湖南铁心杉解剖特征及其物理力学性质研究

张 勰 彭俊懿 石江涛 徐清乾 许忠坤 黄 帆

（1.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；2.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037）

杉木（Cunningham lanceolate）作为我国特有的商品材树种，具有生长速度快、环境适应性好、树干通直圆满，木材纹理直、耐腐性强、质量系数高等特点。一直以来，杉木不仅是我国长江流域最重要的造林树种之一，还是我国广泛应用于家具、桥梁、造纸等领域的重要工业原料。为了保障我国木材资源安全，必须要开展兼具生长性状与木材材性的良种选育。长期以来，国内外同行围绕杉木良种的选育开展了大量的工作，如种子园建立、良种种质资源收集、材性基因图谱构建与遗传改良等[1-2]。铁心杉作为杉木的一种特殊变异类型，心材颜色呈深棕色，具有心材率高、纹理密实、天然耐腐等特点。对于杉木心材的研究主要集中在化学成分[3-4]，木材颜色[5]，材质性质及其变异[6-9]等方面，研究对象多为未成熟的幼龄材，对于铁心杉木材性质的研究还处于原始数据积累阶段。本研究以湖南永顺县小溪国家自然保护区成立之前，当地居民采伐的天然林铁心杉木材为对象，测定了木材管胞特征、密度、主要的力学性质，分析了管胞尺寸的径向变化规律，为湖南特色铁心杉种质资源收集与良种选育积累了原始数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验地位于湖南省永顺县小溪国家自然保护 区（110°06′50″～110°21′35″E,28°42′15″～28°53′55″N,海拔162～1 438 m），气候年均温12～14 ℃，无霜期262 d以上；年降水量1 300～1 600 mm，相对湿度79%，土壤多为板页岩发育的山地黄红壤，较肥沃。试验材料来源于湖南永顺县小溪镇野竹村农户自家收集的杉木原木，已自然风干30 a以上。共选取来自3棵树的基部原木（长度2 m），每棵原木过中心锯解成10 cm厚径切板，包含完整年轮，平均树龄约82 a。木材初始含水率为(10.78±0.36)%。

1.2 实验方法

1.2.1 年轮与管胞特征

依据GB/T 1930—2009[10]，在木材端面沿径向画一条直线，利用年轮测微仪（精确至0.01 mm），沿直线测定每个年轮宽度和晚材宽度。用测定范围内的整年轮总宽度与整年轮数的比值表示平均年轮宽度。测定范围内晚材总宽度与年轮总宽度的比值为晚材率。心材率通过心材直径与树干直径的比值得出。由于铁心杉年轮太窄，无法准确区分所有年轮内早晚材，在测定管胞尺寸时，按年轮或将部分年轮合并测定。采用富兰克林解离法（30% H2O2和冰乙酸体积比1∶1混合溶液）离析木材组织，在显微镜下随机选取至少30个管胞进行测定。

1.2.2 微纤丝倾角测定

采用X射线衍射法测定微纤丝倾角。沿径向制备标准弦切面薄片，厚度约1 mm，面积约0.6 cm2。测试时X射线光管为铜靶，管电压和电流分别为40 kV和30 mA，扫描获得试样的衍射强度曲线。在分布曲线上确定2个拐点，分别作切线，它与横轴的2个交点之间的1/2距离为角距离（T），采用0.4T法[11]计算求得微纤丝角。

1.2.3 主要物理力学性质测定

选取心材测定力学性质，依据GB/T 1929—2009[12]制备相关木材测试样品。木材的基本密度和气干密度依据GB/T 1933—2009[13]测定，木材的干缩性和湿胀性分别依据GB/T 1932—2009[14]和GB/T 1934.2—2009[15]测定，木材的主要力学性质依据GB/T 1935—2009[16]、GB/T 1936.1—2009[17]和GB/T 1936.2—2009[18]测定。所有试验数据均计算平均值和标准差，计算和作图采用Excel 2013。

2 结果与分析

2.1 管胞特征及其径向变化规律

年轮宽度不仅反映树木的年生长量，它还是影响材质均匀程度的重要因子[19-20]。铁心杉木材年轮宽度平均值为1.1 mm，从髓心至树皮呈逐渐下降趋势，特别是生长的前10 a左右，年轮宽度下降明显，说明木材年生长量快速下降，这主要是由幼龄材向成熟材过渡所导致的。而在20 a以后，年轮宽度在0.2～0.9 mm间波动（如图1a），表明木材年生长量趋于稳定，这种波动主要与树木生长的当年环境有关。铁心杉的心材率约为60.7%，晚材率约为18.6%。

铁心杉木材平均管胞长度(3 182±711) μm，最大为3 952.46 μm，最小为1 438.84 μm；管胞平均宽度(41.93±3.99) μm，最大为45.94 μm，最小为32.46 μm；管胞长宽比为75.04±12.15。依据IAWA对于管胞长度的分类[21]，铁心杉管胞为中等长度，偏小。管胞长度、管胞宽度及管胞长宽比在髓心至树皮的径向呈现相似的变化规律，均是逐渐增大的过程。在树木生长的前10 a，增长速率较快。管胞宽度在树木生长的约15 a之后趋于稳定，在41～45 μm之间波动。而管胞长度在树木生长15～20 a时还有增大趋势，45 a之后随当年环境略有波动（如图1b）。

铁心杉微纤丝倾角平均值为(13.18±4.37)°，最大可达29.2°，最小为10.56°。在髓心至树皮的径向呈减小的趋势（如图1c），与年轮宽度的径向变化规律相似。在树木生长的前10 a，微纤丝角的快速减小与幼龄材密切相关。而在树木生长的20 a之后，微纤丝角趋于稳定，期间的波动主要与当年生长环境有关。

图1 铁心杉年轮宽度、管胞尺寸与细胞壁微纤丝倾角的径向变化规律Fig.1 Radial variation of growth ring width,tracheid size and microfiber angle in cell wall of dark-brown heart C.lanceolate

2.2 木材的物理性能

由表1可知，铁心杉基本密度平均值为0.432 g/cm3，气干密度平均值为0.509 g/cm3（气干时的平均含水率是10.78%）。根据我国木材气干密度的分级范畴，0.36～0.55 g/cm3为小，0.56～0.75 g/cm3为中，铁心杉木材密度属于小偏中等。铁心杉木材的基本密度接近于贵州产的人工林马尾松木材。气干密度值远大于《中国木材志》[22]中记载的湖南产杉木的（0.371 g/cm3），也明显大于人工林杉木、峦大杉木（Cunninghamia konishii）等，更接近铁杉（Tsuga chinensis）、油杉（Keteleeria fortunei）等木材。铁心杉具有较高的密度与其较窄的年轮宽度和较高的晚材率有关。此性状是否具有高度遗传力还需进一步验证。

表1 铁心杉木材物理性质及与部分木材的比较Table 1 Comparison of wood physical properties between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

铁心杉木材径向和弦向全干干缩率为3.47%和6.30%，而湿胀率分别为3.75%和7.12%，湿胀率略大于干缩率。它的全干干缩率和湿胀率在径向小于弦向，这与木材的各向异性规律一致。其体积干缩率和湿胀率分别为10.02%和11.44%。总体认为铁心杉干缩湿胀不大，属于中等偏小。经比较发现，铁心杉的全干干缩率和湿胀率，不论是在线性方向上还是体积，均优于人工林杉木、峦大杉木、油杉、柳杉（Cryptomeria fortunei）及马尾松（Pinus massoniana）等木材。这种差异的原因与树种有密切关系，同时与树木的生长环境也有一定关系。干缩率和湿胀率的结果表明铁心杉具有良好的尺寸稳定性，这2个指标可以作为材质筛选的重要因子。

2.3 木材的力学性能

由表2可知，铁心杉木材顺纹抗压强度为69.13 MPa，高于其他类型杉木，甚至高于马尾松、铁杉和油杉等树种。它的木材抗弯强度为106.34 MPa，高于多数杉科木材，与湖南产的铁杉（106.7 MPa）相当。铁心杉的抗弯弹性模量为9.69 GPa，也高于记载中的多数杉木，但是低于马尾松、油杉、铁杉等树种。这些树种间的力学性质差异，是遗传因素与生长环境因子共同作用的结果。根据《木材科学研究》[28]中记载的“木材的主要物理力学性质分级表”，中等强度的木材抗弯强度为88.1～118.0 MPa，顺纹抗压强度为29.0～44.0 MPa，表明铁心杉属于中等偏上强度的木材。在无法确定木材用途的时候，根据顺纹抗压强度与木材抗弯强度值的总和，可将木材分为3个品质等级，强度不高（小于107.8 MPa）、高强度（107.8～170.1 MPa）和强度很高（大于170.1 MPa）[29]。从表2可知，铁心杉木材顺纹抗压强度和木材抗弯强度平均值总和为175 MPa，属于强度很高的木材。而当木材用于轻质高强工程中时，应考虑木材的品质系数。品质系数是通过顺纹抗压强度与木材抗弯强度分别与不带单位的基本密度比值之和确定的。它可将木材分为3类，低等（小于196 MPa）、中等（196.1～215.6 MPa）和高等（大于215.6 MPa）树种[30]。经计算得知，铁心杉的品质系数为406.17 MPa，属于高等材质木材。与部分珍贵用材树种的木材品质系数比较（见表3），发现湖南铁心杉木材品质系数高于红豆杉（Taxusspp.）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、胡 桃 楸（Juglans mandshurica）等珍贵用材树种，说明铁心杉木材是一种优质的轻量化高强度木材。因此，铁心杉可作为优良的结构材品种来培育及利用。

表2 铁心杉木材力学性质及其与其他木材的比较Table 2 Comparison of wood mechanical properties between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

表3 铁心杉木材品质系数及其与珍贵木材的比较Table 3 Comparison of wood quality factors between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

3 结论与讨论

树木的生长性状结合木材的品质是良种选育的重要参考。通过研究木材主要宏观特征、密度、尺寸稳定性以及力学性质，发现湖南天然林生长的铁心杉木材具有轻量化和高强度的特征。铁心杉木材年轮平均宽度为1.1 mm，心材率达到60.7%；管胞平均长度和宽度分别为3 182 μm和41.93 μm，长宽比为75.04。细胞壁层平均微纤丝角为13.18°。铁心杉管胞长度和宽度与人工林杉木的尺寸[31]并未有显著的优势，而且在径向具有相似的变化规律。管胞长度径向变化规律基本符合Pashin I 型，即从髓心到树皮先快速增大，到达一定树龄后，管胞长度保持相对稳定趋势。铁心杉微纤丝角在树木幼龄期较大，在生长初期随着树龄增大而快速减小，等到20 a左右，趋于稳定。微纤丝角的径向变化规律与黄艳辉等[32]研究结果一致。这些构造特征的径向变化规律表明铁心杉的幼龄材与成熟材界定树龄在15～20 a。

铁心杉基本密度为0.432 g/cm3，高于记载中的各种类型杉木，也高于笔者之前研究的湖南会同县天然林杉木[33]。铁心杉表现出良好的尺寸稳定性，这与其木材构造特征及基本密度有密切关系。铁心杉的顺纹抗压强度、木材抗弯强度和抗弯弹性模量分别达到69.13、106.34 MPa和9.69 GPa，其木材为高强度等级，具有很高的木材品质。树木的生长活动与木材的性质是密切相关的。木材性质是遗传控制和环境控制的综合结果。张运根[34]认为铁心杉生长性状受造林立地条件和遗传因素的影响，而木材的心材率、基本密度主要受遗传因素的影响，但其研究的红心杉树龄较小（6年生），主要是幼龄材，材性变异较大。研究表明无性系之间的木材解剖特征、密度、物理力学性质等确实存在显著差异[19,35]，说明部分木材性质受遗传因素的控制。而王传贵等[36]研究不同种源杉木物理力学性质，认为地理环境因素比遗传因素对材性的影响更为显著。此外，天然林与人工林木材的性质差异也是存在的。普遍认为，天然林木材的力学性质要高于人工林的，并且在成熟材中表现更为明显[37]。但是，姬宁等[27]研究认为马尾松人工林木材基本密度与天然林的差异很小，认为人工林并不一定显著降低木材的基本密度。而幼龄期木材的密度显著低于成熟期的现象是广泛存在的。这也间接说明，木材的基本密度的差异与树种和树龄有关，受遗传因素影响较大。综上所述，笔者认为湖南铁心杉木材具有轻量化和高强度的优良遗传特性，可以作为优质大径级结构材的种质资源进行培育及开发利用。