湿地松7个无性系木材管胞形态和木材密度的研究

石江涛，丁笑红，王旭军

(1.南京林业大学 材料学院木材科学系，江苏 南京 210037；2.湖南省林业科学院 林下经济研究所，湖南 长沙 410004)

湿地松(Pinuselliottii)是我国引种的重要针叶树商品材树种之一。该树种适应性强、生长迅速、木材产量高、材质较好。因此对其优质品系的选育一直是学者们关注的焦点。树种的无性系选育一直被认为具有遗传增益大、选育成本低、保持亲本优良性状、收获期一致等优点[1-2]，对引种商品材树种资源培育质量的提升有重要意义。对于树木来说，良种选育主要考虑其生长量、抗性及木材性质。这其中，湿地松的生长特征方面的研究较多。主要有湿地松生长的遗传变异和家系评价[3-4]、光合特性[5-7]、丰产栽培技术[8]等。而对湿地松木材的研究主要集中在栽培条件对木材物理力学性质的影响[9-11]。张耀丽[12]等还研究了种植密度对纸浆材的化学成分影响。但是作为木材物理力学性质的基础，木材解剖特征的相关研究较少。徐有明[13]等分析了管胞长度和微纤丝的变异及其相关性。生长轮宽度反映了树木的生长年生长量，密度是木材物理性质的基本参数，而管胞特征则是木材物理力学性质及其利用的基础。因此，本研究以湿地松7个无性系木材为对象，比较分析它们的年轮、密度和管胞特征，期望为湿地松的良种选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采集于湖南省汨罗市桃林寺镇(113°03′15″-113°06′19″E,28°55′52″-28°58′18″N)，桃林国有林场东部湿地松种子园。选取湿地松7个无性系生长状态近似的健康植株各3棵。采用非破坏性取样法[14]，在树干胸高(距离地面1.3 m)处，垂直树干轴向抽取直径5 mm完整木芯，置于FAA固定液带回实验室备用。取样树木详细信息见表1。

表1 湿地松无性系树木情况

注：表中数值为平均值。

1.2 生长轮宽度与晚材率

根据国家标准GB/T 1930-2009《木材年轮宽度和晚材率测定方法》。将木芯削平，按径向垂直年轮划一条直线，沿直线测出完整年轮部分的总宽度，精确至0.01 mm。在试样年轮总宽度范围内，测出每个年轮的晚材宽度，精确至0.01 mm。年轮总宽度除以年轮数为平均年轮宽度。晚材总宽度除以年轮总宽度为总晚材率。

1.3 密度测定

依据国家标准GB/T 1933-2009《木材密度测定方法》。样品气干后，将所有木芯自树皮向内，从第3个年轮起，取2.5～3.2 cm长木段，测定初始质量M0与体积V0，质量测定用精密天平，单位为g，保留3位小数。并计算初始含水率。无性系0-67、0-187、0-374、0-1302、4-12、8-131和IV-130的气干状态含水率分别为14.7%、13.9%、14.0%、18.1%、16.4%、16.7%和18.7%。然后将其换算为含水率12%时的密度。采用排水法测定饱水后湿材体积，记为V1。木芯经(103±2)℃绝干后，测定质量M1。M1/V1为基本密度。

1.4 管胞长度与宽度的测定

取单数年轮1,3,5,7……样本，采用富兰克林离析法解离木材。将年轮样品分早、晚材，削成细条状，置于试管中，加蒸馏水后蒸煮至木材沉水，加入适量冰醋酸与双氧水(体积比1∶1)的混合液，沸水浴中蒸煮3 h左右，至试样完全变白，将样品用水冲洗至中性，滴入1%的番红染色后，取少量试样放在载玻片上，光学显微镜下观察，采用Motic 2.0软件测量。每个年轮的早、晚材各随机测管胞长度50根、宽度30根，单位为μm，保留1位小数。所有数据采用Origin 8.0和Excel 2007进行处理作图。

2 结果与分析

2.1 年轮宽度、晚材率和密度

年轮宽度是树木径向生长速度的主要标志,能直接反映树木的年生长量,它又是影响材质均匀性的重要因子。湿地松7个无性系木材平均年轮宽度如图1所示。比较得知，无性系4-12、0-187和0-67的平均年轮宽均超过7 mm，4-12的最大，达到(7.751±0.351)mm；而无性系0-374、0-1302和VI-130的均<5 mm，VI-130的最小为(4.445±0.743)mm。方差分析结果表明，湿地松无性系树种之间平均年轮宽度在0.05水平上差异极显著(表2)。湿地松平均年轮宽度结果说明，无性系4-12的平均生长量最大，而VI-130的平均生长量最小。

湿地松无性系总年轮中晚材率的比较结果与平均年轮宽度基本呈相反规律。无性系0-187、4-12和8-131的平均晚材率均小于40 %，0-187的最小，为(34.4±7.1)%；而无性系0-374、0-1302和VI-130的均超过45%，VI-130的最大，达到(50.2±8.8)%。但是方差分析结果表明，湿地松无性系树种之间，总晚材率在0.05水平上差异性并不显著(如表2所示)。湿地松7个无性系木材的基本密度和气干密度如图2所示。无性系木材基本密度范围为(0.447±0.079)～(0.535±0.042)g·cm-3，0-1302的最大，0-67的最小。气干密度的变化范围是(0.528±0.016)～(0.657±0.055)g·cm-3，平均含水率为10.8 %。VI-130的最大，0-67的最小。方差分析结果表明，湿地松无性系树种之间，木材基本密度在0.05水平上差异性并不显著，但是气干密度差异显著(表2)。

表2 不同无性系木材特征方差分析

注：*表示在0.05水平差异显著，**表示在0.05水平差异极显著。

图1 无性系木材年轮宽度和晚材率(各点为平均值±标准差)

图2 无性系木材密度(各点为平均值±标准差)

2.2 无性系之间管胞长度与宽度的差异

由表3可知，所有无性系晚材管胞长度大于早材，晚材宽度小于早材，晚材长宽比值远大于早材。无性系0-187早晚材管胞长度差别最大，VI-130的差别最小。计算得知，无性系0-187晚材管胞长度比早材的长19.7%，0-67次之，为14.9%，0-1302的较低为6.6%，VI-130的仅为0.4%，早晚材管胞长度几乎相当。与管胞长相比，早晚材管胞宽度的差异更加明显。比较得知，无性系4-12的晚材宽度低于早材的53%，8-131的为50.1%，VI-130的为46%，0-187的差别最小，为16.3%。另外，早晚材管胞长宽比的差别也非常显著。无性系4-12和8-131管胞早材长宽比值较大，分别为晚材的59.3%和59.1%；0-67、VI-130、0-187和0-1302的早晚材长宽比值差别居中；0-374的早晚材长宽比差别最小，早材是晚材的82.3%。

无性系之间早材管胞长度差别较大，0-374的早材管胞长度最长，为(4 080.8±660.7)μm，0-67的最小，为(3 253.2±758.1)μm；而晚材管胞长度差别较小，8-131的晚材管胞长度最长，为(4 196.5±484.8)μm,0-67的最小，为(3 740.9±1 011.1)μm。根据IAWA的分类，管胞平均长度<3 000 μm，为短管胞；长度介于3 000 μm和5 000 μm之间的为中等管胞；>5 000 μm的为长管胞[15]。所以，湿地松7个无性系木材的早晚材管胞均为中等长度。

与管胞长度相反，无性系之间管胞宽度早材的差别较小，8-131的最大，为(53.9±9.5)μm，0-187的最小，(46.3±7.3) μm；而晚材管胞宽度的差别范围是(33.2±5.9)～(40.5±9.3)μm，其中0-67的最大，4-12的最小。无性系0-67早材长宽比值最小，为62.7,4-12与8-131接近，0-187与0-1302相当，0-374的早材长宽比值最大，为85.9；8-131晚材的长宽比值最大，为116.9,0-67的最小为92.4。

纤维长度的频率分布，即不同长度范围内的纤维数量分布状况，是制浆过程中的重要参数[16]。由图3可知，早材管胞长度主要分布在2 500～3 500 μm和3 500～4 500 μm(图3A)，只有无性系0-374有20%管胞长度>4 500 μm。8-131和VI-130的早材管胞长度分布频率相似。晚材管胞长度同样主要分布在2 500～3 500 μm和3 500～4 500 μm(图3B)，无性系0-187、0-374和8-131都有20 %管胞长度>4 500 μm。0-1302和4-12的晚材管胞长度分布频率相似。

表3 无性系木材管胞长宽特征

注：表中数值为平均值±标准差，长宽比无单位。

注：A.早材，B.晚材。

3 结论与讨论

比较研究了湖南种植的湿地松7个无性系木材的年轮宽度、晚材率、密度和管胞长度与宽度。

1)无性系之间年轮宽度在0.05水平上差异极显著。4-12的最大，VI-130的最小。无性系间总晚材率在0.05水平上差异性并不显著。VI-130的最大，0-187的最小；无性系间木材基本密度在0.05水平上差异性并不显著，但是气干密度差异显著。无性系0-1302木材基本密度最大，为(0.524±0.058)g·cm-3，0-67的最小为(0.428±0.079)g·cm-3。无性系VI-130的气干密度最大，为(0.617±0.064)g·cm-3，0-67的最小为(0.51±0.015)g·cm-3。相比而言，本试验所测湿地松木材基本密度均大于广西[17]、福建[9]等地种植的湿地松木材。前人研究表明林龄、立地条件等环境因子会影响木材年轮宽度、密度、力学性质等[9,18-19]。但是由于本试验样本数量有限，此结论还有待进一步验证。由于晚材率和基本密度大小能很好地反映木材力学性能[20]，可认为湿地松无性系0-374、0-1302和VI-130的木材强度等力学性能优于其他几个无性系。

2)7个无性系木材的早晚材管胞均为中等长度。无性系之间早材管胞长度和宽度差别明显，晚材管胞长度与宽度差别较小。0-374的早材管胞长度最长，达(4 080.8±660.7)μm，8-131的晚材管胞长度最长，为(4 196.5±484.8)μm,0-67的早晚材管胞长度均为最小。早材管胞的平均宽度大于晚材管胞的。无性系8-131的早材管胞宽度最大，为(53.9±9.5)μm；0-67的晚材管胞宽度最大。无性系之间管胞长宽比差异明显，0-67早材的最小，为62.7,8-131晚材的最大，为116.9。管宁[17]等研究发现，广西生长的湿地松晚材和早材管胞长度平均值分别为2 823 μm和2 445 μm，而台山生长的湿地松晚材和早材管胞长度平均值分别为2 346 μm和1 968 μm。这些都与本研究的结果有较大差别。由此表明，管胞形态在家系水平的差异不仅受遗传力控制，还与种植地有关。

3)7个无性系木材早、晚材管胞长度主要分布在2 500～4 500 μm，无性系0-374有20%管胞长度>4 500 μm。无性系0-187和8-131的晚材都有20%管胞长度>4 500 μm。针叶材中管胞的长度与宽度关系到木材纤维的长宽比。纤维长宽比是衡量造纸纤维质量的重要指标。杨树[21-22]、翠柏[23]等木材研究认为，长宽比越大，纤维长度越长，纸张的撕裂度、抗拉强度、耐破度和耐折度等也越强。通常认为优良造纸原料的纤维长宽比要>100[24]。因此，无性系0-374、4-12、8-131和VI-130木材均可作为优良的造纸原料。

参考文献:

[1] 马常耕.无性系林业与无性系育种[J].湖南林业科技,1986(3):280-290.

[2] 段爱国,张雄清,张建国,等.21年生杉木无性系生长与遗传评价[J].林业科学研究,2014,27(5):672-676.

[3] 骆秀琴,姜笑梅,殷亚方,等.湿地松15个家系木材材性遗传变异及优良家系评估[J].林业科学研究,2003,16(6):694-699.

[4] 林思京.抗病湿地松、火炬松家系评价及优良家系选择[J].南京林业大学学报：自然科学版,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,吕茜,等.土壤水分对湿地松幼苗光合特征的影响[J].生态学杂志,2012,31(1):30-37.

[6] 童方平,徐艳平,宋庆安,等.湿地松优良半同胞家系和CO2响应曲线特征参数的变异规律 [J].南京林业大学学报：自然科学版,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] 谭芳林,薛建辉,张水松,等.不同混交模式防护林中湿地松的光合特性[J].南京林业大学学报：自然科学版,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] 龙应忠,吴际友,童方平,等.湖南省湿地松、火炬松丰产栽培技术的研究[J].林业科技通讯,1995(8):8-12.

[9] 林金国,董建文,涂育合,等.湿地松人工林木材物理力学性质变异的研究[J].福建林学院学报,1997,17(4):360-362.

[10] 邵卓平,董宏敢,张治国.湿地松木材物理力学性质研究[J].安徽农业大学学报,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] 罗真付,张雪峰,陆步云,等.森林培育措施对人工林湿地松木材物理力学性质的影响[J].安徽农业大学学报,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] 张耀丽,徐永吉,龙应忠,等.湿地松种植密度对纸浆材主要化学成分的影响[J].南京林业大学学报：自然科学版,2002,26(6):60-62.

[13] 徐有明,陈士银,方文彬.湿地松木材管胞长度微纤丝角的变异及其相关性分析[J].华中农业大学学报,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] 赵荣军,杨培华,谢斌,等.油松半同胞子代及亲本木材构造与物理力学性质的研究[J].西北林学院学报,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,王传贵,等.人工林杨树12个无性系木材纤维形态特征及变异[J].东北林业大学学报,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] 管宁,刘昭息,潘志刚.不同种源火炬松和湿地松木材基本密度和管胞长度的变异[J].林业科学研究,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,林汉,张卓文,等.火炬松种源顺纹抗压强度变异及与树龄、晚材率、木材密度相关分析[J].东北林业大学学报,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,姜凤岐,曾其蕴.杨树林带木材纤维长度变化规律及其在经营中的应用[J].林业科学,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] 陈柳晔,史小娟,樊军峰.秦白杨系列品种木材材性及纤维形态的研究[J].西北林学院学报,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] 廖声熙,崔凯,张鹏,等.翠柏木材管胞形态和结晶度的株内变异[J].西北林学院学报,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.国产33种竹材纸浆应用上纤维形态特征结构的研究 [J].林业科学,1964,9(4):311-331.