白木香樹皮纖維特征研究?

甘昌濤 何海珊 王 粵 邱 堅

（1.西南林業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650000；3. 西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南 昆明 650224；4.西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

近30 年來，隨著沉香產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外野生沉香資源日益減少，我國沉香源植物種植得到快速發(fā)展，主要樹種為白木香（Aquilaria sinensis），其大面積規(guī)?；姆N植約有15 年的歷史。據(jù)統(tǒng)計，人工種植沉香的省區(qū)主要有廣東、海南、廣西、福建和云南 ，至2019 年年底廣東人工種植沉香面積約為14 700 hm2[1]，2017 年年底海南人工種植的沉香面積約6 181 hm2[2]，2016 年底，廣西、福建分別約為4 000、667 hm2，云南在西雙版納州約有4 400 hm2[3]。隨著白木香種植業(yè)的發(fā)展，白木香作為生產(chǎn)沉香的資源，其林下中草藥、林下養(yǎng)殖、白木香茶葉等相關(guān)產(chǎn)業(yè)[4-7]的發(fā)展也為人們在白木香樹長成與結(jié)香的漫長過程中帶來了額外的經(jīng)濟(jì)效益。然而，仍然有較多的種植戶經(jīng)營難以為繼，因此需進(jìn)一步發(fā)掘白木香人工林資源利用價值。

本課題組在研究白木香環(huán)剝結(jié)香的過程中發(fā)現(xiàn)，白木香樹皮可以在恰當(dāng)?shù)膭兤は略偕鶾8]，且白木香樹皮纖維豐富，樹皮顏色淺。據(jù)中國植物志記載，白木香樹皮細(xì)致且柔韌，可為高級紙原料[9]，但目前尚未見針對白木香樹皮纖維特征進(jìn)行分析及利用的文獻(xiàn)。對樹皮的利用古已有之，我國宣紙的重要原料即為青檀的樹皮[10-13]，而構(gòu)樹皮是特色手工紙——東巴紙的重要原料[14-15]?，F(xiàn)代科學(xué)對綠色復(fù)合材料的關(guān)注度越來越高，在高分子復(fù)合材料中添加樹皮纖維，有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能[16-18]。據(jù)課題組調(diào)查，香農(nóng)在春季砍下生長旺盛的枝條，將樹葉收集后用于制茶，而從樹枝上剝下的樹皮有較好的強(qiáng)度和韌性。因此，如果白木香樹皮可用于造紙，制茶剩余的樹枝即可作為造紙纖維的來源。

本研究從云南西雙版納、廣東中山兩地采集白木香枝條與樹干，通過顯微觀察和纖維特征觀察研究白木香樹皮纖維的特征及其生長規(guī)律，以期為白木香樹皮纖維的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

在西雙版納沉香基地，取不同直徑的樹枝，并按照直徑對其進(jìn)行分級，分為：0～3.0、3.1～7.0、7.1～10.0、10.1～15.0、15.1～20.0、20.1～25.0 mm，如圖1 所示。再按照分級進(jìn)行剝皮，剝皮時兼顧不同的部位。

圖1 西雙版納白木香樹枝直徑分級Fig.1 Grading of branch diameter of A. sinensis in Xishuangbanna

在中山市五桂山沉香基地選取3棵白木香樹，在白木香主干上取4個高度的部位，以美工刀取10 cm長樹皮，4個取樣高度分別為10～20、130～140、230～240、330～340 cm。對樹皮樣品進(jìn)行離析、染色、觀察、測量和顯微切片制作。

試劑：聚乙二醇（PEG），分子量1 500，山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司；剛果紅，上海馨晟試化工科技有限公司；冰醋酸，上海申博化工有限公司；過氧化氫30%，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

1.2 設(shè)備

萊卡滑走式切片機(jī)，型號Leica SM2000R，萊卡顯微系統(tǒng)有限公司；生物數(shù)碼顯微鏡，型號80i，尼康株式會社；數(shù)碼恒溫恒濕箱，型號HH-4，常州國華電器有限公司；電熱恒溫水浴鍋，型號HH-6，常州國華電器有限公司；低速離心機(jī)，型號TG-50，常州金壇良友儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 顯微切片制作與觀察

將試樣修成約1 cm邊長的小方塊，浸泡于水中，以水循環(huán)式真空泵抽真空飽水至木塊沉底，以自來水沖洗1 次，浸泡于水中30 min后再洗滌，反復(fù)浸泡洗滌3 次，于聚乙二醇（PEG，分子量1 500）的水溶液中逐級脫水包埋，PEG濃度（體積比）分級為30%、50%、70%和100%，包埋時間為每級濃度24 ～30 h，包埋溫度為60 ℃，PEG濃度順序為30%一次、50%一次、70%一次、100%一次、100%第二次。PEG溶液體積至少為木塊體積的3 倍，并浸沒木塊樣品。包埋后的木塊樣品放在木質(zhì)底座上冷卻固定[19]，以萊卡滑走式切片機(jī)切18～25 μm厚的切片，并用過濾水將PEG洗凈。用生物數(shù)碼顯微鏡配置熒光波長為330～380 μm觀察細(xì)胞壁木質(zhì)化情況，用偏光觀察纖維素及晶體分布。

1.3.2 纖維形態(tài)觀察方法

對所采集的樹皮樣品進(jìn)行離析、染色、觀察和測量。將樹皮放入離心管中，加雙氧水冰醋酸溶液將其浸沒，在電熱恒溫水浴鍋中加熱至（90±2） ℃（昆明為高原地區(qū)，水的沸點(diǎn)約92 ℃），約2 h后，樹皮變白，稀松，有的樣品經(jīng)震蕩后可以充分分散，有的樣品還需繼續(xù)加熱，直至可以震蕩分散得纖維，隨后用離心機(jī)進(jìn)行離心5 min以上，待纖維等細(xì)胞沉降后，倒出雙氧水冰醋酸溶液，加水搖晃清洗，如此反復(fù)離心、倒出洗液、加水搖晃清洗3～4次，至纖維無明顯酸味，離心倒出洗液，滴加0.1%剛果紅染液至淹沒纖維，放置8～12 h后，以同樣方法洗去剛果紅染液。將離心管中清洗完成的纖維倒在培養(yǎng)皿中，加過濾水，以吸管吸取纖維至載玻片上，蓋上蓋玻片以待觀察。未觀察的玻片則放置在潮濕環(huán)境中，或置于晾片板上，以濕潤的衛(wèi)生紙覆蓋，裝入密封袋中，避免水分散失。使用顯微鏡參考《中國造紙原料纖維特性及顯微圖》[20]的方法測定、描述纖維形態(tài)特征，測量纖維長度、寬度、壁厚、腔長、腔徑，其中纖維長度重復(fù)測量100根及以上，纖維寬度、壁厚、腔長、腔徑重復(fù)測量30根及以上。所得數(shù)據(jù)以SPSS 18.0 進(jìn)行單因素方差分析組間顯著性，采用Excel 2007 軟件和Origin 2018 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 白木香樹皮纖維分布特點(diǎn)

木材細(xì)胞壁木質(zhì)素中的酚類物質(zhì)能產(chǎn)生自發(fā)熒光，通過在熒光顯微鏡下觀察自發(fā)熒光的強(qiáng)弱，可以判斷木質(zhì)素的分布情況。木材細(xì)胞壁因纖維素分子有序排列形成的結(jié)晶區(qū)而具有雙折射性，在偏光顯微鏡下明顯發(fā)亮，可以定性判斷纖維素的分布情況[21-22]。圖2a普通光可見含栓皮層、皮層、韌皮部、韌皮射線、厚壁的韌皮纖維，結(jié)合圖2b熒光和圖2c偏光圖中發(fā)亮部分，可以看出，樹皮纖維在熒光下由于高度木質(zhì)化發(fā)亮，在偏振光下細(xì)胞壁的結(jié)晶區(qū)因具有雙折射性而發(fā)亮，晶體亮度高且呈現(xiàn)多種色彩。由圖3 縱切面上，可見皮層到形成層韌皮纖維逐漸增多，與橫切面觀察的結(jié)果一致，分隔木纖維明顯可見，橫切面和縱切面均可見高亮度的晶體。

圖2 白木香樹皮纖維橫切面普通光、熒光、偏光圖Fig.2 Natural light, polarized light & fluorescent light pictures of bark fiber of A. sinensis trunk

2.2 白木香樹皮纖維形態(tài)

如圖4 所示，西雙版納沉香基地白木香樹枝與中山市五桂山沉香基地樹干的樹皮纖維形態(tài)類似，白木香樹皮纖維大部分呈現(xiàn)中部膨大，兩端細(xì)長的形態(tài)，少部分纖維無明顯膨大，纖維中部膨大者的腔長和腔徑差異較大，少數(shù)樹皮纖維末端出現(xiàn)分叉。由于纖維未膨大部分的腔徑接近于1 μm，光學(xué)顯微鏡測量誤差較大，因此文中所測腔徑為纖維中部膨大部分的腔徑。

2.2.1 樹枝樹皮纖維形態(tài)變化

白木香直徑為0～25.0 mm樹枝的樹皮纖維長度為1 036.0～5 780.0 μm，均值為2 910.41 μm；寬度為6.0～32.0 μm，寬度均值16.89 μm，長寬比為147～233，均值173.32；壁厚為1.05～8.33 μm，均值3.09 μm，腔徑為1.18～18.27 μm，均值16.53 μm，壁腔比為0.68～1.29，均值0.97，腔長為90.79～558.87 μm，均值284.68 μm。圖5為西雙版納白木香枝條部分樹皮纖維顯微圖。

西雙版納沉香基地白木香樹枝樹皮纖維形態(tài)隨樹枝直徑變化規(guī)律如表1 和圖6 所示?？梢钥闯?，直徑15.0 mm以下的樹枝樹皮纖維長度隨樹枝的直徑增加而顯著增加；直徑為10.0 ～15.0 mm的樹枝樹皮纖維長度和直徑15.0～20.0 mm的差異不顯著；直徑為21.0～25.0 mm的較直徑15.0～20.0 mm的顯著增加。在直徑為0～25 mm的樹枝中，樹皮纖維隨樹枝直徑的增大纖維長度增長，直徑為 10.0 mm及以上的樹枝樹皮纖維平均長度達(dá)3 000.00 μm以上。

圖6 西雙版納白木香樹枝纖維尺寸隨樹枝直徑變化趨勢圖Fig. 6 Fiber size tendency of A. sinensis with di☆erent diameter branches in Xishuangbanna

表1 西雙版納白木香樹枝纖維尺寸隨樹枝直徑變化顯著性分析Tab.1 Bark fiber significance analysis of A. sinensis varying with di☆erent diameter branches in Xishuangbanna

樹皮纖維寬度、壁厚、腔徑、腔長隨著樹枝直徑的增大波動變化。樹枝直徑為0～3.0 mm時，樹皮纖維短，寬度較窄，壁較厚，腔較小，腔長較短；樹枝直徑為3.1～ 7.0 mm時，樹皮纖維顯著伸長，寬度、壁厚、腔徑、腔長變化均不顯著；樹枝直徑為7.1～10.0 mm時，樹皮纖維進(jìn)一步伸長，纖維寬度增加但不顯著，壁厚顯著變薄，腔徑、腔長增加但不顯著；樹枝直徑為10.1～15.0 mm時，樹皮纖維繼續(xù)伸長，寬度顯著變窄，壁厚顯著增大，腔徑顯著變小，腔長變短但不顯著；樹枝直徑為15.1～20.0 mm時，樹皮纖維長度伸長不顯著，寬度顯著變寬，壁厚顯著變薄，腔徑增加但不顯著，腔長變化不顯著；樹枝直徑為20.1～25.0 mm時，樹皮纖維長度繼續(xù)伸長，寬度變窄但不顯著，壁厚變化不顯著，腔徑變小但不顯著，腔長變化不顯著。

據(jù)此對白木香樹皮纖維生長過程的形態(tài)變化進(jìn)行分析，樹枝直徑為0～3.0 mm時樹皮纖維短細(xì)；3.1～7.0 mm時纖維伸長，寬度變寬但不顯著，腔變大且長，壁??；7.1～10.0 mm時纖維進(jìn)一步伸長，腔繼續(xù)變大變長，壁薄，寬度變寬但不顯著；10.1～15.0 mm時纖維進(jìn)一步伸長，腔變短變小，壁增厚，寬度變化顯著；15.1～20.0 mm時纖維未見伸長，腔變大變長，壁變薄，寬度變寬；20.1～25.0 mm時纖維繼續(xù)伸長但不顯著，腔變小但未變短，壁薄，寬度變化不顯著。

由此可見，樹皮纖維的生長具有規(guī)律性和節(jié)律性，細(xì)胞壁厚薄隨細(xì)胞腔大小變化，腔變大變長時壁變?。?0.0 mm以下），腔變小變短時壁增厚（10.1～15.0 mm），繼而腔變大變長壁變?。?5.1～20.0 mm），最后腔變小壁變厚（20.1～25.0 mm），在此過程中纖維長度持續(xù)伸長。

如圖7所示，白木香樹枝樹皮纖維長度主要分布于2.0～4.0 mm，占比72%，長度小于2.0 mm的纖維占17%，而大于4.0 mm的占11%。

圖7 西雙版納0～25 mm白木香樹枝纖維長度分布頻率Fig. 7 Fiber length distribution frequency of A. sinensis with di☆erent diameters branches in Xishuangbanna

如圖8 所示，白木香樹枝樹皮纖維寬度主要分布于10.00 ～25.00 μm，占比88%，寬度小于10.00 μm的占7%，大于25.00 μm的占5%。

圖8 西雙版納直徑0～25 mm白木香樹枝纖維寬度分布頻率Fig. 8 Fiber width distribution frequency of A. sinensis with di☆erent diameters branches in Xishuangbanna

2.2.2 樹干樹皮纖維形態(tài)變化

中山市五桂山沉香基地白木香樹干樹皮纖維的長度、寬度、長寬比、壁厚、細(xì)胞腔徑、壁腔比隨樹高的變化見圖9。

圖9 中山白木香樹干樹皮纖維尺寸隨樹干高度變化趨勢圖Fig. 9 Stem bark fiber size tendency of A. sinensis with di☆erent heights in Zhongshan

中山市五桂山沉香基地白木香樹干高度10～340 cm的樹皮纖維長度為1 247.60 ～5 863.90 μm，均值3 615.25 μm，寬度為9.05～36.33 μm，寬度均值18.55 μm，長寬比為152.33～222.96，均值195.35。樹皮纖維壁厚為1.06～4.90 μm，均值2.41 μm，腔徑為3.42～33.12 μm，均值11.16 μm，壁腔比為0.37～0.56，均值0.43，腔長為117.80～577.39 μm，均值309.04 μm。樹干樹皮纖維長度隨著樹高的增加先增大后減??；壁厚隨樹高的增加無顯著規(guī)律性；纖維寬度隨樹高的增加而降低，長寬比隨著樹高的增加而變大；纖維腔長和腔徑在樹干240 cm及以下時隨樹高增加而增加，壁厚和壁腔比隨樹高增加而降低。

中山市五桂山沉香基地白木香樹干不同高度的樹皮纖維長度分布頻率如圖 10 所示。白木香樹干樹皮從纖維長度分級來看，主要分布于3.0～5.0 mm，占比78.25%，長度小于3.0 mm的纖維占19.25%，而大于5.0 mm的占2.50%。

圖10 中山白木香不同樹干高度樹皮纖維長度分布頻率Fig. 10 Stem bark fiber length distribution frequency of A.sinensis with di☆erent heights in Zhongshan

圖11 中山白木香樹干樹皮纖維尺寸隨樹干直徑變化趨勢圖Fig. 11 Stem bark fiber size tendence of A. sinensis with di☆erent diameters in Zhongshan

中山市五桂山沉香基地白木香樹皮纖維長度、寬度、長寬比、壁厚、腔長、壁腔比、腔徑隨直徑的增加無顯著規(guī)律性。

中山市五桂山沉香基地不同直徑的白木香樹干樹皮纖維長度分布頻率如圖 12 所示。白木香樹干樹皮纖維長度分布頻率與樹干直徑無顯著規(guī)律性。

圖12 中山白木香不同樹干直徑樹皮纖維長度分布頻率Fig. 12 Stem bark fiber length distribution frequency of A.sinensis with di☆erent diameters in Zhongshan

2.2.3 白木香樹皮纖維與其他纖維形態(tài)比較

纖維長度和長寬比是衡量紙漿造紙最為重要的指標(biāo)[23-24]，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[20,25-27]，常見樹皮纖維形態(tài)如表2 所示。方升佐等[28]報道安徽青檀（Pteroceltis tatarinowiiMaxim.）人工林檀皮纖維長度為2 181～2 730 μm、平均長度約為3.5 mm，寬度為9.8～12.0 μm，長寬比為184.8～250.5，汪殿蓓等[29]報道湖北野生2～3年生健壯青檀樹枝條纖維的平均長度為1 499.68 μm，平均寬度為8.9 μm，長寬比為168.91。白木香樹干樹皮纖維的特征與青檀樹皮較為接近，而樹枝樹皮纖維長度與三椏皮較為接近，在韌皮纖維中屬于較細(xì)軟的類型，綜合纖維平均長度和纖維長度分布頻率而言，白木香樹干樹皮纖維達(dá)到了特優(yōu)原料纖維的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 造紙樹皮纖維形態(tài)尺寸比較Tab.2 Comparison of papermaking bark fiber size

3 結(jié)論

通過對西雙版納沉香基地樹枝纖維形態(tài)隨枝條直徑變異特征和中山市五桂山沉香基地樹干纖維隨樹高變異特征的觀察分析，得出以下結(jié)論：

1）韌皮纖維從皮層到形成層逐漸增多，分隔纖維明顯。白木香樹皮纖維中部略大，兩端細(xì)長，大部分纖維中部明顯膨大，少數(shù)樹皮纖維末端出現(xiàn)分叉。

2）西雙版納沉香基地直徑0～25.0 mm的白木香樹枝樹皮纖維長度、寬度、長寬比、壁厚、腔徑、壁腔比、腔長平均值分別為2 910.41 μm、16.89 μm、173.32、3.09 μm、16.53 μm、0.97、284.68 μm，纖維長度隨直徑的增大而變長，樹皮纖維形態(tài)變化具有規(guī)律性和節(jié)律性。樹枝直徑達(dá)到10.0 mm及以上時，樹枝樹皮纖維平均長度達(dá)3 000.0 μm以上，接近樹干樹皮平均纖維長度，纖維特征趨于穩(wěn)定。

3）中山市五桂山沉香基地白木香樹干高度10～340 cm的樹皮纖維長度、寬度、長寬比、壁厚、腔徑、壁腔比、腔長平均值分別為3 615.25 μm、18.55 μm、195.35、2.41 μm、11.16 μm、0.43、309.04 μm，樹干樹皮纖維壁厚隨樹高的增加無顯著規(guī)律性，纖維長度隨樹高的增加先增大后減小，纖維寬度隨樹高的增加而降低，長寬比隨著樹高的增加而變大；纖維長度、寬度、長寬比、壁厚、腔長、壁腔比、腔徑隨直徑的增加無顯著規(guī)律性。

4）白木香樹干樹皮纖維的特征與青檀樹皮較為接近，而樹枝樹皮纖維長度與三椏皮較為接近，研究表明：白木香樹枝的樹皮制漿造紙有良好的先決條件，同樣屬于韌皮纖維中較為纖細(xì)而柔軟的纖維。為進(jìn)一步研究白木香樹皮造紙的條件，還需繼續(xù)對其綜纖維素、木質(zhì)素、灰分等化學(xué)成分進(jìn)行分析。

本文為研究白木香樹皮纖維在生長過程中的纖維形態(tài)，所述白木香樹皮纖維腔徑為離析條件下測得的纖維細(xì)胞中部膨大部位的腔徑，壁腔比的計算也是依據(jù)纖維細(xì)胞中部膨大處的腔徑，這種測量方式與通過橫切面測量細(xì)胞腔徑不同，在參考和實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意兩者測量方式與結(jié)果的不同。