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杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]广泛分布于我国南方17个省区,具有生长快、材质优、产量高等特点,是我国人工林面积最大的造林树种,在林业生产中占重要地位[1]。不同种源杉木在长期适应不同气候环境条件的过程中形成了对环境的不同要求,产生了不同的杉木地理类型[2-4]。为比较不同种源杉木生长和材性差异,俞新妥1958年在国内率先开展了杉木种源试验,从南方各省收集了9个不同种源杉木种子,营造了不同种源的杉木林,取得了一些研究成果[5-7]。并在1979年对23年生不同种源杉木的生长和材性进行了调查,发现不同种源杉木木材材性存在显著差异[7],但由于当时测定时杉木的年龄仅23年,未能揭示种源对杉木材性的长期影响规律。
长期以来不同学者对杉木材性进行了大量研究,取得了一定研究成果[8-10]。施季森等[11]发现杉木生长与材性性状在遗传上可能相互独立。孙成志等[12]对12个杉木种源的研究发现南亚和北亚热带种源材性优于中亚热带种源。王传贵等[13]对较小林龄的33种杉木种源测定发现不同种源杉木材性存在差异,同一种源不同生长点间的材性也存在差异,且不同种源杉木木材的主要物理性质随生长地纬度的增加呈渐增趋势。高建亮等[14]发现30年生杉木萌生林材性优于实生林。韦如萍等[15]发现广东乐昌种源杉木木材基本密度随年龄增大而增加,而管胞长宽比在不同年龄间无显著差异。李魁鹏等[2]发现20年生广西融水红心杉木单株材积与基本密度的相关性不显著。可见,目前有关不同种源杉木材性方面的研究相对较少,以单一种源、无性系和年龄较小的木材材性研究居多[16-18],未能揭示种源对杉木材性的长期影响。
有鉴于此,本研究以1958年营造的61年生全国第一片杉木种源试验林为研究对象,通过对不同种源杉木林分调查,选择标准木取样测定不同种源杉木木材密度、管胞形态、干缩性、湿胀性、抗弯强度、硬度、顺纹抗压强度、抗弯弹性模量、冲击韧性、顺纹抗剪强度等指标,比较不同种源杉木木材材性差异,采用聚类分析和主成分分析方法对不同种源杉木木材特性进行综合评价,为揭示地理种源对杉木材性的长期影响规律和筛选材性优良种源提供科学依据。
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试验地位于福建省三明市莘口教学林场渡头坪(117°30′ E、26°11′ N),属亚热带季风气候,土壤为山地红壤,年平均气温19.5℃,年平均降水量1 700 mm,海拔250~300 m,坡度20~25°。1956年从南方各省收集不同种源的杉木种子,1957年春在福州魁岐苗圃育苗,1957年10月对造林地劈杂炼山,按株行距1 m × 1.3 m进行块状整地(40 cm × 40 cm × 30 cm),1958年春造林。采用随机区组设计,每个种源面积225~530 m2不等。幼林每年抚育1~2次,1973年进行一次抚育间伐,1979年冬部分林分被盗砍,1980年在相应部位补植同一种源苗木。试验林分基本情况见表1,杉木产区划分参考《杉木栽培学》[19]。林下植被主要有乌毛蕨(Blechnum orientale L.)、地菍(Melastoma dodecandrum Lour.)、芒萁(Dicranopteris dichotoma (Thunb.) Berhn.)等。
种源
Provenances产区
Product area面积
Area/m2株数
Quantity/tree平均胸径
Average DBH/cm平均树高
Average height/m平均冠幅
Average crown width/m安徽休宁 Xiuning, Anhui 北带 Northern zone 268.16 33 19.94 17.24 3.38 贵州剑河 Jianhe, Guizhou 中带 Medial zone 225.41 36 18.72 17.16 2.93 四川庐山 Lushan, Sichuan 中带 Medial zone 225.77 40 19.26 17.22 3.35 四川彭县 Pengxian, Sichuan 中带 Medial zone 354.8 38 17.48 17.53 3.77 浙江金华 Jinhua, Zhejiang 中带 Medial zone 282.86 40 19.59 18.71 3.57 湖北竹溪 Zhuxi, Hubei 北带 Northern zone 257.72 16 21.88 19.13 3.73 湖南会同 Huitong, Hunan 中带 Medial zone 265.72 25 20.62 18.84 3.37 福建南平 Nanping, Fujian 中带 Medial zone 268.64 30 21.83 18.52 2.93 广东郁南 Yunan, Guangdong 南带 Southern zone 297.19 24 19.98 17.03 3.53 Table 1. Conditions of Chinese fir provenance test plantation
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由表2得,不同种源杉木的木材气干密度均属2级,但不同种源杉木木材密度和管胞形态存在显著差异。其中,安徽休宁种源的全干密度和气干密度显著高于其他种源,浙江金华与贵州剑河种源的全干密度和气干密度显著低于其他种源。广东郁南种源的管胞长度显著大于其他种源,贵州剑河种源的管胞长度显著低于其他种源。浙江金华种源的管胞宽度最小,贵州剑河种源的管胞宽度最大。广东郁南种源的管胞长宽比显著高于贵州剑河、安徽休宁和湖南会同种源。与该试验林23年生时的研究结果[7]相比,随林龄增加,安徽休宁种源木材密度超过福建南平种源,贵州剑河种源管胞长度仍最小,广东郁南和湖北竹溪种源管胞长度超过福建南平和湖南会同种源。
种源
Provenances全干密度
Oven-dried densities/(g·cm−3)气干密度
Air-dried densities/(g·cm−3)管胞 Tracheid 长度
Length/μm宽度
Width/μm长宽比
Length-width ratioAX 0.46 ± 0.01 a 0.48 ± 0.01 a 3454.57 ± 522.41 d 32.53 ± 6.69 ab 109.76 ± 25.86 b GJ 0.34 ± 0.03 e 0.37 ± 0.03 f 3040.87 ± 760.06 e 34.70 ± 10.32 a 91.72 ± 27.30 c SL 0.41 ± 0.01 c 0.43 ± 0.01 d 3651.30 ± 606.63 cd 31.93 ± 8.08 ab 121.60 ± 36.29 ab SP 0.38 ± 0.03 d 0.40 ± 0.03 e 3405.57 ± 377.63 d 29.73 ± 6.59 bc 122.04 ± 38.70 ab ZJ 0.35 ± 0.01 e 0.37 ± 0.01 f 3393.27 ± 438.48 d 27.97 ± 4.86 c 124.27 ± 22.85 ab HZ 0.37 ± 0.03 d 0.39 ± 0.03 e 3954.13 ± 513.22 ab 34.20 ± 7.19 a 118.92 ± 23.15 ab HH 0.41 ± 0.06 bc 0.44 ± 0.06 cd 3584.37 ± 538.56 cd 32.00 ± 6.38 ab 116.86 ± 31.89 b FN 0.42 ± 0.01 bc 0.46 ± 0.03 b 3788.40 ± 644.52 bc 31.47 ± 4.81 abc 123.44 ± 29.55 ab GY 0.43 ± 0.03 b 0.45 ± 0.02 bc 4161.10 ± 455.03 a 31.67 ± 4.94 abc 135.29 ± 31.11 a 注:AX:安徽休宁种源;GJ:贵州剑河种源;SL:四川庐山种源;SP:四川彭县种源;ZJ:浙江金华种源;HZ:湖北竹溪种源;HH:湖南会同种源;FN:福建南平种源;GY:广东郁南种源。不同小写字母表示不同种源杉木在对应指标上的显著性,不同小写字母表示差异显著,反之差异不显著。下同。
Note: Ax: provenance from Xiuning, Anhui; GJ: provenance from Jianhe, Guizhou; SL: provenance from Lushan, Sichuan; SP: provenance from Pengxian, Sichuan; ZJ: provenance from Jinhua, Zhejiang; HZ: provenance from Zhuxi, Hubei; HH: provenance from Huitong, Hunan; FN: provenance from Nanping, Fujian; GY: provenance from Yunan, Guangdong. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P < 0.05) of wood properties indexes of Chinese fir from different provenances. Different lowercase letters indicate significant difference. Otherwise the difference is not significant. The same as below.Table 2. Comparison of wood density and tracheid morphology of Chinese fir from different provenances
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表3表明,9种不同种源杉木木材干缩性及湿胀性存在显著差异,北带种源木材干缩性及湿胀性略大于中带和南带种源。其中,贵州剑河种源木材体积干缩系数、气干体积湿胀率和吸水体积湿胀率显著小于其他种源。说明贵州剑河种源杉木保持尺寸稳定的能力较强。广东郁南种源杉木气干体积干缩率最小。不同种源杉木气干体积湿胀率大小排序为:安徽休宁 > 福建南平 > 湖北竹溪 > 广东郁南 > 浙江金华 > 四川彭县 > 四川庐山 > 湖南会同 > 贵州剑河。安徽休宁种源杉木吸水体积湿胀率显著高于其他种源,不同种源杉木吸水体积湿胀率大小排序为:安徽休宁 > 湖北竹溪 > 浙江金华 > 四川彭县 > 福建南平 > 四川庐山 > 广东郁南 > 湖南会同 > 贵州剑河。安徽休宁种源杉木差异干缩显著低于贵州剑河、四川彭县、湖北竹溪、湖南会同、福建南平种源,说明安徽休宁种源杉木在干燥过程中相对不易发生开裂和变形。
种源
Provenances体积干缩系数
Volume shrinkage
coefficient气干体积干缩率
Air-dried volume
shrinkage ratio/%气干体积湿胀率
Air-dried volume
swelling ratio/%吸水体积湿胀率
Wet volume
swelling ratio/%差异干缩
Difference of
oven-dried shrinkageAX 0.53 ± 0.09 a 5.67 ± 0.58 a 7.89 ± 1.41 a 14.37 ± 1.42 a 1.96 ± 0.29 e GJ 0.34 ± 0.10 e 4.79 ± 0.96 bc 5.20 ± 1.35 e 10.48 ± 1.86 d 2.83 ± 0.67 a SL 0.45 ± 0.04 bcd 4.99 ± 0.55 b 6.16 ± 0.55 cd 11.72 ± 1.00 c 2.05 ± 0.55 de SP 0.48 ± 0.06 abc 5.79 ± 0.59 a 6.25 ± 0.77 cd 12.78 ± 0.72 b 2.50 ± 0.63 b ZJ 0.49 ± 0.07 ab 5.70 ± 0.84 a 6.50 ± 0.85 cd 12.94 ± 1.70 b 2.18 ± 0.40 de HZ 0.54 ± 0.06 a 4.99 ± 1.16 b 7.29 ± 0.90 ab 12.95 ± 1.60 b 2.23 ± 0.31 cd HH 0.42 ± 0.06 d 4.85 ± 0.49 b 6.00 ± 0.68 d 11.41 ± 1.10 c 2.45 ± 0.36 bc FN 0.45 ± 0.17 bcd 4.35 ± 0.92 cd 7.43 ± 0.83 a 12.32 ± 1.91 bc 2.30 ± 0.22 bcd GY 0.43 ± 0.16 cd 4.22 ± 1.25 d 6.75 ± 1.94 bc 11.51 ± 2.99 c 2.06 ± 0.27 de Table 3. Comparison of shrinkage and swelling of Chinese fir from different provenances
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由图1得到,9种不同种源杉木的力学性质存在显著差异,四川庐山和福建南平种源木材力学性质总体较好,而23年生时福建南平和广东郁南种源木材力学性质较好[7],说明随着林龄增加,福建南平种源杉木材性仍较好,四川庐山种源杉木材性好于广东郁南种源。福建南平种源杉木抗弯弹性模量最大,属2级。贵州剑河种源杉木抗弯弹性模量最小,属1级。安徽休宁种源杉木冲击韧性最高,属2级。湖南会同种源杉木冲击韧性最低,属2级。福建南平种源杉木抗弯强度显著高于其他种源,属2级。安徽休宁与四川庐山种源杉木顺纹抗剪强度较高,属2级。湖北竹溪和浙江金华种源杉木顺纹抗剪强度较低,属1级。福建南平和广东郁南种源杉木顺纹抗压强度较高,属3级。四川彭县、浙江金华和贵州剑河种源杉木顺纹抗压强度较低,属2级。四川庐山、安徽休宁和福建南平种源杉木端面硬度显著高于其他种源,属2级。四川庐山种源杉木弦面硬度显著高于其他种源,属2级。浙江金华种源杉木弦面硬度最小,属2级。四川庐山和福建南平种源杉木径面硬度较高,浙江金华种源杉木径面硬度最小。总体上表现为端面硬度 > 径面硬度 > 弦面硬度。
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由表4得,不同种源杉木材性指标之间存在相关性。全干密度与顺纹抗压强度、弦面硬度及径面硬度存在显著正相关,与端面硬度存在极显著正相关。体积干缩系数与冲击韧性存在显著正相关,与吸水体积湿胀率存在极显著正相关,与差异干缩存在显著负相关。吸水体积湿胀率与冲击韧性存在显著正相关。抗弯弹性模量与管胞长宽比存在显著正相关。冲击韧性与差异干缩存在显著负相关。顺纹抗剪强度与端面硬度、弦面硬度及径面硬度存在显著正相关。顺纹抗压强度与端面硬度、弦面硬度及径面硬度存在显著正相关。端面硬度与弦面硬度及径面硬度存在极显著正相关。弦面硬度与径面硬度存在极显著正相关。
相关系数
Correlation
coefficient全干
密度
Oven-dried
densities体积
干缩
系数
Volume
shrinkage
coefficient吸水
体积
湿胀率
Wet
volume
swelling
ratio抗弯
弹性
模量
Bending
modulus
of
elasticity抗弯
强度
Bending
capacity冲击
韧性
Impact
property顺纹
抗剪
强度
Shear
strength
parallel
to
grain顺纹
抗压
强度
Compression
strength
parallel
to grain端面
硬度
End
face
hardness弦面
硬度
Tangential
face
hardness径面
硬度
Radial
face
hardness差异
干缩
Difference
of
oven-dried
shrinkage管胞
长宽比
Tracheid
length-width
ratio全干密度
Oven-dried densities1 体积干缩系数
Volume shrinkage coefficient0.285 1 吸水体积湿胀率
Wet volume swelling ratio0.372 0.915** 1 抗弯弹性模量
Bending modulus of elasticity0.133 0.278 0.085 1 抗弯强度
Bending capacity0.474 0.117 0.150 0.539 1 冲击韧性
Impact property0.358 0.711* 0.705* −0.178 0.041 1 顺纹抗剪强度
Shear strength parallel to grain0.576 −0.164 0.043 −0.270 0.068 −0.061 1 顺纹抗压强度
Compression strength parallel to grain0.749* −0.021 −0.099 0.298 0.623 0.240 0.290 1 端面硬度
End face hardness0.851** 0.167 0.258 0.364 0.661 0.103 0.698* 0.703* 1 弦面硬度
Tangential face hardness0.698* 0.011 0.012 0.331 0.563 −0.022 0.711* 0.718* 0.921** 1 径面硬度
Radial face hardness0.723* −0.064 −0.052 0.263 0.611 −0.019 0.702* 0.790* 0.911** 0.983** 1 差异干缩
Difference of oven-dried shrinkage−0.660 −0.669* −0.601 −0.339 −0.290 −0.708* −0.196 −0.543 −0.583 −0.512 −0.445 1 管胞长宽比
Tracheid length-width ratio0.348 0.402 0.207 0.765* 0.290 0.264 −0.320 0.470 0.278 0.170 0.127 −0.622 1 注:*表示显著相关(P < 0.05),**表示极显著相关(P < 0.01)。
Note: *Indicates significant difference at P < 0.05, **indicates significant difference at P < 0.01.Table 4. Correlation analysis of wood property indexes of Chinese fir from different provenances
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根据测定的18项材性指标,对9种不同种源杉木进行聚类分析。聚类结果(图2)把9种种源杉木划分为3类,福建南平、广东郁南、四川庐山和安徽休宁种源归为一类,四川彭县、浙江金华、湖北竹溪和湖南会同种源归为一类。贵州剑河种源归为一类。
应用主成分分析方法对全干密度、气干密度、管胞长度、管胞宽度、体积干缩系数、气干体积干缩率、气干体积湿胀率、吸水体积湿胀率、抗弯弹性模量、抗弯强度、冲击韧性、顺纹抗剪强度、顺纹抗压强度、端面硬度、弦面硬度、径面硬度、差异干缩、管胞长宽比18项指标进行降维。由于前4个因子累计贡献率达89.828%,故提取前4个因子F1、F2、F3、F4作为主因子来表征全部18项指标,由此进行不同种源杉木材性的综合评价分析。通过综合得分评价公式:Y = 0.471 2F1 + 0.252 6F2 + 0.164F3 + 0.112 2F4,分别计算4个主因子得分、综合评价得分及排名(表5)。
种源
ProvenancesF1 F2 F3 F4 得分
Score排名
RankingAX 0.50 0.15 0.37 −0.04 0.99 1 GJ −0.83 −0.38 0.12 −0.08 −1.17 9 SL 0.39 −0.23 0.01 0.13 0.30 2 SP −0.31 0.16 0.01 0.14 0.00 5 ZJ −0.41 0.39 −0.08 0.09 −0.01 6 HZ −0.09 0.26 −0.06 −0.18 −0.07 7 HH −0.13 −0.17 −0.05 0.03 −0.32 8 FN 0.50 −0.12 −0.15 0.03 0.26 3 GY 0.37 −0.06 −0.17 −0.12 0.02 4 Table 5. Principal component analysis and comprehensive evaluation of wood properties of Chinese fir from different provenances
根据综合评价得分,9种不同种源杉木木材的材性优劣排序为:安徽休宁 > 四川庐山 > 福建南平 > 广东郁南 > 四川彭县 > 浙江金华 > 湖北竹溪 > 湖南会同 > 贵州剑河。安徽休宁和四川庐山种源杉木材性总体较优。