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

        2017-03-13 19:43:48宋日?qǐng)?/span>
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2016年26期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        宋日?qǐng)?/p>

        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(shù)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(shù)皮和木質(zhì)部生長(zhǎng)造成,而與髓關(guān)系不大。通過(guò)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(zhǎng)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(jiàn),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(zhǎng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)皮、木質(zhì)部和髓。樹(shù)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(shù)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(jiàn)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(shù)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(shù)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(shuō)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(shù)皮、木質(zhì)部和髓的面積之間均存正相關(guān)關(guān)系,與樹(shù)皮和木質(zhì)部的關(guān)系較明顯,而髓的關(guān)系不明顯。樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(wú)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的組織,貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和橫向運(yùn)輸,在次生生長(zhǎng)中變化較小。

        3 結(jié)語(yǔ)

        大葉黃楊莖稈粗細(xì)的變化主要是由于樹(shù)皮和木質(zhì)部生長(zhǎng)造成。莖稈直徑越大,折斷拉力越大;樹(shù)皮和木質(zhì)部比例越大,折斷拉力越大,這與樹(shù)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.

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