二倍体及其同源四倍体泡桐木材特性的变异分析和评价

赵振利，王晓丹，范国强

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

泡桐(Paulownia)是中国重要的速生用材、园林绿化和农田防护林树种，具有栽培历史悠久、适生范围大、用途广泛等优点，在缓解中国木材短缺、保障粮食安全和改善生态环境等方面发挥了重要作用[1]。但在实际生产中，泡桐存在丛枝病发生严重和低干大冠等问题，造成泡桐人工林的产量和质量整体不高，严重影响了泡桐产业的健康发展。多倍体植物由于体内基因剂量的增加，导致植物在形态、生理、生化等方面较二倍体有很大的变化，表现为株形变大、叶片增大增厚、光合酶数量增多、净同化率增大、生物量和抗逆性提高[2-4]。因此，科研工作者认为培育多倍体植物新品种是促进品种更新换代和解决品种抗逆性低等问题的重要途径，目前已有性状优良的多倍体植物新品种在生产中推广应用[5-7]。作者通过化学试剂诱变结合常规育种程序，历经十余年研究，培育出了四倍体南方泡桐、四倍体毛泡桐和四倍体豫杂一号泡桐等四倍体泡桐新品种，生长试验表明其具有根系发达、丛枝病发生率低、光合速率增大、抗逆性增强等特性[8-12]。泡桐产业发展要求泡桐不仅要具备良好的集约栽培品质，还要求其木材性能优良、产量高，适用于木材工业化生产与大规模加工利用，从而满足国民经济对优质木材日益增长的需求。四倍体泡桐相比二倍体泡桐具有明显的优良特性，但目前研究主要集中在生长发育规律、光合特性、解剖结构、苗木繁育和造林技术方面[11，13]，其作为生产木材这一最重要的特性及用途方面缺乏相关的系统研究。本研究以不同二四倍体泡桐为研究对象，分析其木材纤维形态、干缩率、基本密度、物理力学性能和化学成分等方面的变异情况，通过比较对不同二四倍体泡桐品种的品质作出评价，以期为泡桐良种选育、推广栽培和木材加工利用等方面提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及处理

试验材料为种植于河南省许昌县桂村乡泡桐苗木基地的河南农业大学自主培育的四倍体南方泡桐(tetraploidPaulowniaaustralia，PA4)、四倍体毛泡桐(tetraploidPaulowniatomentosa，PT4)、四倍体豫杂一号泡桐(tetraploidPaulowniatomentosa×Paulowniafortunei，PTF4)和对应二倍体南方泡桐(Paulowniaaustralia，PA2)、二倍体毛泡桐(Paulowniatomentosa，PT2)、二倍体豫杂一号泡桐(Paulowniatomentosa×Paulowniafortunei，PTF2)的6年生泡桐试验林，依据生长势好、无病虫害等标准，在试验林中各选取与PA4、PT4、PTF4、PA2、PT2、PTF2的平均胸径、平均树高和平均材积接近并干形圆满通直的3棵作为标准木并标号树干，伐后参照刘艳萍等[14]方法分别截取树高0，0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 m处厚5 cm的树干圆盘，按顺序编号后带回实验室备用。

1.2 泡桐木材纤维特性测定

取泡桐树干圆盘自髓心沿北向，每一生长轮按早晚材各劈成火柴棍大小的试样。纤维离析方法采用富兰克林离析法[15]，将试样按蒸煮法排除空气，随后加入体积比为1∶1 的冰醋酸和双氧水离析液，再将试管进行水浴加热直至木芯发白变软，待试管冷却后将离析液倒掉，并水洗5 次以上至样品无异味，再用番红溶液染色并制成临时切片，在光学显微镜(BX63，日本奥林巴斯公司)下用ToupView3.7系统测量纤维的长度、宽度。随机选取30根纤维为样本单位，取其平均值统计纤维长度、宽度和长宽比。

1.3 泡桐木材干缩率、基本密度和白度测定

泡桐木材干缩率(弦向、径向、体积)和木材基本密度分别参照国家标准GB/T 1932—2009《木材干缩性测定方法》和GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》进行，每组样品测3次，结果取其平均值。木材白度参照茹广欣等[16]的方法，剥掉原木表皮后用手锯在所取圆盘上、中、下部各3块厚约2～3 cm的木墩，放置气干后切成小薄木片并充分混合，均匀选取1 000 g木片样品，室温条件下风干后置入粉碎机中制成细末，取能通过50目筛的细末，采用CR-400/410色差计进行测定，每组样品测3次，取其平均值。

1.4 泡桐木材力学性能测定

泡桐树干圆盘按照国家标准GB/T 1929—2009《木材物理力学试件锯解及试样截取方法》进行试材采集，按国家标准GB/T 1928—2009《木材物理力学试验方法总则》进行试材制作检查、试材含水率的调整等。木材顺纹抗拉强度、木材顺纹抗压强度、木材抗弯强度、木材抗弯弹性模量和木材硬度的测定分别按照国家标准GB/T 1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》、GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度试验方法》进行，每组样品测3次，取其平均值。

1.5 泡桐木材化学成分测定

泡桐木材化学成分测定试材按照国家标准GB/T 2677.1—1993《造纸原料分析用试样的采取》进行制备。水抽提物、1%NaOH抽出物、苯-醇抽出物、纤维素、木质素、综纤维素的测定分别按照国家标准GB/T 2677.4—1993《造纸原料水抽出物含量的测定》、GB/T 2677.5—1993《造纸原料1%氢氧化钠抽出物含量的测定》、GB/T 2677.6—1994《造纸原料有机溶剂抽出物含量的测定》、GB/T 744—2004《纸浆抗碱性的测定》、GB/T 2677.8—1994《造纸原料酸不溶木素含量的测定》、GB/T 2677.10—1995《造纸原料综纤维素含量的测定》进行，每组样品测3次，取其平均值。

1.6 数据处理

试验数据采用Graphpad prism 5和SPSS 17.0统计分析软件处理分析。

2 结果与分析

2.1 二倍体及四倍体泡桐木材纤维形态变异

2.1.1 泡桐木材纤维长度的变异 泡桐木材纤维长度测定结果表明，3种泡桐木材的纤维长度均随树高增长呈现先升高后降低的变化趋势，但不同树种的变化幅度有差异(图1)。从图1可以看出，PA4和PA2的纤维长度变化范围分别为828.55～914.45 μm和835.48～874.70 μm，平均值分别为865.08 μm和852.95 μm；PT4和PT2的纤维长度变化范围分别为936.88～1 103.65 μm和778.91～1 047.45 μm，平均值分别为1 038.73 μm和922.14 μm；PTF4和PTF2的纤维长度变化范围分别为1 000.36～1 127.61 μm和948.18～1 090.32 μm，平均值分别为1 079.34 μm和1 029.61 μm。研究结果表明，在同一树高位置，四倍体泡桐的纤维长度均大于对应二倍体泡桐，表明加倍后泡桐的纤维长度明显提高，其中PTF4的平均纤维长度最长达到1 079.34 μm。

图1 泡桐木材纤维长度的变异Fig.1 Variation of wood fiber length of Paulownia

2.1.2 泡桐木材纤维宽度的变异 泡桐木材纤维宽度的变异结果显示，3种泡桐木材的纤维宽度随树高增长也都呈现出先升高后降低的趋势，但不同树种的变化幅度不同(图2)。其中，PA4和PA2的纤维宽度变化范围分别为29.48～34.21 μm和30.59～34.66 μm，平均值分别为25.84 μm和27.03 μm；PT4和PT2的纤维宽度变化范围分别为30.52～38.64 μm和31.18～44.16 μm，平均值分别为36.54 μm和39.84 μm；PTF4和PTF2的纤维宽度变化范围分别为37.32～45.64 μm和44.04～50.12 μm，平均值分别为42.42 μm和45.75 μm。研究结果表明，在同一树高处，四倍体泡桐的纤维宽度小于对应二倍体泡桐，显示在加倍过程中泡桐木材纤维的宽度呈现下降情况，其中，PA4的纤维宽度平均值最小为31.96 μm。

图2 泡桐木材纤维宽度的变异Fig.2 Variation of wood fiber width of Paulownia

2.1.3 泡桐木材纤维长宽比的变异 泡桐木材纤维长宽比的变异结果显示，3种泡桐木材的纤维长宽比随树高增长都呈现出先升高后降低的趋势，但不同树种的变化幅度不一致(图3)。从图3可以看出，PA4、PA2的纤维长宽比值变化范围分别为24.22～29.67、24.11～27.94，平均值分别为27.03、25.91；PT4、PT2的纤维长宽比变化范围分别为24.79～35.00、17.83～27.71，平均值分别为28.66、23.75；PTF4、PTF2的纤维长宽比变化范围分别为23.32～26.65、21.53～26.91，平均值分别为25.59、22.61。研究结果表明，在同一树高处，四倍体泡桐的平均纤维长宽比均大于对应二倍体泡桐，其中PT4纤维长宽比平均值最大为28.66，说明在3种四倍体泡桐中四倍体毛泡桐更适用于纸浆造纸。

图3 泡桐木材纤维长宽比的变异Fig.3 Variation wood fiber length-width of Paulownia

2.2 二倍体及四倍体泡桐木材干缩率、基本密度和白度的变异

2.2.1 泡桐木材干缩率的变异 木材干缩率是影响木材稳定性的重要物理特性之一。研究结果表明，二倍体泡桐加倍后其木材干缩率(弦向、纵向、体积)均出现减小的情况(表1)。从表1可以看出，二倍体泡桐和四倍体泡桐的6个种中，弦向干缩率变化范围为3.58%～4.34%，变化幅度最小的是PTF4，变化幅度最大的是PA2；径向干缩率变化范围为1.69%～2.55%，变化幅度最小的是PTF4，变化幅度最大的是PA2；体积干缩率变化范围为2.64%～3.12%，变化幅度最小的是PTF4，变化幅度最大的是PA2。此外，与PA2、PT2和PTF2相比，对应PA4、PT4和PTF4的弦向干缩率、径向干缩率和体积干缩率均降低，其中弦向干缩率降低比率分别是8.76%、2.15%和4.53%，径向干缩率降低比率分别是23.92%、8.85%和7.65%，体积干缩率降低比率分别是10.90%、11.30%和5.38%。差异显著性分析结果表明各指标在二四倍体泡桐间存在显著性差异。

表1 泡桐木材干缩率、基本密度和白度的变异Table 1 Variation of wood dry shrinkage,basic density,white degree of Paulownia

2.2.2 泡桐木材基本密度和白度的变异 泡桐木材的基本密度和白度是木材主要的内在指标，影响到木材的强度和质量。试验结果显示，四倍体泡桐与其对应二倍体泡桐相比，基本密度和白度都明显提高(表1)。其中，基本密度变化范围为0.20～0.23 g·cm-3，密度最小的是PT2，密度最大的是PTF4；白度变化范围为38.44～42.61，白度最小的是PT2，白度最大的是PTF4。与PA2、PT2和PTF2相比，对应PA4、PT4和PTF4的基本密度和白度均升高，其中基本密度升高比率分别是1.50%、10.13%和52.94%，白度升高比率分别是4.96%、1.86%和3.64%。差异显著性分析结果显示基本密度和白度在二四倍体泡桐间存在显著性差异。

2.3 二倍体及四倍体泡桐木材力学性能的变异

研究结果表明，PA2、PT2和PTF2经染色体加倍变成PA4、PT4和PTF4后其顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度等力学性能均明显提升(表2)。其中，PA2和PA4的顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度分别为46.35 MPa和49.98 MPa、22.24 MPa和22.63 MPa、38.72 MPa和40.05 MPa、3 675.38 MPa和4 087.27 MPa、1 989.21 N和2 045.36 N，PT2和PT4的顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度分别为51.08 MPa和53.23 MPa、22.09 MPa和23.67 MPa、40.65 MPa和43.24 MPa、4 158.46 MPa和4 367.54 MPa、2 187.63 N和2 345.12 N，PTF2和PTF4则是50.87 MPa和54.32 MPa、22.37 MPa和24.35 MPa、42.13 MPa和46.38 MPa、4 326.15 MPa和4 509.21 MPa、2 087.25 N和2 213.43 N。研究结果显示，二倍体与四倍体力学性能指标间均存在显著性差异，四倍体泡桐相比于二倍体泡桐平均顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度分别提升5.90%、5.63%、6.16%、64.54%和35.83%。

表2 泡桐木材力学性能的变异Table 2 Variation of wood mechanical property of Paulownia

2.4 二倍体及四倍体泡桐木材化学成分的变异

泡桐木材化学成分变异研究结果表明，四倍体泡桐经由二倍体泡桐加倍后其抽出物(冷水抽提、热水抽提、1%NaOH抽提、苯-醇抽提)和木质素含量减少，纤维素和综纤维素含量升高(表3)。冷水抽提物含量最高的是PT2(9.28%)，最低为PA4(7.17%)；热水抽提物含量最高和最低分别是PT2和PA4，其值分别为11.03%和9.37%；1%NaOH抽提物含量最高的是PTF2(23.55%)，最低是PA4(18.52%)；苯-醇抽提物含量最高的是PTF2(8.56%)，最低是PA4(7.04%)；木质素含量从最高值22.13%(PTF2)降低到最小值18.00%(PT4)；纤维素含量最高的是PA4(53.81%)，最低的是PT2(46.03%)；综纤维素含量最高和最低分别是PT4(87.86%)和PT2(85.60%)；相比于二倍体泡桐，四倍体泡桐的冷水抽提物、热水抽提物、1% NaOH抽提物和苯-醇抽提物的平均含量分别降低16.95%、6.23%、5.28%和6.44%，木质素平均含量降低7.72%，纤维素和综纤维素的平均含量分别提高5.17%和1.64%，差异显著性分析结果表明，二倍体与四倍体泡桐间化学成分指标均存在显著性差异。研究结果发现，在本研究泡桐树种中PA4木材的冷水抽提物、热水抽提物、1% NaOH抽提物和苯-醇抽提物含量均为最低，纤维素含量最高，综纤维素含量次之，综合说明PA4的木材是良好的造纸原料，并且在降低纸张造纸成本和符合环保要求方面具有明显优势。

表3 泡桐木材化学成分的变异 Table 3 Variation of wood chemical composition of Paulownia

3 结论与讨论

3.1 泡桐木材纤维形态变异分析

纸浆用材对木材纤维形态性状有较高的要求，而纤维长度和纤维长宽比是衡量造纸原料质量优劣的重要指标。造纸原料用材木材纤维长度越长、长宽比越大，其撕裂性和强固性较好，造纸打浆时则有较大的结合面积，制成纸张的撕裂度、抗拉强度、耐破度和耐折度等特性也越强[17-20]。本研究结果表明，3种四倍体泡桐品种的纤维长度和纤维长宽比均大于对应二倍体，而纤维宽度减小，表明四倍体泡桐在造纸方面的价值总体要大于二倍体泡桐，这与翟晓巧等[21]和王晓丹等[22]对四倍体泡桐的研究结果一致。其中，PTF4的纤维长度最长达到1 090.32 μm，PT4纤维长宽比最大值为35.00，说明3个四倍体泡桐中PTF4和PT4更适宜用作造纸原料。

3.2 泡桐木材干缩性、基本密度和白度变异分析

木材干缩性主要是木材内的水分在空气中逐步蒸发所致，由于木材各方向干缩率的不同导致所产生的内应力不同，容易造成木材及其制品出现开裂和翘曲变形等问题，从而影响木材及其制品的使用[23-24]。木材干缩率越小则木材各个纹理方向收缩相对均匀，木材越不易变形，利用价值越高[25]。本研究结果表明，PA4、PT4和PTF4的弦向干缩率、径向干缩率和体积干缩率与对应PA2、PT2和PTF2相比均减小，说明3个四倍体泡桐木材的稳定性优于二倍体泡桐。在四倍体泡桐中，PTF4的弦向干缩率、径向干缩率和体积干缩率变化幅度最小，说明PTF4更适合于家具、板材等制品的开发使用。木材基本密度和白度是林木品质的重要指标之一，木材基本密度的大小直接影响到木材物理力学性质和木材加工质量，其大小及变异程度是木材定向培育和性状改良的主要依据与理论基础[26]。本研究发现，PA4、PT4和PTF4的与其对应二倍体泡桐相比，基本密度和白度都明显提高，说明3个四倍体泡桐的木材品质均较其二倍体更优良，其中PTF4的木材基本密度和白度最大，显示PTF4有更大的利用价值。

3.3 泡桐木材力学性能和化学性质变异分析

木材顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度是木材力学性质最重要的指标，可度量木材抵抗外力的能力，是结构用材合理利用的重要依据[23，27]。其中，木材顺纹抗压强度和抗弯强度是对建筑物的木桥、桩木、承重地板、屋架等弯曲构件选材时首先考虑的重要指标[26]。本研究发现，二四倍体泡桐木材力学性能存在显著性差异，四倍体泡桐相比于二倍体泡桐平均顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度均明显提升，二倍体泡桐树种中PA2木材的顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量均为最小值，说明其木材的力学性能比较差；而PTF4木材除硬度排在第二外，其顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量均为最大值，表明PTF4木材的力学性能最好。综纤维素是指植物纤维原料在除去木质素后所保留的全部半纤维素及纤维素的总量[28]。良好的造纸用纤维原料要求含纤维素高、木质素含量少、抽提物含量少，且综纤维素含量越高，则此木材纤维之间容易交织，成浆率越高，质量越好[29-30]。本研究对不同二四倍体泡桐木材的化学成分试验结果表明，PA4、PT4和PTF4木材的抽提物、木质素含量小于其二倍体，纤维素、综纤维素含量大于其二倍体，表明四倍体泡桐较其二倍体更适宜作为造纸原料。

综上所述，四倍体南方泡桐、四倍体毛泡桐、四倍体豫杂一号泡桐木材的纤维形态、干缩率、基本密度、白度、力学性能和化学成分等方面的特性均优于对应的二倍体泡桐，表明四倍体泡桐在品种推广、木材加工、造纸等方面具有更大的利用价值。四倍体豫杂一号泡桐以其卓越的木材特性可作为主要品种在生产上进行大面积推广应用。