樟树(Cinnamomum camphora)是我国南方经济林、风景绿化和优质用材林培育的主要树种之一, 其根、茎、叶、枝蒸馏生产的樟油和龙脑是重要的化工、医药产品的原材料; 其木材材质细腻、耐腐防虫蛀, 是雕刻、造纸、家具装饰、建筑和胶合板面板等生产中珍贵用材。随着天然林禁伐这一举世瞩目环保工程的实施, 我国优质用材供求矛盾日益突出, 尤其是珍贵阔叶材的来源几乎枯竭。樟树既是珍贵装饰用材树种, 又是重要的经济林和风景绿化树种, 其人工林培育与开发利用研究对实施天然林禁伐工程、保护环境, 满足人们对珍贵用材和高级装饰用材日益增长的需求具有重要的作用。

樟树是天然更新的良好树种, 自然界中大面积天然纯林很少, 多处于散生或混生状态, 林中树木干形多不通直, 枝桠粗大, 出材率低。目前樟树木材解剖特征的定性描述和木材物理力学性质指标已有报道(成俊卿等, 1985), 但其木材解剖、物理力学和化学性质变异规律尚缺乏研究。掌握了解樟树株内、株间木材材性变异规律, 对通过生物措施控制其材性性状变异、培育较为均质的优质木材具有重要的指导意义。本文选择纤维长度、基本密度、浸提物含量和年轮宽度这四个重要性状, 就其株内株间材性变异幅度进行分析, 探讨樟树材性预测控制途径, 为樟树优质珍贵用材的培育利用提供科学依据。

1 材料与方法

试材取自华中农业大学校区狮子山试验林场60年代初营建的樟树人工林, 面积约1.5hm²。林分树高范围15~17m, 胸径范围为32.5~43.2cm。1998年12月设置6个标准地, 每个标准地面积600m², 每木检尺后抽取中间径阶2~3株样木, 用生长锥取样, 共锥取12株木芯。同时采伐8株直立干形樟树解锯成中心板, 用于测定木材物理力学性质(另文报道)。

12株木芯按年轮由髓心向外逐轮取样, 分别按GB1927-1943-91、GB2677.4-81测定年轮宽度、基本密度和热水浸提物含量。纤维样品用硝酸、铬酸混合液离析洗净后, 在100倍立式投影仪上测量纤维长度, 每样品测量30次取其均值。

数据处理采用SAS、Excel软件, 模型方程建立采用IBM程序集(郎奎健等, 1989)中有关程序进行计算。

2 结果与分析 2.1 株内木材性状的径向变异

图 1、图 2为12株生长木材样品纤维长度、基本密度、浸提物含量和年轮宽度等性状均值的径向变异曲线。樟树6a生前为胸高直径速生期, 年轮宽度由髓心附近0.3cm增宽至6a生时的0.66cm, 之后直径生长放慢, 14 a时年轮宽度降至0.47cm。随着外部生长环境的改善, 年轮宽度又持续增大, 25a时年轮宽度为0.55 cm左右。此后, 年轮宽度逐渐减小, 38a生时为0.27 cm。从年轮宽度变化来看, 樟树胸径年生长量在0.5~1.6 cm之间, 年均生长1.0 cm左右, 反映出樟树生长较快, 是一个优良的速生树种。

图 2中纤维长度由髓心附近700μm向外迅速增长, 6年时纤维长度达1050μm; 第7轮至12轮间纤维长度缓慢增加, 其值变化范围为1100μm~1180μm。13轮至40轮间纤维长度在1200~1310μm范围内上下波动, 保持着相对稳定。木材基本密度髓心附近稍大, 约0.44g/cm³, 第4轮稍微降低约0.41 g/cm³, 随后木材基本密度迅速增加至10年轮约0.46 g/cm³。第11~38年轮间木材基本密度值在0.454 g/cm³~0.47 g/cm³范围内上下波动, 保持相对稳定。Pashin和Zeeuw (1980)在总结木材纤维长度、基本密度变异模式时, 将二个性状各分为三类, 樟树木材纤维长度径向变异可归为“递增-稳定”的模式, 其木材密度可归为“先稍减小再递增、稳定”的变异模式。根据木材纤维长度、木材物理力学性质分级标准(成俊卿等, 1985; 李坚等, 1994), 樟树木材纤维长度、木材密度均属于“中等”级别, 反映出樟树不仅生长快, 其材质并没有下降, 总体水平仍较好。

樟树木材含有一定挥发性芳香族油类, 但其木材热水浸提物主要成份多为淀粉、糖、碳水化合物类和芳香族化合物。图 1中樟树髓心附近5轮内木材热水浸提物含量较低, 约为5.7%~7.3%, 10年后其含量较高, 变化范围为6.4%~9.4%, 髓心附近热水浸提物含量均值低于树皮附近的均值。樟树木材浸提物含量“髓心均值低, 树皮方向均值高”的径向变异模式与一般针叶材类不同(徐有明, 1991), 这可能与樟树生理特性有关。樟树形体高大, 树冠叶面积大, 四季常绿、光合作用时间长, 光合产物多, 除满足自身生长需求外, 多余的光合产物如淀粉、糖, 贮藏于木材轴向薄壁组织中, 以保证其生长季节长的需要。樟树木材热水浸提物含量显著高于一般阔叶材树种(成俊卿等, 1985; 李坚等, 1994), 樟树木材具有芳香味、耐腐防虫蛀特性明显与其热水浸提物含量高及主要成分有关。郭德选等人在“樟树优良经济类型选择”项目研究中发现其精油主要成分为樟脑、龙脑、芳樟醇、桉油素、异-橙花叔醇和烃烯类等34种化合物, 研究这些成分对木材防腐防虫蛀作用机理, 对保护木材资源、开发新类型的木材化学保护剂具有重要指导意义。

2.2 株内株间木材性质变异的比较

木材性质变异性研究是林木材质遗传改良的基础, 要控制木材质量和产量就必须很好地了解掌握木材性状的变异(Zobel, 1984; 1989; 管宁等, 1996)。就某一确定的树种而言, 材性变异由株内、株间和种内群体间变异组成。同一林分内株内变异与株间变异大小的比较对林木遗传改良方案的确定尤为重要。表 1为12株樟树株内木材纤维长度、浸提物含量与基本密度变化范围、均值、变异系数等统计性状值。株内径向木材纤维长度、浸提物含量变化较大, 纤维长度的变异系数11.0%~17.5%;浸提物含量的变异系数13.9% ~23.1% (个别为26.3%); 株内径向木材基本密度变异系数远远较纤维长度变异小, 多在3.4%~7.3%之间。表 2为樟树相同生长发育阶段(即生长轮年龄一致)株间木材纤维长度、基本密度和浸提物含量的均值、变化范围和变异系数等性状值, 株间相同各年轮段纤维长度变化范围较小, 变异系数在3.5%~8.4%之间, 较表 1中株内纤维长度变异系数小近一倍; 株间相同年轮段木材基本密度变化范围较大, 变异系数达5.8%~11.9%, 较表 1中变异系数大近一倍; 表 2株间各年轮段木材热水浸提物含量变异系数变化范围为15.0%~42.8%, 且多数大于23.2%, 说明樟树株间浸提物含量变异明显大于株内变异。通常情况下, 普遍认为株间材性变异大于株内变异(Zobel, 1984), 本文樟树纤维长度性状与此观点完全相反、木材密度和浸提物含量两个性状与此一致。由于木材密度与木材力学性质密切正相关(成俊卿, 1985), 樟树株内径向木材密度变异性小, 据此推测其株内径向木材力学性质变异性小、材质较为均匀, 而樟树林分内株间木材密度变异性大。因此, 就樟树木材密度这一性状改良与控制来说重点应进行林分内单株个体的选择, 以培育更为均匀一致的优质木材。

2.3 株间生长速度与木材性状间的相关分析

林木生长速度对木材性状影响的研究一直是林业研究中热门论题(Pashin, 1980; Zobel, 1989)。针叶材硬木松早期生长速度对木材性质的影响归为株内幼龄材问题及轮伐期缩短株内幼龄材比例增加所致, 阔叶树中幼龄材问题不如针叶树中幼龄材问题突出, 通常认为环孔材早材宽度相对稳定, 生长加快晚材宽度增加, 晚材率增大, 木材强度增加。散孔材管孔大小较为一致、材质较为均匀, 生长速度对其材质影响不大。表 3为樟树相同生长发育阶段木材性质与年轮宽度间的相关系数, 株间年轮宽度与纤维长度在幼龄期阶段基本上呈微弱的负相关, 10a生后二者呈微弱的正相关, 但均没有达到显著的水平。浸提物含量与年轮宽度间相关性很弱, 相关系数有正有负, 较小, 仅极少数达到显著的水平, 反映出樟树年轮宽度增大, 其木材基本密度下降趋势不显著, 这与上述观点稍有出入, 但基本一致, 樟树人工林培育对此给予适当的关注即可。

2.4 樟树木材幼龄期的确定及幼龄材与成熟材材性比较

木材幼龄期反映了树木木质部形成层原始细胞成熟所需的时间年限, 幼龄期前形成层细胞分化发育后产生的木材材性极不稳定; 幼龄期后其所产生的木材材性则相对稳定。依据图 2中纤维长度曲线, 樟树木材幼龄期约6~7a;依据木材基本密度变异曲线, 其幼龄期约为8~9a, 二者相差3a左右。笔者在文献(徐有明, 1992)中提出应以胸高盘上纤维长度(或管胞长度)和基本密度两个性状均值的径向变化曲线综合确定木材幼龄期较为妥当, 同时考虑1~2a苗龄生长, 因此综合考虑确定樟树木材幼龄期为7~9a。表 4中樟树株内幼龄材与成熟材间材性方差分析表明:总体上幼龄材材性值小于成熟材, 纤维长度差异极显著(F > F_0.05=4.56), 而木材基本密度差异多不显著, 幼龄材基本密度较成熟材仅小1.01%~9.92%, 反映出樟树株内木材材性径向变化不大, 材质较为均匀, 这和前文株内径向变异系数分析结果一致。樟树幼龄材与成熟材浸提物含量总体上差异不显著, 这与木材学中“心材浸提物含量高于边材”不完全一致(成俊卿, 1985), 这是否与樟树具有较大比量的轴向薄壁组织这一理论有关尚待进一步证实。

2.5 材性变异模型的建立与预测

木材性状变异模型的建立对预测树木生长后期木材性状值、评估营林措施对木材性影响程度、评价林木遗传改良效果及比较不同地点间木材性状值具有重要意义。国际林联中“木材性质生物改良”工作组已召开3次学术研讨会, 探索营林培育与木材质量间关系模型(Nepveu, 1999)。我国在这方面对针叶材已进行较多的研究, 阔叶材树种这方面研究报道较少。针叶材这方面研究存在不少问题, 主要表现在所测样木数较少, 模型与预测都采用相同资料, 所建模型中变量没有限制, 范围无限扩展失效, 同时缺乏真实资料检验。本文以40年生樟树12株纤维长度、基本密度数据为样本, 随机抽取1株不参与模型构建, 而用来验证模型经过不同类型方程模拟比较, 最后确定樟树纤维长度(Y)与生长轮年龄关系模型为

樟树木材基本密度(Y)与生长轮年龄(X)间关系模型为

表 5为樟树纤维长度和基本密度各年轮段模型预测值和没有参与构建模型的样木实测值, 相对误差在-3.93%~8.75%之间, 纤维长度相对误差在-7.95%~2.57%, 这与樟树株间变异系数相比, 误差很小, 预测效果较好。

3 结论与建议

樟树株内纤维长度径向变异模式为由髓心向外迅速递增后趋于稳定, 基本密度径向变异模式由髓心向外递减, 而后递增, 趋于稳定。纤维长度株内径向变异系数大于株间, 基本密度和浸提物含量株内变异系数小于株间。樟树木材幼龄期约为7~9a, 其幼龄材木材密度较成熟材小1.0%~9.1%, 但株内幼龄材与成熟材间基本密度差异多不显著。株内幼龄材与成熟材浸提物含量无显著差异。这些结果反映出樟树株内木材密度变异小, 材质较为均匀。由于木材密度与木材力学性质密切正相关, 并且樟树木材基本密度株内变异系数小于株间, 建议其材质改良的重点应重视群体内株间个体的差异, 结合其精油含量变化的研究选择优良单株进行无性繁殖。

樟树人工林木材纤维长度(FB)和基本密度(BD)与树龄关系可用下列模型来预测:

相对精度可控制在-7.95%~8.75%之间。

樟树胸径年生长量达0.5~1.5cm, 生长速度对樟树木材质量影响较小, 但林分中树木干形弯曲较多, 8株直立干形樟树圆木解锯后发现板材应拉木比例大, 木材具有交错纹理, 这对樟树木材利用来说是个不利因素。要培育较为均质的优质木材, 控制其材质的变异, 干形改良和减少其纹理交错的程度是必需的。建议从樟树生物遗传学、林木栽培学等角度进行研究, 以改良樟树的干形、减少其树干中应拉木比例。

此外通过樟树种源区域化实验筛选出干形较为通直, 木材纹理交错程度较轻的优良种源是可能的。