不同干形云南松的木材解剖特征及其化学成分分析*

刘子腾，朱梅彩，陈松阳，纵 丹，杨晓瑞，邱 坚 ，何承忠,4

(1.西南林业大学，云南省高校林木遗传改良与繁育重点实验室，云南 昆明 650224；2.西南林业大学，西南地区生物多样性保育国家林业和草原局重点实验室，云南 昆明 650224；3.西南林业大学 材料与化学工程学院，云南昆明 650233；4.西南林业大学，西南山地森林资源保育与利用教育部重点实验室，云南 昆明 650224)

云南松(Pinus yunnanensis)作为中国西南地区的先锋造林重要树种，具有生长快、材质好、耐干旱瘠薄和天然更新能力强等优良特性，广泛分布于云贵高原，对云南省经济、社会和环境的可持续发展具有重要意义[1-2]。近年来对云南松的研究发现：由于自然灾害、环境变化和人为干扰等因素的影响，云南松天然林存在很严重的衰退现象[3-4]，如林分生长量持续下降、遗传多样性减小、林分遗传品质退化，同时伴随形成许多“扭松”“矮松”等个体，生态与经济效益也随之下降[5]。其中，尤以主干扭曲或弯曲不良个体比例增加较为显著[6-7]，严重制约了云南松林的生态和社会效益，如何有效调控和减少不良个体的占比是当前云南松林分改良中急需解决的问题。因此，云南松不同干形形成机制的研究备受关注。前人主要从发生规律、机制及遗传特性等方面展开了研究[8]，如以主干通直和弯扭的云南松为试验材料，研究对比了其针叶性状的变化规律[9]、球果和种子差异[10-11]、种子萌发特性[12]、子代苗木生长表现[5,13]和生物量[14]等，但关于云南松主干弯扭的原因尚无定论。

木材解剖是研究木材结构的基础，与木材物理、化学和力学性质紧密相关。杨凯博等[15]研究了云南松木材结构多样性的变化规律并分析了其木材结构与环境因子之间的关系，认为云南松种群不仅具有足够的当前适合度，而且具备更大的进化灵活性，进化潜力很大。王海林等[16]和熊晖等[17]采用石蜡切片法对不同海拔、不同产脂量云南松的针叶、树干韧皮部和木质部的组成性树脂道特征进行解剖观察，结果表明：高产脂与低产脂云南松的针叶树脂道数量、树干木质部树脂道密度、韧皮部树脂道大小及单位长度树脂道数量存在极显著差异(P＜0.01)，但不同海拔之间无显著差异。樊卫东等[18]利用光学显微镜对直干和弯干云南松的解剖结构进行观测，结果显示：直干和弯干云南松解剖结构基本一致，弯干树脂道的数量比直干云南松多。可见，国内外对云南松树干的解剖研究较为有限，直干和扭曲干云南松木材组织解剖及化学成分的相关研究还未见报道。本研究以直干形和扭曲干形云南松树干木质部为试验材料，通过对其木材的宏观特征观察和微观解剖特征比较，并运用荧光成像法以及比色法对其木质素进行定性和定量分析，揭示2 种干形云南松的木材结构及化学成分差异，以期为后续从分子水平解析云南松不同干形形成机制奠定基础，同时为云南松材性的遗传改良提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以云南省楚雄州永仁县方山(N26°00＇24″，E101°36＇42″，海拔2 200～2 377 m)自然生境下长势相近且树龄大于25 年的云南松为研究对象，在地势平坦无坡度的云南松林中设置3 个10 m×10 m 的样地，样地间隔1 km，每个样地选取直干形和扭曲干形云南松各1 株，直干形云南松分别编号为S1、S2和S3，扭曲干形云南松分别编号为T1、T2和T3，在树干上每隔1 m 标记东、南、西、北4 个方向。

1.2 研究方法

1.2.1 宏观特征观察

(1)含水率和基本密度的测定

向相关部门提出申请并获得批准后对木材进行砍伐。根据《木材物理力学试材采集方法》(GB/T 1927—2009)，立即在树干1 m 处截取2 个厚5 cm 的圆盘，清除木屑和易脱落部分，用自封袋妥善保管备用；带回实验室后按照《木材含水率测定方法》(GB/T 1931—2009)将2 个5 cm厚的圆盘制备成10 个20 mm×20 mm×20 mm 的小木块用于测定生材含水率，并运用ET-320 密度仪测定其基本密度。

(2)云南松木材端面观察

在直干云南松树干1.3 m 处和扭曲干云南松树干最弯曲处截取厚3 cm 的圆盘，分别用400、800、1 000 和1 500 目的砂纸对圆盘进行打磨和抛光，观察云南松端面形态特征。

(3)年轮分析及晚材率的测定

采用德国RINNTECH 数字型年轮分析仪(LINTABTM6)在光滑的直干和扭曲干云南松圆盘上分别从东、南、西、北4 个方向测得年轮数、年轮总宽度、早材宽度和晚材宽度，以4 个方向的最小年轮数为实际年轮数，以最大年轮数与最小年轮数的差值为假年轮数。根据《木材年轮宽度和晚材率测定方法》(GB/T 1930—2009)分别计算4 个方向的年轮平均宽度Rb(精确至0.01 mm)和晚材率Lw(精确至1%)，计算公式为：

式中：b为整年轮总宽度，mm；n为整年轮数；ΣLb为晚材总宽度，mm。

将每株云南松4 个方向测得的年轮总宽度、早材宽度、晚材宽度、年轮平均宽度和晚材率取平均值作为最终结果。

1.2.2 微观特征观测

(1)解剖特征观察

在直干云南松圆盘上通过髓心截取1 cm×1 cm×1 cm 的小木块(图1a)；在扭曲干云南松圆盘上的应压木(twisted compression wood，TCW，即年轮偏宽一侧)和对应木(twisted opposite wood，TOW，即年轮偏窄一侧)分别截取1 cm×1 cm×1 cm 的小木块(图1b)用于解剖结构观察。截取的小木块置于高压锅中软化4 h，用Leica 2000R滑走切片机切取厚10 μm 的横、径、弦切片，将切片置于包埋盒中，依次放入蒸馏水(3 min)→1%番红水溶液(4 h)→蒸馏水(5 min)→35%乙醇(5 min)→50%乙醇(5 min)→70%乙醇(5 min)→乙醇 (5 min)→ 乙醇 — 正丁醇 (体积比1∶1，3 min)→正丁醇(3 min)→正丁醇—二甲苯(体积比1∶1，3 min)→二甲苯(3 min)。用小镊子将切片从二甲苯中取出置于载玻片上，每个载玻片从左到右分别放横、径、弦3 个切片，在载玻片上加适量中性树胶，用盖玻片封片。在Nikon ECLIPSE 80i生物数码显微镜下观察三切面的解剖特征，用Image 在横切面上测量树脂道直径，在径切面上测量纹孔直径，在弦切面上测量木射线高度。

图1 取样示意图Fig.1 Sampling diagram

(2)荧光显微镜观察

运用划走切片机另切取厚5 μm 的横切片，将切片置于装满蒸馏水的培养皿中，用小毛笔轻轻拍打，去除碎屑，用甘油封片，在烤片机上120 ℃烘烤，直至没有气泡产生，用纸巾擦除多余甘油，将切片置于荧光显微镜下进行荧光拍摄。

(3)管胞主要特征观察

用美工刀在直干云南松圆盘以及扭曲干云南松圆盘的对应木和应压木上分别取长约1.5 cm、粗细如火柴棍的木条5 根，放入装有30%双氧水—冰乙酸混合液(体积比1∶1)的试管中，混合液没过小木条后，将试管置于90 ℃水浴锅中加热至木材变白，用清水洗净，加入1%番红O 染色剂(没过木材)染色8 h，用蒸馏水洗去浮色后再用蒸馏水封片，制备成管胞离析临时切片[19]。运用Nikon ECLIPSE 80i 生物数码显微镜对管胞进行拍摄，用Image 测量管胞长度、宽度和腔径，并计算双壁厚、腔径比和壁腔比。每项指标测量100 个数据。

1.2.3 化学成分分析

(1)纤维素、半纤维素和木质素含量的测定

直干和扭曲干云南松木材均于植株高度的1/5 处(基部)、1/3 处(中部)和2/3 处(梢部)分别截取厚5 cm 的圆盘(取样总量不少于1 kg)。直干云南松圆盘从髓心剖成2 份(图1c)，取其中1 份为化学成分分析材料；扭曲干云南松圆盘剖成四等份(图1d)，取TOW 和TCW 为化学成分分析材料。将上述样品分别粉碎后，过60 和100 目筛，将木粉分类装好，置于通风良好、无酸、碱性气体的室内干燥。采用比色法[20]测量直干云南松木材以及扭曲干云南松木材应压木和对应木的纤维素、半纤维素和木质素的绝对含量。

(2)傅里叶红外光谱分析

为验证扭曲干云南松木材主要化学成分的准确性，采用红外光谱进行进一步分析。称取上述100 目样品粉末0.1～0.3 mg 置于玛瑙研钵中，加入10～30 mg 溴化钾粉末，充分研磨混合并在磨具内压片。使用布鲁克VERTEX 80/80v 傅里叶变换红外光谱仪进行测试，得到傅里叶红外光谱数据，其中光谱分辨率设置为4 cm-1，扫描次数设置为42 次，使用Excel 和OMNIC 软件进行基线校正和归一化处理。

1.3 数据统计与分析

所有数据使用Excel 和SPSS 进行统计及分析，用Graphpad 和Origin 软件制图。

2 结果与分析

2.1.1 含水率和基本密度

2.1 不同干形云南松木材的宏观特征

由表1 可知：直干云南松木材平均含水率(67.64%)和平均基本密度(0.48 g/cm3)均略低于扭曲干云南松木材(71.74%和0.56 g/cm3)，但二者之间差异不显著(P＞0.05)。

表1 不同干形云南松木材的含水率和基本密度Tab.1 Water content and basic density ofPinus yunnanensislumber with different stem forms

2.1.2 端面结构

不同干形云南松木材端面比较显示：直干云南松年轮分布均匀，呈现同心圆特征(图2a)；扭曲干云南松年轮呈偏心不对称分布(图2b)，表现出典型的应压木和对应木特征。进一步观察扭曲干云南松木材端面发现：从髓心开始的1～4 年或1～5 年形成的是同心圆，年轮分布均匀，并未出现偏心和年轮宽窄不一的特点。

2.1.3 年轮及晚材率

由表2 可知：直干云南松的总年轮宽度和平均年轮宽度均大于扭曲干云南松；直干云南松的年轮宽度为0.27～7.00 mm，扭曲干云南松的年轮宽度为0.11～7.60 mm；扭曲干云南松的晚材总宽度(19.32 mm)和平均晚材率(40%)均高于直干云南松(18.82 mm 和33%)。

表2 不同干形云南松木材的年轮和晚材率Tab.2 Annual rings and latewood rate ofP.yunnanensislumber with different stem forms

2.2 不同干形云南松木材的微观特征

2.2.1 解剖特征分析

对直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的对应木(TOW)和应压木(TCW)的横切面、径切面和弦切面的微观结构进行比较，结果显示：S 的早、晚材区分非常明显，为急变型，单个树脂道主要集中于晚材，呈零星分布(图3a)；TOW的早、晚材为急变型，但其宽度较S 窄，成排的树脂道集中分布于晚材(图3b)；TCW 的早、晚材过渡缓慢，存在明显的过渡区，急变特征不明显，趋向于渐变型，树脂道成排存在于晚材中，且数量远多于S (图3c)。横切面上，S 与TOW的晚材细胞形状均为四边形，排列规整(图3d、3e)，而TCW 的晚材细胞由于受到挤压，出现成片的缺口，细胞形状由四边形逐渐变成椭圆形乃至圆形，细胞排列不规整，细胞壁明显增厚，相应的细胞腔变小，细胞间隙变大且增多(图3f)；S 的早材细胞表现为四边形或五边形等多边形，排列规整(图3g)，TOW 的早材细胞排列规则度略低(图3h)，TCW 的早材细胞部分的胶质层与细胞壁分离，且伴随着细胞内卷的特征(图3i)。径切面上(图3j～3l)，S、TOW 和TCW的交叉场均为窗格形，射线管胞壁呈现锯齿状加厚，纹孔分布和排列无明显区别，且TCW 存在明显的螺纹裂隙。弦切面上(图3m～3o)，S、TOW 和TCW的木射线均属于单列和纺锤型，纺锤型木射线具有横向树脂道。在不同干形云南松中，创伤树脂道的数量由多到少依次为TCW＞TOW＞S。

图3 不同干形云南松木材的三切面微观构造Fig.3 Microstructure of three sections ofP.yunnanensislumber with different stem forms

由表3 可知：直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的对应木(TOW)和应压木(TCW)中树脂道的平均直径分别为161.57、178.33 和164.61 μm；平均木射线高度最高的是TCW(244.75 μm)，其次为S (239.14 μm)，最短的是TOW (219.98 μm)；不同干形云南松木材的纹孔直径无显著差异。

表3 不同干形云南松木材的解剖结构特征Tab.3 Anatomical characteristics ofP.yunnanensislumber with different stem forms

2.2.2 荧光图像分析

由图4 可知：直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的对应木(TOW)和应压木(TCW)的细胞形态存在差异，S 和TOW 的细胞为六边形，TCW 的细胞呈圆形。S 与TOW 在不同形态区域的木质素均匀分布，进一步观察显示：细胞角隅(cell corner，CC)和胞间层(cellular middle layer，CML)区域远高于次生壁(图4a～b)，而TCW 的木质素在不同形态区域分布并不均匀，在次生壁S2 层外层(S2L)和CC 区域检测到荧光强度增加，在CML 的荧光强度减弱(图4c)。

图4 不同干形云南松木材的荧光图 (40×)Fig.4 Fluorescence figure ofP.yunnanensislumber with different stem forms

2.2.3 管胞主要特征参数分析

由图5 可知：直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的对应木(TOW)和应压木(TCW)的管胞特征参数存在明显差异，其中平均管胞长度、宽度和腔径在早材和晚材中的变化规律一致，均表现为S＞TOW＞TCW，且S 和TCW 之间存在显著差异(P＜0.05)；早材中细胞壁厚度和壁腔比表现为S＜TOW＜TCW，晚材中直干云南松木材的细胞壁厚度显著大于扭曲干云南松木材，且TOW 的细胞壁厚最薄。

图5 不同干形云南松木材的管胞特征Fig.5 Tracheid characteristics ofP.yunnanensislumber with different stem forms

2.3 不同干形云南松木材的化学成分

2.3.1 纤维素、半纤维素和木质素的含量

由图6 可知：直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的对应木(TOW)和应压木(TCW)的主要化学成分含量均存在差异，其中，半纤维素和木质素的含量表现为TCW 显著高于TOW 和S，而TCW 的纤维素含量显著低于TOW 和S，3 种化学成分的含量在TOW 和S 间无显著差异。

图6 不同干形云南松木材的主要化学成分Fig.6 Main chemical composition ofP.yunnanensislumber with different stem forms

2.3.2 扭曲干云南松木材化学成分的傅里叶红外光谱分析

由图7 可知：经归一化处理后，扭曲干云南松木材的应压木(TCW)和对应木(TOW)红外光谱的形状以及特征峰的位置和数量相似，但吸收峰强度不同，表明两者化学组分一致，但化学成分含量有一定差异。其中，TOW 的木质素吸收峰(1 596 cm-1附近的苯环碳骨架振动)明显低于TCW，表明TCW 中木质素含量较高；TOW 的纤维素吸收峰(2 830 cm-1处为C-H 和C-H2 拉伸，776 cm-1处为C-H 弯曲振动)高于TCW，表明TOW 中纤维素含量较高；此外，在1 360 cm-1处(C-H 弯曲振动)，TOW 和TCW 的吸收峰强度相似，但在1 110 cm-1处(C-O-C 伸缩振动) TCW的吸收强度较大，表明其半纤维素含量较高。

图7 扭曲干云南松的红外光谱分析Fig.7 Infrared spectroscopy analysis ofP.yunnanensiswith twisted stems

3 讨论

木材解剖结构特征与木材材性密切相关。与正常木材相比，应压木的细胞结构有很大差异[21]。应压木解剖的显著特征为管胞较圆，圆形管胞间有大量胞间隙，管胞壁增厚，管胞长度比对应木短10%～40%，管胞直径相应较小[22-23]。本研究中，扭曲干云南松木材的解剖结构具有应压木的特征，与直干云南松木材(S)相比，扭曲干云南松木材的对应木(TOW)和应压木(TCW)管胞显著变短、早材细胞壁增厚，这与马尾松(Pinus Massoniana)[24]、火炬松(Pinus taeda)[25]、红松(Pinus koraiensis)[26]和白皮松(Pinus BungeanaZucc.)[27]等应压木的解剖结果一致；TOW 和 TCW的晚材细胞壁厚度均小于S，说明扭曲干云南松在生长过程中本身的弯曲生长造成了受力不均，同时遗传因素也可能是晚材细胞壁厚度小于直干云南松的原因[28]。

木质素的沉积不仅可增强细胞壁的韧度，还能增加细胞壁的抗压能力，对木材品质具有重要意义[29]。高木质素和低纤维素含量是应压木的重要特征[22]。张胜龙等[30]测定了拉弯诱导形成的杉木应压木木质素含量，发现该含量较对应木高21.85%；马尾松枝桠材应压木的木质素含量较对应木高41%[31]；诱导形成的美洲落叶松应压木的木质素含量是正常木的1.41 倍[32]。本研究中，TCW 的纤维素含量较 TOW 和 S 分别低 14.36% 和 13.14%，其木质素含量分别较 TOW 和 S 高 18.31% 和 17.63%，其半纤维素含量分别较TOW 和S 高28.39%和32.96%。综上所述，扭曲干云南松木材具备应压木的所有特征，是典型的应压木木材。

荧光显微镜广泛用于观察木质素在木材细胞中的分布特征，木质素的相对含量取决于荧光图像的亮度[33-34]。ZHANG 等[27]运用荧光显微镜对以风为诱导形成的白皮松应压木木质素分布进行观察，发现其细胞角隅存在大量细胞间隙，次生壁包含1 个明显的S2L 层，但在细胞周围并不连续，细胞壁略呈圆形，无螺纹裂隙，木质素主要集中于CC 和S2L，CML 中存在少量，为轻度应压木[35]。本研究扭曲干云南松木材的应压木呈现圆形的细胞轮廓、有很厚的细胞壁和大量细胞间隙，次生壁包含1 个高度木质化的S2L 层连续分布于整个细胞周围，且有独特的螺纹裂隙，缺乏S3 层，属于严重应压木[35]；直干云南松木材和扭曲干云南松木材的对应木细胞呈四边形或多边形，木质素集中于CC 和CML。综上所述，正常木向应压木转变时，胞间层的木质化降低，而S2L 层的木质化增加[36-38]，说明应压木的形成对木质素的分布和主要化学成分含量均有一定影响[23,39]。

4 结论

扭曲干云南松木材属于严重应压木，管胞排列规整度降低，出现裂口、内卷、变圆，管胞壁明显增厚，腔径减小，细胞间隙增多变大，存在大量螺纹裂隙，创伤树脂道数量明显增多；具有高木质素和低纤维素含量的特征，木质素主要分布于细胞角隅和次生壁S2 层外层。直干云南松木材和扭曲干云南松木材对应木的木质素集中于细胞角隅和胞间层。