魯東南引種火炬松人工林生長特性與材性變異1)

郭瑩瑩 徐有明 李曉東 李宜文 張志軍

(華中農業大學，武漢，430070) (日照市林業局)

魯東南引種火炬松人工林生長特性與材性變異1)

郭瑩瑩 徐有明 李曉東 李宜文 張志軍

(華中農業大學，武漢，430070) (日照市林業局)

報道了我國魯東南引種栽培火炬松18年生人工林生長、材性的變化規律。18年生林分樹高為8.2m，胸徑為15.38cm，單株材積均值約為0.055 77m3。樹高和胸徑的速生期分別為2～5 a、1～9 a，材積連年生長量和平均生長量曲線的交叉點估測在20～25 a后，其數量成熟齡有待進一步確定。基本密度的徑向變化由髓心處(0.35～0.37g/cm3)向外逐年增加，第8年后趨于穩定(0.44～0.46g/cm3)。髓心處熱水浸提物質量分數最高，可達11.2％。管胞長度、長寬比、壁腔比、腔徑比變化范圍分別為1 582～3 127μm、44.7～70.5、0.23～0.41、0.70～0.81。基本密度與管胞寬度、腔徑、腔徑比多呈負相關，與雙壁厚、壁腔比呈正相關，管胞形態特征值、晚材率、基本密度、浸提物質量分數與生長輪回歸分析，均在F0.01水平上顯著，表明樹齡是材性的主要影響因子。該區引種栽培火炬松木材密度數值較大，管胞形態特征數值好，適宜造紙。該區適宜栽培的用材樹種少，火炬松表現出典型的速生特性，材質好，是值得推廣的用材樹種。

火炬松;生長量;管胞形態;晚材率;木材密度;變異

我國引種栽培火炬松(Pinus taeda)已有80多a，該樹種是我國南方14個省、區建筑用材、造紙材和膠合板材的主要栽培速生樹種之一[1-2]。山東省日照市地處魯東南沿海，為我國引種火炬松的最北端。該區引種栽培火炬松已有20多a的歷史，現已發展到2 000 hm2。該樹種在日照栽培區的生長適應性研究已有報道[3-4]，但目前其生長規律與材性尚缺乏研究。木材性質變異規律的研究是林木材質遺傳改良的基礎，控制木材質量和產量并達到有效的利用就必須很好地了解掌握木材性狀的變異[5-10]。筆者在研究火炬松生長規律的基礎上，重點研究其紙漿材材性的變化，為該區域火炬松培育、林分經營管理和木材資源合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

火炬松試驗林位于日照市嵐山區巨峰鎮，其地理位置是N35°05′～36°02′，E118°35′～119°39′，年均降水量 901mm，年平均氣溫12.6℃，極端低溫-14.5℃，無霜期226d，四季分明;夏季降雨集中，屬暖溫濕潤季風氣候區，與火炬松原產地的氣候條件比較接近。

試驗選擇火炬松2個林分為對象。1號樣地為丘陵山崗，海拔200m，1992年造林;2號樣地為崗地，海拔50m，1990年造林。每個樣地設置20m×30m標準地[11]，選擇中間5行為樣木，按順序測定50株火炬松胸徑和樹高;樹高采用現場估測法，并根據林分樹干枝條樹節的輪數和和林場前8 a樹高測量數據計算火炬松高生長量;每個樣地隨機選取20株，利用內徑5mm生長錐在樹高1.3m處錐取木芯樣本，測定40個生長錐樣本木芯長短徑方向的生長輪寬度、晚材寬度，取均值計算生長輪寬度和晚材率。

從樹皮方向向著髓心切取每輪木材，測定管胞形態特征值、浸提物質量分數和木材密度。木材密度采用最大含水量法測定;利用沸水浴處理樣本前后干質量之差，計算熱水浸提物質量分數;每個樣地選取優勢木、平均木和劣勢木各2株，共計12個樣本，進行管胞形態的測定。管胞形態:將木芯材料切片，并用鉻酸和硝酸混合液離析后，利用光電立體投影儀測定，放大倍數為50、100倍。

數據處理利用軟件Excel、SPSS進行分析。

2 結果與分析

2.1 火炬松生長規律

2.1.1 樹高生長規律

火炬松是典型的速生樹種，圖1為火炬松樹高的平均生長量和連年生長量，樹高的速生期為2～5 a，其峰值為第4年，連年生長量達1.04m;第5年后平均生長量和連年生長量相交。此后，高生長每年約在0.50m，可持續至第10年，總樹高達到6.18m;11 a后樹高生長較慢，18年生林分樹高約為8.2m，此階段樹高生長緩慢，生長量在0.2m左右。樹木的生長過程理論上應成指數增長，但因為單個細胞或器官之間相互作用會限制細胞生長潛力的無限性，樹高總生長曲線近似 S 型[11]。

圖1 火炬松樹高平均生長量、連年生長量和總生長量變化曲線

2.1.2 胸徑生長規律

從圖2可看出，火炬松胸徑在前9 a生長較快，年生長量為0.79～1.21cm，第4年達到最高值1.21cm，10～13 a處于相對穩定期，維持在0.59～0.66cm，14 a后開始降低。18 a后胸徑生長較慢，其生長量僅0.33cm。胸徑的平均生長量與連年生長量相交于第6年，反映出該林齡段林分郁閉，可考慮間伐。胸徑總生長量和樹高總生長量變化趨勢基本相同。日照火炬松帶皮胸徑的總生長量在8～22cm，平均值為15.38cm，多數樹干胸徑為12.1～18.0cm，其胸徑的頻率分布遵從正態分布，符合同齡純林直徑結構分布規律[11]。

圖2 火炬松胸徑連年生長量、平均生長量和總生長量變化曲線

2.1.3 材積生長規律

圖3為日照地區18年生火炬松材積變化曲線，平均生長量和總生長量隨年齡增大逐年增加，材積的連年生長量在1～13 a處于增加階段，第9年開始進入速生期，達到最大值的樹齡比樹高和胸徑生長量達到最高值的樹齡晚得多。18年生單株材積均值為0.055 77m3。材積的連年生長量和平均生長量曲線的交叉點估測在20～25 a后，其數量成熟齡有待進一步確定。

圖3 火炬松材積連年生長量、平均生長量和總生長量變化曲線

2.2 生長輪寬度和晚材率的變異

生長輪寬度是重要的林木生長量指標，能夠反映樹木生長的快慢，晚材率是同一生長輪內晚材寬度與生長輪寬度的比值，與木材密度、力學性質關系密切，對林木良種改良選育的重要指標之一[7-8]。

表1 火炬松生長輪寬度和晚材率的徑向變異

表1為生長輪寬度和晚材率的徑向變異曲線，火炬松的生長輪寬度在由髓心向外第3年達到最大值0.77mm后，有逐年降低的趨勢，在10～13 a趨于穩定，之后繼續遞減;18 a后生長輪寬度只有0.12～0.15mm，直徑生長量也只有0.24～0.30mm，反映該生長階段火炬松生長很慢。晚材率由髓心向外1～8 a有逐漸增加的趨勢，9 a后趨于穩定，晚材率在27％～38％，均值約為30％。

生長輪寬度(y1)、晚材率(y2)和生長輪(x)之間的多項式回歸方程為:

y1=-9E-05x4+0.003 6x3-0.049 1x2+0.215x+0.403 1(x≤18，R2=0.952 5＊＊)，經檢驗在 F0.01水平上顯著。

y2=0.000 4x4-0.017 5x3+0.057 1x2+3.579 8x+3.640 3(x≤18，R2=0.933 6＊＊)，經檢驗在 F0.01水平上顯著。

2.3 火炬松株內管胞形態變異

管胞是針葉材主要組成部分，體積比可達89％～98％;纖維在闊葉材中約占體積50％。二者形態特征中的細胞長度、寬度、長寬比、腔徑、雙壁厚、壁腔比和腔徑比等7個性狀的變化，直接影響木材密度、木材強度、制漿造紙性能及木材資源的加工利用，是材性評價的重要指標[1-2，5-10]。管胞寬度可導致管胞長寬比的變化，間接影響紙張強度。管胞壁厚是針葉材木材質量、基本密度和強度性質的物質基礎，其大小體現了細胞實體物質含量，對木材物理力學性質和造紙的紙漿得率影響很大。管胞腔徑直接影響壁腔比和腔徑比(又稱柔性指數)，從而影響紙漿的強度。

表2為火炬松由髓心向外各生長輪管胞形態特征數值。可看出管胞長度、長寬比呈現逐漸增加的趨勢，長度在1 582～3127μm。其中，管胞長度1～5 a增加較快，6～11 a增加速度下降，14 a以后趨于穩定，此種變異模式屬于Panshin總結管胞長度徑向變異的第一種，與紅松[9]和油松[10]變異模式一致。管胞寬度的徑向變異增加速度明顯比長度變異值小，在35.41～44.52μm。管胞長寬比的變異趨勢與長度變異完全一致，變化范圍為44.7～70.5。管胞腔徑變化趨勢不明顯，寬度和雙壁厚有增加趨勢，二者在第8年趨于穩定。壁腔比和腔徑比呈典型的負相關，相關系數為-0.999＊＊，壁腔比在第8年趨于穩定，變化范圍為0.23～0.41。壁腔比小于1為上等造紙用材[6-10]，柔性指數變化范圍為0.70～0.81。綜合管胞形態值的數值評價，該地區火炬松是紙漿的優質原料。

表2 火炬松不同生長輪管胞形態的變異

管胞形態7個性狀與和生長輪進行回歸分析，其多項式方程見表3，管胞腔徑在F0.05水平上顯著，其余6個性狀在F0.01水平上顯著，反映出樹齡是影響木材性狀變化的主要原因。

2.4 火炬松基本密度、浸提物的變異

木材密度是決定木材物理性質的重要指標。浸提物不是細胞壁結構物質，但其質量分數變化影響到木材密度大小，對木材耐磨性、木材防腐改性處理、紙漿蒸煮、板材干燥膠合和木材強度等方面均具有一定的影響[7-8]。

表4中火炬松木材基本密度徑向變化規律與Panshin密度變異第一種情況相符合，由髓心(0.35～0.37g/cm3)向外逐年增加，第8年后趨于穩定(0.44～0.46g/cm3)。木材熱水浸提物質量分數的徑向變異是，由髓心向外隨生長輪增加浸提物質量分數逐漸降低，第8年后為6.8％～7.8％;髓心處質量分數最高，可達11.2％。基本密度、浸提物質量分數分別與生長輪回歸分析，均在F0.01水平上顯著(表3)，表明樹齡是影響木材密度、浸提物質量分數的主要影響因子。

表3 火炬松管胞形態特征值、木材密度與浸提物質量分數與樹齡相關分析

表4 火炬松基本密度和熱水浸提物質量分數的徑向變異

樹木生長受遺傳因子和環境條件的綜合影響，栽培環境的變化影響到樹木生長，從而導致木材細胞結構尺寸的改變，引起木材密度的變化[7]。木材密度值取決于木材早晚材的比例、浸提物質量分數、細胞尺寸、胞壁厚度、生長速率等。表5中相關系數說明，基本密度與前5 a生長輪寬度呈顯著負相關，6 a后與生長輪寬度相關性不大;基本密度與各生長輪晚材率呈正相關，部分生長輪段顯著;基本密度與前4 a浸提物質量分數正相關，髓心處在0.01水平上顯著，其它生長輪相關系數絕對值為0.052～0.265，無顯著性。基本密度與管胞形態中的長度、長寬比2個因子相關性不明顯，與管胞寬度、腔徑、腔徑比多呈負相關，并且基本密度與腔徑比在部分生長輪段呈顯著負相關。木材基本密度與雙壁厚、壁腔徑比呈正相關，相關系數大，反映出生長輪管胞寬度、腔徑增大，木材密度有由變小的趨勢;壁厚增大，壁腔比增大，木材密度有由變大的趨勢。這與文獻[1]、[2]、[7]、[8]、[13]研究結果一致。

表5 火炬松基本密度與管胞特征間相關分析

3 結論與討論

火炬松在山東日照地區引種栽培表現出速生特性樹種，18年生林分樹高為8.2m，帶皮胸徑為15.38cm，單株材積均值約為0.05577m3。樹高、胸徑速生期分別為2～5 a、1～9 a;18年生后林分，其樹木生長緩慢，樹高和胸徑生長量在0.2m、0.35cm左右。胸徑的平均生長量與連年生長量相交于第6年，反映出魯東南地區火炬松初植密度過大，7年生林分已郁閉，可考慮間伐。其材積連年生長量和平均生長量曲線的交叉點估測在20～25 a后，其數量成熟齡有待進一步確定。

火炬松晚材率由髓心向外1～8 a有逐漸增加的趨勢，9 a后趨于穩定，晚材率在27％～38％，均值約為30％。基本密度的徑向變化由髓心處(0.35～0.37g/cm3)向外逐年增加，第8年后趨于穩定(0.44～0.46g/cm3)。熱水浸提物質量分數由髓心向外隨生長輪增加，其質量分數逐漸降低，第8年后為6.8％～7.8％;髓心處質量分數最高，可達11.2％。管胞長度、寬度、長寬比的徑向變異符合樹木管胞形態變異的一般規律，管胞長度、長寬比、壁腔比、腔徑比變化范圍分別為1 582～3 127μm、44.7～70.5、0.23～0.41、0.70～0.81，符合造紙要求，是很好的造紙原料。

基本密度與前5 a生長輪寬度呈顯著負相關，6 a后與生長輪寬呈相關性不大;基本密度與各生長輪晚材率呈正相關;基本密度與前4 a浸提物質量分數正相關。基本密度與管胞寬度、腔徑、腔徑比多呈負相關，與雙壁厚、壁腔比呈正相關，反映出隨著管胞寬度、腔徑的增大，木材密度有變小的趨勢;隨雙壁厚和壁腔比的增大，木材密度有增大的趨勢。管胞形態特征值、晚材率、基本密度、浸提物質量分數與生長輪回歸分析，均在F0.01水平上顯著，表明樹齡是影響材性的主要影響因子。

魯東南日照地區引種栽培火炬松木材，管胞長寬比變化范圍為44.7～70.5，壁腔比的變化范圍為0.23～0.41，腔徑比變化范圍為0.70～0.81，徑向上8 a后木材密度穩定在0.44～0.46g/cm3范圍內，說明該區火炬松木材密度數值較大，管胞形態特征數值好，適宜造紙。該區適宜栽培的用材樹種少，引種栽培火炬松表現出速生特性，材質好，是值得推廣的用材樹種。

[1] 徐有明，鄒明宏，唐萬鵬.火炬松種源木材管胞特征值的差異分析[J].南京林業大學學報:自然科學版，2002，26(5):15-20.

[2] 徐有明，林漢，班龍海，等.不同環境下火炬松種源造紙材材性遺傳差異與遺傳穩定性分析[J].林業科學，2008，44(6):157-163.

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Growth Characteristics and Wood Property Variations of Exotic Loblolly Pine Planted in the Southeast of Shandong Province，China

/Guo Yingying，Xu Youming，Li Xiaodong(College of Forestry and Horticulture，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，P.R.China);Li Yiwen，Zhang Zhijun(Forestry Bureau of Rizhao City，Shandong Province)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-1～3，7

Loblolly pine;Tree increment;Tracheid morphological features;Latewood percent;Wood density;Variations

S781.1:S791.255

1)國家自然科學基金(30871970)與國際科學基金(IFS2260-3)項目的部分內容。

郭瑩瑩，女，1985年11月生，華中農業大學園藝林學學院，碩士研究生。

徐有明，男，華中農業大學園藝林學學院，教授。E-mail:xuyouming@mail.hzau.edu.cn。

2010年12月21日。

責任編輯:戴芳天。

The variation patterns of tree growth characteristics and wood properties for 18-year-old loblolly pine planted in the southeast of Shandong Province of China were studied.The growth characteristics of two stands were 8.2m in tree height，15.38cm in diameter at breast height(DBH)and 0.055 77m3in volume.The fast growth period was 2-5 years for tree height increment and 1-9 years for DBH.The intersection of annual and mean increment of volume was at 20-25 years，and the quantitative mature age needed for further determination.The radial variation in wood basic density gradually increased from the pith(0.35-0.37g/cm3)to the bark and tended to be stable after 8 years(0.44-0.46g/cm3).The highest hot water extractive content reached 11.2 percent in the pith.The changing ranges of tracheid length，ratios of tracheid length-width，tracheid double wall thickness-diameter and tracheid diameter-width in radial direction were 1582-3 127μm，44.7-70.5，0.23-0.41 and 0.70-0.81 respectively.Basic density was negatively correlated with the tracheid width，tracheid diameter and ratio of tracheid diameter-width，and positively correlated with tracheid wall thickness and ratio of tracheid double wall thickness-diameter.The annual ring number had significant correlations with tracheid morphological features，late wood percentage，basic density and hot-extractive content at the 0.01 level in the regression analysis，indicating that the tree age was the remarkable influence factor on wood properties.The exotic loblolly pine in the southeast of Shandong Province has high basic density and good tracheid morphological features，which meets the pulpwood requirement and can be used as materials of paper-making.There is fewer commercial tree species suitable for cultivation in this area，so it is a recommended variety due to its rapid growth characteristic.