广西4种丛生竹材解剖特征的对比研究

向娥琳　刘杏娥　田根林　马建锋　杨淑敏　王燕高

摘 要：采用生物解剖学方法，对广西4种丛生竹（撑篙竹、粉单竹、吊丝竹、青皮竹）的主要解剖特征进行了系统研究，以期为优质制浆造纸竹材的合理筛选提供基础数据。研究结果表明，4种丛生竹的维管束形态均属于断腰型，平均纤维组织比量、纤维长度、长宽比和壁腔比分别介于40.2%～46.8%、1.75～3.54 mm、117～229、2.50～5.90之间。在竹壁径向上，维管束密度由竹黄向竹青逐渐增大，而双壁厚呈减小的趋势，竹壁径中部的纤维长度、宽度和腔径均为最大。综合来看，4种丛生竹适宜作为制浆造纸原料。其中，撑篙竹的纤维性能与毛竹相近，粉单竹、青皮竹和吊丝竹的纤维性能更优。

关键词：丛生竹;解剖特性;维管束;纤维形态

中图分类号：TS721+.2

文献标识码：A

丛生竹作为我国竹林资源的重要组成部分，主要分布在东南和西南各省的热带、亚热带地区。丛生竹具有生长周期短、纤维素含量高、制浆得率高等优点[1-2]，是较理想的制浆造纸原料。另外，鉴于其优良的纤维特性，从生竹还是纺织品、竹纤维增强复合材料和竹塑复合材料等纤维制品的主要原料。近年来，丛生竹资源的多元化利用，缓解了单一依赖毛竹资源的供应压力。然而，目前对丛生竹种研究较多局限于径级较大且产量高的麻竹、慈竹、硬头黄竹等[3-5]。中小径级丛生竹因为产率低等因素的制约，产业化应用并未受到青睐，因此加强对中小径级丛生竹基础特性的研究十分必要。

本课题所用粉单竹（Bambusa chungii）、吊丝竹（Dendrocalamus minor）、青皮竹（Bambusa textilis）和撑篙竹（Bambusa pervariabilis）主要分布于广西、广东、福建等地。本实验用丛生竹种采集于广西，广西现有丛生竹林面积为19.21 hm2，占总竹林面积的56.4%，主要分布在河岸、低丘和村旁[6]。本课题所选4种竹材均为生长快、产材量高、经济效益明显、竹林面积较大的代表性中小径级丛生竹种。目前这4个竹种一般用于观赏、食品以及制浆造纸，另外，其因篾性强韧而常被用于编织等传统行业，并未实现高值化利用。已有少量研究表明以上竹材具有较优质的纤维性能，可作为制浆造纸原料，但是系统的解剖特性研究还较少[7-8]。为此，笔者对以上4种丛生竹的解剖特性及径向变异规律进行了系统对比分析，旨在为合理开发利用丛生竹资源和新型竹纤维原料提供理论依据，这对实现丛生竹资源的多元化利用和可持续经营具有重要意义。

1 实 验

1.1 实验材料

4种丛生竹采集于广西林业科学研究院的竹种园，各试样基本情况见表1。所有试样均选择生长状态良好的3年生竹株，在竹秆第6节节间中部取1 cm厚的圆环（见图1（a）），迅速从圆环上切取规格为6 mm（弦向）×T mm（壁厚）×10 mm（轴向）的若干竹块（见图1（b）），蒸馏水冲洗，投入FAA（5%冰醋酸、5%甲醛、90%乙醇）固定液中固定，并做好标记。剩余竹环用保鲜膜包覆带回实验室，冰冻保存备用。将FAA固定后的材料去除两侧的竹壁，沿竹壁径向均匀分为竹黄（内）、竹肉（中）、竹青（外）3个分区，制备2种不同规格的竹块（B1、B2）备用（见图1（c））。

1.2  实验方法

1.2.1 光学显微镜观察

纤维离析：将B1试样劈成规格为2 mm（弦向）×2 mm（壁厚）×10 mm（轴向）的若干小竹棍，置于过氧化氢和30%冰醋酸混合液中离析至纤维发白，经蒸馏水冲洗、机械打散后，制作临时切片并立即置于光学显微镜下，放大10倍，测量4种从生竹纤维长度、宽度，纤维长度频率分布用频数表示。每个分区重复测量30次;借助方格法，分别统计纤维组织、基本（薄壁）组织和输导组织的方格数，并计算组织比量。

常规切片：B2试样经水煮软化后，采用滑走切片机切取15 μm厚的横切片，梯度酒精脱水，番红染色，二甲苯做透明处理，加拿大树脂胶封片。将切片置于光学显微镜下，放大40倍，测量4种丛生竹纤维壁厚、腔径;放大5倍，测量维管束密度、尺寸，每个指标重复测量30次。

1.2.2 扫描电镜分析

采用滑走切片机对B2剩余试样横截面表面进行抛光处理，截成3 mm（弦向）×T mm（壁厚）×3 mm（轴向）的小竹块，冻干脱水后喷金，利用场发射扫描电镜观察维管束形态并拍照。

采用SPSS 19.0和Origin 2017软件进行数据分析。

2 结果与讨论

2.1  4种丛生竹的组织比量

竹材组织比量是指纤维组织、基本组织和输导组织占整个组织的比例。

竹材组织比量不仅与竹材密度、物理力学性能有关，还影响制浆得率和成纸质量。4种丛生竹各组织比量的统计结果见图2。由图2可知，4种从生竹的组织比量种间差异较大。纤维组织比量最高的是青皮竹（46.8%），其后依次是吊丝竹（44.0%）、粉单竹（40.2%），最低的是撐篙竹（40.2%）。粉单竹、吊丝竹、青皮竹和撑篙竹的基本组织比量均值分别为46.0%、43.0%、34.2%和42.8%。4种丛生竹材的输导组织比量较高，粉单竹和吊丝竹输导组织比量比较接近，在13%左右;而青皮竹和撑篙竹的输导组织比量较粉单竹和吊丝竹高5个百分点。与散生竹相比，4种丛生竹的纤维组织比量高，输导组织发达。在制浆造纸过程中，基本组织和输导组织很难跟纤维组织完全分离，基本组织过多，纸张的漂白和滤水性较差[9]。单从组织比量来看，青皮竹和吊丝竹作为制浆造纸原料，其性能明显优于粉单竹和撑篙竹。

与前人研究结果对比发现，对于纤维组织比量，撑篙竹较前人研究的结果偏低，粉单竹和青皮竹较前人研究的结果偏高;4种丛生竹的平均输导组织比量均大于前人的统计结果[10-11]。上述统计结果的差异，一方面可能受试样生长的立地条件的影响，如土壤肥力、酸碱度、土壤厚度等因素;另一方面还受试样生长的气候条件的影响，不同地区气候条件的差异会影响竹材的生长过程，从而导致竹材解剖特性存在差异。

2.2  4种丛生竹的维管束分布

4种丛生竹的维管束形态如图3所示。

由图3可知，4种丛生竹的典型维管束形态均属于断腰型，由一个中心维管束和一个内方纤维股组成，这一结果与前人的研究结果一致[10]。4种丛生竹的维管束形态径向变异十分明显，靠近竹壁外侧的维管束尺寸小而分布密集，分化不完全，内方纤维鞘极为发达且与侧方纤维鞘相连;靠近竹壁内侧的维管束尺寸大而分布稀疏，向内逐渐分化出侧方纤维鞘，内方纤维鞘明显小于外方纤维鞘和侧方纤维鞘。由表2可知，竹壁横切面上，青皮竹的维管束分布最密集，平均密度为401个/cm2，撑篙竹维管束分布最为分散，平均密度仅为255个/cm2，粉单竹和吊丝竹的维管束分布较为均匀。维管束密度在竹壁径向的变化规律与前人的研究结果基本一致，表现为由竹黄向竹青逐渐增加[12]。

维管束径向宽度的种间差异较弦向宽度的种间差异明显，平均径向宽度以撑篙竹最大（589 μm），吊丝竹最小（423 μm）;平均弦向宽度以吊丝竹最大（578 μm），青皮竹最小（523 μm）;在竹壁径向上，维管束径向宽度和弦向宽度变化明显。4种丛生竹维管束径向宽度在竹壁中部（竹肉）达到最大，这与魏学智的研究结果一致[10]。弦向宽度从竹黄向竹青呈明显降低的趋势。

2.3 4种丛生竹纤维形态及其径向变异规律

除纤维组织比量外，纤维形态特征也是判断植物纤维原料质量及性能优劣的重要依据，纤维长度、长宽比、壁腔比、纤维长度分布频率这4项指标与制浆造纸原料的性能密切相关。4种丛生竹径向部位的纤维形态特征见表3。

2.3.1  纤维长度、宽度及长宽比

纤维长度与纸张的抗张强度、耐折度、耐破度以及撕裂度直接相关[2，12-13]。4种丛生竹的纤维平均长度在1.75～3.54 mm之间，撑篙竹的平均纤维长度最短，吊丝竹和青皮竹其次，分别为2.89 mm和2.88 mm，粉单竹的平均纤维长度最长，为3.54 mm，接近针叶材纤维长度（3.0～4.0 mm）。由表3可知，4种丛生竹中，粉单竹纤维作为制浆造纸原料，具有更好的纤维交织力和成纸强度;撑篙竹纤维更适合以填料的形式与其他纤维原料配合使用。纤维长度因竹壁径向部位的不同而有明显的变化，竹肉纤维较竹青和竹黄纤维长，这与大部分丛生竹的研究结果相似[12-16]。

纤维宽度也会影响成纸性能，表现为纤维宽度大则纤维强度大，但纤维结合力较差[17]。由表3可知，不同竹种的平均纤维宽度差异不大，最大值与最小值相差仅1.19 μm。4种丛生竹纤维平均宽度结果表明：粉单竹（15.5 μm）最粗，其次是青皮竹（15.4 μm）和撑篙竹（15.0 μm），吊丝竹（14.2 μm）最窄。在竹壁径向上，4种丛生竹纤维宽度均表现为竹肉大于竹青和竹黄。

纤维长宽比是决定成纸质量的重要因素，通常细而长的纤维具有更多的纤维交织次数，成纸强度和撕裂度好，适宜用作制浆造纸原料[13]。4种丛生竹平均纤维长宽比在117～229之间，粉单竹和吊丝竹的平均纤维长宽比较大，青皮竹次之，撑篙竹最小，仅为117。纤维长宽比因竹壁部位的不同存在顯著的差异，青皮竹表现为竹黄纤维长宽比最大;粉单竹和吊丝竹的纤维长宽比变化规律相似，都是竹青大于竹黄和竹肉;撑篙竹竹肉纤维长宽比最大，这符合苏文会[13]和朱惠方等[18]的研究结果。

2.3.2  纤维双壁厚、腔径及壁腔比

4种丛生竹纤维平均双壁厚和腔径分别介于8.29～11.2 μm和1.82～4.37 μm之间。其中，撑篙竹的纤维细胞双壁最厚，其后依次为青皮竹、粉单竹、吊丝竹;细胞腔径值，粉单竹的平均纤维细胞腔径最大，为4.37 μm，青皮竹最小，只有1.82 μm，吊丝竹和撑篙竹此值相差不大。纤维的平均双壁厚在竹壁径向上，从竹青向竹黄呈降低的趋势，纤维腔径均是竹肉部位为最大，这与齐锦秋等对慈竹的研究结果基本一致[3]。

纤维壁腔比被用于表示纤维的柔软程度，细胞腔大壁薄的纤维柔软性好，成纸强度高[17]。本课题中，纤维壁腔比种间差异显著，平均值在2.50～5.90之间，由小到大依次是粉单竹、吊丝竹、撑篙竹、青皮竹。以往的经验发现，壁腔比小于1时，纤维原料的制浆造纸性能较为优良。4种丛生竹纤维的平均壁腔比均大于1，说明使用所选竹材抄纸时，其纤维较针叶材、阔叶材纤维的柔软性和交织性能差。壁腔比在竹壁径向部位没有一致的变化趋势，粉单竹、吊丝竹和撑篙竹表现为竹肉壁腔比最小，竹黄次之，竹青最大;青皮竹的纤维壁腔比值从竹黄到竹青逐渐增大。

2.3.3  纤维长度分布频率

纤维长度分布频率是确定制浆原料配比率的重要依据，通常纤维分布在较长级且频率高者，纤维质量好，成纸强度大[19]。4种丛生竹纤维长度分布频率见图4。由图4可知，粉单竹纤维长度的最大分布频率（50.5%）出现在≥3.5 mm区间;吊丝竹和青皮竹的纤维长度最大分布频率均出现在2.5～3.0 mm区间;撑篙竹的纤维长度最大分布频率（40.5%）出现在0～1.5 mm区间。撑篙竹长度小于2 mm的纤维占纤维总数的60%～80%，而其余3种丛生竹，90%以上的纤维主要分布在2 mm以上。

2.4 4种丛生竹纤维品质的评价

4种丛生竹与几种常见制浆造纸原料纤维的形态特征对比情况见表4。由表4可知，本课题所选丛生竹的纤维长度均大于1.6 mm，属于长纤维，优于杨木（1.08 mm）和芦苇（1.12 mm）纤维。除撑篙竹外，其余3种丛生竹的纤维长度和长宽比均大于毛竹（2.10和139）。4种丛生竹的壁腔比均小于毛竹，而纤维组织比量均明显大于毛竹。综上可见，撑篙竹的制浆造纸性能与毛竹相似，粉单竹、青皮竹和吊丝竹的纤维性能较优，均是优质的制浆造纸原料。

3 结 论

采用生物解剖学方法对广西4种丛生竹（撑篙竹、粉单竹、吊丝竹、青皮竹）的主要解剖特征进行了研究。结果表明，

径向部位对4种丛生竹解剖特征的影响显著，维管束密度表现为从竹黄到竹青逐渐增加，径向宽度以竹肉最大，弦向宽度由竹黄向竹青逐渐减小;

纤维长度、宽度和腔径均是竹肉最大，双壁厚表现为竹青向竹黄减小的趋势，长宽比和壁腔比并未表现出一致的变化规律。故在选用以上4种丛生竹作为制浆造纸原料时，需合理选择取样部位，以期提高4种丛生竹作为制浆造纸原料的经济效益和利用效率。

本课题选用的4种丛生竹均具有纤维长、长宽比大、纤维组织比量高等优点。从作为制浆造纸原料的角度来看，粉单竹、青皮竹和吊丝竹的纤维质量较优质，撑篙竹的纤维质量略差，与毛竹相近。建议将这4种丛生竹作为优良的制浆造纸原料进行定向培育、合理经营、开发利用。

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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