李聰聰， 潘 彪， 王 慧， 黃利斌

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京210037； 2. 江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院， 江蘇 南京

211153）

木材作為環(huán)境友好型的綠色原材料， 是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)材料。 為堅(jiān)持生態(tài)發(fā)展戰(zhàn)略， 中國(guó)林業(yè)相關(guān)部門(mén)啟動(dòng)了一批重點(diǎn)生態(tài)工程， 在天然林保護(hù)的同時(shí)， 大力發(fā)展人工林種植。 隨著國(guó)內(nèi)民眾生態(tài)意識(shí)的增強(qiáng)和國(guó)家森林保護(hù)力度的加大， 木材剛性需求增加， 木材的對(duì)外依賴(lài)度達(dá)到了近50%。 據(jù)測(cè)算，到2020 年， 中國(guó)木材年需求量將達(dá)到8 億m3， 對(duì)大徑材和珍貴樹(shù)種用材需求也會(huì)大幅增加［1］。 引進(jìn)國(guó)外優(yōu)良樹(shù)種是提高林業(yè)生產(chǎn)力、 填補(bǔ)國(guó)內(nèi)名特優(yōu)新經(jīng)濟(jì)林、 滿足人們對(duì)林產(chǎn)品需求的有效途徑， 對(duì)于在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效供給、 緩解木材及林產(chǎn)品的供需矛盾， 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展， 具有十分重要的意義。 中國(guó)土壤氣候條件與北美相似， 引種美國(guó)紅橡樹(shù)種具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。 引種樹(shù)種能在短時(shí)間內(nèi)增加當(dāng)?shù)氐闹参锓N類(lèi)， 樹(shù)種的合理布局和應(yīng)用， 對(duì)彌補(bǔ)優(yōu)質(zhì)用材資源不足有重要意義。 橡樹(shù)又稱(chēng)櫟樹(shù)， 是殼斗科Fagaceae 櫟屬Q(mào)uercus樹(shù)種的統(tǒng)稱(chēng)， 用途廣泛， 材質(zhì)優(yōu)異， 是優(yōu)質(zhì)商品材和燃料的重要來(lái)源［2］。 中國(guó)自1998 年開(kāi)展北美櫟樹(shù)種質(zhì)資源引種與栽培研究， 對(duì)引種試驗(yàn)、 引種樹(shù)苗抗逆性［3］研究較多， 為櫟類(lèi)樹(shù)種引進(jìn)開(kāi)發(fā)利用提供了理論基礎(chǔ)。 纖維形態(tài)特征與木材生長(zhǎng)狀況以及強(qiáng)度、 密度以及物理、 力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系， 可用來(lái)進(jìn)行木材的材性預(yù)測(cè)。 微纖絲角在一定程度上可以反映木材的物理和力學(xué)性質(zhì)， 如木材的尺寸穩(wěn)定性、 干縮濕脹及彈性模量、 強(qiáng)度和蠕變特性等， 是評(píng)價(jià)木材品質(zhì)性能和良種選育的重要依據(jù)［4］。 木材的結(jié)晶度與木材密度、 強(qiáng)度、 尺寸穩(wěn)定性存在著正相關(guān)關(guān)系［5］， 研究結(jié)晶度有助于了解木材解剖結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)之間聯(lián)系。 本研究以納塔櫟Quercus nuttallii、 水櫟Quercus nigra和舒瑪櫟Quercus shumardii為對(duì)象， 比較了3 種美國(guó)紅橡纖維形態(tài)、 微纖絲角和結(jié)晶度的異同， 以期為引種櫟木的科學(xué)利用提供理論依據(jù)， 為更大范圍引種栽培提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)GB/T 1927-2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》采集試樣［6］。 選取14 年生納塔櫟、 水櫟、 舒瑪櫟各4 株； 其中納塔櫟、 水櫟采自江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院句容苗圃（年平均氣溫為15.2 ℃， 年降水量為1 058.8 mm）。 納塔櫟平均樹(shù)高為8.48 m， 平均胸徑為19.28 cm； 水櫟平均樹(shù)高為10.68 m， 平均胸徑為15.38 cm； 舒瑪櫟采自于南京彩樹(shù)種植有限公司江寧區(qū)種植基地（年平均氣溫為15.4 ℃， 年降水量為1 200.0 mm）， 平均樹(shù)高為11.70 m， 平均胸徑為15.20 cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 木材纖維形態(tài)測(cè)定 將樣木自胸高處圓盤(pán)鋸解， 立即沿南北向自髓心向外逐年切取樣塊并依次編號(hào)， 由于第1， 2 年輪寬度較窄， 合并為1 個(gè)樣品。 將各標(biāo)號(hào)木塊切成火柴棍大小， 每個(gè)年輪制4 組平行樣。 用富蘭克林離析法［7］離析細(xì)胞， 制成臨時(shí)切片， 置于普通光學(xué)顯微鏡下； 隨機(jī)測(cè)量50 個(gè)細(xì)胞長(zhǎng)度、 寬度和腔徑， 計(jì)算雙壁厚、 壁腔比。 結(jié)果取平均數(shù)。

1.2.2 木材微纖絲角測(cè)定 將3 種樣木按1.2.1 制成厚度約為2 mm 的試樣， 采用Ultima IV 組合型多功能水平X-射線衍射儀（XRD）按Cave 0.6T 法［8］測(cè)量試材微纖絲角。 結(jié)果取平均數(shù)。

1.2.3 木材結(jié)晶度測(cè)定 將3 種樣木按1.2.1 制成火柴棍大小試樣， 磨成80～100 目木粉， 室溫下壓成薄片后測(cè)定木材結(jié)晶度， 同時(shí)分析木材2θ 衍射強(qiáng)度曲線。 計(jì)算結(jié)果取平均數(shù)。 木材纖維的衍射強(qiáng)度在2θ=22°是極大值， 其積分強(qiáng)度用I002表示； 在2θ=18°附近出現(xiàn)波谷， 是木材纖維中無(wú)定形區(qū)衍射的散射強(qiáng)度， 其積分強(qiáng)度用Iam表示。 相對(duì)結(jié)晶度（ICr）公式［9］如下：ICr=100×（I002-Iam）/I002。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013 進(jìn)行方差分析及回歸分析， Origin 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維形態(tài)

由表1 可知： 納塔櫟纖維長(zhǎng)度徑向變化范圍為1 032.46～1 255.46 μm， 平均值為（1 172.14±86.88）μm； 水櫟纖維長(zhǎng)度徑向變化范圍為1 018.04～1 281.27 μm， 平均值為（1 178.68±95.54） μm； 舒瑪櫟纖維長(zhǎng)度徑向變化范圍為1 010.34～1 292.56 μm， 平均值為（1 162.45±112.67） μm。 其中， 舒瑪櫟的平均纖維長(zhǎng)度最短， 納塔櫟和水櫟之間差異較小， 三者櫟木纖維長(zhǎng)度種間不具有顯著差異（P＞0.05）。 按照國(guó)際木材解剖學(xué)家協(xié)會(huì)理事會(huì)發(fā)布的纖維長(zhǎng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（＜0.9 mm 的屬于短纖維， 0.9～1.6 mm 的屬于中等纖維， ＞1.6 mm 的屬于長(zhǎng)纖維）， 3 種櫟木纖維均屬于中等纖維， 大于62 年生蒙古櫟Q. mongolica纖維平均長(zhǎng)度（1 001.20 μm）［10］， 與40 年生歐洲栓皮櫟Q. suber（960.00～1 220.00 μm）［11］、 33 年生冬青櫟Q. ilex（1 103.00 μm）及24 年生深紅櫟Q. coccifera纖維平均長(zhǎng)度（1 116.00 μm）相近［12］。 由圖1A可見(jiàn)： 3 種櫟木纖維長(zhǎng)度從髓心至樹(shù)皮方向總體呈上升趨勢(shì)， 但徑向變化尚未趨于穩(wěn)定， 說(shuō)明樹(shù)木仍處于幼齡期。

3 種櫟木纖維寬度為14.14～18.51 μm， 舒瑪櫟纖維寬度最大（16.91 μm±1.20 μm）， 水櫟（16.56 μm±0.70 μm）和納塔櫟（15.86 μm±1.11 μm）略小， 變異系數(shù)均小于10%， 變異較小。 纖維寬度種間差異不顯著（P＞0.05）。 3 種櫟木纖維寬度均小于40 年生歐洲栓皮櫟（18.40～21.49 μm）。 由圖1B 可知： 3 種櫟木纖維寬度的徑向變化均隨生長(zhǎng)輪增加而增加， 但存在著一定的波動(dòng)。

纖維雙壁厚是木材質(zhì)量、 基本密度和強(qiáng)度的物質(zhì)基礎(chǔ)［13］， 受生態(tài)環(huán)境條件和氣候因子的影響較大［14］。研究發(fā)現(xiàn)： 水櫟雙壁厚最大（11.19 μm±0.54 μm）， 納塔櫟（10.23 μm±0.91 μm）和舒瑪櫟（10.96 μm±1.03 μm）略小， 3 種櫟木雙壁厚種間具有顯著差異（P＜0.05）。 由圖1C 可知： 隨生長(zhǎng)輪增加， 3 種櫟木纖維雙壁厚徑向均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。 較其他2 種櫟， 水櫟更易受生態(tài)環(huán)境條件和氣候因子影響， 因而纖維雙壁厚變化波動(dòng)也較大。

纖維壁腔比是纖維雙壁厚與纖維胞腔直徑的比值， 是衡量木材纖維強(qiáng)度的重要指標(biāo)。 纖維壁腔比越小， 則木材密度越大， 材質(zhì)越堅(jiān)硬［15］。 木材纖維工業(yè)原料中通常要求纖維為中級(jí)長(zhǎng)度（900.00～1 600.00 μm）， 長(zhǎng)寬比不低于35， 壁腔比小于1［16］。 本研究發(fā)現(xiàn)： 3 種櫟木壁腔比為1.55～2.44， 水櫟壁腔比平均值最大（2.10±0.23）， 納塔櫟（1.85±0.26）和舒瑪櫟（1.91±0.16）略低， 纖維壁腔比種間具有顯著差異（P＜0.05）。 3 種櫟木壁腔比均大于1， 未達(dá)到纖維工業(yè)原料要求。 從髓心向外， 3 種櫟木壁腔比徑向均略微上升， 在一定范圍內(nèi)存在波動(dòng)（圖1D）。

表1 纖維形態(tài)的比較分析Table 1 Comparative analysis of fiber morphology

2.2 微纖絲角

微纖絲角是影響木材強(qiáng)度的主要因素， 通常作為材質(zhì)評(píng)定及早期良種選育的重要指標(biāo)。 本研究發(fā)現(xiàn)： 納塔櫟微纖絲角徑向變化范圍為30.02°～38.73°， 平均值為33.79°。 水櫟為26.12°～33.52°， 平均值為30.48°。 舒瑪櫟為37.65°～30.93°， 平均值為34.10°。 3 種櫟木微纖絲角大小依次為舒瑪櫟（34.10°）、 納塔櫟（33.79°）和水櫟（30.48°）， 微纖絲角種間具有極顯著差異（P＜0.01）。 3 種櫟木微纖絲角平均值為32.79°， 略大于采用細(xì)胞壁高分辨率顯微照片測(cè)定的夏櫟Q. robur（22°～31.6°）［17］的微纖絲角， 可能與櫟木未達(dá)到成熟狀態(tài)有關(guān)， 也可能是因?yàn)闇y(cè)量方法不同， XRD 法測(cè)量時(shí)采用的是細(xì)胞壁各壁層微纖絲角平均值。

從圖2 可以看出： 3 種櫟木微纖絲角隨生長(zhǎng)輪增加總體呈下降趨勢(shì)。 原因可能是試材越靠近髓心，樹(shù)木年齡越小， 形成層原始細(xì)胞產(chǎn)生的子細(xì)胞胞壁就越薄， 各層的平均微纖絲角就越大［18］。

圖1 纖維形態(tài)隨生長(zhǎng)輪的徑向變化規(guī)律Figure 1 Radial variation of fiber morphology and growth ring from pith to bark

2.3 結(jié)晶度

圖2 微纖絲角隨生長(zhǎng)輪的徑向變化規(guī)律Figure 2 Radial variation of microfibril angle and growth ring from pith to bark

圖3 結(jié)晶度隨生長(zhǎng)輪的徑向變化規(guī)律Figure 3 Radial variation of the crystallinity and growth ring from pith to bark

納塔櫟結(jié)晶度徑向變化范圍為50.07%～52.52%， 平均值為51.35%。 水櫟結(jié)晶度徑向變化范圍為51.45%～55.47%， 平均值為53.30%。 舒瑪櫟結(jié)晶度徑向變化范圍為51.23%～53.83%， 平均值為52.97%。結(jié)晶度大小依次為水櫟（53.30%）、 舒瑪櫟（52.97%）和納塔櫟（51.35%）， 均大于加拿大櫟Q. canariensis（38.93%）［19］， 3 種櫟木種間具有極顯著差異（P＜0.01）。 納塔櫟、 水櫟和舒瑪櫟結(jié)晶度的變異系數(shù)分別為1.63%、 2.80%和1.43%， 變異較小。 如圖3 所示： 結(jié)晶度隨生長(zhǎng)輪增加總體呈上升趨勢(shì)， 還未處于平穩(wěn)狀態(tài)， 可能與其處于生長(zhǎng)時(shí)期有關(guān)。 結(jié)晶度徑向變化趨勢(shì)與其他學(xué)者研究一致： 在樹(shù)木生長(zhǎng)初期形成層細(xì)胞分裂速度較快， 結(jié)晶度較小， 隨著樹(shù)齡的增加， 結(jié)晶度也逐漸增大最后趨于穩(wěn)定［20］。

2.4 預(yù)測(cè)模型

纖維形態(tài)、 微纖絲角與生長(zhǎng)輪間關(guān)系密切。 對(duì)生長(zhǎng)輪與纖維形態(tài)、 微纖絲角進(jìn)行擬合分析， 建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ停?對(duì)人工林材質(zhì)早期預(yù)測(cè)及林木的定向培育、 優(yōu)化利用具有十分重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 以生長(zhǎng)輪為自變量（x）， 纖維長(zhǎng)度、 纖維寬度、 纖維雙壁厚、 微纖絲角分別為因變量（y）， 進(jìn)行回歸擬合。

如表2 所示： 3 種引種櫟木纖維長(zhǎng)度與生長(zhǎng)輪的關(guān)系與2 次曲線擬合度較好， 相關(guān)系數(shù)（R2）均在0.900 以上， 回歸效果理想， 與大多數(shù)研究結(jié)果一致［21］， 符合生物學(xué)生長(zhǎng)規(guī)律。 3 種引種櫟木纖維寬度與生長(zhǎng)輪的3 次曲線擬合度高， 其中舒瑪櫟擬合效果最佳， 相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.960。 納塔櫟和舒瑪櫟纖維雙壁厚與生長(zhǎng)輪的2 次曲線有較好的擬合關(guān)系， 水櫟纖維雙壁厚與生長(zhǎng)輪的3 次曲線擬合關(guān)系較好， 其中舒瑪櫟擬合效果最佳， 相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.972。 納塔櫟微纖絲角與生長(zhǎng)輪的關(guān)系與對(duì)數(shù)函數(shù)有較好的擬合， 水櫟及舒瑪櫟與2 次曲線有較好的擬合， 其中水櫟擬合效果最佳， 相關(guān)系數(shù)為0.748。

表2 纖維形態(tài)、 微纖絲角與生長(zhǎng)輪的回歸分析Table 2 Regression analysis of fiber morphology, microfibril angle, and growth ring

3 結(jié)論

對(duì)納塔櫟、 水櫟和舒瑪櫟纖維形態(tài)測(cè)量得知： 3 種引種櫟木纖維長(zhǎng)度為1 010.34～1 292.56 μm， 纖維寬度為為14.14～18.51 μm， 纖維長(zhǎng)度、 寬度種間不具有顯著差異（P＞0.05）， 其徑向變化均為從髓心至樹(shù)皮方向呈上升趨勢(shì)， 但徑向變化尚未趨于穩(wěn)定； 3 種櫟木纖維雙壁厚為8.77～12.34 μm， 壁腔比為1.55～2.44， 纖維雙壁厚、 壁腔比種間具有顯著差異（P＜0.05）， 其徑向變化均為從髓心至樹(shù)皮方向略微上升， 在一定范圍內(nèi)存在波動(dòng)。

3 種櫟木中舒瑪櫟微纖絲角最大（34.10°）， 納塔櫟（33.79°）和水櫟（30.48°）略小， 微纖絲角種間具有極顯著差異（P＜0.01）。 徑向變化為微纖絲角隨著生長(zhǎng)輪增加而降低； 結(jié)晶度大小依次為水櫟（53.30%）、 舒瑪櫟（52.97%）和納塔櫟（51.35%）， 結(jié)晶度種間具有極顯著差異（P＜0.01）， 徑向變化為結(jié)晶度隨生長(zhǎng)輪增加總體呈平緩上升趨勢(shì)。

對(duì)生長(zhǎng)輪與各指標(biāo)進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn)： 3 種櫟木纖維長(zhǎng)度與生長(zhǎng)輪關(guān)系用2 次曲線擬合效果理想，相關(guān)系數(shù)均在0.900 以上。 纖維寬度與生長(zhǎng)輪關(guān)系： 舒瑪櫟用3 次曲線擬合效果理想， 相關(guān)系數(shù)在0.900 以上。 雙壁厚與生長(zhǎng)輪的關(guān)系： 舒瑪櫟用2 次曲線擬合效果理想， 相關(guān)系數(shù)在0.900 以上。 微纖絲角與生長(zhǎng)輪的關(guān)系： 水櫟用2 次曲線擬合效果較好， 相關(guān)系數(shù)在0.700 以上。

由此認(rèn)為： 14 年生引種美國(guó)紅橡仍處于幼齡期， 纖維形態(tài)、 微纖絲角與結(jié)晶度徑向變化趨勢(shì)尚未趨于穩(wěn)定。