初植密度對大青楊木材顯微構造特征及固碳量的影響1)

朱 莉 關 鑫 李 堅 郭明輝

(生物質材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業大學)，哈爾濱，150040)

為了實現森林資源持續穩定的發展，得到高產優質木材的同時緩解溫室效應，研究木材品質、固碳量與森林培育和加工利用的關系，是實現人工林定向培育和高效利用的先導。培育措施包括林分結構、初植密度、間伐、修枝等，是影響木材材質和固碳量的重要因子，因此了解不同培育措施與木材微觀構造特征和固碳量的相關關系，將有利于培育優質高固碳量人工林［1-4］。初植密度是人工林培育的主要參數之一，直接關系到人工林木材的材質。目前對于初植密度的研究結論較多［5-11］，Polge研究發現［12］，初植密度較大易產生較大的節子和較多的幼齡材，而尖削度較大的樹木主要生長在初植密度較小的空間內。Cown研究表明［13］，在初植密度較大的條件下生長的加勒比松(Pinus caribaea)，其木材密度較低。郭明輝［14］研究表明，紅松(Pinus koraisensis)初植密度較大，其胞壁率、生長輪密度、抗彎強度、順紋抗壓強度、橫紋抗壓強度、木材密度較大。可見，樹木的多樣化使其培育措施具有專屬性［15］。筆者以東北人工林主要樹種之一的大青楊為對象，主要研究其初植密度對木材微觀構造特征和固碳量的影響，從而推動大青楊人工林定向培育技術的發展進程。

1 材料和方法

試材采自東北林業大學帽兒山實驗林場老山生態站的大青楊人工林。選取3種初植密度為2.0 m×2.0 m、3.0 m×3.0 m 和 4.0 m×4.0 m 的林分，在每塊樣地隨機選取3棵樹，于胸高1.3 m處分別截取厚25、50 mm圓盤各一個，標明南北方向。樣木狀況見表1。

表1 樣木

解剖特征測量 解剖特征包括纖維長度、導管長度、纖維直徑、導管直徑、壁厚、壁腔比、胞壁率和組織比量。其中，纖維和導管長度采用離析法［1］測定，其余橫切面解剖特征采用木材顯微圖像分析［1］處理系統進行測量。

木材固碳量計算 木材是一種復雜的多孔性材料，其微觀構造有導管、管胞、木纖維、木射線、胞間道等，結構復雜，但存在共性，即都是由細胞腔和細胞壁構成。細胞壁是碳的儲存體［5］，通過測量細胞壁的量可以總體評價木材碳匯能力。計算公式如下:

式中:C為木材的固碳量;r為胞壁率;V為木材材積，按照伐倒木區分求積法計算;n為轉化系數，若C的單位為g，V的單位為 cm3，則n為1，若C的單位為kg，V的單位為m3，則n為103。

2 結果與分析

2.1 解剖特征與初植密度

2.1.1 木纖維

不同初植密度林分木纖維特征測定結果如表2所示。方差分析表明，纖維壁厚、纖維長度和纖維組織比量差異性顯著。

表2 不同初植密度林分木纖維特征測定結果

從數值上看，初植密度為3.0 m×3.0 m的組織比量最大，其次為4.0 m×4.0 m，最小為 2.0 m×2.0 m。但是初植密度為3.0 m×3.0 m的纖維長度和纖維壁厚都小于初植密度為4.0 m×4.0 m的木纖維，而初植密度為2.0 m×2.0 m的木纖維長度較長。從造紙角度而言，紙張的質量品種多樣，纖維長度影響紙的撕裂強度、耐折度、耐破度等，通常要求纖維長度在0.9～3.0 mm之間。此外，管胞的長寬比、壁腔比與紙張強度和質量也有密切關系，一般認為長寬比大于30～45，壁腔比小于1的纖維適合造紙。對照本研究結果可知，3種初植密度生長的大青楊木纖維指標均符合造紙要求，且2.0 m×2.0 m優于4.0 m×4.0 m，其次為3.0 m×3.0 m。

2.1.2 導管

導管體積一般占木材總體積的7% ～43%，是輸導組織，但導管本身是降低木材物理力學性質的重要因素之一［16］。不同初植密度林分導管特征測定結果如表3所示。方差分析表明，導管直徑、導管壁厚、導管長度、導管長寬比和導管組織比量差異性顯著。初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊，其導管相對短小，導管腔相對較大，組織比量相對較小，相對來說，其既利于樹木生物量的累積，又不會顯著降低木材的力學強度。初植密度為3.0 m×3.0 m和2.0 m×2.0 m的大青楊，其導管各項指標相對較為接近。但考慮木材固碳量的累積，初植密度為2.0 m×2.0 m的大青楊，其導管各項指標更符合要求。

表3 不同初植密度林分導管特征測定結果

2.2 固碳量與初植密度

由圖1 可知:初植密度為2.0 m×2.0 m 和3.0 m×3.0 m的大青楊人工林，其連年固碳量變化趨勢較為相似，即先緩慢增加(＜16 a)，而后呈相對穩定的波動性變化;初植密度為2.0 m×2.0 m的大青楊人工林，其連年固碳量在前期的增加幅度要相對較大;初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊人工林，連年固碳量在短期內(＜7 a)快速增加，而后呈相對穩定的波動性變化。表4表明，初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊人工林連年固碳量最大，其次是被植密度為2.0 m×2.0 m的大青楊人工林連年固碳量，而初植密度為3.0 m×3.0 m的大青楊人工林連年固碳量最小。其中2.0 m×2.0 m的初植密度對連年固碳量具有高度顯著性影響。不同初植密度的大青楊人工林，連年固碳量的差異性顯著。對于單株大青楊而言，4.0 m×4.0 m的初植密度將獲得最多的固碳量。而對于單位面積內大青楊人工林總的連年固碳量而言，初植密度為2.0 m×2.0 m的大青楊人工林連年固碳量最大，而初植密度為3.0 m×3.0 m的大青楊人工林連年固碳量最小，初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊人工林連年固碳量介于兩者之間，因此，2.0 m×2.0 m的初植密度應是科學合理的選擇方案，但同時應該采取其他培育措施來增加大青楊的固碳量，即提高單株樹木固碳量的同時也提高大青楊人工林總的固碳量。

表4 不同林分類型人工林大青楊木材連年固碳量測定結果

圖1 不同初植密度林分固碳量徑向變異

3 結論

初植密度4.0 m×4.0 m的大青楊人工林，其徑級相對較大，力學性能相對較好，單株樹木短時間內固碳量累計較高，因此可考慮作為短期輪伐林的培育模式;初植密度2.0 m×2.0 m的大青楊人工林，其力學性能相對低于初植密度為4.0 m×4.0 m的大青楊，但單位面積內大青楊累積固碳量較高，因此可考慮作為長期固碳林的培育模式。此外初植密度為2.0m×2.0m的大青楊，其木纖維各項指標相對較優，故采伐后的木材可用作造紙原料。

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