引种美国红橡的纤维形态、 微纤丝角及结晶度

李聪聪， 潘 彪， 王 慧， 黄利斌

（1. 南京林业大学 材料科学与工程学院， 江苏 南京210037； 2. 江苏省林业科学研究院， 江苏 南京

211153）

木材作为环境友好型的绿色原材料， 是国民经济发展的基础材料。 为坚持生态发展战略， 中国林业相关部门启动了一批重点生态工程， 在天然林保护的同时， 大力发展人工林种植。 随着国内民众生态意识的增强和国家森林保护力度的加大， 木材刚性需求增加， 木材的对外依赖度达到了近50%。 据测算，到2020 年， 中国木材年需求量将达到8 亿m3， 对大径材和珍贵树种用材需求也会大幅增加［1］。 引进国外优良树种是提高林业生产力、 填补国内名特优新经济林、 满足人们对林产品需求的有效途径， 对于在短期内实现有效供给、 缓解木材及林产品的供需矛盾， 实现可持续发展， 具有十分重要的意义。 中国土壤气候条件与北美相似， 引种美国红橡树种具有得天独厚的优势。 引种树种能在短时间内增加当地的植物种类， 树种的合理布局和应用， 对弥补优质用材资源不足有重要意义。 橡树又称栎树， 是壳斗科Fagaceae 栎属Quercus树种的统称， 用途广泛， 材质优异， 是优质商品材和燃料的重要来源［2］。 中国自1998 年开展北美栎树种质资源引种与栽培研究， 对引种试验、 引种树苗抗逆性［3］研究较多， 为栎类树种引进开发利用提供了理论基础。 纤维形态特征与木材生长状况以及强度、 密度以及物理、 力学性质有密切关系， 可用来进行木材的材性预测。 微纤丝角在一定程度上可以反映木材的物理和力学性质， 如木材的尺寸稳定性、 干缩湿胀及弹性模量、 强度和蠕变特性等， 是评价木材品质性能和良种选育的重要依据［4］。 木材的结晶度与木材密度、 强度、 尺寸稳定性存在着正相关关系［5］， 研究结晶度有助于了解木材解剖结构与其性质之间联系。 本研究以纳塔栎Quercus nuttallii、 水栎Quercus nigra和舒玛栎Quercus shumardii为对象， 比较了3 种美国红橡纤维形态、 微纤丝角和结晶度的异同， 以期为引种栎木的科学利用提供理论依据， 为更大范围引种栽培提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

根据GB/T 1927-2009《木材物理力学试材采集方法》采集试样［6］。 选取14 年生纳塔栎、 水栎、 舒玛栎各4 株； 其中纳塔栎、 水栎采自江苏省林业科学研究院句容苗圃（年平均气温为15.2 ℃， 年降水量为1 058.8 mm）。 纳塔栎平均树高为8.48 m， 平均胸径为19.28 cm； 水栎平均树高为10.68 m， 平均胸径为15.38 cm； 舒玛栎采自于南京彩树种植有限公司江宁区种植基地（年平均气温为15.4 ℃， 年降水量为1 200.0 mm）， 平均树高为11.70 m， 平均胸径为15.20 cm。

1.2 实验方法

1.2.1 木材纤维形态测定 将样木自胸高处圆盘锯解， 立即沿南北向自髓心向外逐年切取样块并依次编号， 由于第1， 2 年轮宽度较窄， 合并为1 个样品。 将各标号木块切成火柴棍大小， 每个年轮制4 组平行样。 用富兰克林离析法［7］离析细胞， 制成临时切片， 置于普通光学显微镜下； 随机测量50 个细胞长度、 宽度和腔径， 计算双壁厚、 壁腔比。 结果取平均数。

1.2.2 木材微纤丝角测定 将3 种样木按1.2.1 制成厚度约为2 mm 的试样， 采用Ultima IV 组合型多功能水平X-射线衍射仪（XRD）按Cave 0.6T 法［8］测量试材微纤丝角。 结果取平均数。

1.2.3 木材结晶度测定 将3 种样木按1.2.1 制成火柴棍大小试样， 磨成80～100 目木粉， 室温下压成薄片后测定木材结晶度， 同时分析木材2θ 衍射强度曲线。 计算结果取平均数。 木材纤维的衍射强度在2θ=22°是极大值， 其积分强度用I002表示； 在2θ=18°附近出现波谷， 是木材纤维中无定形区衍射的散射强度， 其积分强度用Iam表示。 相对结晶度（ICr）公式［9］如下：ICr=100×（I002-Iam）/I002。

1.2.4 数据处理 试验数据采用Excel 2013 进行方差分析及回归分析， Origin 软件作图。

2 结果与分析

2.1 纤维形态

由表1 可知： 纳塔栎纤维长度径向变化范围为1 032.46～1 255.46 μm， 平均值为（1 172.14±86.88）μm； 水栎纤维长度径向变化范围为1 018.04～1 281.27 μm， 平均值为（1 178.68±95.54） μm； 舒玛栎纤维长度径向变化范围为1 010.34～1 292.56 μm， 平均值为（1 162.45±112.67） μm。 其中， 舒玛栎的平均纤维长度最短， 纳塔栎和水栎之间差异较小， 三者栎木纤维长度种间不具有显著差异（P＞0.05）。 按照国际木材解剖学家协会理事会发布的纤维长度分级标准（＜0.9 mm 的属于短纤维， 0.9～1.6 mm 的属于中等纤维， ＞1.6 mm 的属于长纤维）， 3 种栎木纤维均属于中等纤维， 大于62 年生蒙古栎Q. mongolica纤维平均长度（1 001.20 μm）［10］， 与40 年生欧洲栓皮栎Q. suber（960.00～1 220.00 μm）［11］、 33 年生冬青栎Q. ilex（1 103.00 μm）及24 年生深红栎Q. coccifera纤维平均长度（1 116.00 μm）相近［12］。 由图1A可见： 3 种栎木纤维长度从髓心至树皮方向总体呈上升趋势， 但径向变化尚未趋于稳定， 说明树木仍处于幼龄期。

3 种栎木纤维宽度为14.14～18.51 μm， 舒玛栎纤维宽度最大（16.91 μm±1.20 μm）， 水栎（16.56 μm±0.70 μm）和纳塔栎（15.86 μm±1.11 μm）略小， 变异系数均小于10%， 变异较小。 纤维宽度种间差异不显著（P＞0.05）。 3 种栎木纤维宽度均小于40 年生欧洲栓皮栎（18.40～21.49 μm）。 由图1B 可知： 3 种栎木纤维宽度的径向变化均随生长轮增加而增加， 但存在着一定的波动。

纤维双壁厚是木材质量、 基本密度和强度的物质基础［13］， 受生态环境条件和气候因子的影响较大［14］。研究发现： 水栎双壁厚最大（11.19 μm±0.54 μm）， 纳塔栎（10.23 μm±0.91 μm）和舒玛栎（10.96 μm±1.03 μm）略小， 3 种栎木双壁厚种间具有显著差异（P＜0.05）。 由图1C 可知： 随生长轮增加， 3 种栎木纤维双壁厚径向均呈增长趋势。 较其他2 种栎， 水栎更易受生态环境条件和气候因子影响， 因而纤维双壁厚变化波动也较大。

纤维壁腔比是纤维双壁厚与纤维胞腔直径的比值， 是衡量木材纤维强度的重要指标。 纤维壁腔比越小， 则木材密度越大， 材质越坚硬［15］。 木材纤维工业原料中通常要求纤维为中级长度（900.00～1 600.00 μm）， 长宽比不低于35， 壁腔比小于1［16］。 本研究发现： 3 种栎木壁腔比为1.55～2.44， 水栎壁腔比平均值最大（2.10±0.23）， 纳塔栎（1.85±0.26）和舒玛栎（1.91±0.16）略低， 纤维壁腔比种间具有显著差异（P＜0.05）。 3 种栎木壁腔比均大于1， 未达到纤维工业原料要求。 从髓心向外， 3 种栎木壁腔比径向均略微上升， 在一定范围内存在波动（图1D）。

表1 纤维形态的比较分析Table 1 Comparative analysis of fiber morphology

2.2 微纤丝角

微纤丝角是影响木材强度的主要因素， 通常作为材质评定及早期良种选育的重要指标。 本研究发现： 纳塔栎微纤丝角径向变化范围为30.02°～38.73°， 平均值为33.79°。 水栎为26.12°～33.52°， 平均值为30.48°。 舒玛栎为37.65°～30.93°， 平均值为34.10°。 3 种栎木微纤丝角大小依次为舒玛栎（34.10°）、 纳塔栎（33.79°）和水栎（30.48°）， 微纤丝角种间具有极显著差异（P＜0.01）。 3 种栎木微纤丝角平均值为32.79°， 略大于采用细胞壁高分辨率显微照片测定的夏栎Q. robur（22°～31.6°）［17］的微纤丝角， 可能与栎木未达到成熟状态有关， 也可能是因为测量方法不同， XRD 法测量时采用的是细胞壁各壁层微纤丝角平均值。

从图2 可以看出： 3 种栎木微纤丝角随生长轮增加总体呈下降趋势。 原因可能是试材越靠近髓心，树木年龄越小， 形成层原始细胞产生的子细胞胞壁就越薄， 各层的平均微纤丝角就越大［18］。

图1 纤维形态随生长轮的径向变化规律Figure 1 Radial variation of fiber morphology and growth ring from pith to bark

2.3 结晶度

图2 微纤丝角随生长轮的径向变化规律Figure 2 Radial variation of microfibril angle and growth ring from pith to bark

图3 结晶度随生长轮的径向变化规律Figure 3 Radial variation of the crystallinity and growth ring from pith to bark

纳塔栎结晶度径向变化范围为50.07%～52.52%， 平均值为51.35%。 水栎结晶度径向变化范围为51.45%～55.47%， 平均值为53.30%。 舒玛栎结晶度径向变化范围为51.23%～53.83%， 平均值为52.97%。结晶度大小依次为水栎（53.30%）、 舒玛栎（52.97%）和纳塔栎（51.35%）， 均大于加拿大栎Q. canariensis（38.93%）［19］， 3 种栎木种间具有极显著差异（P＜0.01）。 纳塔栎、 水栎和舒玛栎结晶度的变异系数分别为1.63%、 2.80%和1.43%， 变异较小。 如图3 所示： 结晶度随生长轮增加总体呈上升趋势， 还未处于平稳状态， 可能与其处于生长时期有关。 结晶度径向变化趋势与其他学者研究一致： 在树木生长初期形成层细胞分裂速度较快， 结晶度较小， 随着树龄的增加， 结晶度也逐渐增大最后趋于稳定［20］。

2.4 预测模型

纤维形态、 微纤丝角与生长轮间关系密切。 对生长轮与纤维形态、 微纤丝角进行拟合分析， 建立适当的模型， 对人工林材质早期预测及林木的定向培育、 优化利用具有十分重要理论意义和应用价值。 以生长轮为自变量（x）， 纤维长度、 纤维宽度、 纤维双壁厚、 微纤丝角分别为因变量（y）， 进行回归拟合。

如表2 所示： 3 种引种栎木纤维长度与生长轮的关系与2 次曲线拟合度较好， 相关系数（R2）均在0.900 以上， 回归效果理想， 与大多数研究结果一致［21］， 符合生物学生长规律。 3 种引种栎木纤维宽度与生长轮的3 次曲线拟合度高， 其中舒玛栎拟合效果最佳， 相关系数达到0.960。 纳塔栎和舒玛栎纤维双壁厚与生长轮的2 次曲线有较好的拟合关系， 水栎纤维双壁厚与生长轮的3 次曲线拟合关系较好， 其中舒玛栎拟合效果最佳， 相关系数达到0.972。 纳塔栎微纤丝角与生长轮的关系与对数函数有较好的拟合， 水栎及舒玛栎与2 次曲线有较好的拟合， 其中水栎拟合效果最佳， 相关系数为0.748。

表2 纤维形态、 微纤丝角与生长轮的回归分析Table 2 Regression analysis of fiber morphology, microfibril angle, and growth ring

3 结论

对纳塔栎、 水栎和舒玛栎纤维形态测量得知： 3 种引种栎木纤维长度为1 010.34～1 292.56 μm， 纤维宽度为为14.14～18.51 μm， 纤维长度、 宽度种间不具有显著差异（P＞0.05）， 其径向变化均为从髓心至树皮方向呈上升趋势， 但径向变化尚未趋于稳定； 3 种栎木纤维双壁厚为8.77～12.34 μm， 壁腔比为1.55～2.44， 纤维双壁厚、 壁腔比种间具有显著差异（P＜0.05）， 其径向变化均为从髓心至树皮方向略微上升， 在一定范围内存在波动。

3 种栎木中舒玛栎微纤丝角最大（34.10°）， 纳塔栎（33.79°）和水栎（30.48°）略小， 微纤丝角种间具有极显著差异（P＜0.01）。 径向变化为微纤丝角随着生长轮增加而降低； 结晶度大小依次为水栎（53.30%）、 舒玛栎（52.97%）和纳塔栎（51.35%）， 结晶度种间具有极显著差异（P＜0.01）， 径向变化为结晶度随生长轮增加总体呈平缓上升趋势。

对生长轮与各指标进行拟合分析发现： 3 种栎木纤维长度与生长轮关系用2 次曲线拟合效果理想，相关系数均在0.900 以上。 纤维宽度与生长轮关系： 舒玛栎用3 次曲线拟合效果理想， 相关系数在0.900 以上。 双壁厚与生长轮的关系： 舒玛栎用2 次曲线拟合效果理想， 相关系数在0.900 以上。 微纤丝角与生长轮的关系： 水栎用2 次曲线拟合效果较好， 相关系数在0.700 以上。

由此认为： 14 年生引种美国红橡仍处于幼龄期， 纤维形态、 微纤丝角与结晶度径向变化趋势尚未趋于稳定。