日常生活中,软木和硬木各有用途。最近,科学家发现一种介于中间的全新木材——“中木”。它不仅结合了硬木软木的优点,还能大幅度增强树木储存碳的能力。
我们通常认为结实的木材都产自大雪纷飞的东北林区,实际上真正高级的硬质木材,特别是各种红木,主要出自热带雨林。
硬木和软木的区别,并不是硬木就硬,软木就软,而是基于其生长环境、木材结构等诸多因素,它们是树木分类的两种常见方式。
软木通常来自针叶树,硬木通常来自阔叶树。一般软木通常比硬木密度小、质地较软,但是,例外的情况也很多,比如说花旗松密度和一些硬木一样,而作为硬木的轻木,材质反倒如泡沫塑料一样轻质和柔软。
硬木和软木各自的优点很突出,缺点也很明显。比如,软木通常纹理平顺,用于建筑结构框架的木材大部分来自软木,这是相对丰富和便宜的,且便于加工,干缩湿胀率小,不易开裂,但是硬度和耐磨性是硬伤。而硬木则恰恰相反,它们的材质更密实,纹理更丰富,具有漂亮的外观,和较高的耐磨性,特别适合制作家具、地板和精细的木制品,但是硬木常常容易变形和开裂,在北方使用过红木家具的朋友,一定对此深有感触。
硬木和软木的基本区别还是在于木材的微观结构。
软木结构相对简单,主要由较大的纵向细胞(管胞)和少量的径向细胞(木射线)组成,垂直分布的管胞决定了软木的基本结构,覆盖在木质部细胞上的纤维也比较粗。
硬木的结构较为复杂,木射线在木材中所占比例较大,在很大程度上影响了木材的质地。另外,硬木中纵向细胞分布更为复杂,有直径大的导管来输送水分和无机盐,周围细一些的木纤维则赋予树木更强的结构强度和耐久性。
研究人员发现,硬木树(例如橡树或桦树)通常拥有直径约为15纳米的巨原纤维;而如松树或云杉的软木树巨原纤维的直径可高达25纳米或以上,这种差异决定了木材的材质差别。
另外,硬木和软木还有一个巨大的差别,就是在对二氧化碳的吸收和固定方面,软木类树木往往具有更高的效率,这种能力被认为是一个应对和破解全球气候变化的重要选项。
那么,有没有一种树木可以结合两者优点,扬长避短呢?
目前现存的两种鹅掌楸属植物,即北美鹅掌楸和鹅掌楸,拥有约20纳米的巨原纤维,介于软木和硬木之间。这也就使得鹅掌楸拥有传统硬木和软木的双重特性,既有相当的木材硬度,也有软木类树木强大的二氧化碳吸收和固碳能力。
在3000万到5000万年前,当鹅掌楸从木兰科祖先分化出来的时候,地球经历了二氧化碳浓度下降事件,大气中二氧化碳浓度从1000ppm左右急剧下降至约320ppm。这种条件下,具有较强固碳能力的鹅掌楸在这个变化中具有相当的优势。在今天,兼具传统软木和硬木特征的鹅掌楸,不仅为我们提供了很好的木材选择,也为碳中和提供了非常重要的植树造林选择。
关于的木材品质问题,除了硬木和软木,木材品质还与什么因素有关?
木材的品质与树木种类有着非常紧密的联系。通常除特殊用途——比如做暖瓶塞子,会选用栓皮栎松软的木栓层,造纸可以选用柔韧纤维多的构树树皮——绝大多数情况下,我们通常会选用硬度大、强度高、心材多的木材来制作家具、衣柜等家居用品。
所谓心材,顾名思义就是指树木中央的木材部分。它们是老化的木质部,位于髓心与边材之间,这些细胞曾经是为大树的枝叶输送水分的管道。在大树生长过程中,位于大树中央的导管逐渐失去疏导功能,这些逐渐失去输导功能的心材细胞,会因为填充了油脂、树胶、单宁或其他物质而颜色加深,使得部分木材的边材与心材界线鲜明。至于说那些仍然维持着活性,没有填充次生代谢产物的边材会显得柔软一些。
正是因为次生代谢产物的存在,让木材有了某些特殊性能。但是,这种性能的取得往往需要时间。
黄花梨的珍贵在于时间的积累,虽然经过五十年,黄花梨已经长到了碗口粗细,但是其心材恐怕还没有1根擀面杖粗。心材之所以珍贵是因为在树木生长的过程中积累了次生代谢产物,把曾经用于输送水分的管道填得满满当当,这样的木材才有了相当的硬度、色泽和香气,也就成了上好的木料。就拿降香黄檀来说,在水肥条件良好的情况下,通常每年可长高约2厘米,直径增加3厘米左右,要经过6-7年的生长才能产生心材。而在野生生长条件下,心材的累积速度还要更缓慢,甚至要在10年之后才能产生心材。从这个角度来看,红木类树木虽然有强大的生命力,但是在可见的时间段内,它们很难产生大量的木材资源。从这个意义上来说,红木其实又是一种稀缺的、“不可再生”资源。而我们今天发展像鹅掌楸这样的中木类树材,将为我们未来木材选择和植树造林提供一个新的选项。
作者:史军 中国科学院植物学博士
审核:马莎 中国林学会科普处处长 高级工程师