家具材料之——树木的生长与木材的形成

本章简要介绍木材的命名，着重介绍树木的生长、木材的形成及树干的构造，并对幼龄材的形成机理、幼龄材的性质与识别进行了论述。第1章树木的生长与木材的形成1.1植物分类和木材名称1.2树木的生长与木材的形成1.3树干的构造1.4幼龄材1.1植物分类和木材名称一、植物分类(plantclassification)根据树木的花、果、叶的主要形态特征，树木的分类常采用恩格勒（Engler）的自然分类法。划分的单位由高至低排列的顺序为：界、门(division)、纲(class)、目(order)、科(family)、属(genus)、种(species)其中，最常使用的和最基本的是科、属、种三级。多媒体课件植物分类界——植物界Plantae门——种子植物门Spermatophyta亚门——被子植物亚门Angiospermae纲——双子叶植物纲Dicotyledones目——豆目Leguminosae科——蝶形花科Papilionaceae属——刺槐属Robinia种——刺槐R..pseudoacaciaL二、木材名称树木的名称分学名和俗名两种。学名是根据《国际植物命名法规》利用拉丁文对树种进行命名的，即拉丁学名，其组成为：属名+种名+定名人。其中，属名第一个字母大写，其它字母小写；种名字母均小写；定名人通常用省略词第一个字母大写。二、木材名称例如：学名PinuskaraiensisSieb.EtZuce俗名：红松、果松、海松、朝鲜松另外，当一树种已知其属名，而种名不确定时，可记作：属名+sp.俗名是由于各地的习俗不同，一种木材在某地叫这样的名字，而在另一地方则又叫别的名字，例如上面所举红松的例子。多媒体课件三、商品材树木的特征及其在分类上的位置1.商品材树木的特征（1）商品材树木必须是多年生的；（2）必须具有直立的多年生主茎；（3）在生长过程中能不断生成新木质部和树皮层，使主茎直径逐渐增大。2.商品材树种在分类上的位置一般所说的木材，是指针叶材(softwood)和阔叶材(hardwood)，即裸子植物亚门中的大部分植物（即针叶材）和被子植物亚门内双子叶植物纲的一小部分木本植物（即阔叶材）所生成的木材。多媒体课件四、商品材和我国商品材的分类广义的木材含义是指木质材料，即包括未经加工的各种原条、原木，也包括经初加工的半成材和成材。它们都有一定的尺寸和规格要求，主要用于建筑、家具、车辆、桥梁或木材加工等各个方面。（一）商品材树种的分类规则如前所述，即用拉丁学名或俗名表述。（二）材种分类材种是木材产品的类别，是依照木材不同用途、形状和尺寸而区分，与木材树种是两个概念。根据国标（GB），木材材种依据不同的分类标准可分为：1.根据木材外形，分为圆材(roundtimber)（如原条、原木），锯材(sawtimber)（如板材、方材、枕木），人造板(panel)（如刨花板、胶合板等）等材种。2.根据木材尺寸：如锯材依据断面尺寸大小而分为薄板、中板和厚板。3.根据木材用途及不同使用方式分类多媒体课件1.2树木的生长与木材的形成树木的生长是指树木在同化外界物质的过程中，通过细胞分裂和扩大，使树木的体积和重量产生不可逆的增加。树木是多年生植物，可以生活几十年至几千年。树木的一生要经历幼年期、青年期、成年期，直至衰老死亡。而木材产自高大的针叶树和阔叶树等乔木的主干。要了解主干是怎样生成的，首先有必要了解树木的生长过程。1.2.1树木的组成部分树木是有生命的有机体，是由种子（或萌条、插条）萌发，经过幼苗期、长成枝叶繁茂，根系发达的高大乔木。纵观全树，它是由树冠、树干和树根三大部分组成（图1-1）。（一）树根(root)：树木的地下部分，占5~25%体积。功能：吸收水分和矿物质，将树木固定于土壤。（二）树冠(tree-crown)：树木的最上部分，由树枝、树叶组成。占5~25%体积。功能；将树根吸收的水分和矿物质等养分和叶吸收的二氧化碳，通过光合作用制成碳水化合物。（三）树干(trunk)：树木地面以上的主茎部分，是树木的主体，占树木体积的50~90%。它一方面将树根吸收的养分由边材运送到树叶，另一方面把叶子制造的养料沿韧皮部输送到树木的各个部分，并与树根共同支撑整个树木。图1-1树木的组成部分1.2.2树木的生长树木的生长:高生长（顶端生长，初生长）直径生长（次生长）的共同作用结果。多媒体课件树木的生长是高生长和直径生长的共同结果。高生长（顶端生长）(elongationoftreestem)：是根和茎主轴生长点的分生活动，即顶端分生组织或原分生组织的分生活动的结果。分生作用:细胞数量增加（细胞体积不变）高生长直径生长（次生长）(secondarygrowth)：形成层（即侧生分生组织）细胞向平周方向分裂的结果。形成层原始细胞向内形成次生木质部，向外韧皮部，于是树木的直径不断增大。（阔叶树）1.3树干的构造（由树皮、形成层、木质部和髓组成）1.树皮指包裹在树木的干、枝、根次生木质部圆柱体外侧的全部组织。树皮的外部形态及其裂隙的类型（可作为原木识别的特征之一）：（1）平滑：树皮表面光滑，如天目紫茎、梧桐等。（2）瘤状突起或针刺状皮刺：树皮表面有许多高低不等的瘤状突起，如石栎、皂英、刺楸等。（3）纵裂1）深纵裂：树皮表面沿树干纵向呈较深裂隙，如樟木。2）浅纵裂：树皮表面沿树干纵向呈较浅的开裂，如紫椴。3）纵横裂：既有纵向又有横向的开裂，呈不规则方块形，如泡桐。（4）横裂：树皮表面呈横向的开裂，如光皮桦、山樱桃。多媒体课件多媒体课件2.形成层(cambium)木材是通过形成层的细胞(cell)分裂、新生木质部细胞的成熟、成熟木质部细胞的蓄积等三个过程形成的，即木材的直接起源是形成层。形成层是一个连续的鞘状层，包围在整个树干、树枝、树根的次生木质部周围，属分生组织。它向外弦向分裂产生次生韧皮部(secondaryphloem)，向内分裂产生次生木质部(secondaryxylem)。形成层原始细胞分为：1）射线原始细胞-分生出木射线和韧皮射线;2）纺锤形原始细胞-分生出导管、管胞、木纤维等。多媒体课件3木质部(xylem)木质部位于形成层和髓之间，为树干的主要部分，是木材加工的主要利用对象，也是木材科学的研究对象。木质部分为：初生木质部(primaryxylem)和次生木质部(secondaryxylem)。4髓（髓心）(pith)位于树干轴心，为木质部所包围的柔软的薄壁组织。通常直径很小，有时受外界影响而偏心。它不属于木质部，利用上无价值。髓的组织松软，强度低，易开裂。横切面形状多助于木材识别。1.4幼龄材树木在个体的生长、发育过程中，经历了幼龄-成熟-老龄各个阶段，最后形成木材。幼龄材是次生人工林快速生长树株中严重影响木材品质的部分。研究幼龄材，可进一步提高对木材的综合利用率。关于幼龄材，有两种错误的认识：（1）把幼龄材只看成是小树的木材。误认为，在成熟树干中就谈不上存在幼龄材。（2）把树株生长最初年份形成的木材看作是幼龄材，误认为幼龄材为高度一定的圆锥形，只限于成熟树干下方中心部位。由于这些错误认识，就低估了幼龄材对木材品质的影响；也可以说，对这种影响没有足够认识。1.4.1幼龄材形成的机理1.4.1.1木材在生成中的差别成熟树干靠近树梢区域的生长较其它部分旺盛；而一株幼树，它的全体均生长旺盛。可以把这种生长旺盛比喻为幼童状态。它为了正常发育需要有营养物质平衡，在达不到这种平衡时，发育就受到威胁、压抑。这种状况下生成的木材也就与成熟材不同，常被视为品质较差者。树干的中心是髓，它的周围环绕着一薄层初生木质部，这两部分都是树茎在这一高度时的第一年中形成，它们的组织均与以后形成层产生的次生木质部不同。还要认识的一个要点是，在树茎长到任何一个高度上的前5～25年间产生的次生木质部这段幼龄期后的次生木质部有不同，前者即为这一高度上的幼龄材。这就从理论上说明了幼龄材在树干内不为圆锥形而近于圆柱状；它不限存在于树干基部，而是自基部延伸至树梢。1.4.1.2木材生成后的变化树株早年生长形成的木材，初始薄壁细胞还保持生机，以后这部分木材发展为心材。在这一转变的前后，占木材体积大部分的厚壁组织无改变。以后整个木材更无变化。那种只把小树的木材看成是幼龄材，认为随树龄的增加幼龄材就会生成为成熟材，以及成熟树干的全部木材均为成熟材等看法均是错误的。1.4.1.3成熟树干主茎的两部分根据木材结构和性质上的主要差异，树干的主茎可以区分为两个区域。幼龄材是环绕髓心的周围呈圆柱状。它的形成是活性树冠区域的顶端分生组织长期对形成层的木材分生影响的结果。在生长的树木中，当树冠进一步向上移，顶端分生组织对下面某一高度形成层区域的影响就减小，成熟材也就开始形成。1.4.2幼龄材的概念幼龄材又称未成熟材。它位于髓心附近，幼龄材围绕髓呈柱体，是受顶端分生组织活动影响的形成层区域所产生的次生木质部。这个定义可用来解释为什么幼龄材和成熟材之间在木材性质上呈平缓过渡。幼龄材在树干的外部就不大可能形成，因处于一定位置的形成层在连续使树干直径加大的同时，也就逐渐远离顶端分生组织，并且受它的影响也在减弱。应该把幼龄材和成熟材看作同一株树上两个有明显不同的部分。成熟材具有那些被认为是这个树种的正常特性，而幼龄材在结构特征和物理性质方面次于同一树株的成熟材。这就进一步明确了“幼龄”两字不是对树株而言，而是针对树干某一高度的中心部分。因它的生成在这一高度树茎断面上属“早”，故名幼龄材。1.4.3幼龄材的性质幼龄材的质量次于成熟材。1.4.3.1木材结构方面根据以往的研究表明幼龄材与成熟材在木材结构方面有很大的差异:纤维长度幼龄材细胞比成熟材短。针叶树成熟材细胞是幼龄材细胞长度的3～4倍。阔叶树成熟材纤维长度常为邻近髓心处纤维的2倍。纤维的尺寸纤维的径、弦向直径是幼龄材小于成熟材。纤维的径、弦向壁厚是幼龄材小于成熟材。纤维的长宽比，腔径比都是幼龄材小于成熟材。壁腔比为绝大多数木材是幼龄材略大于成熟材。螺旋纹理把幼龄材和成熟材进行对比，幼龄材中出现螺旋纹理的倾向较大。次生壁中层的微纤丝角度由于幼龄材有较短和较薄壁的管胞和纤维，因此，具有较大的微纤丝角，具特征性。1.4.3.2木材物理力学性质方面密度与成熟材相比，幼龄材的密度低。晚材百分率幼龄材晚材细胞数量相对较少，年轮中占比例较多细胞的壁薄。干缩性幼龄材细胞壁S2层微纤丝倾角大，造成它的纵向收缩大，而横向收缩则有相应的减小。因此影响固体木材的尺寸稳定性以及与正常材的并用。幼龄材严重降低锯材质量，主要由于干燥时的翘曲、纵向收缩大，不适合锯制小尺寸锯材。含水率从幼龄材到成熟材变化很大。大多数针叶材在株内从基部向上随高度增加，含水率也增加，因为有较大的幼龄林比例。幼龄材里有较高的应压木比例，其具有短的管胞，生产中容易破裂；由于有较高的木质素，很难漂白。力学性质一般，幼龄材的强度降低约15%～30%，也有的比正常成熟材在同一强度上降低50%。由于纤丝角度大，顺纹抗拉强度明显降低。1.4.3.3木材化学性质方面针叶树幼龄材与成熟材通常化学性质差异很大，有较高比率的木质素和高聚糖，较低的纤维素和半乳甘露聚糖。这些对木材最终产品的质量、纸浆产量和生产效率有很大影响。幼龄材单位体积的浆产量比成熟材低5%~15%。由幼龄材和成熟材制造出纸的质量有明显的差异。幼龄材材性的总体特征劣于成熟材，具体表现为：幼龄材的纤维（管胞或木纤维）长度均小于相应的成熟材，树干的螺旋纹理倾角（针叶树材的管胞倾角）和细胞壁微纤丝倾角均大于成熟材，因此幼龄材刚性小、强度低，受外力后易挠曲，不适于作承重构件；而成熟材的强度和刚性均稳定，能充分抵抗外力的影响，幼龄材干缩系数大，木制品尺寸不稳定，易产生翘曲变形。因此幼龄材在一些用途方面要受到限制。1.4.4识别、界定幼龄材1.4.4.1识别幼龄材幼龄生长期的终止，在一些木材树种是陡变。一些树种，特别是针叶树材，在至成熟条件之间有一过渡期，成熟材和幼龄材间无明显的界限。最初生成的年轮，密度最低，纤维最短，纤维角最大。而后自树心向外密度增加，纤维增长。