基于多點(diǎn)解析木的長(zhǎng)白落葉松建筑材優(yōu)良種源選擇1)

于宏影 張含國(guó) 張磊 姜瑩 張振

(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

長(zhǎng)白落葉松(Larix olgensis)是我國(guó)北方主要速生用材樹種，具有生長(zhǎng)快、分布廣、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)［1-2］，其木材強(qiáng)度高、紋理直、耐久用、耐腐性強(qiáng)，是重要的建筑用材之一，木材的力學(xué)性質(zhì)可衡量木材抵抗外力的能力，是木材實(shí)際應(yīng)用時(shí)最主要的參數(shù)［3-5］。木材基本密度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量等物理力學(xué)指標(biāo)在優(yōu)良建筑材選擇與評(píng)價(jià)中是比較重要的材性指標(biāo)［6-8］。長(zhǎng)白落葉松的種源試驗(yàn)是從20 世紀(jì)70 年代末開始的，以往進(jìn)行的長(zhǎng)白落葉松種源試驗(yàn)雖然較多，但部分試驗(yàn)林年齡較小、單點(diǎn)試驗(yàn)林分析結(jié)果較多、有些測(cè)定分析的性狀較少，具有一定的局限性［9-10］。本次研究以3 個(gè)地點(diǎn)31 年生的長(zhǎng)白落葉松種源為試驗(yàn)材料，分別對(duì)其進(jìn)行生長(zhǎng)性狀和力學(xué)性狀的測(cè)定。目的是通過變異分析、主成分分析以及穩(wěn)定性分析等，探索長(zhǎng)白落葉松種源的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，進(jìn)而篩選出長(zhǎng)白落葉松的優(yōu)良建筑材種源。

1 材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)位于尚志市西北部的東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)、伊春市帶嶺區(qū)的東北林業(yè)大學(xué)涼水實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，以及大興安嶺山脈東南坡的加格達(dá)奇農(nóng)林科學(xué)院基地。

1980 年在大石頭、露水河等11 個(gè)種源(地點(diǎn))采種，1981 年育苗，1982 年定植于帽兒山、涼水、加格達(dá)奇3 個(gè)地點(diǎn)，2011 年對(duì)31 年生長(zhǎng)白落葉松進(jìn)行生長(zhǎng)性狀測(cè)定和解析木取樣。其中帽兒山、涼水地點(diǎn)為11 個(gè)種源(包括大石頭、露水河、天橋嶺、白河、和龍、穆棱、大海林、小北湖、白刀山、雞西、關(guān)帝山，其中關(guān)帝山為華北落葉松，作為對(duì)照)，加格達(dá)奇地點(diǎn)為10 個(gè)種源(包括阿爾山、露水河、天橋嶺、白河、和龍、穆棱、大海林、小北湖、白刀山、雞西，其中阿爾山為興安落葉松，作為對(duì)照)。造林均采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)。帽兒山小區(qū)定植40株，造林株行距1．5 m×2．0 m;涼水小區(qū)定植60 株，株行距1．5 m×2．0 m;加格達(dá)奇小區(qū)定植21 株，株行距3．0 m×3．0 m。

對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)所有立木進(jìn)行生長(zhǎng)性狀(樹高、胸徑、材積)測(cè)定。每個(gè)種源在3 個(gè)區(qū)組內(nèi)分別伐取2 株解析木，將解析木從根莖基部向上2～3 m、3～4 m 各伐取一段，試材運(yùn)回后氣干，以種源為區(qū)分，把木段按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制成無瑕疵小樣。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行物理力學(xué)性狀的測(cè)定，包括:順紋抗壓強(qiáng)度(GB 1935—1991)、硬度(GB 1941—1991)、抗彎強(qiáng)度(GB 1936．1—1991)、抗彎彈性模量(GB 1936．2—1991)、沖擊韌性(GB 1940—1991)、木材密度(GB 1933—1991)、干縮率(GB 1932—1991)［11］等指標(biāo)。硬度包括弦面硬度、徑面硬度、端面硬度;木材密度包括基本密度、氣干密度;干縮率指體積干縮率，包括氣干干縮率和全干干縮率。順紋抗壓強(qiáng)度、硬度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量每個(gè)樣本測(cè)量24 個(gè)數(shù)據(jù)(沖擊韌性個(gè)別種源不足24 個(gè)數(shù)據(jù))，密度、干縮率每個(gè)樣本測(cè)量34 個(gè)數(shù)據(jù)。物理力學(xué)性狀的測(cè)定在東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)共測(cè)定14 個(gè)生長(zhǎng)和力學(xué)性狀。

利用SPSS18．0［12］軟件進(jìn)行種源變異分析、方差分析、多重比較、主成分分析等。采用DPS 專業(yè)統(tǒng)計(jì)V14．10［13］進(jìn)行穩(wěn)定性分析。采用Minitab16．0［14］剔除異常觀測(cè)值(由于沖擊韌性樣本數(shù)較少，不足24 個(gè)，試驗(yàn)誤差較大，導(dǎo)致變異系數(shù)過大，給予剔除異常觀察值之后再進(jìn)行分析)。

2 結(jié)果與分析

2．1 生長(zhǎng)性狀與力學(xué)性狀方差分析

對(duì)3 個(gè)地點(diǎn)14 個(gè)生長(zhǎng)和物理力學(xué)性狀進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示:帽兒山、涼水、加格達(dá)奇3 個(gè)地點(diǎn)內(nèi)不同種源間除了樹高、胸徑、材積差異顯著(P＜0．05);不同種源間其他11 個(gè)指標(biāo)差異極顯著(P＜0．01)。對(duì)3 個(gè)地點(diǎn)種源各性狀進(jìn)行變異分析(表1僅列出帽兒山地點(diǎn)的8 個(gè)主要性狀)，帽兒山地點(diǎn)14 個(gè)性狀變異系數(shù)最大的性狀為材積，達(dá)到40．09%，變異系數(shù)最小的性狀是基本密度，為9．33%。涼水地點(diǎn)變異系數(shù)最大的性狀為沖擊韌性，達(dá)到39．42%，變異系數(shù)最小的性狀是樹高，為7．15%。加格達(dá)奇地點(diǎn)變異系數(shù)最大的性狀為材積，達(dá)到32．34%，變異系數(shù)最小的性狀是基本密度，為10．27%。3 個(gè)地點(diǎn)各性狀均存在豐富的變異，3 個(gè)地點(diǎn)的材積和沖擊韌性這兩個(gè)性狀的變異系數(shù)較大，都達(dá)到了30%以上，基本密度的變異系數(shù)較小，在10%左右。對(duì)差異顯著的性狀用Duncan 法多重比較進(jìn)行分析，對(duì)于建筑材指標(biāo)，生長(zhǎng)性狀、密度、順紋抗壓強(qiáng)度、硬度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、沖擊韌性數(shù)值越大，干縮率數(shù)值越小，說明材質(zhì)越好。表1 基本反應(yīng)了帽兒山不同種源在各性狀中的簡(jiǎn)單相互關(guān)系。結(jié)果表明:帽兒山地點(diǎn)整體表現(xiàn)較好的種源是和龍、小北湖、白刀山。涼水地點(diǎn)整體表現(xiàn)較好的種源是穆棱、雞西、小北湖。在帽兒山地點(diǎn)和涼水地點(diǎn)作為對(duì)照的華北落葉松關(guān)帝山種源，在大多數(shù)性狀中均處于中下游。加格達(dá)奇地點(diǎn)整體表現(xiàn)較好的種源是天橋嶺、穆棱、和龍。在加格達(dá)奇地點(diǎn)作為對(duì)照的興安落葉松阿爾山種源在各性狀中的排名均處于中下游。

2．2 主成分分析

表2 以涼水地點(diǎn)為例，列出了各性狀主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率，可以得出，特征向量中提取的3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86．37%，可以對(duì)原始的14 個(gè)性狀進(jìn)行概括。第一特征向量中物理力學(xué)性狀貢獻(xiàn)較大，第二特征向量胸徑、材積貢獻(xiàn)較大，第三特征向量樹高貢獻(xiàn)較大。帽兒山地點(diǎn)和加格達(dá)奇地點(diǎn)的主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了84．11%和85．22%，可以反映原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息［15］。

根據(jù)相關(guān)矩陣的特征向量，可得出3 個(gè)地點(diǎn)的綜合主成分函數(shù)式(式中x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10、x11、x12、x13、x14分別代表樹高、胸徑、材積、基本密度、氣干密度、氣干干縮率、全干干縮率、順紋抗壓強(qiáng)度、弦面硬度、徑面硬度、端面硬度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、沖擊韌性)。

帽兒山地點(diǎn)綜合主成分表達(dá)式:

涼水地點(diǎn)綜合主成分表達(dá)式:

加格達(dá)奇地點(diǎn)綜合主成分表達(dá)式:

由主成分表達(dá)式能得出提取的每個(gè)主成分的得分、排名以及綜合主成分得分、排名。表3 列出了3個(gè)地點(diǎn)的綜合主成分F 得分及綜合排名，可知帽兒山地點(diǎn)綜合排名在3 名的種源是和龍、大石頭、天橋嶺，白刀山種源、小北湖種源排在4 ～5 名，但大石頭種源材積、氣干干縮率、全干干縮率表現(xiàn)明顯不好，基本密度、順紋抗壓強(qiáng)度、弦面硬度、徑面硬度、端面硬度等性狀表現(xiàn)中等，天橋嶺種源多數(shù)性狀表現(xiàn)中等或不好;涼水地點(diǎn)排在前3 名的種源是穆棱、雞西、小北湖;加格達(dá)奇地點(diǎn)排在前3 名的種源是天橋嶺、穆棱、和龍。對(duì)共有種源的排名進(jìn)行相加，得數(shù)越低，說明在3 個(gè)地點(diǎn)的綜合排名越靠前，由此發(fā)現(xiàn)穆棱、和龍、小北湖、天橋嶺這4 個(gè)種源在3 個(gè)地點(diǎn)整體排在前4 位。

表1 帽兒山各性狀變異分析及多重比較

表2 涼水地點(diǎn)各性狀主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率

2．3 穩(wěn)定性分析

在品種區(qū)域化試驗(yàn)中，往往會(huì)出現(xiàn)同一品種在不同地區(qū)生長(zhǎng)量表現(xiàn)出很大差異的問題，即品種的穩(wěn)定性問題［16-20］。新引入的或新育成的品種，在大面積推廣之前，都要經(jīng)過區(qū)域試驗(yàn)，為其推廣和合理利用提供科學(xué)依據(jù)［21］。生長(zhǎng)慢、材質(zhì)差、穩(wěn)定性不好的都不能選為優(yōu)良種源。對(duì)3 個(gè)地點(diǎn)共有的9 個(gè)種源的14 個(gè)性狀做穩(wěn)定性分析，結(jié)合種源在3 個(gè)地點(diǎn)各性狀中的排名(由于版面有限，表4 僅列出14個(gè)性狀中的8 個(gè)主要性狀，按照產(chǎn)量由高到低進(jìn)行排列)，通過比較，選出優(yōu)良種源穆棱、天橋嶺，這兩個(gè)種源在表3 主成分分析中整體排名分別排在第1名和第4 名。這兩個(gè)種源不但產(chǎn)量高，而且在廣泛的種植環(huán)境中適應(yīng)性較好，表現(xiàn)較穩(wěn)定。和龍、小北湖、白刀山穩(wěn)定性稍差。和龍種源在帽兒山地點(diǎn)胸徑、材積、氣干干縮率排在中下游，在涼水地點(diǎn)樹高、胸徑、材積、抗彎彈性模量排在下游，其他性狀均在中游;小北湖種源在帽兒山地點(diǎn)的氣干密度、沖擊韌性排在中下游;在涼水地點(diǎn)樹高排在下游，材積、氣干干縮率這兩個(gè)性狀排在中下游;在加格達(dá)奇地點(diǎn)樹高、胸徑、材積、基本密度、氣干密度、沖擊韌性排在下游。白刀山種源在帽兒山地點(diǎn)樹高排在下游，在涼水地點(diǎn)胸徑、材積、氣干干縮率、全干干縮率、端面硬度排在下游，樹高、弦面硬度、端面硬度排在中下游;在加格達(dá)奇地點(diǎn)順紋抗壓強(qiáng)度、弦面硬度、抗彎彈性模量表現(xiàn)在下游，在徑面硬度、抗彎強(qiáng)度表現(xiàn)在中下游。

表3 3 個(gè)地點(diǎn)各性狀的綜合主成分得分及排序

表4 種源各性狀的排序情況

3 結(jié)論與討論

各性狀存在較大的變異，材積的變異系數(shù)最大，基本密度的變異系數(shù)最小，變異系數(shù)從大到小分別是材積、沖擊韌性、徑面硬度、弦面硬度、抗彎強(qiáng)度、端面硬度、抗彎彈性模量、胸徑、氣干干縮率、順紋抗壓強(qiáng)度、全干干縮率、樹高、氣干密度、基本密度，數(shù)值分別為36．43%、36．36%、25．66%、21．46%、20．79%、20．16%、17．38%、15．73%、15．31%、14．82%、14．08%、11．65%、11．14%、10．11%。在所測(cè)的14 個(gè)性狀中，有6 個(gè)性狀的變異系數(shù)超過20%，這說明長(zhǎng)白落葉松種源各性狀存在豐富的變異。3 個(gè)地點(diǎn)不同種源間樹高、胸徑、材積差異顯著;順紋抗壓強(qiáng)度、弦面硬度、徑面硬度、端面硬度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、沖擊韌性、基本密度、氣干密度、氣干干縮率、全干干縮率差異極顯著，在種源水平上對(duì)長(zhǎng)白落葉松的生長(zhǎng)性狀和物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改良有很大潛力，進(jìn)行木材生長(zhǎng)性狀、力學(xué)強(qiáng)度的種源選擇，可取得良好的效果。Miranda 等對(duì)葡萄牙藍(lán)按(Eucalyptus globulus)3 個(gè)地點(diǎn)37 個(gè)種源試驗(yàn)林研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)按木材密度顯著受種源的影響［22］，這與本文結(jié)果相類似。

Duncan 法多重比較結(jié)果表明:帽兒山地點(diǎn)表現(xiàn)較好的種源是和龍、小北湖、白刀山，涼水地點(diǎn)表現(xiàn)較好的種源是穆棱、雞西、小北湖，加格達(dá)奇地點(diǎn)表現(xiàn)較好的種源是天橋嶺、穆棱、和龍。單地點(diǎn)主成分分析表明:帽兒山地點(diǎn)排在前3 名的種源是和龍、大石頭、天橋嶺，涼水地點(diǎn)排在前3 名的種源是穆棱、雞西、小北湖，加格達(dá)奇地點(diǎn)排在前3 名的種源是天橋嶺、穆棱、和龍。涼水和加格達(dá)奇的Duncan 法多重比較和主成分分析選出優(yōu)良種源一致，帽兒山地點(diǎn)通過主成分分析法與Duncan 法多重比較選出的優(yōu)良種源略有不同，說明不同的分析方法所得出的結(jié)果可能不完全一樣。兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)，Duncan法多重比較能夠直接看到每個(gè)種源在每個(gè)性狀的排名;主成分分析法能在不損失或很少損失原有信息的前提下，將原來個(gè)數(shù)較多而且彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為新的個(gè)數(shù)較少且彼此獨(dú)立或相關(guān)性較小的綜合指標(biāo)，避免了重復(fù)信息的干擾［23-24］。

通過DPS 穩(wěn)定性分析，并結(jié)合每個(gè)種源在3 個(gè)地點(diǎn)各性狀中的產(chǎn)量排名以及增產(chǎn)幅度，通過多個(gè)性狀的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)穆棱、天橋嶺這兩個(gè)種源基本上在3 個(gè)地區(qū)都適應(yīng)，而且產(chǎn)量較高、增產(chǎn)幅度較大，綜合評(píng)價(jià)也較好。由于3 個(gè)地點(diǎn)的地理位置跨度大，不僅僅要從高產(chǎn)上考慮，而且最好能夠廣泛適應(yīng)于所栽培的各個(gè)生產(chǎn)區(qū)域，同時(shí)又能在各個(gè)生態(tài)環(huán)境中穩(wěn)定地保持其高產(chǎn)性能。

通過對(duì)幾種分析方法得出的結(jié)果進(jìn)行整合、對(duì)比，除在每個(gè)地點(diǎn)推廣排名靠前的種源外，如帽兒山、涼水地區(qū)小北湖種源表現(xiàn)比較優(yōu)良，還應(yīng)綜合選出產(chǎn)量高、增產(chǎn)幅度大、材質(zhì)好、穩(wěn)定性好的穆棱、天橋嶺為優(yōu)良建筑材種源，兩個(gè)優(yōu)良種源的樹高、胸徑、材積、基本密度、氣干密度、氣干干縮率、全干干縮率、順紋抗壓強(qiáng)度、弦面硬度、徑面硬度、端面硬度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、沖擊韌性的平均值分別為19．02 m、20．67 cm、0．320 m3、0．440 g/cm3、0．539 g/cm3、10．06%、13．68%、36．79 MPa、3 293．54 N、3 423．34 N、4 692．08 N、148．54 MPa、15．04 GPa、63．21 kJ/m2，相較于3 個(gè)地點(diǎn)的種源平均值，除了氣干干縮率、全干干縮率、端面硬度以及沖擊韌性這4 個(gè)性狀，其他性狀均增產(chǎn)，分別增產(chǎn)2．348%、3．261%、7．353%、1．614%、2．366%、1．589%、2．399%、1．613%、2．765%、2．566%。

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