初植密度对大青杨木材显微构造特征及固碳量的影响1)

朱 莉 关 鑫 李 坚 郭明辉

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

为了实现森林资源持续稳定的发展，得到高产优质木材的同时缓解温室效应，研究木材品质、固碳量与森林培育和加工利用的关系，是实现人工林定向培育和高效利用的先导。培育措施包括林分结构、初植密度、间伐、修枝等，是影响木材材质和固碳量的重要因子，因此了解不同培育措施与木材微观构造特征和固碳量的相关关系，将有利于培育优质高固碳量人工林［1-4］。初植密度是人工林培育的主要参数之一，直接关系到人工林木材的材质。目前对于初植密度的研究结论较多［5-11］，Polge研究发现［12］，初植密度较大易产生较大的节子和较多的幼龄材，而尖削度较大的树木主要生长在初植密度较小的空间内。Cown研究表明［13］，在初植密度较大的条件下生长的加勒比松(Pinus caribaea)，其木材密度较低。郭明辉［14］研究表明，红松(Pinus koraisensis)初植密度较大，其胞壁率、生长轮密度、抗弯强度、顺纹抗压强度、横纹抗压强度、木材密度较大。可见，树木的多样化使其培育措施具有专属性［15］。笔者以东北人工林主要树种之一的大青杨为对象，主要研究其初植密度对木材微观构造特征和固碳量的影响，从而推动大青杨人工林定向培育技术的发展进程。

1 材料和方法

试材采自东北林业大学帽儿山实验林场老山生态站的大青杨人工林。选取3种初植密度为2.0 m×2.0 m、3.0 m×3.0 m 和 4.0 m×4.0 m 的林分，在每块样地随机选取3棵树，于胸高1.3 m处分别截取厚25、50 mm圆盘各一个，标明南北方向。样木状况见表1。

表1 样木

解剖特征测量 解剖特征包括纤维长度、导管长度、纤维直径、导管直径、壁厚、壁腔比、胞壁率和组织比量。其中，纤维和导管长度采用离析法［1］测定，其余横切面解剖特征采用木材显微图像分析［1］处理系统进行测量。

木材固碳量计算 木材是一种复杂的多孔性材料，其微观构造有导管、管胞、木纤维、木射线、胞间道等，结构复杂，但存在共性，即都是由细胞腔和细胞壁构成。细胞壁是碳的储存体［5］，通过测量细胞壁的量可以总体评价木材碳汇能力。计算公式如下:

式中:C为木材的固碳量;r为胞壁率;V为木材材积，按照伐倒木区分求积法计算;n为转化系数，若C的单位为g，V的单位为 cm3，则n为1，若C的单位为kg，V的单位为m3，则n为103。

2 结果与分析

2.1 解剖特征与初植密度

2.1.1 木纤维

不同初植密度林分木纤维特征测定结果如表2所示。方差分析表明，纤维壁厚、纤维长度和纤维组织比量差异性显著。

表2 不同初植密度林分木纤维特征测定结果

从数值上看，初植密度为3.0 m×3.0 m的组织比量最大，其次为4.0 m×4.0 m，最小为 2.0 m×2.0 m。但是初植密度为3.0 m×3.0 m的纤维长度和纤维壁厚都小于初植密度为4.0 m×4.0 m的木纤维，而初植密度为2.0 m×2.0 m的木纤维长度较长。从造纸角度而言，纸张的质量品种多样，纤维长度影响纸的撕裂强度、耐折度、耐破度等，通常要求纤维长度在0.9～3.0 mm之间。此外，管胞的长宽比、壁腔比与纸张强度和质量也有密切关系，一般认为长宽比大于30～45，壁腔比小于1的纤维适合造纸。对照本研究结果可知，3种初植密度生长的大青杨木纤维指标均符合造纸要求，且2.0 m×2.0 m优于4.0 m×4.0 m，其次为3.0 m×3.0 m。

2.1.2 导管

导管体积一般占木材总体积的7% ～43%，是输导组织，但导管本身是降低木材物理力学性质的重要因素之一［16］。不同初植密度林分导管特征测定结果如表3所示。方差分析表明，导管直径、导管壁厚、导管长度、导管长宽比和导管组织比量差异性显著。初植密度为4.0 m×4.0 m的大青杨，其导管相对短小，导管腔相对较大，组织比量相对较小，相对来说，其既利于树木生物量的累积，又不会显著降低木材的力学强度。初植密度为3.0 m×3.0 m和2.0 m×2.0 m的大青杨，其导管各项指标相对较为接近。但考虑木材固碳量的累积，初植密度为2.0 m×2.0 m的大青杨，其导管各项指标更符合要求。

表3 不同初植密度林分导管特征测定结果

2.2 固碳量与初植密度

由图1 可知:初植密度为2.0 m×2.0 m 和3.0 m×3.0 m的大青杨人工林，其连年固碳量变化趋势较为相似，即先缓慢增加(＜16 a)，而后呈相对稳定的波动性变化;初植密度为2.0 m×2.0 m的大青杨人工林，其连年固碳量在前期的增加幅度要相对较大;初植密度为4.0 m×4.0 m的大青杨人工林，连年固碳量在短期内(＜7 a)快速增加，而后呈相对稳定的波动性变化。表4表明，初植密度为4.0 m×4.0 m的大青杨人工林连年固碳量最大，其次是被植密度为2.0 m×2.0 m的大青杨人工林连年固碳量，而初植密度为3.0 m×3.0 m的大青杨人工林连年固碳量最小。其中2.0 m×2.0 m的初植密度对连年固碳量具有高度显著性影响。不同初植密度的大青杨人工林，连年固碳量的差异性显著。对于单株大青杨而言，4.0 m×4.0 m的初植密度将获得最多的固碳量。而对于单位面积内大青杨人工林总的连年固碳量而言，初植密度为2.0 m×2.0 m的大青杨人工林连年固碳量最大，而初植密度为3.0 m×3.0 m的大青杨人工林连年固碳量最小，初植密度为4.0 m×4.0 m的大青杨人工林连年固碳量介于两者之间，因此，2.0 m×2.0 m的初植密度应是科学合理的选择方案，但同时应该采取其他培育措施来增加大青杨的固碳量，即提高单株树木固碳量的同时也提高大青杨人工林总的固碳量。

表4 不同林分类型人工林大青杨木材连年固碳量测定结果

图1 不同初植密度林分固碳量径向变异

3 结论

初植密度4.0 m×4.0 m的大青杨人工林，其径级相对较大，力学性能相对较好，单株树木短时间内固碳量累计较高，因此可考虑作为短期轮伐林的培育模式;初植密度2.0 m×2.0 m的大青杨人工林，其力学性能相对低于初植密度为4.0 m×4.0 m的大青杨，但单位面积内大青杨累积固碳量较高，因此可考虑作为长期固碳林的培育模式。此外初植密度为2.0m×2.0m的大青杨，其木纤维各项指标相对较优，故采伐后的木材可用作造纸原料。

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