全 文 ：收稿日期:2015 － 05 － 19 修回日期:2015 － 07 － 24
基金项目:国家自然科学基金项目“高海拔生境油松、云南松、高山松种群及种间杂种适应性研究”(31070591)。
作者简介:马凤翔(1970 －) ，女，副教授，博士，从事大学物理教学及物理学在林学中的应用研究。通讯作者陈晓阳(1958 －) ，男，教
授，博士，从事林木遗传育种研究。E-mail:xychen@ scau． edu． cn。
DOI:10． 13324 / j． cnki． jfcf． 2016． 01． 014
高山松与油松 ×云南松人工杂种损耗谱参数研究
马凤翔1，陈晓阳2，3，李 悦2
(1．北京林业大学理学院，北京 100083;2．北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083;
3．华南农业大学林学院，广东 广州 510642 )
摘要:利用 13 个油松 ×云南松杂交子代家系、母本 6 个单株自由授粉混合子代、父本 5 个单株的自由授粉混合子代及高
山松林芝种群为对象，测定和比较分析了杂种子代、亲本子代及高山松群体苗木针叶的电学参数—损耗系数，研究了损
耗系数在不同群体间的变异与联系。通过对损耗系数谱线拟合，构建了高山松、油松、云南松及人工杂种针叶的损耗系
数模型。结果表明，损耗系数谱在种(杂种)间差异显著，损耗随频率的变化趋势表现了各物种的特点。在 5 － 10 Hz 频
段，种(杂种)间差异小。大于 10 Hz后，杂种和高山松与油松差异小，杂种曲线走势几乎与油松重合，凸显母本效应
强，高山松和云南松损耗谱线走势相反，高山松为凹形，油松为凸形，标示出二者损耗机理上的不一致，或相反。大于
15 Hz以后，高山松的损耗系数最小，体现出高山松耗能最小的超亲性状。聚类分析显示杂种组合、高山松在损耗性状
上有偏母特性。损耗与试验地温度、降水、经度相关，达到极显著水平。损耗与越冬死亡率、2 年生苗高、苗冠高、死
亡率显著正相关，与 2 年生存活率、封顶率显著负相关。
关键词:高山松;云南松;油松;人工杂种;损耗
中图分类号:S712 文献标识码:A 文章编号:2096 － 0018(2016)01 － 0086 － 06
Study on loss spectrum parameters in Pinus densata and artificial hybrid of
P． tabuliormis × P． yunnanensis
MA Fengxiang1，CHEN Xiaoyang2，3，LI Yue2
(1． College of Science，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China;
2． College of Biological Science and Biotechnology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China;
3． College of Forestry，South China Agricultural University，Guangzhou，Guangdong 510642，China)
Abstract:In this study，artificial hybrid combinations of Pinus tabuliformis and P． yunnanensis，female multi-plant offspring mixed
samples and male multi-plant offspring mixed samples，which were obtained from the natural distribution core area and edge area
that could be representative population of P． tabuliformis and P． yunnanensis and P． densata from Linzhi，Tibet，were selected to
measure their electrical parameters，or loss coefficients． It showed that there existed significant variations among species and artifi-
cial hybrid combinations in loss parameters． Spectrum models of species were constructed for loss through each spectral fitting of
theirs． Loss coefficient spectral analysis of the species and artificial hybrid showed as follows． In 5 － 10 Hz，no significant differ-
ences occurred among species． Beyond 10 Hz，differences among P． tabuliformis，P． densata and hybrids were insignificant，and
hybrid curve almost coincided with the trend of P． tabuliformis，highlighting the strong maternal effect． P． densata and P． yun-
nanensis moved on an opposite trend，with P． densata being concave，while P． tabuliformis convex，which might be marked out on
the inconsistencies between the two loss mechanisms，or vice versa． When over 15 Hz，the loss coefficient of P． densata was the
smallest，reflecting its transgressive characteristics for minimum energy consumption． Loss was associated with indices and
adaptability of seedling growth，with the coefficient reaching a significant level，and it was closely related to experimental
environment factors such as longitude，altitude，annual average temperature and precipitation． The finding also indicated that the
loss had a significant positive correlation with wintering mortality，the height，crown，and mortality of biennial seedlings，and
significant negative correlation with biennial survival and biennial cap rate．
Key words:Pinus densata Masters;P． yunnanensis Faranch;P． tabuliormis Carrière;artificial hybrid;loss coefficient
交流阻抗谱方法作为一种电测量方法在医学病理领域的科学研究中占据重要的地位［1］。目前，阻
抗谱方法在植物学上的研究主要是用胞内电阻、胞外电阻、驰豫时间以及驰豫时间的分布系数来研究苗
森林与环境学报 2016，36(1) :86 － 91 第 36 卷 第 1 期
Journal of Forest and Environment 2016 年 1 月
木的抗逆性［2 － 19］，改变的只是材料。本课题组开创性地利用阻抗谱参数中的损耗系数来探究树木种间
与种内的遗传变异现象与规律，在植物学研究领域尚未见到报道。
当物质被引入电场时，它们将和电场产生相互作用而改变其状态。从宏观效应看，物质对电场的响
应可以分为极化、传导特性［20］。不同物质，其带电粒子间相互作用力差异往往很大。极化及传导可导
致物质的电导损耗和松弛极化损耗，其表现的损耗系数与物质的微观结构有关，随着微观结构的差异而
有不同的特征形式［21］。在相同试验环境条件下，对油松(Pinus tabuliformis Carrière)、云南松
(P． yunnanensis Faranch)、高山松(P． densata Masters)以及油松与云南松的种间杂种苗木给予一定的交
变电场处理，检测其损耗系数谱的变化与差异，测定种质间的损耗系数谱，通过探讨损耗系数谱与生长
适应指标间的相关分析，得出损耗系数能够间接反映苗木物质的组成及组织结构，例如苗木中水分的含
量，各种矿物质带电粒子总体数目的多少，但是具体到带电粒子如 Cl －、Na +、K +等的含量，还需要进
一步的手段和途径。通过对损耗系数谱与种质间遗传变异及物种亲缘间的关系进行研究，为利用损耗系
数谱研究苗木变异及与其植物组织结构特征提供参考。
1 材料与方法
1． 1 试验材料
油松 ×云南松的种间人工杂交工作在内蒙古宁城黑里河油松种子园进行，母本为 6 个油松无性系，
父本云南松的花粉采自云南昆明的 5 棵云南松植株，遗传设计为测交系设计，共获得 30 个杂交组合种
子，其中有 12 个杂交组合的种子数量能够满足田间实验的基本要求。
为便于杂种与母本种的对比，采用油松的种群样本为 6 个人工杂交母本无性系自由授粉种子的混合
样本。为对比杂种与亲本种关系，云南松的种群样本为 5 株采集花粉的云南松植株自由授粉种子混合样
本。高山松种群样本采集自西藏林芝天然林分的 30 株高山松种子的混合样本。
各采样树种均位于其天然分布区内，周围没有其他同属针叶树种分布，因此采集的自由授粉种子不
会发生种间杂交。
1． 2 试验地概况
试验地位于西藏林芝地区八一镇西藏大学农牧学院资源与环境学院的试验苗圃内，北纬 29°50，东
经 93°25，海拔 2 900 m，属高原半湿润季风气候区，最低气温 －5． 3 ℃，最高气温 22． 1 ℃，年平均降水量
654． 1 mm，主要集中在 4 －10月份;年平均气温 8． 5 ℃，年平均日照时间 2 022． 2 h，全年无霜期 180 d以上。
苗圃地为河滩地改造而成，土壤为砂壤，pH 值 6 － 7，土壤厚度 ＞ 60 cm，肥力中下等。圃地原有
的高山松植株生长正常。
1． 3 育苗与田间试验设计
育苗采用高床整地。苗床 5 m ×1． 1 m ×10 cm。
苗期试验设计为完全随机区组，每区组包括 13 个人工杂种组合小区和高山松、油松和云南松 3 个树
种小区，重复 4次。人工杂种小区株数为 10株，油松、云南松和高山松对照小区株数为 20 株。田间植株
行距与管理条件一致。
1． 4 测量指标
将特制电极与阻抗分析仪(型号 TH2828S)相连，对阻抗分析仪进行开路和短路校正。校正后，分
别选取油松、高山松、云南松和杂种苗中不同针叶各 2 个，输入电压 10 mV，频率 1 Hz － 100 MHz范围
内的 53 个频率下的损耗值进行预试验，绘制损耗谱曲线，发现在频段 1 － 120 Hz，曲线波动较其它频段
明显。考虑到本试验的主要目的是考察损耗参数是否可以作为一种衡量物种生长或遗传性状的指标，而
不是考察针叶受到电响应时所产生的生理变化，所以选取的测量频段为 1 － 120 Hz。随机取样油松、高
山松、云南松和杂种苗中长势较好的针叶作为最终样品，测定针叶的损耗值。在测定过程中尽量保持样
品的原初状态不变以保证测定结果的稳定性。同时作为无损测量，测量样品不从植株上取下，即样品没
有脱离母体。为了消除大气温度和光照随时间的变化影响，每颗植株的针叶分别进行早、中、晚 3 次测
量，取 3 次测量的平均值作为最终的测量值。
·78·第 1 期 马凤翔等:高山松与油松 ×云南松人工杂种损耗谱参数研究
2 结果与分析
2． 1 人工杂种子代家系间损耗谱对比
对油松与云南松杂交获得的各杂种组合苗木进行损耗系数谱分析结果显示(图 1) ，人工杂种组合损
耗系数随电压频率的增加没有呈现统一的变化趋势。因组合不同而出现的损耗系数谱值的多样性变化，
是否与其遗传基础的多样性关联，或与针叶的组成结构、苗木的生态适应性或生理特性等有关，有待进
一步研究证明，但是这种多样性变异现象本质的揭示，对于利用该参数服务树木遗传变异与生态适应性
可以提供新的技术途径。
图 1 人工杂种组合损耗系数谱对比
Figure 1 Comparison of loss coefficient spectroscopy among artificial hybrid combinations
图 1 可见，人工杂种组合间损耗系数分化明显，每个组合都有自己独特的系数谱线，不同组合间差
异明显，其中 401 － 413 为人工杂种组合的编号，共 13 个杂种组合。
为了直观显示损耗系数在组合间的分化与变异以及种(杂种)间的差异，不计频率，将所有频率点
下的损耗值叠加取平均值对比显示损耗在组合间、种间的差异(图 2、图 3)。
图 2 人工杂种组合损耗系数对比
Figure 2 Comparison of loss coefficients among artificial
hybrid combinations
图 3 高山松云南松油松杂种损耗系数对比
Figure 3 Comparison of loss coefficients among varieties
(artificial hybrid)
2． 2 人工杂种、高山松与亲本种损耗谱对比
从图 4 可以看出，种(杂种)间的损耗系数在 5 － 10 Hz 差异不大。大于 10 Hz 后，人工杂种损耗曲
线几乎呈水平状态，显示杂种在 10 Hz后，损耗稳定。杂种曲线与油松曲线几近重合，显示出极强的母
本效应，在 15 － 45 Hz，油松大于杂种，在 45 － 55 Hz 油松小于杂种，在 55 － 100 Hz 油松又微高于杂
种，油松出现了 2 个高点，3 个低点的波动走势，显示出油松极化损耗的不稳定性。云南松的损耗曲线
在10 Hz后，走出一条近似凸弧的形状，在 65 － 70 Hz 出现高点，显示出云南松极化损耗的规律性。高
·88· 森 林 与 环 境 学 报 第 36 卷
山松的损耗曲线在大于 15 Hz后位于最底部，损耗最小，在 5 － 10 Hz呈现上升走势，在 10 － 60 Hz呈现
下降走势，在 60 － 120 Hz呈现上升走势，60 Hz处出现极小点(60 Hz，0) ，即没有损耗。杂种在 5 － 10
Hz呈下行，在 10 － 15 Hz呈上行，大于 15 Hz后损耗趋于稳定。高山松与人工杂种相比，除 10 Hz高山
松的损耗系数均小于杂种，说明高山松(除 10 Hz)在消耗能量方面小于杂种。
图 4 人工杂种、高山松、云南松、油松耗谱系数谱对比图
Figure 4 Comparison of loss coefficient spectroscopy among artificial hybrid，
P． densata，P． yunnanensis and P． tabuliformis
人工杂种与油松损耗曲线走势分化不大，显示出杂种与油松的亲近。在 5 － 10 Hz 频段，高山松与
云南松接近，大于 10 Hz后高山松和云南松走向相反，高山松为凹形，极小点位于 60 Hz处;云南松为
凸形，极大点位于 65 － 70 Hz处，显示出二者损耗机理上的不一致，或相反(图 4)。
2． 3 损耗的聚类分析
利用损耗系数对油松、云南松、高山松和 13 个人工杂种组合进行聚类分析(图 5) ，研究的种质在
损耗系数水平上以 0． 4 为分组值，可以聚为 3 类。其中有 12 个人工杂交组合与高山松和油松聚为一组，
有1 个人工杂交组合(402)独立成一组，而云南松独立成组且与其他 2 组有很大尺度的差异。该结果突
出显示了杂种组合在损耗系数上的亲母特点，同时也突现了父母本间的差异，而结果也意味着较早有学
者研究认为的高山松种群很可能由油松作为母本而起源［22 － 24］，这样本次聚类分析高山松与油松聚为一类
就较好理解。
图 5 杂种组合与高山松及亲本种损耗(1 －120 Hz)聚类树图
Figure 5 Clustering tree diagram on the loss(1 － 120 Hz)in hybrid combination with P． densata and parent varieties
2． 4 损耗与环境生长适应性相关分析
生命力旺盛，生长势好的植物个体，体内水分含量比起生长势差者要多，且体内带电离子等带电的
粒子团较生长势差者要活跃，外电场作用下，不同生长势的材料其阻抗谱参数表达应该不同，也就是
·98·第 1 期 马凤翔等:高山松与油松 ×云南松人工杂种损耗谱参数研究
说，阻抗谱参数与植物的生长状况有关，为此，做生长适应性与损耗关系分析进行验证。子代家系、油
松、云南松及高山松生长适应性指标数据［25］，与它们相应的损耗数据为同时段测量。Pearson 相关分析
表明(表 1) ，损耗与越冬死亡率，2 年生苗高、苗冠高、死亡率呈显著正相关，与 2 年生存活率、封顶
率呈显著负相关。
表 1 生长适应性与损耗相关关系分析1)
Table 1 Correlation analysis of growth adaptability with loss
生长指标 Growth indices 损耗系数 Loss coefficients 生长指标 Growth indices 损耗系数 Loss coefficients
发芽率 Germination percentage 0． 593＊＊ 2 年生苗高 Biennial seedling height 0． 672＊＊
越冬死亡率 Wintering mortality 0． 877＊＊ 2 年生苗冠高 Biennial seedling crown height 0． 670＊＊
2 年生存活率 Biennial survival － 0． 879＊＊ 2 年生死亡率 Biennial mortality 0． 440＊＊
2 年生封顶率 Biennial cap rate － 0． 575＊＊
1)* 表示在 0． 05 水平上显著相关;＊＊表示在 0． 01 水平(双侧)上显著相关。Notes:* means significant correlation at 0． 05 level，and
＊＊ significant correlation at 0． 01 level (both sides )．
对于生长指标，它们与损耗参数间的关系，归根结底为生物组织的物质结构和成分组成，即生物组
织的基本遗传特性与损耗的关系。生长越快损耗能量越大，苗高，苗冠高越大，说明苗木长势好，耗能
多，可以解释发芽率、苗高、苗冠高与损耗谱参数正相关;生长旺盛的苗木，本不该死亡，但本试验的
数据处理结果显示，损耗谱参数与越冬死亡率，2年生死亡率正相关，可能是因为当时测量时间为 10 月
份，由于气候条件和光周期等影响，生长势旺盛的苗木木质化程度较差，越冬易受冻害而死亡。另外，理
论上已经证明，外电场作用下，影响物质介电特性的因素还有温度［21］，并且温度对于物质的介电特性影
响较大，在利用阻抗谱法研究苗木对于低温的抗性时，就是以此为依据。为了探究损耗谱参数与环境温度
的关系，做环境温度与损耗 Pearson相关分析，结果显示在 0． 01 水平(双侧)上温度与损耗谱参数显著相
关，相关系数等于 0． 848(温度数据利用试验地国家气象数据作为参考，非具体测试地点小气候数据)。
3 结论与讨论
种(杂种)的损耗谱显示，高山松、杂种与油松接近，说明母本影响大。聚类分析得出同样的结论。
当频率大于 15 Hz，高山松损耗在 4 个种中损耗最小，说明高山松损耗能量最小的超亲性状。损耗谱参
数杂种组合个体间有差异，差异不显著;种间有差异，差异显著水平与频率有关，在 5 － 10 Hz 时高山
松、杂种、油松差异不显著，大于 10 Hz种(杂种)间差异显著。
组织生长势状况好坏，直接影响组织内部物质营养的输运，营养物质中含有带电的各种粒子，例如
组成蛋白质的氨基酸中的脯氨酸，Cl －、Na +、K +等以及组织中的水分含量，这些都会影响苗木的生长
状况，同时这些指标又会影响组织的导电性［26］，也就影响到损耗谱参数，所以损耗谱参数与 2 年生苗
存活率、苗高、苗冠高、封顶率、发芽率、越冬死亡率和总死亡率相关且均达到极显著水平。温度是组
成物质的分子热运动剧烈程度的量度［21，27］，植物组织所处的环境温度越高，其体内的带电粒子活动越
活跃，植物组织的导电性越好［26］，也就影响到损耗系数的大小，所以损耗参数与实验地环境因子温度
的相关分析表明，损耗参数与试验地温度达到了极显著水平。
损耗系数可能反映出植物生长状态，生长越慢损耗能量越低，损耗小的苗木，说明它耗能少，存活
率应该高，因为它可以节约能量，本次试验损耗与 2 年生存活率负相关正好说明了这点。苗木封顶是植
物对于冬季低温和光周期的适应性调节，封顶率高的说明苗木要存储能量，降低损耗［28］，本次试验损
耗与封顶率显著负相关验证了这点。
电容和损耗是样品被施加电场后，测试样品储存电场能和损耗电场能的 2 项指标。频率大于 15 Hz
后，种(杂种)中高山松损耗系数最小，说明高山松损损耗能量最小。在同期的测量数据电容分析中，种
(杂种)中高山松的电容最大，说明高山松又具备最大的储存电荷或电场能量的能力。可见光是一种电磁
波，它的频段范围是 480 －680 MHz可以说光能就是一种广义上的电场能［29］，15 Hz远远小于480 MHz。所
以，可以推出高山松储备光能的能力远大于油松、云南松和杂种;而消耗光能的能力又是最小。显示出经
过长期的进化和自然选择，高山松之所以能够适应在西藏地区恶劣的自然环境下建种成林，并长期生存，
·09· 森 林 与 环 境 学 报 第 36 卷
与其拥有低耗能的超亲性状本领是分不开的。研究结果显示损耗谱系数可以作为反映种间遗传变异的物理
电学指标，且为高山松是油松与云南松的杂交起源提供了积极的物理电学性状证据。
参考文献
［1］董秀珍． 生物电阻抗成像研究的现状与挑战［J］． 中国生物医学工程学报，2008，27(5) :641 － 643，649．
［2］董胜豪，张钢，卻书鹏，等． 脱锻炼期间白皮松针叶的电阻抗图谱参数和生理指标的相关性［J］． 园艺学报，2009，
36(6) :891 － 897．
［3］董胜豪，张钢，卻书鹏，等． 抗寒锻炼期间白皮松电阻抗图谱参数对可溶性糖与淀粉含量变化的响应［J］． 河北农
业大学学报，2009，32(3) :53 － 58．
［4］郝征，张钢，李亚． 不同高温胁迫对白桦幼苗几个生理生化指标和电阻抗图谱参数的影响［J］． 西北植物学报，
2010，30(9) :1 844 － 1 851．
［5］李亚，张钢，张玉星，等． 水杨酸对大叶黄杨茎抗寒性和电阻抗图谱参数的影响［J］． 生态学杂志，2010，29(3) :
460 － 466．
［6］刘辉，张钢． 短日照对金叶女贞茎抗寒性和电阻抗图谱参数的影响［J］． 华北农学报，2008，23(2) :173 － 179．
［7］刘辉，张钢． CaCl2 对金叶女贞茎抗寒性和电阻抗图谱参数的影响［J］． 植物研究，2008，28(4) :442 － 446．
［8］刘晓红，黄廷林，王国栋，等． 盐胁迫对小麦叶片电阻抗图谱参数的影响［J］． 浙江大学学报(农业与生命科学版) ，
2009，35(5) :564 － 568．
［9］刘晓红，王国栋，张钢． 小麦叶片的电阻抗图谱参数对水分胁迫的响应［J］． 兰州大学学报(自然科学版) ，2007，43
(5) :48 －53．
［10］刘晓红，王国栋，张钢． 水分胁迫对不同小麦品种叶片电阻抗参数的影响［J］． 西北农林科技大学学报(自然科学
版) ，2007，35(2) :210 － 214．
［11］刘晓红． 环境因子胁迫对小麦叶片电阻抗图谱参数的影响［D］． 杨凌:西北农林科技大学，2007．
［12］刘晓红，王国栋，张钢． 干旱胁迫下小麦叶片的电阻抗图谱参数与生理参数的关系［J］． 西北植物学报，2007，27
(5) :970 － 976．
［13］马飞，徐婷婷，陈立同，等． 低温胁迫下二倍体杂交种高山松光系统Ⅱ功能稳定性研究［J］． 西北植物学报，
2011，31(6) :1 174 － 1 179．
［14］董军生，张军，周素锐，等． 电阻抗法测定杨树无性系抗寒性［J］． 西北林学院学报，2014，29(3) :105 － 108．
［15］孟昱，张钢，李雪平，等． NaCl胁迫对毛竹叶片的电阻抗图谱参数及膜透性的影响［J］． 武汉植物学研究，2010，
28(3) :341 － 346．
［16］王爱芳，张钢，魏士春，等． 不同发育时期樟子松(Pinus sylvestris L． var． mongolica Litv．)的电阻抗参数与抗寒性的
关系［J］． 生态学报，2008，28(11) :5 741 － 5 749．
［17］姚琳，张钢． NaCl胁迫下流苏的电阻抗与电导分析［J］． 林业科学，2011，47(12) :60 － 68．
［18］张振英，张钢，尚爱芹，等． 脱锻炼期间不同观赏树种抗寒性与电阻抗参数和生理指标的关系［J］． 河北农业大学
学报，2012，35(2) :41 － 47．
［19］周军，张钢，刘晓红，等． Zn2 +胁迫对白皮松针叶电阻抗图谱参数的影响［J］． 沈阳农业大学学报，2010，41(6) :
667 － 672．
［20］谢处方，饶克谨． 电磁场与电磁波［M］． 4 版． 北京:高等教育出版社，2006．
［21］孙目珍． 电介质物理基础［M］． 广州:华南理工大学出版社，2000．
［22］WANG X Ｒ，SZMIDT A E，LEWANDOWSKI A，et al． Evolutionary analysis of Pinus densata Masters，a putative tertiary
hybrid［J］． Theoretical and Applied Genetics，1990，80(5) :641 － 647．
［23］LIU Z L，ZHANG D，HONG D Y，et al． Chromosomal localization of 5s and 18s-5． 8s-25s ribosomal DNA sites in five Asian
pines using fluorescence in situ hybridization［J］． Theoretical and Applied Genetics，2003，106(2) :198 － 204．
［24］SONG B H，WANG X Q，WANG X Ｒ，et al． Maternal lineages of Pinus densata，a diploid hybrid［J］． Molecular Ecology，
2002，11(6) :1 057 － 1 063．
［25］代剑锋，孟景祥，毛建丰，等． 油松 ×云南松人工杂种与亲本种在高山松生境下的苗期指标对比分析［J］． 北京林
业大学学报，2014，36(1) :8 － 14．
［26］潘瑞炽． 植物生理学［M］． 北京:高等教育出版社，2008．
［27］刘银春，尤华明． 电磁生物非热效应的理论分析［J］． 福建林学院学报，2004，24(4) :298 － 302．
［28］张立沙，代剑峰，高琼，等． 高山松与亲本种多种群在高海拔生境下的苗期适应性研究［J］． 北京林业大学学报，
2012，34(5) :15 － 24．
［29］赵凯华，钟锡华． 光学［M］． 北京:北京大学出版社，2008．
(责任编辑:温凤英)
·19·第 1 期 马凤翔等:高山松与油松 ×云南松人工杂种损耗谱参数研究