楊樹無性系木材制漿性能的綜合評價

秦乃花 于曉燕 魏娟 舒秀閣 杜慶松 秦光華 董玉峰

摘要以6年生楊樹無性系魯林1號（P.בLulin-1’）、I-107（P.×euramericana cv.‘74/76’）和L35 （P.×euramericana cv.‘L35’）為試驗材料，通過大田試驗對其木材的纖維形態(tài)、化學(xué)組分、漿料性能和紙張質(zhì)量進行了研究。結(jié)果表明，不同無性系木材的纖維長度、纖維寬度和長寬比存在一定差異，其中無性系魯林1號的纖維長度和長寬比為1.153 mm和49.5，分別為I-107的98.8%和106.0%，分別為L35的99.74%和99.74%;無性系魯林1號木材的化學(xué)組分中綜纖維素和纖維素含量較高，木素和戊聚糖等含量較低，同時其漿料白度及強度性能各項指標(biāo)優(yōu)良;此外，無性系魯林1號的紙張具有較好的抗張指數(shù)與耐破指數(shù)，總體紙張質(zhì)量介于I-107與L35之間。綜合分析認(rèn)為，楊樹無性系魯林1號適合配抄各種中高檔文化用紙。

關(guān)鍵詞楊樹無性系;紙漿材;纖維形態(tài);制漿性能;綜合評價

Abstract：In this study， three 6-year-old poplar clones of lu lin yi hao （P.בLulin-1’），I-107（P.×euramericana cv.‘74/76’）and L35 （P.×euramericana cv.‘L35’） were used as trial material in a field experiment. The study was conducted to determine the fiber morphology， chemical constituents， pulping properties and paper quality of poplar clones. The results indicated that there were some differences in fiber length， fiber width and length-width ratio among different clones， and the values of fiber length and length-width ratio in clonelu lin yi hao （P.בLulin-1’） were 1.153 mmand 49.5， showing 98.8% and 106.0% increases in comparison with I-107（P.×euramericana cv.‘74/76’） ， as well as 99.74%and 99.74% increases compared with L35 （P.×euramericana cv.‘L35’）， respectively. The contents of holocellulose and cellulose in chemical components of clonelu lin yi hao （P.בLulin-1’） were higher than the other clones， whereas the contents of lignin and pentosan were lower. Meanwhile， the whiteness and strength properties of the pulp were excellent. Moreover， the paper of clone lu lin yi hao （P.בLulin-1’） had better tensile index and rupture index， and the overall paper quality was between I-107 and L35. In conclusion， poplar clone lu lin yi hao （P.בLulin-1’） is suitable to application for all kinds of medium and high grade cultural paper.

Keywords：poplar clones; pulpwood; fiber morphology; pulping property; integrative evaluation

楊樹是楊柳科（Salicaceae）楊屬（Populus）樹種的統(tǒng)稱，是世界性重要人工林栽培樹種，也是我國黃淮海地區(qū)重要的速生豐產(chǎn)林樹種，具有生長快、成才早，材色潔、易漂白，紙張具有白色度高、不透明，吸收能力強等優(yōu)良特性，紙漿得率達80～85%，被普遍認(rèn)為是制造中、高檔紙的重要原料，楊木在木漿原料中約占35%。目前，我國楊樹人工林面積達700多萬hm2，占全國人工林總面積的19%，超過世界其他國家楊樹人工林面積的總和[2]。山東省楊樹人工林種植面已達40余萬 hm2，每年生產(chǎn)木材60余萬 m3，對緩解山東省木材供需緊張矛盾發(fā)揮了巨大作用[1]。

隨著我國制漿造紙需求量的不斷增大，促使楊樹培育由粗放型向集約型和定向型培育轉(zhuǎn)變[2]。集約型和定向型培育是指按木材的最終用途對木材種類、質(zhì)量和規(guī)格的要求進行楊樹良種培育，這不僅對選育技術(shù)和栽培技術(shù)措施提出了更高的要求，同時也對楊樹良種的特性提出了更高要求[3-4]。但以往的楊樹育種工作多注重追求豐產(chǎn)性，不注重適應(yīng)性、穩(wěn)定性評價，存在紙漿用材選育目標(biāo)綜合評價體系不夠完善等問題。如何選育適合紙漿林工業(yè)用材的要求，又具有高產(chǎn)高抗的楊樹紙漿林優(yōu)良無性系，是擺在林木遺傳改良工作者面前的重要任務(wù)，也是林業(yè)生產(chǎn)和造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展中急需解決的重要問題。定向選育紙漿用材楊樹優(yōu)良無性系，是當(dāng)前造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展對楊樹育種工作的迫切需求。紙漿材在利用方式上有別于其他培育目標(biāo)，它是以纖維作為利用對象，在培育過程中追求單位時間、單位面積獲取的木片絕干重最大，或者說是獲取的紙漿量最大，同時又要求木材的纖維形態(tài)最有利于造紙。因此，在選擇紙漿材優(yōu)良無性系時，除了要考慮生長性狀，即速生、豐產(chǎn)、干形等性狀外，還要考慮木材的纖維形態(tài)及含量。

木纖維是楊樹木質(zhì)部的重要組成部分，是制漿造紙的主要原料。木纖維的長度和長寬比等性狀值的大小直接影響楊木制漿性能和造紙質(zhì)量[5]。黃秦軍等[1]對10個新選育的楊樹無性系研究表明，其纖維長、纖維寬等指標(biāo)均超過國家標(biāo)準(zhǔn)中對造紙材料的要求。張黎等[6]對I-107楊纖維性狀徑向變異規(guī)律的研究認(rèn)為，木材纖維長度、纖維寬度與長寬比的變異均是自髓心向外逐年增大，纖維長度的變化范圍為0.80～1.40 mm。張平冬等[7]對三倍體白楊雜種無性系的研究表明，生長性狀與纖維長度、長寬比間呈顯著的正相關(guān)，而與纖維寬度、纖維粗度呈不顯著的正相關(guān)。劉玉鑫等[8]對11個美洲黑楊無性系木材纖維性狀的研究發(fā)現(xiàn)，11個無性系纖維長度、纖維寬度和纖維長寬比平均值分別為1.11 mm、22.3μm和49.57，且纖維長度和纖維長寬比隨著林齡增大而增加。也有學(xué)者[9]對來自加拿大不列顛哥倫比亞省4個不同產(chǎn)地的15個山楊（P. tremuloides）無性系木材纖維性狀的自然變異進行評價，發(fā)現(xiàn)不同品種間、林分間均存在顯著變異。由此可見，目前針對多個楊樹無性系的纖維性狀已開展了大量的研究工作，但關(guān)于山東省林業(yè)科學(xué)研究院選育的楊樹無性系魯林1號（P.בLulin-1’）的木材纖維形態(tài)研究相對較少，且針對其木材化學(xué)組成、漿料性能與紙張質(zhì)量的研究更是鮮見報道，而木材的化學(xué)組分與漿紙?zhí)匦詫τ诩垵{材至關(guān)重要。為此，本研究擬以楊樹無性系魯林1號（P.בLulin-1’）為研究對象，以I-107（P.×euramericana cv.‘74/76’）和L35（P.×euramericana cv.‘L35’）為對照，對3個楊樹無性系木材的纖維形態(tài)、化學(xué)成分、APMP漿料性能和紙張質(zhì)量等開展了系統(tǒng)的研究，以期為楊樹紙漿材新品種的選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地設(shè)在莒縣趙家廿里（35o31′ N，119o12′ E），屬暖溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫12.1 ℃，極端最高氣溫為35.8 ℃，極端最低氣溫為-14.7 ℃，無霜期182.0 d;日照時數(shù)2450 h/a，年降水量750 mm，降水多集中于7月～ 8月，年蒸發(fā)量1740.2mm，年均相對濕度75%。土壤為河潮土，沙壤，地下水位2 m～3 m。造林密度為株行距4m×4m。

1.2試驗材料

試驗材料為I-107 （P.×euramericana cv.‘74/76’）、L35 （P.×euramericana cv.‘L35’）、魯林1號 （P.בLulin-1’），均為6年生，其中I-107和L35為對照。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個小區(qū)50株，3次重復(fù)。

1.3試驗方法

在6 年生莒縣試驗林中，參試無性系選3株標(biāo)準(zhǔn)木伐倒。分別樹干的基部、中部、梢部截取3～5cm厚圓盤，按《制漿造紙分析與檢測》中方法，制備木材樣品，測定木材的纖維形態(tài)、化學(xué)成分，并按照單段預(yù)處理APMP制漿工藝流程，進行制漿、造紙和漿料性能檢測，在山東木材制漿造紙重點實驗室完成測定，在山東省紙張質(zhì)量監(jiān)督檢驗站進行檢驗。

纖維長度采用纖維質(zhì)量分析儀（FQA）KajaaniFS-100測定;纖維寬度采用目鏡測微尺法測量;綜纖維素含量按GB/T2677.10-1995標(biāo)準(zhǔn)方法測定;硝酸-乙醇纖維素含量按《制漿造紙分析與檢測》中方法測定;酸不溶木素含量按GB/T2677.8-1994標(biāo)準(zhǔn)方法測定;戊聚糖含量按GB/T2677.9-1994標(biāo)準(zhǔn)方法測定;1%氫氧化鈉抽出物含量按GB/T2677.5-1993標(biāo)準(zhǔn)方法測定;苯醇抽出物含量按GB/T2677.6-1994標(biāo)準(zhǔn)方法測定;熱水和冷水抽出物含量按GB/T2677.4-1993標(biāo)準(zhǔn)方法測定;紙張白度、不透明度和光散射系數(shù)用瑞典L&W公司產(chǎn)Elrepho 白度測定儀測定;紙張裂斷長用擺錘式抗張強度測定儀測定;紙張耐破指數(shù)采用電腦自控耐破度測定儀測定;

紙張撕裂指數(shù)采用撕裂度測定儀測定;紙張耐折度采用MIT式耐折度測定儀測定;紙張打漿度肖伯爾式打漿度測定儀測定[10]。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)并制圖，采用DPS7.5軟件進行方差分析和多重比較（LSD法，P < 0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1纖維形態(tài)測定

無性系纖維形態(tài)測定結(jié)果表明（表1），3個參試無性系的纖維長度平均值為1.159 mm，分布范圍為1.153～1.167 mm，其中無性系魯林1號的纖維長度（1.153 mm）分別為對照I-107和L35的98.8%和99.74%。纖維寬度平均值為23.87 mm，分布為23.3～25.0 mm，其中無性系魯林1號的纖維寬度（23.3 mm）分別為對照I-107和L35的93.2%和100.0%。纖維長寬比平均值為48.6，分布為46.7～49.6，其中無性系魯林1號的纖維長寬比（49.5）分別為對照I-107和L35的106.0%和99.74%。造紙用纖維宜細(xì)長，其長寬比宜大于35，且越大越好，一般認(rèn)為長寬比大（大于30 ～ 45）的纖堆，纖維韌性好，造紙時纖維之間的接觸面大，相互交織好，成紙強度高[11]。可以得出，參試楊樹無性系的纖維形態(tài)達到國際木材解剖學(xué)會規(guī)定的中級木材纖維長度（0.9～1.6mm）標(biāo)準(zhǔn)，長寬比在46以上，符合制漿造紙要求。

2.2化學(xué)組分分析

表2為楊樹無性系的化學(xué)組分的測試結(jié)果，從中可以看出，無性系魯林1號的綜纖維素（82.91%）和纖維素含量（51.10%）均略高于對照L35和I-107，分別為對照的102.59%和102.21%，而木質(zhì)素（16.83%）和戊聚糖（22.36%）低于對照，分別為對照的97.68%和98.16%，除苯醇抽出物（2.01%）、冷水抽出物（3.62%）高于對照L35和I-107外，其他抽出物以及灰分含量（0.44%）均低于對照。綜纖維素和纖維素的含量高，制漿得率高。木素和戊聚糖對紙漿得率有負(fù)影響。浸提物（冷、熱水抽出物、1%氫氧化鈉抽出物、苯醇抽出物）含量高會增加蒸煮時藥品的消耗、延緩蒸煮過程降低紙漿得率和影響漿的顏色，增加漿漂白時藥品的用量。造紙原料中灰分含量雖對普通紙張影響不大，但愈低愈好[12]。通過以上分析可以得出，無性系魯林1號與對照L35和I-107相比具有較好制漿性能。

2.3漿料性能評價

對不同無性系在不同工藝條件下進行APMP制漿造紙試驗，結(jié)果表明（表3）：當(dāng)H2O2總用量為4%時，各樹種所得漿料白度均超過75.0%ISO;當(dāng)H2O2總用量為6%時，白度均超過77.5%ISO。NaOH用量至6.3%時，參試楊樹無性系所得漿料撕裂指數(shù)超過3.0 mN·m2·g-1，耐破指數(shù)均超過1.60 KPa·m2·g-1，裂斷長均超過3.00km。各無性系之間，無性系魯林1號抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均高于對照無性系，耐破指數(shù)超過或與對照無性系相近;不透明度高于對照無性系，白度與L35相當(dāng)，裂斷長與L35和I-107相當(dāng)。由此可見，無性系魯林1號具有較好的紙漿性能。

2.4紙張質(zhì)量評價

對無性系魯林1號及對照無性系的APMP漿造紙的紙張質(zhì)量進行檢驗，主要指標(biāo)測定結(jié)果列入表4，對其分析可以得出，無性系魯林1號的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)分別為33.0 N.m.g-1、1.61 KPa.m2/g，位于對照L35和I-107之間，白度和定量與對照L35和I-107相近，分布為78.60～80.40%ISO和61.10～64.30 g.cm-3，撕裂指數(shù)（3.14 mN.m2.g-1）分布為3.14～4.19 mN.m2.g-1，與對照I-107（3.42 mN.m2.g-1）相近，但低于L35（4.19 mN.m2.g-1）。說明無性系魯林1號紙張具有較好的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)，總體紙張質(zhì)量在對照L35和I-107之間，適合配抄各種中高檔文化用紙。

3 討論與結(jié)論

在楊樹紙漿原料林的生產(chǎn)經(jīng)營過程中，紙漿林單位面積的木材產(chǎn)量和木材的質(zhì)量均非常重要。單位面積的木材產(chǎn)量直接決定了紙漿產(chǎn)量，而木材纖維特性則決定了成紙的質(zhì)量，也是造紙工業(yè)衡量纖維原料優(yōu)劣的依據(jù)[1]。在纖維性狀中，纖維長度和纖維長寬比是描述楊木纖維形態(tài)的重要指標(biāo)，直接影響制漿性能和造紙質(zhì)量[8]。木質(zhì)纖維長度越長，紙張的強度越大，反之，纖維長度短，則紙張強度小。長寬比大的木質(zhì)纖維，成紙時單位面積中纖維之間相互交織的次數(shù)多，纖維分布細(xì)密，成紙強度高。因此，選育楊樹紙漿品種不僅要重視生長性狀的遺傳改良，更要注重纖維性狀的遺傳改良，尤其是纖維長度性狀的遺傳改良[7]。Yu等[13]研究表明，幼齡歐洲山楊雜種無性系的平均纖維長度介于0.43～0.70 mm之間。Zhang等[14]研究認(rèn)為，5年生三倍體毛白楊纖維長度為0.77～0.80 mm。曾廣植[15]研究得出，纖維長度與紙張強度呈正線性相關(guān);張平冬等[7]研究發(fā)現(xiàn)，纖維長寬比值越大，纖維之間交織次數(shù)越多，結(jié)合能力越好，獲得的紙張強固性和割裂性也就越好。本研究中，參試楊樹無性系魯林1號、L35和I-107的纖維長度介于1.153～1.167 mm，長寬比介于46.7～49.6，達到了國際木材解剖學(xué)會規(guī)定的中級木材纖維長度（0.9～1.6 mm）標(biāo)準(zhǔn)，長寬比46以上，符合制漿造紙要求。此外，有研究表明[16]，纖維長度在樹干水平方向上從內(nèi)向外逐漸增大，而纖維寬度相對穩(wěn)定。還有研究認(rèn)為[17]，纖維長度、寬度和長寬比隨著年輪的增加而增大，達到一定的年齡后保持穩(wěn)定或略有減小。

在木材化學(xué)成分中纖維素含量的高低對制漿得率的多少起決定性的作用，而木質(zhì)素含量高則制漿得率差，耗藥量大[18]。趙天錫等[19]對45個不同楊樹品種的研究認(rèn)為，楊樹綜纖維素含量介于703.5～859.6 g/kg，木質(zhì)素含量介于175.0～351.8 g/kg。本試驗中，無性系魯林1號的綜纖維素和纖維素含量均高于L35和I-107，而木質(zhì)素含量低于L35和I-107。木材化學(xué)成分含量對制漿造紙的生產(chǎn)工藝和最終經(jīng)濟效益影響很大，而楊樹的纖維素含量和木質(zhì)素含量的影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灰分、抽提物等。在楊樹紙漿材培育過程中，可以簡化木材化學(xué)成分選擇指標(biāo)體系，即只把生物量高、纖維素含量多和低木質(zhì)素含量作為檢測指標(biāo)就可滿足紙漿材新品種選育的要求。

從漿料性能的角度來看，無性系魯林1號的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均高于L35和I-107，耐破指數(shù)超過或與L35、I-107接近。同時結(jié)合紙張質(zhì)量可知，無性系魯林1號紙張具有較好的抗張指數(shù)與耐破指數(shù)，總體紙張質(zhì)量介于L35與I-107之間。這表明無性系魯林1號適合配抄各種中高檔文化用紙。

此外，從全球楊樹育種的趨勢來看，我國楊樹育種應(yīng)該以社會需求為導(dǎo)向，加強楊樹的遺傳學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)性研究，積極探究現(xiàn)代生物技術(shù)和常規(guī)育種的有效融合，制定行之有效的“短—中—長”期改良結(jié)合的技術(shù)方案，進而快速推動我國楊樹育種改良的進程。

參考文獻：

[1] 董玉峰， 姜岳忠， 張明哲，等.不同楊樹品種的分枝及與生長和干形的關(guān)聯(lián)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報， 2014， 34（2）：34-38.

[2]方升佐. 中國楊樹人工林培育技術(shù)研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2008， 19（10）： 2308-2316.

[3]陳章水.楊樹栽培實用技術(shù)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2005.

[4]姜岳忠.毛白楊人工林豐產(chǎn)栽培理論基礎(chǔ)與技術(shù)體系研究[D].北京： 北京林業(yè)大學(xué)博士論文， 2006.

[5]翁文源.楊樹木材纖維長度變異及其在造紙中的應(yīng)用[J].湖北林業(yè)科技， 2007， 36（2）： 31-33.

[6]張黎， 趙榮軍， 費本華. 歐美楊107楊木材纖維形態(tài)分析[J].中國造紙， 2008， 27（5）：28-31.

[7]張平冬，吳峰，康向陽，等.三倍體白楊雜種無性系的纖維性狀遺傳變異研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報， 2014， 29（1）： 78-83.

[8]劉玉鑫， 顏開義， 何偉， 等.美洲黑楊無性系木材纖維性狀遺傳變異[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2020，44（2）： 67-74.

[9] Mansfield S D， Weineisen H. Wood fiber quality and kraft pulping efficiencies of trembling aspen （Populus tremuloides Michx） clones [J].J Wood Chem Technol， 2007， 27（3/4）：135-151.

[10]董玉峰.楊樹紙漿材優(yōu)良無性系選擇及高效群體結(jié)構(gòu)研究[D].泰安： 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)博士論文， 2014.

[11]張避光.木材科學(xué)與技術(shù)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2004.

[12]任海青， 周海賓. 三倍體毛白楊木材化學(xué)成分和纖維形態(tài)的分析[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2006， 33（2）： 160-163.

[13]Yu Q， Pulkkinen P， Pautio M， et al. Genetic control of wood physiochemical properties， growth and phenology in hybrid aspen clones [J].Canada Journal of Forest Research， 2001， 31： 1348-1356.

[14]Zhang P D， Wu F， Kang X Y. Genotypic variation in wood properties and growth traits of triploid hybrid clones of Populus tomentosa at three clonal trials [J]. Tree Genetics and Genomes， 2012（8）： 1041-1050.

[15]曾廣植.對用紙漿纖維篩分組分評價紙張綜合強度影響關(guān)系的探討[J].紙和造紙，2006，25（5）： 74-76.

[16]武恒，查朝生，王傳貴，等.人工林楊樹12個無性系木材纖維形態(tài)特征及變異[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2011， 39（2）： 8-10.

[17]查朝生，方宇，劉盛全，等.楊樹無性系木材纖維形態(tài)特征及其徑向變異的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2005， 32（2）： 192-197.

[18]黃秦軍， 蘇曉華， 馬常耕，等.楊樹新品系超短輪伐條材材性及其生物制漿可行性[J].林業(yè)科學(xué)研究， 2008， 21（1）：74-78.

[19]趙天賜， 陳章水， 王彥， 等.中國楊樹集約栽培[M] .北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社， 1994.