栓皮櫟熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素關系1)

張 瑜 彭祚登 汪 力 江麗媛 何寶華

(省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業大學)，北京，100083)

栓皮櫟(Quercus variabilis)在我國分布范圍較廣，是重要的用材樹種，果實、殼斗、種仁等可作飼料及釀酒。栓皮櫟熱值高，燃燒性能好，是能源林研究的重要內容[1]。

國外學者對于植物熱值的研究較早，1934年Long[2]首先測定了向日葵不同部位葉片熱值，1960年Golley[3－4]應用氧彈式熱量計測定了從熱帶雨林至極地泰加林主要植物群落中優勢植物種類的平均熱值，同時 Bliss和 Olson[5－6]也進行了大量的能量研究，從單一個體到植物群落熱值動態變化規律，再到熱值的測定方法。20世紀80年代以后的研究集中在熱值的動態變化，并延伸到能量動態、能量固定、能量轉移效率等方面。我國關于熱值方面的研究在20世紀80年代才開始[7]。早期的研究側重于熱值的季節變化、植物器官的熱值差異、灰分質量分數對熱值的影響等[8－9]。目前，植物熱值的研究呈多樣化發展，研究對象包括草原植物、水稻，以及針葉林和竹類等，從器官、個體的角度出發，包括森林生態系統、植物體器官間、種間、科間、群落熱值差異性、熱值的時空變化動態、影響熱值大小的因素等[10－14]。苯—乙醇抽出物的研究主要應用在防火樹種的研究領域以及紙漿工程[15－17]，而半纖維素的研究較為廣泛，包括半纖維素對于紙漿質量的影響，半纖維素提取技術等[18－19]。趙廷寧[20]等對黃土高原地區主要木本植物的熱值和化學成分進行了測定，認為植物熱值與苯—乙醇抽出物和木質素質量分數呈二元線性關系，苯—乙醇抽出物質量分數對熱值的影響要比木質素大。庫麗霞[21]、岳建芝[22]等各自對玉米秸稈主要成分及熱值進行研究，均認為熱值與纖維素、木質素質量分數呈正相關，且達到了極顯著水平;熱值與半纖維素質量分數呈正相關，但沒有達到顯著水平。對于重要能源樹種栓皮櫟，有關熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素質量分數關系的研究還未見報道。

1 材料與方法

1.1 材料

栓皮櫟樣品采集于北京林業大學實驗林場。取樣地地理坐標為 N39°54'，E116°28'，屬華北大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，冬季干燥寒冷，植被屬于溫帶落葉林帶的山地櫟林和油松林帶。2006年采集的6個樹齡栓皮櫟樣品均在相同立地條件下，每2個相鄰樹齡之間相隔約8 a。4個采集部位分別為枝、皮、干、葉，采集后樣品帶回實驗室烘干粉碎以備用。

1.2 指標測定

熱值測定:采用美國PARR6300氧彈量熱儀測定熱值，得到被測試樣的干質量熱值。去灰分熱值=干質量熱值/(1－灰分質量分數)。灰分質量分數的測定用干灰化法，即550℃恒質量法，樣品放入坩堝中，加蓋隔絕空氣，在馬弗爐550℃下灰化6 h，測定其灰分質量分數。

苯—乙醇抽出物測定:根據國家標準 GB/T 2677.6—1994規定的造紙原料苯—乙醇抽出物測定方法，使用體積比為2∶1的苯和乙醇，通過索氏提取器提取，直接通過測定烘干抽提物質量測得。

半纖維素測定:根據國家標準GB/T 745—1989《紙漿聚戊糖質量分數的測定方法(溴化法)》將試樣與12%的鹽酸共沸，使試樣轉化為糠醛，用溴化法測定糠醛質量分數，然后換算成聚戊糖質量分數，進而計算半纖維素質量分數。

1.3 數據處理方法

利用SPSS18.0統計分析軟件，對栓皮櫟不同器官干質量熱值、去灰分熱值、苯—乙醇抽出物及半纖維素進行差異性比較分析。以年齡作為控制變量，采用偏相關分析方法，分析栓皮櫟苯—乙醇抽出物、半纖維素與干質量熱值和去灰分熱值的相關性。

2 結果與分析

2.1 栓皮櫟熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素變化

2.1.1 栓皮櫟熱值隨樹齡的變化

隨著樹齡的變化，熱值在生產中有著重要的應用，特別是對于能源林的作用更為突出。結合樹種材積生長表，研究樹種熱值隨年齡的變化趨勢，是確定能源林樹木采伐利用的重要依據。研究數據表明，栓皮櫟6個樹齡的干質量熱值變化表現為皮的干質量熱值隨著年齡的增加而增加，干的干質量熱值隨著年齡的增加呈現先增加后降低的趨勢，生長至24 a，熱值開始下降[23]。葉的干質量熱值變化較為平緩。枝的干質量熱值總體上表現為先增加后降低的趨勢，生長至39 a熱值開始下降。栓皮櫟6個樹齡的去灰分熱值的變化趨勢與干質量熱值的變化趨勢相一致(見表1、表2)。

表1 栓皮櫟不同器官的干質量熱值

表2 栓皮櫟不同器官去灰分熱值

2.1.2 苯—乙醇抽出物質量分數隨樹齡的變化

栓皮櫟苯—乙醇抽出物中主要含有樹脂、蠟質、脂肪酸等芳香族化合物和碳氫化合物。魯順保[24]等對厚壁毛竹的主要化學成分及熱值研究得出:苯—乙醇抽出物是造紙工業的一塊絆腳石，降低了紙漿的得率，增加制漿藥液的消耗。因此對于紙漿用材林樹種，苯—乙醇抽出物的研究有利于更好地利用木材原料，提高用材率。本研究中6個樹齡栓皮櫟4個器官的苯—乙醇抽出物質量分數變化為:葉的苯—乙醇抽出物質量分數總體上是增加的趨勢，皮和枝的苯—乙醇抽出物質量分數表現出先增加后降低，干的苯—乙醇抽出物質量分數變化幅度較其它部位平緩，變化幅度較小(如表3)。葉的苯—乙醇抽出物質量分數最高，為11.51%;干的苯—乙醇抽出物質量分數最低，為2.8%。32 a時，栓皮櫟不同部位苯—乙醇抽出物總和最低，利于紙漿生產。栓皮櫟樹種24 a時，苯—乙醇抽出物質量分數最高，枝、皮、干、葉質量分數的均值達6.91%，此時的熱值相對較高，對于能源林的生產有一定的指導意義。

2.1.3 半纖維素質量分數隨樹齡的變化

半纖維素水解成多種單糖，其中有五碳糖和六碳糖，聚戊糖是指半纖維素中五碳糖組成的高聚物的總稱。半纖維素在造紙過程中與纖維素之間形成結合，提高了造紙強度，有效地利用植物體半纖維素能夠提高造紙質量。不同樹齡栓皮櫟半纖維素(聚戊糖)質量分數變化較為復雜(見表4)，樹齡小于24 a的樹種半纖維素質量分數為干＞枝＞皮＞葉，隨著樹齡的增加，皮、干的半纖維素質量分數下降，枝、葉半纖維素質量分數增加。

表3 栓皮櫟不同器官苯—乙醇抽出物質量分數

表4 栓皮櫟不同器官半纖維素質量分數

2.2 不同器官熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素差異性分析

對栓皮櫟6個樹齡4個器官干質量熱值、去灰分熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素質量分數進行差異性分析。結果見表5。可看出，栓皮櫟干、皮、枝、葉的干質量熱值、去灰分熱值、苯—乙醇抽出物和半纖維素質量分數均具有極顯著差異(P＜0.01)。

表5 不同器官熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素方差分析

對栓皮櫟6個樹齡不同器官干質量熱值、去灰分熱值、苯—乙醇抽出物和半纖維素質量分數進行多重比較，統計結果見表6。

不同器官干質量熱值與去灰分熱值統計結果大體一致，表現為:皮＞葉＞枝＞干，這與王立海等[25]對植物器官熱值的研究結果相同。苯—乙醇抽出物質量分數為:葉＞皮＞枝＞干，半纖維素質量分數為:干＞枝＞葉＞皮。

表6 不同器官熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素多重比較

2.3 栓皮櫟熱值與苯—乙醇抽出物、半纖維素相關性分析

對栓皮櫟樹枝、樹皮、樹干、樹葉4個部位干質量熱值、去灰分熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素質量分數的關系進行相關性分析。結果見表7、表8。可以得出:栓皮櫟干、皮、葉的苯—乙醇抽出物與半纖維素之間呈現不顯著負相關，枝的苯—乙醇抽出物與半纖維素呈不顯著正相關;栓皮櫟干、枝、皮的苯—乙醇抽出物與干質量熱值之間均呈現不顯著正相關，而葉的苯—乙醇抽出物與干質量熱值呈不顯著負相關;干、皮的半纖維素與干質量熱值間呈現不顯著負相關，枝與葉的半纖維素與干質量熱值呈現不顯著正相關。總體上不同器官栓皮櫟苯—乙醇抽出物、半纖維素與干質量熱值的相關性均未達到顯著水平。

栓皮櫟的干、枝、皮的苯—乙醇抽出物與去灰分熱值均呈現不顯著正相關，而葉的苯—乙醇抽出物與去灰分熱值呈不顯著負相關;干、葉、皮的半纖維素與去灰分熱值間呈現不顯著負相關，而枝的半纖維素質量分數與去灰分熱值呈顯著正相關。

通過不同器官苯—乙醇抽出物、半纖維素與熱值的相關性分析表明，苯—乙醇抽出物與干質量熱值、去灰分熱值相關性規律一致，且均未達到顯著水平;總體上半纖維素與干質量熱值和去灰分熱值相關性也不顯著，但是枝的半纖維素質量分數與去灰分熱值的相關性達到顯著水平。

表7 不同器官干質量熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素相關性統計

表8 不同器官去灰分熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素相關性統計

3 討論

本研究結果對栓皮櫟能源林的經營具有一定的指導作用，熱值與苯乙醇抽出物呈正相關，可以參考苯—乙醇抽出物質量分數較高的年齡段時進行采伐。通過數據分析可以得出24年生栓皮櫟樹種的苯—乙醇抽出物質量分數最高，均值達6.91%，此時的干質量熱值均值為19.06 kJ·g－1，去灰分熱值均值為 19.86 kJ·g－1。

本研究結果與庫麗霞、岳建芝等[21－22]研究結果基本一致，即半纖維素質量分數對熱值的高低沒有明顯的影響，與趙延寧[7]得出的苯—乙醇抽出物和木質素是高熱值物質，對熱值的影響顯著的結論存在差異。

對于熱值的研究還需要綜合考慮其他因素，例如木質素、灰分、碳質量分數、丹寧質量分數等，在熱值領域尋找其他的探索與嘗試，綜合分析生理、生態等因素，對植物熱值做出更全面更科學的解釋還需要更深入的研究。

4 結論

栓皮櫟6個樹齡的干質量熱值變化表現為皮的干質量熱值隨著年齡的增加而增加，干的干質量熱值隨著年齡的增加呈現先增加后降低的趨勢，生長至24 a，熱值開始下降。去灰分熱值與干質量熱值變化規律相一致。苯—乙醇抽出物質量分數變化為:葉的苯—乙醇抽出物質量分數總體上是增加的趨勢，皮和枝的苯—乙醇抽出物質量分數表現出先增加后降低，干的苯—乙醇抽出物質量分數變化幅度較其它部位平緩，變化幅度較小。不同樹齡栓皮櫟半纖維素(聚戊糖)質量分數變化較為復雜。

栓皮櫟干、皮、枝、葉的干質量熱值，去灰分熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素均具有極顯著差異(P＜0.01)。栓皮櫟干質量熱值和去灰分熱值總體上均表現為:皮＞葉＞枝＞干;苯—乙醇抽出物與半纖維素質量分數分別表現為:葉＞皮＞枝＞干，干＞枝＞葉＞皮。

總體上栓皮櫟苯醇抽出物與半纖維素之間呈不顯著負相關，不同器官苯—乙醇抽出物質量分數與干質量熱值、去灰分熱值呈不顯著正相關，干、皮的半纖維素與干質量熱值和去灰分熱值均呈不顯著負相關，葉的半纖維素與干質量熱值呈不顯著正相關與去灰分熱值成不顯著負相關，枝半纖維素與干質量熱值、去灰分熱值分別呈不顯著正相關和顯著正相關。

栓皮櫟樹種24 a時苯—乙醇抽出物質量分數最高，各器官質量分數的均值達6.91%，此時的熱值相對較高。

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