大果榆全树木材解剖特征及纤维形态的研究*

杨永强，赵西平，郭平平，赵鹏辉，柳子妤，杨紫菲

(河南科技大学 园艺与植物保护学院，河南 洛阳 471000)

木材是造纸的原料之一。与草类纤维相比，木材纤维韧性好，纤维原料得浆率高，生产工艺先进，所制作的纸张品质高，所以世界上造纸业发达的国家都使用木材造纸[1]。我国属于纸张消耗大国，所用的纸浆原料约有60%都是由草类植物所制，但是草类植物灰分含量高，制浆废料造成的污染严重，纤维生产的纸张品种单一、质量差，所以我国还是需要发展木材制浆造纸[2]。目前我国造纸木材主要来自杨树(Populusspp.)、桦树(Betulaspp.)、松树(Pinusspp.)等。2020—2021年，我国纸浆总消耗量超过1×108t，木浆消耗0.4×108t，但木浆产出只有0.15×108t[3]。木材资源的不足限制了我国造纸业的发展，为了我国造纸业持续发展，需要开发其它木材资源[4]。

大果榆(UlmusmacrocarpaHance)，又称黄榆，主要分布于中国东北、西北等地，通常与红松(PinuskoraiensisSieb.et Zucc)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk)、山杨(PopulusdavidianaDode)等组成针阔混交林或阔叶混交林，具有可观的蓄积量[5-6]。大果榆的树皮较为粗糙，树干高大通直，对各种极端条件的适应性强[7-8]。目前对大果榆的研究主要集中在引种[7]、培育[9]等方面，关于使用大果榆造纸的研究很少[10]。本研究以东北地区大果榆为研究对象，对树干、树枝、树根的次生木质部和纤维形态进行对比分析，探讨大果榆全树进行造纸的可行性，期望为榆树造纸提供理论依据，有助于缓解我国木质资源紧缺的问题。

1 材料与方法

1.1 试样采集

在东北林业大学帽儿山林场南部的试验区选取木材材料。林场的植被覆盖率约60%，主要种植树种有大果榆、春榆(Ulmusdavidianavar.japonica)、紫椴(TiliaamurensisRupr)、红松等。在林场内选择3棵树体高大、生长良好的大果榆(表1)，在其树干1.3 m处使用生长锥采集东西、南北方向的树芯，使用高枝锯采集长度为15 cm、直径为5～10 cm的树枝，近地表处挖掘长度为15 cm、直径为5～8 cm的树根。

表1 大果榆的基本数据

1.2 研究方法

树根和树枝沿髓心到树皮方向劈出1 cm3的小木块，树芯选用中段的部位，通过水煮排气后用丙三醇和乙醇1∶1混合溶液对样品进行软化。通过石蜡切片法对软化成功的样品切出14～16 μm横切面、径切面和弦切面，使用番红染色后制成永久玻片。样品在心边材分界处劈出火柴棒粗细的小木条，通过水煮排气后采用30%硝酸进行离析，离析成功后制成临时玻片，使用数字成像系统进行拍照。

1.3 指标测量

每棵样树的每个部位分别使用木材显微构造测量系统在横切面上测量木材的组织比量(%)，管孔的径向、弦向直径(μm)等；在径切面上随机测量100个射线细胞的长度(μm)和高度(μm)，弦切面上随机测量30个木射线的高度(μm)和宽度(μm)；在通过离析法所制成的临时玻片上随机测量100根纤维的长度(μm)、宽度(μm)等。

1.4 数据分析

使用SPSS 23.0 进行单因素方差分析及邓肯多重比较。作图软件为Origin 2017。

2 结果与分析

2.1 次生木质部构造

由图1可知，大果榆的次生木质部由管孔、木射线、木纤维和薄壁组织等组成，管孔、木射线、木纤维占比在树干、树枝、树根之间差异显著(P<0.05)，薄壁组织之间的差异为不显著(表2)。

表2 大果榆的组织比量

大果榆树干是环孔材(图1A)，管孔占比达到31.78%，生长轮内早晚材变化非常明显，早材管孔的径向直径、弦向直径都在150 μm以上(表3)，形状为圆形和椭圆形，呈单列或双列在生长轮内弦向排列。晚材管孔小而多，径向直径、弦向直径分别为23.96、22.10 μm(表3)，以管孔团的形式呈火焰状或团状排列[11]。树枝也是环孔材(图1D)，管孔占比较树干少8.49%，早材管孔的形状与排列方式与树干基本相同，但大小只有50 μm左右，晚材管孔的径向直径、弦向直径分别比树干小9.74、10.38 μm(表3)，以管孔团的形式呈波浪状排列。树根呈现散孔材的特征(图1G)，这与李泽东等[12]所研究的结果相同；管孔占比较树干少1.54%，在生长轮内早晚材变化不明显，管孔在生长轮内树枝状排列，管孔大小与树枝早材的管孔类似。

A树干横切面B树干径切面C树干弦切面D树枝横切面E树枝径切面F树枝弦切面G树根横切面H树根径切面I树根弦切面

表3 大果榆的管孔直径

2.2 木射线

大果榆树干、树枝、树根的木射线占比在12.10%～15.28%之间 (表2)，3个部位间的射线类型大多为同型单列或多列木射线、异型单列木射线(图1C、F、I)，树干还存在少数异型Ⅱ型木射线(图1B、C)，树根存在少数异型Ⅰ型木射线(图1E、F)。木射线高度、宽度、射线细胞长度、高度在3个部位之间差异显著(P<0.05)，其中：树根的木射线和射线细胞的形态指标值在3个部位中都是最高水平，说明根部的射线组织比较发达；树枝的木射线高度和宽度小于树干，但是射线细胞的长度和高度大于树干(表4)。

表4 大果榆的木射线和射线薄壁细胞

2.3 木纤维

纤维的含量与频率分布对纸浆质量的提高有着重要的作用[13-14]。大果榆3个部位间树根的木纤维占比最少，仅有43.10%，树干和树枝分别比树根多10.95%、17.09%(表2)。纤维长度、宽度、长宽比、壁腔比在3个部位间差异显著(P<0.05)且纤维分布符合正态分布(图2,表5)。

图2 大果榆的纤维分布

大果榆树干、树枝、树根的纤维长度分布范围分别是400～1 600、400～1 300、400～2 000 μm，树干和树根的中等长度纤维及树枝的稍短纤维占比最多，分别为74.51%、70.86%、51.32%(图2 a、e、f)；平均纤维长度为树根>树干>树枝，树枝的纤维长度为830.49 μm，属于稍短纤维，树干和树根的纤维均超过1 000 μm，属于中等纤维[13](表5)。树干、树枝、树根的纤维宽度分布范围分别为10～35、5～25、10～30 μm，树干和树根中等宽度纤维及树枝的细纤维占比最多，分别为76.80%、74.17%、84.77%(图2 b、f、j)；平均纤维宽度为树干>树根>树枝(表5)。大果榆树干、树根、树枝的壁腔比小于1的纤维占比分别为44.44%、45.36%、11.59%(图2 c、g、k)；平均壁腔比为树根>树干>树枝(表5)。大果榆树干、树根、树枝长宽比大于35的纤维占比分别为94.08%、95.36%、97.66(图2 d、h、l)；平均长宽比为树根>树枝>树干，大小均在50以上(表5)。

表5 大果榆的纤维尺寸

2.4 薄壁组织

大果榆树干和树枝的薄壁组织为离管型和傍管型薄壁组织，早材的薄壁组织为单侧傍管状排列，晚材薄壁组织稀疏傍管状和星散状排列(图1A、D)，树根的薄壁组织为离管型薄壁组织，呈星散状排列(图1G)。大果榆3个部位间薄壁组织占比在3.65%～4.11%之间(表2)，且差异不显著(P>0.05)，对木材加工利用的影响可以忽略[15]。

3 讨论与结论

3.1 讨论

管孔是研究木材生长和解剖特征的参考依据[16]。大果榆的树干和树枝是环孔材，管孔占分别为31.78%、23.29%，树干早材管孔直径为168～180 μm，树枝45～55 μm；树干晚材管孔直径为20～25 μm，树枝为10～15 μm。树根是散孔材，管孔占比为30.54%，管孔直径为45～65 μm。树根的解剖特征与树干、树枝的不同是因为土壤对树根产生的水分胁迫等原因会导致导管发生空穴和栓塞[17]，树根进化为散孔材可以提高对水分的运输速率，而且不容易发生空穴和栓塞[18-19]。常用造纸材杨树的管孔占比在20%～30%，管孔直径为40～70 μm[20]，对比而言，大果榆树干的晚材导管、树枝和树根全部的导管均在这个分布范围之内，而树干早材具有的大导管虽然会在造纸过程中产生一定的影响，但目前已经可以通过除渣器、提高打浆度、酶处理等方式去除大导管，提高纸浆质量[21]。

大果榆树干、树枝、树根的木射线占比分别为15.13%、12.10%、15.28%，木射线高度和宽度为树根>树干>树枝，射线薄壁细胞长度和高度为树根>树枝>树干。木射线高度和宽度越大，组成射线的薄壁细胞也会越大。大果榆树枝的射线高度和宽度虽然小于树干，但射线细胞的长度和高度却比树干大，这可能是因树枝受外界气候变化的影响所致[22]。木射线在造纸过程中会导致纸张起毛[23]，常用造纸材杨树射线占比在10%～18%[24]，大果榆树干、树枝、树根的木射线占比均在这个范围之内。

纤维含量超过50%的材料能制造出优良的纸浆[25]，大果榆树干、树枝和树根的纤维含量分别为54.05%、60.19%、43.10%。长纤维和短纤维的结合可以提高纸张抗撕裂能力，且长度大于330 μm的纤维用于造纸就不会对纸张强度造成影响[26-27]。纤维分布符合正态分布，树干、树枝和树根的平均纤维长度分别为1 021.83、830.49、1 247.65 μm，树干和树根的纤维属于中等纤维，树枝纤维属于稍短纤维，平均纤维宽度分别为19.77、14.15、17.57 μm。壁腔比小于1的纤维属于优质纤维原料，所制作的纸张具有良好的柔韧性，壁腔比等于1的纤维属于中等纤维原料，壁腔比大于1的纤维属于劣等纤维原料，所制作的纸张吸水性好[28]。大果榆三个部位的纤维壁腔比虽略大于1，但树干和树枝中约有50%的纤维属于优质纤维，树根中优质纤维的含量仅有11.59%。Ververis等[29]认为，壁腔比大于1但其他指标优异的纤维可以与壁腔比小于1的纤维制作混合制浆，有利于提高纸张等级。纤维长宽对纸张的耐撕、耐折程度均有一定程度的影响，一般认为长宽比大于35就属于优质纤维原料[13,30]，3个部位的纤维长宽比均远大于35。杨树为常用的优良造纸原料树种，不同品种杨树平均纤维长度范围为820～1 026 μm，平均纤维宽度为20～25 μm，平均壁腔比范围是0.25～0.75，平均长宽比范围在25～70之间[31]。大果榆3个部位的纤维形态指标与杨树的比较，树干和树枝的各项指标与杨树的较相近，可以作为造纸纤维原料来源。

3.2 结论

大果榆的树干和树枝为典型的环孔材，纤维含量都超过50%，纤维含量、长度、宽度、长宽比均满足造纸要求，平均壁腔比虽略大于1，但是约有40%～50%壁腔比小于1的优质纤维。虽然树干中还含有大导管，在造纸过程中可能会发生导管黏出，影响印刷效率，但是目前已经可以通过除渣器、提高打浆度等手段解决；所以树干和树枝均适合作为造纸材料。树根呈现散孔材特征，纤维长度、宽度、长宽比虽然满足造纸要求，但是纤维含量和优质纤维占比较少，不适合作为造纸材料。上述结论是基于大果榆木材的解剖构造及纤维形态的研究而得，大果榆用于造纸的化学性质适宜性尚需进一步研究。