不同干形云南松的木材解剖特征及其化學(xué)成分分析*

劉子騰，朱梅彩，陳松陽，縱 丹，楊曉瑞，邱 堅 ，何承忠,4

(1.西南林業(yè)大學(xué)，云南省高校林木遺傳改良與繁育重點實驗室，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué)，西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)和草原局重點實驗室，云南 昆明 650224；3.西南林業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，云南昆明 650233；4.西南林業(yè)大學(xué)，西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室，云南 昆明 650224)

云南松(Pinus yunnanensis)作為中國西南地區(qū)的先鋒造林重要樹種，具有生長快、材質(zhì)好、耐干旱瘠薄和天然更新能力強等優(yōu)良特性，廣泛分布于云貴高原，對云南省經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-2]。近年來對云南松的研究發(fā)現(xiàn)：由于自然災(zāi)害、環(huán)境變化和人為干擾等因素的影響，云南松天然林存在很嚴重的衰退現(xiàn)象[3-4]，如林分生長量持續(xù)下降、遺傳多樣性減小、林分遺傳品質(zhì)退化，同時伴隨形成許多“扭松”“矮松”等個體，生態(tài)與經(jīng)濟效益也隨之下降[5]。其中，尤以主干扭曲或彎曲不良個體比例增加較為顯著[6-7]，嚴重制約了云南松林的生態(tài)和社會效益，如何有效調(diào)控和減少不良個體的占比是當前云南松林分改良中急需解決的問題。因此，云南松不同干形形成機制的研究備受關(guān)注。前人主要從發(fā)生規(guī)律、機制及遺傳特性等方面展開了研究[8]，如以主干通直和彎扭的云南松為試驗材料，研究對比了其針葉性狀的變化規(guī)律[9]、球果和種子差異[10-11]、種子萌發(fā)特性[12]、子代苗木生長表現(xiàn)[5,13]和生物量[14]等，但關(guān)于云南松主干彎扭的原因尚無定論。

木材解剖是研究木材結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，與木材物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)。楊凱博等[15]研究了云南松木材結(jié)構(gòu)多樣性的變化規(guī)律并分析了其木材結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系，認為云南松種群不僅具有足夠的當前適合度，而且具備更大的進化靈活性，進化潛力很大。王海林等[16]和熊暉等[17]采用石蠟切片法對不同海拔、不同產(chǎn)脂量云南松的針葉、樹干韌皮部和木質(zhì)部的組成性樹脂道特征進行解剖觀察，結(jié)果表明：高產(chǎn)脂與低產(chǎn)脂云南松的針葉樹脂道數(shù)量、樹干木質(zhì)部樹脂道密度、韌皮部樹脂道大小及單位長度樹脂道數(shù)量存在極顯著差異(P＜0.01)，但不同海拔之間無顯著差異。樊衛(wèi)東等[18]利用光學(xué)顯微鏡對直干和彎干云南松的解剖結(jié)構(gòu)進行觀測，結(jié)果顯示：直干和彎干云南松解剖結(jié)構(gòu)基本一致，彎干樹脂道的數(shù)量比直干云南松多?？梢?，國內(nèi)外對云南松樹干的解剖研究較為有限，直干和扭曲干云南松木材組織解剖及化學(xué)成分的相關(guān)研究還未見報道。本研究以直干形和扭曲干形云南松樹干木質(zhì)部為試驗材料，通過對其木材的宏觀特征觀察和微觀解剖特征比較，并運用熒光成像法以及比色法對其木質(zhì)素進行定性和定量分析，揭示2 種干形云南松的木材結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分差異，以期為后續(xù)從分子水平解析云南松不同干形形成機制奠定基礎(chǔ)，同時為云南松材性的遺傳改良提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以云南省楚雄州永仁縣方山(N26°00＇24″，E101°36＇42″，海拔2 200～2 377 m)自然生境下長勢相近且樹齡大于25 年的云南松為研究對象，在地勢平坦無坡度的云南松林中設(shè)置3 個10 m×10 m 的樣地，樣地間隔1 km，每個樣地選取直干形和扭曲干形云南松各1 株，直干形云南松分別編號為S1、S2和S3，扭曲干形云南松分別編號為T1、T2和T3，在樹干上每隔1 m 標記東、南、西、北4 個方向。

1.2 研究方法

1.2.1 宏觀特征觀察

(1)含水率和基本密度的測定

向相關(guān)部門提出申請并獲得批準后對木材進行砍伐。根據(jù)《木材物理力學(xué)試材采集方法》(GB/T 1927—2009)，立即在樹干1 m 處截取2 個厚5 cm 的圓盤，清除木屑和易脫落部分，用自封袋妥善保管備用；帶回實驗室后按照《木材含水率測定方法》(GB/T 1931—2009)將2 個5 cm厚的圓盤制備成10 個20 mm×20 mm×20 mm 的小木塊用于測定生材含水率，并運用ET-320 密度儀測定其基本密度。

(2)云南松木材端面觀察

在直干云南松樹干1.3 m 處和扭曲干云南松樹干最彎曲處截取厚3 cm 的圓盤，分別用400、800、1 000 和1 500 目的砂紙對圓盤進行打磨和拋光，觀察云南松端面形態(tài)特征。

(3)年輪分析及晚材率的測定

采用德國RINNTECH 數(shù)字型年輪分析儀(LINTABTM6)在光滑的直干和扭曲干云南松圓盤上分別從東、南、西、北4 個方向測得年輪數(shù)、年輪總寬度、早材寬度和晚材寬度，以4 個方向的最小年輪數(shù)為實際年輪數(shù)，以最大年輪數(shù)與最小年輪數(shù)的差值為假年輪數(shù)。根據(jù)《木材年輪寬度和晚材率測定方法》(GB/T 1930—2009)分別計算4 個方向的年輪平均寬度Rb(精確至0.01 mm)和晚材率Lw(精確至1%)，計算公式為：

式中：b為整年輪總寬度，mm；n為整年輪數(shù)；ΣLb為晚材總寬度，mm。

將每株云南松4 個方向測得的年輪總寬度、早材寬度、晚材寬度、年輪平均寬度和晚材率取平均值作為最終結(jié)果。

1.2.2 微觀特征觀測

(1)解剖特征觀察

在直干云南松圓盤上通過髓心截取1 cm×1 cm×1 cm 的小木塊(圖1a)；在扭曲干云南松圓盤上的應(yīng)壓木(twisted compression wood，TCW，即年輪偏寬一側(cè))和對應(yīng)木(twisted opposite wood，TOW，即年輪偏窄一側(cè))分別截取1 cm×1 cm×1 cm 的小木塊(圖1b)用于解剖結(jié)構(gòu)觀察。截取的小木塊置于高壓鍋中軟化4 h，用Leica 2000R滑走切片機切取厚10 μm 的橫、徑、弦切片，將切片置于包埋盒中，依次放入蒸餾水(3 min)→1%番紅水溶液(4 h)→蒸餾水(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 (體積比1∶1，3 min)→正丁醇(3 min)→正丁醇—二甲苯(體積比1∶1，3 min)→二甲苯(3 min)。用小鑷子將切片從二甲苯中取出置于載玻片上，每個載玻片從左到右分別放橫、徑、弦3 個切片，在載玻片上加適量中性樹膠，用蓋玻片封片。在Nikon ECLIPSE 80i生物數(shù)碼顯微鏡下觀察三切面的解剖特征，用Image 在橫切面上測量樹脂道直徑，在徑切面上測量紋孔直徑，在弦切面上測量木射線高度。

圖1 取樣示意圖Fig.1 Sampling diagram

(2)熒光顯微鏡觀察

運用劃走切片機另切取厚5 μm 的橫切片，將切片置于裝滿蒸餾水的培養(yǎng)皿中，用小毛筆輕輕拍打，去除碎屑，用甘油封片，在烤片機上120 ℃烘烤，直至沒有氣泡產(chǎn)生，用紙巾擦除多余甘油，將切片置于熒光顯微鏡下進行熒光拍攝。

(3)管胞主要特征觀察

用美工刀在直干云南松圓盤以及扭曲干云南松圓盤的對應(yīng)木和應(yīng)壓木上分別取長約1.5 cm、粗細如火柴棍的木條5 根，放入裝有30%雙氧水—冰乙酸混合液(體積比1∶1)的試管中，混合液沒過小木條后，將試管置于90 ℃水浴鍋中加熱至木材變白，用清水洗凈，加入1%番紅O 染色劑(沒過木材)染色8 h，用蒸餾水洗去浮色后再用蒸餾水封片，制備成管胞離析臨時切片[19]。運用Nikon ECLIPSE 80i 生物數(shù)碼顯微鏡對管胞進行拍攝，用Image 測量管胞長度、寬度和腔徑，并計算雙壁厚、腔徑比和壁腔比。每項指標測量100 個數(shù)據(jù)。

1.2.3 化學(xué)成分分析

(1)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的測定

直干和扭曲干云南松木材均于植株高度的1/5 處(基部)、1/3 處(中部)和2/3 處(梢部)分別截取厚5 cm 的圓盤(取樣總量不少于1 kg)。直干云南松圓盤從髓心剖成2 份(圖1c)，取其中1 份為化學(xué)成分分析材料；扭曲干云南松圓盤剖成四等份(圖1d)，取TOW 和TCW 為化學(xué)成分分析材料。將上述樣品分別粉碎后，過60 和100 目篩，將木粉分類裝好，置于通風(fēng)良好、無酸、堿性氣體的室內(nèi)干燥。采用比色法[20]測量直干云南松木材以及扭曲干云南松木材應(yīng)壓木和對應(yīng)木的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的絕對含量。

(2)傅里葉紅外光譜分析

為驗證扭曲干云南松木材主要化學(xué)成分的準確性，采用紅外光譜進行進一步分析。稱取上述100 目樣品粉末0.1～0.3 mg 置于瑪瑙研缽中，加入10～30 mg 溴化鉀粉末，充分研磨混合并在磨具內(nèi)壓片。使用布魯克VERTEX 80/80v 傅里葉變換紅外光譜儀進行測試，得到傅里葉紅外光譜數(shù)據(jù)，其中光譜分辨率設(shè)置為4 cm-1，掃描次數(shù)設(shè)置為42 次，使用Excel 和OMNIC 軟件進行基線校正和歸一化處理。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)使用Excel 和SPSS 進行統(tǒng)計及分析，用Graphpad 和Origin 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1.1 含水率和基本密度

2.1 不同干形云南松木材的宏觀特征

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)，但二者之間差異不顯著(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 端面結(jié)構(gòu)

不同干形云南松木材端面比較顯示：直干云南松年輪分布均勻，呈現(xiàn)同心圓特征(圖2a)；扭曲干云南松年輪呈偏心不對稱分布(圖2b)，表現(xiàn)出典型的應(yīng)壓木和對應(yīng)木特征。進一步觀察扭曲干云南松木材端面發(fā)現(xiàn)：從髓心開始的1～4 年或1～5 年形成的是同心圓，年輪分布均勻，并未出現(xiàn)偏心和年輪寬窄不一的特點。

2.1.3 年輪及晚材率

由表2 可知：直干云南松的總年輪寬度和平均年輪寬度均大于扭曲干云南松；直干云南松的年輪寬度為0.27～7.00 mm，扭曲干云南松的年輪寬度為0.11～7.60 mm；扭曲干云南松的晚材總寬度(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輪和晚材率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觀特征

2.2.1 解剖特征分析

對直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的對應(yīng)木(TOW)和應(yīng)壓木(TCW)的橫切面、徑切面和弦切面的微觀結(jié)構(gòu)進行比較，結(jié)果顯示：S 的早、晚材區(qū)分非常明顯，為急變型，單個樹脂道主要集中于晚材，呈零星分布(圖3a)；TOW的早、晚材為急變型，但其寬度較S 窄，成排的樹脂道集中分布于晚材(圖3b)；TCW 的早、晚材過渡緩慢，存在明顯的過渡區(qū)，急變特征不明顯，趨向于漸變型，樹脂道成排存在于晚材中，且數(shù)量遠多于S (圖3c)。橫切面上，S 與TOW的晚材細胞形狀均為四邊形，排列規(guī)整(圖3d、3e)，而TCW 的晚材細胞由于受到擠壓，出現(xiàn)成片的缺口，細胞形狀由四邊形逐漸變成橢圓形乃至圓形，細胞排列不規(guī)整，細胞壁明顯增厚，相應(yīng)的細胞腔變小，細胞間隙變大且增多(圖3f)；S 的早材細胞表現(xiàn)為四邊形或五邊形等多邊形，排列規(guī)整(圖3g)，TOW 的早材細胞排列規(guī)則度略低(圖3h)，TCW 的早材細胞部分的膠質(zhì)層與細胞壁分離，且伴隨著細胞內(nèi)卷的特征(圖3i)。徑切面上(圖3j～3l)，S、TOW 和TCW的交叉場均為窗格形，射線管胞壁呈現(xiàn)鋸齒狀加厚，紋孔分布和排列無明顯區(qū)別，且TCW 存在明顯的螺紋裂隙。弦切面上(圖3m～3o)，S、TOW 和TCW的木射線均屬于單列和紡錘型，紡錘型木射線具有橫向樹脂道。在不同干形云南松中，創(chuàng)傷樹脂道的數(shù)量由多到少依次為TCW＞TOW＞S。

圖3 不同干形云南松木材的三切面微觀構(gòu)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對應(yīng)木(TOW)和應(yīng)壓木(TCW)中樹脂道的平均直徑分別為161.57、178.33 和164.61 μm；平均木射線高度最高的是TCW(244.75 μm)，其次為S (239.14 μm)，最短的是TOW (219.98 μm)；不同干形云南松木材的紋孔直徑無顯著差異。

表3 不同干形云南松木材的解剖結(jié)構(gòu)特征Tab.3 Anatomical characteristics ofP.yunnanensislumber with different stem forms

2.2.2 熒光圖像分析

由圖4 可知：直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的對應(yīng)木(TOW)和應(yīng)壓木(TCW)的細胞形態(tài)存在差異，S 和TOW 的細胞為六邊形，TCW 的細胞呈圓形。S 與TOW 在不同形態(tài)區(qū)域的木質(zhì)素均勻分布，進一步觀察顯示：細胞角隅(cell corner，CC)和胞間層(cellular middle layer，CML)區(qū)域遠高于次生壁(圖4a～b)，而TCW 的木質(zhì)素在不同形態(tài)區(qū)域分布并不均勻，在次生壁S2 層外層(S2L)和CC 區(qū)域檢測到熒光強度增加，在CML 的熒光強度減弱(圖4c)。

圖4 不同干形云南松木材的熒光圖 (40×)Fig.4 Fluorescence figure ofP.yunnanensislumber with different stem forms

2.2.3 管胞主要特征參數(shù)分析

由圖5 可知：直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的對應(yīng)木(TOW)和應(yīng)壓木(TCW)的管胞特征參數(shù)存在明顯差異，其中平均管胞長度、寬度和腔徑在早材和晚材中的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為S＞TOW＞TCW，且S 和TCW 之間存在顯著差異(P＜0.05)；早材中細胞壁厚度和壁腔比表現(xiàn)為S＜TOW＜TCW，晚材中直干云南松木材的細胞壁厚度顯著大于扭曲干云南松木材，且TOW 的細胞壁厚最薄。

圖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學(xué)成分

2.3.1 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量

由圖6 可知：直干云南松木材(S)、扭曲干云南松木材的對應(yīng)木(TOW)和應(yīng)壓木(TCW)的主要化學(xué)成分含量均存在差異，其中，半纖維素和木質(zhì)素的含量表現(xiàn)為TCW 顯著高于TOW 和S，而TCW 的纖維素含量顯著低于TOW 和S，3 種化學(xué)成分的含量在TOW 和S 間無顯著差異。

圖6 不同干形云南松木材的主要化學(xué)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學(xué)成分的傅里葉紅外光譜分析

由圖7 可知：經(jīng)歸一化處理后，扭曲干云南松木材的應(yīng)壓木(TCW)和對應(yīng)木(TOW)紅外光譜的形狀以及特征峰的位置和數(shù)量相似，但吸收峰強度不同，表明兩者化學(xué)組分一致，但化學(xué)成分含量有一定差異。其中，TOW 的木質(zhì)素吸收峰(1 596 cm-1附近的苯環(huán)碳骨架振動)明顯低于TCW，表明TCW 中木質(zhì)素含量較高；TOW 的纖維素吸收峰(2 830 cm-1處為C-H 和C-H2 拉伸，776 cm-1處為C-H 彎曲振動)高于TCW，表明TOW 中纖維素含量較高；此外，在1 360 cm-1處(C-H 彎曲振動)，TOW 和TCW 的吸收峰強度相似，但在1 110 cm-1處(C-O-C 伸縮振動) TCW的吸收強度較大，表明其半纖維素含量較高。

圖7 扭曲干云南松的紅外光譜分析Fig.7 Infrared spectroscopy analysis ofP.yunnanensiswith twisted stems

3 討論

木材解剖結(jié)構(gòu)特征與木材材性密切相關(guān)。與正常木材相比，應(yīng)壓木的細胞結(jié)構(gòu)有很大差異[21]。應(yīng)壓木解剖的顯著特征為管胞較圓，圓形管胞間有大量胞間隙，管胞壁增厚，管胞長度比對應(yīng)木短10%～40%，管胞直徑相應(yīng)較小[22-23]。本研究中，扭曲干云南松木材的解剖結(jié)構(gòu)具有應(yīng)壓木的特征，與直干云南松木材(S)相比，扭曲干云南松木材的對應(yīng)木(TOW)和應(yīng)壓木(TCW)管胞顯著變短、早材細胞壁增厚，這與馬尾松(Pinus Massoniana)[24]、火炬松(Pinus taeda)[25]、紅松(Pinus koraiensis)[26]和白皮松(Pinus BungeanaZucc.)[27]等應(yīng)壓木的解剖結(jié)果一致；TOW 和 TCW的晚材細胞壁厚度均小于S，說明扭曲干云南松在生長過程中本身的彎曲生長造成了受力不均，同時遺傳因素也可能是晚材細胞壁厚度小于直干云南松的原因[28]。

木質(zhì)素的沉積不僅可增強細胞壁的韌度，還能增加細胞壁的抗壓能力，對木材品質(zhì)具有重要意義[29]。高木質(zhì)素和低纖維素含量是應(yīng)壓木的重要特征[22]。張勝龍等[30]測定了拉彎誘導(dǎo)形成的杉木應(yīng)壓木木質(zhì)素含量，發(fā)現(xiàn)該含量較對應(yīng)木高21.85%；馬尾松枝椏材應(yīng)壓木的木質(zhì)素含量較對應(yīng)木高41%[31]；誘導(dǎo)形成的美洲落葉松應(yīng)壓木的木質(zhì)素含量是正常木的1.41 倍[32]。本研究中，TCW 的纖維素含量較 TOW 和 S 分別低 14.36% 和 13.14%，其木質(zhì)素含量分別較 TOW 和 S 高 18.31% 和 17.63%，其半纖維素含量分別較TOW 和S 高28.39%和32.96%。綜上所述，扭曲干云南松木材具備應(yīng)壓木的所有特征，是典型的應(yīng)壓木木材。

熒光顯微鏡廣泛用于觀察木質(zhì)素在木材細胞中的分布特征，木質(zhì)素的相對含量取決于熒光圖像的亮度[33-34]。ZHANG 等[27]運用熒光顯微鏡對以風(fēng)為誘導(dǎo)形成的白皮松應(yīng)壓木木質(zhì)素分布進行觀察，發(fā)現(xiàn)其細胞角隅存在大量細胞間隙，次生壁包含1 個明顯的S2L 層，但在細胞周圍并不連續(xù)，細胞壁略呈圓形，無螺紋裂隙，木質(zhì)素主要集中于CC 和S2L，CML 中存在少量，為輕度應(yīng)壓木[35]。本研究扭曲干云南松木材的應(yīng)壓木呈現(xiàn)圓形的細胞輪廓、有很厚的細胞壁和大量細胞間隙，次生壁包含1 個高度木質(zhì)化的S2L 層連續(xù)分布于整個細胞周圍，且有獨特的螺紋裂隙，缺乏S3 層，屬于嚴重應(yīng)壓木[35]；直干云南松木材和扭曲干云南松木材的對應(yīng)木細胞呈四邊形或多邊形，木質(zhì)素集中于CC 和CML。綜上所述，正常木向應(yīng)壓木轉(zhuǎn)變時，胞間層的木質(zhì)化降低，而S2L 層的木質(zhì)化增加[36-38]，說明應(yīng)壓木的形成對木質(zhì)素的分布和主要化學(xué)成分含量均有一定影響[23,39]。

4 結(jié)論

扭曲干云南松木材屬于嚴重應(yīng)壓木，管胞排列規(guī)整度降低，出現(xiàn)裂口、內(nèi)卷、變圓，管胞壁明顯增厚，腔徑減小，細胞間隙增多變大，存在大量螺紋裂隙，創(chuàng)傷樹脂道數(shù)量明顯增多；具有高木質(zhì)素和低纖維素含量的特征，木質(zhì)素主要分布于細胞角隅和次生壁S2 層外層。直干云南松木材和扭曲干云南松木材對應(yīng)木的木質(zhì)素集中于細胞角隅和胞間層。