引種美國紅橡的纖維形態、 微纖絲角及結晶度

李聰聰， 潘 彪， 王 慧， 黃利斌

（1. 南京林業大學 材料科學與工程學院， 江蘇 南京210037； 2. 江蘇省林業科學研究院， 江蘇 南京

211153）

木材作為環境友好型的綠色原材料， 是國民經濟發展的基礎材料。 為堅持生態發展戰略， 中國林業相關部門啟動了一批重點生態工程， 在天然林保護的同時， 大力發展人工林種植。 隨著國內民眾生態意識的增強和國家森林保護力度的加大， 木材剛性需求增加， 木材的對外依賴度達到了近50%。 據測算，到2020 年， 中國木材年需求量將達到8 億m3， 對大徑材和珍貴樹種用材需求也會大幅增加［1］。 引進國外優良樹種是提高林業生產力、 填補國內名特優新經濟林、 滿足人們對林產品需求的有效途徑， 對于在短期內實現有效供給、 緩解木材及林產品的供需矛盾， 實現可持續發展， 具有十分重要的意義。 中國土壤氣候條件與北美相似， 引種美國紅橡樹種具有得天獨厚的優勢。 引種樹種能在短時間內增加當地的植物種類， 樹種的合理布局和應用， 對彌補優質用材資源不足有重要意義。 橡樹又稱櫟樹， 是殼斗科Fagaceae 櫟屬Quercus樹種的統稱， 用途廣泛， 材質優異， 是優質商品材和燃料的重要來源［2］。 中國自1998 年開展北美櫟樹種質資源引種與栽培研究， 對引種試驗、 引種樹苗抗逆性［3］研究較多， 為櫟類樹種引進開發利用提供了理論基礎。 纖維形態特征與木材生長狀況以及強度、 密度以及物理、 力學性質有密切關系， 可用來進行木材的材性預測。 微纖絲角在一定程度上可以反映木材的物理和力學性質， 如木材的尺寸穩定性、 干縮濕脹及彈性模量、 強度和蠕變特性等， 是評價木材品質性能和良種選育的重要依據［4］。 木材的結晶度與木材密度、 強度、 尺寸穩定性存在著正相關關系［5］， 研究結晶度有助于了解木材解剖結構與其性質之間聯系。 本研究以納塔櫟Quercus nuttallii、 水櫟Quercus nigra和舒瑪櫟Quercus shumardii為對象， 比較了3 種美國紅橡纖維形態、 微纖絲角和結晶度的異同， 以期為引種櫟木的科學利用提供理論依據， 為更大范圍引種栽培提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

根據GB/T 1927-2009《木材物理力學試材采集方法》采集試樣［6］。 選取14 年生納塔櫟、 水櫟、 舒瑪櫟各4 株； 其中納塔櫟、 水櫟采自江蘇省林業科學研究院句容苗圃（年平均氣溫為15.2 ℃， 年降水量為1 058.8 mm）。 納塔櫟平均樹高為8.48 m， 平均胸徑為19.28 cm； 水櫟平均樹高為10.68 m， 平均胸徑為15.38 cm； 舒瑪櫟采自于南京彩樹種植有限公司江寧區種植基地（年平均氣溫為15.4 ℃， 年降水量為1 200.0 mm）， 平均樹高為11.70 m， 平均胸徑為15.20 cm。

1.2 實驗方法

1.2.1 木材纖維形態測定 將樣木自胸高處圓盤鋸解， 立即沿南北向自髓心向外逐年切取樣塊并依次編號， 由于第1， 2 年輪寬度較窄， 合并為1 個樣品。 將各標號木塊切成火柴棍大小， 每個年輪制4 組平行樣。 用富蘭克林離析法［7］離析細胞， 制成臨時切片， 置于普通光學顯微鏡下； 隨機測量50 個細胞長度、 寬度和腔徑， 計算雙壁厚、 壁腔比。 結果取平均數。

1.2.2 木材微纖絲角測定 將3 種樣木按1.2.1 制成厚度約為2 mm 的試樣， 采用Ultima IV 組合型多功能水平X-射線衍射儀（XRD）按Cave 0.6T 法［8］測量試材微纖絲角。 結果取平均數。

1.2.3 木材結晶度測定 將3 種樣木按1.2.1 制成火柴棍大小試樣， 磨成80～100 目木粉， 室溫下壓成薄片后測定木材結晶度， 同時分析木材2θ 衍射強度曲線。 計算結果取平均數。 木材纖維的衍射強度在2θ=22°是極大值， 其積分強度用I002表示； 在2θ=18°附近出現波谷， 是木材纖維中無定形區衍射的散射強度， 其積分強度用Iam表示。 相對結晶度（ICr）公式［9］如下：ICr=100×（I002-Iam）/I002。

1.2.4 數據處理 試驗數據采用Excel 2013 進行方差分析及回歸分析， Origin 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 纖維形態

由表1 可知： 納塔櫟纖維長度徑向變化范圍為1 032.46～1 255.46 μm， 平均值為（1 172.14±86.88）μm； 水櫟纖維長度徑向變化范圍為1 018.04～1 281.27 μm， 平均值為（1 178.68±95.54） μm； 舒瑪櫟纖維長度徑向變化范圍為1 010.34～1 292.56 μm， 平均值為（1 162.45±112.67） μm。 其中， 舒瑪櫟的平均纖維長度最短， 納塔櫟和水櫟之間差異較小， 三者櫟木纖維長度種間不具有顯著差異（P＞0.05）。 按照國際木材解剖學家協會理事會發布的纖維長度分級標準（＜0.9 mm 的屬于短纖維， 0.9～1.6 mm 的屬于中等纖維， ＞1.6 mm 的屬于長纖維）， 3 種櫟木纖維均屬于中等纖維， 大于62 年生蒙古櫟Q. mongolica纖維平均長度（1 001.20 μm）［10］， 與40 年生歐洲栓皮櫟Q. suber（960.00～1 220.00 μm）［11］、 33 年生冬青櫟Q. ilex（1 103.00 μm）及24 年生深紅櫟Q. coccifera纖維平均長度（1 116.00 μm）相近［12］。 由圖1A可見： 3 種櫟木纖維長度從髓心至樹皮方向總體呈上升趨勢， 但徑向變化尚未趨于穩定， 說明樹木仍處于幼齡期。

3 種櫟木纖維寬度為14.14～18.51 μm， 舒瑪櫟纖維寬度最大（16.91 μm±1.20 μm）， 水櫟（16.56 μm±0.70 μm）和納塔櫟（15.86 μm±1.11 μm）略小， 變異系數均小于10%， 變異較小。 纖維寬度種間差異不顯著（P＞0.05）。 3 種櫟木纖維寬度均小于40 年生歐洲栓皮櫟（18.40～21.49 μm）。 由圖1B 可知： 3 種櫟木纖維寬度的徑向變化均隨生長輪增加而增加， 但存在著一定的波動。

纖維雙壁厚是木材質量、 基本密度和強度的物質基礎［13］， 受生態環境條件和氣候因子的影響較大［14］。研究發現： 水櫟雙壁厚最大（11.19 μm±0.54 μm）， 納塔櫟（10.23 μm±0.91 μm）和舒瑪櫟（10.96 μm±1.03 μm）略小， 3 種櫟木雙壁厚種間具有顯著差異（P＜0.05）。 由圖1C 可知： 隨生長輪增加， 3 種櫟木纖維雙壁厚徑向均呈增長趨勢。 較其他2 種櫟， 水櫟更易受生態環境條件和氣候因子影響， 因而纖維雙壁厚變化波動也較大。

纖維壁腔比是纖維雙壁厚與纖維胞腔直徑的比值， 是衡量木材纖維強度的重要指標。 纖維壁腔比越小， 則木材密度越大， 材質越堅硬［15］。 木材纖維工業原料中通常要求纖維為中級長度（900.00～1 600.00 μm）， 長寬比不低于35， 壁腔比小于1［16］。 本研究發現： 3 種櫟木壁腔比為1.55～2.44， 水櫟壁腔比平均值最大（2.10±0.23）， 納塔櫟（1.85±0.26）和舒瑪櫟（1.91±0.16）略低， 纖維壁腔比種間具有顯著差異（P＜0.05）。 3 種櫟木壁腔比均大于1， 未達到纖維工業原料要求。 從髓心向外， 3 種櫟木壁腔比徑向均略微上升， 在一定范圍內存在波動（圖1D）。

表1 纖維形態的比較分析Table 1 Comparative analysis of fiber morphology

2.2 微纖絲角

微纖絲角是影響木材強度的主要因素， 通常作為材質評定及早期良種選育的重要指標。 本研究發現： 納塔櫟微纖絲角徑向變化范圍為30.02°～38.73°， 平均值為33.79°。 水櫟為26.12°～33.52°， 平均值為30.48°。 舒瑪櫟為37.65°～30.93°， 平均值為34.10°。 3 種櫟木微纖絲角大小依次為舒瑪櫟（34.10°）、 納塔櫟（33.79°）和水櫟（30.48°）， 微纖絲角種間具有極顯著差異（P＜0.01）。 3 種櫟木微纖絲角平均值為32.79°， 略大于采用細胞壁高分辨率顯微照片測定的夏櫟Q. robur（22°～31.6°）［17］的微纖絲角， 可能與櫟木未達到成熟狀態有關， 也可能是因為測量方法不同， XRD 法測量時采用的是細胞壁各壁層微纖絲角平均值。

從圖2 可以看出： 3 種櫟木微纖絲角隨生長輪增加總體呈下降趨勢。 原因可能是試材越靠近髓心，樹木年齡越小， 形成層原始細胞產生的子細胞胞壁就越薄， 各層的平均微纖絲角就越大［18］。

圖1 纖維形態隨生長輪的徑向變化規律Figure 1 Radial variation of fiber morphology and growth ring from pith to bark

2.3 結晶度

圖2 微纖絲角隨生長輪的徑向變化規律Figure 2 Radial variation of microfibril angle and growth ring from pith to bark

圖3 結晶度隨生長輪的徑向變化規律Figure 3 Radial variation of the crystallinity and growth ring from pith to bark

納塔櫟結晶度徑向變化范圍為50.07%～52.52%， 平均值為51.35%。 水櫟結晶度徑向變化范圍為51.45%～55.47%， 平均值為53.30%。 舒瑪櫟結晶度徑向變化范圍為51.23%～53.83%， 平均值為52.97%。結晶度大小依次為水櫟（53.30%）、 舒瑪櫟（52.97%）和納塔櫟（51.35%）， 均大于加拿大櫟Q. canariensis（38.93%）［19］， 3 種櫟木種間具有極顯著差異（P＜0.01）。 納塔櫟、 水櫟和舒瑪櫟結晶度的變異系數分別為1.63%、 2.80%和1.43%， 變異較小。 如圖3 所示： 結晶度隨生長輪增加總體呈上升趨勢， 還未處于平穩狀態， 可能與其處于生長時期有關。 結晶度徑向變化趨勢與其他學者研究一致： 在樹木生長初期形成層細胞分裂速度較快， 結晶度較小， 隨著樹齡的增加， 結晶度也逐漸增大最后趨于穩定［20］。

2.4 預測模型

纖維形態、 微纖絲角與生長輪間關系密切。 對生長輪與纖維形態、 微纖絲角進行擬合分析， 建立適當的模型， 對人工林材質早期預測及林木的定向培育、 優化利用具有十分重要理論意義和應用價值。 以生長輪為自變量（x）， 纖維長度、 纖維寬度、 纖維雙壁厚、 微纖絲角分別為因變量（y）， 進行回歸擬合。

如表2 所示： 3 種引種櫟木纖維長度與生長輪的關系與2 次曲線擬合度較好， 相關系數（R2）均在0.900 以上， 回歸效果理想， 與大多數研究結果一致［21］， 符合生物學生長規律。 3 種引種櫟木纖維寬度與生長輪的3 次曲線擬合度高， 其中舒瑪櫟擬合效果最佳， 相關系數達到0.960。 納塔櫟和舒瑪櫟纖維雙壁厚與生長輪的2 次曲線有較好的擬合關系， 水櫟纖維雙壁厚與生長輪的3 次曲線擬合關系較好， 其中舒瑪櫟擬合效果最佳， 相關系數達到0.972。 納塔櫟微纖絲角與生長輪的關系與對數函數有較好的擬合， 水櫟及舒瑪櫟與2 次曲線有較好的擬合， 其中水櫟擬合效果最佳， 相關系數為0.748。

表2 纖維形態、 微纖絲角與生長輪的回歸分析Table 2 Regression analysis of fiber morphology, microfibril angle, and growth ring

3 結論

對納塔櫟、 水櫟和舒瑪櫟纖維形態測量得知： 3 種引種櫟木纖維長度為1 010.34～1 292.56 μm， 纖維寬度為為14.14～18.51 μm， 纖維長度、 寬度種間不具有顯著差異（P＞0.05）， 其徑向變化均為從髓心至樹皮方向呈上升趨勢， 但徑向變化尚未趨于穩定； 3 種櫟木纖維雙壁厚為8.77～12.34 μm， 壁腔比為1.55～2.44， 纖維雙壁厚、 壁腔比種間具有顯著差異（P＜0.05）， 其徑向變化均為從髓心至樹皮方向略微上升， 在一定范圍內存在波動。

3 種櫟木中舒瑪櫟微纖絲角最大（34.10°）， 納塔櫟（33.79°）和水櫟（30.48°）略小， 微纖絲角種間具有極顯著差異（P＜0.01）。 徑向變化為微纖絲角隨著生長輪增加而降低； 結晶度大小依次為水櫟（53.30%）、 舒瑪櫟（52.97%）和納塔櫟（51.35%）， 結晶度種間具有極顯著差異（P＜0.01）， 徑向變化為結晶度隨生長輪增加總體呈平緩上升趨勢。

對生長輪與各指標進行擬合分析發現： 3 種櫟木纖維長度與生長輪關系用2 次曲線擬合效果理想，相關系數均在0.900 以上。 纖維寬度與生長輪關系： 舒瑪櫟用3 次曲線擬合效果理想， 相關系數在0.900 以上。 雙壁厚與生長輪的關系： 舒瑪櫟用2 次曲線擬合效果理想， 相關系數在0.900 以上。 微纖絲角與生長輪的關系： 水櫟用2 次曲線擬合效果較好， 相關系數在0.700 以上。

由此認為： 14 年生引種美國紅橡仍處于幼齡期， 纖維形態、 微纖絲角與結晶度徑向變化趨勢尚未趨于穩定。