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为培育速生优质林木良种, 需要大规模对遗传测定群体活立木材性等重要品质性状开展无损评估。其中, 弹性模量(MOE)是林木建筑用材最重要的力学性质, 能够反映木材的韧性和抵抗变形的能力, 木材的弹性模量越大, 在承受荷载时其变形越小[1-2]。目前, 已成功应用于活立木弹性模量无损评估的是基于应力波速法的AV技术, 它通过测量应力波在开始探头和结束探头之间的传播时间来测得AV值(波速V), 该数值与立木强度具有显著的相关性, 可以作为活立木强度的检测工具[3-5]。Ross等[6]采用应力波检测方法得出木材的弹性模量(MOE)、木材密度(ρ)和应力波速度的关系式: MOE=ρV2, 这为应力波速技术在木材弹性模量无损检测提供了研究基础[7-9]。活立木木材基本密度(ρ)测定的常规方法是用生长锥在其胸径处取木芯, 然后利用饱和含水量法进行测定[10], 虽然该方法获得的数据直观、可靠, 但是成本高、耗时长、具破坏性。Pilodyn是应用最为普遍的一种基于阻力的活立木密度无损快速检测仪器[11-12], 有效地克服了传统检测方法的缺点, 在活立木木材密度评估中已有一定的进展[13-17]。在实现了应力波速(V)和基本密度(ρ)无损评估的基础上, Chen等[5, 18]综合利用了Pilodyn和AV技术, 以Pilodyn探测值估测的木材外部密度作为木材基本密度, 对挪威云杉(Picea abies (L.) H. Karst.)大群体MOE和基本密度(ρ)进行了估测, 首次实现了数千株大群体活立木材性性状的遗传变异分析。
湿地松(Pinus elliottii Engelman var. elliottii)原产于美国东南部, 现已成为我国南方重要的用材树种[19-21]。经过数十年的育种工作, 湿地松生长性状获得较大的改良[22-24], 以弹性模量为代表的力学性状由于受测定技术影响改良进程缓慢[25-28]。因此, 开发操作简单方便、破坏性小且结果可靠的弹性模量无损评估技术, 实现以大群体试验材料为基础的遗传选择和评估, 对提高遗传测定的精度与效率、促进遗传改良进程具有重大现实意义。本研究采用力学阻力仪(Pilodyn)和应力波速记录仪(AV)等活立木无损评估仪器和方法以及木材物理力学常规检测方法, 初步建立湿地松活立木弹性模量评估技术体系, 为湿地松弹性模量等材性性状遗传改良奠定基础, 同时对其它树种材性测定具有参考意义。
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99个湿地松单株材性性状各测定指标的基本情况见表 1。湿地松木材基本密度和弹性模量分别为0.502 0 g·cm-3、4.495 6 GPa, 其中, MOEP极差与方差均较大, 说明弹性模量值变异丰富, 这可能是由于MOEP计算时因子Pr与V2的乘积引起的MOEP值波动较大, 可能会有较好的遗传选择成效。基本密度性状测定指标(ρ、Pr)变异系数较小(CV < 10%), 弹性模量性状测定指标(MOE、MOEP)变异系数较大(CV > 20%), 也说明湿地松弹性模量性状相对于基本密度性状具有更丰富的遗传变异性。
项目Item 均值Mean 最小值Min 最大值Max 极差Range 标准误SE 方差Variance 变异系数CV/% 基本密度p/(g • cm-3) 0.502 0 0.390 0 0.629 4 0.2394 0.0039 0.0014 7.5766 Pilodyn 测定值 Pr/cm 1.987 0 1.625 0 2.3800 0.7550 0.0177 0.0299 8.7086 波速 V/(km • s-1 ) 2.968 9 2. 275 0 4.1710 1.896 0 0.0375 0.1353 12.3878 弹性模量MOE/GPa 4.495 6 2.3370 8.349 4 6.012 4 0.1273 1.5547 27.7359 弹性模量相对值MOEp 17.6875 10.549 8 33.054 8 22.5050 0.5056 21.9850 26.9053 Table 1. Basic information of determination of wood density and MOE of slash pine
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对湿地松木材基本密度性状测定指标(ρ、Pr)和弹性模量性状测定指标(V、MOE、MOEP)进行相关分析, 结果见表 2。从表 2中可以看出: ρ与Pr呈显著负相关关系(P < 0.01), 而这二者基本密度性状测定指标与3个弹性模量性状测定指标之间相关关系不显著或显著性低(P < 0.1);V与MOE及MOEP达到极显著的高度正相关(r > 0.90, P < 0.001)。这说明波速是影响湿地松弹性模量估测的关键因子, 木材密度对弹性模量影响相对较小, 而MOE与MOEP之间也呈极显著高度正相关(r =0.85, P < 0.001), 因此, 可以认为MOEP也可以对MOE进行预测和评估。
项目Item 基本密度P Pilodyn 测定值 Pr 波速V 弹性模量MOE 弹性模量相对值MOEp 基本密度p -0.35** 0.20 0.25* -0.04 (0.01) (0.25) (0.08) (0.73) Pilodyn 测定 -0.11 -0.16 0.19 值Pr (0.62) (0.30 ) (0.28) 波速v 0. 96 *** 0 93 *** ( 0.00 (0.00) 弹性模量 0. 85 *** MOE (0.00) 弹性模量相对 值 MOEp 注: 括号中为该相关系数显著性水平; *代表显著性水平为0.1, **代表显著性水平为0.01, ***代表显著性水平为0.001。
Note: Significance probability of the correlations were given in parenthesis; *, **, *** represent P < 0.05, P < 0.01 and P < 0.001, respectively.Table 2. The correlations of determination of wood density and MOE indexes of slash pine
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湿地松弹性模量测定值与弹性模量(计算值)的线性回归模型为MOEB=2.013 3+0.828 6MOE, 其决定系数R2=0.854 1(图 1)。模型中, 回归常数和回归系数都达极显著水平(P < 0.001), 即MOEB与MOE呈极显著线性相关关系。因此, 利用关系式MOE=ρV2得出的湿地松弹性模量计算值MOE虽然不能作为其标准值, 却完全可以代表弹性模量测定值进行评估与选育。
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湿地松弹性模量与弹性模量相对值的线性回归模型为MOE=0.400 7+0.231 1MOEP, 其决定系数R2为0.734 0(图 2)。模型中, 回归常数(P < 0.05)和回归系数(P < 0.001)都达显著水平, 这说明该线性模型适合于MOE与MOEP之间的回归分析, 也就是说利用Pilodyn法和AV技术得出的测定值Pr和V, 计算出MOEP并应用以上模型即能快速评估弹性模量。
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湿地松弹性模量与波速的线性回归模型为MOE=-5.121 8+3.239 4V, 其决定系数R2为0.921 9(图 3)。模型中, 回归常数和回归系数也都达极显著水平(P < 0.001), 该模型的方差解释率为91.19%, 这说明该线性模型能很好地拟合MOE与V之间的线性回归关系, 即仅利用AV技术也能实现弹性模量评估。