白木香树皮纤维特征研究∗

甘昌涛 何海珊 王 粤 邱 坚

（1.西南林业大学艺术与设计学院，云南 昆明 650224；2. 云南林业职业技术学院工业工程学院，云南 昆明 650000；3. 西南林业大学林学院，云南 昆明 650224；4.西南林业大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650224）

近30 年来，随着沉香产业的发展，国内外野生沉香资源日益减少，我国沉香源植物种植得到快速发展，主要树种为白木香（Aquilaria sinensis），其大面积规模化的种植约有15 年的历史。据统计，人工种植沉香的省区主要有广东、海南、广西、福建和云南 ，至2019 年年底广东人工种植沉香面积约为14 700 hm2[1]，2017 年年底海南人工种植的沉香面积约6 181 hm2[2]，2016 年底，广西、福建分别约为4 000、667 hm2，云南在西双版纳州约有4 400 hm2[3]。随着白木香种植业的发展，白木香作为生产沉香的资源，其林下中草药、林下养殖、白木香茶叶等相关产业[4-7]的发展也为人们在白木香树长成与结香的漫长过程中带来了额外的经济效益。然而，仍然有较多的种植户经营难以为继，因此需进一步发掘白木香人工林资源利用价值。

本课题组在研究白木香环剥结香的过程中发现，白木香树皮可以在恰当的剥皮下再生[8]，且白木香树皮纤维丰富，树皮颜色浅。据中国植物志记载，白木香树皮细致且柔韧，可为高级纸原料[9]，但目前尚未见针对白木香树皮纤维特征进行分析及利用的文献。对树皮的利用古已有之，我国宣纸的重要原料即为青檀的树皮[10-13]，而构树皮是特色手工纸——东巴纸的重要原料[14-15]。现代科学对绿色复合材料的关注度越来越高，在高分子复合材料中添加树皮纤维，有利于提高复合材料的力学性能[16-18]。据课题组调查，香农在春季砍下生长旺盛的枝条，将树叶收集后用于制茶，而从树枝上剥下的树皮有较好的强度和韧性。因此，如果白木香树皮可用于造纸，制茶剩余的树枝即可作为造纸纤维的来源。

本研究从云南西双版纳、广东中山两地采集白木香枝条与树干，通过显微观察和纤维特征观察研究白木香树皮纤维的特征及其生长规律，以期为白木香树皮纤维的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

在西双版纳沉香基地，取不同直径的树枝，并按照直径对其进行分级，分为：0～3.0、3.1～7.0、7.1～10.0、10.1～15.0、15.1～20.0、20.1～25.0 mm，如图1 所示。再按照分级进行剥皮，剥皮时兼顾不同的部位。

图1 西双版纳白木香树枝直径分级Fig.1 Grading of branch diameter of A. sinensis in Xishuangbanna

在中山市五桂山沉香基地选取3棵白木香树，在白木香主干上取4个高度的部位，以美工刀取10 cm长树皮，4个取样高度分别为10～20、130～140、230～240、330～340 cm。对树皮样品进行离析、染色、观察、测量和显微切片制作。

试剂：聚乙二醇（PEG），分子量1 500，山东西亚化学工业有限公司；刚果红，上海馨晟试化工科技有限公司；冰醋酸，上海申博化工有限公司；过氧化氢30%，天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.2 设备

莱卡滑走式切片机，型号Leica SM2000R，莱卡显微系统有限公司；生物数码显微镜，型号80i，尼康株式会社；数码恒温恒湿箱，型号HH-4，常州国华电器有限公司；电热恒温水浴锅，型号HH-6，常州国华电器有限公司；低速离心机，型号TG-50，常州金坛良友仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 显微切片制作与观察

将试样修成约1 cm边长的小方块，浸泡于水中，以水循环式真空泵抽真空饱水至木块沉底，以自来水冲洗1 次，浸泡于水中30 min后再洗涤，反复浸泡洗涤3 次，于聚乙二醇（PEG，分子量1 500）的水溶液中逐级脱水包埋，PEG浓度（体积比）分级为30%、50%、70%和100%，包埋时间为每级浓度24 ～30 h，包埋温度为60 ℃，PEG浓度顺序为30%一次、50%一次、70%一次、100%一次、100%第二次。PEG溶液体积至少为木块体积的3 倍，并浸没木块样品。包埋后的木块样品放在木质底座上冷却固定[19]，以莱卡滑走式切片机切18～25 μm厚的切片，并用过滤水将PEG洗净。用生物数码显微镜配置荧光波长为330～380 μm观察细胞壁木质化情况，用偏光观察纤维素及晶体分布。

1.3.2 纤维形态观察方法

对所采集的树皮样品进行离析、染色、观察和测量。将树皮放入离心管中，加双氧水冰醋酸溶液将其浸没，在电热恒温水浴锅中加热至（90±2） ℃（昆明为高原地区，水的沸点约92 ℃），约2 h后，树皮变白，稀松，有的样品经震荡后可以充分分散，有的样品还需继续加热，直至可以震荡分散得纤维，随后用离心机进行离心5 min以上，待纤维等细胞沉降后，倒出双氧水冰醋酸溶液，加水摇晃清洗，如此反复离心、倒出洗液、加水摇晃清洗3～4次，至纤维无明显酸味，离心倒出洗液，滴加0.1%刚果红染液至淹没纤维，放置8～12 h后，以同样方法洗去刚果红染液。将离心管中清洗完成的纤维倒在培养皿中，加过滤水，以吸管吸取纤维至载玻片上，盖上盖玻片以待观察。未观察的玻片则放置在潮湿环境中，或置于晾片板上，以湿润的卫生纸覆盖，装入密封袋中，避免水分散失。使用显微镜参考《中国造纸原料纤维特性及显微图》[20]的方法测定、描述纤维形态特征，测量纤维长度、宽度、壁厚、腔长、腔径，其中纤维长度重复测量100根及以上，纤维宽度、壁厚、腔长、腔径重复测量30根及以上。所得数据以SPSS 18.0 进行单因素方差分析组间显著性，采用Excel 2007 软件和Origin 2018 软件进行数据整理和作图。

2 结果与分析

2.1 白木香树皮纤维分布特点

木材细胞壁木质素中的酚类物质能产生自发荧光，通过在荧光显微镜下观察自发荧光的强弱，可以判断木质素的分布情况。木材细胞壁因纤维素分子有序排列形成的结晶区而具有双折射性，在偏光显微镜下明显发亮，可以定性判断纤维素的分布情况[21-22]。图2a普通光可见含栓皮层、皮层、韧皮部、韧皮射线、厚壁的韧皮纤维，结合图2b荧光和图2c偏光图中发亮部分，可以看出，树皮纤维在荧光下由于高度木质化发亮，在偏振光下细胞壁的结晶区因具有双折射性而发亮，晶体亮度高且呈现多种色彩。由图3 纵切面上，可见皮层到形成层韧皮纤维逐渐增多，与横切面观察的结果一致，分隔木纤维明显可见，横切面和纵切面均可见高亮度的晶体。

图2 白木香树皮纤维横切面普通光、荧光、偏光图Fig.2 Natural light, polarized light & fluorescent light pictures of bark fiber of A. sinensis trunk

2.2 白木香树皮纤维形态

如图4 所示，西双版纳沉香基地白木香树枝与中山市五桂山沉香基地树干的树皮纤维形态类似，白木香树皮纤维大部分呈现中部膨大，两端细长的形态，少部分纤维无明显膨大，纤维中部膨大者的腔长和腔径差异较大，少数树皮纤维末端出现分叉。由于纤维未膨大部分的腔径接近于1 μm，光学显微镜测量误差较大，因此文中所测腔径为纤维中部膨大部分的腔径。

2.2.1 树枝树皮纤维形态变化

白木香直径为0～25.0 mm树枝的树皮纤维长度为1 036.0～5 780.0 μm，均值为2 910.41 μm；宽度为6.0～32.0 μm，宽度均值16.89 μm，长宽比为147～233，均值173.32；壁厚为1.05～8.33 μm，均值3.09 μm，腔径为1.18～18.27 μm，均值16.53 μm，壁腔比为0.68～1.29，均值0.97，腔长为90.79～558.87 μm，均值284.68 μm。图5为西双版纳白木香枝条部分树皮纤维显微图。

西双版纳沉香基地白木香树枝树皮纤维形态随树枝直径变化规律如表1 和图6 所示。可以看出，直径15.0 mm以下的树枝树皮纤维长度随树枝的直径增加而显著增加；直径为10.0 ～15.0 mm的树枝树皮纤维长度和直径15.0～20.0 mm的差异不显著；直径为21.0～25.0 mm的较直径15.0～20.0 mm的显著增加。在直径为0～25 mm的树枝中，树皮纤维随树枝直径的增大纤维长度增长，直径为 10.0 mm及以上的树枝树皮纤维平均长度达3 000.00 μm以上。

图6 西双版纳白木香树枝纤维尺寸随树枝直径变化趋势图Fig. 6 Fiber size tendency of A. sinensis with di☆erent diameter branches in Xishuangbanna

表1 西双版纳白木香树枝纤维尺寸随树枝直径变化显著性分析Tab.1 Bark fiber significance analysis of A. sinensis varying with di☆erent diameter branches in Xishuangbanna

树皮纤维宽度、壁厚、腔径、腔长随着树枝直径的增大波动变化。树枝直径为0～3.0 mm时，树皮纤维短，宽度较窄，壁较厚，腔较小，腔长较短；树枝直径为3.1～ 7.0 mm时，树皮纤维显著伸长，宽度、壁厚、腔径、腔长变化均不显著；树枝直径为7.1～10.0 mm时，树皮纤维进一步伸长，纤维宽度增加但不显著，壁厚显著变薄，腔径、腔长增加但不显著；树枝直径为10.1～15.0 mm时，树皮纤维继续伸长，宽度显著变窄，壁厚显著增大，腔径显著变小，腔长变短但不显著；树枝直径为15.1～20.0 mm时，树皮纤维长度伸长不显著，宽度显著变宽，壁厚显著变薄，腔径增加但不显著，腔长变化不显著；树枝直径为20.1～25.0 mm时，树皮纤维长度继续伸长，宽度变窄但不显著，壁厚变化不显著，腔径变小但不显著，腔长变化不显著。

据此对白木香树皮纤维生长过程的形态变化进行分析，树枝直径为0～3.0 mm时树皮纤维短细；3.1～7.0 mm时纤维伸长，宽度变宽但不显著，腔变大且长，壁薄；7.1～10.0 mm时纤维进一步伸长，腔继续变大变长，壁薄，宽度变宽但不显著；10.1～15.0 mm时纤维进一步伸长，腔变短变小，壁增厚，宽度变化显著；15.1～20.0 mm时纤维未见伸长，腔变大变长，壁变薄，宽度变宽；20.1～25.0 mm时纤维继续伸长但不显著，腔变小但未变短，壁薄，宽度变化不显著。

由此可见，树皮纤维的生长具有规律性和节律性，细胞壁厚薄随细胞腔大小变化，腔变大变长时壁变薄（10.0 mm以下），腔变小变短时壁增厚（10.1～15.0 mm），继而腔变大变长壁变薄（15.1～20.0 mm），最后腔变小壁变厚（20.1～25.0 mm），在此过程中纤维长度持续伸长。

如图7所示，白木香树枝树皮纤维长度主要分布于2.0～4.0 mm，占比72%，长度小于2.0 mm的纤维占17%，而大于4.0 mm的占11%。

图7 西双版纳0～25 mm白木香树枝纤维长度分布频率Fig. 7 Fiber length distribution frequency of A. sinensis with di☆erent diameters branches in Xishuangbanna

如图8 所示，白木香树枝树皮纤维宽度主要分布于10.00 ～25.00 μm，占比88%，宽度小于10.00 μm的占7%，大于25.00 μm的占5%。

图8 西双版纳直径0～25 mm白木香树枝纤维宽度分布频率Fig. 8 Fiber width distribution frequency of A. sinensis with di☆erent diameters branches in Xishuangbanna

2.2.2 树干树皮纤维形态变化

中山市五桂山沉香基地白木香树干树皮纤维的长度、宽度、长宽比、壁厚、细胞腔径、壁腔比随树高的变化见图9。

图9 中山白木香树干树皮纤维尺寸随树干高度变化趋势图Fig. 9 Stem bark fiber size tendency of A. sinensis with di☆erent heights in Zhongshan

中山市五桂山沉香基地白木香树干高度10～340 cm的树皮纤维长度为1 247.60 ～5 863.90 μm，均值3 615.25 μm，宽度为9.05～36.33 μm，宽度均值18.55 μm，长宽比为152.33～222.96，均值195.35。树皮纤维壁厚为1.06～4.90 μm，均值2.41 μm，腔径为3.42～33.12 μm，均值11.16 μm，壁腔比为0.37～0.56，均值0.43，腔长为117.80～577.39 μm，均值309.04 μm。树干树皮纤维长度随着树高的增加先增大后减小；壁厚随树高的增加无显著规律性；纤维宽度随树高的增加而降低，长宽比随着树高的增加而变大；纤维腔长和腔径在树干240 cm及以下时随树高增加而增加，壁厚和壁腔比随树高增加而降低。

中山市五桂山沉香基地白木香树干不同高度的树皮纤维长度分布频率如图 10 所示。白木香树干树皮从纤维长度分级来看，主要分布于3.0～5.0 mm，占比78.25%，长度小于3.0 mm的纤维占19.25%，而大于5.0 mm的占2.50%。

图10 中山白木香不同树干高度树皮纤维长度分布频率Fig. 10 Stem bark fiber length distribution frequency of A.sinensis with di☆erent heights in Zhongshan

图11 中山白木香树干树皮纤维尺寸随树干直径变化趋势图Fig. 11 Stem bark fiber size tendence of A. sinensis with di☆erent diameters in Zhongshan

中山市五桂山沉香基地白木香树皮纤维长度、宽度、长宽比、壁厚、腔长、壁腔比、腔径随直径的增加无显著规律性。

中山市五桂山沉香基地不同直径的白木香树干树皮纤维长度分布频率如图 12 所示。白木香树干树皮纤维长度分布频率与树干直径无显著规律性。

图12 中山白木香不同树干直径树皮纤维长度分布频率Fig. 12 Stem bark fiber length distribution frequency of A.sinensis with di☆erent diameters in Zhongshan

2.2.3 白木香树皮纤维与其他纤维形态比较

纤维长度和长宽比是衡量纸浆造纸最为重要的指标[23-24]，查阅相关文献[20,25-27]，常见树皮纤维形态如表2 所示。方升佐等[28]报道安徽青檀（Pteroceltis tatarinowiiMaxim.）人工林檀皮纤维长度为2 181～2 730 μm、平均长度约为3.5 mm，宽度为9.8～12.0 μm，长宽比为184.8～250.5，汪殿蓓等[29]报道湖北野生2～3年生健壮青檀树枝条纤维的平均长度为1 499.68 μm，平均宽度为8.9 μm，长宽比为168.91。白木香树干树皮纤维的特征与青檀树皮较为接近，而树枝树皮纤维长度与三桠皮较为接近，在韧皮纤维中属于较细软的类型，综合纤维平均长度和纤维长度分布频率而言，白木香树干树皮纤维达到了特优原料纤维的标准。

表2 造纸树皮纤维形态尺寸比较Tab.2 Comparison of papermaking bark fiber size

3 结论

通过对西双版纳沉香基地树枝纤维形态随枝条直径变异特征和中山市五桂山沉香基地树干纤维随树高变异特征的观察分析，得出以下结论：

1）韧皮纤维从皮层到形成层逐渐增多，分隔纤维明显。白木香树皮纤维中部略大，两端细长，大部分纤维中部明显膨大，少数树皮纤维末端出现分叉。

2）西双版纳沉香基地直径0～25.0 mm的白木香树枝树皮纤维长度、宽度、长宽比、壁厚、腔径、壁腔比、腔长平均值分别为2 910.41 μm、16.89 μm、173.32、3.09 μm、16.53 μm、0.97、284.68 μm，纤维长度随直径的增大而变长，树皮纤维形态变化具有规律性和节律性。树枝直径达到10.0 mm及以上时，树枝树皮纤维平均长度达3 000.0 μm以上，接近树干树皮平均纤维长度，纤维特征趋于稳定。

3）中山市五桂山沉香基地白木香树干高度10～340 cm的树皮纤维长度、宽度、长宽比、壁厚、腔径、壁腔比、腔长平均值分别为3 615.25 μm、18.55 μm、195.35、2.41 μm、11.16 μm、0.43、309.04 μm，树干树皮纤维壁厚随树高的增加无显著规律性，纤维长度随树高的增加先增大后减小，纤维宽度随树高的增加而降低，长宽比随着树高的增加而变大；纤维长度、宽度、长宽比、壁厚、腔长、壁腔比、腔径随直径的增加无显著规律性。

4）白木香树干树皮纤维的特征与青檀树皮较为接近，而树枝树皮纤维长度与三桠皮较为接近，研究表明：白木香树枝的树皮制浆造纸有良好的先决条件，同样属于韧皮纤维中较为纤细而柔软的纤维。为进一步研究白木香树皮造纸的条件，还需继续对其综纤维素、木质素、灰分等化学成分进行分析。

本文为研究白木香树皮纤维在生长过程中的纤维形态，所述白木香树皮纤维腔径为离析条件下测得的纤维细胞中部膨大部位的腔径，壁腔比的计算也是依据纤维细胞中部膨大处的腔径，这种测量方式与通过横切面测量细胞腔径不同，在参考和实际应用中应注意两者测量方式与结果的不同。