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木材品质是通过木材密度、木材强度、纤维长度、纤维宽度、纤维长宽比、微纤丝角、纤维素含量等材性性状来定量评价的,其中,木材基本密度和纤维形态是纸浆材材性研究最基础的2个性状。木材基本密度影响力学强度,决定木材及纤维制品的产量和品质;纤维形态与纸浆质量和纸张强度密切相关[1]。马尾松Pinus massoniana具有速生丰产、适应性强和材性优良等优点,是中国南方山地主要的针叶用材树种。马尾松木材主要用作造纸、建筑和板材等。作为用材树种,最重要的是生长和材性性状,其中材性性状是衡量木材品质的最重要指标[2]。ZOBEL等[3]也曾指出:在初步的树木选择中要特别强调木材质量,因为木材性状遗传相当稳定,因而能够取得良好的效果。因此,对木材性状进行遗传改良是人工用材林经营中提高木材品质的最根本措施。鉴于马尾松是重要的纸浆材树种,国内外学者研究了马尾松木材基本密度和纤维形态在株内、株间[4]、种源[5-6]、家系[7-8]及无性系间的变异,以及立地条件和经营措施[9-10]对木材基本密度和纤维形态的影响。以上研究表明:木材基本密度和纤维形态均存在着较大的遗传变异,在种源间、家系间、无性系间以及株间和株内不同部位均存在明显的变异。其中,木材基本密度的家系遗传力为0.46[11],无性系重复力为0.63[12],受较强的遗传控制。谭健晖等[8]通过对马尾松半同胞家系纤维形态遗传变异的研究,表明晚材的纤维长度和宽度的家系遗传力分别为0.42和0.51,认为家系水平的纤维改良潜力较大。但这些马尾松的材性研究主要集中在中幼龄期,而随着树木年龄的增加,材性变异规律也会随之发生变化。因此,对马尾松幼龄—成熟龄期木材基本密度和纤维形态的变异及相关研究至关重要。本研究以浙江省淳安县姥山林场34年生马尾松无性系试验林为研究对象,选取5个不同产地的50个无性系,研究了木材基本密度和纤维形态在产地间和产地内无性系间的遗传变异、性状间相关及幼龄—成熟期的相关性,同时选育材性优良的马尾松无性系,以提高选择育种的效率和性状改良的潜力。
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方差分析结果(表1)显示:马尾松木材基本密度在产地间和产地内无性系间皆存在着极显著变异(P<0.001)。50个无性系的木材基本密度均值为0.461 g·cm−3,变化范围为0.350~0.636 g·cm−3,变异系数为10.94%。由此可知,木材基本密度的变异较为丰富,有较大的选择潜力。木材基本密度在产地间和产地内无性系间变异分别为总变异的22.88%和26.71%,产地内变异大于产地间,因此在充分利用产地间变异的同时,更应重视产地内优树的选择。木材基本密度在幼龄材、过渡龄材和成熟材的无性系均值分别为0.576、0.452和0.449 g·cm−3,幼龄材基本密度高于过渡龄材和成熟材,这可能是幼龄材松脂类浸提物含量较高的缘故。同时,发现木材基本密度在幼龄材、过渡龄材和成熟材的产地间和产地内皆存在显著(P<0.01)或极显著(P<0.001)差异,并且在幼龄材和过渡龄材、成熟材之间的差异也较显著(P<0.05),但过渡龄材和成熟材差异不显著(P>0.05)。而相对于过渡龄材和成熟材,木材基本密度在幼龄材的变化范围较大,变异系数亦较高,说明马尾松木材基本密度在早期具有较大的选择潜力。
参数 木材基本密度/(g·cm−3) 纤维长度/mm 幼龄材 过渡龄材 成熟材 总计 幼龄材 过渡龄材 成熟材 总计 均值±标准差 0.576±0.143 a 0.452±0.055 b 0.449±0.063 b 0.461±0.050 2.11±0.35 c 3.04±0.27 b 3.18±0.26 a 2.77±0.22 变幅 0.369~1.066 0.326~0.622 0.329~0.929 0.350~0.636 1.28~3.01 2.10~3.62 2.30~3.78 2.11~3.30 变异系数/% 24.84 12.11 13.92 10.94 16.66 8.83 8.19 8.08 方差分量/% σp2 8.29*** 26.79*** 10.25** 22.88*** 12.66*** 4.13 7.16*** 13.14** σc2 0.00 24.31*** 21.60*** 26.71*** 2.10 15.69** 16.21** 19.37** σe2 91.71 48.90 68.15 50.41 85.24 80.18 76.63 67.48 参数 纤维宽度/µm 纤维长宽比 幼龄材 过渡龄材 成熟材 总计 幼龄材 过渡龄材 成熟材 总计 均值±标准差 19.51±2.11 b 33.45±3.35 a 33.32±3.04 a 28.76±2.05 108.28±14.58 a 91.41±10.55 c 96.06±11.55 b 98.58±8.43 变幅 15.31~27.70 26.00~40.50 25.70~43.30 24.15~34.93 67.85~145.36 71.75~121.40 62.61~123.89 75.13~116.51 变异系数/% 10.82 10.01 9.13 7.16 13.47 11.54 12.02 8.55 方差分量/% σp2 16.32*** 38.93*** 18.22*** 45.57*** 0 13.34*** 0.49 2.16 σc2 11.08* 8.64* 13.99** 15.06*** 12.58* 5.18 20.01** 28.26*** σe2 72.60 52.42 67.79 39.37 87.42 81.48 79.50 69.58 说明:*表示P<0.05,**表示P<0.01,***表示P<0.001;不同小写字母表示同一性状同一参数在幼龄材、过渡龄材和成熟材之间 差异显著(P<0.05) Table 1. Result of ANOVA and genetic parameter estimates for wood basic density and fiber morphology of P. massoniana clones
纤维长度、纤维宽度和纤维长宽比在产地间和产地内均存在一定幅度的变异,变异系数从大到小依次为纤维长宽比、纤维长度、纤维宽度,均低于10%,表明这3个性状较为稳定。纤维长度和纤维宽度在产地间和产地内均存在显著(P<0.01)或极显著(P<0.001)差异。纤维长宽比在产地内差异明显,但在产地间差异不显著(P>0.05)。其中,纤维宽度的遗传变异主要来源于产地间,而纤维长度、纤维长宽比的遗传变异主要来源于产地内无性系间,表明纤维宽度通过产地间选择将会获得较大的遗传增益。相反,纤维长度和纤维长宽比通过产地内选择可取到较好的遗传改良效果。纤维长度、纤维宽度和纤维长宽比的无性系均值在幼龄材和成熟材差异均显著(P<0.05),且成熟材的纤维长度和纤维宽度高于幼龄材,而成熟材的纤维长宽比低于幼龄材。纤维长度、纤维宽度和纤维长宽比在幼龄材、过渡龄材和成熟材的变动幅度都较大,表明这3个纤维性状在不同生长期皆存在丰富的变异,具有较大的选择潜力。
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由表2可知:木材基本密度和纤维长度、纤维长宽比具有极显著(P<0.001)的中等强度遗传负相关和显著(P<0.01)的弱度表型负相关,并且遗传相关系数均高于其表型相关系数。木材基本密度与纤维宽度呈表型和遗传的正相关,但相关不显著(P>0.05)。说明提高马尾松木材基本密度会降低纤维长度和纤维长宽比,但对纤维宽度没有明显的影响。纤维长度与纤维宽度、纤维长宽比呈极显著(P<0.001)的表型和遗传正相关。
性状 纤维长度 纤维宽度 纤维长宽比 木材基本密度 纤维长度 0.461*** 0.484*** −0.436*** 纤维宽度 0.371*** −0.544*** 0.010 纤维长宽比 0.691*** −0.380*** −0.409*** 木材基本密度 −0.181** 0.056 −0.241*** 说明:*表示P<0.05,**表示P<0.01,***表示P<0.001。上 三角为遗传相关,下三角为表型相关 Table 2. Genetic correlation and phenotypic correlation between wood basic density and fiber morphology
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从表3可见:幼龄—成熟期的纤维长度、纤维宽度和纤维长宽比呈极显著(P<0.001)的遗传正相关,而纤维长度、纤维长宽比均呈极显著(P<0.001)的弱度表型正相关,纤维宽度在幼龄—成熟期表型相关不显著(P>0.05)。纤维形态在幼龄—成熟期遗传相关系数均大于0.66,幼龄—成熟期表型相关系数为0.138~0.293。遗传相关系数去掉了环境因素的影响,比较真实地反映2个性状间的相关关系,因此纤维长度、纤维宽度和纤维长宽比可作为材性进行早期选择。但这3个性状的表型相关小于其遗传相关,故早期选择时应考虑立地条件、气候等环境因素的影响。幼龄—成熟期马尾松木材基本密度的表型相关系数为0.135,相关系数较小且不显著(P>0.05),说明木材基本密度进行早期预测是不可靠的。
性状 遗传相关 表型相关 纤维长度 1.000*** 0.293*** 纤维宽度 0.749*** 0.138 纤维长宽比 0.664*** 0.187** 木材基本密度 − 0.135 说明:−表示相关系数接近0,变量间不相关。*表示 P<0.05,**表示P<0.01,***表示P<0.001 Table 3. Correlation coefficients of wood basic density and fiber morphology between the juvenile wood and the mature wood
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在林木材性改良中,希望获得密度大且纤维长的优良材料,但只考虑纤维长度,会使单根纤维的成纸强度较大而纤维间结合力较差。纤维长宽比更能科学评价纤维特征与纸张性能的关系。因此,以木材基本密度和纤维长宽比大于群体平均值进行选择,共选出材性优良的马尾松无性系12个(表4)。马尾松优良无性系主要从贵州、浙江和江西3个主产地选出,而在江西产地中,能获得具有最优木材性状的无性系。即在所选择的优良无性系中,木材基本密度最高的无性系是6119,为0.531 g·cm−3;而纤维长宽比最大的无性系是6309,纤维长度为3.23 cm,纤维长宽比达107.81。
优良无性系 产地 木材基本密度/(g·cm−3) 纤维长宽比 1208 贵州 0.467 99.41 1235 0.468 99.66 1247 0.500 108.09 1218 0.481 101.62 3615 安徽 0.462 102.44 5123 浙江 0.494 102.44 5148 0.506 100.79 5405 0.484 101.69 6119 江西 0.531 104.10 6135 0.483 99.84 6309 0.475 107.81 6109 0.496 101.36 均值 0.464 93.76 Table 4. Selection for superior clones based on wood basic density and fibre length-width ratio