竹环中维管束分布密度和纤维鞘组织比量纵向变异研究

黎 静 黄汉霄 石俊利 何 莹 王汉坤

(1 国际竹藤中心 北京 100102；2 国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室 北京 100102)

竹子属禾本科、竹亚科常绿植物，生长迅速，材质优异，具有显著的经济、生态和社会效益，是21 世纪最具开发潜力的生物质资源[1]。竹材是一种天然功能梯度材料，是由维管束(纤维鞘)以一定规律分布于薄壁基本组织中构成的天然纤维增强复合材料。其中，维管束(纤维鞘)在力学性能上起关键作用，可视为增强相；基本组织可以作为复合基质传输载荷，可视为基体相[2－6]。维管束(纤维鞘)是竹子中的力学承载部分。冼杏娟等[7]、黄盛霞等[8]、Ghavami 等[9]、Amada 等[10]、刘焕荣[11]、安晓静[12]等研究表明，竹材高强度、高韧性、高弯曲性的力学性能主要与纤维鞘(纤维)的组织比量密切相关，而纤维鞘的组织比量，则是由纤维鞘的数量、尺寸和在竹材中的分布等因素综合决定的。

基于块状或条状的竹材样品进行维管束数量、尺寸及分布的研究[12－14]已有报道，多采用人工计数法[14]进行定量或定性的描述。总体来说，维管束的数量、形状和尺寸在轴向和径向上存在明显的变化。在竹材轴向上，随着竹秆高度的增加，维管束的数量从竹材基部到梢部逐渐减少，与壁厚的减小存在一定的相关性，维管束的分布密度随着竹秆高度的增加而增加；在竹材径向上，靠近竹青的维管束面积小，数量多，越靠近竹黄，维管束面积越大，分布越稀疏[13]。但目前尚未有对整个竹环中维管束的数据统计。其研究方法主要有以下几类：1)将显微镜所得图片进行拼接，在竹材径向上观察维管束的大小变化和排列分布特征，使用普通光学显微镜对面积进行粗略的测量[15]；2)利用偏光显微镜结合数码相机技术[16]，可以较为准确地测量维管束的面积；3)采用激光共聚焦显微(LCSM)技术[5，17]结合手工剥取单根维管束可以获得准确的维管束面积数据；4)采用表面抛光结合图像扫描、图像处理软件对维管束的数量及纤维体积分数进行测量，比如Digimizer 图片编辑处理软件[18－19]、Image-Pro Plus 图像处理软件[14]，该方法较为便捷和常用。

维管束是毛竹中主要营养物质和水分的纵向运输通道，那么在竹秆内不同高度的节间、同一个竹节间不同部位，维管束是否是上下连通? 维管束的数量是否一致? 目前尚无文献报道。基于此，本文对取自浙江的毛竹1 m 和2 m 处节间，截取不同部位的竹环，进行维管束数量统计和面积计算，研究毛竹竹环中维管束分布密度和纤维鞘组织比量的纵向变异。

1 材料与方法

1.1 实验材料

样品采自浙江，为 4年生毛竹(Phyllostachys pubescens)茎秆。取径级相近(约10 cm)的毛竹2株，从地面截断(图1 A)，取地面以上2 m 长的部分(图1 B，中间截断，每段长1 m)作为实验材料；之后在竹段上部(离地1 m 和2 m)处各取一完整竹节间(图1 C)，从竹节处开始，每隔2 cm 锯成竹环(锯切方式如图1 D 所示)。

图1 样品制备流程

样品截取时应注意：选取结构完整、无加工缺陷、竹青表面无毛刺的样品，避免因加工而破坏竹环结构，导致竹青部位的维管束被破坏。记录每一个竹环外周长、外径、竹壁厚度等外形参数。取每个竹环的上截面数据为本竹环维管束的特征数据。从近下部竹节第一个竹环(编号为2)下表面进行扫描，记为1，上表面扫描图记为2，其他竹环只扫描上表面，往上分别记为3、4……。

将加工好的竹环放置于恒温恒湿箱内干燥1 个月，相对湿度60%，温度20 ℃，样品的最终含水率为9.64±1.09%。用微型砂光机(图2 A)进行表面抛光处理，砂纸300 目，以保证纤维鞘和薄壁细胞分界处清晰可辨，样品加工好(图1 E)后置于体式显微镜下检查，对符合要求的样品表面进行高清扫描，采用的设备为高清扫描仪(图2 B)，灰度模式下进行扫描，扫描分辨率为9600 dpi，扫描图片见图2 C。

图2 横切面图片获取及处理流程

1.2 实验方法

维管束中竹环和纤维鞘的面积采用Image-Pro Plus(IPP)软件进行处理，首先对扫描仪获得的图像(图2 C)进行二值化处理(图2 D)，然后在人工勾画轮廓后通过IPP 计算[16]。纤维鞘组织比量=纤维鞘总面积/竹环横切面面积×100%。维管束的个数利用图像处理软件进行统计。维管束的分布密度=维管束总数/竹环横切面面积。

2 结果与讨论

2.1 竹环特征值

表1 为毛竹1 m 和2 m 处节间竹环特征值统计。可以看出，毛竹同一节间内所有竹环特征值的标准偏差相差不大，表明各竹环之间相差不大。具有相同胸径的不同毛竹同一高度处的数值是有差异的，同一株内不同高度之间也存在明显的差异。从平均值分析，毛竹1 m 处的竹节间竹环外周长、竹壁厚度、横切面面积、维管束总个数、纤维鞘总面积，均大于2 m 处的竹节间；同节间内不同部位竹环的特征值也存在一定差异。

由1.1 中样品横切面编号规则可知，靠下部竹环的上、下2 个表面均参与统计。因此，竹环的个数要比横切面的数量少1，编号从2 开始，即：编号为2 的竹环对应1#和2#两个横切面，编号为3 的竹环对应 3#横切面，以此类推。图 3 中的 A、B 为同一竹节间内竹环外周长随节内位置的变化，不同株、不同高度的竹节间均表现为中间略细，两端靠近竹节部位略宽；靠近下部竹节的节间部位竹环外周长最大。图3 中的C、D 为同一竹节间内竹壁厚度随节内位置的变化，其变化规律与竹环外周长相近，竹节间中间部位竹壁厚度略小，两端靠近竹节部位略厚。竹环横切面面积统计图见图3E 和F。竹环横截面的面积从近下竹节部位开始减少，但在接近上竹节的部位略有增加，呈现出节间两端大中间小的模式，但节间内具有一定的尖削度(上端小于下端)，竹环的横切面面积是由竹环外周长和竹壁厚度决定的，故变化规律一致。

实验选取了一个具有倾斜竹节的部位进行扫描(图3 H)，此种模式的样品可以在一个横切面上观察到距离竹节不同距离部位的竹壁厚度和维管束的分布。由图可知，竹节的下部(图3 I)和上部(图3 G)，在靠近竹节的部位(图3 G、3 I 中箭头所指部位)，竹壁厚度变大，且增厚在很短的距离内完成。从竹材的整株结构来看，竹节两端节间部位的竹壁增厚、竹环直径(外周长)的增大应是起增强竹秆机械支撑作用的主要原因，以抵抗风、雨、雪等对竹子的压力。从图3 G—I 中不仅可以看到竹壁厚度的增加，还可以明显看到靠近竹节间部位竹环中的维管束数量有明显的增加(图3 G 中箭头所指部位，靠竹青处颜色明显加深)。

图4 为毛竹1 m 和2 m 处竹节间内维管束数量随竹环位置变化的情况。除编号为1 的第1 个竹环(靠近竹节)的2 个表面中维管束的数量偏多外，从第2 个竹环开始，随着竹环从下部到上部位置的变化，维管束的数量变化不大。除第1 个竹环外，剩余竹环中维管束的数量平均值，第1 株1 m 和2 m处分别为7 608 个、6 490 个，与第 1 竹环的差值分别为 162、123；第 2 株 1 m 和 2 m 处分别为 6 969个、6 450 个，与第 1 竹环的差值分别为 148、136。因此可推测，靠近下部竹节的维管束数量与其他部位的差值与竹环处于竹秆中的位置有关，越靠近竹秆下部的竹节间内，差值数据越大。

图4 竹环中维管束总数的变化

图5 为毛竹1 m 和2 m 处竹节间内纤维鞘总面积随竹环位置变化的情况，可以看出，纤维鞘总面积在随竹环位置的变化规律与竹环面积的变化趋势相近，但纤维鞘总面积的变化波动幅度较大，除了与竹子本身的差异有关外，也与纤维鞘面积测量时的系统误差较大有关(纤维鞘测量与精度、阈值等都有关系，影响因素较多)。

图5 横切面中纤维鞘总面积

2.2 维管束的分布密度和纤维鞘组织比量

对竹环中维管束的分布密度和纤维鞘组织比量进行计算可知，第 1 株 1 m、2 m 处和第 2 株 1 m、2 m处维管束分布密度分别为2.96 个/mm2、3.08 个/mm2和 3.08 个/mm2、3.24 个/mm2，纤维鞘组织比量分别为 23.87%、24.76%和24.12%和 25.49%。单位面积内维管束的个数(分布密度)和纤维鞘的面积(纤维鞘的组织比量)1 m 处要小于2 m 处，说明在同一竹株内，竹环中维管束的分布密度和纤维鞘的组织比量随竹节间在竹秆内所处位置的升高而增大。

图6 为同一竹节间内维管束的分布密度和纤维鞘的组织比量随着竹环位置不同而产生的差异。除最后一个横切面(靠近上部竹节的部位)的数据有突然下降外(面积有增大，见图5 A)，维管束的分布密度和纤维鞘组织比量随高度的增加略有增加。这与竹环横截面面积的减小有关，这一规律也与竹节间的特征数据随高度增加而增加的规律一致。

图6 竹环纤维鞘组织比量变化

3 结论

以毛竹为研究对象，通过微细砂纸抛光结合高清扫描的方式获得竹环横切面，采用图像处理软件采集竹环横切面内横切面面积、维管束数量、纤维鞘总面积，研究毛竹竹环中维管束分布密度和纤维鞘组织比量的纵向变异。主要结论如下：

1)提出了微细砂纸抛光结合高清扫描仪扫描的方式，快速获得稳定且分辨率较高的竹环扫描图片。此法可以一次性获得整个竹环的完整结构信息，细砂纸打磨还填充了维管束中的孔隙，避免了对纤维鞘面积自动计算的干扰。

2)毛竹竹环中维管束分布密度和纤维鞘组织比量随高度的增加而增加。毛竹1 m 处的节间内竹环中维管束的分布密度和纤维鞘的组织比量要小于2 m 处的；在同一节间内，维管束的分布密度、纤维鞘的组织比量也随竹环的位置升高而略有增加；竹节间靠近下部竹节部位竹环外观尺寸和维管束数量有明显的增多。