《Industrial Crops and Products》：Cotton (
Gossypium spp.) produces abundant stem fibers with characteristics comparable to established bast fiber crops kenaf (
Hibiscus cannabinus) and jute (
Corchorus olitorius) for natural fiber composites
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棉花（Gossypium spp.）在全球每年种植面积超过3000万公顷。棉花与其他锦葵科（Malvaceae）作物一样，在茎秆中产生丰富的韧皮纤维。棉花韧皮纤维与红麻和黄麻具有相同的形态和组成。由棉花、红麻和黄麻纤维制成的产品具有相同的力学性能。棉花韧皮纤维
棉花（Gossypium spp.）在全球每年种植面积超过3000万公顷。棉花与其他锦葵科（Malvaceae）作物一样，在茎秆中产生丰富的韧皮纤维。棉花韧皮纤维与红麻和黄麻具有相同的形态和组成。由棉花、红麻和黄麻纤维制成的产品具有相同的力学性能。棉花韧皮纤维是已确立的韧皮纤维作物的丰富原料替代品。
一、研究背景与科学问题
韧皮纤维（bast fibers），植物学上称为韧皮部纤维（phloem fibers），是在众多植物物种的内皮层或韧皮层中发育的特化细胞束。自古以来，韧皮纤维被用于生产绳索、纺织品、纸张和制成品，但在过去一百多年中，这些天然纤维在很大程度上被合成替代品所取代。当代对减少化石燃料消耗和支持可持续"绿色"经济的关注，促进了韧皮纤维生产和应用的复苏。目前韧皮纤维的来源包括亚麻（Linum spp.）、黄麻（Corchorus spp.）、大麻（Cannabis spp.）、红麻（Hibiscus cannabinus）等。
锦葵科（Malvaceae）植物具有有利于韧皮纤维生产的茎形态和结构。"分层韧皮部"（stratified phloem）是锦葵目（Malvales）的衍生性状，指交替的薄壁组织和维管组织重复层叠，其中包含厚壁组织纤维束（韧皮纤维）。黄麻和红麻是长期建立的、具有全球重要性的锦葵科韧皮纤维作物。黄麻年产量通常为270万至350万吨，红麻产量较小。由于生长迅速、生物量产量高和力学性能优良，两者在制造业和工业中日益重要。
棉花（Gossypium spp.）是世界上种植最广泛的锦葵科作物，在全球纺织经济中发挥核心作用。每年棉花在全球约3000万至3400万公顷的土地上种植。棉籽纤维是棉花种植的主要产品，但收获棉铃后，棉花茎秆通常留在田间。棉花茎秆残留量的估计值通常为每公顷1至3吨。美国德克萨斯州的一项详细研究表明，棉铃收获后，总地上作物生物量的41%至65%留在田间，其中30%至42%为直立茎秆材料，可用常规饲草设备轻松收获。这代表了具有工业潜力但目前未被有效利用的大量木质纤维素资源。
鉴于棉花在全球的广泛种植面积，棉花茎秆中可能含有与黄麻和红麻相当的韧皮纤维，这为工业纤维提供了一个重要但尚未充分开发的来源。利用该材料可以通过促进增值副产品来提高作物价值，符合可持续性目标，并扩大天然纤维供应来源。
二、研究内容与主要结论
为评估棉花茎秆作为韧皮纤维来源的工业潜力，研究人员将棉花与已建立的锦葵科纤维作物红麻和黄麻进行了并排比较。三种物种在次生生长过程中以相当的速率产生韧皮纤维，表现出难以区分的纤维细胞形态，并产生化学成分等效的沤制纤维。此外，由每种来源生产的非织造纤维垫在拉伸强度、弹性模量或最大应力应变方面没有显著差异。这些发现提供了令人信服的证据，表明棉花茎秆含有与广泛使用的工业作物功能等效的韧皮纤维。这项工作揭示了棉花茎秆是一种以前被忽视的、具有增值潜力的生物质资源，有可能提高种植者的盈利能力，同时为纤维制造工业提供可持续的原材料。
三、主要关键技术方法
研究人员在北美德克萨斯大学气候控制温室中共同种植棉花（Gossypium hirsutum cv. Coker 312）、红麻（Hibiscus cannabinus cv. Tainung II）和黄麻（Corchorus olitorius USDA GRIN PI 560027），以确保用于解剖分析的发育阶段具有可比性。主要技术方法包括：利用振动切片机进行茎段切片并结合明场和紫外荧光显微镜观察韧皮纤维束的径向分布和纵向排列；采用Franklin溶液离析单个纤维细胞并结合甲苯胺蓝O染色进行形态测量；使用扫描电子显微镜（SEM）检查纤维表面结构和次生壁特征；采用两步酸水解结合高效液相色谱（HPLC）进行细胞壁碳水化合物组成和木质素含量定量；使用FORMAX成型机将纤维制成均匀纤维垫，并通过岛津万能试验机测定拉伸强度、弹性模量和最大应力应变。
四、研究结果
4.1 棉花、红麻和黄麻茎中韧皮纤维束的发育
三种锦葵科物种具有不同的结构。红麻和黄麻快速长高且直立，具有强烈的顶端优势和最小分枝，而驯化棉花品种是中等大小的灌木，几乎每个节上都延伸出营养枝或果枝。在80天苗龄时，棉花达到平均高度1.05±0.07米，约为红麻（1.85±0.18米）和黄麻（1.91±0.28米）高度的一半。棉花主茎产生多达14个伸长的节间，而红麻和黄麻的主茎发育出27至30个伸长节间。通过显微镜分析，所有三种物种在顶端生长区域附近都发育出初级纤维束。棉花在节间13处显示初级韧皮纤维的早期木质化，而红麻和黄麻分别在节间23处具有木质化的初级纤维。在80天时，所有三种物种的第一节间都表现出完全发育的次生韧皮纤维束，排列成4至5个同心层。每个束中的单个厚壁细胞数量相似，但棉花束较短且在径向和切向方向上较宽，而红麻特别是黄麻纤维束较长且较薄。扫描电子显微镜观察证实棉花韧皮纤维具有与红麻和黄麻相同的超微结构特征。
4.2 技术纤维的沤制特性和单个厚壁纤维细胞分析
对收获的棉花、红麻和黄麻树皮条施加相同的化学沤制条件，技术纤维通过手动鼓式梳理机单次梳理。从相同数量的沤制纤维开始，棉花、红麻和黄麻的梳理毡片具有相似的颜色和密度特征。棉花、红麻和黄麻次生生长中单个纤维细胞（ultimate fibers）的平均长度分别为1.74毫米、2.13毫米和1.77毫米。红麻的单个纤维细胞在统计上长于棉花和黄麻，而棉花和黄麻之间没有显著差异。
4.3 棉花、红麻和黄麻韧皮纤维的化学成分
对干燥沤制韧皮纤维进行的化学分析显示三种物种之间木质纤维素谱密切对齐。纤维素是最丰富的成分，约占干重质量的近70%；半纤维素水平范围从黄麻的约11%到棉花和红麻的17%至20%；木质素水平持续较低，为干重质量的6%至8%。未检测到果胶。三种物种在任何细胞壁成分上均无统计学显著差异，表明棉花韧皮纤维与两种已建立的韧皮纤维作物具有相同的细胞壁组成。
4.4 棉花、红麻和黄麻韧皮纤维非织造纤维垫的力学性能
将沤制技术韧皮纤维切碎至平均长度5毫米并模制成纤维垫，测试拉伸强度、弹性模量和最大应力应变。由三种不同韧皮纤维制成的纤维垫在这些性能上没有统计学差异，表明由棉花韧皮纤维衍生的非织造产品应具有与已建立的韧皮纤维作物红麻和黄麻衍生产品相同的性能。
五、讨论与结论
传统韧皮纤维如黄麻、红麻、亚麻和大麻作为合成纤维和木材的可再生可生物降解替代品而受到关注。棉花因其种子毛（棉绒）而种植，棉绒价值证明了种植面积和作物管理成本的合理性。棉花茎秆残留物（通常称为茬）作为具有潜在价值的副产品受到很少关注且利用不足。利用茎秆残留物作为韧皮纤维和其他产品不需要额外的农业投入，因为收获茎秆残留物进行下游加工不会在当前实践之上引入额外成本或步骤。比较分析显示棉花、红麻和黄麻的韧皮纤维在发育、形态、细胞壁组成以及单细胞特征方面基本无法区分。棉花丛生的植物结构可能限制其韧皮纤维在某些应用中的利用，因为无法从棉花茎或枝中获得超过40厘米的长技术纤维束，而红麻和黄麻可容易地获得从基部到顶部的完整纤维束。研究人员推测棉花韧皮纤维将在非织造产品中找到最大用途，但也证明了其在机织纺织品中的效用。
研究结论：棉花茎秆含有丰富的韧皮纤维，在解剖学、形态学和生物化学上与已建立的韧皮纤维作物红麻和黄麻高度可比。由棉花韧皮纤维制成的非织造纤维垫与红麻和黄麻纤维垫无法区分，证明了其作为工业天然纤维替代品的潜力。棉花在全球的大规模种植面积为将茎秆残留物重新利用为高价值韧皮纤维以用于可持续生物产品应用提供了机会。
