杨树无性系木材制浆性能的综合评价

秦乃花 于晓燕 魏娟 舒秀阁 杜庆松 秦光华 董玉峰

摘要以6年生杨树无性系鲁林1号（P.בLulin-1’）、I-107（P.×euramericana cv.‘74/76’）和L35 （P.×euramericana cv.‘L35’）为试验材料，通过大田试验对其木材的纤维形态、化学组分、浆料性能和纸张质量进行了研究。结果表明，不同无性系木材的纤维长度、纤维宽度和长宽比存在一定差异，其中无性系鲁林1号的纤维长度和长宽比为1.153 mm和49.5，分别为I-107的98.8%和106.0%，分别为L35的99.74%和99.74%;无性系鲁林1号木材的化学组分中综纤维素和纤维素含量较高，木素和戊聚糖等含量较低，同时其浆料白度及强度性能各项指标优良;此外，无性系鲁林1号的纸张具有较好的抗张指数与耐破指数，总体纸张质量介于I-107与L35之间。综合分析认为，杨树无性系鲁林1号适合配抄各种中高档文化用纸。

关键词杨树无性系;纸浆材;纤维形态;制浆性能;综合评价

Abstract：In this study， three 6-year-old poplar clones of lu lin yi hao （P.בLulin-1’），I-107（P.×euramericana cv.‘74/76’）and L35 （P.×euramericana cv.‘L35’） were used as trial material in a field experiment. The study was conducted to determine the fiber morphology， chemical constituents， pulping properties and paper quality of poplar clones. The results indicated that there were some differences in fiber length， fiber width and length-width ratio among different clones， and the values of fiber length and length-width ratio in clonelu lin yi hao （P.בLulin-1’） were 1.153 mmand 49.5， showing 98.8% and 106.0% increases in comparison with I-107（P.×euramericana cv.‘74/76’） ， as well as 99.74%and 99.74% increases compared with L35 （P.×euramericana cv.‘L35’）， respectively. The contents of holocellulose and cellulose in chemical components of clonelu lin yi hao （P.בLulin-1’） were higher than the other clones， whereas the contents of lignin and pentosan were lower. Meanwhile， the whiteness and strength properties of the pulp were excellent. Moreover， the paper of clone lu lin yi hao （P.בLulin-1’） had better tensile index and rupture index， and the overall paper quality was between I-107 and L35. In conclusion， poplar clone lu lin yi hao （P.בLulin-1’） is suitable to application for all kinds of medium and high grade cultural paper.

Keywords：poplar clones; pulpwood; fiber morphology; pulping property; integrative evaluation

楊树是杨柳科（Salicaceae）杨属（Populus）树种的统称，是世界性重要人工林栽培树种，也是我国黄淮海地区重要的速生丰产林树种，具有生长快、成才早，材色洁、易漂白，纸张具有白色度高、不透明，吸收能力强等优良特性，纸浆得率达80～85%，被普遍认为是制造中、高档纸的重要原料，杨木在木浆原料中约占35%。目前，我国杨树人工林面积达700多万hm2，占全国人工林总面积的19%，超过世界其他国家杨树人工林面积的总和[2]。山东省杨树人工林种植面已达40余万 hm2，每年生产木材60余万 m3，对缓解山东省木材供需紧张矛盾发挥了巨大作用[1]。

随着我国制浆造纸需求量的不断增大，促使杨树培育由粗放型向集约型和定向型培育转变[2]。集约型和定向型培育是指按木材的最终用途对木材种类、质量和规格的要求进行杨树良种培育，这不仅对选育技术和栽培技术措施提出了更高的要求，同时也对杨树良种的特性提出了更高要求[3-4]。但以往的杨树育种工作多注重追求丰产性，不注重适应性、稳定性评价，存在纸浆用材选育目标综合评价体系不够完善等问题。如何选育适合纸浆林工业用材的要求，又具有高产高抗的杨树纸浆林优良无性系，是摆在林木遗传改良工作者面前的重要任务，也是林业生产和造纸产业发展中急需解决的重要问题。定向选育纸浆用材杨树优良无性系，是当前造纸产业发展对杨树育种工作的迫切需求。纸浆材在利用方式上有别于其他培育目标，它是以纤维作为利用对象，在培育过程中追求单位时间、单位面积获取的木片绝干重最大，或者说是获取的纸浆量最大，同时又要求木材的纤维形态最有利于造纸。因此，在选择纸浆材优良无性系时，除了要考虑生长性状，即速生、丰产、干形等性状外，还要考虑木材的纤维形态及含量。

木纤维是杨树木质部的重要组成部分，是制浆造纸的主要原料。木纤维的长度和长宽比等性状值的大小直接影响杨木制浆性能和造纸质量[5]。黄秦军等[1]对10个新选育的杨树无性系研究表明，其纤维长、纤维宽等指标均超过国家标准中对造纸材料的要求。张黎等[6]对I-107杨纤维性状径向变异规律的研究认为，木材纤维长度、纤维宽度与长宽比的变异均是自髓心向外逐年增大，纤维长度的变化范围为0.80～1.40 mm。张平冬等[7]对三倍体白杨杂种无性系的研究表明，生长性状与纤维长度、长宽比间呈显著的正相关，而与纤维宽度、纤维粗度呈不显著的正相关。刘玉鑫等[8]对11个美洲黑杨无性系木材纤维性状的研究发现，11个无性系纤维长度、纤维宽度和纤维长宽比平均值分别为1.11 mm、22.3μm和49.57，且纤维长度和纤维长宽比随着林龄增大而增加。也有学者[9]对来自加拿大不列颠哥伦比亚省4个不同产地的15个山杨（P. tremuloides）无性系木材纤维性状的自然变异进行评价，发现不同品种间、林分间均存在显著变异。由此可见，目前针对多个杨树无性系的纤维性状已开展了大量的研究工作，但关于山东省林业科学研究院选育的杨树无性系鲁林1号（P.בLulin-1’）的木材纤维形态研究相对较少，且针对其木材化学组成、浆料性能与纸张质量的研究更是鲜见报道，而木材的化学组分与浆纸特性对于纸浆材至关重要。为此，本研究拟以杨树无性系鲁林1号（P.בLulin-1’）为研究对象，以I-107（P.×euramericana cv.‘74/76’）和L35（P.×euramericana cv.‘L35’）为对照，对3个杨树无性系木材的纤维形态、化学成分、APMP浆料性能和纸张质量等開展了系统的研究，以期为杨树纸浆材新品种的选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况

试验地设在莒县赵家廿里（35º31´ N，119º12´ E），属暖温带亚湿润季风气候，年均气温12.1 ℃，极端最高气温为35.8 ℃，极端最低气温为-14.7 ℃，无霜期182.0 d;日照时数2450 h/a，年降水量750 mm，降水多集中于7月～ 8月，年蒸发量1740.2mm，年均相对湿度75%。土壤为河潮土，沙壤，地下水位2 m～3 m。造林密度为株行距4m×4m。

1.2试验材料

试验材料为I-107 （P.×euramericana cv.‘74/76’）、L35 （P.×euramericana cv.‘L35’）、鲁林1号 （P.בLulin-1’），均为6年生，其中I-107和L35为对照。试验采用完全随机区组设计，每个小区50株，3次重复。

1.3试验方法

在6 年生莒县试验林中，参试无性系选3株标准木伐倒。分别树干的基部、中部、梢部截取3～5cm厚圆盘，按《制浆造纸分析与检测》中方法，制备木材样品，测定木材的纤维形态、化学成分，并按照单段预处理APMP制浆工艺流程，进行制浆、造纸和浆料性能检测，在山东木材制浆造纸重点实验室完成测定，在山东省纸张质量监督检验站进行检验。

纤维长度采用纤维质量分析仪（FQA）KajaaniFS-100测定;纤维宽度采用目镜测微尺法测量;综纤维素含量按GB/T2677.10-1995标准方法测定;硝酸-乙醇纤维素含量按《制浆造纸分析与检测》中方法测定;酸不溶木素含量按GB/T2677.8-1994标准方法测定;戊聚糖含量按GB/T2677.9-1994标准方法测定;1%氢氧化钠抽出物含量按GB/T2677.5-1993标准方法测定;苯醇抽出物含量按GB/T2677.6-1994标准方法测定;热水和冷水抽出物含量按GB/T2677.4-1993标准方法测定;纸张白度、不透明度和光散射系数用瑞典L&W公司产Elrepho 白度测定仪测定;纸张裂断长用摆锤式抗张强度测定仪测定;纸张耐破指数采用电脑自控耐破度测定仪测定;

纸张撕裂指数采用撕裂度测定仪测定;纸张耐折度采用MIT式耐折度测定仪测定;纸张打浆度肖伯尔式打浆度测定仪测定[10]。

1.4数据处理

采用Excel 2010处理数据并制图，采用DPS7.5软件进行方差分析和多重比较（LSD法，P < 0.05）。

2 结果与分析

2.1纤维形态测定

无性系纤维形态测定结果表明（表1），3个参试无性系的纤维长度平均值为1.159 mm，分布范围为1.153～1.167 mm，其中无性系鲁林1号的纤维长度（1.153 mm）分别为对照I-107和L35的98.8%和99.74%。纤维宽度平均值为23.87 mm，分布为23.3～25.0 mm，其中无性系鲁林1号的纤维宽度（23.3 mm）分别为对照I-107和L35的93.2%和100.0%。纤维长宽比平均值为48.6，分布为46.7～49.6，其中无性系鲁林1号的纤维长宽比（49.5）分别为对照I-107和L35的106.0%和99.74%。造纸用纤维宜细长，其长宽比宜大于35，且越大越好，一般认为长宽比大（大于30 ～ 45）的纤堆，纤维韧性好，造纸时纤维之间的接触面大，相互交织好，成纸强度高[11]。可以得出，参试杨树无性系的纤维形态达到国际木材解剖学会规定的中级木材纤维长度（0.9～1.6mm）标准，长宽比在46以上，符合制浆造纸要求。

2.2化学组分分析

表2为杨树无性系的化学组分的测试结果，从中可以看出，无性系鲁林1号的综纤维素（82.91%）和纤维素含量（51.10%）均略高于对照L35和I-107，分别为对照的102.59%和102.21%，而木质素（16.83%）和戊聚糖（22.36%）低于对照，分别为对照的97.68%和98.16%，除苯醇抽出物（2.01%）、冷水抽出物（3.62%）高于对照L35和I-107外，其他抽出物以及灰分含量（0.44%）均低于对照。综纤维素和纤维素的含量高，制浆得率高。木素和戊聚糖对纸浆得率有负影响。浸提物（冷、热水抽出物、1%氢氧化钠抽出物、苯醇抽出物）含量高会增加蒸煮时药品的消耗、延缓蒸煮过程降低纸浆得率和影响浆的颜色，增加浆漂白时药品的用量。造纸原料中灰分含量虽对普通纸张影响不大，但愈低愈好[12]。通过以上分析可以得出，无性系鲁林1号与对照L35和I-107相比具有较好制浆性能。

2.3浆料性能评价

对不同无性系在不同工艺条件下进行APMP制浆造纸试验，结果表明（表3）：当H2O2总用量为4%时，各树种所得浆料白度均超过75.0%ISO;当H2O2总用量为6%时，白度均超过77.5%ISO。NaOH用量至6.3%时，参试杨树无性系所得浆料撕裂指数超过3.0 mN·m2·g-1，耐破指数均超过1.60 KPa·m2·g-1，裂断长均超过3.00km。各无性系之间，无性系鲁林1号抗张指数和撕裂指数均高于对照无性系，耐破指数超过或与对照无性系相近;不透明度高于对照无性系，白度与L35相当，裂断长与L35和I-107相当。由此可见，无性系鲁林1号具有较好的纸浆性能。

2.4纸张质量评价

对无性系鲁林1号及对照无性系的APMP浆造纸的纸张质量进行检验，主要指标测定结果列入表4，对其分析可以得出，无性系鲁林1号的抗张指数、耐破指数分别为33.0 N.m.g-1、1.61 KPa.m2/g，位于对照L35和I-107之间，白度和定量与对照L35和I-107相近，分布为78.60～80.40%ISO和61.10～64.30 g.cm-3，撕裂指数（3.14 mN.m2.g-1）分布为3.14～4.19 mN.m2.g-1，与对照I-107（3.42 mN.m2.g-1）相近，但低于L35（4.19 mN.m2.g-1）。说明无性系鲁林1号纸张具有较好的抗张指数和耐破指数，总体纸张质量在对照L35和I-107之间，适合配抄各种中高档文化用纸。

3 讨论与结论

在杨树纸浆原料林的生产经营过程中，纸浆林单位面积的木材产量和木材的质量均非常重要。单位面积的木材产量直接决定了纸浆产量，而木材纤维特性则决定了成纸的质量，也是造纸工业衡量纤维原料优劣的依据[1]。在纤维性状中，纤维长度和纤维长宽比是描述杨木纤维形态的重要指标，直接影响制浆性能和造纸质量[8]。木质纤维长度越长，纸张的强度越大，反之，纤维长度短，则纸张强度小。长宽比大的木质纤维，成纸时单位面积中纤维之间相互交织的次数多，纤维分布细密，成纸强度高。因此，选育杨树纸浆品种不仅要重视生长性状的遗传改良，更要注重纤维性状的遗传改良，尤其是纤维长度性状的遗传改良[7]。Yu等[13]研究表明，幼龄欧洲山杨杂种无性系的平均纤维长度介于0.43～0.70 mm之间。Zhang等[14]研究认为，5年生三倍体毛白杨纤维长度为0.77～0.80 mm。曾广植[15]研究得出，纤维长度与纸张强度呈正线性相關;张平冬等[7]研究发现，纤维长宽比值越大，纤维之间交织次数越多，结合能力越好，获得的纸张强固性和割裂性也就越好。本研究中，参试杨树无性系鲁林1号、L35和I-107的纤维长度介于1.153～1.167 mm，长宽比介于46.7～49.6，达到了国际木材解剖学会规定的中级木材纤维长度（0.9～1.6 mm）标准，长宽比46以上，符合制浆造纸要求。此外，有研究表明[16]，纤维长度在树干水平方向上从内向外逐渐增大，而纤维宽度相对稳定。还有研究认为[17]，纤维长度、宽度和长宽比随着年轮的增加而增大，达到一定的年龄后保持稳定或略有减小。

在木材化学成分中纤维素含量的高低对制浆得率的多少起决定性的作用，而木质素含量高则制浆得率差，耗药量大[18]。赵天锡等[19]对45个不同杨树品种的研究认为，杨树综纤维素含量介于703.5～859.6 g/kg，木质素含量介于175.0～351.8 g/kg。本试验中，无性系鲁林1号的综纤维素和纤维素含量均高于L35和I-107，而木质素含量低于L35和I-107。木材化学成分含量对制浆造纸的生产工艺和最终经济效益影响很大，而杨树的纤维素含量和木质素含量的影响力远远高于灰分、抽提物等。在杨树纸浆材培育过程中，可以简化木材化学成分选择指标体系，即只把生物量高、纤维素含量多和低木质素含量作为检测指标就可满足纸浆材新品种选育的要求。

从浆料性能的角度来看，无性系鲁林1号的抗张指数和撕裂指数均高于L35和I-107，耐破指数超过或与L35、I-107接近。同时结合纸张质量可知，无性系鲁林1号纸张具有较好的抗张指数与耐破指数，总体纸张质量介于L35与I-107之间。这表明无性系鲁林1号适合配抄各种中高档文化用纸。

此外，从全球杨树育种的趋势来看，我国杨树育种应该以社会需求为导向，加强杨树的遗传学、生物学等基础性研究，积极探究现代生物技术和常规育种的有效融合，制定行之有效的“短—中—长”期改良结合的技术方案，进而快速推动我国杨树育种改良的进程。

参考文献：

[1] 董玉峰， 姜岳忠， 张明哲，等.不同杨树品种的分枝及与生长和干形的关联[J].中南林业科技大学学报， 2014， 34（2）：34-38.

[2]方升佐. 中国杨树人工林培育技术研究进展[J].应用生态学报， 2008， 19（10）： 2308-2316.

[3]陈章水.杨树栽培实用技术[M].北京：中国林业出版社，2005.

[4]姜岳忠.毛白杨人工林丰产栽培理论基础与技术体系研究[D].北京： 北京林业大学博士论文， 2006.

[5]翁文源.杨树木材纤维长度变异及其在造纸中的应用[J].湖北林业科技， 2007， 36（2）： 31-33.

[6]张黎， 赵荣军， 费本华. 欧美杨107杨木材纤维形态分析[J].中国造纸， 2008， 27（5）：28-31.

[7]张平冬，吴峰，康向阳，等.三倍体白杨杂种无性系的纤维性状遗传变异研究[J].西北林学院学报， 2014， 29（1）： 78-83.

[8]刘玉鑫， 颜开义， 何伟， 等.美洲黑杨无性系木材纤维性状遗传变异[J].南京林业大学学报， 2020，44（2）： 67-74.

[9] Mansfield S D， Weineisen H. Wood fiber quality and kraft pulping efficiencies of trembling aspen （Populus tremuloides Michx） clones [J].J Wood Chem Technol， 2007， 27（3/4）：135-151.

[10]董玉峰.杨树纸浆材优良无性系选择及高效群体结构研究[D].泰安： 山东农业大学博士论文， 2014.

[11]张避光.木材科学与技术[M].北京：中国环境科学出版社， 2004.

[12]任海青， 周海宾. 三倍体毛白杨木材化学成分和纤维形态的分析[J].安徽农业大学学报， 2006， 33（2）： 160-163.

[13]Yu Q， Pulkkinen P， Pautio M， et al. Genetic control of wood physiochemical properties， growth and phenology in hybrid aspen clones [J].Canada Journal of Forest Research， 2001， 31： 1348-1356.

[14]Zhang P D， Wu F， Kang X Y. Genotypic variation in wood properties and growth traits of triploid hybrid clones of Populus tomentosa at three clonal trials [J]. Tree Genetics and Genomes， 2012（8）： 1041-1050.

[15]曾廣植.对用纸浆纤维筛分组分评价纸张综合强度影响关系的探讨[J].纸和造纸，2006，25（5）： 74-76.

[16]武恒，查朝生，王传贵，等.人工林杨树12个无性系木材纤维形态特征及变异[J].东北林业大学学报， 2011， 39（2）： 8-10.

[17]查朝生，方宇，刘盛全，等.杨树无性系木材纤维形态特征及其径向变异的研究[J].安徽农业大学学报， 2005， 32（2）： 192-197.

[18]黄秦军， 苏晓华， 马常耕，等.杨树新品系超短轮伐条材材性及其生物制浆可行性[J].林业科学研究， 2008， 21（1）：74-78.

[19]赵天赐， 陈章水， 王彦， 等.中国杨树集约栽培[M] .北京：中国科学技术出版社， 1994.