云龙箭竹纤维形态、化学成分及用作造纸原料可行性研究

唐国建，杨金梅，王曙光，罗燕欢，岳闻娟

（西南林业大学，云南 昆明650224）

云龙箭竹（Fargesia papyrifera），又称实心竹，属禾本科（Gramineae）竹亚科（Bambusoideae）箭竹属（Fargesia）的竹类，主要分布于云南西部的云龙天池、漕涧等地海拔为2 750～3 600m的阔叶林下或成片呈纯林［1］。笋可食，秆材用于造纸、编织农具等［1］。因云龙箭竹的分布范围较小，并且多为野生，目前国内外学者对云龙箭竹的研究极少。通过对云龙箭竹不同部位、不同年龄的化学成分和纤维形态特征进行测定与比较，以期为云龙箭竹的开发利用提供理论数据，对竹浆制纸产业的发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

云龙箭竹取自云南省西北部大理白族自治州云龙县境内的天池自然保护区。采样地为竹木混林，地表人为活动较少，枯枝落叶层较厚，土壤有机质较多。采样时间为2013年7月下旬，参考王雨珺［2］等方法进行采样，随机选取3丛长势良好的竹丛，目测将这3丛竹子的单株划分为3个年龄级别，即竹龄≤1a为Ⅰ龄级，竹龄1～2a为Ⅱ龄级，竹龄≥3a为Ⅲ龄级，每个龄级取无病虫害、竹秆通直的3～4株，齐地砍伐，分为基部（从基部数第3节）、中部（第8节）以及上部（15～17节）3个部位，并将材料带回实验室烘干备用。

1.2 化学成分测定

测定按照王曙光［3］等方法进行，取500～1 000g（风干重）的试材，劈成细片，并加工成刨花，将其用粉碎机磨碎，过筛，截取通过40目筛而不能通过60目筛的组分，凉至室温后，贮存于自封袋中，供分析使用。

各项指标按国家有关标准规定的方法进行，平行测定3次。灰分含量按GB／T 2677.3-1993测定，SiO2含量按GB／T 7978-1987测定，苯醇抽提物按GB／T 10741-1989测定，综纤维素含量按GB／T 2677.10-1995测定，木素含量按GB／T2677.8-1994和 GB／T 10337-2008 测 定。 记 录 数 据 并 用SPSS19.0统计分析软件对云龙箭竹不同部位、不同龄级及同一龄级不同部位的均值进行多重比较和方差分析。

1.3 纤维形态测定

参照王曙光［4］等方法进行测定，分别取上述材料节段中央10cm左右的竹环，将其削成长约2cm的火柴棍状，将其放入25mL具塞试管中，倒入Jeffery离析液（按100g·L-1铬酸∶100mL·L-1硝酸=1∶1体积比配制）将材料浸没，离析36～72h。待材料浸透（用镊子轻轻一夹即完全散开为宜）。将离析液倒出，用蒸馏水冲洗至中性，倒入70%的酒精进行保存。

取离析部分以1%番红染色1～2min后用蒸馏水洗去染液，然后按常规方法制成制片，通过显微镜（凤凰牌PH100-3B41L-IPL）用显微测微尺测定纤维长度、宽度、细胞腔径和壁厚等，每一试样观测50根以上纤维，每一部位至少观察150根纤维，记录数据，然后采用SPSS19.0统计分析软件对云龙箭竹不同部位、不同龄级及同一龄级不同部位的均值进行多重比较与方差分析。

2 结果与分析

2.1 化学成分

测试结果显示，云龙箭竹的灰分含量为1.34%、SiO2含量为0.29%、苯-醇抽提物为3.80%、酸溶木质素为2.16%、酸不溶木质素为21.58%、综纤维素含量为69.05%（表1）。

表1 不同部位不同年龄段的云龙箭竹主要化学成分比较Table 1 Comparison of the main chemical components from different position of F.papyriferaat different age %

2.1.1 不同年龄间云龙箭竹化学成分的变化 从表1可以看出，不同年龄间云龙箭竹的化学成分含量不尽相同。其中，云龙箭竹的灰分含量变化随着秆龄的增加而呈先下降又有所回升的趋势，且Ⅰ龄级与Ⅱ、Ⅲ龄级间差异显著；随着秆龄的增加，SiO2的含量变化在Ⅰ、Ⅱ龄级间有上升的趋势，但这种趋势并不明显；随着秆龄的增加，综纤维素含量变化呈先下降再回升的趋势，且Ⅱ龄级与Ⅰ、Ⅲ龄级间差异显著；总木质素和苯-醇抽提物含量变化随着秆龄的增加，呈先上升又下降的趋势，特别是Ⅰ龄级和Ⅱ、Ⅲ龄级之间总木质素含量变化趋势较为明显，而苯-醇抽提物含量变化仅在Ⅰ龄级和Ⅱ龄级之间差异较为明显。因此，年龄对云龙箭竹主要化学成分含量变化的影响较大。

2.1.2 不同部位间云龙箭竹化学成分的变化 从表1可以看出，不同部位间的云龙箭竹主要化学成分含量并不相同，但差异不明显。其中，随着竹秆高度的增加，灰分和SiO2含量变化趋势一致，即呈先降后升的趋势；而苯-醇抽提物含量，随着竹秆高度的增加而增加，酸溶木质素与苯-醇抽提物含量变化趋势一致，而酸不溶木质素却相反，总木质素在基部含量最高，上部次之，中部最少；而综纤维素在中部含量最高，基部次之，上部最少。然而，对云龙箭竹的各项主要化学成分进行方差分析表明，不同部位间的主要化学成分含量变化并不明显。因此，部位不是云龙箭竹主要化学成分含量变化的显著影响因子。

2.1.3 年龄和部位对云龙箭竹的影响 随着年龄和部位的变化，云龙箭竹的主要化学成分含量也不尽相同。其中Ⅰ龄级中，除灰分含量和酸不溶木质素外，SiO2、苯-醇抽提物、综纤维素和酸溶木质素及总木质素含量变化在竹秆轴向上的差异不显著；灰分在中部和上部中含量较高，基部含量较低，综纤维素含量具有类似的变化趋势；总木质素含量随着竹秆高度的增加而逐渐下降。在Ⅱ龄级中，灰分与SiO2含量具有类似的变化趋势，即中部最低，基部次之，上部最高；随着竹秆高度的增加，综纤维素含量逐渐下降，上部与基部间差异显著，而苯-醇抽提物含量却与综纤维素含量变化规律相反，表现为上部最高，中部次之，基部最少，且上部与基、中部间差异显著；总木质素含量变化趋势为中部的最低，上部的次之，基部的最高，且基部与中、部差异显著。在Ⅲ龄级中，灰分和综纤维素的含量变化趋势类似，即随着竹秆高度的增加而减少，且上部和基部间差异明显；总木质素和SiO2含量也具有类似的变化趋势，即中部的最低，上部的次之，基部的最高，且基部与上部间差异明显；苯-醇抽提物的含量，中部的最低，基部的次之，上部的最高，但三者间差异并不显著。因此，年龄和部位共同对云龙箭竹主要化学成分含量的差异造成了显著影响。

2.2 纤维形态特征

试验观察得知，云龙箭竹的纤维细胞细长，两端渐尖，细胞腔径较小，细胞壁较厚，偶有细胞钝尖，纤维细胞两壁常具纹孔（图1）。云龙箭竹的纤维形态特征测试结果见表2。

图1 云龙箭竹纤维细胞显微（A.×10；B.×40；C.×100）Fig.1 The fiber micrographs of F.papyrifera （A.×10；B.×40；C.×100）

2.2.1 纤维的长度、宽度及长宽比 一般来说，在一定的范围内，细而长的纤维能增加纸张的强度、耐折度和耐破度，并与撕裂度直接相关，纤维过短，如平均长度＜0.4mm，则不宜用于造纸［4］。试验测定结果表明，云龙箭竹纤维长度在0.41～3.95mm之间，平均长度为1.61mm、1.53mm以上的纤维约占总数的50%以上，根据国际木材解剖学会的规定，纤维长度在0.90mm以下的为短纤维，＞1.60 mm的为长纤维，介于二者间的中级纤维，＞3.00 mm的为极长纤维［5-6］，因此，云龙箭竹还是以中长纤维为主；宽度为5.20～49.40μm，平均宽度16.36 μm；长宽比的区间为26.77～371.25，平均值为105.69。从表2可以看出，云龙箭竹的纤维细胞长度及长宽比呈现出随着年龄的增长而逐渐变短的变化趋势，且Ⅰ龄级与Ⅱ、Ⅲ龄级之间差异极显著；而纤维细胞的宽度却为Ⅱ龄级＞Ⅲ龄级＞Ⅰ龄级，且Ⅰ、Ⅱ龄级间差异显著。由此可见，年龄对云龙箭竹纤维细胞的长度、宽度及长宽比影响较为明显。从竹秆部位的变化来看，云龙箭竹的纤维细胞通常中部的长度较长，中部的长宽比远大于上部和基部的，且无论是纤维长度还是长宽比这种差异都较为明显。因此，年龄和部位对云南箭竹纤维长度及长宽比影响显著。

2.2.2 纤维的壁厚、腔径及壁腔比 测试结果显示：云龙箭竹的纤维细胞壁厚在1.95～20.54μm之间，平均厚度为6.80μm；细胞腔径在0.26～23.40μm之间，均值为2.77；细胞壁腔比在0.22～99.00之间，均值为9.38。随着年龄的增长，云龙箭竹的纤维细胞壁厚呈现出逐渐加厚的趋势，且Ⅰ龄级与Ⅲ龄级之间差异显著，Ⅱ龄级与Ⅰ、Ⅲ龄级之间差异不显著。然而，在不同部位间，云龙箭竹的纤维细胞壁厚变化规律并不明显。另外，云龙箭竹的纤维细胞壁腔比，随着竹秆高度的增加表现出先上升再下降的趋势，且基部与中、上部差异显著，而中部与上部间差异并不显著；随着年龄的增长，云龙箭竹的纤维细胞壁腔比呈现出先下降再上升的趋势，且Ⅰ龄级与Ⅲ龄级之间差异显著，而Ⅰ龄级与Ⅱ龄级之间及Ⅱ龄级与Ⅲ龄级之间差异不显著。因此，年龄和部位也是云龙箭竹纤维细胞壁腔比变化的显著影响因子，年龄是纤维细胞加厚的显著影响因素。

表2 云龙箭竹不同部位不同年龄纤维形态比较Table 2 The fiber characteristics of F.papyriferafrom different positions and ages

2.2.3 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，也是衡量造纸原料优劣的重要指标［7］。在造纸原料中，纤维分布在较长级中且频率又高者，其纸浆质量一定优良。对云龙箭竹的纤维长度进行频率分析可知，云龙箭竹的纤维长度主要集中在0.75～2.25mm之间，两级的纤维分布只占少数，平均长度为1.61mm（图2）。从图2可看出，云龙箭竹的纤维长度大致呈正态分布，由于偏度为0.62＞0，说明云龙箭竹纤维长度频率分布呈右偏态，纤维长度最大频率集中在1.00～1.50mm之间，均值右边较为分散，平均长度在1.50mm以上的占总数的1／2以上，因此，云龙箭竹的纤维组成以中长纤维为主。

图2 云龙箭竹纤维长度频率分布Fig.2 The fiber length frequency distribution of F.papyrifera

3 讨论

3.1 化学成分

云龙箭竹的灰分含量均值随着年龄的增长而呈先下降再略上升的变化趋势，而张齐生［8］等认为前5年生毛竹（Phylleslachy edulis）竹材的灰分含量随着秆龄的增加而减少，5年生以上的竹材却随着秆龄的增加而增加，出现这种差异的原因，王曙光［3］等认为可能是取材目测的差异造成的。而SiO2含量的均值却随着秆龄的增加而呈先上升再略有下降的趋势，笔者认为这可能是随着竹龄的增加，薄壁细胞的数量逐渐减少，竹子向土壤吸收矿质营养物质的能力有所下降，硅以非结晶水化合物SiO2的形式不断地沉积在纤维细胞壁和细胞间隙中，并以硅酸盐的形式在竹子中运输。而苯-醇抽提物含量随着秆龄的增加，也表现出先增加再下降的趋势。H.Norul Hisham［9］等认为苯-醇抽提物含量在不同秆龄间并没有显著的变化趋势，而在云龙箭竹中，Ⅱ龄级中的苯-醇抽提物含量显著高于Ⅰ、Ⅲ龄级中的。总木质素含量的均值变化趋势与苯-醇抽提物的类似，但Ⅰ龄级中的显著低于Ⅱ、Ⅲ龄级中的，说明随着秆龄的增加，云龙箭竹纤维细胞的木质化程度在Ⅰ龄级至Ⅱ龄级间较为明显，而到Ⅲ龄级略有下降趋势，但不明显。张齐生［8］等认为木质素含量的变化随着年龄的增加而逐渐增加，笔者认为这种变化趋势的差异不仅与取材目测差异有关，而且可能与竹种不同及同种竹种不同分布环境也有关系；不同秆龄云龙箭竹的综纤维素含量均值表现为Ⅱ龄级的最低，Ⅲ龄级的次之，Ⅰ龄级的最高，且Ⅱ龄级中显著低于Ⅰ、Ⅲ龄级中的。另外，不同部位竹秆中的主要化学成分变化规律并不明显，各个年龄段的云龙箭竹，从竹秆基部到上部变化规律不一致，无法得出一致的规律。因此，年龄是云龙箭竹的主要化学成分存在差异的显著影响因素。

此外，研究表明海拔和纬度对竹材主要化学成分的含量也会有影响。刘主凰［10］等认为人工毛竹林的灰分、苯-醇抽提物及木质素含量，随着海拔高度的增加而逐渐升高；郑蓉［11］认为毛竹木质素含量受不同海拔高度的影响；贾举庆［12］等报道有关纬度变化对慈竹（Neosinocalamus offinis）和硬头黄（Bambusa rigida）木质素含量的影响，认为纬度变化对木质素含量变化的影响因竹种而异。然而，云龙箭竹主要分布在云南西部高寒山区，分布范围较小，目前尚未进行引种实验，无法分析比较不同海拔和纬度对其主要化学成分含量变化的影响。

同时，与其他竹种相比，云龙箭竹的灰分和SiO2含量分别为1.34%和0.29%，明显低于云南箭竹的2.51%和1.70%；总木质素含量为23.74%，略高于青皮竹（B.textilis）的22.89%，略低于云南箭竹的24.57%；苯-醇抽提物含量为3.80%，略低于云南箭竹的3.84%，低于青皮竹的5.81%，高于车筒竹（B.sinospinosa）的2.47%；综纤维素含量为69.05%，高于云南箭竹的65.59%，低于青皮竹的72.24%［3，7］。因此，不同竹种之间的主要化学成分的含量并不一致。

3.2 纤维形态特征

同一长度的纤维，长宽比大的纤维，其易弯曲性较大，易形成结合性较好的纸张，长宽比越大，其撕裂强度、交织性、弹性及柔韧性越高。造纸工业上一般认为纤维长宽比大于100的，才是比较好的造纸原料，且比值越大越好［5-7］。测试结果显示，云龙箭竹的长宽比均值为105.69。因此，云龙箭竹适合作为纸浆原料。

有关纤维长度和部位之间的关系，通常认为纤维的长度与节间的长度有关，即节间较长的中部存在较长的纤维，基部和上部的纤维较短。林树燕［13］等认为金丝慈竹（Bambusa affinis）纤维的平均长度的纵向变异规律在1年生和2年生中表现为基部＞中部＞上部，在3年生中表现为中部＞基部＞上部；S G Wang［14］等认为云南箭竹的纤维长度在中部的最长，基部的次之，上部的最短；云龙箭竹的纤维平均长度的纵向变化规律除Ⅰ龄级中的为中部＞上部＞基部外，总体上与云南箭竹具有类似的规律。总体上，竹子的纤维长度与竹种的节间长度相关，因此，在筛选适合造纸的竹种的过程中，需要综合考虑不同竹种节间长度对纤维长度的影响。

研究表明，秆龄对纤维细胞壁的加厚程度影响也较大。甘小洪［15］等认为1a之中的毛竹茎秆纤维细胞壁的积累主要集中在3-6月份，在前3a中，纤维细胞壁的加厚趋势较为明显，以后将趋于稳定，并认为这种加厚方式与竹材材质的增进密切相关，有利于竹秆生长早期对外力破坏的抵制。云龙箭竹纤维细胞壁的平均厚度从Ⅰ龄级到Ⅲ龄级时，加厚程度较为明显，因此，秆龄对云龙箭竹的纤维细胞壁的加厚程度造成了显著影响。然而，从竹秆基部到上部，纤维细胞壁的加厚程度总体上变化规律并不明显。

另外，壁腔比即纤维细胞双倍胞壁厚与胞腔直径之比，又称Runkel比率，也是造纸工业衡量纤维原料优劣的标准之一。通常壁厚腔细的纤维，造纸的质量越好。Runkel认为纤维壁腔比＜1的为上等纤维原料，＞1的为劣等原料，=1的为中等纤维原料［16］。云龙箭竹的壁腔比均值为9.38，基于此，云龙箭竹属于劣等纤维原料。

4 结论

从主要化学成分的组成情况来看，云龙箭竹的灰分及SiO2含量较低，木质素和苯-醇抽提物含量中等，综纤维素含量较高，能得到较好的纸浆得率，用于造纸，原料的利用率较高，化学药品浪费较少，环境污染较少，因此，可考虑用于造纸。

从纤维形态特征来看，云龙箭竹的纤维细胞长度中等，长宽比适中，但纤维细胞壁腔比较高，属于劣等纸浆原料，因此，在进行造纸原料选择时，应综合考虑原料的各项指标，以提高经济效益。

致谢：感谢云龙县天池自然保护区为本试验提供材料，感谢徐会明、张利周副局长对本试验取材的支持！

［1］ 中国科学院昆明植物研究所.云南植物志：第9卷［M］.北京：科学出版社，2003：431-431.

［2］ 王雨珺，罗庆华，丁雨龙，等.空心箭竹地上部分生物量模型研究［J］.竹子研究汇刊，2014，33（1）：25-30.WANG Y J，LUO Q L，DING Y L，et al.A study on the aboveground biomass models of Fargesia edulis ［J］.Journal of Bamboo Research，2014，33（1）：25-30.（in Chinese）

［3］ 王曙光，普晓兰，丁雨龙，等.云南箭竹化学成分分析及不同地理种源之比较［J］.四川林业科技，2009，30（3）：8-11.WANG S G，PU X L，DING Y L，et al.Research on the chemical constituents of Fargesia yunnanensis and the comparison of its different geographic provenances［J］.Journal of Sichuan Forestry Science and Technology，2009，30（3）：8-11.（in Chinese）

［4］ 王曙光，普晓兰，丁雨龙，等.云南箭竹纤维形态变异规律［J］.浙江林学院学报，2009，26（4）：528-532.WANG S G，PU X L，DING Y L，et al.Morphological differences of Fargesia yunnanensis fibers［J］.Journal of Zhejiang Forestry College，2009，26（4）：528-532.（in Chinese）

［5］ 武恒，查朝生，王传贵，等.人工林杨树12个无性系木材纤维形态特征及变异［J］.东北林业大学学报，2011，39（2）：8-10.WU H，ZHA C S，WANG C G，et al.Morphological features of wood fiber and its variation for twelve clones of Poplar Plantations［J］.Journal of Northeast Forestry University，2011，39（2）：8-10.（in Chinese）

［6］ 杨清，苏光荣，段柱标，等.西双版纳丛生竹的纤维形态与造纸性能［J］.中国造纸学报，2008，23（4）：1-7.YANG Q，SU G R，DUAN Z B，et al.Fiber characteristics and papermaking feasibility of major sympodial bamboos in Xishuangbanna［J］.Transactions of China Pulp and Paper，2008，23（4）：1-7.（in Chinese）

［7］ 苏文会，范少辉，余林，等.3种丛生竹化学成分与纤维形态研究［J］.中国造纸学报，2011，26（2）：1-5.SU W H，FAN S H，YU L，et al.Study on chemical compositions and fiber morphologies of Bambusa sinospinosa，Bambusa blumeana and Dendrocalamus yunnanicus stem ［J］.Transactions of China Pulp and Paper，2011，26（2）：1-5.（in Chinese）

［8］ 张齐生，关明杰，纪文兰.毛竹材质生成过程中化学成分的变化［J］.南京林业大学：自然科学版，2002，26（2）：7-10.ZHANG Q S，GUAN M J，JI W L.Variation of moso bamboo chemical compositions during mature growing period［J］.Journal of Nanjing Forestry University：Natural Sciences Edition，2002，26（2）：7-10.（in Chinese）

［9］ HISHAM H N，OTHMAN S，ROKIAH H，et al.Character-ization of bamboo Gigantochloa scortechinii at different ages［J］.Journal of Tropical Forest Science，2006，18（4）：236-242.

［10］ 刘主凰，王水英，林金国，等.不同海拔人工林毛竹材纤维形态和化学成分的差异［J］.西北林学院学报，2011，26（2）：196-199.LIU Z H，WANG S Y，LIN J G，et al.Difference in fiber morphology and chemical composition of Phyllostachys heterocycla av.pubescens from plantation of different altitudes［J］.Journal of Northwest Forestry University，2011，26（2）：196-199.（in Chinese）

［11］ 郑蓉.不同海拔毛竹竹材化学组成成分分析［J］.浙江林业科技，2001，21（1）：17-20.ZHENG R.Analysis of chemical content of bamboo wood of Phyllostachys heterocycle cv.pubescens of different altitude［J］.Jour.of Zhejiang For.Sci.&Tech，2001，21（1）：17-20.（in Chinese）

［12］ 贾举庆，胡尚连，孙霞，等.四川2种丛生竹木质素和纤维含量的研究［J］.西北植物学报，2007，27（1）：197-200.JIA J Q，HU S L，SUN X，et al.Lignin and cellulose contents of two typical thick-growing woody bamboos in Sichuan［J］.Acta Botanica Boreali-occidentaia Sinica，2007，27（1）：197-200.（in Chinese）

［13］ 林树燕，陶兆雪，丁雨龙.金丝慈竹纤维形态的变化规律［J］.林业科技开发，2013，27（1）：29-32.LIN S Y，TAO Z X，DING Y L.Variation of fiber morphology in Bambusa affinis ［J］.China Forestry Science and Technology，2013，27（1）：29-32.（in Chinese）

［14］ WANG S G，PU X L，DING Y L，et al.Anatomical and chemical properties of Fargesia yunnanensis ［J］.Journal of Tropical Forest Science，2011，23（1）：73-81.

［15］ 甘小洪，丁雨龙.毛竹茎秆纤维发育过程中细胞壁的变化规律研究［J］.林业科学研究，2006，19（4）：457-462.GAN X H，DING Y L.Investigation on the variation of fiber wall in Phyllostachys edulis culms ［J］.Forest Research，2006，19（4）：457-462.（in Chinese）

［16］ 邬义明.植物纤维化学［M］.北京：中国轻工业出版社，1997：70-74.