wood from plantation and natural forest

2.2.2 紅外光譜分析 圖1 為南方紅豆杉天然林（a）和人工林（b）木材的紅外光譜圖。由圖中可知，天然林木材和人工林木材紅外吸收光譜特征峰相似。在1 699 cm-1、786 cm-1、740 cm-1、690 cm-1等處均具有特征吸收峰，且僅表現出強度上略有差異，說明南方紅豆杉天然林和人工林木材主要化學成分種類基本一致，參考測得的化學成分含量，吸收峰強度差異與其成分含量有關。

圖1 南方紅豆杉天然林和人工林木材紅外光譜圖Figure 1 FTIR diagram of Taxus chinensis var.mairei wood from plantation and natural forest

2.2.3 X-射線衍射分析 X 射線衍射可用于研究金屬和合金的晶體結構。圖2 為南方紅豆杉天然林（a）和人工林（b）木材的X 射線衍射分析圖。由圖可知，在南方紅豆杉天然林和人工林木材的衍射圖中都可以清楚地觀察到，在2θ=15.7°、2θ=22.3°和2θ=34.8°三個位置出現了纖維素典型的衍射峰。南方紅豆杉天然林木材較人工林木材的特征衍射峰強度要略高，說明隨著紅豆杉木材年齡的增長，其結晶區的半纖維等含量逐步減少，微纖絲排列更為有序。結合化學成分測試，天然林南方紅豆杉木材的綜纖維素含量和聚戊糖含量均較人工林要低，這與其X 射線衍射分析結果一致。

圖2 南方紅豆杉天然林（a）與人工林（b）木材X 射線衍射分析圖Figure 2 XRD diagram of Taxus chinensis var.mairei wood from plantation(a) and natural forest(b)

2.2.4 X 射線光電子能譜分析 南方紅豆杉天然林與人工林木材的XPS 圖和XPS 測試結果見圖3 和表9。木材中纖維素、木質素、半纖維素、抽提物其主要組分以C、O、H 為主，其中C 和O 均可通過XPS 分析。結合圖3 和表9 可知，南方紅豆杉天然林與人工林木材主要都含有C、O 和N 三種元素，譜峰出現位置接近。在南方紅豆杉人工林木材中檢測到Ca 元素，在天然林木材中沒有出現Ca 2p 吸收峰；在前述元素分析中，天然林南方紅豆杉木材中的Ca 含量較人工林木材的偏高，這可能與檢測樣品中Ca 的分布不均勻有關。天然林和人工林南方紅豆杉木材樣品氧碳比（O/C）有一定差異，天然林木材氧碳比（0.15）比人工林木材（0.23）要低，表明天然林木材表面鈍化，這與天然林木材樹齡大、木材碳積累相對更高有關。

圖3 南方紅豆杉天然林（a）與人工林（b）木材X射線光電子能譜分析圖Figure 3 XPS diagram of Taxus chinensis var.mairei wood from plantation (a) and natural forest (b)

表9 南方紅豆杉天然林與人工林木材XPS 測試結果Table 9 XPS test on T.wallichiana var.mairei wood from plantation and natural forest

3 結論與討論

3.1 結論

南方紅豆杉天然林木材的氣干密度和絕干密度分別為0.656 g·cm-3和0.599 g·cm-3，人工林木材的氣干密度和絕干密度分別為0.654 g·cm-3和0.586 g·cm-3。南方紅豆杉天然林氣干密度、絕干密度和基本密度均大于人工林，人工林木材密度較天然林均勻，本研究中南方紅豆杉人工林木材還沒有達到成熟，還需進一步培育后再利用。人工林木材的尺寸穩定性稍差于天然林木材的。南方紅豆杉的氣干干縮率隨著取樣的位置方向均有較大差別，其中徑向氣干干縮率的變異系數較弦向的大；徑向濕脹率變異較弦向濕脹率的變異系數更大。

南方紅豆杉天然林木材的端面、徑面和弦面硬度分別為3 044 N、2 516 N 和2 806 N，人工林木材的端面、徑面和弦面硬度分別為2 622 N、2 535 N 和2 335 N。二種木材的徑面硬度接近；端面、弦面硬度均是天然林木材明顯偏高。從抗彎強度和抗彈性模量數據可知，南方紅豆杉天然林木材在抗彎強度與抗彈性模量方面強于人工林木材，其原因與天然林（200 a）和人工林（10 a）樹齡的差異有關。

人工林木材中的戊聚糖、纖維素和木質素含量均略高于天然林。人工林木材材色較天然林木材淺，耐久性較天然林木材略差，加工性能也略遜于天然林木材。南方紅豆杉天然林和人工林木材中金屬元素的含量基本相同且含量大小排序相同，K、Ca、Mg、Fe、Cu 這5 種元素的含量在南方紅豆杉天然林木材中較在人工林木材中的高，而Zn 和Mn 這2 種元素的含量在人工林木材中較天然林木材中的高；可以參考金屬元素含量差異，把南方紅豆杉天然林和人工林木材識別出來。紅外光譜分析、X 衍射分析、X 射線光電子能譜分析可看出南方紅豆杉天然林和人工林木材性質基本一致，特征峰強度略有差異，這與其木材中化學成分的含量有一定差異有關，南方紅豆杉木材中的碳元素隨著樹齡不斷增加而不斷積累致其氧碳比降低。

3.2 討論

本文對人工林南方紅豆杉的利用提供了材性的基礎數據，系統測試分析了武義縣南方紅豆杉天然林和人工林木材的物理性質與化學性質，取得的相關數據和結論可對南方紅豆杉木材的進一步開發利用提供參考。南方紅豆杉是一種很有發展前途的優良珍貴用材樹種，大力營造南方紅豆杉人工林能培育出產量更高且質量與天然林相當的木材，并不斷提升其綜合利用水平，對緩解當前珍貴木材短缺、滿足珍貴木材原料需求、促進林業可持續發展造福子孫后代都具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。