摘 要:【目的】保障木材安全,提升木材的自給能力是國家發(fā)展的重大戰(zhàn)略任務(wù)。通過闡明施氮水平對銀杏木材產(chǎn)量及木材性質(zhì)的影響,為銀杏用材林養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)?!痉椒ā糠謩e以對照(CK,0 kg/hm2)、低氮(LN,100 kg/hm2)、中氮(MN,200 kg/hm2)和高氮(HN,300 kg/hm2)四個不同施氮水平處理田間生長的3年生銀杏苗,分析其莖生物量增量、木材纖維直徑、纖維細胞雙層細胞壁厚度、纖維長度、纖維長寬比、結(jié)晶度、微纖絲角及纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量變化?!窘Y(jié)果】 高氮(HN,300 kg/hm2)處理下銀杏單株莖生物量增量顯著增加,為79.20 g,較對照(CK,0 kg/hm2)高61.5%,木材產(chǎn)量顯著提升。其木材微觀構(gòu)造及化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,其中木材纖維細胞直徑、雙層細胞壁厚度和結(jié)晶度均顯著增加,分別達到24.49 μm、6.51 μm和48.69%,木材纖維素和木質(zhì)素含量顯著增加,分別達到424.23、296.69 mg/g,而銀杏纖維細胞長度、長寬比、微纖絲角及半纖維素含量則隨施氮量增加呈現(xiàn)降低趨勢,其中微纖絲角稍有波動?!窘Y(jié)論】高氮處理可顯著促進銀杏木材產(chǎn)量及纖維素和木質(zhì)素含量,提高木材的結(jié)晶度,降低微纖絲角,木材力學(xué)性能有所增強,可在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用,如家具等。但高氮水平降低了纖維長寬比,增加了木質(zhì)素含量,從而可能降低產(chǎn)品韌性、增加成本,如造紙等。因此在實際生產(chǎn)應(yīng)用中,需根據(jù)培育目標(biāo)選擇合適的施氮水平。
關(guān)鍵詞:銀杏;氮肥;木材產(chǎn)量;木材微觀構(gòu)造;木材化學(xué)性質(zhì)
中圖分類號:S792.95 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1673-923X(2025)03-0118-10
基金項目:江蘇省重點研發(fā)計劃(現(xiàn)代農(nóng)業(yè))重點項目(BE2022373)。
Effects of nitrogen fertilizer on yield, microstructure and chemical properties of Ginkgo biloba wood
YUAN Meng, GUO Jing, WANG Guibin
(a. State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding; b. Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China; c. College of Forestry and Grassland/College of Soil and Water Conservation, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)
Abstract:【Objective】To ensure wood safety and enhancing the self-sufficiency of wood are major strategic tasks for national development, and to provide theoretical basis for nutrient management of Ginkgo biloba forest by elucidating the effects of nitrogen application level on the yield and wood properties of G. biloba.【Method】Three year old G. biloba seedlings growing in the field were treated with control check (CK,0 kg/hm2), low nitrogen (LN, 100 kg/hm2), medium nitrogen (MN, 200 kg/hm2) and high nitrogen(HN, 300 kg/hm2) at different nitrogen application levels. The increase in stem biomass, wood fiber diameter, double layer cell wall thickness of fiber cells, fiber length, fiber aspect ratio, crystallinity, microfibril angle, and changes in cellulose, hemicellulose, and lignin content were analyzed.【Result】Under high nitrogen (HN, 300 kg/hm2) treatment, the biomass increment of single stem of G. biloba significantly increased, reaching 79.20 g, which was 61.5% higher than the control (CK, 0 kg/hm2), and the wood yield significantly increased. The microstructure and chemical properties of its wood were changed. The diameter of wood fiber cells, the thickness of double cell wall and the crystallinity increased significantly, reaching 24.49, 6.51 μm and 48.69%, respectively. The contents of wood cellulose and lignin increased significantly, reaching 424.23 and 296.69 mg/g, respectively. However, the length of G. biloba fiber cells, length-to-width ratio, microfiber angle and hemicellulose content decreased with the increase of nitrogen application, and the microfiber angle fluctuated slightly.【Conclusion】 High nitrogen treatment can significantly promote the yield of ginkgo wood and the content of cellulose and lignin, improve the crystallinity of wood, reduce microfibril angle, and enhance the mechanical properties of wood. It can be widely used in industrial fields, such as furniture. However, high nitrogen levels reduce fiber aspect ratio and increase lignin content, which may reduce product toughness and increase costs, such as in papermaking. Therefore, in practical production applications, it is necessary to choose an appropriate nitrogen application level based on the cultivation objectives.
Keywords: Ginkgo biloba; nitrogenous fertilizer; wood yield; wood microstructure; wood chemical properties
隨著經(jīng)濟的發(fā)展,我國對于木材的需求量日益增長,據(jù)統(tǒng)計測算我國目前每年木材需求總量應(yīng)為5億~6億m3,大量木材需要依賴進口,我國木材對外依存度已超過50%[1-2]。自20世紀(jì)70年代以來,全國用材林面積、蓄積及在喬木林中所占比例總體呈下降趨勢[1],且黨的二十大報告明確指出,要堅守1.2億hm2(18億畝)耕地紅線,當(dāng)前用材林面積難以增加。隨著人們生活水平的提高,對木材制品的質(zhì)量也尤為注重,而我國人工林質(zhì)量整體較低并趨于衰退[3]。因此采用適當(dāng)措施提高木材產(chǎn)量和質(zhì)量對于保障人民生活和經(jīng)濟建設(shè)高速發(fā)展具有重要意義。
木材由樹木生長過程中連續(xù)幾年產(chǎn)生的次生木質(zhì)部組成,次生木質(zhì)部主要由導(dǎo)管和纖維組成,均具有高度加厚的次生細胞壁[4]。木材的形成是一個有序的發(fā)育過程,涉及細胞分裂、細胞擴增、次生壁合成、細胞程序性死亡,在多變的環(huán)境中會產(chǎn)生大小、形狀、細胞壁結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和成分不同的木質(zhì)部細胞[5],且研究表明木材的形成很可能受由各種轉(zhuǎn)錄因子組成的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控[4],因此木材形成的每個步驟都受到內(nèi)部(自身基因型)和外部因素(環(huán)境)的高度調(diào)控。影響木材形成的外界因素包括水、營養(yǎng)和光照等,其中氮是植物生長發(fā)育必不可缺的大量元素之一,參與碳氮代謝等生理生化反應(yīng),在植物整個生命周期內(nèi)都起到了至關(guān)重要的作用[6]。研究表明,合理施加氮肥可以提高作物產(chǎn)量[7],使纖維細胞壁加厚,纖維長度變短,纖維素含量增加等[8-9]。
銀杏Ginkgo biloba,又名白果樹、公孫樹,屬銀杏科Ginkgoaceae銀杏屬Ginkgo落葉喬木,為我國特有樹種,高可達40 m,胸徑可達4 m,栽培范圍十分廣泛,是集食用、藥用、木材生產(chǎn)和裝飾等用途于一身的生態(tài)經(jīng)濟樹種[10]。銀杏為速生用材樹種,其木材具有結(jié)構(gòu)細,光澤感強,質(zhì)地輕且軟,富有彈性,加工容易,不易開裂等優(yōu)點,在家具、器皿、建筑、木雕等方面均有所應(yīng)用[11-12]。因此若將銀杏作為用材林樹種加以定向培育,具有廣闊的應(yīng)用前景[13]。本試驗通過闡明施氮水平對銀杏木材產(chǎn)量及木材性質(zhì)的影響,為銀杏用材林養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗設(shè)計
試驗地位于江蘇省邳州市(117°35′~118°10′E,34°07′~34°40′N),屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,四季分明,季風(fēng)顯著,年平均氣溫14.4 ℃,年均降水量867.8 mm,年平均無霜期211 d,年日照時長2 318.6 h[14]。該地以平原洼地為主,土壤主要類型為潮土。試驗地土壤經(jīng)測定含碳量為1.51%,含氮量為0.22%。
采用單因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計。試驗材料3年生銀杏實生苗,平均苗高為1.78 m,平均地徑為18.60 mm,株行距為0.30 m×0.85 m。在銀杏種植地選擇長勢均一的地段進行試驗,共劃分12個小區(qū),每個小區(qū)面積為9 m2,共設(shè)置4種處理,每種處理3個重復(fù),每個小區(qū)的銀杏苗控制在35株,小區(qū)間挖隔離溝。氮素處理分為對照(CK,0 kg/hm2)、低氮(LN,100 kg/hm2)、中氮(MN,200 kg/hm2)和高氮(HN,300 kg/hm2),施用的氮肥為尿素(N,46%),換算成尿素施用量如表1所示。2022年6月初進行不同氮素水平處理,將尿素埋穴施于銀杏苗根部周圍土壤,后用噴壺進行適量澆灌,溶解尿素,防止尿素?fù)]發(fā),處理后接受一致水分管理,2個月后收獲苗木。
1.2 生物量測定
根據(jù)施肥處理前后測定的苗高和地徑(用卷尺測量苗高,用游標(biāo)卡尺測量地徑)分別計算每個小區(qū)的平均苗高和平均地徑,每個小區(qū)分別選取3株平均標(biāo)準(zhǔn)木采樣,將莖分為木質(zhì)部、韌皮部、側(cè)枝、嫩枝等4部分。用電子秤分別稱量每株標(biāo)準(zhǔn)木莖各部分的總鮮重,取樣稱重帶回后烘干至恒質(zhì)量,計算含水率,根據(jù)含水率換算單株莖的各部分生物量。莖生物量為木質(zhì)部、韌皮部、側(cè)枝和嫩枝的生物量總和。莖生物量增量為各小區(qū)施肥后莖生物量減去施肥前莖生物量的值。
1.3 木材微觀構(gòu)造測定
1.3.1 木材橫切面解剖特征
從地徑上方1 cm的主干莖段上取木材樣,用FAA固定液保存。以70%、85%、95%和100%不同梯度的乙醇溶液對木材樣進行脫水后,用樹脂包埋。包埋塊經(jīng)過適當(dāng)?shù)男拚笄衅?,并用甲苯胺藍溶液染色5 min,沖洗后蓋上蓋玻片,在顯微鏡下測定50個纖維細胞的直徑及雙層細胞壁厚度,取其平均值。
1.3.2 纖維長度觀測
取一部分木材樣品切成棒狀,完全浸沒在Franklin溶液(30%過氧化氫∶冰醋酸=1∶1)中65 ℃酸解48 h。蒸餾水沖洗后輕微震蕩使木材細胞充分分離。在載玻片上滴加分離后的樣品并用番紅溶液染色[15]。蓋上蓋玻片,在顯微鏡下觀察拍照后,測量50個纖維細胞的長度,取其平均值。纖維細胞長寬比=纖維長度×1 000/纖維細胞直徑。
1.3.3 結(jié)晶度和微纖絲角測定
將烘干后的木材沿纖維生長方向切成薄片,用X射線衍射儀進行測試,結(jié)晶度樣品旋轉(zhuǎn)臺范圍為5°~40°,微纖絲角樣品旋轉(zhuǎn)臺范圍為90°~270°。其中微纖絲角采用0.6T法[16]計算。
1.3.4 木材化學(xué)性質(zhì)測定
取莖段標(biāo)記上方10 cm莖段的木質(zhì)部,將其研磨過篩,用上海原鑫試劑盒(微量法)進行提取測定。其中,纖維素采用酸水解-蒽酮比色法、半纖維素采用DNS比色法、木質(zhì)素采用乙?;?。
1.4 數(shù)據(jù)分析
使用Excel 2010進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計檢驗、使用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析,使用Origin 2021軟件作圖、處理數(shù)據(jù)。
2 結(jié)果與分析
2.1 施氮量對銀杏莖生物量增量的影響
圖1結(jié)果表明,施氮肥對銀杏莖生物量增加的影響有顯著差異(P<0.05)。HN莖生物量增加最大,為79.20 g,比CK高61.5%。因此施加氮肥對銀杏莖生物量的提高有顯著作用,從而對木材產(chǎn)量提升效果顯著,HN處理效果最好。
2.2 施氮量對銀杏木材微觀構(gòu)造的影響
2.2.1 施氮量對銀杏木材橫截面解剖結(jié)構(gòu)特征的影響
施氮處理后銀杏主干橫截面的解剖圖、纖維細胞直徑和纖維細胞雙層細胞壁厚度如圖2和圖3所示。方差分析結(jié)果表明,處理間纖維細胞直徑和纖維細胞雙層細胞壁厚度均有顯著差異(P<0.05)。纖維細胞的直徑隨著施氮量的增加而增大,HN處理纖維細胞直徑最大,為24.49 μm,比對照組高出23.6%。研究發(fā)現(xiàn):纖維細胞雙層細胞壁厚度隨著施氮量增加呈現(xiàn)上升趨勢,存在一定的波動,在LN處理下最薄,為5.58 μm,低于對照組3.5%,HN處理纖維細胞雙層細胞壁厚度最厚,為6.51 μm,比對照組高出12.6%。因此施加氮肥對于銀杏木材纖維細胞直徑和雙層細胞壁厚度的變化有顯著影響,HN處理效果最為明顯。
2.2.2 施氮量對銀杏木材纖維長度的影響
將纖維細胞酸解后,纖維形態(tài)如圖4所示。方差分析結(jié)果表明,處理間纖維細胞長度有顯著差異(P<0.05)。纖維長度與紙漿造紙品質(zhì)信息相關(guān),按照纖維長度分級標(biāo)準(zhǔn)(<0.9 mm的為短纖維,0.9~1.6 mm的為中等纖維,>1.6 mm的為長纖維)[17],由圖5可見,所有處理下的木材纖維長度均屬于中等纖維,其中CK處理下纖維長度接近于長纖維,纖維細胞長度隨著施氮量的增加而降低,HN處理纖維細胞長度最小,為1.38 mm,低于對照組13.2%。因此施加氮肥對于銀杏木材纖維細胞長度的降低有顯著作用,施氮量越多處理效果越為明顯。
2.2.3 施氮量對銀杏木材纖維長寬比的影響
纖維管胞的軸向長度與弦向直徑之比稱纖維長寬比。根據(jù)分析,纖維工業(yè)原料要求長寬比不能低于35~45[18]。施氮處理后銀杏木材纖維長寬比見圖6。方差分析結(jié)果表明,處理間纖維細胞長寬比有顯著差異(P<0.05)。從圖中可以看出,纖維細胞長寬比在不同氮肥處理下均高于45,且隨著施氮量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢,其中HN處理纖維細胞長寬比最小,為56.63,低于對照組29.3%。因此施加氮肥對于銀杏木材纖維細胞長寬比的降低有顯著影響,HN處理效果最為明顯。
2.2.4 施氮量對銀杏木材結(jié)晶度的影響
圖7a是銀杏不同施氮處理下纖維素結(jié)晶度的X射線衍射圖。從圖中可以看出,4種處理在2θ=22°附近的衍射極大峰值表現(xiàn)為從CK到HN逐漸升高。圖7b為測定的不同處理下銀杏木材的結(jié)晶度。方差分析結(jié)果表明,處理間銀杏木材結(jié)晶度有顯著差異(P<0.05)。有研究表明,木材結(jié)晶度越高,其力學(xué)性能越強[19]。從圖中可以看出,銀杏木材纖維素結(jié)晶度在4種處理下均有所提高,其中HN處理結(jié)晶度最高,為48.69%,比對照組高出87.1%。因此施加氮肥對于銀杏木材結(jié)晶度的提高有顯著作用,施氮量越多效果越明顯。
2.2.5 施氮量對銀杏木材微纖絲角的影響
微纖絲角與木材強度關(guān)系密切,可以用作材質(zhì)評定及早期良種選育[20]。通常細胞壁微纖絲角越小,木材的硬度越好,木材的抗彎強度越大[19]。將X射線衍射圖擬合后作切線如圖8所示。根據(jù)0.6T法計算微纖絲角的結(jié)果如圖9所示。方差分析結(jié)果表明,處理間銀杏木材微纖絲角有顯著差異(P<0.05)。本研究發(fā)現(xiàn):微纖絲角在氮肥的影響下有下降的趨勢,LN處理微纖絲角最小,為28.19°,低于對照組9.6%。因此施加氮肥對于銀杏木材微纖絲角有顯著的影響,LN處理效果最為明顯。
2.3 施氮量對銀杏木材化學(xué)性質(zhì)的影響
木材細胞主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種高分子聚合物組成[19]。本研究測定了施氮處理后銀杏木材的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,如圖10所示。方差分析結(jié)果表明,處理間銀杏木材纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均有顯著差異(P<0.05),且其中半纖維素和木質(zhì)素含量差異極顯著(P<0.01)。研究結(jié)果顯示:施氮處理后木材的纖維素和木質(zhì)素的含量均有所上升,且隨著施氮量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢,其中纖維素含量在MN處稍有波動。HN處理纖維素和木質(zhì)素含量均為最高,分別為424.23、296.69 mg/g,分別比對照組高出3.1%、7.5%。施氮處理后木材半纖維素含量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢,HN處理半纖維素含量最低,為94.27 mg/g,低于對照組12.1%。因此施加氮肥對于銀杏木材纖維素和木質(zhì)素含量的提高及半纖維素含量的降低有顯著作用,高氮處理效果最為明顯。
3 討 論
氮的供給水平與木本植物的生長發(fā)育密切相關(guān)。研究表明,氮肥能夠顯著促進銀杏生長,增加作物產(chǎn)量[21]。本研究中,中氮(MN,200 kg/hm2)和高氮(HN,300 kg/hm2)處理均利于莖生物量增加,高氮處理莖的單株生物量增量最大,且較CK顯著增加,為79.20 g。有研究表明,紅椿Toona ciliata在相似的施肥條件下生長量也顯著提高[22],說明施加氮肥可以獲得更好的莖生物量,對木材產(chǎn)量產(chǎn)生促進的效果??赡艿脑蚴堑匚盏睾笙蛏线\輸,氮素充足時,植物可合成較多蛋白質(zhì),促進細胞分裂與增長,促進光合作用,使植物快速生長[23]。以上結(jié)果均與前人的研究相吻合[24-25]。
在一定程度上,木材的解剖結(jié)構(gòu)決定了其物理力學(xué)性質(zhì)[26]。在本研究中,隨著施氮量的增加,銀杏木材纖維細胞的直徑及雙層細胞壁厚度基本都是呈現(xiàn)上升的趨勢,木材纖維細胞長度和長寬比則基本呈現(xiàn)下降的趨勢。HN條件下木材纖維細胞直徑、雙層細胞壁厚度和結(jié)晶度均顯著增加,分別達到24.49 μm、6.51 μm、48.69%。在Pitre等[27]等對楊樹的施氮試驗中,盡管施氮的條件和方法不同,但他們發(fā)現(xiàn)高氮條件下楊樹木質(zhì)部纖維直徑顯著增加,纖維長度顯著減少,與此研究結(jié)果相吻合,在前人的研究中也有類似結(jié)果[28-29]。纖維雙層細胞壁厚度決定了木材質(zhì)量、基本密度和強度[30],環(huán)境和氣候的變化會使其受到影響[31]。木材纖維工業(yè)原料中通常要求纖維為中級長度,長寬比不低于35[32],本研究中所有處理均能達到此標(biāo)準(zhǔn),但在造紙業(yè)中,纖維細胞細而長,長寬比大會使紙張更加有韌性[30],所以HN處理在造紙業(yè)中的應(yīng)用稍弱于其他處理。微纖絲角對木材性質(zhì)和尺寸穩(wěn)定性有很大影響,微纖絲角小的木材順紋方向強度高,尺寸穩(wěn)定性好[33]。結(jié)晶度的不斷增大,會增強分子鏈之間的結(jié)合力以及纖維的定向性,大部分力學(xué)性能一般會因此增強[20]。在本研究中,施加氮肥后,木材纖維微纖絲角有降低的趨勢,但是在MN、HN處有輕微回升,木材結(jié)晶度則隨著施氮量的增加而升高??傮w而言,高氮添加雖然會使纖維細胞變短變粗,但是其力學(xué)性能仍有所增強。
木材細胞壁中最主要的化學(xué)成分是纖維素,其次是木質(zhì)素,纖維素含量的高低決定了細胞壁的結(jié)構(gòu)、木質(zhì)素賦予植物結(jié)構(gòu)支持、半纖維素是與纖維素緊密結(jié)合的幾種不同類型多糖混合物[33],通過形成交織網(wǎng)硬化細胞壁。本研究通過測定不同施氮量的銀杏木材纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,可知在高氮條件下,銀杏木材的纖維素和木質(zhì)素含量顯著增加,分別達到424.23、296.69 mg/g,半纖維素含量顯著降低為94.27 mg/g。其中纖維素含量結(jié)果與Pitre等[27,29]在楊樹中研究結(jié)果相一致,Berg[34]的研究結(jié)果顯示氮肥增加了蘇格蘭松Pinus sylvestris及挪威云杉Picea abies的木質(zhì)素含量,在高麗欣等[35]對柳枝稷Panicum virgatum的施氮試驗中相同的施氮水平下,施氮量越高,其木質(zhì)部木質(zhì)素含量越高,半纖維素含量越低,與本研究結(jié)果一致。但是也有研究發(fā)現(xiàn),施加氮肥會降低蒲公英Taraxacum mongolicum的纖維素含量[36]、桉樹Eucalyptus robusta木材中的木質(zhì)素含量也會因氮肥施加而降低[28],可能是因為不同的植物之間存在個體差異,對施氮水平的響應(yīng)模式不同。有研究表明,耐張木材含有更多的纖維素[37],一般來說,木材纖維素含量越高,木材的強度越高。這是因為木材纖維素的特性決定了其在木材中的重要性:木材纖維素是一種拉伸和抗壓材料,具有優(yōu)異的機械性能,因此對于木材的機械性能起著重要的作用。木材的木質(zhì)素可以提高木材的硬度并且是一種天然的高分子復(fù)合材料,也是唯一一種能夠提供可再生芳基化合物的非石油可再生資源,在工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用[38],但是在造紙業(yè)中木質(zhì)素是需要被去除的,木質(zhì)素含量過高會造成人力和物力的損失[39],因此在實際應(yīng)用中,我們也一定要根據(jù)不同的需要來選取合適含量的木材。
本研究探討了氮肥對銀杏木材產(chǎn)量及木材性質(zhì)的影響,但由于受時間限制,僅涉及1個生長季,具有一定的時間局限性。在未來,氮肥對銀杏木材的長期影響有待進一步探究,從而為銀杏用材林養(yǎng)分管理提供更完整的理論依據(jù)。
4 結(jié) 論
氮肥對銀杏木材發(fā)育具有一定促進作用,高氮處理顯著增加銀杏木材產(chǎn)量及纖維素、木質(zhì)素含量,木材具有較大的結(jié)晶度和較小的微纖絲角,木材力學(xué)性能有所增強,可廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,如家具等。但過高的施氮水平會使木材纖維變得粗且短,降低纖維細胞長寬比,如果應(yīng)用于造紙,會降低紙張韌性,且木質(zhì)素含量過多易增加造紙成本,此時選擇低氮、中氮處理。因此在實際生產(chǎn)應(yīng)用中,需根據(jù)培育目標(biāo)選擇合適的施氮水平。
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[本文編校:吳 毅]