香椿木材年轮宽度与解剖形态特征研究

2016-01-15罗建勋,卢丹,齐锦秋等

西南林业大学学报 2015年2期

香椿木材年轮宽度与解剖形态特征研究

罗建勋1卢丹2齐锦秋2黄兴彦2李凤2

(1.四川省林业科学研究院，四川成都 610081； 2.四川农业大学林学院，四川雅安 625014)

摘要：采用木材切片法和光学显微技术，研究香椿木材的微观特征，分析年轮宽度、导管及纤维形态的径向变异。结果表明：髓心至第10年年轮宽度迅速增加，1～20 a间均保持旺盛的生长；早材和晚材的导管宽度、双壁厚、腔径由髓心向外逐渐增大，约19 a后趋于平稳，早材导管宽度121.80 μm，晚材导管宽度38.75 μm，早材导管双壁厚度10.98 μm，晚材导管双壁厚度16.49 μm；纤维长度由髓心向外呈逐渐增大的趋势，18 a后纤维长度基本趋于稳定，纤维形态指标平均值分别为：长度1080.94 μm，宽度26.76 μm，长宽比40.25，双壁厚7.96 μm，腔径18.80 μm，壁腔比0.43。

关键词：香椿；年轮宽度；纤维；导管；微观构造

中图分类号：S781.1

文献标志码：A

文章编号：2095-1914(2015)02-0095-05

Abstract:Growth ring, vessel and fiber morphology of Toona sinensis wood were evaluated by using xylotomy and optical microscopy. The results were as follows: the growth ring width increased from pith to 10-year old, keeping vigorous growth from 1 to 20 years. The width, double wall thickness and lumen diameter of vessel in early wood and late wood increased from pith to 19-year old, then tending towards stability. The width of vessel in early wood and late wood were 121.80 μm and 38.75 μm, and the double wall thickness of vessel in early wood and late wood were 16.49 μm and 10.98 μm, respectively. The fiber length first increased from pith to 18-year, ending up with stability. The average fiber length, width, length to width ratio (L/W), double wall thickness, lumen diameter and double wall thickness to lumen diameter ratio (2T/D) were1080.94μm, 26.76 μm, 40.25, 7.96 μm, 18.80 μm, 0.43, respectively.

Keywords:Toona sinensis; growth ring width; fiber; vessel; microstructure

收稿日期：2014-10-10

基金项目：西南林业大学科技创新基金项目(C1420)资助；西南林业大学与企业合作基金项目(31261801)资助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.017

Growth Ring Width and Anatomical Properties

ofToonasinensisWood

LUO Jian-xun1,LU Dan2,QI Jin-qiu,HUANG Xing-yan2,LI Feng2

(1.Sichuan Academy of Forestry, Chengdu Sichuan 610081, China;

2. College of Forestry, Sichuan Agricultural University, Ya′an, Sichuan 625014, China)

木材性质是由构成木质部的细胞类型、形态、数量以及细胞排列方式所决定。香椿木材细胞主要由木纤维细胞、导管、木射线、轴向薄壁细胞组成，其中木纤维细胞约占木材体积的50%以上，在木材中起到主要机械支持作用，纤维细胞形态是影响香椿木材性质的重要指标。导管是阔叶材中直径最大的细胞，是形成木材花纹的重要结构。

香椿(Toonasinensis)为楝科香椿属，又名椿树、毛椿、椿芽树等。落叶乔木，高达25 m，胸径可达1 m，是我国特有的珍贵速生用材树种。香椿材色为浅红褐色，木材花纹美丽、耐腐，材质硬度适中。香椿木材为环孔材，在一个年轮中表现为早材管孔直径远大于晚材管孔，木材颜色呈红褐色，有光泽[1]，因此，在木材弦切面和径切面的花纹较美丽。香椿木材是我国重要的家具、地板、室内装饰装潢用材。通过对香椿年轮宽度、导管及纤维细胞的径向变异研究，以期为香椿材质预测及其高效加工利用提供科学的理论基础。

1材料与方法

1.1试验材料

试验材料取自四川省达州市大竹县，地处东经107°13′，北纬30°51′。该地区属亚热带湿润季风气候区，年平均温度15℃，无霜期284 d，相对湿度84%，日照时数1 329.4 h。取样林分为香椿人工林纯林，林分密度1 110株/hm2，林龄25 a，林分平均胸径30 cm，平均树高20 m。试材采集方法依据GB 1927—1991《木材物理力学实验方法》中相关要求进行，采集5株平均木，截取树干1.3 m处圆盘，树干胸高部位年轮数为24 a，标记圆盘北侧方向。

1.2试验方法

1.2.1显微切片的制作沿木材圆盘北侧方向，用带锯机截取宽度和厚度约1 cm的通过髓心的木条，然后进行水煮软化。用刀片将软化好的木条切成径向长度1 cm的样块。用木材切片机(TU-250)将软化好的试材切成厚度30 μm的切片，经番红染色、系列乙醇脱水、中性树脂胶封固，制成永久切片。

1.2.2年轮宽度的测量将切片置于精密显微投影仪(TYH 150)下，测量从髓心到树皮的每个年轮宽度。放大倍数20倍，测量精度0.01 mm 。

1.2.3解剖性质

1) 纤维和导管的宽度、壁厚、腔径测量：纤维宽度、壁厚、腔径指标测量部位选在每个年轮中部位置，测量纤维细胞的径向尺寸。因香椿早晚材导管尺寸差异较大，所以导管宽度、壁厚、腔径指标测量部位分别选在早材和晚材部位，测量导管的径向尺寸。将切片放在奥林巴斯显微镜(BXS1)下进行显微摄影，利用木材分析软件(TDY-5.2I)进行测量。纤维形态指标每个年轮测量60个，导管形态指标在每个年轮的早材和晚材部位分别测量30个，取平均值。

2) 纤维长度的测量：采用离析法，分别在每个年轮的中部取样，切成火柴杆大小，放在10%铬酸和10%硝酸混合溶液内，室温下离析10～15 h。离析完成后制作临时切片，在数显投影仪下(TYH 150)进行测量，每个年轮分别测量60根。

1.3数据处理

使用 Excel 2003和DPS v7.05软件对木材的解剖构造数量特征值进行统计分析。

2结果与分析

2.1微观构造特征

香椿木材3切面显微构造见图1。

由图1可知，香椿木材为环孔材；导管在横切面上为圆形及卵圆形，单管孔，短径列复管孔及少数管孔团；管间纹孔式互列；轴向薄壁组织略多，环管束状、轮界状与少数星散状，含树胶。木射线非叠生，单列射线数少，高1～8细胞或以上，多数5～15细胞；多列射线宽2～5细胞，高3～18细胞或以上，多数5～15细胞；射线组织异形Ⅲ，含大量树胶。

2.2年轮宽度的径向变异

年轮宽窄是树木径向生长速度的标志，树木径向生长的快慢由形成层原始细胞分裂频率和细胞尺寸所决定。年轮宽度不仅受到树木自身遗传学特性的影响，同时受到立地条件的影响。香椿年轮宽度径向变异趋势见图2。

由图2可知，髓心至第10年年轮宽度迅速增加，在第10年年轮宽度达最大值(10.3mm)；11～24 a年轮宽度呈波动式下降趋势。香椿快速生长期为10a，与张友元等[2]、管磊等[3]研究结果基本一致。香椿木材在1～20a间均保持较为旺盛的次生生长，年轮宽度大于4 .0mm。香椿为速生材，平均年轮宽度6.3mm。

2.3导管形态特征及径向变异规律

树木通过根系从土壤中吸收水分和无机盐，并通过以斜壁相连的导管长距离向上运输。导管的生理活动与树木生长过程密切相关，对木材后期加工利用过程也会产生重要的影响。导管分子的数量、大小影响木材的粗糙度、孔隙率、表面涂饰性和用途等，也在一定程度上反映该树种的进化程度[4]。导管由形成层原始细胞分裂分生而来，木材导管不仅在树种间存在差异，在株间及株内的不同部位间均存在差异。香椿木材导管尺寸从髓心向外呈增加趋势，与桉树(Eucalyprusrobusta)、青杨(Populusussuriensis)变化趋势基本一致[5-6]。从图3可以看出，香椿木材早材和晚材导管宽度由髓心向外逐渐增大，19a后趋于平稳。早材导管宽度由77μm增至129μm；晚材导管宽度由24μm增至46μm。早、晚材导管腔径和壁厚变化与导管宽度的径向变化规律基本一致(图3～5)，早材导管腔径由47μm增至135μm，晚材导管腔径由11μm增至31μm；早材导管壁厚由7μm增至13μm，晚材导管壁厚由10μm增至19μm。

香椿木材为环孔材，其导管形态不仅影响木材的材质特性，且对木材表面花纹的构成起到重要的作用。香椿早材导管宽度大于晚材，早材导管宽度平均为121.80μm，晚材平均为38.75μm，早材导管宽度为晚材的3.14倍。早材导管双壁厚度小于晚材，早材导管双壁厚度平均为10.98μm，晚材平均为16.49μm，晚材导管双壁厚度约为早材的1.5倍。

2.4纤维形态特征及径向变异规律

纤维形态包括纤维长度、纤维宽度、长宽比、壁厚、腔径等，是木材质量、密度和强度等物质性质的基础。国际木材解剖家学会将纤维长度分为3类：<900μm的纤维属短纤维，900～1600μm为中等纤维，>1600m的为长纤维[7]。香椿纤维长度平均1080.94μm，为中等纤维。木材的纤维长度变化规律是树木年轮材质分析的主要参数之一，同时也是反映木材及其利用价值的重要指标。由图6可知，在1～18a，纤维长度由髓心向外呈逐渐增大的趋势，18a以后纤维长度基本趋于稳定，红椿木材纤维长度为695～1447μm。

香椿木材纤维宽度平均值为26.76μm，长宽比平均值为40.25。纤维宽度在1～10a呈现增大趋势，10a后基本趋于稳定(图7)，纤维宽度的稳定时间略早于纤维长度。纤维长宽比随着轮龄数的增大趋势同纤维长度(图8)，这是因为纤维长度的增加幅度大于纤维宽度。

纤维双壁厚平均值为7.96μm，腔径平均值为18.80μm，壁腔比均值为0.43。纤维双壁厚在距离髓心的1～8a间，由髓心向外呈逐渐增大的趋势，其后基本趋于稳定(图7)。纤维腔径的变异规律同纤维宽度。壁腔比从距离髓心的第5年呈现缓慢的下降趋势(图8)。

纤维细胞尺寸大小受种源、立地条件、林木年龄等多方面因素影响。与福建产香椿木材比较，本研究中香椿木材的纤维长度与范振富等[8]的研究结果基本一致，但本研究中的纤维宽度表现略大。纤维细胞是由形成层原始细胞分裂分生而来，形成层原始细胞长度随着形成层年龄的增加而增长，当达到一定年龄后，其细胞尺寸基本达到稳定，树木达到成熟年龄。此时木材细胞尺寸均一，材质特性优良。形成层原始细胞长度未稳定阶段的木材通常称为未成熟材，形成层原始细胞长度在稳定阶段形成的木材称为成熟材，未成熟材与成熟材比较，木材强度、密度等物理力学性质的变化较大，未成熟材木材的材质较差[9-10]。在阔叶材中，纤维细胞是厚壁细胞，占木材体积的50%以上，对木材力学性质起到关键作用。因此，阔叶材成熟龄的判定依据以纤维长度为主要依据。根据纤维长度达到的稳定轮龄分析，并综合年轮宽度与导管宽度指标，香椿木材的成熟龄约为18年。

3结论

香椿木材为环孔材，从髓心至第10年年轮宽度迅速增加，1～20a均保持旺盛的次生生长。胸径年轮数为24a的香椿木材平均年轮宽度6.3mm。早材和晚材的导管宽度、壁厚、腔径由髓心向外逐渐增大，约19a后趋于平稳。早材导管宽度121.80μm，晚材导管宽度38.75μm。早材导管双壁厚度10.98μm，晚材导管双壁厚度16.49μm。纤维长度由髓心向外呈逐渐增大的趋势，18a以后纤维长度基本趋于稳定。纤维形态指标平均值分别为：长度1080.94μm，宽度26.76μm，长宽比40.25，双壁厚7.96μm。根据纤维长度、年轮宽度与导管宽度指标分析，香椿木材的成熟龄约为18a。

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(责任编辑曹龙)