胡興峰，吳 帆，孫曉波，陳厚平，殷安政，季孔庶*

(1.南京林業(yè)大學(xué)林木遺傳與生物技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.安徽省六安市裕安區(qū)國(guó)有林木良種場(chǎng)，安徽 六安 237010)

馬尾松(Pinusmassoniana)是我國(guó)南方主要針葉樹種之一。馬尾松木材管胞較長(zhǎng)、柔韌性強(qiáng)、管胞間易交錯(cuò)、結(jié)合強(qiáng)度大，近30年來，被確定為我國(guó)重要的紙漿用材樹種進(jìn)行定向培育，在我國(guó)造紙?jiān)狭纸ㄔO(shè)中具有特殊地位[1]。相關(guān)研究表明，馬尾松管胞形態(tài)、木材基本密度和微纖絲角等直接決定其木材物理性質(zhì)，影響木材加工利用，尤其是在制漿造紙方面，木材管胞形態(tài)特征與制漿造紙質(zhì)量密切相關(guān)，影響生產(chǎn)紙張的勻度、抗張強(qiáng)度、耐折度、耐破度、撕裂度、形穩(wěn)性和不透明度等指標(biāo)[2-6]。馬尾松地理分布范圍廣，我國(guó)相繼開展了產(chǎn)區(qū)區(qū)劃[7]、立地分類與評(píng)價(jià)[8]、建筑材林培育[9]、種源試驗(yàn)[10-11]、種子園建立[12-13]以及分子水平上的相關(guān)研究[14-15]，并取得了豐碩的研究成果。馬尾松木材微纖絲角[5, 16]、木材密度[17]、管胞長(zhǎng)和寬度[18]等材質(zhì)性狀在種源間、種源內(nèi)的家系間、不同林分、單株間、同一個(gè)體不同組織間差異顯著或極顯著。馬尾松樹高、地徑和冠幅等生長(zhǎng)性狀在地理上存在明顯的緯向變異規(guī)律，呈現(xiàn)出從南向北逐漸減小的變異趨勢(shì)，東西向的變異規(guī)律不顯著[19]。徑向水平上微纖絲角由髓心至樹皮隨年輪增加而明顯減小，之后趨于穩(wěn)定[16]。相關(guān)分析表明，有些研究結(jié)果支撐生長(zhǎng)性狀與基本密度呈顯著正相關(guān)[16]，這種情況下，可以通過生長(zhǎng)性狀的遺傳改良使木材基本密度獲得遺傳增益。但是在多數(shù)研究結(jié)果中，馬尾松的生長(zhǎng)性狀與基本密度之間呈不相關(guān)或者負(fù)相關(guān)[20]，說明通過高生長(zhǎng)量單株的選擇會(huì)對(duì)基本密度產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，同時(shí)也給通過選擇速生且材質(zhì)優(yōu)良的馬尾松優(yōu)株來進(jìn)行遺傳改良帶來了挑戰(zhàn)。

生長(zhǎng)與材性聯(lián)合分析研究是林木遺傳改良的重要研究手段之一，可篩選出綜合性狀優(yōu)良的種源、家系或單株[21-23]。眾所周知，性狀表達(dá)伴隨著林木發(fā)育進(jìn)程而發(fā)生變化，而目前涉及的馬尾松生長(zhǎng)與材性的相關(guān)性研究中大多都是以幼齡林或中齡林馬尾松為試驗(yàn)材料[24]，先前由于試驗(yàn)材料的限制未見成熟材的研究結(jié)果，致使選擇育種結(jié)論與生產(chǎn)實(shí)際無(wú)法準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。因此，本研究以55個(gè)地理種源組成的38年生馬尾松試驗(yàn)林為對(duì)象，通過生長(zhǎng)和材性測(cè)定，了解馬尾松生長(zhǎng)和材性的地理、木材徑向的變異規(guī)律，研究各性狀之間的相關(guān)性，旨在結(jié)合生長(zhǎng)和材性，篩選出綜合性狀優(yōu)良的種源，為紙漿材原料林營(yíng)建提供良種，同時(shí)為相關(guān)研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地及馬尾松種源概況

試驗(yàn)林位于安徽省六安市裕安區(qū)林木良種基地(116°12′E，31°40′N)，北亞熱帶溫暖濕潤(rùn)的季風(fēng)氣候，四季分明，年降雨量1 239.8 mm，無(wú)霜期近225 d，年均氣溫15 ℃，海拔80～110 m，坡度5°～15°，土壤大多為下蜀系黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黏盤黃棕壤，土層厚70～150 cm，pH 5.5～6.5。

1981年春營(yíng)造馬尾松地理種源試驗(yàn)林，造林密度為10 000株/hm2，共64個(gè)種源(表1)，采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，9株小區(qū)(3行，每行3株)，6次重復(fù)。該試驗(yàn)林38年生，期間未間伐，保存率為36.52%，因后期樹木個(gè)體間生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)及病蟲害等原因致9個(gè)種源存活株數(shù)不能滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)分析要求，故本研究?jī)H以滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)分析要求的55個(gè)種源為試驗(yàn)材料。

表1 供試馬尾松種源及編號(hào)

1.2 研究方法

1.2.1 材料獲取

2019年2月，在對(duì)馬尾松胸徑(diameter at breast height, DBH)和樹高(tree height,H)進(jìn)行每木檢尺的基礎(chǔ)上，將55個(gè)種源馬尾松按每小區(qū)每種源挑選3株生長(zhǎng)健壯且無(wú)病蟲害的優(yōu)良單株(最大株)，采用生長(zhǎng)錐(錐徑φ=5.5 mm)在樹木胸高處由南向北方向鉆取一根通過髓心的完整木芯。

1.2.2 基本密度測(cè)定

將木芯自髓心向外，每5個(gè)年輪切一段(1～5、6～10、11～15、16～20、21～25、26～30、31～35、35～38取樣，編號(hào)依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)(圖1)，每年輪段的木材基本密度(basic density, BD,公式中記為dB)采用Smith[25]提出的飽和含水量法(maximum moisture content method)測(cè)定。

圖1 馬尾松完整木芯圖

式中：dBi為i年輪段木芯的基本密度；m為i年輪段木芯充分吸水后的質(zhì)量，g；m0為i年輪段木芯烘干后的質(zhì)量，g；DW為木材物質(zhì)比重(取1.53 g/cm3)。

1.2.3 管胞形態(tài)測(cè)定

將髓心至樹皮第1、6、11、16、21、26、31、36年輪木芯切成0.05 cm小段，采用富蘭克林離析法解離木材，制片，用3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))番紅水溶液染色1 min，將制好的樣片放置在數(shù)碼顯微圖像電腦分析系統(tǒng)上對(duì)木材管胞形態(tài)進(jìn)行測(cè)定，用軟件DigiLabⅡ-C拍照取圖，Motic Images Plus 2.0測(cè)量管胞長(zhǎng)度(tracheid length, TL)和寬度(tracheid width, TW)。管胞長(zhǎng)度在1倍物鏡下測(cè)定，每個(gè)樣品30次重復(fù)；管胞寬度在40倍物鏡下測(cè)定，每個(gè)樣品50次重復(fù)。

1.2.4 微纖絲角測(cè)定

將風(fēng)干木芯從髓心至韌皮部(去掉樹皮)依次取第1、6、11、16、21、26、31、36年輪的早材部分切取厚度約為0.1 cm的試樣，采用X-射線衍射法測(cè)定，測(cè)定儀器及參數(shù)為：Utima Ⅳ組合型多功能水平X-射線衍射儀，X光管為銅靶，管電壓40 kV，管電流為30 mA，測(cè)試范圍90°～270°，掃描速度為72°/min，掃描步距為0.36°。掃描得到試樣的衍射強(qiáng)度曲線圖，利用Origin軟件擬合高斯函數(shù)，采用0.6 T法計(jì)算出微纖絲角(microfibril angle, MFA)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

性狀均值、變異系數(shù)、相關(guān)分析、優(yōu)良種源評(píng)價(jià)和綜合選擇采用Excel 2010和IBM SPSS 20.0軟件進(jìn)行，方差分析利用SAS/STAT軟件中的GLM程序。

1)馬尾松單株立木材積按1978年國(guó)家林業(yè)部頒布的標(biāo)準(zhǔn)材積計(jì)算公式：

V馬尾松=0.000 062 341 803×D1.855 149 7×H0.956 824 92。

式中：V馬尾松為各種源平均材積，m3；D為各種源平均胸徑，cm；H為各種源平均樹高，m。

2)單株材性值據(jù)木芯各齡級(jí)對(duì)應(yīng)性狀與齡級(jí)年輪寬度的加權(quán)平均數(shù)計(jì)算而得。

3)方差分析采用的線性隨機(jī)模型(yijk)：

yijk=μ+αi+βj+εijk。

式中：μ為總體均值；αi為種源效應(yīng)；βi為區(qū)組主效應(yīng)；εijk為隨機(jī)誤差。

4)遺傳參數(shù)估計(jì)。計(jì)算3種遺傳參數(shù)為：

5)利用Origin 2017軟件進(jìn)行性狀地理變異趨勢(shì)作圖。性狀與產(chǎn)地經(jīng)緯度間的相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

6)性狀間相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式：

7)表型協(xié)方差和遺傳協(xié)方差模型如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松各性狀種源變異分析

對(duì)38年生的55個(gè)地理種源馬尾松樹高、胸徑、材積、管胞長(zhǎng)度、管胞寬度、微纖絲角和基本密度7個(gè)性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和表型變異系數(shù)見表2。由表2可見，馬尾松各性狀不同種源平均變異系數(shù)為3.02%～58.61%，其中材性的變異系數(shù)最小，包括管胞長(zhǎng)、寬度和木材基本密度等表型變異系數(shù)均小于10%。

表2 馬尾松各性狀均值、標(biāo)準(zhǔn)差和表型變異系數(shù)

方差分析(表3)表明，馬尾松不同種源的胸徑、樹高、材積、管胞長(zhǎng)度、管胞寬度、微纖絲角和基本密度均差異極顯著(P<0.01)，除管胞寬度和基本密度外，其他性狀在區(qū)組水平間差異極顯著(P<0.01)，說明馬尾松種源管胞寬度和基本密度相對(duì)穩(wěn)定，在區(qū)組間的差異較小。

表3 馬尾松各性狀種源間方差分析

2.2 馬尾松各性狀遺傳參數(shù)估計(jì)

由馬尾松生長(zhǎng)性狀與材性的遺傳參數(shù)估計(jì)(表4)可知，馬尾松各性狀表型變異系數(shù)和遺傳變異系數(shù)的分布范圍分別為3.02%～58.61%和5.56%～28.16%。胸徑、樹高、材積、管胞長(zhǎng)度、管胞寬度、基本密度和微纖絲角均受中度以上遺傳控制，其種源遺傳力分別為0.665 7、0.558 9、0.616 9、0.996 3、0.965 6、0.739 3和0.823 3，且材性種源遺傳力高于生長(zhǎng)性狀的種源遺傳力。

2.3 馬尾松種源性狀隨產(chǎn)地經(jīng)緯度的變異趨勢(shì)

由馬尾松各性狀與經(jīng)緯度的相關(guān)分析(表5)可知，除木材基本密度與經(jīng)度呈不顯著正相關(guān)外，樹高、胸徑、材積、管胞長(zhǎng)度、管胞寬度和微纖絲角與經(jīng)度均呈不顯著負(fù)相關(guān)?；久芏群臀⒗w絲角與緯度呈不顯著正相關(guān)，其他性狀與之呈負(fù)相關(guān)，并且樹高、胸徑和材積與緯度呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為：-0.427、-0.561和-0.539。說明馬尾松的生長(zhǎng)性狀從南向北逐漸減小，其速生種源分布在南部種源區(qū)。由于馬尾松不同種源的水熱條件、海拔等不同，各性狀在地理上表現(xiàn)出一定的變異趨勢(shì)(圖2)，胸徑、樹高和材積總體上從東南向西北逐漸減小，樹高在東經(jīng)111° ～114°處較高，管胞長(zhǎng)度、管胞寬度、基本密度和微纖絲角從南向北先增大后減小，其中管胞長(zhǎng)度、管胞寬度和基本密度均在北緯27°～30°處最大。

表5 馬尾松各性狀與經(jīng)緯度間的相關(guān)性分析

圖2 馬尾松各性狀地理變異趨勢(shì)圖

2.4 不同種源馬尾松材性徑向變化規(guī)律

馬尾松各材性在徑向不同齡級(jí)間差異極顯著(P<0.001)(表6)。馬尾松各材性徑向不同齡級(jí)間存在一定的變化規(guī)律(圖3)，微纖絲角(MFA)從髓心至樹皮總體隨著齡級(jí)增大而減小，變化范圍為20.8°～35.4°，并且第Ⅳ齡級(jí)后各齡級(jí)間變化小于第Ⅳ齡級(jí)前各齡級(jí)間的變化；管胞寬度(TW)從髓心至樹皮總體隨著齡級(jí)的逐漸增大而增大，變化范圍為40.7～47.6 μm，從第Ⅳ齡級(jí)開始變化幅度逐漸減小，至第Ⅶ齡級(jí)后有所上升；管胞長(zhǎng)度(TL)從髓心至樹皮總體隨著齡級(jí)的逐漸增大而增大，變化范圍為2 365.1～4 481.7μm，變化幅度隨著齡級(jí)的增大而減??；基本密度(BD)從髓心至樹皮總體隨著齡級(jí)的逐漸增大而增大，變化范圍為0.499 9～0.747 9 g/cm3。

表6 馬尾松各材性齡級(jí)間方差分析

圖3 馬尾松各性狀不同齡級(jí)遺傳變異分析圖

2.5 不同種源馬尾松各性狀相關(guān)性分析

馬尾松生長(zhǎng)與材性相關(guān)分析(表7)可知，樹高與胸徑，材積與樹高、胸徑的表型相關(guān)系數(shù)分別為0.635、0.719和0.963(P<0.01)。木材基本密度與胸徑、材積的表型相關(guān)系數(shù)分別為-0.231、-0.197(P<0.01)，說明生長(zhǎng)性狀與材性間呈顯著負(fù)相關(guān)，且生長(zhǎng)性狀間的相關(guān)性高于生長(zhǎng)與材性之間的相關(guān)性。管胞長(zhǎng)與寬度間呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，胸徑、樹高與管胞長(zhǎng)度，樹高與木材基本密度，以及材積與微纖絲角均呈不顯著負(fù)相關(guān)。胸徑、樹高與管胞寬度,微纖絲角與胸徑、樹高、管胞寬度和基本密度間呈不顯著正相關(guān)。

表7 馬尾松各性狀間的相關(guān)性分析

通過遺傳相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，管胞長(zhǎng)度與管胞寬度，胸徑與樹高,材積與胸徑、樹高的遺傳相關(guān)系數(shù)分別為0.524、0.632、0.735和0.967(P<0.01)。胸徑與微纖絲角，基本密度與樹高、胸徑、材積的遺傳相關(guān)系數(shù)分別為-0.333、-0.581、-0.417和-0.516(P<0.01)，說明生長(zhǎng)性狀與材性間呈極顯著負(fù)相關(guān)，且生長(zhǎng)性狀間相關(guān)性高于生長(zhǎng)與材性。管胞長(zhǎng)度、寬度與胸徑、樹高和材積，基本密度與管胞長(zhǎng)度、微纖絲角遺傳上呈不顯著正相關(guān);基本密度與管胞寬度,微纖絲角與樹高、材積、管胞寬度和管胞長(zhǎng)度遺傳上均呈不顯著負(fù)相關(guān)。

2.6 馬尾松多性狀綜合指數(shù)選擇

在馬尾松的改良中，期望得到胸徑、樹高和材積大，管胞長(zhǎng)度長(zhǎng)，管胞寬度小，基本密度大，微纖絲角小的優(yōu)良紙漿材種源，為此利用等權(quán)法獲得胸徑(式中記為DDBH)、樹高(H)、材積(V)、管胞長(zhǎng)度(lT)、管胞寬度(WT)、基本密度(dB)和微纖絲角(AMFA)7個(gè)性狀的經(jīng)濟(jì)權(quán)重分別為：0.171 6、0.378 6、6.201 7、0.003 2、-0.298 3、22.360 7、-0.339 7。由以上7個(gè)性狀構(gòu)建綜合指數(shù)選擇方程為：I=0.114 2DDBH0.211 6H+ 3.825 9V+0.003 2lT-0.288 1WT+16.531 3dB-0.279 7AMFA。將各種源各性狀均值代入選擇指數(shù)方程，對(duì)馬尾松所有種源生長(zhǎng)性狀和材性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，獲得平均選擇指數(shù)I=6.041，其標(biāo)準(zhǔn)差(σ)=0.855，再以種源選擇指數(shù)值大于I+2σ=7.751為優(yōu)良種源，共選出了5個(gè)符合改良條件的優(yōu)良種源(表8)，入選率為9.09%，其胸徑、樹高、材積、管胞長(zhǎng)度獲得平均遺傳增益分別為：3.69%、5.72%、15.12%、7.05%。

表8 馬尾松5個(gè)優(yōu)良種源各性狀均值及選擇值指數(shù)

3 討 論

3.1 馬尾松不同種源遺傳變異

筆者利用已達(dá)成熟期的馬尾松種源試驗(yàn)林，發(fā)現(xiàn)38年生的馬尾松胸徑、樹高、材積、管胞長(zhǎng)和寬、基本密度和早材微纖絲角均在種源間差異極顯著(P<0.01)，進(jìn)一步驗(yàn)證了馬尾松在種源水平上各性狀差異顯著的結(jié)論[12-13]，這種差異是由不同種源馬尾松長(zhǎng)期適應(yīng)不同立地條件所致，而馬尾松的天然群體分布廣泛，致使馬尾松生長(zhǎng)和材性形成種源上的差異。

本研究表明馬尾松樹高、胸徑、材積、管胞長(zhǎng)度、管胞寬度和微纖絲角與經(jīng)度均呈不顯著負(fù)相關(guān)?；久芏群臀⒗w絲角與緯度呈不顯著正相關(guān)，其他性狀與之呈負(fù)相關(guān)，并且樹高、胸徑和材積與緯度的負(fù)相關(guān)極顯著，在青錢柳中也有類似的地理變異規(guī)律，但是在局部也有不同的變異趨勢(shì)[27]。本研究表明胸徑、樹高和材積總體上從東南向西北逐漸減小，樹高在東經(jīng)111°～114°處較高，管胞長(zhǎng)度、管胞寬度、基本密度和早材微纖絲角從南向北先增大后減小，其中管胞長(zhǎng)度、管胞寬度和基本密度均在北緯27°～30°處最大。這可能是由于不同種源馬尾松生長(zhǎng)和材性還受到地形地貌、水熱條件、人為活動(dòng)等多種因素的影響，有待進(jìn)一步研究。

3.2 馬尾松不同齡級(jí)材性變化規(guī)律

木材徑向變化是指由于樹干徑向上在木材構(gòu)造、木材組成與木材性質(zhì)方面均有差異的現(xiàn)象。本研究結(jié)果表明，馬尾松基本密度、管胞長(zhǎng)度、寬度及微纖絲角在徑向不同齡級(jí)間差異極顯著，并且存在一定的變化規(guī)律。微纖絲角從髓心至樹皮隨著齡級(jí)逐漸增大而減小，管胞長(zhǎng)度、管胞寬度和基本密度均由髓心至樹皮隨著齡級(jí)的逐漸增大而增大。此結(jié)論與劉青華[28]、譚健暉等[18]、駱秀琴等[29]、毛桃[16]等分別對(duì)24年生、22年生、32年生、11年生馬尾松木材基本密度、管胞長(zhǎng)度、管胞寬度及微纖絲角的研究結(jié)果基本一致，也與其他樹種的研究結(jié)果[30]相似。進(jìn)一步說明成熟材馬尾松木材的基本密度、管胞長(zhǎng)度、管胞寬度及微纖絲角在徑向上存在一定的變化規(guī)律性，總體隨著齡級(jí)逐漸增大而增大或減小。

3.3 馬尾松各性狀相關(guān)性

林木性狀的相關(guān)性反映了樹木各性狀之間的關(guān)系，其目的是通過易測(cè)的性狀指標(biāo)預(yù)測(cè)較難測(cè)的性狀指標(biāo)，達(dá)到間接選擇的目標(biāo)。本研究表明，胸徑、樹高與材積表型之間具顯著相關(guān)性，木材基本密度與胸徑、材積表型上負(fù)相關(guān)；管胞長(zhǎng)度與管胞寬度，胸徑與樹高，材積與胸徑、樹高遺傳上正相關(guān)。胸徑與微纖絲角，基本密度與樹高、胸徑、材積均為遺傳上顯著負(fù)相關(guān)，且生長(zhǎng)性狀間的相關(guān)性高于生長(zhǎng)與材性之間的相關(guān)性，這與鄭仁華等[31]、徐立安等[32]分別對(duì)9年生、12年生馬尾松性狀相關(guān)性研究結(jié)論一致，說明通過胸徑、樹高可以對(duì)材積進(jìn)行正向選擇，而對(duì)胸徑、樹高進(jìn)行選擇時(shí)，基本密度則會(huì)受到一定限制。而與范林元等[33]、毛桃[16]對(duì)6年生、11年生馬尾松相關(guān)性研究結(jié)論不一致。由此可見，以馬尾松幼、中齡林為生長(zhǎng)性狀與材性相關(guān)性研究材料可能會(huì)造成因材料年齡偏小而出現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)誤差。

3.4 馬尾松優(yōu)良種源聯(lián)合選擇

聯(lián)合選擇是多個(gè)性狀綜合考慮的一種選擇方法，在林木遺傳育種中是較為理想的一種選擇方法，且投入人力、物力相對(duì)較小，選擇效率高[34]。本研究通過胸徑、樹高、材積、管胞長(zhǎng)度、管胞寬度、木材基本密度及微纖絲角7個(gè)性狀構(gòu)建指數(shù)方程，從55個(gè)種源中篩選出了5、8、13、40和58號(hào)綜合性狀優(yōu)良的種源，其各性狀分別獲得遺傳增益為3.69%、5.72%、15.12%、7.05%、-1.12%、0.17%和-6.46%，徐立安等[32]選擇出的優(yōu)良種源分布在廣西、廣東、江西、湖南、福建、貴州境內(nèi)的部分種源，與本研究所選擇出的優(yōu)良種源區(qū)基本相似，材積生長(zhǎng)、木材基本密度和木材微纖絲角等性狀的選擇效果明顯，說明通過成熟林馬尾松種源選擇可獲得一定的遺傳增益，能為紙漿材馬尾松原料林營(yíng)建提供速生優(yōu)質(zhì)的相對(duì)可靠種源，這些種源可在與試驗(yàn)點(diǎn)立地條件類似的地區(qū)推廣造林。

致謝：安徽省林木種苗總站原站長(zhǎng)張曉渡高級(jí)工程師，安徽省六安市裕安區(qū)林木良種場(chǎng)原副場(chǎng)長(zhǎng)胡世榮、技術(shù)員王志寬等，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所秦國(guó)峰研究員等對(duì)該地理種源試驗(yàn)林營(yíng)建所做出了貢獻(xiàn)。