木材樹種識別技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展與展望

木材識別是木材解剖學(xué)的重要組成部分。國際木材解剖學(xué)家協(xié)會(International Association of Wood Anatomist，IAWA)成立于1931年，目前擁有100多個(gè)國家與地區(qū)的千余名會員。近20年來，木材解剖學(xué)已成為植物學(xué)、林木培育、木材科學(xué)、木質(zhì)文物考古和法醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。隨著新技術(shù)的開發(fā)和引入，木材樹種識別技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，識別的范圍及準(zhǔn)確性得到拓展與提高。

　　1 國內(nèi)外木材樹種識別技術(shù)的現(xiàn)狀

　　木材是國民經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要的、可再生的原材料，也是必不可少的生活資源。要合理使用木材，必須認(rèn)識和了解木材性質(zhì)。木材識別是木材解剖學(xué)和木材科學(xué)的重要研究內(nèi)容之一，木材識別在合理用材、生產(chǎn)、貿(mào)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(hù)消費(fèi)者利益，規(guī)范木材市場;打擊非法采伐，保護(hù)珍稀瀕危樹種，高效利用森林資源與保護(hù)生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮了重要作用。

　　1.1 常規(guī)木材樹種識別技術(shù)

　　1.1.1 簡易宏觀識別

　　宏觀識別技術(shù)是將試樣橫切面用清水潤濕后，通過肉眼或放大鏡，觀察宏觀解剖特征及表觀特征。心邊材、生長輪、導(dǎo)管、射線與軸向薄壁細(xì)胞的大小及排列方式，是常用的識別特征。同時(shí)，結(jié)合材色、紋理、結(jié)構(gòu)、花紋、氣味、滋味、質(zhì)量和硬度等進(jìn)行綜合判斷。

　　宏觀識別法簡單易行，可用于生產(chǎn)現(xiàn)場、海關(guān)和質(zhì)檢等執(zhí)法現(xiàn)場。但對進(jìn)口熱帶木材，此方法僅能識別到類。

　　1.1.2 微觀與宏觀結(jié)合識別

　　微觀識別技術(shù)是指將厚度為15～20 µm的橫、徑和弦切面的切片，經(jīng)染色、脫水等制成切片，置于光學(xué)顯微鏡下，觀察各類細(xì)胞與組織的形態(tài)與排列。該方法涉及的木材識別特征較多，極大地提高了識別的準(zhǔn)確性。但試驗(yàn)過程較復(fù)雜。

　　為保證識別的準(zhǔn)確性，對難辨認(rèn)或有爭議的木材，必須將宏觀和微觀識別相結(jié)合，并與已經(jīng)正確定名的木材標(biāo)本的切片進(jìn)行比對。

　　1.1.3 物理或化學(xué)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(qū)分木材。如異色桉和邊緣桉，燃燒后前者全部灰化，色白灰，后者成為黑炭。

　　2)熒光法 將木屑的浸出液置于陽光或燈光下觀察。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(lán)綠色。

　　3)化學(xué)法 在木材浸出液中加入化學(xué)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，加入濃硫酸后，前者呈粉紅色，隨即出現(xiàn)橙色沉淀;后者形成白色沉淀。

　　1.2 木材識別特征的術(shù)語和定義

　　目前已出版：國際通用的木材識別特征術(shù)語和代碼。IAWA分別于1989年公布了《闊葉樹材識別顯微特征一覽表》，和2004年的《針葉樹材識別顯微特征一覽表》，有利于我國木材識別技術(shù)與國際接軌和交流。

　　《闊葉樹材識別顯微特征一覽表》共包括闊葉樹材的221個(gè)解剖特征和58個(gè)其他方面的各種特征，并配有190張顯微照片，是用于木材描述與記載的特征簡表，每一特征均有編號，便于參考和數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

　　《針葉樹材識別顯微特征一覽表》共包含針葉樹材的124個(gè)解剖特征和76張顯微照片。不僅為全世界針葉樹材識別提供了的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也為描述和研究針葉樹材的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，編制針葉樹材數(shù)據(jù)庫制定統(tǒng)一編碼，木材分類、樹木進(jìn)化和親緣關(guān)系等提供參考。

　　上述兩表已由中國林科學(xué)院木材工業(yè)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余種國產(chǎn)木材、600余種熱帶木材的宏觀和微觀構(gòu)造、性質(zhì)與用途，并配有宏觀和微觀構(gòu)造照片，也可作為識別的參考依據(jù)。

　　1.3 木材識別的輔助工具和軟件

　　1.3.1 對分檢索表

　　按照木材解剖特征的主次順序，依次成對排列，每一對均由正反、對立的兩方面構(gòu)成。對分檢索表可以自行編制，木材種類較少時(shí)適用?！吨袊静闹尽分校總€(gè)科或?qū)倬泻暧^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(fā)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(gòu)造》[3]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可隨意增減樹種或修改樹種的特征，按照標(biāo)本的任一顯著特征進(jìn)行檢索，無固定順序，大大提高了識別速度。

　　1.3.3 計(jì)算機(jī)輔助識別系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫查詢、檢索系統(tǒng)

　　70年代末，歐美國家開始了木材信息數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)輔助識別木材的研究。80年代初，中國林科院木材工業(yè)研究所先后開發(fā)了帶有圖像的計(jì)算機(jī)輔助木材識別系統(tǒng)[2]，包含了東南亞、非洲和拉丁美洲等熱帶木材的數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)，和我國闊葉樹材的查詢系統(tǒng)，并編制了兼容性較好的軟件，使我國計(jì)算機(jī)輔助木材識別系統(tǒng)與木材數(shù)據(jù)庫查詢和檢索系統(tǒng)，達(dá)到了世界先進(jìn)國家的水平。

　　1.4 木材命名的依據(jù)

　　我國地域遼闊，木材樹種繁多。為了規(guī)范和促進(jìn)木材市場的健康發(fā)展，中國林科院木材工業(yè)研究所的專家進(jìn)行了大量木材樹種歸類、命名，及標(biāo)準(zhǔn)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(fā)布，同年9月1日實(shí)施。

　　該標(biāo)準(zhǔn)以樹木學(xué)或植物學(xué)的屬為基礎(chǔ)，共收錄我國907個(gè)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(chǎn)地和備注，將材性和用途相近木材樹種名稱統(tǒng)一，便于木材的生產(chǎn)、利用、貿(mào)易、造林、營林、科研等，是國產(chǎn)木材命名的依據(jù)。

　　2)GB/ T 18531—2001《中國主要進(jìn)口木材名稱》的制定。2001年11月12日發(fā)布，2002年5月1日開始實(shí)施。

　　內(nèi)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(chǎn)地等。標(biāo)準(zhǔn)收錄了世界1010個(gè)樹種423個(gè)(類)木材名稱，隸屬于366屬(針葉樹材19屬，闊葉樹材371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(jìn)口木材命名的依據(jù)。

　　3)GB/ T 18107—2000《紅木》的制定。2000年5月19日發(fā)布，同年8月1日實(shí)施。是紅木的各類木材的命名準(zhǔn)則。

　　標(biāo)準(zhǔn)明確指出：紅木并不是植物(樹木)分類學(xué)上的一個(gè)樹種的名稱，而是約定俗稱的、用于目前紅木家具及其制品的8類樹種商品材集合名詞。研究確定了33個(gè)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，分別隸屬于紫檀屬、黃檀屬、柿屬、崖豆屬及鐵刀木屬。除柿屬隸屬于柿樹科外，其余各屬均隸屬于豆科。

　　2 國內(nèi)外木材樹種識別發(fā)展與展望

　　近年來，國外采用的遺傳法(DNA標(biāo)記)[4]、化學(xué)法(穩(wěn)定同位素)[5]和近紅外光譜(NIR)技術(shù)，對珍稀樹種保護(hù)、實(shí)施瀕危野生動植物國際貿(mào)易公約(CITES)、建立木材跟蹤與認(rèn)證系統(tǒng)、推進(jìn)世界天然林的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，起到了重要的技術(shù)支撐作用。

　　2.1 DNA標(biāo)記技術(shù)

　　因植物/木材樹種和產(chǎn)地的不同其DNA也不同，是某種植物/木材所特有的。

　　遺傳法可用于木材識別。近10年來，從干燥和加工后的不同樹種木材中，提取DNA技術(shù)已有突破，并編制了共同實(shí)施方案[5-6]。2007年，德國林業(yè)研究所利用DNA標(biāo)記技術(shù)，成功進(jìn)行了6種楊樹木材的識別[7]。

　　以占熱帶亞洲木材大多數(shù)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(fā)龍腦香科木材產(chǎn)地的鑒別工具，對于國際木材貿(mào)易和生物多樣性保護(hù)，具有極其重要的意義。德國聯(lián)合其他東南亞國家，以3 000株龍腦香科樹木(包括116種)為研究對象，開發(fā)了鑒別熱帶木材產(chǎn)地分子生物標(biāo)記的工具，為建立種和產(chǎn)地相關(guān)的遺傳數(shù)據(jù)庫提供參考[8-11]。

　　該項(xiàng)目選定龍腦香科的332個(gè)木材樣品。其中181個(gè)樣品采自天然林或東南亞的人工林，余下的151個(gè)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余個(gè)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(gè)屬取樣。

　　采用Verification DNA的提取方法，對樣品的DNA片段進(jìn)行擴(kuò)增(片段長度、遺傳根源、重復(fù)性)，選擇適當(dāng)濃度的模板DNA，并進(jìn)行DNA的重復(fù)性試驗(yàn)，得到大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　研究表明，龍腦香科樹木和木材是最適宜熱帶木材產(chǎn)地識別系統(tǒng)的材料。同種或相近木材，在不同的地理區(qū)域，DNA標(biāo)記是明顯不同的，可用來鑒別木材的產(chǎn)地和種。研究還發(fā)現(xiàn)采用改良的DNA SCAR標(biāo)記技術(shù)，在幾個(gè)擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(AFLP markers)中，也存在明顯的地理差異。

　　研究數(shù)據(jù)需建立DNA標(biāo)記信息數(shù)據(jù)庫，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理，才能獲得科學(xué)的數(shù)據(jù)和資料，有利于木材識別到種及其原產(chǎn)地。實(shí)現(xiàn)DNA標(biāo)記技術(shù)的商業(yè)化運(yùn)用，還需要各國科技工作者進(jìn)行大量的科學(xué)試驗(yàn)，以得到更多重要樹種和木材的DNA標(biāo)記信息及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。

　　2.2 穩(wěn)定同位素分析技術(shù)

　　此項(xiàng)技術(shù)早已應(yīng)用于食品等領(lǐng)域，正在引入木材識別系統(tǒng)。該技術(shù)是分析在已知木材中的某些穩(wěn)定元素，如碳、氧、氫、氮、硫等的穩(wěn)定同位素的比率。這種比率在某些地理區(qū)域是專一的，故可據(jù)此推斷木材的原產(chǎn)地[12-15]。

　　穩(wěn)定同位素的天然變異可以跟蹤木材的產(chǎn)地，特別是D/H(氘/氚)和18O/16O的比率。由于在全球水系統(tǒng)中，氫、氧穩(wěn)定同位素的同位素分餾，每個(gè)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(guān)。加之在針葉樹材中，由于植物在水分蒸騰中的分餾作用，同位素組成濃度更高。因此，從木材采伐地區(qū)選取標(biāo)準(zhǔn)樣品尤為重要。

　　例如德國Agroisolab GmbH實(shí)驗(yàn)室的研究人員從北歐的芬蘭、瑞典、波蘭、白俄羅斯、俄羅斯等國家獲得233個(gè)產(chǎn)地的1 651樣品，從樹木莖干上截取圓盤。主要木材樣品采自針葉林，如歐洲云杉(Picea abies )、歐洲赤松(Pinus sylvestris )和少數(shù)樺木(Betula sp.)。此外，由世界野生動物基金會提供，從東南亞的加里曼丹樣、文萊、馬來西亞西部、沙巴、蘇門答臘、越南等鉆取來自102個(gè)產(chǎn)地的487個(gè)生長錐樹芯。在同一株樹干相鄰的位置上，鉆取的兩個(gè)樹芯，樹芯長10 cm，所有圓盤或樹芯至少包括10個(gè)年輪。按照常規(guī)分析的要求，將樣品磨成細(xì)粉，用甲基氯化物清潔萃取4 h后，用索氏抽提器抽提至少4 h，在70 ℃下干燥12 h。

　　研究結(jié)果表明，在北歐，木材中有機(jī)物所含氫的D/H比率，可以跟蹤該木材產(chǎn)地，而同時(shí)利用D/H和18O/16O的比率，跟蹤原產(chǎn)地更加準(zhǔn)確，但在熱帶地區(qū)，似乎比較困難。

　　研究者正在利用其他元素，如開發(fā)利用N或S元素的新技術(shù)。D/H比率在東北歐呈現(xiàn)清晰的梯度特征，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(shí)，建立水的同位素空間模型，首次應(yīng)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(yàn)結(jié)果，同樣可支持該假說[12-13]。

　　采用地理繪圖系統(tǒng)，將穩(wěn)定同位素的比率和遺傳得到的DNA信息相結(jié)合，判定木材的原地理產(chǎn)地和種[14-15]。今后應(yīng)從木材中分離不同的純物質(zhì)，增加其他同位素對的測定，進(jìn)一步改進(jìn)測試技術(shù)和方法，開展大規(guī)模的試驗(yàn)，以期得到更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

　　2.3 近紅外光譜分析技術(shù)

　　NIR分析技術(shù)，是近年來分析化學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的高新分析技術(shù)，在食品、藥品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域已廣泛使用。2003年，日本專家利用NIR分析技術(shù)識別了8種木材[16]，中國林科院木材工業(yè)研究所亦已建立了20余種木材的NIR光譜數(shù)據(jù)庫，并申請了紅木的近紅外光譜識別方法的發(fā)明專利(200610149623.0)。但是該項(xiàng)技術(shù)還需更多的木材標(biāo)本光譜數(shù)據(jù)，建立更有代表性的數(shù)學(xué)模型，加速其商業(yè)化應(yīng)用。

　　3 結(jié)語

　　雖然宏觀和微觀特征結(jié)合等木材識別技術(shù)很成熟，但有一定的局限性，一般情況下，無法識別到種和產(chǎn)地。以DNA標(biāo)記、穩(wěn)定同位素和近紅外光譜技術(shù)為代表的木材識別新技術(shù)，拓寬了木材的識別范圍，并提高了精度，是非常值得研究和利用的新技術(shù)。我國在此方面，應(yīng)學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，盡快開展此方面的研究，為森林保護(hù)和木材工業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。