藺草底部莖稈解剖構(gòu)造與力學(xué)性能

柴曉娟，蘇 燕，陳 慧，郭瑋龍，金水虎

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江省嵊州市農(nóng)林局，浙江 嵊州312400）

藺草底部莖稈解剖構(gòu)造與力學(xué)性能

柴曉娟1，蘇 燕1，陳 慧1，郭瑋龍2，金水虎1

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江省嵊州市農(nóng)林局，浙江 嵊州312400）

藺草Juncus effusus莖稈是一種優(yōu)質(zhì)天然纖維。研究藺草莖稈解剖構(gòu)造與力學(xué)性能，為全面了解藺草及其纖維的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。以5份藺草種質(zhì)為研究對象，觀測其解剖構(gòu)造，運用電子萬能力學(xué)試驗機(jī)測試其力學(xué)性能，并分析解剖構(gòu)造與力學(xué)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：藺草底部莖稈微觀結(jié)構(gòu)分為表皮、基本組織、維管束和髓；藺草纖維呈紡錘形，長度為681.47～712.04 μm，寬度為5.58～8.00 μm，壁腔比范圍為1.194～1.556；5份藺草種質(zhì)底部莖稈的最大拉力范圍為61.59～72.71 N，XY004的最大拉力最高，拉伸強(qiáng)度為33.28～59.11 MPa，XY003的拉伸強(qiáng)度最大，拉伸彈性模量為1 438.23～2 297.10 MPa；藺草底部莖稈拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量與其維管束總數(shù)目呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.818和0.724，與莖壁厚/莖半徑也呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.740和0.748，與纖維的壁腔比呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.584和0.663，與粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著相關(guān)性；藺草底部莖稈力學(xué)性能主要取決于莖稈維管束總數(shù)目、基本組織厚度和纖維的壁腔比以及各組織及其各細(xì)胞之間的連接形式和連接強(qiáng)度。供試的5份藺草種質(zhì)中，XY003和XY004底部莖稈具有較高的強(qiáng)度和良好的彈性，可作為優(yōu)良藺草品種選育的種質(zhì)資源。圖4表4參33

材料學(xué)；藺草莖稈；解剖構(gòu)造；力學(xué)性能；纖維特性

藺草Juncus effusus屬燈心草科Juncaceae多年生宿根性草本，俗稱席草，原產(chǎn)亞熱帶，中國、日本、韓國以及東南亞一些國家都有栽培。在中國主要分布于浙江、江蘇、安徽、江西、上海及四川等省市。藺草是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，寧波是全國最大的藺草栽植和草制品加工出口基地，連續(xù)數(shù)年栽培面積超過10 000 hm2，占全國栽培面積3/5以上，一般草莖干質(zhì)量為9～12 t·hm-2，年出口創(chuàng)匯近10億元［1］。目前，藺草的主要栽培品種有 ‘岡山3號’ ‘伊索拉米’ ‘鄞藺1號’ ‘農(nóng)林1號’ ‘農(nóng)林4號’ ‘寧草’ ‘白頭草’和 ‘長草’等［2-3］。藺草莖稈是一種優(yōu)質(zhì)天然纖維，具有表面接觸性好，吸濕放濕性優(yōu)越，保溫隔熱性能強(qiáng)等特點［4］。其莖稈多用于編織榻榻米、草席、草墊、草帽等十大系列百余種日常用品。近年來，中國藺草種植規(guī)模日益擴(kuò)大，但品種混雜情況嚴(yán)重，極大地影響和限制了藺草制品的生產(chǎn)需求。因此，培育優(yōu)質(zhì)的藺草品種，對中國藺草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極其重要。莖稈的力學(xué)性能研究是利用遺傳工程改變作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能，選育良種的前提［5］。關(guān)于農(nóng)作物莖稈力學(xué)特性方面，國內(nèi)學(xué)者主要對小麥Triticum aestivum，水稻Oryza sativa，玉米Zea mays，苧麻Boehmeria nivea，工業(yè)大麻Cannabis sativa，蓖麻Ricinus communis等進(jìn)行了深入的研究工作，并取得較多的成果［6-11］，國外學(xué)者也開展了大量的相關(guān)研究［12-16］，但關(guān)于藺草莖稈力學(xué)特性的研究還鮮見報道。本研究以5份藺草種質(zhì)為研究對象，通過對藺草底部莖稈解剖構(gòu)造和力學(xué)特性進(jìn)行觀測測試，分析有關(guān)特性的影響因素及其變化規(guī)律，為藺草機(jī)械收割技術(shù)參數(shù)設(shè)計提供理論支持，為進(jìn)一步選育優(yōu)良藺草品種及其開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

5份藺草種質(zhì)均由新藝藺草制品公司收集并栽培于 “中國藺草之鄉(xiāng)”的浙江省寧波市鄞州區(qū)，分別用XY001，XY002，XY003，XY004和XY007表示。其中，XY001，XY004和XY007來源于日本，XY002來源于浙江鄞州，XY003來源于四川眉山。試驗選用2014年6月上旬收割的成熟期藺草，高度均大于900 mm，長勢良好，無病蟲害，并盡量避免對莖稈的機(jī)械損傷。試驗用樣均取自距基部100 mm以上部位。

1.2 試驗方法

1.2.1 解剖構(gòu)造研究 解剖構(gòu)造觀測：藺草收割期田間取樣后，立即用FAA［（V(甲醛）∶V（冰醋酸）∶V（體積分?jǐn)?shù)為70%乙醇）＝5∶5∶90）］固定液固定樣品。每份藺草種質(zhì)隨機(jī)選取3株，選取3根·株-1，長度為10～15 mm。采用常規(guī)石蠟切片法制作切片，用番紅-固綠染色，然后置于顯微鏡下觀察不同種質(zhì)藺草底部莖稈的解剖構(gòu)造，并測量莖稈橫切面直徑、維管束數(shù)量、莖壁厚等相關(guān)參數(shù)（莖壁厚指莖稈橫切面上從表皮到基本組織與髓部相連處的厚度）。纖維形態(tài)觀測：取長度為30 mm的干燥莖稈放入試管中，注水至淹沒材料，然后將試管放入水浴鍋中加熱煮沸，以排除其中的空氣。將試管的水倒出，加入體積分?jǐn)?shù)為30%的硝酸和適量氯酸鉀放在水浴鍋中煮，待莖稈變成黃白色或白色，并至軟化，倒去硝酸。待試管冷卻后，用蒸餾水沖洗數(shù)次至無酸。注水于試管中，用手指按壓試管口用力振蕩，至莖稈細(xì)胞被分離，加入1～2滴番紅試劑染色。用毛筆和解剖針挑出少許材料置于載玻片上，加水1滴，制成臨時切片，置于顯微鏡下觀測。每份藺草種質(zhì)至少測量100個試樣。

1.2.2 粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定 將干燥試樣粉碎，45℃恒溫干燥12 h，過40目篩，保存。粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定依據(jù)GB/T 5009.10-2003《植物類食品中粗纖維的測定》，含水量測定依據(jù)GB/T 1931-2009《木材含水率測定方法》。主要儀器為VELP FIWE6纖維素測定儀。

1.2.3 力學(xué)性能測試 試驗在浙江農(nóng)林大學(xué)國家木質(zhì)資源綜合利用工程技術(shù)研究中心力學(xué)實驗室進(jìn)行。利用CTM 6000型微機(jī)控制電子萬能力學(xué)試驗機(jī)，參考GB/T 1040-2006《塑料和復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的測定方法》對藺草莖稈進(jìn)行力學(xué)性能測試。試樣長度為80 mm，試驗標(biāo)距為40 mm，每份藺草種質(zhì)制作10個試樣，試樣含水率為12%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計并作圖，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)SPSS 19.0軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和方差分析，方差分析采用SSR法。

2 結(jié)果與分析

2.1 莖稈解剖構(gòu)造研究

2.1.1 莖稈微觀結(jié)構(gòu)觀察 XY001和XY003藺草底部莖稈的橫切面微觀結(jié)構(gòu)見圖1，其余3份與這2份相似?？梢钥闯觯禾A草底部莖稈的橫切面呈圓形或近圓形，5份藺草種質(zhì)底部莖稈橫切面的基本結(jié)構(gòu)大致相同，分為表皮、基本組織、維管束和髓，基本組織包括同化組織和纖維2部分。最外層為1層表皮細(xì)胞構(gòu)成的表皮，表皮外被角質(zhì)層。表皮下的5～7層是由排列較為緊密的薄壁細(xì)胞和在薄壁細(xì)胞之間間隔排列的成束纖維構(gòu)成的基本組織?；窘M織內(nèi)緊靠表皮的2～3層細(xì)胞緊密排列呈柵狀，細(xì)胞內(nèi)富含葉綠體，即為同化組織。纖維束沿莖稈切向周圍緊靠表皮層與基本組織間隔排列，在藺草莖稈的橫切面上纖維束成楔形，狹的一端徑向地伸向基本組織，其大小和伸入的程度不等。大多數(shù)纖維束的內(nèi)側(cè)與外圍維管束的外側(cè)相接。維管束分散在基本組織中，數(shù)量多，大小不一，大致呈外、中、內(nèi)3層排列。中、外2層維管束數(shù)量多，但其橫切面面積??；內(nèi)層的維管束數(shù)量少，但橫切面面積大，并向內(nèi)突入髓部較深。髓部由無數(shù)多孔疏松的星狀細(xì)胞組成，又稱海綿組織，位于基本組織和維管束以內(nèi)，居于莖的

中部，占有較大面積。莖稈結(jié)構(gòu)外堅內(nèi)松，外密內(nèi)疏，堅韌且富有彈性，吸濕力強(qiáng)。在基本組織的細(xì)胞間還存在著與維管束相間排列的數(shù)個腔隙道，腔隙道橫切面為圓形或橢圓形的空腔。

圖1 藺草莖稈橫切面微觀結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Micro-structure of cross section of rush stems

2.1.2 莖稈微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù) 5份藺草種質(zhì)底部莖稈橫切面直徑、莖壁厚、莖壁厚/莖半徑，以及維管束數(shù)目統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1可見：5份藺草種質(zhì)莖稈維管束的總數(shù)目為47～58個，其多少的排列順序為XY004＞XY003＞XY001＞XY002＞XY007；橫切面直徑為3.78～4.09 mm，大小的排列順序為XY001＞XY004＞XY007＞XY002＞XY003；莖壁厚313.20～361.80 μm，其大小的排列順序為XY004＞XY003＞XY001＞XY007＞XY002；莖壁厚/莖半徑比值為0.161～0.189，其大小排序為XY003＞XY004＞XY001＞XY007＞XY002。方差分析表明：5份藺草種質(zhì)之間橫切面直徑無顯著性差異；XY002和XY007之間莖壁厚無顯著性差異，與其他3份之間均存在顯著性差異（P＜0.05）；XY003與XY004之間莖壁厚/莖半徑無顯著性差異，與其他3份之間均存在顯著性差異（P＜0.05）。

表1 藺草不同種質(zhì)莖稈微觀結(jié)構(gòu)比較Table 1 Comparison of micro-structure on five rush stems

2.1.3 纖維形態(tài)分析 XY001和XY003莖稈纖維細(xì)胞的形態(tài)見圖2，其余3份與這2份相似?？梢钥闯觯豪w維細(xì)胞的長度大小不一，均呈紡錘形，中部較寬，兩頭較尖。中部粗細(xì)均勻，且有較厚的細(xì)胞壁，細(xì)胞壁上有具緣紋孔。

圖2 藺草莖稈纖維形態(tài)Figure 2 The morphology of rush fiber

2.1.4 纖維的長度、寬度、腔徑和壁腔比 5份藺草種質(zhì)纖維的長度、寬度、腔徑和壁腔比見表2。由

表2可知：5份藺草種質(zhì)的纖維長度為681.47～712.04 μm，寬度為5.58～8.00 μm，腔徑為2.34～3.94 μm，壁腔比為1.194～1.556。不同種質(zhì)纖維的長度和寬度不同，長度的大小排列順序為XY004＞XY001＞XY002＞XY003＞XY007，寬度的大小排列順序為XY007＞XY002＞XY004＞XY003＞XY001。不同種質(zhì)的壁腔比有明顯的差別，大小排列順序為XY003＞XY004＞XY001＞XY002＞XY007。方差分析表明：5份藺草種質(zhì)之間纖維長度均無顯著差異；XY007與其他4份藺草的纖維寬度之間均存在顯著差異（P＜0.05）；XY003的壁腔比與XY004之間無顯著性差異，與其他3份藺草均存在顯著差異（P＜0.05）。

表2 藺草不同種質(zhì)纖維形態(tài)比較Table 2 Comparison of morphology of the rush fiber

2.1.5 纖維長度分布頻率 由圖3可以看出：5份藺草種質(zhì)纖維長度的分布頻率有所差異，但整體分布規(guī)律基本相同，集中在350～1 250 μm，其中長度在500～800 μm長的纖維占到了60%以上，小于500 μm和大于800 μm的纖維所占比例很小。

2.2 粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)

XY001，XY002，XY003，XY004和 XY007的平均含水率分別為 10.73%，10.60%，10.52%，9.35%，10.08%，其相應(yīng)的粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，5份藺草種質(zhì)粗纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.04%～36.85%，平均為36.20%，不同藺草種質(zhì)粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百分比有所不同，其高低排列順序為XY003＞XY001＞XY004＞XY002＞XY007。方差分析表明：5份藺草種質(zhì)之間粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異性（P＞0.05）。

圖3 藺草不同種質(zhì)纖維長度分布頻率Figure 3 The frequency of length distribution of five rush genetic resources

圖4 藺草不同種質(zhì)粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 4 The crude fiber content of five rush genetic resources

2.3 莖稈力學(xué)性能研究

反應(yīng)莖稈力學(xué)性能的指標(biāo)有拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量、剛性模量以及莖稈的壓縮特性等。對5份不同種質(zhì)藺草底部莖稈進(jìn)行抗拉測試，其力學(xué)性能指標(biāo)測試結(jié)果見表3。

2.4 莖稈解剖構(gòu)造與力學(xué)性能的關(guān)系

對藺草莖稈力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)、纖維的壁腔比及粗纖維素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出：5份藺草種質(zhì)底部莖稈的橫截面積為1.17～2.24 mm2，最大拉力為61.59～72.71 N，拉伸強(qiáng)度為33.28～59.11 MPa，拉伸變形量為0.93～1.05 mm，拉伸彈性模量為1 438.23～2 297.10 MPa。

不同藺草種質(zhì)底部莖稈的橫截面積有所不同，莖稈橫截面積大小的排列為XY007＞XY001＞XY002＞XY004＞XY003，XY007的橫截面積與其他4份之間均有顯著的差異性；不同種質(zhì)的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量有明顯差別：拉伸強(qiáng)度的大小排列順序為XY003＞XY004＞XY001＞XY002＞XY007，XY003的拉伸強(qiáng)度與XY001，XY002和XY007之間均有顯著性差異，與XY004之間無明顯差異；拉伸彈性模量的大小排序與拉伸強(qiáng)度相同，XY003的拉伸彈性模量與XY001，XY002和XY007之間均有顯著性差異（P＜0.05）。由表4可以看出：藺草莖稈拉伸強(qiáng)度與維管束總數(shù)、莖壁厚/莖半徑之間均具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，與纖維壁腔比呈顯著正相關(guān)；拉伸彈性模量與維管束總數(shù)、莖壁厚/莖半徑之間均呈極顯著正相關(guān)，與纖維壁腔比呈顯著正相關(guān)；拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量與粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間均呈正相關(guān)，但不顯著。

表3 藺草不同種質(zhì)莖稈力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of stems of five rush genetic resources

表4 解剖構(gòu)造與力學(xué)性能的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between anatomical structure and mechanical properties

3 結(jié)論與討論

拉伸強(qiáng)度指材料產(chǎn)生最大均勻塑性變形的應(yīng)力。在拉伸試驗中，試樣到斷裂為止所承受的最大拉伸應(yīng)力就是拉伸強(qiáng)度。拉伸變形量是用來反映拉伸前后材料纖維變形程度的參量，拉伸變形量小，說明材料纖維的韌性好。拉伸彈性模量指在彈性范圍內(nèi)拉伸應(yīng)力與相應(yīng)拉伸應(yīng)變之比，主要反應(yīng)的是抗彈性變形的能力，彈性模量越大，剛性越強(qiáng)，變形越小，不易被拉斷，在構(gòu)件的理論分析和設(shè)計計算時，拉伸彈性模量是經(jīng)常被用到的一個重要力學(xué)性能指標(biāo)［9-10,17］?？估瓬y試中，藺草底部莖稈橫截面積最大的是XY007，最小的是XY003，不同種質(zhì)之間最大拉力和拉伸變形量相差不大，拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量最大的都是XY003，最小的是XY007，結(jié)果與上述描述相符合。5份藺草種質(zhì)底部莖稈的最大拉力范圍為61.59～72.71 N，拉伸強(qiáng)度為33.28～59.11 MPa，拉伸彈性模量為1 438.23～2 297.10 MPa。與其他3份種質(zhì)相比，XY003和XY004底部莖稈具有較高的強(qiáng)度和良好的彈性。郭維俊等［9,18］對小麥莖稈力學(xué)性能進(jìn)行測試，得出小麥成熟期莖稈的最大拉力為182.38～242.74 N，抗拉強(qiáng)度為30.36～52.65 MPa，彈性模量為1 143.44～1 985.86 MPa；段傳人等［10］研究顯示：水稻莖稈拉伸強(qiáng)度極限8.70～14.21 MPa，拉伸彈性模量1 640～2 670 MPa；高夢祥等［19］對玉米秸稈的力學(xué)特性進(jìn)行測試，得出莖葉連接力為0.7～16.0 N，葉鞘抗拉力為3.0～21.0 N，葉鞘抗沖擊能量為0.5～3.8 J，莖稈抗沖擊能量為23.0～42.8 J。O′DOUGHERTY等［20］研究表明：小麥秸稈拉伸強(qiáng)度2 112～3 112 MPa，剪切強(qiáng)度4 191～7 126 MPa，楊氏模量4 176～6 158 GPa，剛性模量267～547 MPa，秸稈成熟度、含水率等對以上參數(shù)都有影響。國外學(xué)者所測小麥力學(xué)性能與國內(nèi)有所不同，這可能與不同種源、栽培條件、測試處理方法等有關(guān)［6］。將藺草底部莖稈力學(xué)性能與國內(nèi)研究的小麥和水稻進(jìn)行相比，可以看出小麥莖稈的最大拉力約是藺草的3倍，拉伸強(qiáng)度相差不大，拉伸彈性模量比藺草的??；水稻莖稈的拉伸強(qiáng)度極限小于藺草底部莖稈，拉伸彈性模量兩者相差不大?？梢娞A草底部莖稈具有較高的強(qiáng)度和良好的彈性，有利于藺草生長和抗倒伏。

有關(guān)莖稈力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究已有很多報道。王芬娥等［9］認(rèn)為小麥莖稈具有較高的強(qiáng)度和良好的彈性，其承載能力取決于機(jī)械組織的厚度、維管束的數(shù)量以及各組織及其細(xì)胞之間的連接形式和連接強(qiáng)度；段傳人等［10］指出，水稻莖稈的力學(xué)性能主要由莖粗、莖壁厚、大小維管束數(shù)目所決定；趙春花等［21］發(fā)現(xiàn)牧草莖稈力學(xué)性能主要取決于機(jī)械組織厚度和維管束組織數(shù)量，以及各組織及其各細(xì)胞之間的連接形式和連接強(qiáng)度。張西良等［22］認(rèn)為，黃瓜Cucumis sativus藤秸莖稈強(qiáng)度主要由表皮、機(jī)械組織和維管束承擔(dān)，薄壁組織起連接和傳遞載荷的作用。日本藺草不同品種的堅韌性和彈性與其內(nèi)部的組織形態(tài)特征密切相關(guān)［23-24］。江浙地區(qū)藺草品種解剖結(jié)構(gòu)與莖稈光潔度、堅韌性和彈性密切相關(guān)［2-3,25］。本研究發(fā)現(xiàn)：藺草莖稈力學(xué)性能與其維管束總數(shù)目、莖壁厚/莖半徑均呈極顯著正相關(guān)，結(jié)果與前人研究結(jié)論相一致。此外，角質(zhì)層的加厚方式及表皮細(xì)胞壁加厚程度是影響藺草堅韌性的因素之一。藺草莖的橫切面呈圓形或橢圓形，由表皮、基本組織、維管束和髓組成。表皮細(xì)胞排列致密，且外面覆蓋有較厚而硬的角質(zhì)層，對表皮有加固和保護(hù)的作用?；窘M織內(nèi)纖維的存在形式有2種：一是形成纖維束，一是形成維管束。纖維束近似楔形，向內(nèi)延伸與外層維管束相連接，與莖內(nèi)外2層維管束以間隔排列的形式貫穿于基本組織中。這種排列方式以及眾多的數(shù)量使得藺草莖稈具有很強(qiáng)的堅韌性。

5份藺草種質(zhì)纖維細(xì)胞大多呈紡錘形，中部粗細(xì)均勻，有較厚的細(xì)胞壁，細(xì)胞壁上有具緣紋孔。對苧麻屬野生植物研究發(fā)現(xiàn)［26］，離析纖維細(xì)胞形態(tài)多樣，有的單纖維一端較尖細(xì)，另一端較鈍圓，個別呈螺旋狀扭曲；部分單纖維細(xì)胞壁較厚，均勻光滑，有的細(xì)胞壁有孔洞存在；存在分布不均勻的外突型、內(nèi)陷型、平滑型結(jié)節(jié)。張艷［27］發(fā)現(xiàn)：龍須草Eulaiopsis binata纖維較細(xì)，表面有明顯縱紋，無扭轉(zhuǎn)，無明顯橫結(jié)。俞春華等［28］發(fā)現(xiàn)，香蕉Musa nana等5種植物纖維大多縱向平直、具有橫節(jié)、無天然扭曲。藺燾等［29］測得棉Gossypium spp.稈皮部纖維的平均長度為（1 484.43±753.78）μm，寬度為（18.90± 6.61）μm；潘明珠等［30］測得蓖麻纖維的長度分布范圍為0.95～1.38 mm，寬度范圍為21.80～30.11 mm，平均壁腔比范圍為0.13～0.22。根據(jù)國際木材解剖學(xué)會（1937年）公布的纖維長度分級標(biāo)準(zhǔn)：纖維長度大于1.6 mm為長纖維，在0.9～1.6 mm為中等纖維，小于0.9 mm為短纖維［31］，故藺草纖維屬于短纖維。稻草纖維的長度為920.0 μm，寬度為8.1 μm；玉米稈的纖維長度為990.0 μm，寬度為13.2 μm［16］。將藺草纖維形態(tài)與上述研究結(jié)果相比，藺草纖維的長度和寬度都比較小，壁腔比較大。纖維的壁腔比是胞壁厚度與胞腔直徑之比，蔣坤云等［32］對喬木單根抗拉性能與微觀結(jié)構(gòu)和纖維的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)纖維單根抗拉特性與木纖維的壁腔比成正相關(guān)，纖維的胞壁厚，胞腔小，材料密實，表現(xiàn)的強(qiáng)度大。試驗發(fā)現(xiàn)，藺草莖稈纖維的壁腔比與莖稈拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量呈顯著正相關(guān)，5份藺草種質(zhì)纖維壁腔比的大小排列順序為XY003＞XY004＞XY001＞XY002＞XY007，拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量的大小排列順序為XY003＞XY004＞XY001＞XY002＞XY007。這些結(jié)果與前人研究結(jié)果相符合。說明藺草莖稈纖維的壁腔比與拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量密切相關(guān)，細(xì)胞壁越厚，細(xì)胞腔越小，纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量越大。

粗纖維是植物細(xì)胞壁的主要成分，在硫酸的作用下，試樣中的糖、淀粉、果膠質(zhì)和半纖維素經(jīng)水解除去后，再用堿處理，除去蛋白質(zhì)及脂肪酸，剩余的殘渣為粗纖維。5份藺草種質(zhì)粗纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.04%～36.85%，平均為36.20%，XY003的最高。林燕萍等［33］研究認(rèn)為，茶樹嫩梢的力學(xué)特性與粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系密切，最大應(yīng)力、斷裂應(yīng)力與彈性模量隨著粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，最大力點應(yīng)變與斷裂應(yīng)變隨著纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。藺草莖稈拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量與粗纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間有一定的相關(guān)性，XY003粗纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量也最大，研究結(jié)果與林燕萍等［33］的結(jié)論較一致，說明藺草莖稈的拉伸力學(xué)性能和粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的關(guān)系。關(guān)于藺草不同部位的解剖構(gòu)造與力學(xué)性能差別還有待進(jìn)一步研究。

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Anatomical structure and mechanical properties from stem bottoms of Juncus effusus

CHAI Xiaojuan1,SU Yan1,CHEN Hui1,GUO Weilong2,JIN Shuihu1
（1.School of Forestry and Biotechnology,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.Shengzhou Municipal Agriculture and Forestry Bureau,Shengzhou 312400,Zhejiang,China）

To provide guidance for genetic breeding and better utilization of Juncus effusus,a high-quality natural fiber material with strength and flexibility,the anatomical structure from stems of five cultivars（XY001, XY002,XY003,XY004,and XY007）was observed under a microscope.Then mechanical properties of rush stems in maturity were measured by an electronic testing machine （CTM 6000）,and relationships between anatomical structure and mechanical properties were analyzed with a correlation analysis.Results showed that the microstructure was composed of epidermis,elementary tissue,vascular bundles,and pith.The cell length was 681.47-712.04 μm,the width was 5.58-8.00 μm,and the ratio of the cell wall to the cavity of the fiber was 1.194-1.556.Also,the maximum tensile force was 61.59-72.71 N,the tensile strength was 33.28-59.11 MPa,and Young’s modulus of the rush stems was 1 438.23-2 297.10 MPa.The best of the maximum tensile force was cultivar XY004,but XY003 had the best tensile strength and Young’s modulus.The correlation analysis showed a highly significant and positive relationship of tensile strength to the total number of vascular bundles（P＜0.01,r=0.818）and the ratio of wall thickness to radius of stems（P＜0.01,r=0.740）.Also,

material science;Juncus effusus stem;anatomical structure;mechanical properties;fiber characteristics

S561；TU531.6

A

2095-0756（2016）06-1058-09

2015-11-20；

2016-01-14

寧波市科技資助項目（2012C10039）

柴曉娟，從事植物資源與利用研究。E-mail：fantasy-003@163.com。通信作者：金水虎，教授，從事植物資源研究。E-mail：jsh501@163.com

10.11833/j.issn.2095-0756.2016.06.019

Young’s modulus was highly significant and positive correlated with the total number of vascular bundles（P＜0.01,r＝0.724）and the ratio of wall thickness to radius of stems （P＜0.01,r＝0.748）.A significant positive correlation was also found for tensile strength （P＜0.05,r＝0.584）and Young’s modulus （P＜0.05,r＝0.663）compared to the ratio of the cell wall to the cavity of the fiber.The mechanical properties from stem bottoms of Juncus effusus depended on the numbers of vascular bundles,the elementary tissue thickness, the ratio of the cell wall to the cavity of the fiber and the connecting form and strength of each organization. The findings suggested that compared with the other three cultivars,XY003 and XY004 had higher strength and flexibility making them better candidates for genetic breeding.［Ch,4 fig.4 tab.33 ref.］