采脂年限對濕地松活立木不同部位材性變化的影響

武浩然，范艷如，牛小云，欒啟福，李彥杰＊，姜景民，金建兒

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所,浙江 杭州 311400；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院,河北 保定 071000；3.杭州市富陽區(qū)富春街道辦事處區(qū)域發(fā)展與治理中心,浙江 杭州 311400)

濕地松（Pinus elliottiiEngelmann）為速生常綠喬木，原產(chǎn)于美國南部[1]，是優(yōu)良的綠化和經(jīng)濟(jì)樹種。濕地松抗旱、耐澇、耐瘠，具有良好的適應(yīng)性和抗逆力。其根系發(fā)達(dá)，易育苗造林，早期生長迅速。該樹種松脂產(chǎn)量高，經(jīng)加工后可得到松節(jié)油、松香等產(chǎn)品，用途廣泛[2]。我國引種始于20 世紀(jì)30 年代，目前人工林面積超過200 萬hm2，已成為南方丘陵地區(qū)的主要造林樹種之一[3]。

松脂是一種可再生資源，我國松香年產(chǎn)量占世界的1/3，居世界第一位[4]。近年來，采脂對林分生長和木材材性的影響備受關(guān)注[5]。研究發(fā)現(xiàn)，采脂對林分材積生長和林分生長有抑制作用[6-8]，但也有研究表明采脂對松樹胸徑生長有積極影響[9]。另外，采脂強(qiáng)度與胸徑生長相關(guān)，當(dāng)采脂強(qiáng)度超過60%時，顯著抑制松樹胸徑生長[10]。目前關(guān)于濕地松的采脂研究主要集中在其對胸徑生長、材積生長和樹高生長的影響，而采脂對濕地松基本密度和力學(xué)性能的影響研究較少。徐慧蘭等[5]對濕地松幼林采脂的研究表明，采脂導(dǎo)致基本密度和力學(xué)性能等材性指標(biāo)不同程度的降低。Jim 等[11]認(rèn)為木材中的樹脂的缺失可輕微降低部分材性強(qiáng)度。

木材基本密度是決定木材性能最重要的因素之一，直接影響木材強(qiáng)度和木材質(zhì)量，是研究木材材性利用與木材培育相關(guān)性的常用指標(biāo)[12]。木質(zhì)素是植物體內(nèi)僅次于纖維素的第二大有機(jī)物質(zhì)，化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有羰基、羧基、甲氧基和酚羥基等官能團(tuán)，已成為生物基新材料開發(fā)中的候補(bǔ)材料[13-15]。木質(zhì)素主要位于纖維素與纖維之間，可起抗壓作用和增強(qiáng)植物體機(jī)械強(qiáng)度，利于抵御外界不良環(huán)境，另外木質(zhì)素也可作為輸導(dǎo)組織，利于水分運(yùn)輸[16]。研究采脂對濕地松不同部位木材基本密度和木質(zhì)素含量的影響，對科學(xué)確定木材加工工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

體積法是測量木材基本密度的傳統(tǒng)方法，這種方法在一定程度上損傷樹干，且不利于大規(guī)模的木材密度測定的實(shí)施。近年來，通過針刺儀[17-19]間接測量木材基本密度逐漸成為無損評估的方法之一。Resistograph 記錄在鉆入過程中相對應(yīng)的阻力值和推進(jìn)深度，通過所得曲線圖，可間接估算木材密度、各年輪寬度和去皮直徑[17,20]。Resistograph 具有便攜和自動保存測定數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，為野外大規(guī)模測量提供了可能[19]。因此，本試驗(yàn)以不同采脂年限的濕地松為材料，結(jié)合Resistograph 對不同采脂年限的濕地松基本密度和木質(zhì)素含量進(jìn)行估測和對比研究，旨在為不同采脂年限濕地松基本密度和木質(zhì)素含量的測定建立高效、穩(wěn)定且便捷的方法，探析采脂對其采脂部位、樹干基部的木材基本密度和木質(zhì)素含量產(chǎn)生的影響，為濕地松遺傳改良和資源科學(xué)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 林地概況

濕地松試驗(yàn)林位于安徽省宣城市涇縣琴溪鎮(zhèn)（30°68′ N，118°41′ E），2000 年春季造林，株行距為2 m×3 m，種苗為自由授粉種子園混合苗，在林分年齡12、14、17 a 左右分區(qū)塊使用下降式V型割脂法割脂，采脂強(qiáng)度為60%，割脂的單株此后每年繼續(xù)割脂。試驗(yàn)地海拔高度80～180 m，屬于北亞熱帶、副熱帶季風(fēng)濕潤性氣候，年平均氣溫15.7℃。年降水量1 600 mm，相對濕度84%，土壤為黃壤土，土層厚度為50～100 cm。

1.2 樣品采集

對相同林齡（20 a）的4 個不同采脂年限進(jìn)行樣品采集，分別為連續(xù)采脂8、6、3、0 a 的濕地松。每組選定15 株標(biāo)準(zhǔn)木，共采取60 株。用直徑14 mm 的電動生長錐（坎特伯雷大學(xué)林學(xué)院，新西蘭）分別在樹干基部（未采脂）和采脂部位（胸徑采脂處）自南向北鉆取穿過髓心的木芯并收集木屑。剔除由于操作不當(dāng)引起的異常指標(biāo)值，共得到57 株用于數(shù)據(jù)分析，其中12 株為采脂8 a 的濕地松，其余3 個采脂年限均為15 株。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 木質(zhì)素含量測定 將每株采集的木芯和木屑放于烘箱中80℃烘干至恒質(zhì)量，測定每個木芯烘干后質(zhì)量，用旋風(fēng)粉粹機(jī)將木屑粉粹成粉末，過40 目篩并做好標(biāo)記，置于干燥器皿中備用。采用齊一生物科技有限公司（上海）的木質(zhì)素含量試劑盒測定木質(zhì)素含量（mg·g-1），具體步驟嚴(yán)格按照說明書操作。

1.3.2 木材基本密度測定 木芯采集后，首先利用排水法測定木材基本密度。試樣放在烘箱烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量（m）。木芯浸水處理48 h，每隔一段時間測定木芯質(zhì)量，直至木芯質(zhì)量恒定，以確保木芯含水量達(dá)到飽和狀態(tài)。將待測的試樣插在針上，并浸沒于水中，試樣不與容器的壁和底相接觸，試樣排水所占體積即為試樣體積（V）?；久芏龋é眩?質(zhì)量（m）/ 體積（V）。

1.3.3 Resistograth 數(shù)據(jù)收集 采用Resistograph-IML-RESI 樹木針刺儀（PD500，德國）在每株樹木的樹干基部和采脂部位（胸高處）垂直主干自南向北進(jìn)行測定，測定時探針經(jīng)過髓心透過樹干。鉆針推進(jìn)速度為150 cm·min-1，轉(zhuǎn)速為2 500 r·min-1，探針直徑1.5 mm。探針每0.1 mm 記錄鉆進(jìn)深度值及對應(yīng)阻力值（用振幅百分?jǐn)?shù)表示）。用儀器自帶的PDToolsPro 軟件將測定結(jié)果導(dǎo)入Excel 2019。

由于濕地松早晚材密度不同，形成峰谷現(xiàn)象，相鄰兩個峰之間為1 a 生長周期[21]（圖1）。因此可以認(rèn)為波峰間的鉆進(jìn)深度為當(dāng)年的年輪寬度，波峰間的振幅均值可作為密度指數(shù)。收集數(shù)據(jù)時，去除外圍樹皮的不規(guī)則波動，選擇可明顯看出樹干的髓心、起止點(diǎn)和年輪處阻力峰值的數(shù)據(jù)，以髓心以南（起點(diǎn)方向）測得數(shù)據(jù)為最終分析數(shù)據(jù)。第1 年的數(shù)據(jù)不能被準(zhǔn)確測出，統(tǒng)計(jì)樹齡20 a 到2 a 的年輪數(shù)據(jù)。每株Resistograph 數(shù)據(jù)包括19 a 的每年年輪寬度均值（RE）、每年年輪振幅均值（AE）、每株年輪寬度均值（RM）和每株年輪振幅均值（AM）。

圖1 Resistograph 測定的濕地松木材振幅（阻力）曲線Fig.1 Amplitude (resistance) curves of P.elliottii wood measured by Resistograph

1.4 數(shù)據(jù)分析與整理

利用R 語言對Resistograph 數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 22.0 對各性狀和指標(biāo)值進(jìn)行方差分析和對比分析，并用Excel 2019 和R 語言的ggplot2[22]包進(jìn)行制圖等。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地松不同部位生長錐和Resistograth 測定值

57 株20 年生濕地松的生長錐、Resistograth 測定值如表1 所示，12 株采脂8 a、15 株采脂6 a、15 株采脂3 a、15 株采脂0 a 的濕地松采脂部位的ρ均值分別為0.53、0.50、0.56、0.51 g·cm-3，變異系數(shù)分別為8.68%、5.95%、11.15%、6.58%。樹干基部的ρ均值分別為0.48、0.48、0.55、0.53 g·cm-3，變異系數(shù)分別為7.21%、7.16%、9.64%、8.51%。采脂部位的RE分別為4.57、4.70、4.25、4.26 mm，變異范圍分別為3.65～5.50、3.53～5.67、3.25～6.05、2.83～5.41 mm，每年的胸徑增長約為每年年輪寬度均值的2 倍，即9.14、9.40、8.50、8.52 mm。采脂部位AM和AE的平均值相同，分別為19.69%、16.58%、19.97%、16.47%，樹干基部AM和AE的平均值相同，分別為18.13%、14.57%、19.00%、16.91%。由變異系數(shù)可知，采脂8、6、3、0 a 濕地松采脂部位和樹干基部的AM的變異系數(shù)大部分接近20%，比AE的變異系數(shù)超出10%以上，顯示ρ變異更多存在于單株間，單株內(nèi)不同年齡間的平均變異相對較??；同時，采脂部位的RM變異系數(shù)接近20%，大于RE的變異系數(shù)，表明胸徑的單株變異大于每年增長變異。

表1 采脂8、6、3、0 a 濕地松采脂部位和樹干基部的生長錐、Resistograth 測定值Table 1 Measured values of growth cones and Resistograth of different rossing parts and stem base of P.elliottii for 8,6,3 and 0 years

2.2 木材基本密度和Resistograth 測定值的相關(guān)性分析

采脂8、6、3、0 a 的木材ρ與AM的相關(guān)系數(shù)分別為0.45、0.39、0.50、0.63，均呈顯著正相關(guān)或極顯著正相關(guān)（圖2）。因此，Resistograth 可用于預(yù)測不同采脂年限的濕地松單株的ρ，并建立預(yù)測方程。利用 Resistograph 的AM預(yù)測ρ的線性回歸方程分別為ρ=0.005 2AM+0.404 4（R=0.45，P＜0.05，df=23）、ρ=0.003 7AM+0.432 1（R=0.39，P＜ 0.05，df=29）、ρ=0.009 8AM+0.365 0（R=0.50，P＜ 0.01，df=29）、ρ=0.008 6AM+0.377 4（R=0.63，P＜ 0.01，df=29）。

圖2 不同采脂時間長度采脂8、6、3、0 a 的采脂部位、樹干基部不同部位的基本密度（ρ）與AM 值的相關(guān)分析Fig.2 Correlation analysis of basic density(ρ) and AM values of the rossing parts

采脂8、6、3、0 a 濕地松的采脂部位、樹干基部的ρ和Resistograth 測定值的RM進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果顯示：未采脂和采脂8 a 濕地松的ρ與RM不相關(guān)，采脂3、6 a 的ρ與RM的相關(guān)系數(shù)分別為0.39（P＜ 0.05，df=29）、-0.46（P＜0.01，df=29）；ρ和RE不相關(guān)，這可能與環(huán)境條件、采脂造成其后期生長過程中ρ和RE發(fā)生變化有關(guān)。

2.3 Resistograph 測定的各年輪振幅均值與基本密度的相關(guān)性

對不同采脂年限濕地松ρ與Resistograph 測定值的AE進(jìn)行相關(guān)性分析可以看出，ρ與AE絕大部分都呈正相關(guān)，僅采脂8 a 樹齡為16～17 a 和采脂3 a 樹齡為13 a 的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，且呈不顯著相關(guān)（P＞ 0.05）。其中，采脂8 a 與樹齡為1、4、5 a為極顯著相關(guān)（P＜ 0.01，df=23），3、10、13 a為顯著相關(guān)（P＜ 0.05，df=23）；采脂6 a 樹齡為14、16 a 呈顯著相關(guān)（P＜ 0.05，df=29）；采脂3 a 樹齡為1～5、8 a 為極顯著相關(guān)（P＜ 0.01，df=29），6、7、9、10 a 為顯著相關(guān)（P＜ 0.05，df=29）；未采脂的樹齡為8、10～19 a 呈極顯著正相關(guān)，其余均為不顯著相關(guān)（圖3）?？梢姦雅c各年輪振幅的平均值的相關(guān)系數(shù)R呈顯著或極顯著正相關(guān)，在一定程度上解釋了ρ和AM呈正相關(guān)的原因。

圖3 不同采脂年限的濕地松基本密度（ρ）與每年年輪振幅均值（AE）的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficient between basic density(ρ) and annual mean amplitude of tree (AE) values of P.elliottii with different years of harvesting

總體來說，采脂8、6、3、0 a 的濕地松樹齡分別為1～5、10、13 a，14、16 a，1～10 a，8、10～19 a 是影響不同采脂年限的濕地松ρ的主要生長期。可以看出，采脂的濕地松10 a 之后ρ與AE的相關(guān)系數(shù)大部分呈不顯著相關(guān)，這與未采脂的濕地松形成了鮮明的對比，可能是采脂對濕地松生長后期的ρ造成了一定的影響。

2.4 不同采脂年限同一部位的木材基本密度分析

對濕地松樹干基部而言，采脂3 a 的ρ顯著高于采脂8、6、0 a 的ρ，采脂8、6 a 的ρ顯著低于未采脂ρ，而采脂6 a 和采脂8 a 的ρ間無顯著性差異?？梢缘贸?，一定范圍內(nèi)，采脂使?jié)竦厮蓸涓苫喀殉氏壬吆蠼档偷淖兓?，但總體趨勢是造成其ρ降低。對采脂部位而言，采脂3 a 的ρ顯著高于采脂6、0 a 的ρ，但與采脂8 a 的ρ無差異，采脂8、6、0 a 的ρ三者之間無顯著性差異（圖4）。因此，采脂對濕地松采脂部位的ρ的影響，僅出現(xiàn)在采脂前幾年，后期對其影響逐漸減小，表現(xiàn)出其一定的恢復(fù)性。

圖4 不同采脂年限對基本密度（ρ）的影響Fig.4 Effects of different years of fat harvesting on basic density(ρ)

2.5 不同采脂年限同一部位木質(zhì)素含量及其與Resistograth 測定值的相關(guān)性分析

將木質(zhì)素含量與Resistograth 測定的AM和ρ進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)都大于0，未達(dá)到顯著水平，因此濕地松木質(zhì)素含量與ρ和AM無相關(guān)性或相關(guān)性很低。

對采脂部位而言，采脂6 a 的濕地松木質(zhì)素含量顯著低于采脂8、3、0 a 的木質(zhì)素含量，為32.40%，采脂8、3、0 a 的木質(zhì)素含量彼此之間無顯著性差異。對樹干基部而言，4 個采脂年限組間無顯著性差異，但采脂6 a 的木質(zhì)素含量較低（圖5）。因此，采脂可導(dǎo)致木質(zhì)素含量發(fā)生顯著性改變，且在一定程度上隨著采脂年限的增加木質(zhì)素含量呈先減少后增加的趨勢，當(dāng)采脂年限增加到一定范圍，其表現(xiàn)出較強(qiáng)的恢復(fù)能力。

2.6 同一采脂年限不同部位的木質(zhì)素含量、基本密度分析

分別對4 個不同采脂年限濕地松采脂部位和樹干基部的ρ、木質(zhì)素含量進(jìn)行差異性分析。結(jié)果顯示，采脂3、0 a 濕地松不同部位之間的ρ無顯著差異（P＞ 0.05），采脂6 a 和采脂8 a 的采脂部位和樹干基部有顯著性差異（P=0.03 ＜ 0.05、df=29，P≈ 0.01 ＜ 0.01、df=23），且采脂部位ρ顯著高于樹干基部（圖4、5）。4 個采脂年限濕地松不同部位的木質(zhì)素含量無顯著性差異。隨著采脂年限的增加，在一定程度上可以造成采脂部位和樹干基部的ρ產(chǎn)生顯著性差異，但對兩個部位的木質(zhì)素含量無影響。

圖 5 不同采脂年限對木質(zhì)素含量的影響Fig.5 Effects of different years of fat harvesting on lignin content

3 討論

相關(guān)研究表明，在多個樹種中，Resistograph與ρ表型值呈正相關(guān)。趙奮成等[18]、丁顯印等[17]研究顯示，18 年生、24 年生濕地松的Resistograph阻力值和ρ的表型相關(guān)系數(shù)（rp）分別為0.66、0.50；Gantz[23]報(bào)道，10 年生輻射松（P.radiataD.Don）、10～16 年生加勒比松 (P.caribaeaMorelet）針刺儀阻力值和木材密度的表型相關(guān)系數(shù)（rp）分別為0.41～0.58、0.77～0.78。本研究對采脂年限為8、6、3、0 a 的20 年生濕地松的ρ進(jìn)行直接和間接的測定，Resistograph 阻力值和ρ的相關(guān)系數(shù)為0.39～0.63，且都呈顯著的正相關(guān)。這與趙奮成等[18]和丁顯印等[17]的研究結(jié)果相似，表明針刺儀同樣適用于預(yù)測采脂后的濕地松單株的ρ。但Resistograph 測定值A(chǔ)E與ρ的相關(guān)性從活立木外側(cè)到髓心未全達(dá)到顯著水平，這與丁顯印等[17]的研究結(jié)果存在差異。4 個采脂年限的濕地松10 a 以后Resistograph 測定值A(chǔ)E與ρ的相關(guān)性存在差異，有可能與采脂有關(guān)，也有可能是周圍環(huán)境的影響。趙奮成等[18]研究得出，針刺儀數(shù)據(jù)校正后，對阻力值與ρ的相關(guān)系數(shù)并沒有顯著性優(yōu)化，故本試驗(yàn)沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

目前關(guān)于濕地松的采脂研究主要集中在其對胸徑生長、材積生長和樹高生長的影響。本研究對20 年生濕地松進(jìn)行不同采脂年限處理，分析了不同采脂年限對濕地松不同部位ρ和木質(zhì)素含量的影響。采脂可影響濕地松采脂部位的ρ，主要表現(xiàn)在采脂前幾年ρ顯著提高，后期對其影響逐漸減小。采脂使?jié)竦厮蓸涓苫康摩殉氏壬吆蠼档偷淖兓?，但總體趨勢是其ρ降低。陳鑒朝[24]的研究顯示采脂對木材的力學(xué)性能除了沖擊韌性降低外，其它性能略有提高，本研究采脂部位的結(jié)果與其有相似之處，且采脂6 a 以上濕地松采脂部位的ρ高于樹干基部的ρ，更符合前者的研究結(jié)果。而徐慧蘭等[5]對5～9 年生濕地松采脂的研究結(jié)果顯示，采脂導(dǎo)致密度變小，這與本研究樹干基部的結(jié)果相似，而與采脂部位的結(jié)果存在差異，推測其原因?yàn)槠鹗疾芍铸g的差異造成。濕地松從5 a 到11 a 屬于林木胸徑、樹高和單株材積由速生期向緩慢生長期過渡的階段[25]。徐慧蘭等[5]對濕地松的起始采脂林齡處于速生期，本試驗(yàn)起始采脂林齡處于緩慢生長期。這種差異也可能與生長率、晚材率和纖維形態(tài)的變化等有關(guān)[11]，有待進(jìn)一步研究。

木質(zhì)素可起抗壓和增強(qiáng)植物體機(jī)械強(qiáng)度的作用，木質(zhì)素含量降低會給植物本身生長帶來不利影響，消弱其對不良環(huán)境的抵抗[26]。采脂6 a 的濕地松采脂部位木質(zhì)素含量顯著低于其它3 個處理，而另外3 個處理無顯著差異。這與陳鑒朝[24]的研究結(jié)果相反，與徐慧蘭[5]的研究結(jié)果相符。采脂強(qiáng)度提高，造成割面擴(kuò)大，使木材質(zhì)量降低，且常造成心材腐爛，病蟲害發(fā)生[10]。這可能是木質(zhì)素含量降低的結(jié)果。一定采脂年限范圍內(nèi)，采脂會使?jié)竦厮刹芍课荒举|(zhì)素含量降低，而對樹干基部影響不大。對同一采脂年限的濕地松兩個部位的木質(zhì)素變化結(jié)果顯示，同一株濕地松的不同部位的木質(zhì)素含量無差異，且采脂對其也無影響。采脂只影響濕地松整體采脂部位木質(zhì)素含量發(fā)生顯著變化。

4 結(jié)論

（1）采脂8、6、3、0 a 的濕地松基本密度（ρ）與每株年輪振幅均值（AM）在單株水平上的表型相關(guān)系數(shù)分別為0.45、0.39、0.50、0.63，可通過預(yù)測方程ρ=0.005 2AM+0.404 4、ρ=0.003 7AM+0.432 1、ρ=0.009 8AM+0.365 0、ρ=0.008 6AM+0.377 4 來估算ρ，針刺儀同樣適用于預(yù)測采脂后的濕地松單株的ρ。濕地松木質(zhì)素含量與Resistograth 測定的AM相關(guān)性不顯著，針刺儀Resistograth 不可用來預(yù)測木質(zhì)素含量。

（2）采脂對濕地松的基本密度（ρ）和木質(zhì)素含量具有一定的影響。一定范圍內(nèi)，樹干基部的ρ表現(xiàn)為先升高后降低，最后顯著低于未采脂的ρ；而采脂部位的ρ先升高后降低，最終與未采脂的ρ無差異。采脂部位的木質(zhì)素含量表現(xiàn)為先降低后恢復(fù)到未采脂的木質(zhì)素含量水平，而采脂對樹干基部的木質(zhì)素含量無影響。

（3）本試驗(yàn)中采脂6 a 以上的濕地松，其采脂部位的基本密度（ρ）顯著高于樹干基部的基本密度（ρ）；采脂對兩個部位之間的木質(zhì)素含量無影響。