銀腺楊解剖及理化性能研究*

張新宇 董 陽 王夢蕾 孫照斌**

（1.北京市產品質量監督檢驗研究院，北京 100176；2.河北省林業和草原技術推廣總站，河北 石家莊 050081；3.河北農業大學，河北 保定 071000）

據第九次全國森林資源清查數據可知，我國森林資源總體上呈現數量持續增加，木材供給以人工林為主[1-2]。目前我國人工林面積0.795萬hm2，居世界首位。銀腺楊（Populus alba×P.glandulos）為韓國引進的優良白楊派樹種，干型好，生長速度快，常用于丘陵造林[3]。近幾年大量的研究致力于對銀腺楊的遺傳培育和基因功能研究[4-5]，李愛平等[6]探討了轉SacB基因銀腺楊對林地生物多樣性的影響，鐘珊辰等[7]對基因PagAG2的時空特異性展開研究，進而干預楊樹生殖發育，魯俊倩[8]利用CRISPR/Cas9技術對楊樹基因功能的研究提供技術手段。而銀腺楊的解剖特性對紙張性能和制漿造紙的研究少有報道，僅有的是對其他屬種的楊木進行分析[9-10]。同時木材的化學成分不僅是木材物理力學性質相關理論研究的重要參數，也可為制漿造紙研究提供理論數據。掌握木材基礎材性和解剖性質，了解纖維形態參數，既可為木材性質研究及其加工利用提供理論數據，又可為木材的識別提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 試樣采集

銀腺楊采集于河北省保定市易縣七里亭林場，易縣洪崖山林管局轄區內。樹高30 m，胸徑約45 cm，在樹高1.5 m高度上截取7 cm厚的圓盤和1 m長的短圓材。

1.2 試驗方法

1.2.1 解剖特性

將圓盤通過髓心沿南北方向鋸成2 cm寬的長條，將長條自上而下鋸成兩部分。第Ⅰ部分用來測定纖維壁腔比和組織比量；第Ⅱ部分用來測定纖維的長度和寬度、導管的長度[11]（圖1）。

圖1 試樣鋸截方法

將圓盤上制取的第Ⅰ部分長條制成尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的小木塊。將試樣放入80℃水浴中軟化，用滑走切片機(Lecia SM2010R)制取厚度為16 μm的切片，用1%番紅溶液染色2～4 h，選取一片最好的切片（有一完整年輪、厚度適中的切片），采用網格法和圖像二值化法分別測定組織比量和壁腔比，測量30次后取平均值[12-13]。

將圓盤上制取的第Ⅱ部分長條由髓心沿半徑方向劈出一部分火柴桿大小試件，用30%硝酸和一些氯酸鉀混合液離析。試管放到酒精燈上加熱，一邊加熱一邊振蕩試管，直到試管中出現細小的如發絲狀的物質，將離析液倒出后反復用蒸餾水清洗幾次備用。測定時用膠頭滴管吸取少量溶液擠在載玻片上，然后蓋上蓋玻片，放在10倍物鏡、10倍目鏡的光電投影儀下測定，每個試管中隨機選擇測定30根纖維和30根導管。

1.2.2 物理力學特性

銀腺楊物理、力學性能參照GB/T1932-2009《木材干縮性測定》、GB/T 1933-2009《密度測定》、GB/T 1935-2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》、GB/T1936.1-2009《木材抗彎強度測定》、GB/T1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測定》、GB/T1941-2009《木材硬度試驗方法》。

1.2.3 化學成分測定

銀腺楊化學組分測定參照GB2677.4-1993《造紙原料水抽出物含量的測定》、GB2677.5-1993《造紙原料1%氫氧化鈉抽出物含量的測定》、GB2677.6-1993《造紙原料有機溶劑抽出物含量的測定》、GB2677.8-1994《造紙原料酸不溶木素含量的測定》，纖維素含量測定采用硝酸-乙醇法[9]。

2 結果與討論

2.1 解剖特性

纖維長度長、長寬比大，既有利于提高紙張撕裂度，還有利于紙張抗拉強度、耐破度和耐折度的提高[14-16]。由銀腺楊解剖特性及組織比量測定結果（表1）可知，銀腺楊纖維長度的平均值為1 213.55 μm，變化范圍1 027.04～1 382.24 μm。根據木材解剖分子分級規定[17]，銀腺楊纖維長度為中級。纖維寬度平均值為21.38 μm，變化范圍20.98～22.03 μm，相較于纖維長度，纖維寬度變化趨于平穩。纖維長寬比是纖維的重要指標之一，并與木材的物理性質存在相關關系。銀腺楊的纖維長寬比平均值為56.68，變化范圍為48.62～62.73。研究表明，纖維長寬比大于33就可以很好的進行交織，并且纖維的長寬比越大，紙張的強固性能越好[18]。銀腺楊纖維壁腔比平均值為0.70，變化范圍為0.64～0.75。壁腔比大，纖維越柔韌，可減少纖維打漿時的帚化和崩解，從而增加纖維的沉積數量，增加紙張的強度，也可在一定程度上提高纖維的機械支撐和尺寸穩定性[14]。銀腺楊導管長度變化范圍為417.81～540.96 μm，根據木材解剖分子分級規定[17]，導管長度為中級。組織比量通常包括木纖維比量、木射線比量、導管比量以及軸向薄壁組織比量，楊樹木材的軸向薄壁組織含量極少，測定時幾乎可忽略不計。銀腺楊纖維比量最小值為52.04%(＞50%)，說明銀腺楊適合作為人造板原料[19]。木材組織比量主要研究木材顯微構造分子數量的特征，可同木材材性建立聯系。導管比量和木射線比量變化范圍分別為28.40%～36.04%、11.91%～14.96%。銀腺楊木射線比量低，說明年輪寬度大，年生長率高，栽培時間短。

表1 銀腺楊解剖特性及組織比量測定結果

對比其他木材纖維形態可以看出（表2）[20]，在纖維長度方面：小葉楊＞銀腺楊＞毛白楊＞大關楊＞加楊；在纖維寬度方面：小葉楊＞大關楊＞銀腺楊＞毛白楊＞加楊；在長寬比方面：加楊＞銀腺楊＞毛白楊＞大關楊＞小葉楊；在壁腔比方面：銀腺楊＞小葉楊＞冀北山楊=大關楊＞加楊。與其他木材相比，銀腺楊在纖維長度、長寬比及壁腔比方面上均具有優勢，因此可作為優秀的造紙原料，進行定向選育和生產利用。

表2 銀腺楊與其他木材纖維形態的比較

2.2 物理力學特性

由表3可知，銀腺楊的氣干密度、全干密度、基本密度分別為0.46、0.42、0.38 g/cm3，根據木材材性分級規定[25]，銀腺楊密度等級為輕，研究表明木材用于生產纖維板和紙漿的密度為0.4～0.6 g/cm3較好，因此銀腺楊可用于制漿造紙及纖維板的制備。銀腺楊徑向和弦向的全干干縮率分別為3.65%、7.81%，弦向干縮系數為0.26%，徑向干縮系數為0.12%，弦向全干干縮率為徑向的2.14倍。根據木材材性分級規定，銀腺楊干縮分級為4級，在一定程度上說明了銀腺楊的開裂和扭曲變形較嚴重，尺寸穩定性差，需在原木采伐后應進行適時合理的木材干燥，防止開裂。

表3 銀腺楊物理力學性質測定結果

銀腺楊抗彎強度、抗彎彈性模量分別為81.20 MPa、9.59 GPa，根據木材材性分級規定[25]，銀腺楊抗彎強度和抗彎彈性模量等級均為2級。木材順紋抗壓強度是指沿木材紋理方向承受的最大載荷，其測定過程簡單，并與其他力學強度指標存在著相關關系，銀腺楊順紋抗壓強度為41.37 MPa，等級為2級。木材的綜合強度為順紋抗壓強度和抗彎強度之和，是木材作為承重用材必須考慮的指標，銀腺楊綜合強度為122.57 MPa（等級為中級）。由表4可知，氣干密度與力學性能呈正相關關系，皮爾森相關系數均在0.807以上。木材密度是木材物質數量的體現，因此硬度與密度相關性極高，兩者的皮爾森相關系數均大于0.910。銀腺楊端面硬度為5 337 N，高于弦向及徑向硬度，結果與前人研究相符[26]。當銀腺楊作為結構用材時，可根據不同部位硬度大小進行合理使用。

表4 銀腺楊氣干密度與力學性質的皮爾森相關系數

2.3 化學性能

由表5可知，銀腺楊纖維素含量為50.15%，木質素含量為21.17%。牛敏[27]認為木質素在加工利用過程中（如蒸煮、漂白）需要使用化學藥品，影響制漿得率，因此木素含量的測定是造紙工業重要的分析指標之一。銀腺楊的冷水抽提物含量為2.48%，熱水抽提物含量為3.99%，1%NaOH抽提物含量為16.97%，苯醇抽提物含量為1.96%。抽提物中含有色素、單寧以及果膠質、淀粉、多乳糖等多糖，這些物質的存在會降低木材的抗腐性能，并影響木材的滲透性、涂飾、膠合性能[28]，增加人造板生產過程中的廢水污染及粘板狀況，因此在生產中可添加轉換劑進行改善。

表5 銀腺楊化學成分測定

3 結論

銀腺楊纖維長度和導管長度的分級屬于中級，纖維長寬比平均值為56.68，纖維壁腔比平均值為0.70，纖維比量平均值為54.72 %，說明銀腺楊可以作為制漿造紙及人造板的原料進行定向選育和生產利用。銀腺楊密度等級為輕，弦向干縮系數為0.26%，徑向干縮系數為0.12%，干縮分級為4級，說明銀腺楊容易發生開裂和扭曲變形，應在原木采伐后應進行適時合理的干燥，防止開裂。抗彎強度、順紋抗壓強度、綜合強度材性分級均為2級，當銀腺楊作為結構用材時，可根據不同部位的力學性能進行合理使用；銀腺楊纖維素含量高，抽提物含量低，可減少使用生產過程中的化學藥品，增加制漿造紙過程中的纖維得率。