二倍體及其同源四倍體泡桐木材特性的變異分析和評(píng)價(jià)

趙振利，王曉丹，范國(guó)強(qiáng)

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

泡桐(Paulownia)是中國(guó)重要的速生用材、園林綠化和農(nóng)田防護(hù)林樹種，具有栽培歷史悠久、適生范圍大、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在緩解中國(guó)木材短缺、保障糧食安全和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用[1]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，泡桐存在叢枝病發(fā)生嚴(yán)重和低干大冠等問題，造成泡桐人工林的產(chǎn)量和質(zhì)量整體不高，嚴(yán)重影響了泡桐產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。多倍體植物由于體內(nèi)基因劑量的增加，導(dǎo)致植物在形態(tài)、生理、生化等方面較二倍體有很大的變化，表現(xiàn)為株形變大、葉片增大增厚、光合酶數(shù)量增多、凈同化率增大、生物量和抗逆性提高[2-4]。因此，科研工作者認(rèn)為培育多倍體植物新品種是促進(jìn)品種更新?lián)Q代和解決品種抗逆性低等問題的重要途徑，目前已有性狀優(yōu)良的多倍體植物新品種在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用[5-7]。作者通過化學(xué)試劑誘變結(jié)合常規(guī)育種程序，歷經(jīng)十余年研究，培育出了四倍體南方泡桐、四倍體毛泡桐和四倍體豫雜一號(hào)泡桐等四倍體泡桐新品種，生長(zhǎng)試驗(yàn)表明其具有根系發(fā)達(dá)、叢枝病發(fā)生率低、光合速率增大、抗逆性增強(qiáng)等特性[8-12]。泡桐產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求泡桐不僅要具備良好的集約栽培品質(zhì)，還要求其木材性能優(yōu)良、產(chǎn)量高，適用于木材工業(yè)化生產(chǎn)與大規(guī)模加工利用，從而滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)優(yōu)質(zhì)木材日益增長(zhǎng)的需求。四倍體泡桐相比二倍體泡桐具有明顯的優(yōu)良特性，但目前研究主要集中在生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律、光合特性、解剖結(jié)構(gòu)、苗木繁育和造林技術(shù)方面[11，13]，其作為生產(chǎn)木材這一最重要的特性及用途方面缺乏相關(guān)的系統(tǒng)研究。本研究以不同二四倍體泡桐為研究對(duì)象，分析其木材纖維形態(tài)、干縮率、基本密度、物理力學(xué)性能和化學(xué)成分等方面的變異情況，通過比較對(duì)不同二四倍體泡桐品種的品質(zhì)作出評(píng)價(jià)，以期為泡桐良種選育、推廣栽培和木材加工利用等方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

試驗(yàn)材料為種植于河南省許昌縣桂村鄉(xiāng)泡桐苗木基地的河南農(nóng)業(yè)大學(xué)自主培育的四倍體南方泡桐(tetraploidPaulowniaaustralia，PA4)、四倍體毛泡桐(tetraploidPaulowniatomentosa，PT4)、四倍體豫雜一號(hào)泡桐(tetraploidPaulowniatomentosa×Paulowniafortunei，PTF4)和對(duì)應(yīng)二倍體南方泡桐(Paulowniaaustralia，PA2)、二倍體毛泡桐(Paulowniatomentosa，PT2)、二倍體豫雜一號(hào)泡桐(Paulowniatomentosa×Paulowniafortunei，PTF2)的6年生泡桐試驗(yàn)林，依據(jù)生長(zhǎng)勢(shì)好、無病蟲害等標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)林中各選取與PA4、PT4、PTF4、PA2、PT2、PTF2的平均胸徑、平均樹高和平均材積接近并干形圓滿通直的3棵作為標(biāo)準(zhǔn)木并標(biāo)號(hào)樹干，伐后參照劉艷萍等[14]方法分別截取樹高0，0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 m處厚5 cm的樹干圓盤，按順序編號(hào)后帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.2 泡桐木材纖維特性測(cè)定

取泡桐樹干圓盤自髓心沿北向，每一生長(zhǎng)輪按早晚材各劈成火柴棍大小的試樣。纖維離析方法采用富蘭克林離析法[15]，將試樣按蒸煮法排除空氣，隨后加入體積比為1∶1 的冰醋酸和雙氧水離析液，再將試管進(jìn)行水浴加熱直至木芯發(fā)白變軟，待試管冷卻后將離析液倒掉，并水洗5 次以上至樣品無異味，再用番紅溶液染色并制成臨時(shí)切片，在光學(xué)顯微鏡(BX63，日本奧林巴斯公司)下用ToupView3.7系統(tǒng)測(cè)量纖維的長(zhǎng)度、寬度。隨機(jī)選取30根纖維為樣本單位，取其平均值統(tǒng)計(jì)纖維長(zhǎng)度、寬度和長(zhǎng)寬比。

1.3 泡桐木材干縮率、基本密度和白度測(cè)定

泡桐木材干縮率(弦向、徑向、體積)和木材基本密度分別參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1932—2009《木材干縮性測(cè)定方法》和GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》進(jìn)行，每組樣品測(cè)3次，結(jié)果取其平均值。木材白度參照茹廣欣等[16]的方法，剝掉原木表皮后用手鋸在所取圓盤上、中、下部各3塊厚約2～3 cm的木墩，放置氣干后切成小薄木片并充分混合，均勻選取1 000 g木片樣品，室溫條件下風(fēng)干后置入粉碎機(jī)中制成細(xì)末，取能通過50目篩的細(xì)末，采用CR-400/410色差計(jì)進(jìn)行測(cè)定，每組樣品測(cè)3次，取其平均值。

1.4 泡桐木材力學(xué)性能測(cè)定

泡桐樹干圓盤按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1929—2009《木材物理力學(xué)試件鋸解及試樣截取方法》進(jìn)行試材采集，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1928—2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》進(jìn)行試材制作檢查、試材含水率的調(diào)整等。木材順紋抗拉強(qiáng)度、木材順紋抗壓強(qiáng)度、木材抗彎強(qiáng)度、木材抗彎彈性模量和木材硬度的測(cè)定分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行，每組樣品測(cè)3次，取其平均值。

1.5 泡桐木材化學(xué)成分測(cè)定

泡桐木材化學(xué)成分測(cè)定試材按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2677.1—1993《造紙?jiān)戏治鲇迷嚇拥牟扇　愤M(jìn)行制備。水抽提物、1%NaOH抽出物、苯-醇抽出物、纖維素、木質(zhì)素、綜纖維素的測(cè)定分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2677.4—1993《造紙?jiān)纤槌鑫锖康臏y(cè)定》、GB/T 2677.5—1993《造紙?jiān)?%氫氧化鈉抽出物含量的測(cè)定》、GB/T 2677.6—1994《造紙?jiān)嫌袡C(jī)溶劑抽出物含量的測(cè)定》、GB/T 744—2004《紙漿抗堿性的測(cè)定》、GB/T 2677.8—1994《造紙?jiān)纤岵蝗苣舅睾康臏y(cè)定》、GB/T 2677.10—1995《造紙?jiān)暇C纖維素含量的測(cè)定》進(jìn)行，每組樣品測(cè)3次，取其平均值。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Graphpad prism 5和SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 二倍體及四倍體泡桐木材纖維形態(tài)變異

2.1.1 泡桐木材纖維長(zhǎng)度的變異 泡桐木材纖維長(zhǎng)度測(cè)定結(jié)果表明，3種泡桐木材的纖維長(zhǎng)度均隨樹高增長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，但不同樹種的變化幅度有差異(圖1)。從圖1可以看出，PA4和PA2的纖維長(zhǎng)度變化范圍分別為828.55～914.45 μm和835.48～874.70 μm，平均值分別為865.08 μm和852.95 μm；PT4和PT2的纖維長(zhǎng)度變化范圍分別為936.88～1 103.65 μm和778.91～1 047.45 μm，平均值分別為1 038.73 μm和922.14 μm；PTF4和PTF2的纖維長(zhǎng)度變化范圍分別為1 000.36～1 127.61 μm和948.18～1 090.32 μm，平均值分別為1 079.34 μm和1 029.61 μm。研究結(jié)果表明，在同一樹高位置，四倍體泡桐的纖維長(zhǎng)度均大于對(duì)應(yīng)二倍體泡桐，表明加倍后泡桐的纖維長(zhǎng)度明顯提高，其中PTF4的平均纖維長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到1 079.34 μm。

圖1 泡桐木材纖維長(zhǎng)度的變異Fig.1 Variation of wood fiber length of Paulownia

2.1.2 泡桐木材纖維寬度的變異 泡桐木材纖維寬度的變異結(jié)果顯示，3種泡桐木材的纖維寬度隨樹高增長(zhǎng)也都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，但不同樹種的變化幅度不同(圖2)。其中，PA4和PA2的纖維寬度變化范圍分別為29.48～34.21 μm和30.59～34.66 μm，平均值分別為25.84 μm和27.03 μm；PT4和PT2的纖維寬度變化范圍分別為30.52～38.64 μm和31.18～44.16 μm，平均值分別為36.54 μm和39.84 μm；PTF4和PTF2的纖維寬度變化范圍分別為37.32～45.64 μm和44.04～50.12 μm，平均值分別為42.42 μm和45.75 μm。研究結(jié)果表明，在同一樹高處，四倍體泡桐的纖維寬度小于對(duì)應(yīng)二倍體泡桐，顯示在加倍過程中泡桐木材纖維的寬度呈現(xiàn)下降情況，其中，PA4的纖維寬度平均值最小為31.96 μm。

圖2 泡桐木材纖維寬度的變異Fig.2 Variation of wood fiber width of Paulownia

2.1.3 泡桐木材纖維長(zhǎng)寬比的變異 泡桐木材纖維長(zhǎng)寬比的變異結(jié)果顯示，3種泡桐木材的纖維長(zhǎng)寬比隨樹高增長(zhǎng)都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，但不同樹種的變化幅度不一致(圖3)。從圖3可以看出，PA4、PA2的纖維長(zhǎng)寬比值變化范圍分別為24.22～29.67、24.11～27.94，平均值分別為27.03、25.91；PT4、PT2的纖維長(zhǎng)寬比變化范圍分別為24.79～35.00、17.83～27.71，平均值分別為28.66、23.75；PTF4、PTF2的纖維長(zhǎng)寬比變化范圍分別為23.32～26.65、21.53～26.91，平均值分別為25.59、22.61。研究結(jié)果表明，在同一樹高處，四倍體泡桐的平均纖維長(zhǎng)寬比均大于對(duì)應(yīng)二倍體泡桐，其中PT4纖維長(zhǎng)寬比平均值最大為28.66，說明在3種四倍體泡桐中四倍體毛泡桐更適用于紙漿造紙。

圖3 泡桐木材纖維長(zhǎng)寬比的變異Fig.3 Variation wood fiber length-width of Paulownia

2.2 二倍體及四倍體泡桐木材干縮率、基本密度和白度的變異

2.2.1 泡桐木材干縮率的變異 木材干縮率是影響木材穩(wěn)定性的重要物理特性之一。研究結(jié)果表明，二倍體泡桐加倍后其木材干縮率(弦向、縱向、體積)均出現(xiàn)減小的情況(表1)。從表1可以看出，二倍體泡桐和四倍體泡桐的6個(gè)種中，弦向干縮率變化范圍為3.58%～4.34%，變化幅度最小的是PTF4，變化幅度最大的是PA2；徑向干縮率變化范圍為1.69%～2.55%，變化幅度最小的是PTF4，變化幅度最大的是PA2；體積干縮率變化范圍為2.64%～3.12%，變化幅度最小的是PTF4，變化幅度最大的是PA2。此外，與PA2、PT2和PTF2相比，對(duì)應(yīng)PA4、PT4和PTF4的弦向干縮率、徑向干縮率和體積干縮率均降低，其中弦向干縮率降低比率分別是8.76%、2.15%和4.53%，徑向干縮率降低比率分別是23.92%、8.85%和7.65%，體積干縮率降低比率分別是10.90%、11.30%和5.38%。差異顯著性分析結(jié)果表明各指標(biāo)在二四倍體泡桐間存在顯著性差異。

表1 泡桐木材干縮率、基本密度和白度的變異Table 1 Variation of wood dry shrinkage,basic density,white degree of Paulownia

2.2.2 泡桐木材基本密度和白度的變異 泡桐木材的基本密度和白度是木材主要的內(nèi)在指標(biāo)，影響到木材的強(qiáng)度和質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，四倍體泡桐與其對(duì)應(yīng)二倍體泡桐相比，基本密度和白度都明顯提高(表1)。其中，基本密度變化范圍為0.20～0.23 g·cm-3，密度最小的是PT2，密度最大的是PTF4；白度變化范圍為38.44～42.61，白度最小的是PT2，白度最大的是PTF4。與PA2、PT2和PTF2相比，對(duì)應(yīng)PA4、PT4和PTF4的基本密度和白度均升高，其中基本密度升高比率分別是1.50%、10.13%和52.94%，白度升高比率分別是4.96%、1.86%和3.64%。差異顯著性分析結(jié)果顯示基本密度和白度在二四倍體泡桐間存在顯著性差異。

2.3 二倍體及四倍體泡桐木材力學(xué)性能的變異

研究結(jié)果表明，PA2、PT2和PTF2經(jīng)染色體加倍變成PA4、PT4和PTF4后其順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和硬度等力學(xué)性能均明顯提升(表2)。其中，PA2和PA4的順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和硬度分別為46.35 MPa和49.98 MPa、22.24 MPa和22.63 MPa、38.72 MPa和40.05 MPa、3 675.38 MPa和4 087.27 MPa、1 989.21 N和2 045.36 N，PT2和PT4的順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和硬度分別為51.08 MPa和53.23 MPa、22.09 MPa和23.67 MPa、40.65 MPa和43.24 MPa、4 158.46 MPa和4 367.54 MPa、2 187.63 N和2 345.12 N，PTF2和PTF4則是50.87 MPa和54.32 MPa、22.37 MPa和24.35 MPa、42.13 MPa和46.38 MPa、4 326.15 MPa和4 509.21 MPa、2 087.25 N和2 213.43 N。研究結(jié)果顯示，二倍體與四倍體力學(xué)性能指標(biāo)間均存在顯著性差異，四倍體泡桐相比于二倍體泡桐平均順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和硬度分別提升5.90%、5.63%、6.16%、64.54%和35.83%。

表2 泡桐木材力學(xué)性能的變異Table 2 Variation of wood mechanical property of Paulownia

2.4 二倍體及四倍體泡桐木材化學(xué)成分的變異

泡桐木材化學(xué)成分變異研究結(jié)果表明，四倍體泡桐經(jīng)由二倍體泡桐加倍后其抽出物(冷水抽提、熱水抽提、1%NaOH抽提、苯-醇抽提)和木質(zhì)素含量減少，纖維素和綜纖維素含量升高(表3)。冷水抽提物含量最高的是PT2(9.28%)，最低為PA4(7.17%)；熱水抽提物含量最高和最低分別是PT2和PA4，其值分別為11.03%和9.37%；1%NaOH抽提物含量最高的是PTF2(23.55%)，最低是PA4(18.52%)；苯-醇抽提物含量最高的是PTF2(8.56%)，最低是PA4(7.04%)；木質(zhì)素含量從最高值22.13%(PTF2)降低到最小值18.00%(PT4)；纖維素含量最高的是PA4(53.81%)，最低的是PT2(46.03%)；綜纖維素含量最高和最低分別是PT4(87.86%)和PT2(85.60%)；相比于二倍體泡桐，四倍體泡桐的冷水抽提物、熱水抽提物、1% NaOH抽提物和苯-醇抽提物的平均含量分別降低16.95%、6.23%、5.28%和6.44%，木質(zhì)素平均含量降低7.72%，纖維素和綜纖維素的平均含量分別提高5.17%和1.64%，差異顯著性分析結(jié)果表明，二倍體與四倍體泡桐間化學(xué)成分指標(biāo)均存在顯著性差異。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在本研究泡桐樹種中PA4木材的冷水抽提物、熱水抽提物、1% NaOH抽提物和苯-醇抽提物含量均為最低，纖維素含量最高，綜纖維素含量次之，綜合說明PA4的木材是良好的造紙?jiān)?，并且在降低紙張?jiān)旒埑杀竞头檄h(huán)保要求方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表3 泡桐木材化學(xué)成分的變異 Table 3 Variation of wood chemical composition of Paulownia

3 結(jié)論與討論

3.1 泡桐木材纖維形態(tài)變異分析

紙漿用材對(duì)木材纖維形態(tài)性狀有較高的要求，而纖維長(zhǎng)度和纖維長(zhǎng)寬比是衡量造紙?jiān)腺|(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)。造紙?jiān)嫌貌哪静睦w維長(zhǎng)度越長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比越大，其撕裂性和強(qiáng)固性較好，造紙打漿時(shí)則有較大的結(jié)合面積，制成紙張的撕裂度、抗拉強(qiáng)度、耐破度和耐折度等特性也越強(qiáng)[17-20]。本研究結(jié)果表明，3種四倍體泡桐品種的纖維長(zhǎng)度和纖維長(zhǎng)寬比均大于對(duì)應(yīng)二倍體，而纖維寬度減小，表明四倍體泡桐在造紙方面的價(jià)值總體要大于二倍體泡桐，這與翟曉巧等[21]和王曉丹等[22]對(duì)四倍體泡桐的研究結(jié)果一致。其中，PTF4的纖維長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到1 090.32 μm，PT4纖維長(zhǎng)寬比最大值為35.00，說明3個(gè)四倍體泡桐中PTF4和PT4更適宜用作造紙?jiān)稀?/p>

3.2 泡桐木材干縮性、基本密度和白度變異分析

木材干縮性主要是木材內(nèi)的水分在空氣中逐步蒸發(fā)所致，由于木材各方向干縮率的不同導(dǎo)致所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不同，容易造成木材及其制品出現(xiàn)開裂和翹曲變形等問題，從而影響木材及其制品的使用[23-24]。木材干縮率越小則木材各個(gè)紋理方向收縮相對(duì)均勻，木材越不易變形，利用價(jià)值越高[25]。本研究結(jié)果表明，PA4、PT4和PTF4的弦向干縮率、徑向干縮率和體積干縮率與對(duì)應(yīng)PA2、PT2和PTF2相比均減小，說明3個(gè)四倍體泡桐木材的穩(wěn)定性優(yōu)于二倍體泡桐。在四倍體泡桐中，PTF4的弦向干縮率、徑向干縮率和體積干縮率變化幅度最小，說明PTF4更適合于家具、板材等制品的開發(fā)使用。木材基本密度和白度是林木品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，木材基本密度的大小直接影響到木材物理力學(xué)性質(zhì)和木材加工質(zhì)量，其大小及變異程度是木材定向培育和性狀改良的主要依據(jù)與理論基礎(chǔ)[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，PA4、PT4和PTF4的與其對(duì)應(yīng)二倍體泡桐相比，基本密度和白度都明顯提高，說明3個(gè)四倍體泡桐的木材品質(zhì)均較其二倍體更優(yōu)良，其中PTF4的木材基本密度和白度最大，顯示PTF4有更大的利用價(jià)值。

3.3 泡桐木材力學(xué)性能和化學(xué)性質(zhì)變異分析

木材順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和硬度是木材力學(xué)性質(zhì)最重要的指標(biāo)，可度量木材抵抗外力的能力，是結(jié)構(gòu)用材合理利用的重要依據(jù)[23，27]。其中，木材順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度是對(duì)建筑物的木橋、樁木、承重地板、屋架等彎曲構(gòu)件選材時(shí)首先考慮的重要指標(biāo)[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，二四倍體泡桐木材力學(xué)性能存在顯著性差異，四倍體泡桐相比于二倍體泡桐平均順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和硬度均明顯提升，二倍體泡桐樹種中PA2木材的順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量均為最小值，說明其木材的力學(xué)性能比較差；而PTF4木材除硬度排在第二外，其順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量均為最大值，表明PTF4木材的力學(xué)性能最好。綜纖維素是指植物纖維原料在除去木質(zhì)素后所保留的全部半纖維素及纖維素的總量[28]。良好的造紙用纖維原料要求含纖維素高、木質(zhì)素含量少、抽提物含量少，且綜纖維素含量越高，則此木材纖維之間容易交織，成漿率越高，質(zhì)量越好[29-30]。本研究對(duì)不同二四倍體泡桐木材的化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果表明，PA4、PT4和PTF4木材的抽提物、木質(zhì)素含量小于其二倍體，纖維素、綜纖維素含量大于其二倍體，表明四倍體泡桐較其二倍體更適宜作為造紙?jiān)稀?/p>

綜上所述，四倍體南方泡桐、四倍體毛泡桐、四倍體豫雜一號(hào)泡桐木材的纖維形態(tài)、干縮率、基本密度、白度、力學(xué)性能和化學(xué)成分等方面的特性均優(yōu)于對(duì)應(yīng)的二倍體泡桐，表明四倍體泡桐在品種推廣、木材加工、造紙等方面具有更大的利用價(jià)值。四倍體豫雜一號(hào)泡桐以其卓越的木材特性可作為主要品種在生產(chǎn)上進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。