栓皮櫟采伐剩余物解剖特性研究

趙鵬輝 趙西平 郭平平 楊永強(qiáng) 柳子妤 常冰冰

（河南科技大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471000）

栓 皮 櫟（Quercusvariabilis）屬 殼 斗 科（Fagaceae）櫟屬（Quercus）植物，廣泛分布于我國(guó)華北、西北等20多個(gè)省區(qū)，主要生長(zhǎng)在海拔800～1600 m，是我國(guó)暖溫帶落葉闊葉林主要樹(shù)種之一，河南是其主要產(chǎn)地之一[1]。栓皮櫟的加工與利用目前主要集中在樹(shù)干部位，軟木制作各類(lèi)軟木家具、地板和紅酒塞等[2]，木材主要用于制作各類(lèi)實(shí)木家具、大型支撐材料。其樹(shù)枝和樹(shù)根的利用率不高，主要是用于燒制木炭，培養(yǎng)菌類(lèi)等[3]。對(duì)于栓皮櫟樹(shù)枝和樹(shù)根是否可用于造紙用纖維原料尚未見(jiàn)報(bào)道。

造紙工業(yè)中使用的植物纖維原料眾多，可大體分為非木材纖維原料、半木材纖維原料和木材纖維原料[4]。目前我國(guó)的紙漿總量中有65%～75%是用草類(lèi)原料生產(chǎn)的[4]，草類(lèi)生產(chǎn)的紙張其品種單一，質(zhì)量較差，處理不好的廢液還會(huì)對(duì)生態(tài)產(chǎn)生重大影響[5]。木材纖維原料得漿率高、生產(chǎn)工藝先進(jìn)、廢液處理技術(shù)成熟、紙張質(zhì)量好、強(qiáng)度大[6]。使用更好的木材纖維顯然更符合現(xiàn)代人們生活的需求[6]。但是，由于我國(guó)的木材資源匱乏，導(dǎo)致造紙類(lèi)木材纖維極度依賴(lài)進(jìn)口[7-8]，且形勢(shì)十分嚴(yán)峻。針對(duì)我國(guó)木材資源緊張的問(wèn)題，上世紀(jì)80年代，就有學(xué)者提出全樹(shù)利用的概念[9]，特別是強(qiáng)化采伐剩余物（即枝丫材、樹(shù)樁以及樹(shù)根等）的高效利用[10]。由于林間道路崎嶇，大部分的運(yùn)輸設(shè)備和加工設(shè)備無(wú)法進(jìn)入，導(dǎo)致大量的采伐剩余物被丟棄在林間，大量的森林資源被浪費(fèi)[11]。近年來(lái)，隨著采運(yùn)設(shè)備和加工設(shè)備的革新[12-13]，采伐剩余物木材資源再次得到重視。目前，我國(guó)的本土木材纖維資源中，使用最多的是針葉材，反觀日本等造紙工業(yè)大國(guó)，造紙時(shí)使用的闊葉材樹(shù)種占據(jù)60%以上[4]，所以強(qiáng)化闊葉材的研究和利用應(yīng)該更為重要，尤其是一些多用途樹(shù)種，比如栓皮櫟。本研究對(duì)栓皮櫟樹(shù)枝和樹(shù)根的木材解剖構(gòu)造進(jìn)行了研究，為其應(yīng)用于造紙或纖維原料提供基本參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料來(lái)源

實(shí)驗(yàn)材料取自龍峪灣林場(chǎng)，該林場(chǎng)位于河南省洛陽(yáng)市西南165 km伏牛山腹地的欒川縣境內(nèi)，地處東經(jīng)111°40′～111°49′，北緯33°39′～33°46′，海拔1083 m，森林覆蓋率達(dá)98.6%。從龍峪灣的栓皮櫟林中選取3棵生長(zhǎng)狀況良好，無(wú)病蟲(chóng)害的樣樹(shù)（表1），從樣樹(shù)的樹(shù)枝和樹(shù)根取樣，樣段直徑6～10 cm。同時(shí)，在樹(shù)高1.3 m處南向使用生長(zhǎng)錐打出樹(shù)芯。

表1 樣樹(shù)的基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of sample trees

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

栓皮櫟樹(shù)枝和樹(shù)根的樣材切出1 cm×1 cm×1 cm的小木塊，從樹(shù)芯中間切取1 cm長(zhǎng)的小段，然后使用丙三醇和無(wú)水乙醇合液（體積比為1∶1）進(jìn)行軟化處理。在RM 2235徠卡切片機(jī)(徠卡微系統(tǒng)有限公司,德國(guó))上切出木材試樣的三切面薄片（15μm）[14]，然后使用番紅染色。使用硝酸（30%）-氯化鉀法對(duì)木材進(jìn)行離析，離析的分子材料和染色切片使用DM 2500徠卡顯微鏡（徠卡微系統(tǒng)有限公司，德國(guó)）進(jìn)行拍照，最后使用TDY-5.2木材解剖測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

在橫切面上測(cè)量木材導(dǎo)管、纖維、射線(xiàn)和薄壁細(xì)胞組織比量，導(dǎo)管徑弦向直徑重復(fù)測(cè)量100個(gè)，取平均值。在徑切面上射線(xiàn)細(xì)胞寬度及高度重復(fù)測(cè)量100個(gè)，取平均值。在弦切面上木射線(xiàn)的寬度及高度重復(fù)測(cè)量30個(gè)，取平均值。分子離析的木纖維，測(cè)量其長(zhǎng)度、寬度、徑腔和雙壁厚，重復(fù)測(cè)量100個(gè)，取其平均值[15-16]。

1.3 分析方法

數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進(jìn)行分析，對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行因素方差分析，各部位間進(jìn)行多重比較，并采用鄧肯新復(fù)極差檢驗(yàn)法檢驗(yàn)差異的顯著性水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材組織基本構(gòu)造

栓皮櫟樹(shù)枝樹(shù)干為環(huán)孔材（圖1a、1d），早材管孔大，管孔為圓形或卵圓形，單行排列。晚材管孔小，呈現(xiàn)輻射狀，與馮德君等的研究結(jié)果類(lèi)似[17]。樹(shù)根部位呈現(xiàn)出半環(huán)孔材特征（圖1g），早晚材區(qū)別不明顯，早晚材導(dǎo)管呈現(xiàn)星散狀。樹(shù)根與樹(shù)枝樹(shù)干的這一差異性，可能是由于地上地下生長(zhǎng)環(huán)境不同發(fā)生的改變[18]，因?yàn)榄h(huán)孔材相比散孔材，在進(jìn)行水分運(yùn)輸時(shí)容易發(fā)生栓塞和空穴[19]，而散孔材發(fā)生栓塞的概率小于環(huán)孔材[20]。

栓皮櫟木射線(xiàn)十分明顯，肉眼可見(jiàn)。樹(shù)枝、樹(shù)根和樹(shù)干都為同型單列木射線(xiàn)（圖1c、1i），樹(shù)干處有聚合木射線(xiàn)（圖1f），汪師孟等[21]研究結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)有聚合木射線(xiàn)。樹(shù)根徑切面處射線(xiàn)細(xì)胞為異型單列（圖1h）。

栓皮櫟軸向薄壁組織發(fā)達(dá)，樹(shù)枝和樹(shù)干早材處，薄壁細(xì)胞呈現(xiàn)環(huán)管狀(圖1a)，晚材處呈現(xiàn)帶狀（圖1a），樹(shù)根早晚材的薄壁組織均呈現(xiàn)帶狀排列（圖1g）。

圖1 栓皮櫟各部位解剖構(gòu)造Fig.1 Anatomical structure of different parts of Q.variabilis

由表2可知，栓皮櫟次生木質(zhì)部有60%左右的木纖維，在樹(shù)根、樹(shù)干和樹(shù)枝次生，木纖維的組織比量在木質(zhì)部之間存在差異不顯著。在造紙時(shí)，原料的纖維含量越高，其得漿率高，廢雜物少，一般要求木纖維含量達(dá)到50%以上[22]。栓皮櫟各部位纖維比量均大于50%，其中樹(shù)根處的纖維比量最大，占比達(dá)64%以上。各部位的纖維含量均滿(mǎn)足造紙時(shí)纖維含量指標(biāo)。僅從纖維含量來(lái)看，在選擇時(shí)樹(shù)根部位的優(yōu)先級(jí)大于樹(shù)枝和樹(shù)干。對(duì)比我國(guó)目前造紙常用樹(shù)種之一速生楊屬(Populus)，從纖維含量來(lái)看，在楊屬木材中，纖維含量達(dá)63%屬于優(yōu)秀的造紙?jiān)蟍22]。栓皮櫟樹(shù)枝和樹(shù)根的纖維占比與楊屬優(yōu)質(zhì)造紙?jiān)虾坎罹嗪苄?，符合?yōu)質(zhì)造紙?jiān)系幕疽蟆?/p>

表2 栓皮櫟早晚材不同部位組織比量的多重比較Table2 Multiple comparisonsof tissue ratiosin different partsof early and latewood of Q.variabilis

薄壁組織在早材和晚材間的差異均不顯著。薄壁組織分為軸向薄壁組織和射線(xiàn)薄壁組織，兩者相互垂直，在進(jìn)行組織比量的測(cè)定時(shí)，測(cè)定的是軸向薄壁組織。軸向薄壁組織主要執(zhí)行的有轉(zhuǎn)運(yùn)和機(jī)械支撐等作用[23]。通過(guò)對(duì)栓皮櫟各部位早晚材的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，晚材部位薄壁組織占比均高于早材部位，差值接近2倍。早材部位樹(shù)根處薄壁組織比量最大，樹(shù)干處最小；晚材部位中樹(shù)枝處薄壁組織比量最大，樹(shù)根處最小。出現(xiàn)這一差距的原因可能是因?yàn)檩S向薄壁組織和導(dǎo)管、纖維等其他細(xì)胞類(lèi)型在空間分布上存在一定的權(quán)衡關(guān)系[24]。

樹(shù)枝、樹(shù)干和樹(shù)根晚材導(dǎo)管比量差異不顯著，但樹(shù)干早材導(dǎo)管比量與樹(shù)枝和樹(shù)根處呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05），樹(shù)干處早材導(dǎo)管比量明顯大于樹(shù)枝和樹(shù)根2倍左右。各部位木射線(xiàn)的差異呈現(xiàn)不顯著，且早晚材射線(xiàn)比量區(qū)別不大。

2.2 樹(shù)枝和樹(shù)根木纖維尺寸差異

由表3可知，樹(shù)枝樹(shù)根處纖維寬度為13.527、17.062μm，長(zhǎng)寬比均達(dá)60以上，壁腔比為0.51和0.98。除纖維徑腔和長(zhǎng)寬比外，其他指標(biāo)均呈現(xiàn)顯著差異性（P＜0.05）。根據(jù)纖維長(zhǎng)度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，大于1600 μm為長(zhǎng)纖維，900～1600 μm為中等纖維，小于900μm為短纖維[25]，栓皮櫟根材和干材屬于中等纖維，枝材屬于短纖維。從長(zhǎng)寬比來(lái)看，樹(shù)枝和樹(shù)根處長(zhǎng)寬比均達(dá)60以上，屬于細(xì)長(zhǎng)型纖維，符合優(yōu)質(zhì)造紙?jiān)系囊蟆睦w維形態(tài)來(lái)看，栓皮櫟根材和干材符合造紙優(yōu)質(zhì)原料標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，從目前對(duì)使用速生楊屬木材作為造紙?jiān)牧系难芯恐邪l(fā)現(xiàn)，楊屬木材的纖維長(zhǎng)度平均值在1100μm左右，寬度在22.3μm左右，長(zhǎng)寬比的平均值為49.57[26]，與栓皮櫟的樹(shù)枝和樹(shù)根的纖維指標(biāo)做對(duì)比，栓皮櫟的纖維長(zhǎng)度和寬度均低于楊木，但均高于國(guó)際要求的中等纖維長(zhǎng)度，栓皮櫟枝材和根材的長(zhǎng)寬比均高于楊屬木材。

表3 栓皮櫟樹(shù)枝樹(shù)根纖維指標(biāo)多重比較Table 3 Multiple comparison of fiber indexesof branchesand roots of Q.variabilis

2.3 各部位木射線(xiàn)及射線(xiàn)細(xì)胞尺寸差異

由表4可知，樹(shù)根的木射線(xiàn)高度與寬度值為355.739μm和23.917μm，均大于樹(shù)枝和樹(shù)干。高度差異不顯著，但是寬度差異顯著（P＜0.05）。樹(shù)根處射線(xiàn)細(xì)胞高度與寬度值為11.892μm和91.517μm，均大于樹(shù)枝和樹(shù)干處，且各部位射線(xiàn)細(xì)胞寬度呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05）。說(shuō)明樹(shù)根部位的木射線(xiàn)發(fā)達(dá)，高于樹(shù)枝和樹(shù)干。射線(xiàn)細(xì)胞為長(zhǎng)方形的塊狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，細(xì)胞壁高度木質(zhì)化，其形態(tài)結(jié)構(gòu)和表面積小，造成其粘接能力差，造紙時(shí)需要通過(guò)特殊的化學(xué)處理減少其起毛傾向[27]。

表4 栓皮櫟各部位木射線(xiàn)高度與寬度多重比較Table4 Multiple comparison of height and width of wood rays in different partsof Q.variabilis

2.4 各部位導(dǎo)管尺寸差異

由表5可知，早材導(dǎo)管直徑為樹(shù)干＞ 樹(shù)根＞樹(shù)枝，差異顯著（P＜0.05），晚材差異不顯著。樹(shù)干處導(dǎo)管管徑最大，直徑為326.660μm。根據(jù)國(guó)際木材解剖學(xué)會(huì)的導(dǎo)管分子寬度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[28]，樹(shù)枝樹(shù)根處屬于稍大，樹(shù)干處屬于大。在造紙工業(yè)中，導(dǎo)管越大，黏出的可能性就越高，黏出的導(dǎo)管在印刷過(guò)程中會(huì)在印刷毯上聚集，需要不斷清洗，進(jìn)而影響了印刷機(jī)的效率[29]。雖然通過(guò)打漿等方法可以降低導(dǎo)管黏出的可能，但需要控制其游離度，過(guò)度可能造成影響[28,30]，所以在選材時(shí)盡量選擇導(dǎo)管形狀小的原材料。

表5 栓皮櫟早晚材各部位導(dǎo)管直徑多重比較Table 5 Multiple comparison of vessel diameter in different parts of early and late wood of Q.variabilis

3 結(jié)論

栓皮櫟樹(shù)枝是典型環(huán)孔材，早晚材區(qū)別明顯，樹(shù)根呈現(xiàn)半環(huán)孔材特征，早晚材區(qū)別不明顯。栓皮櫟樹(shù)根部位木纖維的長(zhǎng)度、寬度、徑腔、雙壁厚、長(zhǎng)寬比和徑腔比為991.929μm、17.062μm、9.049μm、8.101μm、63.155和0.890，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合造紙材料的要求，可以用于造紙。栓皮櫟的木射線(xiàn)發(fā)達(dá)，根的木射線(xiàn)高度與寬度值為355.739、23.917 μm，均大于樹(shù)枝和樹(shù)根，但是在造紙時(shí)可能會(huì)造成紙張起毛，需特殊處理。栓皮櫟樹(shù)枝、樹(shù)根和樹(shù)干的導(dǎo)管直徑在國(guó)際木材解剖學(xué)會(huì)的分級(jí)里，樹(shù)枝樹(shù)根屬于稍大，樹(shù)干處屬于大，表明枝材和根材進(jìn)行造紙時(shí)，其出現(xiàn)黏出的可能性低于樹(shù)干部位，使用樹(shù)枝和樹(shù)根進(jìn)行制漿，效率可高于樹(shù)干。本研究主要是從解剖特征和纖維形態(tài)方面進(jìn)行研究，具體其是否可用于造紙需要進(jìn)一步進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)的研究。