油麥吊云杉木材解剖性質與材性分析

彭建, 楊嵐, 李艷梅, 莫勁雁, 程一倫, 辜云杰*, 李曉清

1.四川省林業科學研究院，四川 成都 610081；

2.四川勿角自然保護區管理處，四川 九寨溝 623400；

3.九寨溝縣林業和草原局，四川 九寨溝 623400；

4.長江上游林業生態工程四川省重點實驗室，長江上游森林資源保育與生態安全國家林業和草原局重點實驗室，華西雨屏區人工林生態系統研究長期科研基地，四川農業大學，生態林業研究所，四川 成都 611130

木質部細胞類型、數量、形態和排列方式決定了木材的性質[1]。人們對一個樹種木材高效利用的前提主要依賴于對其材性的研究和了解[2]。樹干解析是研究樹木生長和材性生長的基本方法，也是最為成熟的方法。油麥吊云杉（Picea brachytyla(Franch.)Pritz.var.complanata(Mast.) Cheng ex Rehd.）是松科（Pinaceae Lindl.）云杉屬（PiceaDietr.）麥吊云杉（Picea brachytyla(Franch.) Pritz）的變種，為我國特有樹種，主要生長于四川、湖北、陜西、甘肅等海拔1 500～2 900 m地帶，少部分生境海拔可達3 500 m；其樹體高大，木材堅韌，紋理細密，是優良的用材樹種，宜選作森林更新或荒山造林樹種[3]。油麥吊云杉遭人為破壞嚴重，天然林資源減少，1999年8月4日公布的《國家重點保護野生植物名錄（第一批）》中，油麥吊云杉列為國家Ⅱ級重點保護野生植物。目前，對油麥吊云杉的研究主要集中在繁育技術、自然更新、營造林技術和人工林生長等方面[4-8]。而對油麥吊云杉木材解剖和材性性質的研究幾乎沒有，因此，本研究擬通過對麥吊云杉解剖形態和材性性狀的徑向變異規律，以期為油麥吊云杉的木材加工利用和采伐期預測提供科學依據。。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

解析木材料來源于四川省甘孜州瀘定縣雨灑坪林場龍凼溝（N29°31′41″，E102°12′58″）。該地區屬川西高原最深陷之峽谷區，年均溫15.5 ℃，全年無霜期279 d，相對濕度年降雨量664.4 mm，年均日照時數為1 323.6 h。在油麥吊云杉的天然林分內布設20×20 m的典型樣地3個，每個樣地選擇一株35年生以上的油麥吊云杉枯立木（平均樹高21.5 m、胸徑34.8 cm、冠幅5.6 m）樹干1.3 m處圓盤作為研究材料，參照《木材物力學實驗方法》（GB1927—1991）方法采集解析木圓盤。

1.2 試驗方法

1.2.1 制作顯微切片

用帶鋸機沿圓盤北側截取長、寬約1 cm的過髓心木條，將截取的木條沒入水中煮沸軟化，隨后用薄刀片將軟化木條切成長、寬、高約1 cm的正方體樣塊，最后使用木材切片機將樣塊制成切片，厚度約30 μm。通過番紅染色、梯度乙醇脫水（30%、50%、70%、90%、95%、無水乙醇、無水乙醇+二甲苯1∶1溶液），隨后制成裝片，顯微鏡鏡檢。

1.2.2 測定年輪寬度

采用精密顯微投影儀（TYH 150），測定解析木從髓心端到樹皮端的每個年輪的寬度（20×，精度0.01 mm）。

1.2.3 解剖性質

管胞長度、管胞寬度、管胞腔徑和管胞雙壁厚度的測定選在每個那輪中部位置，測量管胞的徑向尺寸。將制好的切片至于顯微鏡下拍照（奧林巴斯BXS1），采用木材分析軟件（TDY-5.2I）測量管胞長度、寬度等指標，每個指標分別測量30個/部位。

1.2.4 材性測定

從髓心到樹皮均勻取10個樣塊（20 mm×20 mm×20 mm），每個樣塊含有3個年輪左右，共取得10個樣塊，用以測定木材含水率（氣干含水率和生材含水率）、干縮性質（氣干干縮率和飽和干縮率）和密度（生材密度、氣干密度、絕干密度和基本密度）。參照GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》測定木材氣干含水率和生材含水率，GB/T 1932—2009《木材干縮性質測定方法》測定木材氣干干縮率和飽和干縮率，GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》測定生材密度、氣干密度、絕干密度和基本密度。

1.3 數據處理

使用OriginPro和SPSS軟件對分析木材的解剖性質與材性變異。

2 結果與分析

2.1 年輪寬度的徑向變異

樹木年輪的寬度標志著樹木徑向的生長速度。由圖1所示，髓心至第20年年輪寬度呈多峰生長曲線，在第9年和17年時年輪徑向生長存在2個峰值，分別為9.56 mm和9.34 mm；17 年后呈快速下降的趨勢，平均年輪寬度3.25 mm。油麥吊云杉木材次生生長在1～17 年之間均較為旺盛，平均年輪寬度在8.00 mm以上。整體而言，油麥吊云杉年輪平均寬度為5.17 mm，為較速生樹種。。

圖1 油麥吊云杉生長輪寬度的徑向變異模式Fig.1 Radial variation model of growth ring width

2.2 管胞形態特征及徑向變異規律

油麥吊云杉木材管胞尺寸從髓心向外呈逐漸增加的趨勢（見圖2）。管胞寬度的增加趨勢較為平緩，寬度由28.41 mm增加到43.50 mm；管胞長度在整個生長期內均呈逐漸增加的趨勢由1 363.98 mm增至3 498.38 mm。，雙壁厚度、管胞腔徑、管胞長度與寬度整體均呈逐漸增加的趨勢（見圖3）。管胞雙壁厚由4.22 μm增至6.55 μm，管胞雙壁厚最大時生長輪齡為22年；腔徑由13.74 μm增至37.20 μm，腔徑最大時的生長輪齡為28年。

2.3 木材材性性質徑向變異規律

由圖4可知，油麥吊云杉氣干含水率呈逐漸增加的趨勢，從髓心向外由16.48%增加至24.60%。生材含水率先緩慢增加，后迅速下降趨于平緩后又略有上升，最高為51.95%（約21年），最低為41.95%（約12年）。木材徑向和弦向干縮率的變化趨勢基本保持一致（見圖5）。軸向氣干干縮率最高值為0.24%（約21年），軸向飽和干縮率最高為0.65%（約12年）。徑向氣干和飽和干縮率均在1年、9年和30年左右時處于較高水平，氣干干縮率分別為2.81%、2.19%和2.03%，飽和干縮率分別為3.73%、2.90%和3.50%。弦向氣干干縮率在12 a達到最高，為5.03%，飽和干縮率在27年時最高，為6.82%。全體積氣干和飽和干縮率變化較為平緩，未見明顯上升或下降。木材氣干密度、絕干密度和基本密度從髓心向外均呈逐漸增加的趨勢，越到生長后期，木材的密度越高（見圖6）。生材密度9年～21年間略有下降，21a時最低為0.51 g·cm-3，最高為30年時，生材密度達0.63 g·cm-3。從髓心向外，木材氣干密度由 0.35 g·cm-3增至 0.46 g·cm-3，絕干密度由0.31 g·cm-3增至 0.37 g·cm-3，基本密度由 0.29 g·cm-3增至0.34 g·cm-3，表明油麥吊云杉木材密度與徑向生長無明顯關系。

圖2 木材管胞長度與寬度的徑向變異Fig.2 Radial variation of wood tracheid length and width

圖3 木材管胞雙壁厚度和腔徑的徑向變異規律Fig.3 Radial variation law of double wall thickness and lumen diameter of wood tracheid

圖4 木材含水率的徑向變異Fig.4 Radial variation of wood moisture

3 討論

木材形成層原始細胞分裂頻率和細胞尺寸決定了樹木徑向生長的快慢，其徑向生長速度的標志是年輪的寬窄[1]。油麥吊云杉在1～17年間年輪寬度較大，生長較快，隨后逐漸減低至趨于平緩。與香椿、鄧恩桉等闊葉樹種水杉、馬尾松等針葉樹種年輪寬度隨樹齡先增加后降低的趨勢有所不同[1,9-11]。形成層紡錘絲原始細胞分裂形成針葉樹木材木質部的管胞[10]。針葉樹與闊葉樹木材木質部構成的不同，可能是造成油麥吊云杉年輪生長模式與闊香椿、鄧恩桉等闊葉樹年輪生長模式差異的原因之一；而與水杉、馬尾松等針葉樹種年輪寬度生長模式的差異可能是由于油麥吊云杉分布海拔較高，氣溫相對較低的原因造成的。同時也表明油麥吊云杉為早期速生樹種，若人工培育油麥吊云杉，最低生長采伐年限應在17年后，以保證獲得最高的生長性增益。針葉樹材管胞長度在髓心附近最短，從髓心向外迅速增加，在距離髓心的10～15年管胞長度變化減少，20年左右長度趨于穩定[12,13]。油麥吊云杉管胞長度變化規律與該規律些許不同，從髓心向外，管胞長度在1～10年迅速增加，10～30年管胞長度呈緩慢增加的趨勢，30年后長度趨于穩定。一般而言，從髓心向樹皮方向，針葉樹管胞寬度呈現一定的變化規律，但其增長率顯著低于管胞長度[14]。在整個生長期，油麥吊云杉管胞寬度雖有緩慢增加，但整體趨于穩定。與赤松、落羽杉等針葉樹種管胞寬度生長模式基本保持一致[15,16]。表明氣候，尤其是海拔、溫度對油麥吊云杉管胞長度的影響較大，同時也說明隨著樹齡的增加，油麥吊云杉管胞長寬比值增大，可作為優良的造紙原料。管胞雙壁厚影響密度和強度等木材質量管胞腔徑影響木材的利用率[17,18]。油麥吊云杉管胞雙壁后與腔徑在髓心附近較小，隨著生長輪齡的增加，指標值呈明顯的增大趨勢。與杉木、水杉等針葉樹種具有類似的趨勢[10,19]。表明油麥吊云杉可作為優良的工業原料林培育。

圖5 木材干縮率的徑向變異Fig.5 Radial variation of wood drying shrinkage

圖6 木材密度的徑向變異Fig.6 Radial variation of wood density

生材含水率在樹干內的分布和變異規律是影響生材干燥和加工利用的主要因素之一[11]。油麥吊云杉平均生材含水率為46.60%，樹皮與髓心方向生材含水率基本相同，表明油麥吊云杉生材含水率低且分布均勻，在加工過程中不易出現內裂。木材密度是木材利用的重要性質指標[11]。油麥吊云杉木材氣干密度、基本密度和絕干密度均呈逐漸增加的趨勢。與桉樹、黃果厚殼桂、擎天樹的研究結果相一致[17,20,21]。油麥吊云杉平均氣干密度較低，僅0.39 g/cm3，表明油麥吊云杉不適宜生產纖維板材，更加適合作為工業原料林培育。木材干縮性、徑向和弦向干縮率是木材的重要性質，決定了木材生產過程中是否會出現裂縫和翹曲[21]。油麥吊云杉徑向氣干干縮率和弦向干縮率分別為1.94%和4.62%，干縮率差異性為2.38，表明油麥吊云杉木材干縮性不均勻，導致在木材生產的干燥過程中容易發生開裂或翹曲變形，也說明油麥吊云杉用于木材加工的難度相對較大。因此，綜合分析油麥吊云杉木材解剖性質和材性性狀，我們認為油麥吊云杉可以優良的工業原料林，如紙漿材為培育的首要目標。