4種待選蘋果砧木與4種常見蘋果砧木力學特性的比較研究

王榮，張貞，王暉，張坤強，沈向

(1.山東農業大學園藝科學與工程學院，山東 泰安 271018；2.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

4種待選蘋果砧木與4種常見蘋果砧木力學特性的比較研究

王榮1，張貞1，王暉2，張坤強2，沈向1

(1.山東農業大學園藝科學與工程學院，山東 泰安 271018；2.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

為選擇優良蘋果砧木資源，以4種待選砧木(SD1、SD2、SD3、SD4)和4種生產常用砧木(平邑甜茶、八棱海棠、圓葉海棠、M26)為試驗材料，利用精密型微控電子式萬能試驗機進行壓縮和拉伸特性試驗，利用微機控制電子扭轉試驗機進行扭轉試驗，比較了待選和常用蘋果砧木的力學特性。結果表明：蘋果砧木順紋抗壓強度20.36～29.40 MPa，待選砧木SD1、SD3的抗壓強度(29.40、28.79 MPa)極顯著大于生產常用砧木平邑甜茶(26.61 MPa)和M26(23.01 MPa)；蘋果砧木順紋抗拉強度37.53～57.37 MPa，SD1、SD2的抗拉強度(56.63、57.37 MPa)極顯著大于圓葉海棠(37.53 MPa)、M26(47.73 MPa)；蘋果砧木抗扭強度22.04～30.43 MPa，待選砧木SD2的抗扭強度極顯著大于其他砧木，而SD3、SD1和SD4則與平邑甜茶、M26的抗扭強度差異不顯著。綜上所述，待選砧木的抗壓強度、抗拉強度和抗扭強度等基本力學指標均不差于生產常用砧木，符合生產上果樹砧木力學性能的要求。

蘋果砧木；力學特性；壓縮試驗；拉伸試驗；扭轉試驗

AbstractTo select excellent apple rootstock resources, using four rootstocks (SD1, SD2, SD3, SD4) as candidate rootstocks and four apple stocks commonly used in production (Malushupehensis(Pamp.) Rehd.,MalusrobustaRehd.,Malus26) as materials, the mechanical characteristics were researched. The compression test and tensile property test were conducted with the accurate micro-controlled electronic universal testing machine, and the torsion test was conducted with the microcomputer control electron torsion testing machine. The results were as follows. The compressive strength parallel to grain of apple rootstocks ranged from 20.36 MPa to 29.40 MPa. The compressive strength of SD1 (29.40 MPa) and SD3 (28.79 MPa) were highly significantly greater than that ofMalushupehensis(26.61 MPa) andMalus26 (23.01 MPa). The tensile strength parallel to grain of apple rootstocks ranged from 37.53 MPa to 57.37 MPa and that of SD1 (56.63 MPa), SD2 (57.37 MPa) were all significantly or very significantly greater than that ofMalusprunifoliavar.ringo(37.53 MPa) andMalus26 (47.73 MPa). The torsional strength of apple rootstocks ranged from 22.04 MPa to 30.43 MPa, and that of SD2 (30.43 MPa) was highly significantly greater than that of other apple rootstocks, while SD3 (25.68 MPa), SD1 (24.90 MPa) and SD4 (24.54 MPa) had no significant differences withMalushupehensis(25.53 MPa) andMalus26 (24.33 MPa). In conclusion, the basic mechanics indexes of candidate rootstocks were not inferior to common apple rootstocks in production, and satisfied the requests in production.

KeywordsApple rootstock; Mechanical property; Compression test; Tensile test; Torsion test

蘋果(Malusdomestica)是世界上重要的果樹栽培樹種，我國是世界上最大的蘋果生產和消費國，目前蘋果栽培面積近232.8萬公頃，年產蘋果4 261萬噸[1、2]。砧木直接影響蘋果樹體的生長、結果、抗逆性和結果壽命，在其生長發育過程中具有重要的作用[3，4]。寬行密植高產技術的應用，使果樹樹冠變小，樹干變高，這就要求果樹砧木抵抗外力的能力增強，因此，砧木物理力學性質就成為砧木培育中不得不考慮的問題。砧木作為蘋果樹的重要組成部分，近年來的研究主要集中在生物學特性、根系構型、抗性及矮化性能等方面[9-12]，尚未見有關蘋果砧木物理力學特性試驗研究方面的報道。參照國內外荔枝(LitchichinensisSonn)、棉花(Gossypiumspp.)、沙柳(Salixpsammophila)等植物力學特性的研究方法[13-19]，我們開展了對待選蘋果砧木和生產常用蘋果砧木力學特性參數的研究和比較，獲取其順紋抗壓縮、抗拉伸和抗扭強度等力學參數，旨在為選擇優良蘋果砧木資源、實現蘋果優質豐產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料

供試8種蘋果砧木見表1。采樣地點為山東省泰安市山東農業大學蘋果工程中心，采樣時間為2014年3月26日(休眠期)。隨機選取盡可能通直、無病蟲害、少分枝的砧木枝條，備用。

1.2試驗方法

將選取的砧木枝條經鋸解、刨削及手刻等制成試件，試件要求：長度為順紋方向，各端面平整，端部對面的年輪大致平行，并與其相對面的棱相互垂直，且無明顯可見的缺陷。試件的制作參照GB/T1935—2009[20]略有改動，試件規格見表2，試件直徑和長度的公差均為±0.50 mm。試驗方法參照木材物理力學性質試驗方法總則GB/T1928—2009及相關研究試驗方法[21]。試驗所用儀器設備如下：微機控制電子式萬能試驗機(WDW-5E濟南試金集團有限公司)、微機控制電子扭轉試驗機、真空干燥箱(DZF-6050上海博訊事業有限公司)、電子天平、游標卡尺、卷尺和普通木工鋸刨機械等。

表1 8種供試蘋果砧木

表2試件規格

壓縮、拉伸、扭轉試驗結束后立即將試樣破壞后的小塊部分稱重，參照GB/T1931—2009的規定，采用烘干法測定試樣含水率：即先將試樣稱重，精確至0.001 g，然后將同批試樣一并放入烘箱中，(103±2)℃烘8 h后，從中選擇2～3個試樣進行一次試稱，之后每隔2 h稱量所選試樣1次，直至前后兩次稱量之差不超過試樣質量的0.5%時即可，然后計算含水率[22]。

2 結果與分析

2.1順紋壓縮試驗結果

選3組砧木試件的壓縮試驗數據進行曲線擬合，結果如圖1所示，可以看出，隨著試驗力的增大，砧木試件逐漸達到破壞極限。在這一過程中，試驗力和試件變形的最初變化(變形1.0 mm之前)近乎直線，且有明確的比例極限，而該線性段的斜率即為試件的順紋抗壓彈性模量(試驗機衡量變形忽略不計)；當試驗力達到S點時，試件表面出現細微裂紋，該點即為試件的比例極限點；超過S點后，增加試驗力，變形增加，但試驗力增幅減小。比例極限點是抗壓強度的測定點[21]，故以S點的值為本試驗蘋果砧木試件的抗壓極限載荷。

圖1 順紋壓縮曲線

順紋壓縮試驗8種砧木共40個試樣，每種砧木5個試樣作為重復。由圖2可以看出，順紋壓縮試樣的抗壓彈性模量值的波動范圍明顯大于其抗壓強度值的波動范圍，這表明不同試樣的抗壓彈性模量相差較大，抗壓強度則比較接近。

由表3可以看出，供試蘋果砧木順紋抗壓強度的差異達到極顯著水平。待選砧木SD1、SD3的抗壓強度分別為(29.40±0.54)MPa和(28.79±1.02)MPa，都極顯著大于生產中常用的蘋果砧木；圓葉海棠的抗壓強度最小，為(20.36±0.71)MPa，除與待選砧木SD4的抗壓強度無顯著差異外，極顯著或顯著小于其他蘋果砧木；待選砧木SD2的抗壓強度極顯著小于SD1、SD3，極顯著大于SD4，而與八棱海棠的抗壓強度無顯著差異，但與平邑甜茶差異顯著。

壓縮試驗完成后進行試件含水率測定，結果顯示，8種蘋果砧木試件的含水率平均值在34.55%～40.53%之間，總變異系數為4.85%。

圖2 8種蘋果砧木的順紋抗壓強度和抗壓彈性模量

表3 8種蘋果砧木的順紋抗壓強度及含水率比較

砧木抗壓強度(MPa)5%顯著水平1%顯著水平含水率(%)變異系數(%)SD129.40±0.54aA33.69～37.863.40SD328.79±1.02aA34.04～35.000.63平邑甜茶26.61±1.00bB36.42～39.141.77SD225.26±0.18cBC38.69～41.962.84八棱海棠24.77±0.47cCD35.26～35.994.05M2623.01±1.00dDE36.94～37.372.33SD421.38±0.72eEF35.02～37.753.33圓葉海棠20.36±0.71eF36.20～37.405.03

2.2順紋拉伸試驗結果

順紋拉伸試驗8種砧木共40個試樣，每種砧木5個試樣作為重復。拉伸過程中，隨著試驗力的增大，試件變形逐漸增加(見圖3)，至試件微觀組織開始破壞時，試驗力達到極限，即為拉伸強度。8種供試蘋果砧木的抗拉強度差異達到極顯著水平(表4)。其中，待選砧木SD2的抗拉強度為(57.37±0.91)MPa，最大，其次是SD1和SD4，三者間差異不顯著，但都極顯著大于圓葉海棠的抗拉強度；SD3的抗拉強度與SD4差異不顯著，但顯著小于SD2、SD1的抗拉強度，極顯著大于圓葉海棠的抗拉強度。

圖3 試樣SD3拉伸試驗中試驗力隨位移的變化

拉伸試驗完成后進行試件含水率測定。從表4可以看出，拉伸試驗試件的含水率在34.66%～40.00%范圍內，總變異系數為3.30%。

表4 8種蘋果砧木的抗拉強度及其含水率比較

砧木抗拉強度(MPa)5%顯著水平1%極顯著水平含水率(%)變異系數(%)SD257.37±0.91aA39.80～40.001.59SD156.63±2.81abAB36.48～37.794.96SD453.01±2.45abcABC36.22～39.744.63八棱海棠50.48±2.72bcABC37.18～38.175.38SD349.50±0.22cABC34.66～36.590.45平邑甜茶48.33±1.12cBC38.29～38.322.32M2647.73±0.99cC37.03～37.232.08圓葉海棠37.53±1.21dD37.69～38.093.21

2.3扭轉試驗結果

扭轉試驗8種砧木共40個試樣，每種砧木5個試樣作為重復。結果(表5)顯示，待選砧木SD2的峰值扭矩最大，為6.073 N·m；八棱海棠的最小，為4.334 N·m。

扭轉試驗中，試件最大扭矩的最大剪斷力，即抗扭強度。從表5可以看出，待選砧木SD2的抗扭強度最大，為(30.43±1.15)MPa，極顯著地大于其他砧木；其次是SD3，顯著大于圓葉海棠和八棱海棠；待選砧木SD1和SD4的抗扭強度差異不顯著，SD1顯著大于八棱海棠，而SD4與八棱海棠的抗扭強度差異不顯著。

扭轉試驗完成后，進行試件含水率的測定。從表5可以看出，扭轉試驗試件的含水率在36.48%～42.06%范圍內，總變異系數為3.62%。

表5 8種蘋果砧木的抗扭強度比較

3 討論

矮化寬行密植栽培模式可控制樹干大小，減少樹體消耗，提高生產效率和提早樹體結果，是目前蘋果栽培發展的總趨勢。但這一栽培模式易引發樹干高度增加，樹冠減小，遇到勁風暴雨，樹干易被刮斷，造成不可挽回的損失。為此，研究砧木的物理力學性質就成為砧木育種需考慮的重要問題之一。

不同樹種的抗風性存在差異，除受生長速度、樹冠與根系形態等因素影響外，樹木枝干剛柔度也是重要的影響因子之一[23]。木材力學性質主要包括抗壓強度(包括順紋壓力和橫紋壓力)、抗拉強度(包括順拉強度和橫拉強度)、抗剪強度、抗彎強度和抗彎模量、沖擊韌性、硬度、抗劈力等方面，各指標間呈線性正相關關系[24，25]。但目前與抗風性相關的木材物理力學性質研究報道較少，陳綬柱等研究報道，在木材韌性、易曲性好的情況下，主干及枝條不易折斷，抗風性能好[26]。而關于果樹砧木抗風性的研究尚未見報道。本試驗采用微機控制電子式萬能試驗機和微機控制電子扭轉試驗機測得8種蘋果砧木的抗壓強度、抗拉強度和抗扭強度并予以分析比較，希望能找到數量化表述果樹砧木抵抗勁風暴雨等自然災害的物理力學指標。

本研究結果表明，蘋果砧木順紋抗壓強度20.36～29.40 MPa，待選砧木SD1、SD3的抗壓強度極顯著大于其他砧木品種。蘋果砧木順紋拉伸強度37.53～57.37 MPa，待選砧木SD2、SD1的抗拉強度極顯著大于生產常用砧木圓葉海棠、M26，SD4、SD3的抗拉強度顯著大于圓葉海棠。蘋果砧木抗扭強度22.04～30.43 MPa，待選砧木SD2的抗扭強度極顯著大于其他砧木，而SD3、SD1和SD4則與平邑甜茶、M26的抗扭強度差異不顯著。

在今后的砧木育種工作中，把砧木力學參數作為其考慮因素之一，淘汰物理力學指標差的砧木，可提高砧木育種效率，從根本上減少自然災害對果園造成的經濟損失。本研究結果以及相關研究的進一步探索，可望使果樹學與材料力學結合，促進果樹高產砧木、結果枝研究的定量化，有望給予諸如蘋果砧木與不同嫁接品種結合部位的力學特性、不同嫁接方法植株的力學特性、結果枝的彈性模量等力學的詮釋與定量描述。

4 結論

本試驗所用4種待選砧木SD1、SD2、SD3和SD4的抗壓強度、抗拉強度和抗扭強度均不輸于生產常用砧木八棱海棠、平邑甜茶、M26和圓葉海棠。因此，4種待選砧木的力學性能符合生產上果樹砧木力學性能的要求，今后可在其嫁接親和力及砧木與品種結合部位力學性質等方面做進一步分析比較。

[1] Li J R, Zou Y J, Ren X L. Humble opinion about modern apple industry in China [J]. Journal of Fruit Science, 2008, 25(3):378-381.

[2] 陳學森，毛志泉，沈向，等. 易著色功能型蘋果新品種培育及無袋化栽培技術[J]. 中國果樹，2017(1):1-5.

[3] 陳汝，王海寧，姜遠茂，等. 不同蘋果砧木的根際土壤微生物數量及酶活性[J]. 中國農業科學，2012，45(10)：2099-2106.

[4] 王榮，沈向，黃翠香，等. 關于蘋果砧木與自根砧快繁技術的綜述[J]. 天津農業科學， 2012，18(3)：115-119.

[5] 高登濤，郭景南，魏志峰，等. 中部地區兩類矮砧密植蘋果園生產效率及光照質量評價[J]. 中國農業科學，2012，45(5)：909-916.

[6] Li H L, Zhang H, Yu C, et al. Possible roles of auxin and zeatin for initiating the dwarfing effect of M9 used as apple rootstock or interstock [J]. Acta Physiol. Plant, 2012, 34:235-244.

[7] Gao D T, Guo J N, Wei Z F, et al. Evaluation of productivity and light quality in two high density dwarf rootstock apple orchards in Central China [J]. Agricultural Science & Technology, 2012, 13(9):1848-1853.

[8] 王金政，薛曉敏，路超. 我國蘋果生產現狀與發展對策[J]. 山東農業科學，2010(6)：117-119.

[9] Wertheim S J, Wagenmakers P S, Bootsma J H, et al. Orchard systems for apple and pear: conditions for success [J]. Acta Horticulturae, 2001, 557: 209-227.

[10] Muniz A W, de Sá E L, Dalagnol G L, et al. Rooting and acclimatization of micropropagated marubakaido apple rootstock usingAdesmialatifoliarhizobia [J]. Springer Plus, 2013, 2:437.

[11] Jensen P J, Halbrendt N, Fazio G, et al. Rootstock-regulated gene expression patterns associated with fire blight resistance in apple[J]. BMC Genomics 2012, 13:9.

[12] 劉飛，王金花，張洪毅，等. 四種蘋果砧木幼苗對鋅脅迫的耐性差異[J]. 中國農業科學，2012，45(18)：3801-3811.

[13] 吳良軍，楊洲，洪添勝，等.荔枝樹枝力學特性的試驗研究[J].農業工程學報，2012,28(16)：68-73.

[14] Wu L J, Yang Z, Hong T S, et al. Experimental study on mechanical properties of litchi branches [J]. Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(16): 68-73.

[15] 李玉道，杜現軍，宋占華，等. 棉花秸稈剪切力學性能試驗[J]. 農業工程學報，2011，27(2)：124-128.

[16] 孫娟，王喜明，賀勤. 沙柳材物理力學性能及其測試方法的研究[J]. 林產工業，2012,39(2):57-59.

[17] 郭翠花，高志強，苗果園.不同產量水平下小麥倒伏與莖稈力學特性的關系[J]. 農業工程學報, 2010,26(3)：151-155.

[18] 李明，湯楚宙，謝方平，等.毛桃苗力學特性試驗研究[J].農業工程學報，2005,21(3)：29-33.

[19] 呂春娟，陳麗華，周碩，等.不同喬木根系的抗拉力學特性[J].農業工程學報，2011,27(13)：329-335.

[20] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 木材順紋抗壓強度試驗方法 GB/T 1935—2009 [S]. 2009-02-23.

[21] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 木材物理力學試驗方法總則 GB/T 1928—2009 [S]. 2009-02-23.

[22] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 木材含水率測定方法 GB/T 1931—2009 [S]. 2009-02-23.

[23] 李慧仙,信文海.華南沿海城市綠化抗風樹種選擇及防風措施[J]. 華南熱帶農業大學學報, 2000,6(1):15-21.

[24] 成俊卿. 木材學[M]. 北京：中國林業出版社，1985.

[25] 尹思慈.木材學[M]. 北京：中國林業出版社，1996.

[26] 陳綬柱，岑奮，吳澤鵬. 沿海沙岸防風固沙木麻黃試驗示范林抗御臺風分析[J]. 廣東林業科技, 1999,15(1):26-30.

ComparisonofMechanicalPropertiesofFourCandidateRootstocksandFourCommonAppleStocks

Wang Rong1, Zhang Zhen1, Wang Hui2, Zhang Kunqiang2, Shen Xiang1

(1.CollegeofHorticultureScienceandEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China; 2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineerings,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China)

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.09.009

2017-03-29

公益性行業(農業)科研專項“我國重要野生果樹資源的收集、評價與優異種質創新利用技術研究與示范”(201303093)；山東省良種產業化項目“果樹新資源引進開發”(2009-96)

王榮(1987—)，女，在讀博士后，研究方向：果樹生理學。E-mail：wangrong201109@163.com

沈向(1966—)，男，教授，研究方向：果樹生理學。E-mail:guanshangguoshu@163.com

S661.4

A

1001-4942(2017)09-0046-05