蒋 燚 王 勇 刘晓蔚 韦铄星 刘雄盛

(广西林业科学研究院，广西优良用材林资源培育重点实验室，国家林业局中南速生材繁育实验室，广西 南宁 530002)



红锥生长过程中心材变化特征研究

蒋 燚 王 勇 刘晓蔚 韦铄星 刘雄盛

(广西林业科学研究院，广西优良用材林资源培育重点实验室，国家林业局中南速生材繁育实验室，广西 南宁 530002)

以广西林业科学研究院老虎岭试验林的28年生红锥单木为研究对象，进行心材变化特征分析，用回归方程对心材与边材关系进行拟合，定量研究心材形成过程中的变化规律。结果表明：红锥心材初始年龄为7.17 a，当树干心材出现之后，心材平均合成速率为0.72轮/a；红锥心材直径生长和断面去皮直径生长拟合的线性关系比采用年轮数效果更好，回归方程为y=1.021 9x-8.176 6，R2=0.978，红锥干材去皮直径为8.00 cm，是心材开始形成的阈值，去皮直径每增加1.00 cm，心材直径增加1.02 cm，心材的圆满度随直径增长呈正相关关系；红锥心材沿树高变化表现为心材形成时间和大小，与树高生长呈相反趋势，心材、边材比例随红锥生长而减弱。

红锥；生长过程；心材变化；边材转化

心材是珍贵树种的主要用材部分，其致密坚硬、耐腐蚀。由于心材材质好、色泽佳、纹理美观，其加工成的家具、工艺品深受人们喜爱，市场前景广阔。广西属于亚热带季风气候区，热量丰富、雨量充沛、雨热同季，林木生长迅速，发展珍贵树种优势突出[1]。然而多数珍贵树种的生长周期长，且木材在材积生长高峰期前，机械强度较低、含水率较高，易开裂，心材比例低，导致加工利用价值不高[2]。因此，培育材性优良、速生、丰产、适应性强的珍贵树种，研究其心材形成规律，筛选出心材生长快、心材比例高的品系是满足当前市场需求的重要途径。

红锥(Castanopsishystrix)是广西珍贵乡土树种之一，喜温热多湿环境；其生长快，天然更新能力和萌芽力强，韧皮纤维发达，心边材区别明显，心材所占比例大，材质坚硬，木材机械加工性能好[3]，并且改善土壤效果好、涵养水源能力强，是优良的珍贵阔叶树种和公益林树种，生态、经济价值极高。20世纪80年代开始，国家林业局十分重视红锥的栽培种植，张方秋等[4]、朱积余等[5]进行了不同种源红锥的造林试验，认为不同种源红锥的生长差异极大；其他学者也针对红锥大径材培育进行筛选，总结了一套不同林龄红锥人工林优树选择技术[6]；中国林业科学研究院热带林业实验中心已建成红锥良种基地[7]。目前，红锥人工林造林面积不断扩大，但主要研究仍集中在栽培模式对红锥生长的影响[8-9]、林分生物量及理化性质[10-14]方面，对其生长过程中主要收获部分心材的形成及其沿树高变化的研究尚未见报道，本研究以28年生红锥为对象，通过树干解析分析其生长过程中心边材的变化及心材与树高的关系，为构建红锥心材生长收获模型和木材的有效利用提供科学依据。

1 试验地概况

试验地位于广西壮族自治区南宁市南郊，广西林业科学研究院老虎岭试验基地，地处北纬22°55′49″～22°56′09″，东经108°19′50″～108°20′04″，海拔135～217 m，属南亚热带季风气候，年平均气温21.8 ℃，1月均温12.8 ℃，7月均温27.8 ℃，≥10 ℃的年积温7 200 ℃左右，极端最低温-1.5 ℃，极端最高温39.4 ℃，一般年份有2～4 d轻微的霜冻，年均降水量为1 350 mm，蒸发量1 609 mm，年日照时数1 800 h，属丘陵地带，干湿季明显，土壤是由页岩发育而成的砖红壤性红壤。

2 材料与方法

2.1 试验材料

在28年生红锥林中，设置20 m×20 m样方3个，选取干形通直、枝叶繁茂的平均木6株，实测胸径并标明北向后伐倒，分别在树干基部及胸高处取厚为5 cm的圆盘，胸高之后每隔2 m截取1个圆盘，测得样木的带皮平均胸径为24.0 cm，去皮平均胸径为22.3 cm，平均树高24.7 m。取回的圆盘先将工作面刨光，根据心材与边材颜色差异区分心边材界限，测量每个圆盘东西、南北方向的总年轮数、心材年轮数、树干去皮直径、心材直径。采用平均数值计算心边材半径和树皮厚度之间的关系，比较分析心边材的变化规律。

2.2 数据处理

树干某一高度的圆盘总年轮数表示对应高度的形成层年龄(cambial age)。心材年轮数与形成层年龄回归曲线的斜率表示每年边材向心材转化的年轮数，即心材形成速率；拟合曲线与横轴的交点表示心材起始树龄[15-17]。同样，心材半径与树干去皮半径回归曲线的斜率表示每年边材向心材转化的宽度，拟合曲线后可得心材起始树干的去皮直径(去皮半径的2倍)。本研究采用线性模型估算心材起始树龄，使用Excel软件进行数据处理及图表整理。计算公式如下：

3 结果与分析

3.1 红锥心材的产生年龄

对28年生红锥心材与年轮关系进行拟合，测算不同断面高心材产生年龄，结果见图1～2。

图1中，回归曲线的斜率表示红锥的平均形成速率为0.72 轮/a，由此推算其心材开始形成年龄为7.17 a。

由图2可以看出，0～3.6 m的圆盘断面心材年轮减少数量与树干年轮减少数量相同，因此,在这段高度内木材心材的形成时间趋于相同；3.6～5.6 m心材年轮数随树干年轮的减少而增多，5.6 m时断面年轮为23 a，心材年轮达15 a，此时断面边材年轮数明显减少；之后随着树高生长，心材年轮数逐渐减少，7.6 m处断面年轮仍为23 a，而心材年轮仅10 a，边材年轮数13 a，心材年轮数变小，与前后断面有2～3年轮之差，波动比例为15%，边材年轮数达最高值。在5.6～7.6 m，红锥心材、边材年轮数在某一处数量相同，达到平衡，之后边材年轮数所占比例逐渐增大。

由图2折线趋势可看出，在7.6 m往上的树干心材、边材年轮差异趋于稳定。15.6 m处心材年轮为4 a，在此高度以上的木材则只有边材，而心材未观测到。

图2中虚线为预测年轮数，该估测结果趋势与实际趋势基本一致，断面年轮数大，预测较准确，仅在5.6 m处断面心材年龄预估有较大差异，年轮数越小预测结果偏差越大，预测心材形成达到位置比实际高出4.0 m。

3.2 红锥生长过程中心材与边材比例变化

红锥心材半径与断面半径的变化关系见图3。

图3中，心材半径与断面半径关系的回归方程为y=1.021 9x-8.176 6，拟合的曲线相关系数R2为0.978。当断面直径为8.00 cm，大于该阈值的断面即开始形成心材，之后去皮直径每生长1.00 cm，心材直径生长1.02 cm，心材直径生长指标与去皮断面直径呈显著的线性关系。边材半径与断面半径关系的回归方程为y=0.021 9x+8.177 6，相关系数R2为0.020，说明红椎在形成心材以后，同时存在心材、边材的断面上，边材直径比例无明显变化，差值为7.20～8.80 cm；去皮直径与心材直径在0 m和13.60 m处相差最大，为8.70 cm，其余断面差值均在0.70 cm内。

红锥心材东西、南北直径相差比见图4，在断面高9.6 m以下部分红锥心材东西、南北方向直径比例较稳定，相差在16%以内；在整体树干心材年轮数波动较大的5.6 m断面位置，边材、心材直径相差比变化在2%以内；从断面高在11.6 m以上开始心材直径相差比差异较大，变化比例在0～34%不等，其中13.6 m处东西、南北心材直径相同。

对心材直径大小进行预测，与实际测定值基本一致，15.6 m及其以下预测误差均在10%以内，回归方程拟合结果良好，但心材预测所到高度超出实际情况，达到17.6 m处，比实际高出2.0 m，回归方程效果比采用年轮数对心材进行预测更好。

3.3 红锥心材与边材变成沿树高生长的变化关系

已知红锥心材形成数量随着树高增加而减少，心材、边材沿树高生长趋势基本一致。不同高度心材直径与断面直径变化关系见图5。

图5表明，不同高度的断面下，红锥边材年轮数向心材转化的速率不相等，5.6 m断面处心材年轮达15 a，边材年轮为8 a；而0～3.6 m边材年轮达13 a，其心材年轮转化速率小于5.6 m处。

由于用直径拟合红锥的心边材变化比年轮数更准确，分别拟合7.6 m以下的断面和7.6 m以上的断面的心材、边材直径变化线性关系(图6)，根据斜率变化，随树高生长红锥树干心材的直径生长速率呈加快的趋势，7.6～15.6 m的去皮直径每增加1.00 cm，心材直径增加1.20 cm。可知其心材形成时间和大小，与树高生长呈负相关，而边材形成与树高生长变化趋势呈正相关。

4 结论与讨论

木材心材是由边材转化而来，随着木材直径增长，心材所占比例越来越大而边材越来越小，是树干内部继形成层原始细胞向木质部细胞分化之后，木质部细胞发生的二次变化，也是树木生长中一个重要的生理学过程。不同树种及不同种源的植株，其心材和边材质地与比例均存在差异，与植物遗传特性有关[18]，如海南黄花梨在当地分为油梨和糠梨，油梨心材比例较大[19]。树木生长及立地条件也能造成心材及边材量的不同[16，20-21]，甚至培育措施、测树学参数也能显著影响心材的质地和数量[22]，如檀香(Santalumalbum)心材是提取精油的主要部分，培育过程中使用植物生长调节剂可以提高心材的芳香气味[23]。

估算心材、边材变化规律有助于了解树木生长过程，评价用材树种的木材产量及品质[24-25]。本研究基于广西林业科学研究院老虎岭试验林的28年生红锥单木进行心材结构分析，采用回归方程对心材年轮数与去皮直径年轮数关系进行拟合，定量研究了心材形成过程中的变化规律，根据拟合的生长模型，红锥心材初始年龄为7.17 a，当树干心材出现之后，心材年龄随着去皮年轮数的增加而增加，速率为0.72轮/a。不同树种心材形成及生长差异明显，Nowrot等[26]在研究落叶松(Larixgmelini)时认为，落叶松心材开始形成年龄为5 a，形成速率为1轮/a。Pinto[27]在研究海岸松(Pinuspinaster)心材与边材生长中估测海岸松心材起始年龄为13 a，不同发育阶段心材形成速率不同，当树龄为0～54 a时速率为0.5轮/a，55年生以上海岸松心材形成速率为0.7轮/a。说明不同树种心材形成差异大，同一树种不同种源也存在较大差异，其形成也受基因调控影响，如不同家系辐射松心材开始形成时间在16～23 a不等[28]。

红锥心材直径生长和边材直径生长密切相关，相关性比采用年轮数效果更好，回归方程为y=1.021 9x-8.176 6，当红锥干材去皮直径达8 cm时，心材开始形成，与直径生长基本一致。干材直径越大模型预测效果越准确，去皮直径每增加1.00 cm，心材直径增加1.02 cm，心材的圆满度随着直径增长呈显著正相关，5.6 m处心材年龄数增大，而断面的心材直径生长无明显变化，说明年轮数并没有对心材圆满度造成影响，波动最大为10%。图3、图6均显示28年生红锥，其心材大小的形成趋势随着植株的高生长而减小，这与王兴昌等[29]研究东北主要树种心材与边材的生长特征的结果相同。不同树种、地区研究结果不尽相同，如加拿大松心材在沿树高生长过程中无一定规律，Climent等[30]认为这可能与试验地气候有关，不同强度的风让林木产生剧烈摇动而促进不同阶段心材的形成速率。随着树高生长，红锥心材形成时间和大小，与树高生长呈相反趋势，而边材形成与树高生长变化趋势一致，心材、边材的比例随红锥生长而减小，Pande[15]曾研究生长及木材解剖性能和比重对印度黄檀(Dalbergiasissoo)木材心材、边材、抗拉木的影响，证实该树种心材、边材和正常木/抗拉木比例随树高生长呈下降趋势。红锥是广西主要珍贵乡土树种，但目前对其心边材生长还处于初步研究中，其材性在林分不同发育阶段的变化，以及心材形成在不同时期变化规律仍需要进一步探索[31]，今后研究还需根据收获目的用材部分心材，筛选心材比例大、形成速度快的红锥基因型，为发展生长快、形状优良的红锥树种提供保障。

[1] 蒋桂雄，朱积余.广西珍贵树种高效栽培技术[M].北京：中国林业出版社，2012.

[2] 姜笑梅.红木标准解析(二)：红木制品中边材问题的探讨[J].木材工业，2010，24(2)：47-48.

[3] 江京辉，吕建雄.红椎和西南桦人工林木材的机械加工性能[J].林业科学，2008，44(10)：120-126.

[4] 张方秋，梁东成，陈祖旭，等.福建红锥不同种群及家系早期生长变异研究[J].广东林业科技，2006，22(4)：7-12.

[5] 朱积余，蒋燚，梁瑞龙，等.广西红锥种源/家系造林试验研究初报[J].西部林业科学，2005，34(4)：5-9.

[6] 蔡道雄，贾宏炎，卢立华，等.我国南亚热带珍优乡土阔叶树种大径材人工林的培育[J].林业科学研究，2007，20(2)：165-169.

[7] 谌红辉，贾宏炎，郭文福.中国林科院热带林业实验中心自治区西南桦柚木红椎良种基地[J].广西林业，2011(12)：44.

[8] 卢立华，汪炳根，何日明.立地与栽培模式对红椎生长的影响[J].林业科学研究，1999，12(5)：519-523.

[9] 郭文福，蔡道雄，贾宏炎，等.马尾松与红椎等3种阔叶树种营造混交林的生长效果[J].林业科学研究，2010，23(6)：839-844.

[10] 覃林，何友均，李智勇，等.南亚热带红椎马尾松纯林及其混交林生物量和生产力分配格局[J].林业科学，2011，47(12)：17-21.

[11] 黄承标，杨茂好，牙美华，等.桂西北红椎次生林生长及土壤的理化性质[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2004，28(2)：54-56.

[12] 卢立华，贾宏炎，何日明，等.南亚热带6种人工林凋落物的初步研究[J].林业科学研究，2008，21(3)：346-352.

[13] 牛长海，梁宏温，温远光，等.26 年生红锥人工林的生物量及其分配格局[J].中国科技纵横，2010(20)：137-138.

[14] 唐继新，白灵海，郭文福，等.红椎人工林生长规律的初步研究[J].中南林业科技大学学报，2012，32(4)：51-54， 60.

[15] Pande P K.Influence of growth，wood anatomical properties and specific gravity on heartwood，sapwood and tension-wood inDalbergiasissooRoxb[J].Journal of the Indian Academy of Wood Science， 2013， 10(1):16-21.

[16] Knapic S，Pereira H.Within-tree variation of heartwood and ring width in maritime pine (PinuspinasterAit.)[J].Forest Ecology and Management， 2005， 210(1/3):81-89.

[17] Fleur Longuetaud， Frédéric Mothe， Jean-Michel Leban， et al.Piceaabiessapwood width:Variations within and between trees[J].Scandinavian Journal of Forest Research， 2006， 21(1):41-53.

[18] Woeste K E. Heartwood production in a 35-year-old black walnut progeny test[J].Canadian Journal of Forest Research， 2002， 32(1):177-181.

[19] 邱治军，周光益，陈升华.海南特有珍贵红木树种：降香黄檀[J].林业实用技术，2004(6)：41-42.

[20] Miranda I， Gominho J， Lourenço A， et al.The influence of irrigation and fertilization on heartwood and sapwood contents in 18-year-oldEucalyptusglobulustrees[J].Canadian Journal of Forest Research， 2006， 36(10):2675-2683.

[21] Bektas I， Alma M H， Goker Y， et al.Influence of site on sapwood and heartwood ratios ofTurkishcalabrianpine[J].Forest Products Journal， 2003， 53(4):48-50.

[22] Climent J， Chambel M R， Perez E， et al. Relationship between heartwood radius and early radial growth， tree age， and climate inPinuscanariensis[J].Canadian Journal of Forest Research-Revue Canadienne de Recherche Forestiere，2002，32(1):103-111.

[23] 刘小金，徐大平，杨曾奖，等.几种生长调节剂对幼龄檀香生长、心材形成和精油成分的影响[J].林业科学，2013，49(7)：143-149.

[24] Wang X C， Wang C K， Zhang Q Z， et al.Heartwood and sapwood allometry of seven Chinese temperate tree species[J].Annals of Forest Science，2010，67(4):410-410.

[25] 常建国，李新平，刘世荣，等.油松心边材量及年轮数的变异特征[J].林业科学，2009，45(11)：76-82.

[26] Nawrot M， Pazdrowski W， Szymański M.Dynamics of heartwood formation and axial and radial distribution of sapwood and heartwood in stems of European larch(LarixdeciduaMill.)[J].Journal of Forest Science，2008，54(9):409-417.

[27] Pinto I P H，sapwood development within maritime pine.(PinuspinasterAit.)stems[J].Trees， 2004， 18(3):284-294.

[28] Kennedy S G，Yanchuk A D，Jefferson P A.Relationship of heartwood traits with diameter growth，implications for genetic selection inPinusradiata[J].Tree Genetics & Genomes，2013，9(5):1313-1319.

[29] 王兴昌，王传宽，张全智，等.东北主要树种心材与边材的生长特征[J].林业科学，2008，44(5)：102-108.

[30] Climent J，Chambel M R，Gil L，et al.Vertical heartwood variation patterns and prediction of heartwood volume inPinuscanariensisSm.[J].Forest Ecology and Management，2003，174(1/3):203-211.

[31] 朱积余，梁瑞龙，蒋燚.广西优良珍贵树种发展的现状、问题与对策[J].广西林业科学，2007，36(1)：1-4.

(责任编辑 曹 龙)

The Heartwood Variation Characteristics of Growing Processes ofCastanopsishystrix

JIANG Yi，WANG Yong，LIU Xiao-wei，WEI Shuo-xing，LIU Xiong-sheng

(Guangxi Forestry Research Institute,Key Laboratory of Central South Fast-Growing Timber Cultivation of Forestry Ministry of China,Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation,Nanning Guangxi 530002,China )

Based on the 28 years oldCastanopsishystrixin Laohuling test plantation to research the heartwood variation characteristics,and then studied quantitatively the change rule of heartwood forming process by evaluating the relationship between heartwood and sapwood from regression equation.The results were as follows:The initial age of heartwood was estimated to be 7.17 a,heartwood forming rate was 0.72 rings per year after heartwood occurred in trunk.The linear relationship between diameter of heartwood and sapwood was more significant than linear relationship between annual rings:y=1.021 9x-8.176 6,R2=0.978.Heartwood formation should occur until radial and axial distribution of sapwood was wider than 8.00 cm, and the sapwood increased 1.00 cm in diameter while the heartwood increased 1.02 cm. Heartwood stem fullness showed a positively correlated with increasing of diameter.The HW/SW(both in diameter and annual)and the time of heartwood formation decreased with increase of height.

Castanopsishystrix;growth process;heartwood ratio;transformation of sapwood to heartwood

2014-11-14

国家发改委重大项目(桂发改农经〔2010〕599号)资助。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.04.009

S758.5

A

2095-1914(2015)04-0053-05

第1作者：蒋燚(1968—)，博士，教授级高级工程师。研究方向：森林培育和森林生态学。Email：jy68@163.com。