木材樹種識別現狀、發展與展望
中國林業科學研究院木材工業研究所
摘要:介紹了木材樹種宏觀及其與微觀特徵結合的識別技術、木材識別特徵的術語和定義、木材識別輔助工具和軟體以及命名依據;闡述了DNA標記、穩定同位素、近紅外光譜分析等木材樹種識別新技術的發展,及對木材樹種和產地鑑定的應用前景。
關鍵詞:木材樹種識別;DNA標記;穩定同位素分析;近紅外光譜分析木材識別是木材解剖學的重要組成部分。國際木材解剖學家協會(Internatio nal Associat ion of Wood Anatomist,IAWA)成立於1931年,目前擁有100多個國家與地區的千餘名會員。近20年來,木材解剖學已成為植物學、林木培育、木材科學、木質文物考古和法醫學等多學科交叉的新興學科。隨著新技術的開發和引入,木材樹種識別技術不斷發展和進步,識別的範圍及準確性亦得到拓展與提高。
1國內外木材樹種識別技術的現狀
木材是國民經濟至關重要的、可再生的原材料,也是必不可少的生活資源。要合理高效地使用木材,必須認識和了解木材性質。木材識別是木材解剖學和木材科學的重要研究內容之一,木材識別在合理用材、生產、貿易、考古、偵破、古木、化石木、植物分類以及尋找代用材方面,為維護消費者利益,規範木材市場,打擊非法採伐,保護珍稀瀕危樹種,高效利用森林資源與保護生態環境,發揮了重要作用。
1.1常規木材樹種識別技術
1.1.1簡易宏觀識別
宏觀識別技術是將試樣橫切面用清水潤溼後,通過肉眼或放大鏡,觀察宏觀解剖特徵及表觀特徵。心邊材、生長輪、導管、射線與軸向薄壁細胞的大小及排列方式,是常用的識別特徵。同時,結合材色、紋理、結構、花紋、氣味、滋味、質量和硬度等進行綜合判斷。
宏觀識別法簡單易行,可用於生產現場、海關和質檢等執法現場。但對進口熱帶木材, 此方法僅能識別到類。
1.1.2微觀與宏觀結合識別
微觀識別技術是將厚度為15~20μm的橫、徑和弦切面的切片,經染色、脫水等製成切片,置於光學顯微鏡下,觀察各類細胞與組織的形態與排列。該方法涉及的木材識別特徵較多,極大地提高了識別的準確性,但試驗過程較複雜。為保證識別的準確性,對難辨認或有爭議的木材,必須將宏觀和微觀識別相結合,並與已經正確定名的木材標本的切片進行比對。
1.1.3物理或化學法輔助識別
1)燃燒法將火柴棍大小的木材燃燒,以灰燼的性狀區分木材。如異色桉和邊緣桉,燃燒後前者全部灰化,色白灰,後者成為黑炭。
2)螢光法將木屑的浸出液置於陽光或燈光下觀察。如紫檀屬木材,其水浸出液在反射光下呈灰棕色,在透射光下為黃綠色或藍綠色。
3)化學法在木材浸出液中加入化學試劑,利用顏色等變化判斷。例如大葉南洋杉和南洋杉的浸出液,加入濃硫酸後,前者呈粉紅色,隨即出現橙色沉澱;後者則形成白色沉澱。
1.2木材識別特徵的術語和定義
目前已出版:國際通用的木材識別特徵術語和代碼。IAWA分別於1989年公布了《闊葉樹材識別顯微特徵一覽表》和2004年的《針葉樹材識別顯微特徵一覽表》,有利於我國木材識別技術與國際接軌和交流。
《闊葉樹材識別顯微特徵一覽表》共包括闊葉樹材的221個解剖特徵和58個其他方面的各種特徵,並配有190張顯微照片,是用於木材描述與記載的特徵簡表,每一特徵均有編號,便於參考和資料庫間的數據轉換。
《針葉樹材識別顯微特徵一覽表》共包含針葉樹材的124個解剖特徵和76張顯微照片。不僅為全世界針葉樹材識別提供了統一的標準, 也為描述和研究針葉樹材的結構、性質, 編制針葉樹材資料庫制定統一編碼,木材分類、樹木進化和親緣關係等提供參考。
上述兩表已由中國林科學院木材工業研究所譯成中文版本[1-2]。此外,《中國木材志》、《東南亞熱帶木材》、《非洲熱帶木材》、《拉丁美洲熱帶木材》以及《中國裸子植物木材志》等專著,亦分別介紹了600餘種國產木材、600餘種熱帶木材的宏觀和微觀構造、性質與用途, 並配有宏觀和微觀構造照片, 也可作為識別的參考依據。
1.3木材識別的輔助工具和軟體
1.3.1對分檢索表
按照木材解剖特徵的主次順序,依次成對排列,每一對均由正反、對立的兩方面構成。對分檢索表可以自行編制,木材種類較少時適用。《中國木材志》中,每個科或屬均有宏觀和微觀的對分檢索表,簡單易行。
1.3.2穿孔卡檢索法
1938年,Clarrke最先提出了穿孔卡檢索表
(Punched card key);1952年,F.P.R.Bulletin 發表了《世界闊葉樹材宏觀穿孔卡檢索表》;1979年,中國林科院出版了《木材穿孔卡檢索表—闊葉樹材微觀構造》[3] 。該方法的優點是,可隨意增減樹種或修改樹種的特徵,可按照標本的任一顯著特徵進行檢索,無固定順序,大大提高了識別速度。
1.3.3計算機輔助識別系統和資料庫查詢、檢索系統
70年代末,歐美國家開始了木材信息資料庫和計算機輔助識別木材的研究。80 年代初,中國林科院木材工業研究所先後開發了帶有圖像的計算機輔助木材識別系統[2],包含了東南亞、非洲和拉丁美洲等熱帶木材的資料庫查詢系統, 和我國闊葉樹材的查詢系統,並編制了兼容性較好的軟體,使我國計算機輔助木材識別系統及木材資料庫查詢和檢索系統, 達到了世界先進國家的水平。
1.4木材命名的依據
我國地域遼闊,樹種繁多。為了規範和促進木材市場的健康發展,中國林科院木材工業研究所的專家進行了大量木材樹種的歸類、命名,及標準制定工作。
1)GB/T 16734-1997《中國主要木材名稱》的制定。1997年2月發布,同年9月1日實施。
該標準以樹木學或植物學的屬為基礎,共收錄了我國907個樹種380類木材的中、英文名稱,及其樹種的中文名、別名、拉丁名、科別、產地和備註,將材性和用途相近的木材樹種名稱統一,便於木材的生產、利用、貿易、造林、營林、科研等,是國產木材命名的依據。
2)GB/T 18531-2001《中國主要進口木材名稱》的制定。2001年11月12日發布,2002年5月1日開始實施。
內容包括:木材名稱及其樹種的中文名和拉丁名;國外商品材名稱,科別,材色、密度,主要產地等。標準收錄了世界1 010個樹種423 個(類)木材名稱,隸屬於366 屬(針葉樹材19 屬,闊葉樹材347 屬)、84科(針葉樹材4 科,闊葉樹材80 科),基本涵蓋了世界重要的商品材樹種,是進口木材命名的依據。
3)GB/T 18107-2000《紅木》的制定。2000 年5月19日發布,同年8月1日實施。是紅木的各類木材的命名準則。標準明確指出:紅木並不是植物(樹木)分類學上的一個樹種名稱,而是約定俗成的、用於目前紅木家具及其製品的8類樹種商品材的集合名詞。研究確定了33個樹種,歸為紫檀木、花梨木、香枝木、黑酸枝木、紅酸枝木、烏木、條紋烏木和雞翅木8 類,分別隸屬於紫檀屬、黃檀屬、柿屬、崖豆屬及鐵刀木屬。除柿屬隸屬於柿樹科外,其餘各屬均隸屬於豆科。
2國內外木材樹種識別技術的發展與展望
近年來, 國外採用的遺傳法(DNA標記)[4] 、化學法(穩定同位素)[5]和近紅外光譜(NIR)技術,對珍稀樹種的保護、實施瀕危野生動植物國際貿易公約(CITES)、建立木材跟蹤與認證系統、推進世界天然林的保護和可持續發展,起到了非常重要的技術支撐作用。
2.1DNA標記技術
因植物/木材樹種和產地的不同其DNA也不同, 是某種植物/木材所特有的。遺傳法可用於木材識別。近10 年來,從乾燥和加工後的木材樹種中,提取DNA的技術已有突破,並編制了共同實施方案[5-6]。2007年,德國林業研究所已利用DNA標記技術,成功進行了6種楊樹木材的識別[7] 。
以佔熱帶亞洲木材大多數的龍腦香科樹木為例,該科包括重要的商品材種類和瀕危物種。因此研究和開發龍腦香科木材產地的鑑別工具,對於國際木材貿易和生物多樣性保護,具有極其重要的意義。德國聯合一些東南亞國家,以3000株龍腦香科樹木(包括116種)為研究對象,開發了鑑別熱帶木材產地分子生物標記的工具,為建立種和產地相關的遺傳資料庫
提供參考[8-11] 。
該項目選定龍腦香科的332個木材樣品。其中181個樣品採自天然林或東南亞的人工林, 餘下的151個樣品選自德國的木材加工廠。此外,還分別從泰國、越南、菲律賓和印度尼西亞各選取40餘個樣本,主要從異翅香屬(Anisoptera )、龍腦香屬(Dipterocarpus)、坡壘屬(Hopea)、賽娑羅雙屬(Parashorea)、娑羅雙屬(Shorea)、青皮屬(Vatica)6個屬取樣。
採用Verification DNA的提取方法,對樣品的DNA片段進行擴增(片段長度、遺傳根源、重複性),選擇適當濃度的模板DNA,並進行DNA的重複性試驗,得到大量的試驗數據。
研究表明,龍腦香科樹木和木材是最適宜熱帶木材產地識別系統的材料。同種或相近木材, 在不同的地理區域,DNA標記明顯不同,可用來鑑別木材的產地和種。研究還發現採用改良的DNA SCAR 標記技術,在幾個擴增片段長度多態性(AFLP markers)中, 也存在明顯的地理差異。
建立DNA標記信息資料庫, 並對研究數據進行數理統計處理,才能獲得科學的數據和資料, 用於木材識別到種及其原產地。實現DNA標記技術的商業化運用,還需要各國科技工作者進行大量的科學試驗,以得到更多重要樹種和木材的DNA標記信息及相關的資料庫。
2.2穩定同位素分析技術
此項技術早已應用於食品行業等領域, 正在引入木材識別系統。該技術是分析在已知木材中的某些穩定元素,如碳、氧、氫、氮、硫等的穩定同位素的比率。這種比率在某些地理區域是專一的,故可據此推斷木材的原產地[12-15] 。
穩定同位素的天然變異可以跟蹤木材的產地, 特別是D/H(氘/氚)和18O/16O 的比率。由於在全球水系統中,氫、氧穩定同位素的同位素分餾,每個地域均有其土壤和地下水特有的同位素組成,且與上述二者的同位素比率密切相關。加之在針葉樹材中,由於植物在水分蒸騰中的分餾作用, 同位素組成濃度更高。
因此,從木材採伐地區選取標準樣品尤為重要。
例如德國Ag roisolab GmbH實驗室的研究人員從橫跨北歐的芬蘭、瑞典、波蘭、白俄羅斯、俄羅斯等國家獲得233個產地的1651個樣品,從樹木莖幹上截取圓盤。主要木材樣品採自針葉林,如歐洲雲杉(Picea abies )、歐洲赤松(P inus sy lvest ri s )和少數樺木(Betula sp.)。此外,由世界野生動物基金會提供, 從東南亞的加裡曼丹、汶萊、馬來西亞西部、沙巴、
蘇門答臘、越南等鑽取來自102個產地的487 個生長錐樹芯。在同一株樹幹相鄰的位置上, 鑽取兩個樹芯,樹芯長10 cm,所有圓盤或樹芯至少包括10個年輪。按照常規分析的要求, 將樣品磨成細粉,用甲基氯化物清潔萃取4h 後,用索氏抽提器抽提至少4h,在70℃下乾燥12h。
研究結果表明,在北歐,木材中有機物所含氫的D/H比率,可以跟蹤該木材產地,而同時利用D/H和18O/16O的比率,跟蹤原產地更加準確。但在熱帶地區, 似乎比較困難。
研究者正在利用其他元素,如開發利用N 或S元素的新技術。D/H比率在東北歐地區呈現出清晰的梯度特徵,即氫和氧的重同位素從南到北、從西到東呈逐漸降低的趨勢。同時,建立水的同位素空間模型,首次應用硫同位素(34S/32S)的比率,測量來自婆羅洲的某些樣品的試驗結果,同樣可支持該假說[12-13] 。
採用地理繪圖系統,將穩定同位素的比率與遺傳DNA信息相結合,判定木材的原地理產地和種[14-15] 。今後應從木材中分離不同的純物質,增加其他同位素對的測定,進一步改進測試技術和方法,開展大規模的試驗,以期得到更多的科學發現。
2.3近紅外光譜分析技術
NIR分析技術,是近年來分析化學領域迅猛發
展的高新分析技術,在食品、藥品、農業等領域已廣泛使用。2003 年,日本專家利用NIR 分析技術識別了8種木材[16],中國林科院木材工業研究所亦已建立了20餘種木材的NIR光譜資料庫,並申請了紅木的近紅外光譜識別方法的發明專利(200610149623.0)。
但是該項技術還需更多的木材標本光譜數據, 建立更有代表性的數學模型, 加速其商業化應用。
3結語
雖然宏觀和微觀特徵結合等傳統的木材識別技術很成熟,但有一定的局限性,一般情況下,無法識別到種和產地。以DNA標記、穩定同位素和近紅外光譜技術為代表的木材識別新技術,拓寬了木材的識別範圍,並提高了精度,是非常值得研究和利用的新技術。我國在此方面,應學習國外的先進技術和經驗,儘快開展此方面的研究,為森林保護和木材工業的發展做出貢獻。
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