竹環(huán)中維管束分布密度和纖維鞘組織比量縱向變異研究

黎 靜 黃漢霄 石俊利 何 瑩 王漢坤

(1 國際竹藤中心 北京 100102；2 國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室 北京 100102)

竹子屬禾本科、竹亞科常綠植物，生長迅速，材質(zhì)優(yōu)異，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益，是21 世紀(jì)最具開發(fā)潛力的生物質(zhì)資源[1]。竹材是一種天然功能梯度材料，是由維管束(纖維鞘)以一定規(guī)律分布于薄壁基本組織中構(gòu)成的天然纖維增強復(fù)合材料。其中，維管束(纖維鞘)在力學(xué)性能上起關(guān)鍵作用，可視為增強相；基本組織可以作為復(fù)合基質(zhì)傳輸載荷，可視為基體相[2－6]。維管束(纖維鞘)是竹子中的力學(xué)承載部分。冼杏娟等[7]、黃盛霞等[8]、Ghavami 等[9]、Amada 等[10]、劉煥榮[11]、安曉靜[12]等研究表明，竹材高強度、高韌性、高彎曲性的力學(xué)性能主要與纖維鞘(纖維)的組織比量密切相關(guān)，而纖維鞘的組織比量，則是由纖維鞘的數(shù)量、尺寸和在竹材中的分布等因素綜合決定的。

基于塊狀或條狀的竹材樣品進(jìn)行維管束數(shù)量、尺寸及分布的研究[12－14]已有報道，多采用人工計數(shù)法[14]進(jìn)行定量或定性的描述?？傮w來說，維管束的數(shù)量、形狀和尺寸在軸向和徑向上存在明顯的變化。在竹材軸向上，隨著竹稈高度的增加，維管束的數(shù)量從竹材基部到梢部逐漸減少，與壁厚的減小存在一定的相關(guān)性，維管束的分布密度隨著竹稈高度的增加而增加；在竹材徑向上，靠近竹青的維管束面積小，數(shù)量多，越靠近竹黃，維管束面積越大，分布越稀疏[13]。但目前尚未有對整個竹環(huán)中維管束的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。其研究方法主要有以下幾類：1)將顯微鏡所得圖片進(jìn)行拼接，在竹材徑向上觀察維管束的大小變化和排列分布特征，使用普通光學(xué)顯微鏡對面積進(jìn)行粗略的測量[15]；2)利用偏光顯微鏡結(jié)合數(shù)碼相機技術(shù)[16]，可以較為準(zhǔn)確地測量維管束的面積；3)采用激光共聚焦顯微(LCSM)技術(shù)[5，17]結(jié)合手工剝?nèi)胃S管束可以獲得準(zhǔn)確的維管束面積數(shù)據(jù)；4)采用表面拋光結(jié)合圖像掃描、圖像處理軟件對維管束的數(shù)量及纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測量，比如Digimizer 圖片編輯處理軟件[18－19]、Image-Pro Plus 圖像處理軟件[14]，該方法較為便捷和常用。

維管束是毛竹中主要營養(yǎng)物質(zhì)和水分的縱向運輸通道，那么在竹稈內(nèi)不同高度的節(jié)間、同一個竹節(jié)間不同部位，維管束是否是上下連通? 維管束的數(shù)量是否一致? 目前尚無文獻(xiàn)報道?；诖?，本文對取自浙江的毛竹1 m 和2 m 處節(jié)間，截取不同部位的竹環(huán)，進(jìn)行維管束數(shù)量統(tǒng)計和面積計算，研究毛竹竹環(huán)中維管束分布密度和纖維鞘組織比量的縱向變異。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

樣品采自浙江，為 4年生毛竹(Phyllostachys pubescens)莖稈。取徑級相近(約10 cm)的毛竹2株，從地面截斷(圖1 A)，取地面以上2 m 長的部分(圖1 B，中間截斷，每段長1 m)作為實驗材料；之后在竹段上部(離地1 m 和2 m)處各取一完整竹節(jié)間(圖1 C)，從竹節(jié)處開始，每隔2 cm 鋸成竹環(huán)(鋸切方式如圖1 D 所示)。

圖1 樣品制備流程

樣品截取時應(yīng)注意：選取結(jié)構(gòu)完整、無加工缺陷、竹青表面無毛刺的樣品，避免因加工而破壞竹環(huán)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致竹青部位的維管束被破壞。記錄每一個竹環(huán)外周長、外徑、竹壁厚度等外形參數(shù)。取每個竹環(huán)的上截面數(shù)據(jù)為本竹環(huán)維管束的特征數(shù)據(jù)。從近下部竹節(jié)第一個竹環(huán)(編號為2)下表面進(jìn)行掃描，記為1，上表面掃描圖記為2，其他竹環(huán)只掃描上表面，往上分別記為3、4……。

將加工好的竹環(huán)放置于恒溫恒濕箱內(nèi)干燥1 個月，相對濕度60%，溫度20 ℃，樣品的最終含水率為9.64±1.09%。用微型砂光機(圖2 A)進(jìn)行表面拋光處理，砂紙300 目，以保證纖維鞘和薄壁細(xì)胞分界處清晰可辨，樣品加工好(圖1 E)后置于體式顯微鏡下檢查，對符合要求的樣品表面進(jìn)行高清掃描，采用的設(shè)備為高清掃描儀(圖2 B)，灰度模式下進(jìn)行掃描，掃描分辨率為9600 dpi，掃描圖片見圖2 C。

圖2 橫切面圖片獲取及處理流程

1.2 實驗方法

維管束中竹環(huán)和纖維鞘的面積采用Image-Pro Plus(IPP)軟件進(jìn)行處理，首先對掃描儀獲得的圖像(圖2 C)進(jìn)行二值化處理(圖2 D)，然后在人工勾畫輪廓后通過IPP 計算[16]。纖維鞘組織比量=纖維鞘總面積/竹環(huán)橫切面面積×100%。維管束的個數(shù)利用圖像處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計。維管束的分布密度=維管束總數(shù)/竹環(huán)橫切面面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 竹環(huán)特征值

表1 為毛竹1 m 和2 m 處節(jié)間竹環(huán)特征值統(tǒng)計?？梢钥闯?，毛竹同一節(jié)間內(nèi)所有竹環(huán)特征值的標(biāo)準(zhǔn)偏差相差不大，表明各竹環(huán)之間相差不大。具有相同胸徑的不同毛竹同一高度處的數(shù)值是有差異的，同一株內(nèi)不同高度之間也存在明顯的差異。從平均值分析，毛竹1 m 處的竹節(jié)間竹環(huán)外周長、竹壁厚度、橫切面面積、維管束總個數(shù)、纖維鞘總面積，均大于2 m 處的竹節(jié)間；同節(jié)間內(nèi)不同部位竹環(huán)的特征值也存在一定差異。

由1.1 中樣品橫切面編號規(guī)則可知，靠下部竹環(huán)的上、下2 個表面均參與統(tǒng)計。因此，竹環(huán)的個數(shù)要比橫切面的數(shù)量少1，編號從2 開始，即：編號為2 的竹環(huán)對應(yīng)1#和2#兩個橫切面，編號為3 的竹環(huán)對應(yīng) 3#橫切面，以此類推。圖 3 中的 A、B 為同一竹節(jié)間內(nèi)竹環(huán)外周長隨節(jié)內(nèi)位置的變化，不同株、不同高度的竹節(jié)間均表現(xiàn)為中間略細(xì)，兩端靠近竹節(jié)部位略寬；靠近下部竹節(jié)的節(jié)間部位竹環(huán)外周長最大。圖3 中的C、D 為同一竹節(jié)間內(nèi)竹壁厚度隨節(jié)內(nèi)位置的變化，其變化規(guī)律與竹環(huán)外周長相近，竹節(jié)間中間部位竹壁厚度略小，兩端靠近竹節(jié)部位略厚。竹環(huán)橫切面面積統(tǒng)計圖見圖3E 和F。竹環(huán)橫截面的面積從近下竹節(jié)部位開始減少，但在接近上竹節(jié)的部位略有增加，呈現(xiàn)出節(jié)間兩端大中間小的模式，但節(jié)間內(nèi)具有一定的尖削度(上端小于下端)，竹環(huán)的橫切面面積是由竹環(huán)外周長和竹壁厚度決定的，故變化規(guī)律一致。

實驗選取了一個具有傾斜竹節(jié)的部位進(jìn)行掃描(圖3 H)，此種模式的樣品可以在一個橫切面上觀察到距離竹節(jié)不同距離部位的竹壁厚度和維管束的分布。由圖可知，竹節(jié)的下部(圖3 I)和上部(圖3 G)，在靠近竹節(jié)的部位(圖3 G、3 I 中箭頭所指部位)，竹壁厚度變大，且增厚在很短的距離內(nèi)完成。從竹材的整株結(jié)構(gòu)來看，竹節(jié)兩端節(jié)間部位的竹壁增厚、竹環(huán)直徑(外周長)的增大應(yīng)是起增強竹稈機械支撐作用的主要原因，以抵抗風(fēng)、雨、雪等對竹子的壓力。從圖3 G—I 中不僅可以看到竹壁厚度的增加，還可以明顯看到靠近竹節(jié)間部位竹環(huán)中的維管束數(shù)量有明顯的增加(圖3 G 中箭頭所指部位，靠竹青處顏色明顯加深)。

圖4 為毛竹1 m 和2 m 處竹節(jié)間內(nèi)維管束數(shù)量隨竹環(huán)位置變化的情況。除編號為1 的第1 個竹環(huán)(靠近竹節(jié))的2 個表面中維管束的數(shù)量偏多外，從第2 個竹環(huán)開始，隨著竹環(huán)從下部到上部位置的變化，維管束的數(shù)量變化不大。除第1 個竹環(huán)外，剩余竹環(huán)中維管束的數(shù)量平均值，第1 株1 m 和2 m處分別為7 608 個、6 490 個，與第 1 竹環(huán)的差值分別為 162、123；第 2 株 1 m 和 2 m 處分別為 6 969個、6 450 個，與第 1 竹環(huán)的差值分別為 148、136。因此可推測，靠近下部竹節(jié)的維管束數(shù)量與其他部位的差值與竹環(huán)處于竹稈中的位置有關(guān)，越靠近竹稈下部的竹節(jié)間內(nèi)，差值數(shù)據(jù)越大。

圖4 竹環(huán)中維管束總數(shù)的變化

圖5 為毛竹1 m 和2 m 處竹節(jié)間內(nèi)纖維鞘總面積隨竹環(huán)位置變化的情況，可以看出，纖維鞘總面積在隨竹環(huán)位置的變化規(guī)律與竹環(huán)面積的變化趨勢相近，但纖維鞘總面積的變化波動幅度較大，除了與竹子本身的差異有關(guān)外，也與纖維鞘面積測量時的系統(tǒng)誤差較大有關(guān)(纖維鞘測量與精度、閾值等都有關(guān)系，影響因素較多)。

圖5 橫切面中纖維鞘總面積

2.2 維管束的分布密度和纖維鞘組織比量

對竹環(huán)中維管束的分布密度和纖維鞘組織比量進(jìn)行計算可知，第 1 株 1 m、2 m 處和第 2 株 1 m、2 m處維管束分布密度分別為2.96 個/mm2、3.08 個/mm2和 3.08 個/mm2、3.24 個/mm2，纖維鞘組織比量分別為 23.87%、24.76%和24.12%和 25.49%。單位面積內(nèi)維管束的個數(shù)(分布密度)和纖維鞘的面積(纖維鞘的組織比量)1 m 處要小于2 m 處，說明在同一竹株內(nèi)，竹環(huán)中維管束的分布密度和纖維鞘的組織比量隨竹節(jié)間在竹稈內(nèi)所處位置的升高而增大。

圖6 為同一竹節(jié)間內(nèi)維管束的分布密度和纖維鞘的組織比量隨著竹環(huán)位置不同而產(chǎn)生的差異。除最后一個橫切面(靠近上部竹節(jié)的部位)的數(shù)據(jù)有突然下降外(面積有增大，見圖5 A)，維管束的分布密度和纖維鞘組織比量隨高度的增加略有增加。這與竹環(huán)橫截面面積的減小有關(guān)，這一規(guī)律也與竹節(jié)間的特征數(shù)據(jù)隨高度增加而增加的規(guī)律一致。

圖6 竹環(huán)纖維鞘組織比量變化

3 結(jié)論

以毛竹為研究對象，通過微細(xì)砂紙拋光結(jié)合高清掃描的方式獲得竹環(huán)橫切面，采用圖像處理軟件采集竹環(huán)橫切面內(nèi)橫切面面積、維管束數(shù)量、纖維鞘總面積，研究毛竹竹環(huán)中維管束分布密度和纖維鞘組織比量的縱向變異。主要結(jié)論如下：

1)提出了微細(xì)砂紙拋光結(jié)合高清掃描儀掃描的方式，快速獲得穩(wěn)定且分辨率較高的竹環(huán)掃描圖片。此法可以一次性獲得整個竹環(huán)的完整結(jié)構(gòu)信息，細(xì)砂紙打磨還填充了維管束中的孔隙，避免了對纖維鞘面積自動計算的干擾。

2)毛竹竹環(huán)中維管束分布密度和纖維鞘組織比量隨高度的增加而增加。毛竹1 m 處的節(jié)間內(nèi)竹環(huán)中維管束的分布密度和纖維鞘的組織比量要小于2 m 處的；在同一節(jié)間內(nèi)，維管束的分布密度、纖維鞘的組織比量也隨竹環(huán)的位置升高而略有增加；竹節(jié)間靠近下部竹節(jié)部位竹環(huán)外觀尺寸和維管束數(shù)量有明顯的增多。