全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林业科学研究　2008, 21 (1) : 74～78
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008) 0120074205
杨树新品系超短轮伐条材材性及其生物制浆可行性
黄秦军 1 , 苏晓华 13 , 马常耕 1 , 刘志新 2 , 王耀文 2
(1. 中国林业科学研究院林业研究所 ,北京 100091; 2. 河北省秦皇岛市林业局 ,河北 秦皇岛　066000)
摘要 :以多菌种生物制浆工艺为基础 ,利用 10个新选育的杨树无性系为材料 ,从基本密度、纤维形态、化学成分等方
面探索杨树超短轮伐条材生物制浆可行性 ,结果表明 :品种间条材材性差异明显 ,杨树超短轮伐条材的纤维形态、化
学成分等制浆特性均能满足制浆造纸的需求 ;用 1、2 a条材进行生物制浆完全可行 ,其得浆率为 65. 0% ～7210% ,
浆纸质量达国标阔叶木浆的 Bk2C标准。
关键词 :杨树 ;条材 ;木材材性 ;微生物制浆
中图分类号 : S792. 11 文献标识码 : A
收稿日期 : 2006212204
基金项目 : 国家“十一五”科技支撑课题“高产优质杨树、桉树等速生材树种新品种选育 ”(项目编号 : 2006BAD01A15)和“速生纸浆林
高效集约栽培技术研究与示范”(项目编号 : 2006BAD32B01)资助
作者简介 : 黄秦军 (1971—) ,男 ,云南昭通人 ,博士 ,副研究员.3 通讯作者 : Suxih@ caf. ac. cn
The W ood Qua lity Character istics and the B iopulp ing
Fea sib ility of M in irota tion Copp ice Shoot of Poplar
HUANG Q in2jun1 , SU X iao2hua1 , M a Chang2geng1 , L IU ZHi2xin2 , WANG Yao2wen2
(1. Research Institute of Forestry, CAF, Beijing　100091; 2. Forestry Bureau of Q inhuangdao, Hebei Province, Q inhuangdao　066000, Hebei, China)
Abstract:Based on the multip le fungi biopulp ing technology, the wood basic density (WBD) , fibre form and chem2
ical components of 10 pop lar clones were used to study the biopulp ing feasibility of pop lar m inirotation copp ice
shoot. The result showed that the wood quality characteristics of 1 and 2 years2old pop lar could fulfill the technical
requirement of pulp ing and paper making. Copp ice shoots can be used to biopulp ing. The pulp yield of biopulp ing
was between 65. 0% and 72. 0% , and the quality of pulp was up to the par of state standard Bk2C level of broad
leave wood pulp. The differences of wood quality characteristics are so significant among clones that it is much im2
portant to select a fast2growing, good quality of wood and well adap ted clone of popu lus when establishing the m iniro2
tation pop lar pulp stand.
Key words: pop lar; copp ice shoot; wood quality characteristics; biopulp ing
杨树具有早期速生、生物量高和萌生优势等特
点 ,是最理想的短轮伐期经营树种。一般把杨树短
轮伐期经营分为超短轮伐期 (1～3 a)、中短轮伐期
(4～6 a)和短轮伐期 (10 a左右 ) [ 1 ]。在 20世纪 70
代初美国和加拿大最早开始杨树短轮伐期栽培研
究 [ 2 - 4 ] ,随后法国、德国、日本、印度等国家也开始了
这方面的研究。到 20世纪 80年代 ,由于能源问题 ,
杨树短轮伐经营一度成为国内外栽培研究领域的热
点 [ 5 - 6 ] ,我国不少学者也进行了杨树短轮伐期栽培
以及条材制浆性能的研究 ,探讨这种理念的实际可
行性 [ 7 - 9 ] ,以便在单位面积土地上获得年均更多的
纸浆 ,获取更大的经济投入产出比 ,从而使农民更容
易接受。
早期造纸工业对造纸原料规格的要求 (小头直
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第 1期 黄秦军等 :杨树新品系超短轮伐条材材性及其生物制浆可行性
径 8 cm以上 ,不宜带皮利用等 )限制了超短轮伐条
材的实际应用。近年来 ,随着微生物制浆技术的发
展 [ 10 - 11 ] ,这种环保型以及对原材料规格无限制的新
制浆技术解决了超短轮伐条材规格较小而无法传统
化学制浆的问题。本文从纸浆材相关的木材物理性
状 (木材密度、纤维形态、微纤丝角等 )和化学成分
(木质素、棕纤维素、戊糖、灰份、1% NaOH抽提物、
苯醇抽提物等 )等方面进行了比较研究 ,并用新开发
的生物制浆新技术分品种制成纸浆 ,分析不同品种、
不同伐期杨树超短轮伐条材微生物制浆的可行性 ,
为缩短林木投资收益周期 ,加快林纸一体化进程提
供相关理论依据和技术支持。
1　材料与方法
1. 1　原材料产地概况
试验材料来自秦皇岛林业局苗圃 ,土壤以沙壤
到轻壤质为主。该市冬季寒冷干燥 ,春季干旱多风 ,
夏季炎热多雨 ,秋季天气晴朗 ,蒸发量大 ,降雨集中 ,
为半湿润大陆性气候。年平均气温 10. 5 ℃,无霜期
170～188 d,年降水量 667～680 mm ,年平均蒸发量
为 1 711 mm。
1. 2　植物材料
试验材料均为中国林科院林业所和秦皇岛市林
业局近年来共同选育的 10个新杨树品系 J1～J10,
其中 J1、J4、J5、J6、J7、J9、J10等 7个品种父本为山海
关杨 ( Populus deltoides cv. ‘Shanha iguanensis’) ,母
本为 63杨 ( P. deltoides cv. ‘Harvard’( I263 /51) ) ,
属简单杂交种 ; J2杨的父本为 (山海关杨 ×63杨 ) ,
母本为 72杨 ( P. ×euram a ricana (Dode) Guinier cv.
“san martino”( ex. I272 /58) ) ×山海关杨 ,属复合杂
交种 ; J3和 J8杨是山海关杨优树天然杂种。2001
年春在秦皇岛林业局北苗圃扦插 ,株行距 20 cm ×30
cm, 2次重复 ,试验地面积 1 hm2。2002年春将其中
一个重复平茬 ,另一个保留 ,形成 2根 1干和 2根 2
干条材 , 2003年 1月 ,随机抽取各无性系的 10个代
表性单株用于混合生物制浆。此外 ,各无性系另选
3株 ,在胸高部位取 5 cm径段做相关木材材性分析 ;
各系号 2根 1干条材平均胸径为 2. 31 cm,平均苗高
为 4. 01 m; 2根 2干条材平均胸径为 2. 69 cm ,平均
苗高为 4. 28 cm。
1. 3　材性测定
材性物理性状测定包括 :木材基本密度、纤维
长、纤维宽、微纤丝角和壁腔比。试样为 2根 1干和
2根 2干条材 ,采用排水法测基本密度 ,用常规离析
测纤维长度、宽度和微纤丝角。每试样分别测纤维
长度、纤维宽度、微纤丝角各 50根 ,取其平均值。测
定工作由中国林科院木材所完成。
木材化学成分测定包括 :以去皮条材为原料分
别测定各品系的灰分含量、1% NaOH抽提物、苯醇
抽出物含量、木素含量、多戊糖含量和综纤维素含
量 ,测定方法分别采用 GB267713281、GB267715281、
GB267717281、 GB267718281、 GB267719281 和
GB2677110281标准进行。测定工作由中国林科院
林化所 (南京 )完成。
1. 4　微生物制浆及性能检测
利用武绍亮等开发的白腐菌多菌种复合降解菌
液对 10个品系 2根 1干条材进行微生物制浆 [ 11 ]。预
先将条材切成 3～5 cm大小的碎片 ,以高压消毒锅为
生物反应器 ,分别加入原料 1 000 g,复合生物降解菌
液 1 g、辅助培养基 2. 5 g、水 800 g,先经 30～50 ℃条
件下进行 48 h生物降解 ,再在温度 125 ℃,气压 01125
Mp条件下灭菌蒸煮 3 h,冷却后取出粗浆料 ,经双螺
旋磨浆机磨浆 ,次氯酸盐初步漂白 ,最后由天津科技
大学制浆造纸实验室测定纸浆物理性能。
2　结果与分析
2. 1 不同型条材物理性状分析
从测定结果看 (表 1) , 2根 1干条材和 2根 2干
条材的木材基本密度平均值分别为 0. 319 0、
01338 7 g·cm - 3 ,纤维长平均值分别为 727. 7、
75015μm ,纤维宽平均值分别为 19. 14、17. 99μm ,
长宽比平均值分别为 38. 1和 41. 8,微纤丝角平均值
分别为 9. 48°和 11. 10°, 而壁腔比平均值均为
01390。一般认为只要木材纤维长度超过 330μm ,
长宽比大于 35,即可用于制浆造纸。本次试验用条
材的纤维长度因品系在 689. 7～772. 3μm间变动 ,
达到国际木材解剖学家协会理事会规定的略短纤维
组标准 (700～900μm)。10个新品系条材的壁腔比
和微纤丝角均比较小 ,有利于形成高强度纸张 ,表明
从纤维品质或纸张质量方面考虑 ,用 1、2 a杨树条
材进行制浆造纸是完全可以接受的。
材性测定表明 :同一品种 2根 1干条材材质比 2
根 2干略差 ,但差异未达到显著水平。相对而言各
性状在品系间差异更加明显 ,但 10个新品系的纤维
长、纤维宽、微纤丝角等指标均超过国家标准中对造
纸材料的要求。
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
表 1　杨树新品系 2根 1干条材和 2根 2干条材物理性状比较
品系 基本密度 / ( g·cm - 3 ) 纤维长度 /μm 纤维宽度 /μm 纤维长宽比 微纤丝角 /° 壁腔比
J1 0. 330 3 /0. 357 0 727. 5 /772. 3 18. 05 /17. 40 40. 3 /44. 4 9. 60 /11. 29 0. 408 /0. 409
J2 0. 291 0 /0. 301 3 738. 7 /746. 1 20. 14 /19. 04 36. 7 /39. 2 9. 35 /9. 61 0. 374 /0. 370
J3 0. 312 7 /0. 352 0 689. 7 /758. 9 18. 67 /18. 42 36. 9 /41. 2 8. 93 /9. 43 0. 321 /0. 400
J4 0. 335 3 /0. 328 0 727. 8 /712. 1 19. 19 /18. 01 37. 9 /39. 5 8. 84 /10. 21 0. 425 /0. 403
J5 0. 357 0 /0. 362 3 734. 1 /750. 5 18. 63 /17. 20 39. 4 /43. 6 9. 21 /10. 81 0. 394 /0. 391
J6 0. 306 7 /0. 336 7 710. 9 /745. 3 18. 41 /17. 38 38. 6 /42. 9 9. 49 /10. 92 0. 436 /0. 401
J7 0. 294 7 /0. 323 7 756. 3 /771. 7 20. 34 /17. 93 37. 2 /43. 0 9. 51 /13. 36 0. 398 /0. 394
J8 0. 302 7 /0. 330 0 732. 2 /739. 3 18. 97 /18. 29 38. 6 /40. 4 10. 53 /11. 24 0. 330 /0. 396
J9 0. 333 0 /0. 344 0 738. 0 /768. 6 19. 96 /17. 99 37. 0 /42. 7 9. 03 /11. 69 0. 358 /0. 358
J10 0. 326 7 /0. 352 3 721. 8 /740. 5 19. 03 /18. 23 37. 9 /40. 6 10. 28 /12. 41 0. 410 /0. 386
平均 0. 319 0 /0. 338 7 727. 7 /750. 5 19. 14 /17. 99 38. 1 /41. 8 9. 48 /11. 1 0. 390 /0. 390
　　注 : a /b, a为 2根 1干条材的数据 , b为 2根 2干条材的数据。
2. 2　不同型条材化学成分分析
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。木质素含量高则制浆得
率差 ,耗药量大。赵天锡等 [ 12 ]对 45个不同杨树品
种 (包括青杨派、白杨派、黑杨派和胡杨派以及一些
杂种 )的研究表明 ,杨树综纤维素含量为 703. 5～
859. 6 g·kg- 1 ,木质素含量为 175. 0～351. 8 g·
kg- 1。本文分析的 10个新品系 2根 1干和 2根 2干
条材的综纤维素含量为 810. 5～838. 4 g·kg- 1 ,平
均值分别为 82717、823. 1 g·kg- 1 ;木质素含量为
192. 7～212. 6 g·kg- 1 ,平均值分别为 204. 5、199. 7
g·kg- 1 (表 2)。
各品系 2根 1干条材化学成分和 2根 2干条材
有一定差异 ,但没达到显著差异水平。相对而言品
系间差异较大 ,这表明在营建超短轮伐条材纸浆林
时 ,选择适宜条材经营的生物量高、品质好、适应型
强的优良品种是可行的。
表 2 杨树新品系 2根 1干条材和 2根 2干条材化学成分比较
品系 灰份 /( g·kg - 1 )
1%NaOH
抽提物 / ( g·kg - 1 )
苯醇抽提物 /
( g·kg - 1 )
木质素 /
( g·kg - 1 )
综纤维素 /
( g·kg - 1 )
戊聚糖 /
( g·kg - 1 )
J1 7. 9 /5. 5 228. 6 /216. 5 21. 4 /14. 4 201. 9 /202. 8 828. 0 /827. 2 289. 4 /276. 3
J2 6. 7 /5. 5 216. 4 /227. 5 18. 3 /19. 5 204. 2 /194. 6 834. 2 /823. 1 292. 5 /282. 0
J3 7. 9 /6. 1 234. 2 /225. 9 20. 4 /14. 0 212. 6 /199. 1 831. 3 /817. 8 277. 9 /293. 2
J4 6. 4 /5. 7 233. 2 /240. 0 16. 7 /23. 5 201. 6 /194. 0 838. 4 /825. 3 276. 8 /281. 0
J5 6. 8 /4. 9 223. 5 /222. 6 17. 4 /21. 0 212. 2 /196. 8 835. 5 /825. 9 271. 6 /270. 1
J6 8. 1 /6. 3 232. 4 /235. 5 24. 1 /19. 0 203. 4 /204. 8 825. 2 /817. 2 286. 5 /290. 9
J7 8. 7 /5. 4 226. 7 /216. 7 18. 7 /14. 7 205. 3 /202. 9 825. 6 /825. 8 285. 9 /289. 9
J8 9. 1 /5. 6 242. 9 /237. 2 21. 2 /22. 5 205. 1 /206. 6 814. 9 /822. 8 267. 1 /279. 6
J9 7. 0 /5. 4 228. 6 /227. 3 20. 9 /18. 0 200. 3 /192. 7 833. 0 /826. 2 287. 0 /293. 4
J10 9. 8 /5. 7 244. 5 /223. 5 24. 7 /19. 2 198. 6 /202. 4 810. 5 /820. 0 272. 0 /258. 5
平均 7. 8 /5. 6 231. 1 /227. 3 20. 4 /18. 6 204. 5 /199. 7 827. 7 /823. 1 280. 7 /281. 5
　　注 : a /b, a为 2根 1干条材的数据 , b为 2根 2干条材的数据。
2. 3　不同型条材生物制浆性能分析
生物制浆是一种对原材料适应性广、无任何酸
碱添加的新型制浆工艺 ,已成为当今世界制浆工业
追求的热点。本研究利用白腐菌多菌种复合降解工
艺对 10个新品系 2根 1干条材进行微生物制浆 ,原
料采用带皮条材 (气干质量 1 000 g) , 10个新品系的
得浆率为 65. 0% ～72. 0% (表 3) ,介于机械浆 (得浆
率 85% ～95% )和化学浆 (得浆率 40% ～55% )之
间 ,与化学 -机械浆的得浆率相当 ,这证明了杨树条
材生物制浆的生物学和经济学可行性。
所制木浆经天津科技大学材料科学与化学工程
学院造纸研究室检测 ,生物浆及其抄片检测结果见
表 4和表 5。
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第 1期 黄秦军等 :杨树新品系超短轮伐条材材性及其生物制浆可行性
表 3 杨树新品系 2根 1干条材生物制浆法得浆率
项目 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10
原材料质量 / g 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000
干浆质量 / g 662 712 720 650 690 665 700 704 710 673
得浆率 /% 66. 2 71. 2 72. 0 65. 0 69. 0 66. 5 70. 0 70. 4 71. 0 67. 3
表 4 杨树新品系 2根 1干条材生物浆的打浆结果
项目 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10
原浆水分 / ( g·kg - 1 ) 747. 4 823. 3 834. 2 828. 0 800. 0 837. 3 775. 0 798. 5 777. 2 820. 8
原浆打浆度 /°SR 24. 0 26. 5 23. 0 26. 5 24. 0 18. 5 26. 0 20. 0 21. 0 24. 5
打浆时间 / s 180 300 315 120 180 320 190 450 180 150
成浆打浆度 /°SR 46. 5 46. 0 48. 0 44. 5 47. 5 43. 5 52. 0 44. 0 48. 0 43. 0
表 5 杨树新品系 2根 1干条材生物浆纸性能测定
物理性能
品系
J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10
国家行业标准
By2A By2B By2C
抗张指数 / (N·m - 1 ·g - 1 ) 61. 1 52. 7 54. 9 58. 9 62. 8 62. 2 54. 1 60. 8 66. 3 58. 0 50 40 30
耐破指数 / ( kPa·m - 2 ·g - 1 ) 2. 4 2. 5 3. 4 3. 0 3. 3 3. 4 2. 4 3. 6 3. 6 3. 0 3. 6 3. 0 2. 5
撕裂指数 / (mN·m - 2 ·g - 1 ) 2. 92 3. 24 3. 18 3. 21 3. 38 2. 74 3. 48 3. 84 3. 00 2. 68 6. 5 4. 5 3. 0
白度 /% 72 74 72 67 71 73 70 76 68 71 85 77 72
成浆打浆度 /°SR 46. 5 46. 0 48. 0 44. 5 47. 5 43. 5 52. 0 44. 0 48. 0 43. 0
定量 / ( g·m - 2 ) 55. 0 60. 0 60. 5 58. 0 57. 5 60. 5 59. 3 60. 3 54. 0 58. 3
断裂长 / km 6. 23 5. 37 5. 60 6. 01 6. 40 6. 34 5. 52 6. 20 6. 76 5. 91
耐折度 /次 16 24 77 11 21 17 31 112 42 12
　　中华人民共和国漂白硫酸盐木浆国家行业标准
中确定打浆度 45°SR、抄片定量 60 g·m - 2 ,阔叶材
木浆各等级机械强度白度指标如表 5。对比表 4和
表 5各相关数据 ,参试 10个杨树新品系所得纸浆的
抗张指数均达国家一级标准 (By2A )。耐破指数因
品系变动在 A～C之间 ,多数在 B级以上 , J2属于 C
级 ;在撕裂指数上 ,各品系所测值都较低 ,多数只达
C级标准 ,还有 3个品系低于 C级 ;从白度上看 , 10
品系有 5个达到 C级标准 , 3个接近 C级标准。随
着制浆工艺的改进和良种选用 ,纸浆品质还会提高 ,
可满足生产文化用纸需求。
3　讨论与结论
(1)杨树超短轮伐条材纸浆性能 (基本密度、纤
维形态等 )在品种间差异明显 ,而在不同条材间差异
不显著 , 2根 1干条材材质比 2根 2干略差。纤维形
态是造纸工业衡量纤维原料优劣的依据 ,一般来说 ,
纤维长宽比大于 30～40、壁腔比小于 1以上的纤维
均适合造纸 [ 13 ]。除基本密度稍低外 ,本研究 10个
品系的超短轮伐条材纤维形态等指标也均能达到纸
浆原料的需求。杨树超短轮伐条材纤维壁腔比小
(0. 39) ,打浆时容易崩解、帚化 ,纤维之间结合紧
密 ,形成纸页时强度大 ,有利于形成高强度纸张 ,从
纤维品质和制成浆的物理性能考虑 ,用 1、2 a杨树
条材进行制浆造纸是可行的。
木材基本密度是影响得浆率的因素之一 ,其随
林龄增长而增高 ,一般到 8～10 a后趋于稳定 ,可达
0. 4～0. 5 g·cm - 3。超短轮伐条材由于年龄小 ,木
材基本密度较小 ,在一定程度上影响单位土地面积
上的得浆量 ,但杨树超短轮伐经营模式中条材生物
量却是常规栽培模式的 3倍以上。国内一些研究表
明杨树超短轮伐的 2根 1干条材生物量在 15～20 t
·hm - 2 ·a - 1 ,这是常规大株行距种植杨树纸浆林难
以达到的产量 [ 7 - 9 ]。单位面积高生物量的优势足以
补偿木材基本密度减小所导致的产浆量损失。
(2)杨树超短轮伐条材化学成分与成熟材差异
不大。对比 12 a美洲黑杨 ( Populus deltoides Bartr. )
和欧美杨 ( P. ×euram ericana (Dode) Guineir)木材
化学成分 [ 14 ] ,杨树超短轮伐条材的综纤维含量、木
质素均与 12 a杨树材无显著差异 ;同时 , 9 a三倍体
毛白杨 ( P. tom entosa Carr. cl.‘trip loi’)的木材综纤
维素含量随年龄的变化不大 ,近似于直线 [ 15 ]。因此
在营建超短轮伐纸浆林时 ,选择生长量高、品质好、
适应型强的优良品种更为重要 ,本研究证明这些目
77
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
标也是可以实现的。
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。
(3)杨树超短轮伐条材微生物制浆得浆率为
65. 0% ～72. 0% ,介于机械浆和化学浆之间 ,浆纸质
量可达国家阔叶木浆的 Bk2C标准。
生物制浆的最初设想源于 20世纪 50年代 ,我
国利用杨树超短轮伐条材进行生物制浆研究正处于
开始阶段。本研究表明 ,生物制浆从技术上来说完
全可行 ,但从纸浆的产量和质量上看 ,还需要有更多
的提高和改进 ,以满足生产和市场的需求。由于不
同杨树品系间的得浆率、浆的性能具有明显差异 ,专
性纸浆材新品种培育也是很重要的环节。以速生、
高产、优质的杨树纸浆材专性新品种为基础 ,结合超
短轮伐期经营模式和生物制浆技术 ,实施分散制浆、
集中造纸策略 ,开拓一条全新和环保的道路 ,将为短
期内缓解我国木浆缺乏 ,实现林纸一体化工程提供
技术依托和保障。
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