栓皮栎热值与苯—乙醇抽出物及半纤维素关系1)

2012-09-18彭祚登江丽媛何宝华

东北林业大学学报 2012年6期

张瑜彭祚登汪力江丽媛何宝华

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

栓皮栎(Quercus variabilis)在我国分布范围较广，是重要的用材树种，果实、壳斗、种仁等可作饲料及酿酒。栓皮栎热值高，燃烧性能好，是能源林研究的重要内容[1]。

国外学者对于植物热值的研究较早，1934年Long[2]首先测定了向日葵不同部位叶片热值，1960年Golley[3－4]应用氧弹式热量计测定了从热带雨林至极地泰加林主要植物群落中优势植物种类的平均热值，同时 Bliss和 Olson[5－6]也进行了大量的能量研究，从单一个体到植物群落热值动态变化规律，再到热值的测定方法。20世纪80年代以后的研究集中在热值的动态变化，并延伸到能量动态、能量固定、能量转移效率等方面。我国关于热值方面的研究在20世纪80年代才开始[7]。早期的研究侧重于热值的季节变化、植物器官的热值差异、灰分质量分数对热值的影响等[8－9]。目前，植物热值的研究呈多样化发展，研究对象包括草原植物、水稻，以及针叶林和竹类等，从器官、个体的角度出发，包括森林生态系统、植物体器官间、种间、科间、群落热值差异性、热值的时空变化动态、影响热值大小的因素等[10－14]。苯—乙醇抽出物的研究主要应用在防火树种的研究领域以及纸浆工程[15－17]，而半纤维素的研究较为广泛，包括半纤维素对于纸浆质量的影响，半纤维素提取技术等[18－19]。赵廷宁[20]等对黄土高原地区主要木本植物的热值和化学成分进行了测定，认为植物热值与苯—乙醇抽出物和木质素质量分数呈二元线性关系，苯—乙醇抽出物质量分数对热值的影响要比木质素大。库丽霞[21]、岳建芝[22]等各自对玉米秸秆主要成分及热值进行研究，均认为热值与纤维素、木质素质量分数呈正相关，且达到了极显著水平;热值与半纤维素质量分数呈正相关，但没有达到显著水平。对于重要能源树种栓皮栎，有关热值与苯—乙醇抽出物及半纤维素质量分数关系的研究还未见报道。

1 材料与方法

1.1 材料

栓皮栎样品采集于北京林业大学实验林场。取样地地理坐标为 N39°54'，E116°28'，属华北大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，冬季干燥寒冷，植被属于温带落叶林带的山地栎林和油松林带。2006年采集的6个树龄栓皮栎样品均在相同立地条件下，每2个相邻树龄之间相隔约8 a。4个采集部位分别为枝、皮、干、叶，采集后样品带回实验室烘干粉碎以备用。

1.2 指标测定

热值测定:采用美国PARR6300氧弹量热仪测定热值，得到被测试样的干质量热值。去灰分热值=干质量热值/(1－灰分质量分数)。灰分质量分数的测定用干灰化法，即550℃恒质量法，样品放入坩埚中，加盖隔绝空气，在马弗炉550℃下灰化6 h，测定其灰分质量分数。

苯—乙醇抽出物测定:根据国家标准 GB/T 2677.6—1994规定的造纸原料苯—乙醇抽出物测定方法，使用体积比为2∶1的苯和乙醇，通过索氏提取器提取，直接通过测定烘干抽提物质量测得。

半纤维素测定:根据国家标准GB/T 745—1989《纸浆聚戊糖质量分数的测定方法(溴化法)》将试样与12%的盐酸共沸，使试样转化为糠醛，用溴化法测定糠醛质量分数，然后换算成聚戊糖质量分数，进而计算半纤维素质量分数。

1.3 数据处理方法

利用SPSS18.0统计分析软件，对栓皮栎不同器官干质量热值、去灰分热值、苯—乙醇抽出物及半纤维素进行差异性比较分析。以年龄作为控制变量，采用偏相关分析方法，分析栓皮栎苯—乙醇抽出物、半纤维素与干质量热值和去灰分热值的相关性。

2 结果与分析

2.1 栓皮栎热值、苯—乙醇抽出物、半纤维素变化

2.1.1 栓皮栎热值随树龄的变化

随着树龄的变化，热值在生产中有着重要的应用，特别是对于能源林的作用更为突出。结合树种材积生长表，研究树种热值随年龄的变化趋势，是确定能源林树木采伐利用的重要依据。研究数据表明，栓皮栎6个树龄的干质量热值变化表现为皮的干质量热值随着年龄的增加而增加，干的干质量热值随着年龄的增加呈现先增加后降低的趋势，生长至24 a，热值开始下降[23]。叶的干质量热值变化较为平缓。枝的干质量热值总体上表现为先增加后降低的趋势，生长至39 a热值开始下降。栓皮栎6个树龄的去灰分热值的变化趋势与干质量热值的变化趋势相一致(见表1、表2)。

表1 栓皮栎不同器官的干质量热值

表2 栓皮栎不同器官去灰分热值

2.1.2 苯—乙醇抽出物质量分数随树龄的变化

栓皮栎苯—乙醇抽出物中主要含有树脂、蜡质、脂肪酸等芳香族化合物和碳氢化合物。鲁顺保[24]等对厚壁毛竹的主要化学成分及热值研究得出:苯—乙醇抽出物是造纸工业的一块绊脚石，降低了纸浆的得率，增加制浆药液的消耗。因此对于纸浆用材林树种，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个树龄栓皮栎4个器官的苯—乙醇抽出物质量分数变化为:叶的苯—乙醇抽出物质量分数总体上是增加的趋势，皮和枝的苯—乙醇抽出物质量分数表现出先增加后降低，干的苯—乙醇抽出物质量分数变化幅度较其它部位平缓，变化幅度较小(如表3)。叶的苯—乙醇抽出物质量分数最高，为11.51%;干的苯—乙醇抽出物质量分数最低，为2.8%。32 a时，栓皮栎不同部位苯—乙醇抽出物总和最低，利于纸浆生产。栓皮栎树种24 a时，苯—乙醇抽出物质量分数最高，枝、皮、干、叶质量分数的均值达6.91%，此时的热值相对较高，对于能源林的生产有一定的指导意义。

2.1.3 半纤维素质量分数随树龄的变化

半纤维素水解成多种单糖，其中有五碳糖和六碳糖，聚戊糖是指半纤维素中五碳糖组成的高聚物的总称。半纤维素在造纸过程中与纤维素之间形成结合，提高了造纸强度，有效地利用植物体半纤维素能够提高造纸质量。不同树龄栓皮栎半纤维素(聚戊糖)质量分数变化较为复杂(见表4)，树龄小于24 a的树种半纤维素质量分数为干＞枝＞皮＞叶，随着树龄的增加，皮、干的半纤维素质量分数下降，枝、叶半纤维素质量分数增加。

表3 栓皮栎不同器官苯—乙醇抽出物质量分数

表4 栓皮栎不同器官半纤维素质量分数

2.2 不同器官热值、苯—乙醇抽出物、半纤维素差异性分析

对栓皮栎6个树龄4个器官干质量热值、去灰分热值、苯—乙醇抽出物、半纤维素质量分数进行差异性分析。结果见表5。可看出，栓皮栎干、皮、枝、叶的干质量热值、去灰分热值、苯—乙醇抽出物和半纤维素质量分数均具有极显著差异(P＜0.01)。

表5 不同器官热值、苯—乙醇抽出物、半纤维素方差分析

对栓皮栎6个树龄不同器官干质量热值、去灰分热值、苯—乙醇抽出物和半纤维素质量分数进行多重比较，统计结果见表6。

不同器官干质量热值与去灰分热值统计结果大体一致，表现为:皮＞叶＞枝＞干，这与王立海等[25]对植物器官热值的研究结果相同。苯—乙醇抽出物质量分数为:叶＞皮＞枝＞干，半纤维素质量分数为:干＞枝＞叶＞皮。

表6 不同器官热值、苯—乙醇抽出物、半纤维素多重比较

2.3 栓皮栎热值与苯—乙醇抽出物、半纤维素相关性分析

对栓皮栎树枝、树皮、树干、树叶4个部位干质量热值、去灰分热值与苯—乙醇抽出物及半纤维素质量分数的关系进行相关性分析。结果见表7、表8。可以得出:栓皮栎干、皮、叶的苯—乙醇抽出物与半纤维素之间呈现不显著负相关，枝的苯—乙醇抽出物与半纤维素呈不显著正相关;栓皮栎干、枝、皮的苯—乙醇抽出物与干质量热值之间均呈现不显著正相关，而叶的苯—乙醇抽出物与干质量热值呈不显著负相关;干、皮的半纤维素与干质量热值间呈现不显著负相关，枝与叶的半纤维素与干质量热值呈现不显著正相关。总体上不同器官栓皮栎苯—乙醇抽出物、半纤维素与干质量热值的相关性均未达到显著水平。

栓皮栎的干、枝、皮的苯—乙醇抽出物与去灰分热值均呈现不显著正相关，而叶的苯—乙醇抽出物与去灰分热值呈不显著负相关;干、叶、皮的半纤维素与去灰分热值间呈现不显著负相关，而枝的半纤维素质量分数与去灰分热值呈显著正相关。

通过不同器官苯—乙醇抽出物、半纤维素与热值的相关性分析表明，苯—乙醇抽出物与干质量热值、去灰分热值相关性规律一致，且均未达到显著水平;总体上半纤维素与干质量热值和去灰分热值相关性也不显著，但是枝的半纤维素质量分数与去灰分热值的相关性达到显著水平。

表7 不同器官干质量热值与苯—乙醇抽出物及半纤维素相关性统计

表8 不同器官去灰分热值与苯—乙醇抽出物及半纤维素相关性统计

3 讨论

本研究结果对栓皮栎能源林的经营具有一定的指导作用，热值与苯乙醇抽出物呈正相关，可以参考苯—乙醇抽出物质量分数较高的年龄段时进行采伐。通过数据分析可以得出24年生栓皮栎树种的苯—乙醇抽出物质量分数最高，均值达6.91%，此时的干质量热值均值为19.06 kJ·g－1，去灰分热值均值为 19.86 kJ·g－1。

本研究结果与库丽霞、岳建芝等[21－22]研究结果基本一致，即半纤维素质量分数对热值的高低没有明显的影响，与赵延宁[7]得出的苯—乙醇抽出物和木质素是高热值物质，对热值的影响显著的结论存在差异。

对于热值的研究还需要综合考虑其他因素，例如木质素、灰分、碳质量分数、丹宁质量分数等，在热值领域寻找其他的探索与尝试，综合分析生理、生态等因素，对植物热值做出更全面更科学的解释还需要更深入的研究。

4 结论

栓皮栎6个树龄的干质量热值变化表现为皮的干质量热值随着年龄的增加而增加，干的干质量热值随着年龄的增加呈现先增加后降低的趋势，生长至24 a，热值开始下降。去灰分热值与干质量热值变化规律相一致。苯—乙醇抽出物质量分数变化为:叶的苯—乙醇抽出物质量分数总体上是增加的趋势，皮和枝的苯—乙醇抽出物质量分数表现出先增加后降低，干的苯—乙醇抽出物质量分数变化幅度较其它部位平缓，变化幅度较小。不同树龄栓皮栎半纤维素(聚戊糖)质量分数变化较为复杂。

栓皮栎干、皮、枝、叶的干质量热值，去灰分热值、苯—乙醇抽出物、半纤维素均具有极显著差异(P＜0.01)。栓皮栎干质量热值和去灰分热值总体上均表现为:皮＞叶＞枝＞干;苯—乙醇抽出物与半纤维素质量分数分别表现为:叶＞皮＞枝＞干，干＞枝＞叶＞皮。

总体上栓皮栎苯醇抽出物与半纤维素之间呈不显著负相关，不同器官苯—乙醇抽出物质量分数与干质量热值、去灰分热值呈不显著正相关，干、皮的半纤维素与干质量热值和去灰分热值均呈不显著负相关，叶的半纤维素与干质量热值呈不显著正相关与去灰分热值成不显著负相关，枝半纤维素与干质量热值、去灰分热值分别呈不显著正相关和显著正相关。

栓皮栎树种24 a时苯—乙醇抽出物质量分数最高，各器官质量分数的均值达6.91%，此时的热值相对较高。

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