褐腐对白杨木材固碳量的影响规律及机理

徐华东，狄亚楠，邢 涛，徐 群

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

固碳是指增加除大气之外的碳库的碳含量的措施，包括物理固碳和生物固碳。其中，生物固碳的主要方式之一是森林固碳，它是利用树木的光合作用，提高生态系统的碳吸收和储存能力。虽然树干的含碳率低于树木的其他组织器官[1]，但树干是树木的主要组成部分，约占立木体积的50%～90%，是树木中碳素储存最多的寄存体和木材的主要来源。因此树干仍是森林固碳的主体[2]。木材的主要构成元素为：C、H 和O，其中C 元素占50%。因此，木材是一个巨大的碳库，是一种绿色、可再生的生态型材料，在国家的固碳减排战略中发挥着重要作用。

木材中的碳通常会经历碳吸收-碳排放-碳储存-碳排放等循环过程，因此研究固碳就是要研究如何增加木材碳吸收能力、减少碳排放量和延长碳储存时间。现有对碳吸收的研究主要集中在人工林培育和碳储量评估等方面[3-5]，刘灵确定樟子松家系中比平均树干碳储量高出36.89%的K70 和A64 入选为优良家系[6]。陈炜、何兴元等使用开顶箱模拟试验，从而预测CO2浓度倍增对城市银杏光合固碳释氧能力的影响[7]；关于减少碳排放量和延长碳储存时间的研究主要集中在木材防火、防腐与防虫、减排方法和碳排放量评价方面。孟东伟等人研制水性浸注木材防火剂，使防火木材密度提升50%，防火性能满足指标且白蚁在其中存活率极低[8]。Zeng 提出通过收集死树或活树，深埋于土壤之下，制造厌氧状态阻止被埋木材的分解，以形成一个有效的碳汇[9]，Knauf 提出采用多层次碳排放估测方法以满足多领域碳排放量估测[10]。腐朽是木材碳排放的主要途径之一[11]，会导致大量碳释放，缩短木材的使用寿命。现有对腐朽的研究多集中在木材无损检测和腐朽对木材理化性质的影响等方面[12-15]。但关于腐朽对木材碳排放的影响鲜有报道，且不曾量化表征。

本文以白杨木材为研究对象，对其进行褐腐菌侵染，测定不同褐腐阶段白杨试样的固碳量，研究褐腐过程中木材内部固碳量变化规律；进而通过分析腐朽过程中试样化学成分的变化，深入探究固碳量产生变化的内在原因，为木材固碳减排及木材防腐提供基础数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

选用白杨Populus alba木材，气干状态下加工为20 mm×20 mm×30 mm 的标准试样，共42 个。试验所用菌种为密粘褶菌Gloeophyllum trabeum，简称G.t），属于褐腐菌。腐朽办法参照国家标准《木材耐久性能第一部分:天然耐腐性实验室试验方法》（GB/T13942.1—2009），饲木也为白杨木材，尺寸为20 mm×20 mm×5 mm。试验设备有BS210 分析天平（精确0.000 1 g）、烘干箱、高温高压灭菌锅、无菌工作台、恒温恒湿培养箱和德国耶拿公司multi N/C 2011s 型号碳氮分析仪。

1.2 试验方法

1.2.1 腐朽试验

首先培养褐腐菌，然后制作培养基并接种褐腐菌，最后接种白杨试件进行为期90 d 的褐腐培养试验，期间每隔15 d 取样测试一次。

将褐腐菌菌块接种至麦芽糖琼脂培养基，7 d后待菌丝布满培养基表面方可使用。木材试件培养所需培养基为河沙培养基，其制作方法参照木材天然耐腐性实验室试验方法。依据国标，配置培养基所需20～30 目的干净河沙和锯屑（白杨）及玉米粉若干份，每份搅拌充分后，倒入500 mL锥形瓶中铺平备用；再制备一定比例营养液，将其均匀洒入备用的锥形瓶中；然后，每瓶放入4 个饲木，在121 ℃、0.14 MPa 高温高压下灭菌1.5 h，待其冷却至室温后接入直径为5 mm 的褐腐菌菌饼，放入恒温恒湿箱中培养10 d。所有接种环节均在无菌工作台上进行。

下一步进行木材试件接种。将试件在105℃烘干至恒重，称重记录腐朽前初始质量w1。用纱布包好放入灭菌锅121 ℃灭菌1.5 h，冷却后放入培养好的河沙培养基中进行培养。以15 d 为一个周期（为期90 d），每个周期结束，取出6 个试样，刮净菌丝和杂质后烘干至恒质量，称质量并记录腐朽后干质量为w2。计算试样腐朽前后质量损失率WL，以百分数表示，见式（1）。

1.2.2 固碳量测定

由于木腐菌也是生物体，其主要元素包含碳元素，因此在固碳量检测之前，需要根据造纸原料水抽出物含量的测定标准GB/T2677.4—93，对试样进行水提预处理，以减少菌丝对固碳量测定的干扰。将预处理之后的木材腐朽试样再次打粉研磨，过200 目筛，制得木材固碳量测定样品。使用碳氮分析仪，在1 100 ℃对试样逐一进行高温灼烧，通过软件得出样品中绝对固碳量（固碳量实测值）。为了使腐朽后木材内部固碳量与腐朽前的固碳量具有可比性，引入相对固碳量定义。相对固碳量通过式（2）计算。

式中：R为相对固碳量，mg/g；A为绝对固碳量，mg/g；WL为质量损失率，%。

1.2.3 化学成分测定

将各阶段木材腐朽试样分别进行打粉处理后过40～60 目筛，制得化学成分测定样品。根据国家标准GB/T 2677.2—2011、GB/T 10741—2008、GB/T 2677.8—94、GB/T 2677.10—1995、GB/T 744—2004，测定木材样品水分、苯醇抽提物含量、酸不溶木素含量、综纤维素含量及α-纤维素含量。其中测定α-纤维素时，质量分数17.5%的NaOH消解的是半纤维素，因而利用综纤维素及α-纤维素二者之差估算半纤维素数据。

2 结果与分析

2.1 褐腐对白杨木材固碳量的影响

不同褐腐处理时长下白杨固碳量的测定结果如表1所示。由表1可知，随着腐朽时间的增长，绝对固碳量小幅增大，而相对含量逐渐下降，其损失率呈显著增长趋势。在90 d 的试验周期里，绝对固碳量由406.1 mg/g 小幅增长至437.8 mg/g。这与我们的预期结果是相反的，因为木材腐朽的过程即为固定在其中的碳释放的过程，固碳量理论上应该呈现下降的规律。根据公式（2），由绝对固碳量计算得出相对固碳量，即腐朽后固碳量在腐朽前质量中的单位固碳量，其值由406.1 mg/g逐渐下降至246.2 mg/g，这与理论规律是一致的。这一变化趋势同样能从固碳量损失率中清楚地反映出来，经90 d 褐腐处理后，固碳量损失率高达39.37%。并且，褐腐时间与相对固碳量的皮尔森相关系数，r=-0.933 表明两者呈显著负相关。

图1为固碳量绝对值和相对值随褐腐时间变化的折线图。由图1和表1可知，相对固碳量在褐腐中期（30～45 d），损失率下降最快，平均每天变化速率为1.77%/d；而在褐腐前期（0～30 d）和后期（45～90 d），损失率变化较为平缓，分别为0.12%/d 和和0.18%/d。而绝对固碳量的增幅则一直比较均匀和平缓，平均每天的上升速率约为0.04%/d。上述结果表明，褐腐时间对白杨木材固碳量具有显著影响，这一影响在褐腐中期（30～45 d）表现得尤为显著。

表1 不同褐腐处理时间白杨失重率及固碳量的变化†Table 1 Changes of poplar carbon fixation with different treatment periods

图1 腐朽白杨固碳量 Fig.1 Carbon fixation of white poplar specimens with different period

2.2 褐腐对白杨木材化学成分的影响

由于木腐菌通过生物质瓦解木材有机结构，消解木材成分，是导致固碳量发生变化的根源。为了弄清白杨木材内绝对固碳量呈小幅上升规律和相对固碳量变化的原因，有必要对褐腐期间试样化学成分的变化做进一步分析。

褐腐处理下白杨化学成分测定结果如表2所示。随着褐腐处理时间的增长，白杨试样中综纤维素（包括α-纤维素和半纤维素）的绝对含量与相对含量均呈下降趋势（见表2和图2）。木质素绝对值小幅上升，相对值则呈下降趋势；而抽提物含量并未呈现出固定的变化规律。到90d 为止，综纤维素、α-纤维素和半纤维素绝对含量变化幅度相对较小，分别降低了17.66%、8.11%和9.55%。而它们的相对含量降幅较大，对应数值分别为45.38%、25.75%和19.63%。同时，上述三个成分的相对损失率也变化明显，均呈逐渐增高趋势。当90 d 时，损失率分别达到56.02%、53.18%和60.24%。然而，在这一过程当中，木质素变化规律与之不同。木质素的绝对含量不是下降反而呈小幅增长趋势，增长了9.7%，但其相对含量变化规律与综纤维素等一致，也略有减少。90 d 时，木质素相对含量下降2.05%，损失率为11.65%。最后，抽提物的绝对含量和相对含量呈动态变化，未呈现出统一上升或持续下降的变化规律。其含量与腐朽时间的双尾检验Sig 值分别为0.422 和0.075 ，均大于0.05，也证明抽提物含量的变化与腐朽时间不存在显著相关性。综上所述，在90 d 的褐腐处理周期里，褐腐菌主要分解了综纤维素，前期主要分解半纤维素，后期对α-纤维素降解速率有所上升；而对木质素降解不明显。

表2 褐腐处理下白杨化学成分的变化†Table 2 The changes of poplar chemical composition with different treatment period

图2 化学成分随腐朽时间变化趋势图Fig.2 Changes of chemical composition of white poplar with brown rot

2.3 固碳量变化机理

2.3.1 绝对固碳量升高的原因

随着褐腐时间的延长，白杨固碳量绝对值呈缓慢上升趋势。这一变化规律与木材内部化学成分的变化具有紧密联系。

首先，白杨主要化学成分绝对值变化规律为：综纤维素含量显著减少，而木质素含量小幅上升。这是由于褐腐菌对木质素和综纤维素是同时降解的，但褐腐菌对综纤维素的降解能力更强，因此综纤维素含量下降的速率远大于木质素，导致了木质素实测含量的增多[13,16]。而这一过程直接导致白杨各化学成分所占的比重发生了明显变化，试验周期内（90 d）综纤维素比重由81.00%下降至63.34%，木质素比重由17.6%增长为27.8%，白杨试件由白色变为黄褐色。

为了进一步说明化学成分比重的变化对固碳量产生的影响，对白杨木材各化学组分的含碳率（单位质量中C 元素所占百分比）进行了测定，结果如表3所示。表3表明，木质素含碳率最高，达64.08%，综纤维素含碳率为37.38%，其中α-纤维素含碳率达41.65%，通过计算得半纤维素含碳率约为28.73%（由综纤维素与α-纤维素的含量和含碳率计算后取平均得出）。褐腐处理导致样本中含碳率高的木质素所占比重上升，含碳率较低综纤维素比重下降，所以褐腐处理后，白杨单位质量中绝对固碳量呈增长趋势。

表3 白杨各化学成分含碳率Table 3 Carbon content of poplar chemical compositions

2.3.2 相对固碳量损失速率变化的原因

褐腐白杨相对固碳量下降速率呈先加快后减慢（30～45 d 变化最快）变化规律的原因，是由木材质量损失率变化决定的。因为相对固碳量是由绝对固碳量根据式（2）计算得出的，故其变化与木材质量损失率的变化规律一致。质量损失率随褐腐时间呈增长的趋势，如图3所示。图3表明质量损失率同样呈先加快后减慢的规律，且在30～45 d 变化最快。这与活立木质量损失率呈线性变化存在不同[17]，活立木在褐腐菌、白腐菌及软腐菌的多重作用下，其质量损失率呈线性增长。而本试验采用单一褐腐菌种对白杨试件进行腐朽处理，前期（0～30 d）褐腐菌处于增长繁殖阶段，其分解能力逐渐加强，质量损失率逐渐升高；中期（30～45 d）褐腐菌分解大量综纤维素和极少木质素，质量损失率大幅增长；后期（45～90 d）此时木材剩余成分中木质素占比升高，而褐腐菌对木质素的作用很弱，同时，褐腐菌的活性减弱，且营养物质大量消耗，因此在试验后期试样质量损失率变化缓慢[18]。因此，质量损失率的变化，导致木材内部固碳量产生了类似的变化。

图3 褐腐白杨试件质量损失率变化趋势图Fig.3 Weight loss rate of white poplar specimens with brown rot

3 结论与讨论

1）随着褐腐处理时间的延长，木材中绝对固碳量小幅增长，而相对固碳量呈明显下降趋势，这表明褐腐对白杨固碳量的影响显著。当质量损失率达到43.76%时，白杨固碳量相对下降39.37%。

2）褐腐过程中白杨木质素的比重上升，这导致绝对固碳量呈增长趋势。因为白杨各化学成分中木质素含碳率高于综纤维素含碳率（64.08%＞37.38%），所以褐腐菌侵染下木质素含量的上升是绝对固碳量增长的关键因素。

3）白杨相对固碳量的变化与质量损失率变化紧密相关，实验室加速腐朽状态下，白杨相对固碳量下降速率呈现先加快后减慢的变化规律，与其质量损失率变化规律一致。

腐朽会引起木材质量和化学成分的损失，本文对褐腐木材的研究得出与葛晓雯等[13]和Maeda等[18]相同的结论。同时腐朽会引起木材固碳量的释放，本研究在此基础上探究了褐腐影响木材固碳量的变化机理，腐朽引起了木材固碳量的损失，相对固碳量下降；并得出绝对固碳量呈上升趋势的新结论，解释了其中原因，与孙玉军等[19]和马钦彦等[20]对阔叶材与针叶材含碳率差异的结论相一致。

本研究的不足之处：研究腐朽木材固碳量具有重要意义和应用价值，但是腐朽对木材固碳量的影响过程非常复杂，受到多个因素的影响。本文仅在室内加速腐朽条件下研究了单一菌种侵染的单一种类木材固碳量的变化规律和机理，具有局限性。褐腐对综纤维素的降解能力更强，而白腐则主要分解木质素。虽然木质素含碳率高于综纤维素含碳率，但综纤维占到木材的70%～80%，故认为褐腐对木材碳释放的影响较大。若要揭示腐朽状态下木材固碳量的普遍规律，今后有必要针对不同菌种（包括褐腐和白腐）和不同树种木材（针叶、阔叶等）开展更多的探索性研究。同时，在有条件的情况下，应当开展室外自然条件下木材腐朽与固碳量损失关系的相关研究，并积累相关定量数据。