采脂年限對濕地松活立木不同部位材性變化的影響

武浩然，范艷如，牛小云，欒啟福，李彥杰＊，姜景民，金建兒

(1.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所,浙江 杭州 311400；2.河北農業大學園林與旅游學院,河北 保定 071000；3.杭州市富陽區富春街道辦事處區域發展與治理中心,浙江 杭州 311400)

濕地松（Pinus elliottiiEngelmann）為速生常綠喬木，原產于美國南部[1]，是優良的綠化和經濟樹種。濕地松抗旱、耐澇、耐瘠，具有良好的適應性和抗逆力。其根系發達，易育苗造林，早期生長迅速。該樹種松脂產量高，經加工后可得到松節油、松香等產品，用途廣泛[2]。我國引種始于20 世紀30 年代，目前人工林面積超過200 萬hm2，已成為南方丘陵地區的主要造林樹種之一[3]。

松脂是一種可再生資源，我國松香年產量占世界的1/3，居世界第一位[4]。近年來，采脂對林分生長和木材材性的影響備受關注[5]。研究發現，采脂對林分材積生長和林分生長有抑制作用[6-8]，但也有研究表明采脂對松樹胸徑生長有積極影響[9]。另外，采脂強度與胸徑生長相關，當采脂強度超過60%時，顯著抑制松樹胸徑生長[10]。目前關于濕地松的采脂研究主要集中在其對胸徑生長、材積生長和樹高生長的影響，而采脂對濕地松基本密度和力學性能的影響研究較少。徐慧蘭等[5]對濕地松幼林采脂的研究表明，采脂導致基本密度和力學性能等材性指標不同程度的降低。Jim 等[11]認為木材中的樹脂的缺失可輕微降低部分材性強度。

木材基本密度是決定木材性能最重要的因素之一，直接影響木材強度和木材質量，是研究木材材性利用與木材培育相關性的常用指標[12]。木質素是植物體內僅次于纖維素的第二大有機物質，化學結構中含有羰基、羧基、甲氧基和酚羥基等官能團，已成為生物基新材料開發中的候補材料[13-15]。木質素主要位于纖維素與纖維之間，可起抗壓作用和增強植物體機械強度，利于抵御外界不良環境，另外木質素也可作為輸導組織，利于水分運輸[16]。研究采脂對濕地松不同部位木材基本密度和木質素含量的影響，對科學確定木材加工工藝、提高產品質量具有重要意義。

體積法是測量木材基本密度的傳統方法，這種方法在一定程度上損傷樹干，且不利于大規模的木材密度測定的實施。近年來，通過針刺儀[17-19]間接測量木材基本密度逐漸成為無損評估的方法之一。Resistograph 記錄在鉆入過程中相對應的阻力值和推進深度，通過所得曲線圖，可間接估算木材密度、各年輪寬度和去皮直徑[17,20]。Resistograph 具有便攜和自動保存測定數據的優點，為野外大規模測量提供了可能[19]。因此，本試驗以不同采脂年限的濕地松為材料，結合Resistograph 對不同采脂年限的濕地松基本密度和木質素含量進行估測和對比研究，旨在為不同采脂年限濕地松基本密度和木質素含量的測定建立高效、穩定且便捷的方法，探析采脂對其采脂部位、樹干基部的木材基本密度和木質素含量產生的影響，為濕地松遺傳改良和資源科學利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 林地概況

濕地松試驗林位于安徽省宣城市涇縣琴溪鎮（30°68′ N，118°41′ E），2000 年春季造林，株行距為2 m×3 m，種苗為自由授粉種子園混合苗，在林分年齡12、14、17 a 左右分區塊使用下降式V型割脂法割脂，采脂強度為60%，割脂的單株此后每年繼續割脂。試驗地海拔高度80～180 m，屬于北亞熱帶、副熱帶季風濕潤性氣候，年平均氣溫15.7℃。年降水量1 600 mm，相對濕度84%，土壤為黃壤土，土層厚度為50～100 cm。

1.2 樣品采集

對相同林齡（20 a）的4 個不同采脂年限進行樣品采集，分別為連續采脂8、6、3、0 a 的濕地松。每組選定15 株標準木，共采取60 株。用直徑14 mm 的電動生長錐（坎特伯雷大學林學院，新西蘭）分別在樹干基部（未采脂）和采脂部位（胸徑采脂處）自南向北鉆取穿過髓心的木芯并收集木屑。剔除由于操作不當引起的異常指標值，共得到57 株用于數據分析，其中12 株為采脂8 a 的濕地松，其余3 個采脂年限均為15 株。

1.3 試驗方法

1.3.1 木質素含量測定 將每株采集的木芯和木屑放于烘箱中80℃烘干至恒質量，測定每個木芯烘干后質量，用旋風粉粹機將木屑粉粹成粉末，過40 目篩并做好標記，置于干燥器皿中備用。采用齊一生物科技有限公司（上海）的木質素含量試劑盒測定木質素含量（mg·g-1），具體步驟嚴格按照說明書操作。

1.3.2 木材基本密度測定 木芯采集后，首先利用排水法測定木材基本密度。試樣放在烘箱烘干至恒質量，稱質量（m）。木芯浸水處理48 h，每隔一段時間測定木芯質量，直至木芯質量恒定，以確保木芯含水量達到飽和狀態。將待測的試樣插在針上，并浸沒于水中，試樣不與容器的壁和底相接觸，試樣排水所占體積即為試樣體積（V）。基本密度（ρ）=質量（m）/ 體積（V）。

1.3.3 Resistograth 數據收集 采用Resistograph-IML-RESI 樹木針刺儀（PD500，德國）在每株樹木的樹干基部和采脂部位（胸高處）垂直主干自南向北進行測定，測定時探針經過髓心透過樹干。鉆針推進速度為150 cm·min-1，轉速為2 500 r·min-1，探針直徑1.5 mm。探針每0.1 mm 記錄鉆進深度值及對應阻力值（用振幅百分數表示）。用儀器自帶的PDToolsPro 軟件將測定結果導入Excel 2019。

由于濕地松早晚材密度不同，形成峰谷現象，相鄰兩個峰之間為1 a 生長周期[21]（圖1）。因此可以認為波峰間的鉆進深度為當年的年輪寬度，波峰間的振幅均值可作為密度指數。收集數據時，去除外圍樹皮的不規則波動，選擇可明顯看出樹干的髓心、起止點和年輪處阻力峰值的數據，以髓心以南（起點方向）測得數據為最終分析數據。第1 年的數據不能被準確測出，統計樹齡20 a 到2 a 的年輪數據。每株Resistograph 數據包括19 a 的每年年輪寬度均值（RE）、每年年輪振幅均值（AE）、每株年輪寬度均值（RM）和每株年輪振幅均值（AM）。

圖1 Resistograph 測定的濕地松木材振幅（阻力）曲線Fig.1 Amplitude (resistance) curves of P.elliottii wood measured by Resistograph

1.4 數據分析與整理

利用R 語言對Resistograph 數據進行循環統計，采用SPSS 22.0 對各性狀和指標值進行方差分析和對比分析，并用Excel 2019 和R 語言的ggplot2[22]包進行制圖等。

2 結果與分析

2.1 濕地松不同部位生長錐和Resistograth 測定值

57 株20 年生濕地松的生長錐、Resistograth 測定值如表1 所示，12 株采脂8 a、15 株采脂6 a、15 株采脂3 a、15 株采脂0 a 的濕地松采脂部位的ρ均值分別為0.53、0.50、0.56、0.51 g·cm-3，變異系數分別為8.68%、5.95%、11.15%、6.58%。樹干基部的ρ均值分別為0.48、0.48、0.55、0.53 g·cm-3，變異系數分別為7.21%、7.16%、9.64%、8.51%。采脂部位的RE分別為4.57、4.70、4.25、4.26 mm，變異范圍分別為3.65～5.50、3.53～5.67、3.25～6.05、2.83～5.41 mm，每年的胸徑增長約為每年年輪寬度均值的2 倍，即9.14、9.40、8.50、8.52 mm。采脂部位AM和AE的平均值相同，分別為19.69%、16.58%、19.97%、16.47%，樹干基部AM和AE的平均值相同，分別為18.13%、14.57%、19.00%、16.91%。由變異系數可知，采脂8、6、3、0 a 濕地松采脂部位和樹干基部的AM的變異系數大部分接近20%，比AE的變異系數超出10%以上，顯示ρ變異更多存在于單株間，單株內不同年齡間的平均變異相對較小；同時，采脂部位的RM變異系數接近20%，大于RE的變異系數，表明胸徑的單株變異大于每年增長變異。

表1 采脂8、6、3、0 a 濕地松采脂部位和樹干基部的生長錐、Resistograth 測定值Table 1 Measured values of growth cones and Resistograth of different rossing parts and stem base of P.elliottii for 8,6,3 and 0 years

2.2 木材基本密度和Resistograth 測定值的相關性分析

采脂8、6、3、0 a 的木材ρ與AM的相關系數分別為0.45、0.39、0.50、0.63，均呈顯著正相關或極顯著正相關（圖2）。因此，Resistograth 可用于預測不同采脂年限的濕地松單株的ρ，并建立預測方程。利用 Resistograph 的AM預測ρ的線性回歸方程分別為ρ=0.005 2AM+0.404 4（R=0.45，P＜0.05，df=23）、ρ=0.003 7AM+0.432 1（R=0.39，P＜ 0.05，df=29）、ρ=0.009 8AM+0.365 0（R=0.50，P＜ 0.01，df=29）、ρ=0.008 6AM+0.377 4（R=0.63，P＜ 0.01，df=29）。

圖2 不同采脂時間長度采脂8、6、3、0 a 的采脂部位、樹干基部不同部位的基本密度（ρ）與AM 值的相關分析Fig.2 Correlation analysis of basic density(ρ) and AM values of the rossing parts

采脂8、6、3、0 a 濕地松的采脂部位、樹干基部的ρ和Resistograth 測定值的RM進行Pearson 相關性分析，結果顯示：未采脂和采脂8 a 濕地松的ρ與RM不相關，采脂3、6 a 的ρ與RM的相關系數分別為0.39（P＜ 0.05，df=29）、-0.46（P＜0.01，df=29）；ρ和RE不相關，這可能與環境條件、采脂造成其后期生長過程中ρ和RE發生變化有關。

2.3 Resistograph 測定的各年輪振幅均值與基本密度的相關性

對不同采脂年限濕地松ρ與Resistograph 測定值的AE進行相關性分析可以看出，ρ與AE絕大部分都呈正相關，僅采脂8 a 樹齡為16～17 a 和采脂3 a 樹齡為13 a 的相關系數為負值，且呈不顯著相關（P＞ 0.05）。其中，采脂8 a 與樹齡為1、4、5 a為極顯著相關（P＜ 0.01，df=23），3、10、13 a為顯著相關（P＜ 0.05，df=23）；采脂6 a 樹齡為14、16 a 呈顯著相關（P＜ 0.05，df=29）；采脂3 a 樹齡為1～5、8 a 為極顯著相關（P＜ 0.01，df=29），6、7、9、10 a 為顯著相關（P＜ 0.05，df=29）；未采脂的樹齡為8、10～19 a 呈極顯著正相關，其余均為不顯著相關（圖3）。可見ρ與各年輪振幅的平均值的相關系數R呈顯著或極顯著正相關，在一定程度上解釋了ρ和AM呈正相關的原因。

圖3 不同采脂年限的濕地松基本密度（ρ）與每年年輪振幅均值（AE）的相關系數Fig.3 Correlation coefficient between basic density(ρ) and annual mean amplitude of tree (AE) values of P.elliottii with different years of harvesting

總體來說，采脂8、6、3、0 a 的濕地松樹齡分別為1～5、10、13 a，14、16 a，1～10 a，8、10～19 a 是影響不同采脂年限的濕地松ρ的主要生長期。可以看出，采脂的濕地松10 a 之后ρ與AE的相關系數大部分呈不顯著相關，這與未采脂的濕地松形成了鮮明的對比，可能是采脂對濕地松生長后期的ρ造成了一定的影響。

2.4 不同采脂年限同一部位的木材基本密度分析

對濕地松樹干基部而言，采脂3 a 的ρ顯著高于采脂8、6、0 a 的ρ，采脂8、6 a 的ρ顯著低于未采脂ρ，而采脂6 a 和采脂8 a 的ρ間無顯著性差異。可以得出，一定范圍內，采脂使濕地松樹干基部ρ呈先升高后降低的變化，但總體趨勢是造成其ρ降低。對采脂部位而言，采脂3 a 的ρ顯著高于采脂6、0 a 的ρ，但與采脂8 a 的ρ無差異，采脂8、6、0 a 的ρ三者之間無顯著性差異（圖4）。因此，采脂對濕地松采脂部位的ρ的影響，僅出現在采脂前幾年，后期對其影響逐漸減小，表現出其一定的恢復性。

圖4 不同采脂年限對基本密度（ρ）的影響Fig.4 Effects of different years of fat harvesting on basic density(ρ)

2.5 不同采脂年限同一部位木質素含量及其與Resistograth 測定值的相關性分析

將木質素含量與Resistograth 測定的AM和ρ進行相關性分析，相關系數都大于0，未達到顯著水平，因此濕地松木質素含量與ρ和AM無相關性或相關性很低。

對采脂部位而言，采脂6 a 的濕地松木質素含量顯著低于采脂8、3、0 a 的木質素含量，為32.40%，采脂8、3、0 a 的木質素含量彼此之間無顯著性差異。對樹干基部而言，4 個采脂年限組間無顯著性差異，但采脂6 a 的木質素含量較低（圖5）。因此，采脂可導致木質素含量發生顯著性改變，且在一定程度上隨著采脂年限的增加木質素含量呈先減少后增加的趨勢，當采脂年限增加到一定范圍，其表現出較強的恢復能力。

2.6 同一采脂年限不同部位的木質素含量、基本密度分析

分別對4 個不同采脂年限濕地松采脂部位和樹干基部的ρ、木質素含量進行差異性分析。結果顯示，采脂3、0 a 濕地松不同部位之間的ρ無顯著差異（P＞ 0.05），采脂6 a 和采脂8 a 的采脂部位和樹干基部有顯著性差異（P=0.03 ＜ 0.05、df=29，P≈ 0.01 ＜ 0.01、df=23），且采脂部位ρ顯著高于樹干基部（圖4、5）。4 個采脂年限濕地松不同部位的木質素含量無顯著性差異。隨著采脂年限的增加，在一定程度上可以造成采脂部位和樹干基部的ρ產生顯著性差異，但對兩個部位的木質素含量無影響。

圖 5 不同采脂年限對木質素含量的影響Fig.5 Effects of different years of fat harvesting on lignin content

3 討論

相關研究表明，在多個樹種中，Resistograph與ρ表型值呈正相關。趙奮成等[18]、丁顯印等[17]研究顯示，18 年生、24 年生濕地松的Resistograph阻力值和ρ的表型相關系數（rp）分別為0.66、0.50；Gantz[23]報道，10 年生輻射松（P.radiataD.Don）、10～16 年生加勒比松 (P.caribaeaMorelet）針刺儀阻力值和木材密度的表型相關系數（rp）分別為0.41～0.58、0.77～0.78。本研究對采脂年限為8、6、3、0 a 的20 年生濕地松的ρ進行直接和間接的測定，Resistograph 阻力值和ρ的相關系數為0.39～0.63，且都呈顯著的正相關。這與趙奮成等[18]和丁顯印等[17]的研究結果相似，表明針刺儀同樣適用于預測采脂后的濕地松單株的ρ。但Resistograph 測定值AE與ρ的相關性從活立木外側到髓心未全達到顯著水平，這與丁顯印等[17]的研究結果存在差異。4 個采脂年限的濕地松10 a 以后Resistograph 測定值AE與ρ的相關性存在差異，有可能與采脂有關，也有可能是周圍環境的影響。趙奮成等[18]研究得出，針刺儀數據校正后，對阻力值與ρ的相關系數并沒有顯著性優化，故本試驗沒有對數據進行校正。

目前關于濕地松的采脂研究主要集中在其對胸徑生長、材積生長和樹高生長的影響。本研究對20 年生濕地松進行不同采脂年限處理，分析了不同采脂年限對濕地松不同部位ρ和木質素含量的影響。采脂可影響濕地松采脂部位的ρ，主要表現在采脂前幾年ρ顯著提高，后期對其影響逐漸減小。采脂使濕地松樹干基部的ρ呈先升高后降低的變化，但總體趨勢是其ρ降低。陳鑒朝[24]的研究顯示采脂對木材的力學性能除了沖擊韌性降低外，其它性能略有提高，本研究采脂部位的結果與其有相似之處，且采脂6 a 以上濕地松采脂部位的ρ高于樹干基部的ρ，更符合前者的研究結果。而徐慧蘭等[5]對5～9 年生濕地松采脂的研究結果顯示，采脂導致密度變小，這與本研究樹干基部的結果相似，而與采脂部位的結果存在差異，推測其原因為起始采脂林齡的差異造成。濕地松從5 a 到11 a 屬于林木胸徑、樹高和單株材積由速生期向緩慢生長期過渡的階段[25]。徐慧蘭等[5]對濕地松的起始采脂林齡處于速生期，本試驗起始采脂林齡處于緩慢生長期。這種差異也可能與生長率、晚材率和纖維形態的變化等有關[11]，有待進一步研究。

木質素可起抗壓和增強植物體機械強度的作用，木質素含量降低會給植物本身生長帶來不利影響，消弱其對不良環境的抵抗[26]。采脂6 a 的濕地松采脂部位木質素含量顯著低于其它3 個處理，而另外3 個處理無顯著差異。這與陳鑒朝[24]的研究結果相反，與徐慧蘭[5]的研究結果相符。采脂強度提高，造成割面擴大，使木材質量降低，且常造成心材腐爛，病蟲害發生[10]。這可能是木質素含量降低的結果。一定采脂年限范圍內，采脂會使濕地松采脂部位木質素含量降低，而對樹干基部影響不大。對同一采脂年限的濕地松兩個部位的木質素變化結果顯示，同一株濕地松的不同部位的木質素含量無差異，且采脂對其也無影響。采脂只影響濕地松整體采脂部位木質素含量發生顯著變化。

4 結論

（1）采脂8、6、3、0 a 的濕地松基本密度（ρ）與每株年輪振幅均值（AM）在單株水平上的表型相關系數分別為0.45、0.39、0.50、0.63，可通過預測方程ρ=0.005 2AM+0.404 4、ρ=0.003 7AM+0.432 1、ρ=0.009 8AM+0.365 0、ρ=0.008 6AM+0.377 4 來估算ρ，針刺儀同樣適用于預測采脂后的濕地松單株的ρ。濕地松木質素含量與Resistograth 測定的AM相關性不顯著，針刺儀Resistograth 不可用來預測木質素含量。

（2）采脂對濕地松的基本密度（ρ）和木質素含量具有一定的影響。一定范圍內，樹干基部的ρ表現為先升高后降低，最后顯著低于未采脂的ρ；而采脂部位的ρ先升高后降低，最終與未采脂的ρ無差異。采脂部位的木質素含量表現為先降低后恢復到未采脂的木質素含量水平，而采脂對樹干基部的木質素含量無影響。

（3）本試驗中采脂6 a 以上的濕地松，其采脂部位的基本密度（ρ）顯著高于樹干基部的基本密度（ρ）；采脂對兩個部位之間的木質素含量無影響。