濕地松7個(gè)無性系木材管胞形態(tài)和木材密度的研究

石江濤，丁笑紅，王旭軍

(1.南京林業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院木材科學(xué)系，江蘇 南京 210037；2.湖南省林業(yè)科學(xué)院 林下經(jīng)濟(jì)研究所，湖南 長沙 410004)

濕地松(Pinuselliottii)是我國引種的重要針葉樹商品材樹種之一。該樹種適應(yīng)性強(qiáng)、生長迅速、木材產(chǎn)量高、材質(zhì)較好。因此對(duì)其優(yōu)質(zhì)品系的選育一直是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。樹種的無性系選育一直被認(rèn)為具有遺傳增益大、選育成本低、保持親本優(yōu)良性狀、收獲期一致等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，對(duì)引種商品材樹種資源培育質(zhì)量的提升有重要意義。對(duì)于樹木來說，良種選育主要考慮其生長量、抗性及木材性質(zhì)。這其中，濕地松的生長特征方面的研究較多。主要有濕地松生長的遺傳變異和家系評(píng)價(jià)[3-4]、光合特性[5-7]、豐產(chǎn)栽培技術(shù)[8]等。而對(duì)濕地松木材的研究主要集中在栽培條件對(duì)木材物理力學(xué)性質(zhì)的影響[9-11]。張耀麗[12]等還研究了種植密度對(duì)紙漿材的化學(xué)成分影響。但是作為木材物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，木材解剖特征的相關(guān)研究較少。徐有明[13]等分析了管胞長度和微纖絲的變異及其相關(guān)性。生長輪寬度反映了樹木的生長年生長量，密度是木材物理性質(zhì)的基本參數(shù)，而管胞特征則是木材物理力學(xué)性質(zhì)及其利用的基礎(chǔ)。因此，本研究以濕地松7個(gè)無性系木材為對(duì)象，比較分析它們的年輪、密度和管胞特征，期望為濕地松的良種選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采集于湖南省汨羅市桃林寺鎮(zhèn)(113°03′15″-113°06′19″E,28°55′52″-28°58′18″N)，桃林國有林場東部濕地松種子園。選取濕地松7個(gè)無性系生長狀態(tài)近似的健康植株各3棵。采用非破壞性取樣法[14]，在樹干胸高(距離地面1.3 m)處，垂直樹干軸向抽取直徑5 mm完整木芯，置于FAA固定液帶回實(shí)驗(yàn)室備用。取樣樹木詳細(xì)信息見表1。

表1 濕地松無性系樹木情況

注：表中數(shù)值為平均值。

1.2 生長輪寬度與晚材率

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1930-2009《木材年輪寬度和晚材率測定方法》。將木芯削平，按徑向垂直年輪劃一條直線，沿直線測出完整年輪部分的總寬度，精確至0.01 mm。在試樣年輪總寬度范圍內(nèi)，測出每個(gè)年輪的晚材寬度，精確至0.01 mm。年輪總寬度除以年輪數(shù)為平均年輪寬度。晚材總寬度除以年輪總寬度為總晚材率。

1.3 密度測定

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1933-2009《木材密度測定方法》。樣品氣干后，將所有木芯自樹皮向內(nèi)，從第3個(gè)年輪起，取2.5～3.2 cm長木段，測定初始質(zhì)量M0與體積V0，質(zhì)量測定用精密天平，單位為g，保留3位小數(shù)。并計(jì)算初始含水率。無性系0-67、0-187、0-374、0-1302、4-12、8-131和IV-130的氣干狀態(tài)含水率分別為14.7%、13.9%、14.0%、18.1%、16.4%、16.7%和18.7%。然后將其換算為含水率12%時(shí)的密度。采用排水法測定飽水后濕材體積，記為V1。木芯經(jīng)(103±2)℃絕干后，測定質(zhì)量M1。M1/V1為基本密度。

1.4 管胞長度與寬度的測定

取單數(shù)年輪1,3,5,7……樣本，采用富蘭克林離析法解離木材。將年輪樣品分早、晚材，削成細(xì)條狀，置于試管中，加蒸餾水后蒸煮至木材沉水，加入適量冰醋酸與雙氧水(體積比1∶1)的混合液，沸水浴中蒸煮3 h左右，至試樣完全變白，將樣品用水沖洗至中性，滴入1%的番紅染色后，取少量試樣放在載玻片上，光學(xué)顯微鏡下觀察，采用Motic 2.0軟件測量。每個(gè)年輪的早、晚材各隨機(jī)測管胞長度50根、寬度30根，單位為μm，保留1位小數(shù)。所有數(shù)據(jù)采用Origin 8.0和Excel 2007進(jìn)行處理作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 年輪寬度、晚材率和密度

年輪寬度是樹木徑向生長速度的主要標(biāo)志,能直接反映樹木的年生長量,它又是影響材質(zhì)均勻性的重要因子。濕地松7個(gè)無性系木材平均年輪寬度如圖1所示。比較得知，無性系4-12、0-187和0-67的平均年輪寬均超過7 mm，4-12的最大，達(dá)到(7.751±0.351)mm；而無性系0-374、0-1302和VI-130的均<5 mm，VI-130的最小為(4.445±0.743)mm。方差分析結(jié)果表明，濕地松無性系樹種之間平均年輪寬度在0.05水平上差異極顯著(表2)。濕地松平均年輪寬度結(jié)果說明，無性系4-12的平均生長量最大，而VI-130的平均生長量最小。

濕地松無性系總年輪中晚材率的比較結(jié)果與平均年輪寬度基本呈相反規(guī)律。無性系0-187、4-12和8-131的平均晚材率均小于40 %，0-187的最小，為(34.4±7.1)%；而無性系0-374、0-1302和VI-130的均超過45%，VI-130的最大，達(dá)到(50.2±8.8)%。但是方差分析結(jié)果表明，濕地松無性系樹種之間，總晚材率在0.05水平上差異性并不顯著(如表2所示)。濕地松7個(gè)無性系木材的基本密度和氣干密度如圖2所示。無性系木材基本密度范圍為(0.447±0.079)～(0.535±0.042)g·cm-3，0-1302的最大，0-67的最小。氣干密度的變化范圍是(0.528±0.016)～(0.657±0.055)g·cm-3，平均含水率為10.8 %。VI-130的最大，0-67的最小。方差分析結(jié)果表明，濕地松無性系樹種之間，木材基本密度在0.05水平上差異性并不顯著，但是氣干密度差異顯著(表2)。

表2 不同無性系木材特征方差分析

注：*表示在0.05水平差異顯著，**表示在0.05水平差異極顯著。

圖1 無性系木材年輪寬度和晚材率(各點(diǎn)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

圖2 無性系木材密度(各點(diǎn)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.2 無性系之間管胞長度與寬度的差異

由表3可知，所有無性系晚材管胞長度大于早材，晚材寬度小于早材，晚材長寬比值遠(yuǎn)大于早材。無性系0-187早晚材管胞長度差別最大，VI-130的差別最小。計(jì)算得知，無性系0-187晚材管胞長度比早材的長19.7%，0-67次之，為14.9%，0-1302的較低為6.6%，VI-130的僅為0.4%，早晚材管胞長度幾乎相當(dāng)。與管胞長相比，早晚材管胞寬度的差異更加明顯。比較得知，無性系4-12的晚材寬度低于早材的53%，8-131的為50.1%，VI-130的為46%，0-187的差別最小，為16.3%。另外，早晚材管胞長寬比的差別也非常顯著。無性系4-12和8-131管胞早材長寬比值較大，分別為晚材的59.3%和59.1%；0-67、VI-130、0-187和0-1302的早晚材長寬比值差別居中；0-374的早晚材長寬比差別最小，早材是晚材的82.3%。

無性系之間早材管胞長度差別較大，0-374的早材管胞長度最長，為(4 080.8±660.7)μm，0-67的最小，為(3 253.2±758.1)μm；而晚材管胞長度差別較小，8-131的晚材管胞長度最長，為(4 196.5±484.8)μm,0-67的最小，為(3 740.9±1 011.1)μm。根據(jù)IAWA的分類，管胞平均長度<3 000 μm，為短管胞；長度介于3 000 μm和5 000 μm之間的為中等管胞；>5 000 μm的為長管胞[15]。所以，濕地松7個(gè)無性系木材的早晚材管胞均為中等長度。

與管胞長度相反，無性系之間管胞寬度早材的差別較小，8-131的最大，為(53.9±9.5)μm，0-187的最小，(46.3±7.3) μm；而晚材管胞寬度的差別范圍是(33.2±5.9)～(40.5±9.3)μm，其中0-67的最大，4-12的最小。無性系0-67早材長寬比值最小，為62.7,4-12與8-131接近，0-187與0-1302相當(dāng)，0-374的早材長寬比值最大，為85.9；8-131晚材的長寬比值最大，為116.9,0-67的最小為92.4。

纖維長度的頻率分布，即不同長度范圍內(nèi)的纖維數(shù)量分布狀況，是制漿過程中的重要參數(shù)[16]。由圖3可知，早材管胞長度主要分布在2 500～3 500 μm和3 500～4 500 μm(圖3A)，只有無性系0-374有20%管胞長度>4 500 μm。8-131和VI-130的早材管胞長度分布頻率相似。晚材管胞長度同樣主要分布在2 500～3 500 μm和3 500～4 500 μm(圖3B)，無性系0-187、0-374和8-131都有20 %管胞長度>4 500 μm。0-1302和4-12的晚材管胞長度分布頻率相似。

表3 無性系木材管胞長寬特征

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，長寬比無單位。

注：A.早材，B.晚材。

3 結(jié)論與討論

比較研究了湖南種植的濕地松7個(gè)無性系木材的年輪寬度、晚材率、密度和管胞長度與寬度。

1)無性系之間年輪寬度在0.05水平上差異極顯著。4-12的最大，VI-130的最小。無性系間總晚材率在0.05水平上差異性并不顯著。VI-130的最大，0-187的最??；無性系間木材基本密度在0.05水平上差異性并不顯著，但是氣干密度差異顯著。無性系0-1302木材基本密度最大，為(0.524±0.058)g·cm-3，0-67的最小為(0.428±0.079)g·cm-3。無性系VI-130的氣干密度最大，為(0.617±0.064)g·cm-3，0-67的最小為(0.51±0.015)g·cm-3。相比而言，本試驗(yàn)所測濕地松木材基本密度均大于廣西[17]、福建[9]等地種植的濕地松木材。前人研究表明林齡、立地條件等環(huán)境因子會(huì)影響木材年輪寬度、密度、力學(xué)性質(zhì)等[9,18-19]。但是由于本試驗(yàn)樣本數(shù)量有限，此結(jié)論還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。由于晚材率和基本密度大小能很好地反映木材力學(xué)性能[20]，可認(rèn)為濕地松無性系0-374、0-1302和VI-130的木材強(qiáng)度等力學(xué)性能優(yōu)于其他幾個(gè)無性系。

2)7個(gè)無性系木材的早晚材管胞均為中等長度。無性系之間早材管胞長度和寬度差別明顯，晚材管胞長度與寬度差別較小。0-374的早材管胞長度最長，達(dá)(4 080.8±660.7)μm，8-131的晚材管胞長度最長，為(4 196.5±484.8)μm,0-67的早晚材管胞長度均為最小。早材管胞的平均寬度大于晚材管胞的。無性系8-131的早材管胞寬度最大，為(53.9±9.5)μm；0-67的晚材管胞寬度最大。無性系之間管胞長寬比差異明顯，0-67早材的最小，為62.7,8-131晚材的最大，為116.9。管寧[17]等研究發(fā)現(xiàn)，廣西生長的濕地松晚材和早材管胞長度平均值分別為2 823 μm和2 445 μm，而臺(tái)山生長的濕地松晚材和早材管胞長度平均值分別為2 346 μm和1 968 μm。這些都與本研究的結(jié)果有較大差別。由此表明，管胞形態(tài)在家系水平的差異不僅受遺傳力控制，還與種植地有關(guān)。

3)7個(gè)無性系木材早、晚材管胞長度主要分布在2 500～4 500 μm，無性系0-374有20%管胞長度>4 500 μm。無性系0-187和8-131的晚材都有20%管胞長度>4 500 μm。針葉材中管胞的長度與寬度關(guān)系到木材纖維的長寬比。纖維長寬比是衡量造紙纖維質(zhì)量的重要指標(biāo)。楊樹[21-22]、翠柏[23]等木材研究認(rèn)為，長寬比越大，纖維長度越長，紙張的撕裂度、抗拉強(qiáng)度、耐破度和耐折度等也越強(qiáng)。通常認(rèn)為優(yōu)良造紙?jiān)系睦w維長寬比要>100[24]。因此，無性系0-374、4-12、8-131和VI-130木材均可作為優(yōu)良的造紙?jiān)稀?/p>

參考文獻(xiàn):

[1] 馬常耕.無性系林業(yè)與無性系育種[J].湖南林業(yè)科技,1986(3):280-290.

[2] 段愛國,張雄清,張建國,等.21年生杉木無性系生長與遺傳評(píng)價(jià)[J].林業(yè)科學(xué)研究,2014,27(5):672-676.

[3] 駱秀琴,姜笑梅,殷亞方,等.濕地松15個(gè)家系木材材性遺傳變異及優(yōu)良家系評(píng)估[J].林業(yè)科學(xué)研究,2003,16(6):694-699.

[4] 林思京.抗病濕地松、火炬松家系評(píng)價(jià)及優(yōu)良家系選擇[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,34(2):51-654.

LIN S J.Family evaluation and superior family selection for disease resistantPinuselliottiiandP.taeda[J].Journal of Nanjing Forestry University:Natural Sciences Edition,2010,34(2):51-654.(in Chinese)

[5] 周珺,魏虹,呂茜,等.土壤水分對(duì)濕地松幼苗光合特征的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2012,31(1):30-37.

[6] 童方平,徐艷平,宋慶安,等.濕地松優(yōu)良半同胞家系和CO2響應(yīng)曲線特征參數(shù)的變異規(guī)律 [J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,33(1):54-58.

TONG F P,XU Y P,SONG Q A,etal.The variance rule of character parameters responding to light and CO2of slash pine’s half-sib [J].Journal of Nanjing Forestry University:Natural Sciences Edition,2009,33(1):54-58.(in Chinese)

[7] 譚芳林,薛建輝,張水松,等.不同混交模式防護(hù)林中濕地松的光合特性[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2003,27(4):35-38.

TAN F L,XUE J H,ZHANG S S,etal.The characteristics of photosynthesis of slash pine in different type of mixed forests [J].Journal of Nanjing Forestry University:Natural Sciences Edition,2003,27(4):35-38.(in Chinese)

[8] 龍應(yīng)忠,吳際友,童方平,等.湖南省濕地松、火炬松豐產(chǎn)栽培技術(shù)的研究[J].林業(yè)科技通訊,1995(8):8-12.

[9] 林金國,董建文,涂育合,等.濕地松人工林木材物理力學(xué)性質(zhì)變異的研究[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào),1997,17(4):360-362.

[10] 邵卓平,董宏敢,張治國.濕地松木材物理力學(xué)性質(zhì)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,27(1):64-66.

SHAO Z P,DONG H G,ZHANG Z G.Study on physical and mechanical properties ofPinuselliottii[J].Journal of Anhui Agricultural University,2000,27(1):64-66.(in Chinese)

[11] 羅真付,張雪峰,陸步云,等.森林培育措施對(duì)人工林濕地松木材物理力學(xué)性質(zhì)的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,39(2):228-233.

LUO Z F,ZHANG X F,LU B Y,etal.Effects of silvicultural treatments on physical and mechanical properties ofPinuselliottii[J].Journal of Anhui Agricultural University,2012,39(2):228-233.(in Chinese)

[12] 張耀麗,徐永吉,龍應(yīng)忠,等.濕地松種植密度對(duì)紙漿材主要化學(xué)成分的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2002,26(6):60-62.

[13] 徐有明,陳士銀,方文彬.濕地松木材管胞長度微纖絲角的變異及其相關(guān)性分析[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,18(1):83-87.

XU Y M,CHEN S Y,FANG W B.Variation of tracheid length and microfibril angle and their relationship of slash pin grown in different sites [J].Journal of Huazhong Agricultural University,1999,18(1):83-87.(in Chinese)

[14] 趙榮軍,楊培華,謝斌,等.油松半同胞子代及親本木材構(gòu)造與物理力學(xué)性質(zhì)的研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2000,15(2):24-28.

[15] RICHTER H G,GROSSER I,HEINZ I,etal.IAWA list of microscopic features for softwood identification [J].IAWA Journal,2004,25(1):22.

[16] 武恒,查朝生,王傳貴,等.人工林楊樹12個(gè)無性系木材纖維形態(tài)特征及變異[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(2):8-10.

WU H,CHA C S,WANG C G,etal.Morphological features of wood fiber and its variation for twelve clones of poplar plantations [J].Journal of Northeast Forestry University,2011,39(2):8-10.(in Chinese)

[17] 管寧,劉昭息,潘志剛.不同種源火炬松和濕地松木材基本密度和管胞長度的變異[J].林業(yè)科學(xué)研究,1993,6(3):236-240.

[18] ZOBEL B J,VAN BUIJTCNCE J P.Wood Variation Its Causes and Control [M].Berlin:Springer-Verlag,1989.

[19] BALODIS V.Planning of pulpwood production from plantations [J].ACIAR Proceedings,1991,35:132-137.

[20] 徐有明,林漢,張卓文,等.火炬松種源順紋抗壓強(qiáng)度變異及與樹齡、晚材率、木材密度相關(guān)分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(4):19-22.

XU Y M,LIN H,ZHANG Z W,etal.Variation in crushing strength parallel to the grain of wood for provenances of exotic loblolly pine and its relationships with tree age,wood density and latewood percentage [J].Journal of Northeast Forestry University,2005,33(4):19-22.(in Chinese)

[21] 朱教君,姜鳳岐,曾其蘊(yùn).楊樹林帶木材纖維長度變化規(guī)律及其在經(jīng)營中的應(yīng)用[J].林業(yè)科學(xué),1994,30(1):50-56.

ZHU J J,JIANG F Q,ZENG Q Y.A study on regularity of the change of fiber length of wood in poplar shelterbelts and its application in shelterbelt management [J].Scientia Silvae Sinicae,1994,30(1):50-56.(in Chinese)

[22] 陳柳曄,史小娟,樊軍峰.秦白楊系列品種木材材性及纖維形態(tài)的研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2017,32(1):253-258.

CHEN L Y,SHI X J,FAN J F.Study on properties and fiber morphology of Qinbaiyang series varieties woods [J].Journal of Northwest Forestry University,2017,32(1):253-258.(in Chinese)

[23] 廖聲熙,崔凱,張鵬,等.翠柏木材管胞形態(tài)和結(jié)晶度的株內(nèi)變異[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2012,27(6):159-164.

LIAO S X,CUI K,ZHANG P,etal.Variation of wood tracheid character and crystallinity ofCalocedrusmacrolepis[J].Journal of Northwest Forestry University,2012,27(6):159-164.(in Chinese)

[24] 朱惠方,腰希申.國產(chǎn)33種竹材紙漿應(yīng)用上纖維形態(tài)特征結(jié)構(gòu)的研究 [J].林業(yè)科學(xué),1964,9(4):311-331.