3木材的构造

三、木材的构造
作为一种生物材料，木材是由一个个的细胞构成的！这种生物细胞的集合体，在肉眼下，在放大镜下，在各种显微镜下，呈现出有序而又形态各异的变化。

这里将向大家展示针叶树材和阔叶树材宏观上的、微观上的构造，以及化学结构。

木材构造决定了木材的性质，乃至木材的用途。

只有大家来欣赏，并且来积极参与，这里的内容才能得到日益完善
三．1、宏观构造
用肉眼或放大镜所观察到的木材的特征，称为木材的宏观构造或粗视构造。

木材的宏观构造往往在木材的三切面上观察，即横切面、径切面和弦切面(如图)。

横切面(cross section)是指与树干主轴或木纹相垂直的切面，即树干的端面或横断面；径切面(radial section)是指顺着树干轴向，通过髓与木射线平行或与年轮垂直的切面；弦切面(tangential section)是没有通过髓心的纵切面，顺着木材纹理。

木材的宏观特征包括木材的心材和边材，生长轮(年轮)和早材、晚材，阔叶树材的管孔，胞间道，木射线和轴向木薄壁组织。

心材(heartwood)指许多树种木材(生材)的横切面上，靠近髓心部分，材色较深，水分较少，称为心材；边材(sapwood)指许多树种木材的横切面上，靠近树皮部分，材色较浅，水分较多，称为边材。

生长轮(growth ring)为树木在每个生长周期所形成的木材，围绕着髓心构成的同心圆；年轮(annual growth ring)指如果在温带和寒带，树木的生长周期在一年中只有一度，形成层在一年中向内只生长一层木材，那么此时的生长轮也叫年轮。

轮界线(growth-ring boundary)为年轮之间的界限。

有些树种轮界线清晰可见，有的不清晰。

早材(early wood)指温带和寒带的树种，通常生长季节早期所形成的木材，由于细胞分裂快，所形成的细胞腔大壁薄，材质较松软，材色浅，称为早材；晚材(late wood)指温带和寒带的树种，通常生长季节晚期所形成的木材，由于细胞分裂慢，所形成的细胞腔小壁厚，材质较致密，材色深，称为晚材。

根据早材到晚材的变化情况，有急变和缓变之分。

急变的树种如针叶树松科中的硬松类，如油松、马尾松，以及阔叶树材中的环孔材，如水曲柳、榆木等；缓变的树种如针叶树松科中的软松类，如华山松、红松，以及阔叶树材中的散孔材，如杨木、桦木、椴木等。

导管(vessel)是绝大多数阔叶树材具有的输导组织，为一串轴向的细胞；导管分子(vessel element)为组成导管的每一个细胞；管孔(pore)指导管在横切面上呈孔穴状；导管线(vessel line)指导管在纵切面上呈细沟状。

根据阔叶树材横切面上管孔的排列，阔叶树材可以分为散孔材、环孔材、半环孔材(或半散孔材)。

散孔材(diffuse-porous wood)指一个年轮内早晚材管孔的大小没有显著区别，分布也均匀，如槭木、杨木、椴木、桦木、柳木等。

环孔材(ring-porous wood)指木材中早材管孔明显比晚材管孔大，沿年轮呈环状排列，有一至多列，如水曲柳、刺槐、黄波罗、榆木、柞木。

半环孔材(semi-ring porous wood, 半散孔材)指在一个生长轮内，管孔的排列介于环孔材与散孔材之间，早材管孔较大，略成环状排列，早材管孔到晚材管孔渐变，界限不很明显，如核桃、核桃楸。

木射线(ray)指在木材横切面上有颜色较浅的，从髓心向树皮呈辐射状排列的细胞构成的组织，来源于形成层中的射线原始细胞。

木射线在木材三个切面上的形态不同，在横切面上为辐射状，在径切面上为横行的短线条或横向片状花纹，在弦切面上为断续的纵向的短线条。

胞间道指分泌细胞围绕而成的长形胞间空隙，分树脂道和树胶道，针叶树材中的胞间道即为树脂道，阔叶树材中的胞间道为树胶道。

树脂道分轴向和横向树脂道，横向树脂道存在于树木的木射线内，因此针叶树材的木射线在弦切面上呈纺锤形木射线。

树脂道存在于松科中的六个属：松、落叶松、云杉、黄杉、银杉、油杉，其中油杉属无横向树脂道。

此外，木材的宏观特征还包括木材的颜色和光泽，结构、纹理和花纹，髓斑和色斑，材表等。

纹理(grain)指木材细胞(纤维、导管、管胞等)排列的方向。

有直纹理和斜纹理之分，斜纹理又包括螺旋纹理、交错纹理、波状纹理等。

结构(structure)指木材细胞的大小和差异的程度。

而花纹是个综合的概念，木材由于年轮、木射线、轴向薄壁组织、材色、节疤、斜纹理等产生图案，称为木材的花纹，如银光花纹、带状花纹、鱼骨花纹、鸟眼花纹、树瘤花纹等。

三．2、针叶材微观
用光学显微镜观察到的木材构造，称为微观构造；用电子显微镜观察到的木材构造，称为超微构造。

与阔叶树材相比，针叶树材的解剖分子比较简单，排列也比较规则，主要包括轴向管胞、木射线、木薄壁组织和树脂道。

轴向管胞(tracheid)是组成针叶树材的主要细胞，约占整个木材体积的90％以上。

管胞是一种锐端细胞，它的主要功能是输导水分以及提供机械支持。

由于同为形成层中的纺锤形原始细胞分生产生，针叶树材中管胞沿径向的排列比较整齐。

管胞的形状，从横切面上观察，为矩形、圆形、多边形等。

早材管胞，两端为钝楔形，胞腔较大，胞壁较薄，径向比弦向直径大，常为多边形；晚材管胞，两端为尖楔形，胞腔较小，胞壁较厚，径向比弦向直径小，常为扁平的四边形。

管胞的弦向直径，约为15～80um，早材管胞平均长度为3.247mm，晚材管胞平均长度为3.654mm。

管胞长度与弦向直径的比例，称为管胞的长宽比，对造纸与纤维工业有重要意义。

管胞壁上有具缘纹孔，常见纹孔呈圆形，较大，单行排列，或互列。

早材管胞径面壁上纹孔很多，主要在管胞两端，弦面壁上少或无；而晚材管胞的径面壁和弦面壁上都可见到纹孔，较小。

红豆杉、榧树、黄杉、银杉、紫杉、穗花杉等树种木材的管胞壁上具有螺纹加厚；银杏、罗汉松、油松等大部分针叶树材管胞径壁纹孔场的上下部分可见眉条。

木薄壁组织(parenchyma)是由砖形或等径形、比较短的和具有单纹孔的细胞，即轴向薄壁细胞组成的。

轴向木薄壁组织在针叶树材中含量甚少或无，约占总体积的1.5％，但在罗汉松科、杉科和柏科等木材中相对较发达，形成显著的特征。

其在木材中的分布，可分为三种类型，即星散型(如见于杉木)、间位型(如见于柏木)和轮界型(如见于铁杉、黄杉)。

薄壁细胞具有如下特征：
(1)壁薄，截面为长方形或方形，胞腔内常含深色的树脂(又称为树脂细胞)；
(2)形体很短，两端的细胞较尖削；
(3)单纹孔；
(4)端壁水平，因有单纹孔对，常成节状，或珠瘤状，或部分加厚。

木射线(ray)存在于一切针叶树材中，但含量较少，约占木材总体积的7％左右，木射线的每个单个细胞，称为射线细胞。

根据针叶树材木射线在弦切面上的形态，可分为单列木射线和纺锤形木射线，纺锤形木射线的形成是由于木射线中存在横向树脂道，因此见于松、云杉、落叶松、银杉、黄杉等属的树种。

针叶树材的木射线主要由射线薄壁细胞组成，但在松、云杉、落叶松、雪松、黄杉等属的木材中还存在射线管胞，是所有木材组织中唯一横向生长的锐端细胞。

木射线薄壁细胞具有以下特征：
(1)形体较大，矩形或不规则；
(2)壁薄；
(3)单纹孔；
(4)常含树脂。

射线管胞具有以下主要特征：
(1)形体与射线薄壁细胞大致类似，多数较不规则，长度约为轴向管胞的1/30；
(2)具缘纹孔，少而小；
(3)胞腔不含树脂；
(4)多数位于射线的上下边缘，成1～2列；
(5)内壁平滑或有锯齿状加厚；
(6)有时有螺纹加厚。

针叶树材径切面上射线薄壁细胞与轴向管胞相交的平面，称为交叉场，一般指早材部位。

交叉场纹孔的形状、数目，对木材识别或分类研究具有重要的意义，有五种类型：窗格状、云杉型、柏型、杉型和松型。

正常树脂道(resin canal)存在于针叶树松科中的六个属：松、落叶松、云杉、黄杉、银杉、油杉，其中油杉属无横向树脂道，另外在雪松、冷杉、铁杉等树种存在创伤树脂道。

树脂道是由于生活的薄壁组织的幼小细胞相互分离而成，其组成包括泌脂细胞、死细胞和伴生薄壁细胞。

如果泌脂细胞将树脂道局部或全部堵住，则形成拟侵填体。

(主要参考文献：
《木材学》，北京林学院主编，中国林业出版社，1982
《木材学》，尹思慈主编，中国林业出版社，1996)
三．3、阔叶材微观
与针叶树材相比，阔叶树材的微观构造要复杂得多。

阔叶树材的解剖分子包括导管、管胞(环管管胞和导管状管胞)、轴向薄壁组织、木纤维、木射线等。

导管(vessel)是绝大多数阔叶树材具有的输导组织，为一串轴向的细胞；导管分子(vessel element)为组成导管的每一个细胞；管孔(pore)指导管在横切面上呈孔穴状；导管线(vessel line)指导管在纵切面上呈细沟状。

根据木材横切面上管孔的组合，有单管孔、复管孔、管孔链之分，复管孔又包括径列复管孔和管孔团；根据阔叶树材散孔材或环孔材晚材带管孔的排列，其排列类型有星散状、径列或斜列、溪流状、火焰状、波浪状、花彩状等。

就导管分子而言，其形状有鼓形、圆柱形、纺锤形、矩形等；长度一般为200～800um；其直径最小的在200um以下，大的可达400um以上。

导管分子之间存在纹孔，具缘纹孔式包括梯状纹孔、互列纹孔、对列纹孔、筛状纹孔等，有些树种木材的导管分子之间可见附物纹孔，如阔叶树材豆科的一些树种。

导管分子轴向串成导管时，两个导管分子之间相通，其空隙部分，即称为穿孔(perforation)，而穿孔板(perforation plate)指两个导管分子之间连接部分的细胞壁。

穿孔分为单穿孔和复穿孔，复穿孔又有梯状穿孔、网状穿孔、麻黄式穿孔之分。

有的阔叶树材，如椴、槭、黄波罗等，导管分子的细胞壁上存在螺纹加厚。

有的树种，如榆木、麻栎、刺槐、泡桐等，导管腔内有侵填体，侵填体(tylosis)指的是在一些阔叶树材的心材和边材导管中，有一种原生质体的长出物，来源于邻近的射线或轴向薄壁细胞，通过导管管壁的纹孔挤入胞腔，形成囊状构造，局部或全部将导管堵塞,常有光泽。

部分阔叶树材，如黄波罗，导管腔内还有深色的树胶。

阔叶树材的管胞不同于针叶树材中的管胞，包括导管状管胞和环管管胞。

导管状管胞(维管管胞，vascular tracheid) 存在于榆科的榆属、朴属等树种中，多存在于晚材，与小导管混在一起。

它的特征是胞壁较厚，侧壁具有许多纹孔，常具螺纹加厚。

环管管胞见于栎属、栗属等木材早材导管的周围或附近，形状不规则，颇似短的纤维细胞，有明显的具缘纹孔。

阔叶树材中起机械支持作用的是木材纤维，占木材总体积的50％以上，它们细长而壁厚，包括韧性纤维(libriform fiber)和纤维状管胞(fiber tracheid)，韧性纤维上的纹孔为单纹孔，纤维状管胞上的纹孔为具缘纹孔。

木材纤维的长度随树种、生长条件等而异，一般长500～2000um；其直径，一般在20um左右，40um以上的很少。

阔叶树材纤维细胞的尺寸，特别如胞腔厚度，直接影响到木材的比重和强度。

特殊情况下，有的阔叶树材存在隔膜木纤维(分隔木纤维)和胶质木纤维。

阔叶树材的轴向薄壁组织比针叶树材的丰富且明显，为识别木材的重要依据，在横切面上可分为:
(1)傍管型薄壁组织，包括单侧傍管状、环管束状、翼状、聚翼状、傍管带状等；
(2)离管型薄壁组织，包括星散状、星散－聚合状、网状、轮界状、离管带状。

阔叶树材的轴向薄壁组织分为由单独一个形成层纺锤形原始细胞所分生出的不再分裂的薄壁细胞，纺锤形薄壁组织和形成层原始细胞衍生出两个或两个以上的薄壁细胞所组成的轴向薄壁组织。

在阔叶树材中，薄壁组织还可能出现一些变态细胞，如孪生薄壁细胞、分隔薄壁细胞、异细胞或巨细胞、油细胞、粘液细胞、石细胞、结晶细胞等。

阔叶树材中横向的组织――木射线与针叶树材的相比，差异很大。

从组成射线的细胞而言，绝大部分阔叶树材无射线管胞，完全由射线薄壁细胞组成。

根据射线细胞的形状，分为横卧(平伏，procumbent cell)细胞和直立细胞(upright cell)、方形细胞(square ray cell)。

横卧细胞即径切面上射线细胞的长轴呈水平方向；直立细胞指径切面上射线细胞的长轴呈轴向，特别位于射线的上下边缘。

此外，阔叶树材中还有一些特殊形状的射线细胞，如瓦状细胞、栅状直立细胞、鞘状细胞、链细胞等。

阔叶树材的木射线一般可分为单列射线、多列射线，还有聚合射线，聚合射线指的是一群小而窄的木射线，在肉眼下或低倍放大镜下观察，似一根单一的射线，实际上它是由若干小而窄的射线聚合而成的，其间杂有其它轴向细胞，如纤维。

如果按射线组成细胞分类，分为异型射线组织和同型射线组织。

异型射线组织为射线组织的个体射线全部或部分由方形和直立细胞组成者；同型射线组织为射线组织的个体射线全由横卧细胞组成者。

另外，部分阔叶树材的微观构造还包括内含韧皮部、树胶道等。

三．4、化学组成
木材的基本化学元素包括C(50%)、H(6.4%)、O(42.6%)、N等，其化学物质包括细胞壁的三大主成分：纤维素、半纤维素、木素。

另外，木材中还含有有机内含物(抽提物)和无机物(灰分)，占木材绝干重的0.3--1.0%。

纤维素是木材细胞壁中的骨架物质，约占50％。

纤维素的化学结构式为(C6H10O5)n，结构单元的化学式为C6H10O5，即葡萄糖基，D-葡萄糖基之间的连结为1，4－β－甙键连结。

n是聚合度，每一个纤维素分子平均含7，000～10，000个葡萄糖基。

木材细胞壁中的纤维素部分根据纤维素分子链的排列，有结晶区和无定形区之分。

半纤维素在木材细胞壁中约占20～30％，是木材细胞壁中的基体物质，其糖基包括D-葡萄糖、D-半乳糖、D-木糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、4-氧-甲基-D葡萄糖醛酸。

半纤维素的聚合度较低，在200～300之间，分子链上带有支链，无结晶区。

木素在木材细胞壁中约占20～30％，是木材细胞壁中的结壳物质。

木素是非结晶性的芳香族高分子化合物，具有三维空间结构，其结构单元为苯丙烷基。

木素的主要官能团包括甲氧基(-OCH3，存在于苯环上)、羟基(-OH，酚羟基和脂肪族羟基)和羰基(-C=O，主要存在于侧链上)，结构单元之间以醚键(C-O-C)和碳－碳键(C-C)连结。

木素在木材细胞壁的复合胞间层中约占3/4，在次生壁中约占1/4，大多数的木素分布在次生壁。

（参考文献：
《木材学》，北京林学院主编，中国林业出版社，1982 《木材学》，尹思慈主编，中国林业出版社，1996）。