全 文 ：林业科学研究 2009, 22( 4): 553~ 558
Forest Resea rch
文章编号: 100121498( 2009) 0420553206
人工幼龄印度黄檀木材解剖性质和结晶度的
径向变异及预测模型
石 雷 1, 孙庆丰 1, 2, 邓 疆 1
( 1.中国林业科学研究院资源昆虫研究所,云南昆明 650224;
2.东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040 )
摘要:对元江地区幼龄印度黄檀木材各生长轮间的解剖各参数和结晶度的径向变异趋势及它们的相关性做了全面
的测定和分析, 结果表明:纤维长度和宽度、导管分子长度和弦径、纤维比量总体径向变化趋势是从髓心往外呈增加
趋势;纤维壁厚和生长轮的径向变异趋势是先增加后减小;导管比量、胞壁率和微纤丝角的变化趋势是沿髓心向外
呈递减趋势;结晶度的径向变异趋势是先增加后减小。方差分析表明:各生长轮间的解剖参数和结晶度差异均明
显。相关分析表明:生长轮年龄与各解剖参数和结晶度相关性显著, 据此建立了木材解剖性质和结晶度预测模型,
相关系数大都达到 0. 88以上。
关键词:印度黄檀;变异;木材解剖性质;结晶度;生长轮年龄
中图分类号: S781 文献标识码: A
收稿日期: 2009202215
基金项目: 国家林业局 / 9480项目 /印度黄檀优良抗逆性种质材料及快繁技术引进 0 ( 2006- 4 - 58 ),国家科技支撑子专题 /优质珍贵用
材树种黄檀新品种选育 0 ( 2006BAD01A1604)的部分研究内容
作者简介: 石雷 ( 1971) ),云南江川人,副研究员,博士. leish@i 139. com
Rad ica lVar ia tion and Pred iction M odel ofW ood Ana tom ica l and
Crysta llin ity of YoungDa lberg ia sissoo P lan ta tion
SHI Lei1, SUN Q ing2feng1, 2, DENG J iang
( 1. R esearch In stitute ofR esou rce Insects, CAF, Kunm ing 650224, Yunnan, Ch ina;
2. Material Science and Eng ineering College, Northeas tForestryUn ivers ity, H arb in 150040, H eilongjiang, Ch ina)
Abstr act: A comprehensive determ ination and deep analysis on the radical varia tion and corre lation of wood
anatom ica l param eters and crystallin ity in each growth r ing ofDa lbergia sissoo Roxb. was conducted. The resu lts
indica ted that the whole radica l variation tendency of fiber length and w idth, the vessel length and tangential
diameter and fiber ratio increased from pith to outward; The rad ical variation tendency of fiber wall thickness and
the grow th ring increased at first and then decreased from p ith to outward; The radical varia tion tendency of vessel
rat io, cellwall percentage andm icrofibrillar angle decreasedw ith the increase of growth ring, but the crystallin ity.
s rad ica l tendency of variation is firstly grew at first and then reduced, Results of var iance analysis showed the
anatom ica l features and crystallin ity in each grow th r ing were significant ly differen,t Correlated analysis ofwood
growth ring ages w ith anatom ical parameters and crystallin ity indicated the sign ificance is positive, Based on these,
the pred ict ionmode l of the wood anatom ica l param eters and crystallin ity was estab lished, the corre lation coefficient
were mostly up 0. 88.
K ey word s:Da lbergia sissoo; variation; wood anatom ica l properties; crystallin ity; growth ring age
林 业 科 学 研 究 第 22卷
印度黄檀 (Da lbergia sissoo Roxb. )属蝶形花科
黄檀属植物,原产于印度、尼泊尔、巴基斯坦、孟加拉
国、巴西、马达加斯加等国 [ 1] , Pande[ 2- 3] , Kumar[ 4]
对该木材的物理力学化学性质进行过分析研究。国
内早期的研究主要集中在培育和引进繁殖方
面 [ 5- 7]。由于印度黄檀具有速生、耐旱、耐瘠薄等特
性 [ 1, 8- 11 ] ,结合云南省的红河、金沙江、澜沧江及怒
江流域等的干热河谷地区的气候特征, 可在这些地
区进行印度黄檀的造林培育工作, 这样既可对当地
的经济发展起一定推动作用, 同时对生态恢复和荒
山绿化也有着重要的意义。 1999年我国将印度黄
檀作为紫胶虫优良寄主植物引入, 同时在云南省元
江试验站做了培育研究, 2008年,石雷研究组 [ 12- 13]
对该木材的解剖物理力学性质开始进行初探研究,
本文在这些研究的基础之上, 进一步对解剖性质做
出分析,对解剖各项参数的特征和结晶度与生长轮
间的关系建立预测模型,以便为该区内和即将开展
的在其他地区种植和培育的印度黄檀木材的材性进
行预测,为该木材的遗传改良、加工利用提供基础依
据和科学的理论指导。
1 材料和方法
1. 1 材料和样地概况
试材为 7年生尼泊尔种源印度黄檀, 试验林位
于云南省中国林业科学研究院资源昆虫研究所元江
试验站。元江属亚热带干热河谷气候, 地理位置是
23b36cN, 101b 59cE, 海拔 320 m, 年均降水量
784. 9mm,年均日照 2 264. 4 h, 土壤为砖红壤。试
材采集于 2006年 7月, 方法依据 GB1927 ~ 19432
91[ 14 ]中所述方法进行, 在试验林中选取树干通直,
生长正常,态势均一的样木 5株, 选定后, 标出南北
向后砍伐, 伐倒后按南北取向, 分心边材截取 3 cm
@2 cm木块, 去除木屑及易脱离部分后立即称质
量,然后用保鲜薄膜包装好, 运回测定生材含水量,
随后对树高和第 1枝下高进行测量, 测定基本情况
见表 1。
表 1 试材基本情况
编号 树龄 /
a
树高 /
m
第 1枝
下高 /m
胸径 /
cm
生材含水量 /
( g# kg- 1 )
1 7 10. 9 4. 5 11. 5 803
2 7 11. 3 5. 8 12. 6 822
3 7 13. 2 5. 3 13. 3 811
4 7 12. 7 4. 8 12. 7 849
5 7 12. 4 5. 7 11. 2 805
1. 2 试验方法
1. 2. 1 解剖性质试验方法 在伐倒木树干 1. 3 m
处向上连续截取 2个厚约 2 cm的圆盘, 其中一个圆
盘按南北方向过髓心取 1. 5 cm宽的中心木条供测
解剖参数,利用常规方法切片、离析与测定 [ 15] , 微纤
丝角测量采用碘结晶法测量。
1. 2. 2 结晶度试验方法 另外一个圆盘按上述方
法取下木条后, 按生长年轮从髓心到树皮方向分别
取下各个生长年轮木材, 每株树中每生长轮中取 4
个试样测定木材结晶度试样。测定前将试样磨成木
粉,取 80~ 100目颗粒的木粉。木粉压片后采用 D /
MAX2200 VPC型 X射线衍射仪 (日本理学制造, X
光管为铜靶,管电压为 40 kV,管电流为 35mA,扫描
步距为 0. 02b, 扫描范围为 10~ 40b, 扫描速度为 4 b
# m in- 1进行扫描,采用 Segal法计算结晶度 [ 16]。
使用 SPSS、Matlab语言对所得数据进行处理分
析和模型建立。
2 结果与分析
2. 1 解剖性质和结晶度的径向变异模式和变异
2. 1. 1 纤维形态和生长轮宽度的径向变异模式
幼龄印度黄檀木材各生长轮的纤维长、宽及壁厚径
向变异曲线如图 1、2所示。纤维长度和宽度的径向
变化趋势基本一致, 从髓心到第 7生长轮长度和宽
度值都一直在增加, 纤维长度从 1 302 Lm增到
1 532 Lm,与 Pashin等 [ 17]关于阔叶树纤维长度的径
向变化曲线的论述一致; 纤维宽度从 13 Lm增到
22 Lm;纤维壁厚的曲线波动较大, 1~ 5 a随着生长
轮年龄的增加而增大, 5~ 7 a先减小再增大;生长轮
宽度的变化趋势波动也略显大, 但总的趋势是先增
后减。各生长轮间生长轮宽度及其纤维长、宽、壁厚
经方差分析, F 值分别为 3. 026、5. 256、3. 974和 1.
301,根据文献 [ 18]判断它们差异显著。
图 1 纤维长度和宽度径向变异
554
第 4期 石 雷等:人工幼龄印度黄檀木材解剖性质和结晶度的径向变异及预测模型
图 2 纤维壁厚和生长轮宽度径向变异
2. 1. 2 导管分子形态的径向变异模式 图 3表明:
导管分子长度和弦径曲线的变化趋势基本一致, 从
髓心至第 4或者第 3生长轮迅速增加, 随后虽略有
下降,但总体呈现增加的趋势,由于木材尚处于幼龄
生长的旺盛期,所以变化趋势基本是增加的,印度黄
檀导管分子长度平均值为 204. 13 Lm, 变幅在
200. 31~ 206. 61 Lm,根据分级标准 [ 19] , 属于 /很
短 0级别;导管分子弦径平均值为 146. 46 Lm, 变幅
为 132. 63~ 152. 44 Lm,属于 /中等 0级别。导管分
子长度和弦径由髓心向外呈递增趋势, 二者最小值
均在髓心附近,最大值在靠近树皮附近,仍有增大的
趋势, 这与木材是 7年生,处于生长旺盛期有关。各
生长轮间导管分子长度和弦径经方差分析, F 值分
别为 4. 376和 2. 752, 根据文献 [ 18]可判断不同生
长轮间的导管分子长度和弦径差异显著。
图 3 导管分子形态径向变异
2. 1. 3 组织比量的径向变异模式 图 4表明:不同
生长轮间纤维比量和导管比量曲线变化趋势基本一
致,整体变化较小, 曲线较为平缓, 纤维比量沿髓心
向外呈增加趋势,导管比量沿髓心向外呈递减趋势,
说明黄檀木材在生长过程中随着树龄的增加, 木材
中纤维比重也在增加,而同时导管所占的比重在减
小,说明黄檀木材随着树龄增加心材比重在增加, 同
时边材比重在减少, 所以会导致木材纤维比量增加
而导管比量减少, 变换趋势比较平缓说明这种变化
不是剧烈进行的而是缓慢发生的。木射线比量平均
值为 16. 22% ,变幅为 12. 76% ~ 19. 52% ,变异趋势
由髓心向外呈减少, 变幅范围较大,变异明显, 变化
趋势明显,说明随着木材树龄的增加,木材的输导能
力,即对所需水分和无机盐的需求会随着树龄的增
加而慢慢降低。各生长轮间组织比量经方差分析, F
值分别为 2. 508、2. 38和 2. 691,根据文献 [ 18]判断
它们差异显著。
图 4 组织比量径向变异
2. 1. 4 微纤丝角和胞壁率的径向变异模式 图 5
表明:胞壁率的变化曲线波动较大,变化趋势显著,
印度黄檀胞壁率的平均值为 66. 22% , 变幅为
61. 83% ~ 68. 36%, 在第 3生长轮处达到最低值
61. 83%;随后随着生长轮的增加而增加, 由于胞壁
率对木材的密度影响非常大, 而密度对木材的性质
起着及其重要的作用, 所以胞壁率的大小一定程度
上决定了木材的性质。虽然研究的木材尚处于幼龄
期,但其胞壁率的最低值已在 60%以上, 说明黄檀
木材的密度非常高,可以预测随着树龄的增大木材
的胞壁率也会随之增加;但是由于研究木材的树龄
只有 7 a,尚处于生长的旺盛期, 加之当地气候条件
和其他一些因素的影响, 使得其在 7年中的变化较
显著,所以在之后由生长轮年龄建立的对木材胞壁
率的预测模型也只适用对幼龄材的预测。
图 5 微纤丝角和胞壁率径向变异
由图 5可以看出:印度黄檀木材微纤丝角的径
向变化趋势是随着生长轮的增加而减小。大量研究
555
林 业 科 学 研 究 第 22卷
已经表明,木材微纤丝角径向的变异一般模式为:在
幼龄材区域由内向外降低, 变异幅度一般在 10b左
右 [ 20] ,本研究的结论与其一致。微纤丝角的大小根
本上决定木材强度,微纤丝角越大, 木材强度相对越
低,反之木材的强度就越高。该木材的微纤丝角平
均值为 12. 24b, 说明该木材虽处于生长幼龄期,但其
强度很高,这也表明了印度黄檀木材是一种优良树
种,引进到国内有着很大的潜在的经济和社会价值。
各生长轮间胞壁率和微纤丝角经方差分析, F 值分
别为 3. 027和 3. 098, 根据文献 [ 18]判断它们差异
显著。
2. 1. 5 结晶度的径向变异模式 目前,常用来测定
木材结晶度的方法是 X射线衍射法, 简称为 XRD。
图 6是人工幼龄印度黄檀的 XRD图,可以看出, 在
2H= 22. 8b附近的衍射峰最富于变化, 这反映了该处
衍射峰的大小与木材结晶度的大小变化具有一定的
规律性,同时说明此晶格衍射峰与木材结晶度直接
相关。木材的各生长轮间结晶度的径向变异趋势见
图 7,由图 7可以看出:各生长轮间木材结晶度的变
化趋势呈抛物线形,在 4 a时最大值为 45. 83% , 各
生长轮间木材的结晶度在 45. 83% ~ 35. 44% 间浮
动,最大变幅是 10. 39%, 最小变幅是 3. 45%, 变幅
范围为 3. 45% ~ 10. 39%。从变化曲线上看, 变化
趋势不甚明显, 但方差分析结果表明, 其 F 值是
3. 098, 根据文献 [ 18]可判断出各生长轮间结晶度
差异显著。如果通过木材结晶度随生长轮变化的趋
势建立对木材结晶度预测模型, 不但可为及时地调
整林木培育和遗传改良措施提供参考, 也可为人工
林木材的高效利用提供科学依据。
图 6 木材各生长轮间的 X射线衍射图
(图中 1~ 7为生长轮年龄,从髓心依次至外 )
综上述分析可知: 7年生幼龄印度黄檀木材各
生长轮间解剖性质的各项特征值间和结晶度及生长
轮宽度经方差分析均差异显著, 此结果为不同生长
轮年龄间解剖各参数和结晶度间的模型构建提供了
图 7 结晶度径向变异
可能。
2. 2 生长轮宽度和年龄及解剖各参数和结晶度的
相关分析
木材生长轮宽度和年龄及解剖各参数和结晶度
的相关分析结果见表 2。
2. 2. 1 生长轮年龄与各解剖参数和结晶度的相关
性分析 人工林培育的重要目标是木材生长及其材
性俱佳,而材性与生长轮宽度的关系非常复杂, 所以
对他们之间关系的研究也较为深入。从表 2可以看
出:幼龄印度黄檀木材生长轮宽度与纤维长度和宽
度呈显著正相关,相关性在 0. 01水平上显著, 与纤
维壁厚和结晶度呈 0. 05水平上正相关, 与木射线比
量呈显著负相关,相关水平在 0. 01;生长轮宽度与
其他解剖参数指标无明显相关。
生长轮年龄与纤维长度、导管长度和弦径、纤维
比量和结晶度呈显著正相关,相关性在 0. 01水平上
显著;生长轮年龄与纤维宽度和壁厚、导管比量和微
纤丝角呈负相关,显著水平在 0. 01, 生长轮年龄与
木射线比量呈 0. 05水平上的负相关。从表 2还可
以看出:各项解剖参数均与生长轮年龄显著相关, 与
对杉木管胞形态的变异报道一致 [ 21]。
2. 2. 2 结晶度与解剖各参数间相关性分析 木材
结晶度与解剖参数间的相关性至今尚少见报道,
本文对此做探索性研究, 以期为将来他们之间的
相关性分析积累一些基础数据, 对他们相关性的
分析可为对木材性质进一步了解和用少量的材
料来研究木材性质打下一定的基础。从表 2可以
看出:木材的结晶度并不是与所有的解剖参数呈
现相关性, 说明也并不是所有的解剖构造因子会
对木材的结晶度产生影响。结晶度与木材生长
轮宽度和微纤丝角呈 0. 05水平正相关, 与纤维
宽度和壁厚及导管比量呈极相关水平, 相关性在
0. 01水平上显著, 同时木材结晶度与木射线比量
呈 0. 01水平的显著负相关, 说明木材结晶度随
着木射线比量的减少而呈现增减的趋势, 这与上
文中木射线比量和结晶度随生长轮变化趋势图
556
第 4期 石 雷等:人工幼龄印度黄檀木材解剖性质和结晶度的径向变异及预测模型
的结果是一致的。除此之外, 结晶度与其它解剖
参数间相关性不明显, 至于结晶度与各解剖参数
间的相关性的最终结论还需扩大研究范围和进
一步的分析研究才能得知。
表 2 木材生长轮宽度和年龄及解剖参数和结晶度间相关分析
项目 生长轮宽度
纤维
长度
纤维
宽度
纤维
壁厚
导管
长度
导管
弦径
纤维
比量
导管
比量
木射线
比量 胞壁率
微纤
丝角 结晶度
生长轮
年龄
生长轮宽度 1
纤维长度 0. 665* * 1
纤维宽度 0. 801* * 0. 560* * 1
纤维壁厚 0. 347* 0. 074 0. 647* * 1
导管分子长度 0. 231 0. 406* * 0. 204 0. 075 1
导管弦径 0. 296 0. 304* 0. 046 0. 097 0. 548* * 1
纤维比量 0. 131 0. 199 - 0. 081 - 0. 321 0. 466* * 0. 252 1
导管比量 0. 198 - 0. 045 0. 572* * 0. 785* * - 0. 120 0. 101 - 0. 445* * 1
木射线比量 - 0. 502* * - 0. 392* - 0. 585* * - 0. 361* - 0. 445* * - 0. 328 - 0. 628* * - 0. 308 1
胞壁率 - 0. 132 - 0. 107 - 0. 377* - 0. 654* * - 0. 014 - 0. 419* 0. 601* * - 0. 697* * 0. 017 1
微纤丝角 0. 066 - 0. 269* 0. 313* * 0. 455* * - 0. 493* * - 0. 447* * - 0. 677* * 0. 561* * 0. 262 - 0. 368* 1
结晶度 0. 418* 0. 203 0. 692* * 0. 568* * 0. 033 - 0. 093 - 0. 134 0. 611* * - 0. 488* * - 0. 334 0. 390* 1
生长轮年龄 0. 629* * 0. 301* * - 0. 227* * - 0. 454* * 0. 606* * 0. 713* * 0. 712* * - 0. 466* * - 0. 405* - 0. 336* - 0. 851* * . 0. 633* * 1
注: * * 表示在 0. 01水平显著相关; * 表示 0. 05水平显著相关
2. 2. 3 解剖各参数间的相关性分析 从表 2可以看
出:纤维宽度与纤维长度和壁厚,导管分子长度与纤维
长度,纤维比量与导管长度都呈 0. 01水平显著正相关;
导管弦径与纤维长度和导管分子程度分别呈 0. 05和
0. 01水平正相关;导管比量与纤维宽度和壁厚呈 0. 01
水平正相关,而却与纤维比量呈 0. 01水平的显著负相
关;木射线比量与纤维长度和壁厚呈现 0. 05水平的负
相关,与纤维宽度及纤维比量呈 0. 01水平的负相关。
胞壁率与各解剖参数间的相关关系如下:与纤维宽度
和导管弦径呈 0. 05水平负相关,与纤维壁厚和导管比
量呈 0. 01水平的显著负相关,与纤维比量呈 0. 01水平
正相关。微纤丝角与大部分解剖参数呈显著相关。说
明各解剖参数都或多或少的对木材微纤丝角产生一定
的影响,它们间的相关关系如下:微纤丝角与纤维长度
和胞壁率在 0. 05水平呈负相关,与纤维宽度和壁厚及
导管比量呈 0. 01水平正相关,与导管分子长度和弦径
及纤维比量呈 0. 01水平显著负相关。总之,通过对各
解剖参数间相关性的分析可使我们对各木材解剖性质
及各解剖参数间复杂的关系有着更深的了解,同时也
为如何利用少量的解剖因子特征来分析其他解剖参数
提供一定的基础数据。
2. 3 生长轮年龄与解剖参数和结晶度变异模型的
建立与预测
由于幼龄印度黄檀木材的生长轮年龄与木材解
剖参数和结晶度有着不同水平上的显著相关和极相
关关系,所以以生长轮年龄为自变量因子建立木材各
解剖参数和结晶度的预测模型是可行的。模型的建
立对试验外木材材性的预测和试验样本使用量的减
少有着重要的意义,数据经过分析,使用 Matlab语言
编程,对产生的曲线进行拟合,最终建立生长轮年龄
与木材解剖参数和结晶度间预测模型如表 3所示。
表 3 木材各解剖参数和结晶度与生长轮年龄相关模型
项目 相关模型 R2
生长轮宽度 y= 53. 3 - 93. 24x+ 61. 41x2 - 17. 54x3 + 2. 28x4 - 0. 11x5 0. 918 63
纤维长度 y= 803. 48+ 312. 5 ln( x+ 3. 72) 0. 938 99
纤维宽度 y= 5. 77+ 14. 43x - 8. 62x2 + 2. 19x3 - 0. 22x4 + 0. 006 54x5 0. 999 27
纤维壁厚 y= 2. 89+ 3. 79x - 2. 53x2 + 0. 8x3 - 0. 12x4 + 0. 006 17x5 0. 986 03
导管分子长度 y= 195. 88+ 7. 98x - 5. 25x2 + 2. 05x3 - 0. 36x4 + 0. 022x5 0. 988 62
导管弦径 y= 149. 73- 56. 59x+ 56. 62x2 - 19. 97x3 + 2. 95x4 - 0. 155x5 0. 990 71
纤维比量 y= 31. 06+ 57. 86x - 39. 58x2 + 11. 995x3 - 1. 63x4 + 0. 081x5 0. 917 71
导管比量 y= 12. 64+ 10. 51x - 5. 22x2 + 1. 33x3 - 0. 17x4 + 0. 008 96x5 0. 791 99
木射线比量 y= 41. 82 - 45. 05x+ 31. 55x2 - 10. 21x3 + 1. 489x4 - 0. 079 2x5 0. 998 57
胞壁率 y= 43. 65+ 51. 57x - 37. 61x2 + 11. 42x3 - 1. 52x4 + 0. 073x5 0. 799 35
微纤丝角 y= 23. 99 - 19. 32x+ 13. 43x2 - 4. 089x3 + 0. 546x4 - 0. 026 6x5 0. 999 83
结晶度 y= 49. 91 - 22. 49x+ 14. 72x2 - 3. 58x3 + 0. 36x4 - 0. 013x5 0. 996 34
注: x为生长轮年龄。
557
林 业 科 学 研 究 第 22卷
由表 3可以看出:相关系数 R均在 0. 88以上。
本模型对于元江地区引进种植的黄檀木材的解剖参
数和结晶度可以进行评价、预测和验证,同时该预测
模型也将对在其他地区种植培育的幼龄印度黄檀木
材进行验证比较, 以便进一步修正模型来建立更为
广泛适用的预测模型,以尽可能的减少对木材样本
的取样,相关研究将在以后的研究文章中进行报道。
3 结论
人工幼龄印度黄檀木材纤维长度和宽度、导管
分子长度和弦径、纤维比量总体径向变化趋势是从
髓心往外呈增加趋势;纤维壁厚和生长轮的径向变
异趋势是先增加后减小;导管比量、胞壁率和微纤丝
角的变化趋势是沿髓心向外呈递减趋势;结晶度的
径向变异趋势是先增加后减小, 各生长轮间的解剖
参数和结晶度差异均明显。
相关分析表明:幼龄印度黄檀木材生长轮宽度
与纤维长度和宽度呈 0. 01水平上显著正相关,与纤
维壁厚和结晶度呈 0. 05水平上的正相关, 与木射线
比量呈 0. 01水平负相关;生长轮年龄与纤维长度、
导管长度和弦径、纤维比量和结晶度在 0. 01水平正
相关, 与纤维宽度和壁厚、导管比量和微纤丝角呈
0. 01水平负相关, 与木射线比量在 0. 05水平负相
关;结晶度与木材生长轮宽度和微纤丝角呈 0. 05水
平正相关,与纤维宽度和壁厚及导管比量呈 0. 01水
平正相关, 与木射线比量呈 0. 01水平的显著负
相关。
对幼龄黄檀木材生长轮与各解剖参数和结晶度
间的关系经过不同类型的曲线和数学方程拟合建立
预测模型,相关系数 R均在 0. 88以上, 预测模型可
对元江地区引进种植的黄檀木材的解剖参数和结晶
度进行预测评价。
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