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引种美国红橡的纤维形态、微纤丝角及结晶度

李聪聪 潘彪 王慧 黄利斌

李聪聪, 潘彪, 王慧, 黄利斌. 引种美国红橡的纤维形态、微纤丝角及结晶度[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(1): 158-164. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
引用本文: 李聪聪, 潘彪, 王慧, 黄利斌. 引种美国红橡的纤维形态、微纤丝角及结晶度[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(1): 158-164. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
LI Congcong, PAN Biao, WANG Hui, HUANG Libin. Fiber morphology, microfibril angle and crystallinity of American red oak introduced[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(1): 158-164. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
Citation: LI Congcong, PAN Biao, WANG Hui, HUANG Libin. Fiber morphology, microfibril angle and crystallinity of American red oak introduced[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(1): 158-164. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021

引种美国红橡的纤维形态、微纤丝角及结晶度

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
基金项目: 

江苏省科技计划项目 BE2015370

详细信息
    作者简介: 李聪聪, 从事木材解剖研究。E-mail:976940379@qq.com
    通信作者: 潘彪, 教授, 从事木材材性改良及木材解剖研究。E-mail:panbiao@njfu.edu.cn
  • 中图分类号: S781.3

Fiber morphology, microfibril angle and crystallinity of American red oak introduced

图(3) / 表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-14
  • 修回日期:  2019-06-20
  • 刊出日期:  2020-02-20

引种美国红橡的纤维形态、微纤丝角及结晶度

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
    基金项目:

    江苏省科技计划项目 BE2015370

    作者简介:

    李聪聪, 从事木材解剖研究。E-mail:976940379@qq.com

    通信作者: 潘彪, 教授, 从事木材材性改良及木材解剖研究。E-mail:panbiao@njfu.edu.cn
  • 中图分类号: S781.3

摘要:   目的   为引种栎木的科学利用提供理论依据。  方法   以14年生美国红橡纳塔栎Quercus nuttallii、水栎Quercus nigra、舒玛栎Quercus shumardii为对象,采用富兰克林解离法及X-射线衍射法(XRD)研究其纤维形态、微纤丝角及结晶度,并对数据进行方差分析及回归分析。  结果   3种美国红橡纤维长度分别为1 172.14、1 178.68和1 162.45 μm,纤维宽度分别为15.86、16.56和16.91 μm,种间差异均不显著(P>0.05);双壁厚度分别为10.23、11.19和10.96 μm,壁腔比分别为1.85、2.10和1.91,种间差异均显著(P < 0.05);3种美国红橡的微纤丝角分别为33.79°、30.48°和34.10°,结晶度分别为51.35%、53.30%和52.97%,种间均具有极显著差异(P < 0.01)。3种美国红橡纤维长度、宽度、双壁厚、壁腔比以及结晶度均随生长轮的增加呈增长趋势,微纤丝角随生长轮的增加呈下降趋势,并且年轮间存在着一定的波动。  结论   14年生纳塔栎、水栎和舒玛栎纤维尺寸、微纤丝角、结晶度径向变化尚未稳定,仍处于幼龄期。纤维长度、宽度、双壁厚及微纤丝角与生长轮有较好的拟合关系。

English Abstract

李聪聪, 潘彪, 王慧, 黄利斌. 引种美国红橡的纤维形态、微纤丝角及结晶度[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(1): 158-164. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
引用本文: 李聪聪, 潘彪, 王慧, 黄利斌. 引种美国红橡的纤维形态、微纤丝角及结晶度[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(1): 158-164. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
LI Congcong, PAN Biao, WANG Hui, HUANG Libin. Fiber morphology, microfibril angle and crystallinity of American red oak introduced[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(1): 158-164. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
Citation: LI Congcong, PAN Biao, WANG Hui, HUANG Libin. Fiber morphology, microfibril angle and crystallinity of American red oak introduced[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(1): 158-164. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.021
  • 木材作为环境友好型的绿色原材料,是国民经济发展的基础材料。为坚持生态发展战略,中国林业相关部门启动了一批重点生态工程,在天然林保护的同时,大力发展人工林种植。随着国内民众生态意识的增强和国家森林保护力度的加大,木材刚性需求增加,木材的对外依赖度达到了近50%。据测算,到2020年,中国木材年需求量将达到8亿m3,对大径材和珍贵树种用材需求也会大幅增加[1]。引进国外优良树种是提高林业生产力、填补国内名特优新经济林、满足人们对林产品需求的有效途径,对于在短期内实现有效供给、缓解木材及林产品的供需矛盾,实现可持续发展,具有十分重要的意义。中国土壤气候条件与北美相似,引种美国红橡树种具有得天独厚的优势。引种树种能在短时间内增加当地的植物种类,树种的合理布局和应用,对弥补优质用材资源不足有重要意义。橡树又称栎树,是壳斗科Fagaceae栎属Quercus树种的统称,用途广泛,材质优异,是优质商品材和燃料的重要来源[2]。中国自1998年开展北美栎树种质资源引种与栽培研究,对引种试验、引种树苗抗逆性[3]研究较多,为栎类树种引进开发利用提供了理论基础。纤维形态特征与木材生长状况以及强度、密度以及物理、力学性质有密切关系,可用来进行木材的材性预测。微纤丝角在一定程度上可以反映木材的物理和力学性质,如木材的尺寸稳定性、干缩湿胀及弹性模量、强度和蠕变特性等,是评价木材品质性能和良种选育的重要依据[4]。木材的结晶度与木材密度、强度、尺寸稳定性存在着正相关关系[5],研究结晶度有助于了解木材解剖结构与其性质之间联系。本研究以纳塔栎Quercus nuttallii、水栎Quercus nigra和舒玛栎Quercus shumardii为对象,比较了3种美国红橡纤维形态、微纤丝角和结晶度的异同,以期为引种栎木的科学利用提供理论依据,为更大范围引种栽培提供理论基础。

    • 根据GB/T 1927-2009《木材物理力学试材采集方法》采集试样[6]。选取14年生纳塔栎、水栎、舒玛栎各4株;其中纳塔栎、水栎采自江苏省林业科学研究院句容苗圃(年平均气温为15.2 ℃,年降水量为1 058.8 mm)。纳塔栎平均树高为8.48 m,平均胸径为19.28 cm;水栎平均树高为10.68 m,平均胸径为15.38 cm;舒玛栎采自于南京彩树种植有限公司江宁区种植基地(年平均气温为15.4 ℃,年降水量为1 200.0 mm),平均树高为11.70 m,平均胸径为15.20 cm。

    • 将样木自胸高处圆盘锯解,立即沿南北向自髓心向外逐年切取样块并依次编号,由于第1,2年轮宽度较窄,合并为1个样品。将各标号木块切成火柴棍大小,每个年轮制4组平行样。用富兰克林离析法[7]离析细胞,制成临时切片,置于普通光学显微镜下;随机测量50个细胞长度、宽度和腔径,计算双壁厚、壁腔比。结果取平均数。

    • 将3种样木按1.2.1制成厚度约为2 mm的试样,采用Ultima Ⅳ组合型多功能水平X-射线衍射仪(XRD)按Cave 0.6T法[8]测量试材微纤丝角。结果取平均数。

    • 将3种样木按1.2.1制成火柴棍大小试样,磨成80~100目木粉,室温下压成薄片后测定木材结晶度,同时分析木材2θ衍射强度曲线。计算结果取平均数。木材纤维的衍射强度在2θ=22°是极大值,其积分强度用I002表示;在2θ=18°附近出现波谷,是木材纤维中无定形区衍射的散射强度,其积分强度用Iam表示。相对结晶度(ICr)公式[9]如下:ICr=100×(I002-Iam)/I002

    • 试验数据采用Excel 2013进行方差分析及回归分析,Origin软件作图。

    • 表 1可知:纳塔栎纤维长度径向变化范围为1 032.46~1 255.46 μm,平均值为(1 172.14±86.88)μm;水栎纤维长度径向变化范围为1 018.04~1 281.27 μm,平均值为(1 178.68±95.54)μm;舒玛栎纤维长度径向变化范围为1 010.34~1 292.56 μm,平均值为(1 162.45±112.67)μm。其中,舒玛栎的平均纤维长度最短,纳塔栎和水栎之间差异较小,三者栎木纤维长度种间不具有显著差异(P>0.05)。按照国际木材解剖学家协会理事会发布的纤维长度分级标准(<0.9 mm的属于短纤维,0.9~1.6 mm的属于中等纤维,>1.6 mm的属于长纤维),3种栎木纤维均属于中等纤维,大于62年生蒙古栎Q. mongolica纤维平均长度(1 001.20 μm)[10],与40年生欧洲栓皮栎Q. suber(960.00~1 220.00 μm)[11]、33年生冬青栎Q. ilex(1 103.00 μm)及24年生深红栎Q. coccifera纤维平均长度(1 116.00 μm)相近[12]。由图 1A可见:3种栎木纤维长度从髓心至树皮方向总体呈上升趋势,但径向变化尚未趋于稳定,说明树木仍处于幼龄期。

      表 1  纤维形态的比较分析

      Table 1.  Comparative analysis of fiber morphology

      树种 纤维长度 纤维宽度 双壁厚 壁腔比
      变化范围/μm 平均值/μm 变异系数/% P 变化范围/μm 平均值/μm 变异系数/% P 变化范围/μm 平均值/μm 变异系数/% P 变化范围/μm 平均值/μm 变异系数/% P
      纳塔栎 1 032.46~1 255.46 1 172.14±86.88 7.41 14.14~17.69 15.86 ± 1.11 7.02 8.77~11.67 10.23 ± 0.91 8.89 1.55~2.32 1.85 ± 0.26 13.97
      水栎 1 018.04~1 281.27 1 178.68 ± 95.54 8.11 0.941 560 15.53~17.34 16.56 ± 0.70 4.24 0.062 224 10.65~12.15 11.19 ± 0.54 4.85 0.028 812* 1.68~2.44 2.10 ± 0.23 10.97 0.035 464*
      舒玛栎 1010.34~1 292.56 1 162.45 ± 112.67 9.69 15.43~18.51 16.91 ± 1.20 7.08 舒玛栎 9.40~12.34 10.96 ± 1.03 9.37 1.67~2.15 1.91 ± 0.16 8.22
      说明:P为各指标平均值的种间差异显著性分析;表示0.05水平上具有显著性差异

      图  1  纤维形态随生长轮的径向变化规律

      Figure 1.  Radial variation of fiber morphology and growth ring from pith to bark

      3种栎木纤维宽度为14.14~18.51 μm,舒玛栎纤维宽度最大(16.91 μm±1.20 μm),水栎(16.56 μm±0.70 μm)和纳塔栎(15.86 μm±1.11 μm)略小,变异系数均小于10%,变异较小。纤维宽度种间差异不显著(P>0.05)。3种栎木纤维宽度均小于40年生欧洲栓皮栎(18.40~21.49 μm)。由图 1B可知:3种栎木纤维宽度的径向变化均随生长轮增加而增加,但存在着一定的波动。

      纤维双壁厚是木材质量、基本密度和强度的物质基础[13],受生态环境条件和气候因子的影响较大[14]。研究发现:水栎双壁厚最大(11.19 μm±0.54 μm),纳塔栎(10.23 μm±0.91 μm)和舒玛栎(10.96 μm±1.03 μm)略小,3种栎木双壁厚种间具有显著差异(P<0.05)。由图 1C可知:随生长轮增加,3种栎木纤维双壁厚径向均呈增长趋势。较其他2种栎,水栎更易受生态环境条件和气候因子影响,因而纤维双壁厚变化波动也较大。

      纤维壁腔比是纤维双壁厚与纤维胞腔直径的比值,是衡量木材纤维强度的重要指标。纤维壁腔比越小,则木材密度越大,材质越坚硬[15]。木材纤维工业原料中通常要求纤维为中级长度(900.00~1 600.00 μm),长宽比不低于35,壁腔比小于1[16]。本研究发现:3种栎木壁腔比为1.55~2.44,水栎壁腔比平均值最大(2.10±0.23),纳塔栎(1.85±0.26)和舒玛栎(1.91±0.16)略低,纤维壁腔比种间具有显著差异(P<0.05)。3种栎木壁腔比均大于1,未达到纤维工业原料要求。从髓心向外,3种栎木壁腔比径向均略微上升,在一定范围内存在波动(图 1D)。

    • 微纤丝角是影响木材强度的主要因素,通常作为材质评定及早期良种选育的重要指标。本研究发现:纳塔栎微纤丝角径向变化范围为30.02°~38.73°,平均值为33.79°。水栎为26.12°~33.52°,平均值为30.48°。舒玛栎为37.65°~30.93°,平均值为34.10°。3种栎木微纤丝角大小依次为舒玛栎(34.10°)、纳塔栎(33.79°)和水栎(30.48°),微纤丝角种间具有极显著差异(P<0.01)。3种栎木微纤丝角平均值为32.79°,略大于采用细胞壁高分辨率显微照片测定的夏栎Q. robur(22°~31.6°)[17]的微纤丝角,可能与栎木未达到成熟状态有关,也可能是因为测量方法不同,XRD法测量时采用的是细胞壁各壁层微纤丝角平均值。

      图 2可以看出:3种栎木微纤丝角随生长轮增加总体呈下降趋势。原因可能是试材越靠近髓心,树木年龄越小,形成层原始细胞产生的子细胞胞壁就越薄,各层的平均微纤丝角就越大[18]

      图  2  微纤丝角随生长轮的径向变化规律

      Figure 2.  Radial variation of microfibril angle and growth ring from pith to bark

    • 纳塔栎结晶度径向变化范围为50.07%~52.52%,平均值为51.35%。水栎结晶度径向变化范围为51.45%~55.47%,平均值为53.30%。舒玛栎结晶度径向变化范围为51.23%~53.83%,平均值为52.97%。结晶度大小依次为水栎(53.30%)、舒玛栎(52.97%)和纳塔栎(51.35%),均大于加拿大栎Q. canariensis(38.93%)[19],3种栎木种间具有极显著差异(P<0.01)。纳塔栎、水栎和舒玛栎结晶度的变异系数分别为1.63%、2.80%和1.43%,变异较小。如图 3所示:结晶度随生长轮增加总体呈上升趋势,还未处于平稳状态,可能与其处于生长时期有关。结晶度径向变化趋势与其他学者研究一致:在树木生长初期形成层细胞分裂速度较快,结晶度较小,随着树龄的增加,结晶度也逐渐增大最后趋于稳定[20]

      图  3  结晶度随生长轮的径向变化规律

      Figure 3.  Radial variation of the crystallinity and growth ring from pith to bark

    • 纤维形态、微纤丝角与生长轮间关系密切。对生长轮与纤维形态、微纤丝角进行拟合分析,建立适当的模型,对人工林材质早期预测及林木的定向培育、优化利用具有十分重要理论意义和应用价值。以生长轮为自变量(x),纤维长度、纤维宽度、纤维双壁厚、微纤丝角分别为因变量(y),进行回归拟合。

      表 2所示:3种引种栎木纤维长度与生长轮的关系与2次曲线拟合度较好,相关系数(R2)均在0.900以上,回归效果理想,与大多数研究结果一致[21],符合生物学生长规律。3种引种栎木纤维宽度与生长轮的3次曲线拟合度高,其中舒玛栎拟合效果最佳,相关系数达到0.960。纳塔栎和舒玛栎纤维双壁厚与生长轮的2次曲线有较好的拟合关系,水栎纤维双壁厚与生长轮的3次曲线拟合关系较好,其中舒玛栎拟合效果最佳,相关系数达到0.972。纳塔栎微纤丝角与生长轮的关系与对数函数有较好的拟合,水栎及舒玛栎与2次曲线有较好的拟合,其中水栎拟合效果最佳,相关系数为0.748。

      表 2  纤维形态、微纤丝角与生长轮的回归分析

      Table 2.  Regression analysis of fiber morphology, microfibril angle, and growth ring

      拟合类型 样木 回归方程 R2
      纤维长度与生长轮 纳塔栎 y=-2.004 3x2+48.641 0x+964.540 0 0.943
      水栎 y=-4.235 4x2+76.000 0x+917.510 0 0.933
      舒玛栎 y=-1.673 2x2+54.666 0x+926.210 0 0.962
      纤维宽度与生长轮 纳塔栎 y=-0.004 0x3+0.040 0x2+0.330 0x+13.710 0 0.689
      水栎 y=0.889 0x3—0.190 0x2+1.280 0x+14.310 0 0.656
      舒玛栎 y=-0.010 0x3+0.220 0x2-0.590 0x+15.832 0 0.960
      双壁厚与生长轮 纳塔栎 y=-0.120 0x2+0.400 0x+8.340 0 0.884
      水栎 y=-0.116 0x3+0.790 0x2-1.630 0x+l 1.580 0 0.922
      舒玛栎 y=-0.020 0x2+0.510 0x+8.780 0 0.972
      微纤丝角与生长轮 纳塔栎 y=-2.529 0lnx+38.007 0 0.481
      水栎 y=-0.143 9x2+1.356 4x+28.960 0 0.748
      舒玛栎 y=-0.110 0x2+0.988 3x+32.896 0 0.337
    • 对纳塔栎、水栎和舒玛栎纤维形态测量得知:3种引种栎木纤维长度为1 010.34~1 292.56 μm,纤维宽度为为14.14~18.51 μm,纤维长度、宽度种间不具有显著差异(P>0.05),其径向变化均为从髓心至树皮方向呈上升趋势,但径向变化尚未趋于稳定;3种栎木纤维双壁厚为8.77~12.34 μm,壁腔比为1.55~2.44,纤维双壁厚、壁腔比种间具有显著差异(P<0.05),其径向变化均为从髓心至树皮方向略微上升,在一定范围内存在波动。

      3种栎木中舒玛栎微纤丝角最大(34.10°),纳塔栎(33.79°)和水栎(30.48°)略小,微纤丝角种间具有极显著差异(P<0.01)。径向变化为微纤丝角随着生长轮增加而降低;结晶度大小依次为水栎(53.30%)、舒玛栎(52.97%)和纳塔栎(51.35%),结晶度种间具有极显著差异(P<0.01),径向变化为结晶度随生长轮增加总体呈平缓上升趋势。

      对生长轮与各指标进行拟合分析发现:3种栎木纤维长度与生长轮关系用2次曲线拟合效果理想,相关系数均在0.900以上。纤维宽度与生长轮关系:舒玛栎用3次曲线拟合效果理想,相关系数在0.900以上。双壁厚与生长轮的关系:舒玛栎用2次曲线拟合效果理想,相关系数在0.900以上。微纤丝角与生长轮的关系:水栎用2次曲线拟合效果较好,相关系数在0.700以上。

      由此认为:14年生引种美国红橡仍处于幼龄期,纤维形态、微纤丝角与结晶度径向变化趋势尚未趋于稳定。

参考文献 (21)

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