9個桉樹無性系木纖維徑向變異研究*

梁永超,萬輝,邱堅,高景然

(西南林業(yè)大學(xué) 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室,云南 昆明 650224)

桉樹(Eucalyptus)是中國用材林重要的造林樹種之一,具有生長快、高產(chǎn)、應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟價值高等優(yōu)勢[1],常作為優(yōu)秀的工業(yè)原料使用,是結(jié)構(gòu)木材和纖維的重要來源[2-4]。桉樹纖維的平均長度在0.75～1.30 mm之間,得漿率高,是良好的制漿造紙原料。除此以外,從桉樹也開發(fā)出許多副產(chǎn)品和化學(xué)產(chǎn)品,如桉樹精油、桉樹蜜、桉樹葉飼料、桉樹木屑食用菌培養(yǎng)基,提取黃酮類化合物用于醫(yī)療領(lǐng)域和農(nóng)林種植領(lǐng)域,提取單寧用于膠黏劑制備等等[5-6]。

2007年,萇姍姍等[7]研究了尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)8個家系的解剖結(jié)構(gòu)和纖維變異,并從纖維長度、長寬比、壁腔比共3個方面進行造紙性能評價。2015年,M.Palermo等[8]通過測定從髓心到樹皮的纖維長度及比對其他徑向解剖特征,從而判斷出桉樹從幼齡區(qū)到成熟區(qū)的過渡年齡為8～13 a。2020年,陳桂丹等[9]測定了6種大徑級桉木樹種的纖維長度、寬度、腔徑、雙壁厚,并分析其變異規(guī)律和顯著性差異。盧翠香等[10]測定了11種桉樹無性系的導(dǎo)管比量、軸向薄壁細胞比量、射線比量和纖維比量并分析其變異性,為無性系組織比量遺傳的改良提供了理論指導(dǎo)。

通過研究不同性系桉樹的木纖維特性和變異規(guī)律,可以為桉樹有針對性的培育以及木材的合理加工利用提供參考和依據(jù),因此,本研究以廣東省遂溪縣嶺北鎮(zhèn)附近9個尾葉桉(E.urophylla)×巨桉(E.grandis)無性系為對象,研究不同無性系桉樹、不同樹齡下的木材木纖維形態(tài)的徑向變異規(guī)律,以期對桉樹的合理高效利用方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本研究使用采自廣東省遂溪縣嶺北鎮(zhèn)南方國家級林木種苗示范基地內(nèi)的9個15 a生尾巨桉無性系作為實驗材料。在每株樹木的地上1 m處鋸切一塊圓盤,并對年輪盤表面進行打磨處理。然后按照年輪劃線,從第2年開始,每隔2個年輪取一個樣本,詳見表1。

表1 9個無性系材料的基本信息

1.2 試驗方法

1.2.1 木材切片制作

參照GB/T 29894—2013[11],制作成大小1 cm×1 cm×1 cm的樣品,軟化清洗后,用Leica 2000R 滑走式切片機(德國Leica公司)進行切片,染色,脫水之后按體積比1∶1的比例配置乙醇-正丁醇緩沖溶液處理脫水后的切片進行處理約3 min,再用正丁醇對其進行脫脂3 min,配置體積比為1∶1的正丁醇-二甲苯混合溶液緩沖處理約3 min,最后用中性樹膠封片[12-13]。利用ImageJ圖像處理工具,在橫切面測量纖維寬度和纖維腔徑,每個樣品按照樹齡劃分,每組隨機測量100組數(shù)據(jù)。

1.2.2 離析材料制備

采用Franklin法[14]對樣品進行離析,每個樣品隨機測量100個[15]。根據(jù)《中國木材志》對離析纖維進行分級[16]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對9個尾巨桉無性系纖維特性指標(biāo)進行統(tǒng)計,用Origin軟件處理各無性系的纖維數(shù)據(jù),采用SPSS 25.0軟件對相關(guān)性狀進行差異分析、性狀間的相關(guān)性分析。根據(jù)下列公式計算各纖維特性的變異系數(shù):

①

式中:V為變異系數(shù)(%);S為各樣品的標(biāo)準(zhǔn)差;X為樣品平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維長度變異

表2的數(shù)據(jù)顯示,9個尾巨桉無性系的平均纖維長度為936.01 μm,范圍從899.74～1 038.08 μm。無性系DH33-9的平均纖維長度最大,其次是LEI9和DH32-22。平均纖維長度最小的是EC4,DH33-9比EC4長11.64%。長度排名前3位的是DH33-9、LEI9和DH32-22。從9個尾巨桉無性系纖維長度的變異系數(shù)可以看出,不同樹齡之間纖維長度的波動較大。各無性系從髓心到樹皮纖維長度的變化趨勢基本一致,隨著樹齡增加先升高后趨于穩(wěn)定。方紅等[17]研究表明,纖維長度是造紙和纖維工業(yè)原料質(zhì)量的主要指標(biāo)之一,對紙張的撕裂強度、耐折度都有一定影響,而9個尾巨桉無性系的纖維長度均達到了中等纖維長度(900～1 600 μm),適宜作為纖維原料使用。各無性系間的纖維長度存在顯著差異,其中DH33-9、LEI9與其他無性系的纖維長度均存在顯著差異。

表2 纖維長度差異

2.2 纖維寬度變異

表3的數(shù)據(jù)顯示,9個尾巨桉無性系的平均纖維寬度為18.83 μm,范圍為17.41～20.77 μm之間。其中,無性系GL16的平均纖維寬度最大,其次為EC4和LEI9,DH32-11的平均纖維寬度最小。GL16比DH32-11的平均纖維寬度高出16.18%。就變異系數(shù)而言,EC4和DH33-9的變異系數(shù)相對較小。除了無性系GL4、GL12和DH32-26之外,其他各無性系隨著樹齡的增加,其木纖維寬度變化規(guī)律基本一致,呈現(xiàn)出先增加后基本趨于穩(wěn)定的規(guī)律。9個無性系的纖維寬度之間的變異系數(shù)存在較大差異,其中無性系GL16、EC4、LEI9與其他無性系均存在顯著差異。

表3 纖維寬度差異

2.3 纖維雙壁厚變異

表4的數(shù)據(jù)顯示,9個尾巨桉無性系雙壁厚度的平均值為10.07 μm,變化范圍8.07～12.13 μm。其中,無性系GL16的平均雙壁厚度最大,其次為GL4和LEI9,DH33-9的平均雙壁厚度最小,比GL16的平均雙壁厚低33.47%。就變異系數(shù)而言,所有無性系的變異系數(shù)均大于40%?？梢钥闯?木纖維雙壁厚在不同樹齡之間變異較大。9個無性系木纖維雙壁厚的變異規(guī)律并不一致。EC4、GL12、GL16、LEI9和DH33-9隨著樹齡的增加雙壁厚度先增加后減小。而DH32-11和DH32-26隨著樹齡的增加雙壁厚度先減小后增加。其余2個無性系則沒有明顯的變化規(guī)律。無性系間的纖維雙壁厚差異系數(shù)大,其中無性系GL16與其他樹種均存在顯著差異。

表4 纖維雙壁厚度差異

2.4 纖維長寬比變異

表5的數(shù)據(jù)顯示,9個無性系纖維長寬比的平均值為54.55,變化范圍為44.15～60.07。其中,長寬比最大的無性系為DH33-9,其次為DH32-22和DH32-11,而GL16長寬比最小,比DHH33-9低26.50%。就變異系數(shù)而言,9個尾巨桉無性系的變異系數(shù)均大于20%。其中,GL4的變異最大,系數(shù)為32.67%,而DH33-9的變異系數(shù)最小,僅為23.34%。除了無性系DH33-9、GL4和GL16之外,其他各無性系在徑向上的纖維長寬比變化規(guī)律基本一致,由髓心到樹皮呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。無性系間的纖維長寬比差異系數(shù)大,其中無性系DH33-9、DH32-22與其他無性系的纖維長寬比均存在顯著差異。

表5 纖維長寬比差異

2.5 纖維壁腔比變異

表6的數(shù)據(jù)顯示,9個尾巨桉無性系纖維壁腔比的平均值為1.45,變化范圍在0.96～2.04之間。其中,壁腔比最大的為GL4,其次為GL16和LEI9,而壁腔比最小的為DH33-9,比GL4低52.94%。除了無性系DH33-9之外,其他無性系的壁腔比均>1。各無性系壁腔比的變異系數(shù)較大,均>60%。其中,GL4的無性系變異系數(shù)最大,DH32-26的無性系變異系數(shù)最小。各無性系在徑向上壁腔比的變化規(guī)律并不一致。GL4、GL16、LEI9、DH32-22和DH33-9的木材壁腔比呈現(xiàn)由髓心向樹皮先增加后減小的規(guī)律;而EC4、GL12、DH32-11和DH32-26的木材壁腔比則由髓心向樹皮呈現(xiàn)出先減少后增加的規(guī)律。無性系間的纖維壁腔比差異系數(shù)極大,其中無性系GL4、GL16與其他無性系的纖維壁腔比均存在顯著差異。

表6 纖維壁腔比差異

2.6 纖維腔徑比變異

表7的數(shù)據(jù)顯示,9個尾巨桉無性系纖維腔徑比均值為0.49,變幅在0.41～0.57之間。其中,腔徑比最大的無性系為DH33-9,其次是DH32-11和DH32-22,GL4腔徑比最小,比DH33-9低28.07%。各無性系桉樹木材纖維腔徑比均小于0.75。各無性系腔徑比變異系數(shù)皆較大,且在徑向上的變化規(guī)律不一致。由表7可見,除了無性系DH32-11和DH32-26呈現(xiàn)出由髓心到樹皮先增加后減少的規(guī)律之外,其他無性系在徑向上的腔徑比變化規(guī)律均不明顯。無性系間的纖維腔徑比差異系數(shù)大,其中無性系EC4、DH32-22、GL12與其他無性系的纖維腔徑比均存在顯著差異。

表7 纖維腔徑比差異

2.7 纖維特性的相關(guān)分析

表8的數(shù)據(jù)顯示,9個尾巨桉無性系桉樹的樹齡與各纖維特性之間的相關(guān)性均達到極顯著(P<0.01),與纖維長度之間為強正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.628,與纖維寬度、長寬比、雙壁厚、壁腔比呈弱正相關(guān),與腔徑比呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.075。纖維長度與雙壁厚、長寬比、壁腔比、腔徑比之間的相關(guān)性均達到了極顯著水平(P<0.01),與長寬比相關(guān)系數(shù)為0.636,為強正相關(guān),而與雙壁厚、壁腔比、腔徑比之間為弱正相關(guān),與纖維寬度為負(fù)相關(guān)。纖維寬度與雙壁厚、壁腔比之間為正相關(guān),與長寬比、壁腔比呈負(fù)相關(guān)。雙壁厚與壁腔比呈強正相關(guān),與長寬比、壁腔比呈強負(fù)相關(guān)。長寬比與壁腔比呈弱負(fù)相關(guān),與腔徑比呈弱正相關(guān)。壁腔比與腔徑比之間為強負(fù)相關(guān)。

表8 纖維腔徑比差異

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

研究結(jié)果表明9個尾巨桉無性系的纖維長度為899.74～1 038.08 μm,纖維寬度為17.41～20.77 μm,纖維雙壁厚為8.07～12.13 μm,纖維長寬比為44.15～60.07,纖維壁腔比為0.96～2.04,纖維腔徑比為0.41～0.57。根據(jù)IAWA闊葉材纖維特征一覽表,除了無性系GL16,其他無性系纖維長度都屬于中等纖維長度范圍(900～1 600 μm)。此外,纖維寬度、雙壁厚、長寬比、壁腔比和腔徑比等特性也需要考慮,不同的特性對于不同的加工利用有著不同的影響。因此,在選擇最適合的無性系進行木材加工利用和遺傳改良時,需要綜合考慮不同的纖維特性。

通過分析,9個尾巨桉無性系的纖維特性變異規(guī)律在徑向上基本一致,在每一種纖維特性中,隨著樹齡的增加,纖維長度先增后趨于穩(wěn)定,纖維寬度略有增加,纖維腔徑逐漸減少,而纖維雙壁厚的變異規(guī)律與纖維長度的變異規(guī)律基本一致。此外,相關(guān)性分析的結(jié)果表明,9個尾巨桉無性系中,纖維長度和樹齡、纖維寬度和纖維雙壁厚之間均存在極顯著的正相關(guān)性,纖維雙壁厚和纖維腔徑之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)性。這些結(jié)果提供了有關(guān)桉樹木材纖維特性變異規(guī)律以及不同纖維特性之間的相關(guān)性的信息,這對于選擇桉樹最優(yōu)的木材加工利用方法及桉樹的遺傳改良具有重要參考價值。

根據(jù)方紅等[17]研究可知,纖維越長,紙張的強度就越大,纖維長度前三的DH33-9、LEI9、DH32-22相較于其他6種桉樹而言,可以滿足作為優(yōu)質(zhì)紙漿材原料的要求。方紅等[17]認(rèn)為,纖維長寬比值的變化會對紙張質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。一般認(rèn)為,纖維長寬比越大,紙張的撕裂強度就越強。長寬比<35的纖維不適合造紙,而各性系的纖維長寬比均>35,均可作為造紙纖維原料。只有木纖維長寬比>35的纖維原料才適合用來造紙,本研究得出9個尾巨桉無性系桉樹的纖維長寬比均>35,說明滿足造紙纖維原料的要求。方紅等[17]研究表明,壁腔比<1是極佳的纖維原料,壁腔比=1是好的纖維原料,壁腔比>1是劣等的纖維原料,所以9個尾巨桉無性系中,除無性系DH33-9以外,無性系EC4、GL4、GL12、GL16、lei 9、DH32-11、DH32-22、DH32-26的壁腔比均不符合優(yōu)質(zhì)原料的要求。纖維壁腔徑比代表纖維的柔性系數(shù),一般認(rèn)為柔性系數(shù)在0.75以上的,適合作為造紙纖維,因此就纖維壁腔比而言,9個無性系均不適合用作纖維原料[18-20]。

3.2 結(jié)論

綜上所述,9種尾巨桉桉樹無性系中,DH33-9、LEI9、DH32-22綜合指標(biāo)達到優(yōu)質(zhì)紙漿材原料的要求,在生長中可以提倡種植這三種桉樹無性系,以獲得較好的紙漿原料,促進造紙業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。