彭建, 楊嵐, 李艷梅, 莫?jiǎng)叛? 程一倫, 辜云杰*, 李曉清
1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院,四川 成都 610081;
2.四川勿角自然保護(hù)區(qū)管理處,四川 九寨溝 623400;
3.九寨溝縣林業(yè)和草原局,四川 九寨溝 623400;
4.長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)江上游森林資源保育與生態(tài)安全國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華西雨屏區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)研究長(zhǎng)期科研基地,四川農(nóng)業(yè)大學(xué),生態(tài)林業(yè)研究所,四川 成都 611130
木質(zhì)部細(xì)胞類型、數(shù)量、形態(tài)和排列方式?jīng)Q定了木材的性質(zhì)[1]。人們對(duì)一個(gè)樹(shù)種木材高效利用的前提主要依賴于對(duì)其材性的研究和了解[2]。樹(shù)干解析是研究樹(shù)木生長(zhǎng)和材性生長(zhǎng)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(guó)特有樹(shù)種,主要生長(zhǎng)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(dá)3 500 m;其樹(shù)體高大,木材堅(jiān)韌,紋理細(xì)密,是優(yōu)良的用材樹(shù)種,宜選作森林更新或荒山造林樹(shù)種[3]。油麥吊云杉遭人為破壞嚴(yán)重,天然林資源減少,1999年8月4日公布的《國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄(第一批)》中,油麥吊云杉列為國(guó)家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物。目前,對(duì)油麥吊云杉的研究主要集中在繁育技術(shù)、自然更新、營(yíng)造林技術(shù)和人工林生長(zhǎng)等方面[4-8]。而對(duì)油麥吊云杉木材解剖和材性性質(zhì)的研究幾乎沒(méi)有,因此,本研究擬通過(guò)對(duì)麥吊云杉解剖形態(tài)和材性性狀的徑向變異規(guī)律,以期為油麥吊云杉的木材加工利用和采伐期預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。。
解析木材料來(lái)源于四川省甘孜州瀘定縣雨灑坪林場(chǎng)龍凼溝(N29°31′41″,E102°12′58″)。該地區(qū)屬川西高原最深陷之峽谷區(qū),年均溫15.5 ℃,全年無(wú)霜期279 d,相對(duì)濕度年降雨量664.4 mm,年均日照時(shí)數(shù)為1 323.6 h。在油麥吊云杉的天然林分內(nèi)布設(shè)20×20 m的典型樣地3個(gè),每個(gè)樣地選擇一株35年生以上的油麥吊云杉枯立木(平均樹(shù)高21.5 m、胸徑34.8 cm、冠幅5.6 m)樹(shù)干1.3 m處圓盤(pán)作為研究材料,參照《木材物力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法》(GB1927—1991)方法采集解析木圓盤(pán)。
1.2.1 制作顯微切片
用帶鋸機(jī)沿圓盤(pán)北側(cè)截取長(zhǎng)、寬約1 cm的過(guò)髓心木條,將截取的木條沒(méi)入水中煮沸軟化,隨后用薄刀片將軟化木條切成長(zhǎng)、寬、高約1 cm的正方體樣塊,最后使用木材切片機(jī)將樣塊制成切片,厚度約30 μm。通過(guò)番紅染色、梯度乙醇脫水(30%、50%、70%、90%、95%、無(wú)水乙醇、無(wú)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(cè)定年輪寬度
采用精密顯微投影儀(TYH 150),測(cè)定解析木從髓心端到樹(shù)皮端的每個(gè)年輪的寬度(20×,精度0.01 mm)。
1.2.3 解剖性質(zhì)
管胞長(zhǎng)度、管胞寬度、管胞腔徑和管胞雙壁厚度的測(cè)定選在每個(gè)那輪中部位置,測(cè)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(cè)量管胞長(zhǎng)度、寬度等指標(biāo),每個(gè)指標(biāo)分別測(cè)量30個(gè)/部位。
1.2.4 材性測(cè)定
從髓心到樹(shù)皮均勻取10個(gè)樣塊(20 mm×20 mm×20 mm),每個(gè)樣塊含有3個(gè)年輪左右,共取得10個(gè)樣塊,用以測(cè)定木材含水率(氣干含水率和生材含水率)、干縮性質(zhì)(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(cè)定方法》測(cè)定木材氣干含水率和生材含水率,GB/T 1932—2009《木材干縮性質(zhì)測(cè)定方法》測(cè)定木材氣干干縮率和飽和干縮率,GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》測(cè)定生材密度、氣干密度、絕干密度和基本密度。
使用OriginPro和SPSS軟件對(duì)分析木材的解剖性質(zhì)與材性變異。
樹(shù)木年輪的寬度標(biāo)志著樹(shù)木徑向的生長(zhǎng)速度。由圖1所示,髓心至第20年年輪寬度呈多峰生長(zhǎng)曲線,在第9年和17年時(shí)年輪徑向生長(zhǎng)存在2個(gè)峰值,分別為9.56 mm和9.34 mm;17 年后呈快速下降的趨勢(shì),平均年輪寬度3.25 mm。油麥吊云杉木材次生生長(zhǎng)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(shù)種。。
圖1 油麥吊云杉生長(zhǎng)輪寬度的徑向變異模式Fig.1 Radial variation model of growth ring width
油麥吊云杉木材管胞尺寸從髓心向外呈逐漸增加的趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)。管胞寬度的增加趨勢(shì)較為平緩,寬度由28.41 mm增加到43.50 mm;管胞長(zhǎng)度在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)均呈逐漸增加的趨勢(shì)由1 363.98 mm增至3 498.38 mm。,雙壁厚度、管胞腔徑、管胞長(zhǎng)度與寬度整體均呈逐漸增加的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。管胞雙壁厚由4.22 μm增至6.55 μm,管胞雙壁厚最大時(shí)生長(zhǎng)輪齡為22年;腔徑由13.74 μm增至37.20 μm,腔徑最大時(shí)的生長(zhǎng)輪齡為28年。
由圖4可知,油麥吊云杉?xì)飧珊食手饾u增加的趨勢(shì),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(shì)基本保持一致(見(jiàn)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(shí)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(dá)到最高,為5.03%,飽和干縮率在27年時(shí)最高,為6.82%。全體積氣干和飽和干縮率變化較為平緩,未見(jiàn)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(shì),越到生長(zhǎng)后期,木材的密度越高(見(jiàn)圖6)。生材密度9年~21年間略有下降,21a時(shí)最低為0.51 g·cm-3,最高為30年時(shí),生材密度達(dá)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(zhǎng)無(wú)明顯關(guān)系。
圖2 木材管胞長(zhǎng)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(guī)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
木材形成層原始細(xì)胞分裂頻率和細(xì)胞尺寸決定了樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的快慢,其徑向生長(zhǎng)速度的標(biāo)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(zhǎng)較快,隨后逐漸減低至趨于平緩。與香椿、鄧恩桉等闊葉樹(shù)種水杉、馬尾松等針葉樹(shù)種年輪寬度隨樹(shù)齡先增加后降低的趨勢(shì)有所不同[1,9-11]。形成層紡錘絲原始細(xì)胞分裂形成針葉樹(shù)木材木質(zhì)部的管胞[10]。針葉樹(shù)與闊葉樹(shù)木材木質(zhì)部構(gòu)成的不同,可能是造成油麥吊云杉年輪生長(zhǎng)模式與闊香椿、鄧恩桉等闊葉樹(shù)年輪生長(zhǎng)模式差異的原因之一;而與水杉、馬尾松等針葉樹(shù)種年輪寬度生長(zhǎng)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(duì)較低的原因造成的。同時(shí)也表明油麥吊云杉為早期速生樹(shù)種,若人工培育油麥吊云杉,最低生長(zhǎng)采伐年限應(yīng)在17年后,以保證獲得最高的生長(zhǎng)性增益。針葉樹(shù)材管胞長(zhǎng)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(zhǎng)度變化減少,20年左右長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定[12,13]。油麥吊云杉管胞長(zhǎng)度變化規(guī)律與該規(guī)律些許不同,從髓心向外,管胞長(zhǎng)度在1~10年迅速增加,10~30年管胞長(zhǎng)度呈緩慢增加的趨勢(shì),30年后長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定。一般而言,從髓心向樹(shù)皮方向,針葉樹(shù)管胞寬度呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律,但其增長(zhǎng)率顯著低于管胞長(zhǎng)度[14]。在整個(gè)生長(zhǎng)期,油麥吊云杉管胞寬度雖有緩慢增加,但整體趨于穩(wěn)定。與赤松、落羽杉等針葉樹(shù)種管胞寬度生長(zhǎng)模式基本保持一致[15,16]。表明氣候,尤其是海拔、溫度對(duì)油麥吊云杉管胞長(zhǎng)度的影響較大,同時(shí)也說(shuō)明隨著樹(shù)齡的增加,油麥吊云杉管胞長(zhǎng)寬比值增大,可作為優(yōu)良的造紙?jiān)?。管胞雙壁厚影響密度和強(qiáng)度等木材質(zhì)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(zhǎng)輪齡的增加,指標(biāo)值呈明顯的增大趨勢(shì)。與杉木、水杉等針葉樹(shù)種具有類似的趨勢(shì)[10,19]。表明油麥吊云杉可作為優(yōu)良的工業(yè)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(shù)干內(nèi)的分布和變異規(guī)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(shù)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(guò)程中不易出現(xiàn)內(nèi)裂。木材密度是木材利用的重要性質(zhì)指標(biāo)[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(shì)。與桉樹(shù)、黃果厚殼桂、擎天樹(shù)的研究結(jié)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(chǎn)纖維板材,更加適合作為工業(yè)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(zhì),決定了木材生產(chǎn)過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)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(dǎo)致在木材生產(chǎn)的干燥過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂或翹曲變形,也說(shuō)明油麥吊云杉用于木材加工的難度相對(duì)較大。因此,綜合分析油麥吊云杉木材解剖性質(zhì)和材性性狀,我們認(rèn)為油麥吊云杉可以優(yōu)良的工業(yè)原料林,如紙漿材為培育的首要目標(biāo)。