全 文 ：第 6 卷 第 5 期
1 9 9 3 年1 0月
林业 科学研 究
FO R E ST R E SEA R C H
V o l
.
6
,
N o
.
5
o e t
. , 1 9 9 3
I一6 9杨湿心材发生 、分布及材性的研究 *
姜笑梅 张立非 徐邦兴 郑世楷
摘要 在湖北省嘉鱼县潘家湾 , 不同生长条件和不同方式种植的 I 一 69 杨 活 立木及原木都有
不同程度的湿心材存在。 湿心材的比例与土城水分含皿有关 , 与种植方式和树木生长速度无关 。
湿心材的存在和变色由细菌活动引起 , 已分离和鉴定出 5 种病原菌(E r口‘耐 a c a r ot 。。。r a S u b s p .
e a r o t o u o r。 , E . r 人a夕。, *‘0 1 (M illa r d ) B u r k ho ld , E 。 c h r y s a 。*he川 1 B u r k h o ld e r , B a e illu s
c e r e “5 F r a n k la n d , B
.
s户ha e r ic u s N e id e , 。 电镜观察和材性分析表明, 正常材中细菌很少 ,
纹孔膜保存完好 , 而湿心材的导管一射线间纹孔和管间纹孔膜几乎都被破坏 。 与正常材 相比 , 湿
心材的 p H 和酸缓冲容量高 , 抽提物和灰分含量较高 , 综纤维素和 。 一纤维素含量略低。 湿心材的
密度 、 干缩系数及力学性质都比正常材低 , 差异极显著 。 建议进一步研究如何防止细菌的 侵入和
活动 , 阻止湿心材和变色材的发生 。
关扭词 杨树、 湿心材、 材性、 变色 、 细菌
杨树是短周 期工业用材的重要树种之一。 在湖北嘉鱼地区种 植 约 1 万 hm Z , 主要以 工-
6 9杨 (P o p u lo s d elt o 毖d e s B a r tr e v 。 “L u x ” e x l一6 9 / 5 5 ) 和 I 一 7 2 杨 (P 。 e u ; a二。r : e a n a e v 。
“
Sa n M ar ti no
” e x l一7 2/ 5 8) 为主 。 因其速生丰产 , 杨木已成为该县胶合板厂 的主要原料 。
但由于杨木 “红心 ”或“黑心”现象严重 , 给胶合板等木材利用带来影响 。 为解决这个问题 , 对
嘉鱼县杨树的“红心材”或“黑心材”的发生 、 分布规律进行了调查研究 , 对其材性进行了测定 ,
并对形成的原因做了初步探讨 , 国外学者【‘一 ]对杨树、 榆树和冷杉等木材的变 色及其原因进
行过一些研究 , 他们认为靠近髓部位高含水率的变色部分为湿心材 、 湿材或变色材。 本文采
用湿心材一词 , 作者认为似比“红心材 ” 、 “黑心材”更为确切 。 Pas si al s 等[z] 对冷杉的湿心材
做过材性研究 , 但还未见到对杨树湿心材材性的报道。
1 试材和试验方法
在湖北省嘉鱼县潘家湾调查了不同生长条件 (片林 、 沟渠旁、 农田林网 、 公路旁) 、 两种
无性系( 工一69 杨和 工一72 杨) 、 不同种植方式 (带根 、 截根 )的杨树湿心材 的发育程度 。 采用小
试样(树芯 ) , 每种调 查随机选 3 株 (树龄为 10 a )立木 。 在树高1 . 3 m 处的北 向用 5 m m 直径
的生长锥取样。 在砍伐现场和嘉鱼县胶合板厂的贮木场进行湿心材在株内不同高度分布的调
查 , 共观测80 根原木 。
19 9 3一0 4一2 9收 稿。
姜笑梅副研究员 , 张立非 (中国林业科学研究院木材 工业研究所 北京 1 0 0 0 91 ), 徐 邦兴 (湖北省 嘉鱼县林业 局 ), 郑
世错 (中国林业科学研究 院林业研究所 )。
* 本文系世界银行贷款 , 国家造林项目的材性专题 部分内容 。 试材采集和调查工 作得到湖 北古弃鱼县林业局 、 县 人造
板厂的支持帮助 , 特此致谢 .
5 期 姜笑梅等 : I 一69 杨湿心材发生 、 分布及材性的研究
在嘉鱼县取 3 株杨木, 做材性测定 。 湿心材为近髓心 、 色深的部分 ; 正常材为近树皮 、
未变色部分。 用光镜和扫描、 透射电镜观察湿心材构造的变化和细菌存在 。 根据 国 家标 准
“造纸工业测试方法"( G B 2 67 7 一2一81 一1 0一81 )进行化学成分分析 。用 5 2 一习80 色差仪对干燥后
的湿心和正常材单板测色。 参照国家标准 “木材物理力学 性质 试验 方 法” (G B一1 92 7 一1 9 4 3-
80 )进行物理力学试验 。 用消毒过的生长锥取活立木的树芯 , 将湿心和正常边材分开 , 并把流
出的树汁分别装入消毒的试管内。 由中国科学院微生物所进行病原分离鉴定。
2 结果与分析
2
。
1 湿心材的发生和分布
所观察的杨木 , 无论立木还是原木都有湿心材存在 。 刚取出的树芯 , 近髓心第 1 ~ 5 生
长轮 , 浅黄褐色 , 为树汁渍透 , 有难闻气味的这部分为湿心材 ; 近树 皮 部分 (第 6 一 10 生长
轮 )白色或浅黄色 , 较干燥的为正常边材 。 生长锥从树中取出时 , 有淡黄色透明 的液体流出 。
同时还伴有气泡从生长锥造成的树孔中冒出 , 树汁有恶臭 , p H 为 7 . 5~ 8 . 0 。 收集的树汁和
湿心材在空气中放置数小时后颜色变深 , 为浅褐色和褐色 。 上述结果与 S c hi n k[ ’〕的 报道相
近 , 说明 工一69 杨、 工一72 杨具典型的湿心材的特征。 S c hi n k 等〔’〕还对所产生的气 体 进行分
析 , 主要有甲烷、 氮气和二氧化碳 , 认为由于细菌的新陈代谢引起醋酸醋 、 脂肪酸和酒精的
发酵 , 产生气体 。
湿心材最主要的特征是生材含水率极高。 本实验按生长轮测定三株试材的生材含水率 ,
从髓心向外有降低的趋势(表 1 )。 湿心材和正常材的生材含水率分别为 1 4了. 7 %和64 . 4 % 。在
健康的树木中 , 在心材形成时期脱水 , 含水率低 , 但湿 心 材 的水 分 从 边材 移 动 而 来 ,
sc hi n k[
, J认为这种移动是由于细菌活动引起的。
衰 1 1 一69 杨的生材含水率
生 长 轮 数 2 3 4 5 6 7
湿心材 正 常 材
9 1 0
(1 ~ 5轮 ) ( 6 ~ 10 轮)
生材含水率平均值(% )
标 准 差
2 0 4
.
7
1 7
.
3
1 3 1
.
9
2 2
.
9
13 2
.
5
9
,
6
1 4 1
。
2 1 2 8
.
3 7 9
.
1 7 6
.
9 通4 . 6 5 5 。 3 4 9 . 8
3 3
.
4 2 7
.
1 3 8
.
1 12
.
5 1 0
.
2 1 2
.
6
1 4 7
.
7
1 4
.
3
6 4
.
4
3 4
.
4
湿心材在株内从基部向上所占比例逐渐减小 , 到顶端湿心材不存在 (图 1 ) 。 有的学者 [’J
认为生长快的树木比生长慢树木含更多的湿心材 , 但在本实验中 , 数理统计的结果表明 , 湿
心材与树木生长速度无明显相关。
国外学者[’1 报道有的杨树湿心材存在于 2 年生实生苗中。 试验观察了苗圃 1 年生和 2 年
生的树苗 , 无论扦插还是萌生的均无湿心材发育 。 嘉鱼地区 的 工一69 ;杨 和 工一72 杨 , 在 4 一
s a 时开始形成湿心材 。 表 2 比较了不同生长条件下湿心材的发生程度 , 沟渠旁生长的 树 木
中 , 含湿心材比率最高 , 公路旁的湿心材比率最低 , 这可能与土壤水分有关 。 从表 2 中看出
带根和截根种植的树木中湿心材所占比例相近 , 说明截根种植方式并未加剧湿心材的发育 。
G a r ret t 等〔4 〕比较 了杨树 6 个杂交无性系湿心材直径 , 其变异 范 围 为 85 %一 5 5 . 8 % 。 而我
们比较了 工一69 杨、 工一72 杨湿心材所占比率分别为53 . 3 %和 5 5 . 6 % , 无明显差异 。
林 业 科 学 研 究 6 卷
表 2、、、 ·
~
不同生长条件下的沮心材! 径所占
百分率和树汁p H位
片 林
不 同生长条件 沟渠旁 农田林网 公路旁植根故种根植带种
。、
‘..、.
.气、.
,二R”匕†296
:⋯O二即‘舀卜Ž亡口几J乃山八已„坦雾
1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 CO
湿心 材丰 ( 少石)
树高与况心材百分率的关系
浪心材 (% )
树汁 PH 值
6 7 7
7
.
5
5 4 9
7
.
8
49 2
7
.
8
竹.01l.图
2
·
2 湿心材和正常材材性 的比较
2
.
2
.
1 构造 用光镜和电镜观察 了从髓心向外每个生长轮的木材构造 。在湿心材中特别是靠
近髓心的第 l 、 2 生长轮内导管内壁有许多细菌存在 (图 版 I 一 1 , 2 ) , 导管一射线间纹孔
和导管间具缘纹孔的纹孔膜几乎全被不同程度降解 , 细菌利用它所分泌 的粘液紧贴在纹孔膜
上 , 并产生果胶酶使纹孔膜分解破坏 (图版 I 一 3 , 4 ) 。 在细 菌 集中的区域导管内壁也有轻
微的腐蚀 (图版 工一 3 ) 。 在湿心材与正常材过渡区域 , 一些纹孔被 细 菌的粘液所覆盖 ( ;图 版
工一 5 ) 。 而在正常材的边材很少细菌存在 , 纹孔膜保存完好 (图版 I 一 6 ) 。 国 :外 学 者〔4 ’“〕认
为 湿 心 材 与细菌同时出现 。 S e h o ik [ ‘] 和 B a u e h [ 。1等都发现在湿心材 中 有 大 量 ( 1 0 6 ~ 1 0 ’
ce lS / g) 细菌 , 而正常边材中只有少量 ( o ~ 1 0 ‘ ce lls/ g) 。 本观察虽未计数 , 但定性结果与上
述符合 。本观察中没有发现其他菌丝存在 , 说明细菌与湿心材的存在密切相关 。
2
.
2
·
2 颜 色 把嘉鱼人造板厂湿心材和正常材单板 (干燥后 )测色的结果列入表 3 。 从L * 、 a* 、
b* 值看出 , 湿心材比正常材单板的亮度小 , 颜色深 , 略偏红 。 用颜色不均匀的单板做表板 ,
形成美学上的缺陷 , 使胶合板质量降低。
衰 3 沮心材和正常材洲色结果
湿 心 材 正 常 材试 材——1 2 3 4 1 2 3 48 4 . 5 0一 0 . 9 01 8 . 1 3 8 2 . 2 81 . 5 82 1 . 0 3一L.a.b注 : L . : 明度 , a . : 红 , b . : 黄 。2 . 2 . 3 化学性质和化学成分 表 4 表明 , 湿心材与正常材相 比 , p H 和酸缓冲容量较高 , 抽提物和灰分 含量较高 ; 综纤维素和 a 一纤维素含量略低 , 木素含量没有什么差别。2 . 2 . 4 物理 力学性质 湿心材的密度 、干缩系数与力学性质都 比正常材低 (表 5 ) 。 方差分析结果表明 , 花易合材和 正常材除了径向干缩系数差异不显著外 , 其余的密度 、 弦向干缩系数 、顺纹抗压强度、 抗弯强度 、 抗弯弹性模量差异均达极显著水平。综上所述 , 湿心材和正常材的材性有较大的差异 , 必然会影响到它的加工 利用 , 特别在干燥和制造胶合板 、 造纸等方面 , 应根据湿心材和正常材的材性特点分别对待 。2 . 3 湿心材和树汁中细菌的分离和鉴定为了研究湿心材的形成原因 , 将活立木的湿心材、 正常材和树汁经中国科学院微生物所培养、 分离鉴定 。 从湿心材和树汁中共得10 株细菌 , 其中 5 株革兰氏阴性杆菌都是欧文氏菌 ‘
S 期 姜笑梅等 : I 一 69 杨湿心材发生 、 分布及材性的研究 4 8 3
表 4 湿心材与正常材化学性质和化学成分比较
化学性质 和化学成份
湿 心 材 正 常 材一- . ~ . 已一一 . . . 占口口. . . 曰. . . . . . . . . . . . . 曰. . . . . . . . 平 均值 平均值
7248“53一Ž,孟.U门‘血曰.勺‘上5057,lnOO‘O甘n.5.⋯亡JZnŽ名,生n舀的J六U内J弓‘丹,‘自‘.⋯丹0曰n口‘,孟
1
.
1 3
4703
P H值
酸 缓冲容量 ( m e q x 1 0 2 )
碱缓冲容量 ( m e q x 10 2 )
水 分( % )
灰分 ( % )
抽 冷 水
提 热 水竺 1%N a o H
芝 苯 一乙醉
木素 ( % )
综纤维素 ( % )
a 一纤维素 ( % )
戊搪 ( % )
6
.
2 1
9
。
85
0
.
38
8
.
0 8
1
.
3 1
6
.
4 8
8
.
6 5
0
.
2 5
7
.
4 1
1
.
1 6
2
.
3 4
3
.
1 0
1 6
.
2 5
1
。
3 0
2 1
。
8 1
7 9
。
9 6
4 3
.
6 8
2 4
.
9 9
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.
.⋯七介OŽn”门‘
1 5
。
6 4
悦叹月U厅‘0氏舀O叨nJ
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.⋯1一O†,上勺‘性1一8应,2
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六Q2841山‘已勺†O甘品舀暇†⋯冉O,二O八.1nD一,上,孟n已.皿2
汉75肋10切682“935Z701J性1963
1一.842
…U月才月任2八“介OŽ‘1一‘,白.UgO”0Jn份U
.⋯n‘60几D11”O口,自一了,孟.曰立‘,2‘UO目
‘盛6SJ,口”勺‘胜几卜”“n”n西几石,J,止
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表 5 湿心材与正常材物理力学性质比较
湿 心 材 正 常 材
树撇洲好肠阳物理力学性质 均值 标准差 标准误差 准确指数
( % )
均值 标准差 标准误差
试样数好麟叩试样数
O曰斤斑‘心,.山通任8.任760几„⋯n‘l,11占7 2比舀52几On‘”八U匕9且†⋯月气S7R”7n口
,上
密度( g / e m “ )
干缩系数 径向
( % ) 弦向
顺纹抗压强度 (M Pa)
抗 弯强度 (M Pa )
抗弯弹性模量 ( G Pa )
2 3 0
.
4 18
2 3 0
.
13 0
2 3 0
.
2 50
2 4 2 6
.
5
2 4 6 1
.
1
2 4 6
.
2 8
0
.
0 1 7
0
。
0 1 1
0
。
0 1 5
2
.
0 0
8
。
0 5
1
.
6 2
0
.
0 0 3 5
0
.
0 0 2 3
0
.
0 0 3 1
0
。
40 8
1
。
6 4 3
0
。
3 3 0
0
。
4 3 3
0
。
13 6
0
。
2 6 2
3 1
。
3
7 1
。
3
7
。
7 9
0
.
0 1 8
0
。
0 1 0
0
。
0 1 3
2
。
7 1
5
。
6 5
1
。
0 8
0
.
0 0 3 9
0
.
0 0 2 0
0
.
0 0 2 8
0
.
5 5 3
1
.
1 5 2
0
.
2 2 1
,J扮舀几‘任22576月qQ甘璐OOn斤Jqlb内0峪白⋯n”‘土,孟1上2勺7Q.‘性几舀.bn.04lb117⋯J,867介l匕
,上n‘
另 5 株是芽抱杆菌。 国外学者川报道 , 在黑杨 (P oP ul 二 耐g la L . ) 分 离出细菌为欧文氏菌
( E l w in ia W in sl o w )未涉及种 。 本研究结果与国外的结果相近 , 而且鉴定到 种。 2 株 为胡
萝 卜亚种 (E ; 留 : n fa c二 o to v o : a s u b s p . e a r o t 0 0 0 , a ) , 2 株为大黄欧 文 氏 菌 (E . : h即o n t ie i
(M i lla r d ) B u r kho ld )
、
1 株为菊欧文氏菌 (E . chr g s a n the二 1 B u r k h o ld e r ) 、 4 株为腊状芽
抱杆菌 ( 刀a c ill: 5 c e r e u : F r a n k la n d ) 、 i 株为球形芽抱杆 菌 (刀. : p无a e , i e u : N e id e ) 。 欧文
氏菌和腊状芽抱杆菌为兼性厌氧细菌 , 球状芽抱杆菌为好氧细菌 , 它们的形态和生理生化恃
征见表 6 。
3 湿心材形成原因的探讨
由于湿心材总和细菌同时存在 , 国外一些研究〔’一4, 7 , 8 〕认为湿心材是由细菌的 活动 引 起
的 。 Car te r[ 书 ]从榆树湿心材中分离出欧文氏菌 , 并在健康树上回接 , 使树木水分含量增加。
S e h in k [ 1 1研究了杨树 (P o p u lu s d e lto 宕d e s B a r tr ) 、 榆树 (U I二u s a二e : i e a n a L . ) 、 冷杉 (A bi es
a lba M i ll
.
)
、云杉 ( p fc e a s p p 。 ) 、 栋木 (Q脚犷c u : s p p . ) 、 铁杉 (T s u g a s p p . ) 等木材的湿心材
形成与好氧 、兼性厌氧细菌群落有关 , 并将湿心材分成两种类型 , 一种是碱性和弱碱性的 , 一种
林 业 科 学 研 究 6 卷
表 0 沮心材和树汁中细 , 的形态和生理生化特征
个 休 形 鑫 生 理 生 化 特 征
细菌 分离
体 态
营 养 体 - 7 % 淀
名称 来源 芽抱与抱囊
(林m )
萄有
箱
0 / F
V
一
P H ZS
H N O a
盐 PH B
还原 N a C I粉
醉抓脱苯丙氮故砚醉叫噪接 璐软化触醉
欧文氏
菌胡萝
卜亚种
树汁
湿心
材
杆状 , 短杆近球
形 0 . 3一 0 . s x
0
.
7
周
生
+ 供
菊欧 文
氏菌
树 汁
漫心
材
树汁
湿心
材
矩杆菌 0 . 5 x
0
.
7
周
生
+ 一 FX + + -H -I+
大黄欧
文氏菌
杆状 0 . 3 ~ 0 . 4
火 0 . 4 e 0
.
5
周
生
十 一 FX 一 一 十 一一 升份 一 +W
腊状芽
抱杆菌 树汁
杆状 1 . 0 ~ 1 . 2 芽抱中生
X 3
.
5 ~ 4
.
5
十 + 一 +
球形芽
抱杆菌 树汁 杆状
抱班不膨大
有端 生芽抱
球 形 , 抱襄
形大
+ 一 + FW +
+ 十 △
注 : “ + ”为阳性 , . + W ”为 弱旧性 , “ 一 ’为 阴性 , “ F ’为发阵产成 , ‘ X ’为产气 , “△”为产旅 , “PH B. 为 抱内谈砚的
贮藏形式 , “ V 一 P . 为 乙跳甲墓甲薄 。
是酸性的。 本研究结果表明 I 一69 杨和 工一72 杨湿心材属第一种 , 在活树中 , 由于水分过多 ,
造成缺氧环境 , 这些厌氧和兼性厌氧细菌的混合群落 , 在发酵过程中产气产酸或产碱 (表 6 ) ,
使果胶、 淀粉和一些半纤维素与单一木糖降解 。 有的细菌还产生果胶酶使纹孔膜 破 坏 (图版
工一3 , 4 ) 。 由于这些细菌的新陈代谢活动 , 使湿心材的构造、 化学 、 物理力学性质发生 了 变
化 (表 4 、 5 ) , 影响其加工利用。 在湿心材形成时 , 木材细胞分泌酚类化合物 , 以抵抗细菌
的侵入 , 木材的变色在活树的茎部已经发生 , 在砍伐以后遇到空气后颜色变深 。 S c hi n k 等 [ ‘J
认为在碱性条件下的湿心材比酸性条件下变色发展更快。 湿心材还伴有 木 材变 色〔‘,“ 7一 。] 。
B a u c h 等〔’〕阐述了木材变色的原因 , 一种是树木的生理作用引起的 , 一种是 细菌作用和化学
变化引起的 , 不同树种的变色原因不一样 , 但变色的先决条件是温度和 含水率的变化以及细
菌和微生物的作用。 本实验结果表明杨树湿心材含水率特高 , 并有大量细菌存 在 , 工一69 杨
和 工一72 杨 的变色原因属上述的第二种 。 总之 , 作者认为湿心材的存往和变色是由细菌活动
引起的 。 从湿心材和树汁中鉴定出有 3 种欧文氏菌和 2 种芽抱杆菌 (表 6 ) , 但究竟那种是病
原菌还需进行回接实验证明 。 Pas s ial is[ 2 ]和 S hor tl et . l认为湿心材一般有木材早期腐朽的发
生 , 在本研究中未见其它菌丝存在 , 尽管湿心材比正常材的强度有所降低 , 早期腐朽是很难
判断的 。
作者调查了湿心材的发生和分布规律 , 结果表明在所观察的活树和原木中都有湿心材存
在。 在沟渠边生长的杨树湿心材比例大 , 与土壤水分有关 , 但与种植方式无关 , 截根种植未
加剧湿心材的发生 , 一些学者〔‘, “, 7J认为细菌从树的创伤和裂缝处感染 , 但细菌究竟如何进入
树木 , 如何防止细菌的活动 , 阻止湿心材和变色材的发生 , 有待进一步研究 。
5 期 姜笑梅等 : I 一 69 杨湿心材发生 、 分布及材性的研究 4 85
2
5
6
87
9
参 考 文 献
S e h in k B
,
W o
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.
M i
e r o a e r o b ie a n d a n a e r o b ie ba e te r ia l a e t iv itie , in v o lv e d in fo r m a t io n o f
w e tw o o d a n d d i: e o lo ur
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.
IAW A
,
i , s透, 5 (z ): 1 0 5 ~ 1 0 9
.
Pa s 3 ia lis C
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T s o u m is G
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C ha ra et e r istie s o f d is eo lo u r e d a n d w e tw o o d in fir
.
IAW A
,
i , 54
,
5(2 )r
11 1 ~ 1 2 0
.
G u d r 住 n T J B a u e h , B o ek E
.
o ee u r r e n e e a n d s lg n ifiea n e e o f b a et e r ia in liv in g tr e e s o f P o p u lu s
”‘g r a L . E u a . J . Fo r Pa t h . 1 0 7 7 , 7 5 3 6通~ 3 7 4 .
G ar r e tt P W
,
S h ig o A L
,
G a r te r J
.
V a r ia t io n in d ia m e t e r o f e e n tra l e o lu m u s o f d i se o lo r a t io n in
six h y b r id P o Pla r e lo n e s
.
C a n a d
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19 76
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K n u ts o n D M
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T h e b a et er ia i n s a Pw o o d
,
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o d a n d h e a r tw o o d o f tr e m b lin g a s Pe n (P o P“加‘
才r e m u lo fd e s ) . Ca n . J . B o t . , 1 9 7 3 , 5 1 * 4 9 8 ~ 5 0 0
.
Ba u
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,
S e h m id t O
,
Y a幼 k i y , S ta r e k M . S ig n ifiea n e e o f b a e te r ia in t h e d ise o lor a t io n o f Ilo m ba
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1
. 导管内壁细菌 , 1 0 o x . 2 . 示具周生鞭毛的细菌 , 2 O0 x ; 3 . 导管一射线间纹孔膜和部分内壁在细菌
作用下开始降解 , 1 7 0 x , 4 . 导管一射线间纹孔膜破坏 , 8 0 Ox , 5 . 导管一射线间纹孔膜上细菌的粘
液 , 22 0 0 x , 6 . 导管一射线 间纹孔膜完好 , 8 0 0 0 x 。
〔全版照片均为 工一 69 杨树。 1 ~ ‘ . 很心材(从盆心起第 2 生长轮) . 5 . 湿心一正常材过渡(第 6 生长轮 ) ,
6
. 正常材(第 9 生长枪)儿