红心杉与糠杉材质材色性状变异分析

李魁鹏，苏丽华，梁 机，谭文婧，韦连尤，蓝 肖，黄开勇

（1.广西林业科学研究院，国家林业和草原局中南速生材繁育实验室，广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002；2.广西大学 林学院，广西 南宁 530004；3.中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西 凭祥 532600；4.国有贝江河林场，广西 融水 545300）

杉木Cunninghamia lanceolata是我国南方特有的常绿针叶乡土树种，也是广西主要造林树种之一，具有速生、材性好、单产高、用途广等特点[1-2]，是良好的建筑、家居用材[3]。广西融水杉木种源是全国优良种源[4-5]，红心杉（油杉）和糠杉是该种源杉木中的两种自然类型。红心杉新叶为黄绿色，老枝叶棕褐色；糠杉新叶为灰绿色，老叶为暗绿色，叶较大[6]。且这两类杉木在染色体核型及生长性状方面存在差异[7-8]。糠杉生长速度快、种植面广；红心杉生长较慢，木材坚硬、更耐腐蚀，材质优良。近年来，围绕杉木材性、红心杉的红心率与木材化学物质等方面的相关研究已陆续开展[9-12]，但究竟是哪些材质材色指标在两类杉木之间存在差异，目前尚未明确。

本课题组前期研究阐述了红心杉材质性状的变化规律[4]。本研究以红心杉和糠杉两种类型杉木为研究对象，比较基本密度、含水率、年轮宽度、晚材率、管胞特征、组织比量、材色等性状在两类杉木树干木质部径向及早晚材中的变化规律，分析性状间的相关性，探究红心杉和糠杉在材质材色性状上存在的主要差异，旨在为杉木材质性状的育种工作提供科学依据和理论基础，具有广阔的应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料来源

运用平均木法，在广西融水四荣乡和白云乡分别选取生长正常且较为一致红心杉和糠杉各10株。用5 mm 直径生长椎，在树干1.3 m 处钻取木芯，每株样木取3 根木芯，分别用于测含水率及基本密度、管胞形态以及色差测定；另外，用直径1 cm 的生长锥钻取1 根木芯，用于年轮宽度、晚材率和组织比量的测定。每株样木钻取4根木芯，共80 根木芯，将每根木芯（从髓心至树皮）平均分为心部（H）、中部（M）和边部（S）三部分，做好标记并保存。

表1 两类杉木林分基本情况Table 1 Stand situation of the two types of Chinese fir

1.2 测定方法

1.2.1 生材含水率、基本密度测定

将每根木芯分为心部、中部和边部，测量生材质量（m生），用排水法测量生材体积（V生），用鼓风干燥机烘至绝干状态后，称量其质量（m干）。根据公式计算ω生=（m生-m干）/m干×100%、ρ基=m干/V生分别计算生材含水率、基本密度，具体方法参照GB1993—2009《木材密度测定方法》和GB1991—2009《木材含水率测定方法》进行。

1.2.2 年轮宽度及晚材率测定

根据国标GB/T1930—2009《木材年轮宽度和晚材率测定方法》，测量心部、中部和边部的年轮总宽度（b）及晚材宽度（Lb），根据公式Rb=b/n，Lω=∑Lb/b×100%，计算年轮平均宽度及晚材率。

1.2.3 管胞形态测定

将每根木芯按心部、中部和边部分成3 段后，再按早晚材切分开。用冰醋酸过氧化氢法进行解离[13]。管胞长度用体视显微镜（体视2）测量，管胞宽度和腔径用尼康80i 显微图像成像系统放大400 倍测量，每个试样测量60 根。计算管胞双壁厚、长宽比、壁腔比和腔径比。

1.2.4 组织比量测定

将木芯用单面单片沿横切面、径切面和弦切面切成约1 cm×1 cm×1 cm 的小正方体。经过水煮软化、切片、染色、脱水、透明、制片、干燥等步骤制作永久切片。选取已制作好的横切面永久切片，用尼康80i 显微图像成像系统，在10×10 倍数下进行观察，利用系统自带的“网格”功能，刻画面积0.5 mm×0.5 mm，10 等分为100 个小方格和121 个交叉点。每个试样分早、晚材各测定30 次，计算相应组织比量[14]。

1.2.5 色差测定

形声字是汉字特有的文字现象，是其他表音文字所不具备的，占据着现代汉字的主体地位。根据康加深(1993)的统计，在7000个现代通用汉字中，属于形声字结构的字有5631个，约占通用字总数的80.5%[1]。就母语是汉语的人而言，日常中使用频率最高的汉字有1000个，其中形声字占58.3%，这说明形声字是现代汉字的主体，留学生可以通过理清形符、声符与汉字音义三者之间的关系，来提高认字的效率。

将采回的木芯置于恒温鼓风干燥机中干燥至绝干状态，设置温度为38℃，干燥12h。置于研钵中加入液氮研磨成粉末，然后装入自制的测色皿中，均匀平铺于底部。用ADCI 系列全自动色差计测定，对仪器进行黑白板校正后，进行样品测定。每类杉木10 个生物学重复，分为心部、中部和边部，共60 个样品，每个样品重复测定3 次，记录样品颜色测定指标L*（明度）、a*（变红度）、b*（变黄度）的平均值[15-16]，样品的指标数值减去标准品的指标数值求出对应的ΔL*、Δa*、Δb*值和总体色差ΔE*值[17]。

1.3 统计及分析方法

用Excel 2010 软件对数据进行整理和数理统计，用SPSS 22.0 软件进行方差分析，方差分析前，含水率、晚材率、组织比量等百分率先进行反正弦转换

2 结果与分析

2.1 基本密度、材色等8 个指标在两类杉木树干木质部径向上的变化规律

在树干径向变异过程中，8 个指标在两类杉木表现出了一致的规律。基本密度、晚材率和ΔL*值等3 个指标由心材至边材转变过程中呈逐渐升高趋势（图1）；年轮宽和ΔE*值则呈逐渐降低的趋势；Δa*值由心材至边材呈先上升后下降趋势；Δb*变化不大；含水率在心部和中部稳定，在边部升高。比较了8 个指标在两类杉木间的差异，结果表明：红心杉各部位的基本密度、含水率、晚材率、ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*值等指标均大于糠杉，年轮宽则表现为糠杉大于红心杉。方差分析结果表明：基本密度在两类杉木的树干中部间差异极显著（P＜0.01），在边部差异显著（P＜0.05）；晚材率在边材差异显著（P＜0.05）；年轮宽在心部和边部差异极显著（P＜0.01）；Δa*值和Δb*值在心部和中部的差异都极显著（P＜0.01）。

图1 基本密度等8 个指标在两类间杉木木质部径向上的变化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 管胞形态等10 个指标在两类杉木早材径向上的变化规律

对两类杉木的早材管胞形态、组织比量进行分析，结果表明：10 个指标在两类杉木早材径向上的变化规律基本一致。管胞长度、宽度、腔径、双壁厚、管胞比量等5 个指标由心材至边材转变过程中呈逐渐升高趋势（表2），木射线比量由心材至边材转变过程中呈逐渐降低趋势，管胞长宽比由心部至边部先升高后降低，管胞壁腔比在心部和中部保持不变，在边部降低。糠杉各部位早材管胞宽度、管胞腔径、管胞双壁厚、木射线比量等4 个指标均大于红心杉，而早材管胞壁腔比、管胞长宽比、管胞腔径比、木射线比量、管胞比量等4 个指标则表现为红心杉大于糠杉。方差分析结果表明：10 个指标在两类杉木间有3 个存在显著差异或极显著差异，其中心部和边部早材管胞宽度、边部早材管胞腔径、中部和边部早材管胞长宽比等指标具有极显著差异（P＜0.01），中部早材管胞长度、心部和中部早材管胞腔径、心部早材管胞长宽比等指标具有显著差异（P＜0.05）。

表2 管胞形态等10 个指标在两类杉木早材径向上的变化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 管胞形态等10 个指标在两类杉木晚材径向上的变化规律

对两类杉木的晚材管胞形态、组织比量进行分析（表3），结果表明，10 个指标在两类杉木晚材径向上的变化规律与早材基本一致，管胞长度、宽度、腔径、双壁厚、管胞比量等5 个指标由心材至边材转变过程中呈逐渐升高趋势，木射线比量、薄壁细胞比量由心材至边材转变过程中呈逐渐降低趋势。糠杉各部位晚材管胞长度、管胞宽度、管胞腔径、管胞双壁厚、管胞腔径比、管胞比量等6 个指标均大于红心杉，而晚材管胞壁腔比、管胞长宽比、木射线比量、薄壁细胞比量等4 个指标则表现为红心杉大于糠杉。方差分析结果表明，10 个指标在两类杉木中有5 个存在显著差异或极显著差异，其中，各部位晚材管胞宽度、管胞腔径以及边部晚材长宽比等指标具有极显著差异（P＜0.01），中部晚材长宽比、中部和边部晚材管胞壁腔比、腔径比等指标具有显著差异（P＜0.05）。

表3 管胞形态等10 个指标在两类杉木晚材径向上的变化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 杉木材质相关性分析

对在红心杉与糠杉间具有极显著差异的16 个指标进行指标间相关性分析。结果表明，其中5对表型显著相关，3 对表型极显著相关(表4)。边部早材管胞宽度与边部早材管胞腔径、心部平均年轮宽度呈极显著正相关（P＜0.01），与边部早材管胞长宽比呈显著负相关（P＜0.05）；中部晚材管胞宽度与心部早材管胞宽度呈显著正相关，与中部晚材管胞腔径呈极显著正相关；心部早材管胞宽度与中部晚材管胞腔径呈显著正相关；心部晚材管胞宽度与边部晚材管胞长宽比呈显著负相关；边部早材管胞腔径与边部早材管胞长宽比呈显著负相关。

表4 两类杉木显著差异性状间的相关性†Table 4 Correlations of signifciantly different traits between the two types of Chinese fri

2.5 心部Δa*、心部年轮宽等16 个指标的主成分分析

选择管胞宽度（心部早材、心部晚材、中部晚材、边部早材）、管胞长宽比（中部早材、边部早材、边部晚材）、Δa*（心部、中部）、Δb*（心部、中部）、管胞内径（中部晚材、边部早材）、年轮宽（心部、边部）、基本密度（中部）等在红心杉和糠杉间极显著差异的16 个指标进行主成分分析。结果表明，第1 主成分贡献率为53.36%，第2 主成分贡献率为12.52%，前两个主成分的累积贡献率达到65.88%（图2）。第1 主成分中，边部早材管胞长宽比（0.275）、边部晚材管胞长宽比（0.253）、心部Δb*（0.244）的正向贡献最大（表5）；心部年轮宽（-0.297）、心部晚材管胞宽（-0.291）、心部早材管胞宽（-0.282）的反向贡献最大。第2主成分中，中部基本密度（0.372）、心部早材管胞宽度（0.318）、边部早材管胞宽度（0.287）的正向贡献最大；中部Δa*（-0.386）、边部年轮宽（-0.358）、心部Δa*（-0.347）的反向贡献最大。通过前两个主成分得分进行的聚类，区分出了红心杉和糠杉个体。

表5 各性状主成分分析Table 5 Principal component analysis of different traits

图2 基于心部Δa*值等16 个指标的因子载荷分布Fig.2 Distribution map of factor loading based on 16 indexes including Δa＊ value of H part

3 结论与讨论

红心杉树干木质部各部位的基本密度、晚材率均大于糠杉，年轮宽则相反。年轮宽在两类杉木木质部心部差异显著；基本密度中部差异极显著；基本密度、晚材率、年轮宽在边部差异显著。红心杉树干边部平均基本密度达到0.44 g/cm3，与湖南铁心杉基本密度相当[18]。木材基本密度与木材物理力学性状直接相关的材性指标，年轮宽度反应生长速度，而晚材率越大，材质致密性越好[19-20]。推测红心杉木材物理力学性状优于糠杉。

主成分分析采用降维的方式，将关联性强的变量组合了新的变量，从而使新变量间两两不相关。通过引入新的少数几个综合变量反映原来多个变量带来的复杂数据信息[21]。本研究2 个主成分的累积贡献率为65.88%，降低了原来16 个指标变量带来的复杂性，成功将红心杉和糠杉进行了区分。对主成分贡献最大的12 指标中，管胞有关指标6 个，色差指标3 个，年轮指标2，基本密度指标1 个。管胞形态及木材色差是红心杉和糠杉差异最大的两个性状。

杉木主要由薄壁细胞、管胞及木射线组织构成，管胞是主要的组织类型[22]。20年生的红心杉中，管胞比量为85%左右[4]。两类杉木管胞长度径向上由髓心向外呈逐渐增加的趋势，径向变异属于Panshin Ⅱ[23]。管胞形态与木材力学性质显著相关，壁腔比对材性的影响最大，决定木材的质量、密度和强度[24-25]。本研究结果表明，杉木早晚材管胞宽度存在显著相关，且边部早材管胞宽度与心部平均年轮宽度显著相关，这说明管胞宽度在杉木早晚材及树干径向变化中相关性较高。对主成分贡献最大的指标中，管胞宽的指标有4 个，为对两个主成分贡献最最多的指标，但管胞长和双壁厚在红心杉和糠杉间的差异都不显著，这说明管胞腔径是红心杉和糠杉间管胞形态差异的主要因素。

木材的天然颜色已成为确定木材品质最重要的指标之一[26]，受到木材中的代谢物成分与含量影响显著[27-28]。本研究中，ΔL*值在红心杉、糠杉在木质部心部、中部相对稳定，在边部升高；Δa*、Δb*、ΔE*值在木质部心部、中部相对稳定，在边部降低。这表明ΔL*与Δa*、Δb*、ΔE*值负相关，与之前的报道相似[29]。红心杉木质部各部位的ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*值均大于糠杉，且Δa*和Δb*值在两类杉木木质部心部和中部的差异达到极显著水平。这说明与糠杉相比，红心杉木质部心部和中部颜色显著偏红偏黄。

据本研究结果推测，与糠杉相比红心杉树干径向生长缓慢的原因可能与红心杉的管胞腔径显著缩小有关。后续的研究还需进一步探究管胞腔径对杉木树干径向生长及材质的影响。如证实影响显著，管胞腔径可作为杉木树干径向生长与材质性状联合选择的重要考量指标。Δa*和Δb*值是两类杉木树干木质部色差存在显著差异的主要色差指标。在今后以木材天然颜色为做选育性状的杉木育种工作中，Δa*和Δb*值可作为重要的考量指标。