王曉穩(wěn)，侯丹，夏德安，楊傳平，魏志剛

〔林木遺傳育種國家重點實驗室(東北林業(yè)大學)，黑龍江 哈爾濱 150040〕

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紅松種源碳匯關聯(lián)性狀變異與高碳匯優(yōu)良種源選擇

王曉穩(wěn)，侯丹，夏德安，楊傳平，魏志剛

〔林木遺傳育種國家重點實驗室(東北林業(yè)大學)，黑龍江 哈爾濱 150040〕

為研究紅松不同種源含碳量性狀的變異模式和選擇高碳匯優(yōu)良種源用于碳匯林的營造，以黑龍江省尚志市帽兒山試驗林場20年生紅松種源試驗林21個種源為對象，分別測定和分析了樹高、胸徑、材積，樹根、樹冠、樹干與單株干質量、含碳率和含碳量，并對上述性狀地理變異規(guī)模影響因素進行了分析。結果表明：除樹冠、樹根干重與樹冠含碳量外，其余性狀種源間均存在顯著或極顯著差異。樹高、胸徑、材積、樹干總干質量、樹木總干質量和樹木總含碳量性狀在其分布區(qū)內呈現(xiàn)出從高海拔向低海拔增大的連續(xù)性漸變模式，其反映了紅松各種源對溫度因子的高度適應性。紅松種源層次含碳量性狀的遺傳力為53.92%，汪清種源含碳量達到41.49 kg，選擇汪清種源在老爺嶺-張廣才嶺地區(qū)推廣可獲得50.73%的遺傳增益。以胸徑為指標對含碳量進行間接選擇，選擇出的優(yōu)良種源依然為汪清種源，含碳量性狀間接選擇遺傳增益為29.97%。

紅松；生長性狀；含碳量；遺傳變異；種源選擇

森林作為地球上最龐大、最復雜的陸地生態(tài)系統(tǒng)，其獨特的固碳釋氧、穩(wěn)定大氣成分和氣候系統(tǒng)等生態(tài)功能是其他任何生態(tài)系統(tǒng)都無法替代的，通過不斷增加森林碳匯吸收二氧化碳的提議得到了世界各國一致認可，而高效固碳植物的篩選培育、造林、再造林、森林經營等是森林碳增匯的主要措施。目前，對于森林的固碳能力及其碳匯效益的研究報道較多,而對樹種固碳能力和碳匯效益方面的研究主要集中在對城市綠化樹種的固碳釋氧量的研究方面,對人工林樹種從固碳效率和碳匯效益角度進行選育的研究尚未有報道。然而,不同的樹種具有不同的固碳效率和碳匯能力，而且各樹種不同器官保存碳的量也不同。在發(fā)展碳匯林業(yè)中，造林后50～100年內不能采伐，因此，選擇適合碳匯林業(yè)課題造林的樹種需進一步考慮林木生長周期。此外，從文獻檢索來看，目前為止，國內尚無以綜合考慮固碳效率和生長年限為基礎的高固碳林木良種選育研究。因此，針對東北林區(qū)生長周期長的一些主要造林樹種，開展以碳匯能力大小為目標性狀良種選育和技術研究，可為我國未來森林碳匯產業(yè)的發(fā)展奠定堅實基礎。

紅松(PinuskoraiensisSieb. et Zucc)為松科松屬常綠喬木是第三紀孑遺植物，有東北“軟木之王”的美譽[1]，主要分布于我國黑龍江省小興安嶺、完達山、張廣才嶺及老爺嶺，吉林省和遼寧省的山區(qū)，為上述地區(qū)的珍貴鄉(xiāng)土樹種[2]。紅松分布區(qū)內地形地貌迥異、生態(tài)氣候類型豐富，經過長期的地理隔離、自然和人工選擇，理論上天然群體應該存在較豐富的遺傳變異和較強的適應力[3-6]。我國從“六五”起就相繼開展了紅松研究，但主要集中在造林和生態(tài)學研究領域，紅松遺傳改良方面的研究相對較少[7-10]。紅松良種選育的前期工作，為保存和利用紅松優(yōu)良種質資源材料奠定了良好的工作基礎，也初步解決了東北地區(qū)紅松造林過程中存在的引種混亂，造林用良種缺乏和遺傳改良程度低的問題。但目前為止，尚未有關紅松高固碳良種選育方面的研究報道[11,12]。本文以帽兒山地區(qū)20年生紅松種源試驗林為研究材料，對所選材料的樹高、胸徑、材積，紅松根、干、冠和單株鮮重與干重、含碳率和含碳量性狀進行測定和分析，目的是進一步研究紅松上述性狀種源水平的變異、變異的模式及生態(tài)因子在變異模式中的作用，在此基礎上，為該地區(qū)選擇含碳量高的優(yōu)良種源。本項研究將為進一步選擇和培育高碳匯林木良種提供必要借鑒。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地點位于東北林業(yè)大學帽兒山試驗林場，行政區(qū)劃隸屬黑龍江省尚志市帽兒山鎮(zhèn)東北林業(yè)大學試驗林場內，屬張廣才嶺西坡。試驗地地理坐標為45°24′ N，127°30′ E，海拔高度356 m。

1.2材料來源

該試驗林1982年育苗，1985年造林。造林采用完全隨機區(qū)組設計，5個區(qū)組，21個種源，每小區(qū)100株，2行排列，株行距1.0 m×2.0 m。2003年，每行采取隔株疏伐對試驗林進行了撫育管理，疏伐后株行距為2.0 m×2.0 m。各種源采種地點的地理生態(tài)氣候條件見表1。

表1　紅松種源試驗各種原的地理坐標和氣候條件

1.3調查方法

1.3.1生長調查與確定樣株為了減少破壞性取樣對試驗林的影響，2011年秋季在種源試驗林內選擇3個區(qū)組進行了樹高和胸徑的調查，每小區(qū)調查10株作為小區(qū)平均數(shù)。以小區(qū)平均數(shù)為標準，選擇2株高與胸徑最接近平均木的單株作為試驗材料，并做好標記，總計126株作為試驗材料。

1.3.2伐倒樹木進行各部分鮮質量的測量對上述已標記的紅松植株樣樹連根拔出來。將整株樹木分成根、樹干、側枝、樹葉、球果五部分分別測量鮮質量。

樹干：將樹干從根莖連接處開始(0 m)，每2 m一段鋸斷，測量每段的鮮質量。并在每段的中間位置取一個2～3 cm厚的圓盤，測量該圓盤的樹皮鮮質量和去皮鮮質量。然后將圓盤帶回實驗室內測量干質量。

樹根：在拽倒樹木時，盡可能將樹根完整取出，取出樹根后，將樹根分成小根(直徑≤2 cm)、中根(2 cm<直徑≤5 cm)、大根(直徑>5 cm)、樹樁4部分，分別測量4部分的鮮質量。然后從4部分中各取鮮質量為10～50 g的樣品，裝在信封內，帶回實驗室測量干質量。

側枝和樹葉：樹木倒地后，根據(jù)樹冠的高度將樹冠分成高度相等的上、中、下三層，將所有側枝從樹干上取下，分別測量每層的總鮮質量。然后每層取一個粗度和長度位于此層側枝平均數(shù)的標準枝，將標準枝分割成新枝(當年生枝)和老枝(非當年生枝)，摘掉枝條上的針葉，分別測量新枝、老枝、新葉、老葉的鮮質量，測量鮮質量后，各取一定量的樣品稱量鮮質量后封裝在信封中帶回實驗室測量干質量。

球果：如果樣株上有球果，則測量球果的總鮮質量，并取一個中等大小的球果測量鮮質量并帶回實驗室測量干質量。

單株的鮮質量為上述不同部位伐倒后立即測量值之和。

1.3.3測量樣品的烘干質量將野外取回的上述不同部位樣品放在75 ℃的烘箱內烘干4 d，取出后測量干質量。隨后，根據(jù)總干質量/總鮮質量=樣品干質量/樣品鮮質量推算紅松單株干質量。

含碳率利用德國耶拿分析儀器股份公司，碳元素分析儀 multiEA4000 進行分析。溫度設定1 000 ℃，進樣量50 mg。

V=0.000 589 865D1.966 609 091H0.904 763 95

C=B×Cc

式中：V為材積，H樹高，D胸高直徑；C碳儲量，B生物量(干質量)，Cc含碳率。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

性狀遺傳力計算公式：h2=1-1/F。h2為遺傳力，F(xiàn)為種源均方與自由度的比值。

選擇強度：i=S/σp。其中，S為選擇差，而σp為性狀標準差。

間接選擇響應：Rx=iyhyσgxr。其中，Rx所需性狀的選擇響應，iy對間接選擇性狀的選擇強度，hy間接選擇性狀遺傳力的平方根，σgx所需性狀遺傳方差的平方根，r所需性狀與間接性狀間的遺傳相關。

為了消除海拔因素的影響，反映緯度因子的真實效應和對一些變異模式做出合理解釋，本項研究中采用了Lindgren (1984)等效緯度的概念，其公式如下：

等效緯度=緯度+(海拔-300)/200或140。式中，海拔高度>300 m時，分母采用140；小于300 m時，分母采用200。

本文采用單因素隨機模型進行方差分析。相關分析、回歸分析、遺傳力、遺傳增益、遺傳相關等參數(shù)的計算均采用DPS9.0來處理。

2　結果與分析

2.1紅松種源主要性狀的遺傳變異

林木選擇育種的前提條件是要改良的性狀必須存在種源、家系或個體等水平的變異。因此，有必要對紅松生長與碳貯量相關性狀進行初步的統(tǒng)計和方差分析。

表2　紅松各種源主要性狀值及方差分析結果

注:*和**分別表示0.05和0.01顯著水平

表2表明，各種源單株干質量、含碳量和材積變異系數(shù)較大，分別為34.56%、34.58%和25.64%，而單株平均含碳率的變異系數(shù)僅為3.51%，這初步表明，在高含碳量紅松種源選擇時，應注意從單株干質量、含碳量和材積相關性狀選擇入選。為進一步分析各性狀的變異內在本質，對各性狀進行了方差分析，表2表明，紅松樹冠含碳量、樹根含碳量、樹冠干質量和樹根干質量各種源間差異不顯著，其余性狀，如樹高、胸徑、材積及單株含碳量等存在顯著或極顯著差異，表明紅松含碳量及生長性狀的變異主要由于種源遺傳結構的不同所導致，可在種源水平上選育出所需良種。

2.2顯著差異性狀的變異與地理因子的關系

上述主要差異性狀(如材積、單株干質量、單株含碳率與含碳量)變異分布均呈正態(tài)分布(圖1)，表明紅松上述差異性狀在其分布區(qū)內呈連續(xù)性變異。

圖1　紅松主要性狀變異分布圖

為弄清上述性狀的變異與其分布區(qū)內地理氣候因素之間的關系，對上述兩類性狀進行了相關分析。

表3　紅松種源間差異顯著性性狀及地理因子間的相關性

注:★和*分別表示0.1和0.05顯著水平。

從表3可以發(fā)現(xiàn)，紅松差異性狀與經度和海拔之間相關性均未達到0.1的水平，且相關系相對較小，這表明紅松上述性狀的變異受經度與海拔的影響；緯度與樹高、胸徑、材積、樹干總干質量、樹木總干質量和樹木總含碳量之間在0.1水平負相關，說明紅松上述性狀的變異可能與緯度密切相關的。由于海拔高度與緯度變化對氣候生態(tài)因子的影響具有一定的共性，隨著海拔高度與緯度的增加，溫度、年積溫均降低，然而海拔高度對上述性狀的影響均未達到0.1水平，這似乎與常規(guī)的生態(tài)學基本規(guī)律相違背。為此，將海拔高度轉化為等效緯度與上述差異性狀相關分析發(fā)現(xiàn)，凡與緯度在0.1水平呈負相關的性狀，均與等效緯度呈0.05水平的負相關性。上述分析表明，紅松主要性狀是從高海拔向低海拔增大的漸變模式。

為進一步驗證紅松性狀地理變異的規(guī)律，對上述差異性狀與地理因子進行典型相關分析，表4表明，第一組典型變量的相關系數(shù)達到顯著水平，第二組典型變量的相關系數(shù)未達到顯著水平。在第一對典型變量的地理因子中，等效緯度效應最大，進一步證明紅松不同種源的生長與含碳量等性狀呈現(xiàn)海拔梯度漸變的基本變異模式。

第一組變量間典型相關系數(shù)分別是0.994 8，且統(tǒng)計檢驗達到極顯著水平。因此，可取第一組典型變量來分析兩類性狀之間的相互關系。從第一組典型變量系數(shù)可以看出，主要反映了等效緯度與整株含碳量之間的負相關性。從典型冗余分析可以看出，第一組典型變量U1可以解釋95.76%的組內變異，并解釋76.42%的另一組的變異；而典型變量V1可以解釋93.35%的組內變異，并解釋了65.13%的另一組的變異。這進一步表明紅松生長與含碳量性狀受海拔高度的影響。

表4　地理因子與紅松各性狀之間典型相關系數(shù)

2.3紅松差異性狀地理變異的氣候生態(tài)學基礎

地理因子是通過眾多生態(tài)氣候因子對植物性狀產生影響，為了弄清紅松性狀隨地理變異因子變異背后的生態(tài)氣候因素，我們對紅松各種源的地理因子與生態(tài)氣候因子進行了典型相關分析。由表5可見，第一、二組典型變量的相關系數(shù)均達到極顯著水平，第一組典型變量的地理因子中等效緯度最高，在氣候因子中，年均溫與≥10 ℃積溫效應最大；第二組典型變量中，地理因子表現(xiàn)突出的為緯度與經度的雙重影響，而生態(tài)氣候組主要則反映了年降水量和相對濕度等因子。由此可見，在紅松分布區(qū)內，溫度變化占首要地位，且受海拔的影響最大。

表5　地理因子與生態(tài)氣候因子間的典型相關系數(shù)

為進一步分析地理因子通過生態(tài)氣候條件對紅松差異性狀的具體影響，對紅松差異性狀與生態(tài)因子之間進行逐步回歸分析，在收集到的8個氣候因子中,除1月均溫與絕對濕度均與5個主要性狀均無相關性外,其余6個氣候因子均與主要性狀間呈不同程度的相關性。表6表明，生長性狀，如胸徑、樹高和材積主要受溫度為主要的氣候因子影響(其相關系數(shù)均為0.9左右)，其次與年降水量有一定相關性。此外，樹高與日照時數(shù)有一定相關性，而材積與胸徑與該氣候因子無相關性。這可能由于樹高的發(fā)育受頂端分生組織的分裂有關，而頂端分生組織的分裂速度與持續(xù)降水在內調控的基因調控外，也受光誘導和刺激影響(日照時間)。單株干質量與溫度和日照時間氣候因子相關，這也與東北地區(qū)的實際情況相符，黑龍江省屬我國寒溫帶氣候區(qū)，因此限制樹木生長的主要因素是溫度。單株含碳率同樣受溫度與日照時間兩大類因子影響，由于植物體內碳元素的積累主要來源于光合作用，而東北地區(qū)限制植物光合作用的主要因素就是溫度與日照時間的長短。同時，單株含碳量與相對濕度呈較弱正相關，而與降水量呈負相關，單株含碳量與溫度和相對濕度兩大類因子呈正相關，而與降水量呈負相關。上述結果表明，紅松生長與含碳量性狀主要與溫度、年降水量和日照時間等氣候因子相關。

表6　紅松差異性狀與氣候生態(tài)因子相關性

2.4高固碳量紅松良種的選擇

通過遺傳力估算可知，紅松單株含碳量遺傳力為53.92%，屬中度遺傳控制性狀。以單株含碳量為選擇指標，以均值加一個標準差為選擇依據(jù)，可從21個種源中選擇出汪清和草河口2個優(yōu)良種源，但由于八家子、方正和清河種源與汪清和草河口種源單株含碳量在0.05水平上差異不顯著，而這5個種源與其余種源的單株含碳量在0.05水平上均存在顯著差異，因此可以把汪清、草河口、八家子、方正和清河種源作為單株含碳量高的優(yōu)良種源。汪清種源的單株含碳量達到41.49kg，比所有種源的含碳量平均值27.53kg高出52.2%；草河口種源含碳量達到37.13kg，比種源均值高出34.87%、84.3%。帽兒山試驗點屬老爺嶺-張廣才嶺種源區(qū)，如果該種源區(qū)營造紅松高固碳人工林時選擇汪清種源，其含碳量性狀的遺傳增益可達50.73%。這進一步表明，從種源水平對紅松固碳量性狀進行選擇育種，可獲得明顯的遺傳增益。

2.5紅松碳含量遺傳改良的間接選擇性狀

紅松含碳量性狀遺傳改良研究的最大困難在于單株含碳量性狀的直接測定，這種測定方式必須是破壞性取樣，必須對種源內不同個體伐倒后，分樹冠、樹干與樹干不同部位取樣測定，隨后才能根據(jù)各部位干質量與含碳率計算出整株的含碳量。這種方法不僅破壞了試驗林的完整性，而且工作量大、測定材料多、效率低，屬于困難測定性狀，在選擇育種時有必要采用間接選擇的手段。為此，我們對易于測量的性狀如胸徑與其他主要性狀如材積、單株干質量、單株含碳率與含碳量之間進行相關分析，表7表明；紅松胸徑與單株干質量、材積與單株含碳量之間分別呈極顯著相關，而與單株含碳率之間無相關性。這表明在紅松含碳量性狀選擇育種時，可采用胸徑性狀對單株含碳量進行間接選擇。為此，我們進一步計算了通過胸徑選擇對含碳量選擇的間接選擇效應，若以胸徑均值加2個標準差為選擇依據(jù)，其最優(yōu)種源依然是汪清種源，而獲得的單株含碳量間接選擇遺傳增益為29.97%。

表7　主要生長性狀與含碳性狀之間的相關系數(shù)

注:★和*分別表示0.1和0.05顯著水平。

3　結論

3.1紅松大多數(shù)性狀種源水平存在顯著或極顯著差異，如樹高、胸徑、材積、單株干質量、單株含碳率與單株含碳量，表明來源于不同地理區(qū)域的群體由于遺傳結構的不同導致其上述性狀也發(fā)生了變異,而這為種源水平的選擇提供了基礎。

3.2紅松主要性狀如材積、單株干質量、單株含碳率與單株含碳量在其分布區(qū)內由高海拔向低海拔性狀值增大呈連續(xù)性變異模式，而這種地理變異模式實質上反映了紅松不同種源對溫度(如年均溫、7月初溫和≥10 ℃積溫)這個生態(tài)氣候因子的高度適應性，其次年降水量和日照時間也對上述性狀有較大影響。

3.3紅松種源層次含碳量性狀的遺傳力為53.92%，屬中度遺傳控制性狀，可通過表型選擇篩選出含碳量遺傳品質優(yōu)良的種源。以單株含碳量均值加1倍標準差為依據(jù),可選擇出5個優(yōu)良種源。其中，汪清種源單株含碳量達到41.49 kg，比所有種源的單株含碳量平均值27.53 kg高出52.2%，而在老爺嶺-張廣才嶺紅松種源區(qū)推廣該種源，期望遺傳增益可達50.73%。

3.4紅松碳含量性狀選擇育種的最大困難在于單株含碳量性狀測定難度大、效率低，且破壞了原有試驗林的完整性，屬于困難測定性狀，因此有必要進行間接選擇育種。由于野外試驗時最易測定的性狀與胸徑和含碳量之間呈極顯著相關，因此可選擇胸徑為直接性狀來間接選擇含碳量性狀，而這種選擇理論上獲得的含碳量間接期望遺傳增益為29.97%。

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Correlation Characteristics Variation ofPinuskoraiensisProvenance and its Excellent Provenance Selection

Wang Xiaowen,Hou Dan,Xia Dean,Yang Chuanping,Wei Zhigang

(State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, School of Forestry of Northeast Forestry University，Harbin 150040,China )

In order to study the variation pattern of characteristics for carbon content ofPinuskoraiensiswith different provenances and to select excellent provenance with high sequestration for constructing carbon sink forest,the tree height,DBH,volume,tree root,crown,trunk and the dry weight ,carbon density and carbon content of root,crown,trunk for 20-year-oldPinuskoraiensiswere determined in Maoershan Experimental Forest Farm of Shangzhi City in Heilongjiang Province. Moreover,the geographic variation models of all traits were determined. Result shows that except the crown,root dry weight and carbon content of crown,the other traits have significant or very significant difference. Tree height,DBH,volume,truck dry weight,total dry weight of trees and carbon content ofPinuskoraiensisamong distribution areas show that increasing from high altitude to low altitude in gradient mode,which reflect the high degree of adaptability to temperature. The carbon content heritability ofPinuskoraiensisis 53.92% on provenance level,the carbon content of Wangqing provenance reach 41.49 kg,carbon content was indirect selected by Wangqing provenance in Laoye Mountain-Zhangguancai Mountain can obtain the genetic gain,being 50.73%;when the DBH trait was chosen to select carbon content indirectly,Wangqing is the optimal provenance and the indirect genetic gain of carbon content is 29.97%.

Pinuskoraiensis；growth trait；carbon content；genetic variation；provenance selection

1005-5215(2016)05-0011-06

2016-03-21

國家科技支撐項目(2011BAD37B00)資助

王曉穩(wěn)(1990-)，女，研究生,現(xiàn)從事林木遺傳育種研究,Email：wen814624@163.com

魏志剛(1973-)，男，教授,現(xiàn)從事林木遺傳育種研究,Email：Zhigangwei1973@163.com

S791.247

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2016.05.004