Canopy characteristics in gaps and its relationship with seedlings and saplings in a spruce-fir forest in the Changbai Mountain area of northeastern China
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摘要:目的 林隙在森林更新循环中起着重要作用，对林隙内冠层结构和光因子及其与幼苗幼树的数量和生长指标之间的关系进行分析，以探究林隙冠层特征对幼苗幼树的影响，提出促进云冷杉林天然更新的措施，为云冷杉林可持续经营和资源可持续利用提供科学依据。方法 本研究于2019年8月对吉林省金沟岭林场长白山云冷杉异龄针阔混交林林分内48个林隙的冠层结构、光因子及幼苗幼树进行调查，采用Pearson相关性分析对不同大小林隙内冠层结构和光因子及其与幼苗幼树的关系进行分析。结果 （1）林隙冠层开度（CO）、叶面积指数（LAI）和总辐射（Tot）主要分布区间分别为12% ~ 20%、2 ~ 3和11% ~ 21%。（2）CO、LAI及光因子在不同大小林隙内差异显著(P < 0.05)，CO、散射辐射（TDF）随林隙增大而增大，Tot和直接辐射随林隙增大先减小后增加。（3）各树种幼苗幼树株数随CO和Tot的增大先增加后减少，最适合幼苗幼树存活的CO和Tot区间分别为12% ~ 20%和11% ~ 21%。（4）林隙面积小于120 m2时最适合冷杉幼苗幼树的生长；小于90 m2时最适合色木槭幼苗幼树的生长；云杉幼苗幼树在小于30 m2及60 ~ 90 m2的林隙中生长最好；最适宜红松幼苗幼树生长的林隙面积为60 ~ 90 m2。结论 该林分主要冠层分布区间比较适宜4个树种更新幼苗幼树的生长，当CO和Tot超过一定范围后，幼苗幼树数量反而下降。因此，可以根据林分经营需要减少林隙内更新幼苗幼树的数量，或对林隙面积进行适当调节，为目的树种释放生长空间，促进其更新。Abstract:Objective The formation of gaps plays an important role in the forest renewal cycle. The relationship between structure and light factors of canopy in the gap and its relationship with the number and growth indicators of seedlings and saplings were analyzed. In order to explore the impact of characteristics of the gap canopy on seedlings and saplings, the measures to promote the natural renewal of spruce-fir forests were put forward to provide scientific basis for the sustainable management and sustainable use of spruce-fir forests.Method This study investigated the canopy structure, light factors, seedlings and saplings of 48 gaps in the spruce-fir heterogeneous mixed forest of Changbai Mountain in Jingouling Forest Farm, Jilin Province of northeastern China in August 2019. Pearson correlation analysis was used to analyze the canopy structure and light factors in gaps of different sizes and their relationship with seedlings and saplings.Result (1) The main distribution intervals of canopy openness (CO), leaf area index (LAI) and trans total radiation (Tot) were 12%−20%, 2−3 and 11%−21%, respectively. (2) CO, LAI and light factors were significantly different in gaps of different sizes (P < 0.05), CO and trans diffuse radiation (TDF) increased with the increase of forest gap, Tot and trans direct radiation (TDR) first decreased and then increased with the increase of gap. (3) The number of seedlings and saplings of each tree species increased first and then decreased with the increase of CO and Tot. The most suitable CO and Tot for the survival of seedlings and saplings were 12%−20% and 11%−21%, respectively. (4) The gap less than 120 m2 was most suitable for the growth of fir seedlings and saplings; while the gap less than 90 m2 was the most suitable for the growth of Acer seedlings and saplings; spruce seedlings and saplings grew best in gaps less than 30 m2 and 60−90 m2; the most suitable gap area for the growth of Korean pine seedlings and saplings was 60−90 m2.Conclusion The main canopy distribution interval of the forest is more suitable for the growth of seedlings and saplings of the four tree species, but when the CO and Tot exceed a certain range, the number of seedlings and saplings decreases. Therefore, the number of seedlings and saplings in the gap can be reduced according to the needs of forest management, or the area of gap can be appropriately adjusted to release growth space for the target tree species and promote its regeneration.
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Keywords:
- gap /
- canopy structure /
- light factor /
- seedling and sapling
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装饰原纸经油墨印刷并浸渍氨基树脂后干燥至一定程度，形成具有一定树脂含量的印刷装饰胶膜纸。印刷装饰胶膜纸热压后可相互胶合或与人造板基材胶合，广泛应用于人造板表面装饰，对人造板具有保护和装饰作用[1]。由于印刷装饰纸先印刷后浸胶，因此，印刷墨层的透水透气性对后续浸胶量和饰面图案清晰度有重要的影响。目前，调节墨层的透气性主要通过选择合适的连接料[2]。印刷装饰纸用水性油墨的连接料包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、明胶、改性大豆蛋白和干酪素等。其中，水性丙烯酸树脂由于成膜性较好，但耐热性能差，在实际应用中已逐渐被淘汰。水性聚氨酯的交联密度大，会严重影响印刷装饰纸墨层的浸胶量[3]。明胶、大豆蛋白分子量较大，会影响印刷装饰纸对胶液的吸收。相比之下，干酪素水性油墨成膜疏松多孔，浸胶量较大。因此，目前装饰纸用水性油墨的主要连接料是干酪素。然而，以干酪素为连接料的水性油墨存在耐水性、耐热性差等问题。
针对上述问题，可采用对干酪素改性增强其耐水性，或者通过缩聚反应提高其耐热性。例如，干酪素与己内酰胺（C6H11NO，CPL）的缩聚反应，该反应从交联聚合上可增加干酪素的交联密度，降低干酪素的透气性，但耐水性并未显著提高[4]。羟甲基丙烯酰胺（C4H7NO2，NMA）含有极性N-羟甲基（N-CH2OH）、乙烯基等基团，能够与聚合物中的羟基、羧基发生交联，形成高交联密度的结构。除此之外，NMA含有的羟甲基和酰胺键等亲水性基团，使其亲水性有明显的提升[5]，双丙酮丙烯酰胺（C9H15NO2，DAAM）分子结构中含有的乙烯基官能团，可进行聚合反应，有效增加结构稳定性。尽管它的共聚物或均聚物不溶于水，但聚合物中侧链中的酰胺基和酮羰基会使聚合物在潮湿环境中吸收水分[6]。通过前期探索发现，单一CPL改性干酪素，耐水性改善较弱[7]，但能较大程度提高干酪素粒径；单一NMA改性干酪素，交联密度过大，黏度增加剧烈，不适合油墨的印刷；单一DAAM改性干酪素会很大程度影响干酪素的亲水性，不利于干酪素水性油墨的浸胶。
结合CPL、NMA和DAAM各自的特点，本研究针对干酪素耐水性不佳且吸水膨胀的问题，联合CPL、NMA和DAAM对干酪素进行改性。通过测试改性干酪素及其相应水性油墨和印刷装饰纸的性能，分析改性干酪素对水性油墨的耐水性和印刷装饰纸浸胶量的影响，探究CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素机制。
1. 材料与方法
1.1 材 料
装饰原纸1（定量70.0 g/m2）、装饰原纸2（定量80.0 g/m2）、进口干酪素、印刷装饰纸用市购干酪素水性油墨、引发剂、分散剂、消泡剂、防腐剂、水性树脂用颜料，均购自广东天元汇邦新材料股份有限公司。改性剂包括N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、己内酰胺、乙醇胺（C2H7NO，MEA），购自国药集团有限公司。去离子水为实验室自制。
1.2 各试样的制备
人造板装饰胶膜纸的制备主要包括树脂的选择、树脂的改性、油墨的制备、印刷装饰原纸、浸胶印刷装饰纸及压贴装饰胶膜纸等工艺。本研究为了探究改性干酪素树脂耐水性对印刷装饰纸墨层的耐水性影响，制备了改性干酪素树脂、改性干酪素水性油墨和相应的印刷装饰纸。同时，为了探究改性干酪素树脂的亲水性和成膜结构对印刷装饰纸的浸胶量影响，制备了改性干酪素水性油墨和印刷装饰胶膜纸。
1.2.1 改性干酪素树脂
以CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素，其质量比为12.0∶1.0∶4.0∶35.0。首先，将12.0 g的CPL和100.0 g去离子水搅拌均匀，直至CPL完全溶解，将其转移至四口烧瓶。之后，向四口烧瓶中加入35.0 g的干酪素，待搅拌分散均匀后，开始加热。待升温至80 ℃时，滴加MEA，调节pH值至8.5，并不断搅拌。待升温至90 ℃，加入DAAM和NMA，同时滴加引发剂。最后，温度保持在90 ℃，回流2.5 h，制得改性干酪素树脂。
将清洁的聚四氟乙烯板放于水平操作台，倒入上述改性干酪素树脂。室温干燥24 h，待干酪素膜表面无气泡，将其放入60.0 ℃烘箱干燥6 h。取出固化膜，放入干燥器中备用。
1.2.2 改性干酪素水性油墨
将13.3 g的改性干酪素树脂加入四口烧瓶，并以300 r/min搅拌20 min，充分搅动。加入MEA，调节pH值至9.0，500 r/min搅拌5 min。之后依次加入1.0 g分散剂、0.2 g消泡剂、0.8 g防腐剂和45.0 g水， 500 r/min搅拌20 min。将搅拌均匀的树脂混合液和15.0 g颜料在行星式球磨机的研磨器中以320 r/min研磨5 h，制得干酪素水性油墨。
1.2.3 印刷装饰纸
取2.0 ~ 3.0 g油墨用厚度2.0 μm的涂布棒涂布在装饰原纸表面，然后将涂布好的装饰原纸放入130 ℃烘箱干燥30 s，得到印刷装饰纸。
1.2.4 印刷装饰胶膜纸
取印刷装饰纸浸渍三聚氰胺–甲醛树脂，浸渍时间为120 s，取出后用玻璃棒刮除表面多余树脂，将其放入120 ℃烘箱中干燥60 s，得到印刷装饰胶膜纸。
1.3 改性干酪素树脂性能表征
1.3.1 基础性能
按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》测定干酪素树脂、改性干酪素树脂的固含。为了测量树脂的稳定性和分散性，采用激光粒度测量仪，对干酪素、改性干酪素树脂粒径和Zeta电位进行测试，溶剂为去离子水。为了检测干酪素树脂是否符合生产要求，采用旋转黏度计对干酪素、改性干酪素乳液和黏度进行测试。
1.3.2 微观形貌
为了观测干酪素成膜形态，采用场发射扫描电子显微镜（field emission scanning electron microscope，FE-SEM，Hitachi，日本）观察干酪素膜表面形貌。
1.3.3 化学结构
为了研究干酪素树脂改性状况，采用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR，Nicolet Magna，美国）测试改性干酪素膜的官能团变化，其测试得数范围为400 ~ 4 000 cm−1，分辨率4 cm−1，扫描次数32次。
1.3.4 热性能
采用热重分析（TGA，SDT-Q500，TA公司，美国）对干酪素和改性干酪素膜进行热稳定性检测。
1.3.5 水接触角、水蒸气透过率和耐水性
为了检测干酪素树脂的亲水性，利用视频光学接触角测量仪（OCA15EC，DATA PHYSICS，德国）对干酪素膜和改性干酪素膜的表面接触角进行测试，滴加液体为水，滴加量为2.0 μL。
为了检测干酪素树脂的透水透气性，采用水蒸气透过率测试仪（W3-031，济南思克测试技术公司，中国）对干酪素和改性干酪素漆膜的水蒸气透过率进行测试。
为了检测干酪素的耐水性，测试浸水40 min后的干酪素树脂残留率。将干酪素树脂在105 ℃下烘干30 min，并称其质量m1；将浸水40 min后的干酪素树脂放入烘箱，在105 ℃烘30 min，并称其质量m2，然后计算干酪素树脂残留率（W）。
W=m2−m1m1×100% (1) 1.4 改性干酪素水性油墨性能表征
按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》测定干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨的固含。
为了检测水性油墨的分散性和稳定性，采用激光粒度测量仪，测试水性油墨的粒径和Zeta电位，溶剂为去离子水。
采用旋转黏度计，测试干酪素乳液、改性干酪素乳液及其水性油墨的黏度。
1.5 印刷装饰纸性能表征
1.5.1 微观形貌
为获取印刷装饰纸墨层的特点，采用FE-SEM观察印刷装饰纸的表面形貌，并采用能量色散 X 射线光谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）对印刷装饰纸中的P元素和Cl元素进行面扫分析。由于红色颜料254是富含Cl元素的有机颜料，干酪素含有大量磷蛋白，故选择两者作为颜料和干酪素的特征元素。为显示出颜料在纸张表面的分布情况，以及探究干酪素对于颜料的固结效果，选择不添加干酪素的染色纸作为对照组。
1.5.2 耐水性、耐热性和浸胶量
参照 QB/T 5477—2020《装饰纸水性印刷油墨》，对印刷装饰纸墨层耐热性进行测试。结果取3次测试数据的平均值。
为了检测印刷装饰纸墨层的耐水性，测试印刷装饰纸浸水40 min后的墨层残留率。取10 cm × 10 cm印刷装饰纸和装饰原纸，在105 ℃烘箱中烘干2 min，测试烘干后的印刷装饰纸质量，分别记为mʹ1和mʹ0，再将其浸入去离子水中40 min，取出，放入105 ℃烘箱烘干1 h，测试质量mʹ2。印刷装饰纸墨层残留率（Wʹ）计算见式（2）。
W′=m′2−m′0m′1−m′0×100% (2) 分别取10 cm × 10 cm的印刷装饰纸和印刷装饰浸胶纸在（130 ± 2） ℃的烘箱中干燥2 min，并测质量，计算浸胶前后的质量差即可得到浸胶量。每个条件分成3组平行实验，每组平行实验重复5次，取平均值。
2. 结果与分析
2.1 改性干酪素树脂
印刷装饰纸性能主要取决于水性油墨，而油墨的“心脏”是干酪素树脂，因此干酪素树脂的耐水性、亲水性和结构会影响印刷装饰纸墨层的耐水性和浸胶量。通过测试改性干酪素的官能团变化和热分解的变化，探究干酪素改性是否成功；通过测试改性干酪素树脂的微观形貌、残留率、水蒸气透过率和水接触角，获得改性干酪素树脂的亲水性和结构特征，研究其对印刷装饰纸墨层的耐水性和浸胶量的影响。
2.1.1 基础性能
连接料的颜色和光泽度是油墨的颜色和光泽度的重要影响因素[8]。目前，市场上的干酪素树脂多为淡黄色，而本研究的改性干酪素树脂和干酪素树脂两者的颜色均为黄色（表1），可能是加热使部分干酪素中的酪蛋白和残留的多糖发生美拉德反应，使干酪素出现褐化反应[9]。干酪素中酪蛋白在低浓度时以酪蛋白分子存在，随着干酪素浓度增加，分子通过疏水、氢键和盐键作用可形成酪蛋白胶束[10]。酪蛋白胶束是由酪蛋白分子中磷酸化的丝氨酸基团与牛乳中的钙离子通过非共价交联作用形成的聚集体，直径约150 nm[11]。因此，钙离子的含量与酪蛋白胶束的稳定性至关重要。除此之外，Zeta电位是衡量胶体分散体系稳定性的重要指标，若酪蛋白胶束的表面负电荷或正电荷较多，胶体的稳定性会较好，因此可借助酪蛋白微观带电特性间接获得胶体的稳定性[12]。
表 1 干酪素和改性干酪素乳液的基础性能Table 1. Basic properties of casein and modified casein emulsion乳液
Emulsion颜色
Color固含
Solid content/%pH Zeta电位
Zeta potential/mV平均粒径
Average particle size/nm黏度
Viscosity/（mPa·s）干酪素 Casein 黄色 Yellow 15 8.5 −40.5 110 1 280 改性干酪素 Modified casein 黄色 Yellow 15 8.5 −45.0 348 1 482 酪蛋白胶束的粒径大小和Zeta电位随pH值发生剧烈变化。当pH值 < 4.7时，干酪素树脂产生微米级的聚集并沉淀，虽有微量酪蛋白胶束残存，但可忽略不计；当4.7 < pH值 < 6.7时，酪蛋白胶束受静电斥力相互作用其平均粒径未发生变化，Zeta电位随pH的升高而增大；当7.7 < pH值 < 9.0时，210 nm左右的酪蛋白胶束剧烈减少，其Zeta电位几乎不变；当pH值 > 9.0时，大酪蛋白胶束剧烈增加，但与天然的大酪蛋白胶束不同，可能缺失了钙离子，其Zeta电位也是恒定的[13]。因此，本研究干酪素和改性干酪素的固含、pH值均为15%、8.5，两者的色泽均为黄色。尽管市购干酪素树脂固含大，但稳定性差，易沉淀；而改性干酪素树脂较为稳定。改性干酪素乳液的Zeta电位高于干酪素乳液，可能是改性后引入了酰胺键和羟基，使干酪素水溶液负电荷增多，胶束间的静电斥力增大，从而增强了体系的稳定性。
干酪素乳液的黏度和粒径是影响干酪素油墨的重要指标。若干酪素树脂黏度过大，在研磨阶段会产生大量气泡，不利于油墨的储存；另一方面，由于机械力的作用使酪蛋白间大量次级键断裂，造成肽链解离，使酪蛋白的粒径减小，加之蛋白质在微生物作用下易于发生水解，使得干酪素油墨的储存稳定性不佳。为解决这一问题，本研究选择粒径 < 3.0 μm，但粒径相对较大的干酪素乳液，通过增加酪蛋白间的化学键相互作用，进一步增强酪蛋白的结构稳定性。改性干酪素乳液的粒径约是干酪素乳液的3倍（表1），黏度也较高。此结果表明，改性干酪素内部可能形成了大量的共价键，构成了较紧密的结构。这进一步表明了干酪素改性的成功。
2.1.2 微观形貌
干酪素膜的断面结构出现阶梯的层次（图1a），而改性干酪素未出现不同层次的结构（图1e）；在放大10 000倍后，改性干酪素呈现致密的平面结构（图1f），相比未改性干酪素（图2c）更加光滑，这样的结构可以提高干酪素树脂的耐水性。
2.1.3 化学结构
干酪素含有大量的酰胺键，3 276 cm−1 处分别对应 O−H 和 N−H（酰胺A带）的伸缩振动[14]，1 636、1 239、1 536 cm−1 处分别对应C=O 键伸缩振动（酰胺Ⅰ带）、C−N键伸缩（酰胺Ⅱ带）、N−H 键伸缩振动（酰胺Ⅲ带）[15]。干酪素的吸收光谱除了酰胺键的特殊吸收峰外，在2 920 cm−1出现了CH2的吸收峰（图2）。对比改性前后干酪素的红外吸收光谱，改性后的干酪素酰胺A带、酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带的峰都有明显的增强，说明干酪素蛋白质可能出现酰基化反应。除此之外，改性干酪素的C−O键从1 400 cm−1 移动至1 420 cm−1 ，这表明干酪素原有结构的氢键受到破环，其结构随之发生改变。
2.1.4 热性能
干酪素热重曲线（图3a）可以分为4个阶段：第一阶段45 ~ 176 ℃，干酪素中水和一些易挥发性物质挥发；第二阶段176 ~ 248 ℃，蛋白侧链脱氨、脱羧反应发生；第三阶段248 ~ 380 ℃，酪蛋白的主链出现分解，肽键开始断裂；第四阶段380 ~ 800 ℃，前一阶段形成的碳残基在该温度下发生氧化分解[16]。温度 < 176 ℃时，改性干酪素和干酪素的质量损失都较小，但改性干酪素树脂的质量损失更小；在176 ~ 600 ℃，改性干酪素引入了大量的酰胺键和羟基，故其质量损失率大于干酪素树脂（图3b）；当温度 > 600 ℃时，改性干酪素中借助于酰胺类化合物，将C=C引入至干酪素，并在催化剂的作用下发生了自由基的聚合，生成了聚合能更高的C−C，故改性干酪素的耐热性强于干酪素，该结果证明了改性干酪素中引入了C−C，氨基化合物成功接枝在干酪素分子上。
2.1.5 水接触角、水蒸气透过率和耐水性
改性后干酪素树脂的水接触角明显降低，其接触角小于干酪素树脂（图4a，b）。这可能是由于改性后引入了大量的酰胺键和羟基，使干酪素树脂结构的亲水性增强。改性干酪素树脂的水蒸气透过率是干酪素树脂的一半（图4c），这表明改性后干酪素的透水透气性明显减弱。树脂的水蒸气透过率由树脂的交联度和亲水性决定，且改性干酪素树脂的亲水性强于干酪素树脂，所以改性干酪素树脂的交联度较高，这也证明了改性使干酪素形成了较紧密的结构。干酪素和改性干酪素树脂的残留率分别为50.0%、80.5%（图4d）。相较于干酪素树脂，改性干酪素树脂的残留率显著提高，其原因可能是改性引入了大量的共价键，减少了次级键，使干酪素的内部结构更加紧密。改性干酪素树脂的残留率显著提高，干酪素树脂的耐水性随之显著提升。
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图 4 干酪素和改性干酪素的水接触角、水蒸气透过率和耐水性Figure 4. Water-contact angle, water vapor transmission rate and water-resistance of casein and modified casein2.2 干酪素水性油墨
通常未添加连接料的水性油墨pH值在8.0 ~ 9.5，在此区间油墨具有较好的流动性，当水性油墨pH值过高或过低都会出现印刷事故，例如：碱性太强，油墨的黏度会降低，干燥速度变慢，耐水性能变差等。目前市场上的干酪素油墨的pH值范围有7.0 ~ 9.0、7.0 ~ 8.0、8.0 ~ 9.0和8.5 ~ 9.5。为控制研究条件，本研究中油墨的pH均为8.5，固含均为15%。
干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨和市购干酪素水性油墨的Zeta电位分别为−26.0、−31.0和−30.0 mV（表2）。根据Zeta电位结果，干酪素能增强颜料的稳定性，改性干酪素水性油墨的稳定性更好，略高于市购干酪素水性油墨。同时，干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨和市购干酪素水性油墨的平均粒径分别为97.2、119.6和95.2 nm（表2）。干酪素水性油墨的粒径是颜料粒径的近一倍，但低于改性干酪素水性油墨，接近于市购干酪素水性油墨。
表 2 不同类型干酪素水性油墨的基础性能Table 2. Basic properties of different types of casein water-based ink类型 Type 固含
Solid content/%pH Zeta电位
Zeta potential/mV平均粒径
Average particle size/nm黏度Viscosity/
（mPa·s）干酪素水性油墨
Casein water-based ink15 8.5 −26.0 97.2 520 改性干酪素水性油墨
Modified casein water-based ink15 8.5 −31.0 119.6 100 市购干酪素水性油墨
Commercial casein water-based ink15 8.5 −30.0 95.2 253 2.3 印刷装饰纸
上述结果显示制备的改性干酪素水性油墨符合市场印刷工艺和油墨基础性能需求。为进一步探求印刷装饰纸墨层结构特点，本研究通过观测印刷装饰纸的微观形貌特点和测定印刷装饰纸的耐热性、耐水性、浸胶量，分析印刷装饰纸的微观形貌与浸胶量之间的关系。
2.3.1 微观形貌
SEM图像（图5）显示：3种印刷装饰纸的平面呈现出明显的孔隙，且孔隙均大于500 nm。根据印刷装饰纸的宏观的EDS能谱图结果，干酪素水性油墨装饰纸和改性干酪素水性油墨装饰纸表面均出现了微量的P元素，说明两种干酪素在水性油墨和装饰表面的分布都较为均匀。
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图 5 印刷装饰纸的样品图、SEM和EDS图Figure 5. Sample pictures, SEM and EDS images of printing decoration paper2.3.2 耐水性、耐热性和浸胶量
图6中所有印刷装饰纸的上墨量为（6.0 ± 1.0）g/m2。改性后的干酪素水性油墨浸水后墨层的残留率为100%（图6a），而市购干酪素水性油墨装饰纸和干酪素水性油墨装饰纸均发生颜料的溶解脱落，表明改性干酪素增加了颜料间以及颜料与纸张间的附着力。因为干酪素在加热过程中存在美拉德反应，所以随着温度的升高，市购干酪素水性油墨装饰纸的色差值逐渐增大：当温度达到170 ℃时，ΔE > 5（图6b），装饰纸表面已发生明显的颜色变化。而改性后的干酪素水性油墨装饰纸随温度的变化，其色差值基本上没有发生变化，当温度达到210 ℃时，ΔE < 1。这可能是改性后的干酪素中多糖已与干酪素发生相互作用，因此装饰胶膜纸压贴时，装饰纸水性油墨墨层的颜色不会发生太大变化。当温度达到210 ℃时，干酪素水性油墨的ΔE < 3（图6b）。相较于市购干酪素水性油墨装饰纸，改性干酪素水性油墨装饰纸的耐热性有较大的提高。
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图 6 不同干酪素油墨制备的印刷装饰纸耐水性、耐热性和浸胶量Figure 6. Water-resistance, heat-resistance, and impregnation amount of printing decoration papers prepared by different casein ink原纸1、2分别为70、80 g/m2的白色装饰原纸，前者有较高的孔隙性，密度较低，而后者较为致密。在原纸1上，三者浸胶量相差较小，但改性后的干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量仍大于干酪素水性油墨装饰纸或市购干酪素水性油墨装饰纸；在原纸2上，改性后的干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量明显大于干酪素水性油墨装饰纸或市购干酪素水性油墨装饰纸（图6c）。因为改性干酪素水性油墨装饰纸墨层表面增加了亲水性基团，所以其亲水性提高，进而浸胶量提高。但改性剂的加入使干酪素树脂耐水性的增加，同时其孔隙率明显下降，所以改性干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量与市购干酪素、干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量相差不大。原纸1中三者浸胶率差别较小，可能是由于原纸1具有较大的孔隙。
市购干酪素水性油墨的耐水性较差，在水中其结构出现明显膨胀，且颜色发生明显改变（图6d）。改性后的干酪素水性油墨在泡水后结构未发生明显改变，且颜色改变不大。因此，改性后的干酪素油墨的耐水性有明显提升，颜色稳定性更好，更适用于装饰纸印刷。
2.4 CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素机制
通过CPL、NMA和DAAM联合对干酪素进行改性。首先，CPL与干酪素中的羟基、羧基发生反应，增加了聚合物的内聚力，并增强了干酪素的耐水性，提供了更多的接枝位点。然后，丙烯基与干酪素上的羟基、羧基等活性基团发生自由基反应，增强结构内稳定性，为干酪素水性油墨墨层的耐水性提供了结构基础，同时引入极强亲水性的酰胺基，增强了干酪素树脂的亲水性，为干酪素水性油墨墨层的浸胶量提高提供了有利条件（图7）。干酪素中存在多糖，所以在压贴过程中会出现较大色差。改性过程通过热处理产生美拉德反应，避免了在后续工艺中产生色差，增强了干酪素水性油墨的耐热性。
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图 7 CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素反应示意图Figure 7. Diagrams of modified casein reaction by CPL, NMA and DAAM combination3. 结 论
为解决干酪素耐水性不佳且吸水膨胀的问题，制备了一种化学改性干酪素，并探究相应的墨层透气性能及装饰纸浸胶量的变化。
（1）采用己内酰胺（CPL）、N-羟甲基丙烯酰胺（NMA）和双丙酮丙烯酰胺（DAAM）对干酪素进行改性，制备了耐水性能较好，且适用于装饰纸印刷的干酪素水性油墨。
（2）相比于未改性的，改性干酪素水性油墨Zeta电位为−31.0 mV，稳定性有明显提升；改性后的装饰纸在浸水40 min后墨层残留率增加了156%，耐水性明显提升，且没有墨层的损失；在210 ℃下，改性后的干酪素水性油墨ΔE < 1，颜色未发生变化，而市购干酪素的ΔE > 25，因此其耐热性明显提高。
（3）相较于市购的，改性后的装饰纸墨层在浸水40 min后墨层残留率提升了139%，且反映耐热性的色差值仅为市购的35%，因此其耐水性和耐热性明显提升；改性后的印刷装饰纸浸胶量增加了129%，适用于印刷装饰纸的生产。
本研究通过化学改性提升了干酪素水性油墨印刷装饰纸的耐水性和耐热性，基本解决了干酪素水性油墨耐水性较差的问题。下一步将着重分析改性剂与干酪素水性油墨之间的结合机理，为提高印刷装饰纸的性能提供理论依据。
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图 1 冠层结构和光因子数据采集
O. 林隙中心；a. 中心与冠缘连线中点；b. 林冠边缘；c. 林冠下。O represents gap center; a represents midpoint from the gap center to the canopy edge; b represents canopy edge; c represents under the canopy.
Figure 1. Data collection of canopy structure and light factors
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图 3 冠层因子样本率堆积图
CO（Ⅰ [8%, 12%）、Ⅱ [12%, 16%）、Ⅲ [16%, 20%）、Ⅳ [20%, 24%）、Ⅴ [24%, 28%）、Ⅵ [28%, 32%）、Ⅶ [32%, 36%））；LAI（Ⅰ [1, 1.5）、Ⅱ [1.5, 2）、Ⅲ [2, 2.5）、Ⅳ [2.5, 3）、Ⅴ [3, 3.5）、Ⅵ [3.5, 4）、Ⅶ [4, 4.5））；Tot（Ⅰ [6%, 11%）、Ⅱ [11%, 16%）、Ⅲ [16%, 21%）、Ⅳ [21%, 26%）、Ⅴ [26%, 31%）、Ⅵ [31%, 36%）、Ⅶ [36%, 41%））；TDR（Ⅰ [0, 8%）、Ⅱ [8%, 16%）、Ⅲ [16%, 24%）、Ⅳ [24%, 32%）、Ⅴ [32%, 40%）、Ⅵ [40%, 48%）、Ⅶ [48%, 56%））；TDF（Ⅰ [9%, 15%）、Ⅱ [15%, 21%）、Ⅲ [21%, 27%）、Ⅳ [27%, 33%）、Ⅴ [33%, 39%）、Ⅵ [39%, 45%）、Ⅶ [45%, 51%））
Figure 3. Sample rate accumulation diagram of canopy factors
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图 4 冠层开度和总辐射对幼苗幼树株数的影响
Figure 4. Effects of CO and Tot on number of seedlings and saplings
表 1 林隙边缘木特征
Table 1 Characteristic of the trees in gap edge
树种 Tree species 数量 Quantity/% 平均胸径 Average DBH/cm 平均高 Average height/m 平均冠幅 Average crown width/m 冷杉 Abies nephrolepis 39.84 23.26 17.39 4.04 云杉 Picea koraiensis 5.42 25.17 16.58 4.59 红松 Pinus koraiensis 23.31 27.06 18.64 4.65 色木槭 Acer mono 7.32 18.97 17.29 3.84 白桦 Betula platyphylla 2.98 31.97 20.84 4.91 枫桦 Betula costata 0.27 5.40 7.80 2.18 紫椴 Tilia amurensis 20.86 13.70 12.60 3.47 
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表 2 林隙内主要幼苗幼树特征
Table 2 Characteristic of main seedlings and saplings in gaps
树种 Tree species 数量 Quantity/% 平均地径 Average ground diameter/mm 平均高 Average height /m 平均冠幅 Average crown width/m 冷杉 Abies nephrolepis 68.23 19.63 1.16 0.80 云杉 Picea koraiensis 9.40 17.59 1.26 0.36 红松 Pinus koraiensis 2.66 14.88 1.19 0.81 色木槭 Acer mono 19.71 8.35 0.64 0.58
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表 3 冠层因子基本信息
Table 3 Basic information of canopy factors
冠层因子
Canopy factor最小值
Min. value最大值
Max. value平均值
Mean平均偏差
Average deviation标准偏差
Standard deviationCO/% 8.61 35.01 17.26 0.038 0 0.047 3 LAI 1.30 4.15 2.37 0.400 8 0.499 4 Tot/% 6.41 40.61 16.52 0.047 7 0.060 2 TDR/% 0.24 51.15 11.73 0.073 1 0.094 3 TDF/% 9.30 48.52 21.30 0.059 9 0.074 3 注：CO.冠层开度；LAI.叶面积指数；Tot.总辐射；TDR.直接辐射；TDF.散射辐射。下同。Notes: CO represents canopy openness; LAI represents leaf area index; Tot represents trans total radiation; TDR represents trans direct radiation; TDF represents trans diffuse radiation. The same below.
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表 4 不同大小林隙内冠层因子变化
Table 4 Change of canopy factors in different size gaps
林隙面积 Gap size/m2 CO/% LAI Tot/% TDR/% TDF/% < 30 15.66 ± 0.39A 2.55 ± 0.05A 15.25 ± 0.62A 13.51 ± 1.23AC 17.00 ± 0.53A 30 ~ 60 15.86 ± 0.49AB 2.47 ± 0.06A 14.81 ± 0.59A 9.76 ± 0.84B 19.95 ± 0.71B 60 ~ 90 16.21 ± 0.70AB 2.45 ± 0.07AB 14.86 ± 0.77A 8.92 ± 1.29B 20.70 ± 1.04B 90 ~ 120 18.17 ± 0.73B 2.21 ± 0.06BC 18.35 ± 1.09B 10.65 ± 1.57ABC 24.13 ± 1.08C 120 ~ 150 21.60 ± 1.07C 1.92 ± 0.06CD 20.25 ± 1.03BC 12.58 ± 1.80ABC 29.86 ± 1.66D ≥ 150 22.71 ± 1.03C 1.90 ± 0.08D 22.76 ± 1.44C 15.05 ± 2.39C 30.47 ± 1.45D 注：表中数值表示平均值 ± 标准误差；不同大写字母表示不同林隙面积等级之间差异显著(P < 0.05)。Notes: values are presented as the mean ± standard error. Different uppercase letters indicate significant differences among gap size classes (P < 0.05).
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表 5 光因子与冷杉和色木槭地径、树高及冠幅的相关性
Table 5 Correlations between light factors and ground diameter (DGH), tree height and crown width (CW) of Abies nephrolepis and Acer mono
林隙面积
Area of gap/m2光因子
Light factor/%冷杉地径
DGH of Abies nephrolepis冷杉树高
Tree height of Abies nephrolepis冷杉冠幅
CW of Abies nephrolepis色木槭地径
DGH of Acer mono色木槭树高
Tree height of Acer mono色木槭冠幅
CW of Acer mono< 30 TDR 0.231** 0.241** 0.135** 0.280** 0.425** 0.116 TDF 0.112* 0.141** 0.049 −0.177* −0.042 0.114 Tot 0.205** 0.234** 0.107* 0.040 0.204* 0.138 30 ~ 60 TDR −0.093* −0.106* −0.082 −0.005 −0.044 0.003 TDF 0.039 0.116* 0.110* −0.132* −0.116 −0.102 Tot 0.131 0.112 0.222 −0.091 −0.112 −0.081 60 ~ 90 TDR 0.249** 0.332** 0.178** 0.411** −0.037 −0.069 TDF −0.074 −0.027 −0.095* −0.240** 0.086 0.049 Tot 0.086* 0.184** 0.022 −0.131 0.099 0.058 90 ~ 120 TDR −0.111* −0.154** −0.098* −0.242* −0.145 −0.084 TDF 0.277** 0.299** 0.240** −0.152 −0.187 −0.272* Tot 0.021 0.076 0.043 −0.396** −0.301** −0.282* 120 ~ 150 TDR −0.088 −0.152** −0.082 −0.346** −0.482** −0.455** TDF −0.274** −0.380** −0.357** −0.317** −0.435** −0.407** Tot −0.180** −0.270** −0.213** −0.345** −0.478** −0.450** ≥ 150 TDR −0.302** −0.348** −0.236** −0.026 −0.227** −0.075 TDF −0.043 −0.088** −0.053 0.001 −0.068 0.010 Tot −0.308** −0.379** −0.252** −0.019 −0.230** −0.048 注：*代表在0.05水平下的差异显著，**代表在0.01水平下的差异显著。Notes: * represents significant difference at the 0.05 level, ** represents significant difference at the 0.01 level.
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表 6 光因子与云杉和红松地径、树高及冠幅的相关性
Table 6 Correlations between light factors and DGH, tree height and CW of Picea koraiensis and Pinus koraiensis
林隙面积
Area of gap/m2光因子
Light factor/%云杉地径
DGH of Picea koraiensis云杉树高
Tree height of Picea koraiensis云杉冠幅
CW of Picea koraiensis红松地径
DGH of Pinus koraiensis红松树高
Tree height of Pinus koraiensis红松冠幅
CW of Pinus koraiensis< 30 TDR 0.382** 0.307* 0.068 −0.015 −0.080 0.047 TDF −0.079 −0.092 0.123 −0.248 −0.018 −0.157 Tot 0.164 0.115 0.129 −0.269 −0.038 −0.156 30 ~ 60 TDR −0.217 −0.279* −0.166 −0.359 −0.239 −0.406* TDF −0.183 −0.135 −0.054 0.260 0.158 0.146 Tot −0.222 −0.239* −0.124 0.005 −0.005 −0.131 60 ~ 90 TDR 0.086 0.268** 0.016 0.585** 0.587** 0.296 TDF −0.161 −0.006 −0.159 −0.115 0.007 0.063 Tot −0.115 0.151 −0.159 0.195 0.301 0.217 90 ~ 120 TDR −0.219 −0.248* −0.145 0.107 −0.128 −0.063 TDF 0.229* 0.232* 0.124 −0.034 0.066 0.001 Tot −0.132 −0.164 −0.102 0.113 −0.117 −0.081 120 ~ 150 TDR 0.094 −0.142 0.131 −0.281 −0.280 0.051 TDF −0.29 −0.526** −0.338 −0.449 −0.387 −0.052 Tot −0.044 −0.298 −0.036 −0.359 −0.333 0.010 ≥ 150 TDR −0.273** −0.325** −0.211* −0.554** −0.532** −0.458** TDF −0.155 −0.227* −0.255** 0.678** 0.646** 0.577** Tot −0.325** −0.416** −0.341** 0.239 0.224 0.217
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