全 文 ：研究论文
收稿日期:2001-11-18
本课题为国家自然科学基金(29876012)、广东省自然科学基金(980596)资助项目
作者简介:邱玉桂 ,男 , 1943年生;教授 ,华南理工大学造纸与环境工程学院轻化工程系主任。主要从事植物纤维原料的形态及超微结构 、制浆原理与
工程 、纸浆无污染漂白原理与技术等研究。
茶秆竹茎秆表皮层的 SEM-EDAX研究
邱玉桂　林　鹿　郑志彤
(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室 , 广州 , 510640)
摘　要:用 SEM-EDAX法对茶秆竹茎秆表皮层的外表面及表皮层的形态 、微细结构 、化学元素分布等进行了研究。 结果表明 ,表皮层中
的化学元素分布有较强的规律性;表皮层是由多种元素 、多种形态结构物组成的复合材料层。
关键词:竹茎;表皮层;SEM-EDAX法;化学元素分布;微细结构
中图分类号:TS 71+2　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1000-6842(2002)01-0001-05
　　我国是世界主要的竹子产国(约有 26属 200多
种),年产竹子 500多万 t ,占世界竹子产量的 1/3。竹
子是禾本科原料中的优质原料 ,具有生长快 、纤维细长
等优点[ 1-2] 。
高等植物在生长过程中 ,为合成自身有机物的需
要 ,通过根从地里 、水中吸收各种矿质元素 ,这些元素
是原料灰分的最主要来源[ 3-4] 。这些元素中 ,许多对制
浆造纸 、甚至废液的回收利用等方面均有重要影响[ 5] 。
因此 ,研究原料中矿物元素的组成 ,是合理 、正确评价
原料的重要方面 。本试验用扫描电子显微镜-能谱仪
(SEM-EDAX)对茶秆竹[ Pseudosasa amabilis var.ama-
bilis(McClure)Keng f.]茎秆进行研究 ,为全面了解原
料的结构及化学组成 ,开发新工艺 ,合理 、高效 、清洁利
用竹子原料制浆造纸提供理论基础 。
1　实　验
风干竹片由广东省江门甘蔗化工厂提供 。样品经
切片 、Hitachi E-1010型离子喷涂机镀金后 ,用 Philips
公司产的 XL-30 型扫描电镜配 DX4i 能谱仪(SEM-
EDAX)测定。
2　结果与讨论
2.1　茎秆外表面的研究
众所周知 ,禾本科的表皮层在植株的生长过程中
起着保护植株 、防止病菌侵害 、增强植株机械强度 、减
少体内水分蒸腾等作用。一般认为 ,表皮层由外表皮
和内表皮构成;外表皮由角质层及其外表面的蜡质层
组成 ,称角质层;内表皮则由角质层 、纤维素及果胶构
成 ,称为角化层[ 6-7] 。
2.1.1　外表面的形态
由图 1 、图 2可见 ,竹子茎秆外表面粗糙不平 ,颗
粒状物较均匀地分布着 ,其外表面覆盖着胶状物质;
部分表面上有疏松物质及丝状附属物;局部有缝隙 ,
气孔分布甚少 。图 2 进一步说明 , 在高低不平的竹
茎外表面上有深沟 ,也有小孔 ,大量的颗粒状物被厚
厚的胶状物质覆盖着 ,颗粒状物的根部则相互粘结。
竹子的茎就是靠这种特殊的结构来保护竹茎内部组织
的。
显示表面层上的颗粒状物 ,局部松散结构
图 1　竹茎外表面形态的 SEM照片(500×)
2.1.2　外表面层的元素组成
竹茎的外表面层及外表面层上颗粒状物的元素组
成如表 1 、图 3。表 1 的数据及图 3表明 ,茎的外表面
1
中　国　造　纸　学　报
　Vol.17 , No.1 , 2002 Transactions of China Pulp and Paper
显示颗粒状物表面有胶状物及少量气孔
图 2　竹茎外表面的 SEM照片(4000×)
仅由 6种化学元素(H元素未计 ,以下同)组成。各种
元素中 ,Si占了 63.105%,是最主要的元素 ,C 、O的含
量也较高 ,依次为24.831%、10.644%,其他几种元素
表 1　竹茎外表面层的元素组成
元素
片状物
K值
比率
质量
/ %
原子数
/ %
颗粒状物
K值
比率
质量
/ %
原子数
/ %
C 0.2481 24.831 41.143 0.1469 14.693 25.798
O 0.1064 10.644 13.249 0.1788 17.883 23.573
Na 0.0019 0.187 0.162 — — —
Al 0.0027 0.266 0.196 — — —
Si 0.6310 63.105 44.747 0.6742 67.424 50.628
K 0.0099 0.986 0.502 — — —
100.000 100.000 100.000 100.000
上图为表面片状物 ,下图为颗粒状物
图 3　竹茎外表面层两种结构物的
SEM-EDAX元素图
显示表皮层的致密结构
图 4　表皮层纵切面的SEM 照片(300×)
显示片状物 、片状物间的联接及颗粒状物
图 5　表皮层纵切面的微细结构的 SEM照片(2000×)
的含量都很低。根据外表面层的物质组成可知 ,C 元
素大部分可能是来源于角质层 ,少量来源于外表面的
蜡质层。由于O元素量甚低 ,说明外表面层中的 Si大
部分应是以单质存在的 , 以 SiO2(SiO2·nH2O)或含 Si
的复盐形式存在的仅是少量。
颗粒状物更为简单 ,仅由 4 种元素组成 ,但 Si量
所占比例更大(比表面层的片状物增加 4.13%),C 量
降低了 10.12%,O量增加 7.23%。可见 ,覆盖在颗粒
状物外表面的角质层比其他位置要薄 , SiO2 的比例会
有所增加 ,但多数Si仍以单质存在。
2.2　表皮层的研究
表皮层纵切面的 SEM 照片如图 4 、图 5 ,表皮层外
部(靠外侧约占总厚度的 1/4)、中部及内部(靠内侧约
占整个厚度的 1/4)的 SEM-EDAX测定结果如表 2。表
皮层中的片状物 、片状物的连接物(图5中C 位置)、颗
粒状物的 SEM-EDAX测定结果如表 3 、图 6。
2.2.1　表皮层的超微结构
图4是竹茎表皮层纵切面的放大图。由图 4可
见 ,表皮层并非如部分文献 、资料所称的分为两层(角
2 中　国　造　纸　学　报 第 17 卷　第 1 期
质层 、角化层)的结构 ,而是由许多纵向排列的丝状物
构成的致密结构 ,其中部分位置中存在着较大的空隙。
进一步放大可见(如图 5), 这些丝状物实际上是片
(层)状的。由此可知 ,表皮层最主要部分是由纵向的
层状物向心排列而成的;在片状结构之间 ,广泛存在着
明显独立的颗粒状物 。向心排列的相邻片状物间每隔
一定距离其切向面就相互粘结 ,同一纵向上的片状物
则由链珠状物连结。可以预料 ,这种松紧有序 、彼此粘
结的特殊结构使表皮层具有较高的牢固性和一定的弹
性 ,使之可承受较强的外力冲击而不致产生破坏。
2.2.2　表皮层不同部位中元素组成的变化
由表 2可见 ,表皮层的外 、中 、里 3个部位中 ,元素
的种类完全相同 ,均是由 C 、O 、Mg 、Al 、Si 、K 、Ca、Fe 8种
元素组成的 ,其中最主要的是 C 、O 、Si 3种元素 ,并且
C 、Mg 、Al 、K 、Fe 几种元素的含量(及相应的原子数比
例)变化都具有相同规律性 ,均从外层向里层降低 。相
反 ,O 、Si元素的含量则是自外向内增加的 ,特别是 Si
的含量 , 3部位依次为 21.579%、33.144%、37.359%,
含量增加更为明显。
表皮层的 C主要来源于角质层 ,也可能小部分来
源于纤维素。有人认为 ,表皮层中的Si是以SiO2形式
存在的[ 8] 。然而本实验中 ,表皮层 3个部位中的 O/Si
比表明 ,3个部位中的 Si全部以 SiO2 形式存在是不可
能的 。换句话说 ,以 SiO2 形式存在的Si仅是其中的一
部分 ,有些O可能与金属元素结合 。Mg 、Fe 元素的存
在往往与叶绿素分子的活动有关[ 9] 。表皮层中的Mg 、
Fe含量自外向里逐渐减少 ,这表明表皮层外层中绿色
素的含量较高 ,内层的含量则较低。各种矿质成分被
根吸收以及在植株体内流动均是以离子的形式进行 ,
但经过体内生物合成 ,有些离子可能会被转化并被固
定在植物的组织结构之中 ,也只有这样才能实现结构
中O2的平衡 。因此 ,各种元素在表皮层中存在的形
式 、相互的结构关系等有待进一步研究 。
2.3　表皮层中不同形态结构物的元素组成
表3及图 6表明 ,组成表皮层的 3种不同形态结
构物中 ,主体结构物(片状物)组成元素的种类最多 ,且
其中 C 、Mg 、K 、Ca、Fe、P 、S等元素的含量也高于其余两
种结构 物的相应含量;O 、 Si 的含量 依次仅为
22.810%、16.054%, 比其他两种结构物中的含量低。
Mg 、Ca、Fe 、K 、P 、S等都是植物光合作用所需的元素[ 3] ,
表 2　表皮层不同部位中元素组成的变化
元素 外　　部　K 值比率 质量/ % 原子数/ %
中　　部
　K 值比率 质量/ % 原子数/ %
内　　部
　K 值比率 　质量/ % 　原子数/ %
C K 0.4193 41.926 57.542 0.3173 31.731 46.198 0.2739 27.390 40.537
O K 0.2325 23.251 23.957 0.2626 26.261 28.703 0.2949 29.494 32.770
MgK 0.0058 0.581 0.394 0.0042 0.418 0.300 0.0038 0.377 0.276
AlK 0.0426 4.265 2.606 0.0362 3.619 2.345 0.0269 2.68 1.771
SiK 0.2158 21.579 12.666 0.3314 33.144 20.636 0.3736 37.359 23.646
K K 0.0246 2.464 1.039 0.0191 1.907 0.853 0.0084 0.840 0.382
CaK 0.0039 0.390 0.160 0.0040 0.402 0.175 0.0023 0.233 0.103
FeK 0.0554 5.543 1.636 0.0252 2.517 0.788 0.0162 1.620 0.516
总量 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000
表 3　表皮层 3种不同形态结构物的元素比较
元素 片状物　K 值比率 　质量/ % 　原子数/ %
颗粒状物
　K 值比率 　质量/ % 　原子数/%
连接物
　K 值比率 　质量/ % 　原子数/ %
C K 0.3907 39.074 55.217 0.3341 33.413 47.967 0.2075 20.748 32.100
O K 0.2281 22.810 24.200 0.2434 24.339 26.231 0.3163 31.625 36.732
MgK 0.0087 0.871 0.608 0.0027 0.268 0.190 0.0049 0.493 0.377
AlK 0.0896 8.965 5.639 0.0180 1.800 1.151 0.1383 13.833 9.527
SiK 0.1605 16.054 9.702 0.3900 39.003 23.944 0.3003 30.032 19.870
K K 0.0280 2.803 1.217 0.0105 1.046 0.461 0.0196 1.964 0.933
CaK 0.0042 0.420 0.178 0.0013 0.131 0.056 0.0020 0.201 0.093
FeK 0.0687 6.869 2.088 — — — 0.0110 1.104 0.367
P K 0.0120 1.196 0.655 — — — — — —
S K 0.0094 0.940 0.497 — — — — — —
总量 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000
3　第 17 卷　第 1期 茶秆竹茎秆表皮层的 SEM-EDAX研究
片状结构物中这些元素的种类多 、含量高 ,证明正是这
些元素参与了表皮层的生物合成并因此被结合在片状
物结构中 。
上—片状物 ,中—连接物 ,下—颗粒状物
图 6　表皮层 3种不同结构物的 SEM-EDAX
图 5中可清楚地看到 ,相邻片状结构物在一定距
离就会相互连接 ,片状结构物之间也存在许多较为独
立的颗粒状物。与片状物相比 ,颗粒状物中的元素种
类最少 , O含量约高 1.5%,Si 含量则为片状物的 2.5
倍 ,C 、Al含量依次约降低6%、7%,其他元素的含量也
较低。片状物的连接物中 , C含量明显高于颗粒状物
而低于片状物 , Si明显高于片状物而低于颗粒状物 ,
O 、Al含量则是 3种结构物中最高的。
C含量的高低 ,主要说明不同结构中角质化程度
的高低。片状物的 C含量最高 ,角质化程度最高。片
状物的连接物中 , C含量明显低 ,而 O 、Al量显著高 ,Si
含量也较高(但比颗粒状物低),说明其中的角质化程
度明显低 ,含氧的 Si 、Al化合物量则增加。颗粒状物
的角质化程度介于片状物和连接物之间 ,但含 Si的氧
化物明显比片状物高 。
由此可见 ,竹茎表皮层不同部位 、不同形态结构物
的组成元素不同 ,在表皮层中所起作用也不同 。研究
进一步表明 ,竹茎表皮层是由多种元素及几种形态结
构物所组成的结构异常复杂的复合材料保护层。表皮
层中各种元素存在的形式及表皮层的微细结构等都有
待进一步探索。
3　结　论
3.1　竹茎表皮层外表面的颗粒状物分布较均匀 ,部分
表面有裂隙 ,部分表面有松散状物并有少量附属物 ,气
孔的分布较少。
3.2　外表面的角质层和蜡质层呈胶状覆盖在茎秆及
颗粒状物的外表面上 。
3.3　外表面的组成元素较为简单 , Si 含量高达
63.105%;颗粒状物仅由 4种元素组成 ,Si含量高达
67.424%。
3.4　表皮层是由向心纵向排列的片状物 、片状物间的
连接物以及颗粒状物 3种结构物构成;片状物疏密相
间 、排列有序 ,局部有缝隙 。
3.5　表皮层由 8种元素组成 ,其中 Si 、C 、O是最主要
的元素;自外至里 ,C 、Mg 、Al 、K 、Fe 等元素含量逐渐下
降 ,O 、Si含量则显著增加。
3.6　表皮层外层的角质化程度最高 ,Si化程度最低;
里层的角化程度最低 ,Si化程度最高。
3.7　组成表皮层的 3种结构物中 ,片状物的组成元素
种类最多 ,且C 、Mg 、K 、Ca、Fe 、P 、S含量最高 ,O 、Si含量
最低;颗粒状物的组成元素种类最少 ,Si 含量最高 ,
Mg 、Al 、K 、Ca 含量最低;片状物的连接物中 , C含量最
低 ,O 、Al含量最高。
3.8　竹茎表皮层是由多种元素和多种形状的结构物
构成的复合材料保护层。
3.9　深入研究竹茎表皮层中各种元素的化学状态及
功能 、表皮层的微细结构等将有助于竹子原料的高效 、
清洁制浆造纸和综合利用的进行。
参　考　文　献
[ 1] 　李昌荣 ,张齐生.我国竹类资源的利用途径.林产工业 , 1989(6):1
[ 2] 　吴国芳 ,冯志坚 ,马炜梁 ,等.植物学.北京:高等教育出版社 , 2000
[ 3] 　杨世杰.植物生理学.北京:科学出版社 ,2000
[ 4] 　邱玉桂 ,徐德 ,李嘉 , 等.草类原料金属离子含量及分布初探.中
国造纸学报 , 2000, 15(增刊):1
[ 5] 　邱玉桂 ,徐淑莺 ,余莉娜,等.自由基与纸浆漂白(I)自由基产生及
其在纸浆漂白中的作用.华南理工大学学报 , 2001 , 29(1):64
[ 6] 　高信曾.植物学(形态解剖部分)第 2版.北京:高等教育出版社 ,
2000
[ 7] 　徐汉卿.植物学.北京:中国农业出版社 ,2001
[ 8] 　陆时万 ,徐祥生 ,沈敏建.植物学.北京:高等教育出版社 , 2001
[ 9] 　陆景陵.植物营养原理.北京:中国农业大学出版社 , 2001
4 中　国　造　纸　学　报 第 17 卷　第 1 期
Study on the Cuticle of Bamboo Stem by Means of SEM-EDAX
Qiu Yugui　Lin Lu　Zheng Zhitong
(South China University of Technology , Guangzhou , Guangdong Province , 510640)
(Email:qiuyugui208@sina.com.cn)
Abstract:The surface layer and the cuticle of bamboo stem were studied in terms of their morphology , ultrastructure and chemical element profile by
means of SEM-EDAX.The results show that the profiles of chemical elements are of great regularity.The bamboo cuticle is a composite layer which
is consisted of many sorts of elements and three structural components in different shapes.
Key words:bamboo stem;cuticle;SEM-EDAX chemical element profile;ultrastructure
5　第 17 卷　第 1期 茶秆竹茎秆表皮层的 SEM-EDAX研究