竹環中維管束分布密度和纖維鞘組織比量縱向變異研究

黎 靜 黃漢霄 石俊利 何 瑩 王漢坤

(1 國際竹藤中心 北京 100102；2 國家林業和草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室 北京 100102)

竹子屬禾本科、竹亞科常綠植物，生長迅速，材質優異，具有顯著的經濟、生態和社會效益，是21 世紀最具開發潛力的生物質資源[1]。竹材是一種天然功能梯度材料，是由維管束(纖維鞘)以一定規律分布于薄壁基本組織中構成的天然纖維增強復合材料。其中，維管束(纖維鞘)在力學性能上起關鍵作用，可視為增強相；基本組織可以作為復合基質傳輸載荷，可視為基體相[2－6]。維管束(纖維鞘)是竹子中的力學承載部分。冼杏娟等[7]、黃盛霞等[8]、Ghavami 等[9]、Amada 等[10]、劉煥榮[11]、安曉靜[12]等研究表明，竹材高強度、高韌性、高彎曲性的力學性能主要與纖維鞘(纖維)的組織比量密切相關，而纖維鞘的組織比量，則是由纖維鞘的數量、尺寸和在竹材中的分布等因素綜合決定的。

基于塊狀或條狀的竹材樣品進行維管束數量、尺寸及分布的研究[12－14]已有報道，多采用人工計數法[14]進行定量或定性的描述。總體來說，維管束的數量、形狀和尺寸在軸向和徑向上存在明顯的變化。在竹材軸向上，隨著竹稈高度的增加，維管束的數量從竹材基部到梢部逐漸減少，與壁厚的減小存在一定的相關性，維管束的分布密度隨著竹稈高度的增加而增加；在竹材徑向上，靠近竹青的維管束面積小，數量多，越靠近竹黃，維管束面積越大，分布越稀疏[13]。但目前尚未有對整個竹環中維管束的數據統計。其研究方法主要有以下幾類：1)將顯微鏡所得圖片進行拼接，在竹材徑向上觀察維管束的大小變化和排列分布特征，使用普通光學顯微鏡對面積進行粗略的測量[15]；2)利用偏光顯微鏡結合數碼相機技術[16]，可以較為準確地測量維管束的面積；3)采用激光共聚焦顯微(LCSM)技術[5，17]結合手工剝取單根維管束可以獲得準確的維管束面積數據；4)采用表面拋光結合圖像掃描、圖像處理軟件對維管束的數量及纖維體積分數進行測量，比如Digimizer 圖片編輯處理軟件[18－19]、Image-Pro Plus 圖像處理軟件[14]，該方法較為便捷和常用。

維管束是毛竹中主要營養物質和水分的縱向運輸通道，那么在竹稈內不同高度的節間、同一個竹節間不同部位，維管束是否是上下連通? 維管束的數量是否一致? 目前尚無文獻報道。基于此，本文對取自浙江的毛竹1 m 和2 m 處節間，截取不同部位的竹環，進行維管束數量統計和面積計算，研究毛竹竹環中維管束分布密度和纖維鞘組織比量的縱向變異。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

樣品采自浙江，為 4年生毛竹(Phyllostachys pubescens)莖稈。取徑級相近(約10 cm)的毛竹2株，從地面截斷(圖1 A)，取地面以上2 m 長的部分(圖1 B，中間截斷，每段長1 m)作為實驗材料；之后在竹段上部(離地1 m 和2 m)處各取一完整竹節間(圖1 C)，從竹節處開始，每隔2 cm 鋸成竹環(鋸切方式如圖1 D 所示)。

圖1 樣品制備流程

樣品截取時應注意：選取結構完整、無加工缺陷、竹青表面無毛刺的樣品，避免因加工而破壞竹環結構，導致竹青部位的維管束被破壞。記錄每一個竹環外周長、外徑、竹壁厚度等外形參數。取每個竹環的上截面數據為本竹環維管束的特征數據。從近下部竹節第一個竹環(編號為2)下表面進行掃描，記為1，上表面掃描圖記為2，其他竹環只掃描上表面，往上分別記為3、4……。

將加工好的竹環放置于恒溫恒濕箱內干燥1 個月，相對濕度60%，溫度20 ℃，樣品的最終含水率為9.64±1.09%。用微型砂光機(圖2 A)進行表面拋光處理，砂紙300 目，以保證纖維鞘和薄壁細胞分界處清晰可辨，樣品加工好(圖1 E)后置于體式顯微鏡下檢查，對符合要求的樣品表面進行高清掃描，采用的設備為高清掃描儀(圖2 B)，灰度模式下進行掃描，掃描分辨率為9600 dpi，掃描圖片見圖2 C。

圖2 橫切面圖片獲取及處理流程

1.2 實驗方法

維管束中竹環和纖維鞘的面積采用Image-Pro Plus(IPP)軟件進行處理，首先對掃描儀獲得的圖像(圖2 C)進行二值化處理(圖2 D)，然后在人工勾畫輪廓后通過IPP 計算[16]。纖維鞘組織比量=纖維鞘總面積/竹環橫切面面積×100%。維管束的個數利用圖像處理軟件進行統計。維管束的分布密度=維管束總數/竹環橫切面面積。

2 結果與討論

2.1 竹環特征值

表1 為毛竹1 m 和2 m 處節間竹環特征值統計。可以看出，毛竹同一節間內所有竹環特征值的標準偏差相差不大，表明各竹環之間相差不大。具有相同胸徑的不同毛竹同一高度處的數值是有差異的，同一株內不同高度之間也存在明顯的差異。從平均值分析，毛竹1 m 處的竹節間竹環外周長、竹壁厚度、橫切面面積、維管束總個數、纖維鞘總面積，均大于2 m 處的竹節間；同節間內不同部位竹環的特征值也存在一定差異。

由1.1 中樣品橫切面編號規則可知，靠下部竹環的上、下2 個表面均參與統計。因此，竹環的個數要比橫切面的數量少1，編號從2 開始，即：編號為2 的竹環對應1#和2#兩個橫切面，編號為3 的竹環對應 3#橫切面，以此類推。圖 3 中的 A、B 為同一竹節間內竹環外周長隨節內位置的變化，不同株、不同高度的竹節間均表現為中間略細，兩端靠近竹節部位略寬；靠近下部竹節的節間部位竹環外周長最大。圖3 中的C、D 為同一竹節間內竹壁厚度隨節內位置的變化，其變化規律與竹環外周長相近，竹節間中間部位竹壁厚度略小，兩端靠近竹節部位略厚。竹環橫切面面積統計圖見圖3E 和F。竹環橫截面的面積從近下竹節部位開始減少，但在接近上竹節的部位略有增加，呈現出節間兩端大中間小的模式，但節間內具有一定的尖削度(上端小于下端)，竹環的橫切面面積是由竹環外周長和竹壁厚度決定的，故變化規律一致。

實驗選取了一個具有傾斜竹節的部位進行掃描(圖3 H)，此種模式的樣品可以在一個橫切面上觀察到距離竹節不同距離部位的竹壁厚度和維管束的分布。由圖可知，竹節的下部(圖3 I)和上部(圖3 G)，在靠近竹節的部位(圖3 G、3 I 中箭頭所指部位)，竹壁厚度變大，且增厚在很短的距離內完成。從竹材的整株結構來看，竹節兩端節間部位的竹壁增厚、竹環直徑(外周長)的增大應是起增強竹稈機械支撐作用的主要原因，以抵抗風、雨、雪等對竹子的壓力。從圖3 G—I 中不僅可以看到竹壁厚度的增加，還可以明顯看到靠近竹節間部位竹環中的維管束數量有明顯的增加(圖3 G 中箭頭所指部位，靠竹青處顏色明顯加深)。

圖4 為毛竹1 m 和2 m 處竹節間內維管束數量隨竹環位置變化的情況。除編號為1 的第1 個竹環(靠近竹節)的2 個表面中維管束的數量偏多外，從第2 個竹環開始，隨著竹環從下部到上部位置的變化，維管束的數量變化不大。除第1 個竹環外，剩余竹環中維管束的數量平均值，第1 株1 m 和2 m處分別為7 608 個、6 490 個，與第 1 竹環的差值分別為 162、123；第 2 株 1 m 和 2 m 處分別為 6 969個、6 450 個，與第 1 竹環的差值分別為 148、136。因此可推測，靠近下部竹節的維管束數量與其他部位的差值與竹環處于竹稈中的位置有關，越靠近竹稈下部的竹節間內，差值數據越大。

圖4 竹環中維管束總數的變化

圖5 為毛竹1 m 和2 m 處竹節間內纖維鞘總面積隨竹環位置變化的情況，可以看出，纖維鞘總面積在隨竹環位置的變化規律與竹環面積的變化趨勢相近，但纖維鞘總面積的變化波動幅度較大，除了與竹子本身的差異有關外，也與纖維鞘面積測量時的系統誤差較大有關(纖維鞘測量與精度、閾值等都有關系，影響因素較多)。

圖5 橫切面中纖維鞘總面積

2.2 維管束的分布密度和纖維鞘組織比量

對竹環中維管束的分布密度和纖維鞘組織比量進行計算可知，第 1 株 1 m、2 m 處和第 2 株 1 m、2 m處維管束分布密度分別為2.96 個/mm2、3.08 個/mm2和 3.08 個/mm2、3.24 個/mm2，纖維鞘組織比量分別為 23.87%、24.76%和24.12%和 25.49%。單位面積內維管束的個數(分布密度)和纖維鞘的面積(纖維鞘的組織比量)1 m 處要小于2 m 處，說明在同一竹株內，竹環中維管束的分布密度和纖維鞘的組織比量隨竹節間在竹稈內所處位置的升高而增大。

圖6 為同一竹節間內維管束的分布密度和纖維鞘的組織比量隨著竹環位置不同而產生的差異。除最后一個橫切面(靠近上部竹節的部位)的數據有突然下降外(面積有增大，見圖5 A)，維管束的分布密度和纖維鞘組織比量隨高度的增加略有增加。這與竹環橫截面面積的減小有關，這一規律也與竹節間的特征數據隨高度增加而增加的規律一致。

圖6 竹環纖維鞘組織比量變化

3 結論

以毛竹為研究對象，通過微細砂紙拋光結合高清掃描的方式獲得竹環橫切面，采用圖像處理軟件采集竹環橫切面內橫切面面積、維管束數量、纖維鞘總面積，研究毛竹竹環中維管束分布密度和纖維鞘組織比量的縱向變異。主要結論如下：

1)提出了微細砂紙拋光結合高清掃描儀掃描的方式，快速獲得穩定且分辨率較高的竹環掃描圖片。此法可以一次性獲得整個竹環的完整結構信息，細砂紙打磨還填充了維管束中的孔隙，避免了對纖維鞘面積自動計算的干擾。

2)毛竹竹環中維管束分布密度和纖維鞘組織比量隨高度的增加而增加。毛竹1 m 處的節間內竹環中維管束的分布密度和纖維鞘的組織比量要小于2 m 處的；在同一節間內，維管束的分布密度、纖維鞘的組織比量也隨竹環的位置升高而略有增加；竹節間靠近下部竹節部位竹環外觀尺寸和維管束數量有明顯的增多。