人工林米老排木材解剖性质及其变异性研究.doc

中国林学会木材科学分会第十次学术研讨会论文集人工林米老排木材解剖性质及其变异性研究梁善庆1 罗建举2 傅峰1（1中国林业科学研究院木材工业研究所，北京100091；2广西大学林学院，南宁 530005）摘 要：本文对人工林米老排木材解剖性质及其变异规律进行了系统的测定和分析，结果表明：（1）纤维长度、宽度、双壁厚、长宽比、壁腔比、腔径比平均值分别为2014.2m、26.19m、11.07m、78.68、0.79、0.57；由髓心向外除腔径比呈递减趋势外其余纤维形态指标呈递增趋势。（2）导管分子长度、宽度、双壁厚、长宽比、壁腔比、腔径比平均值分别为1666.0m、53.83m、5.44m、31.85、0.12、0.90；由髓心向外除双壁厚和壁腔比呈递减趋势外其余导管分子形态指标呈递增趋势。（3）纤维比量、导管比量、木射线比量和薄壁组织比量平均值分别为54.8%、16.5%、27.6%、1.1%；由髓心向外木纤维比量呈增加趋势，导管分子比量呈递减趋势，木射线比量和薄壁组织比量变异规律不明显。（4）微纤丝角平均值为8.4，由髓心向外呈递减趋势（5）幼龄材与成熟材的界限为第7年。关键词： 人工林 米老排 解剖性质 变异规律study on the wood anatomical properties and their variations of mytilaria laosensis plantationliang shan-qing1, luo jian-ju2, fu-feng1(1 research institute of wood industry, chinese academy of forestry , beijing 100091;2 forestry college of guangxi university , nanning 530005)abstract: in this paper, mytilaria laosensis plantation were systematic studied on the wood anatomical properties and their variation patterns. the research results were as follows : (1) the average of fiber length, fiber width, fiber wall thickness, ratio of length to width, ratio of thickness to cavity and ratio of cavity to width were respectively 2014.2m, 26.19m, 11.07m, 78.68, 0.79, 0.57. from pith to bark, the radial variation patterns of all fiber morphological parameters were gradually increasing, except for the ratio of cavity to width was gradually decreasing. (2) the average of vessel element length, vessel width, vessel wall thickness, ratio of length to width, ratio of thickness to diameter and ratio of cavity to width were respectively 1666.0m, 53.83m, 5.44m, 31.85, 0.12, 0.90. from pith to bark, the radial variation patterns of vessel morphological parameters were gradually increasing, except for vessel wall thickness and ratio of thickness to cavity were gradually decreasing. (3) the average proportion of fiber tissues，proportion of vessel tissues，proportion of wood ray tissues and proportion of longitudinal parenchyma were respectively 54.8%, 16.5%, 27.6%, 1.1%. from pith to bark, the radial variation pattern of proportion of fiber tissues was gradually increasing, the proportion of vessel tissues was gradually decreasing, but the variation patterns for the proportion of wood ray tissues and proportion of longitudinal parenchyma were not significant. (4) the average of microfibrillar angle was 8.4 and its radial variation was gradually decreasing from pith to bark. (5) the boundary between juvenile wood and mature wood was the seven year.keywords: plantation, mytilaria laosensis, anatomical properties, variation pattern目前全球用材资源逐渐从天然林转向人工林，大力发展人工林已是世界各国面对天然林和天然次生林日益减少所采取的共同战略，许多工业化国家和发展中国家都把大力发展人工林作为解决二十一世纪木材需求的根本措施，并制定了长期的人工林发展规划，以此来解决生态环境和木材供需之间的矛盾。人工林已经成为世界木材供应和木材加工利用原料的主要来源，因此，人工林已成为当代世界木材科学的主要研究对象1。近年来，人们已经认识到“林木木材材性加工利用”是一个有机的整体，木材材性既是人们对林木实行定向培育的技术依据，也是评价人工用材林营造成功与否的关键2。米老排(mytilaria laosensis)属金缕梅科常绿阔叶大乔木,又名壳菜果,是我国南方地区珍贵乡土树种之一,该树种生长快、成材早,出材量大,容易加工,结构细致,色泽美观,经久耐用,为家具和建筑用材,同时也是水土保持、土壤改良、混交造林与生物防火的优良树种。现在南方人工林发展十分迅速，随着生产上米老排人工林规模的扩大，对人工林米老排木材材性及其变异性进行系统的研究非常必要。本文通过对人工林米老排木材解剖特性及其变异规律进行了系统地研究，并探求其木材材质变异规律的内在机制，为建立“培育材性加工利用”一体化的模式提供必要的理论基础。1 材料与方法1.1 试验材料试材采自广西凭祥市热带林业实验中心白云林场试验区。采集时间为2003年1月，采集方法依据gb192791试材采集方法进行3。1.2 试验方法在林分内分别选取样木5株，树龄23年，伐倒后在树干1.3m处各取厚约5cm的圆盘,气干。各解剖指标测定均在第1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21，23年轮（树龄）中进行，各测量方法如下：测量纤维和导管分子长度的试样经冰醋酸工业双氧水（1：1）离析后，使用测微尺和普通光学显微镜进行测量，每个年轮试样随机测量60根；其余纤维、导管分子指标的测量，首先按单数年轮的顺序取出试样后，在leica切片机上切取横面的切片，年轮完整，切片厚1520m，制成玻片后纤维和导管分子指标均采用计算机显微图象电脑分析系统(xsj-hs,xtj-30)测量，纤维指标随机测量60根，导管分子指标随机测量30根；组织比量采用普通显微镜和0.5网形目镜尺组合进行测量，各组织比量随机测量30根；微纤丝角测量试样经碘结晶法处理后制成玻片，采用计算机显微图象电脑分析系统(xsj-hs,xtj-30)测量，随机测量30根。2 结果与分析图1 纤维长度和宽度径向变异曲线fig.1 radial variation curve of fiber length and width2.1 纤维形态参数径向变异纤维长度是评定造纸和纤维板原料品质优劣的重要指标，纤维愈长，可提高纸页撕裂度、耐破度和耐折度，纤维长度小于0.5mm时，很难生产出合格的纤维板4。从表1可知，人工林米老排木材纤维长度平均值为2014.2m，变幅范围在1553.52217.8m，纤维长度远大于0.5mm，说明人工林米老排木材为纸浆和纤维板生产的优质原料。由髓心向外纤维长度呈递增趋势，在17年间增加迅速，7年以后增加趋于平缓。根据panshin和zeeuw5总结出木材管胞变异模式的三种类型，属于“递增稳定”的变异模式。表1 纤维形态参数径向变异table1 radial variation of fiber morphological parameters树龄(年)age(y)纤维长度/mfiber length/m纤维宽度/mfiber width/m纤维双壁厚/mwall thickness/m纤维长宽比length/width纤维壁腔比thickness/diameter纤维腔径比cavity/width11553.523.459.5668.050.750.5931747.025.1010.0571.530.720.6051888.825.0610.6577.010.830.5771985.427.4610.5873.610.660.6192050.426.2010.9879.720.760.58112058.326.9011.1178.740.750.58132078.327.5311.5277.910.780.57152088.927.0111.1378.680.770.59172146.026.5711.6582.380.850.56192099.526.4911.4181.270.800.57212163.125.2311.8887.120.930.53232217.825.7312.3888.720.970.52平均值average2014.226.1911.0778.680.790.57根据分级标准6，属于“稍长级”级别。反映出人工林米老排不仅生长快，其材质并没有下降，总体水平较好；纤维宽度平均值为26.19m，变幅范围在23.4527.53m，根据分级标准6，属3级，由髓心向外大体上呈增加趋势，但变异曲线有波动，13年达最大值27.53m（见图1）；纤维双壁厚平均值为11.07m，变幅范围在9.5612.38m，根据分级标准6，属4级，由髓心向外呈直线增加趋势，但增加幅度不大（见图2）。图2 纤维双壁厚和壁腔比径向变异曲线fig.2 radial variation curve of wall thickness and ratio of wall to cavity图3 纤维长宽比和腔径比径向变异曲线fig.3 radial variation curve of ratio of length to width and wall to cavity纤维壁腔比平均值为0.79，壁腔比小于1，说明人工林米老排木材适于作造纸原料，由髓心向外呈增加趋势，第7年为转折点，7年以前递增不明显，7年以后递增趋势明显（见图2）；纤维长宽比与木材物理性质有密切关系，是纤维重要指标，长宽比大的纤维，获得的纸张强固性和割裂性都好，适于作为造纸材料。研究认为，长宽比大于33，壁腔比小于1，方能很好交织，长宽比越大，纤维之间有更好的结合能力，利于提高纤维板的产品质量7。纤维长宽比平均值为78.68，远大于33，说明人工林米老排可以生产高质量的纤维板产品，由髓心向外纤维长宽比呈增加趋势（见图3）；纤维腔径比平均值为0.57，这对造纸原料要求纤维柔性系数大于0.75以上，以及和国产109种针叶树材的纤维柔性系数的平均值(0.78)8相比，显然偏小，但仍比柔性系数中等、适于造纸的柳桉(0.45)大9，并接近湿地松和马尾松(0.60)10。因此，作为造纸和纤维板生产原料人工林米老排是可行的，由髓心向外纤维腔径比呈递减趋势（见图3）。2.2 导管分子形态参数径向变异表2导管分子形态参数径向变异table2 radial variation of vessel morphological parameters树龄（年）age(y)导管分子长度/mvessel length/m导管宽度/mvessel width/m导管双壁厚/mwall thickness/m导管长宽比length/width导管壁腔比cavity diameter导管腔径比cavity/width11276.250.165.9326.500.140.8831439.854.035.7227.850.120.8951544.552.695.7530.090.130.8971590.257.185.6227.730.110.9091643.055.325.5431.070.120.90111708.951.495.1534.160.110.90131718.255.205.1032.580.110.90151745.753.455.1133.380.110.90171812.453.765.2134.880.110.90191810.052.485.5834.500.120.89211799.053.125.2234.780.110.90231875.654.585.4535.490.110.90平均值average1666.053.835.4431.850.120.90图5 导管分子双壁厚和长宽比变异曲线fig.5 radial variation curve of wall thickness and ratio of length to width图4 导管分子长度和宽度径向变异曲线fig.4 radial variation curve of vessel length and width导管分子形态指标结果见表2，由表2可知，导管分子长度平均值为1666.0m，变幅范围在1276.21875.6m，根据分级标准6，属于“很长”级别。根据frost (1930)11和takhtajan (1948)12研究认为导管分子长者原始，短者进化，说明米老排属于比较原始的种类。由髓心向外导管分子长度呈递增趋势,属于“递增稳定”变异模式，在17年间增加迅速，之后趋于平稳（见图4），与桉树导管分子径向变异规律一致13；导管分子宽度平均值为53.83m，变幅范围在51.4957.18m，根据分级标准6，属于“稍小”级别，由髓心向外大体上呈增加趋势，但变异波动性较大，最大值出现在第7年，而最小值出现在髓心附近（见图4）。根据baileyand和howard导管分子直径小者比导管分子直径大者原始14，人工林米老排导管分子宽度较小，说明该树种在阔叶树中处于比较原始的位置，这与导管分子长度反映的情况一致；导管分子双壁厚平均值为5.44m，由髓心向外呈递减趋势，最大值出现在髓心附近，最小值出现在第13年（见图5）。图7 微纤丝角径向变异曲线fig.7 radial variation curve of wood microfibrillar angle图6 导管分子壁腔比和腔径比径向变异曲线fig.6 radial variation curve of ratio of wall to cavity and cavity to width尽管导管分子长宽比不是衡量纸浆造纸的重要指标，但它反映了导管分子的形态，对于判断导管分子长度和导管分子宽度之间的关系有一定的意义。人工林米老排木材导管分子长宽比平均值为31.85，变幅范围在26.5035.49，由髓心向外呈增加趋势（见图5）；导管分子壁腔比平均值为0.12，变幅范围在0.110.14，由髓心向外呈小幅递减趋势，这与纤维壁腔比变异规律完全相反（见图6）；导管分子腔径比平均值为0.90，变幅范围小，由髓心向外呈递增趋势，17年增幅明显，7年以后增幅平缓（见图6）。2.3 微纤丝角径向变异木材细胞壁次生壁中层(s2)的微纤丝角是木材机械性能的主要决定因子之一,特别影响木材的弹性模量和异向收缩性，微纤丝角与木材密度也存在一定的相关关系，并与木材强度和硬度密切相关。单个管胞中微纤丝角与纸浆纤维的抗拉强度和伸缩性密切相关,微纤丝角小,抗拉强度大,微纤丝角大,则伸缩性强。从表3可知，人工林米老排木材微纤丝角平均值为8.4,其值比较小，说明米老排木材的抗拉强度和伸缩性强。沿髓心向外微纤丝角呈递减趋势，17年递减明显，7年以后趋于平缓（见图7），其变异规律与泡桐15、黑杨16相同。2.4 组织比量径向变异图9 木射线和薄壁组织比量径向变异曲线fig.9 radial variation curve of proportion of wood ray and longitudinal parenchymal图8 纤维和导管分子组织比量径向变异曲线fig.8 radial variation curve of fiber tissues and vessel tissues木材组织比量主要研究木材显微构造的数量特征，根据构造分子的数量特征将木材构造特征同木材材性联系起来，找出解剖特征与材性间的规律性，因此，木材组织比量的研究是寻求木材解剖特征与其它材质间关系的一种重要手段。研究认为，当木纤维比量在50%以上，就适合作纤维板原料。从表3可知，纤维比量平均值为54.8%，变幅范围在51.856.1%，沿髓心向外呈增加趋势，15年增加迅速，第5年后增加趋势平缓（见图8）；导管比量平均值为16.5%，变幅范围在15.119.7%，沿髓心向外呈递减趋势，15年递减迅速，5年以后趋于平缓，与枫杨17变化规律相类似（见图8）。轴向薄壁组织的明显度、数量和分布类型，是识别阔叶材的重要特征之一，具有重要的分类学意义。人工林米老排木材薄壁组织比量很小，平均值为1.1%，变幅范围不大，沿髓心向外呈波动趋势，变异规律不明显，这是因为米老排为散孔材，薄壁组织分散在各细胞分子间，不表现出明显的规律性；木射线比量平均值为27.6%，沿髓心向外呈波浪状，变异规律不明显（见图9）。 表3 微纤丝角和组织比量径向变异table3 radial variation of microfibrillar angle and tissue proportions 树龄(年)age(y)微纤丝角/()microfibrillar angle/()纤维组织比量/% proportion of fiber tissues/%导管分子组织比量/%proportion of vessel tissues/%木射线组织比量/%proportion of wood ray/%薄壁组织组织比量/%proportion of longitudinal parenchyma/%110.951.819.727.51.139.553.517.727.61.259.255.616.426.71.378.854.017.527.41.198.454.517.427.11.0118.854.916.128.01.1138.154.615.528.81.1158.155.315.727.81.2177.756.115.427.51.1197.255.215.128.70.9217.055.216.527.40.9237.055.715.727.60.9平均值average8.454.816.527.61.12.5 纤维长度和导管分子长度分布频率优质纸浆材的衡量标准除了木纤维长度、木纤维长宽比性状的均值以外，长短木纤维的分布情况是另一个十分重要的指标。取胸高处试样的纤维长度和导管分子长度测定值，按照200m的间距，分别对各分组中的纤维、导管分子的数目和频率进行统计，结果见表4。由表4可见，纤维长度的分布范围主要集中在14002600之间，占总频数的88.46%，最大频率出现在18002000m范围内，其平均值为1901.5m，占19.42%。纤维长度从1400m处频率开始迅速增加，即随木材年龄增大，长纤维的比例增高，总体上纤维材的质量趋优；导管分子长度的分布范围主要集中10002200m之间，占总频数89.51%，最大频率出现在14001600m范围内，其平均值为1507.4m，占20.67%。纤维和导管分子长度分布频率的曲线均遵从正态分布。2.6 木材解剖形态参数与树龄间的相关关系采用一元线性回归方法分析人工林米老排木材解剖形态参数指标与树龄间的相关关系，结果表明，在纤维形态指标中除了宽度和壁腔比与树龄的相关性未达到显著性水平外，其余指标都达到1%显著性水平；导管分子形态指标中长度和长宽比与树龄的相关性达到1%显著性水平，而双壁厚、腔径比和壁腔比达到5%显著性水平，但宽度与树龄的相关性不显著；组织比量中纤维和导管分子比量与树龄的相关性达到1%显著性水平，薄壁组织比量达到5%显著性水平，木射线比量未达到显著性水平。表4 纤维长度和导管分子长度分布频率table 4 distribution frequency of fiber length and vessel length组号group长度范围/mlength range纤维/ fiber导管分子/vessel element纤维数number平均值/maverage/m频率/%frequency/%导管分子数number平均值/maverage/m频率/%frequency/%180000015451.10.42280010003966.70.0893932.62.58310001200401130.81.112931115.88.144120014001381323.13.835281309.614.675140016003761519.010.447441507.420.676160018005791710.616.086571702.518.257180020006991901.519.425851899.916.258200022006692096.418.584152095.111.539220024005272298.014.641872290.25.1910240026003342491.79.30612478.81.6911260028001432679.23.97182669.20.51228003000572882.11.5832910.00.081330003200233074.30.64000143200340083267.50.2200015340043465.00.1112627.50.032.7 幼龄材与成熟材的划分图10 纤维长度回归曲线fig.10 regression curve between wood fiber length and age图11 微纤丝角回归曲线fig.11 regressing curve between microfibrillar angle and age幼龄材和成熟材的划分常见方法有两种：其中常用的一种是目测估计法18，即根据材性径向变异曲线，以目测估计，确定材性变化趋于平缓的界限，如以纤维长度作为划分幼龄材与成熟材的标志5，19。本文的分析以纤维长度和微纤丝角的径向变化为主要依据，通过目测法和回归方程相结合来划分人工林米老排幼龄材与成熟材，如图10、11所示。从图10和图11可知，7年以前纤维长度和微纤丝角变化较大，每个年龄组递增率也较大，而7年以后递增率较小，7年为界限，认为人工林米老排木材7年以前为幼龄材，7年以后为成熟材。2.8 幼龄材与成熟材差异分析人工林米老排幼龄材与成熟材差异分析结果见表5。从表5可知，幼龄材与成熟材纤维长度平均分别为1793.7m、2112.8m，差异达5%显著性水平；导管分子长度平均分别为1464.7m、1763.5m，差异达到1%显著性水平；微纤丝角平均分别为9.6、7.8，差异达到1%显著性水平；而其它解剖指标间有一定的差异，但未达到显著性水平。表5 幼龄材与成熟材差异分析table5 different analysis of between juvenile wood and mature wood项目items幼龄材juvenile wood成熟材mature woodf值f value项目items幼龄材juvenile wood成熟材mature woodf值f value纤维长度fiber length1793.72112.89.84*导管长宽比length/width27.833.83.70纤维宽度fiber width25.326.51.63导管腔径比cavity/width0.890.900.75纤维双壁厚wall thickness10.211.52.76导管壁腔比thickness/diameter0.130.140.23纤维长宽比length/width72.581.84.48纤维比量proportion of fiber tissues53.755.31.90纤维腔径比diameter/ width0.590.561.71导管分子比量proportion of vessel tissues17.815.94.55纤维壁腔比thinkness/diameter0.80.80.64木射线比量proportion of wood ray27.327.80.19导管分子长度vessel length1464.71763.513.66*薄壁组织比量proportion of longitudinal parenchyma1.21.01.51导管宽度vessel width53.553.60.0002微纤丝角microfibrillar angle9.67.824.60*导管双壁厚wall thickness5.75.42.43 注：f0.05(1, 8)=5.32 , f0.01(1, 8)=11.3, *达到5%显著性水平，*达到1%显著性水平3 结 论（1）人工林米老排木材纤维平均2014.2m，成熟材纤维平均长度达到2112.8m，最长达3465.0m。一般阔叶材木纤维长度在1000m左右，而人工林米老排幼龄材木纤维长度都达1793.7m，同时各纤维形态参数都达到或高于造纸和纤维板要求，从纤维利用方面可以说明该树种为优良的造纸纤维用材。（2）人工林米老排木材导管分子平均1666.0m，成熟材导管分子长度平均为1763.5m，最长达2627.5m。从进化角度来看，该树种在阔叶材树种中处于比较原始位置；从利用角度来看，人工林米老排木材导管分子在制浆造纸和纤维板中完全能够利用，同时长度大而壁薄的导管分子，有利于提高纸浆得率和质量。（3）根据幼龄材与成熟材的划分，人工林米老排木材的成熟期为第7年，说明该树种生长快，成熟早，是一个优良速生人工林树种，值得在人工林发展中大力推广。参考文献1 江泽慧，彭镇化，世界主要树种木材科学特性，北京：科学出版社，2001，72 刘盛全，江泽惠，人工林的发展和人工林材性与培育及利用关系，世界林业研究，1998，（4）：42463 木材物理力学性质试验方法，国家标准gb1927194391,国家技术监督局，19914 赵 砺，湿法硬质纤维板生产常用灌木及阔叶乔木原料的综合分析，林产工业，1991，38(2)：40，435 panshin aj, zeeuw carlde，textbook of wood technolog.4th ed.，mcgraw-hill book company, newyork,19806 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