韓戴宇，李英博，鞠志新

（1.吉林農業(yè)大學園藝學院, 吉林 長春 130118；2.吉林農業(yè)科技學院農學院, 吉林 吉林 132000）

農作物的力學特性研究為遺傳工程改變農作物內部結構與機械性能指出了明確的目標，是選育良種的前提[1]。彈性模量與抗拉強度在材料力學性能中均為重要指標。彈性模量指的是材料在彈性的限度內對變形的抵抗能力，抗拉強度是指材料產生最大均勻塑性變形的應力[2]，兩者是影響植物莖稈彎曲、斷裂、倒伏的關鍵因素[3]。國內外學者主要對牧草、小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、藺草(Juncus effusus)等進行深入研究，解決了有關農作物收割、植株倒伏以及優(yōu)良品種選育等問題[4-7]。趙春花等[8]對收獲期新育牧草進行試驗，認為牧草莖稈的彈性模量取決于各自機械組織的厚度、維管束的數(shù)量、各組織及其細胞間的連接形式和連接強度。王芬娥等[9]對小麥莖稈的研究指出，植物的厚壁機械組織越發(fā)達，自身的最大抗拉力和彈性模量就越高。李秀娟等[10]在對楊樹(Ponulus hopeiensis)葉片進行拉伸特性與微觀結構的試驗后，認為楊樹葉片的葉脈是由表皮組織、薄壁組織、維管束及其周圍的機械組織構成的多孔蜂窩狀復合結構，并且認為這種結構穩(wěn)定性強，具有較好的抗拉特性。可見，植物宏觀尺度上的性能往往是由其微觀結構所決定的，因此需要進一步對植物葉片進行顯微結構的觀察，分析影響葉片力學特性的因素及其變化規(guī)律[11]。

苔草屬(Carex)是莎草科中最大的一個屬，為多年生草本植物，全球大約有2 000 多種，在中國分布有大約500 種[12-13]，被廣泛應用于園林綠地[14]、水源凈化[15]、紡織纖維材料[16]等方面，也是天然草地資源中飼用價值較高、耐牧性極強的一類優(yōu)良牧草[17]。目前有關苔草的研究主要集中在分類學[18]、生理特性[19]、觀賞性狀[20]等方面。作為優(yōu)質的天然纖維植物，目前有關苔草葉片力學特性的研究基本處于空白。為此，以6 種東北地區(qū)常見苔草為研究對象，進行力學拉伸測試，觀察葉片微觀結構，探討葉片力學性能與微觀結構之間的關系，為全面了解東北地區(qū)苔草及其葉片的開發(fā)利用提供理論依據(jù)，并為今后選育優(yōu)良苔草品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為低矮苔草(Carex humilis)、矮叢苔草(C.callitrichos)、烏拉草(C.meyeriana)、大披針苔草(C.lanceolata)、尖嘴苔草(C.leiorhyncha)、麻根苔草(C.arnellii)，均于2019 年4 月－5 月采集，采集后帶回吉林農業(yè)科技學院(126°28′ E，43°57′ N)，在溫室花盆中養(yǎng)護1 個月后，分株定植在園藝場內。試驗選用 2021 年7 月上旬采集的成熟期苔草，長度均大于500 mm，長勢良好，無病蟲害。6 種苔草各分成兩份裝入封口袋帶回實驗室制備試樣。用于力學特性試驗的葉片帶回實驗室立即制備試樣，在當天進行試驗；用于微觀結構研究的葉片帶回實驗室后立 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 試驗設備

力學性能試驗使用數(shù)顯式電子拉力試驗機(WDW-200H)，方法參考GB/T1040.1－2018《塑料和復合材料拉伸強度、拉伸模量和拉伸應力－應變關系》[7]。測試過程中，電腦實時顯示力、位移變形值、加載速度、試驗曲線等試驗參數(shù)；微觀結構研究采用德國徠卡公司生產的徠卡光學顯微鏡。

1.3 試驗方法

1.3.1 力學特性測試

采集到的葉片立刻按種分組，每種苔草選取外側健康完整的葉片，用手術刀切除頭尾，保留葉片中部制成長度為80 mm 的試樣，每種葉片制樣20 個。對制成的試樣先用數(shù)顯式游標卡尺測量葉片寬度和厚度，以試驗機夾具的間距(40 mm)作為試樣標距，將這些參數(shù)輸入到計算機，測試過程中由材料測試軟件bluehill (Instron)直接繪制曲線。為了防止試驗機夾頭對葉片造成破壞或在試驗過程中出現(xiàn)苔草葉片打滑，將苔草葉片的頭尾處粘上醫(yī)用膠帶，再用雙面膠粘在小紙殼上，最后把如此制作的試樣放入夾具。試驗的加載速度為10 mm·min-1，隨載荷增加，斷裂處不在夾子兩端時，抗拉試驗結果有效[21]。力學特性試驗中為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每個試驗重復測試10 次。通過葉片的最大抗拉力和葉片橫截面積計算它的抗拉強度。

式 中：σb為 抗拉 強 度(MPa)；Fmax為 最 大 抗拉 力；A為試樣的最初橫截面積(mm2)，通過葉片寬度乘厚度得出。

選取載荷位移曲線的初始彈性變形階段，用來計算葉片的彈性模量。

式中：E為彈性模量(MPa)；F為拉力(N)；l為試樣標距(mm)；Δl為試樣變形量(mm)；A為試樣最初橫截面積(mm2)，由其寬度乘厚度得出。

1.3.2 微觀結構研究

田間采集后的葉片立刻用福爾馬林-醋酸-酒精(FAA)固定液固定，固定完成后按照脫水、番紅染色、脫色、固綠染色、透明封片的步驟將苔草葉片制成石蠟切片，每種苔草制作10 個石蠟切片，然后在光學顯微鏡下觀察。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Image J 軟件進行圖像的測量與分析；采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 20.0 對各苔草葉片的最大抗拉力、彈性模量、抗拉強度和微觀結構參數(shù)的差異進行顯著性分析，采用Duncan 法進行均值多重比較，顯著性水平設定為0.05，數(shù)據(jù)結果用平均值 ± 標準差表示；采用Pearson 法進行苔草葉片微觀結構與力學特性的相關性分析；采用Excel 2018 整理數(shù)據(jù)和制圖。

2 結果與分析

2.1 葉片力學特性

6 種苔草力學特性指標測試結果表明，麻根苔草和尖嘴苔草最大抗拉力較大(表1)，分別是54.20和49.98 N，顯著高于其他4 種苔草(P< 0.05)；低矮苔草和矮叢苔草最大抗拉力較小，分別是9.09 和7.24 N，顯著低于其他4 種苔草(P< 0.05)。麻根苔草和尖嘴苔草彈性模量較大，分別是580.13 和545.67 MPa，均顯著高于其他4 種苔草(P< 0.05)；低矮苔草和矮叢苔草彈性模量較低，分別是234.18 和216.04 MPa，顯著低于其他4 種苔草(P< 0.05)。低矮苔草抗拉強度(60.01 MPa)最高，顯著高于其他5 種苔草(P< 0.05)；烏拉草、大披針苔草和麻根苔草抗拉強度較低，分別是27.92、22.50 和29.03 MPa，顯著低于其他3 種苔草(P< 0.05)。

表1 苔草葉片縱向力學性能參數(shù)Table 1 Tensile performance parameters of Carexleaves

2.2 葉片微觀結構

6 種苔草均為等面葉(圖1)，由表皮細胞、葉肉細胞、葉脈組成；葉肉部分未分化為海綿組織和柵欄組織；維管束均為外韌維管束，大小維管束相間排列成一行，橫切面呈長橢圓形或圓形，有些小維管束呈現(xiàn)出圓形；維管束鞘明顯，由兩層細胞構成，外層為薄壁細胞，內層為厚壁的纖維狀細胞，細胞壁有加厚現(xiàn)象(圖2)。6 種苔草葉片的厚壁組織厚度介于34.71～118.25 μm (表2)，麻根苔草最厚，矮叢苔草最??；厚壁細胞層數(shù)介于6.40～14.80，麻根苔草最多，矮叢苔草最少；薄壁組織厚度介于93.88～158.72 μm，麻根苔草最厚，烏拉草最??；薄壁組織層數(shù)在8.80～18.80，尖嘴苔草最多，低矮苔草最少；維管束數(shù)量在6.40～14.00，麻根苔草最多，矮叢苔草最少；維管束密度在4.20～6.60，低矮苔草最大，大披針苔草最小。導管直徑介于9.81～19.80 μm，尖嘴苔草最大，矮叢苔草最小。方差分析表明，6 種苔草之間的厚壁組織厚度、厚壁細胞層數(shù)、薄壁組織厚度、薄壁細胞層數(shù)、維管束數(shù)量、維管束密度、導管直徑均存在差異。

圖1 苔草葉片橫切結構(×100)Figure 1 Cross-sections of leaves of Carexplants (×100)

圖2 苔草葉脈橫切結構(×400)Figure 2 Cross-sections of veins of Carexplants (×400)

表2 苔草葉片顯微結構相關參數(shù)Table 2 Parameters of microstructure of Carexleaves

2.3 力學特性與微觀結構的關系

6 種苔草葉片的最大抗拉力與維管束數(shù)量、厚壁細胞組織厚度、厚壁細胞層數(shù)、薄壁細胞組織厚度、導管直徑極顯著正相關(P< 0.01) (表3)；葉片的彈性模量與維管束數(shù)量、厚壁細胞組織厚度、厚壁細胞層數(shù)、薄壁細胞組織厚度、薄壁細胞層數(shù)、導管直徑極顯著正相關(P< 0.01)；葉片的抗拉強度與維管束密度極顯著正相關(P< 0.01)。

表3 微觀結構與力學特性相關性分析Table 3 Correlation analysis between microstructure and mechanical properties

3 討論與結論

植物宏觀尺度上的性能往往是由其微觀結構所決定的[11]，通過對植物解剖結構的觀察來直觀地比較不同植物葉片之間的差異[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，6 種苔草葉片在微觀結構組成上基本一致，均為等面葉，葉肉部分未明顯分化為海綿組織和柵欄組織，上下表皮細胞大小不同，通氣組織發(fā)達，維管束以及厚壁機械組織明顯。主要差異表現(xiàn)為維管束數(shù)量、單個維管束面積、維管束密度、木質部導管直徑、厚壁機械組織發(fā)達程度的不同，這與前人研究結果[22]相似。

本研究中麻根苔草和尖嘴苔草的最大抗拉力和彈性模量數(shù)值最大，說明麻根苔草和尖嘴苔草不易發(fā)生形變，剛度大；低矮苔草和矮叢苔草最大抗拉力和彈性模量數(shù)值最小，說明兩者易發(fā)生形變，剛性小，這與柴曉娟等[7]對藺草(Juncus effusus)底部莖稈解剖構造與力學性能的研究結果相似。在抗拉強度方面，低矮苔草抗拉強度最高，抵抗破壞斷裂的能力最強；大披針苔草抗拉強度最低，抵抗破壞斷裂的能力最弱，這與李紅波等[2]對谷子(Setaria italica)莖稈葉鞘葉片及其結合部位的拉伸力學性能的研究結果相似。在應用方面，烏拉草具有保暖、透氣、抑菌等獨特的功能[23]，對于腳癬、腳氣等各種腳部疾病的預防和治療有很積極的作用[24]，其纖維堅韌耐久，是編織草鞋、床席、坐墊、保健枕等生活用品的優(yōu)良材料[16]。而低矮苔草與矮叢苔草抵抗破壞斷裂的能力最強，適合用做編織繩索、造紙等[25]。麻根苔草和尖嘴苔草株形較高、葉片寬大不易形變，適宜用作觀賞草或者與其他花卉、地被植物搭配使用[26]。

厚壁機械組織是細胞壁明顯增厚的一類細胞，主要對植物起支持作用，具有抗拉、抗形變、抗彎曲的能力[27]。有研究發(fā)現(xiàn)葉片強度與厚壁機械組織厚度成正比，隨著厚壁機械組織厚度的增加，葉片的強度、剛度和穩(wěn)定性越好[28]。植物葉片的厚壁機械組織越發(fā)達，自身的最大抗拉力和彈性模量就越高[9]，抵抗變形能力較強的植物通常都有更多更發(fā)達的機械組織[29]。本研究的相關性分析中，葉片的彈性模量和最大抗拉力與厚壁組織厚度、厚壁細胞層數(shù)極顯著正相關(P< 0.01)。彈性模量和最大抗拉力最大的麻根苔草，厚壁組織最厚，厚壁細胞層數(shù)較多；而彈性模量最小的矮叢苔草，厚壁組織最薄，厚壁細胞層數(shù)最少。所以苔草葉片的彈性模量和最大抗拉力是隨厚壁機械組織發(fā)達程度增加而提高的，與趙春花等[8]對新育牧草莖稈收獲期力學特性與顯微結構研究以及王芬娥等[9]對小麥莖稈力學性能與微觀結構研究得出的結論一致。說明6 種苔草的厚壁組織發(fā)達程度與它們的最大抗拉力和彈性模量密切相關，厚壁組織越發(fā)達，6 種苔草葉片的最大抗拉力和彈性模量越大。

維管束可以為植物提供力學性能的支持，是連接微觀到宏觀性能的重要環(huán)節(jié)[30]。維管束中木質部的木纖維具有較大的硬度，所以具有支撐植物抵抗外力的作用[3]。有研究發(fā)現(xiàn)維管束的數(shù)量和大小以及維管束中導管的直徑都會影響莖稈強度，并且維管束的數(shù)量與莖稈強度正相關[31]。本研究發(fā)現(xiàn)彈性模量和最大抗拉力最大的麻根苔草，其本身維管束數(shù)量最多；而彈性模量最小的矮叢苔草，其本身維管束數(shù)量最少。相關性分析顯示，維管束數(shù)量與最大抗拉力和彈性模量極顯著正相關(P< 0.01)，這與周愛萍等[32]對竹材維管束分布及其抗拉力學性能的研究結果相似。植物葉片在單位面積內維管束越密集，抗拉強度越高[33]。但是隨著材料厚度和寬度的增加，抗拉強度隨之減小[34]。本研究中，低矮苔草的葉片雖然細窄，但是在單位面積內維管束排列得更為密集，所以抗拉強度更高。而大披針苔草單位面積內維管束數(shù)量最少，所以導致抗拉強度最低?？估瓘姸炔还馀c材料的最大抗拉力有關，還和材料的橫截面積有關[35]，本研究中矮叢苔草和尖嘴苔草抗拉強度相近，而尖嘴苔草的最大抗拉力卻顯著大于矮叢苔草(P< 0.05)，正是因為尖嘴苔草葉片比矮叢苔草葉片更加寬厚，在維管束密度相近的情況下?lián)碛懈鄶?shù)量的維管束。相關性分析顯示，6 種苔草葉片的維管束密度與抗拉強度極顯著正相關(P< 0.01)，維管束密度越高，葉片抗拉強度越高，與張西良等[33]對黃瓜(Cucumis sativus)藤秸稈力學特性與顯微結構研究以及柴曉娟等[7]對藺草底部莖稈解剖構造與力學性能的研究的結果一致。

環(huán)境在植物的生長發(fā)育過程中，對其形態(tài)建成起著不可替代的作用，植物則通過自身形態(tài)特征的表現(xiàn)來反映對當前環(huán)境的適應情況[36]。有研究表明，木質部導管是葉片中運輸水分的重要組成部分[37]，導管直徑是水力導度決定因素，導管直徑越大水分疏導能力越強[38]。隨著葉片主脈厚度和導管直徑的增大，有利于提升葉片對水分和無機鹽的運輸能力，從而提高植物對干旱的抵抗能力和適應能力[39]。同時，發(fā)達的維管束結構還可以為植物葉片提供良好的機械支撐能力，在植物缺水時不會立即蔫萎，提高了植物對干旱的抵抗能力[40]。麻根苔草和尖嘴苔草的導管直徑最大，維管束數(shù)量最多，在牧草種植的選擇上，兩者可能更適合作為干旱地區(qū)優(yōu)先選擇的牧草種類。

綜上所述，6 種苔草葉片均為等面葉，由表皮、基本薄壁組織、厚壁組織、維管束等組成；維管束數(shù)量和厚壁機械組織發(fā)達程度是決定苔草葉片最大抗拉力和彈性模量的重要因素；維管束密度是決定苔草葉片抗拉強度的重要因素。其中麻根苔草和尖嘴苔草抵抗變形能力最強，低矮苔草和矮叢苔草抵抗破壞斷裂的能力最強。在未來對苔草屬植物的研究中還應進一步結合其他相關形態(tài)和生理生化指標進行綜合研究，為苔草屬園林植物的篩選及適應性研究奠定基礎。