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2022年 第58卷 第2期 刊出日期:2022-02-25
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林业科学. 2022, 58(2):  0-0. 
摘要 ( 202 )   PDF (9895KB) ( 193 )  
相关文章 | 多维度评价
前沿与重点: 森林碳汇专题
长白山红松阔叶林的净碳交换变化及基于时间卷积神经网络的模拟
齐建东,谭新新
林业科学. 2022, 58(2):  1-12.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220201
摘要 ( 425 )   HTML ( 41 )   PDF (3050KB) ( 435 )  
数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

目的: 分析长白山红松阔叶林净生态系统碳交换量(NEE)的季节性差异及其气象因子响应, 在月尺度下揭示气象因子对NEE的动态影响, 为调节研究地区的碳收支提供理论指导。同时研究时间卷积神经网络在森林生态系统净碳交换模拟中的应用, 探索NEE模拟的新方法。方法: 基于长白山温带红松阔叶林通量观测站2007—2010年间的30 min观测数据, 分析NEE和输入模型的5种气象因子的季节性差异, 并分析5种气象因子与NEE的相关性。使用随机森林模型, 计算影响NEE的各因子重要性得分, 选择得分较高的5种气象因子: 潜热通量、显热通量、冠层上方空气湿度、冠层上方水汽压和净辐射作为NEE模拟的输入; 分别构建基于时间卷积神经网络(TCN)、长短期记忆网络(LSTM)、人工神经网络(ANN)、支持向量回归(SVR)和极限学习机(ELM)的5种NEE模型, 采用决定系数(R2)、平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)评价模型的预测精度和稳定性。结果: 长白山温带红松阔叶林通量观测站NEE全年总量为-74.777 3 gCO2·m-2a-1, 总体表现为碳汇, 但夏季表现为碳汇, 冬季表现为碳源; NEE与潜热通量、冠层上方水汽压、净辐射和冠层上方空气湿度均极显著负相关(P < 0.000 1), 和显热通量相关性不显著; TCN模型的RMSE为0.110 5 mgCO2·m-2s-1, R2为0.821 4, RMSE分别比ELM、SVR、ANN和LSTM减少0.024 8、0.022 4、0.022 2和0.006 8 mgCO2·m-2s-1, R2分别比ELM、SVR、ANN和LSTM增加0.080 6、0.077 7、0.068 6、0.022 3; 根据5种模型的10次试验结果, 计算得到TCN模型RMSE的标准差为0.000 4 mgCO2·m-2s-1, 相比ELM、ANN和LSTM分别减小0.001 4、0.001 3和0.000 2 mgCO2·m-2s-1结论: 长白山温带红松阔叶林通量观测站的NEE总体表现为碳汇, 但存在明显的季节差异; NEE与潜热通量、冠层上方水汽压、冠层上方空气湿度、净辐射极显著负相关(P < 0.000 1), 与显热通量相关性不显著。对于长白山温带红松阔叶林通量观测站的长期NEE预测结果表明, 基于TCN的模型不仅预测精度良好, 并且具有较强的稳定性, 能为时间卷积神经网络在生态模拟领域的应用提供可行性依据。本研究结果可为调节长白山红松阔叶林的碳收支提供理论指导。

基于光学遥感的稀疏乔灌木地上部分生物量反演方法
石永磊,王志慧,李世明,李春意,肖培青,张攀,常晓格
林业科学. 2022, 58(2):  13-22.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220202
摘要 ( 265 )   HTML ( 20 )   PDF (5280KB) ( 160 )  
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目的: 基于无人机数据采用3种分层方案构建冠层盖度-乔灌木地上部分生物量模型以及基于Landsat8 OLI数据采用3种分层方案构建不同光谱指数-乔灌木地上部分生物量模型, 对比分析不同分层方案的乔灌木地上部分生物量模型精度, 以期为基于遥感数据的干旱区人工林乔灌木地上部分生物量高精度反演提供理论依据。方法: 在毛乌素沙地实地调查102块30 m×30 m样地, 基于高分辨率无人机影像, 利用面向对象的机器学习算法获取乔灌草植被覆盖度信息, 采用3种分层方案(不分层、基于乔木和灌木2种植被类型分层、基于5个树种分层)构建冠层覆盖度-乔灌木地上部分生物量模型。基于Landsat8 OLI影像, 使用6种光谱指数(NDVI、RVI、MSAVI、TCG、NDMI、NIRv), 结合无人机影像解译草本植被覆盖度, 采用3种分层方案(不分层、有无草本植被样地分层、3个草本植被覆盖度等级样地分层)构建不同光谱指数-乔灌木地上部分生物量模型。结果: 不分层的冠层覆盖度-乔灌木地上部分生物量模型鲁棒性最差(R2=0.22, n=102), 且估算精度最低(RMSE= 14.98 t·hm-2); 考虑乔木和灌木2种植被类型分层建模(RMSE = 7.44 t·hm-2)和5个树种分层建模(RMSE = 5.82 t·hm-2)的反演误差分别减少了50.32%和61.1%。在光谱指数-乔灌木地上部分生物量模型中, NIRv反演乔灌木地上部分生物量精度最高(3种分层方案平均RMSE = 7.25 t·hm-2), NDVI反演乔灌木地上部分生物量精度最低(3种分层方案平均RMSE = 9.43 t·hm-2)。不同光谱指数对稀疏乔灌木地上部分生物量变异的解释能力表现为NIRv>NDMI>TCG>MSAVI>RVI>NDVI。木本植被类型对光谱指数-乔灌木地上部分生物量模型精度的影响小于对冠层覆盖度-乔灌木地上部分生物量模型精度的影响。考虑草本植被覆盖度背景分层建模可使光谱指数-乔灌木地上部分生物量模型RMSE减少8.13%~16.62%, 不同光谱指数-乔灌木地上部分生物量模型精度对草本植被覆盖度背景的敏感性排序为NIRv>TCG> NDVI>MSAVI>RVI>NDMI。结论: 无人机高空间分辨率遥感可用于获取稀疏乔灌混交林树种类型及其草本植被信息等先验知识。在稀疏乔灌混交林区域, 木本植被类型对冠层覆盖度-乔灌木地上部分生物量模型精度影响较大, 至少需区分乔木和灌木两类植被才可保证该方法反演精度满足实用需求。基于Landsat-8 OLI卫星数据的考虑草本覆盖度的NIRv-乔灌木地上部分生物量模型分层建模方案适用于大区域稀疏乔灌木地上部分生物量遥感估算。

南亚热带常绿阔叶林4个常见树种的生物量分配特征与异速生长模型
赵厚本,周光益,李兆佳,邱治军,吴仲民,王旭
林业科学. 2022, 58(2):  23-31.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220203
摘要 ( 286 )   HTML ( 27 )   PDF (2356KB) ( 308 )  
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目的: 分析南亚热带常绿阔叶林4个常见树种的生物量器官分配特征, 构建各树种单株及不同组分(地上部分和地下部分)生物量模型, 以提高其生物量估算准确性。方法: 以位于广州市的南亚热带常绿阔叶林为对象, 以该地区森林历史调查数据为依据, 结合研究区实际树种组成, 选取黧蒴、中华锥、千年桐和华润楠4个常见树种, 采用收获法测定各树种不同组分生物量, 构建各树种单株及各组分的生物量模型, 并探讨树高(H)和木材密度(ρ)作为第二自变量以不同形式加入模型对模型精度的影响。结果: 4个树种树叶生物量占比为5.34%~7.28%, 华润楠显著低于黧蒴(P < 0.05); 4个树种树枝生物量占比为16.82%~24.20%, 华润楠显著低于中华锥和黧蒴(P < 0.05); 4个树种树干生物量占比为47.22%~58.05%, 中华锥显著低于其他3个树种(P < 0.05); 4个树种树根生物量占比为14.25%~22.25%, 黧蒴和千年桐显著低于中华锥和华润楠(P < 0.05); 随着胸径增大, 千年桐和华润楠的树叶生物量占比呈极显著下降趋势(P < 0.01), 4个树种的树枝生物量占比均呈上升趋势, 树干生物量占比均呈下降趋势, 根生物量占比和胸径之间均未表现出显著相关性; 以胸径(D)为单一自变量的生物量模型具有较好拟合精度(平均R2=0.947); 将HD2H形式包含在模型中, 导致地上和全株生物量模型的拟合能力下降, 但地下生物量拟合能力略有提升; 将H以独立第二自变量包含在模型中, 将增加模型的多重共线性问题; 将ρD2ρ形式包含在模型中对单株及各组分生物量的估算精度均有所下降; 将ρ以独立第二自变量包含在模型中, 能略微提高估算精度。结论: 阳生树种千年桐分配较多生物量给树干, 耐荫树种中华锥分配较多生物量给枝叶, 耐荫树种中华锥和华润楠的根系更发达。随着胸径的增加, 4个树种的树干生物量分配比例呈下降趋势而树枝的生物量分配比例呈上升趋势。对4个树种的生物量估算, 建议选用D为单一自变量的模型, 不建议将H作为第二自变量包含在模型内。增加ρ为第二自变量后仅能小幅提高模型拟合能力, 建议实际应用中根据调查目的在准确性和工作难度间做出取舍。

2060年前我国森林生物量碳库及碳汇潜力预测
付晓,张煜星,王雪军
林业科学. 2022, 58(2):  32-41.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220204
摘要 ( 391 )   HTML ( 19 )   PDF (1510KB) ( 449 )  
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目的: 预测研究2060年前我国的森林生物量碳库及碳汇潜力, 以期为制定减排增汇政策提供重要依据, 为我国获取必要的CO2排放空间和参与全球气候变化谈判提供参考。方法: 基于全国森林资源清查数据资料, 利用Richards生长方程拟合方法, 将全国划分为6个区域, 每个区域分别建立8~9组主要优势树种(组)的样地公顷蓄积量与林龄的关系模型, 并结合我国森林经营规划推算各时期的森林面积, 预测2060年前我国的森林(不包括经济林和竹林)蓄积量、生物量碳库和碳汇潜力。结果: 到2030年, 我国森林蓄积量将达到204.73亿m3, 比2005年增加74.73亿m3; 2060年将达到286.45亿m3。从各区域动态变化来看, 西南地区和东南地区是我国未来森林蓄积增长量最快的地方, 也是森林质量精准提升潜力最大的地区, 分别占2060年全国森林蓄积量的37.68%和21.37%。到2060年, 现有森林碳储量将达到12.12 Pg C(Pg=1×1015g), 新造林将再增加碳储量0.92 Pg C, 森林生物量总碳库将达13.04 Pg C, 与2018年的7.57 Pg C相比增加了5.47 Pg C, 森林碳密度达63.96 Mg C·hm-2结论: 鉴于目前我国森林以中幼龄林为主, 森林面积仍在不断增加, 我国森林生物量碳库和碳汇能力在未来40年内还将持续增长, 森林年增汇达到0.13 Pg C·a-1, 表明我国森林具有较大的碳汇潜力。为此, 需进一步加强森林资源保护和经营, 减少森林碳损失, 持续推进大规模国土绿化, 以维持和增强我国森林的碳汇能力, 助力实现"碳中和"目标。

基于GA-BP神经网络的雷竹林CO2浓度反演
侯志康,曾松伟,莫路锋,周宇峰
林业科学. 2022, 58(2):  42-48.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220205
摘要 ( 124 )   HTML ( 10 )   PDF (2256KB) ( 72 )  
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目的: 研发竹林气象因子采集系统, 分析雷竹林CO2浓度与温湿度等气象因子之间的关系, 探讨基于GA-BP神经网络的雷竹林CO2浓度反演模型(简称GA-BP模型), 为竹林碳储量、竹林增汇、竹林固碳能力等研究提供基础数据。方法: 根据微气象学相关原理、方法及森林碳通量动态感知的需求, 设计基于嵌入式的森林碳通量数据远程实时监测系统, 该监测系统以成熟雷竹林为监测对象, 进行为期2个月(2019年10—11月)的气象数据监测; 在此基础上, 提出GA-BP模型。结果: 根据GA-BP模型和BP模型反演的结果可知: GA-BP模型反演结果的决定系数R2为0.86, 比BP模型的R2(0.79)提高了0.07; 平均绝对误差为8.12 mg·m-3, 比BP神经网络下降2.79 mg·m-3。GA-BP模型相较于BP网络具有更稳定的反演性能和更高的反演精度。结论: 可以利用竹林气象因子采集系统获取相关气象数据; 基于CO2浓度与温湿度等气象因子之间的相关性, 本研究提出的基于GA-BP神经网络的CO2浓度反演模型能够有效反演研究区的CO2浓度。

我国森林土壤微生物生物量碳的纬度分布特征及影响因子
周莎,马寰菲,王洁莹,任成杰,郭垚鑫,王俊,赵发珠
林业科学. 2022, 58(2):  49-57.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220206
摘要 ( 224 )   HTML ( 16 )   PDF (1141KB) ( 174 )  
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目的: 探讨土壤微生物生物量碳(MBC)含量的纬度变化规律及驱动因子, 以期揭示我国沿纬度分布的森林生态系统中土壤MBC含量变化的效应和机制, 为气候变暖条件下阐明土壤MBC周转和固持提供理论依据。方法: 在我国沿纬度选取10个典型森林生态系统, 测定0~10 cm土层的MBC含量, 并与各非生物因素(气候条件和土壤理化性质指标)进行相关性分析。结果: 森林土壤MBC含量变化范围为(200.57±13.99)~(913.32±39.62) mg·kg-1, 随纬度降低而降低。MBC含量与土壤的有机碳含量(r=0.64, P < 0.01)、砂砾含量(r=0.48, P < 0.01)、水解酶活性(r=0.48, P < 0.01)、全磷含量(r=0.47, P < 0.01)、pH值(r=0.43, P < 0.01)、全氮含量(r=0.31, P < 0.01)和土壤有机碳化学结构组分中烷基碳含量(r=0.21, P < 0.01)极显著正相关, 与土壤粉粒含量(r=0.15, P < 0.05)和氧化酶活性(r=0.15, P < 0.05)显著正相关; 还与年均气温(MAT, r=0.31, P < 0.01)极显著正相关。结论: 森林土壤的MBC含量随纬度降低而降低, 主要影响因素为土壤质地、土壤营养、土壤酶活性和土壤烷基碳含量, 其次为年均气温。

研究论文
不同林龄杉木林土壤磷形态与解磷菌变化
王淑真,梁晶晶,包明琢,潘菲,周垂帆
林业科学. 2022, 58(2):  58-69.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220207
摘要 ( 230 )   HTML ( 31 )   PDF (2960KB) ( 277 )  
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目的: 分析不同林龄杉木林土壤中的磷素形态变化特征, 探讨林龄与不同分类水平解磷菌种类及相对丰度的联系, 为人工林土壤磷素的有效利用和可持续经营提供参考。方法: 在福建南平选取5个林龄(4、15、24、43、100年)杉木人工林, 用改进Hedley磷素分级法测定0~20 cm土壤中不同分级磷素含量, 并采用高通量测序技术对PCR扩增的phoD 基因进行测定, 得到不同分类水平上解磷菌的相对丰度。结果: 在同一林龄杉木林中, 总体上不同分级磷素含量大小依次是Residual-P>NaOH-P>NaHCO3-P>H2O-P>HCl-P。土壤中H2O-IP含量随林龄增加而显著升高(P < 0.05), NaHCO3-IP含量随林龄增加先升后降, 在43年时最大。随林龄增加, 土壤NaOH-P含量波动明显, 表现为24年>100年>43年>4年>15年。有机磷总量整体呈上升趋势, 随林龄变化表现为100年>24年>43年>15年>4年。随林龄增加, 杉木人工林土壤中活性磷含量逐渐升高, 杉木幼龄林、中龄林、近熟林的土壤磷素活性表现为稳定态磷>中等活性磷>活性磷, 过熟林的磷素活性表现为稳定态磷>活性磷>中等活性磷。杉木林土壤的解磷菌丰富度随林龄增加总体表现为43年>100年>24年>15年>4年, 解磷菌种群多样性总体表现为43年>100年>15年>24年>4年。OTU韦恩图和PCoA分析表明, 15年和24年土壤中解磷菌结构和多样性相近, 43年杉木林土壤包含的解磷菌类群最丰富, 且独特性最明显。4年杉木林解磷菌类群数目最少。在门分类水平上, 土壤中变形菌门含量最高, 其次是异常球菌-栖热菌门和放线菌门; 在属分类水平上, 优势类群主要有慢生根瘤菌属、Pseudolabrys、假单胞菌属、异常球菌属等; 冗余分析表明, 土壤NaHCO3-IP与厚壁菌门相对含量呈显著正相关, NaOH-IP与放线菌门、芽单胞菌门等呈显著负相关; HCl-OP与酸杆菌门呈显著负相关, H2O-OP、NaHCO3-IP与慢生根瘤菌属呈显著负相关。结论: 随林龄增加, 杉木人工林土壤中不同形态的磷素含量变化明显, 土壤活性磷含量不断提高, 近熟林和过熟林土壤的潜在供磷能力高于幼龄林和中林龄; 土壤理化性质的改变影响了土壤微生物活性, 解磷菌的丰富度和多样性增加可能在一定程度上提高了杉木人工林土壤磷素的有效性。

不同气候带森林土壤微生物多样性和群落构建特征
丛微,于晶晶,喻海茫,丁易,张于光
林业科学. 2022, 58(2):  70-79.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220208
摘要 ( 160 )   HTML ( 17 )   PDF (4247KB) ( 123 )  
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目的: 研究不同气候带森林土壤微生物的多样性特征和分布模式,为认识其多样性形成机制及加强森林生态系统管理提供依据。方法: 以温带针叶林(新疆喀纳斯,新疆库尔德宁)、暖温带针阔混交林(甘肃小陇山)、亚热带常绿落叶阔叶混交林(湖北木林子)和热带雨林(海南霸王岭)4种不同气候带森林为对象,在已经建立的固定样地采集土壤样品,利用Illumina测序技术分析不同气候带森林土壤细菌和真菌的多样性以及群落构建特征。结果: 土壤细菌多样性在暖温带针阔混交林中最高,即在沿气候梯度的5个地点样地中呈单峰分布;土壤真菌的香农指数在温带针叶林中最高,土壤真菌丰富度在热带雨林中最高。基于零模型数学框架分析发现,土壤细菌的群落构建主要由确定性过程主导,土壤真菌群落结构受随机性过程影响较大。典范对应分析(CCA)和Mantel test分析表明,土壤pH值(r=0.826,P < 0.001)和植物多样性(r=0.474,P < 0.001)与土壤细菌和真菌群落具有显著相关性。结论: 不同气候带的森林土壤细菌和真菌的多样性和群落结构都存在显著差异,土壤细菌和真菌具有不同的群落构建特征,土壤pH值和植物多样性是影响不同气候带森林土壤微生物多样性的重要因素。

亚热带不同林龄杉木人工林红壤线虫群落结构特征
郑荧枫,王建青,邹秉章,王思荣,施秀珍,余再鹏,黄志群
林业科学. 2022, 58(2):  80-88.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220209
摘要 ( 121 )   HTML ( 12 )   PDF (1623KB) ( 85 )  
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目的: 分析亚热带地区不同林龄杉木人工林红壤线虫群落结构的变化,为亚热带杉木人工林可持续经营提供理论依据。方法: 利用空间替代时间的方法,选取幼龄林(5年)、中幼龄林(8年)、近熟林(21年)、成熟林(27年)和过熟林(40年)5个生长阶段的杉木人工林,采用浅盘法分离提取土壤线虫,分析土壤线虫密度,鉴定土壤线虫种属、各营养类群线虫相对丰度,计算线虫香农多样性指数(H′)、植物寄生线虫成熟度指数(PPI)和瓦斯乐斯卡指数(WI)。通过非度量多维度(NMDS)分析不同林龄杉木人工林土壤线虫群落结构的变化。结果: 1) 共分离出9 872头线虫,隶属68个属,杉木人工林不同生长阶段的线虫优势属存在差异,除幼龄林外,植物寄生线虫根结属在所有林分中占优势地位;2) 随着林分发育,土壤线虫总密度及多样性指数均无明显变化;40年与5年、8年林分的土壤线虫群落结构存在差异,说明杉木人工林生长发育改变了土壤线虫群落结构;植物寄生线虫相对丰度最高,捕食-杂食线虫次之,食细菌线虫相对丰度高于食真菌线虫;随着林分发育,植物寄生线虫相对丰度呈现先降后增的变化趋势,在8年达到最低;随着林龄增加,食真菌线虫密度呈下降趋势,在5年达到最高;但杉木人工林生长发育对食细菌线虫和捕食-杂食线虫的密度及相对丰度均无显著影响;3)植物寄生线虫成熟度指数随杉木人工林生长发育呈先降后增的变化趋势,在21年达到最低;随着林分生长发育,瓦斯乐斯卡指数总体呈现降低趋势,在5年林分显著高于40年。相关分析表明,瓦斯乐斯卡指数与土壤pH值呈正相关,植物寄生线虫密度及相对丰度与土壤总碳含量、土壤碳磷比呈正相关。结论: 在亚热带杉木人工林中,植物寄生线虫在数量上占据优势地位;杉木人工林长期种植改变了土壤线虫群落结构,尤其提高了植物寄生线虫相对丰度,可能对森林土壤健康和植物正常生长产生不利影响。

毛棉杜鹃根际与非根际土壤微生物群落多样性
彭金根,龚金玉,范玉海,张华,张银凤,白宇清,王艳梅,谢利娟
林业科学. 2022, 58(2):  89-99.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220210
摘要 ( 146 )   HTML ( 10 )   PDF (9761KB) ( 99 )  
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目的: 通过研究深圳梧桐山毛棉杜鹃土壤理化性质、根际与非根际土壤微生物群落特征,为探究毛棉杜鹃根际土壤微生态提供理论依据。方法: 以毛棉杜鹃根际(R)与非根际(NR)土壤为研究对象,测定其土壤理化指标,同时利用高通量测序技术分析土壤细菌、真菌群落特征。结果: 1) 根际与非根际土壤均为微酸性,且根际明显低于非根际(P < 0.05),根际土壤速效磷显著高于非根际土壤(P < 0.05),根际土壤有机质、全氮、碱解氮等均高于非根际土壤,但无显著性差异。2) 根际细菌分别注释到23门291种,非根际注释到25门305种;而根际真菌注释到8门520种,非根际真菌注释到8门,518种。3) 根际与非根际优势细菌门均为酸杆菌门、变形菌门、放线菌门、绿弯菌门等。土壤优势真菌均为子囊菌门、担子菌门以及被孢菌门等。毛棉杜鹃根际与非根际优势细菌目,主要为Subgroup_2、酸杆菌目、Solibacterales、根瘤菌目等。根际与非根际优势真菌目主要是散囊菌目、肉座菌目、蜡壳耳目等。4) 丰富度指数及多样性指数结果表明:根际与非根际细菌、真菌无显著性差异,而β多样性分析则表明,根际与非根际在土壤细菌以及真菌群落结构多样性上均存在显著差异。5) 基于FUNGuild功能预测分析结果显示根际与非根际真菌功能主要为共生营养型(23.57%~33.44%)、腐生-共生营养型(6.48%~7.63%)、腐生营养型(19.84%~22.77%)、病理-共生营养型(0.76%~0.79%)、病理-腐生-共生营养型(0.25%~0.34%)、病理-腐生营养型(33.83%~38.02%)和病理营养型(5.39%~6.86%),且根际与非根际土壤均以病理-腐生营养型和共生营养型真菌为主。结论: 梧桐山毛棉杜鹃根际与非根际均为微酸性。根际与非根际在优势微生物种类上无差异,优势细菌均为酸杆菌门、变形菌门等,优势真菌均为子囊菌门、担子菌门等。根际与非根际在真菌功能结构上有差异,主要是根际共生型真菌远高于非根际。

NaCl和PEG胁迫对不同大小刺槐种子萌发和幼苗生长的影响
林庆芝,朱祥元,毛培利,朱琳,郭龙梅,李泽秀,曹帮华,郝迎东,谭海涛,洪丕征,卢小军
林业科学. 2022, 58(2):  100-112.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220211
摘要 ( 109 )   HTML ( 8 )   PDF (1972KB) ( 75 )  
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目的: 研究盐和干旱胁迫下不同大小刺槐种子的萌发规律,提出合适种子大小与胁迫程度的选配建议,为刺槐优良苗木的培育提供参考。方法: 利用土壤筛,将种子分为大粒、中粒和小粒3个等级,明确每个等级种子大小特征、千粒质量和吸胀率。用NaCl和PEG 6000模拟盐和干旱胁迫,配制不同渗透势(0、-0.05、-0.15、-0.30、-0.49 MPa)的NaCl、PEG溶液。将不同大小的种子放置在光照培养箱内进行萌发试验,分析种子的萌发特征、幼苗生物量和根系发育,并比较不同大小种子在萌发中的可塑性。结果: 1) 大粒和中粒种子的吸胀率显著大于小粒种子,中粒与小粒种子的千粒质量对比大粒种子分别降低22.01%、61.72%。2)随胁迫程度的增加,发芽率、发芽指数、活力指数显著降低,平均发芽时间显著增加;幼苗含水量、生物量、根长、根表面积、比根长、比根表面积显著降低。盐胁迫处理比干旱胁迫有着高的发芽率、发芽指数、活力指数、幼苗含水量,但在根干重、根冠比、根长、根表面积、比根长、比根表面积上低于干旱胁迫的。在各个指标的胁迫指数上,盐胁迫高于干旱胁迫的。3)在整个萌发过程中,大粒和中粒种子与小粒种子相比,发芽率、发芽指数、活力指数和幼苗生物量均较高,但在幼苗含水量、根系发育较小粒种子低。种子大小与盐和干旱胁迫有着显著的交互作用,逆境下大粒和中粒种子比小粒种子萌发能力强和幼苗生物量高,但随胁迫程度的增加大粒种子的优势逐渐降低。4)大粒与中粒种子的累计可塑性指数在盐和干旱胁迫下均大于小粒种子,盐胁迫处理的可塑性低于干旱胁迫的。结论: 盐和干旱胁迫显著抑制了刺槐种子萌发、幼苗生长和根系发育,其中干旱胁迫的抑制作用更明显。大粒与中粒种子在萌发和幼苗生长上有着明显优势,但受到胁迫方式和胁迫程度的影响。因此,种子大小与逆境共同影响种子萌发和幼苗生长过程,干旱、盐碱地区播种育苗时建议选择大粒与中粒的刺槐种子为宜。

‘华仲6号’杜仲嫩枝扦插生根的解剖及生理变化
吕庚鑫,孟益德,庆军,何凤,刘攀峰,杜庆鑫,杜红岩,杜兰英,王璐
林业科学. 2022, 58(2):  113-124.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220212
摘要 ( 126 )   HTML ( 5 )   PDF (2698KB) ( 84 )  
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目的: 研究杜仲良种嫩枝扦插不定根发育的解剖结构特征,探讨内源激素、氧化酶、营养物质的动态变化规律及作用,为进一步研究杜仲扦插不定根发育机制及调控技术提供参考。方法: 以‘华仲6号’杜仲当年生半木质化嫩枝为研究对象,通过石蜡切片技术对插穗生根部位进行解剖观察;利用高效液相色谱-质谱法(HPLC-MS/MS)测定生根部位IAA、GA3、ABA及ZR的含量;利用比色法测定IAAO、POD、PPO的活性;采用蒽酮法、考马斯亮蓝法和凯氏定氮法主要测定营养物质中可溶性糖、可溶性蛋白和全氮含量。结果: 1) 杜仲不定根是由形成层外的薄壁细胞诱导分化形成,属于皮部诱导生根型。其生根过程可划分为诱导期(扦插0~12天)、启动期(扦插12~22天)、表达期(扦插22~32天)和伸长期(扦插32~53天)。在表达期可观察到插穗基部有幼小白色不定根突破皮层。2)经杜仲专用生根剂处理的插穗每根平均生根数量可达25.6根,比对照多约20根;平均根长为8.41 cm,约为对照组2倍;生根率为85.3%,提高60%。3)在杜仲扦插生根过程中IAA起到关键作用。POD和PPO活性先升后降,IAAO活性先降后升,营养物质在生根前积累,生根后含量降低。结论: 杜仲不定根发生属于皮部诱导生根类型。在不定根形成关键时期,IAA含量升高是诱导根原基的关键,同时,IAAO活性降低,POD、PPO活性升高,营养物质快速积累,均与生根关系密切。

S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因对银腺杨84K抗旱性的影响
姚俊广,耿娅,刘依静,安轶,黄李超,曾为,卢孟柱
林业科学. 2022, 58(2):  125-132.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220213
摘要 ( 79 )   HTML ( 3 )   PDF (1399KB) ( 65 )  
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目的: 多胺广泛存在于植物体内,参与调节植物发育过程以及胁迫响应,S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(SAMDC)是多胺合成途径的关键限速酶。本研究以SAMDC转基因银腺杨84K为材料,分析在干旱胁迫下SAMDC对杨树生长的影响,探讨SAMDC在林木响应干旱中的作用,为揭示多胺在杨树抗逆性方面的作用提供参考。方法: 以生长3个月的银腺杨84K及其PagSAMDC4a过表达转基因株系的土培苗为试验材料进行干旱处理,观察植株表型,并对多胺含量、H2O2含量、叶片相对含水量、叶片失水率、电解质渗透率等生理指标进行分析。结果: PagSAMDC4a过表达银腺杨84K株系PagSAMDC4a-OE#3、PagSAMDC4a-OE#15、PagSAMDC4a-OE#17的内源亚精胺、精胺含量都显著高于未转基因植株,且PagSAMDC4a-OE#17株系内源腐胺、亚精胺、精胺含量分别是未转基因植株的1.95、3.43、1.32倍。正常条件下,过表达PagSAMDC4a植株的叶片表型、叶片相对含水量和电解质渗透率与未转基因植株无显著差异,而过表达株系PagSAMDC4a-OE#15和PagSAMDC4a-OE#17的叶片失水率显著低于未转基因植株。在干旱胁迫下,未转基因银腺杨84K叶片萎蔫,相对含水量比正常情况下降低26.44%,电解质渗透率升高27.68%,而PagSAMDC4a-OE#3、PagSAMDC4a-OE#15、PagSAMDC4a-OE#17植株叶片生长正常,相对含水量比正常条件下分别降低了10.9%、3.66%、1.33%,电解质渗透率较低、变化幅度较小。与未转基因植株相比,过表达PagSAMDC4a的转基因植株正常条件下H2O2含量显著降低;在干旱胁迫后,H2O2含量虽有增加但幅度显著低于未转基因植株,H2O2含量由高到低为未转基因植株> PagSAMDC4a-OE#3 > PagSAMDC4a-OE#15 > PagSAMDC4a-OE#17。结论: PagSAMDC4a可以调控银腺杨84K内源多胺含量,过表达PagSAMDC4a基因使植株内源多胺含量升高、H2O2含量降低,减轻干旱胁迫引起的氧化损伤,进而有效缓解植株叶片所受水分胁迫,从而降低植株对干旱的敏感性。因此,可以通过调控SAMDC4a过表达影响内源多胺水平的变化从而调控干旱胁迫适应过程。

闽楠中WRKY家族成员鉴定及缺磷胁迫下表达分析
张苗,周生财,吴梦洁,童再康,韩潇,张俊红,程龙军
林业科学. 2022, 58(2):  133-147.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220214
摘要 ( 115 )   HTML ( 4 )   PDF (3923KB) ( 68 )  
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目的: 在闽楠全基因组范围内鉴定WRKY家族成员,分析基因和蛋白序列结构特点及在闽楠幼苗缺磷胁迫下的表达特征,筛选响应缺磷逆境的WRKY基因,为进一步研究它们在楠木磷饥饿响应分子途径中的功能以及耐低磷胁迫分子辅助育种提供参考。方法: 利用WRKY蛋白序列的隐马尔科夫模型(pfam03106),经hmmsearch在闽楠蛋白数据库中检索,筛选WRKY基因。对获得的PbWRKYs利用Protaram、GSDS2.0、MEGA、Batch CD-Search、TBtools和ClustalX等软件进行基因结构、定位分析,蛋白理化性质、序列特征分析以及进化树构建。提取3年生闽楠植株的根、韧皮部和形成层、木质部和叶的RNA,进行转录组测序,分析PbWRKYs在不同组织中的表达特点。对半年生闽楠植株进行缺磷水培处理,60天后,分别取缺磷处理和对照的叶和根进行磷含量测定和转录组测序,分析磷缺乏条件下PbWRKYs表达特征,并对差异表达基因进行qPCR验证。结果: 鉴定到68个WRKY基因,命名为PbWRKY1-68,在各染色体上均有分布,第3号染色体上数量最多,内含子数目在1~28个之间,蛋白分子质量在19.09~115.56 kDa之间。所有PbWRKY均含有WRKY结构域及其特有的锌指结构。根据WRKY结构域数量及其所含锌指结构类型,分为3个亚类:亚类Ⅰ含2个WRKY结构域,锌指结构类型为C2H2型,共14个成员;亚类Ⅱ含1个WRKY结构域和1个C2H2型锌指结构,共47个成员,进化分析表明该亚类又分为5个经典子组Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc、Ⅱd、Ⅱe,但其中PbWRKY37与上述子组进化上距离较远,独立成组;亚类Ⅲ含1个WRKY结构域和1个C2HC型锌指结构,共7个成员。PbWRKYs蛋白所含WRKY结构域氨基酸序列特征大部分为“WRKYGQK”型,但PbWRKY62的WRKY结构域变异为“WRKYGKK”。与其他植物相比,PbWRKYs蛋白中WRKY结构域的变异率较低。PbWRKYs的组织特异性表达模式可分为5类:韧皮部和形成层中相对表达量较低;木质部中表达量高而叶片中表达量较低;韧皮部和形成层表达量较高同时叶片中表达量较低;根中表达量相对较高;叶片中表达量高而根中表达量低。闽楠幼苗缺磷处理60天后,叶和根中表达差异达到2倍以上的PbWRKY基因共21个。它们在叶片中被强烈诱导,可能参与低磷条件下叶片中磷元素的运输及再分配过程;其中,PbWRKY52PbWRKY55PbWRKY56PbWRKY65PbWRKY66 5个基因的表达还在根中被抑制,表明它们除了参与低磷条件下叶片中磷元素再分配,还可能参与了根部磷的吸收和转运。结论: 闽楠中WRKY基因家族成员共有68个,其蛋白序列中WRKY结构域较保守。缺磷处理60天时,有21个PbWRKY基因参与磷胁迫响应,大部分基因可能主要在叶片中参与低磷条件下磷的运输和分配。PbWRKY52PbWRKY55PbWRKY56PbWRKY65PbWRKY66除了在叶片中发挥功能外,还可能参与低磷条件下根部对磷的吸收和转运。

短日照诱导白花泡桐顶芽死亡过程相关基因的表达
李顺福,王慧敏,房丽莎,刘震
林业科学. 2022, 58(2):  148-158.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220215
摘要 ( 112 )   HTML ( 3 )   PDF (1908KB) ( 44 )  
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目的: 对短日照诱导的白花泡桐顶芽进行转录组测序分析,探究其顶芽死亡的分子机制,为解决泡桐“冠大干低”提供理论依据。方法: 在25 ℃恒温条件下,对白花泡桐1年生苗进行短日照(SD)处理,在高生长期(SDa)、高生长停止期(SDb)、顶芽死亡发生期(SDc)3个时期进行转录组测序,并利用荧光定量PCR(qRT-PCR)测定11个差异基因的表达量,同时结合转录组信息进行验证。结果: 白花泡桐顶芽3个时期转录组测序共得到57.47 Gb数据,使用DESeq2软件进行3个时期样品间比较,共筛选出差异基因44 397条,其中注释到7大数据库(NR、NT、GO、EggNOG、KEGG、UniProt、Pfam)的基因为37 076条(83.51%)。3个时期的差异基因在KEGG上主要富集在植物激素信号通路,对顶芽死亡发生的SDc时期植物激素信号通路上差异基因的分析得出:脱落酸(ABA)激素信号的响应因子ABF下调表达,乙烯(ETH)激素信号的响应因子ERF1上调表达,油菜素内酯(BR)激素信号上编码木葡聚糖内糖基转移酶的TCH4和细胞周期特异蛋白基因CYCD3上调表达,这些基因与大多数植物芽休眠过程中表达情况不同。qRT-PCR与转录组测序结果在基因表达量差异倍数上存在偏差,但整体趋势一致,可以证明转录组结果的可靠准确。结论: 白花泡桐顶芽死亡发生期的植物激素信号转导通路中ABFERF1TCH4CYCD3基因的表达情况,使其在高生长停止后顶端分生组织细胞分裂活动仍在继续进行,此时顶端分生组织分化的叶原基展开的幼叶脱落而无法形成芽鳞包裹,导致顶芽未向休眠芽方向发展而死亡。

千年桐根部黄酮类化合物生物合成对枯萎病菌侵染的响应
王嘉,梁晓洁,高暝,吴立文,赵耘霄,汪阳东,黄世清,张永志,傅火勇,陈益存
林业科学. 2022, 58(2):  159-170.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220216
摘要 ( 142 )   HTML ( 6 )   PDF (2842KB) ( 71 )  
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目的: 油桐枯萎病是一种土传的根部真菌病害,严重危害油桐主栽品种三年桐,极大地限制了其规模化栽培。而同属的千年桐具有抗枯萎病能力,其根部防御作用机制的研究可以为抗枯萎病防治和抗性育种提供思路。方法: 利用乙酸乙酯萃取法获得三年桐和千年桐根部提取物;基于高效液相色谱和串联质谱检测病原菌侵染后三年桐和千年桐根部代谢物成分;利用Illumina HiSeqTM2000、检测病原菌侵染过程中三年桐和千年桐根部基因表达变化规律和通路变化,并利用实时定量PCR试验验证基因表达规律;利用R软件包等生物信息学方法进行数据分析。结果: 1) 与三年桐相比,千年桐根部提取物对油桐枯萎病菌的生长有明显的抑制作用;2) 病原菌侵染后千年桐根部产生的芒柄花苷、橙皮苷等异黄酮和黄烷酮化合物是三年桐的1 000倍以上;3) 病原菌侵染后千年桐根部负责黄酮类化合物生物合成的上游关键通路“苯丙烷类生物合成途径”显著富集;4) 苯丙烷类生物合成途径中有4个中心基因,包括4-香豆酸CoA连接酶、β-D-木糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和过氧化物酶N1,通过实时定量PCR试验验证在病原菌侵染早期上调表达,且与其他1 625基因具有极高的相关关系,激活苯丙烷类生物合成途径从而产生黄酮类化合物抵御病原菌入侵。结论: 通过代谢组和转录组联合分析,揭示了千年桐根部苯丙烷类生物合成途径在枯萎病病原菌入侵后发生响应,产生芒柄花苷、橙皮苷等黄酮类化合物,从而抵御病原菌入侵。

抽提处理对泡桐木材声学振动性能的影响
李瑞,苗媛媛,钱晓东,林斌,金祥龙,李慕之,刘镇波
林业科学. 2022, 58(2):  171-181.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220217
摘要 ( 103 )   HTML ( 4 )   PDF (9057KB) ( 59 )  
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目的: 探究抽提处理对乐器用泡桐木材声学振动性能的影响,为木材声学品质改良提供理论依据,促进我国乐器产品声学品质提高,缓解乐器共鸣板用优质木材资源日益匮乏的局面。方法: 采用苯甲醇、去离子水、二氯甲烷和无水乙醇4种溶剂对泡桐木材进行15天的抽提处理,基于两端自由的弯曲振动方法,测定并分析抽提处理对木材弹性模量E、剪切模量G、比动弹性模量E/ρ、对数衰减系数σ、声阻抗ω、声辐射品质常数RE/G、传声速度υ、传输参数υ/σ、声转换效率υ/(σ ·ρ)等声学振动性能参数的影响规律,并通过微观结构观察、红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)的变化,分析抽提处理对木材声学振动性能的影响机理。结果: 经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后,泡桐木材声学振动性能参数均发生变化。比动弹性模量E/ρ、声辐射品质常数R和传声速度υ平均增加7.67%、11.36%和3.75%,其中经二氯甲烷抽提处理的改善效果最佳,增幅分别为13.99%和17.28%和6.77%;声阻抗ω和对数衰减系数σ平均降低3.23%和19.42%,经去离子水抽提处理后其下降程度最大,降幅分别为-5.03%和-23.45%。从能量利用率来看,声转换效率υ/(σ ·ρ)和传输参数υ/σ平均提高38.89%和29.21%,其中经二氯甲烷抽提处理的改善效果最佳,增幅分别为47.66%和35.10%。抽提处理后泡桐木材红外光谱曲线未发生明显变化,仅羟基和半纤维素的吸收峰强度细微减弱。从木材微观结构看出,抽提处理后导管和纹孔更加清晰,并保留木材多孔性能。XRD分析表明,抽提处理未改变衍射峰位置,仅影响衍射峰强度,苯甲醇、去离子水、二氯甲烷和无水乙醇抽提处理后泡桐木材相对结晶度分别增加4.73%、10.25%、3.56%和7.66%,其中经二氯甲烷抽提处理的变化率最大,增大比率为17.42%。结论: 抽提处理可改善泡桐木材声学振动性能,但不同溶剂抽提处理的改善效果不同,总体来说,二氯甲烷、苯甲醇抽提处理的改善效果更优;不同溶剂对木材不同声学振动性能的改善效果也不尽相同,今后可考虑采取多种溶剂抽提结合的方式全面提升木材声学振动性能。

综合评述
古船封护防腐处理技术进展及纳米纤维素应用前景探讨
卢芸,王慧庆,骆立,陈粤,张治国,马星霞
林业科学. 2022, 58(2):  182-195.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220218
摘要 ( 149 )   HTML ( 7 )   PDF (3592KB) ( 58 )  
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随着现代考古技术迅速发展,被打捞和发掘出的古船日渐增多,对这些脆弱且具有珍贵历史价值的古船进行及时有效保护是重要且必要的。目前,古船保护主要包括清洗、脱盐、脱水定型、修复复原等步骤,同时为进一步增强古船适应现代环境的能力,往往还需进行封护防腐处理。本研究在对古船封护防腐处理技术进行文献梳理的基础上,对比多种封护方法的加固保存效果,总结各封护方法的优缺点。纳米纤维素是性质优良的新型生物纳米材料,在修复糟朽木质文物方面已有所应用,在古船封护加固方面也有探索性研究,纳米纤维素良好的生物相容性和理化性质使其作为古船封护加固材料极具潜力; 特别地,纳米纤维素对古船表面形貌具有更好的保护效果。利用纳米纤维素加固古船,既能提高古船的稳定性,又能最大限度地保证古船原貌不受影响,是一种全新的古船加固思路。随着当前文保科技化的快速发展,在古船封护防护领域,今后应该: 1)深入探究桐油、生漆等天然传统封护原料的改性规律和工艺创新,聚焦纳米纤维素对其性能的提升作用; 2)开发研究古船的抗菌防霉防护处理,提升生物抗性的同时维持古船原貌,且对环境无负面影响; 3)重视古船中Fe3+对木材的危害,系统研究纳米纤维素对不同加固处理基材的封护表现并进行全面评估。

基于具缘纹孔膜特征的木质部栓塞机制研究进展
李姗,李玉军,张亚,王杰,万贤崇,姜笑梅,孙熙佑,朱新京,殷亚方
林业科学. 2022, 58(2):  196-205.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220219
摘要 ( 135 )   HTML ( 7 )   PDF (4530KB) ( 62 )  
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木质部栓塞指外界气泡进入木质部充水管道导致的植物水分传导功能受阻。木质部输水管道间具缘纹孔膜是木质部栓塞形成、扩散和疲劳产生的关键部位,近年来,具缘纹孔膜特征在木质部栓塞机制研究中日益受到关注。为更全面和清晰理解木质部栓塞形成、扩散和疲劳过程中具缘纹孔膜的作用,本研究在整理分析国内外木质部栓塞相关研究的基础上,首先探讨被子植物、裸子植物木质部栓塞的形成机制和扩散规律,阐释栓塞形成和扩散的"气种假说",明确具缘纹孔膜的核心作用; 然后分别针对具缘纹孔膜的构造、化学、物理和微力学性质与微液流行为等主要特征以及不同特征间的相互关系,归纳具缘纹孔膜在木质部栓塞形成、扩散和疲劳等不同阶段的重要作用,概述三维结构模型构建、化学成分原位检测、力学行为模拟和单个纹孔膜微液流量化分析等具缘纹孔膜特征关键表征方法的发展现状和问题; 最后提出木质部栓塞应优先开展的3方面研究: 1)不同水分条件下具缘纹孔膜化学成分、物理和力学性质的变化; 2)气泡在水分与具缘纹孔膜三维孔隙结构间水-固耦合界面的形成与扩散方式; 3)不同水分条件下具缘纹孔膜结构变化及其对微液流效率的影响。同时,亟待突破具缘纹孔膜三维空间结构的原位精准表征与生物模型构建及优化的技术瓶颈。通过进一步研究具缘纹孔膜构造、化学、物理、力学性质和微液流行为,揭示具缘纹孔膜特征对木质部栓塞的影响规律这一关键科学问题,将有助于深入理解木质部栓塞机制,为探究木质部抗旱机制、选育优良耐旱种质资源提供科学依据。

木材塑性变形的湿热固定技术及机理研究进展
黄荣凤
林业科学. 2022, 58(2):  206-216.  doi:10.11707/j.1001-7488.20220220
摘要 ( 167 )   HTML ( 12 )   PDF (6208KB) ( 111 )  
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塑性变形永久固定是木材压缩密实化、弯曲等塑性改性的关键科学和技术问题之一。本研究针对塑性变形湿热固定技术,从塑性变形形成和回复机理入手,在全面分析木材塑性变形固定研究现状的基础上,重点阐述木材塑性变形的湿热固定技术和机理研究进展以及存在的问题,为突破该项技术的产业化应用瓶颈提供参考。湿热固定技术是以释放木材内应力方式固定塑性变形的方法,因处理方式不同,区分为常压热处理和加压热处理两大类。目前采用的所有处理方法,永久固定塑性变形的必要条件为温度达到180℃以上,加快热传递速度,并使板材厚度方向的中心温度快速达到180℃,能够有效缩短塑性变形永久固定时间。湿热处理永久固定塑性变形机理研究主要从热处理和饱和蒸汽处理2种过程中木材内应力释放与化学性质变化之间的关联性展开,多数研究支持3种基本机制,即基质分子间的交联反应形成稳定的结构; 分子链断裂使微纤维和基质中应力松弛; 亲水的细胞壁成分,特别是半纤维素形成聚合物阻止其再次发生水软化。但这些研究实际上只局限在2个极端,一端是干燥状态下依靠提高温度和延长时间释放木材内应力的热处理,另一端是接近饱水状态下依靠高温高压释放木材内应力的饱和蒸汽处理,而且这些研究均未涉及影响塑性变形固定和木材性能热、质传递等重要的过程因素,存在永久固定和木材性能变化的相互制约等适用性问题。虽然采用湿热处理方法理论上已经实现塑性变形的永久固定,但这些技术并未实现产业化应用,主要原因在于支撑湿热处理永久固定塑性变形的理论和技术体系不完整。要解决塑性变形的湿热固定技术应用问题,不能只关注最终条件,还有考虑如何有效实现这些条件,因此,需从湿热处理过程中水分的作用、热作用和氧化作用及其相互作用机理,热、质传递规律,湿热作用下木材内应力释放的作用机制等方面开展深入研究。