四倍體與二倍體白花泡桐木材纖維形態(tài)及化學(xué)成分的差異分析

王曉丹， 鄧敏捷， 申林芝， 張曉申， 翟曉巧， 劉艷萍， 范國強

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)泡桐研究所，河南 鄭州 450002； 2.鄭州市碧沙崗公園，河南 鄭州 450003； 3.鄭州農(nóng)林科研所，河南 鄭州 450002； 4.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450008)

四倍體與二倍體白花泡桐木材纖維形態(tài)及化學(xué)成分的差異分析

王曉丹1， 鄧敏捷1， 申林芝2， 張曉申3， 翟曉巧4， 劉艷萍4， 范國強1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)泡桐研究所，河南 鄭州 450002； 2.鄭州市碧沙崗公園，河南 鄭州 450003； 3.鄭州農(nóng)林科研所，河南 鄭州 450002； 4.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450008)

以7年生四倍體白花泡桐和二倍體白花泡桐為材料，研究了二者木材的纖維形態(tài)以及化學(xué)成分的差異. 結(jié)果表明，四倍體白花泡桐木材纖維長度、寬度、長寬比、壁厚、壁腔比及腔徑比隨樹齡增加以及樹高增長的變化趨勢與二倍體白花泡桐基本相同，但變化幅度有差異. 四倍體白花泡桐木材的纖維長度、長寬比，纖維壁厚、壁腔比、腔徑比均比其二倍體大，而纖維寬度比其二倍體小. 四倍體白花泡桐木材的冷水、熱水、1%NaOH、苯-醇抽出物、木質(zhì)素含量比其二倍體分別減少了4.47%,5.08%,12.24%,43.68%,20.09%；纖維素、綜纖維素含量分別增加了3.54%,3.57%. 綜合分析認為，四倍體白花泡桐更適宜作為造紙原料.

白花泡桐；四倍體；二倍體；纖維形態(tài)；化學(xué)成分

植物多倍體具有生物量大、抗逆性強等特點，是植物新品種的主要來源之一. 目前，已有很多多倍體優(yōu)良新品種在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用[1～3]. 泡桐(Paulowniaspp.)是中國重要的速生用材和庭院綠化樹種，具有栽培歷史悠久、分布廣、生長迅速和材質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點[4]，然而生產(chǎn)中存在的叢枝病發(fā)生嚴重和“低干大冠” 品種的成功培育，為泡桐產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了材料支撐[5～6]. 近年來，翟曉巧等[7]對四倍體泡桐與其二倍體泡桐的物理學(xué)性質(zhì)進行了研究，研究表明不同樹齡木材材性差異較大. 7年生四倍體白花泡桐及其二倍體木材纖維形態(tài)、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，達到工藝成熟期. 因此，本研究對四倍體泡桐的纖維形態(tài)、木材化學(xué)成分進行了比較分析，以期為四倍體白花泡桐的大面積推廣應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1試驗材料

試驗材料為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)泡桐研究所培育出的四倍體白花泡桐(TetraploidPaulowniafortunei，PF4)和二倍體白花泡桐(DiploidPaulowniafortunei，PF2)的7年生樹木. 栽植地點為許昌市林業(yè)技術(shù)推廣站試驗田，造林密度為1 008株·hm-2.

1.2試驗方法

1.2.1 木材纖維形態(tài)的測定 選取7年生PF4，PF2各3株并對其樹干編號，然后分別在樹高0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 m處截取5 cm厚圓盤，采用硝酸-鉻酸法將試樣離析. 測定不同高度圓盤第4年輪以及1.3 m處各年輪的30根纖維長度和寬度及其腔徑寬，取其平均值，計算纖維的纖維壁厚、長寬比、壁腔比和腔徑比.

1.2.2 木材化學(xué)性質(zhì)的測定 選取PF4，PF2的7年生木材，按照GB/T 2677.1—1993的規(guī)定進行樣品的采取和制備. 風(fēng)干后，置入粉碎機中磨成細末，過篩，取能通過40目而不能通過60目篩的細末. 涼至室溫后，貯存于1 000 mL具有磨砂玻璃塞的廣口瓶中，以供分析使用. 水抽出物、纖維素、1%NaOH抽出物、木質(zhì)素、苯-醇抽出物、綜纖維素分別按照國家標(biāo)準GB/T 2677.4—1993，GB/T 744—2004，GB/T 2677.5—1993，GB/T 2677.8—1994，GB/T 2677.6—1994，GB/T 2677.10—1995進行測定和計算，3次重復(fù)，取其平均值.

1.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用EXCEL 2007進行統(tǒng)計分析，并用SPSS 17.0進行差異顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1木材纖維形態(tài)的變異

2.1.1 纖維長度的變異 PF4和PF2木材纖維長度隨樹齡增加以及樹高增長變化趨勢相同，但變化幅度有差異(圖1). 在相應(yīng)生長輪數(shù)及樹高處，PF4的纖維長度均大于PF2. 徑向變化曲線顯示隨樹齡增加纖維長度呈現(xiàn)持續(xù)增長后平穩(wěn)的趨勢，說明了木材從幼齡材到成熟材的過渡過程. PF4，PF2纖維長度徑向變化范圍分別為695.80～985.48 μm，651.93～900.89 μm，平均值分別為897.38，825.31 μm，PF4纖維長度最大值、最小值均大于PF2，平均值比PF2大8.03%. 軸向變化曲線顯示隨樹高的增加纖維長度呈現(xiàn)先增大至最大值后下降趨于平穩(wěn)的趨勢. PF4及PF2的纖維長度軸向變化范圍分別為910.93～1029.32 μm，835.16～969.73 μm，平均值分別為940.53，908.08 μm.

圖1 PF4和PF2木材纖維長度的變異Fig.1 Wood fiber length variation of PF4 and PF2

2.1.2 纖維寬度的變異 PF4和PF2木材纖維寬度徑向、軸向變異曲線變化趨勢相似(圖2). 纖維寬度與纖維長度徑向變化趨勢類似，均隨著生長輪數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大而后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢. PF4及PF2纖維寬度的徑向變化范圍分別為37.33～41.06 μm，39.33～48.42 μm，平均值分別為39.70，45.78 μm. PF4，PF2木材纖維寬度隨樹高的增加呈現(xiàn)先減小而后增大又減小的趨勢. PF4纖維寬度及PF2的軸向變化范圍分別為32.67～40.13 μm，35.50～42.17 μm，平均值分別為36.25，38.85 μm. 在相同生長輪數(shù)及樹高處PF4木材纖維寬度均小于PF2.

圖2 PF4和PF2木材纖維寬度的變異Fig.2 Wood fiber width variation of PF4 and PF2

2.1.3 纖維長寬比的變異 PF4和PF2木材纖維長寬比在徑向以及軸向變異曲線變化趨勢相似，但在相應(yīng)生長輪數(shù)及樹高處PF4長寬比均大于PF2(圖3). 纖維長寬比隨生長輪數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大而后逐漸穩(wěn)定的趨勢，與纖維長度、寬度變化曲線變化趨勢相似；隨樹高增高呈現(xiàn)先增大而后下降逐漸穩(wěn)定的趨勢. 在相應(yīng)生長輪數(shù)以及樹高處PF4纖維長寬比均大于PF2. PF4，PF2木材纖維長寬比的徑向變化范圍是分別為18.64～24.48，16.57～18.81，平均值則分別為22.54，17.98；軸向變化范圍是分別為22.84～28.08，21.92～24.89，平均值則分別為26.02，23.41.

圖3 PF4和PF2木材纖維長寬比的變異Fig.3 Wood fiber aspect ratio variation of PF4 and PF2

2.1.4 纖維壁厚的變異 PF4和PF2纖維壁厚隨生長輪數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨于平緩的趨勢，隨樹高的增加呈現(xiàn)先增大后減小又升高的趨勢(圖4). 二者變化曲線相似，但變化幅度有差異.

圖4 PF4和PF2木材纖維壁厚的變異Fig.4 Wood fiber wall thickness variation of PF4 and PF2

在相應(yīng)生長輪數(shù)及樹高處PF4的纖維壁厚均大于PF2. 其中PF4纖維壁厚徑向變化范圍為6.33～7.84 μm，平均值為7.19 μm；PF2纖維壁厚徑向變化范圍為5.25～6.25 μm，平均值為6.01 μm.PF4纖維壁厚軸向變化范圍為4.03～4.82 μm，平均值為4.47 μm；PF2纖維壁厚軸向變化范圍為3.04～3.92 μm，平均值為3.61 μm.

2.1.5 纖維壁腔比的變異 PF4和PF2木材纖維壁腔比隨生長輪數(shù)以及樹高的增加呈現(xiàn)的變異趨勢相似(圖5). 二者變異范圍不同，但在相應(yīng)輪數(shù)

圖5 PF4和PF2木材壁腔比的變異Fig.5 Wood fiber wall cavity ratio variation of PF4 and PF2

以及樹高處PF4的纖維壁腔比均大于PF2. PF4纖維壁腔比隨生長輪數(shù)增大均呈現(xiàn)先增大至最大值后下降趨于平穩(wěn)的趨勢，徑向變化范圍為0.20～0.24，平均值為0.22；PF2纖維壁厚徑向變異曲線相似，變化范圍為0.15～0.17，平均值為0.15.軸向變異均呈現(xiàn)隨樹高增高木材纖維壁腔比值呈現(xiàn)先增大再減小而后再增大的趨勢. 其中PF4纖維壁腔比軸向變化范圍為0.12～0.16，平均值為0.14；PF2纖維壁腔比軸向變化范圍為0.09～0.11，平均值為0.10.

2.1.6 纖維腔徑比的變異 PF4和PF2纖維腔徑比隨生長輪數(shù)、樹高的變異范圍不大，變化曲線相似(圖6).但在相同生長輪數(shù)PF4的纖維腔徑比均大于PF2. 腔徑比徑向變異曲線較穩(wěn)定，說明生長輪數(shù)對纖維腔徑比的影響不大. PF4，PF2木材纖維腔徑比的徑向變化范圍是分別為0.81～0.83，0.86～0.87，平均值則分別為0.82，0.87. PF4腔徑比隨樹高的增高變化趨勢呈下降增高循環(huán)波動的狀態(tài)，PF2白花泡桐木材纖維腔徑比均隨樹高增高變化較平穩(wěn). PF4木材腔徑比軸向變化范圍為0.86～0.91，PF2木材纖維腔徑比軸向變化范圍為0.90～0.92，平均值則分別為0.88，0.91.

圖6 PF4和PF2木材腔徑比的變異Fig.6 Wood fiber diameter cavity ratio variation of PF4 and PF2

2.2木材化學(xué)性質(zhì)分析

PF4經(jīng)PF2染色體加倍后，抽出物(冷水抽提、熱水抽提、1%NaOH抽提、苯-醇抽提)以及木質(zhì)素含量減小，綜纖維素、纖維素含量增大(表1). PF4冷水抽出物比PF2減小4.47%；熱水抽出物減小5.08%；1%NaOH抽出物減小12.24%；苯-醇抽出物減小43.68%；木質(zhì)素含量減小20.09%；綜纖維素含量增大3.57%；纖維素含量增大3.54%. 經(jīng)差異顯著性分析，PF4，PF2間化學(xué)組成均存在顯著性差異.

表1 PF4和PF2木材化學(xué)組成的比較Table 1 Wood chemical properties of PF4 and PF2

注：不同字母表示顯著差異(P<0.05).

Note：Different letters mean significant difference(P<0.05).

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，經(jīng)PF2染色體加倍后PF4纖維長度、長寬比、壁厚、壁腔比、腔徑比均增大，纖維寬度減小，與翟曉巧等[7]的研究結(jié)果一致. PF4纖維長度、寬度徑向變異范圍為695.80～985.48 μm，37.33～41.06 μm，PF2纖維長度、寬度徑向變異范圍,651.93～900.89 μm，39.33～48.42 μm；PF4纖維長度、寬度軸向變異范圍為910.93～1 029.32 μm，32.67～40.13 μm，PF2纖維長度、寬度軸向變異范圍為835.16～969.73 μm，35.50～42.17 μm，纖維長度、寬度變異波動幅度徑向較軸向大，說明泡桐不同高度纖維形態(tài)差異較大，不同輪數(shù)纖維形態(tài)差異相對較小.

纖維長度大紙張的撕裂度、抗拉強度、耐破度和耐折度高[8]，纖維長寬比大紙張強度高[9]，纖維壁厚度大、壁腔比大、腔徑比小，則木材密度高、強度大[10]. 而PF4纖維長度、長寬比、壁厚、壁腔比徑向分別比PF2增大8.03%，20.23%，16.41%，31.81%，軸向分別比PF2增大3.45%，10.03%，19.24%，28.57%；PF4腔徑比徑向比PF2減小6.09%、軸向比PF2減小3.41%，所以PF4與PF2相比更適合作為造紙材料.

良好的造紙用纖維原料要求含纖維素高、木質(zhì)素少、抽出物含量少[11]，且綜纖維素含量高的原料, 纖維之間交織容易，質(zhì)量較好，成漿得率較高，而木材中水溶性化合物導(dǎo)致木材顏色較深[12]，不利于工業(yè)制造.PF4冷水抽出物、熱水抽出物、1%NaOH抽出物、苯-醇抽出物、木質(zhì)素含量比PF2分別減少4.47%，5.08%，12.24%，43.68%，20.09%，纖維素、綜纖維素含量比PF2分別增大3.54%，3.57%，且各個指標(biāo)在PF4及PF2間差異均顯著，所以PF4較PF2更適宜作為造紙原料. 綜合分析認為，PF4更適合應(yīng)用于作為造紙原料，進行工業(yè)生產(chǎn)，適合大面積推廣.

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(責(zé)任編輯：蔣國良)

DifferentialanalysisoffibercharacteristicsandchemicalpropertiesbetweentetraploidPaulowniafortuneianditsdiploidWANG Xiao-dan1， DENG Min-jie1， SHEN Lin-zhi2， ZHANG Xiao-shen3，

ZHAI Xiao-qiao4， LIU Yan-ping4， FAN Guo-qiang1

(1.Institute of Paulownia, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002,China; 2.Bishagang Park in Zhengzhou, Zhengzhou 450003,China; 3.Zhengzhou Institute of Agricultural and Forestry Sciences,Zhengzhou 450002,China; 4.Henan Academy of Forestry, Zhengzhou 450008,China)

The difference of fiber characteristics and chemical properties between seven-year tetraploid and its diploidPaulowniafortuneiwere investigated in this paper. The results showed that the trends of wood fiber length, width, fiber aspect ratio, wall thickness, wall cavity ratio and diameter cavity ratio of tetraploidPaulowniafortuneiare basically same with the increase ofPaulowniafortuneitree age and height, but rangeabilities are different. The wood fiber length, fiber aspect ratio, wall thickness, wall cavity ratio and diameter cavity ratio of tetraploidPaulowniafortuneiwere larger than those of the diploid; The fiber width is smaller than that of the diploid. The content of cold water extracts, hot water extracts, 1% NaOH extracts, benzene-alcohol extracts and lignin of tetraploidPaulowniafortuneirespectively decreased by 4.47%, 5.08%, 12.24%, 4.47% and 20.09%; While the content of cellulose and holocellulose of tetraploidPaulowniafortuneicontent increased respectively by 3.54% and 3.57%. Analysis shows that tetraploidPaulowniafortuneiare more suitable as papermaking raw materials.

Paulowniafortunei; tetraploid; diploid; fiber characteristics; chemical properties

S 792.43

：A

2014-01-20

國家自然科學(xué)基金項目( U1204309)；中央財政林業(yè)科技推廣示范項目( GTH[2012]01)

王曉丹，1989年生，女，河南封丘人，碩士研究生，主要從事林木生理生態(tài)學(xué)方面的研究.

范國強，1964年生，男，河南禹州人，教授，博士生導(dǎo)師.

1000-2340(2014)05-0585-05