2种造林方式的毛竹材质生成中微纤丝角的变化

杨淑敏，江泽慧，任海青，费本华

（中国林业科学研究院 木材工业研究所，北京100091）

微纤丝角（microfibril angle，MFA）为细胞次生壁S2层微纤丝排列方向与细胞主轴所形成的夹角，或可表述为细胞壁中纤维素链的螺旋卷索与纤维轴之间的夹角［1－2］。微纤丝角大小对木材性质、纸张强度、纤维复合材料性能及纺织品强度均有很大的影响［3－4］，是衡量木材性质的重要指标之一。传统测定微纤丝角的方法有碘染色法、汞浸渍法、偏光显微镜法、X-射线衍射法和荧光显微镜法等。X-射线衍射法测定的微纤丝角是大量数据的平均值，具有快速、准确、可信度高等优点，应用较广。近年来，对针阔叶树微纤丝角的变异规律及其与其他物理力学和化学特性的相关关系进行了大量研究，但对竹材的研究还比较少［5－7］。毛竹Phyllostachys pubescens是中国南方重要的森林资源，据不完全统计，中国现有毛竹林面积达300万hm2，约占全世界竹林面积的20%，并且近年来栽植面积有不断扩大趋势［8］。笔者选取了由实生苗和埋鞭育苗培育的毛竹的各3个竹龄的竹材，探讨毛竹微纤丝角的时空变异规律，从而揭示竹材生长发育规律及其结构形成与功能的相互关系，为合理有效地开发竹材资源提供科学依据。

1 实验材料和方法

1.1 试验区概况

庙山坞自然保护区（30°03′～3O°06′N，119°56′～120°02′E）位于中国亚热带北部的浙江省富阳市，属浙西低山丘陵区天目山系余脉，山体主脉呈东西走向，由主脉延伸的多呈南北向，支脉为本区主体，峡谷相间，谷向朝南，濒临富春江。海拔为50.0～536.9 m，土壤为长石砂岩或石英砂岩发育而成的红壤。气候属中亚热带季风气候，季风显著，四季分明，降水充沛，温暖湿润，水热资源丰富。区内气候温和，夏季炎热，冬少严寒；年平均气温16.1℃，极端最高气温40.2℃，极端最低气温－14.4℃；年平均降水量为1 441.9 mm，多集中于5-6月。其中黄公望森林公园森林面积为333 hm2，森林覆盖面积96.5%，是中国林业科学研究院亚热带林业研究所的竹木研究基地。

1.2 试验材料和方法

1.2.1 实验材料 实验材料为毛竹，采于2007年9月中旬。选择立地条件基本相同的地段，具有代表性的30，54和78个月的2种造林方式的毛竹各3根，参考《GB/T 15780-1995竹材物理力学性质试验方法》的试样采集方法。竹材伐倒后，记录胸径、枝下高和竹高，从离地面约1.5 m的整竹节处，向上每隔约2.0 m长完整竹节处的截取竹段，直至7.5 m处，运回气干以备试验。分别在不同竹龄的第13节，第20节和第27节的竹段截取T×10 mm×20 mm（径向×弦向×纵向，T为竹壁厚度）大小的竹块3块，然后沿径向从竹青到竹黄将竹块劈成大小为1 mm×10 mm×20 mm（径向 ×弦向×纵向）的小样片待用。削制过程中要求测试面的光滑平整，并要使编号准确无误。

1.2.2 测定方法 采用X-射线衍射法测定微纤丝角，测试仪器为美国Panalytical公司最新型号的粉末X-射线衍射仪（X’Pertpro），样品用双面胶垂直固定在旋转样品台上，采用点聚焦光源，透射衍射模式。入射光路与试样弦面垂直，接收光路与入射光路的夹角为22.6°。主要扫描参数如下：管电压40 kV，管电流40 mA，扫描步进0.5°，样品台旋转范围0°～360°。根据衍射图谱强度，采用0.6T法用高斯函数拟合并计算微纤丝角度。由于竹材较硬，纵向长于20 mm的小竹块在劈制小竹片时比较困难，所制样品1 mm×10 mm×20 mm需要用硬质塑料制作模具，模具固定在样品台上，再将小竹片贴到模具上。分析时实生苗以竹龄前加“s”来区分埋鞭育苗，如：30个月的竹材，s30和30分别代表实生苗和埋鞭育苗。

1.2.3 分析方法 用X-射线衍射仪法测定微纤丝角的计算方法有M40法、M50法、函数法和0.6T法等4种。其中M40法和M50法都是经验方法。40%角受衍射弧高度（即衍射强度）的影响，而高度与辐射的微纤丝数目相应成比例。Yamato的二次曲线法适用于25°和10°以下的微纤丝角。0.6T法是考虑到微纤丝角很大变化范围内，衍射强度曲线侧边的斜度非常相似，认为确定弧的宽度应不考虑峰值，而仅利用外侧边缘。0.6T法除具一定理论基础外，在实际操作中还有其优越性。

笔者利用0.6T法计算竹材的微纤丝角，将X-射线衍射仪所得的Phi扫描强度曲线（图1）数据导入Origin处理软件，基于高斯函数拟合自动对X-射线衍射谱进行S-G平滑，本底的测定与扣除，实现了微纤丝角的快速计算。

对于双峰拟合，拟合函数为：

其中：a是常数，u和u+180是峰值所对应的中心，σ1和σ2是拐点高度处的半峰宽，b1和b2时峰高，此时T=σ1+σ2，MFA=0.6T，对于单峰拟合，σ = σ1+ σ2，则 MFA=1.2σ［10］。毛竹典型的Phi扫描强度曲线及高斯函数拟合情况，通常拟合相关系数在0.99以上，通过拟合得到 σ1和σ2然后计算出微纤丝角。

图1 毛竹微纤丝角的X-射线衍射图谱（1～6顺序为竹青到竹黄）Figure 1 X-ray diffraction pattern of microfibril angle for moso bamboo（b1-b6 from periphery to inner）

2 结果与分析

2.1 2种苗型竹材微纤丝角的径向变异模式

从竹青到竹黄，按照1 mm厚取样测试后的微纤丝角径向变化趋势见图2。2种苗型的竹材微纤丝角的径向变异模式无明显差异。微纤丝角未呈现出明显的一致性规律，可以有如下趋势：①微纤丝角在靠近竹青处较小，随之增大，而后呈现逐渐下降趋势，直至竹黄处达到最小或竹黄处有所上升。②微纤丝角从竹青到竹黄呈下降趋势。③从竹黄到竹青微纤丝角呈无规律的波动趋势。方差分析结果表明（表1）：竹壁径向不同位置的微纤丝角均有显著差异（α=0.01）。

埋鞭育苗的竹材微纤丝角最大值和最小值分别为12.05°和7.67°，差值小于4.39°。实生苗的竹材微纤丝角最大值和最小值分别为10.97°和8.24°，差值小于2.72°。埋鞭育苗和实生苗造林得到的竹材的微纤丝角平均值分别为9.41°和9.71°，相差不大（表2）。苗型对微纤丝角的影响不显著（α =0.05）。

表1 苗型，竹龄，位置对微纤丝角影响的方差分析Table 1 Analysis of variance for microfibril angle by plantation type，age and position

图2 毛竹微纤丝角的径向变异Figure 2 Radial variation of microfibril angle for moso bamboo

2.2 2种苗型竹材微纤丝角的竹龄变异模式

微纤丝角随竹龄的变化趋势如图3和表3。2种苗型在竹材的上中下3个部位都是30个月的微纤丝角最大，78个月的次之，54个月的最小。2种苗型同一竹龄间除78个月的成竹上部竹材的微纤丝角相差无几外，其他对比竹龄均是实生苗的竹材比埋鞭育苗的竹材的大。埋鞭育苗所得竹材的30，54，78个月的平均微纤丝角分别为9.65°，9.11°和9.47°，分别小于实生苗所得竹材相应3个竹龄的微纤丝角10.01°，9.41°和9.70°（表3）。2种苗型不同竹龄间的微纤丝角呈现明显差异（表1）。

表2 竹材微纤丝角比较表Table 2 Variation of microfibril angle for moso bamboo

表3 不同竹龄不同部位的竹材微纤丝角比较表Table 3 Variation of microfibril angle in different ages and radial locations

图3 微纤丝角随竹龄变化趋势Figure 3 Variation of microfibril angle in different age for moso bamboo

2.3 2种苗型竹材微纤丝角的纵向变异模式

竹秆不同高度对微纤丝角的影响见图4。竹秆不同高度埋鞭育苗竹材的微纤丝角均比实生苗的小。埋鞭育苗所得竹材下，中和上部的平均微纤丝角分别为9.64°，9.25°和9.34°，其中下部的平均微纤丝角较大，上部次之，中部最小；实生苗所得竹材下、中和上部的平均微纤丝角分别为9.73°，9.82°和9.58°，其中中部的平均微纤丝角较大，下部次之，上部最小。经方差分析，各个高度处的微纤丝角存在显著差异（表1）。

3 讨论

木材微纤丝角与木材的物理力学性质紧密相关，对木材的机械性能和尺寸稳定性具有重要影响，与木材密度、纵向收缩率和弹性模量呈正相关，与木材抗拉强度、抗撕裂强度和硬度呈负相关［11－12］。并且微纤丝角也与木材的化学特性相关，木素的含量随微纤丝角的降低而降低［13］。微纤丝角在决定木材性质上有重要作用，很多学者对其变异规律进行了研究。已经报道的有微纤丝角在种源、家系及无性系间的变异以及同一树种株间，株内不同位置的变异规律，并且立地条件和经营措施对微纤丝角的影响也有研究［14］。

图4 竹材微纤丝角随高度变异模式Figure 4 Variation pattern of microfibril angle in different radial locations for moso bamboo

树木内的微纤丝角因树种的基因型和细胞形成时的外界条件不同而不同，但以前所报道的树木木材微纤丝角的径向变异遵循如下规律：微纤丝角在髓心处最大，从髓心到形成层逐渐变小，一般在10～16 a 后达到稳定值［15－19］。成熟材和早材的微纤丝角分别比幼龄材及晚材的要大［13，16，20］。微纤丝角在单株树木中的纵向变异是随树高的增加而逐渐减小，当达到一定的高度后微纤丝角达到较为稳定的值，但在树木梢头部木材微纤丝角又有所增大［15－17，21－22］。一般应压木比正常材在相同树干处木材微纤丝角要大［16，20－21］。

在本研究中，2种造林方式的竹材微纤丝角随竹龄增加未呈现一致的规律性变化，竹龄对微纤丝角的影响极显著。各个竹龄微纤丝角的径向变化为在靠近竹青处较小，随之增大，而后呈现逐渐下降趋势或回升；从竹青到竹黄呈下降趋势或呈现波动趋势。纵向微纤丝角从下到上未有明显规律，2种造林方式，埋鞭竹材的下部、中部和上部的平均微纤丝角分别为9.64°，9.25°和9.34°，小于相应部位的实生苗的9.73°，9.82°和9.58°。各个高度处的微纤丝角存在显著差异。2种造林方式竹材平均微纤丝角的变化幅度均小于5°，要比木材小得多。笔者对比测定了2种造林方式的竹材微纤丝角的变异规律，还需和竹材环境因子、种源和干形等因子综合分析，用此来评定微纤丝角对竹材其他物理、力学和化学特性等的影响。

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