9个桉树无性系木纤维径向变异研究*

梁永超,万辉,邱坚,高景然

(西南林业大学 云南省木材胶黏剂及胶合制品重点实验室,云南 昆明 650224)

桉树(Eucalyptus)是中国用材林重要的造林树种之一,具有生长快、高产、应用范围广、经济价值高等优势[1],常作为优秀的工业原料使用,是结构木材和纤维的重要来源[2-4]。桉树纤维的平均长度在0.75～1.30 mm之间,得浆率高,是良好的制浆造纸原料。除此以外,从桉树也开发出许多副产品和化学产品,如桉树精油、桉树蜜、桉树叶饲料、桉树木屑食用菌培养基,提取黄酮类化合物用于医疗领域和农林种植领域,提取单宁用于胶黏剂制备等等[5-6]。

2007年,苌姗姗等[7]研究了尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)8个家系的解剖结构和纤维变异,并从纤维长度、长宽比、壁腔比共3个方面进行造纸性能评价。2015年,M.Palermo等[8]通过测定从髓心到树皮的纤维长度及比对其他径向解剖特征,从而判断出桉树从幼龄区到成熟区的过渡年龄为8～13 a。2020年,陈桂丹等[9]测定了6种大径级桉木树种的纤维长度、宽度、腔径、双壁厚,并分析其变异规律和显著性差异。卢翠香等[10]测定了11种桉树无性系的导管比量、轴向薄壁细胞比量、射线比量和纤维比量并分析其变异性,为无性系组织比量遗传的改良提供了理论指导。

通过研究不同性系桉树的木纤维特性和变异规律,可以为桉树有针对性的培育以及木材的合理加工利用提供参考和依据,因此,本研究以广东省遂溪县岭北镇附近9个尾叶桉(E.urophylla)×巨桉(E.grandis)无性系为对象,研究不同无性系桉树、不同树龄下的木材木纤维形态的径向变异规律,以期对桉树的合理高效利用方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究使用采自广东省遂溪县岭北镇南方国家级林木种苗示范基地内的9个15 a生尾巨桉无性系作为实验材料。在每株树木的地上1 m处锯切一块圆盘,并对年轮盘表面进行打磨处理。然后按照年轮划线,从第2年开始,每隔2个年轮取一个样本,详见表1。

表1 9个无性系材料的基本信息

1.2 试验方法

1.2.1 木材切片制作

参照GB/T 29894—2013[11],制作成大小1 cm×1 cm×1 cm的样品,软化清洗后,用Leica 2000R 滑走式切片机(德国Leica公司)进行切片,染色,脱水之后按体积比1∶1的比例配置乙醇-正丁醇缓冲溶液处理脱水后的切片进行处理约3 min,再用正丁醇对其进行脱脂3 min,配置体积比为1∶1的正丁醇-二甲苯混合溶液缓冲处理约3 min,最后用中性树胶封片[12-13]。利用ImageJ图像处理工具,在横切面测量纤维宽度和纤维腔径,每个样品按照树龄划分,每组随机测量100组数据。

1.2.2 离析材料制备

采用Franklin法[14]对样品进行离析,每个样品随机测量100个[15]。根据《中国木材志》对离析纤维进行分级[16]。

1.3 数据分析

对9个尾巨桉无性系纤维特性指标进行统计,用Origin软件处理各无性系的纤维数据,采用SPSS 25.0软件对相关性状进行差异分析、性状间的相关性分析。根据下列公式计算各纤维特性的变异系数:

①

式中:V为变异系数(%);S为各样品的标准差;X为样品平均值。

2 结果与分析

2.1 纤维长度变异

表2的数据显示,9个尾巨桉无性系的平均纤维长度为936.01 μm,范围从899.74～1 038.08 μm。无性系DH33-9的平均纤维长度最大,其次是LEI9和DH32-22。平均纤维长度最小的是EC4,DH33-9比EC4长11.64%。长度排名前3位的是DH33-9、LEI9和DH32-22。从9个尾巨桉无性系纤维长度的变异系数可以看出,不同树龄之间纤维长度的波动较大。各无性系从髓心到树皮纤维长度的变化趋势基本一致,随着树龄增加先升高后趋于稳定。方红等[17]研究表明,纤维长度是造纸和纤维工业原料质量的主要指标之一,对纸张的撕裂强度、耐折度都有一定影响,而9个尾巨桉无性系的纤维长度均达到了中等纤维长度(900～1 600 μm),适宜作为纤维原料使用。各无性系间的纤维长度存在显著差异,其中DH33-9、LEI9与其他无性系的纤维长度均存在显著差异。

表2 纤维长度差异

2.2 纤维宽度变异

表3的数据显示,9个尾巨桉无性系的平均纤维宽度为18.83 μm,范围为17.41～20.77 μm之间。其中,无性系GL16的平均纤维宽度最大,其次为EC4和LEI9,DH32-11的平均纤维宽度最小。GL16比DH32-11的平均纤维宽度高出16.18%。就变异系数而言,EC4和DH33-9的变异系数相对较小。除了无性系GL4、GL12和DH32-26之外,其他各无性系随着树龄的增加,其木纤维宽度变化规律基本一致,呈现出先增加后基本趋于稳定的规律。9个无性系的纤维宽度之间的变异系数存在较大差异,其中无性系GL16、EC4、LEI9与其他无性系均存在显著差异。

表3 纤维宽度差异

2.3 纤维双壁厚变异

表4的数据显示,9个尾巨桉无性系双壁厚度的平均值为10.07 μm,变化范围8.07～12.13 μm。其中,无性系GL16的平均双壁厚度最大,其次为GL4和LEI9,DH33-9的平均双壁厚度最小,比GL16的平均双壁厚低33.47%。就变异系数而言,所有无性系的变异系数均大于40%。可以看出,木纤维双壁厚在不同树龄之间变异较大。9个无性系木纤维双壁厚的变异规律并不一致。EC4、GL12、GL16、LEI9和DH33-9随着树龄的增加双壁厚度先增加后减小。而DH32-11和DH32-26随着树龄的增加双壁厚度先减小后增加。其余2个无性系则没有明显的变化规律。无性系间的纤维双壁厚差异系数大,其中无性系GL16与其他树种均存在显著差异。

表4 纤维双壁厚度差异

2.4 纤维长宽比变异

表5的数据显示,9个无性系纤维长宽比的平均值为54.55,变化范围为44.15～60.07。其中,长宽比最大的无性系为DH33-9,其次为DH32-22和DH32-11,而GL16长宽比最小,比DHH33-9低26.50%。就变异系数而言,9个尾巨桉无性系的变异系数均大于20%。其中,GL4的变异最大,系数为32.67%,而DH33-9的变异系数最小,仅为23.34%。除了无性系DH33-9、GL4和GL16之外,其他各无性系在径向上的纤维长宽比变化规律基本一致,由髓心到树皮呈现逐渐增加的趋势。无性系间的纤维长宽比差异系数大,其中无性系DH33-9、DH32-22与其他无性系的纤维长宽比均存在显著差异。

表5 纤维长宽比差异

2.5 纤维壁腔比变异

表6的数据显示,9个尾巨桉无性系纤维壁腔比的平均值为1.45,变化范围在0.96～2.04之间。其中,壁腔比最大的为GL4,其次为GL16和LEI9,而壁腔比最小的为DH33-9,比GL4低52.94%。除了无性系DH33-9之外,其他无性系的壁腔比均>1。各无性系壁腔比的变异系数较大,均>60%。其中,GL4的无性系变异系数最大,DH32-26的无性系变异系数最小。各无性系在径向上壁腔比的变化规律并不一致。GL4、GL16、LEI9、DH32-22和DH33-9的木材壁腔比呈现由髓心向树皮先增加后减小的规律;而EC4、GL12、DH32-11和DH32-26的木材壁腔比则由髓心向树皮呈现出先减少后增加的规律。无性系间的纤维壁腔比差异系数极大,其中无性系GL4、GL16与其他无性系的纤维壁腔比均存在显著差异。

表6 纤维壁腔比差异

2.6 纤维腔径比变异

表7的数据显示,9个尾巨桉无性系纤维腔径比均值为0.49,变幅在0.41～0.57之间。其中,腔径比最大的无性系为DH33-9,其次是DH32-11和DH32-22,GL4腔径比最小,比DH33-9低28.07%。各无性系桉树木材纤维腔径比均小于0.75。各无性系腔径比变异系数皆较大,且在径向上的变化规律不一致。由表7可见,除了无性系DH32-11和DH32-26呈现出由髓心到树皮先增加后减少的规律之外,其他无性系在径向上的腔径比变化规律均不明显。无性系间的纤维腔径比差异系数大,其中无性系EC4、DH32-22、GL12与其他无性系的纤维腔径比均存在显著差异。

表7 纤维腔径比差异

2.7 纤维特性的相关分析

表8的数据显示,9个尾巨桉无性系桉树的树龄与各纤维特性之间的相关性均达到极显著(P<0.01),与纤维长度之间为强正相关,相关系数为0.628,与纤维宽度、长宽比、双壁厚、壁腔比呈弱正相关,与腔径比呈负相关,相关系数为-0.075。纤维长度与双壁厚、长宽比、壁腔比、腔径比之间的相关性均达到了极显著水平(P<0.01),与长宽比相关系数为0.636,为强正相关,而与双壁厚、壁腔比、腔径比之间为弱正相关,与纤维宽度为负相关。纤维宽度与双壁厚、壁腔比之间为正相关,与长宽比、壁腔比呈负相关。双壁厚与壁腔比呈强正相关,与长宽比、壁腔比呈强负相关。长宽比与壁腔比呈弱负相关,与腔径比呈弱正相关。壁腔比与腔径比之间为强负相关。

表8 纤维腔径比差异

3 结论与讨论

3.1 讨论

研究结果表明9个尾巨桉无性系的纤维长度为899.74～1 038.08 μm,纤维宽度为17.41～20.77 μm,纤维双壁厚为8.07～12.13 μm,纤维长宽比为44.15～60.07,纤维壁腔比为0.96～2.04,纤维腔径比为0.41～0.57。根据IAWA阔叶材纤维特征一览表,除了无性系GL16,其他无性系纤维长度都属于中等纤维长度范围(900～1 600 μm)。此外,纤维宽度、双壁厚、长宽比、壁腔比和腔径比等特性也需要考虑,不同的特性对于不同的加工利用有着不同的影响。因此,在选择最适合的无性系进行木材加工利用和遗传改良时,需要综合考虑不同的纤维特性。

通过分析,9个尾巨桉无性系的纤维特性变异规律在径向上基本一致,在每一种纤维特性中,随着树龄的增加,纤维长度先增后趋于稳定,纤维宽度略有增加,纤维腔径逐渐减少,而纤维双壁厚的变异规律与纤维长度的变异规律基本一致。此外,相关性分析的结果表明,9个尾巨桉无性系中,纤维长度和树龄、纤维宽度和纤维双壁厚之间均存在极显著的正相关性,纤维双壁厚和纤维腔径之间存在极显著的负相关性。这些结果提供了有关桉树木材纤维特性变异规律以及不同纤维特性之间的相关性的信息,这对于选择桉树最优的木材加工利用方法及桉树的遗传改良具有重要参考价值。

根据方红等[17]研究可知,纤维越长,纸张的强度就越大,纤维长度前三的DH33-9、LEI9、DH32-22相较于其他6种桉树而言,可以满足作为优质纸浆材原料的要求。方红等[17]认为,纤维长宽比值的变化会对纸张质量造成严重影响。一般认为,纤维长宽比越大,纸张的撕裂强度就越强。长宽比<35的纤维不适合造纸,而各性系的纤维长宽比均>35,均可作为造纸纤维原料。只有木纤维长宽比>35的纤维原料才适合用来造纸,本研究得出9个尾巨桉无性系桉树的纤维长宽比均>35,说明满足造纸纤维原料的要求。方红等[17]研究表明,壁腔比<1是极佳的纤维原料,壁腔比=1是好的纤维原料,壁腔比>1是劣等的纤维原料,所以9个尾巨桉无性系中,除无性系DH33-9以外,无性系EC4、GL4、GL12、GL16、lei 9、DH32-11、DH32-22、DH32-26的壁腔比均不符合优质原料的要求。纤维壁腔径比代表纤维的柔性系数,一般认为柔性系数在0.75以上的,适合作为造纸纤维,因此就纤维壁腔比而言,9个无性系均不适合用作纤维原料[18-20]。

3.2 结论

综上所述,9种尾巨桉桉树无性系中,DH33-9、LEI9、DH32-22综合指标达到优质纸浆材原料的要求,在生长中可以提倡种植这三种桉树无性系,以获得较好的纸浆原料,促进造纸业的高质量发展。