全 文 ：第 49 卷 第 5 期
2 0 1 3 年 5 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 5
May，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20130524
收稿日期: 2012 － 04 － 23; 修回日期: 2013 － 02 － 26。
基金项目: “985”优势学科创新平台专项基金; “十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAD18B0103) ; 教育部高等学校科技创新培
育资金项目(706007)。
* 彭祚登为通讯作者。
豫刺 8 号主要木材化学成分与热值的关系*
赵 静 彭祚登 江丽媛 孙 龙 谭晓红
(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室 北京 100083)
关键词: 豫刺 8 号; 热值; 灰分; 纤维素; 半纤维素; 木质素; 苯醇抽出物
中图分类号: S718. 43 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)05 － 0182 － 06
Relations between Main Wood Chemical Compositions and the
Caloric Value of Robinia pseudoacacia Cl．‘Hennansis 8’
Zhao Jing Peng Zuodeng Jiang Liyuan Sun Long Tan Xiaohong
(Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education Beijing Forestry University Beijing 100083)
Abstract: Gross caloric values，ash contents，ash-free caloric values，cellulose，hemicellulose，lignin and benzene-
alcohol extract contents were studied at different growth stages and in various organs of Robinia pseudoacacia Cl．
‘Hennansis 8’． Results showed that: the leaf had the highest average gross caloric values and ash-free caloric values，and
these values were relatively higher at the initial growth stage of the next year among the sampling period of time; the leaf
had the highest average ash contents，and the contents were higher at the late stage of the next year． The orders of
cellulose and hemicellulose contents were all trunk ＞ branch ＞ bark ＞ leaf． The leaf had the most lignin，benzene-
alcohol extract contents． Benzene-alcohol extract contents were appeared to be an inverted V distribution with the growth
stages． Gross caloric values were not significantly negatively correlated with ash contents，cellulose and hemicellulose
contents，and they were significantly correlated with lignin but not significantly with benzene-alcohol extract contents;
Ash-free caloric values were significantly negatively correlated with cellulose and hemicellulose contents， and were
significantly correlated with lignin and benzene-alcohol extract contents． In terms of the variation of caloric values，the best
cutting period for energy forests was the initial growth stage of the next year among the five growth stages of‘Hennansis 8’．
Key words: Robinia pseudoacacia Cl．‘Hennansis 8’; caloric value; ash content; cellulose; hemicellulose; lignin;
benzene-alcohol extract
刺槐 (Robinia pseudoacacia)具有适应性强、易
繁殖、生长快等特点，在我国栽植广泛，是具有广阔
应用前景的木本燃料能源树种之一。豫刺 8 号(R．
pseudoacacia Cl．‘Hennansis 8’)为刺槐无性系优良
品种之一，具有作为燃料型能源林开发利用的潜力，
而有关豫刺 8 号作为燃料利用的热值指标及其形成
的生理生化基础研究目前还比较少。
植物热值是反映植物有机化合物组成、含量及
其能量属性的综合指标(龙应忠等，2007; 林鹏等，
1991)，分为干质量热值和去灰分热值。去灰分热
值比干质量热值更能反映植物的能量属性(Golley，
1969)。植物不同器官所含营养物质的成分会影响
植物干质量热值(Golley，1969; Hughe et al．，1983;
林益明等，1996)，植物不同器官灰分含量的高低对
植物的干质量热值也有一定的影响 (林益明等，
2001)。纤维素、半纤维素、木质素和苯醇抽出物均
属于木材的化学组成物质。有研究表明: 纤维素、
木质素可作为主要能量指标来判断玉米(Zea mays)
秸秆的热量。树种间热值的差异主要与树木体内所
含的苯 －乙醇抽出物和木质素的含量呈二元线性相
关(赵廷宁等，1993)。植物在能量生产中合成的基
本含能物质是脂肪、蛋白质和碳水化合物(祖元刚，
1990)，植物体内碳水化合物主要包括纤维素和半
纤维素(马常耕等，2005)，故两者也是与热值关系
密切的重要化学成分。
本研究以豫刺 8 号为研究对象，分别选取不同
第 5 期 赵 静等: 豫刺 8 号主要木材化学成分与热值的关系
生长阶段、不同器官测定其相应的热值及纤维素、半
纤维素、木质素和苯醇抽出物 4 种木材化学成分指
标，并分析热值与各成分的关系，为刺槐能源林培育
对优良无性系品种的选择、利用以及能源林经营方
案的制定提供重要的理论依据。
1 材料与方法
1. 1 试验地概况 试验地位于河南省孟津县牛步
河能源林试验种植园内，地处豫西丘陵地区，
34°49 N，112°26 E，属亚热带和温带的过渡地带，
季风环流影响较为明显，春季干旱多风，夏季炎热多
雨，秋季日照长，冬季寒冷少雨。1 月气温最低，平
均为 － 0. 5 ℃，7 月气温最高，平均为 26. 2 ℃。年平
均气温 13. 7 ℃，年平均降水量为 650. 2 mm。土壤
大部分为褐土。
1. 2 供试材料 供试刺槐品种豫刺 8 号选育于河
南，母树是 1984 年在中牟县群营人工林中选择的优
良单株，树龄 19 年，树高 18 m，胸径 20 m。优树根
繁无性系化后经 3 个试点的栽培试验选育而成。试
验品种于 2008 年春埋根繁殖，栽植株行距为
0. 5 m × 0. 5 m，立地条件一致，采用常规水肥管理。
1. 3 研究方法 1) 试验材料的采集与处理 选择
具有代表性的地块(10 m × 10 m)为标准地，在标准
地内选择长势良好的健康植株，分别选取该树木的
枝、叶、皮、干，于实验室中在 105 ℃的烘箱内杀青
15 min 后，再在 85 ℃烘箱内烘干至恒质量，然后粉
碎，过 0. 425 和 0. 150 mm 筛，装袋备用。采样时间
为 2008—2009 年，分别为当年(2008 年) 7 月中旬
(当年盛期 StageⅠ)，当年 10 月初(当年末期 Stage
Ⅱ)，翌年(2009 年)4 月底(翌年初期 StageⅢ)，翌
年 7 月上旬(翌年盛期 StageⅣ)，翌年 10 月初(翌年
末期 StageⅤ)。
2) 热值和灰分的测定 干质量热值(GCV)是采
用美国 PARR6300 氧弹量热仪来测定。依据胡建军
等(2009) 方法，称取待测样品约 0. 8 g (精确至
0. 000 1 g)左右，用天津市科器高新技术公司生产的
769YP-15A 型台式粉末压碎机压成药片状，重复 3 次
取样测量，前后 2 次测量误差不超过 83. 732 J·g － 1，3
次测定结果均值即为样品的干质量热值。
去灰分热值 (AFCV) = 干质量热值 /(1 － 灰分
含量)。灰分含量的测定用干灰化法，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，测定其灰分含量。每个样品重复
测定 3 次，3 次测定结果平均值即为样品的灰分含
量。再计算热值含量。
3) 硝酸 －乙醇纤维素含量的测定 纤维素的
测定采用硝酸乙醇法(石淑兰等，2003)，此法基于
使用浓硝酸和乙醇溶液处理，试样中的木素被硝化
并部分被氧化，生成的硝化木素和氧化木素溶于乙
醇溶液。与此同时，亦有大量的半纤维素被水解、氧
化而溶出，所得残渣洗涤干净之后即为硝酸 － 乙醇
纤维素。
4) 半纤维素含量的测定 聚戊糖含量的测定
采用 12%盐酸水解法(石淑兰等，2003)，它是测定
半纤维素五碳聚糖的总量。其测定方法主要包括 2
种: 容量法(溴化法)和分光光度法。本文采用容量
法(溴化法)。其中糠醛的测定方法采用的是四溴
化法。具体步骤参见 GB /T2677. 6—1994 造纸原料
聚戊糖的测定方法。同时进行 2 次测定，取其算术
平均值。
5) 木质素含量的测定 (1)酸不溶木质素(克
拉森木质素)含量的测定 测定酸不溶木质素 (克
拉森木质素)含量采用经典的 Klason 法(石淑兰等，
2003)。此法用苯 － 乙醇溶液抽提样品，然后依次
用 72%和 3%的硫酸溶液溶解，再定量测定酸不溶
木质素的含量。具体步骤参照 GB /T2677. 8—1994
造纸原料酸不溶木素含量的测定方法。同时进行 2
次测定，取其算术平均值至小数点后第 2 位，2 次测
定值之差不应超过 0. 2%。
(2)酸溶木质素含量的测定 通常所说的木质
素含量，过去一般认为是硫酸法测定的酸不溶木质素
(克拉森木质素)含量。近些年来的研究表明，在测
定酸不溶木质素含量时，用硫酸使聚糖水解成单糖的
过程中，也有一部分木质素被酸溶解，这部分木质素
称之为酸溶木质素。酸溶木质素含量的测定采用紫
外分光光度法(石淑兰等，2003)。用 72%硫酸法分
离出酸不溶木质素以后得到的滤液，于波长 205 nm
处测量紫外光的吸收值。吸收值与酸溶木素含量有
关。具体步骤参照 GB /T10337—1989 造纸原料和纸
浆中酸溶木质素的测定方法。进行 2 次测定后取其
算术平均值，精确至小数点后 2 位。以酸不溶木质素
和酸溶木质素含量之和表示总木质素含量。
6) 苯 －乙醇抽出物含量的测定 苯醇抽出物
含量的测定采用苯 －乙醇混合液抽提试样(石淑兰
等，2003)，然后将抽出液蒸发烘干、称量，定量测定
所抽出的物质含量。苯醇抽出物不但能抽出原料中
所含的树脂、蜡和脂肪，而且还能抽出一些乙醚不溶
物，如单宁及色素等。具体步骤参照 GB /T2677. 6—
1994 造纸原料苯醇抽出物和乙醚抽出物的测定方
法。同时进行平行测定，取其算术平均值作为测定
381
林 业 科 学 49 卷
结果。精确至小数点后 2 位，且 2 次测定计算值间
相差不应超过 0. 20%。
1. 4 数据处理 采用 Excel 和 SPSS17. 0 软件对数
据进行统计分析，对数据进行 One-way ANOVA 方差
分析(LSD 法进行多重比较)及相关性分析。
2 结果与分析
2. 1 豫刺 8 号干质量热值、灰分含量和去灰分热值
的变化 干质量热值直接反映了绿色植物通过光合
作用固定太阳辐射能的能力(毕玉芬等，2002)，是
能源林评定中的一个重要指标。图 1A 为豫刺 8 号
不同器官干质量热值的变化，可以看出，各器官干质
量热值的变化范围为 16. 90 ～ 19. 93 kJ·g － 1，叶、皮、
干均具有较高的平均干质量热值，枝平均干质量热
值较低，为 17. 13 kJ·g － 1。且枝的干质量热值当年
末期最高、翌年初期较高，叶、皮、干均呈现翌年初期
最高，各器官干质量热值随生长阶段的变化均呈现
倒 V 型分布。常年生植物冬季的热值高于春夏季
(Golley，1969; Hadley，1964); 对美国华盛顿山高
山植物能量变化的研究指出，毕氏苔草 ( Calix
bigelowii)随着生长进程热值逐渐增加。方差分析
也表明，不同生长阶段豫刺 8 号的同一器官干质量
热值之间均具有极显著差异(P ＜ 0. 01)，说明不同
器官的干质量热值与生长阶段可能有一定的相关
性，生长阶段不同植物体内组分不同，从而造成其干
质量热值的差异。
灰分是植物体内含有的矿物元素氧化物的总
和，灰分含量的高低与植物吸收的元素量有关，可以
反映植物对矿物质选择吸收与积累的特点(林益明
等，2004)。由图 1B 可知，该刺槐品种灰分含量变
化范围为 1. 33% ～ 11. 61%，其值波动较大，枝和叶
都具有较高的灰分，且叶平均灰分含量为 10. 43%，
总体高于枝平均灰分 7. 66%。且枝的灰分含量当
年盛期最高、翌年末期较高，叶、皮、干均呈现翌年末
期最高，各器官灰分含量随生长阶段的变化均呈现
正 V 型分布。方差分析表明: 不同生长阶段豫刺 8
号的同一器官灰分含量之间均具有极显著差异
(P ＜ 0. 01)，王立海等(2009)认为小兴安岭主要树
种的树皮对矿质元素吸收与积累的能力比树干和树
叶强，矿质元素含量高，灰分含量也高。但是本文得
出叶的灰分含量最高，这与江丽媛等(2011)的研究
结果一致，也可能是由于豫刺 8 号的外界条件使叶
片吸收矿质元素的能力高于其他器官。
去灰分热值是指在除去灰分含量的影响后，植
物体有机物质的热值。由图 1C 可知，该刺槐去灰
分热值变化范围为 18. 33 ～ 21. 88 kJ·g － 1，叶具有较
高的去灰分热值，枝、皮、干的去灰分热值没有显著
差异。且枝、叶、皮、干去灰分热值均为翌年初期最
高，各器官去灰分热值随生长阶段不同均呈现倒 V
型分布。不同生长阶段豫刺 8 号的枝、叶、皮、干的
去灰分热值表现为同一器官去灰分热值之间均具有
显著差异(P ＜ 0. 05)。
图 1 各器官的干质量热值、去灰分热值及灰分含量的变化
Fig． 1 Changes of gross caloric values，ash contents，ash-free caloric values from different organs
2. 2 豫刺 8 号纤维素、半纤维素、木质素和苯醇抽
出物含量的变化 不同器官中平均纤维素含量为
干 ＞枝 ＞ 皮 ＞ 叶，枝和干因属树木支撑器官而含
有较多的纤维素，其中在枝、皮、干中随着生长阶
段的变化均呈现正 V 型分布，叶的变化则不明显
(图 2A)。不同器官的平均半纤维素含量为干 ＞
枝 ＞皮 ＞叶，也是枝和干含量较高，但随着生长阶
段的变化无明显规律 (图 2B)。不同器官的平均
木质素含量为叶 ＞ 干 ＞ 枝 ＞ 皮，叶和干含量较高，
且随着生长阶段的变化无明显规律 (图 2C)。不
同器官的平均苯醇抽出物含量为叶 ＞ 枝 ＞ 皮 ＞
干，叶因生命活动旺盛且含有较多树脂和色素等，
481
第 5 期 赵 静等: 豫刺 8 号主要木材化学成分与热值的关系
故含量最高，枝、叶、皮、干随着生长阶段的变化均 呈现倒 V 型分布(图 2D)。
图 2 各器官的纤维素、半纤维素、木质素及苯醇抽出物含量的变化
Fig． 2 Changes of cellulose，hemicellulose，lignin and benzene-alcohol extract contents from different organs
2. 3 热值与灰分及主要木材化学成分的总相关性
分析 很多学者认为，灰分含量的差异是干质量热
值差异的重要原因，对不同植物种类或不同生境下
的同种植物的热值比较时，应采用去灰分热值以消
除灰分含量差异造成的影响(林益明等，2000)，但
灰分含量的高低本身就是植物种和环境共同作用的
结果，单纯采用去灰分热值进行比较可能削弱了物
种之间的差异(徐永荣等，2004)。为了明确两者之
间的差异，在相关性分析中对干质量热值和去灰分
热值均进行了研究。
植物体的各组分如淀粉、纤维素、半纤维素、木
质素、蛋白质、脂类等的含能差异较大，组分不同就
会导致植物的热值不同，因此这些物质成分含量的
高低决定着植物的热值大小(官丽莉等，2005)。祖
元刚(1990)也曾对植物的热值做过详细的研究，得
出相同的结论。植物内含物及其含量的多寡综合了
植物本身的遗传特性及环境因子效应，能比较准确
揭示植物种间的热值差异，因此研究植物体各组分
含量对热值研究意义重大。
从表 1 中可知: 干质量热值和灰分之间呈不显
著的负相关关系，说明灰分确实对植物的干质量热
值造成了一定的影响。去灰分热值与灰分含量有极
显著的正相关关系，这与陈美玲等(2009)研究的结
果一致。
表 1 热值与灰分及各主要化学成分的总相关性①
Tab． 1 Total correlations between caloric value and ash content，chemical compositions
项目
Item
干质量热值
Gross caloric value
灰分
Ash content
去灰分热值
Ash-free caloric value
纤维素
Cellulose
半纤维素
Hemicellulose
木质素
Lignin
苯醇抽出物
B-A extract
干质量热值 Gross caloric value 1
灰分 Ash content － 0． 145 1
去灰分热值 Ash-free caloric value 0． 722＊＊ 0． 579＊＊ 1
纤维素 Cellulose － 0． 197 － 0． 806＊＊ － 0． 725＊＊ 1
半纤维素 Hemicellulose － 0． 261 － 0． 814＊＊ － 0． 788＊＊ 0． 920＊＊ 1
木质素 Lignin 0． 535 * 0． 380 0． 712＊＊ － 0． 337 － 0． 518 * 1
苯醇抽出物 B-A extract 0． 371 0． 809＊＊ 0． 874＊＊ － 0． 834＊＊ － 0． 890＊＊ 0． 611＊＊ 1
① N = 20，＊＊P ＜ 0. 01，* P ＜ 0. 05。
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林 业 科 学 49 卷
岳建芝等 (2006) 研究玉米秸秆后发现，纤维
素、木质素含量越高，秸秆热值越高; 半纤维素含量
对热值没有明显的影响。本研究发现纤维素、半纤
维素与干质量热值呈不显著的负相关关系，纤维素
是大分子多糖，是细胞壁的主要成分，在植物体内含
量比较高。宗子刚(1982)研究认为: 纤维素的燃烧
热为 17. 37 kJ·g － 1; 半纤维素主要是由聚戊糖组
成，它结合在纤维素微纤维的表面，构成细胞间相互
连接的网络，在木质组织中占总量的 50%。纤维素
和半纤维素完全是由糖单元组成，氧化程度高，含热
量较低，故热值较低，与干质量热值呈一定的负相关
关系。Kucera 等(1967)认为，北美高草草原植物随
年龄增长植物热值增加，可能是由于随年龄增长木
质素和类木质素的构建发生变化。本文也得出一致
结论，木质素与干质量热值呈显著的正相关关系，木
质素是一种复杂酚类聚合物，也是构成细胞壁的成
分之一，主要位于纤维素的纤维之间。木质素主要
由松柏基单元组成，氧化程度低，燃烧热高 (宗子
刚，1982)。赵廷宁等(1993)也发现树种间热值的
差异主要与树木体内所含的苯 －乙醇抽出物和木质
素的含量呈二元线性相关。苯醇抽出物与干质量热
值呈不显著的正相关关系，苯醇抽出物具有更低的含
氧量和更高的含热量，树叶和树皮中含有较多的酚类
和类脂体的提取物，其燃烧热高达 35. 16 kJ·g － 1
(宗子刚，1982)，同上述赵廷宁等 ( 1993 ) 的结论
一致。
去灰分热值与纤维素、半纤维素均呈极显著的
负相关，木质素和苯醇抽出物均呈极显著的正相关，
这与干质量热值与各化学成分之间相关关系一致。
供试树种豫刺 8 号在消除了灰分含量的影响后，去
灰分热值与各成分的相关关系的显著性就显现了
出来。
从表 1 中还可知: 灰分含量与纤维素、半纤维
素呈极显著的负相关关系，这与鲁顺保等(2010)研
究厚壁毛竹(Phyllostachys edulis)的结论相同，与木
质素呈不显著的正相关关系，与苯醇抽出物呈极显
著的正相关关系; 纤维素与半纤维素呈极显著的正
相关关系; 苯醇抽出物与纤维素、半纤维素呈极显
著的负相关关系，与木质素呈极显著的正相关关系。
可见纤维素和半纤维素含量间接影响苯醇抽出物和
木质素的含量。从 4 个木材化学成分的相关性系数
大小来看，木质素对干质量热值的影响最大，苯醇抽
出物对去灰分热值的影响最大。
本文研究的木材化学成分较多，为进一步明确
各成分之间的关系，用豫刺 8 号的去灰分热值作为
因变量(Y)，用灰分含量(X1 )、纤维素含量(X2 )、半
纤维素含量(X3 )、木质素(X4 )、纤维素(X5 )作为自
变量，估算出多元回归方程。对偏回归系数 b1，b2，
b3，b4和 b5进行 t 测验，b1，b2，b3其相伴概率 P ＞
0. 05，说明灰分、纤维素、半纤维素对热值的偏回归
均不显著; 而 b4和 b5其相伴概率 0. 01 ＜ P ＜ 0. 05，
说明木质素和苯醇抽出物对热值的偏回归达显著水
平。经再次回归，得回归方程为:
Y = ( － 1. 199E － 15) － 0. 391X1 － 0. 350X2 +
0. 037X3 + 0. 309X4 + 0. 743X5
依据回归方程可得去灰分热值主要与灰分和纤
维素含量成一定的反比关系，与半纤维素相关性不
大，与木质素和苯醇抽出物呈一定正比关系，且 b5
最大，即苯醇抽出物对其影响最大。其中 R2 =
0. 867，说明模型拟合度良好。同时方差分析 F =
18. 261，Sig． = 0. 000＊＊，表明该回归方程表达出了豫
刺 8 号的去灰分热值与其主要化学成分之间的
关系。
3 结论与讨论
1) 同一器官不同生长阶段豫刺 8 号的干质量
热值、灰分含量之间均具有极显著差异(P ＜ 0. 01)，
去灰分热值之间具有显著差异(P ＜ 0. 05)。干质量
热值和去灰分热值各器官随生长阶段的变化均呈现
倒 V 型分布，灰分各器官随生长阶段的变化均呈现
正 V 型分布。对不同的生长阶段来说，叶的干质量
热值、灰分含量、去灰分热值平均值最大; 对不同的
器官而言，5 个生长阶段中翌年初期的值最大。干
质量热值和灰分之间呈不显著的负相关关系，说明
灰分确实影响了植物的干质量热值; 去灰分热值与
灰分含量有极显著的正相关关系。
2) 不同器官中纤维素含量枝最高，其中枝、皮、
干随着生长阶段的变化均呈现 V 型分布，叶的变化
则不明显。不同器官的半纤维素含量干最高，但各
器官的值随着生长阶段的变化无明显规律分布。不
同器官的木质素含量为叶和干较高，随着生长阶段
的变化也无规律性的分布。不同器官的苯醇抽出物
含量叶最高，且各器官随着生长阶段的变化均呈现
倒 V 型分布。
3) 干质量热值与灰分之间呈不显著的负相关
关系，与纤维素、半纤维素均呈不显著的负相关关
系，与木质素 /苯醇抽出物分别呈显著 /不显著的正
相关关系; 去灰分热值与纤维素、半纤维素均呈极
显著的负相关关系，与木质素、苯醇抽出物均呈极显
著的正相关关系。灰分、纤维素、半纤维素、木质素
681
第 5 期 赵 静等: 豫刺 8 号主要木材化学成分与热值的关系
和苯醇抽出物与去灰分热值的多元线性回归方
程为:
Y = ( － 1. 199E － 15) － 0. 391X1 － 0. 350X2 +
0. 037X3 + 0. 309X4 + 0. 743X5
4) 刺槐的萌蘖能力强，综合上述结论得出翌年
初期豫刺 8 号的热值大小及各项生理指标含量均达
到较高值，因此在培育豫刺 8 号燃料能源林时，翌年
初期(翌年 4 月底)为采割的最佳生长阶段。
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(责任编辑 王艳娜)
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