中山杉应压木解剖特征与理化特性研究

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中山杉(Taxodium hybrid‘Zhongshanshan’)是落羽杉属(Taxodium)杂交选育出的优良无性系,具备早期速生、耐水湿、耐干旱、抗风和耐盐碱的优良特性,是沿海滩涂造林的优良树种。作为速生材树种,中山杉在生长过程中易受到环境和重力的影响,从而产生应压木。应压木的结构和性能与正常材有极大差异,在加工利用时极易干缩和开裂,降低木材质量。因此,对中山杉应压木的解剖结构和物理力学性能进行系统研究是有必要的,有利于理解中山杉应压木与正常材的差异。本文以中山杉应压木为主要研究对象,主要采用光学显微镜和电子显微镜探究了应压区与对应区木材的解剖构造特征,用细胞离析法测定了两者的管胞形态;利用激光共聚焦显微镜和拉曼成像技术分析了应压区和对应区木材中木质素的微区分布特点;利用XRD测定了应压区与对应区木材的微纤丝角和纤维素相对结晶度;最后对应压区与对应木木材的密度、干缩性和拉伸性能进行了测定和分析,并对微纤丝角和物理力学性质之间进行了相关性分析,主要结论如下:(1)宏观下中山杉应压木呈褐色或深褐色,通常形成于生长轮的中部或中后部,晚材和生长轮起始端早材未见应压木特征。微观解剖构造方面,中山杉应压木的管胞结构与对应木的差异最大。中山杉对应木管胞横截面多为方形,少数为多边形,管胞横截面圆度值仅为0.587。对应木管胞长度为3280.1μm,径向直径为37.0μm,径向双壁厚为5.6μm。应压木管胞横截面显著变圆,圆度值达到0.768,形成了大量胞间隙。与对应木管胞相比,中山杉应压木管胞径向双壁厚约增厚95%,次生壁S2层分为S2内层和S2L层,且管胞内壁有深入细胞壁层的螺纹裂隙,管胞长度缩短约25%,径向直径约减小71%。侧边木管胞近似方形,圆度值为0.608,有少量胞间隙,仅在管胞棱角处具有次生壁S2L层,管胞内壁的螺纹裂隙较浅。与对应木相比,侧边木管胞长度缩短17%,径向双壁厚增加11%,径向直径减小6%。应压木管胞横截面圆度值与侧边木和对应木均呈差异极显著(P<0.01),侧边木与对应木管胞横截面的圆度值呈差异显著(P=0.037)。(2)荧光显微镜下,中山杉应压木和侧边木中次生壁S2L层木质素的荧光效应最强,对应木中细胞角隅处荧光效应最强,表明应压木和侧边木中木质素浓度最高的区域为次生壁S2L层,对应木中木质素浓度最高的区域为细胞角隅处。应压木管胞的S2L层较厚,呈圆环状包裹整个S2内层;应压木中过渡区管胞为方形,且具有较薄的次生壁S2L层,横截面形态与正常早材无较大差异。侧边木管胞的S2L层较薄,仅位于细胞棱角处。对应木管胞和应压木晚材管胞中未发现次生壁S2L层。显微拉曼成像结果表明,对应木管胞壁的木质素浓度由高到低依次为细胞角隅、复合胞间层和次生壁S2层,浓度比约为2:1.3:1,应压木管胞壁的木质素浓度由高到低依次为靠近细胞角隅的S2L层、细胞角隅和复合胞间层、S2内层,浓度比约为1.9:1.3:1。应压木次生壁S2L层的木质素浓度高于对应木细胞角隅的木质素浓度。由此可知,木质素沉积位置对外部应力的响应比细胞形态的变化更为快速。使用XRD测定了中山杉应压木和对应木的微纤丝角和相对结晶度,中山杉应压木和对应木的微纤丝角分别为38.02°和30.01°,两者呈差异极显著(P<0.01);应压木和对应木的相对结晶度分别为42.01%和52.08%,两者呈差异极显著(P<0.01)。(3)中山杉应压木的密度大于对应木,且呈差异极显著。应压木的气干密度、全干密度和基本密度分别为0.662 g/cm3、0.603 g/cm3和0.528 g/cm3,对应木的气干密度、全干密度和基本密度木分别为0.430 g/cm3、0.379 g/cm3和0.326 g/cm3。中山杉应压木的轴向气干和全干干缩率分别为1.801%和5.973%,分别是对应木的2.9倍和5.9倍;而应压木的横向干缩率和体积干缩率均显著小于对应木。中山杉应压木与对应木的轴向干缩率、横向干缩率与体积干缩率均呈差异极显著。相关性分析表明,应压木的轴向气干和全干干缩率均与微纤丝角呈极显著相关关系,相关系数分别为0.588和0.667,而径向和弦向干缩率与微纤丝角无相关关系。轴向气干和全干干缩率与微纤丝角的线性函数拟合方程的R2分别为0.3581和0.4315。(4)中山杉应压木的拉伸性能显著低于对应木。应压木单根管胞的拉伸断裂载荷为12.91 m N,较对应木减小了约64%,两者呈差异极显著(P<0.01);抗拉强度为64.59 MPa,较对应木减小了约40%,两者呈差异极显著(P<0.01)。应压木100μm木薄片的顺纹拉伸断裂载荷为16.89 N,较对应木减小了约37%,两者呈差异极显著(P<0.01);应压木薄片抗拉强度为16.86 MPa,较对应木减小了约38%,两者呈差异极显著(P<0.01)。受螺纹裂隙影响,应压木单根管胞的拉伸性能与微纤丝角不呈现相关关系。100μm木薄片的顺纹拉伸断裂载荷与微纤丝角呈极显著负相关,顺纹抗拉强度与微纤丝角呈显著负相关。木薄片顺纹拉伸断裂载荷与微纤丝角的线性拟合方程的R2为0.3931,顺纹拉伸强度与微纤丝角的线性拟合方程的R2为0.4421。
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