黑龍江西部青楊派紙漿材綜合評價

摘要：【目的】為研究青楊派紙漿材楊樹良種選育及用材營林方面存在的技術問題，在黑龍江西部開展針對青楊材性的綜合評價研究，以期為青楊品種的篩選及經營提供經驗。【方法】測試材料為小黑楊，青山楊，大青楊，小青黑和迎春5號楊共五個青楊品種，林齡5-26年，采樣地點為新江實驗林場、富裕縣富裕林場、龍江縣錯海林場。測試指標為：基本密度、氣干密度、纖維長、纖維寬、纖維長寬比、細胞壁厚、細胞腔徑和壁腔比、水分、灰分綜纖維素、戊聚糖、木素、總木素、細漿得率、紙漿硬度、漂白漿白度、耐折度、抗張指數和耐破指數。各指標在R中進行描述性統計，相關性分析以及隸屬函數計算。【結果】各品種纖維長度在0.88～1.17 mm，纖維長寬比在33.5～55.0，壁腔比在0.22～0.66，綜纖維素含量均在80.86%～83.85%，戊聚糖22.76%～31.45%，總木素含量在23.52%～28.34%，抗張指數在53.56%～68.35%，耐破指數在2.90%～3.87%，撕裂指數在8.65%～10.86%，粗漿得率在50.41%～54.97%，漂漿白度在64.72%～77.15%。5品種的綜合排名為：大青楊＞迎春5號＞小黑楊＞青山楊＞小青黑。小黑楊的林齡只與緊度和耐破指數相關性顯著，為負相關。小黑楊的綜合評價值隨林齡增長而降低。【結論】測試品種的纖維形態、化學成分、紙漿性能均符合紙漿材工業利用標準。小青黑的綜合評價較差；而小黑楊，青山楊，大青楊和迎春5號楊在該地區宜優先發展。緊度和耐破指數與小黑楊的林齡顯著負相關，其余指標與林齡無顯著相關關系。小黑楊紙漿材質量在5a后隨林齡增長而下降。在保障木材產量的前提下，該地區小黑楊紙漿材宜早伐。

關鍵詞：青楊；紙漿材；林齡；綜合評價

楊樹（Populusspp.）作為我國主要的工業用材樹種，其木材是重要的紙漿、纖維板、刨花板等工業原材料[1]。楊樹一般可以分為五大派，白楊派（SectLeuce）、大葉楊派（Sect Leucoides）、青楊派（Sect Tacamahaca） 、黑楊派（Sect Aigeiros）和胡楊派（Sect Turanga）[2]，其中青楊派更適應寒冷地區[3]。楊樹廣泛的適應性[4]使得青楊派楊樹在松嫩及三江平原可以廣泛栽培，為國家的工業和生態建設做出了巨大的貢獻。作為重要的紙漿材樹種，楊樹的木材性質的變異影響紙張的質量。在造紙過程中，解剖性質、化學成分和制漿性能對紙張的質量和性能都有著重要的影響。在造紙的過程中纖維長寬比可以促進纖維的交織和結合，提高紙張的強固性和割裂性[5]，壁腔比影響紙張的成形和強度[6]，綜纖維素可以影響漿得率和紙張強度[7]，木素含量影響造紙中化學試劑的用量[8]，粗漿得率和漂漿白度是制漿過程中重要物理指標[9，10]，抗張指數、撕裂指數和耐破指數影響紙張的物理強度[11-13]。

然而，盡管青楊派楊樹在這些地區得到了廣泛的栽培，對其作為造紙用材的研究卻幾乎沒有。為填補這一研究空白，本研究旨在通過對黑龍江西部地區的青楊品種進行材性研究，測試其作為紙漿材的表現，開展隸屬函數綜合評價[14]，并探討林齡的效應。以期定向選育優良的區域性青楊，為青楊紙漿材品種在東北地區的發展提供理論依據和數據支撐。

1材料與方法

紙漿材性能測試的實驗材料是取自黑龍江省訥河市新江實驗林場、富裕縣富裕林場、龍江縣錯海林場的10～13年生小黑楊，青山楊，大青楊，小青黑，迎春5號楊。林齡測試的實驗材料是取自新江實驗林場和富裕林場的5年、10年、18年和26年生小黑楊。

上述每個待測品種于2020年11月，均伐倒3株，取中段木材并混合樣品，在東北林業大學木材學院進行木材解剖性質、化學成分及成漿性能的測試。測試的木材解剖性質包括基本密度、氣干密度、纖維長、纖維寬、纖維長寬比、細胞壁厚、細胞腔徑和壁腔比；木材化學成分包括水分、灰分綜纖維素、戊聚糖、木素、總木素，成漿性能包括細漿得率、紙漿硬度、漂白漿白度、耐折度、抗張指數、耐破指數。

實驗數據經excel整理后在spss25中分別進行描述性統計、雙變量相關分析、和隸屬函數計算。隸屬函數（U（Xi））的公式[14]為：

U（Xi）=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）

其中，U（Xi）是隸屬函數值，Xi是品種的指標測定值，Xmax和Xmin是該所有指標中的最大值和最小值。當指標與期望結果為負相關時，需要使用反隸屬函數進行定量轉換，公式為：

U（Xi）=1-（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）

2結果與分析

2.1木材解剖性質

結果表明（表1），10-13年的各品種纖維長度在0.88～1.17 mm，除10年生小黑楊（0.88mm）和13年生迎春5號楊（0.89mm）外，青山楊、小青黑、大青楊纖維長度均在0.90 mm以上，纖維最長的品種小青黑達1.01 mm。纖維長寬比均大于30，在33.5～55.0。其中最小的是小黑楊，為33.5。壁腔比在0.22～0.66，最小的為迎春5號，為0.34，最大的為小黑楊，達0.66。

2.2木材化學成分

木材化學成分見表2，結果表明，10-13年的各品種的綜纖維素含量均在80.86%～83.85%之間，綜纖維素含量最高的品種為迎春5號楊，最低的品種為小青黑。各品種戊聚糖22.76%～31.45%，其中最低的是大青楊，最高的為小黑楊。總木素含量在23.52%～28.34%之間，最高的為12年生的小青黑。

表2 化學成分測定%

2.3木材成漿性能

成漿性能見表3，結果表明10-13年的抗張指數在53.56%～68.35%，最小的為12年生青山楊，最大的10年生的小黑楊，其他5個品種均在46.0%以上；耐破指數在2.90%～3.87%，最小的為12小青黑，最大的為迎春5號，其余的品種均在2.90%以上；撕裂指數在8.65%～10.86%，最小的為12年生的小青黑，最大的為13年生迎春5號楊，所有品種均在8.0%以上。

粗漿得率在50.41%～54.97%，最低的為小青黑，最大的品種為12年生的青山楊。各品種漂漿白度在64.72%～77.15%，最低的品種為迎春5號楊，最高的為小黑楊。漂漿白度在64.72～77.15之間。

2.4品種綜合評價

對10-13年生的各品種紙漿材特性進行評價，隸屬函數值（表4）的結果表明，5品種的綜合排名為：大青楊＞迎春5號＞小黑楊＞青山楊＞小青黑。由于迎春5號的基本密度值缺失，小黑楊的撕裂指數缺失，隸屬函數值設置為0，這兩個品種的實際表現可能會超過大青楊。

2.5小黑楊林齡的相關性分析

小黑楊林齡與20個材性指標的相關分析（表5）結果表明，只有緊度和耐破指數與小黑楊的林齡呈顯著的負相關關系，其余指標與林齡的相關性均未達顯著水平。相關系數0.8以上（高度相關）的有7個指標，總木素、纖維長度和灰分為正相關，緊度、耐破指數、戊聚糖和紙漿硬度為負相關。相關系數在0.5-0.8（中度相關）的有3個指標，長寬比為正相關，抗張指數和耐折度為負相關。相關系數在0.3-0.5（低度相關）的指標有4個，漂漿白度、綜纖維素、粗漿得率、壁腔比均為負相關。不相關的指標有6個，分別是：未漂漿白度、寬度、壁厚、腔徑、水分和細漿得率。

根據隸屬函數法，對5個年齡的小黑楊進行綜合評價，結果見表6。綜合評價值排名為5ygt;10ygt;18ygt;26y。

3 結論與討論

3.1 討論

木材的纖維形態與其制漿造紙性能有密切關系[11，14，16，20]。國際木材解剖學規定[15]，中級木材纖維長度為0.9～1.6 mm，本研究中僅有青山楊，小青黑和大青楊達到標準。研究表明，造紙材的纖維長寬比應大于30，且越大越好；纖維細胞壁宜薄，腔宜寬，壁腔比應小于1，且在0.3以上時，愈小愈好[16]。本研究中的纖維長寬比均大于30，壁腔比均大于0.35小于1，滿足造紙的纖維要求。

化學成分對木材的制漿造紙性能有重要影響，其中纖維素含量直接影響制漿得率，一般認為造紙原料纖維素含量應高于40%[17]；木素含量與紙漿質量相關，含量宜低，一般在25%左右[18]，太高則會在制漿和漂白時消耗更多藥品；灰分是礦物質含量高低的標志，造紙原料中灰分雖對普通紙張影響不大，但愈低愈好[19]；戊聚糖是闊葉樹中半纖維素的主要成分，但如果含量過大，會影響紙張的最大耐破度和抗張強度，含量20％最適宜[20]。所有的測試品種綜纖維素含量都在40%以上，戊聚糖含量在20%～35%，總木素含量在23.52%～28.34%，除小青黑（1.11%）外灰分含量均小于1%。所有品種均達到了造紙的化學成分要求。

紙漿性能指標可以分為物理和化學性能兩大類，其中抗張強度、耐破強度和撕裂強度是紙漿的主要的物理性能指標[21]；粗漿得率和漂漿白度是重要的化學性能指標[22]。適宜紙漿材工業生產的標準為：抗張指數≥42.5%，耐破指數≥2.6%，撕裂指數≥8.0%，粗漿得率在50%～65%[18]；漂漿白度一般指紙漿經氧化劑或還原劑漂白后的顏色度，70%左右的漂漿白度可滿足新聞紙和膠印書刊紙要求，且越高越好[8]。本研究中所有品種的物理化學成漿性能，均達到造紙紙漿標準。

青山楊、小青黑、大青楊、小黑楊和迎春5號楊10～13年生紙漿性能測定表明，在纖維形態特征、化學成分及成漿性能均符合造紙的各項指標，均可以用于營造纖維用材林。然而通過隸屬函數法篩選，品種的綜合排名從高到底依次為：大青楊（6.84分）、迎春5號（6.67分）、小黑楊（6.43分）、青山楊（6.23分）和小青黑（3.21分）。其中小青黑最差，其余4品種得分相近，可以作為當地的紙漿材造林的主要品種。小青黑雖然滿足造紙要求，但在與其他青楊品種的對比中得分太低，主要原因是其化學成分和紙漿性能指標表現不佳。

相關性分析結果顯示，與小黑楊的林齡呈顯著相關關系的只有緊度和耐破指數，為負相關。表明隨年齡的增長，小黑楊用于造紙的質量可能會下降。而高度相關的7個指標中，總木素，灰分，耐破指數，緊度，戊聚糖和紙漿硬度指標均隨林齡的增長而對造紙產生限制的效應。只有纖維長度，隨林齡的增長而增長。再次使用隸屬函數法對不同林齡的小黑楊進行綜合評價，結果表明小黑楊林齡越大，得分越低。綜合評價排名為：5y（6.95分）gt;10y（5.27分）gt;18y（3.84分）gt;26y（2.85分）。隨著木材年齡的增長，木素含量逐漸增加，而纖維素含量在8～18年之間逐漸增加，之后趨于穩定，半纖維素相對減少，纖維形態和成漿性能變異小。對于紙漿材性能來說，小黑楊在5-10年的階段已經滿足造紙紙漿的要求，采伐越早越好。然而實際生產中需要根據生長量計算數量成熟齡[23，24]，綜合判定最優的采伐年限。

本研究的一個限制是僅僅對小黑楊的林齡進行了分析，沒有涵蓋其他類型的青楊樣品。這使得我們不能確定所發現的規律是否在青楊整體范圍內普遍存在，以及在不同氣候區是否依然成立。為了填補這一研究空白，未來需要進行更廣泛的試驗研究，以確保所得到的結論更具普適性。通過引入其他青楊的樣本，研究人員可以更全面地了解青楊這一類楊樹在不同條件下的生長和木材性質。這涉及到多樣的青楊品種和各種氣候條件下的實地試驗。此外，對于不同氣候區域的研究也是必要的，因為氣候因素可能對木材的性質產生顯著影響。這樣的試驗將有助于揭示小黑楊的研究結果在更廣泛背景下的普適性，同時也為青楊紙漿材選育研究提供了經驗。

3.2 結論

青山楊、小黑楊、迎春5號和大青楊的纖維形態、化學成分、紙漿性能均符合楊樹纖維材工業利用標準，可以用于營造紙漿材人工林。小青黑的木材滿足造紙要求，但的綜合評價值相對較差，在該區域宜優先發展其余四品種。小黑楊的林齡僅與緊度和耐破指數呈顯著的負相關關系，與其他指標的相關性均未達顯著水平，紙漿材質量在5a后隨林齡增長而下降。在保證木材產量的前提下，該地區小黑楊紙漿材宜早伐。

基金項目：“十三五”國家重點研發計劃課題（2016YFD060040402）；黑龍江省省屬科研院所基本科研業務費項目（CZKYF2022Q001）

作者簡介：杜宏志（1978-），男，黑龍江齊齊哈爾人，高級工程師，主要從事林木遺傳育種、森林培育等研究工作。E-mail：dhzsdzx@163.com

通信作者：楊春柳（1982-），女，吉林伊通人，高級工程師，主要從事森林培育、林木遺傳育種研究。

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