香椿木材年輪寬度與解剖形態(tài)特征研究

羅建勛1盧丹2齊錦秋2黃興彥2李鳳2

(1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，四川 雅安 625014)

摘要：采用木材切片法和光學(xué)顯微技術(shù)，研究香椿木材的微觀特征，分析年輪寬度、導(dǎo)管及纖維形態(tài)的徑向變異。結(jié)果表明：髓心至第10年年輪寬度迅速增加，1～20 a間均保持旺盛的生長(zhǎng)；早材和晚材的導(dǎo)管寬度、雙壁厚、腔徑由髓心向外逐漸增大，約19 a后趨于平穩(wěn)，早材導(dǎo)管寬度121.80 μm，晚材導(dǎo)管寬度38.75 μm，早材導(dǎo)管雙壁厚度10.98 μm，晚材導(dǎo)管雙壁厚度16.49 μm；纖維長(zhǎng)度由髓心向外呈逐漸增大的趨勢(shì)，18 a后纖維長(zhǎng)度基本趨于穩(wěn)定，纖維形態(tài)指標(biāo)平均值分別為：長(zhǎng)度1080.94 μm，寬度26.76 μm，長(zhǎng)寬比40.25，雙壁厚7.96 μm，腔徑18.80 μm，壁腔比0.43。

關(guān)鍵詞：香椿；年輪寬度；纖維；導(dǎo)管；微觀構(gòu)造

中圖分類號(hào)：S781.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1914(2015)02-0095-05

Abstract:Growth ring, vessel and fiber morphology of Toona sinensis wood were evaluated by using xylotomy and optical microscopy. The results were as follows: the growth ring width increased from pith to 10-year old, keeping vigorous growth from 1 to 20 years. The width, double wall thickness and lumen diameter of vessel in early wood and late wood increased from pith to 19-year old, then tending towards stability. The width of vessel in early wood and late wood were 121.80 μm and 38.75 μm, and the double wall thickness of vessel in early wood and late wood were 16.49 μm and 10.98 μm, respectively. The fiber length first increased from pith to 18-year, ending up with stability. The average fiber length, width, length to width ratio (L/W), double wall thickness, lumen diameter and double wall thickness to lumen diameter ratio (2T/D) were1080.94μm, 26.76 μm, 40.25, 7.96 μm, 18.80 μm, 0.43, respectively.

Keywords:Toona sinensis; growth ring width; fiber; vessel; microstructure

收稿日期：2014-10-10

基金項(xiàng)目：西南林業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(C1420)資助；西南林業(yè)大學(xué)與企業(yè)合作基金項(xiàng)目(31261801)資助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.017

Growth Ring Width and Anatomical Properties

ofToonasinensisWood

LUO Jian-xun1,LU Dan2,QI Jin-qiu,HUANG Xing-yan2,LI Feng2

(1.Sichuan Academy of Forestry, Chengdu Sichuan 610081, China;

2. College of Forestry, Sichuan Agricultural University, Ya′an, Sichuan 625014, China)

木材性質(zhì)是由構(gòu)成木質(zhì)部的細(xì)胞類型、形態(tài)、數(shù)量以及細(xì)胞排列方式所決定。香椿木材細(xì)胞主要由木纖維細(xì)胞、導(dǎo)管、木射線、軸向薄壁細(xì)胞組成，其中木纖維細(xì)胞約占木材體積的50%以上，在木材中起到主要機(jī)械支持作用，纖維細(xì)胞形態(tài)是影響香椿木材性質(zhì)的重要指標(biāo)。導(dǎo)管是闊葉材中直徑最大的細(xì)胞，是形成木材花紋的重要結(jié)構(gòu)。

香椿(Toonasinensis)為楝科香椿屬，又名椿樹、毛椿、椿芽樹等。落葉喬木，高達(dá)25 m，胸徑可達(dá)1 m，是我國(guó)特有的珍貴速生用材樹種。香椿材色為淺紅褐色，木材花紋美麗、耐腐，材質(zhì)硬度適中。香椿木材為環(huán)孔材，在一個(gè)年輪中表現(xiàn)為早材管孔直徑遠(yuǎn)大于晚材管孔，木材顏色呈紅褐色，有光澤[1]，因此，在木材弦切面和徑切面的花紋較美麗。香椿木材是我國(guó)重要的家具、地板、室內(nèi)裝飾裝潢用材。通過對(duì)香椿年輪寬度、導(dǎo)管及纖維細(xì)胞的徑向變異研究，以期為香椿材質(zhì)預(yù)測(cè)及其高效加工利用提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自四川省達(dá)州市大竹縣，地處東經(jīng)107°13′，北緯30°51′。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度15℃，無霜期284 d，相對(duì)濕度84%，日照時(shí)數(shù)1 329.4 h。取樣林分為香椿人工林純林，林分密度1 110株/hm2，林齡25 a，林分平均胸徑30 cm，平均樹高20 m。試材采集方法依據(jù)GB 1927—1991《木材物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法》中相關(guān)要求進(jìn)行，采集5株平均木，截取樹干1.3 m處圓盤，樹干胸高部位年輪數(shù)為24 a，標(biāo)記圓盤北側(cè)方向。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1顯微切片的制作沿木材圓盤北側(cè)方向，用帶鋸機(jī)截取寬度和厚度約1 cm的通過髓心的木條，然后進(jìn)行水煮軟化。用刀片將軟化好的木條切成徑向長(zhǎng)度1 cm的樣塊。用木材切片機(jī)(TU-250)將軟化好的試材切成厚度30 μm的切片，經(jīng)番紅染色、系列乙醇脫水、中性樹脂膠封固，制成永久切片。

1.2.2年輪寬度的測(cè)量將切片置于精密顯微投影儀(TYH 150)下，測(cè)量從髓心到樹皮的每個(gè)年輪寬度。放大倍數(shù)20倍，測(cè)量精度0.01 mm 。

1.2.3解剖性質(zhì)

1) 纖維和導(dǎo)管的寬度、壁厚、腔徑測(cè)量：纖維寬度、壁厚、腔徑指標(biāo)測(cè)量部位選在每個(gè)年輪中部位置，測(cè)量纖維細(xì)胞的徑向尺寸。因香椿早晚材導(dǎo)管尺寸差異較大，所以導(dǎo)管寬度、壁厚、腔徑指標(biāo)測(cè)量部位分別選在早材和晚材部位，測(cè)量導(dǎo)管的徑向尺寸。將切片放在奧林巴斯顯微鏡(BXS1)下進(jìn)行顯微攝影，利用木材分析軟件(TDY-5.2I)進(jìn)行測(cè)量。纖維形態(tài)指標(biāo)每個(gè)年輪測(cè)量60個(gè)，導(dǎo)管形態(tài)指標(biāo)在每個(gè)年輪的早材和晚材部位分別測(cè)量30個(gè)，取平均值。

2) 纖維長(zhǎng)度的測(cè)量：采用離析法，分別在每個(gè)年輪的中部取樣，切成火柴桿大小，放在10%鉻酸和10%硝酸混合溶液內(nèi)，室溫下離析10～15 h。離析完成后制作臨時(shí)切片，在數(shù)顯投影儀下(TYH 150)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)年輪分別測(cè)量60根。

1.3數(shù)據(jù)處理

使用 Excel 2003和DPS v7.05軟件對(duì)木材的解剖構(gòu)造數(shù)量特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1微觀構(gòu)造特征

香椿木材3切面顯微構(gòu)造見圖1。

由圖1可知，香椿木材為環(huán)孔材；導(dǎo)管在橫切面上為圓形及卵圓形，單管孔，短徑列復(fù)管孔及少數(shù)管孔團(tuán)；管間紋孔式互列；軸向薄壁組織略多，環(huán)管束狀、輪界狀與少數(shù)星散狀，含樹膠。木射線非疊生，單列射線數(shù)少，高1～8細(xì)胞或以上，多數(shù)5～15細(xì)胞；多列射線寬2～5細(xì)胞，高3～18細(xì)胞或以上，多數(shù)5～15細(xì)胞；射線組織異形Ⅲ，含大量樹膠。

2.2年輪寬度的徑向變異

年輪寬窄是樹木徑向生長(zhǎng)速度的標(biāo)志，樹木徑向生長(zhǎng)的快慢由形成層原始細(xì)胞分裂頻率和細(xì)胞尺寸所決定。年輪寬度不僅受到樹木自身遺傳學(xué)特性的影響，同時(shí)受到立地條件的影響。香椿年輪寬度徑向變異趨勢(shì)見圖2。

由圖2可知，髓心至第10年年輪寬度迅速增加，在第10年年輪寬度達(dá)最大值(10.3mm)；11～24 a年輪寬度呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)。香椿快速生長(zhǎng)期為10a，與張友元等[2]、管磊等[3]研究結(jié)果基本一致。香椿木材在1～20a間均保持較為旺盛的次生生長(zhǎng)，年輪寬度大于4 .0mm。香椿為速生材，平均年輪寬度6.3mm。

2.3導(dǎo)管形態(tài)特征及徑向變異規(guī)律

樹木通過根系從土壤中吸收水分和無機(jī)鹽，并通過以斜壁相連的導(dǎo)管長(zhǎng)距離向上運(yùn)輸。導(dǎo)管的生理活動(dòng)與樹木生長(zhǎng)過程密切相關(guān)，對(duì)木材后期加工利用過程也會(huì)產(chǎn)生重要的影響。導(dǎo)管分子的數(shù)量、大小影響木材的粗糙度、孔隙率、表面涂飾性和用途等，也在一定程度上反映該樹種的進(jìn)化程度[4]。導(dǎo)管由形成層原始細(xì)胞分裂分生而來，木材導(dǎo)管不僅在樹種間存在差異，在株間及株內(nèi)的不同部位間均存在差異。香椿木材導(dǎo)管尺寸從髓心向外呈增加趨勢(shì)，與桉樹(Eucalyprusrobusta)、青楊(Populusussuriensis)變化趨勢(shì)基本一致[5-6]。從圖3可以看出，香椿木材早材和晚材導(dǎo)管寬度由髓心向外逐漸增大，19a后趨于平穩(wěn)。早材導(dǎo)管寬度由77μm增至129μm；晚材導(dǎo)管寬度由24μm增至46μm。早、晚材導(dǎo)管腔徑和壁厚變化與導(dǎo)管寬度的徑向變化規(guī)律基本一致(圖3～5)，早材導(dǎo)管腔徑由47μm增至135μm，晚材導(dǎo)管腔徑由11μm增至31μm；早材導(dǎo)管壁厚由7μm增至13μm，晚材導(dǎo)管壁厚由10μm增至19μm。

香椿木材為環(huán)孔材，其導(dǎo)管形態(tài)不僅影響木材的材質(zhì)特性，且對(duì)木材表面花紋的構(gòu)成起到重要的作用。香椿早材導(dǎo)管寬度大于晚材，早材導(dǎo)管寬度平均為121.80μm，晚材平均為38.75μm，早材導(dǎo)管寬度為晚材的3.14倍。早材導(dǎo)管雙壁厚度小于晚材，早材導(dǎo)管雙壁厚度平均為10.98μm，晚材平均為16.49μm，晚材導(dǎo)管雙壁厚度約為早材的1.5倍。

2.4纖維形態(tài)特征及徑向變異規(guī)律

纖維形態(tài)包括纖維長(zhǎng)度、纖維寬度、長(zhǎng)寬比、壁厚、腔徑等，是木材質(zhì)量、密度和強(qiáng)度等物質(zhì)性質(zhì)的基礎(chǔ)。國(guó)際木材解剖家學(xué)會(huì)將纖維長(zhǎng)度分為3類：<900μm的纖維屬短纖維，900～1600μm為中等纖維，>1600m的為長(zhǎng)纖維[7]。香椿纖維長(zhǎng)度平均1080.94μm，為中等纖維。木材的纖維長(zhǎng)度變化規(guī)律是樹木年輪材質(zhì)分析的主要參數(shù)之一，同時(shí)也是反映木材及其利用價(jià)值的重要指標(biāo)。由圖6可知，在1～18a，纖維長(zhǎng)度由髓心向外呈逐漸增大的趨勢(shì)，18a以后纖維長(zhǎng)度基本趨于穩(wěn)定，紅椿木材纖維長(zhǎng)度為695～1447μm。

香椿木材纖維寬度平均值為26.76μm，長(zhǎng)寬比平均值為40.25。纖維寬度在1～10a呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，10a后基本趨于穩(wěn)定(圖7)，纖維寬度的穩(wěn)定時(shí)間略早于纖維長(zhǎng)度。纖維長(zhǎng)寬比隨著輪齡數(shù)的增大趨勢(shì)同纖維長(zhǎng)度(圖8)，這是因?yàn)槔w維長(zhǎng)度的增加幅度大于纖維寬度。

纖維雙壁厚平均值為7.96μm，腔徑平均值為18.80μm，壁腔比均值為0.43。纖維雙壁厚在距離髓心的1～8a間，由髓心向外呈逐漸增大的趨勢(shì)，其后基本趨于穩(wěn)定(圖7)。纖維腔徑的變異規(guī)律同纖維寬度。壁腔比從距離髓心的第5年呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢(shì)(圖8)。

纖維細(xì)胞尺寸大小受種源、立地條件、林木年齡等多方面因素影響。與福建產(chǎn)香椿木材比較，本研究中香椿木材的纖維長(zhǎng)度與范振富等[8]的研究結(jié)果基本一致，但本研究中的纖維寬度表現(xiàn)略大。纖維細(xì)胞是由形成層原始細(xì)胞分裂分生而來，形成層原始細(xì)胞長(zhǎng)度隨著形成層年齡的增加而增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到一定年齡后，其細(xì)胞尺寸基本達(dá)到穩(wěn)定，樹木達(dá)到成熟年齡。此時(shí)木材細(xì)胞尺寸均一，材質(zhì)特性優(yōu)良。形成層原始細(xì)胞長(zhǎng)度未穩(wěn)定階段的木材通常稱為未成熟材，形成層原始細(xì)胞長(zhǎng)度在穩(wěn)定階段形成的木材稱為成熟材，未成熟材與成熟材比較，木材強(qiáng)度、密度等物理力學(xué)性質(zhì)的變化較大，未成熟材木材的材質(zhì)較差[9-10]。在闊葉材中，纖維細(xì)胞是厚壁細(xì)胞，占木材體積的50%以上，對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)起到關(guān)鍵作用。因此，闊葉材成熟齡的判定依據(jù)以纖維長(zhǎng)度為主要依據(jù)。根據(jù)纖維長(zhǎng)度達(dá)到的穩(wěn)定輪齡分析，并綜合年輪寬度與導(dǎo)管寬度指標(biāo)，香椿木材的成熟齡約為18年。

3結(jié)論

香椿木材為環(huán)孔材，從髓心至第10年年輪寬度迅速增加，1～20a均保持旺盛的次生生長(zhǎng)。胸徑年輪數(shù)為24a的香椿木材平均年輪寬度6.3mm。早材和晚材的導(dǎo)管寬度、壁厚、腔徑由髓心向外逐漸增大，約19a后趨于平穩(wěn)。早材導(dǎo)管寬度121.80μm，晚材導(dǎo)管寬度38.75μm。早材導(dǎo)管雙壁厚度10.98μm，晚材導(dǎo)管雙壁厚度16.49μm。纖維長(zhǎng)度由髓心向外呈逐漸增大的趨勢(shì)，18a以后纖維長(zhǎng)度基本趨于穩(wěn)定。纖維形態(tài)指標(biāo)平均值分別為：長(zhǎng)度1080.94μm，寬度26.76μm，長(zhǎng)寬比40.25，雙壁厚7.96μm。根據(jù)纖維長(zhǎng)度、年輪寬度與導(dǎo)管寬度指標(biāo)分析，香椿木材的成熟齡約為18a。

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(責(zé)任編輯曹龍)

第1作者：沈洋(1989—)，男，碩士生。研究方向：木塑復(fù)合材料。Email：polo2007_shen@163.com。

通信作者：吳章康(1967—)，男，博士，教授。研究方向：木質(zhì)材料性能,木質(zhì)復(fù)合材料。Email：xr40978135@126.com。