非生長時期6種植物枝條的抗折力學特性

格日樂, 郝需婷, 蘇日娜, 黃 靜, 崔天民

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特 010019)

在治理土壤風力侵蝕的過程中，植被通過遮蓋地面、分化風力以及攔截輸沙等辦法有效地減弱風速、削減風對地面土粒的分離和搬運而起作用。關于植物防風抗蝕的研究，國外學者Bressolier和Thomas[1]在法國大西洋沿岸沙丘區的研究結果表明,在植被的諸多特點中,對風沙運動植被蓋度作用最大,然后是植被的高度和寬度。劉艷萍等人[2]通過風洞試驗研究了荒漠草原區植被對土壤風蝕的影響，證明了風速越大植被對地表的保護作用越明顯，相關分析表明，不同風速下風蝕量與植被蓋度之間呈冪函數相關。孫艷萍,張曉萍,劉建祥等人[3]研究得出,風蝕率隨植被蓋度的增加呈指數函數減少。不同植物防治風蝕的性能是不同的，趙彩霞等人[4]研究表明，在干旱、半干旱地區灌木的防風蝕作用最大，其次分別是多年生牧草、林木、作物、一年生牧草。Lee和Soliman總結了大量試驗觀測結果后指出,植株的形狀是影響植被覆蓋防護效應的重要因素,植被類型的不同可能造成防護效應的顯著差異[5]。綜上所述，關于植被防風抗蝕的研究，主要集中在植被蓋度、植被類型以及植株形狀(高度、寬度)等方面。內蒙古中西部地區冬春季正值大風季節，當大風過境時，植物體承受強大的風力作用。風力作用在植物體上，被枝莖阻擋牽引等消耗一部分能量，越過植物體后力量減小，在植被防風抗蝕中地上部分枝條力學特性亦發揮重要的作用。而現有的研究，主要是針對植物生長季節根系[6-8]和小麥(Triticumaestivum)[9-10]、玉米(Zeamays)[11]、高粱(Sorghumbicolor)[12]、水稻(Oryzasativa)[13-16]等特定莖稈作物的抗倒伏性，及針對植物在生長季鮮枝力學特性的研究[17-18]，而關于植物在非生長時期的冬春大風季節枝條力學特性的研究鮮見報道。為此，本文選取分布于內蒙古自治區中西部的6種典型的防風固沙植物(沙柳、檸條、白沙蒿、楊柴、檉柳、沙棘)，以非生長時期的冬春交替大風季節植物枝條為對象，通過研究非生長時期枝條抗折力和抗折強度及其影響因子，分析直徑、長度和植物種對枝條抗折力、抗折強度的影響，揭示其種間差異性以及抗折力學特性的共同規律，從而為該區域防風阻沙植物種的選擇及其混交配置提供生物力學方面的科學參考依據。

1 材料及采樣地概況

沙柳、檸條、白沙蒿、楊柴和檉柳采樣地位于庫布齊沙漠西北部，庫布齊沙漠地處鄂爾多斯高原北部與河套平原的交接地帶，地理位置為107°—111°30′E，39°30′—39°15′N，呈東西帶狀分布，長約400 km，枝條采集樣地位于庫布齊沙漠西北端的固定沙地，采樣地中心位置為39°26.89′N，107°23.85′E。沙棘采樣地位于鄂爾多斯市準格爾旗東南部黃土丘陵溝壑區。

沙柳(Salixcheilophila)為楊柳科(Salicaceae)柳屬(Salix)，是典型的旱生落葉灌木或小喬木，沙柳屬沙生陽性植物,抗逆性強,較耐旱,抗風沙、水澇、牛羊啃、刀斧砍,耐一定鹽堿,耐嚴寒和酷熱,喜適度沙壓,根系發達,萌蘗力強。沙柳的根系最長可延伸至100 m,一株沙柳就可將周圍流動的沙漠牢牢固住,因此有很好的固沙作用，大面積的沙柳分布具有改善小氣候作用,可有效遏制頻發的沙塵暴天氣,降低地表溫度和水分蒸發量,減輕霜凍和干旱危害,是地下資源開發地區良好的生態屏障。此外,沙柳是制作生物沙障的主要樹種,通過栽植沙柳在沙面上設置障礙,以控制風沙流動的方向、速度、結構來改變風蝕積沙狀況,達到防風阻沙、改變風的作用力及地貌狀況等目的,是固定流沙、穩定地表首選的生物措施[19]。檸條(CaraganaKorshinskii)是豆科(Leguminosae)錦雞兒屬(Caragana)多年生灌木，耐旱、耐寒、耐高溫、耐貧瘠、耐鹽堿性,不怕沙埋,是植物王國中的“鐵人”、“鐵漢子”。根系發達,而且其蒸發量很低,能夠最大程度的保水、吸收地下深處的營養物質與水分。檸條苗木比較容易培育,而且能夠順利在沙地中成活,成活以后,對于沙地能夠起到固沙固氮的作用,同時在檸條成活以后,可以適當引進其他樹種,這樣檸條就起到在治沙造林中的先鋒作用,為其他樹種成活鋪路[20]。白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)又稱籽蒿，屬于菊科(Asteraceae)蒿屬(Artemisia)典型的沙生半灌木，生于流動與半流動以及半固定沙丘上，是固沙的先鋒植物，具有耐沙埋、抗風蝕、耐貧瘠、抗旱、易于繁殖等特性。具有較強的生態適應性，是重要的防風固沙植物[21]。沙棘(Hippophaerhamnoides)屬于胡頹子科(Elaeagnaceae)沙棘屬(Hippophae)落葉灌木或小喬木。主要分布于我國華北、西北和東北地區，適應性強，抗旱耐澇。沙棘有發達的根系，其根系可深達地面高度的5倍，須根橫向生長可達5 m多，每株沙棘固沙保土面積可達70～80 m2，固沙能力之強，是其他喬木、灌木無法比擬的。不僅如此，沙棘還耐干旱、耐瘠薄，生存能力極強，栽培沙棘樹苗時，每株只需約1 kg的水即可成活，成活后還可通過種子以及裸露的根系繁殖，能迅速擴大林木面積。所以沙棘是治理我國華北、西北地區風沙的理想植物之一[22]。楊柴(Hedysarumfruticosum)屬于蝶形豆科(Leguminosae)巖黃蓍屬(Hedysarum)多年生、沙生落葉半灌木。楊柴地下根莖的生長縱橫交錯，形成一個網帶結構的水平空間，這種網帶結構的存在，起到了很好的固定沙丘的作用。而且楊柴能夠產生適應沙埋的生理機制，使楊柴能夠在適度沙埋后生長更旺盛。楊柴具有耐寒、抗旱、耐瘠薄，抗風蝕、抗沙埋和易栽植，生長迅速，競爭力強的優良特性，是優良的防風固沙植物。楊柴是我國北方的毛烏素沙地、庫布齊沙漠和渾善達克沙地的治理中被作為主要植物種進行了大面積種植[23]。檉柳(Tamarixchinensis)屬于檉柳科(Tamaricaceae)檉柳屬(Tamarix)灌木或小喬木。檉柳屬于泌鹽鹽生植物,具有很強的耐鹽堿能力,是鹽堿地種植的首選灌木。檉柳的種植可以在一定程度上改變鹽堿地的土壤性狀,增加土壤的植被蓋度,使鹽分發生轉移,增加土壤有機質的含量,改善土壤肥力，對鹽堿地起到改良作用，并顯著提高鹽堿地生態與環境功能[24]。檉柳也是最適應干旱沙漠的樹種之一，根系很長，可以吸到深層的地下水，枝條頑強不怕沙埋，是防風固沙的優良樹種之一。

2 研究方法

2.1 標準株的確定與枝條的采集

于2018年3月上旬，在采樣地選擇檸條、沙棘、沙柳、白沙蒿、楊柴和檉柳6種植物樣地，在每種植物的樣地內選擇30株植株，將每一株植物的冠幅、地徑和高度重復測量3次。再將30株植株的高度、冠幅和地徑取平均值來作為衡量該植物種的綜合指標。在每個樣地內盡量選取與綜合指標相近的植株作為標準株[25]。選擇標準株3株，在標準株的植株上盡量選擇無病蟲害和人為破壞的枝條進行采集。將采集的枝條帶回試驗室內，盡快完成試驗。

2.2 試樣制備

選擇枝條較為通直、直徑較為均勻的枝條。根據前期對6種植物枝條數量特征的研究結果[25]，試樣枝條直徑選取0.5～2.5 mm范圍，以0.5 mm為一個間隔進行分級，選取60，80和100 mm共3個長度梯度。當試樣長度為60 mm時非生長時期從枝條一側開始每15 mm作1個標記一共做5個標記(D1—D5)。在試驗枝條兩端標記點的一側貼上編有序號的標簽，用游標卡尺從標簽一側點開始依次量取5個標記點處直徑，正交方向上各測量一次直徑，然后取5個點的直徑平均值作為該試驗枝直徑D。將制備好的試驗枝條立即進行試驗。枝長80和100 mm下的標記及測量方法與60 mm時一致。采用兩端固定式折斷法進行試驗研究。試驗儀器如圖1所示，包括YG(B)026H-250型織物強力機、自制夾具以及電子游標卡尺(精度0.01 mm)。試驗開始前調節儀器以及聯機軟件的相關參數后，用自制夾具將試驗枝條兩端的標記點夾緊，在500 mm/min的加載速度下開始試驗，每一次壓頭折斷枝條施力點時試驗結束。試驗結束的同時，聯機軟件會相應的自動生成本次試驗枝條抗折力值(F)，將此時的數據在試驗記錄本上記錄，最后根據所記錄的數據結合抗折力計算公式計算抗折強度，計算公式為：

式中：σ——抗折強度(MPa)；F——抗折力(N)；D——直徑(mm)。

圖1 抗折試驗方法示意圖

3 結果與分析

3.1 非生長時期6種植物枝條抗折力及其影響因子

運用SPSS軟件對6種植物枝條在60 mm長度下種內不同徑級抗折力進行差異性檢驗結果顯示，在α=0.05的顯著水平下，除了沙柳非生長時期枝條抗折力在1～1.5 mm和1.5～2 mm徑級之間無顯著差異以外其他徑級間均呈顯著差異，另外5種植物枝條抗折力在直徑0.5～1 mm，1～1.5 mm，1.5～2 mm和2～2.5 mm徑級之間均存在顯著性差異，表明直徑因素對6種植物枝條抗折力大小有顯著的影響，抗折力隨著直徑的增加而增大(表1)。

表1 非生長時期6種植物枝條抗折力在不同徑級種內差異性檢驗結果 N

注：數據為均值±標準差；相同植物種不同徑級間字母不同則表示抗折力差異性顯著，字母相同或包含相同字母則表示差異性不顯著(p<0.05)。下同。

圖2為6種植物枝條在60 mm長度下抗折力隨直徑變化圖。由圖2可知，6種植物枝條抗折力均隨直徑的增加而增大。沙柳枝條直徑與抗折力呈對數函數正相關關系、沙棘呈冪函數正相關關系，其他4種植物非生長時期枝條抗折力與直徑的關系均呈多項式函數正相關關系(表2)。這與鄭永剛[7]選取檸條、沙棘、沙柳和白沙蒿的直根抗折力隨直徑增大而增加的結果一致，只是擬合函數不同，分析原因是因為供試植物均屬于干旱半干旱區灌木，而灌木枝條和根系均屬于植物材料，材料性質相同的緣故，擬合函數不同則是因為植物種不同則生物學特性不同，關于上述結果還需要結合材料微觀結構和化學組分等進行進一步研究。

表3為運用SPSS軟件對6種植物枝條在60，80和100 mm長度下相同徑級范圍(0.5～2.5 mm)內種間抗折力的差異性檢驗結果表。由表3可知，在60 mm枝長下，相同徑級不同植物種間，在α=0.05的顯著水平下，檸條抗折力與沙棘、檉柳、沙柳、楊柴和白沙蒿5種植物枝條抗折力均存在顯著差異性，而沙棘、檉柳和沙柳3種植物枝條抗折力間無顯著差異性，楊柴和白沙蒿枝條抗折力間無顯著差異性。6種植物枝條抗折力大小則表現為：檸條(51.700 N)>沙棘(39.706 N)>檉柳(37.530 N)>沙柳(36.156 N)>楊柴(29.553 N)>白沙蒿(27.147 N)。

圖2 非生長時期6種植物枝條抗折力隨直徑變化表2 6種植物枝條抗折力與直徑的擬合函數

植物種擬合函數決定系數R2檸條y=25.814x2-27.631x+26.8520.9752沙柳y=19.368ln(x)+30.5090.9333楊柴y=13.864x2-13.494x+16.9980.987沙棘y=20.12x1.4620.9611檉柳y=34.096x2-49.551x+26.1560.9771白沙蒿y=19.817x2-32.919x+26.60.9741

表3 非生長時期6種植物枝條在60 mm相同徑級下種間抗折力差異性檢驗結果 N

在80 mm枝長下，相同徑級范圍(0.5～2.5 mm)內在α=0.05的顯著水平下，白沙蒿、沙棘和楊柴3種植物枝條抗折力間無顯著差異性以外其他均存在顯著差異性；6種植物枝條抗折力大小依次為：檉柳(61.777 N)>沙柳(51.440 N)>檸條(40.180 N)>白沙蒿(29.370 N)>沙棘(29.270 N)>楊柴(28.401 N)。當枝條在100 mm長度下，在α=0.05的顯著水平下，沙柳、楊柴枝條抗折力與其他4種植物檸條、檉柳、沙棘、白沙蒿存在顯著差異性，而檸條、檉柳、沙棘、白沙蒿4種植物枝條抗折力間差異性不顯著；6植物枝條抗折力大小表現為：沙柳(62.237 N)>檸條(38.889 N)>檉柳(30.575 N)>沙棘(27.768 N)>白沙蒿(25.875 N)>楊柴(16.590 N)。從圖3中可以看出，在α=0.05顯著水平下，白沙蒿和檸條枝條抗折力隨著枝條長度的增加無顯著性差異，表明枝長對2種植物枝條抗折力變化無影響。沙柳則相反，隨著枝條長度的增加抗折力呈增大趨勢，表明枝長對沙柳枝條抗折力有明顯影響。其他3種植物沙棘、檉柳和楊柴枝條抗折力隨著枝條長度的增加無明顯變化規律。上述結果表明植物種不同則枝長對枝條抗折力的影響亦有差異，關于這點還需要結合枝條微觀結構及其纖維素、半纖維素、木質素等化學組分進行進一步研究。

3.2 非生長時期6種植物枝條抗折強度及其影響因子

運用SPSS軟件對6種植物枝條在60 mm長度下種內不同徑級間抗折強度進行差異性檢驗結果顯示，在α=0.05的顯著水平下白沙蒿枝條抗折強度在直徑1.5～2.0 mm，2～2.5 mm之間無顯著差異以外，其他植物種枝條徑級之間均存在顯著差異性，表明直徑因素對枝條抗折強度有顯著影響，抗折強度隨直徑的增加而減小(表4)。

注：圖中包含相同字母則表示在0.05水平下差異性不顯著，字母不同則表示差異性顯著(LSD多重比較結果)。下同。

圖3 非生長時期6種植物枝條抗折力隨枝條長度變化

表4 非生長時期6種植物枝條種內不同徑級間抗折強度差異性檢驗結果 MPa

圖4為6種植物枝條在枝長60 mm時抗折強度隨直徑變化圖。由圖4可知，在非生長時期6種植物枝條抗折強度均隨直徑的增加而減小。6種植物枝條抗折強度與直徑的關系均呈冪函數負相關關系(表5)。這與鄭永剛[7]關于檸條、沙棘、沙柳和白沙蒿直根的研究結果一致，只是變化函數不同，其原因與枝條抗折力的結果分析一致。

圖4 非生長時期6種植物枝條抗折強度隨直徑變化

表6是運用SPSS軟件對6種植物枝條在枝長60，80和100 mm長度下相同徑級范圍(0.5～2.5 mm)內種間抗折強度的差異性檢驗結果。由表6可知，在α=0.05的顯著水平下，當枝長為60 mm時，檸條抗折強度與沙柳抗折強度無顯著性差異，楊柴、沙棘、檉柳和白沙蒿抗折強度間無顯著差異性；6種植物枝條抗折強度大小依次為：檸條(33.510 MPa)>沙柳(30.314 MPa)>楊柴(23.783 MPa)>沙棘(22.500 MPa)>檉柳(20.044 MPa)>白沙蒿(16.613 MPa)。

表5 6種植物物枝條抗折強度與直徑的擬合函數

當枝條長度在80 mm時，在α=0.05的顯著水平下，檉柳與沙柳枝條抗折強度差異性不顯著，白沙蒿和檸條枝條抗折強度無顯著性差異，二者又與沙柳枝條抗折強度差異性不顯著；沙棘和楊柴枝條抗折強度無顯著性差異。在80 mm枝條長度下，6種植物枝條抗折強度大小依次表現為：檉柳30.821 MPa，沙柳27.122 MPa，白沙蒿23.013 MPa，檸條22.932 MPa，沙棘16.778 MPa和楊柴16.047 MPa。當枝條長度在100 mm時，在α=0.05的顯著水平下，沙柳抗折強度與其余5種植物均存在顯著性差異；白沙蒿和檸條枝條抗折強度差異性不顯著，沙棘、檉柳和楊柴枝條抗折強度間無顯著性差異，檸條又與沙棘、檉柳和楊柴3種植物枝條抗折強度間差異性不顯著。6種植物枝條在長度為100 mm時，種間抗折強度大小表現為沙柳最大為33.156 MPa，其次為白沙蒿20.030 MPa，檸條18.837 MPa，沙棘14.262 MPa，檉柳12.718 MPa，抗折強度最小為楊柴9.620 MPa。

表6 6種植物非生長時期枝條在60 mm相同徑級下種間抗折強度差異性檢驗結果 MPa

圖5為6種植物枝條抗折強度隨枝長變化圖。從圖5可以看出，在α=0.05顯著水平下，沙柳枝條抗折強度隨枝長的增加無顯著差異性，表明枝長對其枝條抗折強度無影響，而其他5種植物枝條抗折強度隨枝條長度的增加變化不一致，其中楊柴、檸條和沙棘總體隨長度的增加枝條抗折強度呈下降趨勢，而白沙蒿和檉柳則呈現先增加后減小的變化。

圖5 非生長時期6種植物枝條抗折強度隨枝長變化

4 討 論

6種植物在非生長時期枝條抗折力隨著直徑的增加而增大，抗折強度隨直徑的增加均呈冪函數減小，這與鄭永剛[7]對檸條、沙棘、沙柳和白沙蒿直根的研究結果一致，只是隨枝條直徑的增加，抗折力增大或抗折強度減小的變化函數有所不同。這可能是因為上述對比分析的植物均屬于干旱半干旱區灌木植物，植物材料性質相同的緣故，變化函數不同是由于植物種不同則生物學特性不同，其內在原因還需要結合材料微觀結構和化學組分等進行進一步研究。關于枝條或根系長度對植物枝條或根系抗折力學特性研究的文獻很少，薛冬梅[17]在3種植物枝條生物力學特性的研究結果中表明枝長對植物枝條的抗拉強度無顯著影響，抗彎強度則隨枝條長度的增加而增大。本文通過對6種植物非生長時期枝條抗折力和抗折強度隨著枝條長度的增加，研究結論顯示植物種不同則枝長對枝條抗折力和抗折強度的影響亦有差異，即有些植物種表現為枝長因子對其枝條抗折力學強度指標無明顯影響，而另外一些植物種則表現為枝長因子對其枝條抗折力學強度指標的變化有明顯影響，究其內在原因還需要結合不同植物種枝條微觀結構及其纖維素、半纖維素、木質素等進行進一步研究[26-27]。同時這也是否從另外一個方面證明了生態修復中只有實現多樹種結合的修復方式才是最優水土保持功能實現的模式。

5 結 論

(1) 6種植物枝條在非生長時期抗折力、抗折強度在0.5～2.5 mm測試徑級范圍，隨著直徑的增加抗折力呈現增大趨勢，而抗折強度則呈現減小的趨勢。其中沙柳枝條抗折力呈對數函數增長、沙棘枝條抗折力呈冪函數增長，其他4種植物枝條抗折力隨著直徑的增加均呈多項式函數增長；6種植物枝條抗折強度隨直徑的增加均呈冪函數減小。

(2) 在測試徑級0.5～2.5 mm范圍內枝長在60 mm枝條抗折力、抗折強度最大為檸條，其值分別為51.700 N和33.510 MPa，枝長在80 mm時種間抗折力、抗折強度最大為檉柳，其值分別為61.777 N和30.821 MPa，枝長在100 mm時種間抗折力、抗折強度最大為沙柳，其值分別為62.237 N和33.156 MPa。表明枝長不同則植物種間枝條抗折力和抗折強度值有差異。證明生態修復中只有實現多樹種結合的修復方式才是最優水土保持功能實現的模式。

(3) 6種植物在非生長時期枝條抗折力和抗折強度隨著枝條長度的增加其變化特點表現不一致，關于這點還需要結合不同植物種枝條微觀結構及其纖維素、半纖維素、木質素等化學組分進行進一步研究。