冀北山区不同坡向白桦木材解剖特性径向变异研究

唐 爽 孙照斌 马长明

(河北农业大学林学院，河北 保定 071000)

白桦 (Betulaplatyphylla) 为桦木科桦木属乔木，一般高可达25 m，胸径可达80 cm；树皮呈白色或灰白色，具白粉，纸质或膜质，分层剥落；树木极喜光，速生，耐寒及耐干旱瘠薄土壤，为河北北部山区天然次生林的主要组成树种之一。

木材纤维形态特征的变异规律是林木材质改良的基础，同时也是反映木材及其利用价值的重要指标[1]。木材组织比量主要是研究木材纤维构造的重要特征，是寻求木材解剖特征与其他性质相关关系的重要手段[2]。植物生境对其木材的纤维形态、组织比量等均有一定影响[3]，有关学者研究表明坡向能够影响部分树种木材的解剖特征[4-5]，但不同生境的白桦天然林木材的解剖特性仅在我国东北进行过研究[6]，对于冀北地区白桦天然林木材纤维形态特征的研究尚未见报道。本研究通过对不同坡向上的白桦木材解剖特性进行比较和分析，探究不同坡向对白桦纤维形态、组织比量的影响，以期为该地区白桦天然林培育与加工利用提供参考依据。

1 研究地概况

研究地位于隆化县国营林场管理处茅荆坝林场，地处东经117°50′46″～118°13′06″、北纬41°29′57″～41°40′36″。该林场地貌属阴山山脉七老图岭余脉中山地貌组合，平均海拔1 250 m。山体阴坡较缓，阳坡较陡，山谷多为V字型，南北坡景观差异明显。试验地属暖温带半湿润大陆性季风型山地气候，年平均气温7.9 ℃，年降水量460～580 mm，土壤分为棕壤、褐土、草甸土3类，全场森林植被以暖温带天然次生落叶林为主。

白桦次生林是本地区的典型森林类型，广泛分布于山地阴坡、半阴坡，树种组成为7桦1油1柞1杂 + 落。阴坡坡向为北向，坡位为中坡位，坡度为14°，土壤为棕壤，郁闭度为0.6，密度为1 123株/hm2；半阴坡坡向为东北向，坡位为中坡位，坡度为20°，土壤为棕壤，郁闭度为0.5，密度为1 067株/hm2。

2 材料与方法

2.1 研究材料

试验用研究材料为原木，于2016年10月采自茅荆坝林场小冰榔沟，经生长锥测定，选取不同坡向树龄50 a以上的白桦各3株，样木基本情况见表1。

表1 样木基本情况Fig.1 Basic information of sample wood

在每株样木胸径 (树高1.3 m) 处截取约5 cm厚的圆盘，通过髓心沿南北方向锯成2 cm宽长条，再将长条自上而下锯成高2、3 cm 2部分 (图1)。各解剖指标试样每隔5年取样，即在1～5、6～10、16～20、21～25、26～30、31～35、36～40、41～45、46～50 a生长轮中测定。

图1解剖试样选取
Fig.1 Sketch map of wood anatomical properties

2.2 研究方法

将图1中S1部分在水中浸泡、煮沸，使试样中空气排净为止。利用YD-1508R转式切片机切取横切面，进尺量定位在12 μm。将切下的较完整的薄片，放入1%的番红中染色、再逐级脱色，制成临时制片。利用光学显微镜，采用拉线法计算纤维壁腔比；利用网形目镜尺，计数落在交叉点上的导管组织和木射线组织的个数，计算出纤维组织的个数，换算成百分比，即得到相应的组织比量。

将图1中S2部分劈成火柴棍大小，放入试管内水浴至样品完全沉于水底，再用质量分数为30%的硝酸和少许氯酸钾煮至分散变白，用水反复漂洗、震荡，使样品全部分离成单根纤维。用镊子取试样少许，置于载玻片，在显微投影仪下观察并测量纤维长度及宽度，测量数量为30根[7]。

2.3 分析方法

采用Excel、SPSS 20.0等进行数据处理、方差分析和相关性分析，利用回归方程探究白桦纤维形态特征的径向变异模式，并建立各纤维形态指标与生长轮相关关系的数学模型[8]。利用有序聚类分析方法[9]，划分幼龄材与成熟材。

3 结果与分析

3.1 坡向对白桦木材径向纤维形态的影响

3.1.1纤维长度

纤维长度是衡量造纸用材优劣的重要因子之一，纤维长度越长不仅能提高纸张的撕裂度，而且有利于提高纸张的抗拉强度、耐破度和耐折度[10]。不同坡向白桦胸径处木材纤维长度的径向变异见图2。

图2不同坡向白桦胸径处木材纤维长度径向变异
Fig.2 Radial variation of wood fiber length at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由图2可知，阴坡上、半阴坡上白桦木材纤维长度由髓心向外逐年递增，到达25 a后增长趋于平缓。阴坡上的白桦木材纤维长度介于795.01～1 804.36 μm，平均长度为1 480.67 μm；半阴坡上白桦木材的纤维长度介于733.89～1 702.58 μm，平均长度为1 354.58 μm；不同坡向白桦木材纤维长度表现为阴坡 > 半阴坡。纤维长度与坡向的方差分析显示，不同坡向间白桦木材纤维长度差异显著 (P< 0.05)。

3.1.2纤维宽度

纤维宽度会影响纤维的交织，纤维宽度直径大且壁薄的纤维利于造纸[10]。不同坡向白桦胸径处木材纤维宽度的径向变异见图3。

图3不同坡向白桦胸径处木材纤维宽度径向变异
Fig.3 Radial variation of wood fiber width at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由图3可知，阴坡上白桦木材纤维宽度曲线变化趋势自髓心向树皮方向先增加，在20 a左右时达到最大值后波动式变化；半阴坡上白桦木材纤维宽度曲线随生长轮呈缓慢上升的趋势，初始变化幅度较大，20 a后变化幅度平稳，45～50 a明显下降。阴坡上白桦木材的纤维宽度介于17.02～22.01 μm，平均宽度为20.38 μm；半阴坡上白桦木材的纤维宽度介于18.65～22.57 μm，平均宽度为21.25 μm；不同坡向间白桦木材纤维宽度多呈现半阴坡 > 阴坡，但相差不大。纤维宽度与坡向的方差分析显示，不同坡向之间白桦木材纤维宽度显著性差异不显著 (P> 0.05)。

3.1.3纤维长宽比

纤维的长宽比是仅次于纤维长度的重要纤维指标，长宽比较大的纤维，造纸时单位面积纤维之间的相互交叉次数较多，纤维分布密集，成纸强度较高[11]。不同坡向白桦胸径处木材纤维长宽比的径向变异见图4。

图4不同坡向白桦胸径处木材纤维长宽比径向变异
Fig.4 Radial variation of the length-width ratio at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由图4可知，阴坡上白桦木材长宽比在5～25 a上升较快，之后上升幅度缓慢；半阴坡上的白桦木材长宽比由髓心向外逐年递增，在45～50 a时下降但幅度变化不大。阴坡上的纤维长宽比介于46.85～87.17，平均值为72.16；半阴坡上白桦木材的纤维长宽比介于39.35～79.26，平均值为63.38；不同坡向上白桦木材纤维长宽比表现为阴坡 > 半阴坡。白桦木材的纤维长宽比径向变异与纤维长度相似，规律性强。纤维长宽比与坡向的方差分析显示，不同坡向之间白桦木材纤维长宽比差异极显著 (P< 0.01)。

3.1.4纤维壁腔比

纤维壁腔比对于造纸制浆具有重要的影响，壁腔比小的纤维打浆时容易崩解、帚化，纤维之间结合紧密，形成纸页时强度大[12]。不同坡向白桦胸径处木材纤维壁腔比的径向变异见图5。

图5不同坡向胸径处木材纤维壁腔比径向变异
Fig.5 Radial variation of fiber double wall thickness-
diameter ratio at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由图5可知，阴坡、半阴坡上白桦木材壁腔比径向上由髓心向外呈现先增加后减小、再增加再减小的波浪式变异，规律性较差；阴坡上在30～50 a变化幅度较大；半阴坡上在5～50 a变化幅度较大。阴坡上的纤维壁腔比介于0.68～0.78，平均值为0.75；半阴坡上白桦木材的纤维壁腔比介于0.67～0.80，平均值为0.74；不同坡向上白桦木材纤维腔径比多表现为阴坡 > 半阴坡。纤维壁腔比与坡向的方差显示，不同坡向之间纤维双壁厚差异不显著 (P> 0.05)。

3.2 坡向对白桦木材组织比量变异的影响

3.2.1导管比量

木材组织比量是指构成木材的各种细胞所占横截面积的百分比。对纸浆材而言，纤维比量越大，说明木材中纤维所占比率越高，纸浆得率越高；导管比量越低，木材中细胞空腔越少，纸浆得率越高[13]。不同坡向白桦胸径处木材导管比量径向变异趋势见图6。

图6不同坡向白桦胸径处木材导管比量径向变异
Fig.6 Radial variation of vesel-element spropotion at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由表6可知，阴坡白桦木材导管比量随生长轮呈现多峰型变异，且略有上升趋势；半阴坡上白桦木材导管比量径向上呈不规则变异，变化幅度较大。阴坡白桦导管比量介于19.78%～26.13%，均值为23.80%；半阴坡白桦导管比量介于22.93%～27.15%，均值为25.29%，半阴坡白桦导管比量略高于阴坡。导管比量与坡向的方差分析显示，不同坡向间天然林白桦导管比量差异不显著 (P> 0.05)。

3.2.2木射线比量

不同坡向白桦胸径处木材木射线比量径向变异趋势见图7。

图7不同坡向间白桦胸径处木材纤维木
射线比量径向变异
Fig.7 Radial variation of wood ray propotion at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由图7可知，阴坡白桦木材木射线比量初始先增加后减小，15～40 a缓慢递增，40～50 a先递减后递增，幅度较大；半阴坡上白桦木材木射线比量和导管比量径向变异趋势相似：初始变化幅度较大，15 a左右达到最小值，约30 a后趋于平缓递减，45～50 a递增。阴坡白桦木材木射线比量介于14.58%～16.67%，均值为15.76%；半阴坡白桦木材木射线比量介于13.69%～16.93%，均值为15.98%；半阴坡白桦木材木射线比量略高于阴坡木射线比量。木射线比量与坡向的方差分析显示，不同坡向间天然林白桦木材木射线比量差异不显著 (P> 0.05)。

3.2.3纤维比量

不同坡向白桦胸径处木材纤维比量径向变异趋势见图8。

由图8可知，阴坡上白桦纤维比量随着生长轮增加呈现递增或递减的波动式变异，且变化幅度趋于平缓，有明显的下降趋势；半阴坡上白桦纤维比量径向变异幅度较平缓，5～20 a逐年递减，30～45 a逐年递增，2个峰值分别出现在25、45 a左右。阴坡白桦木射线比量介于57.73%～65.24%，均值为60.40%；半阴坡白桦纤维比量介于56.31%～60.75%，均值为58.73%；阴坡白桦纤维比量略高于半阴坡。纤维比量与坡向的方差分析显示，不同坡向间天然林白桦木射线比量差异不显著 (P> 0.05)。

图8不同坡向白桦胸径处木材纤维纤维比量径向变异
Fig.8 Radial variation of fiber propotion at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

3.3 不同坡向白桦木材纤维性状方程拟合与检验

为了能对天然林白桦纤维性状各项指标径向变异进行定量分析，预测白桦木材纤维性状和年轮的关系，将不同坡向纤维性状各指标 (y) 与生长轮年龄 (x≤ 50) 进行了多项式、线性、指数、对数函数的回归。不同坡向白桦木材纤维性状与生长轮年龄的回归方程见表2。

表2 不同坡向白桦木材纤维性状与生长轮年龄的回归方程Table 2 Regression equation and growth ring of fiber properties and growth ring of B.platyphylla with different slope directions

由表2可知，多项式曲线对不同坡向纤维性状各项指标拟合最佳，决定系数 (R2) 较高，特别是阴坡、半阴坡白桦木材纤维长度和长宽比均达到0.95以上。

不同坡向白桦木材纤维性状与生长轮年龄的回归方程检验见表3。

表3 不同坡向白桦木材纤维性状与生长轮年龄的回归方程检验Table 3 Regression equation test of wood fiber property and growth ring of B.platyphylla with different slope directions

由表3可知，不同坡向纤维宽度、纤维壁腔比、半阴坡纤维长宽比回归方程的平均残差、平均绝对残差、平均相对残差和残差平方和较小，不同坡向纤维长度和阴坡纤维长宽比的平均残差、平均绝对残差、平均相对残差较小，而残差平方和较大。说明不同坡向上白桦木材纤维性状指标的实际测量值与模型的预测值相差在一定合理范围内，模型的预估效果较好。不同坡向上纤维长度、纤维宽度以及阴坡上纤维长宽比的拟合精度达到95%以上，即自变量生长轮年龄对因变量纤维长度、纤维宽度、纤维长宽比的解释程度高。

随机对白桦第10年的木材纤维性状各指标进行了预测值检验，不同坡向白桦木材纤维性状与生长轮年龄的回归方程检验见表4。

表4 不同坡向白桦第10 a木材纤维性状与生长轮年龄的回归方程检验Table 4 Regression equation test of wood fiber propertyand growth ring of 10th year of B.platyphylla with different slope directions

由表4可见，各纤维性状的残差较小，说明纤维性状指标实际测量值与模型的预测值相差小，模型的预估效果理想。经检验，不同坡向上不同生长轮白桦木材纤维性状的多项式方程回归系数均达显著 (F0.05)、极显著 (F0.01)水平，可见多项式曲线的模拟均匀稳定，可靠性强。

3.4 不同坡向白桦木材各指标间相关性分析

纤维形态特征及木材组织比量直接影响木材材性，木材解剖特性之间的相关性研究，是研究树木生长的变异规律及材性预测的重要手段，在一定程度上降低了木材材性测定的复杂性，为快速评价木材品质优劣，有针对性的利用木材提供条件[14]。不同坡向白桦木材组织比量各指标、纤维形态特征各指标相关分析矩阵见表5～6。

表5 阴坡白桦木材解剖特性指标相关性分析Table 5 Correlation analysis of the wood anatomical properties of B.platyphylla in the shady slope

注：**表示差异极显著；*表示差异显著。

表6 半阴坡木材解剖特性指标相关性分析Table 6 Correlation analysis of the wood anatomical properties of B.platyphylla in the half shady slope

注：**表示差异极显著；*表示差异显著。

从表5～6可以看出，半阴坡、阴坡白桦木材纤维长宽比与纤维长度在0.01水平达正相关，相关系数分别为0.948、0.975，长宽比与纤维宽度在一定程度上呈正相关，但相关系数不大。说明从髓心向树皮方向上纤维长宽比的变异主要是纤维长度变异的结果。组织比量之间，不同坡向白桦木材导管比量和纤维比量在0.05水平达负相关，相关系数为-0.963、-0.834。纤维形态特征与组织比量各指标之间，纤维宽度和纤维比量之间存在较明显的负相关，阴坡上相关系数为-0.458；半阴坡上为-0.692，在0.05水平上显著。其他各指标之间，均在一定程度上呈现相关性，但未达到显著水平。

3.5 幼龄材与成熟材解剖特性差异分析

幼龄材位于树干髓心周围，其生长轮年龄范围因树种而异，一般存在于在髓心第7～15个年轮范围内。这种圆柱体从树干基部一直延伸到梢部，因此梢部木材主要是由幼龄材构成，而同一树木基部木材则包含有更多的具有较高比重值的成熟材。在树木衰老阶段，而远离髓心的这一部分形成层生理老化细胞所产生的木材成为成熟材。树木的生长一般都经过幼龄期、成熟期和衰老期。在不同的时期，木材的材质会有很大的差别。幼龄材位于髓心附近，是树木生长发育早期形成的特殊部分。幼龄期的长短因树种而异，并受环境条件的影响。幼龄材与相应的成年材比较，其材性较差，直接影响木材加工产量和质量。因此，研究幼龄期的划分，探讨其分布规律，对用材树种材质改良和合理利用具有重要意义[15]。

本研究对天然林白桦木材胸高处纤维形态径向变化进行有序聚类分析，得出阴坡、半阴坡下白桦幼龄材和成熟材的界限均为20 a左右。不同坡向白桦幼龄材与成熟材解剖特性比较见表7。

表7 不同坡向白桦幼龄材与成熟材解剖特性比较Table 7 The anatomical properties comparison of young wood and mature wood of B.platyphylla with different slope directions

注:平均值之差=幼龄材平均值-成熟材平均值；差异相对值=平均值之差/幼龄材与成熟材平均值。

从表7可以看出，阴坡白桦幼龄材的纤维长度、纤维宽度、纤维长宽比均小于成熟材，幼龄材和成熟材的相对差异值分别为-0.43、-0.08、-0.36，幼龄材的壁腔比大于成熟材，二者的相对差异值为0.01；幼龄材的纤维比量大于成熟材，导管比量和木射线比量均小于成熟材，其相对差异值分别为-0.08、-0.02、0.04。半阴坡白桦幼龄材的纤维长度、纤维宽度、纤维长宽比均小于成熟材，幼龄材和成熟材的相对差异值分别为-0.47、-0.08、-0.4，幼龄材的壁腔比小于成熟材，二者的相对差异值为0.08；幼龄材的纤维比量大于成熟材，导管比量和木射线比量均小于成熟材，其相对差异值分别为-0.02、-0.03、0.01。

同时对不同坡向白桦的幼龄材与成熟材的各指标进行T检验，结果表明不同坡向白桦木材纤维长度、纤维宽度在0.05水平下呈显著差异，其他纤维形态指标间有一定的差异，但未达到显著性水平。

3.6 天然林白桦木材与其他阔叶树木材纤维性状的比较

天然林白桦与其他阔叶树种的解剖特征比较见表8。

表8 天然林白桦与其他阔叶树种的解剖特征比较Table 8 The anatomical properties comporison of natural B.platyphylla and other broad-leaved tree species

从表8可知，天然林白桦纤维长度比东北地区白桦[16]、西南桦 (Betulaalnoides)[17]和枫杨 (Pterocaryastenoptera)[15]分别长358、72、273 μm；纤维长宽比比东北白桦和枫杨大，比西南桦小；壁腔比大于东北地区白桦及其他树种，纤维比量与东北白桦接近，小于西南桦和枫杨。

纤维长度对纸张的撕裂度、抗拉强度、耐破度和耐折度有直接影响。纤维长度越长、长宽比越大，制浆过程中纤维之间更易交织，最终获得的纸张强度越高，纤维壁腔比越小，则获得的纸张越柔软。国际木材解剖学会理事会认为中等长度 (900～1 600 μm) 适宜纸浆造纸，在制浆造纸中可单独使用；长宽比不低于35[18-19]，就能满足纤维工业原料的要求，壁腔比小于1者为上等原料，大于1者为低等原料。而就组织比量而言，纤维比量越大，说明木材中纤维所占比率越高，纸浆得率越高导管比量越低，木材中细胞空腔越少，纸浆得率就越高。

综合来看，冀北地区白桦天然林木材的纤维形态指标总体上优于东北地区白桦、西南桦和枫杨，是优良的制浆造纸原料，可用于定向培育与加工利用。

4 结论与讨论

不同坡向白桦木材纤维长度、宽度、长宽比、壁腔比分别在733～1 804 μm、17～23 μm、39～88、0.67～0.80；不同坡向白桦天然林纤维形态特征径向变异规律是一致的，纤维长度、宽度和长宽比自髓心向外随年龄的增加而增大，纤维壁腔比在径向上呈递增或递减的波浪式变异趋势，总体趋势逐渐减小。这与王秋玉等[20]对东北地区白桦天然种群纤维性状测得结果相近，符合Panshin Ⅱ 型模式[21]。不同坡向白桦木材导管比量、木射线比量、纤维比量分别在19.78%～27.15%、13.69%～16.93%、56.31%～65.24%。不同坡向导管比量径向上呈波浪式变异，阴坡上为下降趋势，半阴坡上为上升趋势；导管比量、木射线比量、纤维比量由髓心向外基本在一条水平线上波动，不同坡向上差别不大。这与贾洪柏[13]研究东北白桦木材组织比量的结论基本一致。对天然林白桦纤维性状各项指标径向变异进行定量分析与检验，多项式方程对白桦木材纤维性状和生长轮拟合效果好。不同坡向白桦木材各解剖特性指标间相关性基本一致，以纤维长度、纤维长宽比的相关系数最大，最显著。

根据幼龄材与成熟材的划分，白桦天然林的木材成熟期为第20年左右。髓心附近，树木处于幼龄期，成层原始细胞尚未成熟，细胞长度较短，形成层原始细胞分裂较快后，细胞长度逐渐增长；到达成熟期后，形成层原始细胞分裂及长度变化相对稳定，此后由于形成层原始细胞分裂减慢，树木生长速度明显降低，同时又受种源和立地条件的多重影响[22-23]，解剖特性等又开始下降或保持平稳。而阴坡、半阴坡上白桦的成熟年龄一致，可见幼龄材和成熟材的划分结果主要是受生理遗传的影响。

不同坡向间天然林白桦木材纤维长度差异显著，长宽比差异极显著；木材纤维宽度、壁腔比、组织比量等差异不显著。阴坡白桦木材的纤维长度、纤维长宽比、纤维壁腔比、纤维比量等指标平均值大于半阴坡，而半阴坡纤维宽度、导管比量、木射线比量等指标平均值大于阴坡。阴坡上的白桦，纤维长度大，宽度相对窄，纤维长宽比大，壁腔比值大；半阴坡上的白桦纤维相对来说短而宽，长宽比小，壁腔比值小。可能是阴坡比半阴坡光照时间少，土层深厚，土壤蒸发量小，水肥条件好，阴坡的立地条件更利于林木的生长，从而改善了木材品质，这与杨传平等[24]研究不同坡向对东北地区白桦木材纤维性状的影响，与所得的结论一致。从解剖特性各方面来评价，阴坡、半阴坡天然林白桦能满足纤维工业原料的要求，是制浆造纸的良好原料。

致谢：本论文得到牟洪香副教授、张晓燕副教授、邢义虎老师的指导和帮助。

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