紅心杉與糠杉材質(zhì)材色性狀變異分析

李魁鵬，蘇麗華，梁 機，譚文婧，韋連尤，藍(lán) 肖，黃開勇

（1.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，國家林業(yè)和草原局中南速生材繁育實驗室，廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530002；2.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實驗中心，廣西 憑祥 532600；4.國有貝江河林場，廣西 融水 545300）

杉木Cunninghamia lanceolata是我國南方特有的常綠針葉鄉(xiāng)土樹種，也是廣西主要造林樹種之一，具有速生、材性好、單產(chǎn)高、用途廣等特點[1-2]，是良好的建筑、家居用材[3]。廣西融水杉木種源是全國優(yōu)良種源[4-5]，紅心杉（油杉）和糠杉是該種源杉木中的兩種自然類型。紅心杉新葉為黃綠色，老枝葉棕褐色；糠杉新葉為灰綠色，老葉為暗綠色，葉較大[6]。且這兩類杉木在染色體核型及生長性狀方面存在差異[7-8]?？飞忌L速度快、種植面廣；紅心杉生長較慢，木材堅硬、更耐腐蝕，材質(zhì)優(yōu)良。近年來，圍繞杉木材性、紅心杉的紅心率與木材化學(xué)物質(zhì)等方面的相關(guān)研究已陸續(xù)開展[9-12]，但究竟是哪些材質(zhì)材色指標(biāo)在兩類杉木之間存在差異，目前尚未明確。

本課題組前期研究闡述了紅心杉材質(zhì)性狀的變化規(guī)律[4]。本研究以紅心杉和糠杉兩種類型杉木為研究對象，比較基本密度、含水率、年輪寬度、晚材率、管胞特征、組織比量、材色等性狀在兩類杉木樹干木質(zhì)部徑向及早晚材中的變化規(guī)律，分析性狀間的相關(guān)性，探究紅心杉和糠杉在材質(zhì)材色性狀上存在的主要差異，旨在為杉木材質(zhì)性狀的育種工作提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料來源

運用平均木法，在廣西融水四榮鄉(xiāng)和白云鄉(xiāng)分別選取生長正常且較為一致紅心杉和糠杉各10株。用5 mm 直徑生長椎，在樹干1.3 m 處鉆取木芯，每株樣木取3 根木芯，分別用于測含水率及基本密度、管胞形態(tài)以及色差測定；另外，用直徑1 cm 的生長錐鉆取1 根木芯，用于年輪寬度、晚材率和組織比量的測定。每株樣木鉆取4根木芯，共80 根木芯，將每根木芯（從髓心至樹皮）平均分為心部（H）、中部（M）和邊部（S）三部分，做好標(biāo)記并保存。

表1 兩類杉木林分基本情況Table 1 Stand situation of the two types of Chinese fir

1.2 測定方法

1.2.1 生材含水率、基本密度測定

將每根木芯分為心部、中部和邊部，測量生材質(zhì)量（m生），用排水法測量生材體積（V生），用鼓風(fēng)干燥機烘至絕干狀態(tài)后，稱量其質(zhì)量（m干）。根據(jù)公式計算ω生=（m生-m干）/m干×100%、ρ基=m干/V生分別計算生材含水率、基本密度，具體方法參照GB1993—2009《木材密度測定方法》和GB1991—2009《木材含水率測定方法》進(jìn)行。

1.2.2 年輪寬度及晚材率測定

根據(jù)國標(biāo)GB/T1930—2009《木材年輪寬度和晚材率測定方法》，測量心部、中部和邊部的年輪總寬度（b）及晚材寬度（Lb），根據(jù)公式Rb=b/n，Lω=∑Lb/b×100%，計算年輪平均寬度及晚材率。

1.2.3 管胞形態(tài)測定

將每根木芯按心部、中部和邊部分成3 段后，再按早晚材切分開。用冰醋酸過氧化氫法進(jìn)行解離[13]。管胞長度用體視顯微鏡（體視2）測量，管胞寬度和腔徑用尼康80i 顯微圖像成像系統(tǒng)放大400 倍測量，每個試樣測量60 根。計算管胞雙壁厚、長寬比、壁腔比和腔徑比。

1.2.4 組織比量測定

將木芯用單面單片沿橫切面、徑切面和弦切面切成約1 cm×1 cm×1 cm 的小正方體。經(jīng)過水煮軟化、切片、染色、脫水、透明、制片、干燥等步驟制作永久切片。選取已制作好的橫切面永久切片，用尼康80i 顯微圖像成像系統(tǒng)，在10×10 倍數(shù)下進(jìn)行觀察，利用系統(tǒng)自帶的“網(wǎng)格”功能，刻畫面積0.5 mm×0.5 mm，10 等分為100 個小方格和121 個交叉點。每個試樣分早、晚材各測定30 次，計算相應(yīng)組織比量[14]。

1.2.5 色差測定

形聲字是漢字特有的文字現(xiàn)象，是其他表音文字所不具備的，占據(jù)著現(xiàn)代漢字的主體地位。根據(jù)康加深(1993)的統(tǒng)計，在7000個現(xiàn)代通用漢字中，屬于形聲字結(jié)構(gòu)的字有5631個，約占通用字總數(shù)的80.5%[1]。就母語是漢語的人而言，日常中使用頻率最高的漢字有1000個，其中形聲字占58.3%，這說明形聲字是現(xiàn)代漢字的主體，留學(xué)生可以通過理清形符、聲符與漢字音義三者之間的關(guān)系，來提高認(rèn)字的效率。

將采回的木芯置于恒溫鼓風(fēng)干燥機中干燥至絕干狀態(tài)，設(shè)置溫度為38℃，干燥12h。置于研缽中加入液氮研磨成粉末，然后裝入自制的測色皿中，均勻平鋪于底部。用ADCI 系列全自動色差計測定，對儀器進(jìn)行黑白板校正后，進(jìn)行樣品測定。每類杉木10 個生物學(xué)重復(fù)，分為心部、中部和邊部，共60 個樣品，每個樣品重復(fù)測定3 次，記錄樣品顏色測定指標(biāo)L*（明度）、a*（變紅度）、b*（變黃度）的平均值[15-16]，樣品的指標(biāo)數(shù)值減去標(biāo)準(zhǔn)品的指標(biāo)數(shù)值求出對應(yīng)的ΔL*、Δa*、Δb*值和總體色差ΔE*值[17]。

1.3 統(tǒng)計及分析方法

用Excel 2010 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和數(shù)理統(tǒng)計，用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行方差分析，方差分析前，含水率、晚材率、組織比量等百分率先進(jìn)行反正弦轉(zhuǎn)換

2 結(jié)果與分析

2.1 基本密度、材色等8 個指標(biāo)在兩類杉木樹干木質(zhì)部徑向上的變化規(guī)律

在樹干徑向變異過程中，8 個指標(biāo)在兩類杉木表現(xiàn)出了一致的規(guī)律?；久芏?、晚材率和ΔL*值等3 個指標(biāo)由心材至邊材轉(zhuǎn)變過程中呈逐漸升高趨勢（圖1）；年輪寬和ΔE*值則呈逐漸降低的趨勢；Δa*值由心材至邊材呈先上升后下降趨勢；Δb*變化不大；含水率在心部和中部穩(wěn)定，在邊部升高。比較了8 個指標(biāo)在兩類杉木間的差異，結(jié)果表明：紅心杉各部位的基本密度、含水率、晚材率、ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*值等指標(biāo)均大于糠杉，年輪寬則表現(xiàn)為糠杉大于紅心杉。方差分析結(jié)果表明：基本密度在兩類杉木的樹干中部間差異極顯著（P＜0.01），在邊部差異顯著（P＜0.05）；晚材率在邊材差異顯著（P＜0.05）；年輪寬在心部和邊部差異極顯著（P＜0.01）；Δa*值和Δb*值在心部和中部的差異都極顯著（P＜0.01）。

圖1 基本密度等8 個指標(biāo)在兩類間杉木木質(zhì)部徑向上的變化Fig.1 The changes of 8 indexes including basic density in the process of radial transformation of the xylem between the two types of Chinese fir

2.2 管胞形態(tài)等10 個指標(biāo)在兩類杉木早材徑向上的變化規(guī)律

對兩類杉木的早材管胞形態(tài)、組織比量進(jìn)行分析，結(jié)果表明：10 個指標(biāo)在兩類杉木早材徑向上的變化規(guī)律基本一致。管胞長度、寬度、腔徑、雙壁厚、管胞比量等5 個指標(biāo)由心材至邊材轉(zhuǎn)變過程中呈逐漸升高趨勢（表2），木射線比量由心材至邊材轉(zhuǎn)變過程中呈逐漸降低趨勢，管胞長寬比由心部至邊部先升高后降低，管胞壁腔比在心部和中部保持不變，在邊部降低?？飞几鞑课辉绮墓馨麑挾取⒐馨粡?、管胞雙壁厚、木射線比量等4 個指標(biāo)均大于紅心杉，而早材管胞壁腔比、管胞長寬比、管胞腔徑比、木射線比量、管胞比量等4 個指標(biāo)則表現(xiàn)為紅心杉大于糠杉。方差分析結(jié)果表明：10 個指標(biāo)在兩類杉木間有3 個存在顯著差異或極顯著差異，其中心部和邊部早材管胞寬度、邊部早材管胞腔徑、中部和邊部早材管胞長寬比等指標(biāo)具有極顯著差異（P＜0.01），中部早材管胞長度、心部和中部早材管胞腔徑、心部早材管胞長寬比等指標(biāo)具有顯著差異（P＜0.05）。

表2 管胞形態(tài)等10 個指標(biāo)在兩類杉木早材徑向上的變化Table 2 The changes of 8 indexes including basic density of earlywood (EW) in the process of radial transformation of the xylem between the two types of Chinese fri

2.3 管胞形態(tài)等10 個指標(biāo)在兩類杉木晚材徑向上的變化規(guī)律

對兩類杉木的晚材管胞形態(tài)、組織比量進(jìn)行分析（表3），結(jié)果表明，10 個指標(biāo)在兩類杉木晚材徑向上的變化規(guī)律與早材基本一致，管胞長度、寬度、腔徑、雙壁厚、管胞比量等5 個指標(biāo)由心材至邊材轉(zhuǎn)變過程中呈逐漸升高趨勢，木射線比量、薄壁細(xì)胞比量由心材至邊材轉(zhuǎn)變過程中呈逐漸降低趨勢?？飞几鞑课煌聿墓馨L度、管胞寬度、管胞腔徑、管胞雙壁厚、管胞腔徑比、管胞比量等6 個指標(biāo)均大于紅心杉，而晚材管胞壁腔比、管胞長寬比、木射線比量、薄壁細(xì)胞比量等4 個指標(biāo)則表現(xiàn)為紅心杉大于糠杉。方差分析結(jié)果表明，10 個指標(biāo)在兩類杉木中有5 個存在顯著差異或極顯著差異，其中，各部位晚材管胞寬度、管胞腔徑以及邊部晚材長寬比等指標(biāo)具有極顯著差異（P＜0.01），中部晚材長寬比、中部和邊部晚材管胞壁腔比、腔徑比等指標(biāo)具有顯著差異（P＜0.05）。

表3 管胞形態(tài)等10 個指標(biāo)在兩類杉木晚材徑向上的變化Table 3 The changes of 8 indexes including basic density of latewood (LW) in the process of radial transformation of the xylem between the two types of Chinese fri

2.4 杉木材質(zhì)相關(guān)性分析

對在紅心杉與糠杉間具有極顯著差異的16 個指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)間相關(guān)性分析。結(jié)果表明，其中5對表型顯著相關(guān)，3 對表型極顯著相關(guān)(表4)。邊部早材管胞寬度與邊部早材管胞腔徑、心部平均年輪寬度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與邊部早材管胞長寬比呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；中部晚材管胞寬度與心部早材管胞寬度呈顯著正相關(guān)，與中部晚材管胞腔徑呈極顯著正相關(guān)；心部早材管胞寬度與中部晚材管胞腔徑呈顯著正相關(guān)；心部晚材管胞寬度與邊部晚材管胞長寬比呈顯著負(fù)相關(guān)；邊部早材管胞腔徑與邊部早材管胞長寬比呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 兩類杉木顯著差異性狀間的相關(guān)性?Table 4 Correlations of signifciantly different traits between the two types of Chinese fri

2.5 心部Δa*、心部年輪寬等16 個指標(biāo)的主成分分析

選擇管胞寬度（心部早材、心部晚材、中部晚材、邊部早材）、管胞長寬比（中部早材、邊部早材、邊部晚材）、Δa*（心部、中部）、Δb*（心部、中部）、管胞內(nèi)徑（中部晚材、邊部早材）、年輪寬（心部、邊部）、基本密度（中部）等在紅心杉和糠杉間極顯著差異的16 個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明，第1 主成分貢獻(xiàn)率為53.36%，第2 主成分貢獻(xiàn)率為12.52%，前兩個主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到65.88%（圖2）。第1 主成分中，邊部早材管胞長寬比（0.275）、邊部晚材管胞長寬比（0.253）、心部Δb*（0.244）的正向貢獻(xiàn)最大（表5）；心部年輪寬（-0.297）、心部晚材管胞寬（-0.291）、心部早材管胞寬（-0.282）的反向貢獻(xiàn)最大。第2主成分中，中部基本密度（0.372）、心部早材管胞寬度（0.318）、邊部早材管胞寬度（0.287）的正向貢獻(xiàn)最大；中部Δa*（-0.386）、邊部年輪寬（-0.358）、心部Δa*（-0.347）的反向貢獻(xiàn)最大。通過前兩個主成分得分進(jìn)行的聚類，區(qū)分出了紅心杉和糠杉個體。

表5 各性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis of different traits

圖2 基于心部Δa*值等16 個指標(biāo)的因子載荷分布Fig.2 Distribution map of factor loading based on 16 indexes including Δa＊ value of H part

3 結(jié)論與討論

紅心杉樹干木質(zhì)部各部位的基本密度、晚材率均大于糠杉，年輪寬則相反。年輪寬在兩類杉木木質(zhì)部心部差異顯著；基本密度中部差異極顯著；基本密度、晚材率、年輪寬在邊部差異顯著。紅心杉樹干邊部平均基本密度達(dá)到0.44 g/cm3，與湖南鐵心杉基本密度相當(dāng)[18]。木材基本密度與木材物理力學(xué)性狀直接相關(guān)的材性指標(biāo)，年輪寬度反應(yīng)生長速度，而晚材率越大，材質(zhì)致密性越好[19-20]。推測紅心杉木材物理力學(xué)性狀優(yōu)于糠杉。

主成分分析采用降維的方式，將關(guān)聯(lián)性強的變量組合了新的變量，從而使新變量間兩兩不相關(guān)。通過引入新的少數(shù)幾個綜合變量反映原來多個變量帶來的復(fù)雜數(shù)據(jù)信息[21]。本研究2 個主成分的累積貢獻(xiàn)率為65.88%，降低了原來16 個指標(biāo)變量帶來的復(fù)雜性，成功將紅心杉和糠杉進(jìn)行了區(qū)分。對主成分貢獻(xiàn)最大的12 指標(biāo)中，管胞有關(guān)指標(biāo)6 個，色差指標(biāo)3 個，年輪指標(biāo)2，基本密度指標(biāo)1 個。管胞形態(tài)及木材色差是紅心杉和糠杉差異最大的兩個性狀。

杉木主要由薄壁細(xì)胞、管胞及木射線組織構(gòu)成，管胞是主要的組織類型[22]。20年生的紅心杉中，管胞比量為85%左右[4]。兩類杉木管胞長度徑向上由髓心向外呈逐漸增加的趨勢，徑向變異屬于Panshin Ⅱ[23]。管胞形態(tài)與木材力學(xué)性質(zhì)顯著相關(guān)，壁腔比對材性的影響最大，決定木材的質(zhì)量、密度和強度[24-25]。本研究結(jié)果表明，杉木早晚材管胞寬度存在顯著相關(guān)，且邊部早材管胞寬度與心部平均年輪寬度顯著相關(guān)，這說明管胞寬度在杉木早晚材及樹干徑向變化中相關(guān)性較高。對主成分貢獻(xiàn)最大的指標(biāo)中，管胞寬的指標(biāo)有4 個，為對兩個主成分貢獻(xiàn)最最多的指標(biāo)，但管胞長和雙壁厚在紅心杉和糠杉間的差異都不顯著，這說明管胞腔徑是紅心杉和糠杉間管胞形態(tài)差異的主要因素。

木材的天然顏色已成為確定木材品質(zhì)最重要的指標(biāo)之一[26]，受到木材中的代謝物成分與含量影響顯著[27-28]。本研究中，ΔL*值在紅心杉、糠杉在木質(zhì)部心部、中部相對穩(wěn)定，在邊部升高；Δa*、Δb*、ΔE*值在木質(zhì)部心部、中部相對穩(wěn)定，在邊部降低。這表明ΔL*與Δa*、Δb*、ΔE*值負(fù)相關(guān)，與之前的報道相似[29]。紅心杉木質(zhì)部各部位的ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*值均大于糠杉，且Δa*和Δb*值在兩類杉木木質(zhì)部心部和中部的差異達(dá)到極顯著水平。這說明與糠杉相比，紅心杉木質(zhì)部心部和中部顏色顯著偏紅偏黃。

據(jù)本研究結(jié)果推測，與糠杉相比紅心杉樹干徑向生長緩慢的原因可能與紅心杉的管胞腔徑顯著縮小有關(guān)。后續(xù)的研究還需進(jìn)一步探究管胞腔徑對杉木樹干徑向生長及材質(zhì)的影響。如證實影響顯著，管胞腔徑可作為杉木樹干徑向生長與材質(zhì)性狀聯(lián)合選擇的重要考量指標(biāo)。Δa*和Δb*值是兩類杉木樹干木質(zhì)部色差存在顯著差異的主要色差指標(biāo)。在今后以木材天然顏色為做選育性狀的杉木育種工作中，Δa*和Δb*值可作為重要的考量指標(biāo)。