6 种苔草属植物叶片的力学特性及微观结构

韩戴宇，李英博，鞠志新

（1.吉林农业大学园艺学院, 吉林 长春 130118；2.吉林农业科技学院农学院, 吉林 吉林 132000）

农作物的力学特性研究为遗传工程改变农作物内部结构与机械性能指出了明确的目标，是选育良种的前提[1]。弹性模量与抗拉强度在材料力学性能中均为重要指标。弹性模量指的是材料在弹性的限度内对变形的抵抗能力，抗拉强度是指材料产生最大均匀塑性变形的应力[2]，两者是影响植物茎秆弯曲、断裂、倒伏的关键因素[3]。国内外学者主要对牧草、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、蔺草(Juncus effusus)等进行深入研究，解决了有关农作物收割、植株倒伏以及优良品种选育等问题[4-7]。赵春花等[8]对收获期新育牧草进行试验，认为牧草茎秆的弹性模量取决于各自机械组织的厚度、维管束的数量、各组织及其细胞间的连接形式和连接强度。王芬娥等[9]对小麦茎秆的研究指出，植物的厚壁机械组织越发达，自身的最大抗拉力和弹性模量就越高。李秀娟等[10]在对杨树(Ponulus hopeiensis)叶片进行拉伸特性与微观结构的试验后，认为杨树叶片的叶脉是由表皮组织、薄壁组织、维管束及其周围的机械组织构成的多孔蜂窝状复合结构，并且认为这种结构稳定性强，具有较好的抗拉特性。可见，植物宏观尺度上的性能往往是由其微观结构所决定的，因此需要进一步对植物叶片进行显微结构的观察，分析影响叶片力学特性的因素及其变化规律[11]。

苔草属(Carex)是莎草科中最大的一个属，为多年生草本植物，全球大约有2 000 多种，在中国分布有大约500 种[12-13]，被广泛应用于园林绿地[14]、水源净化[15]、纺织纤维材料[16]等方面，也是天然草地资源中饲用价值较高、耐牧性极强的一类优良牧草[17]。目前有关苔草的研究主要集中在分类学[18]、生理特性[19]、观赏性状[20]等方面。作为优质的天然纤维植物，目前有关苔草叶片力学特性的研究基本处于空白。为此，以6 种东北地区常见苔草为研究对象，进行力学拉伸测试，观察叶片微观结构，探讨叶片力学性能与微观结构之间的关系，为全面了解东北地区苔草及其叶片的开发利用提供理论依据，并为今后选育优良苔草品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为低矮苔草(Carex humilis)、矮丛苔草(C.callitrichos)、乌拉草(C.meyeriana)、大披针苔草(C.lanceolata)、尖嘴苔草(C.leiorhyncha)、麻根苔草(C.arnellii)，均于2019 年4 月－5 月采集，采集后带回吉林农业科技学院(126°28′ E，43°57′ N)，在温室花盆中养护1 个月后，分株定植在园艺场内。试验选用 2021 年7 月上旬采集的成熟期苔草，长度均大于500 mm，长势良好，无病虫害。6 种苔草各分成两份装入封口袋带回实验室制备试样。用于力学特性试验的叶片带回实验室立即制备试样，在当天进行试验；用于微观结构研究的叶片带回实验室后立 刻 放 入FAA (formalin-acetic acid-alcohol, FAA)固定液(38%甲醛5 mL + 冰醋酸5 mL + 70%酒精90 mL +丙三醇5 mL)中固定24 h。

1.2 试验设备

力学性能试验使用数显式电子拉力试验机(WDW-200H)，方法参考GB/T1040.1－2018《塑料和复合材料拉伸强度、拉伸模量和拉伸应力－应变关系》[7]。测试过程中，电脑实时显示力、位移变形值、加载速度、试验曲线等试验参数；微观结构研究采用德国徕卡公司生产的徕卡光学显微镜。

1.3 试验方法

1.3.1 力学特性测试

采集到的叶片立刻按种分组，每种苔草选取外侧健康完整的叶片，用手术刀切除头尾，保留叶片中部制成长度为80 mm 的试样，每种叶片制样20 个。对制成的试样先用数显式游标卡尺测量叶片宽度和厚度，以试验机夹具的间距(40 mm)作为试样标距，将这些参数输入到计算机，测试过程中由材料测试软件bluehill (Instron)直接绘制曲线。为了防止试验机夹头对叶片造成破坏或在试验过程中出现苔草叶片打滑，将苔草叶片的头尾处粘上医用胶带，再用双面胶粘在小纸壳上，最后把如此制作的试样放入夹具。试验的加载速度为10 mm·min-1，随载荷增加，断裂处不在夹子两端时，抗拉试验结果有效[21]。力学特性试验中为保证数据的可靠性，每个试验重复测试10 次。通过叶片的最大抗拉力和叶片横截面积计算它的抗拉强度。

式 中：σb为 抗拉 强 度(MPa)；Fmax为 最 大 抗拉 力；A为试样的最初横截面积(mm2)，通过叶片宽度乘厚度得出。

选取载荷位移曲线的初始弹性变形阶段，用来计算叶片的弹性模量。

式中：E为弹性模量(MPa)；F为拉力(N)；l为试样标距(mm)；Δl为试样变形量(mm)；A为试样最初横截面积(mm2)，由其宽度乘厚度得出。

1.3.2 微观结构研究

田间采集后的叶片立刻用福尔马林-醋酸-酒精(FAA)固定液固定，固定完成后按照脱水、番红染色、脱色、固绿染色、透明封片的步骤将苔草叶片制成石蜡切片，每种苔草制作10 个石蜡切片，然后在光学显微镜下观察。

1.4 数据分析

采用Image J 软件进行图像的测量与分析；采用统计分析软件SPSS 20.0 对各苔草叶片的最大抗拉力、弹性模量、抗拉强度和微观结构参数的差异进行显著性分析，采用Duncan 法进行均值多重比较，显著性水平设定为0.05，数据结果用平均值 ± 标准差表示；采用Pearson 法进行苔草叶片微观结构与力学特性的相关性分析；采用Excel 2018 整理数据和制图。

2 结果与分析

2.1 叶片力学特性

6 种苔草力学特性指标测试结果表明，麻根苔草和尖嘴苔草最大抗拉力较大(表1)，分别是54.20和49.98 N，显著高于其他4 种苔草(P< 0.05)；低矮苔草和矮丛苔草最大抗拉力较小，分别是9.09 和7.24 N，显著低于其他4 种苔草(P< 0.05)。麻根苔草和尖嘴苔草弹性模量较大，分别是580.13 和545.67 MPa，均显著高于其他4 种苔草(P< 0.05)；低矮苔草和矮丛苔草弹性模量较低，分别是234.18 和216.04 MPa，显著低于其他4 种苔草(P< 0.05)。低矮苔草抗拉强度(60.01 MPa)最高，显著高于其他5 种苔草(P< 0.05)；乌拉草、大披针苔草和麻根苔草抗拉强度较低，分别是27.92、22.50 和29.03 MPa，显著低于其他3 种苔草(P< 0.05)。

表1 苔草叶片纵向力学性能参数Table 1 Tensile performance parameters of Carexleaves

2.2 叶片微观结构

6 种苔草均为等面叶(图1)，由表皮细胞、叶肉细胞、叶脉组成；叶肉部分未分化为海绵组织和栅栏组织；维管束均为外韧维管束，大小维管束相间排列成一行，横切面呈长椭圆形或圆形，有些小维管束呈现出圆形；维管束鞘明显，由两层细胞构成，外层为薄壁细胞，内层为厚壁的纤维状细胞，细胞壁有加厚现象(图2)。6 种苔草叶片的厚壁组织厚度介于34.71～118.25 μm (表2)，麻根苔草最厚，矮丛苔草最薄；厚壁细胞层数介于6.40～14.80，麻根苔草最多，矮丛苔草最少；薄壁组织厚度介于93.88～158.72 μm，麻根苔草最厚，乌拉草最薄；薄壁组织层数在8.80～18.80，尖嘴苔草最多，低矮苔草最少；维管束数量在6.40～14.00，麻根苔草最多，矮丛苔草最少；维管束密度在4.20～6.60，低矮苔草最大，大披针苔草最小。导管直径介于9.81～19.80 μm，尖嘴苔草最大，矮丛苔草最小。方差分析表明，6 种苔草之间的厚壁组织厚度、厚壁细胞层数、薄壁组织厚度、薄壁细胞层数、维管束数量、维管束密度、导管直径均存在差异。

图1 苔草叶片横切结构(×100)Figure 1 Cross-sections of leaves of Carexplants (×100)

图2 苔草叶脉横切结构(×400)Figure 2 Cross-sections of veins of Carexplants (×400)

表2 苔草叶片显微结构相关参数Table 2 Parameters of microstructure of Carexleaves

2.3 力学特性与微观结构的关系

6 种苔草叶片的最大抗拉力与维管束数量、厚壁细胞组织厚度、厚壁细胞层数、薄壁细胞组织厚度、导管直径极显著正相关(P< 0.01) (表3)；叶片的弹性模量与维管束数量、厚壁细胞组织厚度、厚壁细胞层数、薄壁细胞组织厚度、薄壁细胞层数、导管直径极显著正相关(P< 0.01)；叶片的抗拉强度与维管束密度极显著正相关(P< 0.01)。

表3 微观结构与力学特性相关性分析Table 3 Correlation analysis between microstructure and mechanical properties

3 讨论与结论

植物宏观尺度上的性能往往是由其微观结构所决定的[11]，通过对植物解剖结构的观察来直观地比较不同植物叶片之间的差异[22]。本研究发现，6 种苔草叶片在微观结构组成上基本一致，均为等面叶，叶肉部分未明显分化为海绵组织和栅栏组织，上下表皮细胞大小不同，通气组织发达，维管束以及厚壁机械组织明显。主要差异表现为维管束数量、单个维管束面积、维管束密度、木质部导管直径、厚壁机械组织发达程度的不同，这与前人研究结果[22]相似。

本研究中麻根苔草和尖嘴苔草的最大抗拉力和弹性模量数值最大，说明麻根苔草和尖嘴苔草不易发生形变，刚度大；低矮苔草和矮丛苔草最大抗拉力和弹性模量数值最小，说明两者易发生形变，刚性小，这与柴晓娟等[7]对蔺草(Juncus effusus)底部茎秆解剖构造与力学性能的研究结果相似。在抗拉强度方面，低矮苔草抗拉强度最高，抵抗破坏断裂的能力最强；大披针苔草抗拉强度最低，抵抗破坏断裂的能力最弱，这与李红波等[2]对谷子(Setaria italica)茎秆叶鞘叶片及其结合部位的拉伸力学性能的研究结果相似。在应用方面，乌拉草具有保暖、透气、抑菌等独特的功能[23]，对于脚癣、脚气等各种脚部疾病的预防和治疗有很积极的作用[24]，其纤维坚韧耐久，是编织草鞋、床席、坐垫、保健枕等生活用品的优良材料[16]。而低矮苔草与矮丛苔草抵抗破坏断裂的能力最强，适合用做编织绳索、造纸等[25]。麻根苔草和尖嘴苔草株形较高、叶片宽大不易形变，适宜用作观赏草或者与其他花卉、地被植物搭配使用[26]。

厚壁机械组织是细胞壁明显增厚的一类细胞，主要对植物起支持作用，具有抗拉、抗形变、抗弯曲的能力[27]。有研究发现叶片强度与厚壁机械组织厚度成正比，随着厚壁机械组织厚度的增加，叶片的强度、刚度和稳定性越好[28]。植物叶片的厚壁机械组织越发达，自身的最大抗拉力和弹性模量就越高[9]，抵抗变形能力较强的植物通常都有更多更发达的机械组织[29]。本研究的相关性分析中，叶片的弹性模量和最大抗拉力与厚壁组织厚度、厚壁细胞层数极显著正相关(P< 0.01)。弹性模量和最大抗拉力最大的麻根苔草，厚壁组织最厚，厚壁细胞层数较多；而弹性模量最小的矮丛苔草，厚壁组织最薄，厚壁细胞层数最少。所以苔草叶片的弹性模量和最大抗拉力是随厚壁机械组织发达程度增加而提高的，与赵春花等[8]对新育牧草茎秆收获期力学特性与显微结构研究以及王芬娥等[9]对小麦茎秆力学性能与微观结构研究得出的结论一致。说明6 种苔草的厚壁组织发达程度与它们的最大抗拉力和弹性模量密切相关，厚壁组织越发达，6 种苔草叶片的最大抗拉力和弹性模量越大。

维管束可以为植物提供力学性能的支持，是连接微观到宏观性能的重要环节[30]。维管束中木质部的木纤维具有较大的硬度，所以具有支撑植物抵抗外力的作用[3]。有研究发现维管束的数量和大小以及维管束中导管的直径都会影响茎秆强度，并且维管束的数量与茎秆强度正相关[31]。本研究发现弹性模量和最大抗拉力最大的麻根苔草，其本身维管束数量最多；而弹性模量最小的矮丛苔草，其本身维管束数量最少。相关性分析显示，维管束数量与最大抗拉力和弹性模量极显著正相关(P< 0.01)，这与周爱萍等[32]对竹材维管束分布及其抗拉力学性能的研究结果相似。植物叶片在单位面积内维管束越密集，抗拉强度越高[33]。但是随着材料厚度和宽度的增加，抗拉强度随之减小[34]。本研究中，低矮苔草的叶片虽然细窄，但是在单位面积内维管束排列得更为密集，所以抗拉强度更高。而大披针苔草单位面积内维管束数量最少，所以导致抗拉强度最低。抗拉强度不光与材料的最大抗拉力有关，还和材料的横截面积有关[35]，本研究中矮丛苔草和尖嘴苔草抗拉强度相近，而尖嘴苔草的最大抗拉力却显著大于矮丛苔草(P< 0.05)，正是因为尖嘴苔草叶片比矮丛苔草叶片更加宽厚，在维管束密度相近的情况下拥有更多数量的维管束。相关性分析显示，6 种苔草叶片的维管束密度与抗拉强度极显著正相关(P< 0.01)，维管束密度越高，叶片抗拉强度越高，与张西良等[33]对黄瓜(Cucumis sativus)藤秸秆力学特性与显微结构研究以及柴晓娟等[7]对蔺草底部茎秆解剖构造与力学性能的研究的结果一致。

环境在植物的生长发育过程中，对其形态建成起着不可替代的作用，植物则通过自身形态特征的表现来反映对当前环境的适应情况[36]。有研究表明，木质部导管是叶片中运输水分的重要组成部分[37]，导管直径是水力导度决定因素，导管直径越大水分疏导能力越强[38]。随着叶片主脉厚度和导管直径的增大，有利于提升叶片对水分和无机盐的运输能力，从而提高植物对干旱的抵抗能力和适应能力[39]。同时，发达的维管束结构还可以为植物叶片提供良好的机械支撑能力，在植物缺水时不会立即蔫萎，提高了植物对干旱的抵抗能力[40]。麻根苔草和尖嘴苔草的导管直径最大，维管束数量最多，在牧草种植的选择上，两者可能更适合作为干旱地区优先选择的牧草种类。

综上所述，6 种苔草叶片均为等面叶，由表皮、基本薄壁组织、厚壁组织、维管束等组成；维管束数量和厚壁机械组织发达程度是决定苔草叶片最大抗拉力和弹性模量的重要因素；维管束密度是决定苔草叶片抗拉强度的重要因素。其中麻根苔草和尖嘴苔草抵抗变形能力最强，低矮苔草和矮丛苔草抵抗破坏断裂的能力最强。在未来对苔草属植物的研究中还应进一步结合其他相关形态和生理生化指标进行综合研究，为苔草属园林植物的筛选及适应性研究奠定基础。