褐腐對(duì)木材電阻的影響

岳小泉，王立海 ，朱志敏，徐慶波

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

木材是一種可再生的生物資源，自古以來就是人類生活的必需品，也是現(xiàn)代社會(huì)應(yīng)用廣泛的建筑材料之一。但是有樹木生長、木材存放和使用的地方，幾乎都有木腐菌的存在。木材細(xì)胞壁的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素由于腐朽菌的存在而被分解，從而降低了木材的實(shí)用價(jià)值，木材腐朽每年造成大量的木材流失[1-5]。因此，為了防治木材腐朽以提高木材的利用率，有必要對(duì)木材腐朽的檢測進(jìn)行研究。

腐朽過程中還伴隨著木材物理化學(xué)性質(zhì)的變化。有關(guān)這方面的研究不少，楊忠[6]通過近紅外光譜預(yù)測木材性質(zhì)與腐朽特性的關(guān)系，結(jié)果表明：在早期腐朽中（木材失重率：5%～10%），其靜曲模量和彈性模量損失60%～70%，沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度分別損失60%～80%和50%～70%。Venkateswaran.A 等[7]使用褐腐菌Gloeophyllum trabeum和Coniophora puteana等真菌分解木材，發(fā)現(xiàn)輕度腐朽木材的纖維素結(jié)晶度由于木腐菌的分解有所提高，但是結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)纖維素的含量下降了。張新玲[8]分析腐朽對(duì)化學(xué)成分的影響，對(duì)白樺木材進(jìn)行了兩種真菌的感染培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)木腐菌感染降低了變色木材中的半纖維素含量，增加了1%NaOH抽提物和苯醇抽提物含量，而α-纖維素和木質(zhì)素含量基本未受影響。而有關(guān)木材腐朽后，木材電阻的研究在國外開始得比較早，Skutt[9]為了測試腐朽立木電阻的情況，用脈沖電流對(duì)腐朽立木進(jìn)行了測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對(duì)健康立木，腐朽立木電阻值會(huì)變小。自此后，Shigo[10-11]、Bengtsson[12]、Larsson[13]、Martin[14-15]等相繼都對(duì)腐朽對(duì)木材電阻的影響進(jìn)行了研究，但是他們的研究大多是針對(duì)活立木的。在我國，僅有少數(shù)研究者[16-19]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)腐朽早期的木材電阻進(jìn)行了初步的研究，也發(fā)現(xiàn)腐朽后的木材，其電阻發(fā)生了變化，但這僅是對(duì)輕度腐朽的研究。

本研究以落葉松Larix olgensis為研究對(duì)象，對(duì)木材試件進(jìn)行褐腐—密粘褶菌Gloeephyllum trabeum菌接種感染培養(yǎng)，得到不同腐朽程度的試件，并通過觀察分析不同腐朽程度的試件電阻來研究腐朽對(duì)木材試件電學(xué)性能的影響，找出其中的規(guī)律性，同時(shí)分析腐朽后電阻和含水率的關(guān)系；通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察木材內(nèi)部褐腐菌的生長、分布以及對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的破壞情況，并進(jìn)行表面微區(qū)的能譜分析；通過電感耦合等離子發(fā)射光譜（ICP）分析腐朽不同階段離子濃度的變化；采用傅里葉紅外光譜分析（FTIR）技術(shù)分析褐腐過程中木材主要化學(xué)成分的變化，力求真正從根本和內(nèi)部找到木材電阻發(fā)生變化的原因，以期更科學(xué)地應(yīng)用電阻法檢測木材腐朽。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 室內(nèi)褐腐的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)室木材試件受菌感染時(shí)間總長24周，共36個(gè)培養(yǎng)瓶，每個(gè)培養(yǎng)瓶放置2個(gè)試件，共72個(gè)試件進(jìn)行腐朽培養(yǎng)，以2周為一個(gè)階段，分為12個(gè)階段，每個(gè)階段測試3個(gè)培養(yǎng)瓶的6個(gè)試件。試驗(yàn)使用的菌種是褐腐菌中的一種——密粘褶菌Gloeephyllum trabeum，簡稱 G.t。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材耐久性能第一部分：天然耐腐性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》（GB/T 13942.1-2009）制作河砂鋸屑培養(yǎng)基，菌種用PDA瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)于培養(yǎng)皿中。

木腐菌接種于培養(yǎng)瓶里的培養(yǎng)基上，置培養(yǎng)瓶于溫度為28 ℃、相對(duì)濕度為80%的恒溫恒濕箱，培養(yǎng)7 d后，培養(yǎng)基表面開始長菌絲（如圖1所示）。然后再進(jìn)行木材試件受菌腐朽，過程如下：將木材試件烘干至絕干質(zhì)量為m0；接著將木材試件用多層紗布包裹嚴(yán)密，放入高溫滅菌鍋內(nèi)蒸煮消毒45 min；對(duì)電子天平、數(shù)字電橋等進(jìn)行滅菌消毒后，放置在無菌的超凈工作臺(tái)，取1塊已消毒冷卻的木材試件稱質(zhì)量，記為m1，然后馬上接入數(shù)字電橋，測出腐朽前試件的電阻R0，由于電橋測試需要30 s左右，因此在測完電阻后，對(duì)試件再次進(jìn)行稱質(zhì)量，記為m2；電阻測量前后的含水率變化較小，因此可將電阻測量前后的平均含水率作為試件的含水率，則腐朽前的木材含水率MCj，可由式 （1）～（3） 算得；接著用消毒過的鑷子將木材試件輕放于長滿菌絲的飼木之上（如圖2所示），最后用封口膜將培養(yǎng)瓶封住并做標(biāo)記，再放入恒溫恒濕箱進(jìn)行腐朽培養(yǎng)。

1.3 木材電阻的測試方法

圖1 培養(yǎng)基上長菌絲的培養(yǎng)瓶Fig.1 Culture bottle with long hyphae on culture medium

圖2 木材試件受菌感染的培養(yǎng)瓶Fig.2 Wood samples in culture bottle after infection

采用型號(hào)為TL2812D的LCR數(shù)字電橋進(jìn)行電阻的測量。為便于電阻的測量，在試件的兩端訂上長度約為5 mm的不銹鋼螺釘。選定50枚螺釘，稱其質(zhì)量，得到螺釘?shù)钠骄|(zhì)量，在需要算質(zhì)量數(shù)據(jù)時(shí)，注意減去螺釘?shù)馁|(zhì)量。在測木材電阻時(shí)，木材試件電阻是高阻值，所以將被測試物體的電阻看成是大電阻與小電容的并聯(lián)等效模型，其等效電路如圖3所示。測時(shí)，打開數(shù)字電橋，先預(yù)熱15 min，然后電極兩端夾子夾在木材試件兩端的不銹鋼螺釘上。將交流信號(hào)頻率設(shè)置為1 KHz，電平設(shè)為1 V，量程設(shè)為自動(dòng)，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定（約30 s）后，記錄測量顯示板上顯示的電阻數(shù)值。每隔2周進(jìn)行腐朽試件的取樣，并進(jìn)行電阻測試。測試電路示意圖如圖4所示。

1.4 顯微構(gòu)造觀察和EDAX能譜分析

圖3 數(shù)字電橋測試等效電路Fig.3 Equivalent electric circuit schematic of digital electric bridge test

圖4 數(shù)字電橋?qū)嶒?yàn)測試電路示意Fig.4 Test circuits schematic of digital electric bridge

試驗(yàn)儀器主要有：Quanta-200掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析儀（EDAX）（FFI，美國）、A35型feather切刀及鑷子等。健康試件取2個(gè)，制成長方體試件，紋理方向順紋方向，尺寸為20 mmh20 mmh50 mm，，烘干后密封待用。每個(gè)腐朽階段取2個(gè)試件，腐朽木材試件24個(gè)，加上對(duì)照的健康試件2個(gè)，共26個(gè)木材試件，用以切片觀察。切片取樣時(shí)沿縱向手工劈取1 mm 厚的切片，分別固定在樣品托上，于真空環(huán)境下進(jìn)行噴金處理[20]，然后用于電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，并拍攝具有代表性的照片，采用的倍率分別為200X、300X、500X、1 000X。能譜分析在電鏡觀察分析時(shí)進(jìn)行，其結(jié)果是能譜圖和所需檢測元素的相對(duì)含量值，對(duì)2個(gè)健康木材試件和24個(gè)腐朽試件進(jìn)行能譜分析，得到能譜圖和鉀、鈣、鎂、鐵、錳等金屬元素相對(duì)含量。

1.5 基于ICP-OES的離子濃度分析

主要的儀器有：電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（PerkinElmer Optima 8000，美國PE公司）。

采用的試劑：濃度值均為1 000 μg/mL鐵、錳、鎂、鈣、鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（購自國家標(biāo)準(zhǔn)物中心和國家有色金屬及電子材料測試中心）、優(yōu)級(jí)純的硝酸和高氯酸、純度為99.999%的氬氣、實(shí)驗(yàn)用水為Direct-Q3UV 超純水機(jī)（默克密理博公司）制作的超純水。

首先將不同腐朽程度的試件用去離子水沖洗干凈后，將其烘干至絕干質(zhì)量，并將烘干的木材試件粉碎成粉末，將木粉過100目篩，將過篩后的木粉保存于自封口袋，待用。接著，采用DigiBlock EHD36 高溫消解儀進(jìn)行木粉的消解，最后上機(jī)測樣（ICP-OES：PerkinElmer Optima 8000，美國PE公司）。

國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司成都分公司根據(jù)ASME PTC-2004《汽輪機(jī)熱力性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)31號(hào)機(jī)組進(jìn)行改造前后的性能驗(yàn)收試驗(yàn)，在額定工況下汽機(jī)熱耗率降低了約130 kJ/kWh，供電煤耗降低了約5.0 g/kWh，同時(shí)機(jī)組的高、中、低壓缸效率均有一定程度的提高，取得了非常明顯的節(jié)能效果，詳見表2。

1.6 基于傅里葉紅外光譜（FTIR）方法的化學(xué)成分分析

采用的主要儀器是傅里葉變換紅外光譜儀，產(chǎn)自美國Thermo Fisher Scientific 公司，型號(hào)為Nicolet60700。被密粘褶菌褐腐菌侵染4、8、12、16、20、24周時(shí)，分批次取出木材試件，刮去木材試件表面的菌絲，氣干后取外部腐朽部分及對(duì)照木材試件進(jìn)行紅外光譜的采集，采用4 cm-1的分辨率，掃描次數(shù)32次。在Origin9.0中導(dǎo)入光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后找出纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在譜圖中對(duì)應(yīng)的特征吸收峰位置，并將其特征峰高度標(biāo)出[21-22]。最后，分析不同腐朽程度的木材在紅外譜圖上的不同之處，從而得出不同腐朽階段木材化學(xué)成分的變化[23-27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材試件電阻腐朽前后的變化

分析腐朽前后的試件電阻值，對(duì)腐朽前后木材電阻差異情況進(jìn)行對(duì)比研究，并對(duì)阻值進(jìn)行方差分析，方差分析結(jié)果見表1。從表1中可以看出，木材試件腐朽前后電阻值方差分析結(jié)果中，F(xiàn)值明顯大于臨界值，因此腐朽對(duì)于木材試件電阻的影響都是顯著的。

表1 腐朽前后木材試件電阻值單因素方差分析Table 1 One-way ANOVA of electrical resistance of specimens before and after decayed

分別算出腐朽前的電阻平均值和各腐朽階段試件的電阻平均值，結(jié)果見表2。應(yīng)用更直觀的柱形圖表示它們之間的差異，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以比較明顯地看出，木材試件的電阻在木材腐朽后大幅度下降。被木腐菌感染2周后，木材的電阻就迅速減小了。隨著腐朽時(shí)間的增加，木材電阻減少的比較緩慢，差異不再那么明顯。

表2 木材試件電阻在各個(gè)腐朽階段前后的電阻值Table 2 Electrical resistance values of wood samples in before and after every decoyed stages

圖5 木材腐朽前后電阻均值Fig.5 Mean values of wood electrical resistance before and after decayed

2.2 電阻值與含水率的關(guān)系

腐朽前的含水率MCj由式 （1）～（3） 算得。對(duì)腐朽后木材先用電子天平稱質(zhì)量，記為m3，待使用結(jié)束后，將試件放入烘箱中烘干至恒質(zhì)量，記試件的絕干質(zhì)量為m4，則腐朽后木材的含水率MCf按照式 （4） 算得，腐朽前后的含水率變化值ΔMC按照式 （5） 算得。計(jì)算出腐朽前后的含水率值后，對(duì)電阻和含水率值的相關(guān)值進(jìn)行回歸分析，建立回歸模型，結(jié)果見表3。

表3 電阻值與含水率的線性回歸模型Table 3 Linear regression model between electric resistance and moisture content

從回歸模型分析，電阻和含水率及含水率的變化值關(guān)系均不顯著，這是因?yàn)樵嚰暮识即笥诶w維飽和點(diǎn)，以往研究者已經(jīng)證明[28-29]，健康或者腐朽木材的電阻，在含水率達(dá)到在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，基本不受含水率變化的影響。

2.3 電阻值與質(zhì)量損失率的關(guān)系

由于木材本是各向異性的物體及試驗(yàn)過程中存在一些不可控的因素，如初始含水率、腐朽過程中菌絲生長情況等的影響，使得同一個(gè)腐朽階段內(nèi)的木材試件的質(zhì)量損失率和電阻值存在差異。因此，為了更好地分析試件腐朽程度與電阻的變化關(guān)系，盡量避免同一階段內(nèi)的偏差，以質(zhì)量損失率（作為腐朽程度真值）為自變量，來分析不同腐朽程度電阻的變化情況。

首先計(jì)算木材試件的質(zhì)量損失率。將試件放入溫度為105℃的電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)烘干至恒質(zhì)量，并稱量之，記為mf。木材試件腐朽前的絕干質(zhì)量為m0，用腐朽前的絕干質(zhì)量和腐朽后的絕干質(zhì)量計(jì)算出木材試件經(jīng)過腐朽后的質(zhì)量損失率，記為Es，計(jì)算公式（6）如下：

現(xiàn)定義電阻腐朽前后的變化率為Ed，按式（7）計(jì)算：

式中：R0為同種樹種木材試件腐朽前的電阻均值，kΩ；Rf為木材試件腐朽后的電阻值，kΩ。

根據(jù)式（6）～（7）得到試件質(zhì)量損失率Es和電阻變化率Ed的數(shù)據(jù)情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 質(zhì)量損失率和電阻變化率結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of weight loss rate and resistivity changes

用SPSS對(duì)Ed和Es進(jìn)行曲線回歸分析，結(jié)果如圖6所示，得到回歸方程Ed=6.1461ln(Es)+77.701（R2=0.65，R=0.81，P＜0.01），Ed和Es呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，擬合度較高，電阻變化率Ed和質(zhì)量損失率Es高度相關(guān)。

圖6 木材試件電阻變化率Ed和質(zhì)量損失率Es的散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plots between change in electrical resistance Ed and weight loss rate of Es of wood specimens

2.4 顯微構(gòu)造分析和EDA能譜分析

2.4.1 顯微構(gòu)造分析

觀察健康和腐朽的木材試件的顯微構(gòu)造情況，分析其差異性。健康木材試件的微觀構(gòu)造如圖7所示。健康試件的細(xì)胞壁紋孔形狀較規(guī)整，紋孔膜完好，細(xì)胞腔內(nèi)非常干凈，無菌絲生長。接著，觀察腐朽試件的微觀構(gòu)造（見圖8）。從腐朽的不同時(shí)間階段來看（見圖8-a），在腐朽第4周后的紋孔還比較規(guī)整，紋孔膜也尚完好，細(xì)胞腔中有稀疏的菌絲分布；腐朽第8周后（見圖8-b），菌絲開始較廣泛地分布于細(xì)胞腔內(nèi)，同時(shí)也比腐朽4周時(shí)變得更密集了一些；腐朽第12周后（見圖8-c），紋孔邊緣開始受到破壞，因?yàn)榧?xì)胞腔內(nèi)的菌絲變得密集且分布也更加廣泛；腐朽第16周后（見圖8-d），細(xì)胞腔內(nèi)有菌絲團(tuán)已經(jīng)出現(xiàn)；而腐朽20周和24周時(shí)（見圖8-e和8-f），菌絲團(tuán)變得非常密集，且分布在細(xì)胞腔內(nèi)的許多地方，整個(gè)管腔布滿了菌絲，紋孔邊緣的細(xì)胞壁也因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)的破壞而發(fā)生了開裂。從整體上來看，木材試件在被褐腐菌感染后，引起了木材內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的破壞和形貌的變化，隨著時(shí)間的增加，雖然存在個(gè)體差異和局部差異，但整體上腐朽菌對(duì)細(xì)胞壁的降解破壞越來越嚴(yán)重，也必將導(dǎo)致腐朽試件各物理化學(xué)性能的變化。

圖7 健康試件的電鏡圖Fig.7 SEM picture of healthy specimen

2.4.2 EDAX能譜分析

圖8 腐朽試件的電鏡圖Fig.8 SEM pictures of mass loss rate of decayed specimens after different decadent time

通過能譜分析得到不同腐朽階段的木材試件、健康木材試件中的Fe、Mn、K、Ca、Mg等元素的相對(duì)含量和能譜圖（見表5和圖9）。表5中的數(shù)據(jù)顯示，隨著腐朽時(shí)間的增加，木材中的金屬元素的相對(duì)含量雖然在腐朽的后期稍微有點(diǎn)減小，但整體趨勢是增加的。能譜圖9中，金屬元素含量的峰值在健康木材中非常小，而在腐朽16周的試件明顯增大了。另外，能譜圖上，各個(gè)金屬元素峰值沒有非常明顯突出的原因是：在能譜分析中存在相對(duì)穩(wěn)定的C元素和O元素，且它們的絕對(duì)含量大，所以金屬元素的相對(duì)含量很小，不容易觀察到。因此，譜圖中的金屬元素的相對(duì)含量從無到有，或者有升高，說明其絕對(duì)含量有增加。后期金屬元素的相對(duì)含量有稍微的下降，有可能是由于其他元素含量升高造成的。

表5 EDAX能譜分析中的金屬元素含量值Table 5 Metal elements contents tested by EDAX

圖9 健康和腐朽16周的木材試件的EDAX能譜圖Fig.9 Energy spectrum analysis of health wood and decayed 16 weeks wood

由于能譜圖中C元素和O元素的含量大，而金屬元素的相對(duì)含量小，從能譜圖上不能特別明顯地顯示不同階段的區(qū)別，因此為更清晰地反映腐朽發(fā)生后金屬元素含量的變化趨勢，將結(jié)果做成折線圖，結(jié)果如圖10所示。折線圖清晰地反映了5種金屬元素相對(duì)含量在木材腐朽發(fā)生后的變化的趨勢。總體上，木材的5種金屬元素相對(duì)含量隨著腐朽時(shí)間呈現(xiàn)先增后減的趨勢，且都是在16周之前是增加的，16周之后減小的。

圖10 不同腐朽階段木材EDAX能譜的金屬元素含量變化Fig.10 Changes of metal contents in different decayed wood tested by EDAX

2.5 ICP-OES結(jié)果與分析

不同腐朽階段的木材的ICP-OES測定結(jié)果如表6所示。圖11分別是Fe、Mn、K、Ca、Mg等5種金屬元素含量隨著腐朽時(shí)間變化所發(fā)生變化的趨勢圖。

表6 ICP-OES 所測的金屬元素含量Table 6 Metal element contents tested by ICP-OES(mg·g-1)

圖11 ICP-OES所測的不同腐朽階段木材試件金屬元素含量的變化趨勢Fig.11 Variation trend of wood specimens in different decay degree tested by ICP-OES

木材ICP-OES的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著腐朽時(shí)間的變化，F(xiàn)e含量先增加后降低；K元素含量為0.061～0.428 mg·g-1，其含量比其他的幾個(gè)元素要高，腐朽16周時(shí)，含量達(dá)到最大值，總體趨勢是上升的；Mg元素含量的變化規(guī)律是在腐朽4周時(shí)是增加的，4周后稍微降低，8周后明顯增加，16周達(dá)最大，接著呈現(xiàn)降低的趨勢；Ca元素含量，隨著腐朽階段的變化，16周之前是增加的，16周后減小，總體上呈現(xiàn)上升的趨勢；Mn元素的含量變化也是總體呈上升趨勢，16周之前是增加的，16周后是減小的。

分別算出每個(gè)腐朽階段5種金屬元素的含量總和Ct，并作折線圖，結(jié)果如圖12所示。隨著腐朽時(shí)間的變化，在腐朽16周之前，基本上都是隨著腐朽時(shí)間的增加而增加，雖然16周后稍微有降低，但總體上，5種金屬元素含量的總和值總體都是呈現(xiàn)上升的趨勢。這和EDAX能譜分析金屬元素的相對(duì)含量變化情況基本是一致的。

圖12 隨腐朽時(shí)間變化的Ct值Fig.12 Total ion concentration change of tested wood with the decay time

算出每個(gè)腐朽階段5種金屬元素的含量總和Ct和對(duì)應(yīng)的每個(gè)腐朽階段試件電阻的平均值Rm，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)兩者進(jìn)行回歸分析，建立回歸模型，結(jié)果見表7。 從回歸模型來看，隨著總離子含量的升高，電阻均值會(huì)下降。回歸模型的決定系數(shù)為0.712，說明腐朽后木材電阻和離子含量擬合度較高，并且顯著性檢驗(yàn)表明，相關(guān)系數(shù)在0.05水平上顯著。

表7 電阻均值Rm與離子濃度Ct的線性回歸模型Table 7 Linear regression model between Rm and Ct

接著，再分析質(zhì)量損失率和金屬元素含量的關(guān)系，算出測試金屬元素離子含量和試件的質(zhì)量損失率Es，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)質(zhì)量損失率Es和金屬元素含量總和Ct兩者之間進(jìn)行回歸分析，建立回歸模型，結(jié)果見表8。從回歸模型來看，決定系數(shù)不大，并且顯著性檢驗(yàn)表明，相關(guān)系數(shù)的P值大于0.05，表明0.05水平上相關(guān)性不顯著，即腐朽木材的質(zhì)量損失率與金屬元素含量總和不存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

表8 離子濃度Ct與質(zhì)量損率Es的線性回歸模型Table 8 Linear regression model between Ct and Es

2.6 紅外光譜分析結(jié)果

2.6.1 落葉松健康和腐朽木材試件的FTIR分析

圖13為落葉松健康和腐朽木材試件的紅外光譜圖。分析落葉松木材的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的特征吸收峰，并分析纖維素和木質(zhì)素吸收峰比值的大小，落葉松木材褐腐過程中所選吸收峰的相對(duì)紅外吸收強(qiáng)度變化見表9。從圖13和表9可看出，從褐腐開始到褐腐進(jìn)行24周，綜纖維素的特征峰吸收強(qiáng)度隨著腐朽階段的加深而減弱，到24周時(shí)，吸收峰的值減弱明顯，有些甚至消失。從表9中纖維素吸收峰與木質(zhì)素吸收峰的比值上來看，比較1 426 cm-1處的吸收峰與897 cm-1處吸收峰的比值I1426/I896，木材試件從健康到腐朽24周，其結(jié)晶度漸漸下降，健康樣本的結(jié)晶度為1.84，而腐朽24周的樣本只有1.44，腐朽使得纖維素的降解提高。反映纖維素含量相對(duì)于木質(zhì)素含量的比值的其他幾個(gè)吸收峰比值（I1374/I1511、I1161/I1511等），隨著腐朽時(shí)間的變化而減小，說明與健康木材相比，腐朽木材的纖維素和半纖維素降低，即纖維素受到褐腐菌的降解。

圖13 落葉松木材紅外光譜圖Fig.13 Infrared spectra of decayed specimens of L.olgensis

表9 落葉松木材褐腐過程中所選吸收峰相對(duì)紅外吸收強(qiáng)度變化Table 9 Changes in relative infrared absorption intensity of selected absorption peaks during brown rot of decayed specimens of L.olgensis

2.6.2 腐朽木材試件電阻和化學(xué)成分關(guān)系

為了分析木材化學(xué)成分的變化和電阻的關(guān)系，首先算出每個(gè)腐朽階段試件電阻的平均值作為此腐朽階段的電阻值，然后分析電阻值和對(duì)應(yīng)腐朽階段的結(jié)晶度之間的關(guān)系，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)兩者進(jìn)行回歸分析，建立回歸模型，結(jié)果見表10。

表10 電阻均值與結(jié)晶度的線性回歸模型Table 10 Linear regression model between mean resistance and relative crystallinity

從回歸模型來看，回歸模型的決定系數(shù)不大，并且顯著性檢驗(yàn)表明，相關(guān)系數(shù)的P值大于0.05，表明0.05水平上相關(guān)性不顯著，即腐朽木材的結(jié)晶度與電阻值不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，因此電阻值不受結(jié)晶度的影響。

3 結(jié)論與討論

落葉松木材試件被褐腐菌感染后，測試每個(gè)腐朽階段的電阻值，發(fā)現(xiàn)褐腐對(duì)試件電阻的影響非常顯著，電阻在木材腐朽后大幅度下降。試件被木腐菌感染2周后，木材電阻迅速減小。之后，木材電阻減少得比較緩慢，差異不再那么明顯。以往的研究者在活立木上的試驗(yàn)研究也有類似的結(jié)果。Skutt[9]用電阻測試健康和腐朽變色的紅楓樹活立木，觀察到其電阻值會(huì)比不變色的健康立木明顯減小。Tattar分別對(duì)健康、變色和腐朽的立木進(jìn)行了電阻檢測，發(fā)現(xiàn)他健康糖槭樹的電阻是腐朽變色后的6倍以上；健康樺木電阻是腐朽變色后的10倍以上[30-31]。Shigo則對(duì)活立木的同一截面電阻變化情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)腐朽心材的電阻顯著減小，比健康邊材的電阻小了60倍左右[1]。

為找出褐腐后木材電阻變化的原因，對(duì)褐腐后各個(gè)階段試件的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、菌絲在木材內(nèi)部的生長分布情形、表面微區(qū)的能譜、主要化學(xué)成分的變化及不同階段離子濃度的變化進(jìn)行了觀察和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：木材試件在被褐腐菌感染后，菌絲漸漸生長至密集，對(duì)細(xì)胞壁的降解破壞越來越嚴(yán)重；隨著腐朽時(shí)間的變化，木材試件的金屬元素含量和各種金屬元素含量總體上都是呈現(xiàn)上升的趨勢，相關(guān)分析表明，腐朽后木材電阻和離子濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.7；木材從褐腐開始到褐腐24周，綜纖維素的特征峰吸收強(qiáng)度隨著腐朽階段的加深而減弱，樣本相對(duì)結(jié)晶度與健康樣本比下降較大，對(duì)電阻和相對(duì)結(jié)晶度進(jìn)行線性相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)它們之間相關(guān)關(guān)系不顯著。也就是說，褐腐后電阻變化的主要原因是由于金屬元素的含量發(fā)生變化引起的。本研究結(jié)果與以往的研究成果相一致。Blanchette利用X射線能譜分析和耦合等離子體原子發(fā)射光譜分別分析了美國紅松、樺木及挪威云杉的腐朽木材，結(jié)果表明鈣離子和錳離子含量在腐朽木材中的含量比健康木材較大[32]。Jon H.Connolly[33]以紅松邊材小試件為研究對(duì)象，通過對(duì)其進(jìn)行礦物質(zhì)溶液浸泡后，用密粘褶菌再對(duì)試件進(jìn)行腐朽試驗(yàn)，最后分析腐朽后的離子變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木材試件經(jīng)過褐腐菌侵蝕后，會(huì)有比較明顯的Mg、K、Fe離子的累積，而經(jīng)過礦物容物浸泡的試件則沒有這個(gè)現(xiàn)象。

Ostrofsky[34]為研究腐朽時(shí)間對(duì)陽離子含量的影響，對(duì)紅皮云杉進(jìn)行不同菌種的侵蝕感染，結(jié)果表明：金屬離子在被不同菌種腐朽后的含量有顯著變化，鈣離子、鎂離子、鐵離子會(huì)隨著腐朽時(shí)間增長而升高。Oliva[35]測試挪威云杉和蘇格蘭松木材不同部位，獲得了鉀、鈣、鈉、鎂、錳等金屬離子的含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同部位的金屬離子存在差異，腐朽區(qū)域的金屬離子含量顯著升高。

本試驗(yàn)通過在室內(nèi)用褐腐菌接種感染落葉松木材小試件，得到不同腐朽階段的木材試件，并通過對(duì)不同腐朽階段的試件電阻進(jìn)行分析來研究腐朽對(duì)木材試件電學(xué)性能的影響，找出其中的規(guī)律性。通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察褐腐菌對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的破壞情況及菌絲在木材內(nèi)部的生長、分布情形，并進(jìn)行表面微區(qū)的能譜分析；采用傅里葉紅外光譜分析（FTIR）技術(shù)分析褐腐過程中木材主要化學(xué)成分的變化；通過電感耦合等離子發(fā)射光譜（ICP）分析腐朽不同階段離子濃度的變化，力求獲得褐腐木材電阻變化的原因，為利用電阻檢測方法來判斷木材的腐朽情況提供科學(xué)的依據(jù)。

當(dāng)然，此次僅研究了落葉松一種木材在密粘褶菌一種褐腐菌感染的下的電阻變化情況，由于木材電阻受多種因素的影響，不同的木材和不同腐朽菌對(duì)木材電阻的影響，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。另外，考慮到實(shí)際檢測應(yīng)用對(duì)象為活立木，因此應(yīng)進(jìn)一步研究腐朽對(duì)立木電阻的影響，建立室內(nèi)室外之間的關(guān)系，進(jìn)一步為電阻法應(yīng)用于立木檢測提供更準(zhǔn)確的依據(jù)和更充分的理論基礎(chǔ)。