741 杨(poplar741)是经过2次有性杂交选育的优良白杨派杂种,其母本是山杨(Populus davidiana)×小叶杨(Populus simonii),父本为毛白杨(Populus tomentosa)(刘希秀等,2007)。该组合杂种优势突出,为基本不飞絮的败育雌株。741 杨的树冠为卵形,枝条稀疏,分布均匀,分枝角度较大,主干挺拔通直; 树皮为青绿色且光滑(金华等,2012)。741 杨的父本毛白杨是我国特有的乡土树种,生长速度快,材质优良,一直是黄河流域及华北平原地区用材林、农田林网和城乡绿化树种之一(赵玉萍等,2005; 朱莉飞等,2010)。但是毛白杨雌性单株的种子飘絮对环境造成了污染(孙丰波林业科学49卷等,2007)。741 杨的败育雌株特性,使其对环境的污染明显小于毛白杨,同时兼具父本母本的优良性状,在毛白杨适生区具有广泛的推广前景。目前对741 杨木材品质性状研究比较少(姜惠明等,1993),不利于深入开发与高效利用741 杨,因此,本文对741 杨的生长规律、木材解剖性质、木材品质以及细胞壁化学组成等方面开展了研究,旨在为其培育和高效利用提供科学依据。

试验地设在河北深州市北四王村,37°03'—38°23'N,115°10'—116°34' E,海拔57m,年平均气温11.9℃,年降水量615.6mm,年总日照时数2637h,无霜期209天。试验地排水良好,肥力中等,土壤砂质。试验株包括15个741 杨无性系,株行距2m×3m,田间管理措施一致。

从4月份开始,每隔15天记录株高、胸径、叶片长度、宽度,并计算单株材积和叶面积(郭颖利等,2012)。单株材积计算公式为v=ah(a为茎横截面积,h为株高)(Ridge et al., 1986),一直到生长季节结束,停止观测。

取新鲜的不同节间的1年生741 杨枝条,横切成厚度为100μm的薄片,将薄片置于载玻片上,滴加1% 的间苯三酚反应5min后,滴加浓盐酸,数秒后显色。盖上盖玻片,在Nikon E200 光学显微镜下观察。另外,在1年生树干1m处用剃刀切去3cm长的小段,然后在横切面(TS)、径切面(RLS)和弦切面(TLS)方向切成1～2cm厚的切片,在日立Hitachi S-520 扫描电子显微镜下观察并照相(许凤等,2006)。

参照Zhang等(2003)的方法,制备741 杨茎段细胞壁物质(cell wallmaterial,CWM)。准确称取上述CWM 100mg,加入4 mL 2mol·L^-1三氟乙酸(TFA)水解,120℃水解2h,冷却后离心收集上清,分别用间羟基联苯法和蒽酮法测定果胶和半纤维素含量(高林等,2005)。沉淀用蒸馏水反复清洗3次,烘干,72% 的浓硫酸100℃水解2h,冷却后离心收集上清,采用蒽酮法测定纤维素含量,沉淀水洗后烘干,称重法测得木质素含量。

主要参考Lapierre等(1983)的方法,具体操作如下:分别称取2mg 1 年生和5 年生的茎段风干样品置于2mL 反应瓶中,加入200μL新鲜配制的反应液(终浓度为2.5% BF₃和10% EtSH溶于二氧杂环乙烷),置100℃恒温烘箱中反应4h,每隔1 h 摇动反应瓶。之后置反应瓶于－20℃ 5 min 停止反应,加入0.2mL 浓度为1mg·mL^-1 的内标二十四烷进行定量,0.4mol·L^-1 NaHCO₃调pH 为3～4,加1mL超纯水和500μL 乙酸乙酯萃取,静置分层。吸取上层有机相,干燥后的有机相于45℃挥干,得到的挥干物重新溶于0.4mL 乙酸乙酯,并加入50μL吡啶和100μL BSA,25℃静置4 h,取2μL 进GC /MS(Thermo Finnigan,San Jose,CA,USA)(色谱柱: DB 5MS,30m×0.25mm,0.25μmAgilentUSA)分析。每个样品重复3 次,取平均值。

参照Persson等(2007)的方法,称取741杨茎段细胞壁物质(1 年生和5 年生)100mg置于15mL 尖底离心管中,加入果胶酶反应液(1mol·L^-1乙酸钠∶1mol·L^-1醋酸= 7:3,8 U·mg^-1 果胶酶,)调pH =5. 0,24℃下消解24 h,离心收集上清,并标记为EPG 组分; 沉淀用Na2 CO3溶液25℃水解12 h,离心收集上清,标记为Na₂ CO₃组分; 沉淀用4mol·L^-1KOH 溶液(加入1% NABH4)25℃水解12 h,离心收集上清,标记为4mol·L^-1 KOH 组分。将以上各步骤获得的上清液用冰醋酸中和至pH=5. 0,移至透析袋中,透析4 次,每次12 h。透析后的溶液在40℃下减压浓缩、冷冻干燥、水解。此时得到2 种富含果胶的多糖组分(EPG 组分、Na₂CO₃组分)和富含半纤维素的多糖组分(4mol·L^-1 KOH 组分)。

衍生化处理:取200μL各组分水解液低温冻干后加入乙酸酐60μL、催化剂1-甲基咪唑20μL,振荡混匀后,室温反应5min。加入500μL乙酸乙酯和500μL水,涡旋、离心,取有机相1μL直接进GC/MS分析。

将5年生741杨原木段锯解成板状,气干后按国标(GB 1933—91)的要求加工成所需试样,按《木材物理力学性质试验方法》(GB /T 1927～1943—92)的有关规定测试各项指标(木材含水率、密度、干缩率、抗弯强度及冲击韧性)并进行计算分析。

由图 1A 可见,1 年生741 杨高生长持续期较长,从4 月份即开始生长,一直持续到9 月份,6—7130第3 期田晓明等: 741 杨生长与木材品质特性月为快速生长期,最快每半月生长0.48m,6,7月份生长量分别占全年生长量的27. 81%和22. 81%。进入8 月下旬后,出现高生长相对缓慢的时期,8 月下旬生长量仅为0.19m,其后,高生长量逐渐减少,直至11 月初停止生长。胸径生长的高峰期为6—8月,6,7,8 三个月生长量分别占全年生长量的20.91%,22. 83%,27. 09%,月生长量最高达到0.37 cm(图 1B)。进入9 月份,胸径生长量下降。一般认为,林木施肥期应早于其生长高峰期,由于741 杨胸径生长快速期出现于6 月份,对其丰产栽培时,可于5 月中、下旬便开始施肥。随着树木的生长,单株材积的生长率也开始增加(图 1C),当生长旺季过后,生长率开始降低,这种变化规律与树木生长的生物学特征是相吻合的。叶片的生长参数在图 1D,F 中有所体现。从图中可知,叶片的快速生长期出现在5—7 月,叶片伸长的速率要大于变宽的速率。叶面积的生长高峰期也出现在5—7 月,进入9月,随着741 杨生长速度的降低,叶面积也逐渐停止生长,直至干枯、掉落。

	图1 1年生741 杨生长节律 Fig.1 The growth rhythm of 1-year-old poplar 741

对741 杨的化学组成分析结果如表1所示。不同年龄阶段741 杨纤维素含量均在38% 以上,其中5 年生741 杨比1 年生741 杨纤维素含量多,达到44.79%;木质素含量在30%以上,但随着树龄的增加,木质素含量减少; 果胶和半纤维素的含量则在不同树龄的741 杨中没有明显区别。由于不同树龄741 杨木质素和纤维素含量的不同,导致纤维素与木质素的比值有差别,5年生的比值大于1年生。

表1 741 杨细胞壁化学组成 Tab.1 The cell wall chemical composition of poplar 741

表 1741 杨细胞壁化学组成 Tab.1 The cell wall chemical composition of poplar 741 树龄 Tree age 木质素 Lignin content 纤维素 Cellulose content 半纤维素 Hemicelluloses content 果胶 Pectin 纤维素∶木质素 Cellulose to lignin ratio 1 33.91±0.35 38.11±0.33 20.52±0.90 5.46±1.62 1.27 5 30.95±5.05 44.79±5.24 19.73±0.94 4.53±0.38 1.45

木质素是构成植物细胞壁的成分之一,在植物细胞中发挥着重要的生物学作用(Blount et al., 2002)。由于单体组成不同,可将木质素分为3种类型:对羟基苯基丙烷木质素(H-木质素)、愈创木酚基型木质素(G-木质素)和紫丁香基木质素(S－木质素)(Amthor,2003)。741 杨茎段木质素硫代131林业科学49卷硫解的总离子流图如图 2A所示,主要的硫解产物衍生物由G单体和S单体产生,参照Lapierre等(1983)和Lin等(1992)的分析结果,分析出741 杨的17种硫解衍生物(表 2)。不同树龄741 杨的木质素单体组成有所不同(表3),H-木质素的含量在1年生和5年生的741杨中的含量都很低,均不到0.5%,而G-木质素和S-木质素有较大差别(图 2B,C),这也造成了它们之间S∶G的比值出现较大差异,分别为1.46和2.46。

表2 741 杨木质素硫代硫解产物的结构和特征碎片离子^① Tab.2 The structure and mass spectral characteristics of thioacidolysis products of isolated lignin from poplar 741

表 2741 杨木质素硫代硫解产物的结构和特征碎片离子① Tab.2 The structure and mass spectral characteristics of thioacidolysis products of isolated lignin from poplar 741 编号 Serial No． 保留时间 Retention time /min 产物( 硫解衍生物) Product of TMS derivative 碎片离子M /Z( 强度) Molecular ion and prominent fragments( intensity) 1 11.25 G—CHO 224(23)，209(36)，194(100)，73(19) 2 11.62 CHR2—CH2R 210(20),149(25),135(100),89(50),75(25) 3 14.17 H—COOH 282(5),267(75),223(60),193(50),73(100) 4 16.46 S—CHO 254(46),239(52),224(100),73(20) 5 18.69 G—COOH 312(78),297(100),267(76),253(45),223(47),193(36),126(48),73(80) 6 25.62 CHR2—CHR—CH2R 284(5),16(20),135(100),75(75) 7 26.30 G—CH—CHR 282(100),252(40),222(20),207(5),192(5),179(10),149(40),73(50) 8 28.73 G—CH—CH—CH2R 269(25),281(2),235(75),204(40),131(60),75(10),73(100) 9 31.82 G—CH2—CHR2 344(10),283(3),225(5),209(15),192(8),179(6),135(100),73(40) 10 32.27 S—CHR2 360(1),345(2),299(100),269(10,73(20)) 11 35.53 S—CH2—CHR2 374(10),313(2),252(5),239(20),222(10),209(10),179(10),135(100),73(40) 12 37.24 S—CHOH—CO—CH3 370(1),355(13),327(100),73(100) 13 41.94 G—CHR—CH2—CHR2 418(10),403(2),356(3),327(3),295(10),269(100),239(5),209(5),192(5),135(60),73(50) 14 42.42,42,57 G—CHR—CHR—CHR2 418(3),403(2),295(10),269(100),235(8),75(15),73(20) 15 42.77 G-CH2—CHR—CH2R 418(3),403(2),283(40),222(32),192(1),135(100),75(20),73(10) 16 45.21,45.42 S—CHR—CHR—CH2R 448(2),403(3),325(5),299(100),269(5),265(10),239(15),75(30),73(40) 17 45.63 S—CH2—CHR—CHR2 448(4),[433(3),313(40),252(30),222(10),135(100),75(70),73(60) ①H:对羟苯基p-Hydroxyphenyl;G: 愈创木基Guaiacyl;S:紫丁香基Syringl;R:乙硫基SEt．

表3 741 杨木质素单体组成 Tab.3 The lignin composition of lignin of poplar 741

表3741 杨木质素单体组成 Tab.3 The lignin composition of lignin of poplar 741 树龄 Tree age 单体组成Monomer composition(%) S∶G H 单体H lignin H 单体H lignin H 单体H lignin 1 0.31±0.11 40.54±0.98 59.15±0.99 1.46 5 0.28±0.01 28.86±0.24 70.86±0.25 2.46

对741 杨的细胞壁单糖组成分析后发现,果胶组分中含量较高的是阿拉伯糖、半乳糖和木糖(表 4),这说明阿拉伯糖可能与半乳糖或是木糖共同构成果胶的主链,也可能阿拉伯糖本身形成主链。随着生长时间的增加,鼠李糖和岩藻糖的含量也不断增加。半纤维素组分中木糖和阿拉伯糖占绝大部分,其次是半乳糖醛酸,同时半纤维素各单糖的组成随树龄的增加变化不明显(表 4)。

表4 741 杨细胞壁单糖组成^① Tab.4 The glycosyl residue composition of cell wall from poplar 741

表3741 杨细胞壁单糖组成① Tab.3 The glycosyl residue composition of cell wall from poplar 741 单糖组分 Glycosyl residue 木糖 Xyl 鼠李糖 Rha 岩藻糖 Fuc 阿拉伯糖 Ara 半乳糖 Gal 半乳糖醛酸 Glc 甘露糖 Man 总量 Total(%) EPG 1 19.39±0.94 3.33±1.02 3.16±0.80 39.72±1.61 22.23±0.03 8.26±0.96 5.91±0.96 100 5 18.18±1.78 6.16±0.32 5.47±1.46 43.05±4.00 14.01±0.25 4.04±1.00 9.10±0.38 100 Na2CO3 1 16.18±0.88 2.67±0.06 7.95±0.19 40.41±3.26 6.66±0.25 23.29±1.67 2.84±0.03 100 5 20.65±1.79 2.66±0.16 12.10±1.59 46.58±0.47 10.92±1.22 4.70±0.31 1.88±0.17 100 4MKOH 1 35.18±1.16 ND ND 61.09±4.11 0.12±0.02 3.12±0.31 0.49±0.03 100 5 33.85±1.93 ND ND 61.05±3.48 0.21±0.06 4.45±0.60 0.44±0.01 100 ①ND 表示未检测到。ND means not detected．

	图2 木质素样品硫代硫酸解产物的气相色谱峰 Fig.2 Chromatograms of thioacidolysis products of lignin from poplar 741 IS:内标Internal standard;H:对羟基苯基木质素p-Hydroxyphenyl monomer;G:愈创木基型木质素Guaiacyl monomer;S:紫丁香基型木质素Syringly monomer．图中的双峰表示每种单体的同分异构体The peaks appear as doublets represent the erytho and threo isomers of each degration product．

在光学显微镜下观察1 年生741 杨横切面(图 3A～C),发现1 年生741 杨茎段从树梢到基部细胞壁木质化的程度越来越高; 同时,741 杨也具有一般阔叶木的解剖结构,其解剖结构的显著特点是除纤维细胞和木射线细胞外还有导管。导管在不同节间孔数不同,一般靠近树梢的节间孔多数为2～3 个导管相连的复管孔(图 3A,B),而靠近基部的节间孔则为单管孔(图 3C)。在扫描电子显微镜下观测到,741 杨纤维断面形状为圆形或多边形(图 3D),此结构不容易变形或扁塌,有利于提高纸张的撕裂强度和抗拉强度(许凤等,2002)。导管横切面为卵圆形或椭圆形,略具多边形轮廓; 导管的直径较大且大小不一,导管分子首尾相连,沿木纹方向形成许多通道(图 3D),在横切面上即为许多较大的孔洞(图 3E),且导管多为孔纹型导管(图 3F)。741 杨木射线细胞比较发达,排行、列数都较多,在横断面上形成一道道径向沟纹,且木射线细胞端头多呈方形,腔内无内容物,纵向大横向小,壁上有纹孔(图 3F),木射线细胞只有横卧木射线细胞一种,且木射线是单列(图 3E)。

	图3 741 杨显微构造 Fig.3 The microscopic structure of poplar 741 A-C:光学显微镜下741 杨茎第5,7,9节间The 5th,7th,9th internode stem slice of poplar 741 under a light microscope;DF:扫描电子显微镜下741 杨茎The stem of poplar 741 under scanning electron microscope; 1: 导管Vessel; 2: 纤维Fiber;3: 木质部射线Xylem ray; 4: 纹孔Pit．

本试验测定了5 年生741 杨物理性质,主要包括木材的含水率、木材干缩率和木材密度; 木材力学性质主要测定了抗弯强度和冲击韧性。测试结果见表 5。741 杨含水率较高,在140%～144% 之间,随着树干高度的增加,木材含水率呈下降趋势。木材干燥过程中产生的线性和体积干缩率的大小及均匀性是判定其实木加工利用价值的一项重要指标。经试验测试表明,741 杨体积干缩率为9.72%,处于较低水平。木材制材后,在由生材至气干材的干燥过程中,因失去水分而导致产生收缩,因而易使木材在干燥过程中产生不同程度的开裂、弯曲、扭曲、翘曲等质量缺陷,降低木材的利用价值和木材利用率。因741 杨收缩率低,因而具有较高的生产价值。另外,不同树高位置的木材平均体积干缩率随着树干高度的增加呈下降趋势,这与生材含水率的变化规133林业科学49卷律相同,而与基本密度变化规律相反。说明随着树干高度的增加,生材含水率下降,木材密实程度增加,而导致体积干缩率下降。

表5 741 杨木材物理力学性质分析^① Tab.5 The analysis of physical and mechanical properties from poplar 741

表5741 杨木材物理力学性质分析① Tab.5 The analysis of physical and mechanical properties from poplar 741 取材部位 Tree-site 含水率 Humidity ratio(%) 干缩率 Shrinkage of air dring rate(%) 密度 Density/(g·cm－3) 抗弯强度 Bending strength/MPa 冲击韧性 Impact flexibility /(kJ·m－2) 径向 Radial 弦向 Tangential 体积 Volume 气干 Airseasoning 含水12%时 At 12% humidity ratio 全干 Dry 基本 Basis 上部Top 1.40±0.01 4.27±0.52 5.38±1.11 10.60±2.01 0.43±0.01 0.43±0.01 0.43±0.01 0.35±0.02* 56.28±0.86* 46.26±0.07* 中部Central 1.41±0.00 4.54±1.50 4.28±0.59 10.05±1.17 0.42±0.07* 0.42±0.08 0.42±0.08 0.34±0.01* 66.61±0.61* 47.84±1.19 基部Base 1.45±0.00* 5.14±2.01 4.22±0.19 8.50±3.65 0.43±0.01 0.43±0.01 0.43±0.02 0.35±0.00 73.77±3.34* 49.68±2.27 均值Means 1.42±0.02 4.65±0.44 4.63±0.65 9.72±1.09 0.43±0.01 0.43±0.01 0.43±0.01 0.35±0.01 63.81±1.19 47.93±4.14 ①*表示5%水平上差异显著(P＜0.05)。* means significantly different(P＜0.05)．

木材密度是判断木材工艺性质和物理力学性质的一项重要指标。根据木材含水率不同,木材密度通常分为基本密度、生材密度、气干密度和绝干密度4种。741 杨基本密度为0.35g·cm^－3,是属于密度分级中的轻型系列,随着树干高度的增加,基本密度呈增加趋势。气干密度测定结果为0.43 g·cm^－3,依据我国对用材树种气干密度大小的分类划分,741杨属于小类。不同树高位置木材平均气干密度的差异不明显。

抗弯强度是木材强度的一项主要衡量指标。经计算741 杨的抗弯强度在62.62～65MPa之间,与同类型杨树木材相比(王桂岩等,2001;姚胜等,2008),处于较高水平。韧性是木材吸收载荷的能量以抵抗破裂的固有能力,以冲击韧性衡量。741杨的平均冲击韧性在40.79～52.07 kJ·m^－2之间,按我国主要用材树种冲击韧性大小的分类,冲击韧性均属中等。随着树干高度的增加,冲击韧性呈增加趋势。

通过研究发现,741 杨生长持续期长,生长速度快,而且株高、茎粗和单株材积生长量在生长旺季具有速生的特点。对1年生和5年生741 杨细胞壁化学组成比较分析发现,树龄对木材的化学成分组成具有一定的影响(Schoenholtz et al.,2000; Zimmermann,1963)。杨树的化学组成中含有大量多糖(全纤维素,主要有纤维素和半纤维素)以及少量木质素(Zobel et al., 1984)。5 年生741 杨的全纤维素含量达到62% 以上,表明其在造纸工业中具有巨大潜力; 同时研究还发现果胶与半纤维素的单糖组成比例会随着树龄的增加发生变化。在植物细胞壁中,果胶组分主要是以半乳糖醛酸为主链,其他中性糖为侧链,或者中性单糖与半乳糖醛酸共同构成主链(Cosgrove,2005)。5 年生741 杨细胞壁果胶中阿拉伯糖含量明显增加,阿拉伯聚糖或者阿拉伯与半乳糖聚糖共同构成主链,形成酸性果胶并与纤维素相结合后,进一步提高了纤维素的柔韧性(O’Neill et al., 2003)。半纤维素的主链类似于纤维素主链,它结合于纤维素上,但不能自己形成微纤丝。木聚糖、木葡聚糖和阿拉伯木聚糖在半纤维素中最为丰富。

不同种类植物木质素的组成、结构并不完全一样,根据木质素氧化分解得到的分解产物,可将木质素可分为针叶材木质素、阔叶材木质素及草本木质素三大类(李金花,2005)。针叶材木质素主要是G-木质素,阔叶材木质素主要是G-S-木质素,草本类木质素主要是G-S-H-木质素(Boudet et al., 2003; Higuchi,1985)。由于木质素结构单元间的连接形式(醚键和C—C键)不同,经化学处理或制浆过程中受到蒸煮药液的作用时,木质素溶解的难易程度也不同(Boerjan et al., 2003; Baucher et al., 1996)。在Kraft 制浆工艺中,很易打破醚键,但不能打破C—C 键,这是因为在G-木质素的C5位置形成C—C 键,该键对化学药品的降解作用具有高度的稳定性(Chiang et al., 1990a; Boerjan et al., 2003)。因而,3 种类型木质素单体的相对数量在一定程度上决定了木质素降解的难易程度(Chiang et al., 1988;1990b),S-木质素比G-木质素更易被去除。本研究中发现,随着树龄的增加,741 杨木质素单体的组成也会发生明显的变化,S －木质素的含量逐年增加,使其更易于脱木素,应用于造纸行业。

木材物理性质是木材科学加工和合理利用的基础之一,许多木材加工处理工艺的测定都有赖于木材物理性质的测定数据。一般说来,杨属木材的密度相对低,同时具有弥散的多孔构造。不同的杨属木材基本密度都有所不同。例如108 杨(Populus×euramericana cv.Guariento)为0.349 g·cm^－3(Beaudoin134第3期田晓明等:741 杨生长与木材品质特性 et al., 2007)、山杨为0.396 g·cm^－3(Metsälä et al., 2002)、美洲黑杨(Populus deltoids)为0.36 g·cm^－3(Pliura et al., 2005)、毛白杨为0.396 g·cm^－3(李淑玲等,2005),741 杨的木材基本密度为0.35 g·cm^－3,在以上列举的杨树中属于中等水平。由于杨树的密度相对来说较低,它们的体积干缩率一般在11%～12%之间。但是741 杨的体积干缩率仅为9.72%,这就避免了由于干燥而引起的木材形变。