陜西不同天然類型栓皮櫟木材的構(gòu)造與性質(zhì)

馮德君，張文輝，趙涇峰，張英杰，雷亞芳

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 機械與電子工程學(xué)院， b 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

栓皮櫟(Quercusvariabilis)廣泛分布于我國華北、西北、華中、華南、西南等20多個省區(qū)，秦嶺是其分布中心之一，主要生長在海拔800～1 300 m，是我國暖溫帶落葉闊葉林、亞熱帶常綠落葉林區(qū)地帶性植被的主要建群樹種，也是重要的木材、生物質(zhì)能源、軟木、食用菌生產(chǎn)等的資源樹種，經(jīng)濟和生態(tài)價值大，在林業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用[1-7]。由于分布區(qū)氣候、土壤等條件復(fù)雜多樣，在長期自然選擇作用下，栓皮櫟天然群體在形態(tài)、生長等方面存在著豐富的種內(nèi)變異類型[8-11]。根據(jù)樹皮的薄厚和開裂程度，可分為厚皮淺裂型、厚皮深裂型、薄皮淺裂型和薄皮深裂型4種類型[12]。為了更好地利用不同類型的栓皮櫟，首先要對不同類型栓皮櫟的木材特性進行研究，但目前對栓皮櫟木材構(gòu)造、材性的研究并不多見[13-15]。為此，本研究對陜西不同類型栓皮櫟木材的構(gòu)造、纖維形態(tài)及物理力學(xué)性能進行了對比分析，旨在從木材研究的角度，為栓皮櫟的分類和天然資源中優(yōu)良類型的充分利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 試 材 栓皮櫟試材于2012-07采自陜西商州區(qū)二龍山林場33～50年的栓皮櫟天然林內(nèi)，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?2.8 ℃，年平均降水量710 mm左右，降雨多集中于6-9月份，年日照2 000 h，無霜期200 d；土壤為黃褐土和棕壤土，土層稀薄，含有較多石礫；林下灌木種類較多，但分布稀疏。按照栓皮的厚薄和開裂程度，分別采集厚皮淺裂、厚皮深裂、薄皮淺裂和薄皮深裂4種類型的栓皮櫟木材樣品，采樣的詳細信息見表1。

表 1 4種類型栓皮櫟試材的采集信息

1.1.2 試 劑 硝酸、氯酸鉀、無水乙醇等均為分析純，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.1.3 儀器設(shè)備 木材切片機(SM2400型，德國LEICA公司)，光學(xué)顯微鏡，水浴鍋，游標(biāo)卡尺，電熱鼓風(fēng)干燥箱(102-2AB型，天津市泰斯特儀器有限公司)，電子天平，萬能力學(xué)試驗機(CMT5504型，深圳市新三思材料檢測有限公司)。

1.2 方 法

1.2.1 木材解剖構(gòu)造特性的測定 在每株試材胸徑圓盤沿南北方向截取寬3 cm的中心試條1個，分邊材、心材各取1個樣，采用常規(guī)方法制作木材切片，用于木材構(gòu)造特征的觀察及木材組織比量、木纖維細胞腔和細胞壁厚度的測定，同時拍攝木材顯微結(jié)構(gòu)特征照片。

1.2.2 木材纖維長度的測定 選取相對較均勻的連續(xù)幾個生長輪的木材，利用硝酸-氯酸鉀法(硝酸與氯酸鉀的體積比為1∶2)進行木材分子離析，隨機選40根纖維測定纖維長度后取平均值。

1.2.3 木材性能的測定 按照GB1929-1943-09《木材物理力學(xué)實驗方法》進行試件制作和木材性能測定，測定的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)有密度、干縮性、抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度，測定以上指標(biāo)的試件數(shù)分別為30，60，40，40和40個；然后對測定數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型栓皮櫟木材的構(gòu)造特征

對木材構(gòu)造進行觀察發(fā)現(xiàn)， 4種類型栓皮櫟的木材構(gòu)造沒有明顯區(qū)別，均表現(xiàn)為心、邊材區(qū)別明顯，邊材淺黃褐色或灰黃褐色，心材淺紅褐至鮮紅褐色；木材有光澤，無特殊滋味；生長輪明顯，寬度略均勻；環(huán)孔材，早材管孔略大，在肉眼下明顯，連續(xù)排列成早材帶，心材管孔內(nèi)侵填體常見，早材至晚材急變；晚材管孔略小，在放大鏡下可見，單管孔，分布不均勻，徑列或似火焰狀，寬1(圖1-A)～2(圖1-B)、稀3(圖1-C、圖1-D)管孔；軸向薄壁組織量多，在肉眼下略見，放大鏡下明顯，主要為離管帶狀(排列成細弦線)及星散-聚合狀；木射線中至多，分寬窄兩類，窄木射線極細，放大鏡下可見，寬木射線(櫟式射線)在肉眼下甚明顯，在徑切面射線斑紋形成銀光花紋，在弦切面呈褐色紡錘形，高度不等，參差不齊，波痕及胞間道缺如。

圖 1 陜西不同類型栓皮櫟的木材結(jié)構(gòu)

導(dǎo)管在早材帶橫切面上為圓形或卵圓形，部分導(dǎo)管內(nèi)具侵填體；晚材帶橫切面上導(dǎo)管形狀與早材帶略同，單獨，徑列或火焰狀；螺紋加厚缺如；單穿孔，穿孔板底壁略傾斜；管間紋孔式互列，圓形及卵圓形，紋孔口內(nèi)含，透鏡形及卵圓形；環(huán)管管胞甚多，常與軸向薄壁細胞混生，圍繞在導(dǎo)管周圍；軸向薄壁組織量多，主要為星散-聚合及離管帶狀(寬1～3細胞，排列略規(guī)則)，少數(shù)星散狀，偶呈環(huán)管狀(管周通常為環(huán)管管胞)；薄壁細胞端壁節(jié)狀加厚不明顯，部分含樹膠，晶體可見(圖1-E，F(xiàn))。木纖維壁厚，長1 295～1 377 μm，具緣紋孔形小、數(shù)多，紋孔口內(nèi)含，圓形或透鏡形，具膠質(zhì)木纖維；木射線非疊生，分寬、窄2類，窄木射線通常單列、稀2列或成對(圖1-G)，高1～25細胞或以上，多數(shù)5～15細胞；寬木射線(圖1-H)寬至許多細胞，高許多細胞，常超出切片范圍；射線組織同形單列及多列；射線細胞常含樹膠，具菱形晶體，端壁節(jié)狀加厚且水平壁紋孔多而明顯；射線與導(dǎo)管間紋孔式通常為刻痕狀，少數(shù)腎形或類似管間紋孔式；胞間道缺如。

2.2 不同類型栓皮櫟的木纖維形態(tài)及組織比量

纖維長度是纖維和造紙工業(yè)衡量原料優(yōu)劣的重要指標(biāo)，纖維長度與木材性質(zhì)有著密切聯(lián)系。研究表明，纖維長且含量多、長寬比大，不但能提高制品的撕裂強度，而且有利于提高抗拉強度、耐破度和耐折度，纖維的壁腔比越小，則制品的柔韌性、耐折度越好[16]。由表2可知，厚皮淺裂和薄皮淺裂型栓皮櫟木材中木纖維含量較厚皮深裂和薄皮深裂型高；各類型栓皮櫟木纖維長度在1 295～1 377 μm，均屬于木纖維長度分級中的中等長度[17]，其中薄皮深裂型較其他3種類型的木纖維要長；木纖維的長寬比以厚皮淺裂和薄皮淺裂型高于厚皮深裂和薄皮深裂型；木纖維的壁腔比則以厚皮淺裂和薄皮淺裂型低于厚皮深裂和薄皮深裂型。綜合考慮纖維含量、纖維長度、纖維長寬比和壁腔比這4個指標(biāo)，應(yīng)選用厚皮淺裂和薄皮淺裂型為好，這2類木纖維含量高，雖說木纖維長度不是最大，但長寬比大、壁腔比小，這樣的纖維結(jié)合緊密，生產(chǎn)出的制品性能較優(yōu)。

表 2 陜西不同類型栓皮櫟的木纖維形態(tài)及組織比量

2.3 不同類型栓皮櫟木材的物理力學(xué)性能

密度屬于木材物理力學(xué)性質(zhì)的范疇，其與木材力學(xué)性能呈正相關(guān)關(guān)系[18]。按照氣干密度的分級，0.75～0.95 g/cm3可判為木材氣干密度大[19]。由表3可知，4種類型栓皮櫟木材的氣干密度都在該范圍內(nèi)，相比較而言，薄皮淺裂型木材的基本密度和氣干密度比其他3種類型大，密度越大則其強度越大；其他3種類型木材的密度相差很小。

表 3 陜西不同類型栓皮櫟木材的主要物理力學(xué)性能

木材在纖維飽和點以下會失水干縮，干縮程度可用干縮系數(shù)來表示，干縮系數(shù)越大表明木材干燥后收縮越大[20]。由表3可見，徑向、弦向和體積干縮系數(shù)均以厚皮淺裂型木材最小，說明厚皮淺裂型木材干燥后收縮最小，也就是說最不容易開裂變形和翹曲；厚皮深裂、薄皮淺裂和薄皮深裂型木材的干縮系數(shù)相差不大。

對4種類型栓皮櫟木材的強度進行分級，可知只有厚皮淺裂型木材的抗彎強度屬于高級，其他3種類型均屬于很高級[19]；4種類型栓皮櫟木材的抗彎彈性模量均屬于很高級[16]；從順紋抗壓強度來看，厚皮淺裂型屬于中等級，厚皮深裂和薄皮深裂型屬于高級，薄皮淺裂型屬于很高級[19]。薄皮淺裂型木材的3種力學(xué)強度指標(biāo)明顯高于其他類型，厚皮淺裂型的相對最小，厚皮深裂型和薄皮深裂型比較接近。

3 結(jié) 論

1)薄皮深裂、薄皮淺裂、厚皮深裂和厚皮淺裂4種類型栓皮櫟的木材構(gòu)造只有很細微的區(qū)別：晚材帶管孔寬度表現(xiàn)為厚皮深裂型寬1管孔，厚皮淺裂型寬2管孔，薄皮淺裂和薄皮深裂型寬3管孔；軸向薄壁細胞內(nèi)含晶體的有薄皮淺裂和薄皮深裂型，厚皮淺裂和厚皮深裂型不含晶體；厚皮深裂型的單列射線有2列或成對現(xiàn)象，其他3種類型均為單列。

2)綜合考慮木纖維的組織比量、長度、長寬比和壁腔比，厚皮淺裂和薄皮淺裂型栓皮櫟木材要優(yōu)于厚皮深裂和薄皮深裂型。

3)綜合考慮木材的密度和干縮性能，厚皮淺裂型栓皮櫟木材較優(yōu)；單從木材強度來講，薄皮淺裂是最好的類型。

總之，如果考慮用作實木地板和建筑，4種類型木材的強度均能滿足要求；如果用作建筑，特別是作為柱子，則木材順紋抗壓和抗彎強度要大，同時結(jié)合木材的構(gòu)造、纖維形態(tài)和組織比量，首先推選薄皮淺裂型作為栓皮櫟優(yōu)良類型；如果用作實木地板，除木材強度要滿足要求外，還要考慮尺寸穩(wěn)定性和變形問題，故首推厚皮淺裂型作為栓皮櫟優(yōu)良類型。

[參考文獻]

[1] 吳征縊.中國植被 [M].北京:科學(xué)出版社,1980:261-262.

Wu Z Y.Chinese vegetation [M].Beijing:Science Press,1980:261-262.(in Chinese)

[2] 中國森林編輯委員會.中國森林 [M].北京:中國林業(yè)出版社,1999:1190-1195.

Chinese Forest Editorial Board.Chinese forest [M].Beijing:China Forestry Publishing House,1999:1190-1195.(in Chinese)

[3] 雷明德. 陜西植被 [M].北京:科學(xué)出版社,1999:163-164.

Lei M D.Shaanxi vegetation [M].Beijing:Science Press,1999:163-164.(in Chinese)

[4] 陜西森林編輯委員會. 陜西森林 [M].北京:中國林業(yè)出版社,1989:235-240.

Shaanxi Forest Editorial Board.Shaanxi forest [M].Beijing:China Forestry Publishing House,1989:235-240.(in Chinese)

[5] 張文輝，盧志軍.栓皮櫟種群的生物學(xué)生態(tài)學(xué)特性和地理分布研究 [J].西北植物學(xué)報，2002,22(5):1093-1101.

Zhang W H，Lu Z J.A study on the biological and ecological property and geographical distribution ofQuercusvariabilispopulation [J].Acta Botanica Boreali-occidentali Sinica,2002,22(5):1093-1101.(in Chinese)

[6] 鄭萬均.中國樹木志:2卷 [M].北京:中國林業(yè)出版社,1985:2330-2531.

Zheng W J.Chinese silva:Volume 2 [M].Beijing:China Forestry Publishing House,1985:2330-2531.(in Chinese)

[7] 傅煥光,于光明.栓皮櫟栽培與利用 [M].北京:中國林業(yè)出版社,1978:1-22.

Fu H G，Yu G M.Cultivation and use ofQuercusvariabilis[M].Beijing:China Forestry Publishing House,1978:1-22.(in Chinese)

[8] 張文輝，盧志軍，李景俠，等.陜西不同林區(qū)栓皮櫟種群空間分布格局及動態(tài)的比較研究 [J].西北植物學(xué)報,2002,22(3)：476-483.

Zhang W H，Lu Z J，Li J X，et al.A comparative study on spatial distribution pattern and its dynamics ofQuercusvariabilispopulations among different forest areas in Shaanxi Proviance,China [J].Acta Botanica Boreali-occidentali Sinica,2002,22(3)：476-483.(in Chinese)

[9] 丁惠萍，錢克紅，楊運經(jīng). 陜西栓皮櫟種群分布格局的分形特征 [J].西北林學(xué)院學(xué)報,2007,22(6):7-9.

Ding H P，Qian K H，Yang Y J.Fractal properties of the spatial pattern ofQuercusvariabilispopulation in Shaanxi [J].JournaI of Northwest Forestry University,2007,22(6):7-9.(in Chinese)

[10] 李 林，黃忠良，張海忠，等. 陜西省栓皮櫟群落物種多樣性的空間異質(zhì)性 [J].福建林學(xué)院學(xué)報,2006(1):63-68.

Li L，Huang Z L，Zhang H Z，et al.Spatial heterogeneity on species diversity ofQuercusvariabiliscommunity in Shaanxi Province [J].Journal of Fujian College of Forestry,2006(1):63-68.(in Chinese)

[11] 韓照徉，山 侖. 栓皮櫟種群變異與適應(yīng)對策研究 [J].林業(yè)科學(xué),2005,41(6):19-25.

Han Z X，Shan L.Variation and adaptive countermeasures ofQuercusvariabilispopulation in Shaanxi province [J].Scientia Silvae Sinicae,2005,41(6):19-25.(in Chinese)

[12] 周建云，曹旭平，張宏勃，等.陜西栓皮棟天然類型劃分研究 [J].西北林學(xué)院學(xué)報,2009,24(1):16-19.

Zhou J Y，Cao X P，Zhang H B，et al.Classification of natural types ofQuercusvariabilisin Shaanxi province [J].JournaI of Northwest Forestry University,2009,24(1):16-19. (in Chinese)

[13] 汪師孟，夏美君.中國櫟屬木材的構(gòu)造及物理力學(xué)性質(zhì) [J].北京林學(xué)院學(xué)報,1983(3)：64-72.

Wang S M，Xia M J.Structures and some physical-mechanical properties of three Chinese oaks [J].Journal of Beijing Forestry College，1983(3)：64-72.(in Chinese)

[14] 梁 文.五種櫟木識別和材性探討 [J].廣西農(nóng)學(xué)院學(xué)報,1992，11(1):63-66.

Liang W.A study on the identification and propertites of wood of five species ofQuercus[J].Journal of Guangxi Agricultural College，1992，11(1):63-66.(in Chinese)

[15] 劉志杰，虞木奎，方升佐，等.殼斗科4個樹種木材基本密度及燃燒值的變異分析 [J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,31(4):674-678.

Liu Z J，Yu M K，F(xiàn)ang S Z，et al.Variation analysis of wood basic density and caloric value of four tree species in Fagaceae [J].Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis,2009,31(4):674-678.(in Chinese)

[16] 汪秉全.陜西木材 [M].西安: 陜西人民出版社,1979.

Wang B Q.Shaanxi timbers [M].Xi’an:Shaanxi People’s Publishing House,1979.

[17] 姜笑梅，張立非，劉 鵬.拉丁美洲熱帶木材 [M].2版.北京:中國林業(yè)出版社,2008.

Jiang X M,Zhang L F,Liu P.Latin America tropical timber [M].Second edition.Beijing:China Forestry Publishing Hou-se,2008.(in Chinese)

[18] 成俊卿，楊家駒，劉 鵬.中國木材志 [M].北京:中國林業(yè)出版社,1992.

Cheng J Q,Yang J J,Liu P.China woods will [M].Beijing:China Forestry Publishing House,1992.(in Chinese)

[19] 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所.中國主要樹種的木材物理力學(xué)性質(zhì) [M].北京:中國林業(yè)出版社,1982.

Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry.Wood physical-mechanical properties of main species in China [M].Beijing:China Forestry Publishing House,1982. (in Chinese)

[20] 劉一星，趙廣杰.木質(zhì)資源材料學(xué) [M].北京:中國林業(yè)出版社,2004.

Liu Y X,Zhao G J.Wood resources in materials science [M].Beijing:China Forestry Publishing House,2004.(in Chinese)