全 文 ：林业科学研究 2006, 19( 3): 364~ 369
Forest R esearch
文章编号: 10011498( 2006) 03036406
栽植密度对小黑杨人工林木材解剖特性的影响*
任海青1, 刘杏娥1* * , 江泽慧 1, 汪佑宏 2, 虞华强1
( 1.中国林业科学研究院木材工业研究所,北京 100091; 2.安徽农业大学林学与园林学院,安徽 合肥 230036 )
摘要: 以山西朔州地区的小黑杨人工林为研究材料, 研究不同栽植密度 ( 1 000、500、250株 hm - 2 )对小黑杨木材解
剖特性的影响。结果表明: 栽植密度对纤维宽度、双壁厚、导管比量、胞壁率、导管个数、导管弦向直径的影响达极显
著水平; 对壁腔比的影响达显著水平; 对纤维长度、长宽比、纤维比量、射线比量虽有一定的影响 ,但不显著。栽植密
度与纤维宽度、导管直径呈负相关关系, 与导管个数和比量呈正的相关关系。栽植密度对纤维形态的径向变异有不
同程度的影响, 但不改变纤维形态变异的一般规律。纤维长度的径向变异为从髓心至树皮向外逐渐增加, 到第 12
轮达到最大值后略有下降,纤维宽度、长宽比、双壁厚、腔径的径向变异类似于纤维长度; 壁腔比的总体径向变异为
沿髓心向外, 呈先升后降的波动性变异趋势。
关键词: 小黑杨人工林;栽植密度 ;木材性质; 解剖特性
中图分类号: S718 4 文献标识码: A
收稿日期: 20050816
基金项目: 国家自然科学基金重点项目 利用遥感技术预测人工林木材性质和利用价值的研究! ( 30230420)资助.
作者简介: 任海青 ( 1969 ∀ ) ,女,江苏扬州人,副研究员,博士.
* 中国林科院木材工业研究所的吴荷英、许明坤参加试验工作,在此一并致谢.
* * 通讯作者.
Effects of P lanting Density onW ood Anatom ical Properties
ofPopulus # xiaohei
REN Haiqing1, LIU X inge1, JIANG Zehui1, WANG Youhong 2, YU Huaqiang1
( 1. Research Inst itu te ofWood Indus try, CAF, Beij ing 100091, Ch ina;
2. Co llege of Fores try& G ardens, A nhu iAgricualtu ralUn iversity, H efei 230036, Anhu,i Ch ina)
Abstract: The effects of different planting dens ities( 1 000, 500, 250 trees hm- 2 ) on anatom ical propert ies ofPopulus #x i
aohei w ere studied in Shuozhou County, Shanx iProv ince. The resu lts indicated that the effects of planting densit ies on fiber
w idth, double w all th ickness, vesse l ratio, fiber wall rat io, vessel number, vessel tangential diam eter w ere highly s ign ifi
cant, and that on ratio ofwall to lum en was significant, but for the fiber length, ratio of length to w idth, tissue rat io of fi
bers and raysw ere not s ignificant. T he planting dens ities had certa in effects on the radial variation of fiber properties. T he
results showed an in itially rap id and then gentle increase of f iber leng th and w idth, f iberw all th ickness and ratio of length
to w idth from p ith to outw ard, while ratio of fiber wall to lum en gradually decreased and then tended to stable.
K ey words:Populus #x iaohei plantat ion; p lanting density; w ood properties; anatom ical propert ies
栽植密度是营林措施中一项重要的措施, 也是
人工林培育中一个十分重要的技术环节, 是形成一
定的林分水平结构的数量基础, 对各生长期林分的
保留密度有决定性的影响, 因而也显著地影响到林
分的生长发育、林地的生产力水平、定向培育的目的
材种和经营者的经济效益。树木是固着生物, 其生
长受到相邻树木和其它树种的影响 [ 1 ]。一般而言,
林分密度愈大,干形愈丰满,整个林分愈不稳定; 而
第 3期 任海青等: 栽植密度对小黑杨人工林木材解剖特性的影响
林分密度愈稀,树木的尖削度愈大, 易形成较大的树
节、较宽的年轮宽度和更多的幼龄材, 因而材质较
差,所以选择合理的栽植密度是极其重要的 [ 2]。我
国一些学者曾对造林密度与木材性质的关系进行了
研究, 但仅限于部分树种, 如: 杉木 ( Cunn ingham ia
lanceolata( Lamb ) H ook ) [ 3]、落叶松 ( Larix gm elinii
( Rupr ) Rupr. ) [ 4]、马 尾 松 ( P inus massoniana
Lamb. )
[ 5 ]、尾叶桉 ( Eucalyp tus urophy lla S. T.
B lake)
[ 6]和昭林 6号杨 ( P. #x iaozhuanica W. Y.
Hsu cv. ∃Zhaolin6% ) [ 2]等。对广泛栽培于中国 三
北 !地区耐旱、抗寒的小黑杨 ( Populus #x iaohei T. S.
Hw ang et L iang)的材性研究未见报道。本文以山西
朔州地区小黑杨人工林为试验材料, 系统地研究栽
植密度对小黑杨人工林木材解剖特性的影响, 旨在
为 三北 !地区小黑杨速生、丰产、优质、高效人工林
的培育与利用提供最佳培育方案和合理利用杨木提
供理论依据。
1 试验材料和方法
1. 1 材料
试验地点位于山西省朔州市薛家庄国有林场,
小黑杨于 1977年用 2年生苗造林, 主栽小黑杨, 间
混群众杨 (P. #x iaozhuanicaW. Y. H su et L iang cv.
∃Popu laris% ),造林面积 21. 6 hm2。试验林采用随机
区组试验设计,在经营水平相同的前提下, 依照生产
需要, 从 1. 5m # 5 m ( 1 333株 hm- 2 )、2m # 5 m
( 1 000株 hm- 2 )、2m # 6m ( 833株 hm- 2 )、2m
# 8m ( 625株 hm - 2 )、3 m # 6m ( 556株 hm- 2 )、
3 m # 8 m ( 417株 hm- 2 )、4 m # 5 m ( 500株
hm
- 2
)、4 m # 6 m ( 417株 hm- 2 )、4 m # 8 m ( 312
株 hm- 2 )到 4 m # 10 m ( 250株 hm - 2 )共设置了
9个不同密度,各 3次重复, 共 27个小区。根据各种
密度的生长状况, 在林分中选取 ( 2 m # 5m ( A )、4m
# 5m ( B)、4 m # 10 m ( C) ) 3种栽植密度。每种密
度设置标准地 3块,标准地面积为 900m2 ( 30m # 30
m )。
1. 2 试材采集、试样制作和测试
1. 2. 1 试材采集及试样制作 试材采集按照国家
标准 [ 7]进行。 2004年 5月在 3种栽植密度的标准
地中,根据每木检尺的结果, 按径阶大小及频率分布
选取样木株数。在样木胸高北向用砍伐样木和生长
锥钻取木芯的方法取样。分别于伐倒木 (株数为
14、13、9株 )胸高处截取 10 cm厚圆盘,标出南北向
及编号。另于活立木上钻取 5 mm的木芯。野外记
录情况见表 1。将圆盘沿直径最小的中心线锯解成
2 cm宽的木条,每根均在北向取材, 用于纤维形态
和组织比量的测定。在每种密度中各选取 3株平均
木胸径所在径阶的胸高处木条, 从髓心向外,每隔两
年截取离析和切片材料; 其余木条和木芯分别于心
材内部、幼龄材外部和边材外部截取。
1. 2. 2 试样测试与数据处理 木材解剖特性的测
试采用常规方法切片、离析与测定 [ 8]。利用 Excel、
SAS统计软件中相关程序进行数据处理和分析。
表 1 试材采集野外记录
试验处理 样木年龄 / a 株行距 郁闭度 胸径范围 / cm 株数 /株 平均树高 /m 平均胸径 / cm 土壤类型
A 29 2m # 5 m 0. 7 14. 1~ 24. 2 31 16. 2 18. 3 草甸土
B 29 4m # 5 m 0. 7 16. 5~ 25. 2 29 16. 7 22. 8 草甸土
C 29 4m # 10 m 0. 7 24. 8~ 31. 7 26 18. 5 27. 2 草甸土
2 结果与分析
2. 1 不同栽植密度对小黑杨木材纤维形态的影响
2. 1. 1 不同栽植密度对小黑杨纤维形态均值的影
响 纤维形态影响着木材的利用, 特别关系到制浆
造纸质量高低 [ 9]。一般纤维壁厚、壁腔比大、腔径比
小,则木材密度高,物理力学强度大;而纤维长、腔径
比和长宽比大、壁腔比小, 则制浆造纸时纤维易压
溃、纤维交织性能好, 纸浆性能好 [ 10]。
不同栽植密度间小黑杨纤维形态特征均值及方
差分析见表 2。由表 2可知, 3种栽植密度的林分其
纤维长度分别为 980. 9、1 016. 8、1 005. 2 m, 均达
到国际木材解剖学会规定的中级标准。纤维长度平
均值间有差异,趋势为:密度较小的林分中产生较短
的纤维长度, 密度较大的林分则形成较长的纤维, 具
体表现为 B纤维长度最长, 分别比 A、C长 3. 6%、
12%;这与前人研究结果一致 [ 2, 11]。经 SNK方差
检验表明, 3种密度间纤维长度在 0. 05水平上差异
不显著。
纤维宽度均值分别为 24. 52、25. 17、25. 36
365
林 业 科 学 研 究 第 19卷
m,反映出纤维宽度有随造林间距增加而增大的
趋势。方差分析发现: 不同栽植密度间纤维宽度
在 001水平上差异显著。这是因为随着栽植密
度的减小 , 林分中树冠的生长空间得到改善 , 根
系对土壤水分和养分竞争得以缓和, 并使树干能
得到充分的侧方光照, 树木光合作用产生的碳水
化合物相对较多, 有利于形成层细胞的分化和生
长 [ 9]。而小黑杨为强阳性树种, 其生长发育需要
较强的光照,当密度增大时, 增加了侧方庇荫, 使
植株体内的细胞组织发育受到抑制, 即细胞体积
减小。所以栽植密度越大, 纤维宽度越小。这与
昭林 6号杨 [ 2]的结果相一致。
不同栽植密度小黑杨的纤维长宽比均 > 35, 密
度最大的林分纤维长度最短,但纤维宽度也最小,因
而长宽比值并未最小; 密度最小的林分, 纤维长度呈
中等长度,纤维宽度最大,其长宽比最小; 长宽比最
大的是 B林分。经方差分析表明: 3种栽植密度间
的差异没有达到统计学上的显著水平。各种栽植密
度小黑杨的壁腔比皆 < 1, 是很好的造纸原料 [ 12 ]。
其中,双壁厚、壁腔比皆属 B最大,最大、最小密度的
林分值皆小, 且与 A、C差异明显, 达到 0. 01水平上
显著。
从以上的分析可以得知, 栽植密度对小黑杨的
纤维形态特征有一定的影响,特别是对纤维宽度、双
壁厚和壁腔比的影响显著, 这几个因子都与树木的
生长密切相关。
表 2 不同栽植密度小黑杨木材解剖特性均值及方差比较
栽植
密度
纤维形态特征
长度 /
m
宽度 /
m
双壁厚 /
m
腔径 /
m
长宽
比
壁腔
比
导管特征
个数 /
(个 mm - 2 )
弦向直
径 /m
组织比量 /%
纤维
比量
导管
比量
射线
比量
胞壁
率
2 m # 5m 980. 9A 24. 52B 5. 86A 13. 30A 40. 04A 0. 44A 105. 47A 49. 85A 46. 96A 27. 65A 11. 05A 61. 29A
4 m # 5m 1 016. 8A 25. 17A 6. 37B 13. 29A 40. 45A 0. 48B 96. 10B 52. 49B 45. 97A 28. 18A 11. 08A 60. 81A
4 m # 10m 1 005. 2A 25. 36A 5. 83A 12. 98A 39. 68A 0. 45A 84. 71C 53. 57B 46. 08A 25. 46B 11. 38A 63. 08B
p 0. 052 0. 001 0. 002 0. 261 0. 573 2 0. 021 2 0. 000 1 0. 000 1 0. 38 0. 000 1 0. 39 0. 000 4
注:大写字母相同表示用 SNK法检验在 0. 05水平上差异不显著。
2. 1. 2 不同栽植密度对小黑杨纤维形态特征径向
变异的影响 图 1~ 6分别为胸高处纤维长度、宽
度、纤维双壁厚、纤维腔径、长宽比和壁腔比随年龄
和栽植密度的变化曲线。由图 1可以看出: 小黑杨
纤维长度从髓心向外逐渐增加,变化曲线从第 12轮
处发生转折,趋于平缓, 表明纤维长度进入成熟期,
达到最大值后略有下降, 3种栽植密度的变化趋势
相同, 符合纤维长度径向变异的一般规律 [ 13]。纤维
长度径向变化程度受造林密度的影响。在较低的造
林密度条件下径向变化规律不显著, 较高的造林密
度下纤维长度径向变异程度显著增大。 3种密度下
小黑杨纤维长度的径向变异趋势与滩地 I69杨 (P.
delto ides Bartr. cv. ∃Lux% )、I63杨 (P. deltoides Bartr.
cv. ∃Harvard% )和 I72杨 (P. # euram ericana ( Dode)
Gu in ier cv. ∃San M artino% ) [ 14 ]的径向变异趋势一
致。
图 1 不同栽植密度小黑杨木材纤维长度径向变异 图 2 不同栽植密度小黑杨木材纤维宽度径向变异
366
第 3期 任海青等: 栽植密度对小黑杨人工林木材解剖特性的影响
图 3 不同栽植密度小黑杨纤维双壁厚的径向变异 图 4 不同栽植密度小黑杨纤维腔径的径向变异
图 5 不同栽植密度小黑杨纤维长宽比径向变异 图 6 不同栽植密度小黑杨纤维壁腔比径向变异
纤维宽度的径向变化趋势类似于纤维长度的变
化,但变化幅度没有纤维长度大。且 B密度的径向
变化曲线相较于 A、C而言变异幅度较大,与两者的
距离也大。纤维长宽比的径向变化特点类似于纤维
长度的变化,因为长宽比受纤维长度和宽度的综合
影响, 纤维长度和宽度皆沿髓心向外逐渐增加后稳
定或略有波动,因纤维宽度要抵消一部分的变异, 所
以长宽比的变化幅度要小于纤维长度。纤维双壁厚
和腔径随着生长轮龄的增加,呈现缓慢增加的趋势,
到一定年轮后也轻微的下降。纤维壁腔比的变化趋
势不同于上述的变化,而是从髓心向外,先轻微的上
升, 3 a后又持续下降, 10~ 12 a达到最小, 然后上下
波动。 3种栽植密度的变化趋势相似, A、C变化幅
度很接近, 而 B的变化幅度比较大, 而且明显偏离
A、C较多。
2. 2 不同栽植密度对小黑杨细胞组织比量、胞壁率
和导管特性的影响
2. 2. 1 不同栽植密度对小黑杨细胞组织比量的影
响 木材组织比量系构成木材的各种细胞所占横断
面积的百分比。主要研究木材显微构造的数量特
征,把木材构造分子的数量特征与木材材性联系起
来,找出解剖特征与木材性质间的规律,是研究树木
生长的变异规律及材性预测的重要手段 [ 15 ]。阔叶
树材组成较复杂,除木纤维外,还有导管、木射线和
轴向薄壁组织, 它们对木材密度和强度指标都有一
定的影响 [ 9, 16 ]。
不同栽植密度小黑杨细胞组织比量、胞壁率及
单位面积导管个数的平均值及方差分析见表 2。由
表 2可以看出: 小黑杨纤维比量为 45% ~ 47% ,比中
林三北 1号杨 [ 2] (P. nigra L. #P. simonii Carr. cv.
∃Zhong lin Sanbe i1% ) ( 58. 89% )要小,产生这种差异
的原因可能是树种不同以及地理位置的差异。随着
栽植密度的减小, 纤维比量呈现增大的趋势,即栽植
密度越大,纤维比量越大,但 C> B。方差分析显示
纤维比量没有达到统计上显著水平。导管比量分布
范围为 25. 48% ~ 28. 18%, 比其母本小叶杨 (Popu
lus simonii Carr. )高 [ 17]。导管比量大有益于制浆时
蒸煮药液的渗透, 缩短蒸煮时间。随着栽植密度的
增加,导管比量呈增大的趋势,但栽植密度为 B的导
管比量最大, 与纤维比量相反。经 SNK检验表明: 3
种栽植密度间导管比量差异显著 ( p = 0. 000 1) , 且
C与 A间差异显著, 而 A、B间没有达到统计上显著
水平。这与刘盛全 [ 14]对滩地杨树的结论不同: 他认
为栽植密度对滩地 I63杨、I69杨和 I72杨的导管
367
林 业 科 学 研 究 第 19卷
面积比量没有影响。产生这种差异的主要原因可能
是立地条件的不同。小黑杨生长在水分严重缺乏而
光照充足的西北地区, 年降水量 400 mm左右, 树木
为了生存,尽可能地扎根土壤深层获取必要的水分
而满足树冠强烈的蒸腾作用, 作为树木的输导组织
导管充分发育, 栽植密度的不同引起有效水分供给
的差异必然导致导管面积比量的差异; 而长江滩地
年降水量为 1 182 mm,江滩上的杨树每年 6至 8月
季节性淹水 (平均淹水 2. 5月 ) ,大量的水分使得因
栽植密度而引起的对土壤水分的竞争较弱, 所以栽
植密度引起的差异较小。木射线比量的变化趋势
是:随着栽植密度的增加而减小, 即密度小, 射线比
量大。方差分析表明差异不显著。
2. 2. 2 栽植密度对胞壁率、导管分子形态的影响
胞壁率作为单位面积内木材物质相对数量的标志,
其大小对木材密度、物理力学性质及制浆造纸的性
能有影响 [ 9]。 3种栽植密度的小黑杨木材胞壁率为
C> A > B, C与 A、B差异显著,而 A、B间差异不显
著。
导管数量的差异决定了树木的水分供应状况以
及生长状况,其数目的多少与树木种类有一定的关
系。在 3种栽植密度下, 单位面积的导管个数变化
较大 (变异系数为 12%左右 )。随着密度的减小, 导
管个数也减小,表现为 A最大, 均值为 105. 47个
mm
- 2
, C最小, 为 84. 71个 mm- 2, B介于两者之
间。方差分析表明, 3种栽植密度间导管个数达到
0. 01水平上差异显著。
导管的大小及分布对制浆过程中药液的扩散,
木材加工、单板的制作等有重大意义;甚至对纸页的
表面性质也有影响 [ 12]。杨树是散孔材, 导管弦向直
径记录的是整个生长轮的直径。小黑杨导管分子的
弦向直径均值在 49. 85 ~ 53. 57 m之间, 属于甚小
和稍小级别 [ 18 ] ,小于其母本小叶杨 [ 17]。导管弦向
直径随栽植密度的变化与导管个数的变化相反, 呈
现为随着栽植密度的减小, 直径增加,即较大的导管
弦向直径对应着较小的单位面积导管个数。
He li&NskaR aczkow ska[ 19, 20 ]在研究欧洲白蜡树 (F rax
inus ex celsior L. )和无梗花栎 ( Quercus p etraea L iebl)
时也得出早材导管腔径与导管个数呈负的相关性。
导管弦向直径与导管个数的关系符合导管的功
能 [ 21, 22 ]。栽植密度对导管分子弦向直径的影响达
到了极显著水平。
通过对栽植密度与解剖特性的回归分析进一步
表明,不同栽植密度与纤维长度、双壁厚、纤维腔径、
长宽比、壁腔比、射线比量、纤维比量、胞壁率无明显
的相关关系 ( r∋ 0. 2) ;而与纤维宽度、导管弦向直径
呈显著的负相关关系, 与导管个数和比量呈显著的
正相关关系, 结果见表 3。
表 3 栽植密度与小黑杨木材解剖
特性的回归关系
解剖特性 样本数 回归方程 相关系数
纤维宽度 ( y1 ) 86 y1 = 25. 693 4- 0. 001 15N - 0. 38
导管个数 ( y2 ) 86 y2 = 80. 272 81+ 0. 026 07N 0. 60
导管直径 ( y3 ) 86 y3 = 54. 892 96- 0. 005 01N - 0. 46
导管比量 ( y4 ) 86 y4 = 25. 844 65+ 0. 002 2N 0. 52
注:∣ r0001∣ = 0. 356 8; N为栽植密度 (株 hm - 2 )。
3 小结
通过对小黑杨 3种栽植密度林分的解剖特性研
究分析得知, 栽植密度对纤维宽度、双壁厚、导管比
量、胞壁率、导管个数、导管弦向直径的影响达到极
显著水平;对壁腔比的影响达到显著水平;对纤维长
度、腔径、长宽比、纤维比量、射线比量有一定程度的
影响,但不显著。其中, 栽植密度与纤维宽度、导管
弦向直径呈负相关关系,与导管比量、个数呈正相关
关系。
栽植密度对纤维形态特征的径向变异有不同程
度的影响,但不改变纤维形态变异的一般模式, 即纤
维长度的径向变异为从髓心至树皮向外逐渐增加,
到第 12轮时达到最大值后基本保持不变或略有下
降。纤维宽度、双壁厚、腔径、长宽比的径向变异类
似于纤维长度,但变动幅度没有纤维长度大;纤维壁
腔比的总体径向变化趋势是沿髓心向外呈先升后降
的波动性变化。
本研究表明, 不同栽植密度对小黑杨木材解剖
特征的影响程度不同, 单从解剖特性来说,栽植密度
为 4 m # 5m的林分较好, 其纤维长度、长宽比、双壁
厚、纤维比量、导管比量、胞壁率都最大。
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