全 文 ：第 51 卷 第 1 期
2 0 1 5 年 1 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 51，No. 1
Jan．，2 0 1 5
doi:10．11707 / j．1001-7488．20150111
收稿日期: 2014 － 02 － 21; 修回日期: 2014 － 08 － 12。
基金项目: 博士点基金(20110062110001) ; 云南省教育厅科学研究基金(2014Y320)。
人工林红松木材碳素储存量与物理
特征的径向变异
郭明辉1 秦 磊2
(1．东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 150040; 2．西南林业大学材料工程学院 昆明 650224)
摘 要: 【目的】对人工林红松木材碳素储存量与物理特征的径向变异进行研究，以弥补我国木材碳素储存研
究的不足，为提高木材碳素储存量、高效合理地定向培育人工林红松提供理论基础。【方法】首先测定和计算红
松木材的各项物理特征及其碳素储存量，再采用回归分析和相关分析方法对木材碳素储存量分别与生长轮密
度、生长轮宽度、晚材率和生长速率的径向变异规律进行分析，最后得到它们之间的径向变异规律图、拟合图以
及回归方程等。【结果】木材碳素储存量在径向变异上先略微减小，接着随树木的不断生长呈增大趋势，而在树
木成熟后又逐渐减小至平稳状态，且波动较大，并与各项物理特征的径向变异趋势在第 18 年左右有一个峰值。
木材碳素储存量与生长轮密度的径向变异趋势相似，二者的拟合度较高，相关系数为 0. 757，相关性较显著;木材
碳素储存量与生长轮宽度在前期的径向变化相似，而中期和后期的径向变异不一致，二者的拟合度较低，相关系
数为 － 0. 301，相关性较弱;木材碳素储存量与晚材率在中期和后期的径向变化相似，二者的拟合度较高，相关系
数为 0. 656，相关性较显著;木材碳素储存量与生长速率在前期和中期的径向变异趋势都不同，二者的拟合度较
低，相关系数为 － 0. 268，相关性不显著。【结论】人工林红松木材的碳素储存量与各项物理特征指标之间均有一
定的相关关系，而气候因子、生长环境、遗传因素等是不可忽略的影响因素，有待进一步研究。可以通过对林木
的合理经营和发展，增强人工林的碳素储存功能，直接抑制 CO2 向大气中排放，从而改善生态环境、缓解温室
效应。
关键词: 人工林红松; 碳素储存量; 物理特征; 径向变异
中图分类号: S781 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2015)01 － 0097 － 06
Ｒadial Variation of the Wood Carbon Storage and Physical
Characteristics of the Planted Pinus koraiensis
Guo Minghui1 Qin Lei2
(1 ． Key Lab． of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education，Northeast Forestry University Harbin 150040;
2 ． College of Materials Engineering，Southwest Forestry University Kunming 650224)
Abstract: 【Objective】Global warming was mainly caused by the increasing amount of greenhouse gases ( especially
Carbon dioxide，CO2 )，which were made by human activities． Wood is the main body of trees． The carbon content of
wood is 50% ． Thus，wood is a huge carbon repository． 【Method】Pinus koraiensis plantations from the northeast of China
were selected as raw materials． The carbon storage function of Pinus koraiensis was studied． First， the physical
characteristics and carbon storage of wood were measured and calculated． Then，the radial variation regularity of the wood
carbon storage and the growth ring density， growth ring width， latewood ratio， and growth rate， was analyzed
systematically using regression analysis and correlation analysis methods，Finally，we obtained the radial variation
regularity figure，fitting figure，regression equation，and so on．【Ｒesult】The results showed that: the carbon storage of
wood firstly decreased slightly on the radial variation． Then，the carbon storage of wood increased with the growing of
trees． Next，it decreased to a steady state after the trees became mature． The carbon storage of wood and the radial
variation trend of the physical characteristics had a peak at around 18 years． The radial variation trend between the wood
carbon storage and the growth ring density was relatively similar． The fitting degree was high． The correlation was apparent
林 业 科 学 51 卷
with correlation coefficient of 0. 757． The early radial change between the carbon storage of wood and the width of growth
ring was similar． But the middle and late radial variation was inconsistent． The fitting degree was low． The correlation was
weak with correlation coefficient of － 0. 301． The middle and late radial change between the carbon storage of wood and
the latewood rate was similar． The fitting degree was high． The correlation was apparent with correlation coefficient of
0. 656． The early and middle radial variation trend between the carbon storage of wood and the growth rate was different．
The fitting degree was low． The correlation was not apparent with correlation coefficient of － 0. 68． 【Conclusion】The
carbon storage of Pinus koraiensis had a certain relationship with the physical characteristics． The climate factors，growth
environment and genetic factors were the important factors which can not be ignored． They remained to be further
researched． To improve the ecological environment and alleviate the greenhouse effect，we should operation and utilization
of trees reasonably to strengthen the carbon storage function of man-planted forest and restrain the carbon dioxide emissions
into the atmosphere directly．
Key words: Pinus koraiensis plantations; carbon storage; physical characteristics; radial variation
工业革命以来，人类对经济发展与物质需求的
无止境追求消耗了大量的能源，造成了主要温室气
体 CO2 的大量排放，引起温室效应 ( Ayres et al．，
2000; IPCC，2001; Ｒattan，2008)，全球暖化问题已
成为国际社会公认的环境热点(方精云，2000; 李
怒云等，2007; Liu et al．，2009; Shen et al．，2010)。
在全球开展的固碳减排工作中，森林的碳素储
存发挥了重要作用。森林碳素储存是指植物通过光
合作用将大气中的 CO2 吸收，并以生物量的形式储
存在植物体内和土壤中，从而减少大气中 CO2 浓
度，即是从空气中清除 CO2 的过程、活动或机制(李
顺龙，2006)。目前国内外的碳素储存研究在林学
和森林培育领域已相当成熟，但基于木材学知识的
碳素储存研究还处于初级阶段。树木是陆地生态系
统中主要的碳素储存库，其主体即木材中含有碳
50%，就是说木材实际质量的一半是碳元素(李坚，
2007; 陈红林等，2008)。所以，利用木材固定和储
存碳素，是平衡大气中 CO2 含量、节能减排及提高
生态效益的有效途径(李坚，2010)。
木材作为一个巨大的碳素储存库，是一种无公
害、节能源、可再生、可循环利用的生态环保型材料
(刘一星等，2004)。通过显微图像处理系统分析木
材微观构造特征，可以对木材的碳素储存效应进行
表征(Guan et al．，2010)。将废旧家具回收与木材
碳素储存相结合，研究在延长木材生命周期中碳素
储量的变化，可以增加碳素储存的时间，为科学合理
利用木材、低碳环保奠定理论基础 (韩丽娜等，
2011)。本文以人工林红松(Pinus koraiensis)为研究
对象，测定红松木材的生长轮密度、生长轮宽度、晚
材率、生长速率等物理特征，计算红松木材碳素储存
量，并研究分析木材碳素储存量与各项物理特征指
标之间的相关性。到目前为止，本方面的研究内容
在国内外鲜见报道，所以通过本研究可以对木材的
固碳能力有本质上的认识，弥补我国木材碳素储存
研究的不足，为提高木材碳素储存量、高效合理地定
向培育人工林红松提供理论基础。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
试材采自东北林业大学帽儿山实验林场老山生
态站的红松人工林内。红松是我国珍贵用材树种之
一，是东北小兴安岭和长白山林区地带性植被红松
阔叶混交林的重要组成树种。树形高大，树干圆满，
纹理通直，木材性质良好、价值高，在国际木材市场
上有“王座”之美称 (李晶，2004)。红松还具有广
泛的适应性和抗逆性，是重要的工业用材林和经济
林树种，在国民经济中占有重要位置。
本研究中红松的树龄为 38 年，平均树高为
13. 3 m，平均胸径为 23. 5 cm，初植密度为 1. 5 m ×
1. 0 m，坡位为坡上，坡向为阳坡，土壤类型为白浆
土。共取 5 株作为试验样本，取样方法按照 GB /T
1927—2009 的规定进行。在每一株树木的胸高
1. 3 m处截取 25 mm 厚圆盘各一个，标明南北方向
和记号，以供试验用。
1. 2 仪器设备
本试 验 所 用 主 要 仪 器 设 备 包 括 切 片 机、
Nikon80i 型显微镜、光学显微镜、显微投影仪、X 射
线微密度扫描仪、显微测长仪、恒温水浴锅、电子恒
温烘箱以及木材显微图像分析处理系统等。
1. 3 试验方法
1. 3. 1 木材碳素储存量计算方法 木材碳素储存
量的计算方法(Guo et al．，2012)如下:
89
第 1 期 郭明辉等: 人工林红松木材碳素储存量与物理特征的径向变异
C = Ｒ × V × n × 1 /2。 (1)
式中: C 为木材碳素储存量; Ｒ 为胞壁率; V 为木材
材积; n 为转化系数。若 C 的单位为 g，V 的单位为
cm3，则 n 为 1; 若 C 的单位为 kg，V 的单位为 m3，则
n 为 103。本研究中的碳素储存量是以年为单位，结
合生长轮材质分析方法，计算每株树的连年碳素储
存量。
式(1)中的胞壁率 Ｒ 通过切片试验和木材显微
图像分析处理系统进行测定(郭明辉，2001); 木材
材积 V 按照伐倒木区分求积法进行计算，计算方法
(孟宪宇，2006)如下:
V = lΣ
n
i －1
gi +
1
3
gl。 (2)
式中: V 为木材各龄阶材积; gi为第 i 区分段中央断
面积; g为梢头底端断面积; l 为区分段长度; l为
梢头长度; n 为区分段个数。
1. 3. 2 木材物理特征测定方法 试样均是在气干
状态下从 25 mm 厚圆盘中截取的宽 8 mm、厚3 mm、
长为树皮到髓心的薄片，薄片厚度均匀，表面光滑。
各项木材物理特征的测定方法如下。
1) 生长轮密度 采用 X 射线微密度扫描仪
测定木材生长轮连续的密度，在测试时，使扫描
路 径 沿 木 材 径 向 扫 描，扫 描 速 率 为 1. 6 cm·
min － 1，取样间隔为 0. 1 mm，得到自髓心向树皮
方向的木材生长轮密度变化曲线，再根据其密度
变异规律确定生长轮界线，分别测量 6 次。最后
通过计算机求出各点的平均密度值，从而得到木
材的生长轮密度。
2) 晚材率和生长轮宽度 将圆盘的横切面打
磨平滑，沿东西方向选取一个含髓心在内的试样，
制作一条直线，直线通过髓心并与年轮相垂直。在
此直线上通过显微测长仪测量每个年轮的宽度及相
对应的晚材宽度。分别测 20 组数据，取平均值，精
确至 0. 01 mm，从而得到生长轮宽度。
晚材率的计算方法如下:
晚材率 = 晚材带宽
年轮宽
× 100%。 (3)
3) 生长速率 参照 Michael(1990)的相对半径
增大率的方法进行测量，分别测 20 次取平均值，精
确至 0. 01 mm，公式如下:
Ｒ g = ( r2 － r1) / r1 × 100%。 (4)
式中: Ｒ g为生长速率; r1 为髓心与生长轮内部界限
(早材开始处)的距离; r2 为髓心与生长轮外部界限
(晚材终止处)的距离。
1. 4 数据处理
利用 EXCEL 和 MINTAB 软件，对木材碳素储存
量与物理特征指标之间的关系进行分析，得到它们
的径向变异规律图、拟合图以及回归方程等。
2 结果与分析
2. 1 木材碳素储存量与生长轮密度
由于木材的实质密度即是木材细胞壁物质的密
度，且木材中含有 50% 碳元素，所以木材的储碳功
能与木材密度之间存在一定联系。而木材密度与木
材胞壁率呈正比例关系，因此木材密度越大，胞壁率
就越大，从而木材的碳素储存量越多。
图 1 为红松木材碳素储存量与生长轮密度的径
向变异规律，是根据 5 株红松样木物理特征和碳素
储存量的统计平均值求出的。从图中可以看出，木
材碳素储存量在径向变异上先是略微减小，接着随
树木的不断生长呈增大趋势，而在树木成熟后又逐
渐减小至平稳状态，且波动较大。生长轮密度与木
材碳素储存量的径向变异规律基本相似，树木由幼
龄材到成熟材其生长轮密度逐渐增大，最后围绕某
一值上下波动。这反映了在树木的生长发育过程
中，生长轮密度与碳素储存量受生长环境、遗传因
素、树种、树龄等因素的影响，从髓心向外，形成层原
始细胞分裂较快，其胞壁率增加，生长轮密度渐渐变
大，则年生长量也增大，碳素储存量逐渐增加; 到达
成熟期后，在 18 年左右碳素储存量达到最高值，之
后，形成层原始细胞分裂相对稳定并有减慢趋势，树
木生长速度明显降低，致使生长轮密度和碳素储存
量又开始下降至平稳状态。所以，木材碳素储存量
与生长轮密度具有一定的相关性。
图 1 木材碳素储存量与生长轮密度的径向变异
Fig． 1 Ｒadial variation of wood carbon storage
growth ring density
图 2 为红松木材碳素储存量与生长轮密度的拟
合图，可以看出，二者的拟合度较高。木材碳素储存
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林 业 科 学 51 卷
量与生长轮密度相关性如表 1 所示，它们具有 y =
a + bx + cx2的相关关系，相关系数为 0. 757，相关性
显著。
图 2 木材碳素储存量与生长轮密度拟合
Fig． 2 Fitting of wood carbon and storage
and growth ring density
2. 2 木材碳素储存量与生长轮宽度
图 3 为红松木材碳素储存量与生长轮宽度的径
向变异规律。从图中可以看出，髓心附近的生长轮
较宽，从髓心向外开始至第 10 年生长轮宽度逐渐变
小，10 年后围绕某一值上下波动，在第 18 年左右达
到一个峰值。生长轮宽度是表示树木年生长量多少
的重要指标，因树种、树龄、生长环境等因素的不同
而变化; 在幼龄材时，树木生长较快，年生长量较
大，则生长轮宽度比成熟材的宽。从总体上观察，生
长轮宽度与碳素储存量的径向变化趋势在前期随树
木生长而逐渐变小，而中期和后期的径向变异不一
致，可见二者相关性较差。
图 4 为红松木材碳素储存量与生长轮宽度的拟
合图，可以看出，二者的拟合度较低。木材碳素储存
量与生长轮宽度的相关性如表 1 所示，它们具有
y = a + bx + cx2的相关关系，相关系数为 － 0. 301，相
关性较弱。
表 1 木材碳素储存量与各项指标的相关性①
Tab． 1 Correlation of wood carbon storage and physical characteristics indexes
指标 Index
回归方程 Ｒegression equation
( y = a + bx + cx2 )
相关系数
Correlation coefficient
P
生长轮密度 Growth ring density y = 0. 816 － 2. 284x + 3. 791x2 0. 757 ＊＊
生长轮宽度 Growth ring width y = 0. 317 + 0. 152x － 0. 024x2 － 0. 301 *
晚材率 Latewood rate y = 0. 534 － 0. 011x + 0. 001x2 0. 656 ＊＊
生长速率 Growth rate y = 0. 569 － 0. 004x + 0. 000 03x2 － 0. 268 —
①“＊＊”表示在 0. 01 水平上显著; “* ”表示在 0. 05 水平上显著; “—”表示不显著。“＊＊”meant that it was significant on the level of 0. 01，
“* ”meant that it was significant on the level of 0. 05，“—”meant that it was not significant．
图 3 木材碳素储存量与生长轮宽度的径向变异
Fig． 3 Ｒadial variation of wood carbon storage and
growth ring width
2. 3 木材碳素储存量与晚材率
晚材率是一个年轮中晚材所占的比例，与生长
轮密度呈正比例关系。从图 5 所示的红松木材碳素
储存量与晚材率的径向变异规律可看出，在幼龄材
时，因树木生长较快，生长轮密度较低，所以髓心附
近的晚材率较低，这与树种、树龄及生长环境、气候
因子等因素有关。且前 8 年内的晚材率围绕某一值
图 4 木材碳素储存量与生长轮宽度拟合
Fig． 4 Fitting of wood carbon storage
and growth ring width
上下波动，接着随树木的生长渐渐增大，在到达一定
限度即第 19 年左右树木成熟后便开始呈降低趋势，
最后趋于稳定。可见，晚材率与木材碳素储存量的
径向变异规律大致相似，二者在前期的径向变异有
所区别，但在中期及后期的径向变异相似，这说明木
材碳素储存量与晚材率有一定的关联性。
图 6 为红松木材碳素储存量与晚材率的拟合
001
第 1 期 郭明辉等: 人工林红松木材碳素储存量与物理特征的径向变异
图 5 木材碳素储存量与晚材率的径向变异
Fig． 5 Ｒadial variation of wood carbon storage
and latewood rate
图，可以看出，二者的拟合度较高。木材碳素储存量
与晚材率的相关性如表 1 所示，它们具有 y = a +
bx + cx2的相关关系，相关系数为 0. 656，相关性较
显著。
图 6 木材碳素储存量与晚材率拟合
Fig． 6 Fitting of wood carbon storage
and latewood rate
2. 4 木材碳素储存量与生长速率
图 7 为红松木材碳素储存量与生长速率的径向
变异规律。从图中可以看出，从髓心向外生长速率
迅速下降，在 8 年后缓慢下降，变化幅度很小，其变
化趋势与树种、树龄、遗传因素和外界环境等因素有
关; 而且，木材碳素储存量在树木开始生长时略有
减小趋势，后来随着形成层原始分裂较快而逐渐增
大，在进入成熟期后树木生长缓慢，其生长速率与碳
素储存量都开始逐渐减小。将 10 年后生长速率的
径向变异曲线放大后(图 7 中小图)发现，木材碳素
储存量和生长速率的径向变异在后期即第 18 年左
右开始变化大致相似，均随树木的生长而呈减小趋
势，但从总体上观察，二者的相关性较差。
图 8 为红松木材碳素储存量与生长速率的拟合
图，可以看出，二者的拟合度较低。木材碳素储存量
与生长速率的相关性如表 1 所示，它们具有 y = a +
bx + cx2 的相关关系，相关系数为 － 0. 268，相关性不
显著。
图 7 木材碳素储存量与生长速率的径向变异
Fig． 7 Ｒadial variation of wood carbon storage
and growth rate
图 8 木材碳素储存量与生长速率拟合
Fig． 8 Fitting of wood carbon storage and growth rate
3 结论与讨论
木材碳素储存量在径向变异上先是略微减小，
接着随树木生长呈增大趋势，树木成熟后又减小至
平稳状态，波动较大; 木材碳素储存量与物理特征
的径向变异趋势在第 18 年左右有一个峰值，与郭明
辉( 2001)研究得出的人工林红松幼龄材和成熟材
界线为 18 年的结论相近; 木材碳素储存量与生长
轮密度的径向变异相似，二者相关性显著; 木材碳
素储存量与生长轮宽度在前期的径向变化相似，而
中期和后期的径向变异不一致，二者相关性较弱;
木材碳素储存量与晚材率在中期和后期的径向变异
趋势相似，相关性较显著; 木材碳素储存量与生长
速率在前期和中期的径向变异趋势都不同，相关性
不显著。另外，对于木材碳素储存量与木材各项特
征之间的关系问题，气候因子、生长环境、遗传因素
等均是不可忽略的影响因素(Guan et al．，2010)，有
待于进一步研究。
而且，在 顺 应“低 碳 经 济”之 路 的 前 提 下
101
林 业 科 学 51 卷
(Lehmann，2013)，木材比同种用途的其他材料在
工业和生活用材上更突显出碳素储存、低碳节能的
优越性，所以，研究木材的碳素储存有其实际价值。
可以通过对林木的合理经营和发展，增强人工林的
碳素储存功能，直接抑制 CO2 向大气中排放，对改
善生态环境、缓解温室效应均具有重要意义 (何斌
等，2009)。
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(责任编辑 石红青)
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