栓皮栎采伐剩余物解剖特性研究

赵鹏辉 赵西平 郭平平 杨永强 柳子妤 常冰冰

（河南科技大学园艺与植物保护学院，河南洛阳 471000）

栓 皮 栎（Quercusvariabilis）属 壳 斗 科（Fagaceae）栎属（Quercus）植物，广泛分布于我国华北、西北等20多个省区，主要生长在海拔800～1600 m，是我国暖温带落叶阔叶林主要树种之一，河南是其主要产地之一[1]。栓皮栎的加工与利用目前主要集中在树干部位，软木制作各类软木家具、地板和红酒塞等[2]，木材主要用于制作各类实木家具、大型支撑材料。其树枝和树根的利用率不高，主要是用于烧制木炭，培养菌类等[3]。对于栓皮栎树枝和树根是否可用于造纸用纤维原料尚未见报道。

造纸工业中使用的植物纤维原料众多，可大体分为非木材纤维原料、半木材纤维原料和木材纤维原料[4]。目前我国的纸浆总量中有65%～75%是用草类原料生产的[4]，草类生产的纸张其品种单一，质量较差，处理不好的废液还会对生态产生重大影响[5]。木材纤维原料得浆率高、生产工艺先进、废液处理技术成熟、纸张质量好、强度大[6]。使用更好的木材纤维显然更符合现代人们生活的需求[6]。但是，由于我国的木材资源匮乏，导致造纸类木材纤维极度依赖进口[7-8]，且形势十分严峻。针对我国木材资源紧张的问题，上世纪80年代，就有学者提出全树利用的概念[9]，特别是强化采伐剩余物（即枝丫材、树桩以及树根等）的高效利用[10]。由于林间道路崎岖，大部分的运输设备和加工设备无法进入，导致大量的采伐剩余物被丢弃在林间，大量的森林资源被浪费[11]。近年来，随着采运设备和加工设备的革新[12-13]，采伐剩余物木材资源再次得到重视。目前，我国的本土木材纤维资源中，使用最多的是针叶材，反观日本等造纸工业大国，造纸时使用的阔叶材树种占据60%以上[4]，所以强化阔叶材的研究和利用应该更为重要，尤其是一些多用途树种，比如栓皮栎。本研究对栓皮栎树枝和树根的木材解剖构造进行了研究，为其应用于造纸或纤维原料提供基本参数。

1 材料与方法

1.1 实验材料来源

实验材料取自龙峪湾林场，该林场位于河南省洛阳市西南165 km伏牛山腹地的栾川县境内，地处东经111°40′～111°49′，北纬33°39′～33°46′，海拔1083 m，森林覆盖率达98.6%。从龙峪湾的栓皮栎林中选取3棵生长状况良好，无病虫害的样树（表1），从样树的树枝和树根取样，样段直径6～10 cm。同时，在树高1.3 m处南向使用生长锥打出树芯。

表1 样树的基本数据Table 1 Basic data of sample trees

1.2 实验方法

栓皮栎树枝和树根的样材切出1 cm×1 cm×1 cm的小木块，从树芯中间切取1 cm长的小段，然后使用丙三醇和无水乙醇合液（体积比为1∶1）进行软化处理。在RM 2235徕卡切片机(徕卡微系统有限公司,德国)上切出木材试样的三切面薄片（15μm）[14]，然后使用番红染色。使用硝酸（30%）-氯化钾法对木材进行离析，离析的分子材料和染色切片使用DM 2500徕卡显微镜（徕卡微系统有限公司，德国）进行拍照，最后使用TDY-5.2木材解剖测量系统进行数据测量。

在横切面上测量木材导管、纤维、射线和薄壁细胞组织比量，导管径弦向直径重复测量100个，取平均值。在径切面上射线细胞宽度及高度重复测量100个，取平均值。在弦切面上木射线的宽度及高度重复测量30个，取平均值。分子离析的木纤维，测量其长度、宽度、径腔和双壁厚，重复测量100个，取其平均值[15-16]。

1.3 分析方法

数据采用SPSS 22.0进行分析，对各数据进行因素方差分析，各部位间进行多重比较，并采用邓肯新复极差检验法检验差异的显著性水平。

2 结果与分析

2.1 木材组织基本构造

栓皮栎树枝树干为环孔材（图1a、1d），早材管孔大，管孔为圆形或卵圆形，单行排列。晚材管孔小，呈现辐射状，与冯德君等的研究结果类似[17]。树根部位呈现出半环孔材特征（图1g），早晚材区别不明显，早晚材导管呈现星散状。树根与树枝树干的这一差异性，可能是由于地上地下生长环境不同发生的改变[18]，因为环孔材相比散孔材，在进行水分运输时容易发生栓塞和空穴[19]，而散孔材发生栓塞的概率小于环孔材[20]。

栓皮栎木射线十分明显，肉眼可见。树枝、树根和树干都为同型单列木射线（图1c、1i），树干处有聚合木射线（图1f），汪师孟等[21]研究结果中也发现有聚合木射线。树根径切面处射线细胞为异型单列（图1h）。

栓皮栎轴向薄壁组织发达，树枝和树干早材处，薄壁细胞呈现环管状(图1a)，晚材处呈现带状（图1a），树根早晚材的薄壁组织均呈现带状排列（图1g）。

图1 栓皮栎各部位解剖构造Fig.1 Anatomical structure of different parts of Q.variabilis

由表2可知，栓皮栎次生木质部有60%左右的木纤维，在树根、树干和树枝次生，木纤维的组织比量在木质部之间存在差异不显著。在造纸时，原料的纤维含量越高，其得浆率高，废杂物少，一般要求木纤维含量达到50%以上[22]。栓皮栎各部位纤维比量均大于50%，其中树根处的纤维比量最大，占比达64%以上。各部位的纤维含量均满足造纸时纤维含量指标。仅从纤维含量来看，在选择时树根部位的优先级大于树枝和树干。对比我国目前造纸常用树种之一速生杨属(Populus)，从纤维含量来看，在杨属木材中，纤维含量达63%属于优秀的造纸原料[22]。栓皮栎树枝和树根的纤维占比与杨属优质造纸原料含量差距很小，符合优质造纸原料的基本要求。

表2 栓皮栎早晚材不同部位组织比量的多重比较Table2 Multiple comparisonsof tissue ratiosin different partsof early and latewood of Q.variabilis

薄壁组织在早材和晚材间的差异均不显著。薄壁组织分为轴向薄壁组织和射线薄壁组织，两者相互垂直，在进行组织比量的测定时，测定的是轴向薄壁组织。轴向薄壁组织主要执行的有转运和机械支撑等作用[23]。通过对栓皮栎各部位早晚材的对比中发现，晚材部位薄壁组织占比均高于早材部位，差值接近2倍。早材部位树根处薄壁组织比量最大，树干处最小；晚材部位中树枝处薄壁组织比量最大，树根处最小。出现这一差距的原因可能是因为轴向薄壁组织和导管、纤维等其他细胞类型在空间分布上存在一定的权衡关系[24]。

树枝、树干和树根晚材导管比量差异不显著，但树干早材导管比量与树枝和树根处呈现显著差异（P＜0.05），树干处早材导管比量明显大于树枝和树根2倍左右。各部位木射线的差异呈现不显著，且早晚材射线比量区别不大。

2.2 树枝和树根木纤维尺寸差异

由表3可知，树枝树根处纤维宽度为13.527、17.062μm，长宽比均达60以上，壁腔比为0.51和0.98。除纤维径腔和长宽比外，其他指标均呈现显著差异性（P＜0.05）。根据纤维长度的分级标准，大于1600 μm为长纤维，900～1600 μm为中等纤维，小于900μm为短纤维[25]，栓皮栎根材和干材属于中等纤维，枝材属于短纤维。从长宽比来看，树枝和树根处长宽比均达60以上，属于细长型纤维，符合优质造纸原料的要求。从纤维形态来看，栓皮栎根材和干材符合造纸优质原料标准。另一方面，从目前对使用速生杨属木材作为造纸原材料的研究中发现，杨属木材的纤维长度平均值在1100μm左右，宽度在22.3μm左右，长宽比的平均值为49.57[26]，与栓皮栎的树枝和树根的纤维指标做对比，栓皮栎的纤维长度和宽度均低于杨木，但均高于国际要求的中等纤维长度，栓皮栎枝材和根材的长宽比均高于杨属木材。

表3 栓皮栎树枝树根纤维指标多重比较Table 3 Multiple comparison of fiber indexesof branchesand roots of Q.variabilis

2.3 各部位木射线及射线细胞尺寸差异

由表4可知，树根的木射线高度与宽度值为355.739μm和23.917μm，均大于树枝和树干。高度差异不显著，但是宽度差异显著（P＜0.05）。树根处射线细胞高度与宽度值为11.892μm和91.517μm，均大于树枝和树干处，且各部位射线细胞宽度呈现显著差异（P＜0.05）。说明树根部位的木射线发达，高于树枝和树干。射线细胞为长方形的块状结构的物质，细胞壁高度木质化，其形态结构和表面积小，造成其粘接能力差，造纸时需要通过特殊的化学处理减少其起毛倾向[27]。

表4 栓皮栎各部位木射线高度与宽度多重比较Table4 Multiple comparison of height and width of wood rays in different partsof Q.variabilis

2.4 各部位导管尺寸差异

由表5可知，早材导管直径为树干＞ 树根＞树枝，差异显著（P＜0.05），晚材差异不显著。树干处导管管径最大，直径为326.660μm。根据国际木材解剖学会的导管分子宽度分级标准[28]，树枝树根处属于稍大，树干处属于大。在造纸工业中，导管越大，黏出的可能性就越高，黏出的导管在印刷过程中会在印刷毯上聚集，需要不断清洗，进而影响了印刷机的效率[29]。虽然通过打浆等方法可以降低导管黏出的可能，但需要控制其游离度，过度可能造成影响[28,30]，所以在选材时尽量选择导管形状小的原材料。

表5 栓皮栎早晚材各部位导管直径多重比较Table 5 Multiple comparison of vessel diameter in different parts of early and late wood of Q.variabilis

3 结论

栓皮栎树枝是典型环孔材，早晚材区别明显，树根呈现半环孔材特征，早晚材区别不明显。栓皮栎树根部位木纤维的长度、宽度、径腔、双壁厚、长宽比和径腔比为991.929μm、17.062μm、9.049μm、8.101μm、63.155和0.890，其各项数据均符合造纸材料的要求，可以用于造纸。栓皮栎的木射线发达，根的木射线高度与宽度值为355.739、23.917 μm，均大于树枝和树根，但是在造纸时可能会造成纸张起毛，需特殊处理。栓皮栎树枝、树根和树干的导管直径在国际木材解剖学会的分级里，树枝树根属于稍大，树干处属于大，表明枝材和根材进行造纸时，其出现黏出的可能性低于树干部位，使用树枝和树根进行制浆，效率可高于树干。本研究主要是从解剖特征和纤维形态方面进行研究，具体其是否可用于造纸需要进一步进行化学性质的研究。