廣西4種叢生竹材解剖特征的對比研究

向娥琳　劉杏娥　田根林　馬建鋒　楊淑敏　王燕高

摘?要：采用生物解剖學(xué)方法，對廣西4種叢生竹（撐篙竹、粉單竹、吊絲竹、青皮竹）的主要解剖特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期為優(yōu)質(zhì)制漿造紙竹材的合理篩選提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，4種叢生竹的維管束形態(tài)均屬于斷腰型，平均纖維組織比量、纖維長度、長寬比和壁腔比分別介于40.2%～46.8%、1.75～3.54 mm、117～229、2.50～5.90之間。在竹壁徑向上，維管束密度由竹黃向竹青逐漸增大，而雙壁厚呈減小的趨勢，竹壁徑中部的纖維長度、寬度和腔徑均為最大。綜合來看，4種叢生竹適宜作為制漿造紙原料。其中，撐篙竹的纖維性能與毛竹相近，粉單竹、青皮竹和吊絲竹的纖維性能更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：叢生竹;解剖特性;維管束;纖維形態(tài)

中圖分類號：TS721+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

叢生竹作為我國竹林資源的重要組成部分，主要分布在東南和西南各省的熱帶、亞熱帶地區(qū)。叢生竹具有生長周期短、纖維素含量高、制漿得率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，是較理想的制漿造紙原料。另外，鑒于其優(yōu)良的纖維特性，從生竹還是紡織品、竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和竹塑復(fù)合材料等纖維制品的主要原料。近年來，叢生竹資源的多元化利用，緩解了單一依賴毛竹資源的供應(yīng)壓力。然而，目前對叢生竹種研究較多局限于徑級較大且產(chǎn)量高的麻竹、慈竹、硬頭黃竹等[3-5]。中小徑級叢生竹因?yàn)楫a(chǎn)率低等因素的制約，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用并未受到青睞，因此加強(qiáng)對中小徑級叢生竹基礎(chǔ)特性的研究十分必要。

本課題所用粉單竹（Bambusa chungii）、吊絲竹（Dendrocalamus minor）、青皮竹（Bambusa textilis）和撐篙竹（Bambusa pervariabilis）主要分布于廣西、廣東、福建等地。本實(shí)驗(yàn)用叢生竹種采集于廣西，廣西現(xiàn)有叢生竹林面積為19.21 hm2，占總竹林面積的56.4%，主要分布在河岸、低丘和村旁[6]。本課題所選4種竹材均為生長快、產(chǎn)材量高、經(jīng)濟(jì)效益明顯、竹林面積較大的代表性中小徑級叢生竹種。目前這4個竹種一般用于觀賞、食品以及制漿造紙，另外，其因篾性強(qiáng)韌而常被用于編織等傳統(tǒng)行業(yè)，并未實(shí)現(xiàn)高值化利用。已有少量研究表明以上竹材具有較優(yōu)質(zhì)的纖維性能，可作為制漿造紙原料，但是系統(tǒng)的解剖特性研究還較少[7-8]。為此，筆者對以上4種叢生竹的解剖特性及徑向變異規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)對比分析，旨在為合理開發(fā)利用叢生竹資源和新型竹纖維原料提供理論依據(jù)，這對實(shí)現(xiàn)叢生竹資源的多元化利用和可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義。

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?實(shí)驗(yàn)材料

4種叢生竹采集于廣西林業(yè)科學(xué)研究院的竹種園，各試樣基本情況見表1。所有試樣均選擇生長狀態(tài)良好的3年生竹株，在竹稈第6節(jié)節(jié)間中部取1 cm厚的圓環(huán)（見圖1（a）），迅速從圓環(huán)上切取規(guī)格為6 mm（弦向）×T mm（壁厚）×10 mm（軸向）的若干竹塊（見圖1（b）），蒸餾水沖洗，投入FAA（5%冰醋酸、5%甲醛、90%乙醇）固定液中固定，并做好標(biāo)記。剩余竹環(huán)用保鮮膜包覆帶回實(shí)驗(yàn)室，冰凍保存?zhèn)溆?。將FAA固定后的材料去除兩側(cè)的竹壁，沿竹壁徑向均勻分為竹黃（內(nèi)）、竹肉（中）、竹青（外）3個分區(qū)，制備2種不同規(guī)格的竹塊（B1、B2）備用（見圖1（c））。

1.2??實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1?光學(xué)顯微鏡觀察

纖維離析：將B1試樣劈成規(guī)格為2 mm（弦向）×2 mm（壁厚）×10 mm（軸向）的若干小竹棍，置于過氧化氫和30%冰醋酸混合液中離析至纖維發(fā)白，經(jīng)蒸餾水沖洗、機(jī)械打散后，制作臨時切片并立即置于光學(xué)顯微鏡下，放大10倍，測量4種從生竹纖維長度、寬度，纖維長度頻率分布用頻數(shù)表示。每個分區(qū)重復(fù)測量30次;借助方格法，分別統(tǒng)計纖維組織、基本（薄壁）組織和輸導(dǎo)組織的方格數(shù)，并計算組織比量。

常規(guī)切片：B2試樣經(jīng)水煮軟化后，采用滑走切片機(jī)切取15 μm厚的橫切片，梯度酒精脫水，番紅染色，二甲苯做透明處理，加拿大樹脂膠封片。將切片置于光學(xué)顯微鏡下，放大40倍，測量4種叢生竹纖維壁厚、腔徑;放大5倍，測量維管束密度、尺寸，每個指標(biāo)重復(fù)測量30次。

1.2.2?掃描電鏡分析

采用滑走切片機(jī)對B2剩余試樣橫截面表面進(jìn)行拋光處理，截成3 mm（弦向）×T mm（壁厚）×3 mm（軸向）的小竹塊，凍干脫水后噴金，利用場發(fā)射掃描電鏡觀察維管束形態(tài)并拍照。

采用SPSS 19.0和Origin 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2?結(jié)果與討論

2.1??4種叢生竹的組織比量

竹材組織比量是指纖維組織、基本組織和輸導(dǎo)組織占整個組織的比例。

竹材組織比量不僅與竹材密度、物理力學(xué)性能有關(guān)，還影響制漿得率和成紙質(zhì)量。4種叢生竹各組織比量的統(tǒng)計結(jié)果見圖2。由圖2可知，4種從生竹的組織比量種間差異較大。纖維組織比量最高的是青皮竹（46.8%），其后依次是吊絲竹（44.0%）、粉單竹（40.2%），最低的是撐篙竹（40.2%）。粉單竹、吊絲竹、青皮竹和撐篙竹的基本組織比量均值分別為46.0%、43.0%、34.2%和42.8%。4種叢生竹材的輸導(dǎo)組織比量較高，粉單竹和吊絲竹輸導(dǎo)組織比量比較接近，在13%左右;而青皮竹和撐篙竹的輸導(dǎo)組織比量較粉單竹和吊絲竹高5個百分點(diǎn)。與散生竹相比，4種叢生竹的纖維組織比量高，輸導(dǎo)組織發(fā)達(dá)。在制漿造紙過程中，基本組織和輸導(dǎo)組織很難跟纖維組織完全分離，基本組織過多，紙張的漂白和濾水性較差[9]。單從組織比量來看，青皮竹和吊絲竹作為制漿造紙原料，其性能明顯優(yōu)于粉單竹和撐篙竹。

與前人研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，對于纖維組織比量，撐篙竹較前人研究的結(jié)果偏低，粉單竹和青皮竹較前人研究的結(jié)果偏高;4種叢生竹的平均輸導(dǎo)組織比量均大于前人的統(tǒng)計結(jié)果[10-11]。上述統(tǒng)計結(jié)果的差異，一方面可能受試樣生長的立地條件的影響，如土壤肥力、酸堿度、土壤厚度等因素;另一方面還受試樣生長的氣候條件的影響，不同地區(qū)氣候條件的差異會影響竹材的生長過程，從而導(dǎo)致竹材解剖特性存在差異。

2.2??4種叢生竹的維管束分布

4種叢生竹的維管束形態(tài)如圖3所示。

由圖3可知，4種叢生竹的典型維管束形態(tài)均屬于斷腰型，由一個中心維管束和一個內(nèi)方纖維股組成，這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[10]。4種叢生竹的維管束形態(tài)徑向變異十分明顯，靠近竹壁外側(cè)的維管束尺寸小而分布密集，分化不完全，內(nèi)方纖維鞘極為發(fā)達(dá)且與側(cè)方纖維鞘相連;靠近竹壁內(nèi)側(cè)的維管束尺寸大而分布稀疏，向內(nèi)逐漸分化出側(cè)方纖維鞘，內(nèi)方纖維鞘明顯小于外方纖維鞘和側(cè)方纖維鞘。由表2可知，竹壁橫切面上，青皮竹的維管束分布最密集，平均密度為401個/cm2，撐篙竹維管束分布最為分散，平均密度僅為255個/cm2，粉單竹和吊絲竹的維管束分布較為均勻。維管束密度在竹壁徑向的變化規(guī)律與前人的研究結(jié)果基本一致，表現(xiàn)為由竹黃向竹青逐漸增加[12]。

維管束徑向?qū)挾鹊姆N間差異較弦向?qū)挾鹊姆N間差異明顯，平均徑向?qū)挾纫該胃葜褡畲螅?89 μm），吊絲竹最?。?23 μm）;平均弦向?qū)挾纫缘踅z竹最大（578 μm），青皮竹最?。?23 μm）;在竹壁徑向上，維管束徑向?qū)挾群拖蚁驅(qū)挾茸兓黠@。4種叢生竹維管束徑向?qū)挾仍谥癖谥胁浚ㄖ袢猓┻_(dá)到最大，這與魏學(xué)智的研究結(jié)果一致[10]。弦向?qū)挾葟闹顸S向竹青呈明顯降低的趨勢。

2.3?4種叢生竹纖維形態(tài)及其徑向變異規(guī)律

除纖維組織比量外，纖維形態(tài)特征也是判斷植物纖維原料質(zhì)量及性能優(yōu)劣的重要依據(jù)，纖維長度、長寬比、壁腔比、纖維長度分布頻率這4項(xiàng)指標(biāo)與制漿造紙原料的性能密切相關(guān)。4種叢生竹徑向部位的纖維形態(tài)特征見表3。

2.3.1??纖維長度、寬度及長寬比

纖維長度與紙張的抗張強(qiáng)度、耐折度、耐破度以及撕裂度直接相關(guān)[2，12-13]。4種叢生竹的纖維平均長度在1.75～3.54 mm之間，撐篙竹的平均纖維長度最短，吊絲竹和青皮竹其次，分別為2.89 mm和2.88 mm，粉單竹的平均纖維長度最長，為3.54 mm，接近針葉材纖維長度（3.0～4.0 mm）。由表3可知，4種叢生竹中，粉單竹纖維作為制漿造紙原料，具有更好的纖維交織力和成紙強(qiáng)度;撐篙竹纖維更適合以填料的形式與其他纖維原料配合使用。纖維長度因竹壁徑向部位的不同而有明顯的變化，竹肉纖維較竹青和竹黃纖維長，這與大部分叢生竹的研究結(jié)果相似[12-16]。

纖維寬度也會影響成紙性能，表現(xiàn)為纖維寬度大則纖維強(qiáng)度大，但纖維結(jié)合力較差[17]。由表3可知，不同竹種的平均纖維寬度差異不大，最大值與最小值相差僅1.19 μm。4種叢生竹纖維平均寬度結(jié)果表明：粉單竹（15.5 μm）最粗，其次是青皮竹（15.4 μm）和撐篙竹（15.0 μm），吊絲竹（14.2 μm）最窄。在竹壁徑向上，4種叢生竹纖維寬度均表現(xiàn)為竹肉大于竹青和竹黃。

纖維長寬比是決定成紙質(zhì)量的重要因素，通常細(xì)而長的纖維具有更多的纖維交織次數(shù)，成紙強(qiáng)度和撕裂度好，適宜用作制漿造紙原料[13]。4種叢生竹平均纖維長寬比在117～229之間，粉單竹和吊絲竹的平均纖維長寬比較大，青皮竹次之，撐篙竹最小，僅為117。纖維長寬比因竹壁部位的不同存在顯著的差異，青皮竹表現(xiàn)為竹黃纖維長寬比最大;粉單竹和吊絲竹的纖維長寬比變化規(guī)律相似，都是竹青大于竹黃和竹肉;撐篙竹竹肉纖維長寬比最大，這符合蘇文會[13]和朱惠方等[18]的研究結(jié)果。

2.3.2??纖維雙壁厚、腔徑及壁腔比

4種叢生竹纖維平均雙壁厚和腔徑分別介于8.29～11.2 μm和1.82～4.37 μm之間。其中，撐篙竹的纖維細(xì)胞雙壁最厚，其后依次為青皮竹、粉單竹、吊絲竹;細(xì)胞腔徑值，粉單竹的平均纖維細(xì)胞腔徑最大，為4.37 μm，青皮竹最小，只有1.82 μm，吊絲竹和撐篙竹此值相差不大。纖維的平均雙壁厚在竹壁徑向上，從竹青向竹黃呈降低的趨勢，纖維腔徑均是竹肉部位為最大，這與齊錦秋等對慈竹的研究結(jié)果基本一致[3]。

纖維壁腔比被用于表示纖維的柔軟程度，細(xì)胞腔大壁薄的纖維柔軟性好，成紙強(qiáng)度高[17]。本課題中，纖維壁腔比種間差異顯著，平均值在2.50～5.90之間，由小到大依次是粉單竹、吊絲竹、撐篙竹、青皮竹。以往的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壁腔比小于1時，纖維原料的制漿造紙性能較為優(yōu)良。4種叢生竹纖維的平均壁腔比均大于1，說明使用所選竹材抄紙時，其纖維較針葉材、闊葉材纖維的柔軟性和交織性能差。壁腔比在竹壁徑向部位沒有一致的變化趨勢，粉單竹、吊絲竹和撐篙竹表現(xiàn)為竹肉壁腔比最小，竹黃次之，竹青最大;青皮竹的纖維壁腔比值從竹黃到竹青逐漸增大。

2.3.3??纖維長度分布頻率

纖維長度分布頻率是確定制漿原料配比率的重要依據(jù)，通常纖維分布在較長級且頻率高者，纖維質(zhì)量好，成紙強(qiáng)度大[19]。4種叢生竹纖維長度分布頻率見圖4。由圖4可知，粉單竹纖維長度的最大分布頻率（50.5%）出現(xiàn)在≥3.5 mm區(qū)間;吊絲竹和青皮竹的纖維長度最大分布頻率均出現(xiàn)在2.5～3.0 mm區(qū)間;撐篙竹的纖維長度最大分布頻率（40.5%）出現(xiàn)在0～1.5 mm區(qū)間。撐篙竹長度小于2 mm的纖維占纖維總數(shù)的60%～80%，而其余3種叢生竹，90%以上的纖維主要分布在2 mm以上。

2.4?4種叢生竹纖維品質(zhì)的評價

4種叢生竹與幾種常見制漿造紙原料纖維的形態(tài)特征對比情況見表4。由表4可知，本課題所選叢生竹的纖維長度均大于1.6 mm，屬于長纖維，優(yōu)于楊木（1.08 mm）和蘆葦（1.12 mm）纖維。除撐篙竹外，其余3種叢生竹的纖維長度和長寬比均大于毛竹（2.10和139）。4種叢生竹的壁腔比均小于毛竹，而纖維組織比量均明顯大于毛竹。綜上可見，撐篙竹的制漿造紙性能與毛竹相似，粉單竹、青皮竹和吊絲竹的纖維性能較優(yōu)，均是優(yōu)質(zhì)的制漿造紙原料。

3?結(jié)?論

采用生物解剖學(xué)方法對廣西4種叢生竹（撐篙竹、粉單竹、吊絲竹、青皮竹）的主要解剖特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，

徑向部位對4種叢生竹解剖特征的影響顯著，維管束密度表現(xiàn)為從竹黃到竹青逐漸增加，徑向?qū)挾纫灾袢庾畲螅蚁驅(qū)挾扔芍顸S向竹青逐漸減小;

纖維長度、寬度和腔徑均是竹肉最大，雙壁厚表現(xiàn)為竹青向竹黃減小的趨勢，長寬比和壁腔比并未表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。故在選用以上4種叢生竹作為制漿造紙原料時，需合理選擇取樣部位，以期提高4種叢生竹作為制漿造紙原料的經(jīng)濟(jì)效益和利用效率。

本課題選用的4種叢生竹均具有纖維長、長寬比大、纖維組織比量高等優(yōu)點(diǎn)。從作為制漿造紙原料的角度來看，粉單竹、青皮竹和吊絲竹的纖維質(zhì)量較優(yōu)質(zhì)，撐篙竹的纖維質(zhì)量略差，與毛竹相近。建議將這4種叢生竹作為優(yōu)良的制漿造紙原料進(jìn)行定向培育、合理經(jīng)營、開發(fā)利用。

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Anatomical Characteristics of Four Sympodial Bamboo in Guangxi Autonomous Region

XIANG Elin1，2LIU Xinge1?TIAN Genlin1?MA Jianfeng1?YANG Shumin1，*WANG Yangao2

（1Bamboo and Rattan Science and Technology Laboratory， International Center for Bamboo and Rattan， Beijing， 100102;

2College of Forestry， Sichuan Agriculture University， Chengdu， Sichuan Province， 611130）

（*E-mail：shangke620@hotmail.com）[JZ）]

Abstract：To provide basic data for the reasonable selection of high quality bamboo species as raw material for pulping and papermaking， the method of biological anatomy was used to investigate the anatomical characteristics of four sympodial bamboos （Bambusa chungii， Dendrocala-mus minor， Bambusa textilis， Bambusa pervariabilis）The results indicated that the morphology of vascular bundles in four sympodial bamboos was the type of broken-waistThe average fiber percentage， length， length-width ratio and wall-lumen ratio of these four bamboos ranged from 40.2% to 46.8%， 1.75 mm to 3.54 mm， 117 to 229 and 2.50 to 5.90， respectivelyIn the radial direction of the bamboo culm wall， the density of vascular bundles declined， but the double cell wall thickness increased from the outer zone to the innerThe maximums of length， width and lumen diameter of fiber were appeared in the middle of bamboo culm wallsThe four sympodial bamboos were suitable as raw materials for pulping and papermaking， in which the fiber quality of Bambusa pervariabilis was similar to moso bamboo， but not as good as the other three species.

Keywords：sympodial bamboo; anatomical characteristic; vascular bundles; fiber morphology