【目的】黑木相思的心材具有优美的木纹和独特的美丽图案。作为特色速生树种，研究其心材形成机制，有助于提升心材的利用价值。然而，当前关于黑木相思心材形成的关键生理和化学机制仍不清晰。本研究旨在探究黑木相思心材形成的生理和化学基础，以深入理解其心材化过程。【方法】为实现上述目标，本研究采用组织化学染色法，观察黑木相思木质部不同部位薄壁细胞中细胞核、淀粉粒和还原糖的形态及数量变化。同时，利用超高效液相色谱–质谱联用仪（UPLC-MS/MS）鉴定心材、过渡材和边材提取物的成分，分析其化学组成特征。通过这些方法，系统探究黑木相思心材形成的生理和化学基础，揭示其在心材化过程中的关键变化。【结果】在从边材到心材的过渡过程中，细胞核数量逐渐减少，长宽比变小，形态从长梭形变为圆形，并在第3生长轮完全消失。淀粉粒和还原糖主要分布在射线薄壁细胞周围的轴向薄壁细胞，数量逐渐减少，最终在第3生长轮消失。第4生长轮细胞核形态由椭圆形变成圆形，淀粉粒几乎消失，推测此区域为过渡区内侧。这些变化反映了心材化过程中细胞内部生理活动的逐步调整。在化学成分方面，黑木相思心材的总酚（45.80 mg/g）和总黄酮（16.13 mg/g）含量显著高于边材（总酚3.25 mg/g，总黄酮0.50 mg/g）。利用UPLC-MS/MS，鉴定出黑木相思心边材提取物中的21种酚类成分，涵盖黄酮类、酚酸类、单宁类、二苯乙烯类和香豆素类。其中，二氢槲皮素、圣草酚、伞形酮和3-甲氧基木犀草素等酚类化合物相对含量较高。【结论】本研究揭示了黑木相思在生理活性和代谢产物方面的变化规律，明确了其木质部化学组成特征的关键部分。这些发现为黑木相思心材形成和颜色变化提供了重要的理论基础，也为黑木相思的高效利用提供了更深入的科学依据。