全 文 ： 收稿日期 }t||| p tu p uu ∀
第 vy卷 第 y期u s s s年 tt 月
林 业 科 学
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酸雨对杨树生长和木材化学性质的影响
马连祥 周定国 徐魁梧
k南京林业大学 南京 utssvzl
摘 要 } 对受酸雨危害和未受酸雨危害杨树的年轮宽度和木材化学性质的对比研究表明 }酸雨对杨树生长
和木材化学性质产生了明显的影响 ∀酸雨会导致树木生长减缓 o年轮宽度变窄 o受害材的年轮宽度较健康材
相对降低 tu1yz h ∀受害材与健康材的 ³‹ 值无明显差异 o酸 !碱缓冲容量有显著差异 ∀与健康材相比 o受害
材的戊聚糖和木质素含量相对升高 t1wv h和 v1zu h o而综纤维素的含量相对减少 v1wx h o灰分的含量相对
减少 {1vw h ∀受害材的抽提物含量显著地高于健康材 o钾 !钠 !钙 !镁等元素的含量低于健康材 o铜和硫在受
害材中产生富集 ∀受酸雨危害木材的可溶性碳水化合物总量低于健康材 o而游离糖的含量高于健康材 ∀
关键词 } 酸雨 o杨树 o年轮宽度 o化学性质
ΤΗΕ ΕΦΦΕΧΤΣ ΟΦ ΑΧΙ∆ Ρ ΑΙΝ ΟΝ ΠΟΠΥΛΥΣ ΕΥΡ ΑΜΕΡΙΧΑΝΑ
ΤΡΕΕ ΡΙΝΓ ΩΙ∆ΤΗ ΑΝ∆ ΩΟΟ∆ ΠΡ ΟΠΕΡΤΙΕΣ
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( Νανϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανϕινγutssvz)
Αβστραχτ : ׫¨ ·µ¨¨µ¬±ª º¬§·«o³‹ √¤¯∏¨ o º²²§¦«¨ °¬¦¤¯ ¦²°³²¶¬·¬²± ¤±§¨¯ °¨ ±¨·¦²±·¨±·¶²©³²³¯¤µ¶¶¨¯¨ ¦·¨§
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Κεψ ωορδσ: „¦¬§µ¤¬±o°²³¯¤µ¦¯²±¨ Œ2zu o ×µ¨¨µ¬±ª º¬§·«o≤«¨ °¬¦¤¯ ³µ²³¨µ·¬¨¶
us世纪 {s年代初 o北美和欧洲就有酸雨造成森林衰退和死亡的报道 ∀我国近些年也出现了酸雨 o
已是继北美和欧洲之后世界第三大酸雨区 o且降水的酸度仍在升高 o地域仍在扩大k王文兴 ot|{zl ∀酸
雨轻者会引起叶部的失绿和局部坏死 o重者会引起叶落枝枯 o通过土壤 ³‹ 值和土壤溶液 o酸雨则会造
成营养离子的损失和树木抗性的降低 o并导致木材化学成分的改变k宾克利 ot||v ~秦特夫 ot||y ~马连
祥 ousssl ∀为了研究酸雨对杨树的危害机理和杨树的抗性 o≤²¬2µ°等采用模拟酸雨研究了受酸雨危
害杨树叶片的形态 !化学组成及杨树对酸雨的敏感性k≤²¬ot|{{l ∀通过这些研究可以探明生长在酸雨
危害地区树木木材材性的变化程度 o并为这些树木的合理利用提供理论依据 ∀
t 材料与方法
111 材料
试验用树种为欧美杨南方型无性系 Œ2zu杨≈ Ποπυλυσ≅ ευραµεριχανα  o选择地理 !气候和土壤条件
相同 o仅降水的酸度不同的林区进行试材采集 ∀样本观察采集点共设 z个 o其中受害材采集点 w个 o正
常健康对照点 v个 o在每个采集点选一标准木供采集 o采集时间为 t|||年 t月 ∀受酸雨危害的试材采
于江苏徐州k以下称受害材l o海拔高度约 { ∗ us ° o年降水量 |ww1v °° o降水最低 ³‹ 值 v1z o酸雨频率
大于 ys h o年平均温度 tw1t ε o沙壤 o株行距 w ≅ w ° o树龄 tv年 o采 w株标准木 o树木表现生长缓慢 o叶
部出现酸雨危害症状 ∀未受酸雨危害的试材采于江苏涟水k以下称健康材l o海拔高度 { ∗ tx ° o年降水
量 |ys1t °° o无酸雨危害 o年平均温度 tw1t ε o沙壤 o株行距 w ≅ w ° o树龄 tv年 o采 v株标准木 o树木
生长状态良好 ∀
试材经剥皮 o将原木基部 !中部和梢部各截取 x ¦°的等厚圆盘 o气干后劈成小薄片充分混合 o按四
分法取样 xss ªo将小薄片试样用植物粉碎机粉碎成 ws ∗ ys目的木粉 o用于木材化学性质的测定 ∀
112 试验方法
年轮宽度 }用显微镜测量 ∀木材 ³‹ 值 }按 Š…yswv2{x标准方法测定 ∀缓冲容量 }参照相亚明研究
论文中的测定方法进行测定k相亚明 ot|{zl ∀化学组成 }按 Š…uyzz1u ∗ uyzz1ts2{t标准方法测定 ∀矿
物元素含量 }用等离子发射光谱kŒ≤°l测定 ~游离糖和淀粉 }称取 ws ∗ ys目试样 x ªo用甲醇一水溶液kw
Βtl作为混合溶剂在室温下震荡抽提 tu «o经过滤后用高效液相色谱仪测定滤液中水溶性游离糖的含
量 o用比色法测定木材中的淀粉含量k秦特夫 ot||yl ∀
u 结果与讨论
211 年轮宽度
酸雨对树木生长的直接影响是通过树木的叶片 o破坏叶片角质层 o表皮组织和气孔 o影响光合作
用 o间接影响是通过树木的根部和土壤 o造成营养离子的损失 o降低形成层的活性 o导致树木生长的减
缓 ∀ °²½ª¤­等研究捷克斯洛伐克受酸雨危害大云杉k Πιχεα εξχελσαl的报告指出 o受酸雨严重危害者 o生
长速度减慢 o年轮变窄k°²½ª¤­ot|{yl ∀舒俭民等在研究酸沉降对马尾松生长的影响时指出 o酸雨和大
气污染会使林木生长受到抑制 o表现为生物量减少 o材积生长量降低 o且降水的酸度越高 o对树木生长
的危害就越大 ∀从图 t可以看出 }受酸雨危害的杨树生长较慢 o平均年轮宽度为 ts1wu °° o而未受酸
雨危害的杨树生长较快 o平均年轮宽度为 tt1{v °° o受害材的年轮宽度较健康材相对降低 tu1yz h ∀
酸雨引起树木年轮变窄 o主要表现为树木形成层细胞分裂减慢 o年轮内细胞数目的减少和细胞体积减
小 ∀经双因素方差分析 o可得 }受害材的年轮宽度与健康材的年轮宽度有显著差异 o不同年份的年轮宽
度有极为显著的差异 ∀
图 t 杨树年轮宽度变化曲线
ƒ¬ªqt ׫¨ √¤µ¬¤·¬²± ²©·µ¨¨µ¬±ª º¬§·«²©³²³¯¤µ
图 u 受害材与健康材的年轮宽度指数
ƒ¬ªqu •¬±ª º¬§·«¬±§¨¬²©§¬¶¨¤¶¨§¤±§«¨ ¤¯·«¼·µ¨ ¶¨
通过大量样本的统计分析 oƒµ¬··¶q等认为年轮宽度与树龄呈指数函数关系kƒµ¬··¶ot|zy ~• ¨¯ ¥¯∏µ±o
t|{{l ∀根据以上观点 o用 ψ€ αε p βξ对数进行回归 o再采用比值法k年轮宽度实测值除以回归预测值l
对测定的结果进行标准化处理 o可得年轮宽度指数 ∀从图 u可以看出 o健康材的年轮宽度指数均接近
于 t o表示未受到酸雨的危害 o处于正常生长状态 ∀受害材 t||u年至 t||x年的年轮指数偏低 o表示树
木受到酸雨的严重危害 o这与降水的酸度相一致 ∀
212 πΗ值及缓冲容量
木材的 ³‹ 值及缓冲容量是木材重要的化学性质之一 o它不仅反映了木材的酸碱性 o而且反映木材
对酸碱的缓冲能力 ∀了解 ³‹ 值及缓冲容量对木材加工利用有着重要的意义 ∀
采用/单因素方差分析0对结果进行分析可得 }受害材与健康材的 ³‹ 值无差异 o缓冲容量呈显著差
异 ∀受害材与健康材的 ³‹ 值差异并不显著 o这是因为树木在生长过程中具有克服外界因素的干扰 !对
生理进行自我调节的能力和植物体本身具有抗拒 ³‹ 值变化的能力k • ¨¯ ¥¯∏µ±ot|{{l ∀树木在生长过
y| 林 业 科 学 vy卷
表 1 ³‹ 值及缓冲容量的测定结果
Ταβ .1 πΗ ϖαλυε ανδ βυφφερ χαπαχιτψ οφ δισεασεδ ανδ ηεαλτηψτρεεσ
试材 × ¶¨·°¤·¨µ¬¤¯¶ ³‹ 值³‹ √¤¯∏¨
碱缓冲容量
…∏©©¨µ¦¤³¤¦¬·¼
消耗标准 ‹≤¯溶液的 °
酸缓冲容量
…∏©©¨µ¦¤³¤¦¬·¼
消耗标准 ‘¤’ ‹ 溶液的 °
受害材 ⁄¬¶¨¤¶¨§·µ¨ ¶¨ 平均值 „√ µ¨¤ª¨标准差 ⁄¨ √¬¤·¬²±
y q{y
s qvyv
{ qvs
s qw|s
s qxw
s qsx{
健康材 ‹ ¤¨¯·«¼·µ¨ ¶¨ 平均值 „√ µ¨¤ª¨标准差 ⁄¨ √¬¤·¬²±
z qsz
s qvt|
ts qty
s qw{y
s qxs
s qwt{
平均值之差 ⁄¬©©¨ µ¨±¦¨ ²©¤√ µ¨¤ª¨ p s qut p t q{y s qsw
差异相对值 • ¨¯¤·¬√¨§¬©©¨ µ¨±¦¨k h l p v qsu p us qtx z qy|
Φ值 Φµ¤·¬²≠ s qzxv v{ q|x33 z qxw 3
≠ 3为 s1sx水平显著 ≥¬ª±¬©¬¦¤±·¯¼ ¤·π € s qsx o33为 s1st水平显著 ≥¬ª±¬©¬¦¤±·¯¼ ¤·π € s qst ∀
程中长期处于酸雨条件下 o则碱的缓冲容量产生明显的下降 o且与酸雨的酸度呈正相关 ∀杨木的缓冲
容量较大 o表现为杨木中的碱性物质较多 o这些碱性物质能与脲醛树脂的酸性固化剂发生反应 o降低脲
醛树脂的酸性 o使脲醛树脂固化速度减慢或不发生固化 o不能形成网状结构 o降低交联度 o则会对胶合
质量产生明显的影响 o表现为胶合强度下降或开胶 ∀
213 主要化学组成
试验结果表明 }受害材中的抽提物含量明显高于健康材k表 ul o热水抽提物相对增高 tw1| h o苯2醇
抽提物相对增高 ty h ot h ‘¤’ ‹ 抽提物相对增高 ts1x h ∀
表 2 杨树木材的化学组成k h l
Ταβ .2 Χηεµιχαλ χοµ ποσιτιον οφ ποπλαρ ωοοδ( %)
项目 Œ·¨°¶ 灰分„¶«
热水抽提物
‹²·2º¤·¨µ ¬¨·µ¤¦·
苯2醇抽提物
…¨ ±½¨ ±¨ 2¤¯¦²«²¯ ¬¨·µ¤¦·
t h ‘¤’ ‹ 抽提物
t h ‘¤’ ‹ ¬¨·µ¤¦·
木质素
¬ª¬±
戊聚糖
° ±¨·²¶¤±
综纤维素
‹²¯²¦¨¯¯∏¯²¶¨
受害材 ⁄¬¶¨¤¶¨§·µ¨¨ s qxz v qsv u qty ut qvz uu q|{ uv q{t zs qy{
健康材 ‹ ¤¨¯·«¼·µ¨¨ s qyu u qyt t q{w t| quw uu qtw uv qwz zv qtz
平均值之差
⁄¬©©¨ µ¨±¦¨ ²©¤√ µ¨¤ª¨ p s qsx s qwu s qsvu u qtv s q{w s qvw p u qw|
差异相对值
• ¨¯¤·¬√¨§¬©©¨ µ¨±¦¨k h l p { qwv tw q| ty qs ts qx v qzu t qwv p v qwx
ƒ值 ƒ µ¤·¬² x qs{ tt qzw33 x qv| 3 y qut 3 w qvu u qvt t qvu
°²½ª¤­等在研究中发现 o受酸雨危害的树木由于受到细菌的作用 o细胞壁部分溶解 o这就能清楚的
解释受害材中抽提物含量较高的原因k°²½ª¤­ot|{yl ∀受害材中的灰分较健康材低 o差异相对值为
{1wv h ∀木素和半纤维素的含量升高 v1zu h和 t1wv h o而综纤维素相对减少 v1wx h o这是因为树木在
生长期间要保持 ³‹ 值恒定必将消耗一定的能量 o从而使树木的纤维素低于健康材k • ¨¯ ¥¯∏µ±ot|{{l ∀
214 矿物元素的含量
年轮分析法在近年来已被广泛地用来监察酸雨及大气污染对树木生长的危害 ∀为了研究酸雨及
大气污染对树木生长的影响轨迹 o可通过树木年轮化学k⁄¨ ±§µ²¦«¨ °¬¶·µ¼l测定木材年轮中元素的含量
来确定酸雨及大气污染对树木生长影响的历史轨迹kƒµ¬··¶ot|zy ~• ¨¯ ¥¯∏µ±ot|{{ ~宾克利 ot||vl ∀
u1w1t 矿物元素的含量 酸雨能加速营养物质从林冠和土壤中淋失 o无机离子钾 !钙 !镁和锰的淋失
量最大 o有机化合物k如糖类 !有机酸 !维生素等l也会淋失 ∀ ≤µ²±¤±等对高海拔针叶冷杉和低海拔阔叶
硬木冠层雨溶液化学的比较研究表明 o在酸性降雨的作用下 o≤¤u n ! ªu n !Žn !‘¤n !≥’u pw !等离子在冠
层雨溶液中富集 o造成叶片中营养离子的大量淋失 o阔叶林的淋失量大于针叶林 ∀长期处于酸性降雨
的森林 o营养离子的吸出量就会超出最初叶片的含有量 o在这种情况下 o促进了根部营养离子吸收和迁
移 o同时重新吸收的营养离子从树木体内析出量就增大 o就会造成营养亏损 ∀
对测定的结果k表 vl进行方差分析可得 o多种元素有显著差异 ∀受害材中的钾 !镁 !锶 !钡 !锰 !锌均
低于健康材 o差异相对值在 z1x| h ∗ tus h之间 o这与木材化学组成中灰分含量降低的结果相一致 ∀受
害材中铜 !硫含量高于健康材 ∀
z| 第 y期 马连祥等 }酸雨对杨树生长和木材化学性质的影响
表 3 矿物元素的含量
Ταβ .3 Μινεραλελεµεντ χοντεντ ιν ποπλαρ ωοοδ kΛªrªl
项目 Œ·¨°¶ Ž ‘¤ ≤¤  ª „¯ ƒ¨ ≥µ …¤ ≤∏  ± ± ° ≥
受害材 ⁄¬¶¨¤¶¨§·µ¨ ¶¨ tvx{ vzu tu|| t{s z q{ s qwt ts qx u qs v qz u qx z qy zt qy tyw
健康材 ‹ ¤¨¯·«¼·µ¨ ¶¨ uuxy v{x tvzt xtw s q{s s qws vw q| { qt v qu v qv { qu z{ q| twu
平均值之差 ⁄¬©©¨ µ¨±¦¨ ²©¤√ µ¨¤ª¨ {|{ tv zu vvw z qs s qst uw qw y qt s qx s q{ s qy z qvx uu
差异相对值 • ¨¯¤·¬√¨§¬©©¨ µ¨±¦¨k h l w| qy v qv x qw |y qw tyu u qwv tsz tus tw qx uz z qx| | qzy tw qv
ƒ值 ƒ µ¤·¬² 3 p p 3 3 p 3 3 3 3 p p 3
从树皮往髓心按年轮取样 o每两年为一树龄段 o共取五段 ∀按年轮段取样 o钾 !镁和硫的测定结果
见图 v o心材中的钾和镁的含量较高 o边材中硫的含量较高 ∀无论是哪一树龄段 o受害材中钾和镁的含
量均低于健康材 o硫的含量均高于健康材 ∀
图 v 几种矿物元素k≥ ! ª和 Žl的含量
ƒ¬ªqv ≤²±·¨±·¶²©¶¨√ µ¨¤¯ °¬±¨ µ¤¯ ¨¯ °¨ ±¨·k≥ o ª¤±§Žl¬± §¬¶¨¤¶¨§¤±§«¨ ¤¯·«¼·µ¨ ¶¨
u1w1u 木质部矿物元素的富集 生态系统中硫离子的形态是氧化态硫酸根k≥’u pw l o它一旦被植物吸
收 o在进入有机分子以前首先被还原 o还原过程中要消耗电子和 ‹ n o所以硫酸根的吸收也使酸度得到
中和 ∀少量的硫可能以硫酸根的形式存在 o或以酯键k≤ ) ’ ) ≥l与有机分子结合 ∀从实验结果可以看
出 o受害材木质部中的硫高于健康材 o相对增加 tw1v h ∀如果土壤层内与其土壤溶液之间的硫酸根达
到平衡 o则不会产生吸附和净解吸作用 o但是如果土壤溶液中的硫酸根消耗尽或浓度过高 o则会产生明
显的不平衡 ∀有关森林中硫循环 o只有很少的数据资料 ∀有研究认为 o单位面积森林的硫循环的需求
量为一恒定值 o其中约 ts h的硫来自枯枝落叶 o生物量中的每年累积量也为恒定值k宾克利 ot||vl ∀如
果硫的沉降量超过森林生物量中的累积率 o则硫过量 ∀硫的过量沉降一方面破坏森林中硫循环 o另一
方面在生物量中产生富集 ∀除此以外 o酸沉降通过影响土壤的 ³‹ 值和土壤溶液中离子组成 o引起微量
图 w 可溶性碳水化合物的含量对比
ƒ¬ªqw ≤²±·µ¤¶·²©¶²¯∏¥¯¨¶∏ª¤µ¶¤±§¶·¤µ¦«¦²±·¨±·
¥¨·º¨¨ ± «¨ ¤¯·«¼·µ¨¨¤±§§¬¶¨¤¶¨§·µ¨¨
元素铜的有效性上升 o并在森林植物中富集 ∀
215 游离糖和淀粉
由于酸雨的危害 o树木生长过程中的生理特性会发
生变化 o不仅表现在 ³‹ 值和缓冲容量 !纤维素和矿物元
素含量的变化 o而且树干各部分的水分和可溶性碳水化
合物的含量也发生了变异 ∀有研究表明 o受害材中的可
溶性游离糖k葡萄糖 ª¯∏¦²¶¨ o果糖 ©µ∏¦·²¶¨ o蔗糖 ¶∏¦µ²¶¨
等l明显高于健康材 o而边材中的淀粉仅为健康材的 vs h
左右k…¤∏¦«ot|{yl ∀
图 w为受害材与健康材中可溶性游离糖和淀粉的含
量对比 ∀可以看出 o受害材中的可溶性碳水化合物总量
低于健康材 t{1t h o其中淀粉低于健康材 vy1t h o而可
溶性糖高于健康材 vz1| h ∀可溶性游离糖和淀粉是植物
生长过程中的产物 o它们之间存在着相互平衡 o并会相互
转换 ∀当糖的浓度高时 o积累淀粉 o反之当糖浓度低时淀
{| 林 业 科 学 vy卷
粉转化为糖 o这些碳水化合物的主要作用是维护植物的生长和呼吸 ∀
v 总结
通过对杨树年轮宽度和木材化学性质的测定 o可以看出酸雨对杨树生长和木材化学性质产生了较
为显著的影响 ∀主要表现为 }ktl酸雨导致树木生长减缓 o年轮宽度变窄 o生长量下降 o受害材的年轮宽
度较健康材相对下降 tu1yz h ∀kul与健康材相比 o受害材的缓冲容量有显著差异 o碱缓冲容量相对降
低 us1tx h o酸缓冲容量相对升高 |1yu h ∀综纤维素的相对降低 v1wx h o木质素升高 v1zu h o抽提物的
含量则产生明显的上升 ∀酸雨造成树木生长过程中营养离子k钾 o钠 o钙 o镁l的损失 o这些元素在木材
中的含量也相对较少 o其差异相对值在 v1v h ∗ |y1w h之间 ∀铜和硫的含量相对升高 o且在树干中产生
富集 ∀受害材中的可溶性碳水化合物的总量低于健康材 o可溶性糖含量较健康材要高 o而淀粉的含量
低于健康材 ∀这些研究结果对木材的加工利用k木制品 !人造板和制浆造纸l有着十分重要的意义 ∀
参 考 文 献
宾克利等著 o张月娥等译 q酸沉降与森林土壤 q中国环境科学出版社 ot||v q
马连祥 o周定国 o徐魁梧 q酸雨对树木生长和木材材性的影响 q世界林业研究 ousss otuktl }uz ∗ vt q
秦特夫 q酸雨及大气污染对马尾松木材材性影响的研究 q林业科学 ot||y ovtkyl }xu{ ∗ xvx q
王文兴 o丁国安 q中国降水酸度和离子浓度的时空分布 q环境科学研究 ot|{z otskul }t ∗ ts q
相亚明 q国产 ux种木材水浸提液的 ³‹ 值和缓冲容量 q木材工业 ot|{z otktl }ty ∗ uv q
…¤∏¦«q≤«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶¤±§µ¨¶³²±¶¨ ²© º²²§¬± §¨ ¦¯¬±¬±ª·µ¨ ¶¨©µ²° ©²µ¨¶·¶¤©©¨ ¦·¨§¥¼ ³²¯ ∏¯·¬²± oŒ„ • „ o…∏¯¯¨·¬± ot|{y ozkwl }uy| ∗ uzx q
≤²¬2•  o≥ ±¨¶¬·¬√¬·¼ ²©©²µ¨¶·³¯¤±·µ¨³µ²§∏¦·¬²±·² ²¯±ª2µ¤±ª¨ ·µ¤±¶³²µ·¨§¤¬µ³²¯ ∏¯·¤±·¶}·«¨ ©¨©¨ ¦·¶²© º ·¨§¨ ³²¶¬·¬²± ¤¦¬§¬·¼ ¤±§¦²³³¨µ²± µ¨2
³µ²§∏¦·¬²± ²© Ποπυλυστρε µ υλοιδεσ , ‘¨ º2³«¼·²¯²ª¬¶·ot|{{ ottsktl }v ∗ v{ q
ƒµ¨ ¬¯¦« ∞ ετ αλq ‹¬¶·²µ¬¦¤¯ ·µ¨±§¶¬±·µ¨¨µ¬±ªªµ²º·«¤±§¦«¨ °¬¶·µ¼ ¤¦µ²¶¶¤± ¤¬µ2 ∏´¤¯¬·¼ ªµ¤§¬¨±·¬± • ¬¶¦²±¶¬±q≤¤±¤§¬¤± qƒ²µq • ¶¨¨¤µ¦«o
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°²½ª¤­ „ i ≥ Ž∏µ­¤·®²q • ²²§³µ²³¨µ·¬¨¶²©¶³µ∏¦¨ ©µ²° ©²µ¨¶·¶¤©©¨¦·¨§¥¼ ³²¯ ∏¯·¬²± ¬± ≤½¨ ¦«²¶¯√¤®¬¤oŒ„ • „ o …∏¯¯¨·¬±ot|{y ozkwl }wsx ∗
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