大果榆全樹木材解剖特征及纖維形態(tài)的研究*

楊永強(qiáng)，趙西平，郭平平，趙鵬輝，柳子妤，楊紫菲

(河南科技大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院，河南 洛陽 471000)

木材是造紙的原料之一。與草類纖維相比，木材纖維韌性好，纖維原料得漿率高，生產(chǎn)工藝先進(jìn)，所制作的紙張品質(zhì)高，所以世界上造紙業(yè)發(fā)達(dá)的國家都使用木材造紙[1]。我國屬于紙張消耗大國，所用的紙漿原料約有60%都是由草類植物所制，但是草類植物灰分含量高，制漿廢料造成的污染嚴(yán)重，纖維生產(chǎn)的紙張品種單一、質(zhì)量差，所以我國還是需要發(fā)展木材制漿造紙[2]。目前我國造紙木材主要來自楊樹(Populusspp.)、樺樹(Betulaspp.)、松樹(Pinusspp.)等。2020—2021年，我國紙漿總消耗量超過1×108t，木漿消耗0.4×108t，但木漿產(chǎn)出只有0.15×108t[3]。木材資源的不足限制了我國造紙業(yè)的發(fā)展，為了我國造紙業(yè)持續(xù)發(fā)展，需要開發(fā)其它木材資源[4]。

大果榆(UlmusmacrocarpaHance)，又稱黃榆，主要分布于中國東北、西北等地，通常與紅松(PinuskoraiensisSieb.et Zucc)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk)、山楊(PopulusdavidianaDode)等組成針闊混交林或闊葉混交林，具有可觀的蓄積量[5-6]。大果榆的樹皮較為粗糙，樹干高大通直，對各種極端條件的適應(yīng)性強(qiáng)[7-8]。目前對大果榆的研究主要集中在引種[7]、培育[9]等方面，關(guān)于使用大果榆造紙的研究很少[10]。本研究以東北地區(qū)大果榆為研究對象，對樹干、樹枝、樹根的次生木質(zhì)部和纖維形態(tài)進(jìn)行對比分析，探討大果榆全樹進(jìn)行造紙的可行性，期望為榆樹造紙?zhí)峁├碚撘罁?jù)，有助于緩解我國木質(zhì)資源緊缺的問題。

1 材料與方法

1.1 試樣采集

在東北林業(yè)大學(xué)帽兒山林場南部的試驗(yàn)區(qū)選取木材材料。林場的植被覆蓋率約60%，主要種植樹種有大果榆、春榆(Ulmusdavidianavar.japonica)、紫椴(TiliaamurensisRupr)、紅松等。在林場內(nèi)選擇3棵樹體高大、生長良好的大果榆(表1)，在其樹干1.3 m處使用生長錐采集東西、南北方向的樹芯，使用高枝鋸采集長度為15 cm、直徑為5～10 cm的樹枝，近地表處挖掘長度為15 cm、直徑為5～8 cm的樹根。

表1 大果榆的基本數(shù)據(jù)

1.2 研究方法

樹根和樹枝沿髓心到樹皮方向劈出1 cm3的小木塊，樹芯選用中段的部位，通過水煮排氣后用丙三醇和乙醇1∶1混合溶液對樣品進(jìn)行軟化。通過石蠟切片法對軟化成功的樣品切出14～16 μm橫切面、徑切面和弦切面，使用番紅染色后制成永久玻片。樣品在心邊材分界處劈出火柴棒粗細(xì)的小木條，通過水煮排氣后采用30%硝酸進(jìn)行離析，離析成功后制成臨時(shí)玻片，使用數(shù)字成像系統(tǒng)進(jìn)行拍照。

1.3 指標(biāo)測量

每棵樣樹的每個(gè)部位分別使用木材顯微構(gòu)造測量系統(tǒng)在橫切面上測量木材的組織比量(%)，管孔的徑向、弦向直徑(μm)等；在徑切面上隨機(jī)測量100個(gè)射線細(xì)胞的長度(μm)和高度(μm)，弦切面上隨機(jī)測量30個(gè)木射線的高度(μm)和寬度(μm)；在通過離析法所制成的臨時(shí)玻片上隨機(jī)測量100根纖維的長度(μm)、寬度(μm)等。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 23.0 進(jìn)行單因素方差分析及鄧肯多重比較。作圖軟件為Origin 2017。

2 結(jié)果與分析

2.1 次生木質(zhì)部構(gòu)造

由圖1可知，大果榆的次生木質(zhì)部由管孔、木射線、木纖維和薄壁組織等組成，管孔、木射線、木纖維占比在樹干、樹枝、樹根之間差異顯著(P<0.05)，薄壁組織之間的差異為不顯著(表2)。

表2 大果榆的組織比量

大果榆樹干是環(huán)孔材(圖1A)，管孔占比達(dá)到31.78%，生長輪內(nèi)早晚材變化非常明顯，早材管孔的徑向直徑、弦向直徑都在150 μm以上(表3)，形狀為圓形和橢圓形，呈單列或雙列在生長輪內(nèi)弦向排列。晚材管孔小而多，徑向直徑、弦向直徑分別為23.96、22.10 μm(表3)，以管孔團(tuán)的形式呈火焰狀或團(tuán)狀排列[11]。樹枝也是環(huán)孔材(圖1D)，管孔占比較樹干少8.49%，早材管孔的形狀與排列方式與樹干基本相同，但大小只有50 μm左右，晚材管孔的徑向直徑、弦向直徑分別比樹干小9.74、10.38 μm(表3)，以管孔團(tuán)的形式呈波浪狀排列。樹根呈現(xiàn)散孔材的特征(圖1G)，這與李澤東等[12]所研究的結(jié)果相同；管孔占比較樹干少1.54%，在生長輪內(nèi)早晚材變化不明顯，管孔在生長輪內(nèi)樹枝狀排列，管孔大小與樹枝早材的管孔類似。

A樹干橫切面B樹干徑切面C樹干弦切面D樹枝橫切面E樹枝徑切面F樹枝弦切面G樹根橫切面H樹根徑切面I樹根弦切面

表3 大果榆的管孔直徑

2.2 木射線

大果榆樹干、樹枝、樹根的木射線占比在12.10%～15.28%之間 (表2)，3個(gè)部位間的射線類型大多為同型單列或多列木射線、異型單列木射線(圖1C、F、I)，樹干還存在少數(shù)異型Ⅱ型木射線(圖1B、C)，樹根存在少數(shù)異型Ⅰ型木射線(圖1E、F)。木射線高度、寬度、射線細(xì)胞長度、高度在3個(gè)部位之間差異顯著(P<0.05)，其中：樹根的木射線和射線細(xì)胞的形態(tài)指標(biāo)值在3個(gè)部位中都是最高水平，說明根部的射線組織比較發(fā)達(dá)；樹枝的木射線高度和寬度小于樹干，但是射線細(xì)胞的長度和高度大于樹干(表4)。

表4 大果榆的木射線和射線薄壁細(xì)胞

2.3 木纖維

纖維的含量與頻率分布對紙漿質(zhì)量的提高有著重要的作用[13-14]。大果榆3個(gè)部位間樹根的木纖維占比最少，僅有43.10%，樹干和樹枝分別比樹根多10.95%、17.09%(表2)。纖維長度、寬度、長寬比、壁腔比在3個(gè)部位間差異顯著(P<0.05)且纖維分布符合正態(tài)分布(圖2,表5)。

圖2 大果榆的纖維分布

大果榆樹干、樹枝、樹根的纖維長度分布范圍分別是400～1 600、400～1 300、400～2 000 μm，樹干和樹根的中等長度纖維及樹枝的稍短纖維占比最多，分別為74.51%、70.86%、51.32%(圖2 a、e、f)；平均纖維長度為樹根>樹干>樹枝，樹枝的纖維長度為830.49 μm，屬于稍短纖維，樹干和樹根的纖維均超過1 000 μm，屬于中等纖維[13](表5)。樹干、樹枝、樹根的纖維寬度分布范圍分別為10～35、5～25、10～30 μm，樹干和樹根中等寬度纖維及樹枝的細(xì)纖維占比最多，分別為76.80%、74.17%、84.77%(圖2 b、f、j)；平均纖維寬度為樹干>樹根>樹枝(表5)。大果榆樹干、樹根、樹枝的壁腔比小于1的纖維占比分別為44.44%、45.36%、11.59%(圖2 c、g、k)；平均壁腔比為樹根>樹干>樹枝(表5)。大果榆樹干、樹根、樹枝長寬比大于35的纖維占比分別為94.08%、95.36%、97.66(圖2 d、h、l)；平均長寬比為樹根>樹枝>樹干，大小均在50以上(表5)。

表5 大果榆的纖維尺寸

2.4 薄壁組織

大果榆樹干和樹枝的薄壁組織為離管型和傍管型薄壁組織，早材的薄壁組織為單側(cè)傍管狀排列，晚材薄壁組織稀疏傍管狀和星散狀排列(圖1A、D)，樹根的薄壁組織為離管型薄壁組織，呈星散狀排列(圖1G)。大果榆3個(gè)部位間薄壁組織占比在3.65%～4.11%之間(表2)，且差異不顯著(P>0.05)，對木材加工利用的影響可以忽略[15]。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

管孔是研究木材生長和解剖特征的參考依據(jù)[16]。大果榆的樹干和樹枝是環(huán)孔材，管孔占分別為31.78%、23.29%，樹干早材管孔直徑為168～180 μm，樹枝45～55 μm；樹干晚材管孔直徑為20～25 μm，樹枝為10～15 μm。樹根是散孔材，管孔占比為30.54%，管孔直徑為45～65 μm。樹根的解剖特征與樹干、樹枝的不同是因?yàn)橥寥缹涓a(chǎn)生的水分脅迫等原因會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管發(fā)生空穴和栓塞[17]，樹根進(jìn)化為散孔材可以提高對水分的運(yùn)輸速率，而且不容易發(fā)生空穴和栓塞[18-19]。常用造紙材楊樹的管孔占比在20%～30%，管孔直徑為40～70 μm[20]，對比而言，大果榆樹干的晚材導(dǎo)管、樹枝和樹根全部的導(dǎo)管均在這個(gè)分布范圍之內(nèi)，而樹干早材具有的大導(dǎo)管雖然會(huì)在造紙過程中產(chǎn)生一定的影響，但目前已經(jīng)可以通過除渣器、提高打漿度、酶處理等方式去除大導(dǎo)管，提高紙漿質(zhì)量[21]。

大果榆樹干、樹枝、樹根的木射線占比分別為15.13%、12.10%、15.28%，木射線高度和寬度為樹根>樹干>樹枝，射線薄壁細(xì)胞長度和高度為樹根>樹枝>樹干。木射線高度和寬度越大，組成射線的薄壁細(xì)胞也會(huì)越大。大果榆樹枝的射線高度和寬度雖然小于樹干，但射線細(xì)胞的長度和高度卻比樹干大，這可能是因樹枝受外界氣候變化的影響所致[22]。木射線在造紙過程中會(huì)導(dǎo)致紙張起毛[23]，常用造紙材楊樹射線占比在10%～18%[24]，大果榆樹干、樹枝、樹根的木射線占比均在這個(gè)范圍之內(nèi)。

纖維含量超過50%的材料能制造出優(yōu)良的紙漿[25]，大果榆樹干、樹枝和樹根的纖維含量分別為54.05%、60.19%、43.10%。長纖維和短纖維的結(jié)合可以提高紙張抗撕裂能力，且長度大于330 μm的纖維用于造紙就不會(huì)對紙張強(qiáng)度造成影響[26-27]。纖維分布符合正態(tài)分布，樹干、樹枝和樹根的平均纖維長度分別為1 021.83、830.49、1 247.65 μm，樹干和樹根的纖維屬于中等纖維，樹枝纖維屬于稍短纖維，平均纖維寬度分別為19.77、14.15、17.57 μm。壁腔比小于1的纖維屬于優(yōu)質(zhì)纖維原料，所制作的紙張具有良好的柔韌性，壁腔比等于1的纖維屬于中等纖維原料，壁腔比大于1的纖維屬于劣等纖維原料，所制作的紙張吸水性好[28]。大果榆三個(gè)部位的纖維壁腔比雖略大于1，但樹干和樹枝中約有50%的纖維屬于優(yōu)質(zhì)纖維，樹根中優(yōu)質(zhì)纖維的含量僅有11.59%。Ververis等[29]認(rèn)為，壁腔比大于1但其他指標(biāo)優(yōu)異的纖維可以與壁腔比小于1的纖維制作混合制漿，有利于提高紙張等級。纖維長寬對紙張的耐撕、耐折程度均有一定程度的影響，一般認(rèn)為長寬比大于35就屬于優(yōu)質(zhì)纖維原料[13,30]，3個(gè)部位的纖維長寬比均遠(yuǎn)大于35。楊樹為常用的優(yōu)良造紙?jiān)蠘浞N，不同品種楊樹平均纖維長度范圍為820～1 026 μm，平均纖維寬度為20～25 μm，平均壁腔比范圍是0.25～0.75，平均長寬比范圍在25～70之間[31]。大果榆3個(gè)部位的纖維形態(tài)指標(biāo)與楊樹的比較，樹干和樹枝的各項(xiàng)指標(biāo)與楊樹的較相近，可以作為造紙纖維原料來源。

3.2 結(jié)論

大果榆的樹干和樹枝為典型的環(huán)孔材，纖維含量都超過50%，纖維含量、長度、寬度、長寬比均滿足造紙要求，平均壁腔比雖略大于1，但是約有40%～50%壁腔比小于1的優(yōu)質(zhì)纖維。雖然樹干中還含有大導(dǎo)管，在造紙過程中可能會(huì)發(fā)生導(dǎo)管黏出，影響印刷效率，但是目前已經(jīng)可以通過除渣器、提高打漿度等手段解決；所以樹干和樹枝均適合作為造紙材料。樹根呈現(xiàn)散孔材特征，纖維長度、寬度、長寬比雖然滿足造紙要求，但是纖維含量和優(yōu)質(zhì)纖維占比較少，不適合作為造紙材料。上述結(jié)論是基于大果榆木材的解剖構(gòu)造及纖維形態(tài)的研究而得，大果榆用于造紙的化學(xué)性質(zhì)適宜性尚需進(jìn)一步研究。