褐腐對白楊木材固碳量的影響規(guī)律及機(jī)理

徐華東，狄亞楠，邢 濤，徐 群

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

固碳是指增加除大氣之外的碳庫的碳含量的措施，包括物理固碳和生物固碳。其中，生物固碳的主要方式之一是森林固碳，它是利用樹木的光合作用，提高生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收和儲存能力。雖然樹干的含碳率低于樹木的其他組織器官[1]，但樹干是樹木的主要組成部分，約占立木體積的50%～90%，是樹木中碳素儲存最多的寄存體和木材的主要來源。因此樹干仍是森林固碳的主體[2]。木材的主要構(gòu)成元素為：C、H 和O，其中C 元素占50%。因此，木材是一個巨大的碳庫，是一種綠色、可再生的生態(tài)型材料，在國家的固碳減排戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要作用。

木材中的碳通常會經(jīng)歷碳吸收-碳排放-碳儲存-碳排放等循環(huán)過程，因此研究固碳就是要研究如何增加木材碳吸收能力、減少碳排放量和延長碳儲存時間?，F(xiàn)有對碳吸收的研究主要集中在人工林培育和碳儲量評估等方面[3-5]，劉靈確定樟子松家系中比平均樹干碳儲量高出36.89%的K70 和A64 入選為優(yōu)良家系[6]。陳煒、何興元等使用開頂箱模擬試驗(yàn)，從而預(yù)測CO2濃度倍增對城市銀杏光合固碳釋氧能力的影響[7]；關(guān)于減少碳排放量和延長碳儲存時間的研究主要集中在木材防火、防腐與防蟲、減排方法和碳排放量評價方面。孟東偉等人研制水性浸注木材防火劑，使防火木材密度提升50%，防火性能滿足指標(biāo)且白蟻在其中存活率極低[8]。Zeng 提出通過收集死樹或活樹，深埋于土壤之下，制造厭氧狀態(tài)阻止被埋木材的分解，以形成一個有效的碳匯[9]，Knauf 提出采用多層次碳排放估測方法以滿足多領(lǐng)域碳排放量估測[10]。腐朽是木材碳排放的主要途徑之一[11]，會導(dǎo)致大量碳釋放，縮短木材的使用壽命?，F(xiàn)有對腐朽的研究多集中在木材無損檢測和腐朽對木材理化性質(zhì)的影響等方面[12-15]。但關(guān)于腐朽對木材碳排放的影響鮮有報道，且不曾量化表征。

本文以白楊木材為研究對象，對其進(jìn)行褐腐菌侵染，測定不同褐腐階段白楊試樣的固碳量，研究褐腐過程中木材內(nèi)部固碳量變化規(guī)律；進(jìn)而通過分析腐朽過程中試樣化學(xué)成分的變化，深入探究固碳量產(chǎn)生變化的內(nèi)在原因，為木材固碳減排及木材防腐提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

選用白楊Populus alba木材，氣干狀態(tài)下加工為20 mm×20 mm×30 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，共42 個。試驗(yàn)所用菌種為密粘褶菌Gloeophyllum trabeum，簡稱G.t），屬于褐腐菌。腐朽辦法參照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材耐久性能第一部分:天然耐腐性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》（GB/T13942.1—2009），飼木也為白楊木材，尺寸為20 mm×20 mm×5 mm。試驗(yàn)設(shè)備有BS210 分析天平（精確0.000 1 g）、烘干箱、高溫高壓滅菌鍋、無菌工作臺、恒溫恒濕培養(yǎng)箱和德國耶拿公司multi N/C 2011s 型號碳氮分析儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 腐朽試驗(yàn)

首先培養(yǎng)褐腐菌，然后制作培養(yǎng)基并接種褐腐菌，最后接種白楊試件進(jìn)行為期90 d 的褐腐培養(yǎng)試驗(yàn)，期間每隔15 d 取樣測試一次。

將褐腐菌菌塊接種至麥芽糖瓊脂培養(yǎng)基，7 d后待菌絲布滿培養(yǎng)基表面方可使用。木材試件培養(yǎng)所需培養(yǎng)基為河沙培養(yǎng)基，其制作方法參照木材天然耐腐性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法。依據(jù)國標(biāo)，配置培養(yǎng)基所需20～30 目的干凈河沙和鋸屑（白楊）及玉米粉若干份，每份攪拌充分后，倒入500 mL錐形瓶中鋪平備用；再制備一定比例營養(yǎng)液，將其均勻?yàn)⑷雮溆玫腻F形瓶中；然后，每瓶放入4 個飼木，在121 ℃、0.14 MPa 高溫高壓下滅菌1.5 h，待其冷卻至室溫后接入直徑為5 mm 的褐腐菌菌餅，放入恒溫恒濕箱中培養(yǎng)10 d。所有接種環(huán)節(jié)均在無菌工作臺上進(jìn)行。

下一步進(jìn)行木材試件接種。將試件在105℃烘干至恒重，稱重記錄腐朽前初始質(zhì)量w1。用紗布包好放入滅菌鍋121 ℃滅菌1.5 h，冷卻后放入培養(yǎng)好的河沙培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。以15 d 為一個周期（為期90 d），每個周期結(jié)束，取出6 個試樣，刮凈菌絲和雜質(zhì)后烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量并記錄腐朽后干質(zhì)量為w2。計(jì)算試樣腐朽前后質(zhì)量損失率WL，以百分?jǐn)?shù)表示，見式（1）。

1.2.2 固碳量測定

由于木腐菌也是生物體，其主要元素包含碳元素，因此在固碳量檢測之前，需要根據(jù)造紙?jiān)纤槌鑫锖康臏y定標(biāo)準(zhǔn)GB/T2677.4—93，對試樣進(jìn)行水提預(yù)處理，以減少菌絲對固碳量測定的干擾。將預(yù)處理之后的木材腐朽試樣再次打粉研磨，過200 目篩，制得木材固碳量測定樣品。使用碳氮分析儀，在1 100 ℃對試樣逐一進(jìn)行高溫灼燒，通過軟件得出樣品中絕對固碳量（固碳量實(shí)測值）。為了使腐朽后木材內(nèi)部固碳量與腐朽前的固碳量具有可比性，引入相對固碳量定義。相對固碳量通過式（2）計(jì)算。

式中：R為相對固碳量，mg/g；A為絕對固碳量，mg/g；WL為質(zhì)量損失率，%。

1.2.3 化學(xué)成分測定

將各階段木材腐朽試樣分別進(jìn)行打粉處理后過40～60 目篩，制得化學(xué)成分測定樣品。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2677.2—2011、GB/T 10741—2008、GB/T 2677.8—94、GB/T 2677.10—1995、GB/T 744—2004，測定木材樣品水分、苯醇抽提物含量、酸不溶木素含量、綜纖維素含量及α-纖維素含量。其中測定α-纖維素時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)17.5%的NaOH消解的是半纖維素，因而利用綜纖維素及α-纖維素二者之差估算半纖維素數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 褐腐對白楊木材固碳量的影響

不同褐腐處理時長下白楊固碳量的測定結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著腐朽時間的增長，絕對固碳量小幅增大，而相對含量逐漸下降，其損失率呈顯著增長趨勢。在90 d 的試驗(yàn)周期里，絕對固碳量由406.1 mg/g 小幅增長至437.8 mg/g。這與我們的預(yù)期結(jié)果是相反的，因?yàn)槟静母嗟倪^程即為固定在其中的碳釋放的過程，固碳量理論上應(yīng)該呈現(xiàn)下降的規(guī)律。根據(jù)公式（2），由絕對固碳量計(jì)算得出相對固碳量，即腐朽后固碳量在腐朽前質(zhì)量中的單位固碳量，其值由406.1 mg/g逐漸下降至246.2 mg/g，這與理論規(guī)律是一致的。這一變化趨勢同樣能從固碳量損失率中清楚地反映出來，經(jīng)90 d 褐腐處理后，固碳量損失率高達(dá)39.37%。并且，褐腐時間與相對固碳量的皮爾森相關(guān)系數(shù)，r=-0.933 表明兩者呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖1為固碳量絕對值和相對值隨褐腐時間變化的折線圖。由圖1和表1可知，相對固碳量在褐腐中期（30～45 d），損失率下降最快，平均每天變化速率為1.77%/d；而在褐腐前期（0～30 d）和后期（45～90 d），損失率變化較為平緩，分別為0.12%/d 和和0.18%/d。而絕對固碳量的增幅則一直比較均勻和平緩，平均每天的上升速率約為0.04%/d。上述結(jié)果表明，褐腐時間對白楊木材固碳量具有顯著影響，這一影響在褐腐中期（30～45 d）表現(xiàn)得尤為顯著。

表1 不同褐腐處理時間白楊失重率及固碳量的變化?Table 1 Changes of poplar carbon fixation with different treatment periods

圖1 腐朽白楊固碳量 Fig.1 Carbon fixation of white poplar specimens with different period

2.2 褐腐對白楊木材化學(xué)成分的影響

由于木腐菌通過生物質(zhì)瓦解木材有機(jī)結(jié)構(gòu)，消解木材成分，是導(dǎo)致固碳量發(fā)生變化的根源。為了弄清白楊木材內(nèi)絕對固碳量呈小幅上升規(guī)律和相對固碳量變化的原因，有必要對褐腐期間試樣化學(xué)成分的變化做進(jìn)一步分析。

褐腐處理下白楊化學(xué)成分測定結(jié)果如表2所示。隨著褐腐處理時間的增長，白楊試樣中綜纖維素（包括α-纖維素和半纖維素）的絕對含量與相對含量均呈下降趨勢（見表2和圖2）。木質(zhì)素絕對值小幅上升，相對值則呈下降趨勢；而抽提物含量并未呈現(xiàn)出固定的變化規(guī)律。到90d 為止，綜纖維素、α-纖維素和半纖維素絕對含量變化幅度相對較小，分別降低了17.66%、8.11%和9.55%。而它們的相對含量降幅較大，對應(yīng)數(shù)值分別為45.38%、25.75%和19.63%。同時，上述三個成分的相對損失率也變化明顯，均呈逐漸增高趨勢。當(dāng)90 d 時，損失率分別達(dá)到56.02%、53.18%和60.24%。然而，在這一過程當(dāng)中，木質(zhì)素變化規(guī)律與之不同。木質(zhì)素的絕對含量不是下降反而呈小幅增長趨勢，增長了9.7%，但其相對含量變化規(guī)律與綜纖維素等一致，也略有減少。90 d 時，木質(zhì)素相對含量下降2.05%，損失率為11.65%。最后，抽提物的絕對含量和相對含量呈動態(tài)變化，未呈現(xiàn)出統(tǒng)一上升或持續(xù)下降的變化規(guī)律。其含量與腐朽時間的雙尾檢驗(yàn)Sig 值分別為0.422 和0.075 ，均大于0.05，也證明抽提物含量的變化與腐朽時間不存在顯著相關(guān)性。綜上所述，在90 d 的褐腐處理周期里，褐腐菌主要分解了綜纖維素，前期主要分解半纖維素，后期對α-纖維素降解速率有所上升；而對木質(zhì)素降解不明顯。

表2 褐腐處理下白楊化學(xué)成分的變化?Table 2 The changes of poplar chemical composition with different treatment period

圖2 化學(xué)成分隨腐朽時間變化趨勢圖Fig.2 Changes of chemical composition of white poplar with brown rot

2.3 固碳量變化機(jī)理

2.3.1 絕對固碳量升高的原因

隨著褐腐時間的延長，白楊固碳量絕對值呈緩慢上升趨勢。這一變化規(guī)律與木材內(nèi)部化學(xué)成分的變化具有緊密聯(lián)系。

首先，白楊主要化學(xué)成分絕對值變化規(guī)律為：綜纖維素含量顯著減少，而木質(zhì)素含量小幅上升。這是由于褐腐菌對木質(zhì)素和綜纖維素是同時降解的，但褐腐菌對綜纖維素的降解能力更強(qiáng)，因此綜纖維素含量下降的速率遠(yuǎn)大于木質(zhì)素，導(dǎo)致了木質(zhì)素實(shí)測含量的增多[13,16]。而這一過程直接導(dǎo)致白楊各化學(xué)成分所占的比重發(fā)生了明顯變化，試驗(yàn)周期內(nèi)（90 d）綜纖維素比重由81.00%下降至63.34%，木質(zhì)素比重由17.6%增長為27.8%，白楊試件由白色變?yōu)辄S褐色。

為了進(jìn)一步說明化學(xué)成分比重的變化對固碳量產(chǎn)生的影響，對白楊木材各化學(xué)組分的含碳率（單位質(zhì)量中C 元素所占百分比）進(jìn)行了測定，結(jié)果如表3所示。表3表明，木質(zhì)素含碳率最高，達(dá)64.08%，綜纖維素含碳率為37.38%，其中α-纖維素含碳率達(dá)41.65%，通過計(jì)算得半纖維素含碳率約為28.73%（由綜纖維素與α-纖維素的含量和含碳率計(jì)算后取平均得出）。褐腐處理導(dǎo)致樣本中含碳率高的木質(zhì)素所占比重上升，含碳率較低綜纖維素比重下降，所以褐腐處理后，白楊單位質(zhì)量中絕對固碳量呈增長趨勢。

表3 白楊各化學(xué)成分含碳率Table 3 Carbon content of poplar chemical compositions

2.3.2 相對固碳量損失速率變化的原因

褐腐白楊相對固碳量下降速率呈先加快后減慢（30～45 d 變化最快）變化規(guī)律的原因，是由木材質(zhì)量損失率變化決定的。因?yàn)橄鄬烫剂渴怯山^對固碳量根據(jù)式（2）計(jì)算得出的，故其變化與木材質(zhì)量損失率的變化規(guī)律一致。質(zhì)量損失率隨褐腐時間呈增長的趨勢，如圖3所示。圖3表明質(zhì)量損失率同樣呈先加快后減慢的規(guī)律，且在30～45 d 變化最快。這與活立木質(zhì)量損失率呈線性變化存在不同[17]，活立木在褐腐菌、白腐菌及軟腐菌的多重作用下，其質(zhì)量損失率呈線性增長。而本試驗(yàn)采用單一褐腐菌種對白楊試件進(jìn)行腐朽處理，前期（0～30 d）褐腐菌處于增長繁殖階段，其分解能力逐漸加強(qiáng)，質(zhì)量損失率逐漸升高；中期（30～45 d）褐腐菌分解大量綜纖維素和極少木質(zhì)素，質(zhì)量損失率大幅增長；后期（45～90 d）此時木材剩余成分中木質(zhì)素占比升高，而褐腐菌對木質(zhì)素的作用很弱，同時，褐腐菌的活性減弱，且營養(yǎng)物質(zhì)大量消耗，因此在試驗(yàn)后期試樣質(zhì)量損失率變化緩慢[18]。因此，質(zhì)量損失率的變化，導(dǎo)致木材內(nèi)部固碳量產(chǎn)生了類似的變化。

圖3 褐腐白楊試件質(zhì)量損失率變化趨勢圖Fig.3 Weight loss rate of white poplar specimens with brown rot

3 結(jié)論與討論

1）隨著褐腐處理時間的延長，木材中絕對固碳量小幅增長，而相對固碳量呈明顯下降趨勢，這表明褐腐對白楊固碳量的影響顯著。當(dāng)質(zhì)量損失率達(dá)到43.76%時，白楊固碳量相對下降39.37%。

2）褐腐過程中白楊木質(zhì)素的比重上升，這導(dǎo)致絕對固碳量呈增長趨勢。因?yàn)榘讞罡骰瘜W(xué)成分中木質(zhì)素含碳率高于綜纖維素含碳率（64.08%＞37.38%），所以褐腐菌侵染下木質(zhì)素含量的上升是絕對固碳量增長的關(guān)鍵因素。

3）白楊相對固碳量的變化與質(zhì)量損失率變化緊密相關(guān)，實(shí)驗(yàn)室加速腐朽狀態(tài)下，白楊相對固碳量下降速率呈現(xiàn)先加快后減慢的變化規(guī)律，與其質(zhì)量損失率變化規(guī)律一致。

腐朽會引起木材質(zhì)量和化學(xué)成分的損失，本文對褐腐木材的研究得出與葛曉雯等[13]和Maeda等[18]相同的結(jié)論。同時腐朽會引起木材固碳量的釋放，本研究在此基礎(chǔ)上探究了褐腐影響木材固碳量的變化機(jī)理，腐朽引起了木材固碳量的損失，相對固碳量下降；并得出絕對固碳量呈上升趨勢的新結(jié)論，解釋了其中原因，與孫玉軍等[19]和馬欽彥等[20]對闊葉材與針葉材含碳率差異的結(jié)論相一致。

本研究的不足之處：研究腐朽木材固碳量具有重要意義和應(yīng)用價值，但是腐朽對木材固碳量的影響過程非常復(fù)雜，受到多個因素的影響。本文僅在室內(nèi)加速腐朽條件下研究了單一菌種侵染的單一種類木材固碳量的變化規(guī)律和機(jī)理，具有局限性。褐腐對綜纖維素的降解能力更強(qiáng)，而白腐則主要分解木質(zhì)素。雖然木質(zhì)素含碳率高于綜纖維素含碳率，但綜纖維占到木材的70%～80%，故認(rèn)為褐腐對木材碳釋放的影響較大。若要揭示腐朽狀態(tài)下木材固碳量的普遍規(guī)律，今后有必要針對不同菌種（包括褐腐和白腐）和不同樹種木材（針葉、闊葉等）開展更多的探索性研究。同時，在有條件的情況下，應(yīng)當(dāng)開展室外自然條件下木材腐朽與固碳量損失關(guān)系的相關(guān)研究，并積累相關(guān)定量數(shù)據(jù)。