楸树不同无性系木材部分材性径向变异研究

邢馨忆，王冰冰，关莹,2，周亮,2，刘亚梅,2，刘盛全,2，贠慧玲，高慧,2*

(1. 安徽农业大学林学与园林学院，合肥 230036； 2. 林木材质改良与高效利用国家林业和草原局重点实验室， 合肥 230036；3. 甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所，天水 741022)

木材资源是我国经济发展的战略型自然资源，它对我国的经济、环境、生态等均有深远影响，也对可持续发展有至关重要的作用。我国人口基数大，森林资源平均占有量与发达国家相比仍存在很大差距。再加上我国实施了保护天然林及限额开发森林资源等政策，导致我国木材原料产量远远不能满足生产发展的需求，因此不得不依赖进口木材维持供需平衡。为了解决木材资源匮乏等问题，林业领域的专家们将重点放在速生人工林的选优和培育[1]。

楸树(Catalpabungei)为紫葳科梓树属落叶乔木，因其材质优良，纹理通直，花纹美观，耐腐耐湿，加工方便，常作为床榻、橱柜、乐器、船只等结构、家具用材[2]。由于楸木具有许多树种所没有的优良特质，因此大力发展无性系楸树不仅有利于解决木材资源稀缺的问题，还可以为建筑、家具用材提供优良原料。为此，专家学者们对楸木开展了大量探究。李永涛等[3]为了研究山东和河南两省楸木的遗传多样性和亲缘关系，对44份优良种质资源楸木进行了AFLP遗传多样性检测；孟路等[4]以4种优异无性系楸木为试材，研究了植物增殖、生根与植物生长调节剂之间作用的关系，并比较了4种无性系楸木的再生能力，为以后的无性系优良品种生产及培育提供理论依据；吴玮[5]采用方差分析、相关分析等数理统计方法对连云港天然林的3株楸木的木材解剖特征以及物理力学性质进行了研究分析，找到楸木材性的变化规律；张烨然等[6]以滇楸的茎部为材料，用多种配方对初代滇楸进行了培育，为种苗繁育技术的高效利用提供了科学依据。目前对楸木的研究普遍集中在天然林楸木繁育、种质资源等方面，仅有个别楸木树种基本材性的初步探究，因此本研究以近期培育的6种新型无性系楸木为对象，对其主要化学成分、纤维形态特征、物理性能及径向变异进行研究，分析楸树的品质性状遗传变化规律，选出优良无性系，为楸木人工林种质资源选育和工业化应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

原木取自于甘肃省天水市甘肃林业职业技术学院的实验林场(105°25′～106°43′E，34°06′～34°48′N)，年均降水量600 mm，年均日照时长2 090 h，无霜期170 d以上，土壤构成主要是黄棉土和黑垆土。

1.2 试验材料

随机选择19棵13年生楸树进行试验研究，在树高1.3 m处切割若干圆盘作为试样，6个楸树无性系的胸径、树高见表1。洛楸1号、2号、4号、5号、天楸2号各3株，洛楸3号4株。

表1 6个无性系楸树的胸径和树高Table 1 DBH and height of six clones of Catalpa bungei

1.3 试样准备

在树高1.3 m处取3.5 cm厚的圆盘并进行风干处理，按树龄将原料进行分类：第1～4年、第5、6、7、8年及8年以后的各计1份(因化学组成所需原料较多，故将8年以后的原料放在一起)。将各生长轮切成火柴棒大小并磨碎，取40～60目(粒径250～380 μm)木粉，平衡水分后测定原料化学成分。

在树高1.3 m处取厚度为10 cm的圆盘并进行风干处理，在心、边材部位(靠近髓心处颜色较深的部分为心材)分别取样，加工成20 mm×20 mm×20 mm 的标准试样，用于密度的测定。

在树高1.3 m处取7 cm厚的圆盘并进行风干处理，从髓心向外锯解成1.5 cm宽的木条。按照年轮(2，4，6，8，10，12，14年轮数)的差异，将其切割成10 mm×10 mm×15 mm的标准试样，用于纤维形态特征测定。

1.4 测定方法

含水率、苯醇抽提物、α-纤维素、综纤维素及木质素含量(质量分数)的测定分别参照GB/T 36055—2018《林业生物质原料分析方法 含水率的测定》、GB/T 35816—2018《林业生物质原料分析方法 抽提物含量的测定》、GB/T 744—2004《纸浆 抗碱性的测定》、GB/T 35818—2018《林业生物质原料分析方法 多糖及木质素含量的测定》，综纤维素减α-纤维素所得即为半纤维素。化学成分测定均以绝干材为基准，数据取自组内样本的均值，每组测定3个平行样。

基本密度采用排水法进行测定，数据取自组内样本的均值，每组测定3个平行样。

参照GB/T 10336—2002《造纸纤维长度的测定 偏振光法》进行纤维形态特征测定，将试样置于冰醋酸/过氧化氢混合溶液(体积比1∶1)中离析，在立体数码显微镜(KEYENCE VHX-600E)下进行纤维长度的测量；提前制备好永久切片，使用NiKonDS-Ri2正置荧光显微镜对纤维腔径进行测量；使用Image J 2.0软件对纤维双壁厚、纤维腔径进行测量，各测50组重复数据，纤维宽度为纤维双壁厚与腔径相加所得。

2 结果与分析

2.1 6个无性系楸木化学成分和径向变异分析

树木的化学成分对其材质及利用影响深远，也与木材强度和物理机械性能紧密相关[7-8]。6种无性系楸木化学组成质量分数见表2。从表2可以得出，6个无性系楸木的苯醇抽提物质量分数为4.35%～5.92%，其中洛楸5号苯醇抽提物质量分数最低，洛楸1号最高；综纤维素质量分数为68.49%～73.94%，其中洛楸5号最高，洛楸2号最低；α-纤维素质量分数为38.27%～40.57%，其中洛楸5号最高，洛楸2号最低；木质素质量分数为21.78%～26.75%，其中洛楸1号最低，洛楸5号最高；半纤维素质量分数为30.12%～33.38%，其中洛楸1号最低，洛楸5号最高。栎木材质硬、耐水性好、稳定性高，材色多为白色，广泛用于船舶、地板、家具等领域。与栎木相比，楸木提取物、半纤维素含量均高于栎木[9]；综纤维素含量和α-纤维素含量均低于栎木；除洛楸1号外，其余5种无性系木质素都高于栎木。木材的纤维素和半纤维素含量与木材抗拉强度紧密相关；木材细胞壁主要由综纤维素构成，综纤维素对木材细胞壁的物理性能影响十分显著[10-11]；木质素在一定程度上可以增加木材的强度；苯醇抽提物对原木的密度及木制品的强度影响较深。楸木苯醇提取物、木质素、半纤维素含量高于栎木，纤维素含量低于栎木，综纤维素含量与栎木相近，因此，可以推断楸木耐久性较高、颜色亮丽，可考虑用作装饰用材。

表2 6个无性系楸木化学成分Table 2 Chemical components of six Chinese catalpa clones %

6个无性系楸木化学组成的径向变异见图1。由图1可知，自髓心向外，苯醇抽提物含量在1～8年轮内逐渐增加，第8年轮后显著下降。木质素含量先下降，第6年轮以后趋于平缓。综纤维素和半纤维素的含量从髓心向外缓慢下降，而α-纤维素的含量从髓心向外缓慢上升。除α-纤维素含量一直增加外，苯醇提取物、综纤维素、半纤维素含量均在第8年轮以后呈下降趋势。

对不同楸木的化学成分进行单因素方差分析可知，无性系对化学成分的影响极显著(P<0.01)。生长轮对苯醇抽提物有极显著影响(P<0.01)，而对其余化学成分无显著影响(P>0.05)。研究结果表明，生长轮对苯醇提取物有很大影响，无性系对木质素含量有很大影响。不同无性系间化学组成差别很大，除苯醇抽提物外，其他化学组成径向变异不明显。

2.2 6个无性系楸木的纤维形态特征及径向变异分析

6个无性系楸木纤维形态特征见表3。由表3可知，6种无性系楸木纤维长度为796～901 μm，平均长度为853 μm，其中洛楸3号纤维最长(901 μm)，天楸2号纤维最短(796 μm)。根据IAWA发布的分类标准，木材原料纤维小于900 μm为短纤维，900～1 600 μm为中型纤维，大于1 600 μm为长纤维。6种楸木都属于短纤维，纤维长度均小于栎木[12]。6种楸木的纤维长度径向变化见图2a。从图2a可以看出，从髓心向树皮方向，纤维长度持续增长，第9年轮以后，增长趋势变缓。方差分析可知，无性系和年轮对纤维长度影响极其显著(P<0.01)，纤维长度受无性系影响较大，且径向变异十分明显。

图1 6个无性系楸木化学成分径向变异Fig. 1 Radial variations of chemical components of six Chinese catalpa clones

图2 6个无性系楸木纤维形态径向变异Fig. 2 Radial variation of fiber morphology of six Chinese catalpa clones

表3 6个无性系楸木纤维形态特征Table 3 Anatomical features of six Chinese catalpa clones

由表3可知，6个无性系楸木纤维宽度为16.16～18.99 μm，平均纤维宽度为17.27 μm，其中洛楸5号纤维最宽，洛楸2号纤维最窄。与栎木相比，除洛楸2号、洛楸4号纤维宽度比栎木略小外，其余4种无性系楸木纤维宽度均大于栎木。6种楸木纤维宽度变化见图2b。从髓心向外，纤维宽度有所变化，但总体趋势不明显。方差分析可知，年轮和无性系对纤维宽度的影响极显著(P<0.01)。方差分析结果表明，纤维宽度受无性系影响更大，径向变异不明显。

6个无性系楸木纤维双壁厚为3.87～4.27 μm，均值为4.01 μm，其中洛楸3号纤维双壁厚最小，洛楸5号纤维双壁厚径最大。纤维双壁厚与木材的质量、密度等紧密相关，而且受到外部环境因素的影响也很大[12]。6种楸木双壁厚均远小于栎木。6种无性系楸木的纤维双壁厚径向变异见图2c。由髓心向外，纤维双壁厚上下波动，变化规律较差。方差分析可知，无性系和生长轮对双壁厚影响均为极显著(P<0.01)。无性系对纤维双壁厚影响更大，且径向变异十分明显。

6个无性系壁腔比变化范围为0.31～0.40，均值为0.36，其中洛楸3号最小，天楸2号最大。纤维壁腔比为纤维双壁厚与纤维细胞腔径之比，它与木材纤维强度紧密相关[13]。木材密度和材质随着壁腔比的增大而增大，与栎木相比，6种无性系楸木均小于栎木。6种楸木壁腔比的径向变异见图2d。可以看出，从髓心向外，壁腔比呈现缓慢增长的趋势，第9年轮以后，开始出现下降趋势，但下降幅度小于增长幅度。

2.3 6个无性系楸木密度及其径向变异分析

木材的密度是衡量木材性能的重要指标，它与木材的质量、工艺性质和物理机械性能息息相关[14]。6种楸木的密度见表4。从表4可以看出，6个无性系楸木基本密度为0.41～0.45 g/cm3，基本密度均值为0.43 g/cm3，根据国家力学分级标准，该楸木属于Ⅱ级；6种无性系楸木气干密度为0.47～0.52 g/cm3，均值为0.50 g/cm3；6种楸木绝干密度为0.45～0.49 g/cm3，均值为0.47 g/cm3。6个无性系楸木密度均为：天楸2号>洛楸2号>洛楸1号>洛楸4号>洛楸3号>洛楸5号。6个无性系楸木的密度均小于栎木，但楸木密度适中，且楸木所含苯醇抽提物、木质素更高，因此可以推断楸木美观度好、耐腐性好，可以考虑将其制作成乐器、棋盘等。6种无性系楸木密度径向变异见图3，6种无性系楸木的边材的密度均比心材的高。

表4 6个无性系楸木的密度Table 4 The density of six Chinese catalpa clones g/cm3

图3 6种楸木密度径向变异Fig. 3 Radial variation of densities from six Chinese catalpa clones

方差分析可知，不同无性系和位置(心、边材)对楸木密度均有极显著影响(P<0.01)。无性系种类和取材位置对基本密度、绝干密度均有影响，位置影响更大；无性系对木材密度影响很大，但是位置(心材、边材)对密度影响较小。

3 结 论

通过对6种无性系楸木的主要化学组成、纤维形态特征、密度等指标的分析和比较，得出以下结论：

1)洛楸5号苯醇提取物最少，综纤维素、半纤维素和α-纤维素最多；洛楸1号木质素最少。根据楸木化学成分径向变异分析，可以考虑将其轮伐期选为8年。

2)洛楸3号纤维最长；洛楸5号纤维宽度、双壁厚最大，但6种无性系楸木双壁厚差异较小；天楸2号壁腔比最大。

3)6种无性系楸木的苯醇抽提物、木质素、半纤维素含量高，α-纤维素含量低，且纤维长度较短，不适合作为制浆造纸用材。楸木密度适中，其中天楸2号密度最大，苯醇抽提物含量较高，颜色较深，可以考虑将其制作成乐器、棋盘等。