全 文 ：第 v|卷 第 u期
u s s v年 v 月
林 业 科 学
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紫外线照射对毛竹茎秆细胞壁超微结构
及色泽变化的研究 3
魏学智tl 贺新强vl 胡玉熹wl 林金星xl
k中国科学院植物研究所 北京 tsss|vl
齐清琳ul
k福建省林业厅 福州 vxsssvl
摘 要 } 应用光学显微镜 !扫描电子显微镜和色度计 o研究了毛竹竹材表面经紫外线照射后细胞壁的破损程
度 o具木质素组织分解深度以及颜色变化等规律 ∀结果表明 }经紫外线照射后 o在竹材横切面上 o纤维细胞壁
的分解始于次生壁各层连接处 o接着是细胞角隅处和复合中层 o最后纤维细胞壁全部被分解消失 ∀薄壁组织
细胞壁的复合中层先被分解 o随后细胞壁分解变薄 !坍塌和消失 ∀竹秆壁表面的分解 o最初从表皮细胞的短细
胞开始 o然后扩展到其它表皮细胞 ∀根据木质素的显色反应显示 o紫外线照射竹材样品 ws §时 o薄壁组织比
纤维组织分解得更深 o其中前者为 x|s Λ° o而后者只有 twy Λ° ∀另外 o经紫外线照射后的竹材样品 o其横切面
上的颜色和亮度变化最大 o径向切面次之 o竹秆壁表面变化最小 ∀本文还讨论了经紫外线照射后 o竹材中具薄
壁组织比纤维组织分解更深的原因 o以及样品 v个面上颜色和亮度变化的机制 ∀
关键词 } 毛竹 o细胞壁 o超微结构 o颜色变化 o紫外线照射
收稿日期 }usst p s| p sz ∀
基金项目 }国家自然科学基金kvsszsswzl和国际热带木材组织kŒ×גl资助项目kvsszsswzl ∀
3 tl !ul !vl !wl !xl为作者排序 ∀第一作者现在山西师范大学生物系工作 ∀xl为通讯作者 ∀
ΥΛΤΡΑΣΤΡΥΧΤΥΡΕ ΟΦ ΧΕΛΛ ΩΑΛΛΣ ΑΝ∆ ΧΟΛΟΥΡ ΧΗΑΝΓΕ ΙΝ ΠΗΨΛΛΟΣΤΑΧΗΨΣ
ΠΥΒΕΣΧΕΝΣ ΧΥΛΜ ΑΦΤΕΡ ΤΗΕ ΤΡΕΑΤΜΕΝΤ ΟΦ ΥΛΤΡΑςΙΟΛΕΤ ΙΡ ΡΑ∆ΙΑΤΙΟΝ
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Αβστραχτ } ⁄¨ ·¨µ¬²µ¤·¬²± ²©¦∏¯°¶²© Πηψλλοσταχηψσ πυβεσχεν󤩷¨µ·«¨ ·µ¨¤·°¨ ±·²©∏¯·µ¤√¬²¯ ·¨¬µµ¤§¬¤·¬²± º¤¶¬±√¨ ¶·¬ª¤·¨§
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Κεψ ωορδσ} Πηψλλοσταχηψσ πυβεσχενσo≤¨¯¯ º¤¯¯o ˜¯·µ¤¶·µ∏¦·∏µ¨ o≤²¯²∏µ¦«¤±ª¨ o ˜¯·µ¤√¬²¯ ·¨¬µµ¤§¬¤·¬²±
木材和竹材均为重要的建筑材料 o随着世界经济的发展 o木材资源日趋减少 o而竹材和木材同是一
种极耐用的生物材料 o其化学组成也基本相同 o因此竹材作为木材的代用品已愈来愈为人们所重视k张
齐生 ot||xl ∀在自然条件下 o由于光照 !水份 !热量等因子的综合影响 o木材或竹材表面常发生极为缓慢
的物理和化学变化k∞√¤±¶ot|{|l o其中太阳辐射中的紫外线是引起材质降解的最重要因子 o导致腐烂 !
裂缝和褪色等 o从而对建筑物造成重大破坏k‹²± ετ αλqot|{w ~∞√¤±¶ ετ αλqot||u ~ • ¬¯¯¬¤°¶ot|{zl ∀
有关紫外线照射对木材的影响 o曾有过一些研究k∞√¤±¶ ετ αλqot||u ~ ‹²± ετ αλqot|z{l o但在竹材
方面却报道很少 ∀本文研究了紫外线照射竹材表面后 o其纤维组织和薄壁组织被降解的过程 o以期探讨
竹材中具木质素组织被紫外光氧化分解的深度 o以及竹材表面颜色和亮度的变化规律 o从而为竹材的进
一步开发和利用提供理论依据 ∀
t 材料和方法
毛竹k Πηψλλοσταχηψσ πυβεσχενσl采自广西壮族自治区贝江林场 ∀材料选用 v株 x ¤生的毛竹 o分别从竹
秆基部向上 v °处的一个节间 o取节间中部 u ¦° ≅ t ¦° ≅壁厚的竹块 vs个 o再用刀片切出宽 s qx ¦° !长
为竹秆壁厚 !厚度为 s qv ¦°的样品k腰希申等 ot||ul ∀样品的照射面分别为 }竹秆的横切面 !径向切面
和竹秆壁表面 ∀供测色泽变化的样品大小为 t qs ¦° ≅ ts ¦° ≅ s qv ¦°∀
光源为北京电光源研究所生产的紫外灯管kws • l o主线谱为 uxv qz ±° o与自然的紫外光较为近似 ∀
竹材样品置于灯下 v qx ¦°处 o照射时间分别为 v !x !z !ts !us !vs和 ws §o照射均在室温条件下进行 ∀照
射后的竹材样品表面经喷镀金膜后 o置于扫描电镜下 o观察竹材横切面和径向切面上薄壁组织与纤维组
织细胞壁 o以及竹秆壁表面细胞壁的超微结构变化k∞¬¯ ¼¨ ετ αλqot|zwl ∀
观测细胞壁中木质素的变化 o是将紫外光照射后的竹材样品 o用滑走切片机切成 us ∗ vs Λ°的薄切
片 o经间苯三酚和盐酸的显色反应 o首先在光学显微镜下观察并测量具木质素组织的分解深度kŽ∏² ετ
αλqot||tl o然后用 ≥ p 6 {s型色度计测量变质样品表面色度和亮度变化 ∀每个样品色度和亮度的 λ!
α !β值 o可用下面的公式计算颜色的变化 o即 ∃ Ε € kλν p λslu n kαν p αslu n kβν p βslu o其中 λν !αν !βν
分别为时间 ν时刻的平均颜色值 oλs !αs !νs 是时间在零时刻的平均颜色值 ~亮度是 λ在某一段时间的
平均值 ∀测 x个样品 o取其平均值k陆文达 ot||vl ∀
u 结果和讨论
未经紫外线照射的竹材样品 o表面光滑平整 o细胞排列紧密 ~在横切面上 o薄壁组织细胞角隅处有三
角状的胞间隙 ~竹秆外表面除具角质层外 o还有颗粒状的腊质 ∀
紫外线照射竹材样品 v §后 o在其横切面上的纤维组织细胞次生壁内出现圆环形或同心环形的缝
隙k图版 Œp tl o而薄壁组织细胞无明显变化k图版 ŒŒp tl ∀另外 o在竹秆壁外表面的蜡质层出现破损 ∀
当照射到 x §时 o竹秆壁表皮的短细胞外壁开始被分解 ∀照射 z §后 o横切面上的纤维组织细胞角隅处
出现了空隙k图版 Œp ul o薄壁组织细胞的复合中层开始被降解k图版 ŒŒp ul o竹秆壁表皮细胞的部分短
细胞外壁降解后形成小孔 ∀照射 ts §后 o在横切面上 o纤维组织细胞的复合中层被降解 o细胞与细胞之
间出现了缝隙k图版 Œp vl o薄壁组织细胞的复合中层继续不均匀的降解k图版 ŒŒp vl ∀竹秆壁表皮中的
短细胞外壁大部分被降解k图版 Œp xl ∀在径切面上 o纹孔口出现断裂破损 o并向两侧扩展延伸 ∀照射
us §后 o薄壁组织细胞壁明显变薄 o并出现变形k图版 ŒŒp wl ∀竹秆壁表皮细胞的外壁降解后已完全消
失 ∀竹材样品经照射 vs §后 o其表面由原来的光滑平整变为凹凸不平的圆环形或同心环形 o同时呈现
出许多垂周向的裂缝 ∀薄壁组织细胞壁变得很薄以及出现大量坍塌与凹陷 ∀照射 ws §后 o样品的横切
面已被降解的支离破碎 o其中纤维组织细胞的次生壁变薄k图版Œp wl o竹秆壁所有表皮细胞的外壁已被
分解 o并显露出表皮细胞及其下面副表皮细胞的轮廓k图版 Œp yl ∀
°¤µ®等人kt||yl和 Ž∏²等kt||tl曾研究了紫外线照射对日本扁柏k Χηαµαεχψπαρισ οβτυσαl和多脂松
kΠινυσρεσινοσαl木材表面结构的影响 o他们认为木质部管胞壁的分解始于细胞角隅处 o接着沿复合中层
分解 o其后从管胞次生壁内侧的 ≥v 和外侧的 ≥t 分解 o最终整个管胞壁被侵蚀消失 ∀然而 o在我们的研
究中 o发现紫外线照射竹材表面后 o纤维细胞壁的分解始于次生壁各片层连接处 o接着角隅处和复合中
层相继被降解 ∀随后 o从样品表面和次生壁各层的两侧 v个方向侵蚀和分解细胞壁 o最终整个细胞壁被
分解消失 ∀这与 °¤µ®等人kt||yl对松杉类植物木材的观察结果并不完全一致 ∀竹材与木材的这种差
异 o可能与两者细胞次生壁的超微结构明显不同有关 o其中松杉类植物木材管胞的次生壁明显分为 v
层 o而毛竹的纤维细胞次生壁则可分为 v ∗ |层 o其中薄层与厚层交互交替排列k吴顺昭等 ot||t ~腰希申
等 ot||ul ∀当经紫外线照射后 o竹材的纤维细胞次生壁上的裂隙 o则常出现于各片层的交接处 ∀
{vt 林 业 科 学 v|卷
通过紫外线照射毛竹竹材后 o薄壁组织细胞壁的分解速度远比纤维细胞复合中层的慢 o这说明前者
的木质化程度低于后者 ∀经同样处理后 o竹秆表皮细胞的分解常始于短细胞 o随后再扩展到长细胞 ∀表
皮细胞中短细胞比长细胞更易被紫外线降解的原因 o可能与两者细胞壁的组成成分不同有关 ∀
由于木质素吸收紫外线较强的特性 o所以在竹材样品中木质素比纤维素分解的更快 ∀在竹材的横
切片上 o通常应用间苯三酚和盐酸的显色反应 o在光学显微镜下即可观察到具木质素的组织呈樱红色 o
而不具木质素的组织呈黄色 ∀由此可观察到 o经紫外线照射 v !x !z !ts !us !vs和 ws §o竹材样品横切片
上 o具木质素的薄壁组织与纤维组织被分解的深度明显不同 o前者由 v §的 tzs Λ°到 vs §增至为 xws
Λ° o而后者则从 s扩展到 tuu Λ°∀其主要原因是薄壁组织细胞壁较薄 o胞间隙和细胞直径均大于纤维
组织 o致使紫外线更易穿透竹材的薄壁组织 ∀随着紫外线照射竹材表面的天数增至 ws §时 o其薄壁组
织的分解深度kx|s Λ°l比纤维组织ktwy Λ°l更大 o两者竟相差 w倍之多 ∀
竹材样品的 v个面 o即横切面 !径切面和竹秆壁表面 o经紫外线照射到第 ts §时 o颜色和亮度均变
化较快 o此后这种变化趋于平缓k图 tl ∀在样品的 v个面上 o以横向面上的颜色和亮度变化最大 o竹秆
壁表面的变化最小 o而径切面变化居中 ∀这是由于横切面上薄壁组织细胞角隅处的间隙较大 o其细胞的
长轴又与紫外线的照射方向一致 o因而穿透和吸收紫外线的数量均比径切面与杆壁表面更大 ∀另外 o竹
秆壁表皮外的蜡质和角质层对其下面的表皮细胞起着保护作用 o只有当蜡质和角质层被分解破坏后 o表
皮细胞壁的木质素与纤维素才会被分解 o所以竹秆表面颜色变化曲线 o在紫外线照射 ts §和 vs §有两
次大的变化k图 tl ∀上述观测结果与木材的研究结果较一致kŽ∏² ετ αλqot||tl ∀由此可见 o紫外线照射
对竹材表面的颜色和竹材使用寿命均有明显影响 ∀为了增强竹材对紫外线的抵抗力 o应该对竹材表面 !
端部 !单面旋切板进行化学改性 o以增强竹材的耐用性 o为竹材应用开辟新的途径 ∀
横切面 ×µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²± ) υ ) 径切面 •¤§¬¤¯ ¶¨¦·¬²±
) σ ) 表面 ∞³¬§¨µ°¬¶
) ω ) 横切面 ×µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²±
) υ ) 径切面 •¤§¬¤¯ ¶¨¦·¬²±
图 t 经紫外线照射后竹材样品表面颜色和亮度的变化
ƒ¬ªqt ׫¨ ¦«¤±ª¨¶¬± ¦²¯²µ¤±§¥µ¬ª«·±¨ ¶¶²¦¦∏µµ¨§¬± ¥¤°¥²²¶¤°³¯ ¶¨∏±§¨µ˜∂ ¬µµ¤§¬¤·¬²±
参 考 文 献
陆文达著 q木材改性工艺学 q北京 }中国林业出版社 ot||v }tst ∗ tvs
吴顺昭 o谢荣生 q麻竹与孟宗竹细微结构之研究 q台大实验林研究报告 ot||t oxkul }|x ∗ ttu
腰希申 o梁景森 o马乃训等著 q中国主要竹材微观构造 q大连 }大连出版社 ot||u }vz
张齐生主编 q中国竹材工业化利用 q北京 }中国林业出版社 ot||x }v| ∗ wt
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∞√¤±¶° ⁄o ¬¦«¨¯¯ „ o≥¦«°¤¯½¯ Žq≥·∏§¬¨¶²©·«¨ §¨ªµ¤§¤·¬²± ¤±§³µ²·¨¦·¬²± ²© º²²§¶∏µ©¤¦¨¶q • ²²§≥¦¬¨±¦¨ ¤±§× ¦¨«±²¯²ª¼ot||u ouy }txt ∗ tys
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|vt 第 u期 魏学智等 }紫外线照射对毛竹茎秆细胞壁超微结构及色泽变化的研究
魏学智等 }紫外线照射对毛竹茎杆细胞壁超微结构及色泽变化的研究 图版 ´
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≥≤ }短细胞 ~∞≤ }表皮细胞 ~≤ }细胞复合中层 ~Œ≥ o胞间隙 ~≥• }细胞次生壁 ∀ ≥≤ }¶«²µ·¦¨¯¯ ~∞≤ }¨³¬§¨µ°¤¯ ¦¨¯¯ ~≤ }¦²°³²∏±§°¬§§¯¨ ¤¯°¨ ¯¯¤~
Œ≥ }¬±·¨µ¦¨¯¯∏¯¤µ¶³¤¦¨ ~≥• }¶¨¦²±§¤µ¼ º¤¯¯q
t q紫外线照射 v §后毛竹横切面纤维细胞次生壁出现缝隙 o≅ w sss ~u q紫外线照射 z §毛竹横切面纤维细胞复合中层处出现缝隙 o≅ w
sss ~v q紫外线照射 ts §毛竹横切面纤维细胞的角隅处出现空隙 o≅ w sss ~w q紫外线照射 ws §毛竹横切面纤维细胞次生壁破损 o≅ w sss ~
x q紫外线照射 ts §后表皮的短细胞外壁大部分被降解 o≅ {ss ~y q紫外线照射 ws §所有表皮细胞外壁已分解 o≅ {ss ∀
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魏学智等 }紫外线照射对毛竹茎杆细胞壁超微结构及色泽变化的研究 图版 µ
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t q紫外线照射 v §后毛竹横切面薄壁组织细胞壁无明显变化 o≅ t vss ~u q紫外线照射 z §毛竹横切面薄壁组织细胞的复合中层处开始降
解 o≅ t vss ~v q紫外线照射 ts §毛竹横切面薄壁组织细胞的复合中层继续不均匀降解 o≅ t vss ~w q紫外线照射 us §毛竹横切面薄壁组织
细胞壁变薄 !变形或塌陷 o≅ t vss ∀
t q׫¨ ¥¤°¥²²¶¤°³¯¨¬µµ¤§¬¤·¨§∏±§¨µ∏¯·µ¤√¬²¯ ·¨©²µv §¤¼¶o¶«²º¬±ª±² §¬¶·¬±¦·¦«¤±ª¨ ²¥¶¨µ√¨ §²±·«¨ ³¤µ¨±¦«¼°¤ ¦¨¯¯¶¤¯²±ª·«¨ ¦µ²¶¶2¶¨¦·¬²±o≅ t
vss ~u q׫¨ ¥¤°¥²²¶¤°³¯¨¬µµ¤§¬¤·¨§∏±§¨µ∏¯·µ¤√¬²¯ ·¨©²µz §¤¼¶o¶«²º¬±ª·«¨ §¨ªµ¤§¤·¬²± ²¦¦∏µµ¨§²±·«¨ ¦²°³²∏±§°¬§§¯¨ ¤¯°¨¯ ¤¯²©³¤µ¨±¦«¼°¤¦¨¯¯¶
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