2年生麻竹不同竹秆部位纤维形态特征的差异分析

李 权，林金国

(1.凯里学院，贵州 凯里 556011； 2.福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002)

2年生麻竹不同竹秆部位纤维形态特征的差异分析

李 权1，2，林金国2

(1.凯里学院，贵州 凯里 556011； 2.福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002)

分析了2年生麻竹不同竹秆部位纤维长度及其频率分布、宽度、长宽比、双壁厚、腔径、壁腔比的差异。揭示了其纤维形态特征随竹秆垂直部位的变化表现为：竹秆离地高度4.5 m处的纤维长度和纤维长宽比最大，纤维宽度和纤维壁厚在2.5 m处最大，纤维腔径、纤维壁腔比分别在6.5 m、0.5 m处最大。2年生麻竹材纤维形态特征随竹秆水平部位变化表现为：竹壁中层纤维长度最长，内层最短。竹壁外层纤维宽度、壁厚和壁腔比最大，内层最小。竹壁内层纤维长宽比最大，外层最小。竹壁内层纤维腔径最大，中层最小。纤维长度大部分集中分布在大于1.5 mm区间范围，占70%左右，属于长纤维类型。研究结果为麻竹材的定向培育和麻竹材的高效合理利用提供重要的依据。

麻竹；竹秆部位；纤维形态

麻竹(DendrocalamuslatiflorusMunro)属禾本科竹亚科牡竹属，为合轴型的丛生竹类，是我国南方栽培较广泛的竹种。麻竹竹秆粗大通直，大量用于制浆造纸，是我国纸浆材培育的主要竹种之一[1-2]。近年来我国对麻竹材的需求利用在不断增加，对于麻竹材的研究也越来越多，但是关于纤维形态特征差异方面的研究报道较少，不利于麻竹材的定向培育和和麻竹材的高效合理利用。纤维形态是影响竹材物理力学性能、化学组成特性的重要因素。纤维长度影响茎秆的强度和纸浆特性，纤维胞壁的厚薄对制浆和纤维的质量影响极大[3]。影响麻竹材纤维形态的主要因子包括年龄、竹秆垂直部位和竹秆水平部位等。研究2年生麻竹材不同竹杆部位纤维形态特征的差异，可以为麻竹材的定向培育及其纤维的高效合理利用提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 采集地概况 龙海林下国有林场位于在福建省龙海市九湖镇，地处北纬24°11′～24°36′，东经117°29′～118°14′。该地区年平均气温21℃，无霜期325 d，年平均降水量1 600 mm，年日照时数2 171 h，光热水资源极其丰富。

1.1.2 试验采集 麻竹样竹按国家标准《竹材物理力学性质试验方法》(GB/T 15780-1995)的规定采集样竹，在竹林分布均匀和生态条件相对一致的林分内按规格伐取2年生样竹15株。每株做好北向的标记后离地0.5 m伐倒后标号，从离竹秆基部开始向上依次截取5段2 m长的竹段，再将最后面两段去掉后端的1.5 m，留取前端的0.5 m作为第4段和第5段。样竹情况如表1所示。

表1 试验材料

1.2 试验方法

1.2.1 取材 将采集的麻竹竹秆，在离地高度0.5、2.5、4.5、6.5、8.5 m处各截取长度为5 cm左右的圆环，接着将15株2年生麻竹截取的所有圆环按0.5、2.5、4.5、6.5、8.5 m不同竹秆部位分类，共5组。在每个竹环的北向处截取5 mm宽的竹片，将测试竹片进一步按壁厚三等分剖开，作为竹壁径向部位即竹壁外侧、中部和内侧的测定试样。测定纤维长度、宽度的试样，每个竹龄15株；测定纤维壁厚、腔径的试样，每个竹龄3株。

1.2.2 麻竹材纤维长度、宽度的测定 测定2年生麻竹材不同竹秆部位的纤维形态，将竹材依据其竹秆部位的不同进行解剖、按照许尔兹法解离、制片。在数码显微镜下，观察并测量纤维的长度、宽度，并计算长宽比。

1.2.3 麻竹材纤维壁厚、腔径的测定 将所取的麻竹试样装入试管，放入水浴锅进行蒸煮软化，再利用单面刀片沿横切面进行切片并制片。在数码显微镜下，观察并测量纤维的宽度、腔径，并计算双壁厚和壁腔比。

2 结果与分析

纤维形态是影响纸张强度和质量的重要因素，在研究植物的纤维形态与其制浆造纸性能之间的关系时，应综合考虑其纤维长度及其频率分布，宽度、长宽比等影响因素[4-5]。

2.1 2年生麻竹不同竹秆部位纤维长度和宽度的差异

纤维长度和纤维长宽比用于表示纤维形态与制浆适合度的关系。纤维愈长，则纸页撕裂度、耐破度和耐折度越大。长宽比愈大，其撕裂强度、交织性、弹性、柔韧性愈高[6]。由图1可知，不同竹秆部位纤维长度存在一定的差异：竹秆离地高度4.5、6.5、2.5、0.5、8.5 m处纤维长度均值为2 276.19、2 117.72、2 079.90、2 011.44、1 874.21 μm，依次呈下降趋势。水平方向竹壁纤维长度变异特点为中层纤维长度最长(2 104.77 μm)，外层次之(2 087.25 μm)，内层最短(2 023.66 μm)。

图1 2年生麻竹不同竹秆部位和水平部位纤维的长度的和宽度Fig.1 Fiber length and width of the two-year-old D. latiflorus with different heights above ground and different horizontal positions of the culm

纤维宽度直接影响纤维的长宽比，纤维宽度越小，纤维长宽比则越大，对造纸就更有利[7]。由图1可看出，竹秆离地高度2.5、0.5、8.5、4.5、6.5 m处的纤维宽度的均值分别为15.37、14.95、14.14、13.94、13.80 μm，依次呈下降趋势。水平方向竹壁纤维宽度变异特点为外层纤维最宽(15.03 μm)，中层次之(14.70 μm)，内层最窄(13.59 μm)。

2.2 2年生麻竹不同竹秆部位纤维壁厚和腔径的差异

麻竹材纤维的壁腔比是评定造纸和纤维板原料品质优劣的重要指标。由图2可看出，竹秆离地高度方向纤维壁厚从大到小依次为2.5、8.5、6.5、4.5、0.5 m处的4.63、4.56、4.45、4.34、3.97 μm。水平方向竹壁纤维壁厚变异特点为外层最大为4.58 μm，中层为4.37 μm，内层为4.22 μm。

图2 2年生麻竹不同竹秆部位和水平部位纤维壁厚和腔径Fig.2 Fiber wall thickness and cavity diameter of the two-year-old D. latiflorus with different heights above ground and different horizontal positions of the culm

竹秆离地高度6.5、4.5、2.5、8.5、0.5 m处纤维腔径依次为2.95、2.85、2.63、2.34、1.63 μm。水平方向竹壁纤维腔径变异特点为内层最大2.82 μm，外层次之2.33 μm，中层最小2.28 μm。

2.3 2年生麻竹不同竹秆部位纤维长宽比和壁腔比的差异

纤维长宽比大的竹材强固性、割裂性好，适合做优质的造纸原料[8]。因此，可使用纤维长宽比表示纤维形态与制浆适合度的关系。由图3可知，竹秆离地高度4.5 m处纤维长宽比最大，6.5、8.5、2.5、0.5 m依次呈下降趋势。水平方向竹壁纤维长宽比变异特点为内层最大，中层次之，外层最小。

图3 2年生麻竹不同竹秆部位和水平部位纤维长宽比和壁腔比Fig.3 Ratio of fiber length to width and ratio of fiber wall thickness to cavity diameter of the two-year-old D. latiflorus with different heights above ground and different horizontal positions of the culm

纤维壁腔比是指纤维两壁厚与纤维细胞腔直径之比。纤维壁腔比是造纸工业衡量原料好坏的标准之一[9-10]。由图3可直接看出，竹秆离地高度0.5 m处纤维壁腔比最大，8.5、2.5、6.5、4.5 m依次呈下降趋势。水平方向竹壁纤维壁腔比变异特点为外层最大，中层次之，内层最小。

2.4 2年生麻竹材纤维长度的频率分布

纤维长度的频率分布是确定纸浆原料配合率的主要依据，此有助于纸浆质量的稳定和提高。根据国际木材解剖学家协会理事会的分级标准，纤维长度分为3级：L≤900 μm为短纤维；900 μm≤L≤1 600 μm为中等纤维；L≥1 600 μm为长纤维[11-12]。由图4可知，2年生麻竹材的纤维长度基本呈正态分布，纤维长度在1.0 mm以下和2.5 mm以上的百分比相对较小，大部分的纤维长度集中分布在大于1.5 mm区间约占70%左右，因此是属于长纤维类型。该区间是确定原料配比的主要依据。长纤维占比最大时是在离地高度为4.5 m时，纤维长度大于1.5 mm的占比超过84%，而长纤维占比最小时则是在离地高度为8.5 m时，纤维长度大于1.5 mm的占比只有68%。

图4 2年生麻竹材纤维长度的频率分布Fig.4 Frequency distribution for fiber length of the two-year-old D. latiflorus with different heights above ground

3 结论与讨论

本文研究了2年生麻竹不同竹秆部位纤维形态的差异并分析其影响规律，结果如下：

(1)2年生麻竹材纤维形态特征随竹秆垂直部位变化表现为：竹秆离地高度方向在4.5 m处纤维长度和纤维长宽比最大，在2.5 m处的纤维宽度和纤维壁厚最大，在6.5 m处纤维腔径最大，在0.5 m处纤维壁腔比最大。

(2)2年生麻竹材纤维形态特征随竹秆水平部位变化表现为：竹壁中层纤维长度最长，外层次之，内层最短。竹壁外层纤维宽度最大，内层最小。竹壁内层纤维长宽比最大，外层最小。竹壁外层纤维壁厚最大，内层最小。竹壁内层纤维腔径最大，中层最小。纤维壁腔比在竹壁外层最大，内层最小。

(3)越占70%的纤维长度集中分布在大于1.5 mm的区间。长纤维占比最大时是在离地高度为4.5 m处，而长纤维占比最小时则是在离地高度为8.5 m处。

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Difference in Fiber Morphological Properties of Two-year-oldDendrocalamuslatiflorus

LI Quan1，2，LIN Jin-guo2

(1.Kaili University, Kaili 556011, Guizhou, China; 2.College of Material Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian, China)

The impacts of different culm positions on fiber length, width, the ratio of length to width, double wall thickness, cavity diameter and the ratio of wall thickness to cavity diameter of two-year-oldD.latifloruswere analyzed. The results showed that the fiber morphology of the two-year-oldD.latiflorusvaried with the vertical positions of the culm. The fiber length and ratio of length to width reached the max at the height of 4.5 m above ground, while the fiber width and wall thickness attained the max at the height of 2.5 m, fiber cavity diameter in the 6.5 m, and the ratio of wall thickness to cavity diameter in the 0.5 m above ground. The fiber morphology of the two-year-oldD.latiflorusalso varied with horizontal positions of the culm. The fiber length of the middle layer of bamboo culm was the maximum, and that of the inner layer was the minimum. The fiber width, wall thickness and the ratio of fiber wall thickness to cavity diameter, reached the maximum in the outer layer，and the minimum in the, inner layer. The ratio of fiber length to width in the inner layer was the maximum, in the outer layer was the minimum. The cavity diameter in the inner layer was the maximum, in the middle layer was the minimum. The fiber length was longer than 1.5 mm mostly, accounting for about 70%. These may provide an important basis for oriented cultivation and effective utilization ofDendrocalamuslatiflorus.

Dendrocalamuslatiflorus; Culm position; Fiber morphology

2016-11-07

福建省财政厅科研基金资助项目“进口木材特性与鉴别关键技术研究与推广”(K8115004A)；贵州省科技合作计划(黔科合LH字[2015]7751号)；贵州省高校优秀科技创新人才奖励计划(黔教合KY字[2015]508)。

李权，副教授，博士，从事木材科学研究。通信作者：林金国，教授，博士生导师，主要从事木材科学方面的研究。E-mail: fjlinjg@126.com