洞庭湖區(qū)美洲黑楊濕心材化學(xué)特性及遺傳變異

李永進(jìn)，左海松，湯玉喜，吳 敏，唐 潔

(1．湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004; 2．湖南省林業(yè)廳，湖南長(zhǎng)沙 410007)

楊樹 (Populus spp.)是我國(guó)長(zhǎng)江中下游平原湖區(qū)短周期工業(yè)原料林、生態(tài)防護(hù)林建設(shè)的重要樹種之一，其生長(zhǎng)速度快，分布范圍廣，蓄積量大，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境和解決用材問(wèn)題起著重要作用。楊樹也是湖南省制漿造紙業(yè)的主要樹種，但其木材中普遍存在濕心材，直接影響到出漿率以及印刷光澤度，這增加了木材加工利用的難度和企業(yè)生產(chǎn)成本，降低了木材的使用價(jià)值，因此，楊樹濕心材問(wèn)題的研究也日益顯得重要［1－8］。我們對(duì)洞庭湖區(qū)美洲黑楊 (Populus deltoides)不同品種濕心材的化學(xué)特性及其遺傳變異進(jìn)行分析，以期為選育濕心材比例較低的優(yōu)良美洲黑楊品種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 美洲黑楊濕心材與正常材的化學(xué)特性測(cè)定

選用美洲黑楊湘林、南林、中漢、I—69及中潛5個(gè)楊樹品系為試驗(yàn)材料?；曳值臏y(cè)定方法依據(jù)GB/T 2677.3—93進(jìn)行;1%氫氧化鈉抽出物的測(cè)定方法依據(jù)GB/T 2677.5—93進(jìn)行;木質(zhì)素含量的測(cè)定方法依據(jù)GB/T 2677.8—94進(jìn)行;多戊糖含量的測(cè)定方法 依據(jù)GB/T 2677.3—94進(jìn)行。

1.2 濕心材的遺傳分析

試驗(yàn)材料取自岳陽(yáng)市君山區(qū)上反嘴的10年生美洲黑楊試驗(yàn)林，株行距5 m×6 m，4次重復(fù)。隨機(jī)選取試驗(yàn)林中的湘林、中漢、中潛、1—69等12個(gè)品種各4株，用9 mm生長(zhǎng)錐在1.3 m處按南北向鉆取木芯。量取濕心材長(zhǎng)度占整個(gè)木芯的比例，并測(cè)量取樣單株的樹高和胸徑。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Spss16.0及Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕心材與正常材化學(xué)組分變化

濕心材是樹木生長(zhǎng)過(guò)程中的一種反?，F(xiàn)象，但濕心材的存在對(duì)樹木生長(zhǎng)沒(méi)有明顯影響，病樹可以繼續(xù)活幾十年，對(duì)木材強(qiáng)度也不造成嚴(yán)重?fù)p害［4］。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)引起木材變色的原因說(shuō)法不一，但木材的濕心材無(wú)論是微生物引起還是非微生物引起的，最后都會(huì)導(dǎo)致其木材組分的相應(yīng)變化。5個(gè)不同品種化學(xué)組分的測(cè)試結(jié)果見表1。

從表1可以看出，各個(gè)品種濕心材中的灰分、1%氫氧化鈉抽出物、酸不溶木素、多戊糖含量均高于正常材。

灰分主要是試材中經(jīng)高溫灼燒后留下的無(wú)機(jī)鹽和金屬氧化物所組成，這些無(wú)機(jī)鹽是樹木生長(zhǎng)不可缺少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在樹木生長(zhǎng)過(guò)程中，當(dāng)木質(zhì)部衰老時(shí)，活的細(xì)胞全部死亡，不再參與生理活動(dòng)，在死亡的組織中往往積累大量的無(wú)機(jī)物。各個(gè)品種的濕心材中的灰分含量高于正常材，其中，I—69楊濕心材中的灰分比例最大，達(dá)到31.05%;其次是中漢17楊，為19.86%，而湘林—90楊濕心材中的灰分所占比例最小，僅為 1.32%;Hillis［8－10］、諸葛強(qiáng)等［11］認(rèn)為濕心材中的灰分含量高于正常材，是楊樹濕心材的化學(xué)特性。他們認(rèn)為:木材中不同結(jié)構(gòu)的化學(xué)組分具有不同的光化學(xué)性質(zhì)，由于濕心材中較高含量的無(wú)機(jī)元素特別是一些金屬元素與木材復(fù)雜的化學(xué)組份的結(jié)合效應(yīng)及電子誘導(dǎo)作用，可能增加木材中許多化學(xué)組份對(duì)光的吸收，從而使心材的顏色加深。

1%氫氧化鈉抽出物中主要為低分子量的碳水化合物，包括半纖維素和可降解的纖維素，這些抽出物可說(shuō)明真菌腐朽或光、熱、氧化腐朽程度，1%氫氧化鈉抽出物越多說(shuō)明腐朽或降解情況越嚴(yán)重。5個(gè)品種濕心材中的1%氫氧化鈉抽出物含量均高于正常材且在不同品種內(nèi)以及品種間存在較大差別，其中，中漢17楊、南林52楊的1%氫氧化鈉抽出物含量平均值較高，為29.64%和25.45%，I—69、湘林—90木材中1%NaOH抽出物含量較低，分別為9.76%和12.37%，表明中漢17、南林52相對(duì)于其他3個(gè)品種來(lái)說(shuō)，板材的耐水性較差，易腐朽，而I—69、湘林—90耐水性較好，不易腐朽。

胡景江等［13］研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素是植物體內(nèi)一種重要的物理抗菌物質(zhì)，它能與經(jīng)脯氨酸糖蛋白 (HRGP)一起作為結(jié)構(gòu)屏障物，起加固細(xì)胞壁的作用，認(rèn)為HRGP和木質(zhì)素與楊樹對(duì)潰瘍病的抗性有關(guān)。5個(gè)品種濕心材中的酸不溶木素、多戊糖含量均高于正常材，雖然差別不大，但南林17、湘林—90正常材中的酸不溶木素相對(duì)較低，證明其對(duì)楊樹潰瘍病的抗性低于其他品種。

表1 濕心材與正常材中部分化學(xué)組分含量變化Tab.1 Content representation of the some chemical composition in wetwood and normal heartwood of 5 Populus deltoides varieties %

表2 5個(gè)美洲黑楊品種濕心材比例、胸徑及灰分等提取物含量平均值Tab.2 The average value of the wetwood proportion，diameter and the content of the some chemical composition of 5 Populus deltoides varieties

2.2 濕心材比例與胸徑、濕心材內(nèi)部分化學(xué)組分含量的關(guān)系

樹木濕心材與細(xì)胞腔和細(xì)胞壁中積累的提取物以及樹木的邊材轉(zhuǎn)變?yōu)樾牟牡倪^(guò)程中伴有的木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的衰變、細(xì)胞原生質(zhì)體的分解和次生代謝物質(zhì)產(chǎn)生物質(zhì)的化學(xué)特性密切相關(guān)［11］。為了進(jìn)一步弄清濕心材比例與胸徑及灰分等化學(xué)組分之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)分析表明 (見表3):12個(gè)品種濕心材比例與胸徑、灰分、木質(zhì)素和多戊糖呈不顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 －0.328、 －0.110、 －0.588、 －0.589，與1%氫氧化鈉抽出物含量呈不顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.105，表明對(duì)美洲黑楊的濕心材比例和胸徑、木質(zhì)素等指標(biāo)可以獨(dú)立進(jìn)行選擇;而張冬梅等［12］則認(rèn)為毛白楊的濕心材比例與木質(zhì)素含量呈不顯著正相關(guān)，這可能與樣品種類及數(shù)量有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

表3 濕心材比例與胸徑及灰分等因素的相關(guān)性Tab.3 The correlation among wedwood proportion，diameter and the content of the some chemical composition

2.3 美洲黑楊濕心材的遺傳變異

楊樹濕心材的遺傳變異較為復(fù)雜，張冬梅等［12］認(rèn)為毛白楊無(wú)性系濕心材與其本身固有的生理特性及結(jié)構(gòu)有關(guān)，受其生長(zhǎng)后期的環(huán)境因子影響相對(duì)較小，無(wú)性系間濕心材受中度遺傳控制;諸葛強(qiáng)等［11］認(rèn)為，美洲黑楊新無(wú)性系的濕心材產(chǎn)生與環(huán)境條件有一定的關(guān)系，但主要是受遺傳控制的。從表4可以看出，美洲黑楊品種間的濕心材比例存在差別，湘林—90濕心材比例高達(dá)56.1%，其次是中漢17和I—69，分別為51.2%和50.9%，Y—706濕心材比例最小，為41.8%。據(jù)報(bào)道，山東省10種黑楊和3種白楊的濕心材比例為0.146 ～ 0.341［15］; 湖北魯克斯楊 (P.deltoides Bartr.‘Lux’) 和 I－72楊 (P.×euram ericana(Dode)Guinier cv.‘San Marino’)的濕心材比例分別為0.533和0.556［14］;山東毛白楊 (P.tamentosa Carr) 無(wú)性系的平均濕心材比例為0.169［12］。湖北兩個(gè)品種與洞庭湖區(qū)楊樹濕心材比例相近，山東地區(qū)的楊樹與洞庭湖區(qū)的差別較大，除品種因素外，可能土壤水分也有很大的影響，表明濕心材比例與土壤水分含量有一定關(guān)系［14］，這也與初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)的溝渠邊的楊樹濕心材比例比農(nóng)田林地里高的現(xiàn)象相吻合。

表4 12個(gè)美洲黑楊品種濕心材比例平均值、變幅和變異系數(shù)Tab.4 Average percentage，range and coefficient of wetwood proportion of 12 Populus deltoides varieties

各品種內(nèi)濕心材比例的變異系數(shù)也存在差別，Y—706楊單株間變異系數(shù)最大，為0.320 1，A65/27楊單株間變異系數(shù)最小，為0.055，說(shuō)明該品種的濕心材比例受外界因素的影響較少，容易受基因控制，受遺傳外的因素影響小些。

對(duì)各個(gè)品種間及品種內(nèi)的濕心材比例進(jìn)行方差分析表明 (見表5):12個(gè)品種間濕心材比例在0.05水平上存在明顯差異，品種內(nèi)的濕心材比例差異不顯著。對(duì)12品種濕心材比例進(jìn)行遺傳力估算表明，12個(gè)品種間濕心材比例的重復(fù)力為0.600 4，受中度遺傳控制，表明美洲黑楊濕心材性狀變異主要由品種或無(wú)性系的基因控制，因此通過(guò)選擇有可能選育出濕心材百分率低的優(yōu)良品種和無(wú)性系。

表5 12個(gè)美洲黑楊濕心材比例方差分析及遺傳參數(shù)估計(jì)Tab.5 Variance analysis and genetic parameter estimation of wetwood proportion of 12 Populus deltoides varieties

3 結(jié)論與討論

(1)5個(gè)美洲黑楊品種濕心材中灰分含量、1%氫氧化鈉抽出物等均高于正常材;濕心材比例與胸徑、灰分、木質(zhì)素和多戊糖呈不顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為－0.328、 －0.110、 －0.588、 －0.589，與1%氫氧化鈉抽出物含量呈不顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.105。說(shuō)明林木改良時(shí)，濕心材比例和胸徑、木質(zhì)素等這些指標(biāo)可以獨(dú)立進(jìn)行選擇。

(2)12個(gè)品種間的濕心材比例及品種內(nèi)的變異系數(shù)存在差別，除品種因素外，土壤水分是影響品種間和品種內(nèi)濕心材比例的一個(gè)重要因素。

(3)12個(gè)美洲黑楊品種濕心材比例在0.05水平上存在明顯差異，其濕心材的重復(fù)力為0.600 4，受中度遺傳控制，表明美洲黑楊濕心材性狀變異主要由品種或無(wú)性系的基因控制，因此通過(guò)選擇有可能選育出濕心材百分率低的優(yōu)良品種和無(wú)性系。12個(gè)品種內(nèi)單株間濕心材比例差異不顯著。

［1］湯玉喜，吳立勛，吳敏，等．楊樹無(wú)性系生長(zhǎng)與材性遺傳變異及綜合選擇研究 ［J］．湖南林業(yè)科技，2005，32(5):1－5．

［2］吳立勛，湯玉喜，吳敏，等．洞庭湖區(qū)楊樹引種試驗(yàn) ［J］．湖南林業(yè)科技，2003，30(3):24－26．

［3］吳敏，吳立勛，湯玉喜，等．南方型黑楊無(wú)性系木材材性的研究［J］．湖南林業(yè)科技，2005，32(4):21－25．

［4］ 祖勃蓀．國(guó)外對(duì)楊樹濕心材的研究 ［J］．林業(yè)科學(xué)，2000，36(5):85－91．

［5］ Wilkes J．Heartwood dewelopment and its relationship to growth in piuns radiate ［J］．Wood Sci．Technol．，1991，25:85－90．

［6］ Rink G．Phelps J E．Variation in heartwood and sapwlld properties among 10-year-old black walnut trees ［J］．Wood and Fiber Science，1989，21(2):177－182．

［7］ Loewas F A．The Structure，Biosynthesis，and Degradation of Wood ［J］．Recent Advance in Phytochemistry，1976，11:247－290．

［8］ Bauch J，Holl W，Endeward R．Some aspects of wetwood formation in fir［J］．Holzforschung，1975，29(6):198－205．

［9］ Camphell S G，Kim W J，Koch P．Chemical variation in lodgpole pine with sapwood/heartwood，stem height，and variety．Wood and Fiber Science，1990，22(1):22－30．

［10］ Hills W E，Silva D D．Inorganic exreaneous constituents of wood ［J］．Holzforschung，1979，33(2):47－53．

［11］諸葛強(qiáng)，黃敏仁，潘惠新，等．楊樹濕心材的化學(xué)特性及形成機(jī)理研究 ［J］．林業(yè)科學(xué)，1997，33(3):259－266．

［12］張冬梅，鮑甫成，張志毅，等．毛白楊無(wú)性系濕心材比例的遺傳分析［J］．林業(yè)科學(xué)，2005，41(4):140－144．

［13］胡景江，朱瑋，文建雷．楊樹細(xì)胞壁HRGP和木質(zhì)素的誘導(dǎo)積累與其對(duì)潰瘍病抗性的關(guān)系 ［J］．植物病理學(xué)報(bào)，1999，29(2):151－156．

［14］姜笑梅，張立非，徐邦興，等．I－69楊濕心材發(fā)生、分布及材性的研究 ［J］．林業(yè)科學(xué)研究，1993，6(5):480－485．

［15］王桂巖，王彥，李善文，等．13種楊樹木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究［J］．山東林業(yè)科技，2001(2):1－11．