翠柏木材解剖性質(zhì)和結(jié)晶度的徑向變異及化學(xué)性質(zhì)1)

崔 凱

(中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，昆明，650224)

孫慶豐

(東北林業(yè)大學(xué))

廖聲熙

(中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所)

石江濤

(東北林業(yè)大學(xué))

王小慶 李 昆

(中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所)

目前全球用材資源逐漸從天然林轉(zhuǎn)向人工林，大力發(fā)展人工林已是世界各國面對天然林和天然次生林日益減少所采取的共同戰(zhàn)略。許多工業(yè)化國家和發(fā)展中國家都把大力發(fā)展人工林作為解決二十一世紀(jì)木材需求的根本措施，并制定了長期的人工林發(fā)展規(guī)劃，以此來解決生態(tài)環(huán)境和木材供需之間的矛盾。人工林已經(jīng)成為世界木材供應(yīng)和木材加工利用原料的主要來源，因此，人工林已成為當(dāng)代世界木材科學(xué)的主要研究對象［1］。近年來，人們已經(jīng)認(rèn)識到“林木—木材材性—加工利用”是一個(gè)有機(jī)的整體，木材材性既是人們對林木實(shí)行定向培育的技術(shù)依據(jù)，也是評價(jià)人工用材林營造成功與否的關(guān)鍵［2］。

翠柏(Calocedrus macrolepis Kurz)系柏科翠柏屬常綠喬木，國家Ⅱ級重點(diǎn)保護(hù)野生植物，全球僅有一種，屬于古老殘遺物種［3］。陳文紅［4］、寧世江［5］等對翠柏的生物群落特征研究表明翠柏群落是相對穩(wěn)定性較大的群落，對其研究可為開發(fā)利用該木材及對氣候生態(tài)的演變提供重要的信息。陳子牛［6］、譚開湛［7］、張茂欽［8］等從生態(tài)、瀕危珍稀林木資源保護(hù)和開發(fā)方面對翠柏做了調(diào)查研究。呂玉華［9］利用野生翠柏苗進(jìn)行人工培育翠柏小苗以期進(jìn)行大面積培育該樹種。張學(xué)星［10－11］等對翠柏的抗污染氣體和凈化空氣的性能做過研究，認(rèn)為翠柏是一種可有效凈化空氣的優(yōu)良樹種。其它雖仍有一些有關(guān)翠柏木材的相關(guān)研究［12－15］，但由于其分布的特異性，國外對其材性方面的研究比較少，而對翠柏木材材性系統(tǒng)分析的文獻(xiàn)資料更為少見。本研究對云南產(chǎn)的翠柏木材解剖性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和結(jié)晶度的徑向變異做出分析，對解剖各項(xiàng)參數(shù)的特征和結(jié)晶度間關(guān)系建立預(yù)測模型，為了解翠柏木材材性的變異和加工利用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

試材采自云南省昌寧縣漭水鎮(zhèn)，選取翠柏分布較為集中的區(qū)域，從中選取樹干通直，生長正常，態(tài)勢均一的樣木5株，樹齡52年生。采集時(shí)間2009年7月，采集方法依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法(GB1927—91)［16］中所述方法進(jìn)行。樣木選定后，標(biāo)出南北向后進(jìn)行砍伐，伐倒后即在每株的胸徑處截取1個(gè)30 mm厚圓盤運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室放置風(fēng)干后待用，每個(gè)圓盤沿東西方向截取寬4 cm的中心試條，沿著徑向按每5生長輪(共取測樣點(diǎn)10個(gè))由髓心向外取樣，取出的樣品進(jìn)行解剖性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和結(jié)晶度測定。

解剖性質(zhì)試驗(yàn):在伐倒后的木材樹干1.3 m處向上連續(xù)截取兩個(gè)厚約2 cm的圓盤，其中一個(gè)圓盤按南北方向過髓心取1.5 cm寬的中心木條，用于測定解剖參數(shù)，利用常規(guī)方法切片、離析與測定［17］，微纖絲角測量采用碘結(jié)晶法。

結(jié)晶度試驗(yàn):另外一個(gè)圓盤按上述方法取下木條后，按生長年輪從髓心到樹皮方向分別取下各個(gè)生長年輪木材，每株樹中每生長輪中取4個(gè)試樣測定木材結(jié)晶度。測定前將試樣磨成木粉，取80～100目顆粒的木粉。采用D/MAX2200VPC型X射線衍射儀，日本理學(xué)制造，X光管為銅靶，管電壓為40 kV，管電流為35 mA，掃描步距為 0.02°，掃描范圍為10°～40°，掃描速度為 4°/min，木粉壓片后進(jìn)行掃描，采用Segal法計(jì)算結(jié)晶度［18］。

化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn):在每根原木梢部、中部和基部分別截取3個(gè)10 cm厚的圓盤，剝皮并去除有缺陷部分，切成小薄片，采用四分法充分混合均勻后磨成木粉，過篩，取通過40目而留于60目的部分作為化學(xué)成分含量分析試樣?；瘜W(xué)成分的測定按照GB/T2677.2－5—93 及 GB/T2677.6－9—94［19］所規(guī)定的方法進(jìn)行，其中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用硝酸―乙醇法［20］，木材 pH 值的測試方法按照 GB6043－85［21］中所規(guī)定的方法。

使用Excel2003、SPSS16.0對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和模型建立。

2 結(jié)果與分析

2.1 解剖性質(zhì)和結(jié)晶度的徑向變異模式和變異

2.1.1 管胞形態(tài)的徑向變異模式

翠柏木材每5生長輪的管胞形態(tài)特征值的徑向變異曲線如圖1和圖2所示。管胞長度、寬度和壁厚的徑向變化趨勢基本一致，從髓心向外增加，木材生長20 a以前增加趨勢十分明顯，20 a之后增加趨勢減緩，說明20～25 a翠柏木材尚處于樹木生長的旺盛期，形成層細(xì)胞分裂活動(dòng)能力較強(qiáng)，反映到管胞形態(tài)上就是各形態(tài)特征值迅速增大。當(dāng)翠柏木材進(jìn)入成熟期后，形成層細(xì)胞分生能力趨于穩(wěn)定，反映在管胞形態(tài)的變異曲線上就是各管胞形態(tài)特征值的變異趨勢也趨于穩(wěn)定。翠柏木材的管胞長度從1886 μm 增加到 3370 μm，與 Panshin［22］等關(guān)于針葉材管胞長度的徑向變化曲線的論述一致，為PanshinⅡ型曲線。纖維寬度從11 μm增到20 μm，管胞壁厚的變化范圍是3.1～9.3 μm。其中，管胞長度的變異曲線波動(dòng)較大，寬度和壁厚的變異曲線略平緩，各生長輪間管胞形態(tài)差異非常明顯。采用對數(shù)模型建立管胞長度、寬度及壁厚徑向變異回歸模型。其中，管胞長度的回歸模型是y=679.9lnx+1961，管胞寬度的回歸模型是y=4.484lnx+9.77，管胞壁厚的回歸模型是 y=2.364lnx+4.124，R2分別是 0.8855、0.9733和0.8657，相關(guān)性非常顯著。

圖1 管胞形態(tài)徑向變異曲線

2.1.2 組織比量的徑向變異模式

木材組織比量是組成木材不同細(xì)胞組織所占木材的比例，主要表征木材顯微組織構(gòu)造的體積量特征。木材組織比量是決定木材物理力學(xué)性質(zhì)的因素之一，與木材性質(zhì)、木材的機(jī)械和化學(xué)加工性能以及利用密切相關(guān)，同時(shí)也為定向培育和材質(zhì)預(yù)測提供重要的依據(jù)。翠柏木材各組織比量的徑向變異曲線見圖2和圖3，可見，管胞比量的變化范圍為89.23% ～90.57%，變幅為1.34%;射線比量的變化范圍是8.92% ～10.51%，變幅是 1.59%;薄壁組織比量的變化范圍是0.85% ～1.21%，變幅為0.36%，差異明顯。各生長輪間組織比量的變異沒有明顯規(guī)律，首先采用對數(shù)模型建立生長輪齡和各組織比量間的回歸模型，無法建立合適的變異趨勢模型，然后采用三階移動(dòng)平均模型對各組織比量進(jìn)行平滑處理得到的組織比量序列仍無法建立合適的變異趨勢模型，說明木材組織比量徑向變異生長趨勢較小。

圖2 管胞寬度和薄壁組織比量徑向變異曲線

圖3 管胞比量和射線比量徑向變異曲線

2.1.3 微纖絲角和胞壁率的徑向變異模式

胞壁率是指木材結(jié)構(gòu)中除去細(xì)胞腔部分，組成木材實(shí)質(zhì)部分所占的百分率，胞壁率對木材的力學(xué)性質(zhì)有很大影響。翠柏木材各生長輪間胞壁率和微纖絲角的徑向變異曲線如圖4所示，胞壁率的變化范圍是40.58% ～62.34%，變幅為 21.76%，變異極為顯著;變異趨勢和管胞形態(tài)的變異趨勢基本相似，木材生長20 a之前變異較大，隨后趨于穩(wěn)定。翠柏木材微纖絲角的徑向變化趨勢是隨著生長輪的增加而減小。大量研究已經(jīng)表明，木材微纖絲角徑向的變異一般模式為:在幼齡材區(qū)域由內(nèi)向外降低，變異幅度一般在10°左右［23］，本研究的結(jié)論和他們一致。微纖絲角的大小從根本上決定木材強(qiáng)度，微纖絲角越大，木材強(qiáng)度相對較低;反之，木材的強(qiáng)度就越高。該木材的微纖絲角平均值為14.21°，變化范圍為18.35°～11.62°，變幅是 6.73°，差異非常顯著。用對數(shù)模型分別對木材胞壁率、纖絲角和生長輪齡進(jìn)行回歸分析，胞壁率與生長輪齡間的回歸模型是y=8.44ln(x)+44.58，纖絲角和生長輪齡間的回歸模型是 y=－2.623ln(x)+18.17，R2值分別為 0.8742和0.928，相關(guān)性極其顯著。

圖4 微纖絲角和胞壁率徑向變異曲線

2.1.4 結(jié)晶度的徑向變異模式

木材結(jié)晶度是指木材中纖維素構(gòu)成的結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分?jǐn)?shù)，與木材的生長特性、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)有著密切關(guān)系，同時(shí)對木材尺寸穩(wěn)定性、密度和硬度等具有重要的影響［24］，一定程度上可以反映木材纖維的物理和化學(xué)性質(zhì)。因此，研究木材的結(jié)晶度對于從組織構(gòu)造和化學(xué)組成上分析木材材性具有指導(dǎo)意義。目前，常用來測定木材結(jié)晶度的方法就是X射線衍射法，簡稱為XRD。圖5是翠柏木材的XRD圖，可以看出，在2θ=22.8°附近的衍射峰最富于變化，這反映了該處衍射峰的大小與木材結(jié)晶度的大小變化具有一定的規(guī)律性，同時(shí)說明此晶格衍射峰與木材結(jié)晶度直接相關(guān)。

圖5 木材各生長輪間的X射線衍射圖

木材各生長輪間結(jié)晶度的徑向變異趨勢見圖6?？梢钥闯?，各生長輪間木材結(jié)晶度的變化趨勢和管胞形態(tài)及纖絲角和胞壁率的類似，木材生長20 a之前顯著增加，之后變緩。各生長輪間木材的結(jié)晶度變化范圍為25.3% ～45.7%，變幅為20.4%，差異非常顯著。使用對數(shù)模型對結(jié)晶度與生長輪齡進(jìn)行回歸分析，回歸模型是 y=9.381lnx+25.96，R2值為0.946，相關(guān)性非常顯著。研究結(jié)果為利用木材結(jié)晶度隨生長輪變化的趨勢建立對木材結(jié)晶度預(yù)測模型提供了理論基礎(chǔ)，這樣不但可為及時(shí)調(diào)整林木培育和遺傳改良措施提供參考，也可為人工林木材的高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

圖6 結(jié)晶度徑向變異曲線

2.2 各解剖參數(shù)和結(jié)晶度的相關(guān)性

2.2.1 結(jié)晶度與各解剖參數(shù)間相關(guān)性

木材各解剖參數(shù)和結(jié)晶度的相關(guān)分析結(jié)果見表1。木材結(jié)晶度與解剖參數(shù)間相關(guān)分析在石雷課題組［25］對印度黃檀(Dalbergia sissoo)的研究中有報(bào)道。筆者對翠柏木材結(jié)晶度與各解剖參數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行探索性研究，以期為將來他們之間的相關(guān)性分析積累一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對他們相關(guān)性的分析可為進(jìn)一步了解木材性質(zhì)和用少量的材料來研究木材性質(zhì)打下一定的基礎(chǔ)。從表1可以看出，木材的結(jié)晶度并不是與所有的解剖參數(shù)呈現(xiàn)相關(guān)性，說明并不是所有的解剖構(gòu)造因子會對木材的結(jié)晶度產(chǎn)生影響，該研究結(jié)果和石雷課題組［25］相一致。結(jié)晶度與管胞長度、寬度、厚度和胞壁率均呈0.01水平顯著正相關(guān)，與各組織比量無相關(guān)性，這也與上述對各組織比量的分析結(jié)果相一致，本研究中的翠柏木材的組織比量沒有明顯的變異規(guī)律。木材結(jié)晶度與纖絲角呈0.01水平顯著負(fù)相關(guān)，說明木材的纖絲角隨結(jié)晶度的增加而降低，與上述研究結(jié)果一致。

表1 各解剖參數(shù)和結(jié)晶度的相關(guān)分析

2.2.2 各解剖參數(shù)間的相關(guān)性

表1同時(shí)也對各解剖參數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行了分析?？芍?，管胞各形態(tài)值間存在0.01水平上的顯著正相關(guān)，胞壁率與管胞各形態(tài)值間呈0.01水平顯著正相關(guān)，組織比量間及其與其它解剖參數(shù)間無任何相關(guān)性，纖絲角除與組織比量間無相關(guān)性外，與其它各解剖參數(shù)呈0.01水平上的顯著負(fù)相關(guān)，說明大部分解剖參數(shù)都或多或少地對木材微纖絲角產(chǎn)生一定的影響;同時(shí)這些研究結(jié)果與上文中分析的木材各解剖參數(shù)的徑向變異規(guī)律相符合。總之，通過對各解剖參數(shù)間相關(guān)性的分析可對各木材解剖性質(zhì)及各解剖參數(shù)間復(fù)雜的關(guān)系有更深的了解，同時(shí)也為如何利用少量的解剖因子特征來分析其他解剖參數(shù)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 結(jié)晶度與解剖參數(shù)(除組織比量外)變異模型的建立與預(yù)測

由于木材結(jié)晶度各解剖參數(shù)間存在著或正或負(fù)的顯著相關(guān)，所以可對利用結(jié)晶度預(yù)測木材其它解剖參數(shù)進(jìn)行探討。模型的建立對木材材性的預(yù)測和減少試驗(yàn)樣本使用量有著重要的意義。分析數(shù)據(jù)，使用Matlab語言編程，對產(chǎn)生的曲線進(jìn)行擬合，最終建立木材解剖參數(shù)和結(jié)晶度間預(yù)測模型如表2所示?？梢钥闯鱿嚓P(guān)系數(shù)R2均在0.9以上，故此模型可用于本研究中的翠柏木材的解剖參數(shù)的評價(jià)、預(yù)測和驗(yàn)證，但如何建立更為廣泛適用的預(yù)測模型仍需進(jìn)行深入探討。

表2 木材結(jié)晶度與各解剖參數(shù)的相關(guān)模型

2.4 化學(xué)性質(zhì)

木材的主要化學(xué)成分有灰分、冷熱水抽提物、1%NaOH抽提物、苯醇抽提物、半纖維素(闊葉材中以多戊聚糖為主)、木質(zhì)素和纖維素等。纖維素是木材細(xì)胞壁的骨架物質(zhì)，與木材性能、紙漿得率及紙漿質(zhì)量關(guān)系密切。綜纖維素是指除去半纖維素后剩余纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總和，影響著木材的價(jià)值和使用范圍。木質(zhì)素除賦予木材強(qiáng)度外，還給予木材一定的尺寸穩(wěn)定性。木材化學(xué)成分中抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響著木材天然耐久性、材色和木材的加工利用。木材的pH值對制定木材應(yīng)用范圍和加工工藝具有重要意義，與木材膠合、木材變色、金屬腐蝕和膠接性能等有密切關(guān)系。表3列出了翠柏木材各化學(xué) 組分，可以為翠柏木材最佳利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表3 翠柏木材化學(xué)性質(zhì)

3 結(jié)論與討論

在前人對木材解剖性質(zhì)的大量研究中，主要針對纖維、導(dǎo)管或管胞、薄壁組織和木射線的空間結(jié)構(gòu)做了定性描述和定量分析。衍生出的指標(biāo)眾多，如梁善舉等［26］研究米老排(Mytilaria laosensis)纖維和導(dǎo)管的指標(biāo)就包括長度、寬度、雙壁厚、長寬比、壁腔比、腔徑比。總體來看，不同生長輪和樹高會造成木材纖維、導(dǎo)管或管胞空間結(jié)構(gòu)的變異［26－29］。比如纖維長度、寬度和長寬比自髓心向外隨形成層年齡的增大而增大，微纖絲角隨形成層年齡遞增而遞增，而木射線和薄壁組織的變異規(guī)律不明顯。對木材化學(xué)性質(zhì)研究的指標(biāo)包括相對結(jié)晶度、綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、NaOH抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、糖類質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值等。不同樹高和生長輪對木材化學(xué)性質(zhì)有一定的影響［30］，同時(shí)不同種源間的木材化學(xué)性質(zhì)差異顯著［31］，這方面不同樹種所表現(xiàn)出的規(guī)律不一。木材纖維素結(jié)晶度是衡量木材性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是指纖維素的結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分比，它反映纖維素聚集時(shí)形成結(jié)晶的程度。通常隨著纖維素結(jié)晶度的增加，纖維的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)加強(qiáng)，但是與非結(jié)晶區(qū)域有關(guān)的保水性等物理特性和化學(xué)反應(yīng)性等隨之降低［32］。石雷等［25］指出印度黃檀一些木材解剖特征與結(jié)晶度存在相關(guān)性，并用這些特征與生長輪建立了預(yù)測模型。本研究發(fā)現(xiàn)不同生長輪對木材的解剖特征以及化學(xué)性質(zhì)有較大影響，這與前人的研究結(jié)果相符。此外，進(jìn)一步把5項(xiàng)木材解剖特征指標(biāo)(管胞長度、管胞厚度、管胞壁厚、胞壁率和纖絲角)與結(jié)晶度進(jìn)行擬合，得到的模型均為二元三次方程，同類工作目前還未見他人報(bào)道。

木材管胞形態(tài)的變化受多方面影響，尤其是在樹木生長發(fā)育的年齡階段，管胞形態(tài)在樹木幼齡期變化非?；钴S，隨著樹齡的增大而迅速增加長度，一定年齡后達(dá)到穩(wěn)定。研究表明翠柏木材管胞長度徑向變異趨勢為20 a前增加且變化顯著，之后趨于穩(wěn)定，且管胞長度從1886 μm增加至3370 μm。依據(jù)國際木材解剖學(xué)會的規(guī)定，翠柏木材管胞屬于長纖維，與興安落葉松(Larix gmelinii)一樣是作為制漿造紙等用途的很好的纖維原料［33］。翠柏木材胸徑處纖維寬度從髓心到樹皮都表現(xiàn)為增加的趨勢，與管胞長度徑向變異趨勢一致，這與不同生長發(fā)育時(shí)期樹木內(nèi)促進(jìn)細(xì)胞分裂的激素多少有較大關(guān)系。翠柏木材胞壁率、微纖絲角和結(jié)晶度與其管胞形態(tài)徑向變異趨勢基本一致，均表現(xiàn)為20 a前增加且變化顯著，之后趨于穩(wěn)定。木材結(jié)晶度在一定程度上反映了木材纖維的物理和化學(xué)性質(zhì)，翠柏木材結(jié)晶度并非與各解剖參數(shù)間呈現(xiàn)相關(guān)性，與管胞長度、寬度、壁厚和胞壁率呈0.01水平顯著正相關(guān)，與纖絲角呈0.01水平顯著負(fù)相關(guān)，與組織比量無顯著相關(guān)。對翠柏木材結(jié)晶度與各解剖參數(shù)(除組織比量外)進(jìn)行模型擬合后發(fā)現(xiàn)，建立的模型相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。木材的化學(xué)性質(zhì)在一定程度上影響著木材的價(jià)值和使用范圍，翠柏木材纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是42.63%，綜纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是68.31%，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是20.72%;乙醚、苯醇、1%NaOH、熱水、冷水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是3.41%、10.26%、21.55%、5.83%和3.52%;灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.42%;pH 值為5.89。研究結(jié)果認(rèn)為翠柏是一種較好的用材樹種，其測量結(jié)果及預(yù)測模型可以為合理培育及開發(fā)利用翠柏提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

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