下载:
-
通过对纤维素酸解的研究，研究者得到了一种棒状晶体，其直径为5~20 nm，长度范围100 nm到几个微米，称为纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystal，CNC）[1-2]。由于CNC具有高强度、高模量、低热膨胀系数、高长径比、低密度、可再生、能生物分解等优点，被认为是继玻璃纤维、碳纤维、碳纳米管之后，又一高效增强填料，引起了研究者们的广泛关注[1-4]。近年来，已有研究人员从棉花Gossypium spp.[5]，木材[6]，稻Oryza Sativa秆[7]，麦Triticum aestivum秆[8]，醋酸菌Cusuanjun[9]等原料中提取纤维素并制备了CNC，由于原材料和酸解环境（酸种类、浓度、温度、时间等）的不同，CNC的形态尺寸也不相同。例如，由醋酸菌制备得到的CNC，直径为15 nm，长度可达几微米[9]；而由棉花制备得到的CNC，直径为5~10 nm，长度为100~200 nm[5]。五节芒Miscanthus floridulus分布广，生长速度快（生长季节为4 cm·d-1），生物量大（45 t·hm-2），再生能力非常强[12]。然而，随着人民生活水平的日益提高，五节芒的利用数量减少，导致造林难度增加，生物多样性被破坏。五节芒茎的纤维素质量分数高达47.9%[13]，可作为制备CNC的一种优质原料。如果能利用五节芒制备出高附加值的CNC，将为五节芒的高效利用提供很好的方向。因此，本研究采用正交分析法考察了硫酸质量分数、酸解温度和反应时间对CNC产率、悬浮液稳定性与形态尺寸的影响，以期为五节芒CNC的制备工艺提供理论基础。
-
五节芒（来自浙江省开化县）晒干后粉碎；冰乙酸（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司）；亚氯酸钠（80%，阿拉丁试剂公司）；硫酸（分析纯，杭州大方化学试剂厂）；无水乙醇（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司）；氢氧化钾（分析纯，西陇化工股份有限公司）。
恒温磁力搅拌油浴锅DF-II（中国金坛市杰瑞尔电器有限公司）；循环水多用真空泵SHZ-D（III）（中国海予英仪器有限公司）；TG16G离心机（中国湖南凯达科学仪器有限公司）；超声波细胞粉碎机JY98-III DN（中国宁波新芝生物科技股份有限公司）；ZetaPALS（美国Brookhaven公司）；透析袋MD44，截留分子8 000~14 000 g·moL-1，Solarbio。
-
按文献[5, 7]实验步骤，从五节芒中提取纤维素。主要步骤如下：称取30.0 g五节芒粉末置于1 000 mL烧杯中，倒入蒸馏水直至浸没，磁力搅拌下在70 ℃恒温水浴浸泡至蒸馏水明显发黄变色，用蒸馏水洗涤抽滤，以除去水溶性杂质。将所得固体与600 mL的氢氧化钾溶液（0.90 mol·L-1）充分混合，在水浴中加热至90 ℃并搅拌反应4 h，以降解半纤维素，抽滤，并用大量去离子水洗涤至滤液为中性，得到黄色絮状产物。将黄色絮状产物放入烧杯，用无水乙醇浸没，磁力搅拌4 h，除去蜡层，使更易抽滤。抽滤后将得到的产物浸入1 000 mL亚氯酸钠溶液（0.15 mol·L-1），用醋酸调节到pH 3~4，在70 ℃下水浴搅拌5 h，抽滤，并用大量去离子水淋洗至滤液呈中性，得到白色固体，此步骤目的为除去五节芒中的木质素。将上述白色固体在60 ℃烘箱中烘干后得到纤维素，称量并计算出五节芒的纤维素比率为44.7%。
-
称取烘干的五节芒纤维素2.0 g，置于20 mL硫酸溶液中，用正交分析法考察硫酸质量分数、酸解时间、酸解温度对CNC产率、形态和悬浮液稳定性的影响，正交因子见表 1。酸解后，将样品用10倍质量的去离子水稀释，并在5 000 r·min-1下离心10 min，除去大量的酸；然后将得到的离心胶体置于透析膜中透析至中性；最后，用超声波细胞粉碎机超声15 min，得五节芒CNC悬浮液。
表 1 五节芒纤维素纳米晶体(CNC)产率正交试 验结果
Table 1. Results of the Miscanthus floridulus CNC yield through orthogonal experiments
试验
号硫酸质量分
数/%酸解时间/
min反应温度/
℃CNC得率/
%1 62 30 40 39.93 2 62 45 45 51.17 3 62 60 50 39.03 4 60 30 45 39.86 5 60 45 50 41.41 6 60 60 40 35.96 7 65 30 50 26.04 8 65 45 40 34.66 9 65 60 45 25.6 k1 43.38 35.28 36.85 k2 39. 08 42.41 38.88 k3 28.77 33.53 35.5 R 14.61 8.89 3.38 P 0.03 0.06 0.35 -
用日本JEOL公司JEM-1200EX透射电子显微镜（TEM）观察CNC形貌。用滴管吸取1滴待测CNC悬浮液（0.5 g·L-1），滴在电镜铜网上，用20.0 g·L-1 醋酸双氧铀染色，干燥2 min，随后用TEM进行观察。
-
称取m1 g五节芒CNC悬浮液，置于60 ℃烘箱中干燥至恒量，称量为m2 g，由式（1）得CNC悬浮液的浓度c，再由式（2）算得CNC产率（x）。
$$c={{m}_{2}}/{{m}_{1}}$$ (1) $$x=c{{m}_{3}}/{{m}_{4}}$$ (2) 式（1）和式（2）中，m3为酸解得到的CNC悬浮液总质量；m4为酸解所用纤维素的质量。
-
采用ZetaPALS的Zeta电位测试模式表征CNC悬浮液的Zeta电位，测试条件为25 ℃，测试5个循环，取平均值。
-
采用ZetaPALS的粒径测试模式表征CNC悬浮液的颗粒尺寸，测试条件：25 ℃，持续时间6 min，测试3次，取平均值。
-
图 1为不同酸解工艺条件下制备的CNC的TEM照片，其中，图 1a的工艺条件为硫酸质量分数62%，45 ℃，45 min，CNC长度约180 nm，直径为5~15 nm；图 1b的工艺条件为硫酸质量分数62%，50 ℃，60 min，CNC长度约160 nm，直径为5~15 nm；图 1c为硫酸质量分数65%，45 ℃，60 min，CNC长度约90 nm，直径为5~10 nm。由图 1可知：用硫酸酸解法可从五节芒中成功制得CNC，制得的CNC为刚性棒状结构，而其形貌尺寸强烈依赖于工艺条件（硫酸质量分数、酸解温度和时间）。
图 1 五节芒纤维素纳米晶体(CNC)的透射电镜照片
Figure 1. TEM photographs of Miscanthus floridulus CNC
-
表 1是硫酸质量分数、酸解时间及温度对CNC产率的正交分析结果。由表 1可知：CNC产率为25%~50%。根据极差（R
）的大小顺序，硫酸酸解法制备五节芒CNC的3个工艺参数对产率的影响依次为硫酸质量分数、酸解时间、酸解温度。根据方差分析，硫酸质量分数、酸解时间、酸解温度的P值分别为0.03，0.06和0.35，表明：硫酸质量分数、酸解时间和酸解温度对CNC产率的影响分别为显著、不显著和不显著。因素平均值（k）分析表明，随着硫酸质量分数增加，CNC产率先升高后降低，在62%时出现最大值，主要是由于硫酸质量分数较低时纤维素不完全酸解和硫酸质量分数过高时纤维素的过度酸解引起的。另外，实验结果表明：当硫酸质量分数超过70％，五节芒纤维素将发生炭化，无法制得CNC。延长酸解时间，产率也出现先升高后降低，最佳时间为45 min。主要原因是硫酸酸解通过破坏纤维素无定型部分获得CNC，因此，酸解存在最佳时间。当反应时间小于最佳时间，酸解不完全，产率不高；反应时间超过最佳时间，则酸解过度，纤维素晶体部分也参与反应，CNC产率降低。酸解温度升高与酸解时间延长等效，也存在最佳反应温度，但温度对产率的影响较小。因此，CNC产率最高的生产工艺为：硫酸质量分数62%，酸解时间45 min，酸解温度45 ℃，CNC的得率为51.17%。此正交试验结果与唐丽荣等[14]用微晶纤维素制备CNC和刘志明等[15]芦苇浆制备CNC的结果基本吻合，都是硫酸质量分数对CNC 得率的影响最大，其最佳条件和产率的细微差异可能是由于纤维素原料的不同而造成的。 -
Zeta电位可用于评价悬浮液的稳定性，Zeta电位绝对值大于30.00 mV，表明体系比较稳定，Zeta电位绝对值越大，体系越稳定。本研究通过硫酸酸解法制备五节芒CNC，在酸解过程中，纤维素表面会与硫酸反应带有磺酸根负离子，CNC表面带有负电荷，所测定的Zeta电位为负值。不同工艺条件得到CNC悬浮液的Zeta电位列于表 2。由表 2可知：五节芒CNC的Zeta电位基本都在-30.00 mV以下，最低可达-54.55 mV，表明酸解得到的CNC悬浮液非常稳定。P值分析表明3个工艺条件对悬浮液稳定性的影响均不显著。R值分析可知：3个工艺参数对其稳定性的影响依次为硫酸质量分数、酸解时间和反应温度。其中，CNC的稳定性随着硫酸质量分数升高、酸解时间延长和反应温度升高而提高，这主要是硫酸质量分数越高，酸解时间越长，温度越高，反应程度越高，CNC表面生成的磺酸基团含量越高引起的。CNC悬浮液稳定性最高的实验条件为硫酸质量分数65%，酸解时间60 min，反应温度50 ℃。
表 2 五节芒CNC悬浮液的Zeta电位正交试验结果
Table 2. Results of the Miscanthus floridulus CNC suspensions Zata potential through orthogonal experiment
试验
号硫酸质量分
数/%酸解时
间/h反应温度/
℃Zata电位/
mV1 62 30 40 -39.22 2 62 45 45 -42.30 3 62 60 50 -35.74 4 60 30 45 -27.84 5 60 45 50 -47.15 6 60 60 40 -38.64 7 65 30 50 -44.87 8 65 45 40 -43.64 9 65 60 45 -54.55 k1 -39.09 -37.31 -40.50 k2 -37.88 -43.36 -41.56 k3 -47.69 -42.98 -42.59 R 9.81 7.05 2.09 P 0.52 0.69 0.96 -
动态光散射法（DLS）可测定分散于液体中颗粒的流体力学直径，虽然不能直接给出CNC的真实长度，但其结果可作为酸解CNC尺寸大小的合理参考依据。表 3给出了由DLS测定的各组CNC流体力学直径。与TEM得到的结果相比较，可发现用DLS得到的CNC长度略小于TEM的观察结果。另外，硫酸酸解法制备CNC的3个工艺参数对其流体力学直径的影响依次为硫酸质量分数、反应温度和酸解时间。k值表明：硫酸质量分数与反应温度越高，CNC流体力学直径越小；酸解时间对CNC尺寸的影响较小。P值表明：硫酸质量分数对CNC尺寸影响显著，反应温度与酸解时间对CNC尺寸影响不显著。
表 3 五节芒CNC流体力学直径正交试验结果
Table 3. Results of the Miscanthus floridulus CNC hydrodynamic diameter through orthogonal experiment
试验
号硫酸质量分
数/%酸解时
间/h反应温度/
℃流体力学直径/
nm1 62 30 40 162.5 2 62 45 45 163.8 3 62 60 50 159.7 4 60 30 45 229.5 5 60 45 50 330.4 6 60 60 40 234.8 7 65 30 50 128.8 8 65 45 40 87.2 9 65 60 45 72.6 k1 162.00 173.60 161.50 k2 264.90 193.80 155.30 k3 96.20 155.70 206.30 R 168.70 38.10 51.00 P 0.03 0.38 0.22 -
用硫酸酸解法可制得五节芒纤维素纳米晶体（CNC），其形态为刚性棒状结构，CNC悬浮液非常稳定，酸解工艺条件会显著影响CNC形态尺寸。
正交实验分析表明：3个工艺参数对CNC产率的影响依次为硫酸质量分数（P＝0.03），酸解时间（P＝0.06），反应温度（P＝0.35）；对CNC流体力学直径的影响依次为硫酸质量分数（P＝0.03），反应温度（P＝0.22）和酸解时间（P＝0.38）；对CNC悬浮液稳定性的影响均不显著。
Orthogonal experiments and analysis on cellulose nano-crystals extracted from Miscanthus floridulus
-
摘要: 为高效利用五节芒Miscanthus floridulus,通过硫酸酸解五节芒纤维素制备了纤维素纳米晶体(CNC),并采用正交分析法考察了硫酸质量分数、酸解时间和反应温度对五节芒CNC产率、悬浮液稳定性和CNC尺寸的影响。透射电镜(TEM)研究结果表明:用酸解法可成功制备五节芒CNC,CNC为刚性棒状结构,长度为100~200 nm,直径为5~15 nm,产率为25%~50%。动态光散射(DLS)和Zeta电位测试发现,五节芒CNC悬浮液的稳定性很好,DLS得到的CNC流体力学直径略小于由TEM观察到的CNC长度。正交分析表明,3个工艺参数对CNC产率的影响依次为:硫酸质量分数(P=0.03),酸解时间(P=0.06),反应温度(P=0.35);对CNC流体力学直径的影响依次为:硫酸质量分数(P=0.03),反应温度(P=0.22),酸解时间(P=0.38)。制备五节芒CNC的最优工艺条件为:硫酸质量分数(62%),酸解时间(45 min),反应温度(45℃)。Abstract: To make better use of the Miscanthus floridulus stalk,sulfuric acid hydrolysis was used to prepare an M. floridulus cellulose nano-crystal(CNC). The influence of sulfuric acid mass fraction,acid hydrolysis time,and temperature on CNC yield,suspension stability,and particle size were analyzed through orthogonal experiments to determine the optimal reaction condition. CNC morphology and its suspension stability were studied using transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS). Results showed M. floridulus CNC had a rod-like structure 100-200 nm in length and 5-15 nm in diameter with yield ranging from 25%-50%. Zeta potential results revealed that M. floridulus CNC suspensions were stable,and the hydrodynamic diameter of CNC measured with DLS was slightly shorter than that measured by TEM images. The orthogonal analysis for CNC yield showed that the order of the effect from the three factors was sulfuric acid mass fraction (P=0.03)> acid hydrolysis time (P=0.06)> temperature (P=0.35);for CNC particle size,the order of the effect from the three factors was sulfuric acid mass fraction (P=0.03)> acid hydrolysis temperature (P=0.22)> time (P=0.38). In summary,the optimal reaction condition for preparing M. floridulus CNC was sulfuric acid mass fraction (62%),hydrolysis time (45 min) and temperature (45℃).
-
Key words:
- wood science and technology /
- Miscanthus floridulus /
- acid hydrolysis /
- cellulose nano-crystal /
- yield /
- Zeta potential
-
近年来，全球气候的持续变化加剧了干旱对森林的威胁[1]。以往研究表明：水力安全阈值(导水率损失50%时的水势与最小水势差)与年均降水量无关，这意味着干旱引发的森林衰退存在全球趋同现象[2]。在严重干旱后的数年内，植物普遍存在生长缓慢和恢复不完全的遗留效应，植物生长强弱根据水力安全阈值而异[2-3]，生长在湿润地区的植物受遗留效应的影响，恢复能力较弱，难以在未来更为频繁的干旱威胁下正常生长，从而导致湿润区生态系统的永久损伤，并进一步造成森林碳汇的普遍退化[4]。通过对湿润区不同水分环境植物的研究，有助于理解水分有效性对湿润区植物生存策略的影响。
水力失效是干旱期间植物生产力下降和死亡的主要原因[5]。水分供需矛盾的加剧迫使更多空气进入木质部管道，由此产生的栓塞阻碍了植物的水分运输，最终导致水力失效。植物的输水效率常通过植物茎的比导率(Ks)来衡量[6]，湿润生境下的植物倾向于最大化输水效率而非增加木质部对栓塞的抵抗力以满足生长需求[7]。栓塞抗性(植物导水率损失50%的水势，P50)常用来表征植物应对干旱的能力[6]。研究表明：植物的栓塞抗性与干旱胁迫强度呈正相关[2, 8]。当水势降至P50以下时，木质部栓塞加速，水力运输功能明显受阻。通过对水力性状的研究，有助于描述不同植物水力策略的范围，进而深入理解植物的驱动因素[9]。
裸子植物和被子植物的木质部结构差异较大[10-11]，管胞在运输和支撑方面发挥作用，导管则仅具有运输功能。依赖纤维提供木材强度[12-13]，厚度跨度比及纹孔形态作为管壁的重要特征，与栓塞抗性密切相关[14]。输水效率由管腔面积及管道密度决定。根据Hagen-Poiseuill定律[15]，木质部管腔面积分数的减少可以通过增大管道尺寸弥补。相比由管胞构成的裸子植物木质部，被子植物复杂的木质部结构可独立改变导管结构以优化运输，为机械强度或储存功能提供更大的木质部空间[16]。
环境水分有效性对植物的水力策略具有选择性，从而驱动植物群落的分布[17]。本研究通过比较7种裸子植物和7种被子植物在不同生境下的栓塞抗性、输水效率和解剖结构的性状差异，探究植物水力性状与木质部解剖结构的关系，以期为研究湿润区亚热带植物在不同水分条件下的水力适应策略提供参考。
1. 研究区概况
研究区位于浙江省杭州市临安区，该区地处中亚热带向北亚热带过渡区域，四季分明，区内年平均气温为8.8~14.8 ℃，年降水量为1 390~1 870 mm，无霜期为209~235 d，相对湿度为76%~81%。在研究区内选择自然和人工生境进行植物样本采集(表1)。自然生境位于西天目山景区，除自然降水外无额外灌溉。植被类型以常绿-落叶阔叶混交林为主，除研究树种外(表2)，其他常见树种有北美香柏Thuja occidentalis、短尾柯Lithocarpus brevicaudatus、榧树Torreya grandis和榉树Zelkova serrata等。人工生境为浙江农林大学植物园，相比自然生境土壤水分有效性高，人工灌溉充分。除研究树种外(表2)，其他常见树种有枫香Liquidambar formosana、桂花Osmanthus fragrans、冬青Ilex chinensis、垂柳Salix babylonica和竹柏Podocarpus nagi等。
表 1 自然和人工生境的基本特征Table 1 Basic characteristics for study sites in natural and artificial habitats生境 经纬度 海拔/m 坡向 坡度/(°) pH 生长季土壤含水量/% 自然生境 30°26′N, 119°73′E 400~450 西南 9~12 4.85±0.16 29.53±1.21 人工生境 30°15′N, 119°43′E 51~74 西南 15~20 5.23±0.12 35.98±1.22 说明：pH和生长季土壤含水量数值为平均值±标准误(n=3) 表 2 7种裸子植物和7种被子植物基本概况Table 2 Basic overview of 7 species of gymnosperms and 7 species of angiospermae植物 科 植物 生长习性 生活型 裸子植物 杉科 Taxodiaceae 柳杉 Cryptomeria japonica 落叶 乔木 松科 Pinaceae 金钱松 Pseudolarix amabilis 落叶 乔木 杉科 Taxodiaceae 落羽杉 Taxodium distichum 落叶 乔木 杉科 Taxodiaceae 杉木 Cunninghamia lanceolata 常绿 乔木 松科 Pinaceae 雪松 Cedrus deodara 常绿 乔木 柏科 Cupressaceae 日本扁柏 Chamaecyparis obtusa 常绿 乔木 杉科 Taxodiaceae 北美红杉 Sequoia sempervirens 常绿 乔木 被子植物 槭树科 Aceraceae 三角槭 Acer buergerianum 落叶 乔木 大戟科 Euphorbiaceae 重阳木 Bischofia polycarpa 落叶 乔木 胡桃科 Juglandacea 青钱柳 Cyclocarya paliurus 落叶 乔木 壳斗科 Fagaceae 青冈 Cyclobalanopsis glauca 常绿 乔木 木犀科 Oleaceae 女贞 Ligustrum lucidum 常绿 乔木 木兰科 Magnoliaceae 广玉兰 Magnolia grandiflora 常绿 乔木 樟科 Lauraceae 樟树 Cinnamomum bodinieri 常绿 乔木 2. 材料与方法
2.1 材料
2021年4—6月，在不同生境下选取生长状况良好的7种裸子植物和7种被子植物作为目标物种(表2)。选择同一生境下立地条件基本一致，且胸径、树高、树龄、冠幅等相近的同一植物15~21株。在天气晴朗的8:00—11:00采集枝条，所选枝条均位于树体南部外层和树冠中部。每株随机截取3~5个枝条，所剪枝条基部直径为6~8 mm，长为15~30 cm。剪取后迅速放入装有水的黑色收纳箱中(防止水分散失和外界空气等进入被切开的导管内)，立即带回实验室，进行水力功能性状和结构性状的测定。
2.2 研究方法
2.2.1 导水率与栓塞抗性
采回样品在水中暗适应30~60 min后，在水下再次剪短样品，并修平切口。裸子植物剪取枝段平均长度为134.23 mm，平均直径为4.95 mm，被子植物剪取枝段平均长度为160.04 mm，平均直径为5.47 mm。本研究采用空气注入法构建枝段脆弱性曲线，具体如下：将枝段放入压力腔，并将枝段近轴端连接到木质部导水率与栓塞测量系统XYL’EM-Plus (Bronkhorst, Montigny-les-Cormeilles, 法国)。使用测量溶液20 mmol·L−1 氯化钾+1 mmol·L−1 氯化钙[18]，在高压(120 kPa)下反复冲刷枝段10 min至最大导水率不再变化，以确保潜在栓塞被去除。在低压(6 kPa)下测量枝段的最大导水率(Kmax，kg·m·s−1·MPa−1)[19]。在确定Kmax后，对枝段施加压力2 min，用测量Kmax的方法测量相应的导水率(Kh，kg·m·s−1·MPa−1)。该过程以0.2~0.3 MPa的增量重复进行(取决于植物)，直到导水率损失(PLC)至少达到90%[20]。采用XylWin 3.2软件(Bronkhorst, Montigny-les-Cormeilles, 法国)对其导水数据进行分析。比导率(Ks，kg·s−1·m−1·MPa−1)作为输水效率指标，通过Kmax除以无髓和树皮的基部边材横截面积得到[19]。导水率损失百分比计算如下：PLC=(1−Kh/Kmax)×100%[21]。导水率损失50%时的水势(P50)作为本研究的栓塞抗性指标。
2.2.2 木质部解剖结构
从测定导水率的枝段上截取0.5 cm长小段样品，固定软化后，采用石蜡切片法制成永久切片，所用样品的横切面用Leica DM 3000显微镜在50和400倍镜下摄像，所有样品的纵切面在400倍镜下摄像。用Image J图像处理软件分析照片，测量管胞壁厚度(μm)及导管壁厚度(μm)，并计算管胞水力直径(μm)、导管水力直径(μm)、管胞密度(个·mm−2)、导管密度(个·mm−2)、厚度跨度比。根据文献[22]计算管胞水力直径和导管水力直径。管胞密度和导管密度分别通过横截面管胞数量和导管数量除以横截面面积得到。管胞壁和导管壁厚度跨度比具体测量方法可参考相关文献[14, 23]。
2.2.3 木质部密度
从测定导水率的枝段上截取3根3~5 cm的小枝段，用于木质部密度(WD, g·cm−3)测量。参考文献[24]方法：用刀片除去枝段样品树皮，利用阿基米德原理确定样品的新鲜体积(V，cm3)；测得体积后，将样品置于75 ℃烘箱烘48 h，测得干质量(W，g)，则WD=W/V。
2.2.4 数据分析
图表制作与统计分析利用R软件(version 3.5.3)。同一植物在不同生境下各水力性状和解剖结构性状的差异，在除去异常值后，在种内进行t检验。植物枝水力性状与解剖结构性状间的关系采用Pearson相关性分析。文中所有数值为平均值±标准误。
3. 结果与分析
3.1 植物水力功能性状
在植物输水效率方面，自然生境下6种被子植物的Ks显著大于人工生境(P＜0.05，图1A)，且被子植物Ks的均值显著大于人工生境(P＜0.05，图1B)。在栓塞抗性方面，自然生境下7种被子植物的P50均显著小于人工生境(P＜0.05，图1C)，且被子植物P50的均值显著小于人工生境(P＜0.05，图1D)。
图 1 自然与人工生境下7种被子植物的水力功能性状Figure 1 Hydraulic functional characteristics of 7 species of angiosperms in natural and artificial habitats在植物输水效率方面，自然生境下5种裸子植物的Ks显著大于人工生境(P＜0.05，图2A)，但裸子植物Ks的均值在不同生境间差异不显著(P＞0.05，图2B)。在栓塞抗性方面，自然生境下6种裸子植物的P50显著小于人工生境(P＜0.05，图2C)，且裸子植物P50的均值显著小于人工生境(P＜0.05，图2D)。
图 2 自然与人工生境下7种裸子植物的水力功能性状Figure 2 Hydraulic functional characteristics of 7 species of gymnosperms in natural and artificial habitats对14种被子植物和裸子植物的输水效率和栓塞抗性比较发现：自然生境植物的Ks均值显著大于人工生境(P＜0.05，图3A)，自然生境植物的P50显著小于人工生境(P＜0.05，图3B)。
图 3 不同生境下14种植物的水力功能性状Figure 3 Hydraulic functional characteristics of 14 studied plants in different habitats3.2 木质部解剖结构
从被子植物的解剖结构可以看出：自然生境下5种被子植物的水力直径显著大于人工生境(P＜0.05，图4A)；5种被子植物的导管壁厚度显著小于人工生境(P＜0.05，图4B)；5种被子植物的厚度跨度比显著小于人工生境(P＜0.05，图4C)；樟树、青钱柳、女贞的导管密度显著小于人工生境，其余4种被子植物则相反(P＜0.05，图4D)；不同生境下，三角槭、青钱柳、女贞的木质部密度无显著差异，重阳木、樟树、广玉兰的木质部密度显著小于人工生境，青冈的木质部密度显著大于人工生境(P＜0.05，图4E)。
图 4 自然与人工生境下7种被子植物的木质部解剖结构特征Figure 4 Characteristics of xylem anatomical structure of 7 species of angiosperms in natural and artificial habitats从裸子植物的解剖结构可以看出：自然生境雪松、落羽杉、北美红杉的水力直径显著小于人工生境，柳杉、杉木、金钱松的水力直径显著大于人工生境(P＜0.05，图5A)；柳杉、杉木、北美红杉的管胞壁厚度显著大于人工生境，日本扁柏、金钱松、落羽杉的管胞壁厚度显著小于人工生境(P＜0.05，图5B)；柳杉、杉木、北美红杉的厚度跨度比显著大于人工生境，日本扁柏、金钱松、落羽杉的厚度跨度比显著小于人工生境(P＜0.05，图5C)；雪松、柳杉、日本扁柏的导管密度显著大于人工生境，杉木、金钱柳、北美红杉的导管密度显著小于人工生境(P＜0.05，图5D)；雪松、金钱松的木质部密度均显著大于人工生境，杉木、日本扁柏、落羽杉的木质部密度均显著小于人工生境(P＜0.05，图5E)。
图 5 自然与人工生境下7种裸子植物的木质部解剖结构特征Figure 5 Characteristics of xylem anatomical structure of 7 species of gymnosperms in natural and artificial habitats3.3 水力功能性状与解剖结构性状的相关性
被子植物水力功能性状与木质部解剖结构性状相关性分析表明(图6A和图6B)：自然生境下，导管密度、厚度跨度比与Ks和P50均呈正相关，其中导管密度与Ks、P50相关极显著(P＜0.01)。水力直径、导管壁厚度、木质部密度与Ks和P50均呈负相关，其中水力直径与Ks、P50相关极显著(P＜0.01)；人工生境下，水力直径、导管壁厚度与Ks和P50均呈正相关关系，且相关极显著(P＜0.01)，厚度跨度比、导管密度、木质部密度与Ks及P50均呈负相关，除厚度跨度比外，其他指标间相关性均极显著(P＜0.01)。此外，被子植物的水力直径与Ks和P50在自然生境均为负相关，在人工生境则均为正相关，导管密度与Ks和P50在自然生境均为正相关，在人工生境则均为负相关。
图 6 被子植物和裸子植物水力功能性状与解剖结构性状的相关性Figure 6 Correlation analysis between hydraulic function and anatomical structure traits of angiosperms and gymnosperms.裸子植物水力功能性状与木质部解剖结构性状相关性分析表明(图6C和图6D)：自然生境下，水力直径与Ks呈显著正相关(P＜0.01)，与P50呈显著负相关(P＜0.01)。管胞密度与Ks呈显著负相关(P＜0.01)，与P50则呈显著正相关(P＜0.01)；人工生境下，水力直径与Ks正相关，与P50负相关，且与Ks、P50相关性均极显著(P＜0.01)，其余性状与Ks均呈负相关(P＜0.05)，与P50均正相关，其中厚度跨度比、导管密度、木质部密度与P50相关显著(P＜0.05)。此外，裸子植物水力直径、管胞密度在不同生境下均与Ks、P50保持一致相关性，其中水力直径与Ks呈显著正相关(P＜0.05)，与P50呈显著负相关(P＜0.05)。管胞密度与Ks呈极显著负相关(P＜0.01)，与P50呈极显著正相关(P＜0.01)。
4. 讨论
4.1 不同生境植物水力性状与解剖结构的差异
以往研究表明：相比于干燥环境，水分充足环境下的同一植物的Ks通常较高[2, 7]。本研究中，除被子植物青钱柳及裸子植物落羽杉、北美红杉外，自然生境中植物的Ks显著大于人工生境，表明自然生境的植物拥有更高的输水效率，这与上述研究结果一致。MAHERALI等[25]指出：相比于高山环境，西黄松Pinus ponderosa在沙漠环境的Ks较高；MAHERALI等[26]研究表明：落叶被子植物Ks随生境降水量的降低而增加，因此植物通过增加输水效率以适应相对干旱环境的生存策略可能较为普遍。Hagen-Poiseuill定律表明：更高的输水效率需要较大的导管直径以满足功能需求[15]，然而本研究植物较大的水力直径并未与更高的输水效率一一对应，与上述定律存在一定的偏差[27]。
植物的栓塞抗性受环境控制的假设已被证实[20, 28]。通常认为，植物的栓塞抗性随栖息地干旱程度的加剧而增加[2, 8]。本研究中除裸子植物落羽杉外，植物的栓塞抗性在自然生境显著较低，表明人工生境植物的栓塞抗性更强，这与HAJEK等[29]研究结果一致。不同生境同一植物的栓塞抗性差异显著[2]，这与先前报道植物的栓塞抗性可塑性较低不符[30-31]，生境干旱水平对植物栓塞抗性的预测亦存在偏差[32]，栓塞抗性可能与生境水分差异无关[33]。通常植物栓塞抗性的强弱与木质部机械强度息息相关，厚度跨度比可独立于导管直径而变化，因此相比于木质部密度，厚度跨度比对植物栓塞抗性的预测效果更好[14, 23]。本研究结果与上述观点一致，厚度跨度比能更好指示栓塞抗性在不同生境的强弱。
水分条件的差异促使植物采取不同的水力策略。本研究中，自然生境下的植物通过提高输水效率以满足蒸发需求的加剧[25-26]，减轻对栓塞抗性的依赖[34]。表明栓塞抗性并非唯一的抗旱手段，植物亦可通过有效的性状组合应对干旱胁迫[33, 35]，尽管这将迫使植物更接近其自身的功能极限[2]。落羽杉、北美红杉均为杉科植物，两者在应对持续水分胁迫后脱落酸(ABA)含量较低[36]。先前研究表明[37]：当植物处于轻度水分胁迫且脱落酸水平较低时，导水效率会相应提升，这可能意味着湿润区人工生境同样面临着干旱威胁。
4.2 水力性状与解剖结构的关系
人工生境被子植物的水力直径、导管密度与Ks、P50间存在显著相关性，这可能是纤维对木质部机械强度的驱动所造成[38]，纤维与导管的功能差异可能导致输水效率与机械支持解隅[39]，使植物在提升输水效率的同时最大化木质部安全投资。裸子植物木质部多达90%由管胞构成，管胞具有水力运输和机械支持的功能[12, 16]，本研究中裸子植物的水力直径、管胞密度在不同生境下的相关性均与Ks、P50保持一致，可能与裸子植物的稳定组织结构有关。其中管胞水力直径与Ks的关系符合Hagen-Poiseuill定律[15]，且更宽的管胞往往更长，管胞的输水效率随管胞直径和长度的增加而增加[40]。此外，不同生境下裸子植物的厚度跨度比与管胞水力直径呈显著负相关，与管胞壁厚度呈显著正相关，表明裸子植物是通过缩小管胞直径而非管胞壁厚度以实现机械强度的增加[41]。本研究中裸子植物的管胞密度均与不同生境Ks呈显著负相关，与P50呈显著正相关，这与上述观点一致。拥有较小管胞直径、较大管胞密度的裸子植物，其栓塞抗性可能更强[28]。具有较高机械强度的植物其栓塞抗性通常较强[14]。本研究中自然生境下植物的P50变异范围较小，这可能导致P50变异与解剖特征无关[31]。此外，被子植物木材结构属性在一定程度决定了P50的变异[42]，针对木质部不同组织结构的投资亦会对P50的变异产生影响[14, 35]，这些因素在一定程度上解释了人工生境下被子植物的厚度跨度比与P50的负相关关系。本研究中除自然生境被子植物外，不同物种、生境下的水力直径均与Ks呈显著正相关。尽管植物平均导管直径和导管密度存在显著差异，但导管横截面积差异可能较小[38]，自然生境下被子植物导管腔面积分数的差异可能导致输水效率并未与水力直径相对应[43]。
5. 结论
湿润区裸子植物和被子植物在同一生境的水分利用策略相似，自然生境水分有效性较低，植物通过提高输水效率以避免水势的下降，从而降低潜在栓塞风险。裸子植物与被子植物木质部结构与功能的差异可能是同一生境下植物水分策略存在差异的主要原因，导致不同水分环境对植物的驱动差异。植物性状对植物水分策略具有一定指示作用，厚度跨度比在本研究中能较好预测植物栓塞抗性在不同生境的强弱，对植物性状更为深入的研究将有助于提升对植物群落分布的理解。
-
表 1 五节芒纤维素纳米晶体(CNC)产率正交试 验结果
Table 1. Results of the Miscanthus floridulus CNC yield through orthogonal experiments
试验
号硫酸质量分
数/%酸解时间/
min反应温度/
℃CNC得率/
%1 62 30 40 39.93 2 62 45 45 51.17 3 62 60 50 39.03 4 60 30 45 39.86 5 60 45 50 41.41 6 60 60 40 35.96 7 65 30 50 26.04 8 65 45 40 34.66 9 65 60 45 25.6 k1 43.38 35.28 36.85 k2 39. 08 42.41 38.88 k3 28.77 33.53 35.5 R 14.61 8.89 3.38 P 0.03 0.06 0.35 
下载: 导出CSV
表 2 五节芒CNC悬浮液的Zeta电位正交试验结果
Table 2. Results of the Miscanthus floridulus CNC suspensions Zata potential through orthogonal experiment
试验
号硫酸质量分
数/%酸解时
间/h反应温度/
℃Zata电位/
mV1 62 30 40 -39.22 2 62 45 45 -42.30 3 62 60 50 -35.74 4 60 30 45 -27.84 5 60 45 50 -47.15 6 60 60 40 -38.64 7 65 30 50 -44.87 8 65 45 40 -43.64 9 65 60 45 -54.55 k1 -39.09 -37.31 -40.50 k2 -37.88 -43.36 -41.56 k3 -47.69 -42.98 -42.59 R 9.81 7.05 2.09 P 0.52 0.69 0.96
下载: 导出CSV
表 3 五节芒CNC流体力学直径正交试验结果
Table 3. Results of the Miscanthus floridulus CNC hydrodynamic diameter through orthogonal experiment
试验
号硫酸质量分
数/%酸解时
间/h反应温度/
℃流体力学直径/
nm1 62 30 40 162.5 2 62 45 45 163.8 3 62 60 50 159.7 4 60 30 45 229.5 5 60 45 50 330.4 6 60 60 40 234.8 7 65 30 50 128.8 8 65 45 40 87.2 9 65 60 45 72.6 k1 162.00 173.60 161.50 k2 264.90 193.80 155.30 k3 96.20 155.70 206.30 R 168.70 38.10 51.00 P 0.03 0.38 0.22
下载: 导出CSV
-
[1] SAMIR A M A S,ALLOIN F,DUFRESNE A. Review of recent research into cellulosic whiskers,their properties and their application in nanocomposite field[J]. Biomacromolecules,2005,6(2):612-626. [2] HABIBI Y,LUCIA L A,ROJAS O J. Cellulose nanocrystals:chemistry,self-assembly,and applications[J]. Chem Rev,2010,110(6):3479-3500. [3] EICHHORN S J. Cellulose nanowhiskers:promising materials for advanced applications[J]. Soft Matter,2011,7(2):303-315. [4] LAM E,MALE K B,CHONG J H,et al. Applications of functionalized and nanoparticle-modified nanocrystalline cellulose[J]. Trends Biotechnol,2012,30(5):283-290. [5] WU Qiang,MENG Yujie,CONCHA K,et al. Influence of temperature and humidity on nano-mechanical properties of cellulose nanocrystal films made from switchgrass and cotton[J]. Ind Crop Prod,2013,48:28-35. [6] RAMANEN P,PENTTILA P A,SVEDSTROM K,et al. The effect of drying method on the properties and nanoscale structure of cellulose whiskers[J]. Cellulose,2012,19(3):901-912. [7] LU Ping,HSIEH Y. Preparation and characterization of cellulose nanocrystals from rice straw[J]. Carbohyd Polym,2011,87(1):564-573. [8] RAHIMI M,BEHROOZ R. Effect of cellulose characteristic and hydrolyze conditions on morphology and size of nanocrystal cellulose extracted from wheat straw[J]. Int J Polym Mater,2011,60(8):529-541. [9] STURCOVA A,DAVIES G R,EICHHORN S J. Elastic modulus and stress-transfer properties of tunicate cellulose whiskers[J]. Biomacromolecules,2005,6(2):1055-1061. [10] FEDORS R F. A method for estimating both the solubility parameters and molar volumes of liquids. Supplement[J]. Polym Eng Sci,1974,14(6):472-472. [11] SIMHA R. The influence of brownian movement on the viscosity of solutions[J]. J Phys Chem,1940,44(1):25-34. [12] 赵佳美,胡勇庆,钱少平,等. 五节芒茎秆微观构造及结晶度研究[J]. 浙江农林大学学报,2012,29(3):426-430. ZHAO Jiamei,HU Yongqing,QIAN Shaoping,et al. Microstructure and crystallinity of the Miscanthus floridulus culm[J]. J Zhejiang A & F Univ,2012,29(3):426-430. [13] 曾汉元,宋荣,吴林华. 5种高大禾草的纤维素和木质素含量的测定[J]. 安徽农业科学,2011,39(19):11660,11774. ZENG Hanyuan,SONG Rong,WU Linhua. Determination of cellulose and lignin contents in five species of high grass[J]. J Anhui Agric Sci,2011,39(19):11660, 11774. [14] 唐丽荣,黄彪,戴达松,等. 纳米纤维素制备优化及其形貌表征[J]. 福建林学院学报,2010,30(1):88-91. TANG Lirong, HUANG Biao, DAI Dasong,et al. Optimum process conditions of nanocellulose crystal and morphology characterization[J]. J Fujian Coll For,2010,30(1):88-91. [15] 刘志明,谢成,方桂珍,等. 芦苇浆纳米纤维素的制备工艺条件优化及形貌分析[J]. 林产化学与工业,2011,31(6):87-90. LIU Zhiming,XIE Cheng,FANG Guizhen,et al. Preparation optimization and morphology analysis of nanocrystalline cellulose from reed pulp[J]. Chem Ind For Prod,2011,31(6):87-90. 期刊类型引用(2)
1. 徐永杰，徐雅雯，王代全，王其竹，付亚男，方立军，黄发新. 高接换种对核桃枝条和根系生理特征的影响. 中国农学通报. 2024(13): 55-59 . 
百度学术2. 吴青松，刘英卉，李硕，李盼盼，张友民. 乌苏里鼠李茎叶的解剖结构及其生态适应性. 植物研究. 2023(03): 461-469 . 百度学术其他类型引用(6)
-
-
链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2014.03.011
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 2714
- HTML全文浏览量: 434
- PDF下载量: 593
- 被引次数: 8
