水曲柳人工林節(jié)子愈合與變色特征1)

關(guān)追追 馮晨辛 張彥東

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

隨著人們生活水平的提高，對高質(zhì)量木材的需求日益增加。節(jié)子會顯著影響木材的紋理和力學(xué)性質(zhì)，降低木材的質(zhì)量和等級[1-3]。如何減少節(jié)子對木材質(zhì)量的影響已成為森林培育領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

節(jié)子根據(jù)質(zhì)地及其與周圍木材的連生程度不同，可分為活節(jié)和死節(jié)。活節(jié)與周圍木材緊密連生，質(zhì)地堅硬；死節(jié)不與周圍木材連生，質(zhì)地松軟，在板材加工時容易脫落，形成空洞[4]。因此，減少死節(jié)的數(shù)量、減小死結(jié)尺寸對提高木材質(zhì)量十分重要。據(jù)報道，死節(jié)半徑隨枝條直徑、死枝樁長度增長而顯著增大[5]，隨節(jié)子著生角度增大而縮小[6-7]。節(jié)子變色是影響木材質(zhì)量的另一個重要因子。節(jié)子變色主要是真菌等微生物在節(jié)子未完全愈合時侵染引起，節(jié)子愈合時間決定真菌侵染程度，進(jìn)而影響節(jié)子變色長度[8-9]。有研究指出，節(jié)子愈合時間與枝條尺寸有關(guān)，枝條直徑越大，節(jié)子愈合時間越長[10-11]；樹干直徑生長速率越高，節(jié)子愈合時間越短[5]。Petruncio et al.[12]對花旗松(Pseudotsugamenziesii)以及O’Hara et al.[13]對北美黃松(Pinusponderosa)研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)子愈合時間隨著死枝樁長度增長而增加。枝條直徑、死枝樁長度、節(jié)子愈合期間樹干直徑生長速率均會影響節(jié)子愈合時間，改變節(jié)子變色長度[14-16]。目前，關(guān)于針葉樹自然整枝條件下節(jié)子內(nèi)部屬性和分布的研究較多[7，17-20]，闊葉樹節(jié)子特征的報道較少[4，21]，也鮮有關(guān)于節(jié)子屬性、節(jié)子愈合過程及其變色特性之間關(guān)系的研究。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)是我國東北地區(qū)珍貴用材樹種，其木材堅硬致密，紋理美觀，是工業(yè)和民用的高級用材。通常水曲柳林冠下死枝較多，容易形成死節(jié)。目前關(guān)于水曲柳節(jié)子愈合及其變色特性研究較少。本研究通過對自然整枝條件下形成的水曲柳節(jié)子進(jìn)行解剖，探究水曲柳節(jié)子直徑、死節(jié)半徑等對其愈合時間與變色長度的影響規(guī)律，為培育水曲柳優(yōu)質(zhì)良材提供參考。

1 研究地概況

試驗區(qū)設(shè)在黑龍江省佳木斯市孟家崗林場，地理坐標(biāo)為130°32′42″～130°52′36″E，46°20′～46°30′50″N。該林場地處完達(dá)山西麓余脈，以低山丘陵為主，坡度較為平緩，平均海拔為250 m。該地區(qū)屬東亞大陸性季風(fēng)氣候，春季少雨干旱；夏季溫暖濕潤，降雨較多；冬季寒冷干燥。年平均氣溫為2.7 ℃，年平均降水量約為550 mm，無霜期120 d左右。地帶性土壤為暗棕壤，非地帶性土壤有白漿土、草甸土等。

2 材料與方法

在孟家崗林場79林班，選擇49年生的水曲柳和落葉松人工混交林，設(shè)置4塊樣地，每塊樣地面積0.15 hm2?；旖涣种兴吐淙~松比例約為1∶1，林分密度為1 110株·hm-2。其中水曲柳平均樹高18.4 m、平均胸徑15.29 cm、平均枝下高9.3 m，該林分一直未進(jìn)行人工修枝。在每塊樣地中隨機(jī)選取4株水曲柳優(yōu)勢木或亞優(yōu)勢木進(jìn)行破壞性取樣，共獲取16株樣木，所選樣木的平均樹高19.5 m、平均胸徑15.84 cm、平均枝下高9.7 m。

對選取的16株水曲柳樣木進(jìn)行節(jié)子取樣，取樣前利用羅盤定下北向(N)，并從樹干基部向上標(biāo)出，測定節(jié)子方位角時，以此方向為0°。沿順時針方向測量節(jié)子方位角，節(jié)子方位角分布0～360°。取樣時將樣木伐倒，測量每個節(jié)子的著生高度，從伐根到樹冠基部每間隔1 m截成木段，每個木段中挑選含有節(jié)子的部分截取10～30 cm長的圓盤。節(jié)子位置由枝條被包藏后留在樹干上的疤痕確定，每個圓盤中隨機(jī)選取2個節(jié)子進(jìn)行解剖，共獲取372個節(jié)子。解剖時使用油鋸沿樹干和節(jié)子髓心方向縱向剖開，得到節(jié)子剖面(圖1)，電刨打磨光滑后帶回實驗室。

節(jié)子剖面圖(從Hein[4]中修改)：節(jié)子中灰色區(qū)域是死節(jié)，其余部分是活節(jié)。死節(jié)半徑；活節(jié)半徑；節(jié)子總半徑；節(jié)子直徑；∠FGC.節(jié)子著生角度；節(jié)子髓心；樹干髓心；YB.節(jié)子形成年份；Y1.節(jié)子徑向生長的最后1年；Y2.節(jié)子開始愈合的第1年；YD.節(jié)子死亡年份，YD=(Y1+Y2)/2；YO.節(jié)子完全愈合年份；節(jié)子變色長度；OT.節(jié)子愈合時間(YO-YD)。

利用20倍放大鏡，根據(jù)Hein[4]提出的方法進(jìn)行節(jié)子屬性測量，測量指標(biāo)包括：節(jié)子形成年份、死亡年份、完全愈合年份、節(jié)子著生角度、節(jié)子直徑、活節(jié)半徑、死節(jié)半徑、節(jié)子總半徑、節(jié)子變色長度、節(jié)子愈合時間(圖1)，所測定的水曲柳節(jié)子基本特性見表1。

本研究使用SPSS22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析；最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行多重比較，差異顯著性水平α=0.05；Microsoft Office Excel 2010和Photoshop7.0軟件制圖、制表。

3 結(jié)果與分析

3.1 節(jié)子愈合時間與變色長度頻率分布

水曲柳節(jié)子愈合時間為1～17 a，平均愈合時間約為6.7 a(表1)。愈合時間為7 a的節(jié)子，所占頻率最高約為16.1%；節(jié)子愈合時間大于11 a和小于2 a時，所占頻率明顯降低，均不超過2.0%。大部分節(jié)子(約占91.1%)的愈合時間為3～11 a；約有5.9%節(jié)子的愈合時間超過了11 a；節(jié)子愈合時間低于3 a的節(jié)子所占頻率不足3.0%(表2)。

水曲柳節(jié)子均出現(xiàn)了變色現(xiàn)象，平均變色長度約為30.93 mm(表1)。變色長度在20.01～40.00 mm的節(jié)子所占頻率最高約為42.7%；節(jié)子變色長度超過40.00 mm時，所占頻率隨著節(jié)子變色長度的增長而逐漸減小。大部分節(jié)子(約占92.2%)的變色長度不超過60.00 mm；僅有不足3.0%的節(jié)子變色長度超過80.00 mm(表3)。

表1 水曲柳人工林節(jié)子屬性統(tǒng)計

表2 水曲柳節(jié)子愈合時間頻率分布

表3 水曲柳節(jié)子變色長度頻率分布

3.2 節(jié)子愈合時間水平分布

水曲柳節(jié)子愈合時間在水平方向上的分布存在明顯差異。位于東北方向的節(jié)子愈合時間最短，約為6.1 a；位于西南方向的節(jié)子愈合時間最長，約為7.3 a；位于東南和西北方向的節(jié)子愈合時間基本相同，分別約為6.6 a和6.8 a。與東北方向的節(jié)子愈合時間相比，東南、西南、西北方向的節(jié)子平均愈合時間分別增加了0.5、1.2、0.7 a，其中西南方向的節(jié)子愈合時間與東北方向達(dá)到顯著差異(P<0.05)，東南、西北方向的節(jié)子愈合時間與東北方向節(jié)子愈合時間差異不顯著(P>0.05)。

3.3 節(jié)子愈合時間與變色長度垂直分布

水曲柳節(jié)子愈合時間與變色長度隨節(jié)子著生高度不同而發(fā)生改變。位于樹干高度10.0 m以下的節(jié)子，愈合時間與變色長度總體上隨節(jié)子著生高度增加而逐漸增長(P<0.05)。位于樹干高度8.1～10.0 m的節(jié)子愈合時間最長，約為7.9 a，此時節(jié)子變色長度最大，約為34.57 mm；位于樹干高度0.1～2.0 m的節(jié)子愈合時間最短，約為5.3 a，此時節(jié)子變色長度最小，約為25.64 mm。位于樹干高度8.1～10.0 m的節(jié)子，愈合時間明顯長于高度在6.0 m以下的節(jié)子(P<0.05)。節(jié)子著生高度低于2.0 m時，節(jié)子變色長度明顯小于高度在6.0 m以上的節(jié)子(P<0.05)；節(jié)子著生高度高于2.0 m時，節(jié)子變色長度差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(表4)。

表4 水曲柳節(jié)子愈合時間、變色長度隨節(jié)子著生高度變化的規(guī)律

3.4 節(jié)子直徑對愈合時間與變色長度的影響

水曲柳節(jié)子直徑對節(jié)子愈合時間、變色長度的影響規(guī)律相似，節(jié)子愈合時間、變色長度均隨節(jié)子直徑的增加而增大。節(jié)子直徑低于5.00 mm時，節(jié)子平均愈合時間約為4.9 a，平均變色長度約為18.24 mm；節(jié)子直徑在10.01～15.00 mm時，節(jié)子平均愈合時間約為7.7 a，節(jié)子平均變色長度約為26.13 mm；節(jié)子直徑超過15.00 mm時，節(jié)子變色長度顯著增大(P<0.05)；節(jié)子直徑超過20.00 mm時，節(jié)子愈合時間明顯增長(P<0.05，表5)。

表5 水曲柳節(jié)子愈合時間、變色長度與節(jié)子直徑的關(guān)系

3.5 死節(jié)半徑對節(jié)子愈合時間與變色長度的影響

水曲柳節(jié)子愈合時間與變色長度均隨著死節(jié)半徑的增加而增加，但二者的變化趨勢不同。節(jié)子愈合時間隨死節(jié)半徑呈冪函數(shù)形式增加，節(jié)子變色長度隨死節(jié)半徑呈指數(shù)形式增加。死節(jié)半徑低于20.00 mm時，節(jié)子愈合時間不超過7.3 a，節(jié)子變色長度不超過29.52 mm；死節(jié)半徑為30.00 mm時，節(jié)子愈合時間約為10.4 a，節(jié)子變色長度約為51.31 mm；死節(jié)半徑高于40.00 mm時，節(jié)子愈合時間大于13.2 a，節(jié)子變色長度大于89.21 mm。當(dāng)死節(jié)半徑擴(kuò)大2倍，節(jié)子愈合時間增加近2倍，節(jié)子變色長度增加近3倍(圖2)。

圖2 水曲柳節(jié)子愈合時間、變色長度與死節(jié)半徑的關(guān)系

3.6 節(jié)子愈合時間對變色長度的影響

水曲柳節(jié)子變色長度隨著節(jié)子愈合時間的增加呈顯著增大的趨勢(P<0.05)。節(jié)子愈合時間為1～3 a時，節(jié)子變色長度最小，約為16.30 mm；愈合時間為4～6 a時，變色長度約為24.26 mm；愈合時間為7～9 a時，變色長度約為34.60 mm；愈合時間為10～12 a時，變色長度約為43.74 mm；愈合時間為13～15 a時，變色長度達(dá)到最大，約為62.09 mm；愈合時間為16～18 a時，變色長度略有減小，約為60.51 mm。當(dāng)節(jié)子愈合時間低于15 a時，各時間段的節(jié)子變色長度均差異顯著(P<0.05)。

4 結(jié)論與討論

節(jié)子愈合時間決定了枝條暴露在空氣中時間的長短，影響木材受到真菌侵染的程度[8]。本研究發(fā)現(xiàn)水曲柳節(jié)子的平均愈合時間約為6.7 a(表1)，略低于同屬的歐洲白蠟(Fraxinusexcelsior)[3](約7.7 a)，但高于米老排(Mytilarialaosensis)[21](約4.6 a)和西南樺(Betulaalnoides)[5](約1.9 a)的節(jié)子平均愈合時間，說明水曲柳在自然整枝條件下節(jié)子愈合時間相對較長。節(jié)子愈合時間與樹種生長特性密切相關(guān)，直徑生長速率越快的樹種，節(jié)子愈合時間越短[5，22]。光照會影響節(jié)子的空間分布[26-28]，水曲柳在西南方向的節(jié)子愈合時間明顯長于東北方向的節(jié)子(P<0.05)。位于西南方向的枝條接收太陽有效輻射較多，提高葉片的凈光合速率，促進(jìn)枝條直徑的生長，但增加了節(jié)子愈合的難度，延長節(jié)子愈合時間。隨節(jié)子著生高度的增加，節(jié)子愈合時間與變色長度逐漸增加(P<0.05，表4)。這與米老排[21]的研究結(jié)果類似，原因是隨著樹干高度的增加，節(jié)子直徑逐漸增大，節(jié)子愈合時間與變色長度也隨之增加(表5)。本研究發(fā)現(xiàn)水曲柳節(jié)子愈合時間隨著節(jié)子直徑和死節(jié)半徑的增加而增長(表5和圖2)。對西南樺[5，22]、歐洲白蠟、歐亞槭(Acerpseudoplatanus)[3]等樹種的研究也得到類似結(jié)果：樹木節(jié)子直徑越大，死枝樁長度越長，節(jié)子被樹干包藏的難度增大，從而延長節(jié)子愈合時間。為減少節(jié)子愈合時間應(yīng)盡量降低節(jié)子直徑和死枝樁長度。

本研究中水曲柳節(jié)子均出現(xiàn)了變色現(xiàn)象，平均變色長度約為30.93 mm(表1)。與歐洲白蠟(平均變色長度約為37.20 mm)和歐亞槭(平均變色長度約為65.10 mm)[14]自然整枝條件下節(jié)子平均變色長度相比，水曲柳節(jié)子平均變色長度較短。水曲柳絕大多數(shù)節(jié)子(約占92.2%)的變色長度低于60.00 mm，僅有不足3.0%的節(jié)子變色長度超過了80.00 mm(表3)。由此說明，盡管水曲柳節(jié)子容易發(fā)生變色，但只有極少數(shù)節(jié)子會出現(xiàn)嚴(yán)重變色。水曲柳節(jié)子變色長度隨著節(jié)子直徑的增加而增大，當(dāng)節(jié)子直徑超過15.00 mm時，節(jié)子變色長度會隨著節(jié)子直徑的增加而明顯增大(P<0.05，表5)。據(jù)Nicolscu et al.[24]、Wardlaw et al.[23]對歐洲白蠟和光亮桉(Eucalyptusnitens)的研究表明，在節(jié)子直徑超過30.00 mm時，節(jié)子變色風(fēng)險才顯著增加。說明水曲柳節(jié)子隨直徑的增大更容易受真菌侵染而發(fā)生變色現(xiàn)象。節(jié)子變色程度與樹木活力、自身的防腐能力有關(guān)，活力旺盛的樹種防腐能力較強(qiáng)，節(jié)子發(fā)生變色的頻率較低。樹木節(jié)子直徑越大，死節(jié)半徑越大，越容易受到真菌侵染發(fā)生變色和病腐現(xiàn)象[3，5，25]。因此，減小節(jié)子直徑有助于縮短死節(jié)半徑和節(jié)子變色長度。

總之，水曲柳在自然整枝條件下節(jié)子愈合時間較長，極易受到真菌侵染而發(fā)生變色。節(jié)子直徑和死節(jié)半徑是決定節(jié)子變色程度的主要因素，當(dāng)節(jié)子直徑超過15.00 mm，死節(jié)半徑超過30.00 mm時，節(jié)子變色長度均明顯增加。因此，為了減少水曲柳節(jié)子變色現(xiàn)象發(fā)生，在水曲柳枝條直徑達(dá)到15.00 mm時應(yīng)及時進(jìn)行修枝，去掉死亡的枝條，減小死節(jié)半徑，從而降低木材變色風(fēng)險。