唐 爽 孫照斌 馬長明

(河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北 保定 071000)

白樺 (Betulaplatyphylla) 為樺木科樺木屬喬木，一般高可達25 m，胸徑可達80 cm；樹皮呈白色或灰白色，具白粉，紙質或膜質，分層剝落；樹木極喜光，速生，耐寒及耐干旱瘠薄土壤，為河北北部山區(qū)天然次生林的主要組成樹種之一。

木材纖維形態(tài)特征的變異規(guī)律是林木材質改良的基礎，同時也是反映木材及其利用價值的重要指標[1]。木材組織比量主要是研究木材纖維構造的重要特征，是尋求木材解剖特征與其他性質相關關系的重要手段[2]。植物生境對其木材的纖維形態(tài)、組織比量等均有一定影響[3]，有關學者研究表明坡向能夠影響部分樹種木材的解剖特征[4-5]，但不同生境的白樺天然林木材的解剖特性僅在我國東北進行過研究[6]，對于冀北地區(qū)白樺天然林木材纖維形態(tài)特征的研究尚未見報道。本研究通過對不同坡向上的白樺木材解剖特性進行比較和分析，探究不同坡向對白樺纖維形態(tài)、組織比量的影響，以期為該地區(qū)白樺天然林培育與加工利用提供參考依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于隆化縣國營林場管理處茅荊壩林場，地處東經(jīng)117°50′46″～118°13′06″、北緯41°29′57″～41°40′36″。該林場地貌屬陰山山脈七老圖嶺余脈中山地貌組合，平均海拔1 250 m。山體陰坡較緩，陽坡較陡，山谷多為V字型，南北坡景觀差異明顯。試驗地屬暖溫帶半濕潤大陸性季風型山地氣候，年平均氣溫7.9 ℃，年降水量460～580 mm，土壤分為棕壤、褐土、草甸土3類，全場森林植被以暖溫帶天然次生落葉林為主。

白樺次生林是本地區(qū)的典型森林類型，廣泛分布于山地陰坡、半陰坡，樹種組成為7樺1油1柞1雜 + 落。陰坡坡向為北向，坡位為中坡位，坡度為14°，土壤為棕壤，郁閉度為0.6，密度為1 123株/hm2；半陰坡坡向為東北向，坡位為中坡位，坡度為20°，土壤為棕壤，郁閉度為0.5，密度為1 067株/hm2。

2 材料與方法

2.1 研究材料

試驗用研究材料為原木，于2016年10月采自茅荊壩林場小冰榔溝，經(jīng)生長錐測定，選取不同坡向樹齡50 a以上的白樺各3株，樣木基本情況見表1。

表1 樣木基本情況Fig.1 Basic information of sample wood

在每株樣木胸徑 (樹高1.3 m) 處截取約5 cm厚的圓盤，通過髓心沿南北方向鋸成2 cm寬長條，再將長條自上而下鋸成高2、3 cm 2部分 (圖1)。各解剖指標試樣每隔5年取樣，即在1～5、6～10、16～20、21～25、26～30、31～35、36～40、41～45、46～50 a生長輪中測定。

圖1解剖試樣選取
Fig.1 Sketch map of wood anatomical properties

2.2 研究方法

將圖1中S1部分在水中浸泡、煮沸，使試樣中空氣排凈為止。利用YD-1508R轉式切片機切取橫切面，進尺量定位在12 μm。將切下的較完整的薄片，放入1%的番紅中染色、再逐級脫色，制成臨時制片。利用光學顯微鏡，采用拉線法計算纖維壁腔比；利用網(wǎng)形目鏡尺，計數(shù)落在交叉點上的導管組織和木射線組織的個數(shù)，計算出纖維組織的個數(shù)，換算成百分比，即得到相應的組織比量。

將圖1中S2部分劈成火柴棍大小，放入試管內(nèi)水浴至樣品完全沉于水底，再用質量分數(shù)為30%的硝酸和少許氯酸鉀煮至分散變白，用水反復漂洗、震蕩，使樣品全部分離成單根纖維。用鑷子取試樣少許，置于載玻片，在顯微投影儀下觀察并測量纖維長度及寬度，測量數(shù)量為30根[7]。

2.3 分析方法

采用Excel、SPSS 20.0等進行數(shù)據(jù)處理、方差分析和相關性分析，利用回歸方程探究白樺纖維形態(tài)特征的徑向變異模式，并建立各纖維形態(tài)指標與生長輪相關關系的數(shù)學模型[8]。利用有序聚類分析方法[9]，劃分幼齡材與成熟材。

3 結果與分析

3.1 坡向對白樺木材徑向纖維形態(tài)的影響

3.1.1纖維長度

纖維長度是衡量造紙用材優(yōu)劣的重要因子之一，纖維長度越長不僅能提高紙張的撕裂度，而且有利于提高紙張的抗拉強度、耐破度和耐折度[10]。不同坡向白樺胸徑處木材纖維長度的徑向變異見圖2。

圖2不同坡向白樺胸徑處木材纖維長度徑向變異
Fig.2 Radial variation of wood fiber length at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由圖2可知，陰坡上、半陰坡上白樺木材纖維長度由髓心向外逐年遞增，到達25 a后增長趨于平緩。陰坡上的白樺木材纖維長度介于795.01～1 804.36 μm，平均長度為1 480.67 μm；半陰坡上白樺木材的纖維長度介于733.89～1 702.58 μm，平均長度為1 354.58 μm；不同坡向白樺木材纖維長度表現(xiàn)為陰坡 > 半陰坡。纖維長度與坡向的方差分析顯示，不同坡向間白樺木材纖維長度差異顯著 (P< 0.05)。

3.1.2纖維寬度

纖維寬度會影響纖維的交織，纖維寬度直徑大且壁薄的纖維利于造紙[10]。不同坡向白樺胸徑處木材纖維寬度的徑向變異見圖3。

圖3不同坡向白樺胸徑處木材纖維寬度徑向變異
Fig.3 Radial variation of wood fiber width at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由圖3可知，陰坡上白樺木材纖維寬度曲線變化趨勢自髓心向樹皮方向先增加，在20 a左右時達到最大值后波動式變化；半陰坡上白樺木材纖維寬度曲線隨生長輪呈緩慢上升的趨勢，初始變化幅度較大，20 a后變化幅度平穩(wěn)，45～50 a明顯下降。陰坡上白樺木材的纖維寬度介于17.02～22.01 μm，平均寬度為20.38 μm；半陰坡上白樺木材的纖維寬度介于18.65～22.57 μm，平均寬度為21.25 μm；不同坡向間白樺木材纖維寬度多呈現(xiàn)半陰坡 > 陰坡，但相差不大。纖維寬度與坡向的方差分析顯示，不同坡向之間白樺木材纖維寬度顯著性差異不顯著 (P> 0.05)。

3.1.3纖維長寬比

纖維的長寬比是僅次于纖維長度的重要纖維指標，長寬比較大的纖維，造紙時單位面積纖維之間的相互交叉次數(shù)較多，纖維分布密集，成紙強度較高[11]。不同坡向白樺胸徑處木材纖維長寬比的徑向變異見圖4。

圖4不同坡向白樺胸徑處木材纖維長寬比徑向變異
Fig.4 Radial variation of the length-width ratio at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由圖4可知，陰坡上白樺木材長寬比在5～25 a上升較快，之后上升幅度緩慢；半陰坡上的白樺木材長寬比由髓心向外逐年遞增，在45～50 a時下降但幅度變化不大。陰坡上的纖維長寬比介于46.85～87.17，平均值為72.16；半陰坡上白樺木材的纖維長寬比介于39.35～79.26，平均值為63.38；不同坡向上白樺木材纖維長寬比表現(xiàn)為陰坡 > 半陰坡。白樺木材的纖維長寬比徑向變異與纖維長度相似，規(guī)律性強。纖維長寬比與坡向的方差分析顯示，不同坡向之間白樺木材纖維長寬比差異極顯著 (P< 0.01)。

3.1.4纖維壁腔比

纖維壁腔比對于造紙制漿具有重要的影響，壁腔比小的纖維打漿時容易崩解、帚化，纖維之間結合緊密，形成紙頁時強度大[12]。不同坡向白樺胸徑處木材纖維壁腔比的徑向變異見圖5。

圖5不同坡向胸徑處木材纖維壁腔比徑向變異
Fig.5 Radial variation of fiber double wall thickness-
diameter ratio at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由圖5可知，陰坡、半陰坡上白樺木材壁腔比徑向上由髓心向外呈現(xiàn)先增加后減小、再增加再減小的波浪式變異，規(guī)律性較差；陰坡上在30～50 a變化幅度較大；半陰坡上在5～50 a變化幅度較大。陰坡上的纖維壁腔比介于0.68～0.78，平均值為0.75；半陰坡上白樺木材的纖維壁腔比介于0.67～0.80，平均值為0.74；不同坡向上白樺木材纖維腔徑比多表現(xiàn)為陰坡 > 半陰坡。纖維壁腔比與坡向的方差顯示，不同坡向之間纖維雙壁厚差異不顯著 (P> 0.05)。

3.2 坡向對白樺木材組織比量變異的影響

3.2.1導管比量

木材組織比量是指構成木材的各種細胞所占橫截面積的百分比。對紙漿材而言，纖維比量越大，說明木材中纖維所占比率越高，紙漿得率越高；導管比量越低，木材中細胞空腔越少，紙漿得率越高[13]。不同坡向白樺胸徑處木材導管比量徑向變異趨勢見圖6。

圖6不同坡向白樺胸徑處木材導管比量徑向變異
Fig.6 Radial variation of vesel-element spropotion at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由表6可知，陰坡白樺木材導管比量隨生長輪呈現(xiàn)多峰型變異，且略有上升趨勢；半陰坡上白樺木材導管比量徑向上呈不規(guī)則變異，變化幅度較大。陰坡白樺導管比量介于19.78%～26.13%，均值為23.80%；半陰坡白樺導管比量介于22.93%～27.15%，均值為25.29%，半陰坡白樺導管比量略高于陰坡。導管比量與坡向的方差分析顯示，不同坡向間天然林白樺導管比量差異不顯著 (P> 0.05)。

3.2.2木射線比量

不同坡向白樺胸徑處木材木射線比量徑向變異趨勢見圖7。

圖7不同坡向間白樺胸徑處木材纖維木
射線比量徑向變異
Fig.7 Radial variation of wood ray propotion at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

由圖7可知，陰坡白樺木材木射線比量初始先增加后減小，15～40 a緩慢遞增，40～50 a先遞減后遞增，幅度較大；半陰坡上白樺木材木射線比量和導管比量徑向變異趨勢相似：初始變化幅度較大，15 a左右達到最小值，約30 a后趨于平緩遞減，45～50 a遞增。陰坡白樺木材木射線比量介于14.58%～16.67%，均值為15.76%；半陰坡白樺木材木射線比量介于13.69%～16.93%，均值為15.98%；半陰坡白樺木材木射線比量略高于陰坡木射線比量。木射線比量與坡向的方差分析顯示，不同坡向間天然林白樺木材木射線比量差異不顯著 (P> 0.05)。

3.2.3纖維比量

不同坡向白樺胸徑處木材纖維比量徑向變異趨勢見圖8。

由圖8可知，陰坡上白樺纖維比量隨著生長輪增加呈現(xiàn)遞增或遞減的波動式變異，且變化幅度趨于平緩，有明顯的下降趨勢；半陰坡上白樺纖維比量徑向變異幅度較平緩，5～20 a逐年遞減，30～45 a逐年遞增，2個峰值分別出現(xiàn)在25、45 a左右。陰坡白樺木射線比量介于57.73%～65.24%，均值為60.40%；半陰坡白樺纖維比量介于56.31%～60.75%，均值為58.73%；陰坡白樺纖維比量略高于半陰坡。纖維比量與坡向的方差分析顯示，不同坡向間天然林白樺木射線比量差異不顯著 (P> 0.05)。

圖8不同坡向白樺胸徑處木材纖維纖維比量徑向變異
Fig.8 Radial variation of fiber propotion at DBH ofB.platyphyllawith different slope directions

3.3 不同坡向白樺木材纖維性狀方程擬合與檢驗

為了能對天然林白樺纖維性狀各項指標徑向變異進行定量分析，預測白樺木材纖維性狀和年輪的關系，將不同坡向纖維性狀各指標 (y) 與生長輪年齡 (x≤ 50) 進行了多項式、線性、指數(shù)、對數(shù)函數(shù)的回歸。不同坡向白樺木材纖維性狀與生長輪年齡的回歸方程見表2。

表2 不同坡向白樺木材纖維性狀與生長輪年齡的回歸方程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，多項式曲線對不同坡向纖維性狀各項指標擬合最佳，決定系數(shù) (R2) 較高，特別是陰坡、半陰坡白樺木材纖維長度和長寬比均達到0.95以上。

不同坡向白樺木材纖維性狀與生長輪年齡的回歸方程檢驗見表3。

表3 不同坡向白樺木材纖維性狀與生長輪年齡的回歸方程檢驗Table 3 Regression equation test of wood fiber property and growth ring of B.platyphylla with different slope directions

由表3可知，不同坡向纖維寬度、纖維壁腔比、半陰坡纖維長寬比回歸方程的平均殘差、平均絕對殘差、平均相對殘差和殘差平方和較小，不同坡向纖維長度和陰坡纖維長寬比的平均殘差、平均絕對殘差、平均相對殘差較小，而殘差平方和較大。說明不同坡向上白樺木材纖維性狀指標的實際測量值與模型的預測值相差在一定合理范圍內(nèi)，模型的預估效果較好。不同坡向上纖維長度、纖維寬度以及陰坡上纖維長寬比的擬合精度達到95%以上，即自變量生長輪年齡對因變量纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比的解釋程度高。

隨機對白樺第10年的木材纖維性狀各指標進行了預測值檢驗，不同坡向白樺木材纖維性狀與生長輪年齡的回歸方程檢驗見表4。

表4 不同坡向白樺第10 a木材纖維性狀與生長輪年齡的回歸方程檢驗Table 4 Regression equation test of wood fiber propertyand growth ring of 10th year of B.platyphylla with different slope directions

由表4可見，各纖維性狀的殘差較小，說明纖維性狀指標實際測量值與模型的預測值相差小，模型的預估效果理想。經(jīng)檢驗，不同坡向上不同生長輪白樺木材纖維性狀的多項式方程回歸系數(shù)均達顯著 (F0.05)、極顯著 (F0.01)水平，可見多項式曲線的模擬均勻穩(wěn)定，可靠性強。

3.4 不同坡向白樺木材各指標間相關性分析

纖維形態(tài)特征及木材組織比量直接影響木材材性，木材解剖特性之間的相關性研究，是研究樹木生長的變異規(guī)律及材性預測的重要手段，在一定程度上降低了木材材性測定的復雜性，為快速評價木材品質優(yōu)劣，有針對性的利用木材提供條件[14]。不同坡向白樺木材組織比量各指標、纖維形態(tài)特征各指標相關分析矩陣見表5～6。

表5 陰坡白樺木材解剖特性指標相關性分析Table 5 Correlation analysis of the wood anatomical properties of B.platyphylla in the shady slope

注：**表示差異極顯著；*表示差異顯著。

表6 半陰坡木材解剖特性指標相關性分析Table 6 Correlation analysis of the wood anatomical properties of B.platyphylla in the half shady slope

注：**表示差異極顯著；*表示差異顯著。

從表5～6可以看出，半陰坡、陰坡白樺木材纖維長寬比與纖維長度在0.01水平達正相關，相關系數(shù)分別為0.948、0.975，長寬比與纖維寬度在一定程度上呈正相關，但相關系數(shù)不大。說明從髓心向樹皮方向上纖維長寬比的變異主要是纖維長度變異的結果。組織比量之間，不同坡向白樺木材導管比量和纖維比量在0.05水平達負相關，相關系數(shù)為-0.963、-0.834。纖維形態(tài)特征與組織比量各指標之間，纖維寬度和纖維比量之間存在較明顯的負相關，陰坡上相關系數(shù)為-0.458；半陰坡上為-0.692，在0.05水平上顯著。其他各指標之間，均在一定程度上呈現(xiàn)相關性，但未達到顯著水平。

3.5 幼齡材與成熟材解剖特性差異分析

幼齡材位于樹干髓心周圍，其生長輪年齡范圍因樹種而異，一般存在于在髓心第7～15個年輪范圍內(nèi)。這種圓柱體從樹干基部一直延伸到梢部，因此梢部木材主要是由幼齡材構成，而同一樹木基部木材則包含有更多的具有較高比重值的成熟材。在樹木衰老階段，而遠離髓心的這一部分形成層生理老化細胞所產(chǎn)生的木材成為成熟材。樹木的生長一般都經(jīng)過幼齡期、成熟期和衰老期。在不同的時期，木材的材質會有很大的差別。幼齡材位于髓心附近，是樹木生長發(fā)育早期形成的特殊部分。幼齡期的長短因樹種而異，并受環(huán)境條件的影響。幼齡材與相應的成年材比較，其材性較差，直接影響木材加工產(chǎn)量和質量。因此，研究幼齡期的劃分，探討其分布規(guī)律，對用材樹種材質改良和合理利用具有重要意義[15]。

本研究對天然林白樺木材胸高處纖維形態(tài)徑向變化進行有序聚類分析，得出陰坡、半陰坡下白樺幼齡材和成熟材的界限均為20 a左右。不同坡向白樺幼齡材與成熟材解剖特性比較見表7。

表7 不同坡向白樺幼齡材與成熟材解剖特性比較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=幼齡材平均值-成熟材平均值；差異相對值=平均值之差/幼齡材與成熟材平均值。

從表7可以看出，陰坡白樺幼齡材的纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比均小于成熟材，幼齡材和成熟材的相對差異值分別為-0.43、-0.08、-0.36，幼齡材的壁腔比大于成熟材，二者的相對差異值為0.01；幼齡材的纖維比量大于成熟材，導管比量和木射線比量均小于成熟材，其相對差異值分別為-0.08、-0.02、0.04。半陰坡白樺幼齡材的纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比均小于成熟材，幼齡材和成熟材的相對差異值分別為-0.47、-0.08、-0.4，幼齡材的壁腔比小于成熟材，二者的相對差異值為0.08；幼齡材的纖維比量大于成熟材，導管比量和木射線比量均小于成熟材，其相對差異值分別為-0.02、-0.03、0.01。

同時對不同坡向白樺的幼齡材與成熟材的各指標進行T檢驗，結果表明不同坡向白樺木材纖維長度、纖維寬度在0.05水平下呈顯著差異，其他纖維形態(tài)指標間有一定的差異，但未達到顯著性水平。

3.6 天然林白樺木材與其他闊葉樹木材纖維性狀的比較

天然林白樺與其他闊葉樹種的解剖特征比較見表8。

表8 天然林白樺與其他闊葉樹種的解剖特征比較Table 8 The anatomical properties comporison of natural B.platyphylla and other broad-leaved tree species

從表8可知，天然林白樺纖維長度比東北地區(qū)白樺[16]、西南樺 (Betulaalnoides)[17]和楓楊 (Pterocaryastenoptera)[15]分別長358、72、273 μm；纖維長寬比比東北白樺和楓楊大，比西南樺小；壁腔比大于東北地區(qū)白樺及其他樹種，纖維比量與東北白樺接近，小于西南樺和楓楊。

纖維長度對紙張的撕裂度、抗拉強度、耐破度和耐折度有直接影響。纖維長度越長、長寬比越大，制漿過程中纖維之間更易交織，最終獲得的紙張強度越高，纖維壁腔比越小，則獲得的紙張越柔軟。國際木材解剖學會理事會認為中等長度 (900～1 600 μm) 適宜紙漿造紙，在制漿造紙中可單獨使用；長寬比不低于35[18-19]，就能滿足纖維工業(yè)原料的要求，壁腔比小于1者為上等原料，大于1者為低等原料。而就組織比量而言，纖維比量越大，說明木材中纖維所占比率越高，紙漿得率越高導管比量越低，木材中細胞空腔越少，紙漿得率就越高。

綜合來看，冀北地區(qū)白樺天然林木材的纖維形態(tài)指標總體上優(yōu)于東北地區(qū)白樺、西南樺和楓楊，是優(yōu)良的制漿造紙原料，可用于定向培育與加工利用。

4 結論與討論

不同坡向白樺木材纖維長度、寬度、長寬比、壁腔比分別在733～1 804 μm、17～23 μm、39～88、0.67～0.80；不同坡向白樺天然林纖維形態(tài)特征徑向變異規(guī)律是一致的，纖維長度、寬度和長寬比自髓心向外隨年齡的增加而增大，纖維壁腔比在徑向上呈遞增或遞減的波浪式變異趨勢，總體趨勢逐漸減小。這與王秋玉等[20]對東北地區(qū)白樺天然種群纖維性狀測得結果相近，符合Panshin Ⅱ 型模式[21]。不同坡向白樺木材導管比量、木射線比量、纖維比量分別在19.78%～27.15%、13.69%～16.93%、56.31%～65.24%。不同坡向導管比量徑向上呈波浪式變異，陰坡上為下降趨勢，半陰坡上為上升趨勢；導管比量、木射線比量、纖維比量由髓心向外基本在一條水平線上波動，不同坡向上差別不大。這與賈洪柏[13]研究東北白樺木材組織比量的結論基本一致。對天然林白樺纖維性狀各項指標徑向變異進行定量分析與檢驗，多項式方程對白樺木材纖維性狀和生長輪擬合效果好。不同坡向白樺木材各解剖特性指標間相關性基本一致，以纖維長度、纖維長寬比的相關系數(shù)最大，最顯著。

根據(jù)幼齡材與成熟材的劃分，白樺天然林的木材成熟期為第20年左右。髓心附近，樹木處于幼齡期，成層原始細胞尚未成熟，細胞長度較短，形成層原始細胞分裂較快后，細胞長度逐漸增長；到達成熟期后，形成層原始細胞分裂及長度變化相對穩(wěn)定，此后由于形成層原始細胞分裂減慢，樹木生長速度明顯降低，同時又受種源和立地條件的多重影響[22-23]，解剖特性等又開始下降或保持平穩(wěn)。而陰坡、半陰坡上白樺的成熟年齡一致，可見幼齡材和成熟材的劃分結果主要是受生理遺傳的影響。

不同坡向間天然林白樺木材纖維長度差異顯著，長寬比差異極顯著；木材纖維寬度、壁腔比、組織比量等差異不顯著。陰坡白樺木材的纖維長度、纖維長寬比、纖維壁腔比、纖維比量等指標平均值大于半陰坡，而半陰坡纖維寬度、導管比量、木射線比量等指標平均值大于陰坡。陰坡上的白樺，纖維長度大，寬度相對窄，纖維長寬比大，壁腔比值大；半陰坡上的白樺纖維相對來說短而寬，長寬比小，壁腔比值小?？赡苁顷幤卤劝腙幤鹿庹諘r間少，土層深厚，土壤蒸發(fā)量小，水肥條件好，陰坡的立地條件更利于林木的生長，從而改善了木材品質，這與楊傳平等[24]研究不同坡向對東北地區(qū)白樺木材纖維性狀的影響，與所得的結論一致。從解剖特性各方面來評價，陰坡、半陰坡天然林白樺能滿足纖維工業(yè)原料的要求，是制漿造紙的良好原料。

致謝：本論文得到牟洪香副教授、張曉燕副教授、邢義虎老師的指導和幫助。

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