大葉黃楊莖稈力學(xué)性能與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系

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摘 要：用力傳感器測(cè)定大葉黃楊莖稈的力學(xué)性能，光學(xué)顯微鏡下觀察莖稈的組織結(jié)構(gòu)，分析了折斷拉力與微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并建立了折斷拉力與微觀組織結(jié)構(gòu)之間函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明：大葉黃楊力學(xué)性能與莖稈粗細(xì)和組織結(jié)構(gòu)密切有關(guān)，折斷拉力與莖稈直徑、樹皮比例和木質(zhì)部比例呈正相關(guān)。莖稈粗細(xì)的變化主要是由于樹皮和木質(zhì)部生長造成，而與髓關(guān)系不大。通過莖稈粗細(xì)、組織結(jié)構(gòu)面積或面積比例，可以估算莖稈折斷拉力的大小，反之亦然。

關(guān)鍵詞：力學(xué)性能 微觀組織結(jié)構(gòu) 折斷拉力 大葉黃楊

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（b）-0009-02

植物為典型各向異性的復(fù)合材料，其力學(xué)性能與化學(xué)成分、微觀組織結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。不同環(huán)境生長的植物，力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，實(shí)驗(yàn)樣本尺寸很難統(tǒng)一，目前尚未建立統(tǒng)一的測(cè)定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。可見，植物力學(xué)性能的研究方法與手段尚需進(jìn)一步發(fā)展與完善。選取大葉黃楊莖稈進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，觀察莖稈組織結(jié)構(gòu)，分析探討折斷拉力與組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為大葉黃楊莖稈的防風(fēng)抗蝕作用、作業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)等提供技術(shù)參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品和方法

選取冬季北京四中校園內(nèi)的大葉黃楊莖稈9根，將每根剪成長度140 mm，用游標(biāo)卡尺量直徑。將莖桿樣品放置架子上，用力傳感器從莖稈中點(diǎn)豎直向下緩慢拉動(dòng)，直至莖稈拉斷。與力傳感器相連的電腦自動(dòng)記錄下拉伸時(shí)間和傳感器記錄力的變化，曲線上的最大值，即為折斷拉力F。在折斷點(diǎn)附近，用鋒利刀片切割取約0.3～0.5 mm厚的薄片，在光學(xué)顯微鏡下觀察（物鏡4×，目鏡10×），可鑒別區(qū)分出樹皮（表皮、韌皮部、形成層）、木質(zhì)部和髓。表皮和韌皮部界限難以區(qū)分，北方冬季大葉黃楊的形成層不發(fā)育，將表皮、韌皮部、形成層統(tǒng)稱為樹皮。

2 結(jié)果與討論

2.1 莖稈粗細(xì)與組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

大葉黃楊莖稈橫截面由外到內(nèi)依次為樹皮、木質(zhì)部和髓，各組織結(jié)構(gòu)顯微特征明顯。不同粗細(xì)莖稈中各組織結(jié)構(gòu)比例規(guī)律相似，比例由大到小依次為樹皮、木質(zhì)部和髓。樹皮和木質(zhì)部的面積隨直徑加粗而增大，并存在較好的線性關(guān)系，而髓的面積變化不大。樹皮、木質(zhì)部和髓所占橫截面面積的比例分別為0.4～0.5、0.3～0.4和0.2±，見表1。木質(zhì)部的面積比例與莖稈直徑之間具較好的線性正相關(guān)，髓的面積比例與莖稈直徑之間呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，樹皮面積比例隨莖稈直徑變化不明顯。對(duì)橫截面面積（Y）與樹皮（X1）、木質(zhì)部（X2）、髓（X3）的面積比例進(jìn)行線性回歸分析，得到回歸方程（1），相關(guān)系數(shù)0.99。

Y=2.24×X1+37.74×X2-6.01×X3 （1）

2.2 折斷拉力與莖稈粗細(xì)之間的關(guān)系

9根直徑3～5 mm大葉黃楊莖稈折斷拉力在1.82～6.30 N之間，折斷拉力（y）與直徑（x）之間呈正相關(guān)關(guān)系：y=4.6669x2-34.7x+67.171，相關(guān)系數(shù)0.78。說明莖稈粗細(xì)是影響折斷拉力的主要因素之一。

2.3 折斷拉力與莖稈組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

折斷拉力與樹皮、木質(zhì)部和髓的面積之間均存正相關(guān)關(guān)系，與樹皮和木質(zhì)部的關(guān)系較明顯，而髓的關(guān)系不明顯。樹皮和木質(zhì)部加粗是影響莖稈折斷拉力大小的主要因素。對(duì)莖稈折斷拉力（F）與樹皮（X1）、木質(zhì)部（X2）、髓（X3）的面積，進(jìn)行線性回歸分析，得到如下回歸方程（2），相關(guān)系數(shù)0.98。對(duì)莖稈折斷拉力（F）與樹皮（x1）、木質(zhì)部（x2）、髓（x3）的面積比例，進(jìn)行線性回歸分析，得到如下回歸方程（3），相關(guān)系數(shù)0.96。

F=0.56×X1+0.34×X2-0.37×X3 （2）

F=3.9×x1+11.76×x2-10.12×x3 （3）

2.4 討論

莖稈折斷拉力的大小與莖稈粗細(xì)、莖稈內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有關(guān)[1，2]，這與樹皮、木質(zhì)部和髓三者的主要功能吻合。韌皮部中篩管為運(yùn)輸有機(jī)質(zhì)的輸導(dǎo)組織，導(dǎo)致不同粗細(xì)莖稈的樹皮面積隨著莖稈直徑增大而增加。一般情況莖稈越粗越靠近根部，輸水和無機(jī)鹽的量也相對(duì)較大，木質(zhì)部較發(fā)達(dá)，木質(zhì)部面積比例與莖稈粗細(xì)、折斷拉力大小呈正相關(guān)。髓為貯藏營養(yǎng)物質(zhì)的組織，貯藏營養(yǎng)物質(zhì)和橫向運(yùn)輸，在次生生長中變化較小。

3 結(jié)語

大葉黃楊莖稈粗細(xì)的變化主要是由于樹皮和木質(zhì)部生長造成。莖稈直徑越大，折斷拉力越大；樹皮和木質(zhì)部比例越大，折斷拉力越大，這與樹皮中篩管和木質(zhì)部中導(dǎo)管為輸導(dǎo)組織的功能有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬凡鐘，劉繼展.農(nóng)作物莖稈力學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究綜述[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（8）：5-9.

[2] Wang Ningling，Liu Wangyu，Huang Jiale，et al.The structure–mechanical relationship of palm vascular tissue[J].Journal of the mechanical behavior of biomedical materials，2014（36）：1-11.