桢楠和闽楠木材构造特征对比分析研究

朱培琦, 何鑫, 贾慧文, 曹秀龙, 陈松阳, 邱坚

西南林业大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650224

桢楠（Phoebe zhennan）和闽楠（Phoebe bournei）同隶属于樟科（Lauraceae）楠属（Phoebe）的常绿大乔木。桢楠，别名帧楠、雅楠等，主要产于湖北西部、贵州西北部及四川等地[1-2]。闽楠，别名毛丝桢楠、巴楠等，闽楠主要分布于江西、福建、浙江南部、广东、广西北部及东北部等地[3-4]。在最新颁布的《国家重点保护野生植物名录》（2021年第15号）中，将二者同时列为国家二级保护植物物种[5]。

樟科植物在我国约有20属，423种43个变种，其中楠属在我国有34种3个变种，主要产于我国长江流域及以南地区，以我国西南地区为多[6-7}。樟科植物作为我国重要的经济林木，在林业、工业、园林绿化、药物制造等方面具有重要的价值[8]；其中樟科楠属植物因树干通直高大、木材坚实、结构细致且不易变形和开裂，是作为建筑、家具和船舶的优良用材，如桢楠木材自古以来在木结构建筑上被广泛使用[9]，闽楠更是优良的雕刻及船舶制造用材。樟科楠属木材的材性和解剖构造特征非常相似，准确的树种鉴定和物种分类一直具有一定的难度。关于楠属的桢楠与闽楠的木材构造研究已有相关报道，2014年庄琳，黄群等采用了傅立叶变换红外光谱（FTIR ）法对楠属（桢楠、闽楠）和润楠属（润楠、宜昌润楠）4 种木材进行红外光谱分析，并提出了利用傅立叶自去卷积图谱共有峰率和变异峰率双指标序列法鉴别4种木材[10]；2015年陈瑞英、郭晶贞等对楠属和润楠属的若干种木材进行了结构特征研究[11-12]；2016年卓金勋对四种标称“金丝楠”（桢楠、刨花楠、香花木、假白兰）的宏微观特征进行了相关比较研究[13]。但此前的研究都未按照国际IAWA List 的鉴定标准列出两个树种的IAWA code，尤其是樟科楠属在国内林业司法案件中常常会遇到，但在insidewood木材解剖信息数据库以及IAWA官网至今都未曾记录两个树种的IAWA code信息。本文将以楠属的桢楠、闽楠为研究对象，利用生物显微镜、数码显微镜和Image J图像处理软件等，按照IAWA List阔叶材鉴定标准对木材的宏、微观特征进行观察和比较分析并记录二者的IAWA code信息，为桢楠和闽楠的保护和识别鉴定提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料和主要仪器设备

桢楠木材取自于贵州省黔东南苗族侗族自治州雷山县达地水族乡背略村（108°10'38.532"E，26°6'1.584"N）；闽楠木材取自于贵州省黔东南苗族侗族自治州榕江县三江乡乔尤村（109°12'2.556"E，26°40'39.864"N）。两份试验材料均取自树木基部1m以上的主干部位，树龄不详。试验主要仪器设备包括：Leica SM 2000R滑动式切片机（Leica Microsystems Nussioch GmbH，Germany）、Motic BA200生物显微镜（麦克奥迪实业集团有限公司）、Lecia M80体视数码显微镜（Leica Microsystems CMS GmbH，Germany）、Leica DM2000 LED生物数码显微镜（Leica Microsystems CMS GmbH，Germany）、数显恒温水浴锅（国华电器有限公司，中国）等。试验化学试剂主要包括：1.0%番红溶液、1%刚果红染色剂、无水乙醇、二甲苯、正丁醇、中性树脂、甘油等。

1.2 试验方法

1.2.1 宏观构造特征观察

分别用250、800、1 000目的砂纸对试验材料的三切面进行打磨并用机器抛光，再用肉眼、放大镜或体视数码显微镜观察木材表面，并详细记录木材的早晚材颜色及区分情况、早晚材过渡情况、生长轮明显程度、纹理结构、管孔、轴向薄壁组织、木射线等宏观特征[14]。

1.2.2 微观构造特征观察及特征参数测定

在生物数码电子显微镜下，观察木材三切面切片和离析切片的微观构造特征并拍摄不同倍数的微观照片，各类构造特征参数均在微观照片上进行测量。利用Image J图像处理软件测定两种木材的导管分子、木纤维、轴向薄壁组织以及木射线的构造特征参数，特征参数分别从切片图像不同的位置随机测量100个样本数据，最后将测量的数据导入MS Office Excel软件进行数据处理，确定各项特征数据的范围、平均值、标准差、变异系数以及两种木材特征参数平均值的差异率，并确认可采信。木材的导管分子（导管弦向直径、每平方毫米管孔数量、导管分子平均长度）、木纤维（木纤维平均长度）木射线（木射线宽度、木射线高度、每毫米木射线数量）以及轴向薄壁组织（轴向薄壁组织束细胞长度个数）的部分构造特征参数的测量方法将依据《IAWA List of Microscopic Features for Hardwood Identification》[15]。

2 结果与分析

2.1 宏观构造特征

2.1.1 桢楠

由图1可知，桢楠心材呈现黄褐色，有光泽；心边材区别不明显；新切面清香气味明显。生长轮明显，轮带呈现深色；散孔材；宽度略均匀，每厘米2-4轮。管孔肉眼下略见，在放大镜下明显；大小一致，分布略均匀；散生或斜列。轴向薄壁组织量少，在放大镜下略明显；环管状。木射线略细，在放大镜下明显；在肉眼下观察径切面射线斑纹明显。纹理略斜，结构极细至细。

2.1.2 闽楠

由图2可知，闽楠心材呈现浅黄色，有光泽；未见边材；新切面具有清香气味。生长轮略明显；散孔材；每厘米2-5轮。管孔肉眼下可见，放大镜下明显；大小一致，分布均匀；散生或斜列。轴向薄壁组织量少，在放大镜下略明显，稀疏环管束状。木射线略细，在放大镜下明显，径切面可见射线斑痕。纹理直或呈现波浪状，结构细。

图 1 桢楠三切面宏观构造Fig. 1 Macrostructure of three sections of P. zhennan

图 2 闽楠三切面宏观构造Fig. 2 Macrostructure of three sections of P. bournei

2.1.3 桢楠与闽楠宏观构造差异

桢楠主要分布在中国的西南地区，闽南主要分布在中国长江以南地区；桢楠木材颜色为黄褐色，闽楠木材颜色为浅黄色；桢楠木材纹理略斜，结构极细至细，闽楠木材纹理直或波浪状，结构细；二者其余宏观构造特征差异均不明显（见表1）。

表 1 桢楠、闽楠的宏观构造特征信息汇总表Tab. 1 Summary of macrostructural characteristics information of P. zhennan and P. bournei

2.2 微观构造特征

2.2.1 桢楠

由图3可见桢楠木材微观构造特征，管孔的分布为散孔材，主为单管孔和短径列复管孔，并偶尔伴有管孔团出现（见图3a-3）；管孔多为圆形及卵圆形，部分略具多角形轮廓；管孔排列及分布为散生、径列或斜列。穿孔板类型多见单穿孔（见图3e-5），稀复穿孔；单穿孔为圆形、卵型及椭圆形；复穿孔呈梯状。管间纹孔式为互列（见图3i-10），偶见梯状（见图3e-10）。轴向薄壁组织量少；排列类型为环管状，稀至环管束状或似翼状，并具少量星散状。木纤维壁薄；具明显具缘纹孔并存在分隔木纤维。木射线非叠生；单列木射线极少，以多列木射线（2-4列）为主；木射线高度3-21个细胞。射线组成为异形Ⅱ型和异形Ⅲ型（见图3b-4）。射线细胞内树胶丰富，晶体未见，油细胞和黏液细胞数多（见图3c-9）。导管与射线间纹孔式为刻痕状与大圆形，及部分同管间纹孔式（见图3h-7）。

2.2.2 闽楠

由图4可见闽楠木材微观构造特征，管孔的分布为散孔材，主为单管孔和短径列复管孔，并偶尔伴有管孔团出现（见图4a-3）；管孔多为圆形及卵圆形，部分略具多角形轮廓；管孔排列及分布为散生、径列或斜列。穿孔板类型多见单穿孔（见图4e-5），稀复穿孔；单穿孔为圆形、椭圆形；复穿孔呈梯状。管间纹孔式为互列（见图4i-10），偶见梯状（见图4b-10）。轴向薄壁组织量少；排列类型为稀疏环管束状，并具少量星散状。木纤维壁薄至厚，具明显具缘纹孔和分隔木纤维。木射线非叠生；单列木射线略少，以多列木射线（2-3列）为主；木射线高度5-19个细胞。射线组成为异Ⅱ型和异Ⅲ型（见图4h-4）。射线细胞内树胶丰富，晶体未见，油细胞和黏液细胞数多（见图4c-9）。导管与射线间纹孔式为刻痕状与大圆形，及部分同管间纹孔式（见图4b-7）。

图 3 桢楠三切面微观构造Fig. 3 Microstructure of three sections of P. zhennan

2.2.3 桢楠与闽楠微观构造差异

桢楠木材的木纤维壁厚薄，闽楠木材的木纤维壁厚为薄至厚；桢楠木材的木射线的宽度主为2-4列，而极少出现单列，闽楠木材的木射线以2-3列为主，单列木射线略少；桢楠木材的木射线高度为3-21个细胞，闽楠木材的木射线高度为5-19个细胞；桢楠木材的轴向薄壁组织排列为环管状，稀至环管束状或似翼状，并具少量星散状，闽楠木材的轴向薄壁组织排列主为稀疏环管束状，并具少量星散状（见表2）。

2.3 特征参数与细胞几何形态

2.3.1 导管分子

由表3可知，桢楠木材平均每平方毫米的管孔数量比闽楠多4个；闽楠的导管分子平均壁厚比桢楠大82%左右；闽楠的管孔弦向平均直径比桢楠的大42%左右；闽楠导管分子平均长度略长于桢楠。桢楠和闽楠导管分子的管孔频率、壁厚、弦向直径和长度四项特征参数的变异系数（CV）基本处在15%～30%的区间，各项特征的分散程度属于平均水平。图5a为桢楠导管分子的几何形态，其形态主要为两端尖削或一端尖削一端为切口近似垂直于导管分子长轴方向的规则的圆形切口。图5b为闽楠导管分子的几何形态，其形态主要为两端尖削、一端尖削一端为略规则的圆形切口且一端带长长的尖鞘或两端都为略规则的圆形切开。

表 2 桢楠与闽楠微观构造特征表Tab. 2 Microstructure characteristics of P. zhennan and P. bournei

图 4 闽楠三切面微观构造Fig. 4 Microstructure of three sections of P. bournei

2.3.2 木纤维

由表4可知，闽楠木纤维平均长度比桢楠长约24%；二者的木纤维平均宽度较为接近；桢楠平均腔径比闽楠宽约39%；闽楠双壁平均厚比桢楠宽约一倍；闽楠的平均长宽比比桢楠大约28%；闽楠木纤维平均壁腔比比桢楠大约177%。从数据可知，二者的木纤维宽度较为接近，但闽楠木纤维的双壁厚比桢楠更大，导致二者的腔径、壁腔比的参数出现较大的差距。桢楠和闽楠木纤维的长度、宽度、腔径和双壁厚四项特征参数的变异系数（CV）处在15%～30%的区间，各项特征的分散程度处于平均水平；桢楠和闽楠木纤维的长宽比、 壁腔厚两项特征参数的变异系数（CV）多数大于30%，特征的分散程度高。图6a为桢楠木纤维的几何形态，其几何形体主要为纺锤形，并常见树枝状和纤维末端分叉状；图6b为闽楠木纤维的几何形态，其几何形体主要为纺锤形，偶见树枝状和纤维末端分叉状。桢楠和闽楠木纤维都可见单纹孔和具缘纹孔，并且二者都具有分隔木纤维。

图 5 桢楠、闽楠导管分子几何形态Fig. 5 Geometric morphology of vessel molecules of P. zhennan and P. bournei

表 3 桢楠、闽楠导管分子主要特征参数比较Tab. 3 Comparison of main characteristic parameters of vessel molecules between P. zhennan and P. bournei

2.3.3 轴向薄壁组织

桢楠和闽楠的轴向薄壁组织数量少。由表5可知，闽楠轴向薄壁细胞的平均长度比桢楠长约8%；桢楠和闽楠的轴向薄壁组织细胞高度个数十分接近；桢楠的薄壁细胞平均宽度比闽楠宽约11%。桢楠和闽楠轴向薄壁组织的长度特征参数变异系数（CV）均大于30%，特征的分散程度高；二者轴向薄壁组织的宽度特征参数变异系数（CV）处在15%～30%的区间，特征的分散程度处于平均水平。图7为桢楠和闽楠的轴向薄壁组织的几何形态，二者薄壁细胞形态主要为两端略尖，并常见一端略尖鞘一端圆形切开或两端都具为圆形切开。

图 6 桢楠、闽楠木纤维几何形态Fig. 6 Geometric morphology of fibers of P. zhennan and P. bournei

图 7 桢楠、闽楠轴向薄壁组织几何形态Fig. 7 Geometric morphology of axial parenchyma of P. zhennan and P. bournei

2.3.4 木射线

桢楠和闽楠的木射线均为非叠生；其中，桢楠的木射线宽度主要为2-4列并极少见单列，闽楠的木射线宽度主要为2-3列，单列木射线略少。由表4 可知，二者的木射线分布密度较为接近；桢楠的木射线平均宽度要略宽于闽楠（宽约1个细胞）；闽楠的木射线平均高度略高于桢楠（高约2个细胞）。桢楠和闽楠木射线各项特征参数的变异系数（CV）基本处在15%～30%的区间，各项特征的分散程度属于平均水平。

2.4 IAWA阔叶材识别系统检索代码

根据以上对桢楠和闽楠宏观和微观特征的分析和描述，参照IAWA阔叶材解剖特征表，得出桢楠的检索代码为1p、5p、9p、13p、22p、41p、47p、48p、53p、62p、65p、68p、72p、79p、92p、97p、106p、107p、115p、124p、167p、189p、194p、203p；闽楠的检索代码为1p、5p、9p、13p、22p、42p、47p、53p、62p、65p、69p、72p、78p、92p、97p、106p、107p、115p、124p、167p、189p、194p。

表 4 桢楠、闽楠木纤维主要特征参数比较Tab. 4 Comparison of main characteristic parameters of fibers between P. zhennan and P. bournei

3 结论与讨论

桢楠和闽楠的宏观构造特征差异较小。主要差异有以下几点：1）桢楠木材以黄褐色为主，闽楠木材以浅黄色为主；2）桢楠的管孔大小和排列比闽楠更为均匀，肉眼可见闽楠的管孔略大于桢楠；3）桢楠的纹理略斜，闽楠的纹理直或波浪状。二者的其他宏观构造特征均无明显差异。桢楠和闽楠的微观构造特征非常相似，仅部分结构的参数存在差异。从总体的样本平均数据来看，主要差异表现在：1）桢楠每平方毫米的管孔数量略多于闽楠，闽楠的导管分子弦向直径大于桢楠，闽楠导管分子壁厚明显厚于桢楠；2）闽楠的木纤维长度略长于桢楠，闽楠的木纤维细胞壁明显比桢楠的木纤维细胞壁更厚，且闽楠的木纤维细胞腔径要小于桢楠；3）桢楠的木射线宽度主为2-4列，而极少出现单列，闽楠的木射线宽度主为2-3列为主，单列木射线略少，且闽楠的木射线高度略高于桢楠。二者的其他微观特征均无明显差异。

表 5 桢楠、闽楠轴向薄壁组织主要特征参数比较Tab. 5 Comparison of main characteristic parameters of axial parenchyma between P. zhennan and P. bournei

表 6 桢楠、闽楠木射线主要特征参数比较Tab. 6 Comparison of main characteristic parameters of ray between P. zhennan and P. bournei

木材的微观解剖和构造特征辨识是木材识别与鉴定的重要措施和方法。樟科属内树种的构造特征十分的相似，因此仅通过特征辨识对樟科属内树种进行识别与鉴定可能还是存在着一定的难度。近年来，提出了很多不同的木材鉴定方法，比如木材的化学指纹鉴定[16-21]、木材DNA鉴定[22-23]、计算机识别鉴定[24]等，即便运用到目前这些最新的技术依然很难精确的鉴定到种[25-31]。研究认为对于精确的樟科属内木材物种的鉴定应该是多种鉴定技术手段相互辅助。