四倍体与二倍体白花泡桐木材纤维形态及化学成分的差异分析

王晓丹， 邓敏捷， 申林芝， 张晓申， 翟晓巧， 刘艳萍， 范国强

(1.河南农业大学泡桐研究所，河南 郑州 450002； 2.郑州市碧沙岗公园，河南 郑州 450003； 3.郑州农林科研所，河南 郑州 450002； 4.河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008)

四倍体与二倍体白花泡桐木材纤维形态及化学成分的差异分析

王晓丹1， 邓敏捷1， 申林芝2， 张晓申3， 翟晓巧4， 刘艳萍4， 范国强1

(1.河南农业大学泡桐研究所，河南 郑州 450002； 2.郑州市碧沙岗公园，河南 郑州 450003； 3.郑州农林科研所，河南 郑州 450002； 4.河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008)

以7年生四倍体白花泡桐和二倍体白花泡桐为材料，研究了二者木材的纤维形态以及化学成分的差异. 结果表明，四倍体白花泡桐木材纤维长度、宽度、长宽比、壁厚、壁腔比及腔径比随树龄增加以及树高增长的变化趋势与二倍体白花泡桐基本相同，但变化幅度有差异. 四倍体白花泡桐木材的纤维长度、长宽比，纤维壁厚、壁腔比、腔径比均比其二倍体大，而纤维宽度比其二倍体小. 四倍体白花泡桐木材的冷水、热水、1%NaOH、苯-醇抽出物、木质素含量比其二倍体分别减少了4.47%,5.08%,12.24%,43.68%,20.09%；纤维素、综纤维素含量分别增加了3.54%,3.57%. 综合分析认为，四倍体白花泡桐更适宜作为造纸原料.

白花泡桐；四倍体；二倍体；纤维形态；化学成分

植物多倍体具有生物量大、抗逆性强等特点，是植物新品种的主要来源之一. 目前，已有很多多倍体优良新品种在生产中推广应用[1～3]. 泡桐(Paulowniaspp.)是中国重要的速生用材和庭院绿化树种，具有栽培历史悠久、分布广、生长迅速和材质优良等优点[4]，然而生产中存在的丛枝病发生严重和“低干大冠” 品种的成功培育，为泡桐产业的快速发展提供了材料支撑[5～6]. 近年来，翟晓巧等[7]对四倍体泡桐与其二倍体泡桐的物理学性质进行了研究，研究表明不同树龄木材材性差异较大. 7年生四倍体白花泡桐及其二倍体木材纤维形态、物理化学性质稳定，达到工艺成熟期. 因此，本研究对四倍体泡桐的纤维形态、木材化学成分进行了比较分析，以期为四倍体白花泡桐的大面积推广应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1试验材料

试验材料为河南农业大学泡桐研究所培育出的四倍体白花泡桐(TetraploidPaulowniafortunei，PF4)和二倍体白花泡桐(DiploidPaulowniafortunei，PF2)的7年生树木. 栽植地点为许昌市林业技术推广站试验田，造林密度为1 008株·hm-2.

1.2试验方法

1.2.1 木材纤维形态的测定 选取7年生PF4，PF2各3株并对其树干编号，然后分别在树高0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 m处截取5 cm厚圆盘，采用硝酸-铬酸法将试样离析. 测定不同高度圆盘第4年轮以及1.3 m处各年轮的30根纤维长度和宽度及其腔径宽，取其平均值，计算纤维的纤维壁厚、长宽比、壁腔比和腔径比.

1.2.2 木材化学性质的测定 选取PF4，PF2的7年生木材，按照GB/T 2677.1—1993的规定进行样品的采取和制备. 风干后，置入粉碎机中磨成细末，过筛，取能通过40目而不能通过60目筛的细末. 凉至室温后，贮存于1 000 mL具有磨砂玻璃塞的广口瓶中，以供分析使用. 水抽出物、纤维素、1%NaOH抽出物、木质素、苯-醇抽出物、综纤维素分别按照国家标准GB/T 2677.4—1993，GB/T 744—2004，GB/T 2677.5—1993，GB/T 2677.8—1994，GB/T 2677.6—1994，GB/T 2677.10—1995进行测定和计算，3次重复，取其平均值.

1.3数据处理

数据采用EXCEL 2007进行统计分析，并用SPSS 17.0进行差异显著性分析.

2 结果与分析

2.1木材纤维形态的变异

2.1.1 纤维长度的变异 PF4和PF2木材纤维长度随树龄增加以及树高增长变化趋势相同，但变化幅度有差异(图1). 在相应生长轮数及树高处，PF4的纤维长度均大于PF2. 径向变化曲线显示随树龄增加纤维长度呈现持续增长后平稳的趋势，说明了木材从幼龄材到成熟材的过渡过程. PF4，PF2纤维长度径向变化范围分别为695.80～985.48 μm，651.93～900.89 μm，平均值分别为897.38，825.31 μm，PF4纤维长度最大值、最小值均大于PF2，平均值比PF2大8.03%. 轴向变化曲线显示随树高的增加纤维长度呈现先增大至最大值后下降趋于平稳的趋势. PF4及PF2的纤维长度轴向变化范围分别为910.93～1029.32 μm，835.16～969.73 μm，平均值分别为940.53，908.08 μm.

图1 PF4和PF2木材纤维长度的变异Fig.1 Wood fiber length variation of PF4 and PF2

2.1.2 纤维宽度的变异 PF4和PF2木材纤维宽度径向、轴向变异曲线变化趋势相似(图2). 纤维宽度与纤维长度径向变化趋势类似，均随着生长轮数的增加呈现先增大而后逐渐趋于稳定的趋势. PF4及PF2纤维宽度的径向变化范围分别为37.33～41.06 μm，39.33～48.42 μm，平均值分别为39.70，45.78 μm. PF4，PF2木材纤维宽度随树高的增加呈现先减小而后增大又减小的趋势. PF4纤维宽度及PF2的轴向变化范围分别为32.67～40.13 μm，35.50～42.17 μm，平均值分别为36.25，38.85 μm. 在相同生长轮数及树高处PF4木材纤维宽度均小于PF2.

图2 PF4和PF2木材纤维宽度的变异Fig.2 Wood fiber width variation of PF4 and PF2

2.1.3 纤维长宽比的变异 PF4和PF2木材纤维长宽比在径向以及轴向变异曲线变化趋势相似，但在相应生长轮数及树高处PF4长宽比均大于PF2(图3). 纤维长宽比随生长轮数的增加呈现先增大而后逐渐稳定的趋势，与纤维长度、宽度变化曲线变化趋势相似；随树高增高呈现先增大而后下降逐渐稳定的趋势. 在相应生长轮数以及树高处PF4纤维长宽比均大于PF2. PF4，PF2木材纤维长宽比的径向变化范围是分别为18.64～24.48，16.57～18.81，平均值则分别为22.54，17.98；轴向变化范围是分别为22.84～28.08，21.92～24.89，平均值则分别为26.02，23.41.

图3 PF4和PF2木材纤维长宽比的变异Fig.3 Wood fiber aspect ratio variation of PF4 and PF2

2.1.4 纤维壁厚的变异 PF4和PF2纤维壁厚随生长轮数的增加呈现先增大后减小趋于平缓的趋势，随树高的增加呈现先增大后减小又升高的趋势(图4). 二者变化曲线相似，但变化幅度有差异.

图4 PF4和PF2木材纤维壁厚的变异Fig.4 Wood fiber wall thickness variation of PF4 and PF2

在相应生长轮数及树高处PF4的纤维壁厚均大于PF2. 其中PF4纤维壁厚径向变化范围为6.33～7.84 μm，平均值为7.19 μm；PF2纤维壁厚径向变化范围为5.25～6.25 μm，平均值为6.01 μm.PF4纤维壁厚轴向变化范围为4.03～4.82 μm，平均值为4.47 μm；PF2纤维壁厚轴向变化范围为3.04～3.92 μm，平均值为3.61 μm.

2.1.5 纤维壁腔比的变异 PF4和PF2木材纤维壁腔比随生长轮数以及树高的增加呈现的变异趋势相似(图5). 二者变异范围不同，但在相应轮数

图5 PF4和PF2木材壁腔比的变异Fig.5 Wood fiber wall cavity ratio variation of PF4 and PF2

以及树高处PF4的纤维壁腔比均大于PF2. PF4纤维壁腔比随生长轮数增大均呈现先增大至最大值后下降趋于平稳的趋势，径向变化范围为0.20～0.24，平均值为0.22；PF2纤维壁厚径向变异曲线相似，变化范围为0.15～0.17，平均值为0.15.轴向变异均呈现随树高增高木材纤维壁腔比值呈现先增大再减小而后再增大的趋势. 其中PF4纤维壁腔比轴向变化范围为0.12～0.16，平均值为0.14；PF2纤维壁腔比轴向变化范围为0.09～0.11，平均值为0.10.

2.1.6 纤维腔径比的变异 PF4和PF2纤维腔径比随生长轮数、树高的变异范围不大，变化曲线相似(图6).但在相同生长轮数PF4的纤维腔径比均大于PF2. 腔径比径向变异曲线较稳定，说明生长轮数对纤维腔径比的影响不大. PF4，PF2木材纤维腔径比的径向变化范围是分别为0.81～0.83，0.86～0.87，平均值则分别为0.82，0.87. PF4腔径比随树高的增高变化趋势呈下降增高循环波动的状态，PF2白花泡桐木材纤维腔径比均随树高增高变化较平稳. PF4木材腔径比轴向变化范围为0.86～0.91，PF2木材纤维腔径比轴向变化范围为0.90～0.92，平均值则分别为0.88，0.91.

图6 PF4和PF2木材腔径比的变异Fig.6 Wood fiber diameter cavity ratio variation of PF4 and PF2

2.2木材化学性质分析

PF4经PF2染色体加倍后，抽出物(冷水抽提、热水抽提、1%NaOH抽提、苯-醇抽提)以及木质素含量减小，综纤维素、纤维素含量增大(表1). PF4冷水抽出物比PF2减小4.47%；热水抽出物减小5.08%；1%NaOH抽出物减小12.24%；苯-醇抽出物减小43.68%；木质素含量减小20.09%；综纤维素含量增大3.57%；纤维素含量增大3.54%. 经差异显著性分析，PF4，PF2间化学组成均存在显著性差异.

表1 PF4和PF2木材化学组成的比较Table 1 Wood chemical properties of PF4 and PF2

注：不同字母表示显著差异(P<0.05).

Note：Different letters mean significant difference(P<0.05).

3 结论与讨论

本研究结果表明，经PF2染色体加倍后PF4纤维长度、长宽比、壁厚、壁腔比、腔径比均增大，纤维宽度减小，与翟晓巧等[7]的研究结果一致. PF4纤维长度、宽度径向变异范围为695.80～985.48 μm，37.33～41.06 μm，PF2纤维长度、宽度径向变异范围,651.93～900.89 μm，39.33～48.42 μm；PF4纤维长度、宽度轴向变异范围为910.93～1 029.32 μm，32.67～40.13 μm，PF2纤维长度、宽度轴向变异范围为835.16～969.73 μm，35.50～42.17 μm，纤维长度、宽度变异波动幅度径向较轴向大，说明泡桐不同高度纤维形态差异较大，不同轮数纤维形态差异相对较小.

纤维长度大纸张的撕裂度、抗拉强度、耐破度和耐折度高[8]，纤维长宽比大纸张强度高[9]，纤维壁厚度大、壁腔比大、腔径比小，则木材密度高、强度大[10]. 而PF4纤维长度、长宽比、壁厚、壁腔比径向分别比PF2增大8.03%，20.23%，16.41%，31.81%，轴向分别比PF2增大3.45%，10.03%，19.24%，28.57%；PF4腔径比径向比PF2减小6.09%、轴向比PF2减小3.41%，所以PF4与PF2相比更适合作为造纸材料.

良好的造纸用纤维原料要求含纤维素高、木质素少、抽出物含量少[11]，且综纤维素含量高的原料, 纤维之间交织容易，质量较好，成浆得率较高，而木材中水溶性化合物导致木材颜色较深[12]，不利于工业制造.PF4冷水抽出物、热水抽出物、1%NaOH抽出物、苯-醇抽出物、木质素含量比PF2分别减少4.47%，5.08%，12.24%，43.68%，20.09%，纤维素、综纤维素含量比PF2分别增大3.54%，3.57%，且各个指标在PF4及PF2间差异均显著，所以PF4较PF2更适宜作为造纸原料. 综合分析认为，PF4更适合应用于作为造纸原料，进行工业生产，适合大面积推广.

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(责任编辑：蒋国良)

DifferentialanalysisoffibercharacteristicsandchemicalpropertiesbetweentetraploidPaulowniafortuneianditsdiploidWANG Xiao-dan1， DENG Min-jie1， SHEN Lin-zhi2， ZHANG Xiao-shen3，

ZHAI Xiao-qiao4， LIU Yan-ping4， FAN Guo-qiang1

(1.Institute of Paulownia, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002,China; 2.Bishagang Park in Zhengzhou, Zhengzhou 450003,China; 3.Zhengzhou Institute of Agricultural and Forestry Sciences,Zhengzhou 450002,China; 4.Henan Academy of Forestry, Zhengzhou 450008,China)

The difference of fiber characteristics and chemical properties between seven-year tetraploid and its diploidPaulowniafortuneiwere investigated in this paper. The results showed that the trends of wood fiber length, width, fiber aspect ratio, wall thickness, wall cavity ratio and diameter cavity ratio of tetraploidPaulowniafortuneiare basically same with the increase ofPaulowniafortuneitree age and height, but rangeabilities are different. The wood fiber length, fiber aspect ratio, wall thickness, wall cavity ratio and diameter cavity ratio of tetraploidPaulowniafortuneiwere larger than those of the diploid; The fiber width is smaller than that of the diploid. The content of cold water extracts, hot water extracts, 1% NaOH extracts, benzene-alcohol extracts and lignin of tetraploidPaulowniafortuneirespectively decreased by 4.47%, 5.08%, 12.24%, 4.47% and 20.09%; While the content of cellulose and holocellulose of tetraploidPaulowniafortuneicontent increased respectively by 3.54% and 3.57%. Analysis shows that tetraploidPaulowniafortuneiare more suitable as papermaking raw materials.

Paulowniafortunei; tetraploid; diploid; fiber characteristics; chemical properties

S 792.43

：A

2014-01-20

国家自然科学基金项目( U1204309)；中央财政林业科技推广示范项目( GTH[2012]01)

王晓丹，1989年生，女，河南封丘人，硕士研究生，主要从事林木生理生态学方面的研究.

范国强，1964年生，男，河南禹州人，教授，博士生导师.

1000-2340(2014)05-0585-05