油麦吊云杉木材解剖性质与材性分析

彭建, 杨岚, 李艳梅, 莫劲雁, 程一伦, 辜云杰*, 李晓清

1.四川省林业科学研究院，四川 成都 610081；

2.四川勿角自然保护区管理处，四川 九寨沟 623400；

3.九寨沟县林业和草原局，四川 九寨沟 623400；

4.长江上游林业生态工程四川省重点实验室，长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室，华西雨屏区人工林生态系统研究长期科研基地，四川农业大学，生态林业研究所，四川 成都 611130

木质部细胞类型、数量、形态和排列方式决定了木材的性质[1]。人们对一个树种木材高效利用的前提主要依赖于对其材性的研究和了解[2]。树干解析是研究树木生长和材性生长的基本方法，也是最为成熟的方法。油麦吊云杉（Picea brachytyla(Franch.)Pritz.var.complanata(Mast.) Cheng ex Rehd.）是松科（Pinaceae Lindl.）云杉属（PiceaDietr.）麦吊云杉（Picea brachytyla(Franch.) Pritz）的变种，为我国特有树种，主要生长于四川、湖北、陕西、甘肃等海拔1 500～2 900 m地带，少部分生境海拔可达3 500 m；其树体高大，木材坚韧，纹理细密，是优良的用材树种，宜选作森林更新或荒山造林树种[3]。油麦吊云杉遭人为破坏严重，天然林资源减少，1999年8月4日公布的《国家重点保护野生植物名录（第一批）》中，油麦吊云杉列为国家Ⅱ级重点保护野生植物。目前，对油麦吊云杉的研究主要集中在繁育技术、自然更新、营造林技术和人工林生长等方面[4-8]。而对油麦吊云杉木材解剖和材性性质的研究几乎没有，因此，本研究拟通过对麦吊云杉解剖形态和材性性状的径向变异规律，以期为油麦吊云杉的木材加工利用和采伐期预测提供科学依据。。

1 材料与方法

1.1 试验材料

解析木材料来源于四川省甘孜州泸定县雨洒坪林场龙凼沟（N29°31′41″，E102°12′58″）。该地区属川西高原最深陷之峡谷区，年均温15.5 ℃，全年无霜期279 d，相对湿度年降雨量664.4 mm，年均日照时数为1 323.6 h。在油麦吊云杉的天然林分内布设20×20 m的典型样地3个，每个样地选择一株35年生以上的油麦吊云杉枯立木（平均树高21.5 m、胸径34.8 cm、冠幅5.6 m）树干1.3 m处圆盘作为研究材料，参照《木材物力学实验方法》（GB1927—1991）方法采集解析木圆盘。

1.2 试验方法

1.2.1 制作显微切片

用带锯机沿圆盘北侧截取长、宽约1 cm的过髓心木条，将截取的木条没入水中煮沸软化，随后用薄刀片将软化木条切成长、宽、高约1 cm的正方体样块，最后使用木材切片机将样块制成切片，厚度约30 μm。通过番红染色、梯度乙醇脱水（30%、50%、70%、90%、95%、无水乙醇、无水乙醇+二甲苯1∶1溶液），随后制成装片，显微镜镜检。

1.2.2 测定年轮宽度

采用精密显微投影仪（TYH 150），测定解析木从髓心端到树皮端的每个年轮的宽度（20×，精度0.01 mm）。

1.2.3 解剖性质

管胞长度、管胞宽度、管胞腔径和管胞双壁厚度的测定选在每个那轮中部位置，测量管胞的径向尺寸。将制好的切片至于显微镜下拍照（奥林巴斯BXS1），采用木材分析软件（TDY-5.2I）测量管胞长度、宽度等指标，每个指标分别测量30个/部位。

1.2.4 材性测定

从髓心到树皮均匀取10个样块（20 mm×20 mm×20 mm），每个样块含有3个年轮左右，共取得10个样块，用以测定木材含水率（气干含水率和生材含水率）、干缩性质（气干干缩率和饱和干缩率）和密度（生材密度、气干密度、绝干密度和基本密度）。参照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》测定木材气干含水率和生材含水率，GB/T 1932—2009《木材干缩性质测定方法》测定木材气干干缩率和饱和干缩率，GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》测定生材密度、气干密度、绝干密度和基本密度。

1.3 数据处理

使用OriginPro和SPSS软件对分析木材的解剖性质与材性变异。

2 结果与分析

2.1 年轮宽度的径向变异

树木年轮的宽度标志着树木径向的生长速度。由图1所示，髓心至第20年年轮宽度呈多峰生长曲线，在第9年和17年时年轮径向生长存在2个峰值，分别为9.56 mm和9.34 mm；17 年后呈快速下降的趋势，平均年轮宽度3.25 mm。油麦吊云杉木材次生生长在1～17 年之间均较为旺盛，平均年轮宽度在8.00 mm以上。整体而言，油麦吊云杉年轮平均宽度为5.17 mm，为较速生树种。。

图1 油麦吊云杉生长轮宽度的径向变异模式Fig.1 Radial variation model of growth ring width

2.2 管胞形态特征及径向变异规律

油麦吊云杉木材管胞尺寸从髓心向外呈逐渐增加的趋势（见图2）。管胞宽度的增加趋势较为平缓，宽度由28.41 mm增加到43.50 mm；管胞长度在整个生长期内均呈逐渐增加的趋势由1 363.98 mm增至3 498.38 mm。，双壁厚度、管胞腔径、管胞长度与宽度整体均呈逐渐增加的趋势（见图3）。管胞双壁厚由4.22 μm增至6.55 μm，管胞双壁厚最大时生长轮龄为22年；腔径由13.74 μm增至37.20 μm，腔径最大时的生长轮龄为28年。

2.3 木材材性性质径向变异规律

由图4可知，油麦吊云杉气干含水率呈逐渐增加的趋势，从髓心向外由16.48%增加至24.60%。生材含水率先缓慢增加，后迅速下降趋于平缓后又略有上升，最高为51.95%（约21年），最低为41.95%（约12年）。木材径向和弦向干缩率的变化趋势基本保持一致（见图5）。轴向气干干缩率最高值为0.24%（约21年），轴向饱和干缩率最高为0.65%（约12年）。径向气干和饱和干缩率均在1年、9年和30年左右时处于较高水平，气干干缩率分别为2.81%、2.19%和2.03%，饱和干缩率分别为3.73%、2.90%和3.50%。弦向气干干缩率在12 a达到最高，为5.03%，饱和干缩率在27年时最高，为6.82%。全体积气干和饱和干缩率变化较为平缓，未见明显上升或下降。木材气干密度、绝干密度和基本密度从髓心向外均呈逐渐增加的趋势，越到生长后期，木材的密度越高（见图6）。生材密度9年～21年间略有下降，21a时最低为0.51 g·cm-3，最高为30年时，生材密度达0.63 g·cm-3。从髓心向外，木材气干密度由 0.35 g·cm-3增至 0.46 g·cm-3，绝干密度由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，表明油麦吊云杉木材密度与径向生长无明显关系。

图2 木材管胞长度与宽度的径向变异Fig.2 Radial variation of wood tracheid length and width

图3 木材管胞双壁厚度和腔径的径向变异规律Fig.3 Radial variation law of double wall thickness and lumen diameter of wood tracheid

图4 木材含水率的径向变异Fig.4 Radial variation of wood moisture

3 讨论

木材形成层原始细胞分裂频率和细胞尺寸决定了树木径向生长的快慢，其径向生长速度的标志是年轮的宽窄[1]。油麦吊云杉在1～17年间年轮宽度较大，生长较快，随后逐渐减低至趋于平缓。与香椿、邓恩桉等阔叶树种水杉、马尾松等针叶树种年轮宽度随树龄先增加后降低的趋势有所不同[1,9-11]。形成层纺锤丝原始细胞分裂形成针叶树木材木质部的管胞[10]。针叶树与阔叶树木材木质部构成的不同，可能是造成油麦吊云杉年轮生长模式与阔香椿、邓恩桉等阔叶树年轮生长模式差异的原因之一；而与水杉、马尾松等针叶树种年轮宽度生长模式的差异可能是由于油麦吊云杉分布海拔较高，气温相对较低的原因造成的。同时也表明油麦吊云杉为早期速生树种，若人工培育油麦吊云杉，最低生长采伐年限应在17年后，以保证获得最高的生长性增益。针叶树材管胞长度在髓心附近最短，从髓心向外迅速增加，在距离髓心的10～15年管胞长度变化减少，20年左右长度趋于稳定[12,13]。油麦吊云杉管胞长度变化规律与该规律些许不同，从髓心向外，管胞长度在1～10年迅速增加，10～30年管胞长度呈缓慢增加的趋势，30年后长度趋于稳定。一般而言，从髓心向树皮方向，针叶树管胞宽度呈现一定的变化规律，但其增长率显著低于管胞长度[14]。在整个生长期，油麦吊云杉管胞宽度虽有缓慢增加，但整体趋于稳定。与赤松、落羽杉等针叶树种管胞宽度生长模式基本保持一致[15,16]。表明气候，尤其是海拔、温度对油麦吊云杉管胞长度的影响较大，同时也说明随着树龄的增加，油麦吊云杉管胞长宽比值增大，可作为优良的造纸原料。管胞双壁厚影响密度和强度等木材质量管胞腔径影响木材的利用率[17,18]。油麦吊云杉管胞双壁后与腔径在髓心附近较小，随着生长轮龄的增加，指标值呈明显的增大趋势。与杉木、水杉等针叶树种具有类似的趋势[10,19]。表明油麦吊云杉可作为优良的工业原料林培育。

图5 木材干缩率的径向变异Fig.5 Radial variation of wood drying shrinkage

图6 木材密度的径向变异Fig.6 Radial variation of wood density

生材含水率在树干内的分布和变异规律是影响生材干燥和加工利用的主要因素之一[11]。油麦吊云杉平均生材含水率为46.60%，树皮与髓心方向生材含水率基本相同，表明油麦吊云杉生材含水率低且分布均匀，在加工过程中不易出现内裂。木材密度是木材利用的重要性质指标[11]。油麦吊云杉木材气干密度、基本密度和绝干密度均呈逐渐增加的趋势。与桉树、黄果厚壳桂、擎天树的研究结果相一致[17,20,21]。油麦吊云杉平均气干密度较低，仅0.39 g/cm3，表明油麦吊云杉不适宜生产纤维板材，更加适合作为工业原料林培育。木材干缩性、径向和弦向干缩率是木材的重要性质，决定了木材生产过程中是否会出现裂缝和翘曲[21]。油麦吊云杉径向气干干缩率和弦向干缩率分别为1.94%和4.62%，干缩率差异性为2.38，表明油麦吊云杉木材干缩性不均匀，导致在木材生产的干燥过程中容易发生开裂或翘曲变形，也说明油麦吊云杉用于木材加工的难度相对较大。因此，综合分析油麦吊云杉木材解剖性质和材性性状，我们认为油麦吊云杉可以优良的工业原料林，如纸浆材为培育的首要目标。