天然林五角槭木材材质径向变异规律初探

佟 达，张 燕，宋魁彦

(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，哈尔滨150040)

木材的材质具有变异性［1］，把握木材材质的变异规律可以为营林培育和木材材质的早期预测提供理论依据。研究者对人工林木材解剖性质的研究较多，包括木材性质［2］、不同立地条件对木材材质的影响［3－5］、幼龄材与成熟材的界定及早期预测等［6］，但是对天然林的研究只见对赤松、马尾松和白桦的相关研究［7－10］。五角槭是一种生长速度缓慢、材质均一的木材［11］，本文对其木材材质径向变异规律进行研究，以期得到对天然林资源的合理、高效利用。

1 试验材料与测试方法

1.1 试材采集

五角槭试材采自位于黑龙江省巴彦县境内兴隆林业局蚂螂河林场，阳坡，坡中上，取样方法按照国家标准GB1927－91《木材物理力学试材采集方法》的规定进行。本研究课题从每株样木的1.3 m高处截取l个50 mm厚的圆盘，标记好南北方向，带回实验室。

1.2 试样制备和测试方法

(1)木纤维长度。采用离析法进行测定。具体步骤为:①将木材试样 (高15～20 mm，宽10 mm，长为从髓心到树皮的半径长)按每个生长轮分早材、过渡带和晚材劈成片状，放入试管中，加入30%硝酸至浸没木材为止，放在试管架上，然后放入烘箱中加热，在80℃条件下烘8～10 h;②将试管取出，倒出硝酸，用水冲洗试管中的试样数次，用大姆指按住试管口，用力振荡，使木材变为木浆;③用针或毛笔挑少量木浆于载玻片上，加上一滴水，加上盖玻片置于带测微尺的显微投影仪下测量;④每个试样测量30个木纤维长度，求出平均值，即为此年轮中早材、过渡带或晚材的平均木纤维长度;⑤将每个年轮早材、过渡带和晚材的平均木纤维长度再求平均，作为本实验的测试值。

(2)细胞壁厚、壁腔比、径向直径、弦向直径、胞壁率和组织比量。①在圆盘试材上截取高15～20 mm、宽10 mm的试样，长度为从髓心到树皮的半径长;②将试样用热水浸泡，然后在1∶1的乙醇和甘油混合液中浸泡15d以上;③在横切面上切取15～20μm厚的切片;④切片经番红染色，经30%、50%、80%、95%的酒精脱水、无水乙醇、无水乙醇与二甲苯混合液、二甲苯顺序处理;⑤将切片放在载玻片上，用光学树脂胶固定，盖上盖玻片，置于干燥处，待固定好后采用V5.2彩色图像计算机分析系统进行测定。

1.3 测定指标

木纤维长度、细胞壁厚、壁腔比、径向直径、弦向直径、胞壁率、组织比量。

2 结果与分析

2.1 木纤维长度

五角槭木纤维长度的径向变异规律如图1所示，从髓心到树皮方向先增加迅速，29～30 a间微小回落后保持相对稳定，变异模式符合PanshinⅠ模型，14 a和26 a有相对较大波动。对其进行回归分析，回归方程为y=71.216Ln(x)+493.12，相关系数R2=0.708，由于在29～30 a间有一定程度的回落，这对曲线拟合度有一定的影响，对其进行分段分析，29 a前回归方程为y=112.82Ln(x)+413.51，R2=0.941，拟合度大大提高;30 a后木纤维保持在720μm上下呈微小波动。

图1 木纤维的径向变异Fig.1 Radial variation of wood fiber length

2.2 细胞壁厚

细胞壁厚随着年轮增长呈微小的上升趋势，但在整个过程中都存在不同程度的变化，28～30 a前的变化起伏较大，之后趋于相对平稳，进入成熟期，保持在11μm上下，在14 a和26 a前后存在大幅度的下降，如图2所示。

图2 细胞壁厚的径向变异Fig.2 Radial variation of cell wall thickness

2.3 壁腔比

五角槭作为一种材质均一的珍贵木材，其细胞壁腔比除个别生长轮外，数值上都小于1，每一个细胞都呈现中空的支架结构，使木材的强度增大。细胞壁腔比均呈现无规律的起伏变化，14 a、21 a和26 a前后产生突变，而在29～31 a后的起伏变化较之前的起伏小，如图3所示。

图3 壁腔比的径向变异Fig.3 Radial variation of cell wall to cavity radio

2.4 胞壁率

作为一种材质均一，早晚材变异不大的优质阔叶材，五角槭的胞壁率的径向变异从随心到树皮总体保持在60%上下浮动，但是在生长的过程中伴随着不同程度的波动，也是在14 a、21 a和26 a前后波动较大，如图4所示，不同年份之间的气候变化可能是产生这种波动的直接原因。在31～33 a后，胞壁率的变化波动减小，树木进入成熟期。

2.5 径、弦向直径

径向直径的变化如图5所示，其在整个年轮中呈现波动的微小上升趋势，径向直径的波动集中在14～20μm之间，29～31 a后径向直径的波动略小于之前的变化。弦向直径的变化趋势同径向直径，弦向直径数值集中在11～17μm之间，29～31 a后的变化幅度较之前变小，生长处于成熟期，如图6所示。径、弦向直径都在14 a、21 a和26 a有较大的波动，径向直径大于对应轮龄的弦向直径，成熟材弦向直径的波动比径向直径的波动显著。

图4 胞壁率的径向变异Fig.4 Radial variation of fiber wall ratio

图5 径向直径的径向变异Fig.5 Radial variation of radial diameter

图6 弦向直径的径向变异Fig.6 Radial variation of tangential diameter

综合以上5项指标可以初步把幼龄材和成熟材界定在28～33 a之间。在14 a和26 a前后，木纤维长度、细胞壁厚、壁腔比和胞壁率都存在一定程度的下降，而径向直径和弦向直径都有所增加，形成的木纤维具有腔大，壁薄，长度较小的特点，说明当年的生长过程中，营养物质主要供给树木横向上的生长，树木高度上的生长较小;在21 a，壁腔比和胞壁率突然变大，径、弦向直径突然减小，而木纤维长度和细胞壁厚变化不大，形成的木纤维的细胞腔较小，可能受当年气候影响，致使形成层原始细胞活动能力减弱，细胞分裂亦因而减弱。

2.6 组织比量

组织比量的径向变异规律如图7所示，从髓心到树皮方向木纤维比量呈小幅度下降，导管比量有所上升，木射线比量在生长期间波动较大［12］。在树木生长过程中，随着年轮的增长，木材所需的养料越来越多，就需要更多的运送机制去满足生长的需求，导管在木材的生长中是水分和养料的运输通道，只有导管数量的增加才能满足上述需求，故导管比量有所增加。排除较大数值波动的干扰，对五角槭组织比量进行回归分析，见表1，木纤维、导管和木射线比量均可达到很好的拟合度，拟合方程分别为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 组织比量与生长轮龄的关系Tab.1 Relationship between tissue radio and growth ring age

图7 组织比量的径向变异Fig.7 Radial variation of tissue radio

3 结束语

天然林五角槭木纤维长度径向变异规律符合PanshinⅠ模型，其幼龄材的回归方程为 y=112.82Ln(x)+413.51，相关系数 R2为0.941，拟合性较好;成熟后木纤维长度在720μm上下微小浮动;细胞壁厚、壁腔比、径向直径、弦向直径和胞壁率的变化规律相似，都表现为幼龄材阶段数值波动较大，而进入成熟期后波动程度减弱;综合以上各测试指标初步界定幼龄材与成熟材的年限为29－33 a之间，各年轮间测定指标的变化受不同生长因素的影响;木纤维比量呈微小下降，导管比量有所上升，木射线比量在生长期间波动较大，回归方程满足y=a ebx变异模型，相关系数在0.778～0.875范围内，拟合性较好。

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