银腺杨解剖及理化性能研究*

张新宇 董 阳 王梦蕾 孙照斌**

（1.北京市产品质量监督检验研究院，北京 100176；2.河北省林业和草原技术推广总站，河北 石家庄 050081；3.河北农业大学，河北 保定 071000）

据第九次全国森林资源清查数据可知，我国森林资源总体上呈现数量持续增加，木材供给以人工林为主[1-2]。目前我国人工林面积0.795万hm2，居世界首位。银腺杨（Populus alba×P.glandulos）为韩国引进的优良白杨派树种，干型好，生长速度快，常用于丘陵造林[3]。近几年大量的研究致力于对银腺杨的遗传培育和基因功能研究[4-5]，李爱平等[6]探讨了转SacB基因银腺杨对林地生物多样性的影响，钟珊辰等[7]对基因PagAG2的时空特异性展开研究，进而干预杨树生殖发育，鲁俊倩[8]利用CRISPR/Cas9技术对杨树基因功能的研究提供技术手段。而银腺杨的解剖特性对纸张性能和制浆造纸的研究少有报道，仅有的是对其他属种的杨木进行分析[9-10]。同时木材的化学成分不仅是木材物理力学性质相关理论研究的重要参数，也可为制浆造纸研究提供理论数据。掌握木材基础材性和解剖性质，了解纤维形态参数，既可为木材性质研究及其加工利用提供理论数据，又可为木材的识别提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 试样采集

银腺杨采集于河北省保定市易县七里亭林场，易县洪崖山林管局辖区内。树高30 m，胸径约45 cm，在树高1.5 m高度上截取7 cm厚的圆盘和1 m长的短圆材。

1.2 试验方法

1.2.1 解剖特性

将圆盘通过髓心沿南北方向锯成2 cm宽的长条，将长条自上而下锯成两部分。第Ⅰ部分用来测定纤维壁腔比和组织比量；第Ⅱ部分用来测定纤维的长度和宽度、导管的长度[11]（图1）。

图1 试样锯截方法

将圆盘上制取的第Ⅰ部分长条制成尺寸为20 mm×20 mm×20 mm的小木块。将试样放入80℃水浴中软化，用滑走切片机(Lecia SM2010R)制取厚度为16 μm的切片，用1%番红溶液染色2～4 h，选取一片最好的切片（有一完整年轮、厚度适中的切片），采用网格法和图像二值化法分别测定组织比量和壁腔比，测量30次后取平均值[12-13]。

将圆盘上制取的第Ⅱ部分长条由髓心沿半径方向劈出一部分火柴杆大小试件，用30%硝酸和一些氯酸钾混合液离析。试管放到酒精灯上加热，一边加热一边振荡试管，直到试管中出现细小的如发丝状的物质，将离析液倒出后反复用蒸馏水清洗几次备用。测定时用胶头滴管吸取少量溶液挤在载玻片上，然后盖上盖玻片，放在10倍物镜、10倍目镜的光电投影仪下测定，每个试管中随机选择测定30根纤维和30根导管。

1.2.2 物理力学特性

银腺杨物理、力学性能参照GB/T1932-2009《木材干缩性测定》、GB/T 1933-2009《密度测定》、GB/T 1935-2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T1936.1-2009《木材抗弯强度测定》、GB/T1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定》、GB/T1941-2009《木材硬度试验方法》。

1.2.3 化学成分测定

银腺杨化学组分测定参照GB2677.4-1993《造纸原料水抽出物含量的测定》、GB2677.5-1993《造纸原料1%氢氧化钠抽出物含量的测定》、GB2677.6-1993《造纸原料有机溶剂抽出物含量的测定》、GB2677.8-1994《造纸原料酸不溶木素含量的测定》，纤维素含量测定采用硝酸-乙醇法[9]。

2 结果与讨论

2.1 解剖特性

纤维长度长、长宽比大，既有利于提高纸张撕裂度，还有利于纸张抗拉强度、耐破度和耐折度的提高[14-16]。由银腺杨解剖特性及组织比量测定结果（表1）可知，银腺杨纤维长度的平均值为1 213.55 μm，变化范围1 027.04～1 382.24 μm。根据木材解剖分子分级规定[17]，银腺杨纤维长度为中级。纤维宽度平均值为21.38 μm，变化范围20.98～22.03 μm，相较于纤维长度，纤维宽度变化趋于平稳。纤维长宽比是纤维的重要指标之一，并与木材的物理性质存在相关关系。银腺杨的纤维长宽比平均值为56.68，变化范围为48.62～62.73。研究表明，纤维长宽比大于33就可以很好的进行交织，并且纤维的长宽比越大，纸张的强固性能越好[18]。银腺杨纤维壁腔比平均值为0.70，变化范围为0.64～0.75。壁腔比大，纤维越柔韧，可减少纤维打浆时的帚化和崩解，从而增加纤维的沉积数量，增加纸张的强度，也可在一定程度上提高纤维的机械支撑和尺寸稳定性[14]。银腺杨导管长度变化范围为417.81～540.96 μm，根据木材解剖分子分级规定[17]，导管长度为中级。组织比量通常包括木纤维比量、木射线比量、导管比量以及轴向薄壁组织比量，杨树木材的轴向薄壁组织含量极少，测定时几乎可忽略不计。银腺杨纤维比量最小值为52.04%(＞50%)，说明银腺杨适合作为人造板原料[19]。木材组织比量主要研究木材显微构造分子数量的特征，可同木材材性建立联系。导管比量和木射线比量变化范围分别为28.40%～36.04%、11.91%～14.96%。银腺杨木射线比量低，说明年轮宽度大，年生长率高，栽培时间短。

表1 银腺杨解剖特性及组织比量测定结果

对比其他木材纤维形态可以看出（表2）[20]，在纤维长度方面：小叶杨＞银腺杨＞毛白杨＞大关杨＞加杨；在纤维宽度方面：小叶杨＞大关杨＞银腺杨＞毛白杨＞加杨；在长宽比方面：加杨＞银腺杨＞毛白杨＞大关杨＞小叶杨；在壁腔比方面：银腺杨＞小叶杨＞冀北山杨=大关杨＞加杨。与其他木材相比，银腺杨在纤维长度、长宽比及壁腔比方面上均具有优势，因此可作为优秀的造纸原料，进行定向选育和生产利用。

表2 银腺杨与其他木材纤维形态的比较

2.2 物理力学特性

由表3可知，银腺杨的气干密度、全干密度、基本密度分别为0.46、0.42、0.38 g/cm3，根据木材材性分级规定[25]，银腺杨密度等级为轻，研究表明木材用于生产纤维板和纸浆的密度为0.4～0.6 g/cm3较好，因此银腺杨可用于制浆造纸及纤维板的制备。银腺杨径向和弦向的全干干缩率分别为3.65%、7.81%，弦向干缩系数为0.26%，径向干缩系数为0.12%，弦向全干干缩率为径向的2.14倍。根据木材材性分级规定，银腺杨干缩分级为4级，在一定程度上说明了银腺杨的开裂和扭曲变形较严重，尺寸稳定性差，需在原木采伐后应进行适时合理的木材干燥，防止开裂。

表3 银腺杨物理力学性质测定结果

银腺杨抗弯强度、抗弯弹性模量分别为81.20 MPa、9.59 GPa，根据木材材性分级规定[25]，银腺杨抗弯强度和抗弯弹性模量等级均为2级。木材顺纹抗压强度是指沿木材纹理方向承受的最大载荷，其测定过程简单，并与其他力学强度指标存在着相关关系，银腺杨顺纹抗压强度为41.37 MPa，等级为2级。木材的综合强度为顺纹抗压强度和抗弯强度之和，是木材作为承重用材必须考虑的指标，银腺杨综合强度为122.57 MPa（等级为中级）。由表4可知，气干密度与力学性能呈正相关关系，皮尔森相关系数均在0.807以上。木材密度是木材物质数量的体现，因此硬度与密度相关性极高，两者的皮尔森相关系数均大于0.910。银腺杨端面硬度为5 337 N，高于弦向及径向硬度，结果与前人研究相符[26]。当银腺杨作为结构用材时，可根据不同部位硬度大小进行合理使用。

表4 银腺杨气干密度与力学性质的皮尔森相关系数

2.3 化学性能

由表5可知，银腺杨纤维素含量为50.15%，木质素含量为21.17%。牛敏[27]认为木质素在加工利用过程中（如蒸煮、漂白）需要使用化学药品，影响制浆得率，因此木素含量的测定是造纸工业重要的分析指标之一。银腺杨的冷水抽提物含量为2.48%，热水抽提物含量为3.99%，1%NaOH抽提物含量为16.97%，苯醇抽提物含量为1.96%。抽提物中含有色素、单宁以及果胶质、淀粉、多乳糖等多糖，这些物质的存在会降低木材的抗腐性能，并影响木材的渗透性、涂饰、胶合性能[28]，增加人造板生产过程中的废水污染及粘板状况，因此在生产中可添加转换剂进行改善。

表5 银腺杨化学成分测定

3 结论

银腺杨纤维长度和导管长度的分级属于中级，纤维长宽比平均值为56.68，纤维壁腔比平均值为0.70，纤维比量平均值为54.72 %，说明银腺杨可以作为制浆造纸及人造板的原料进行定向选育和生产利用。银腺杨密度等级为轻，弦向干缩系数为0.26%，径向干缩系数为0.12%，干缩分级为4级，说明银腺杨容易发生开裂和扭曲变形，应在原木采伐后应进行适时合理的干燥，防止开裂。抗弯强度、顺纹抗压强度、综合强度材性分级均为2级，当银腺杨作为结构用材时，可根据不同部位的力学性能进行合理使用；银腺杨纤维素含量高，抽提物含量低，可减少使用生产过程中的化学药品，增加制浆造纸过程中的纤维得率。