湖南鐵心杉解剖特征及其物理力學(xué)性質(zhì)研究

張 勰 彭俊懿 石江濤 徐清乾 許忠坤 黃 帆

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

杉木（Cunningham lanceolate）作為我國特有的商品材樹種，具有生長速度快、環(huán)境適應(yīng)性好、樹干通直圓滿，木材紋理直、耐腐性強(qiáng)、質(zhì)量系數(shù)高等特點(diǎn)。一直以來，杉木不僅是我國長江流域最重要的造林樹種之一，還是我國廣泛應(yīng)用于家具、橋梁、造紙等領(lǐng)域的重要工業(yè)原料。為了保障我國木材資源安全，必須要開展兼具生長性狀與木材材性的良種選育。長期以來，國內(nèi)外同行圍繞杉木良種的選育開展了大量的工作，如種子園建立、良種種質(zhì)資源收集、材性基因圖譜構(gòu)建與遺傳改良等[1-2]。鐵心杉作為杉木的一種特殊變異類型，心材顏色呈深棕色，具有心材率高、紋理密實(shí)、天然耐腐等特點(diǎn)。對(duì)于杉木心材的研究主要集中在化學(xué)成分[3-4]，木材顏色[5]，材質(zhì)性質(zhì)及其變異[6-9]等方面，研究對(duì)象多為未成熟的幼齡材，對(duì)于鐵心杉木材性質(zhì)的研究還處于原始數(shù)據(jù)積累階段。本研究以湖南永順縣小溪國家自然保護(hù)區(qū)成立之前，當(dāng)?shù)鼐用癫煞サ奶烊涣骤F心杉木材為對(duì)象，測(cè)定了木材管胞特征、密度、主要的力學(xué)性質(zhì)，分析了管胞尺寸的徑向變化規(guī)律，為湖南特色鐵心杉種質(zhì)資源收集與良種選育積累了原始數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于湖南省永順縣小溪國家自然保護(hù) 區(qū)（110°06′50″～110°21′35″E,28°42′15″～28°53′55″N,海拔162～1 438 m），氣候年均溫12～14 ℃，無霜期262 d以上；年降水量1 300～1 600 mm，相對(duì)濕度79%，土壤多為板頁巖發(fā)育的山地黃紅壤，較肥沃。試驗(yàn)材料來源于湖南永順縣小溪鎮(zhèn)野竹村農(nóng)戶自家收集的杉木原木，已自然風(fēng)干30 a以上。共選取來自3棵樹的基部原木（長度2 m），每棵原木過中心鋸解成10 cm厚徑切板，包含完整年輪，平均樹齡約82 a。木材初始含水率為(10.78±0.36)%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 年輪與管胞特征

依據(jù)GB/T 1930—2009[10]，在木材端面沿徑向畫一條直線，利用年輪測(cè)微儀（精確至0.01 mm），沿直線測(cè)定每個(gè)年輪寬度和晚材寬度。用測(cè)定范圍內(nèi)的整年輪總寬度與整年輪數(shù)的比值表示平均年輪寬度。測(cè)定范圍內(nèi)晚材總寬度與年輪總寬度的比值為晚材率。心材率通過心材直徑與樹干直徑的比值得出。由于鐵心杉年輪太窄，無法準(zhǔn)確區(qū)分所有年輪內(nèi)早晚材，在測(cè)定管胞尺寸時(shí)，按年輪或?qū)⒉糠帜贻喓喜y(cè)定。采用富蘭克林解離法（30% H2O2和冰乙酸體積比1∶1混合溶液）離析木材組織，在顯微鏡下隨機(jī)選取至少30個(gè)管胞進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 微纖絲傾角測(cè)定

采用X射線衍射法測(cè)定微纖絲傾角。沿徑向制備標(biāo)準(zhǔn)弦切面薄片，厚度約1 mm，面積約0.6 cm2。測(cè)試時(shí)X射線光管為銅靶，管電壓和電流分別為40 kV和30 mA，掃描獲得試樣的衍射強(qiáng)度曲線。在分布曲線上確定2個(gè)拐點(diǎn)，分別作切線，它與橫軸的2個(gè)交點(diǎn)之間的1/2距離為角距離（T），采用0.4T法[11]計(jì)算求得微纖絲角。

1.2.3 主要物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定

選取心材測(cè)定力學(xué)性質(zhì)，依據(jù)GB/T 1929—2009[12]制備相關(guān)木材測(cè)試樣品。木材的基本密度和氣干密度依據(jù)GB/T 1933—2009[13]測(cè)定，木材的干縮性和濕脹性分別依據(jù)GB/T 1932—2009[14]和GB/T 1934.2—2009[15]測(cè)定，木材的主要力學(xué)性質(zhì)依據(jù)GB/T 1935—2009[16]、GB/T 1936.1—2009[17]和GB/T 1936.2—2009[18]測(cè)定。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算和作圖采用Excel 2013。

2 結(jié)果與分析

2.1 管胞特征及其徑向變化規(guī)律

年輪寬度不僅反映樹木的年生長量，它還是影響材質(zhì)均勻程度的重要因子[19-20]。鐵心杉木材年輪寬度平均值為1.1 mm，從髓心至樹皮呈逐漸下降趨勢(shì)，特別是生長的前10 a左右，年輪寬度下降明顯，說明木材年生長量快速下降，這主要是由幼齡材向成熟材過渡所導(dǎo)致的。而在20 a以后，年輪寬度在0.2～0.9 mm間波動(dòng)（如圖1a），表明木材年生長量趨于穩(wěn)定，這種波動(dòng)主要與樹木生長的當(dāng)年環(huán)境有關(guān)。鐵心杉的心材率約為60.7%，晚材率約為18.6%。

鐵心杉木材平均管胞長度(3 182±711) μm，最大為3 952.46 μm，最小為1 438.84 μm；管胞平均寬度(41.93±3.99) μm，最大為45.94 μm，最小為32.46 μm；管胞長寬比為75.04±12.15。依據(jù)IAWA對(duì)于管胞長度的分類[21]，鐵心杉管胞為中等長度，偏小。管胞長度、管胞寬度及管胞長寬比在髓心至樹皮的徑向呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，均是逐漸增大的過程。在樹木生長的前10 a，增長速率較快。管胞寬度在樹木生長的約15 a之后趨于穩(wěn)定，在41～45 μm之間波動(dòng)。而管胞長度在樹木生長15～20 a時(shí)還有增大趨勢(shì)，45 a之后隨當(dāng)年環(huán)境略有波動(dòng)（如圖1b）。

鐵心杉微纖絲傾角平均值為(13.18±4.37)°，最大可達(dá)29.2°，最小為10.56°。在髓心至樹皮的徑向呈減小的趨勢(shì)（如圖1c），與年輪寬度的徑向變化規(guī)律相似。在樹木生長的前10 a，微纖絲角的快速減小與幼齡材密切相關(guān)。而在樹木生長的20 a之后，微纖絲角趨于穩(wěn)定，期間的波動(dòng)主要與當(dāng)年生長環(huán)境有關(guān)。

圖1 鐵心杉年輪寬度、管胞尺寸與細(xì)胞壁微纖絲傾角的徑向變化規(guī)律Fig.1 Radial variation of growth ring width,tracheid size and microfiber angle in cell wall of dark-brown heart C.lanceolate

2.2 木材的物理性能

由表1可知，鐵心杉基本密度平均值為0.432 g/cm3，氣干密度平均值為0.509 g/cm3（氣干時(shí)的平均含水率是10.78%）。根據(jù)我國木材氣干密度的分級(jí)范疇，0.36～0.55 g/cm3為小，0.56～0.75 g/cm3為中，鐵心杉木材密度屬于小偏中等。鐵心杉木材的基本密度接近于貴州產(chǎn)的人工林馬尾松木材。氣干密度值遠(yuǎn)大于《中國木材志》[22]中記載的湖南產(chǎn)杉木的（0.371 g/cm3），也明顯大于人工林杉木、巒大杉木（Cunninghamia konishii）等，更接近鐵杉（Tsuga chinensis）、油杉（Keteleeria fortunei）等木材。鐵心杉具有較高的密度與其較窄的年輪寬度和較高的晚材率有關(guān)。此性狀是否具有高度遺傳力還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

表1 鐵心杉木材物理性質(zhì)及與部分木材的比較Table 1 Comparison of wood physical properties between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

鐵心杉木材徑向和弦向全干干縮率為3.47%和6.30%，而濕脹率分別為3.75%和7.12%，濕脹率略大于干縮率。它的全干干縮率和濕脹率在徑向小于弦向，這與木材的各向異性規(guī)律一致。其體積干縮率和濕脹率分別為10.02%和11.44%。總體認(rèn)為鐵心杉干縮濕脹不大，屬于中等偏小。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，鐵心杉的全干干縮率和濕脹率，不論是在線性方向上還是體積，均優(yōu)于人工林杉木、巒大杉木、油杉、柳杉（Cryptomeria fortunei）及馬尾松（Pinus massoniana）等木材。這種差異的原因與樹種有密切關(guān)系，同時(shí)與樹木的生長環(huán)境也有一定關(guān)系。干縮率和濕脹率的結(jié)果表明鐵心杉具有良好的尺寸穩(wěn)定性，這2個(gè)指標(biāo)可以作為材質(zhì)篩選的重要因子。

2.3 木材的力學(xué)性能

由表2可知，鐵心杉木材順紋抗壓強(qiáng)度為69.13 MPa，高于其他類型杉木，甚至高于馬尾松、鐵杉和油杉等樹種。它的木材抗彎強(qiáng)度為106.34 MPa，高于多數(shù)杉科木材，與湖南產(chǎn)的鐵杉（106.7 MPa）相當(dāng)。鐵心杉的抗彎彈性模量為9.69 GPa，也高于記載中的多數(shù)杉木，但是低于馬尾松、油杉、鐵杉等樹種。這些樹種間的力學(xué)性質(zhì)差異，是遺傳因素與生長環(huán)境因子共同作用的結(jié)果。根據(jù)《木材科學(xué)研究》[28]中記載的“木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表”，中等強(qiáng)度的木材抗彎強(qiáng)度為88.1～118.0 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為29.0～44.0 MPa，表明鐵心杉屬于中等偏上強(qiáng)度的木材。在無法確定木材用途的時(shí)候，根據(jù)順紋抗壓強(qiáng)度與木材抗彎強(qiáng)度值的總和，可將木材分為3個(gè)品質(zhì)等級(jí)，強(qiáng)度不高（小于107.8 MPa）、高強(qiáng)度（107.8～170.1 MPa）和強(qiáng)度很高（大于170.1 MPa）[29]。從表2可知，鐵心杉木材順紋抗壓強(qiáng)度和木材抗彎強(qiáng)度平均值總和為175 MPa，屬于強(qiáng)度很高的木材。而當(dāng)木材用于輕質(zhì)高強(qiáng)工程中時(shí)，應(yīng)考慮木材的品質(zhì)系數(shù)。品質(zhì)系數(shù)是通過順紋抗壓強(qiáng)度與木材抗彎強(qiáng)度分別與不帶單位的基本密度比值之和確定的。它可將木材分為3類，低等（小于196 MPa）、中等（196.1～215.6 MPa）和高等（大于215.6 MPa）樹種[30]。經(jīng)計(jì)算得知，鐵心杉的品質(zhì)系數(shù)為406.17 MPa，屬于高等材質(zhì)木材。與部分珍貴用材樹種的木材品質(zhì)系數(shù)比較（見表3），發(fā)現(xiàn)湖南鐵心杉木材品質(zhì)系數(shù)高于紅豆杉（Taxusspp.）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、胡 桃 楸（Juglans mandshurica）等珍貴用材樹種，說明鐵心杉木材是一種優(yōu)質(zhì)的輕量化高強(qiáng)度木材。因此，鐵心杉可作為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材品種來培育及利用。

表2 鐵心杉木材力學(xué)性質(zhì)及其與其他木材的比較Table 2 Comparison of wood mechanical properties between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

表3 鐵心杉木材品質(zhì)系數(shù)及其與珍貴木材的比較Table 3 Comparison of wood quality factors between dark-brown heart C.lanceolate and other wood species

3 結(jié)論與討論

樹木的生長性狀結(jié)合木材的品質(zhì)是良種選育的重要參考。通過研究木材主要宏觀特征、密度、尺寸穩(wěn)定性以及力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)湖南天然林生長的鐵心杉木材具有輕量化和高強(qiáng)度的特征。鐵心杉木材年輪平均寬度為1.1 mm，心材率達(dá)到60.7%；管胞平均長度和寬度分別為3 182 μm和41.93 μm，長寬比為75.04。細(xì)胞壁層平均微纖絲角為13.18°。鐵心杉管胞長度和寬度與人工林杉木的尺寸[31]并未有顯著的優(yōu)勢(shì)，而且在徑向具有相似的變化規(guī)律。管胞長度徑向變化規(guī)律基本符合Pashin I 型，即從髓心到樹皮先快速增大，到達(dá)一定樹齡后，管胞長度保持相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)。鐵心杉微纖絲角在樹木幼齡期較大，在生長初期隨著樹齡增大而快速減小，等到20 a左右，趨于穩(wěn)定。微纖絲角的徑向變化規(guī)律與黃艷輝等[32]研究結(jié)果一致。這些構(gòu)造特征的徑向變化規(guī)律表明鐵心杉的幼齡材與成熟材界定樹齡在15～20 a。

鐵心杉基本密度為0.432 g/cm3，高于記載中的各種類型杉木，也高于筆者之前研究的湖南會(huì)同縣天然林杉木[33]。鐵心杉表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性，這與其木材構(gòu)造特征及基本密度有密切關(guān)系。鐵心杉的順紋抗壓強(qiáng)度、木材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量分別達(dá)到69.13、106.34 MPa和9.69 GPa，其木材為高強(qiáng)度等級(jí)，具有很高的木材品質(zhì)。樹木的生長活動(dòng)與木材的性質(zhì)是密切相關(guān)的。木材性質(zhì)是遺傳控制和環(huán)境控制的綜合結(jié)果。張運(yùn)根[34]認(rèn)為鐵心杉生長性狀受造林立地條件和遺傳因素的影響，而木材的心材率、基本密度主要受遺傳因素的影響，但其研究的紅心杉樹齡較?。?年生），主要是幼齡材，材性變異較大。研究表明無性系之間的木材解剖特征、密度、物理力學(xué)性質(zhì)等確實(shí)存在顯著差異[19,35]，說明部分木材性質(zhì)受遺傳因素的控制。而王傳貴等[36]研究不同種源杉木物理力學(xué)性質(zhì)，認(rèn)為地理環(huán)境因素比遺傳因素對(duì)材性的影響更為顯著。此外，天然林與人工林木材的性質(zhì)差異也是存在的。普遍認(rèn)為，天然林木材的力學(xué)性質(zhì)要高于人工林的，并且在成熟材中表現(xiàn)更為明顯[37]。但是，姬寧等[27]研究認(rèn)為馬尾松人工林木材基本密度與天然林的差異很小，認(rèn)為人工林并不一定顯著降低木材的基本密度。而幼齡期木材的密度顯著低于成熟期的現(xiàn)象是廣泛存在的。這也間接說明，木材的基本密度的差異與樹種和樹齡有關(guān)，受遺傳因素影響較大。綜上所述，筆者認(rèn)為湖南鐵心杉木材具有輕量化和高強(qiáng)度的優(yōu)良遺傳特性，可以作為優(yōu)質(zhì)大徑級(jí)結(jié)構(gòu)材的種質(zhì)資源進(jìn)行培育及開發(fā)利用。