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炭化是一种常见的木材化学改性技术[1]，相对其他改性方法，炭化处理具有无毒性、环境污染小、工艺简单等优点。出于降低材料处理成本的考虑，炭化材主要用于户外用材，室内材应用较少[2]。奥克榄Aucoumea klaineana，椴木Tilia europaea，单瓣豆Monopetalanthus sp.是如今市场上3种常见的家具用材，其色泽均匀、纹理美观，但应用过程中也存在易变形、易腐蚀等问题，严重影响了木材的实用价值和产品附加值。探究一种低成本、适于室内家具用材的热处理工艺，对于延长家具使用寿命、提高产品附加值意义重大。炭化处理的实质，是通过减少木材组分中吸水羟基的含量，降低木材的吸湿性，以提高其尺寸稳定性[3]。常用的高温炭化易出现使材色过深、大幅降低木材力学性能等问题[4-5]。为了平衡这2方面的问题，笔者提出“负压轻炭化”的工艺理念，即炭化温度不超过之前大部分炭化实验常用的最低温度，炭化箱内的气压低于1个标准大气压。为了探究奥克榄、椴木、单瓣豆木材在使用过程中尺寸稳定性并避免其材色和力学性能受太大影响，笔者以奥克榄、椴木、单瓣豆木材为研究对象，在较低温度、负压条件下进行处理，并研究该处理工艺对这3种木材物理力学性能的影响，以为室内用材炭化工艺提供参考。
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先将试材在电鼓风干燥箱中干燥至含水率稳定，随后进行炭化，前期缓慢升温，最终以炭化箱内160 ℃，0 Mpa实验条件炭化3.0 h。
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炭化完成后用电子万能材料试验机(AG-IC/100KN)、摆锤式冲击试验机(JBS-300S)色差仪等测量木材的物理力学性能。本研究所测物理力学性质包括全干密度，色差，冲击韧性，抗弯强度，抗弯弹性模量，硬度(径面硬度、弦面硬度、端面硬度)，气干湿胀率，吸水至尺寸稳定的湿胀率，气干干缩率，全干干缩率在内的共11个性状。
性能测试分别按照GBT 1933-2009《木材密度测定方法》、GBT1940-2009《木材冲击韧性试验方法》、GBT1936.1-2009《木材抗弯强度试验方法》、GBT1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GBT1941-2009《木材硬度试验方法》、GBT1934.2-2009《木材湿胀性测定方法》、GBT1932-2009《木材干缩性测定方法》进行。色差测量取得数值后使用亨特色差公式计算。
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从图 1可看出：3种试材炭化后的全干密度均有所降低，其中椴木和单瓣豆的全干密度变化不大，奥克榄的密度降低最为显著，由0.489 g·cm-3下降至0.362 g·cm-3，降幅达26.00%。与之相比，通过3.0 h，160 ℃真空热处理的日本落叶松Larix kaempferi全干密度达到0.667 g·cm-3，较未处理材下降了0.74%[4]；来自广西的红锥Castanopsis hystrix家系木材的全干密度为0.611 g·cm-3[6]。本研究处理后的试材全干密度相对较低。
图 1 不同试材的素材与炭化材密度对比图
Figure 1. Density of treated and control samples
纤维素、半纤维素、木质素是构成木材的主要成分，当受到热量作用，这三大成分产生不同程度的降解[7]，因此，炭化材的密度比素材均有所降低。木材质量下降，但同时木材体积也在收缩，当木材质量下降的程度超过木材体积收缩的程度时，木材密度就会降低。
负压轻炭化处理前后木材的色差如图 2所示。通过色差仪测得试材炭化前后的L，a，b值，后通过亨特色差公式ΔE=[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2计算[8]。由图 2可得：3种木材通过3.0 h，160 ℃，0 Mpa炭化处理材色均有较大变化。其中奥克榄的材色变化相对较小，椴木的材色变化最大。
图 2 不同试材炭化前后色差统计图
Figure 2. Color deviation of treated and control samples
当木材的含水率低于纤维饱和点时，木材的尺寸随含水率升降而增减[9]。木材的涨缩会造成木制品开裂、翘曲变形等缺陷，因此，木材的尺寸稳定性是在利用木材时所需考虑的重要因素。本研究从干缩性和湿胀性2个方面的指标来研究奥克榄、椴木和单瓣豆的尺寸稳定性。首先，结合表 1和表 2可看出：炭化后椴木体积干缩系数达0.52，根据木材材性分级表[10]属中级(0.46~0.55)；而奥克榄炭化后的体积干缩系数未改变，仍为0.35，属小级(≤0.45)；同样，单瓣豆炭化后的体积干缩系数由0.44降至0.37，但级别不变，属小级。比较炭化前后木材干缩系数变化的程度，可以发现在相同炭化条件下，奥克榄的干缩系数无变化，椴木的干缩系数仅降低了1.00%，只有单瓣豆的干缩系数有明显降低，降低比例为16.00%。以160 ℃，2.0 h热处理的杉木气干体积干缩率下降了29.76%、全体积干缩率下降了19.37%；以190 ℃，3.0 h热处理的杉木气干体积干缩率下降了35.61%，全干体积干缩率下降了24.18%[11]。本研究处理后的单瓣豆气干体积干缩率下降了21.30%，全干体积干缩率下降了10.60%，降低幅度较之略小。
表 1 3种试材的气干干缩率统计分析
Table 1. Statistical figures of woods' air-dry shrinkage
材种 试样数/个 径向干缩率/% 弦向干缩率/% 体积干缩率/% 奥克榄 素材 10 3.20 ± 0.009 6 3.20 ± 0.008 6 6.30 ± 0.005 2 炭化材 10 3.10 ± 0.005 9 3.20 ± 0.005 8 6.80 ± 0.005 1 椴木 素材 10 4.60 ± 0.005 9 5.90 ± 0.005 7 10.90 ± 0.006 9 炭化材 10 4.50 ± 0.001 7 6.10 ± 0.003 8 10.30 ± 0.004 9 单瓣豆 素材 10 2.70 ± 0.004 9 5.60 ± 0.005 1 8.90 ± 0.006 1 炭化材 10 2.30 ± 0.004 6 4.40 ± 0.008 7 7.00 ± 0.009 8 说明：表中“±”后数值表示数据的标准差 表 2 3种试材的全干干缩率统计分析
Table 2. Statistical figures of woods' absolute-dry shrinkage
材种 试样数/个 径向干缩率/% 弦向干缩率/% 体积干缩率/% 体积干缩系数/% 奥克榄 素材 10 5.30 ± 0.012 1 5.00 ± 0.012 7 10.40 ± 0.004 4 35 ± 0.011 4 炭化材 10 5.10 ± 0.008 0 5.10 ± 0.008 9 11.00 ± 0.014 4 35 ± 0.022 7 椴木 素材 10 7.10 ± 0.003 3 8.10 ± 0.022 6 16.00 ± 0.008 9 53 ± 0.024 0 炭化材 10 7.10 ± 0.002 0 8.90 ± 0.004 3 15.60 ± 0.004 8 52 ± 0.016 2 单瓣豆 素材 10 4.50 ± 0.005 2 8.30 ± 0.009 4 13.20 ± 0.011 4 44 ± 0.016 2 炭化材 10 4.30 ± 0.011 9 7.10 ± 0.010 1 11.80 ± 0.016 9 37 ± 0.038 4 说明：表中“±”后数值表示数据的标准差 由表 3和表 4可以看出：炭化对于3种木材的湿胀率均有一定的改善。通过对干缩率和湿胀率变化的研究可以发现，在实验设置的炭化条件下单瓣豆的尺寸稳定性改善最为显著。热处理使木材细胞壁的结构更加紧密，炭化后的木材细胞壁中纤维素与半纤维素无定型区域形成了不可逆的氢键，因此，之前一些用于吸水的部位在再次湿润时不能与水分子结合[12]。
表 3 3种试材的气干湿胀率统计分析
Table 3. Statistical figures of woods' air-dry swelling
材种 试样数/个 径向湿胀率/% 弦向湿胀率/% 体积湿胀率/% 奥克榄 素材 10 1.60 ± 0.003 3 1.50 ± 0.004 2 3.70 ± 0.003 7 炭化材 10 1.20 ± 0.005 2 1.30 ± 0.005 6 2.70 ± 0.010 7 椴木 素材 10 2.00 ± 0.008 4 1.80 ± 0.004 0 4.00 ± 0.004 0 炭化材 10 1.50 ± 0.002 2 1.70 ± 0.014 0 3.30 ± 0.010 7 单瓣豆 素材 10 1.30 ± 0.001 2 1.80 ± 0.000 8 3.40 ± 0.002 3 炭化材 10 1.10 ± 0.003 0 1.70 ± 0.001 8 3.30 ± 0.002 4 说明：表中“±”后数值表示数据的标准差 表 4 3种试材吸水至尺寸稳定时的湿胀率统计分析
Table 4. Statistical figures of woods' absolute-dry swelling
材种 试样数/个 径向湿胀率/% 弦向湿胀率/% 体积湿胀率/% 奥克榄 素材 10 5.40 ± 0.016 7 6.60 ± 0.010 8 12.90 ± 0.027 4 炭化材 10 5.00 ± 0.015 0 5.00 ± 0.001 9 11.20 ± 0.032 1 椴木 素材 10 9.50 ± 0.015 4 10.90 ± 0.019 6 23.80 ± 0.023 6 炭化材 10 9.30 ± 0.012 7 10.50 ± 0.018 3 21.60 ± 0.013 7 单瓣豆 素材 10 3.90 ± 0.008 4 7.60 ± 0.004 7 12.60 ± 0.019 4 炭化材 10 3.90 ± 0.010 2 6.70 ± 0.011 9 12.30 ± 0.013 8 说明：表中“±”后数值表示数据的标准差 -
通过图 3和图 4可以发现：经过炭化的奥克榄较未炭化的试材其抗弯强度和抗弯弹性模量均略有减小，其中抗弯强度减小了6.00%，抗弯弹性模量减小了7.00%；而椴木和单瓣豆的抗弯强度和抗弯弹性模量则均有增加，但椴木的抗弯强度仅增加4.00%，说明炭化条件对其影响不显著[13]；单瓣豆的抗弯强度增加了18.00%，弹性模量增加了9.00%。
图 3 不同试材素材与炭化材抗弯强度对比
Figure 3. MOR of treated and control samples
图 4 不同试材的素材与炭化材抗弯弹性模量对比
Figure 4. MOE of treated and control samples
在之前的多项研究中都曾提及这种现象，即木材的抗弯强度随着炭化温度的提升先升高后下降，因此，在相对较低的炭化温度下木材的抗弯强度会有所提升。例如扁柏Platycladus orientalis木在100~150 ℃，2.0~100.0 h的热处理条件下抗弯强度均较素材有所提高；北美云杉Picea sitchensis在空气和氮气中以160 ℃，2.0 h或160 ℃，4.0 h的条件进行热处理，其抗弯强度均有所增加[14]；马尾松Pinus masoniana通过170 ℃，2.0~6.0 h的蒸汽热处理后静态弯曲应力均有所提升[15]。
由表 5可知：奥克榄炭化材的径面和弦面硬度略有减少，端面硬度有所增加；而椴木和单瓣豆的径、弦、端向硬度均有所增大。出现这种现象是因为细胞壁中的纤维素和半纤维素的分子结构在高温的作用下发生改变，纤维素分子结晶度增加，使木材表面硬度变大[3]。
表 5 3种试材的硬度统计分析
Table 5. Statistical figures of woods' hardnes
材种 试样数/个 弦面硬度/N 径面硬度/N 端面硬度/N 奥克榄 素材 7 2 330.871 ± 906.723 2 328.058 ± 856.433 3 603.304 ± 608.959 炭化材 7 2 049.777 ± 619.954 2 195.692 ± 662.054 4 008.348 ± 652.936 椴木 素材 7 2 737.411 ± 431.892 2 854.308 ± 373.424 4 136.273 ± 413.997 炭化材 7 3 495.514 ± 466.173 3 613.616 ± 430.956 4 667.332 ± 368.028 单瓣豆 素材 7 2 025.848 ± 579.817 2 285.290 ± 663.906 2 331.451 ± 266.435 炭化材 5 2 691.328 ± 898.033 2 711.836 ± 936.238 3 507.094 ± 829.350 说明:表中"±"后数值表示数据的标准差 分析图 5可以看出：3种木材通过炭化冲击韧性均有所降低，其中冲击韧性损失最为严重的是奥克榄，损失率高达53.00%；单瓣豆次之，损失率达到24.00%；椴木损失率最低，仅12.00%。奥克榄炭化后冲击韧性显著降低和其密度大幅降低有直接的关系[16]。
图 5 不同试材的素材与炭化材冲击韧性对比图
Figure 5. Toughness of treated and control samples
热处理的温度较低时，木材细胞壁中的半纤维素由于热稳定性较差，发生部分的结构重组或降解，分子链中的羟基脱落。纤维素无定型区域内水分散失以及相邻纤维素表面靠拢使纤维素分子链排列更加紧密，纤维素分子链之间的羟基发生“架桥”反应，使纤维素分子结晶度增加。从而使木材力学性能提升。随着热处理温度升高，一方面木材细胞壁中半纤维素和木素非结晶性高聚物发生玻璃化转变，纤维素、半纤维素和木素之间的联结被破坏，降低了木材的力学强度。另一方面，半纤维素剧烈降解产生大量己酸，催化了纤维素降解，纤维素结晶度与聚合度降低。纤维素、半纤维素和木素的大量降解使木材力学强度下降[17]。
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3.0 h，160 ℃，0 MPa的负压热处理降低了3种木材的全干密度，使材色变深，尺寸稳定性有所提升，其中对于单瓣豆的尺寸稳定性改善最大，使其体积干缩系数降低了16.00%。
实验设置的热处理环境对于3种木材的冲击韧性均有所降低，其中奥克榄均减弱最多。同时热处理使奥克榄的抗弯强度有所降低，对椴木的抗弯强度无影响，使单瓣豆的抗弯强度有所提升，增加了18.00%。木材力学性能的变化与木材的密度有紧密关联，其中奥克榄素材本身素材密度较椴木、单瓣豆偏低，这意味着木材内部孔隙较多，多孔的结构一方面影响木材的力学性能，另一方面使木材热处理时直接受热的面积增大，吸收热量更为迅速，导致在相同炭化条件下的奥克榄力学性能降低更多。而热处理可一定程度上增加木材的硬度，在3种试材中单瓣豆的端面硬度增加最为显著，增幅达50.00%。
综合以上多种物理力学性能指标分析，在实验设置的炭化条件下单瓣豆的尺寸稳定性改善最多而力学性能损失较少。可以表明在3.0 h，160 ℃，0 MPa的炭化条件可以使木材的尺寸稳定性提升，同时较小程度地损失其力学性能。
Physical and mechanical properties of low thermo-vacuum treated wood
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摘要: 对比了奥克榄Aucoumea klaineana，椴木Tilia europaea，单瓣豆Monopetalanthus sp.等3种木材在同一炭化条件下物理力学性能的变化，探究负压轻炭化处理木材的可行性与实际效果。将3种木材分别置于真空炭化箱内以160℃，0 MPa的条件处理3.0 h，然后将木材按照国标规定的木材物理力学试材锯解及试样截取方法加工，之后分别测量木材的密度、色差、冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量、硬度、干缩率和湿胀率。结果表明：在该炭化工艺下单瓣豆的体积干缩系数降低了16.00%，尺寸稳定性有较大改善；抗弯强度增加了18.00%，径面、弦面和端面硬度分别增加了19.00%，33.00%和50.00%，冲击韧性损失24.00%。负压轻炭化能够在一定程度上改善木材的尺寸稳定性，并且使其物理力学性能不受太大损失。Abstract: Heat treated wood is widely used in indoor and outdoor construction, decoration, and furniture because of its favorable dimensional stability, excellent corrosion resistance, and approximate padauk color. However, with many deficiencies in the existing heat treatment process of wood, such as excessive loss of mechanical strength and timber color being too heavy, this study was conducted to provide a reference during actual production for the feasibility and practical effect of low thermo-vacuum treatments with lower temperatures. Changes in physical and mechanical properties of three kinds of wood-okoume, basswood, and andoung, using the same thermo-vacuum treatment conditions were tested. The three woods were placed in a vacuum carbonization tank at 160℃ and 0 MPa conditions for 3 h. Then the timber was sawn according to experimental requirements with wood density, color deviation, toughness, bending strength, modulus of elasticity in static bending, static hardness, shrinkage, and swelling rate being measured. Results showed that dimensional stability of heat-treated andoung was greatly improved with its volume shrinkage coefficient decreasing 16.00%. Moreover, andoung had an increase in flexural strength and hardness, with increased bending strength (18.00%), hardness of its radial section (19.00%), tangential section (33.00%), and end surface (50.00%). Also, its impact toughness loss was less (24.00%). Overall, low thermo-vacuum treatment could improve dimensional stability of wood as it avoided loss of physical and mechanical properties of the timber.
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抗寒研究一直是植物抗逆性研究的热点。近年来,国内外许多学者围绕着蔬菜、果树等园艺资源和大田作物资源做了大量的研究。在观赏植物方面,有杜鹃Rhododendron spp.,月季Rose chinensis,梅花Prumus mume,地被菊Chrysanthemum morifolium,百合Lilium spp.等少量研究报道。这些抗寒研究主要集中在以下几个方面进行：植物的外部形态观察与抗寒性,生理生化变化与抗寒性,其中包括叶绿素含量,植物组织含水量,细胞膜透性,保护酶活性,渗透调节物质的含量等。彩叶芋Caladium bicolor,又名花叶芋、五彩芋,属天南星科Araceae花叶芋属Caladium,是目前流行的室内观叶植物[1]。它们的叶形、叶色及叶片各种斑纹千变万化,绚丽非凡。通常作为盆栽,也可以在园林和家庭庭院中应用,或是作为晚春或初夏的花坛植物,有很高的观赏应用价值[2]。它们原产热带,在中国大部分地区不能自然越冬,这样就大大减少了彩叶芋的观赏期,降低了彩叶芋的观赏性。因此,研究不同品种彩叶芋的抗寒性有着重要的现实意义。关于彩叶芋的抗寒性只有刘伟坚等[3]做过初步研究。本研究通过人工低温处理,观察彩叶芋生长变化,测定相关生理指标,得出综合评价,可以为彩叶芋在中国大部分地区的引种、栽培、应用提供实践依据和理论指导。
1. 材料和方法
1.1 试验材料
本试验的植物材料是漆斑彩叶芋Caladium bicolor ‘Wightii’和红艳彩叶芋Caladium bicolor ‘Postman Joyner’的组培苗。2种彩叶芋于2010年10月利用叶片进行组织培养,扩繁增殖,于2011年4月移栽驯化,放置在室内光线充足通风温暖处盆中栽植,夏天适当遮光,保持较高的空气湿度,秋天待叶片全部枯萎后,剪去地上部分,使块茎在盆土内越冬。2012年4月块茎重新萌芽,栽植3个月后采样进行抗寒性试验,此时彩叶芋植株高30 cm左右,叶片长15 cm,宽10 cm左右。选取长势良好一致的整株彩叶芋作为试验材料。试验在浙江农林大学农业与食品科学学院实验室进行。
1.2 处理方法
将盆栽彩叶芋放进人工气候箱(宁波海曙赛福实验仪器厂PRX-250B),控温范围(0~50±0.5) ℃,设置6个温度处理：室温26 (对照ck),20,15,10,5,0 ℃的处理放在改良后的冷柜(确保处理环境与人工气候箱相似)中进行。以1 ℃·h-1·处理-1的速度降温,达到处理温度后持续3 d。光照14 h,黑暗10 h,湿度70%,光强4 800 lx。9株·处理-1,设3组重复,将每组处理后的成熟展开叶剪下,分别混匀,立刻进行各项生理生化指标的测定,设重复3次·测定-1。
1.3 相关生理生化指标测定方法
采用电导法测定电解质外渗率,考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白质量分数,蒽酮法测定可溶性糖质量分数,酸性茚三酮法测定游离脯氨酸质量分数,氮蓝四唑(NBT)法测定超氧化物歧化酶(SOD)的活性[4]。
2. 结果分析
2.1 叶片形态的变化
叶片的形态变化是植物低温伤害的直接反应[5]。本试验彩叶芋2个品种在低温胁迫下叶片形态的变化情况基本相同。在20 ℃和15 ℃胁迫时,彩叶芋叶片基本无变化,10 ℃时叶片轻度萎蔫、卷缩；5 ℃时叶片色泽加深,卷缩加重；0 ℃时叶片全部萎蔫,呈暗绿色,大面积煮熟状,严重水渍,汁液外渗。
2.2 电导率变化
图 1表明：随着处理温度的降低,彩叶芋2个品种的相对电导率都呈现增加的趋势。在最初低温胁迫时,相对电导率上升缓慢,随后在15~5 ℃急剧上升,5 ℃后又趋于缓慢,在0 ℃达到最大值,5 ℃时2个品种的相对电导率都超过了50％,表明细胞膜被破坏的程度已经很严重。在20 ℃到0 ℃的低温胁迫过程中,红艳彩叶芋的相对电导率一直高于漆斑彩叶芋的电导率,说明红艳彩叶芋对低温比较敏感,漆斑彩叶芋对低温的适应能力强于红艳彩叶芋。经方差分析,不同低温处理和不同品种间相对电导率差异极显著(P＜0.01)。多重比较分析的结果表明,20 ℃处理和对照间相对电导率差异不显著,其余各处理间的相对电导率差异极显著。
图 1 彩叶芋2个品种在低温胁迫下相对电导率的变化Figure 1. Change of the relative electrical conductivity during an artificial drop of temperature in two cultivars of Caladium bicolor2.3 不同品种彩叶芋叶片半致死温度(TLT50)的确定
本试验根据测得的电导率拟合成Logistic方程：y=k/(1+ae-bt),求该方程的二阶导数并令其为0,可获得曲线拐点的t值,即半致死温度TLT50[6]。彩叶芋2个品种的Logistic方程及计算得出的半致死温度TLT50见表 1。从表中的关系式可以看出：该曲线有较好的拟合度,到达显著水平。在3 d低温胁迫下,漆斑彩叶芋和红艳彩叶芋的半致死温度分别为10.5和11.9 ℃,由此可以看：出彩叶芋的耐寒性较差,半致死温度都在10 ℃以上。
表 1 低温胁迫对彩叶芋2个品种相对电导率影响的Logistic方程Table 1. Logistic equation of low-temperature effect electrolytic leakage of the two cultivars of Caladium bicolor品种 t/d a b Logistic 方程 TLT50/℃ 相关系数r 漆斑彩叶芋 3 0.105 -0.214 y=100/ (1+0.105e0214t) 10.5 0.994 红艳彩叶芋 3 0.073 -0.221 y=100/ (1+0.073e0221t) 11.9 0.995 多项式也是常用的拟合曲线的方法,本试验除了用Logistic方程确定半致死温度也采用了多项式拟合曲线求拐点值的方法,得出的拐点值即半致死温度TLT50。在3 d低温胁迫下,漆斑彩叶芋和红艳彩叶芋的半致死温度分别为7.8和10.0 ℃。用多项式拟合曲线得出的半致死温度TLT50比Logistic方程计算得出的半致死温度TLT50低,更符合图 1的彩叶芋2个品种电导率变化的趋势,也与不同温度下叶片形态观察的结果吻合。
2.4 可溶性蛋白的变化
由图 2可以看出：随着温度的降低,彩叶芋2个品种叶片的可溶性蛋白质量分数都呈现先升后降的趋势,在10 ℃达到最大值,然后随温度的降低而下降。说明在开始受到低温胁迫时,可溶性蛋白质量分数增加有助于增强彩叶芋的抗寒性,漆斑彩叶芋在10 ℃胁迫3 d时,可溶性蛋白达到最大值23.29 mg·g-1。红艳彩叶芋也在10 ℃胁迫3 d时出现最大可溶性蛋白17.06 mg·g-1,之后随着胁迫加剧,可溶性蛋白下降,说明植株此时可能己经出现结构损坏。从图 2中还看出：彩叶芋2个品种可溶性蛋白的增幅不同,漆斑彩叶芋的增幅较红艳彩叶芋大,从4.87 mg·g-1增加到23.29 mg·g-1。而彩叶芋2个品种都在15~10 ℃之间可溶性蛋白增加幅度最大,说明15~10 ℃的低温对这2个品种可溶性蛋白的积累影响较大。
图 2 彩叶芋2个品种在低温胁迫下可溶性蛋白的变化Figure 2. Change of the soluble protein during an artificial drop of temperature in two Caladium bicolor cultivars经方差分析,可溶性蛋白质量分数在不同温度间的差异达到极显著水平(P＜0.01),在不同品种间的差异也达到极显著水平(P＜0.01)。多重比较分析表明：0 ℃处理和对照温度,5 ℃和15 ℃处理下可溶性蛋白质量分数差异不显著,其余各温度处理间的可溶性蛋白质量分数差异极显著。
2.5 可溶性糖的变化
如图 3所示：随着胁迫温度的降低,彩叶芋2个品种可溶性糖均呈现先增加后降低的趋势,在5 ℃达到最大值。与对照相比,漆斑彩叶芋与红艳彩叶芋可溶性糖分别增加了393.4%和386.2%,彩叶芋2个品种都在10~5 ℃之间可溶性糖急剧增加,且漆斑彩叶芋的增加幅度较大。在5 ℃以后可溶性糖的质量分数出现快速降低的变化,说明植物此时已经出现细胞内结构损坏的可能,可能已经死亡,但是漆斑彩叶芋的可溶性糖仍然高于红艳彩叶芋。
图 3 彩叶芋2个品种在低温胁迫下可溶性糖的变化Figure 3. Change of the soluble sugar during an artificial drop of temperature in two Caladium bicolor cultivars经方差分析,不同温度、不同品种间可溶性糖质量分数差异均达到极显著水平(P＜0.01)。经多重比较分析,0 ℃和20 ℃处理下可溶性糖含量差异不显著,其余各温度处理间的可溶性糖质量分数差异极显著。
2.6 游离脯氨酸的变化
如图 4所示：在不同低温胁迫温度下,彩叶芋2个品种叶片游离脯氨酸的变化趋势不相同,漆斑彩叶芋呈现逐渐增加的趋势,在0 ℃胁迫时到达最大值105.14 μg·g-1。红艳彩叶芋呈现先增加后降低的趋势,在5 ℃胁迫时到达最大值80.11 μg·g-1。彩叶芋2个品种在低温胁迫下脯氨酸质量分数分别比对照增加了210.1%和242.2%,红艳彩叶芋脯氨酸的增加幅度大于漆斑彩叶芋。
图 4 彩叶芋2个品种在低温胁迫下脯氨酸的 变化Figure 4. Change of the proline during an artificial drop of temperature in two Caladium bicolor cultivars经方差分析,不同低温处理和不同品种间游离脯氨酸质量分数的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。多重比较分析的结果表明10 ℃和15 ℃,15 ℃和20 ℃处理之间游离脯氨酸质量分数差异显著,其余处理之间的游离脯氨酸含量差异极显著。
2.7 超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化
如图 5所示：随着温度的降低,彩叶芋2个品种叶片的SOD的活性总体表现出先升后降的趋势。在20 ℃胁迫时,SOD的活性低于对照组(26 ℃),可能是刚开始胁迫,植株各方面稳定性被打破,细胞内代谢发生紊乱造成的。接下来SOD活性缓慢上升,说明在降温初期,低温促使SOD活性增强,从而清除自由基,保护植物免受低温伤害。但在10 ℃以后SOD活性开始下降,可能是植物无法承受该低温,内部细胞被破坏,SOD在该温度下活性下降或者消失。
图 5 彩叶芋2个品种在低温胁迫下SOD活性的变化Figure 5. Change of the SOD activities during an artificial drop of temperature in two Caladium bicolor cultivars经方差分析,不同低温处理和不同品种间SOD活性差异极显著(P＜0.01)。多重比较分析的结果表明0 ℃和5 ℃之间,10 ℃,20 ℃,对照温度相互之间SOD活性差异不显著,其余处理之间SOD活性差异极显著。
3. 结论与讨论
植物抗寒性是植物抗逆性的一个重要的指标。测定植物抗寒性的方法很多,其中相对电导率是比较常用的方法。植物在低温下最先受到伤害的是膜系统,通过相对电导率来表示植物在低温胁迫下的细胞膜透性变化[7],然后利用Logistic方程计算半致死温度,可以较为快捷、客观地评估植物的抗寒性。宋尚伟等[8]以石榴Punica granatum枝条为试验材料,进行了相对电导率的测定,得出相对电导率越小的品种抗寒性越强；反之,抗寒性越弱。本试验彩叶芋2个品种叶片相对电导率、半致死温度与抗寒性成负相关,这与其他学者的研究结论一致。另外,采用多项式拟合曲线得出的半致死温度与利用Logistic方程计算半致死温度有所不同,前者更符合各项生理生化指标的变化趋势。采用多项式拟合曲线的方法在求植物半致死温度的研究中不常用,在今后的研究中也应该适当增加这方面的内容。
可溶性蛋白与植物抗寒性的关系一方面表现在可溶性蛋白随温度的降低而增加；另一方面表现在抗寒性强的品种,具有更高的可溶性蛋白质量分数[9]。可溶性糖作为主要的渗透调节物质,在植物遭遇低温胁迫时,可溶性糖的积累可以提高细胞液的浓度,降低渗透势,增加保水能力,从而使冰点下降,保持细胞不致遇冷凝固,提高植物机体抗寒能力[10]。本试验彩叶芋叶片可溶性蛋白、可溶性糖都随着温度的降低呈现先升高后降低的趋势。在刚开始低温胁迫时,质量分数增加有助于增强彩叶芋的抗寒性,之后随着胁迫加剧,彩叶芋2个品种生理指标质量分数下降,说明植物此时可能己经出现不可逆转的伤害。和对照组相比,漆斑彩叶芋可溶性蛋白、可溶性糖的增加幅度大于红艳彩叶芋,这也和半致死温度反映出的结果吻合,漆斑彩叶芋的抗寒性大于红艳彩叶芋。
脯氨酸与植物抗寒性的关系尚不统一。一种观点认为脯氨酸的累积与植物抗寒性之间有一定的相关性,随着温度的降低,游离脯氨酸呈明显增加趋势；另一种观点与此相反,认为脯氨酸的累积与抗寒性无关[11]。杨惠等[12]研究陕西核桃Juglans regia栽培品种优系的抗寒性,发现大部分品种优系的游离脯氨酸随温度的变化先增大后减小,抗寒能力较强的品种优系最大值远高于其他品种优系。本试验彩叶芋2个品种游离脯氨酸的变化不尽相同,总体是随着温度的降低呈现增加的趋势,但是在10~5 ℃胁迫时,漆斑彩叶芋的游离脯氨酸继续上升,而红艳彩叶芋下降,并且红艳彩叶芋脯氨酸的增加幅度大于漆斑彩叶芋,这和其他指标呈现的变化不同。因此,笔者认为脯氨酸质量分数的变化与植物抗寒性的关系还值得进一步研究。
超氧化物歧化酶(SOD)是植物体内重要的保护酶,它可以清除超氧阴离子自由基,防止膜脂的过氧化[13]。司剑华等[14]在研究5种柽柳Tamarix 的抗寒性中发现各低温胁迫的5种青海柽柳植物的SOD活性都显著高于对照。本试验彩叶芋2个品种叶片SOD活性的变化趋势基本相同,都是在胁迫开始阶段先降低,然后上升,表明其对低温有一个适应过程,植物体内SOD活性增强起到保护的作用。但是温度进一步降低,超过了一定的范围,植物发生不可逆转的伤害,细胞死亡,SOD失活。
彩叶芋2个品种各个生理指标在低温胁迫下的变化趋势和前人研究的植物抗寒性生理指标变化趋势基本相同[15-16]。根据各个指标的方差分析结果,各个指标在不同温度和不同品种间的差异都达到了极显著水平。
综合比较以上5个抗寒指标,我们可以初步得出漆斑彩叶芋的抗寒性大于红艳彩叶芋的结论。另外,本试验研究的是彩叶芋组培苗的抗寒性,组培苗与块茎繁殖的苗在营养状况和抗性上都有所不同,比刘伟坚等[3]用块茎繁殖的苗抗寒性差。同时刘伟坚等采用经过一个完整生长季节,已进入秋季的苗进行抗寒性试验,彩叶芋叶片已积累了较多的养分,植株已为进入自然越冬阶段做好准备,而本研究采用7月刚进入旺长期的植株,叶片水分高,养分积累较少,抗寒性偏弱。同时,值得注意的是植物的抗寒性受环境的影响较大,在自然界中的生长受到多种环境因子和生物因子的综合作用,该试验是在人工模拟低温的条件下进行抗寒性研究,是以理想气候条件为前提,因此,还应该结合自然环境下彩叶芋的生长情况进行综合考虑。
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表 1 3种试材的气干干缩率统计分析
Table 1. Statistical figures of woods' air-dry shrinkage
材种 试样数/个 径向干缩率/% 弦向干缩率/% 体积干缩率/% 奥克榄 素材 10 3.20 ± 0.009 6 3.20 ± 0.008 6 6.30 ± 0.005 2 炭化材 10 3.10 ± 0.005 9 3.20 ± 0.005 8 6.80 ± 0.005 1 椴木 素材 10 4.60 ± 0.005 9 5.90 ± 0.005 7 10.90 ± 0.006 9 炭化材 10 4.50 ± 0.001 7 6.10 ± 0.003 8 10.30 ± 0.004 9 单瓣豆 素材 10 2.70 ± 0.004 9 5.60 ± 0.005 1 8.90 ± 0.006 1 炭化材 10 2.30 ± 0.004 6 4.40 ± 0.008 7 7.00 ± 0.009 8 说明：表中“±”后数值表示数据的标准差 
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表 2 3种试材的全干干缩率统计分析
Table 2. Statistical figures of woods' absolute-dry shrinkage
材种 试样数/个 径向干缩率/% 弦向干缩率/% 体积干缩率/% 体积干缩系数/% 奥克榄 素材 10 5.30 ± 0.012 1 5.00 ± 0.012 7 10.40 ± 0.004 4 35 ± 0.011 4 炭化材 10 5.10 ± 0.008 0 5.10 ± 0.008 9 11.00 ± 0.014 4 35 ± 0.022 7 椴木 素材 10 7.10 ± 0.003 3 8.10 ± 0.022 6 16.00 ± 0.008 9 53 ± 0.024 0 炭化材 10 7.10 ± 0.002 0 8.90 ± 0.004 3 15.60 ± 0.004 8 52 ± 0.016 2 单瓣豆 素材 10 4.50 ± 0.005 2 8.30 ± 0.009 4 13.20 ± 0.011 4 44 ± 0.016 2 炭化材 10 4.30 ± 0.011 9 7.10 ± 0.010 1 11.80 ± 0.016 9 37 ± 0.038 4 说明：表中“±”后数值表示数据的标准差
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表 3 3种试材的气干湿胀率统计分析
Table 3. Statistical figures of woods' air-dry swelling
材种 试样数/个 径向湿胀率/% 弦向湿胀率/% 体积湿胀率/% 奥克榄 素材 10 1.60 ± 0.003 3 1.50 ± 0.004 2 3.70 ± 0.003 7 炭化材 10 1.20 ± 0.005 2 1.30 ± 0.005 6 2.70 ± 0.010 7 椴木 素材 10 2.00 ± 0.008 4 1.80 ± 0.004 0 4.00 ± 0.004 0 炭化材 10 1.50 ± 0.002 2 1.70 ± 0.014 0 3.30 ± 0.010 7 单瓣豆 素材 10 1.30 ± 0.001 2 1.80 ± 0.000 8 3.40 ± 0.002 3 炭化材 10 1.10 ± 0.003 0 1.70 ± 0.001 8 3.30 ± 0.002 4 说明：表中“±”后数值表示数据的标准差
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表 4 3种试材吸水至尺寸稳定时的湿胀率统计分析
Table 4. Statistical figures of woods' absolute-dry swelling
材种 试样数/个 径向湿胀率/% 弦向湿胀率/% 体积湿胀率/% 奥克榄 素材 10 5.40 ± 0.016 7 6.60 ± 0.010 8 12.90 ± 0.027 4 炭化材 10 5.00 ± 0.015 0 5.00 ± 0.001 9 11.20 ± 0.032 1 椴木 素材 10 9.50 ± 0.015 4 10.90 ± 0.019 6 23.80 ± 0.023 6 炭化材 10 9.30 ± 0.012 7 10.50 ± 0.018 3 21.60 ± 0.013 7 单瓣豆 素材 10 3.90 ± 0.008 4 7.60 ± 0.004 7 12.60 ± 0.019 4 炭化材 10 3.90 ± 0.010 2 6.70 ± 0.011 9 12.30 ± 0.013 8 说明：表中“±”后数值表示数据的标准差
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表 5 3种试材的硬度统计分析
Table 5. Statistical figures of woods' hardnes
材种 试样数/个 弦面硬度/N 径面硬度/N 端面硬度/N 奥克榄 素材 7 2 330.871 ± 906.723 2 328.058 ± 856.433 3 603.304 ± 608.959 炭化材 7 2 049.777 ± 619.954 2 195.692 ± 662.054 4 008.348 ± 652.936 椴木 素材 7 2 737.411 ± 431.892 2 854.308 ± 373.424 4 136.273 ± 413.997 炭化材 7 3 495.514 ± 466.173 3 613.616 ± 430.956 4 667.332 ± 368.028 单瓣豆 素材 7 2 025.848 ± 579.817 2 285.290 ± 663.906 2 331.451 ± 266.435 炭化材 5 2 691.328 ± 898.033 2 711.836 ± 936.238 3 507.094 ± 829.350 说明:表中"±"后数值表示数据的标准差
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[1] 林兰英, 陈志林, 傅峰.木材炭化与炭化物利用研究进展[J].世界林业研究, 2007, 20(5):22-26. LIN Lanying, CHEN Zhilin, FU Feng. Research on development of wood carbonization and chercoal's[J]. World For Res, 2007, 20(5):22-26. [2] 韩蕾.选防腐木还是炭化木?[J].建材与装修情报, 2007(9):227. HAN Lei. Choose preservative wood or carbonized wood?[J]. Build Mat Decor Inf, 2007(9):227. [3] 廖立, 涂登云, 李重根, 等.热处理对尾赤桉木材物理力学性能的影响[J].中南林业科技大学学报, 2013, 33(5):128-131. LIAO Li, TU Dengyun, LI Chonggen, et al. Effects of heat treatment on physical-mechanical properties of E. urophylla×E. camaldulensis[J]. J Cent South Univ For Technol, 2013, 33(5):128-131. [4] 王喆.真空热处理落叶松材性变化规律及其机理研究[D].北京: 中国林业科学研究院, 2017. WANG Zhe. Study on Properties and Mechanism of Larch Wood Modified by Vacuum Heat Treatment[D]. Beijing: Chinese Academy of Forestry, 2017. [5] 唐荣强, 鲍滨福, 李延军.热处理对杉木颜色变化的影响[J].浙江农林大学学报, 2011, 28(3):455-459. TANG Rongqiang, BAO Binfu, LI Yanjun. Heat-treatment influence on Cunninghamia lancoolata dicoloration[J]. J Zhejiang A&F Univ, 2011, 28(3):455-459. [6] 蒋燚, 李志辉, 朱积余, 等.红锥家系木材密度等物理性状的遗传及变异性分析[J].中南林业科技大学学报, 2012, 32(11):9-13. JIANG Yi, LI Zhihui, ZHU Jiyu, et al. Analysis on genetic and variability of wood density and other physical properties Castanopsis hystrix famliy[J]. J Cent South Univ For Technol, 2012, 32(11):9-13. [7] PARK Y, JANG S K, PARK J H, et al. Changes of major chemical components in larch wood through combined treatment of drying and heat treatment using superheated steam[J]. J Wood Sci, 2017, 63(1):1-9. [8] 刘洪海, 杨琳, 吴智慧, 等.真空中温热处理对家具用材力学性能及颜色的影响[J].家具, 2016, 37(6):7-10. LIU Honghai, YANG Lin, WU Zhihui, et al. Effect of medium thermo-vacuum treatment on mechanical properties and colors of the wood for furniture[J]. Furniture, 2016, 37(6):7-10. [9] 曹文, 余友明, 童再康, 等.笔罗子木材物理力学性质的研究[J].浙江林业科技, 2015, 35(4):77-80. CAO Wen, YU Youming, TONG Zaikang, et al. Physico-mechanical properties of Meliosma rigida wood[J]. J Zhejiang For Sci Technol, 2015, 35(4):77-80. [10] 成俊卿, 杨家驹, 刘鹏.中国木材志[M].北京:中国林业出版社, 1992:761. [11] 程大莉.高温热处理杉木木材的工艺及性能研究[D].南京: 南京林业大学, 2007. CHENG Dali. The Study on Technics and Properties of Heat Treated Fir Wood[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2007. [12] BORREGA M, KÄRENLAMPI P P. Hygroscopicity of heat-treated Norway spruce (Picea abies) wood[J]. Eur J Wood Prod, 2010, 68(2):233-235. [13] 周建斌, 邓丛静, 蒋身学, 等.炭化木物理力学性能的研究[J].林产工业, 2008, 35(6):28-31. ZHOU Jianbin, DENG Congjing, JIANG Shenxue, et al. Study on physical and mechanical property carbonized wood[J]. China For Prod Ind, 2008, 35(6):28-31. [14] KUBOJIMA Y, OKANO T, OHTA M. Bending strength and toughness of heat-treated wood[J]. J Wood Sci, 2000, 46(1):8-15. [15] 郭飞, 黄荣凤, 吕建雄, 等.热处理温度与时间对马尾松木材脆性的影响[J].木材工业, 2016, 30(3):9-12. GUO Fei, HUANG Rongfeng, LÜ Jianxiong, et al. Effect of heat treatment parameters on brittleness of masson pine wood[J]. China Wood Ind, 2016, 30(3):9-12. [16] BOONSTRA M J, ACKER J V, TJEERDSMA B F, et al. Strength properties of thermally modified softwoods and its relation to polymeric structural wood constituents[J]. Ann For Sci, 2007, 64(7):679-690. [17] 史蔷, 鲍甫成, 吕建雄, 等.热处理温度对圆盘豆木材力学性能的影响[J].林业机械与木工设备, 2011, 39(1):27-29. SHI Qiang, BAO Fucheng, LÜ Jianxiong, et al. Effect of heat treatment temperature on mechanical properties of okan wood[J]. For Mach Woodwork Equipm, 2011, 39(1):27-29. 期刊类型引用(8)
1. 郭秀丽，廖仁财. 不同施肥措施对桉树组培苗生长的影响. 现代园艺. 2023(02): 22-23+28 . 
百度学术2. 杨小霞，魏甲科，夏建强，方强恩，张勃. 矩镰荚苜蓿越冬期地下芽的组织化学特征与分化规律. 草业科学. 2022(02): 300-308 . 百度学术3. 尹卫，杨国柱，李小安，马蓉蓉，熊丽丽，朱星伟，祁小清，柴晓燕. 紫花苜蓿4个生理指标在冬季自然条件下的变化规律研究. 黑龙江畜牧兽医. 2020(03): 93-96+99 . 百度学术4. 王冲，宋阳. 不同萱草和鸢尾品种的抗寒性比较. 黑龙江农业科学. 2018(06): 26-31 . 百度学术5. 朱友飞，陈凯，韦中绵，赵毅辉，杨梅. 腐殖酸肥料对尾巨桉苗木生长及生理的影响. 北华大学学报(自然科学版). 2018(02): 266-271 . 百度学术6. 任俊杰，赵爽，苏彦苹，齐国辉，李保国. 春季低温胁迫对核桃抗氧化酶指标的影响. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2016(03): 75-81 . 百度学术7. 刘刚，薛喜成. 中华结缕草和皱叶酸模对重金属的吸收以及地理分布差异研究. 西南农业学报. 2015(05): 2249-2254 . 百度学术8. 林奇，王璐，程子航，王晓楠，付连双，李卓夫. 脱驯化对寒地冬小麦抗寒性影响的探析. 中国农学通报. 2015(27): 29-33 . 百度学术其他类型引用(10)
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https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2019.01.022
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