大叶黄杨茎秆力学性能与组织结构的关系

宋日尧

摘 要：用力传感器测定大叶黄杨茎秆的力学性能，光学显微镜下观察茎秆的组织结构，分析了折断拉力与微观组织结构的关系，并建立了折断拉力与微观组织结构之间函数关系。结果表明：大叶黄杨力学性能与茎秆粗细和组织结构密切有关，折断拉力与茎秆直径、树皮比例和木质部比例呈正相关。茎秆粗细的变化主要是由于树皮和木质部生长造成，而与髓关系不大。通过茎秆粗细、组织结构面积或面积比例，可以估算茎秆折断拉力的大小，反之亦然。

关键词：力学性能 微观组织结构 折断拉力 大叶黄杨

中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（b）-0009-02

植物为典型各向异性的复合材料，其力学性能与化学成分、微观组织结构紧密相关。不同环境生长的植物，力学性质存在较大差异，实验样本尺寸很难统一，目前尚未建立统一的测定规范和标准[1，2]。可见，植物力学性能的研究方法与手段尚需进一步发展与完善。选取大叶黄杨茎秆进行力学性能实验，观察茎秆组织结构，分析探讨折断拉力与组织结构之间的关系，为大叶黄杨茎秆的防风抗蚀作用、作业机械设计等提供技术参数。

1 实验样品和方法

选取冬季北京四中校园内的大叶黄杨茎秆9根，将每根剪成长度140 mm，用游标卡尺量直径。将茎杆样品放置架子上，用力传感器从茎秆中点竖直向下缓慢拉动，直至茎秆拉断。与力传感器相连的电脑自动记录下拉伸时间和传感器记录力的变化，曲线上的最大值，即为折断拉力F。在折断点附近，用锋利刀片切割取约0.3～0.5 mm厚的薄片，在光学显微镜下观察（物镜4×，目镜10×），可鉴别区分出树皮（表皮、韧皮部、形成层）、木质部和髓。表皮和韧皮部界限难以区分，北方冬季大叶黄杨的形成层不发育，将表皮、韧皮部、形成层统称为树皮。

2 结果与讨论

2.1 茎秆粗细与组织结构之间的关系

大叶黄杨茎秆横截面由外到内依次为树皮、木质部和髓，各组织结构显微特征明显。不同粗细茎秆中各组织结构比例规律相似，比例由大到小依次为树皮、木质部和髓。树皮和木质部的面积随直径加粗而增大，并存在较好的线性关系，而髓的面积变化不大。树皮、木质部和髓所占横截面面积的比例分别为0.4～0.5、0.3～0.4和0.2±，见表1。木质部的面积比例与茎秆直径之间具较好的线性正相关，髓的面积比例与茎秆直径之间呈负相关趋势，树皮面积比例随茎秆直径变化不明显。对横截面面积（Y）与树皮（X1）、木质部（X2）、髓（X3）的面积比例进行线性回归分析，得到回归方程（1），相关系数0.99。

Y=2.24×X1+37.74×X2-6.01×X3 （1）

2.2 折断拉力与茎秆粗细之间的关系

9根直径3～5 mm大葉黄杨茎秆折断拉力在1.82～6.30 N之间，折断拉力（y）与直径（x）之间呈正相关关系：y=4.6669x2-34.7x+67.171，相关系数0.78。说明茎秆粗细是影响折断拉力的主要因素之一。

2.3 折断拉力与茎秆组织结构之间的关系

折断拉力与树皮、木质部和髓的面积之间均存正相关关系，与树皮和木质部的关系较明显，而髓的关系不明显。树皮和木质部加粗是影响茎秆折断拉力大小的主要因素。对茎秆折断拉力（F）与树皮（X1）、木质部（X2）、髓（X3）的面积，进行线性回归分析，得到如下回归方程（2），相关系数0.98。对茎秆折断拉力（F）与树皮（x1）、木质部（x2）、髓（x3）的面积比例，进行线性回归分析，得到如下回归方程（3），相关系数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 讨论

茎秆折断拉力的大小与茎秆粗细、茎秆内部组织结构有关[1，2]，这与树皮、木质部和髓三者的主要功能吻合。韧皮部中筛管为运输有机质的输导组织，导致不同粗细茎秆的树皮面积随着茎秆直径增大而增加。一般情况茎秆越粗越靠近根部，输水和无机盐的量也相对较大，木质部较发达，木质部面积比例与茎秆粗细、折断拉力大小呈正相关。髓为贮藏营养物质的组织，贮藏营养物质和横向运输，在次生生长中变化较小。

3 结语

大叶黄杨茎秆粗细的变化主要是由于树皮和木质部生长造成。茎秆直径越大，折断拉力越大；树皮和木质部比例越大，折断拉力越大，这与树皮中筛管和木质部中导管为输导组织的功能有关。

参考文献

[1] 马凡钟，刘继展.农作物茎秆力学实验的研究综述[J].农机化研究，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.