水曲柳研究进展

2022-12-05杨雨春陆志民董广志史婉玲

中国农学通报 2022年29期

孙彬，王芳，杨雨春，王君，陆志民，董广志，史婉玲

（1吉林农业大学，长春 130000；2吉林省林业科学研究院，长春 130000；3吉林省三岔子林业局，吉林白山 134300）

0 引言

水曲柳(Fraxinus mandshuricaRupr.)属木犀科(Oleaceae)梣属(Fraxinus)植物，高大落叶乔木，树高可达30 m，胸径可达1 m，是中国东北地区主要造林树种之一，与胡桃楸、黄菠萝并称为“东北三大硬阔”[1]。水曲柳主要分布于中国的东北、华北、陕西、甘肃、湖北等省，朝鲜半岛北部、俄罗斯远东以及日本北部也有分布[2-3]。水曲柳树干端直，材质坚硬致密，纹理美观，可用于建筑、家具、飞机、造船、运动器材及土木工程等，是重要的用材树种，同时由于其树形优美，高大挺拔，树干通直度好，适应性强，也是优良的绿化和观赏树种[4]。水曲柳树皮可入药，对治疗结核、外伤等疗效显著；其乙醇提取物可消炎、镇痛；提取的香豆素成分，对病虫害防治具有一定作用[5-6]，水曲柳种子或其裂环烯醚萜苷类化合物可用于肥胖管理的膳食补充剂[7]。此外，水曲柳可与多种针阔叶树种组成混交林，提高整个林分调节气候、涵养水源、保持水土等生态功能[8]。在中国，水曲柳的分布范围较广，但由于破坏严重，加之市场需求量大，资源已变得匮乏，现已被列为国家三级保护树种。长期以来，有关水曲柳的研究较多，本文拟对水曲柳生理学、生态学、遗传改良和繁育技术等方面的研究成果进行综述，并对下一步的研究方向做出展望，以期为后续的相关研究提供参考

1 水曲柳生理学研究

水曲柳的生理学研究主要表现在水曲柳的生理活动（叶片质膜透性、丙二醛含量、光合作用等）随生长环境中的物理化学因子变化而变化的现象。

王红梅等[9]利用不同质量分数的Ca2+处理低温胁迫下的水曲柳幼苗，发现水曲柳叶片的质膜透性降低，丙二醛含量减少，可溶性糖和游离脯氨酸含量增加，说明外源施加Ca2+可以减轻低温胁迫对水曲柳的伤害，增加水曲柳对低温胁迫的适应性。任城帅等[10]对水曲柳幼苗施加不同浓度钙，发现幼苗生长、光合参数、叶绿素荧光参数、水分利用率和叶片钙含量发生显著变化(P＜0.05)；随着外源钙浓度的增加，水曲柳生长、光合特性和水分利用率均呈现出先升高后下降的趋势，200 mg/kg的钙浓度为最适浓度，此浓度下各指标达到最大值；水曲柳叶片中的钙含量随着营养液中钙浓度的升高而增加。高浓度的CO2可以提高水曲柳幼苗的净光合速率和水分利用效率，增强水曲柳幼苗的光合能力，促进水曲柳幼苗叶片中淀粉的积累[11-13]。

合理施肥可以促进水曲柳生长以及开花结实[14]，水曲柳生长所需要的N源主要来源于NO3--N[15]，氮磷配施促进水曲柳的生长效果显著优于单施氮肥和磷肥[16]。魏丽娜[17]分析了氮磷施肥对水曲柳光合指标以及各器官中非结构性碳水化合物（可溶性糖、淀粉）的浓度和分配情况，结果表明氮磷施肥可以提高叶片的净光合速率，进而促进叶片中可溶性糖和淀粉浓度的增加，树干、枝条、粗根和中根中总的非结构性碳水化合物浓度增加，细根中淀粉和总非结构性碳水化合物浓度降低。氮(N)胁迫下，水曲柳幼苗净N吸收速率和净磷(P)吸收速率均减少，净同化速率下降，从而导致生物总量下降；幼苗生长前期，N胁迫导致水曲柳幼苗根/茎比显著大于N充足或过量时的根/茎比，生长后期，根/茎比差别不显著[18]。磷(P)胁迫下，水曲柳幼苗叶片中的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量没有显著变化，但其潜在光合速率降低，这主要是由于P胁迫降低了叶片中的总氮含量和可溶性蛋白含量导致的；P胁迫导致水曲柳幼苗的总生物量下降，且生物量倾向于地下部分，P充足或过剩的条件下，生物量主要分布于地上部分[19]。水曲柳混交林对土壤养分利用效率较纯林高，即混交使林木根际N、P养分的比例更加均衡合理，促进了养分的吸收和循环，改善根际土壤的酸度，促进林木生长[20]。

土壤水势对水曲柳幼苗光合效率有显著影响，在不同的土壤水势下，水曲柳幼苗的净光合速率均在早晨达到最高峰，即使在水分供应充足的条件下，净光合速率也是在早晨最大，随后降低，这主要是由林外强烈的大气因子（如高温、强光和低大气湿度）导致的[21]。土壤水分与水曲柳幼苗根系的吸水速率是非等效的，当土壤水分在亚饱和状态时，水曲柳幼苗的细根水势最高，土壤中水分进入细根时的阻力最小，根系吸水速率最高；当土壤水分与田间持水量相等或在田间持水量状态以下(＜40 kPa)时，水曲柳幼苗受到的水分胁迫显著[22]。

吴楚和王政权[23-24]研究发现，水曲柳幼苗在冷胁迫处理下，外源水杨酸抑制了超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性，提高了过氧化氢酶、过氧化物酶和多酚氧化酶的活性；花生植物凝素能在冰冻条件下增加水曲柳叶片中叶绿体外膜的流动性，从而降低冰冻胁迫。赤霉素处理及对照均可促进水曲柳幼苗茎负向重性，赤霉素合成抑制剂(Uni.P)处理则抑制水曲柳幼苗茎负向重性，同时抑制了茎上侧木材的形成[25]。

2 水曲柳生态学研究

水曲柳与落叶松混交是东北东部山地天然次生林中非常常见的混交模式，从20世纪90年代开始，林业工作者就对二者混交生物量、土壤理化性质、林分抗性等方面进行大量研究[26-28]。水曲柳与落叶松的混交林中，水曲柳根系向落叶松带伸展，落叶松根系受到抑制，但垂直分布更加均匀；混栽的水曲柳地上与地下部分的生物量均高于纯栽，水曲柳地下/地上的值约是落叶松的2倍，这是混交林中水曲柳增产高于落叶松的原因[29]。冯玉龙等[30]认为水曲柳与落叶松混交林的增产机制与其林内生态条件的改善有关，如混交林内气温降低，湿度升高。水曲柳与落叶松混栽使水曲柳细根与粗根生物量分别比纯栽增加47%和46%，叶和茎生物量分别增加30%和48%，改变了水曲柳地下与地上部分比例[31]，水曲柳地下根系的竞争在水曲柳苗木总竞争中占重要地位[32]。水曲柳与落叶松混交林生态系统碳储量分别大于水曲柳纯林和落叶松纯林，二者的混交林适于营造碳汇林[33]。

不同立地因子对水曲柳生长有显著影响，邵彬[34]以东北林业大学帽儿山林场老爷岭地区的水曲柳天然次生林为研究对象，发现影响水曲柳生长的主要生态因子是坡向、土壤质地和坡度，半阳坡、中壤土、缓坡(6°～14°)、中坡位的水曲柳生长最好。马建路等[35]发现影响水曲柳生长的立地因子依次为坡度、坡向、土层A厚度，土壤总厚度和坡位，较缓的半阴半阳坡的下坡位最适于水曲柳生长。梁淑娟等[36]也认为水曲柳在土壤温度较低、含水率较高的下坡位生长较好。SU和LIN[37]研究发现，水曲柳人工林生长依次受到土壤湿度、坡度和坡位等立地因子的影响，山地中上腹是最适于水曲柳生长的地点，限制水曲柳人工林生长的主要因素是土壤湿度和地形引起的逆温。而范志强等[38]的研究发现，影响水曲柳人工林生长的最主要立地因子为坡位，接下来依次为土壤A层厚、坡向和坡度，养分不是限制水曲柳生长的主要因子。

不同的间伐强度显著影响水曲柳木材材质，重度间伐的水曲柳林分木材材质最优，轻度间伐林分居中，未间伐林分木材材质较差，因此，可以采取间伐的方式对水曲柳林分进行定向培育；间伐强度同时也显著影响水曲柳林木生长轮宽度、晚材率、生长轮密度和木材硬度[39]。对中龄的水曲柳天然林采用较大的抚育间伐强度可以促进林木生长，改善林下植被组成，促进经济及生态效益[40]。在中度或重度间伐强度下，水曲柳径向生长与气候因子的关系保持一致，且随着间伐强度的降低，水曲柳对气候敏感度增强，对上年生长季温度、上年冬季温度和降水量均呈现显著相关(P<0.05)关系[41]。水曲柳阔叶混交林中冠层的光分布对水曲柳幼苗期的天然更新有显著影响，当郁闭度小于0.66时，由于散射光分布较多，更有利于水曲柳幼苗的生长与天然更新[42]。

3 水曲柳遗传改良方面研究

水曲柳遗传改良方面的研究主要集中在种源试验、种子园建设、优良家系、优良无性系及优良个体选择上。

种源试验是林木遗传改良的方法之一，通过种源试验可为不同地区确定造林用的适宜种源。水曲柳的种源试验始于1985年，东北林业大学在黑龙江省东北林业大学帽儿山实验林场设置试验点，其中包括8个黑龙江省种源和2个吉林省种源，后期对9年生水曲柳幼苗进行调查分析，发现不同种源之间的生长存在显著差异，据此初步筛选出了优良种源[43]。随后，1987年吉林省林科所在全省范围内进行水曲柳采种，依据水曲柳自然分布区内经纬度及气候区等因子综合确定16个采种点，1988年对种子进行隔冬埋藏处理，1989年播种，1990年采用随机区组试验设计对1年生幼苗进行造林，10次重复，12株小区，1993年对4年生水曲柳幼苗的树高、年高生长量、地径等生长性状进行方差分析和多性状综合评定，最后初步确定大海林、通化种源为吉林地区的优良种源，二者树高、地径的遗传增益分别是24.33%、19.8%和22.85%、18.7%[44]。王继刚[43]参考水曲柳分布区的特点，确定了20个采种点，根据此20个种源的生长性状、种子性状和生理指标等为研究对象，利用相关分析、回归分析等多种统计分析方法，确定了水曲柳种子性状、苗木根系和树高生长等主要性状的地理变异模式呈经、纬双向渐变；20个种源可以划分为4个种源区：小兴安岭种源区、完达山脉种源区、张广才岭种源区和长白山种源区；为帽儿山、带岭、和露水河试验点分别筛选出了最佳种源，帽儿山试验点适宜采用友好和五常种源，带岭试验点适宜采用沾河和汤旺河种源，露水河试验点适宜采用桦南和辉南种源。王继志等[45]对东北地区水曲柳自然分布区的17个种源的5个种子性状、7个幼林性状和7个气候因子进行分析研究，揭示了水曲柳的地理变异的基本模式为纬、经向变异类型；利用选择指数法确定了辉南和大海林种源可在吉林省中东部生态区推广；利用环境指数法确定了辉南和大海林种源为高产稳定型种源；利用主成分分析法，综合水曲柳的生长性状、形态特征、山脉、河流等，将水曲柳划分成3个种源区（长白山种源区、小兴安岭种源区、三江平原种源区）和2个种源亚区（南长白山种源区、北长白山种源区）。朱航勇[46]对3个试验点、20个种源的10年生水曲柳林木的光合特性、生长性状和材性进行调查分析，结果发现桦南、沾河、五常3个种源生长快且稳定性较好，环境适应能力强，适合东北地区栽培。赵兴堂等[47]的研究选出了分别适生于帽儿山、带领、露水河3个试验地及毗邻地区生产力较高的种源，并通过稳定性分析，确定了友好、临江、西丰、带岭、汪清和汤旺河共6个种源具有平均稳定性。

除了进行种源试验，选择优良种源，中国林业工作者还进行了水曲柳种子园建设、优良家系、优良无性系及优良单株选择研究。水曲柳种子园建设的前提是天然林选优，王永范等[48]采用胸径外径7 cm年轮数选优法，方法简便，效果显著，即在整个选优范围内随机选择50株以上水曲柳林木，钻取树干北面胸径外径7 cm树芯，计算平均值，平均值减去1倍标准差确定为选优标准。水曲柳无性系初级种子园营建过程中，株行距最好为(4～8)m×(4～8)m，具体栽植密度根据立地条件和种子园类型确定；无性系配置应避免自交和近交，同一无性系植株之间，应间隔3株以上或大于16 m[49]。种子园内雌雄比例6：1是较为科学和理想的无性系配置方式，此比例下种子产量最大[50]。营建水曲柳无性系种子园采用的嫁接方法主要是劈接法，嫁接时间于早春砧木萌动时（4—5月），嫁接后及时剪掉砧木的全部侧枝，嫁接35天左右，新梢抽出5～15 cm时及时解绑[49]。种子园建成后，子代测定关系到种子园的高世代发展和种子质量。栾柯权[51]以吉林省三岔子林业局水曲柳种子园内的亲本及其子代为材料，调查亲本的生长性状、木材性状、抗寒性、种实性状及子代多年生的生长性状，最终分别选出24个生长性状优良的无性系，5个木材性状优良的无性系，18个抗寒性状优良的无性系和3个种实性状优良的无性系，在子代中选出8个生长性状优良的家系，该结果可促进水曲柳良种的推广利用，同时为种子园的升级换代提供基础。郭睿达等[52]对黑龙江省伊春市带岭区试验点的53个家系9年生水曲柳进行子代测定，分别选出10个生长性状优良和10个生物量性状优良的家系，同时进一步选出9个生长性状和生物量性状均优良的家系。陈晓波等[53]对吉林省吉林市永吉县西阳镇的水曲柳无性系种子园的生长性状进行测定分析，初步筛选出134#、146#和121#共3个优良单株，并发现水曲柳速生期在5月中旬—6月下旬。

4 水曲柳繁育技术研究

水曲柳繁育技术主要包括播种育苗技术和无性繁殖技术，无性繁殖包括扦插、嫁接与组织培养。

4.1 播种育苗技术

播种育苗研究主要集中在种子休眠与解除休眠。水曲柳种子休眠的原因主要是胚发育不全以及种皮、胚乳等包被组织障碍[54]。为解除休眠，很多学者开展了相关研究。有研究表明，初生休眠被解除的水曲柳种子在较高温度（20℃以上恒温）条件下会发生次生休眠，生产播种时如遇高温天气，种子会进入热休眠，严重影响生产；采用暖-低温综合层积和剥去果皮层积可缩短解除休眠的时间，15℃/10℃的变温条件下，休眠解除最彻底，发芽率最高；恒温条件下，10℃的种子发芽率最高[55]。卢艳[56]对初生休眠解除状态和干燥处理对水曲柳种子萌发影响进行研究，发现不经干燥处理的种子，解除休眠越充分，萌发能力越强；但层积处理后的种子经干燥处理后，解除休眠越充分（尤其是低温时间越长），种子萌发能力越弱；生产中如需对层积处理后的种子进行干燥储存，选择低温层积时间较短的处理，暖温10周+低温8周是较佳的层积方法。

4.2 扦插技术

侯丹等[57]认为插穗的生根率存在明显的年龄效应，即插穗母树的年龄不宜过大，最佳的激素处理为吲哚丁酸200 mg/kg处理2 h，最佳的扦插时期为6月下旬，防止插穗腐烂，在保证插穗叶片不萎蔫的条件下尽量少浇水，同时要给插床和插穗消毒。沈海龙等[58]认为选择1～2年生水曲柳实生苗的插穗，生根效果最好，生根率可达92.2%；生长激素对水曲柳生根有显著影响，不同生长激素的最佳处理为：NAA1000 mg/L处理5 min（生根率71.7%），IBA 50 mg/L处理12 h（生根率84.5%），ABT2生根粉处理（生根率92.2%）。

4.3 嫁接技术

水曲柳嫁接一般选择白蜡作为砧木，因为两树种的优良性状得到了互补，嫁接亲和力强，可大大提高嫁接成活率[59]。周建会[60]对水曲柳的芽接技术进行了研究，发现5月31日采用T字形芽接植株成活率最高，达到98.6%。对10 cm高度的砧木采用切接法，相比其它嫁接方法，苗木成活率最高；10 cm为水曲柳切接最佳的嫁接高度，这可能是由于砧木高度偏低，与根部的距离近，养分运输距离变短，养分传递速度加快，嫁接后更容易存活，或者是因为砧木高度偏低一般年龄较小，生命活力旺盛，处于最佳的成长阶段，成活率更高[61]。

4.4 组织培养技术

植物组织培养中，根据形态发生的途径可以分为器官发生和胚胎发生，胚胎发生途径中可以形成类似合子胚的胚状体结构。根据外植体的来源不同，可以将胚状体分为体细胞胚和小孢子或其分裂产物等单倍体细胞产生的花粉胚[62]。张惠君和罗凤霞[63]取水曲柳不同发育时期的幼果（胚处于原胚状态的幼果和胚已分化成胚根和子叶的幼果）为材料进行离体培养，结果发现原胚状态时，离体培养不易成功，但当胚分化成子叶和胚根时，胚的成活率及成苗率均大大提高；初代培养基可选择不加任何激素的WPM、MS、DKW、和SH培养基较好；继代培养外植体分化率整体较低，不能达到组织培养快速繁殖苗木的要求；生根培养基选择不加任何激素的WPM和QL培养基较好，生根率分别为60%和66%。邢朝斌[64]首次系统的研究了水曲柳无菌发芽和胚轴外植体的离体再生，将未经层积处理的水曲柳种子切去子叶端的1/3，可打破休眠，促进发芽；以水曲柳成熟种子的胚轴为外植体，建立了植株再生体系。谭燕双[65]对水曲柳组织培养的不同外植体进行筛选，研究多种途径进行水曲柳再生的可行性，最终建立了两套较为完整的组织培养再生体系，分别为下胚轴增生不定芽途径和腋芽增生途径，其中腋芽增生途径中选用MS1/2培养基作为其专用培养基。黄剑[66]以水曲柳成熟种子的下胚轴作为外植体，对其进行组织培养研究，选择MS作为基本培养基，添加1～2 mg/L的TDZ进行初代培养，结果存在两大问题：（1）外植体大量死亡；（2）不定芽难以伸长。张丽杰等[67]研究发现，MS1/2培养基为水曲柳体胚诱导的基本培养基，未成熟合子胚子叶和下胚轴诱导愈伤组织和体胚发生的最佳激素组合为NAA 3 mg/L+BA 1.5 mg/L，成熟合子胚子叶和下胚轴诱导愈伤组织和体胚发生的最佳激素组合为NAA 5 mg/L+BA 2 mg/L。刘林[68]以水曲柳合子胚的下胚轴为材料，建立了水曲柳下胚轴直接出芽的再生体系，确定了不定芽诱导的培养基为WPM+1.0 mg/L TDZ+30 g/L蔗糖+5.6 g/L的琼脂，不定芽伸长培养基为WPM+0.025 mg/L TDZ+1.0 mg/L GA3+30 g/L蔗糖+5.6 g/L的琼脂，不定芽起源于下胚轴表皮细胞的伤口处。Liu et al.[69]以水曲柳未成熟合子胚的子叶为材料，诱导其形成愈伤组织并形成体细胞胚，来自于不同母树的外植体对细胞胚的诱导率具有显著差异，愈伤组织诱导率最高(94.2%)的培养基为MS1/2+0.15 mg/L NAA，愈伤组织增值系数最高(240.5)的培养基为WPM+0.1 mg/L 6-BA+0.15 mg/L 2,4-D，体细胞胚增值数量最高（397/g鲜重）的培养基为MS1/2+1mg/L BA，体胚生根系数最高(37.5%)的培养基为MS1/2+0.01 mg/L NAA，体细胞胚的发芽比例为26.4%。