楊 進(jìn) ,寧莉萍,b,劉 敏,劉 虎,廖曉玲,胡睿喆,張明雪
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) a林學(xué)院,b木材工業(yè)與家具工程高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都611134)
歷史上楠、樟、梓、椆并稱為四大名木,而楠木居首[1]。楨楠中文學(xué)名為楠木,拉丁學(xué)名為PhoebezhennanS.Lee,隸屬樟科楠屬[2],為常綠高大喬木,屬于瀕危物種,現(xiàn)被列為國(guó)家Ⅱ級(jí)保護(hù)植物[3]。楨楠木不易變形開(kāi)裂、易加工、耐腐朽,紋理瑰麗多變,是當(dāng)前國(guó)內(nèi)木材行業(yè)公認(rèn)為“金絲楠”木的最優(yōu)樹(shù)種[4];其樹(shù)干通直、高大,枝繁葉茂,樹(shù)姿挺拔秀麗,常作為庭蔭樹(shù)或行道樹(shù),也是著名的觀賞樹(shù)種[5-6],主要生長(zhǎng)于四川、湖北和貴州等省,當(dāng)前市場(chǎng)普遍認(rèn)為四川楨楠品質(zhì)最優(yōu),價(jià)格最高[7]。目前楨楠價(jià)高卻無(wú)鑒定依據(jù)的現(xiàn)狀導(dǎo)致市場(chǎng)上出現(xiàn)大量假冒楨楠產(chǎn)品,商業(yè)糾紛頻現(xiàn)[8]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于楨楠雖有一些報(bào)道,但是數(shù)量較少,且研究主要集中在種群分布與變遷、人工林的生長(zhǎng)規(guī)律和育苗管理等方面[9]。陳瑞英等[10]、成俊卿等[11]雖然報(bào)道過(guò)關(guān)于楨楠木材的簡(jiǎn)介,但缺乏系統(tǒng)的木材構(gòu)造特征及其徑向變異規(guī)律研究,目前僅見(jiàn)周祖洪等[12]進(jìn)行過(guò)楨楠徑向生長(zhǎng)量變化規(guī)律的研究,但解剖參數(shù)的徑向變異規(guī)律尚未見(jiàn)研究。因此,本試驗(yàn)擬以四川省雅安市金鳳寺的楨楠古樹(shù)群作為研究對(duì)象,選擇生長(zhǎng)狀態(tài)良好的楨楠單株進(jìn)行采樣,測(cè)量其各個(gè)年輪段木材構(gòu)造特征參數(shù)并觀察木材的微觀、宏觀構(gòu)造,研究其徑向變異規(guī)律,歸納總結(jié)楨楠的木材結(jié)構(gòu)特征,為楨楠木種的識(shí)別與其木材利用提供一定的參考依據(jù)。
2015年11月,對(duì)四川省雅安市金鳳寺中的楨楠古樹(shù)進(jìn)行隨機(jī)取樣。采用生長(zhǎng)錐鉆取木芯樣的方法取樣[13],取樣處離地1.3 m,鉆取方向由南向北,生長(zhǎng)錐直徑5.15 mm。共取樣15株,標(biāo)記后分別裝入塑料管中并封口,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步分析。通過(guò)初步篩選,棄去有疤節(jié)、蟲(chóng)孔及有其他缺陷的木芯樣,最終選定以樹(shù)高約為21.1 m、胸徑約為392 mm、樹(shù)齡為110年生的單株楨楠樹(shù)芯為研究樣本。
使用的主要儀器與設(shè)備有樹(shù)木生長(zhǎng)錐(長(zhǎng)500 mm,兩線,直徑5.15 mm,北京澳作生態(tài)有限公司)、TU-231大型滑走式切片機(jī)、光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS BX51,上海生物科技有限公司)、體視顯微鏡(OLYMPUS X7,上海光密儀器有限公司)、SEM掃描電鏡(日本電子JSM-6490LV)和EDS色散能量分析儀。
1.3.1 宏觀構(gòu)造特征觀察 將試樣橫、徑、弦三切面用清水潤(rùn)濕后,在肉眼、放大鏡、體視顯微鏡下觀察木材生長(zhǎng)輪、管孔、軸向薄壁組織、木射線、紋理、構(gòu)造等宏觀特征[14]。
1.3.2 顯微構(gòu)造觀察及構(gòu)造特征參數(shù)測(cè)定 在顯微鏡下,觀察木材三切面顯微構(gòu)造并拍攝照片,利用圖像測(cè)量分析系統(tǒng)測(cè)定木材的構(gòu)造特征參數(shù)(管孔密度、弦向直徑以及纖維長(zhǎng)度和寬度),各項(xiàng)參數(shù)均從不同顯微切片隨機(jī)測(cè)量60個(gè)數(shù)據(jù);S2層微纖絲角采用X射線衍射法[15-17],每隔5個(gè)年輪取樣1次,處理后使用X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)量,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
1.3.3 超微構(gòu)造觀察及能量色散(EDS)分析 每10個(gè)年輪取樣1次,處理后在SEM掃描電鏡下觀察木材三切面超微構(gòu)造并拍攝圖片,圖片拍攝過(guò)程中利用EDS色散能譜分析儀對(duì)圖片中具有特征形狀的物質(zhì)進(jìn)行成分分析[18-19]。
將測(cè)量的數(shù)據(jù)采用變數(shù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理,以此確定每組數(shù)據(jù)平均值的可靠性,并確認(rèn)是否可采信。對(duì)楨楠胸徑連年生長(zhǎng)量與徑向解剖參數(shù)、微纖絲角進(jìn)行回歸分析,得出楨楠胸徑連年生長(zhǎng)量與木材構(gòu)造特征參數(shù)的相關(guān)性。
楨楠木材肉眼下呈黃色或深黃褐色,心材與邊材區(qū)分不明顯;材表面光澤較弱,有微芳香氣味;味微苦,紋理較直,木材構(gòu)造較細(xì)膩而均勻;生長(zhǎng)輪明顯,輪間呈深色帶;散孔材;年輪寬度較均勻,每cm 2~4輪,橫切面上管孔肉眼下可見(jiàn),大小略一致,分布均勻,散生或斜列;管孔內(nèi)偶見(jiàn)侵填體;軸向薄壁組織放大鏡下明顯,稀疏傍管狀;橫切面上木射線稀至中,極細(xì)至略細(xì),在放大鏡下明顯。
2.2.1 顯微構(gòu)造特征 導(dǎo)管在橫切面上為圓形或卵圓形,部分略具多角形輪廓,每mm2平均20個(gè);管孔組合以單管孔和短徑列復(fù)管孔(2~3個(gè))為主,偶見(jiàn)管孔鏈和管孔團(tuán)(圖1-A,B),導(dǎo)管腔內(nèi)少見(jiàn)侵填體(圖1-B),螺紋加厚缺如;導(dǎo)管細(xì)胞壁較薄(3.0 μm),最大弦徑114 μm,多數(shù)90~100 μm;導(dǎo)管分子長(zhǎng)212~514 μm,平均391 μm;具侵填體;螺紋加厚未見(jiàn)。導(dǎo)管細(xì)胞端部的穿孔為單穿孔,偶見(jiàn)梯狀復(fù)穿孔(圖1-C),相鄰導(dǎo)管間細(xì)胞壁上紋孔為互列,偶見(jiàn)梯狀紋孔(圖2-A);紋孔口內(nèi)含,卵圓形或圓形。軸向組織量少,稀疏傍管狀;樹(shù)膠少見(jiàn),晶體未見(jiàn);油細(xì)胞或黏液細(xì)胞常見(jiàn)。橫切面上木纖維細(xì)胞壁薄,直徑為19~28 μm;長(zhǎng)779~1 204 μm,平均1 083 μm;形狀大多呈扁圓形、多角形,細(xì)胞壁弦向腔徑略大于徑向(圖1-B),細(xì)胞沿徑向排列整齊有序,弦向上呈交錯(cuò)排列,較松散;具有分隔木纖維。單列射線極少,高3~7個(gè)細(xì)胞;多列射線寬2~3個(gè)細(xì)胞,高7~26個(gè)細(xì)胞;射線組織異型Ⅲ型或Ⅱ型(圖2-B);射線-導(dǎo)管間紋孔式呈大圓形或刻痕狀。射線細(xì)胞含油細(xì)胞,軸向薄壁細(xì)胞少見(jiàn)(圖3);晶體少見(jiàn),方形;木射線非疊生;每mm 4~8根。
A.40×;B.100×;C.400×
圖1 楨楠木材橫切面的顯微構(gòu)造
Fig.1 Microscopic structure of wood cross section ofPhoebezhennan
A.200×;B.100×圖2 楨楠木材徑切面的顯微構(gòu)造Fig. 2 Microscopic structure of wood radial section of Phoebe zhennan
2.2.2 超微構(gòu)造特征 導(dǎo)管分子偶見(jiàn)梯狀復(fù)穿孔(圖4-A),導(dǎo)管內(nèi)具有侵填體(圖4-B);導(dǎo)管內(nèi)具緣紋孔(圖5),紋孔與管間紋孔為互列式(圖6-A);木射線細(xì)胞內(nèi)常見(jiàn)球形物(圖6-B)和塊狀物(圖6-A,C)。
A.1 000×;B.2 000×
圖4 楨楠木材橫切面的超微構(gòu)造
Fig.4 Ultramicro structure of wood cross section ofPhoebezhennan
圖5 楨楠木材徑切面的超微構(gòu)造(1 000×)
Fig.5 Ultramicro structure of wood radial section ofPhoebezhennan(1 000×)
A.塊狀物(800×);B.球形物(1 000×);C.塊狀物(1 000×) A.Block in wood ray(800×);B.Globe in wood ray(1 000×);C.Block in wood ray(1 000×)圖6 楨楠木材弦切面的超微構(gòu)造Fig.6 Ultramicro structure of wood tangential section of Phoebe zhennan
由能量色散(EDS)分析可知,這些球形物的主要組成元素是碳和氧(表1),由此可以認(rèn)為這種球形物并非無(wú)機(jī)鹽類而是樹(shù)膠類物質(zhì),Seurfield等[20]也曾在報(bào)道中將這種球形物認(rèn)定為淀粉顆粒;而塊狀物主要組成元素是碳、氧和鈣元素,初步估計(jì)可能是含有鈣鹽的樹(shù)膠(表2)。
表1 楨楠木射線內(nèi)球形物成分分析Table 1 Component analysis of globe in wood ray of Phoebe zhennan
表2 楨楠木射線內(nèi)塊狀物成分分析Table 2 Component analysis of block in wood ray of Phoebe zhennan
利用圖像測(cè)量分析系統(tǒng)測(cè)定木材中各類細(xì)胞(管孔、木纖維、木射線)的構(gòu)造特征參數(shù)及連年生長(zhǎng)量(圖7~12),對(duì)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行變數(shù)統(tǒng)計(jì),得出的平均值均可靠,可以采信。
2.3.1 管孔密度和弦向直徑 由圖7可以看出,從髓心到邊材,楨楠每mm2的管孔數(shù)量即管孔密度隨著樹(shù)齡的增加而波動(dòng)下降。
從圖8可看出,楨楠管孔弦向直徑隨樹(shù)齡的增加均呈波動(dòng)上升的變異模式,35年前呈波動(dòng)上升趨勢(shì),35~105年呈平穩(wěn)波動(dòng)趨勢(shì),之后迅速增加,這說(shuō)明管孔密度與管孔直徑呈負(fù)相關(guān)。
圖7 楨楠木材管孔數(shù)量的徑向變異
Fig. 7 Radial variation of pore density ofPhebezhennan
圖8 楨楠木材管孔弦向直徑的徑向變異
Fig.8 Radial variations in pore tangential diameter ofPhebezhennan
2.3.2 胸徑連年生長(zhǎng)量 楨楠胸徑連年生長(zhǎng)量隨樹(shù)齡的變異見(jiàn)圖9。
圖9 楨楠胸徑連年生長(zhǎng)量隨樹(shù)齡的變異
Fig.9 Annual increment in radial growth ofPhebezhennan
由圖9可見(jiàn),楨楠胸徑的連年生長(zhǎng)量隨樹(shù)齡的增加呈先上升后下降的變異模式。在樹(shù)齡為1~40年時(shí)增長(zhǎng)較快,在40年后呈波動(dòng)下降模式,90~110年波動(dòng)逐漸趨于平穩(wěn),但總體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。
2.3.3 纖維長(zhǎng)度和寬度 纖維長(zhǎng)度與木材品質(zhì)有著極強(qiáng)的相關(guān)性,是衡量材性優(yōu)劣的重要參數(shù)。從圖10可以看出,楨楠木材纖維長(zhǎng)度在779.75~1 204.55 μm,平均為1 082.83 μm,最大值首先出現(xiàn)在樹(shù)齡35年附近,其次是55年附近。髓心附近的木纖維長(zhǎng)度較短,而樹(shù)皮附近較長(zhǎng),表明楨楠木纖維長(zhǎng)度從髓心到邊材總體呈增加趨勢(shì)。楨楠木纖維長(zhǎng)度的徑向變異較大,呈現(xiàn)的規(guī)律性較其他材性指標(biāo)明顯,5~35年,隨樹(shù)齡增加,纖維長(zhǎng)度的增加速度較快,35年時(shí)即達(dá)到最大值1 204.55 μm;之后隨樹(shù)齡增加,纖維長(zhǎng)度的變化幅度較小,介于1 030.42~1 163.38 μm,趨于穩(wěn)定。
楨楠木材纖維寬度的徑向變異見(jiàn)圖11。
圖10 楨楠木材纖維長(zhǎng)度的徑向變異
Fig.10 Radial variations of fiber length ofPhebezhennan
圖11 楨楠木材纖維寬度的徑向變異
Fig.11 Radial variations of fiber width ofPhebezhennan
由圖11可以看出,楨楠木纖維寬度隨樹(shù)齡的增加呈波動(dòng)上升至平穩(wěn)的變異模式,這符合樹(shù)木生長(zhǎng)規(guī)律的變異。這是樹(shù)木的形成層原始母細(xì)胞垂周分裂速度在樹(shù)木幼齡期快,但隨著樹(shù)齡增大而下降導(dǎo)致的結(jié)果[21]。纖維寬度與木材結(jié)構(gòu)有關(guān),通常用纖維寬度來(lái)判斷木材結(jié)構(gòu)的粗細(xì)[22]。由于本試驗(yàn)是以離析纖維測(cè)定其寬度而不是弦向直徑,因此參照成俊卿等[11]編撰的《中國(guó)木材志》中對(duì)闊葉樹(shù)材木纖維寬度4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí):小于16 μm的為結(jié)構(gòu)細(xì),16~25 μm的為結(jié)構(gòu)中,26~30 μm的為結(jié)構(gòu)粗,大于30 μm的為結(jié)構(gòu)甚粗。對(duì)照木材纖維寬度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可知金鳳寺楨楠木材纖維結(jié)構(gòu)中至粗。
2.3.4 維纖絲角 微纖絲角指次生壁S2層中微纖絲與細(xì)胞主軸之間的夾角,其角度愈小則細(xì)胞的抗張強(qiáng)度愈大。微纖絲角既影響木材的物理力學(xué)性能,如密度、強(qiáng)度、硬度、抗拉伸度、彈性模量等,又是木材干縮濕脹性的原因之一[23-24]。采用X射線衍射法和origin 8軟件測(cè)得野生楨楠不同樹(shù)齡S2層微纖絲角的變異情況見(jiàn)圖12,對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行變數(shù)統(tǒng)計(jì),得出平均值均可靠,可以采信。由圖12可見(jiàn),隨樹(shù)齡的增加,楨楠木材微纖絲角逐漸減小并趨于平穩(wěn)波動(dòng)。在前30年微纖絲角呈下降的變異模式,30年后呈平穩(wěn)波動(dòng)的變異模式。
將楨楠胸徑連年生長(zhǎng)量與徑向解剖參數(shù)、微纖絲角進(jìn)行回歸分析,為了判斷各指標(biāo)之間相關(guān)程度的高低,通過(guò)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行判斷,其判斷標(biāo)準(zhǔn)為:r=0,表明二者完全不相關(guān);0<|r|≤0.3時(shí),認(rèn)為二者不相關(guān);0.3<|r|≤0.5時(shí),認(rèn)為二者低度相關(guān);0.5<|r|≤0.8時(shí),認(rèn)為二者顯著相關(guān);0.8<|r|≤1時(shí),認(rèn)為二者高度相關(guān)[25]。由顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知,胸徑連年生長(zhǎng)量與管孔密度、纖維寬度呈顯著相關(guān),與管孔弦向直徑、纖維長(zhǎng)度和微纖絲角高度相關(guān)。
圖12 楨楠木材微纖絲角的徑向變異Fig.12 Radial variations of microfibril angle of Phebe zhennan
本研究中,野生楨楠木材材色在肉眼下呈黃色或深黃褐色,光澤較弱,有微芳香氣味,味微苦,紋理較直,木材構(gòu)造較細(xì)膩而均勻;生長(zhǎng)輪明顯,年輪寬度較均勻,輪間呈深色帶;橫切面上管孔為圓形或卵圓形,部分略具多角形輪廓,管孔大小較一致,分布略均勻,散孔材,管孔組合以單管孔和短徑列復(fù)管孔(2~3個(gè))為主,偶見(jiàn)管孔鏈和管控團(tuán),橫切面上木纖維細(xì)胞大多呈扁圓形、多角形,細(xì)胞壁弦向腔徑略大于徑向,細(xì)胞沿徑向排列整齊有序,弦向上呈交錯(cuò)排列較松散。射線組織異型Ⅲ型或Ⅱ型。在前人研究的基礎(chǔ)上,本研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)管分子偶見(jiàn)梯狀復(fù)穿孔,導(dǎo)管內(nèi)具有侵填體;導(dǎo)管內(nèi)紋孔與管間紋孔為互列式,具緣紋孔;木射線細(xì)胞內(nèi)常見(jiàn)的球形物可能為樹(shù)膠類物質(zhì),塊狀物可能是含有鈣鹽的樹(shù)膠。
隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng),楨楠生長(zhǎng)狀況呈現(xiàn)出一定的差異。隨樹(shù)齡的增加,管孔密度總體呈下降趨勢(shì);管孔弦向直徑自髓心向外呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),在樹(shù)齡35年之前呈波動(dòng)上升趨勢(shì),之后處于波動(dòng)平穩(wěn)狀態(tài)。纖維長(zhǎng)度與木材品質(zhì)有極強(qiáng)的相關(guān)性,纖維長(zhǎng)度與寬度在樹(shù)齡35年左右總體迅速升高,之后呈波動(dòng)式變化并趨于平穩(wěn)。胸徑連年生長(zhǎng)量在樹(shù)齡10~40年增長(zhǎng)較快,40年后呈波動(dòng)下降模式,90~110年波動(dòng)逐漸趨于平穩(wěn),但總體呈下降趨勢(shì),并且管孔、纖維解剖參數(shù)以及微纖絲角與胸徑連年生長(zhǎng)量具有一定的相關(guān)性。這表明野生楨楠在樹(shù)齡35年前生長(zhǎng)較快,而在35年后生長(zhǎng)較為緩慢,在90年后生長(zhǎng)極為緩慢。因此,樹(shù)齡超過(guò)35年的野生楨楠可用作家具與建筑材料,其材性更穩(wěn)定。
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