桢楠木材构造特征及其径向变异研究

杨 进 ,宁莉萍,b,刘 敏,刘 虎,廖晓玲,胡睿喆,张明雪

(四川农业大学 a林学院，b木材工业与家具工程高校重点实验室，四川 成都611134)

历史上楠、樟、梓、椆并称为四大名木，而楠木居首[1]。桢楠中文学名为楠木，拉丁学名为PhoebezhennanS.Lee，隶属樟科楠属[2]，为常绿高大乔木，属于濒危物种，现被列为国家Ⅱ级保护植物[3]。桢楠木不易变形开裂、易加工、耐腐朽，纹理瑰丽多变，是当前国内木材行业公认为“金丝楠”木的最优树种[4]；其树干通直、高大，枝繁叶茂，树姿挺拔秀丽，常作为庭荫树或行道树，也是著名的观赏树种[5-6]，主要生长于四川、湖北和贵州等省，当前市场普遍认为四川桢楠品质最优，价格最高[7]。目前桢楠价高却无鉴定依据的现状导致市场上出现大量假冒桢楠产品，商业纠纷频现[8]。目前国内外关于桢楠虽有一些报道，但是数量较少，且研究主要集中在种群分布与变迁、人工林的生长规律和育苗管理等方面[9]。陈瑞英等[10]、成俊卿等[11]虽然报道过关于桢楠木材的简介，但缺乏系统的木材构造特征及其径向变异规律研究，目前仅见周祖洪等[12]进行过桢楠径向生长量变化规律的研究，但解剖参数的径向变异规律尚未见研究。因此，本试验拟以四川省雅安市金凤寺的桢楠古树群作为研究对象，选择生长状态良好的桢楠单株进行采样，测量其各个年轮段木材构造特征参数并观察木材的微观、宏观构造，研究其径向变异规律，归纳总结桢楠的木材结构特征，为桢楠木种的识别与其木材利用提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

2015年11月，对四川省雅安市金凤寺中的桢楠古树进行随机取样。采用生长锥钻取木芯样的方法取样[13]，取样处离地1.3 m，钻取方向由南向北，生长锥直径5.15 mm。共取样15株，标记后分别装入塑料管中并封口，带回实验室进一步分析。通过初步筛选，弃去有疤节、虫孔及有其他缺陷的木芯样，最终选定以树高约为21.1 m、胸径约为392 mm、树龄为110年生的单株桢楠树芯为研究样本。

1.2 仪器与设备

使用的主要仪器与设备有树木生长锥(长500 mm，两线，直径5.15 mm，北京澳作生态有限公司)、TU-231大型滑走式切片机、光学显微镜(OLYMPUS BX51，上海生物科技有限公司)、体视显微镜(OLYMPUS X7，上海光密仪器有限公司)、SEM扫描电镜(日本电子JSM-6490LV)和EDS色散能量分析仪。

1.3 试验方法

1.3.1 宏观构造特征观察 将试样横、径、弦三切面用清水润湿后，在肉眼、放大镜、体视显微镜下观察木材生长轮、管孔、轴向薄壁组织、木射线、纹理、构造等宏观特征[14]。

1.3.2 显微构造观察及构造特征参数测定 在显微镜下，观察木材三切面显微构造并拍摄照片，利用图像测量分析系统测定木材的构造特征参数(管孔密度、弦向直径以及纤维长度和宽度)，各项参数均从不同显微切片随机测量60个数据；S2层微纤丝角采用X射线衍射法[15-17]，每隔5个年轮取样1次，处理后使用X射线衍射仪进行测量，由计算机进行统计分析。

1.3.3 超微构造观察及能量色散(EDS)分析 每10个年轮取样1次，处理后在SEM扫描电镜下观察木材三切面超微构造并拍摄图片，图片拍摄过程中利用EDS色散能谱分析仪对图片中具有特征形状的物质进行成分分析[18-19]。

1.4 数据处理

将测量的数据采用变数统计方法进行处理，以此确定每组数据平均值的可靠性，并确认是否可采信。对桢楠胸径连年生长量与径向解剖参数、微纤丝角进行回归分析，得出桢楠胸径连年生长量与木材构造特征参数的相关性。

2 结果与分析

2.1 桢楠木材的宏观构造特征

桢楠木材肉眼下呈黄色或深黄褐色，心材与边材区分不明显；材表面光泽较弱，有微芳香气味；味微苦，纹理较直，木材构造较细腻而均匀；生长轮明显，轮间呈深色带；散孔材；年轮宽度较均匀，每cm 2～4轮，横切面上管孔肉眼下可见，大小略一致，分布均匀，散生或斜列；管孔内偶见侵填体；轴向薄壁组织放大镜下明显，稀疏傍管状；横切面上木射线稀至中，极细至略细，在放大镜下明显。

2.2 桢楠木材的微观构造特征

2.2.1 显微构造特征 导管在横切面上为圆形或卵圆形，部分略具多角形轮廓，每mm2平均20个；管孔组合以单管孔和短径列复管孔(2～3个)为主，偶见管孔链和管孔团(图1-A,B)，导管腔内少见侵填体(图1-B)，螺纹加厚缺如；导管细胞壁较薄(3.0 μm)，最大弦径114 μm，多数90～100 μm；导管分子长212～514 μm，平均391 μm；具侵填体；螺纹加厚未见。导管细胞端部的穿孔为单穿孔，偶见梯状复穿孔(图1-C)，相邻导管间细胞壁上纹孔为互列，偶见梯状纹孔(图2-A)；纹孔口内含，卵圆形或圆形。轴向组织量少，稀疏傍管状；树胶少见，晶体未见；油细胞或黏液细胞常见。横切面上木纤维细胞壁薄，直径为19～28 μm；长779～1 204 μm，平均1 083 μm；形状大多呈扁圆形、多角形，细胞壁弦向腔径略大于径向(图1-B)，细胞沿径向排列整齐有序，弦向上呈交错排列，较松散；具有分隔木纤维。单列射线极少，高3～7个细胞；多列射线宽2～3个细胞，高7～26个细胞；射线组织异型Ⅲ型或Ⅱ型(图2-B)；射线-导管间纹孔式呈大圆形或刻痕状。射线细胞含油细胞，轴向薄壁细胞少见(图3)；晶体少见，方形；木射线非叠生；每mm 4～8根。

A.40×；B.100×；C.400×

图1 桢楠木材横切面的显微构造
Fig.1 Microscopic structure of wood cross section ofPhoebezhennan

A.200×；B.100×图2 桢楠木材径切面的显微构造Fig. 2 Microscopic structure of wood radial section of Phoebe zhennan

2.2.2 超微构造特征 导管分子偶见梯状复穿孔(图4-A)，导管内具有侵填体(图4-B)；导管内具缘纹孔(图5)，纹孔与管间纹孔为互列式(图6-A)；木射线细胞内常见球形物(图6-B)和块状物(图6-A,C)。

A.1 000×；B.2 000×
图4 桢楠木材横切面的超微构造
Fig.4 Ultramicro structure of wood cross section ofPhoebezhennan

图5 桢楠木材径切面的超微构造(1 000×)
Fig.5 Ultramicro structure of wood radial section ofPhoebezhennan(1 000×)

A.块状物(800×)；B.球形物(1 000×)；C.块状物(1 000×) A.Block in wood ray(800×)；B.Globe in wood ray(1 000×)；C.Block in wood ray(1 000×)图6 桢楠木材弦切面的超微构造Fig.6 Ultramicro structure of wood tangential section of Phoebe zhennan

由能量色散(EDS)分析可知，这些球形物的主要组成元素是碳和氧(表1)，由此可以认为这种球形物并非无机盐类而是树胶类物质，Seurfield等[20]也曾在报道中将这种球形物认定为淀粉颗粒；而块状物主要组成元素是碳、氧和钙元素，初步估计可能是含有钙盐的树胶(表2)。

表1 桢楠木射线内球形物成分分析Table 1 Component analysis of globe in wood ray of Phoebe zhennan

表2 桢楠木射线内块状物成分分析Table 2 Component analysis of block in wood ray of Phoebe zhennan

2.3 桢楠木材的构造特征参数

利用图像测量分析系统测定木材中各类细胞(管孔、木纤维、木射线)的构造特征参数及连年生长量(图7～12)，对测定的数据进行变数统计，得出的平均值均可靠，可以采信。

2.3.1 管孔密度和弦向直径 由图7可以看出，从髓心到边材，桢楠每mm2的管孔数量即管孔密度随着树龄的增加而波动下降。

从图8可看出，桢楠管孔弦向直径随树龄的增加均呈波动上升的变异模式，35年前呈波动上升趋势，35～105年呈平稳波动趋势，之后迅速增加，这说明管孔密度与管孔直径呈负相关。

图7 桢楠木材管孔数量的径向变异
Fig. 7 Radial variation of pore density ofPhebezhennan

图8 桢楠木材管孔弦向直径的径向变异
Fig.8 Radial variations in pore tangential diameter ofPhebezhennan

2.3.2 胸径连年生长量 桢楠胸径连年生长量随树龄的变异见图9。

图9 桢楠胸径连年生长量随树龄的变异
Fig.9 Annual increment in radial growth ofPhebezhennan

由图9可见，桢楠胸径的连年生长量随树龄的增加呈先上升后下降的变异模式。在树龄为1～40年时增长较快，在40年后呈波动下降模式，90～110年波动逐渐趋于平稳，但总体呈现波动下降趋势。

2.3.3 纤维长度和宽度 纤维长度与木材品质有着极强的相关性，是衡量材性优劣的重要参数。从图10可以看出，桢楠木材纤维长度在779.75～1 204.55 μm，平均为1 082.83 μm，最大值首先出现在树龄35年附近，其次是55年附近。髓心附近的木纤维长度较短，而树皮附近较长，表明桢楠木纤维长度从髓心到边材总体呈增加趋势。桢楠木纤维长度的径向变异较大，呈现的规律性较其他材性指标明显，5～35年，随树龄增加，纤维长度的增加速度较快，35年时即达到最大值1 204.55 μm；之后随树龄增加，纤维长度的变化幅度较小，介于1 030.42～1 163.38 μm，趋于稳定。

桢楠木材纤维宽度的径向变异见图11。

图10 桢楠木材纤维长度的径向变异
Fig.10 Radial variations of fiber length ofPhebezhennan

图11 桢楠木材纤维宽度的径向变异
Fig.11 Radial variations of fiber width ofPhebezhennan

由图11可以看出，桢楠木纤维宽度随树龄的增加呈波动上升至平稳的变异模式，这符合树木生长规律的变异。这是树木的形成层原始母细胞垂周分裂速度在树木幼龄期快，但随着树龄增大而下降导致的结果[21]。纤维宽度与木材结构有关，通常用纤维宽度来判断木材结构的粗细[22]。由于本试验是以离析纤维测定其宽度而不是弦向直径，因此参照成俊卿等[11]编撰的《中国木材志》中对阔叶树材木纤维宽度4级标准进行分级：小于16 μm的为结构细，16～25 μm的为结构中，26～30 μm的为结构粗，大于30 μm的为结构甚粗。对照木材纤维宽度的分级标准，可知金凤寺桢楠木材纤维结构中至粗。

2.3.4 维纤丝角 微纤丝角指次生壁S2层中微纤丝与细胞主轴之间的夹角，其角度愈小则细胞的抗张强度愈大。微纤丝角既影响木材的物理力学性能,如密度、强度、硬度、抗拉伸度、弹性模量等，又是木材干缩湿胀性的原因之一[23-24]。采用X射线衍射法和origin 8软件测得野生桢楠不同树龄S2层微纤丝角的变异情况见图12，对测定数据进行变数统计，得出平均值均可靠，可以采信。由图12可见，随树龄的增加，桢楠木材微纤丝角逐渐减小并趋于平稳波动。在前30年微纤丝角呈下降的变异模式，30年后呈平稳波动的变异模式。

2.4 桢楠胸径连年生长量与木材构造特征参数的相关性

将桢楠胸径连年生长量与径向解剖参数、微纤丝角进行回归分析，为了判断各指标之间相关程度的高低，通过相关系数进行判断，其判断标准为：r=0，表明二者完全不相关；0<|r|≤0.3时，认为二者不相关；0.3<|r|≤0.5时，认为二者低度相关；0.5<|r|≤0.8时，认为二者显著相关；0.8<|r|≤1时，认为二者高度相关[25]。由显著性检验结果可知，胸径连年生长量与管孔密度、纤维宽度呈显著相关，与管孔弦向直径、纤维长度和微纤丝角高度相关。

图12 桢楠木材微纤丝角的径向变异Fig.12 Radial variations of microfibril angle of Phebe zhennan

3 结 论

本研究中，野生桢楠木材材色在肉眼下呈黄色或深黄褐色，光泽较弱，有微芳香气味，味微苦，纹理较直，木材构造较细腻而均匀；生长轮明显，年轮宽度较均匀，轮间呈深色带；横切面上管孔为圆形或卵圆形，部分略具多角形轮廓，管孔大小较一致，分布略均匀，散孔材，管孔组合以单管孔和短径列复管孔(2～3个)为主，偶见管孔链和管控团，横切面上木纤维细胞大多呈扁圆形、多角形，细胞壁弦向腔径略大于径向，细胞沿径向排列整齐有序，弦向上呈交错排列较松散。射线组织异型Ⅲ型或Ⅱ型。在前人研究的基础上,本研究发现，导管分子偶见梯状复穿孔，导管内具有侵填体；导管内纹孔与管间纹孔为互列式，具缘纹孔；木射线细胞内常见的球形物可能为树胶类物质，块状物可能是含有钙盐的树胶。

随着树龄的增长，桢楠生长状况呈现出一定的差异。随树龄的增加，管孔密度总体呈下降趋势；管孔弦向直径自髓心向外呈现波动上升趋势，在树龄35年之前呈波动上升趋势，之后处于波动平稳状态。纤维长度与木材品质有极强的相关性，纤维长度与宽度在树龄35年左右总体迅速升高，之后呈波动式变化并趋于平稳。胸径连年生长量在树龄10～40年增长较快，40年后呈波动下降模式，90～110年波动逐渐趋于平稳，但总体呈下降趋势，并且管孔、纤维解剖参数以及微纤丝角与胸径连年生长量具有一定的相关性。这表明野生桢楠在树龄35年前生长较快，而在35年后生长较为缓慢，在90年后生长极为缓慢。因此，树龄超过35年的野生桢楠可用作家具与建筑材料，其材性更稳定。

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