栓皮櫟熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素關(guān)系1)

張 瑜 彭祚登 汪 力 江麗媛 何寶華

(省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

栓皮櫟(Quercus variabilis)在我國(guó)分布范圍較廣，是重要的用材樹種，果實(shí)、殼斗、種仁等可作飼料及釀酒。栓皮櫟熱值高，燃燒性能好，是能源林研究的重要內(nèi)容[1]。

國(guó)外學(xué)者對(duì)于植物熱值的研究較早，1934年Long[2]首先測(cè)定了向日葵不同部位葉片熱值，1960年Golley[3－4]應(yīng)用氧彈式熱量計(jì)測(cè)定了從熱帶雨林至極地泰加林主要植物群落中優(yōu)勢(shì)植物種類的平均熱值，同時(shí) Bliss和 Olson[5－6]也進(jìn)行了大量的能量研究，從單一個(gè)體到植物群落熱值動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，再到熱值的測(cè)定方法。20世紀(jì)80年代以后的研究集中在熱值的動(dòng)態(tài)變化，并延伸到能量動(dòng)態(tài)、能量固定、能量轉(zhuǎn)移效率等方面。我國(guó)關(guān)于熱值方面的研究在20世紀(jì)80年代才開始[7]。早期的研究側(cè)重于熱值的季節(jié)變化、植物器官的熱值差異、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱值的影響等[8－9]。目前，植物熱值的研究呈多樣化發(fā)展，研究對(duì)象包括草原植物、水稻，以及針葉林和竹類等，從器官、個(gè)體的角度出發(fā)，包括森林生態(tài)系統(tǒng)、植物體器官間、種間、科間、群落熱值差異性、熱值的時(shí)空變化動(dòng)態(tài)、影響熱值大小的因素等[10－14]。苯—乙醇抽出物的研究主要應(yīng)用在防火樹種的研究領(lǐng)域以及紙漿工程[15－17]，而半纖維素的研究較為廣泛，包括半纖維素對(duì)于紙漿質(zhì)量的影響，半纖維素提取技術(shù)等[18－19]。趙廷寧[20]等對(duì)黃土高原地區(qū)主要木本植物的熱值和化學(xué)成分進(jìn)行了測(cè)定，認(rèn)為植物熱值與苯—乙醇抽出物和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈二元線性關(guān)系，苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱值的影響要比木質(zhì)素大。庫麗霞[21]、岳建芝[22]等各自對(duì)玉米秸稈主要成分及熱值進(jìn)行研究，均認(rèn)為熱值與纖維素、木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，且達(dá)到了極顯著水平;熱值與半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，但沒有達(dá)到顯著水平。對(duì)于重要能源樹種栓皮櫟，有關(guān)熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系的研究還未見報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 材料

栓皮櫟樣品采集于北京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)。取樣地地理坐標(biāo)為 N39°54'，E116°28'，屬華北大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，冬季干燥寒冷，植被屬于溫帶落葉林帶的山地櫟林和油松林帶。2006年采集的6個(gè)樹齡栓皮櫟樣品均在相同立地條件下，每2個(gè)相鄰樹齡之間相隔約8 a。4個(gè)采集部位分別為枝、皮、干、葉，采集后樣品帶回實(shí)驗(yàn)室烘干粉碎以備用。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

熱值測(cè)定:采用美國(guó)PARR6300氧彈量熱儀測(cè)定熱值，得到被測(cè)試樣的干質(zhì)量熱值。去灰分熱值=干質(zhì)量熱值/(1－灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù))。灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定用干灰化法，即550℃恒質(zhì)量法，樣品放入坩堝中，加蓋隔絕空氣，在馬弗爐550℃下灰化6 h，測(cè)定其灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

苯—乙醇抽出物測(cè)定:根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2677.6—1994規(guī)定的造紙?jiān)媳健掖汲槌鑫餃y(cè)定方法，使用體積比為2∶1的苯和乙醇，通過索氏提取器提取，直接通過測(cè)定烘干抽提物質(zhì)量測(cè)得。

半纖維素測(cè)定:根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 745—1989《紙漿聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定方法(溴化法)》將試樣與12%的鹽酸共沸，使試樣轉(zhuǎn)化為糠醛，用溴化法測(cè)定糠醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后換算成聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而計(jì)算半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

利用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)栓皮櫟不同器官干質(zhì)量熱值、去灰分熱值、苯—乙醇抽出物及半纖維素進(jìn)行差異性比較分析。以年齡作為控制變量，采用偏相關(guān)分析方法，分析栓皮櫟苯—乙醇抽出物、半纖維素與干質(zhì)量熱值和去灰分熱值的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 栓皮櫟熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素變化

2.1.1 栓皮櫟熱值隨樹齡的變化

隨著樹齡的變化，熱值在生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用，特別是對(duì)于能源林的作用更為突出。結(jié)合樹種材積生長(zhǎng)表，研究樹種熱值隨年齡的變化趨勢(shì)，是確定能源林樹木采伐利用的重要依據(jù)。研究數(shù)據(jù)表明，栓皮櫟6個(gè)樹齡的干質(zhì)量熱值變化表現(xiàn)為皮的干質(zhì)量熱值隨著年齡的增加而增加，干的干質(zhì)量熱值隨著年齡的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，生長(zhǎng)至24 a，熱值開始下降[23]。葉的干質(zhì)量熱值變化較為平緩。枝的干質(zhì)量熱值總體上表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，生長(zhǎng)至39 a熱值開始下降。栓皮櫟6個(gè)樹齡的去灰分熱值的變化趨勢(shì)與干質(zhì)量熱值的變化趨勢(shì)相一致(見表1、表2)。

表1 栓皮櫟不同器官的干質(zhì)量熱值

表2 栓皮櫟不同器官去灰分熱值

2.1.2 苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨樹齡的變化

栓皮櫟苯—乙醇抽出物中主要含有樹脂、蠟質(zhì)、脂肪酸等芳香族化合物和碳?xì)浠衔铩ｔ旐槺24]等對(duì)厚壁毛竹的主要化學(xué)成分及熱值研究得出:苯—乙醇抽出物是造紙工業(yè)的一塊絆腳石，降低了紙漿的得率，增加制漿藥液的消耗。因此對(duì)于紙漿用材林樹種，苯—乙醇抽出物的研究有利于更好地利用木材原料，提高用材率。本研究中6個(gè)樹齡栓皮櫟4個(gè)器官的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化為:葉的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上是增加的趨勢(shì)，皮和枝的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出先增加后降低，干的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較其它部位平緩，變化幅度較小(如表3)。葉的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為11.51%;干的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為2.8%。32 a時(shí)，栓皮櫟不同部位苯—乙醇抽出物總和最低，利于紙漿生產(chǎn)。栓皮櫟樹種24 a時(shí)，苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，枝、皮、干、葉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均值達(dá)6.91%，此時(shí)的熱值相對(duì)較高，對(duì)于能源林的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

2.1.3 半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨樹齡的變化

半纖維素水解成多種單糖，其中有五碳糖和六碳糖，聚戊糖是指半纖維素中五碳糖組成的高聚物的總稱。半纖維素在造紙過程中與纖維素之間形成結(jié)合，提高了造紙強(qiáng)度，有效地利用植物體半纖維素能夠提高造紙質(zhì)量。不同樹齡栓皮櫟半纖維素(聚戊糖)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較為復(fù)雜(見表4)，樹齡小于24 a的樹種半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為干＞枝＞皮＞葉，隨著樹齡的增加，皮、干的半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，枝、葉半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

表3 栓皮櫟不同器官苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表4 栓皮櫟不同器官半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 不同器官熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素差異性分析

對(duì)栓皮櫟6個(gè)樹齡4個(gè)器官干質(zhì)量熱值、去灰分熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行差異性分析。結(jié)果見表5。可看出，栓皮櫟干、皮、枝、葉的干質(zhì)量熱值、去灰分熱值、苯—乙醇抽出物和半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均具有極顯著差異(P＜0.01)。

表5 不同器官熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素方差分析

對(duì)栓皮櫟6個(gè)樹齡不同器官干質(zhì)量熱值、去灰分熱值、苯—乙醇抽出物和半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行多重比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

不同器官干質(zhì)量熱值與去灰分熱值統(tǒng)計(jì)結(jié)果大體一致，表現(xiàn)為:皮＞葉＞枝＞干，這與王立海等[25]對(duì)植物器官熱值的研究結(jié)果相同。苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:葉＞皮＞枝＞干，半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:干＞枝＞葉＞皮。

表6 不同器官熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素多重比較

2.3 栓皮櫟熱值與苯—乙醇抽出物、半纖維素相關(guān)性分析

對(duì)栓皮櫟樹枝、樹皮、樹干、樹葉4個(gè)部位干質(zhì)量熱值、去灰分熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果見表7、表8。可以得出:栓皮櫟干、皮、葉的苯—乙醇抽出物與半纖維素之間呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)，枝的苯—乙醇抽出物與半纖維素呈不顯著正相關(guān);栓皮櫟干、枝、皮的苯—乙醇抽出物與干質(zhì)量熱值之間均呈現(xiàn)不顯著正相關(guān)，而葉的苯—乙醇抽出物與干質(zhì)量熱值呈不顯著負(fù)相關(guān);干、皮的半纖維素與干質(zhì)量熱值間呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)，枝與葉的半纖維素與干質(zhì)量熱值呈現(xiàn)不顯著正相關(guān)。總體上不同器官栓皮櫟苯—乙醇抽出物、半纖維素與干質(zhì)量熱值的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

栓皮櫟的干、枝、皮的苯—乙醇抽出物與去灰分熱值均呈現(xiàn)不顯著正相關(guān)，而葉的苯—乙醇抽出物與去灰分熱值呈不顯著負(fù)相關(guān);干、葉、皮的半纖維素與去灰分熱值間呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)，而枝的半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與去灰分熱值呈顯著正相關(guān)。

通過不同器官苯—乙醇抽出物、半纖維素與熱值的相關(guān)性分析表明，苯—乙醇抽出物與干質(zhì)量熱值、去灰分熱值相關(guān)性規(guī)律一致，且均未達(dá)到顯著水平;總體上半纖維素與干質(zhì)量熱值和去灰分熱值相關(guān)性也不顯著，但是枝的半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與去灰分熱值的相關(guān)性達(dá)到顯著水平。

表7 不同器官干質(zhì)量熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

表8 不同器官去灰分熱值與苯—乙醇抽出物及半纖維素相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

3 討論

本研究結(jié)果對(duì)栓皮櫟能源林的經(jīng)營(yíng)具有一定的指導(dǎo)作用，熱值與苯乙醇抽出物呈正相關(guān)，可以參考苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的年齡段時(shí)進(jìn)行采伐。通過數(shù)據(jù)分析可以得出24年生栓皮櫟樹種的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，均值達(dá)6.91%，此時(shí)的干質(zhì)量熱值均值為19.06 kJ·g－1，去灰分熱值均值為 19.86 kJ·g－1。

本研究結(jié)果與庫麗霞、岳建芝等[21－22]研究結(jié)果基本一致，即半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱值的高低沒有明顯的影響，與趙延寧[7]得出的苯—乙醇抽出物和木質(zhì)素是高熱值物質(zhì)，對(duì)熱值的影響顯著的結(jié)論存在差異。

對(duì)于熱值的研究還需要綜合考慮其他因素，例如木質(zhì)素、灰分、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、丹寧質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，在熱值領(lǐng)域?qū)ふ移渌奶剿髋c嘗試，綜合分析生理、生態(tài)等因素，對(duì)植物熱值做出更全面更科學(xué)的解釋還需要更深入的研究。

4 結(jié)論

栓皮櫟6個(gè)樹齡的干質(zhì)量熱值變化表現(xiàn)為皮的干質(zhì)量熱值隨著年齡的增加而增加，干的干質(zhì)量熱值隨著年齡的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，生長(zhǎng)至24 a，熱值開始下降。去灰分熱值與干質(zhì)量熱值變化規(guī)律相一致。苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化為:葉的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上是增加的趨勢(shì)，皮和枝的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出先增加后降低，干的苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較其它部位平緩，變化幅度較小。不同樹齡栓皮櫟半纖維素(聚戊糖)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較為復(fù)雜。

栓皮櫟干、皮、枝、葉的干質(zhì)量熱值，去灰分熱值、苯—乙醇抽出物、半纖維素均具有極顯著差異(P＜0.01)。栓皮櫟干質(zhì)量熱值和去灰分熱值總體上均表現(xiàn)為:皮＞葉＞枝＞干;苯—乙醇抽出物與半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別表現(xiàn)為:葉＞皮＞枝＞干，干＞枝＞葉＞皮。

總體上栓皮櫟苯醇抽出物與半纖維素之間呈不顯著負(fù)相關(guān)，不同器官苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與干質(zhì)量熱值、去灰分熱值呈不顯著正相關(guān)，干、皮的半纖維素與干質(zhì)量熱值和去灰分熱值均呈不顯著負(fù)相關(guān)，葉的半纖維素與干質(zhì)量熱值呈不顯著正相關(guān)與去灰分熱值成不顯著負(fù)相關(guān)，枝半纖維素與干質(zhì)量熱值、去灰分熱值分別呈不顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)。

栓皮櫟樹種24 a時(shí)苯—乙醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，各器官質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均值達(dá)6.91%，此時(shí)的熱值相對(duì)較高。

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