云龍箭竹纖維形態(tài)、化學(xué)成分及用作造紙?jiān)峡尚行匝芯?/h1>
2015-01-03 05:12唐國(guó)建楊金梅王曙光羅燕歡岳聞娟
西北林學(xué)院學(xué)報(bào) 2015年4期
唐國(guó)建，楊金梅，王曙光，羅燕歡，岳聞娟
（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明650224）
云龍箭竹（Fargesia papyrifera），又稱實(shí)心竹，屬禾本科（Gramineae）竹亞科（Bambusoideae）箭竹屬（Fargesia）的竹類(lèi)，主要分布于云南西部的云龍?zhí)斐?、漕澗等地海拔? 750～3 600m的闊葉林下或成片呈純林［1］。筍可食，稈材用于造紙、編織農(nóng)具等［1］。因云龍箭竹的分布范圍較小，并且多為野生，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)云龍箭竹的研究極少。通過(guò)對(duì)云龍箭竹不同部位、不同年齡的化學(xué)成分和纖維形態(tài)特征進(jìn)行測(cè)定與比較，以期為云龍箭竹的開(kāi)發(fā)利用提供理論數(shù)據(jù)，對(duì)竹漿制紙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
1 材料與方法
1.1 材料
云龍箭竹取自云南省西北部大理白族自治州云龍縣境內(nèi)的天池自然保護(hù)區(qū)。采樣地為竹木混林，地表人為活動(dòng)較少，枯枝落葉層較厚，土壤有機(jī)質(zhì)較多。采樣時(shí)間為2013年7月下旬，參考王雨珺［2］等方法進(jìn)行采樣，隨機(jī)選取3叢長(zhǎng)勢(shì)良好的竹叢，目測(cè)將這3叢竹子的單株劃分為3個(gè)年齡級(jí)別，即竹齡≤1a為Ⅰ齡級(jí)，竹齡1～2a為Ⅱ齡級(jí)，竹齡≥3a為Ⅲ齡級(jí)，每個(gè)齡級(jí)取無(wú)病蟲(chóng)害、竹稈通直的3～4株，齊地砍伐，分為基部（從基部數(shù)第3節(jié)）、中部（第8節(jié)）以及上部（15～17節(jié)）3個(gè)部位，并將材料帶回實(shí)驗(yàn)室烘干備用。
1.2 化學(xué)成分測(cè)定
測(cè)定按照王曙光［3］等方法進(jìn)行，取500～1 000g（風(fēng)干重）的試材，劈成細(xì)片，并加工成刨花，將其用粉碎機(jī)磨碎，過(guò)篩，截取通過(guò)40目篩而不能通過(guò)60目篩的組分，涼至室溫后，貯存于自封袋中，供分析使用。
各項(xiàng)指標(biāo)按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行，平行測(cè)定3次?；曳趾堪碐B／T 2677.3-1993測(cè)定，SiO2含量按GB／T 7978-1987測(cè)定，苯醇抽提物按GB／T 10741-1989測(cè)定，綜纖維素含量按GB／T 2677.10-1995測(cè)定，木素含量按GB／T2677.8-1994和 GB／T 10337-2008 測(cè) 定。 記 錄 數(shù) 據(jù) 并 用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)云龍箭竹不同部位、不同齡級(jí)及同一齡級(jí)不同部位的均值進(jìn)行多重比較和方差分析。
1.3 纖維形態(tài)測(cè)定
參照王曙光［4］等方法進(jìn)行測(cè)定，分別取上述材料節(jié)段中央10cm左右的竹環(huán)，將其削成長(zhǎng)約2cm的火柴棍狀，將其放入25mL具塞試管中，倒入Jeffery離析液（按100g·L-1鉻酸∶100mL·L-1硝酸=1∶1體積比配制）將材料浸沒(méi)，離析36～72h。待材料浸透（用鑷子輕輕一夾即完全散開(kāi)為宜）。將離析液倒出，用蒸餾水沖洗至中性，倒入70%的酒精進(jìn)行保存。
取離析部分以1%番紅染色1～2min后用蒸餾水洗去染液，然后按常規(guī)方法制成制片，通過(guò)顯微鏡（鳳凰牌PH100-3B41L-IPL）用顯微測(cè)微尺測(cè)定纖維長(zhǎng)度、寬度、細(xì)胞腔徑和壁厚等，每一試樣觀測(cè)50根以上纖維，每一部位至少觀察150根纖維，記錄數(shù)據(jù)，然后采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)云龍箭竹不同部位、不同齡級(jí)及同一齡級(jí)不同部位的均值進(jìn)行多重比較與方差分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 化學(xué)成分
測(cè)試結(jié)果顯示，云龍箭竹的灰分含量為1.34%、SiO2含量為0.29%、苯-醇抽提物為3.80%、酸溶木質(zhì)素為2.16%、酸不溶木質(zhì)素為21.58%、綜纖維素含量為69.05%（表1）。
表1 不同部位不同年齡段的云龍箭竹主要化學(xué)成分比較Table 1 Comparison of the main chemical components from different position of F.papyriferaat different age %
2.1.1 不同年齡間云龍箭竹化學(xué)成分的變化 從表1可以看出，不同年齡間云龍箭竹的化學(xué)成分含量不盡相同。其中，云龍箭竹的灰分含量變化隨著稈齡的增加而呈先下降又有所回升的趨勢(shì)，且Ⅰ齡級(jí)與Ⅱ、Ⅲ齡級(jí)間差異顯著；隨著稈齡的增加，SiO2的含量變化在Ⅰ、Ⅱ齡級(jí)間有上升的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)并不明顯；隨著稈齡的增加，綜纖維素含量變化呈先下降再回升的趨勢(shì)，且Ⅱ齡級(jí)與Ⅰ、Ⅲ齡級(jí)間差異顯著；總木質(zhì)素和苯-醇抽提物含量變化隨著稈齡的增加，呈先上升又下降的趨勢(shì)，特別是Ⅰ齡級(jí)和Ⅱ、Ⅲ齡級(jí)之間總木質(zhì)素含量變化趨勢(shì)較為明顯，而苯-醇抽提物含量變化僅在Ⅰ齡級(jí)和Ⅱ齡級(jí)之間差異較為明顯。因此，年齡對(duì)云龍箭竹主要化學(xué)成分含量變化的影響較大。
2.1.2 不同部位間云龍箭竹化學(xué)成分的變化 從表1可以看出，不同部位間的云龍箭竹主要化學(xué)成分含量并不相同，但差異不明顯。其中，隨著竹稈高度的增加，灰分和SiO2含量變化趨勢(shì)一致，即呈先降后升的趨勢(shì)；而苯-醇抽提物含量，隨著竹稈高度的增加而增加，酸溶木質(zhì)素與苯-醇抽提物含量變化趨勢(shì)一致，而酸不溶木質(zhì)素卻相反，總木質(zhì)素在基部含量最高，上部次之，中部最少；而綜纖維素在中部含量最高，基部次之，上部最少。然而，對(duì)云龍箭竹的各項(xiàng)主要化學(xué)成分進(jìn)行方差分析表明，不同部位間的主要化學(xué)成分含量變化并不明顯。因此，部位不是云龍箭竹主要化學(xué)成分含量變化的顯著影響因子。
2.1.3 年齡和部位對(duì)云龍箭竹的影響 隨著年齡和部位的變化，云龍箭竹的主要化學(xué)成分含量也不盡相同。其中Ⅰ齡級(jí)中，除灰分含量和酸不溶木質(zhì)素外，SiO2、苯-醇抽提物、綜纖維素和酸溶木質(zhì)素及總木質(zhì)素含量變化在竹稈軸向上的差異不顯著；灰分在中部和上部中含量較高，基部含量較低，綜纖維素含量具有類(lèi)似的變化趨勢(shì)；總木質(zhì)素含量隨著竹稈高度的增加而逐漸下降。在Ⅱ齡級(jí)中，灰分與SiO2含量具有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，即中部最低，基部次之，上部最高；隨著竹稈高度的增加，綜纖維素含量逐漸下降，上部與基部間差異顯著，而苯-醇抽提物含量卻與綜纖維素含量變化規(guī)律相反，表現(xiàn)為上部最高，中部次之，基部最少，且上部與基、中部間差異顯著；總木質(zhì)素含量變化趨勢(shì)為中部的最低，上部的次之，基部的最高，且基部與中、部差異顯著。在Ⅲ齡級(jí)中，灰分和綜纖維素的含量變化趨勢(shì)類(lèi)似，即隨著竹稈高度的增加而減少，且上部和基部間差異明顯；總木質(zhì)素和SiO2含量也具有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，即中部的最低，上部的次之，基部的最高，且基部與上部間差異明顯；苯-醇抽提物的含量，中部的最低，基部的次之，上部的最高，但三者間差異并不顯著。因此，年齡和部位共同對(duì)云龍箭竹主要化學(xué)成分含量的差異造成了顯著影響。
2.2 纖維形態(tài)特征
試驗(yàn)觀察得知，云龍箭竹的纖維細(xì)胞細(xì)長(zhǎng)，兩端漸尖，細(xì)胞腔徑較小，細(xì)胞壁較厚，偶有細(xì)胞鈍尖，纖維細(xì)胞兩壁常具紋孔（圖1）。云龍箭竹的纖維形態(tài)特征測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。
圖1 云龍箭竹纖維細(xì)胞顯微（A.×10；B.×40；C.×100）Fig.1 The fiber micrographs of F.papyrifera （A.×10；B.×40；C.×100）
2.2.1 纖維的長(zhǎng)度、寬度及長(zhǎng)寬比 一般來(lái)說(shuō)，在一定的范圍內(nèi)，細(xì)而長(zhǎng)的纖維能增加紙張的強(qiáng)度、耐折度和耐破度，并與撕裂度直接相關(guān)，纖維過(guò)短，如平均長(zhǎng)度＜0.4mm，則不宜用于造紙［4］。試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，云龍箭竹纖維長(zhǎng)度在0.41～3.95mm之間，平均長(zhǎng)度為1.61mm、1.53mm以上的纖維約占總數(shù)的50%以上，根據(jù)國(guó)際木材解剖學(xué)會(huì)的規(guī)定，纖維長(zhǎng)度在0.90mm以下的為短纖維，＞1.60 mm的為長(zhǎng)纖維，介于二者間的中級(jí)纖維，＞3.00 mm的為極長(zhǎng)纖維［5-6］，因此，云龍箭竹還是以中長(zhǎng)纖維為主；寬度為5.20～49.40μm，平均寬度16.36 μm；長(zhǎng)寬比的區(qū)間為26.77～371.25，平均值為105.69。從表2可以看出，云龍箭竹的纖維細(xì)胞長(zhǎng)度及長(zhǎng)寬比呈現(xiàn)出隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸變短的變化趨勢(shì)，且Ⅰ齡級(jí)與Ⅱ、Ⅲ齡級(jí)之間差異極顯著；而纖維細(xì)胞的寬度卻為Ⅱ齡級(jí)＞Ⅲ齡級(jí)＞Ⅰ齡級(jí)，且Ⅰ、Ⅱ齡級(jí)間差異顯著。由此可見(jiàn)，年齡對(duì)云龍箭竹纖維細(xì)胞的長(zhǎng)度、寬度及長(zhǎng)寬比影響較為明顯。從竹稈部位的變化來(lái)看，云龍箭竹的纖維細(xì)胞通常中部的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，中部的長(zhǎng)寬比遠(yuǎn)大于上部和基部的，且無(wú)論是纖維長(zhǎng)度還是長(zhǎng)寬比這種差異都較為明顯。因此，年齡和部位對(duì)云南箭竹纖維長(zhǎng)度及長(zhǎng)寬比影響顯著。
2.2.2 纖維的壁厚、腔徑及壁腔比 測(cè)試結(jié)果顯示：云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁厚在1.95～20.54μm之間，平均厚度為6.80μm；細(xì)胞腔徑在0.26～23.40μm之間，均值為2.77；細(xì)胞壁腔比在0.22～99.00之間，均值為9.38。隨著年齡的增長(zhǎng)，云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁厚呈現(xiàn)出逐漸加厚的趨勢(shì)，且Ⅰ齡級(jí)與Ⅲ齡級(jí)之間差異顯著，Ⅱ齡級(jí)與Ⅰ、Ⅲ齡級(jí)之間差異不顯著。然而，在不同部位間，云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁厚變化規(guī)律并不明顯。另外，云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁腔比，隨著竹稈高度的增加表現(xiàn)出先上升再下降的趨勢(shì)，且基部與中、上部差異顯著，而中部與上部間差異并不顯著；隨著年齡的增長(zhǎng)，云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁腔比呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢(shì)，且Ⅰ齡級(jí)與Ⅲ齡級(jí)之間差異顯著，而Ⅰ齡級(jí)與Ⅱ齡級(jí)之間及Ⅱ齡級(jí)與Ⅲ齡級(jí)之間差異不顯著。因此，年齡和部位也是云龍箭竹纖維細(xì)胞壁腔比變化的顯著影響因子，年齡是纖維細(xì)胞加厚的顯著影響因素。
表2 云龍箭竹不同部位不同年齡纖維形態(tài)比較Table 2 The fiber characteristics of F.papyriferafrom different positions and ages
2.2.3 纖維長(zhǎng)度的頻率分布 纖維長(zhǎng)度的頻率分布是確定紙漿原料配合率的主要依據(jù)，也是衡量造紙?jiān)蟽?yōu)劣的重要指標(biāo)［7］。在造紙?jiān)现?，纖維分布在較長(zhǎng)級(jí)中且頻率又高者，其紙漿質(zhì)量一定優(yōu)良。對(duì)云龍箭竹的纖維長(zhǎng)度進(jìn)行頻率分析可知，云龍箭竹的纖維長(zhǎng)度主要集中在0.75～2.25mm之間，兩級(jí)的纖維分布只占少數(shù)，平均長(zhǎng)度為1.61mm（圖2）。從圖2可看出，云龍箭竹的纖維長(zhǎng)度大致呈正態(tài)分布，由于偏度為0.62＞0，說(shuō)明云龍箭竹纖維長(zhǎng)度頻率分布呈右偏態(tài)，纖維長(zhǎng)度最大頻率集中在1.00～1.50mm之間，均值右邊較為分散，平均長(zhǎng)度在1.50mm以上的占總數(shù)的1／2以上，因此，云龍箭竹的纖維組成以中長(zhǎng)纖維為主。
圖2 云龍箭竹纖維長(zhǎng)度頻率分布Fig.2 The fiber length frequency distribution of F.papyrifera
3 討論
3.1 化學(xué)成分
云龍箭竹的灰分含量均值隨著年齡的增長(zhǎng)而呈先下降再略上升的變化趨勢(shì)，而張齊生［8］等認(rèn)為前5年生毛竹（Phylleslachy edulis）竹材的灰分含量隨著稈齡的增加而減少，5年生以上的竹材卻隨著稈齡的增加而增加，出現(xiàn)這種差異的原因，王曙光［3］等認(rèn)為可能是取材目測(cè)的差異造成的。而SiO2含量的均值卻隨著稈齡的增加而呈先上升再略有下降的趨勢(shì)，筆者認(rèn)為這可能是隨著竹齡的增加，薄壁細(xì)胞的數(shù)量逐漸減少，竹子向土壤吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力有所下降，硅以非結(jié)晶水化合物SiO2的形式不斷地沉積在纖維細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙中，并以硅酸鹽的形式在竹子中運(yùn)輸。而苯-醇抽提物含量隨著稈齡的增加，也表現(xiàn)出先增加再下降的趨勢(shì)。H.Norul Hisham［9］等認(rèn)為苯-醇抽提物含量在不同稈齡間并沒(méi)有顯著的變化趨勢(shì)，而在云龍箭竹中，Ⅱ齡級(jí)中的苯-醇抽提物含量顯著高于Ⅰ、Ⅲ齡級(jí)中的。總木質(zhì)素含量的均值變化趨勢(shì)與苯-醇抽提物的類(lèi)似，但Ⅰ齡級(jí)中的顯著低于Ⅱ、Ⅲ齡級(jí)中的，說(shuō)明隨著稈齡的增加，云龍箭竹纖維細(xì)胞的木質(zhì)化程度在Ⅰ齡級(jí)至Ⅱ齡級(jí)間較為明顯，而到Ⅲ齡級(jí)略有下降趨勢(shì)，但不明顯。張齊生［8］等認(rèn)為木質(zhì)素含量的變化隨著年齡的增加而逐漸增加，筆者認(rèn)為這種變化趨勢(shì)的差異不僅與取材目測(cè)差異有關(guān)，而且可能與竹種不同及同種竹種不同分布環(huán)境也有關(guān)系；不同稈齡云龍箭竹的綜纖維素含量均值表現(xiàn)為Ⅱ齡級(jí)的最低，Ⅲ齡級(jí)的次之，Ⅰ齡級(jí)的最高，且Ⅱ齡級(jí)中顯著低于Ⅰ、Ⅲ齡級(jí)中的。另外，不同部位竹稈中的主要化學(xué)成分變化規(guī)律并不明顯，各個(gè)年齡段的云龍箭竹，從竹稈基部到上部變化規(guī)律不一致，無(wú)法得出一致的規(guī)律。因此，年齡是云龍箭竹的主要化學(xué)成分存在差異的顯著影響因素。
此外，研究表明海拔和緯度對(duì)竹材主要化學(xué)成分的含量也會(huì)有影響。劉主凰［10］等認(rèn)為人工毛竹林的灰分、苯-醇抽提物及木質(zhì)素含量，隨著海拔高度的增加而逐漸升高；鄭蓉［11］認(rèn)為毛竹木質(zhì)素含量受不同海拔高度的影響；賈舉慶［12］等報(bào)道有關(guān)緯度變化對(duì)慈竹（Neosinocalamus offinis）和硬頭黃（Bambusa rigida）木質(zhì)素含量的影響，認(rèn)為緯度變化對(duì)木質(zhì)素含量變化的影響因竹種而異。然而，云龍箭竹主要分布在云南西部高寒山區(qū)，分布范圍較小，目前尚未進(jìn)行引種實(shí)驗(yàn)，無(wú)法分析比較不同海拔和緯度對(duì)其主要化學(xué)成分含量變化的影響。
同時(shí)，與其他竹種相比，云龍箭竹的灰分和SiO2含量分別為1.34%和0.29%，明顯低于云南箭竹的2.51%和1.70%；總木質(zhì)素含量為23.74%，略高于青皮竹（B.textilis）的22.89%，略低于云南箭竹的24.57%；苯-醇抽提物含量為3.80%，略低于云南箭竹的3.84%，低于青皮竹的5.81%，高于車(chē)筒竹（B.sinospinosa）的2.47%；綜纖維素含量為69.05%，高于云南箭竹的65.59%，低于青皮竹的72.24%［3，7］。因此，不同竹種之間的主要化學(xué)成分的含量并不一致。
3.2 纖維形態(tài)特征
同一長(zhǎng)度的纖維，長(zhǎng)寬比大的纖維，其易彎曲性較大，易形成結(jié)合性較好的紙張，長(zhǎng)寬比越大，其撕裂強(qiáng)度、交織性、彈性及柔韌性越高。造紙工業(yè)上一般認(rèn)為纖維長(zhǎng)寬比大于100的，才是比較好的造紙?jiān)?，且比值越大越好?-7］。測(cè)試結(jié)果顯示，云龍箭竹的長(zhǎng)寬比均值為105.69。因此，云龍箭竹適合作為紙漿原料。
有關(guān)纖維長(zhǎng)度和部位之間的關(guān)系，通常認(rèn)為纖維的長(zhǎng)度與節(jié)間的長(zhǎng)度有關(guān)，即節(jié)間較長(zhǎng)的中部存在較長(zhǎng)的纖維，基部和上部的纖維較短。林樹(shù)燕［13］等認(rèn)為金絲慈竹（Bambusa affinis）纖維的平均長(zhǎng)度的縱向變異規(guī)律在1年生和2年生中表現(xiàn)為基部＞中部＞上部，在3年生中表現(xiàn)為中部＞基部＞上部；S G Wang［14］等認(rèn)為云南箭竹的纖維長(zhǎng)度在中部的最長(zhǎng)，基部的次之，上部的最短；云龍箭竹的纖維平均長(zhǎng)度的縱向變化規(guī)律除Ⅰ齡級(jí)中的為中部＞上部＞基部外，總體上與云南箭竹具有類(lèi)似的規(guī)律?？傮w上，竹子的纖維長(zhǎng)度與竹種的節(jié)間長(zhǎng)度相關(guān)，因此，在篩選適合造紙的竹種的過(guò)程中，需要綜合考慮不同竹種節(jié)間長(zhǎng)度對(duì)纖維長(zhǎng)度的影響。
研究表明，稈齡對(duì)纖維細(xì)胞壁的加厚程度影響也較大。甘小洪［15］等認(rèn)為1a之中的毛竹莖稈纖維細(xì)胞壁的積累主要集中在3-6月份，在前3a中，纖維細(xì)胞壁的加厚趨勢(shì)較為明顯，以后將趨于穩(wěn)定，并認(rèn)為這種加厚方式與竹材材質(zhì)的增進(jìn)密切相關(guān)，有利于竹稈生長(zhǎng)早期對(duì)外力破壞的抵制。云龍箭竹纖維細(xì)胞壁的平均厚度從Ⅰ齡級(jí)到Ⅲ齡級(jí)時(shí)，加厚程度較為明顯，因此，稈齡對(duì)云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁的加厚程度造成了顯著影響。然而，從竹稈基部到上部，纖維細(xì)胞壁的加厚程度總體上變化規(guī)律并不明顯。
另外，壁腔比即纖維細(xì)胞雙倍胞壁厚與胞腔直徑之比，又稱Runkel比率，也是造紙工業(yè)衡量纖維原料優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一。通常壁厚腔細(xì)的纖維，造紙的質(zhì)量越好。Runkel認(rèn)為纖維壁腔比＜1的為上等纖維原料，＞1的為劣等原料，=1的為中等纖維原料［16］。云龍箭竹的壁腔比均值為9.38，基于此，云龍箭竹屬于劣等纖維原料。
4 結(jié)論
從主要化學(xué)成分的組成情況來(lái)看，云龍箭竹的灰分及SiO2含量較低，木質(zhì)素和苯-醇抽提物含量中等，綜纖維素含量較高，能得到較好的紙漿得率，用于造紙，原料的利用率較高，化學(xué)藥品浪費(fèi)較少，環(huán)境污染較少，因此，可考慮用于造紙。
從纖維形態(tài)特征來(lái)看，云龍箭竹的纖維細(xì)胞長(zhǎng)度中等，長(zhǎng)寬比適中，但纖維細(xì)胞壁腔比較高，屬于劣等紙漿原料，因此，在進(jìn)行造紙?jiān)线x擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮原料的各項(xiàng)指標(biāo)，以提高經(jīng)濟(jì)效益。
致謝：感謝云龍縣天池自然保護(hù)區(qū)為本試驗(yàn)提供材料，感謝徐會(huì)明、張利周副局長(zhǎng)對(duì)本試驗(yàn)取材的支持！
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唐國(guó)建，楊金梅，王曙光，羅燕歡，岳聞娟
（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明650224）
云龍箭竹（Fargesia papyrifera），又稱實(shí)心竹，屬禾本科（Gramineae）竹亞科（Bambusoideae）箭竹屬（Fargesia）的竹類(lèi)，主要分布于云南西部的云龍?zhí)斐?、漕澗等地海拔? 750～3 600m的闊葉林下或成片呈純林［1］。筍可食，稈材用于造紙、編織農(nóng)具等［1］。因云龍箭竹的分布范圍較小，并且多為野生，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)云龍箭竹的研究極少。通過(guò)對(duì)云龍箭竹不同部位、不同年齡的化學(xué)成分和纖維形態(tài)特征進(jìn)行測(cè)定與比較，以期為云龍箭竹的開(kāi)發(fā)利用提供理論數(shù)據(jù)，對(duì)竹漿制紙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
1 材料與方法
1.1 材料
云龍箭竹取自云南省西北部大理白族自治州云龍縣境內(nèi)的天池自然保護(hù)區(qū)。采樣地為竹木混林，地表人為活動(dòng)較少，枯枝落葉層較厚，土壤有機(jī)質(zhì)較多。采樣時(shí)間為2013年7月下旬，參考王雨珺［2］等方法進(jìn)行采樣，隨機(jī)選取3叢長(zhǎng)勢(shì)良好的竹叢，目測(cè)將這3叢竹子的單株劃分為3個(gè)年齡級(jí)別，即竹齡≤1a為Ⅰ齡級(jí)，竹齡1～2a為Ⅱ齡級(jí)，竹齡≥3a為Ⅲ齡級(jí)，每個(gè)齡級(jí)取無(wú)病蟲(chóng)害、竹稈通直的3～4株，齊地砍伐，分為基部（從基部數(shù)第3節(jié)）、中部（第8節(jié)）以及上部（15～17節(jié)）3個(gè)部位，并將材料帶回實(shí)驗(yàn)室烘干備用。
1.2 化學(xué)成分測(cè)定
測(cè)定按照王曙光［3］等方法進(jìn)行，取500～1 000g（風(fēng)干重）的試材，劈成細(xì)片，并加工成刨花，將其用粉碎機(jī)磨碎，過(guò)篩，截取通過(guò)40目篩而不能通過(guò)60目篩的組分，涼至室溫后，貯存于自封袋中，供分析使用。
各項(xiàng)指標(biāo)按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行，平行測(cè)定3次?；曳趾堪碐B／T 2677.3-1993測(cè)定，SiO2含量按GB／T 7978-1987測(cè)定，苯醇抽提物按GB／T 10741-1989測(cè)定，綜纖維素含量按GB／T 2677.10-1995測(cè)定，木素含量按GB／T2677.8-1994和 GB／T 10337-2008 測(cè) 定。 記 錄 數(shù) 據(jù) 并 用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)云龍箭竹不同部位、不同齡級(jí)及同一齡級(jí)不同部位的均值進(jìn)行多重比較和方差分析。
1.3 纖維形態(tài)測(cè)定
參照王曙光［4］等方法進(jìn)行測(cè)定，分別取上述材料節(jié)段中央10cm左右的竹環(huán)，將其削成長(zhǎng)約2cm的火柴棍狀，將其放入25mL具塞試管中，倒入Jeffery離析液（按100g·L-1鉻酸∶100mL·L-1硝酸=1∶1體積比配制）將材料浸沒(méi)，離析36～72h。待材料浸透（用鑷子輕輕一夾即完全散開(kāi)為宜）。將離析液倒出，用蒸餾水沖洗至中性，倒入70%的酒精進(jìn)行保存。
取離析部分以1%番紅染色1～2min后用蒸餾水洗去染液，然后按常規(guī)方法制成制片，通過(guò)顯微鏡（鳳凰牌PH100-3B41L-IPL）用顯微測(cè)微尺測(cè)定纖維長(zhǎng)度、寬度、細(xì)胞腔徑和壁厚等，每一試樣觀測(cè)50根以上纖維，每一部位至少觀察150根纖維，記錄數(shù)據(jù)，然后采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)云龍箭竹不同部位、不同齡級(jí)及同一齡級(jí)不同部位的均值進(jìn)行多重比較與方差分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 化學(xué)成分
測(cè)試結(jié)果顯示，云龍箭竹的灰分含量為1.34%、SiO2含量為0.29%、苯-醇抽提物為3.80%、酸溶木質(zhì)素為2.16%、酸不溶木質(zhì)素為21.58%、綜纖維素含量為69.05%（表1）。
表1 不同部位不同年齡段的云龍箭竹主要化學(xué)成分比較Table 1 Comparison of the main chemical components from different position of F.papyriferaat different age %
2.1.1 不同年齡間云龍箭竹化學(xué)成分的變化 從表1可以看出，不同年齡間云龍箭竹的化學(xué)成分含量不盡相同。其中，云龍箭竹的灰分含量變化隨著稈齡的增加而呈先下降又有所回升的趨勢(shì)，且Ⅰ齡級(jí)與Ⅱ、Ⅲ齡級(jí)間差異顯著；隨著稈齡的增加，SiO2的含量變化在Ⅰ、Ⅱ齡級(jí)間有上升的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)并不明顯；隨著稈齡的增加，綜纖維素含量變化呈先下降再回升的趨勢(shì)，且Ⅱ齡級(jí)與Ⅰ、Ⅲ齡級(jí)間差異顯著；總木質(zhì)素和苯-醇抽提物含量變化隨著稈齡的增加，呈先上升又下降的趨勢(shì)，特別是Ⅰ齡級(jí)和Ⅱ、Ⅲ齡級(jí)之間總木質(zhì)素含量變化趨勢(shì)較為明顯，而苯-醇抽提物含量變化僅在Ⅰ齡級(jí)和Ⅱ齡級(jí)之間差異較為明顯。因此，年齡對(duì)云龍箭竹主要化學(xué)成分含量變化的影響較大。
2.1.2 不同部位間云龍箭竹化學(xué)成分的變化 從表1可以看出，不同部位間的云龍箭竹主要化學(xué)成分含量并不相同，但差異不明顯。其中，隨著竹稈高度的增加，灰分和SiO2含量變化趨勢(shì)一致，即呈先降后升的趨勢(shì)；而苯-醇抽提物含量，隨著竹稈高度的增加而增加，酸溶木質(zhì)素與苯-醇抽提物含量變化趨勢(shì)一致，而酸不溶木質(zhì)素卻相反，總木質(zhì)素在基部含量最高，上部次之，中部最少；而綜纖維素在中部含量最高，基部次之，上部最少。然而，對(duì)云龍箭竹的各項(xiàng)主要化學(xué)成分進(jìn)行方差分析表明，不同部位間的主要化學(xué)成分含量變化并不明顯。因此，部位不是云龍箭竹主要化學(xué)成分含量變化的顯著影響因子。
2.1.3 年齡和部位對(duì)云龍箭竹的影響 隨著年齡和部位的變化，云龍箭竹的主要化學(xué)成分含量也不盡相同。其中Ⅰ齡級(jí)中，除灰分含量和酸不溶木質(zhì)素外，SiO2、苯-醇抽提物、綜纖維素和酸溶木質(zhì)素及總木質(zhì)素含量變化在竹稈軸向上的差異不顯著；灰分在中部和上部中含量較高，基部含量較低，綜纖維素含量具有類(lèi)似的變化趨勢(shì)；總木質(zhì)素含量隨著竹稈高度的增加而逐漸下降。在Ⅱ齡級(jí)中，灰分與SiO2含量具有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，即中部最低，基部次之，上部最高；隨著竹稈高度的增加，綜纖維素含量逐漸下降，上部與基部間差異顯著，而苯-醇抽提物含量卻與綜纖維素含量變化規(guī)律相反，表現(xiàn)為上部最高，中部次之，基部最少，且上部與基、中部間差異顯著；總木質(zhì)素含量變化趨勢(shì)為中部的最低，上部的次之，基部的最高，且基部與中、部差異顯著。在Ⅲ齡級(jí)中，灰分和綜纖維素的含量變化趨勢(shì)類(lèi)似，即隨著竹稈高度的增加而減少，且上部和基部間差異明顯；總木質(zhì)素和SiO2含量也具有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，即中部的最低，上部的次之，基部的最高，且基部與上部間差異明顯；苯-醇抽提物的含量，中部的最低，基部的次之，上部的最高，但三者間差異并不顯著。因此，年齡和部位共同對(duì)云龍箭竹主要化學(xué)成分含量的差異造成了顯著影響。
2.2 纖維形態(tài)特征
試驗(yàn)觀察得知，云龍箭竹的纖維細(xì)胞細(xì)長(zhǎng)，兩端漸尖，細(xì)胞腔徑較小，細(xì)胞壁較厚，偶有細(xì)胞鈍尖，纖維細(xì)胞兩壁常具紋孔（圖1）。云龍箭竹的纖維形態(tài)特征測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。
圖1 云龍箭竹纖維細(xì)胞顯微（A.×10；B.×40；C.×100）Fig.1 The fiber micrographs of F.papyrifera （A.×10；B.×40；C.×100）
2.2.1 纖維的長(zhǎng)度、寬度及長(zhǎng)寬比 一般來(lái)說(shuō)，在一定的范圍內(nèi)，細(xì)而長(zhǎng)的纖維能增加紙張的強(qiáng)度、耐折度和耐破度，并與撕裂度直接相關(guān)，纖維過(guò)短，如平均長(zhǎng)度＜0.4mm，則不宜用于造紙［4］。試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，云龍箭竹纖維長(zhǎng)度在0.41～3.95mm之間，平均長(zhǎng)度為1.61mm、1.53mm以上的纖維約占總數(shù)的50%以上，根據(jù)國(guó)際木材解剖學(xué)會(huì)的規(guī)定，纖維長(zhǎng)度在0.90mm以下的為短纖維，＞1.60 mm的為長(zhǎng)纖維，介于二者間的中級(jí)纖維，＞3.00 mm的為極長(zhǎng)纖維［5-6］，因此，云龍箭竹還是以中長(zhǎng)纖維為主；寬度為5.20～49.40μm，平均寬度16.36 μm；長(zhǎng)寬比的區(qū)間為26.77～371.25，平均值為105.69。從表2可以看出，云龍箭竹的纖維細(xì)胞長(zhǎng)度及長(zhǎng)寬比呈現(xiàn)出隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸變短的變化趨勢(shì)，且Ⅰ齡級(jí)與Ⅱ、Ⅲ齡級(jí)之間差異極顯著；而纖維細(xì)胞的寬度卻為Ⅱ齡級(jí)＞Ⅲ齡級(jí)＞Ⅰ齡級(jí)，且Ⅰ、Ⅱ齡級(jí)間差異顯著。由此可見(jiàn)，年齡對(duì)云龍箭竹纖維細(xì)胞的長(zhǎng)度、寬度及長(zhǎng)寬比影響較為明顯。從竹稈部位的變化來(lái)看，云龍箭竹的纖維細(xì)胞通常中部的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，中部的長(zhǎng)寬比遠(yuǎn)大于上部和基部的，且無(wú)論是纖維長(zhǎng)度還是長(zhǎng)寬比這種差異都較為明顯。因此，年齡和部位對(duì)云南箭竹纖維長(zhǎng)度及長(zhǎng)寬比影響顯著。
2.2.2 纖維的壁厚、腔徑及壁腔比 測(cè)試結(jié)果顯示：云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁厚在1.95～20.54μm之間，平均厚度為6.80μm；細(xì)胞腔徑在0.26～23.40μm之間，均值為2.77；細(xì)胞壁腔比在0.22～99.00之間，均值為9.38。隨著年齡的增長(zhǎng)，云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁厚呈現(xiàn)出逐漸加厚的趨勢(shì)，且Ⅰ齡級(jí)與Ⅲ齡級(jí)之間差異顯著，Ⅱ齡級(jí)與Ⅰ、Ⅲ齡級(jí)之間差異不顯著。然而，在不同部位間，云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁厚變化規(guī)律并不明顯。另外，云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁腔比，隨著竹稈高度的增加表現(xiàn)出先上升再下降的趨勢(shì)，且基部與中、上部差異顯著，而中部與上部間差異并不顯著；隨著年齡的增長(zhǎng)，云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁腔比呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢(shì)，且Ⅰ齡級(jí)與Ⅲ齡級(jí)之間差異顯著，而Ⅰ齡級(jí)與Ⅱ齡級(jí)之間及Ⅱ齡級(jí)與Ⅲ齡級(jí)之間差異不顯著。因此，年齡和部位也是云龍箭竹纖維細(xì)胞壁腔比變化的顯著影響因子，年齡是纖維細(xì)胞加厚的顯著影響因素。
表2 云龍箭竹不同部位不同年齡纖維形態(tài)比較Table 2 The fiber characteristics of F.papyriferafrom different positions and ages
2.2.3 纖維長(zhǎng)度的頻率分布 纖維長(zhǎng)度的頻率分布是確定紙漿原料配合率的主要依據(jù)，也是衡量造紙?jiān)蟽?yōu)劣的重要指標(biāo)［7］。在造紙?jiān)现?，纖維分布在較長(zhǎng)級(jí)中且頻率又高者，其紙漿質(zhì)量一定優(yōu)良。對(duì)云龍箭竹的纖維長(zhǎng)度進(jìn)行頻率分析可知，云龍箭竹的纖維長(zhǎng)度主要集中在0.75～2.25mm之間，兩級(jí)的纖維分布只占少數(shù)，平均長(zhǎng)度為1.61mm（圖2）。從圖2可看出，云龍箭竹的纖維長(zhǎng)度大致呈正態(tài)分布，由于偏度為0.62＞0，說(shuō)明云龍箭竹纖維長(zhǎng)度頻率分布呈右偏態(tài)，纖維長(zhǎng)度最大頻率集中在1.00～1.50mm之間，均值右邊較為分散，平均長(zhǎng)度在1.50mm以上的占總數(shù)的1／2以上，因此，云龍箭竹的纖維組成以中長(zhǎng)纖維為主。
圖2 云龍箭竹纖維長(zhǎng)度頻率分布Fig.2 The fiber length frequency distribution of F.papyrifera
3 討論
3.1 化學(xué)成分
云龍箭竹的灰分含量均值隨著年齡的增長(zhǎng)而呈先下降再略上升的變化趨勢(shì)，而張齊生［8］等認(rèn)為前5年生毛竹（Phylleslachy edulis）竹材的灰分含量隨著稈齡的增加而減少，5年生以上的竹材卻隨著稈齡的增加而增加，出現(xiàn)這種差異的原因，王曙光［3］等認(rèn)為可能是取材目測(cè)的差異造成的。而SiO2含量的均值卻隨著稈齡的增加而呈先上升再略有下降的趨勢(shì)，筆者認(rèn)為這可能是隨著竹齡的增加，薄壁細(xì)胞的數(shù)量逐漸減少，竹子向土壤吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力有所下降，硅以非結(jié)晶水化合物SiO2的形式不斷地沉積在纖維細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙中，并以硅酸鹽的形式在竹子中運(yùn)輸。而苯-醇抽提物含量隨著稈齡的增加，也表現(xiàn)出先增加再下降的趨勢(shì)。H.Norul Hisham［9］等認(rèn)為苯-醇抽提物含量在不同稈齡間并沒(méi)有顯著的變化趨勢(shì)，而在云龍箭竹中，Ⅱ齡級(jí)中的苯-醇抽提物含量顯著高于Ⅰ、Ⅲ齡級(jí)中的。總木質(zhì)素含量的均值變化趨勢(shì)與苯-醇抽提物的類(lèi)似，但Ⅰ齡級(jí)中的顯著低于Ⅱ、Ⅲ齡級(jí)中的，說(shuō)明隨著稈齡的增加，云龍箭竹纖維細(xì)胞的木質(zhì)化程度在Ⅰ齡級(jí)至Ⅱ齡級(jí)間較為明顯，而到Ⅲ齡級(jí)略有下降趨勢(shì)，但不明顯。張齊生［8］等認(rèn)為木質(zhì)素含量的變化隨著年齡的增加而逐漸增加，筆者認(rèn)為這種變化趨勢(shì)的差異不僅與取材目測(cè)差異有關(guān)，而且可能與竹種不同及同種竹種不同分布環(huán)境也有關(guān)系；不同稈齡云龍箭竹的綜纖維素含量均值表現(xiàn)為Ⅱ齡級(jí)的最低，Ⅲ齡級(jí)的次之，Ⅰ齡級(jí)的最高，且Ⅱ齡級(jí)中顯著低于Ⅰ、Ⅲ齡級(jí)中的。另外，不同部位竹稈中的主要化學(xué)成分變化規(guī)律并不明顯，各個(gè)年齡段的云龍箭竹，從竹稈基部到上部變化規(guī)律不一致，無(wú)法得出一致的規(guī)律。因此，年齡是云龍箭竹的主要化學(xué)成分存在差異的顯著影響因素。
此外，研究表明海拔和緯度對(duì)竹材主要化學(xué)成分的含量也會(huì)有影響。劉主凰［10］等認(rèn)為人工毛竹林的灰分、苯-醇抽提物及木質(zhì)素含量，隨著海拔高度的增加而逐漸升高；鄭蓉［11］認(rèn)為毛竹木質(zhì)素含量受不同海拔高度的影響；賈舉慶［12］等報(bào)道有關(guān)緯度變化對(duì)慈竹（Neosinocalamus offinis）和硬頭黃（Bambusa rigida）木質(zhì)素含量的影響，認(rèn)為緯度變化對(duì)木質(zhì)素含量變化的影響因竹種而異。然而，云龍箭竹主要分布在云南西部高寒山區(qū)，分布范圍較小，目前尚未進(jìn)行引種實(shí)驗(yàn)，無(wú)法分析比較不同海拔和緯度對(duì)其主要化學(xué)成分含量變化的影響。
同時(shí)，與其他竹種相比，云龍箭竹的灰分和SiO2含量分別為1.34%和0.29%，明顯低于云南箭竹的2.51%和1.70%；總木質(zhì)素含量為23.74%，略高于青皮竹（B.textilis）的22.89%，略低于云南箭竹的24.57%；苯-醇抽提物含量為3.80%，略低于云南箭竹的3.84%，低于青皮竹的5.81%，高于車(chē)筒竹（B.sinospinosa）的2.47%；綜纖維素含量為69.05%，高于云南箭竹的65.59%，低于青皮竹的72.24%［3，7］。因此，不同竹種之間的主要化學(xué)成分的含量并不一致。
3.2 纖維形態(tài)特征
同一長(zhǎng)度的纖維，長(zhǎng)寬比大的纖維，其易彎曲性較大，易形成結(jié)合性較好的紙張，長(zhǎng)寬比越大，其撕裂強(qiáng)度、交織性、彈性及柔韌性越高。造紙工業(yè)上一般認(rèn)為纖維長(zhǎng)寬比大于100的，才是比較好的造紙?jiān)?，且比值越大越好?-7］。測(cè)試結(jié)果顯示，云龍箭竹的長(zhǎng)寬比均值為105.69。因此，云龍箭竹適合作為紙漿原料。
有關(guān)纖維長(zhǎng)度和部位之間的關(guān)系，通常認(rèn)為纖維的長(zhǎng)度與節(jié)間的長(zhǎng)度有關(guān)，即節(jié)間較長(zhǎng)的中部存在較長(zhǎng)的纖維，基部和上部的纖維較短。林樹(shù)燕［13］等認(rèn)為金絲慈竹（Bambusa affinis）纖維的平均長(zhǎng)度的縱向變異規(guī)律在1年生和2年生中表現(xiàn)為基部＞中部＞上部，在3年生中表現(xiàn)為中部＞基部＞上部；S G Wang［14］等認(rèn)為云南箭竹的纖維長(zhǎng)度在中部的最長(zhǎng)，基部的次之，上部的最短；云龍箭竹的纖維平均長(zhǎng)度的縱向變化規(guī)律除Ⅰ齡級(jí)中的為中部＞上部＞基部外，總體上與云南箭竹具有類(lèi)似的規(guī)律?？傮w上，竹子的纖維長(zhǎng)度與竹種的節(jié)間長(zhǎng)度相關(guān)，因此，在篩選適合造紙的竹種的過(guò)程中，需要綜合考慮不同竹種節(jié)間長(zhǎng)度對(duì)纖維長(zhǎng)度的影響。
研究表明，稈齡對(duì)纖維細(xì)胞壁的加厚程度影響也較大。甘小洪［15］等認(rèn)為1a之中的毛竹莖稈纖維細(xì)胞壁的積累主要集中在3-6月份，在前3a中，纖維細(xì)胞壁的加厚趨勢(shì)較為明顯，以后將趨于穩(wěn)定，并認(rèn)為這種加厚方式與竹材材質(zhì)的增進(jìn)密切相關(guān)，有利于竹稈生長(zhǎng)早期對(duì)外力破壞的抵制。云龍箭竹纖維細(xì)胞壁的平均厚度從Ⅰ齡級(jí)到Ⅲ齡級(jí)時(shí)，加厚程度較為明顯，因此，稈齡對(duì)云龍箭竹的纖維細(xì)胞壁的加厚程度造成了顯著影響。然而，從竹稈基部到上部，纖維細(xì)胞壁的加厚程度總體上變化規(guī)律并不明顯。
另外，壁腔比即纖維細(xì)胞雙倍胞壁厚與胞腔直徑之比，又稱Runkel比率，也是造紙工業(yè)衡量纖維原料優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一。通常壁厚腔細(xì)的纖維，造紙的質(zhì)量越好。Runkel認(rèn)為纖維壁腔比＜1的為上等纖維原料，＞1的為劣等原料，=1的為中等纖維原料［16］。云龍箭竹的壁腔比均值為9.38，基于此，云龍箭竹屬于劣等纖維原料。
4 結(jié)論
從主要化學(xué)成分的組成情況來(lái)看，云龍箭竹的灰分及SiO2含量較低，木質(zhì)素和苯-醇抽提物含量中等，綜纖維素含量較高，能得到較好的紙漿得率，用于造紙，原料的利用率較高，化學(xué)藥品浪費(fèi)較少，環(huán)境污染較少，因此，可考慮用于造紙。
從纖維形態(tài)特征來(lái)看，云龍箭竹的纖維細(xì)胞長(zhǎng)度中等，長(zhǎng)寬比適中，但纖維細(xì)胞壁腔比較高，屬于劣等紙漿原料，因此，在進(jìn)行造紙?jiān)线x擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮原料的各項(xiàng)指標(biāo)，以提高經(jīng)濟(jì)效益。
致謝：感謝云龍縣天池自然保護(hù)區(qū)為本試驗(yàn)提供材料，感謝徐會(huì)明、張利周副局長(zhǎng)對(duì)本試驗(yàn)取材的支持！
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