杉木無性系新品種‘洋020’和‘洋061’10年生幼齡材微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的相關(guān)性*

賈 茹 孫海燕 王玉榮 汪 睿 趙榮軍 任海青

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所 北京 100091)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國人工林種植面積居于首位的針葉速生商品材樹種，生長速度快、材質(zhì)優(yōu)良、木材紋理通直、結(jié)構(gòu)均勻、不翹不裂，在建筑、家具制造和造船等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用(吳中倫， 1984)。通過杉木種內(nèi)有性雜交得到變異群體，從中選拔優(yōu)良個(gè)體育成的無性系品種，相較于種子混合繁殖來說，具有遺傳增益較高、優(yōu)良性狀穩(wěn)定、林相整齊等優(yōu)點(diǎn)，在森林培育中被廣泛采用(洪菊生等， 1993； 施季森等， 1994)。杉木種源-家系-家系內(nèi)個(gè)體間在生長、材性的遺傳變異及其性狀相關(guān)性等方面已有較系統(tǒng)報(bào)道(施季森等， 1993)，目前，杉木無性系研究主要集中在優(yōu)良無性系選擇、生長性狀遺傳評(píng)價(jià)等方面(胡德活等， 2001； 許忠坤， 2014； 段愛國等， 2014)，而從木材加工利用角度對(duì)杉木無性系品種進(jìn)行木材品質(zhì)性狀系統(tǒng)評(píng)價(jià)的報(bào)道較少。隨著杉木無性系新品種的不斷問世和大量造林應(yīng)用，評(píng)價(jià)杉木無性系品種的木材品質(zhì)性狀，對(duì)于杉木木材的合理、高效利用以及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)杉木無性系品種選育和國家杉木大徑材戰(zhàn)略儲(chǔ)備林基地建設(shè)等均具有重要意義。

木材力學(xué)性能是衡量木材品質(zhì)性狀的主要指標(biāo)及評(píng)價(jià)木制品質(zhì)量和加工性能的重要依據(jù)。杉木優(yōu)良無性系生長與材質(zhì)性狀研究表明，木材力學(xué)性能也是篩選優(yōu)良無性系的重要品質(zhì)性狀之一(朱安明等， 2015)。浙江富陽地區(qū)10年生杉木種源和無性系間在木材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度等木材力學(xué)性能上均存在顯著遺傳差異，總體趨勢(shì)是杉木幼齡材的力學(xué)性能指標(biāo)低于成熟材(駱秀琴等， 1994； 黃安民等， 2006)。成熟材與幼齡材相比，管胞次生壁的縱向彈性模量和硬度也明顯不同(余雁等， 2006)。有研究指出，可通過幼齡材的特征參數(shù)預(yù)測(cè)成熟材材質(zhì)(李堅(jiān)等， 1999； 施季森等， 1993)，利用杉木幼齡材與成熟材生長和材性等性狀的相關(guān)關(guān)系可進(jìn)行生長和材性性狀的早期選擇，從而縮短育種世代進(jìn)程(施季森等， 1993； 韋立權(quán)， 2004)。不同針葉材樹種成熟材和幼齡材的年齡界定不同，對(duì)于人工林杉木幼齡材和成熟材，其界定年齡是其生長期的第14～15年間(Mansfieldetal.， 2009； 李堅(jiān)等， 1999； 施季森等， 1993)。目前，雖有很多經(jīng)過早期良種選育、生長性狀良好的杉木無性系品種，但對(duì)杉木無性系幼齡期木材力學(xué)性能等材質(zhì)性狀的研究報(bào)道較少。

木材顯微和超微構(gòu)造特征以及化學(xué)組分是影響木材力學(xué)性能的主要因子，木材細(xì)胞壁厚度和壁腔比大小等顯微構(gòu)造可反映木材力學(xué)性能優(yōu)劣(姜笑梅等， 1997)。細(xì)胞壁微纖絲角大小對(duì)木材硬度、彈性模量和強(qiáng)度性能指標(biāo)的高低等影響顯著，通常微纖絲角較小的木材具有較高的抗彎強(qiáng)度(劉一星等， 2004； 葛曉雯等， 2016； Tanabeetal.， 2016)。木材纖維素結(jié)晶度也與木材彈性模量等力學(xué)強(qiáng)度性能密切相關(guān)(Wangetal.， 2014； 范文俊等， 2015)，一般來說結(jié)晶度越高，木材彈性模量、斷裂強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度性能越好(Borregaetal.， 2014； 丁濤等， 2012)，反之亦然(范文俊等， 2015； 陳美玲等， 2016)?；瘜W(xué)組分木質(zhì)素的單體類型和含量對(duì)木材力學(xué)性能也有重要影響，如木材經(jīng)過褐腐，細(xì)胞壁中的木質(zhì)素降解后，木材硬度下降幅度較大(Wangetal.， 2014)； 杉木成熟晚材脫木質(zhì)素后，會(huì)引起硬度和彈性模量降低(王傳貴等， 2012)。研究還發(fā)現(xiàn)，杉木生物降解時(shí)木材化學(xué)組分、結(jié)晶度發(fā)生變化，其力學(xué)性能也會(huì)受到影響(Chenetal.， 2017)。以往對(duì)杉木木材力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的研究多集中于成熟材，而對(duì)于同一生境下不同杉木無性系品種幼齡材微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的相關(guān)研究未見系統(tǒng)報(bào)道。

鑒于此，本研究以福建洋口國有林場(chǎng)杉木無性系品種比對(duì)示范試驗(yàn)林杉木無性系品種‘洋020’(C.lanceolata‘Yang 020’)和‘洋061’(C.lanceolata‘Yang 061’)10年生幼齡材為研究對(duì)象，應(yīng)用光學(xué)顯微圖像分析系統(tǒng)、X射線衍射、傅里葉變換紅外顯微成像技術(shù)以及木材力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)國標(biāo)測(cè)試方法等對(duì)2個(gè)杉木無性系幼齡材的微觀構(gòu)造、木質(zhì)素化學(xué)組分以及主要力學(xué)性能抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度和硬度等進(jìn)行研究，旨在表征和分析杉木無性系幼齡材的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特征，為杉木優(yōu)良無性系選育、杉木木材加工利用和加工工藝研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試材采自福建洋口國有林場(chǎng)(117°80′E，26°80′N)5塊10年生杉木無性系品種比對(duì)示范試驗(yàn)林(100株塊狀小區(qū)，簡比排列，重復(fù)3次)。原始選育群體源于1983年種內(nèi)雜交試驗(yàn)林， 1991年從中初選優(yōu)良單株，經(jīng)扦插繁殖成系； 1992年建立無性系測(cè)定林(45個(gè)無性系，完全隨機(jī)區(qū)組，4株小區(qū)，10次重復(fù))， 2006年復(fù)選15個(gè)無性系進(jìn)行組培擴(kuò)繁，先后在福建省內(nèi)外建立示范林和區(qū)域測(cè)定林。其中，‘洋020’(編號(hào)： 國R-SC-CL-002-2018)和‘洋061’(編號(hào)： 國R-SC-CL-003-2018)于2019年通過國家林業(yè)和草原局林木新品種認(rèn)定?！?20’具早期高生長迅速、胸徑生長速度中上、側(cè)枝較細(xì)短、樹冠窄、自然整枝良好、樹干通直圓滿、耐輕度干旱和瘠薄立地條件、對(duì)杉梢螟(Diorictriaschuetzella)等蟲害抗性較強(qiáng)等特征，宜適當(dāng)密植并培育中小徑材；‘洋061’的直徑具持續(xù)生長優(yōu)勢(shì)，樹高生長6～8年后加速持續(xù)至成熟期，樹干通直圓滿、尖削度小、出材量高，宜土層較深厚、肥沃濕潤的立地造林并培育高規(guī)格大徑材。

每個(gè)無性系各采伐8株標(biāo)準(zhǔn)木作為樣木，共16株。其中，‘洋020’樣木的平均樹高14.58 m，胸徑17.68 cm； ‘洋061’樣木的平均樹高11.88 m，胸徑18.23 cm。各無性系取樣木樹高1～3.5 m間部分木段進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能測(cè)試。

1.2 試樣制備

1.2.1 微觀結(jié)構(gòu)試樣制備 截取樣木樹高1.8 m處70 mm厚圓盤，通過圓盤中心取2個(gè)垂直方向?qū)?0 mm的中心條試樣，分別編號(hào)A和B(圖1)。中心條A和B沿徑向從樹皮至髓心分為內(nèi)、中、外3部分。

圖1 木材微觀結(jié)構(gòu)試樣制備示意Fig. 1 Sample preparation diagram of wood microstructure

中心條A截取為上(編號(hào)為1)和下(編號(hào)為2)2部分。上部中心條徑向近樹皮、中部和近髓心3部分分別鋸成尺寸為30 mm×10 mm×1.5 mm(縱×徑×弦)的木片，用于木材微纖絲角測(cè)量。下部中心條分別從徑向3個(gè)不同部位取尺寸為15 mm×10 mm×10 mm(縱×徑×弦)的小木塊，用于顯微結(jié)構(gòu)觀察和顯微紅外測(cè)試。中心條B 3個(gè)部位樣品經(jīng)粉碎研磨后取80～100目木粉，用于結(jié)晶度分析。

1.2.2 力學(xué)性能試樣制備 將樹高1～3.5 m樣木分為3段，分段取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。近樹皮(h1、h4)、中部(m1～m4)和近髓心(h2、h3)徑向部位如圖2所示。原木鋸解后，按圖2a先制備截面尺寸為30 mm×30 mm的毛坯條，再精加工成截面尺寸為20 mm×20 mm的試樣，沿縱向制取2個(gè)試樣，分別用于抗彎模量/強(qiáng)度和順紋壓縮強(qiáng)度測(cè)定，每個(gè)無性系8株樣木制備抗彎和抗壓無疵小試樣各100個(gè)左右。

圖2 抗彎、抗壓和硬度試樣制備示意Fig. 2 The diagram of wood bending, compression and hardness specimen preparation

硬度試樣制備如圖2b所示，先從原木試材中截取100 mm木段，制備截面尺寸為70 mm ×70 mm × 100 mm(徑×弦×縱)的毛坯條，再精加工成截面尺寸為50 mm ×50 mm ×70 mm的試樣，每個(gè)無性系8株樣木制備硬度無疵小試樣20個(gè)左右。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 顯微構(gòu)造觀測(cè) 每個(gè)無性系選取3株樣木，取樣位置與宏觀力學(xué)試樣內(nèi)、中、外3部分相對(duì)應(yīng)。使用滑走切片機(jī)切取16 μm厚切片，番紅染色，經(jīng)脫水、透明制成永久切片。將切片置于ZEISS Imager A1顯微鏡下觀察拍照，獲得杉木不同無性系的顯微結(jié)構(gòu)。觀測(cè)各試樣橫切面晚材管胞的雙壁厚和腔徑，獲得其微觀構(gòu)造特征。

1.3.2 微纖絲角測(cè)定 選取上述30 mm×10 mm×1.5 mm的木片，使用荷蘭PANalytical公司X-pert PRO多晶型X射線衍射儀測(cè)定每個(gè)無性系試樣的微纖絲角，衍射角為22.4°，旋轉(zhuǎn)范圍為0～360°。測(cè)試時(shí)保證木片弦切面與X射線照射方向垂直，測(cè)試后得到002面衍射圖，采用0.6T法計(jì)算各無性系木材試樣的平均微纖絲角。

1.3.3 結(jié)晶度測(cè)定 使用荷蘭PANalytical公司X-pert PRO多晶型X射線衍射儀測(cè)定每個(gè)無性系試樣的結(jié)晶度。測(cè)試時(shí)將粉末樣品置于樣品盒中，壓制平整，衍射儀掃描范圍5°～55°，掃描速度6(°)·min-1。衍射圖譜采用Segal經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算結(jié)晶度，用公式C=(Iu-Ia)/Iu×100%(Iu為2θ=22°處的極大積分強(qiáng)度，Ia為2θ=18°處的極小積分強(qiáng)度)計(jì)算各無性系結(jié)晶度的平均值。

1.3.4 傅里葉變換紅外顯微原位分析 選用與顯微構(gòu)造觀測(cè)相同的樣品，使用滑走切片機(jī)切取14 μm厚切片，置于傅里葉變換紅外顯微成像系統(tǒng)透射模式下，分別對(duì)每個(gè)無性系近樹皮、中部和近髓心3個(gè)部位樣品進(jìn)行原位檢測(cè)，每個(gè)位置至少隨機(jī)選取3個(gè)區(qū)域(面積為130 μm×130 μm)作為樣品內(nèi)觀察重復(fù)。紅外光譜數(shù)據(jù)分析時(shí)，每個(gè)區(qū)域至少選取15個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的紅外光譜，并在紅外光譜的1 800、1 540和785 cm-1處進(jìn)行基線校準(zhǔn)，圖譜經(jīng)歸一化處理后用峰比值法比較木質(zhì)素相對(duì)含量。

1.3.5 力學(xué)性能測(cè)試 按照GB/T 1928—2009規(guī)定，首先在恒溫(20±2)℃、恒濕65%±3%的環(huán)境下平衡木材試樣含水率，當(dāng)試樣含水率調(diào)至約12%時(shí)，利用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定不同無性系木材的抗彎模量、抗彎強(qiáng)度、順紋壓縮強(qiáng)度和硬度，測(cè)定方法參照我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1936.2—2009； GB/T 1936.1—2009； GB/T 1935—2009； GB/T 1941—2009)和其他通用技術(shù)方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 2個(gè)杉木無性系幼齡材微觀結(jié)構(gòu)

2.1.1 顯微構(gòu)造特征比較 2個(gè)杉木無性系幼齡材近樹皮處，即第8個(gè)年輪的顯微構(gòu)造如圖3所示。10年生杉木木材主要由管胞和木射線等構(gòu)成，年輪間界限明顯； 早晚材管胞形態(tài)差異明顯，早材管胞壁薄腔大，多為卵圓形，晚材管胞壁厚腔小，多為長方形?！?61’和‘洋020’早材管胞形態(tài)較為接近，晚材部分管胞形態(tài)有較大區(qū)別，相比于‘洋061’，‘洋020’晚材帶管胞數(shù)量多，且管胞壁較厚，腔較小。

圖3 無性系‘洋061’(a)和‘洋020’(b)木材橫切面顯微構(gòu)造Fig. 3 Cross-sectional microstructure of wood between ‘Yang 061’(a) and‘Yang 020’ (b)

2個(gè)杉木無性系木材早、晚材帶管胞平均雙壁厚、腔徑和壁腔比如表1所示?！?20’和‘洋061’管胞平均雙壁厚分別為4.28和4.29 μm，略小于浙江安吉龍山林場(chǎng)26年生杉木無性系幼齡材(Songetal.， 2011)。2個(gè)杉木無性系早材之間管胞形態(tài)差異較小，‘洋061’和‘洋020’早材管胞平均雙壁厚分別為3.20和3.41 μm，壁腔比相差不大。對(duì)比2個(gè)無性系木材晚材管胞解剖參數(shù)發(fā)現(xiàn)，‘洋061’和‘洋020’晚材區(qū)管胞平均雙壁厚分別為4.93和5.39 μm，腔徑分別為21.20和18.55 μm，方差分析結(jié)果表明均達(dá)到0.05顯著性差異水平?！?20’晚材區(qū)管胞較‘洋061’呈壁厚腔小的特點(diǎn)，‘洋020’晚材區(qū)管胞壁厚較‘洋061’約大9%，管胞腔約小13%，壁腔比約大25%。林木生長特性與組成細(xì)胞形態(tài)關(guān)系密切。對(duì)比‘洋061’和‘洋020’生長特性，10年生‘洋061’的胸徑稍大，徑向生長較快，年輪較寬，相較于‘洋020’，其管胞特別是晚材區(qū)管胞呈腔大壁薄的特點(diǎn)。這些顯微構(gòu)造特征不同有可能導(dǎo)致杉木無性系木材的力學(xué)性能差異。

表1 2個(gè)杉木無性系木材解剖構(gòu)造參數(shù)①Tab.1 Anatomical structure parameters of woods between two Chinese fir clones

2.1.2 微纖絲角比較 2個(gè)杉木無性系木材薄片的X射線衍射圖譜如圖4所示。杉木無性系間木材薄片的X射線衍射圖譜大體趨勢(shì)一致，但出現(xiàn)峰值最高點(diǎn)位置和衍射峰半高寬不同，這表明杉木無性系間在細(xì)胞壁微纖絲排列角度上有一定差異。采用0.6T法對(duì)2個(gè)無性系木材薄片的衍射圖譜進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，木材平均微纖絲角在12°～15°之間，其中‘洋020’細(xì)胞壁的微纖絲角比‘洋061’小18%，2個(gè)無性系的微纖絲角差異達(dá)顯著性差異水平(P<0.05，表2)。總體上，杉木幼齡材的微纖絲角要大于36年生杉木無性系近成熟材的平均微纖絲角(Yinetal.， 2011)。

表2 2個(gè)杉木無性系木材的微纖絲角統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Statistical results of microfibril angle of wood cell walls between two Chinese fir clones

圖4 2個(gè)杉木無性系間木材薄片的X射線衍射圖譜Fig. 4 XRD patterns between two Chinese fir clones by wood flake

木材微纖絲角大小與樹種間、樹種內(nèi)品種間等遺傳因素有關(guān)，還可能與木材取樣的樹齡、部位以及經(jīng)營措施等環(huán)境因素有關(guān)。美洲黑楊(Populusdeltoides)不同基因型的生長性狀與木材微纖絲角相關(guān)研究表明，生長較快的楊樹其木材也具有較大的微纖絲角(Wangetal.， 2016)。對(duì)輻射松(Pinusradiata)不同無性系的微纖絲角研究發(fā)現(xiàn)，在相似立地條件下，微纖絲角大小受基因型控制(Donaldson， 1992)?！?61’與‘洋020’2個(gè)基因型具有不同的樹高和胸徑生長，在微觀結(jié)構(gòu)上微纖絲排列角度不同。微纖絲角大小通常與木材力學(xué)性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。10年生時(shí)，徑向生長稍慢的‘洋020’的微纖絲角較小，推測(cè)比‘洋061’具有更好的木材力學(xué)性能，但杉木無性系基因型間幼齡材微纖絲角的差異是否能夠保持到成熟材階段，有待進(jìn)一步觀察。

2.1.3 結(jié)晶度比較 2個(gè)杉木無性系木材粉末的X射線衍射圖譜如圖5所示。2個(gè)杉木無性系均在2θ為18°、22.5°和35°附近有3個(gè)衍射峰，分別對(duì)應(yīng)(101)、(002)和(040)晶面。(002)衍射的極大峰值在2θ=22.5°附近，極小值在2θ=18°附近。2個(gè)杉木無性系木材粉末結(jié)晶度的X射線衍射圖譜形狀基本相同，但在2θ=22.5°處的峰強(qiáng)度明顯不同，且半高寬差別較大，這說明無性系間纖維素結(jié)晶部分晶胞構(gòu)造是相同的，但結(jié)晶程度不同?！?61’細(xì)胞壁纖維素結(jié)晶度較低，為35.88%±4.36%，‘洋020’ 細(xì)胞壁纖維素結(jié)晶度較高，為39.73%±4.58%，與浙江開化來源于不同地理種源的多個(gè)杉木無性系成熟材(其平均結(jié)晶度為43%～46%)(胡夢(mèng)霄等， 2017)比較，‘洋020’和‘洋061’幼齡材的結(jié)晶度均較小，這可能與2個(gè)無性系試材尚處于幼齡期有關(guān)。無性系‘洋020’的結(jié)晶度雖然比‘洋061’高11%左右，但2個(gè)無性系間的結(jié)晶度測(cè)定值未達(dá)統(tǒng)計(jì)顯著性差異標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 2個(gè)杉木無性系間木材粉末的X射線衍射圖譜Fig.5 XRD patterns between two Chinese fir clones by wood powder

2.1.4 化學(xué)組分——木質(zhì)素比較 采用傅里葉變換紅外顯微原位分析技術(shù)測(cè)定木質(zhì)素含量。表3所示為1 800～800 cm-1的紅外特征峰及其歸屬，其中1 600、1 508、1 264和1 232 cm-1處均為木質(zhì)素的吸收峰(Faix， 1991； ?kerholmetal.， 2003)。圖6所示為杉木晚材管胞壁可見光圖像和全光譜圖像。

表3 針葉材細(xì)胞壁聚合物的傅里葉紅外特征峰歸屬Tab.3 Fourier infrared characteristic peak of coniferous wood cell wall polymer

圖6 杉木晚材管胞壁可見光圖像(a)和全光譜圖像(b)Fig. 6 Visible light image (a) and full spectrum image (b) of latewood tracheid walls in Chinese fir clones

圖7所示為2個(gè)杉木無性系木材管胞壁平均紅外光譜，圖譜經(jīng)基線校正和歸一化處理后用于后續(xù)分析。對(duì)紅外圖譜中的特征峰進(jìn)行比較分析，采用I1 508/I1 452、I1 508/I1 424、I1 600/I1 452和I1 600/I1 424表征木質(zhì)素的相對(duì)含量，2個(gè)杉木無性系木材的紅外光譜特征峰高比列于表4。對(duì)比4組特征峰高比發(fā)現(xiàn)，‘洋020’的峰值高于‘洋061’，其I1 508/I1 452、I1 508/I1 424、I1 600/I1 452和I1 600/I1 424分別比‘洋061’高4%、5%、11%和12%。在林齡、立地條件和營林措施相同的條件下，2個(gè)無性系木質(zhì)素含量不同，表明在木材次生生長過程中細(xì)胞壁木質(zhì)素生物合成、沉積等動(dòng)態(tài)發(fā)育模式顯然不同，但無性系間木材細(xì)胞壁動(dòng)態(tài)發(fā)育模式不同或遺傳差異在木材細(xì)胞壁形成中的科學(xué)意義還有待進(jìn)一步研究。在其他樹種，如針葉材濕地松(Pinus elliottii)和闊葉材柳樹(Salix L.)的研究中，也發(fā)現(xiàn)不同無性系間存在木質(zhì)素含量差異(王曉榮等，2016；李景濤等，2017)。木質(zhì)素作為細(xì)胞壁重要化學(xué)組分之一，填充于纖維素骨架中，具有增強(qiáng)植物體機(jī)械強(qiáng)度和維持細(xì)胞正常形態(tài)的重要作用，會(huì)影響木材力學(xué)性能。脫除杉木成熟晚材木質(zhì)素后，其硬度和彈性模量顯著降低(王傳貴等，2012)。本研究2個(gè)無性系木材木質(zhì)素含量不同有可能導(dǎo)致杉木無性系木材的力學(xué)性能差異。

圖7 2個(gè)杉木無性系木材管胞壁平均紅外光譜Fig. 7 Average IR spectra of wood tracheid walls between two Chinese fir clones

表4 2個(gè)杉木無性系木材的紅外光譜特征峰高比Tab.4 Ratio of IR spectra characteristic peak values of woods between two Chinese fir clones

2.2 2個(gè)杉木無性系幼齡材力學(xué)性能

2.2.1 抗彎與抗壓性能比較 由表5可知，2個(gè)杉木無性系木材的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度平均值分別為46.96 MPa、9.58 GPa和28.74 MPa?！?20’木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和抗壓強(qiáng)度均較大，分別比‘洋061’高17%、12%和10%左右。2個(gè)無性系木材的力學(xué)性能接近于在福建采集的24年生杉木(余光等， 2014)，但抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度低于在江西大崗山采集的36年生杉木幼齡材(任海青等， 2006)，‘洋020’抗彎彈性模量較其高。統(tǒng)計(jì)分析表明，2個(gè)杉木無性系幼齡材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和抗壓強(qiáng)度均存在顯著性差異，說明依據(jù)杉木無性系幼齡材力學(xué)品質(zhì)性狀進(jìn)行力學(xué)性能優(yōu)良杉木品種的早期選擇具有潛在可行性。

表5 2個(gè)杉木無性系木材主要力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析Tab.5 Statistical results of wood main mechanical properties between two Chinese fir clones

2.2.2 硬度比較 由表5可知，2個(gè)杉木無性系木材硬度平均值為1 413 N，‘洋020’較‘洋061’高10%左右，無性系間硬度達(dá)到顯著性差異水平。對(duì)比表6中各端面硬度發(fā)現(xiàn)，2個(gè)杉木無性系木材三面硬度中，均為端面最大、弦面其次、徑面最小。

表6 2個(gè)杉木無性系木材不同切面硬度統(tǒng)計(jì)分析Tab.6 Statistical results of wood different section hardness between two Chinese fir clones

2個(gè)無性系木材端面硬度不存在顯著性差異，弦面和徑面硬度均具有顯著性差異。目前，關(guān)于杉木木材硬度的研究報(bào)道較少，硬度樣品要求尺寸較大，不易獲取試樣且加工測(cè)試費(fèi)時(shí)較多可能是其中原因之一。木材硬度表征木材抵抗其他剛體壓入木材的能力，也可反映其耐磨損能力。對(duì)比2個(gè)無性系木材硬度可見，硬度較高的‘洋020’木材應(yīng)具有較好的耐磨能力。

2.2.3 綜合強(qiáng)度與分級(jí)比較 木材綜合強(qiáng)度常用木材順紋抗壓和抗彎強(qiáng)度的總和表征。2個(gè)杉木無性系平均綜合強(qiáng)度為75.70 MPa，‘洋020’ 和‘洋061’的綜合強(qiáng)度分別為81.63和69.76 MPa，‘洋020’平均綜合強(qiáng)度高于‘洋061’15%左右。

為了確定2個(gè)優(yōu)良杉木無性系的力學(xué)性能相對(duì)于我國人工林樹種所處水平，根據(jù)我國現(xiàn)有木材強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(成俊卿等， 1992； 尹思慈， 1990； 李堅(jiān)等， 1999)，2個(gè)杉木無性系10年生木材的抗彎、抗壓性能及綜合強(qiáng)度等級(jí)均為低等，硬度為甚軟(表7)。綜合對(duì)比2個(gè)無性系，‘洋020’的木材力學(xué)性能高于‘洋061’，且‘洋020’各力學(xué)性能指標(biāo)的變異系數(shù)小于‘洋061’，其幼齡材力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較優(yōu)。

表7 2個(gè)杉木無性系微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能指標(biāo)Tab.7 Index values of microstructures and mechanical properties between two Chinese fir clones

3 討論

據(jù)最新全國森林資源清查報(bào)告，杉木人工林面積、立木蓄積總量均居用材人工林首位，加速優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)杉木品種培育，提高木材產(chǎn)量和品質(zhì)，是國家應(yīng)對(duì)木材供應(yīng)安全的迫切需求。杉木無性系‘洋020’和‘洋061’為不同遺傳背景的基因型，是按照不同選育目標(biāo)入選的?！?20’主要特性是幼齡期高生長顯著，樹冠較窄，適于密植和中小徑材培育； 而‘洋061’直徑速生性啟動(dòng)早于樹高生長，主干粗壯，尖削度小，樹冠濃密，呈尖塔形，樹高生長6～8年后開始加速并維持到主伐，單株立木蓄積超過‘洋020’20%以上，適合培育高規(guī)格大徑材。杉木木材解剖構(gòu)造參數(shù)、微纖絲角和結(jié)晶度等參數(shù)，可能隨不同遺傳背景品種的木材形成發(fā)育模式不同、林齡和采樣地異質(zhì)性改變而有所變化。本研究在杉木無性系品種對(duì)比示范試驗(yàn)林中采集試樣，較好地控制了立地條件和林齡的異質(zhì)性，雖然還不能確切預(yù)測(cè)出成熟材階段的木材品質(zhì)性狀，但‘洋020’和‘洋061’幼齡材顯微構(gòu)造參數(shù)、微纖絲角、結(jié)晶度、木質(zhì)素含量等微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分與力學(xué)性能的相關(guān)性及其品種間的顯著差異性，為適應(yīng)不同營林目標(biāo)需求優(yōu)良杉木新品種的培育提供了新視野。

3.1 顯微構(gòu)造參數(shù)與力學(xué)性能的相關(guān)關(guān)系

對(duì)比2個(gè)杉木無性系幼齡材顯微構(gòu)造發(fā)現(xiàn)，2個(gè)品種早材管胞形態(tài)特征區(qū)別不大，明顯區(qū)別在于晚材管胞形態(tài)特征?！?20’晚材帶較寬、管胞呈腔小壁厚的特點(diǎn)，壁腔比較‘洋061’高25%左右，抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎彈性模量、綜合強(qiáng)度和硬度均高于‘洋061’。2個(gè)杉木無性系幼齡材管胞壁厚度以及壁腔比等解剖構(gòu)造參數(shù)與杉木力學(xué)性能指標(biāo)呈正相關(guān)，特別是晚材的顯微構(gòu)造特征顯著影響杉木無性系幼齡材力學(xué)性能指標(biāo)高低。黃艷輝(2007)關(guān)于杉木材性和姜笑梅等(2002)對(duì)濕地松的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似規(guī)律。因此本研究認(rèn)為，在開展杉木無性系早期選擇時(shí)，作為承載木材各種力學(xué)性質(zhì)載體的細(xì)胞壁特征，尤其是晚材管胞壁厚和胞腔大小，是材性育種早期選擇需要密切關(guān)注的重要性狀。

3.2 微纖絲角與力學(xué)性能的相關(guān)關(guān)系

2個(gè)杉木無性系幼齡材平均微纖絲角在12°～15°之間，‘洋020’的平均微纖絲角較‘洋061’小18%。對(duì)比2個(gè)無性系幼齡材的微纖絲角與力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，杉木無性系幼齡材微纖絲角大小與木材力學(xué)性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。安徽產(chǎn)25年生和江西產(chǎn)36年生人工林杉木也表現(xiàn)出微纖絲角大小與MOR、MOE抗彎性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(黃艷輝， 2007； Yinetal., 2011)，且在對(duì)不同針葉材樹種如輻射松、日本落葉松(Larixkaempferi)等的研究中也發(fā)現(xiàn)了相同規(guī)律(Barriosetal.， 2017； Sunetal.， 2017)。針葉材魚鱗云杉(Piceajezoensis)的微纖絲角與抗彎性能徑向變異研究結(jié)果表明，幼齡材部分微纖絲角與彈性模量的相關(guān)性大于成熟材(Tanabeetal.， 2016)，這預(yù)示著針葉材幼齡材微纖絲角與木材力學(xué)性能有較強(qiáng)相關(guān)性。因此本研究認(rèn)為，杉木幼齡材細(xì)胞壁微纖絲角大小也是決定杉木力學(xué)性能優(yōu)劣的重要影響因子之一。

3.3 結(jié)晶度與力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

2個(gè)杉木無性系幼齡材纖維素結(jié)晶度在35%～40%之間。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，力學(xué)性能較優(yōu)的‘洋020’的結(jié)晶度較‘洋061’約高11%，但2個(gè)無性系的結(jié)晶度未達(dá)到統(tǒng)計(jì)上的顯著性差異。以往研究表明，結(jié)晶度大小與纖維定向性優(yōu)劣以及木材抵御外力的能力相關(guān)(Barriosetal.， 2017； 陳美玲等， 2016)，結(jié)晶度與木材的力學(xué)性質(zhì)呈正相關(guān)(Borregaetal.， 2014)。相對(duì)于杉木成熟材，10年生杉木無性系幼齡材纖維素結(jié)晶度較小，這是因?yàn)橛g期的杉木還處于木材形成的生長發(fā)育階段，纖維素的定向性還未完全穩(wěn)定，因而幼齡材纖維素結(jié)晶度高低不是影響杉木幼齡材力學(xué)性能最主要的結(jié)構(gòu)因子。

3.4 木質(zhì)素含量與力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

無性系‘洋020’木質(zhì)素4組特征峰高比平均值相較于‘洋061’高8%左右。作為細(xì)胞壁的結(jié)殼物質(zhì)，木質(zhì)素賦予了木材硬度和剛性。盡管本研究杉木無性系試樣取自幼齡材階段，木質(zhì)素還處于不斷沉積過程中，但木質(zhì)素含量高低也與木材力學(xué)性能呈正相關(guān)關(guān)系，‘洋020’幼齡材具相對(duì)較高的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度和硬度。以往對(duì)杉木成熟材的力學(xué)性能研究表明，木質(zhì)素含量與木材抗彎強(qiáng)度、彈性模量和硬度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(Chenetal.， 2017； 王傳貴等， 2012)。本研究發(fā)現(xiàn)，在杉木幼齡材階段，不同杉木無性系木質(zhì)素含量差異與抗彎性能、抗壓性能和硬度呈正相關(guān)關(guān)系。因此本研究認(rèn)為，細(xì)胞壁木質(zhì)素含量與微纖絲角和解剖構(gòu)造等可能協(xié)同影響杉木幼齡材的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

本研究在福建洋口國有林場(chǎng)生境一致的杉木無性系品種比對(duì)試驗(yàn)示范林中采集‘洋020’和‘洋061’無性系標(biāo)準(zhǔn)株樣木，測(cè)定其10年生幼齡材的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并對(duì)微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的相關(guān)性進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

1) 與‘洋061’相比，‘洋020’具有晚材區(qū)寬、晚材管胞壁厚、壁腔比大、細(xì)胞壁微纖絲角小、細(xì)胞壁結(jié)晶度和木質(zhì)素含量高等特點(diǎn)，2個(gè)無性系幼齡材解剖構(gòu)造參數(shù)與微纖絲角微觀結(jié)構(gòu)因子指標(biāo)達(dá)到統(tǒng)計(jì)上的顯著性差異。

2) 參照我國主要樹種木材強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，杉木幼齡材的抗彎和抗壓性能等級(jí)為低等，硬度為甚軟； 但‘洋061’和‘洋020’杉木無性系間幼齡材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能指標(biāo)存在統(tǒng)計(jì)上的顯著差異，‘洋020’幼齡材力學(xué)性能高于‘洋061’。

3)‘洋061’和‘洋020’杉木無性系幼齡材管胞壁厚度、壁腔比、結(jié)晶度和木質(zhì)素含量與力學(xué)性能呈正相關(guān)關(guān)系，微纖絲角與力學(xué)性質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

綜上可知，幼齡材解剖構(gòu)造參數(shù)、微纖絲角等差異是影響杉木無性系品種間幼齡材力學(xué)性能的主要因子，‘洋061’和‘洋020’幼齡材解剖構(gòu)造參數(shù)、微纖絲角指標(biāo)可反映幼齡期品種間木材性狀發(fā)育的遺傳差異，研究結(jié)果可為杉木無性系品種木材品質(zhì)早期選擇育種和杉木木材加工利用提供科學(xué)依據(jù)。