林业科学  2007, Vol. 43 Issue (1): 121-126   PDF    
0

文章信息

江泽慧, 吕文华, 费本华, 任海青, 吴玉章, 王朝晖.
Jiang Zehui, Lü Wenhua, Fei Benhua, Ren Haiqing, Wu Yuzhang, Wang Zhaohui.
3种华南商用藤材的解剖特性
Anatomical Characteristics of Three Commercial Rattan Canes in South China
林业科学, 2007, 43(1): 121-126.
Scientia Silvae Sinicae, 2007, 43(1): 121-126.

文章历史

收稿日期:2006-02-05

作者相关文章

江泽慧
吕文华
费本华
任海青
吴玉章
王朝晖

3种华南商用藤材的解剖特性
江泽慧, 吕文华, 费本华, 任海青, 吴玉章, 王朝晖     
中国林业科学研究院 北京 100091
关键词:棕榈藤    解剖特性    变异    材质    利用    
Anatomical Characteristics of Three Commercial Rattan Canes in South China
Jiang Zehui, Lü Wenhua, Fei Benhua, Ren Haiqing, Wu Yuzhang, Wang Zhaohui     
Chinese Academy of Forestry Beijing 100091
Abstract: Study on the basic anatomical characteristics of rattan canes will give great guidance to their classification, exploitation, utilization, processing and improvement. The basic anatomical characteristics and their variation in cane of three commercial rattans in South China, i.e. Calamus simplicifolius, Calamus tetradactylus and Daemonorops margaritae were investigated. Results show that: 1) The variation at the height of rattan canes is small, while the variation along the radius direction of rattan canes is significant. 2) The fiber length, fiber ratio and distributing density of vascular bundle in the cross section decrease from cortex to core, while the fiber width, vessel element length and width, parenchyma ratio, vessel ratio, vascular bundle size, metaxylem vessel diameter and fiber microfibrillar angle in the cross section increase from cortex to core. The cellulose crystallinity of stem core is bigger than that of the cortex. 3) All these three rattan possess the cane structure characteristics of good commercial rattan cane. As for the anatomical structure, C. simplicifolius is the best and C. tetradactylus is better than D. margaritae. 4) According to the anatomic study, the penetration approach of rattan cane is mainly the longitudinal axial passage around the core; it is an important research direction to improve the penetrability of rattan cane.
Key words: rattan cane    anatomical characteristics    variation    quality    utilization    

藤材的解剖结构与藤材性能及其加工利用密切相关。研究藤材的基本解剖特性,对于藤材的归类、开发利用和加工改性等具有重要的指导作用。藤材的商业化取决于以下因素:可及性、直径、节间长度、颜色以及加工特性,这些都基于藤材的基本特性,主要是解剖构造(Walter, 1996)。商业藤材一般具有以下特征(Walter, 1996):1)藤茎的维管束分布均衡,在横截面上,纤维占20%~25%,输导细胞占15%,基本薄壁细胞占30%~35%;2)纤维帽尺寸相等,纤维长度一致,多层结构细胞壁;3)基本薄壁组织细胞小而且壁厚多层。维管束分布密度及纤维成分与输导成分的比例, 纹孔、导管孔径的大小,对藤茎的坚韧程度影响都很大,纤维含量可作为藤茎坚硬度的指标,至于韧性还得考虑到纤维细胞的数量与输导组织成分的比例状况,特别是大型导管孔径的大小等,这些都是选择优良品种的主要依据(腰希申等,1998)。纤维细胞壁的厚度、纤维比率和后生木质部导管分子的直径对藤材密度、初含水率和体积干缩率有着重要影响(Bhat, 1991)。藤种、藤龄、藤茎上的位置、纤维(厚壁组织)比率、密度和含水率是影响强度的重要因子(Bhat, 1992)。本文对我国华南地区的主要用材藤种单叶省藤(Calamus simplicifolius)、白藤(Calamus tetradactylus)和黄藤(Daemonorops margaritae)的纤维长宽、导管分子长宽、组织比量(薄壁细胞、导管、纤维)、单位面积维管束分布密度、后生木质部大导管的大小、维管束的大小、细胞壁厚(薄壁细胞、纤维)、微纤丝角以及纤维素结晶度等解剖特性进行了研究。

1 材料与方法 1.1 材料

单叶省藤、白藤和黄藤采自广东省高要市金鸡坑林场。白藤丛生,黄藤和单叶省藤攀生在杉木(Cunninghamia lanceolata)上,约10年生。单叶省藤藤条直径12~15 mm,长10~15 m,节间长度25~35 cm。白藤藤条直径5~8 mm,长4~6 m,节间长度10~15 cm。黄藤藤条直径10~14 mm,长10~15 m,节间长度15~25 cm。藤采收后去除叶鞘,气干。

1.2 试验方法

单叶省藤、白藤、黄藤气干藤材各5株,从藤茎梢部往下纵向3等分,记为上、中和下部,截取各部中间藤节的中部和近节部,再按横向内部(近藤芯)、中部和外部(近藤皮)取材,常规制片、离析,显微观测,各指标计测50个值作统计平均。以藤茎中部藤节纤维测微纤丝角和纤维素结晶度,微纤丝角采用偏光显微镜法测定。纤维素结晶度采用红外光谱法测定,用沃康诺指数O'KI或纳耳森·沃康诺指数N·O'KI表示(N·O'KI=a1 372 cm-1/a2 900 cm-1,O'KI=a1 429 cm-1/a893 cm-1a为谱带强度)。

2 结果与分析 2.1 纤维长度和宽度

3种藤材的纤维长度和宽度测试结果(表 1)表明:单叶省藤纤维最长,白藤次之,黄藤最短;单叶省藤纤维最宽,黄藤次之,白藤最窄。与藤节中部纤维相比较,近节处纤维宽度稍窄,长度短10%~20%。自藤芯向藤皮,纤维长度增大,纤维宽度减小。白藤近藤皮外部纤维长度几乎是近藤芯内部的2倍。经F值检验,白藤纤维较短,但与单叶省藤相差不大;黄藤纤维最短,与单叶省藤和白藤都有较显著差异。黄藤纤维较窄,但与单叶省藤相差不大;白藤最窄,与单叶省藤差异显著。对于不同藤种,纤维尺寸在横向的变异情况相同,在纵向稍有差异。表 2是3种藤纤维在纵横向变异的F检验结果,3种藤的纤维尺寸都在纵向(上、中和下部)差异不显著;在横向(内、中和外部)差异很显著;藤节中部与近节处纤维,除在纵向长度差异显著外,无明显差异。

表 1 3种藤材的纤维长度和宽度 Tab.1 The fiber size of the rattan canes
表 2 3种藤材的纤维长度和宽度纵向和横向差异性的F值检验 Tab.2 The F-test of fiber size variation of the rattan canes
2.2 导管分子长度和宽度

3种藤材的导管分子长度和宽度测试结果见表 3。导管分子长度自藤芯向藤皮呈减小趋势。单叶省藤与白藤的导管分子较长,黄藤导管分子较短,相差近20%。导管分子宽度自藤芯向藤皮减小,近藤皮处不及近藤芯处的一半;单叶省藤最宽,黄藤次之,白藤最窄。藤节中部的导管分子比近节部的导管分子窄,短约20%~30%。经F值检验,单叶省藤与白藤的导管分子长度差异不明显,但黄藤与两者有较显著差异;3种藤材的导管分子宽度存在十分显著的差异。不同藤种导管分子的变异情况,在横向相差不大,在纵向有很大不同。

表 3 3种藤材的导管分子长度和宽度 Tab.3 The vessel element size of the rattan canes

表 4是3种藤材的导管分子在纵横向变异的F检验结果。单叶省藤导管分子尺寸在纵向(上、中和下部)无明显差异,在横向(内、中和外部)差异显著;其藤节中部与近节处导管分子相比较,除在纵向长度差异显著外,无明显差异。白藤导管分子在纵向无明显差异,在横向差异显著,但近节处导管分子长度在横向变异小;其藤节中部与近节处导管分子差异显著,但在横向宽度差异不明显。黄藤导管分子长度在纵向变异显著,在横向变异很小;其宽度相反,在纵向变异很小,在横向变异显著;其藤节中部与近节处导管分子,除在横向长度差异显著外,无明显差异。近节处导管分子短,这可能是节部输导性较差原因之一。

表 4 3种藤材的导管分子长度和宽度纵向和横向差异性的F检验 Tab.4 The F-test of vessel element size variation of the rattan canes
2.3 纤维和基本薄壁细胞的壁厚

胞壁厚度在某种程度上表征着细胞壁实质含量,胞壁厚度越大,胞壁实质越多,机械力学等性能越好。纤维胞壁厚度是决定藤材物理特性最重要的解剖因子(Bhat et al., 1993)。藤材用于家具制作,可以细胞壁厚度作为强度指标(Walter, 1996)。图 1是3种藤材的纤维细胞和基本薄壁细胞的双壁厚度在横向的变化,2种胞壁厚度在藤茎横截面上的变化一致。单叶省藤的胞壁厚度最大,白藤最小,但白藤和黄藤相差不大。白藤和黄藤的胞壁厚度在藤茎横向自外向内减小。单叶省藤的胞壁厚度在藤茎横向变化很小,在整个横截面上较为一致,表明该藤茎内外性能差异较小。

图 1 3种藤材的纤维和基本薄壁细胞双壁厚度的横向变化 Fig. 1 The fiber and parenchyma bi-wall thicknesses of the canes
2.4 组织比量

图 2是单叶省藤、白藤和黄藤的薄壁细胞、导管和纤维比量在藤茎横向的变化。各组织比量在藤茎横向变化明显,尤其是近藤皮外部与内部和中部的差异较大。薄壁细胞和导管比量自外向内增大,纤维比量自外向内减少,外部纤维含量大,差异明显。纤维比量在一定程度上表征藤茎的力学强度;纤维细胞的数量与输导组织成分的比例状况对藤材韧性有重要影响(腰希申等,1998)。藤材的塑性变形受薄壁细胞含量影响;藤材的抗拉、抗压强度和弹性模量与其密度或纤维比量显著正相关,与其薄壁组织比量显著负相关(蔡则谟等,2003)。近藤皮处的纤维比量最大,薄壁细胞和导管比量最小,使得藤茎外部比藤芯更坚韧。白藤薄壁细胞含量高,内外差异小,因而白藤柔韧工艺特性好。纤维比量的变化率和变化梯度反映藤材质量;下降率小,下降梯度平缓,为材质良好的构造特征。单叶省藤的纤维比量最大,且内外差异较小,因而单叶省藤材质最好,综合利用价值最高。

图 2 3种藤材的薄壁细胞、导管和纤维比量 Fig. 2 The basic parenchyma, vessel and fiber ratios of the canes
2.5 维管束分布密度和维管束大小

维管束分布密度对藤茎坚韧程度有重要影响(蔡则谟等,2003)。表 5是3种藤材的维管束大小和分布密度在藤茎横向的变化。维管束分布密度在横向差异显著,近藤皮分布多,近藤芯分布少,但中部和内部的差异不显著,藤茎外部比藤芯坚韧。单叶省藤的维管束分布密度最小。黄藤的维管束分布密度在横向差异十分显著。维管束分布密度与维管束大小正相关。维管束在藤茎横向自外向内增大,近藤皮外部的维管束小,芯部和中部的维管束大。维管束长度和宽度的变化一致。单叶省藤的维管束大,黄藤较小,白藤最小。维管束分布和大小的横向变化,单叶省藤差异小,黄藤大,白藤居中。结构上的差异决定性能上的差异,因此,单叶省藤材质均匀,白藤稍差,黄藤横向材质差异最大。

表 5 3种藤材的维管束的大小和分布密度 Tab.5 The vascular bundle sizes and distributing densities of the rattan canes
2.6 后生木质部大导管分子直径

后生木质部导管分子直径对藤茎的坚韧程度影响较大,特别是大型导管分子孔径的大小对韧性有重要影响(腰希申等,1998)。由图 3,3种藤材的后生木质部大导管分子直径在横截面上自外向内增大,变化明显。藤茎外部大导管分子较小,芯部和中部大导管分子较大。单叶省藤的后生木质部大导管分子最大,黄藤较小,白藤最小。芯部和中部大导管分子的差异,单叶省藤不明显,白藤和黄藤差异较明显,中部较大,芯部最大。

图 3 3种藤材的后生木质部大导管直径 Fig. 3 The metaxylem vessel diameters of canes
2.7 纤维微纤丝角和纤维素结晶度

纤维微纤丝角为细胞次生壁中层S2层微纤丝排列方向与细胞主轴所形成的夹角,它对木材的物理、力学和化学性能都有很大影响,是木材机械性能的主要决定因子,特别影响木材的弹性模量和异向收缩(Walke et al., 1995; Cave et al., 1994),与木材强度和硬度等密切相关(洑香香等,2002)。纤维微纤丝角对藤材性能的影响,与对木材性能的影响相似,藤的力学性质和干缩特性等与之密切相关(Abasolo et al., 2000)。表 6是3种藤材纤维微纤丝角在藤茎横向以及藤节中部和节部的变化。微纤丝角自藤皮向藤芯呈增大趋势,这是机械组织分布适应外界作用力的结果(蔡则谟,1989)。近节部纤维的微纤丝角明显比藤节中部纤维的微纤丝角大,因此,藤节往往是藤破坏时的脆弱点。黄藤纤维的微纤丝角变异大,表明黄藤的力学等相关性质变异大。

表 6 3种藤材纤维的微纤丝角 Tab.6 The microfibrillar angles of the rattan canes

纤维素结晶度是纤维素构成的结晶区占纤维素整体的百分数,表征纤维素聚集态结晶程度,在一定程度上反映纤维的物理和化学性质,是评价生物质材料力学性质和纤维素品质的重要依据。随着结晶度增加,纤维素的断裂强度、弹性模量、硬度、密度、尺寸稳定性等提高;但延伸性、吸湿性、润胀性、吸附性、韧性、柔软性和化学反应性等降低(吴顺昭等,1991秦特夫等,2005)。纤维素结晶度对藤材的铸型或重组有重要影响(Abasolo et al., 2003)。表 7是3种藤材的纤维素结晶度,沃康诺指数(O'KI)或纳耳森·沃康诺指数(N·O'KI)越大,表明纤维素结晶度越大。可见,藤材纤维素结晶度明显比木材低,应用于家具工业,可经适当加热后,在不改变机械特性的情况下铸模、弯曲成型。纤维素结晶度的横向变异,白藤较大,单叶省藤次之,黄藤最小。藤芯纤维素结晶度高于藤皮,藤芯机械强度比藤皮好,但藤皮比藤芯更容易弯曲。单叶省藤的结晶度指数最大,黄藤最小,白藤居中,这表明相关材性单叶省藤好于白藤,白藤好于黄藤。

表 7 3种藤材的纤维素结晶度 Tab.7 The cellulose crystallinity of the rattan canes
3 结论与讨论

基于藤材的解剖特性及其种间和茎内差异,进行藤种或藤茎剖分归类,适材适用,可提高藤的利用价值和加工层次。对单叶省藤、白藤和黄藤的解剖研究表明,藤茎横向(内、中、外部)的材质差异较大,藤茎纵向(上、中、下部)的材质差异较小。这表明将藤茎沿纵向圆周剖分,不涉及横向变化,所剖分出的藤条性质是一致的,因而,在实际应用中,将藤茎内外材性差异较大的藤材剖分分类使用。纤维长度、纤维比量、维管束分布密度、纤维胞壁厚度等自藤皮向藤芯减小,藤皮与藤芯的纤维比量有很大差异,藤皮部的维管束数量高于藤芯部1倍以上。纤维宽度、导管分子长度与宽度、薄壁细胞比量、导管比量、维管束大小、后生木质部导管分子直径和纤维微纤丝角等自藤皮向藤芯增大。藤芯纤维素结晶度比藤皮高。藤茎的维管束分布密度、纤维比量及纤维壁厚率等解剖特性,决定了藤茎外部强度大于藤芯,如果二者差别较小,认为藤茎质地均匀而良好;反之,质量较差(蔡则谟,1994)。

研究结果表明,单叶省藤、白藤和黄藤均具备良好商用藤材的结构特征(Walter, 1996)。单叶省藤的纤维比量、纤维胞壁厚度、纤维素结晶度以及纤维、导管分子、维管束和后生木质部大导管分子的尺寸等最大,薄壁细胞比量和维管束分布密度等最小,而且在藤茎横向的内外差异最小,变化梯度平缓,因此,单叶省藤材质最好。同理,白藤材质次之,黄藤材质稍差。此外,单叶省藤藤径较大,节间长度较大,颜色较浅,从而综合利用价值最大,为我国棕榈藤栽培的首选藤种。综上,单叶省藤,中径藤,藤皮及藤芯材质差异小,质地优良,宜原条或加工成藤皮和藤芯使用,用于家具、织物或手工艺品等。黄藤,中径藤,纤维比量较大,但藤茎横向材质差异显著,藤芯脆弱,质地中等,宜原条或加工成藤皮和藤芯使用,与单叶省藤用途相似。白藤,小茎藤,纤维比量较大,宜原条使用,用于捆扎或制作工艺品、家具和农具等。

藤材导管分子横向变异十分显著,藤芯导管分子长而宽,藤茎外部导管分子短而窄,因而在实际应用中,通过浸渍处理方法改善藤材特性的应用相当受限。藤茎的渗透途径限于轴向,主要是藤茎内部,横向穿透非常弱。研究藤材构造与渗透性的关系,提高藤材的可渗透性,对于藤材的防霉、防腐等改性处理意义重大,是藤材利用的重要研究方向。

参考文献(References)
蔡则谟. 1989. 四种藤茎维管组织的分布. 植物学报, 31(8): 569-575.
蔡则谟. 1994. 藤茎的轴向抗拉强度试验. 林业科学, 30(1): 93-95.
蔡则谟, 许煌灿, 尹光天, 等. 2003. 棕榈藤利用的研究与进展. 林业科学研究, 16(4): 479-487. DOI:10.3321/j.issn:1001-1498.2003.04.018
洑香香, 杨文忠, 方升佐. 2002. 木材微纤丝角研究的现状和发展趋势. 南京林业大学学报:自然科学版, 26(6): 83-87.
秦特夫, 黄洛华. 2005. 5种不同品系相思木材的化学性质Ⅰ.木材化学组成及差异性.. 林业科学研究, 18(2): 191-194. DOI:10.3321/j.issn:1001-1498.2005.02.017
吴顺昭, 王义仲. 1991. 黄藤材之物理性质. 中华林学季刊, 24(2): 99-110.
腰希申, 李旸, 许煌灿, 等. 1998. 棕榈藤的电镜观察Ⅰ.藤基部分的电镜观察. 林业科学, 34(3): 104-109. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.1998.03.015
Abasolo W P, Yoshida M, Yamamoto H, et al. 2000. Microfibril angle determination of rattan fibers and its influence on the properties of the cane. Holzforschung, 54(4): 437-442.
Abasolo W P, Yoshida M, Yamamoto H. 2003. Thermal softening of rattan canes: influence of the hemi cellulose-lignin matrix. World Bamboo and Rattan, 1(4): 32-36.
Bhat K M. 1991. Mohan verghese anatomical basis for density and shrinkage behaviour of rattan stem. Journal of the Institute of Wood Science, 12(3): 123-130.
Bhat K M, Thulasidas P K. 1992. Strength properties of ten south Indian canes. Journal of Tropical Forest Science, 5(1): 26-34.
Bhat K M, Walter L. 1993. Anatomy and identification of south Indian rattans (Calamus species). Journal of IAWA, 14(1): 63-76. DOI:10.1163/22941932-90000578
Cave I D, Walker J C F. 1994. Stiffness of wood in fast-grown plantation softwoods:the influence of microfibril angle. Forest Products of Journal, 44(5): 43-48.
Walke J C F, Bunerfield B G. 1995. The importance of microfibril angle for the processing industries. New Zealand Forestry, 40(4): 34-40.
Walter L. 1996. Structural research on bamboo and rattan for their wider utilization. Journal of Bamboo Research, 15(2): 1-14.