固沙先鋒樹種沙柳枝條力學特性及其影響因素

王爭賢 格日樂* 崔天民 郝需婷 張永亮 斯琴

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院，呼和浩特 010011；2.內蒙古農業(yè)大學 草原與資源環(huán)境學院，呼和浩特 010011)

我國是世界上受沙漠化危害最嚴重的國家之一，土地沙化是制約干旱半干旱地區(qū)經濟社會發(fā)展的重要因素。在干旱、半干旱地區(qū)的荒漠化過程中，植物作為一種經濟有效的防風阻沙材料被廣泛應用。近年來，隨著我國生態(tài)文明建設的穩(wěn)步推進，荒漠植被覆蓋面積呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。我國現(xiàn)有灌木林面積已達5 365萬km2，其中荒漠化地區(qū)防護林占49.73%，主要分布于干旱半干旱和亞濕潤干旱區(qū)[1-2]。目前，三北地區(qū)沙地生態(tài)系統(tǒng)主要以灌草型為主，同時，沙區(qū)現(xiàn)有73 333 km2中幼林急需撫育管護、有33 000 km2灌木林亟待平茬復壯。

灌木具有耐干旱、抗風沙、耐瘠薄、天然更新好、萌蘗能力強、根系發(fā)達等特性，是防沙治沙的優(yōu)良樹種和先鋒樹種。對沙生灌木定期平茬可促進其穩(wěn)定生長，從而保持灌木林生態(tài)功能的可持續(xù)性。沙生灌木不僅具有重要的生態(tài)效益,同時還可以帶來較好的經濟效益。灌木平茬復壯后可以獲取大量的枝條,是很好的生物質燃料。平茬后的枝條還可以作為制漿造紙的原材料、人造板原材料，同時也是重要的飼料來源[3]。

機械化收割灌木平茬，可以實現(xiàn)灌木林的及時平茬復壯，避免灌木枯死現(xiàn)象的發(fā)生灌木的收割根據(jù)不同的地形地貌,采用的平茬方式也有所不同：在平坦和緩坡丘陵地帶,多采用小型割灌機平茬，在沙丘溝整地帶因機械平茬不方便,多釆用人工利用镢頭、板斧或小型背負式割灌機平茬。無論采用哪種平茬方式, 均不得傷害其分蘗生長點[4]。傳統(tǒng)的切割方式不僅工作效率低、勞動強度大、采收成本高,而且由于灌木在秋冬季收獲時,木質化程度較高,加之灌木枝條具有的柔彈特性,其切口表面易形成不光滑的所謂的“毛口”,不利于次年發(fā)芽生長[5]。嚴重時會造成大面積死亡或萌生率極低。

沙柳屬楊柳科落葉叢生直立灌木或小喬木，是我國干旱半干旱地區(qū)主要防風固沙優(yōu)良先鋒樹種之一，具有耐寒、耐旱、耐高溫、耐沙埋、適應性強、生長快、防風固沙能力強、對立地條件選擇不十分嚴格，作為造林的重要樹種在沙區(qū)大面積栽種。據(jù)不完全統(tǒng)計,僅鄂爾多斯市到目前己有50%的沙柳因未能及時平茬而出現(xiàn)不同程度的生長退化現(xiàn)象[3]。

我國目前還沒有完全適宜于收割檸條、沙柳等沙生灌木的大中型收割機械，這是由于收割對象在力學性能以及直徑上的不同，決定了切割方式、切割速度、割刀與妄軒的相對位置等的不同[6]。隨著我國大面積灌木林的成熟及工業(yè)化生產的需要,對灌木平茬的需求己經愈來愈迫切。

在防治土壤風蝕過程中，植物通過覆蓋地表，分解風力以及阻沙輸沙等有效途徑降低風速，削弱風對地表土粒分離和搬運而起作用。當運動氣流通過有植被覆蓋的地表時，植被部分分解運動氣流的剪應力，減弱氣流對地表的吹蝕，從而達到保護地表土壤的效應。目前關于植物防風抗蝕力學特性的研究，大多集中于根系固土力學特性[7-12]和農作物莖稈的抗剪、抗倒伏性能[13-16]，關于枝條防風阻沙力學特性的報道尚少[17-20]。因此，本研究擬以固沙先鋒樹種沙柳枝條為研究對象，通過調查沙柳各徑級枝條在冬季休眠期抗拉、抗剪和抗彎力學強度指標，分析直徑和長度及其化學組分纖維素、半纖維素、木質素含量等對其力學特性的影響，以期為沙柳平茬機具的研制提供生物力學方面的重要參考依據(jù)，也為進一步揭示沙柳枝條防風阻沙力學特性，豐富植物固沙能力評估指標體系。

1 材料與方法

2018年12月初，選擇在內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗境內的庫布其沙漠固定沙地上進行沙柳枝條采集。隨機選取30株4年生的沙柳植株，對每株重復測量3次株高、冠幅、地徑等，分別計算其平均值作為沙柳標準株株高(166.45±6.12) cm、冠幅(142.48±9.12) cm、地徑(11.87±3.12) mm，選取與標準株相近植株從植株中下部各個方位進行枝條采集。試驗的每個徑級下枝條數(shù)的采集至少50條，并保證每個徑級下有效數(shù)據(jù)為30個，即至少30個重復的有效數(shù)據(jù)。

將采集的沙柳枝條進行篩選，盡量選擇直徑均勻的枝條作為試驗枝。根據(jù)沙柳地上部枝條的分枝特性，其枝條以細枝為主，故試樣直徑選取0.5～2.5 mm，并以0.5 mm為一個間隔進行徑級劃分。枝條長度對力學特性的影響，分為3個試驗長度梯度:(60、80、100) mm。枝條直徑使用游標卡尺十字交叉法測量2次，取平均值作為測量點的直徑。

枝條抗拉力的測定如圖1(a)所示，分別選擇在60、80和100 mm的3種標距下，枝條兩端夾持部位的長度為2 cm，取夾距中間AE段6 cm作為試驗標距，再將AE段進行4等分，每段長度為1.5 cm。直徑測量分別選擇A、B、C、D、E 5個點，5個點直徑平均值作為枝條徑級劃分依據(jù)。在TY-8000 伺服式強力機上將枝條兩端固定，以最大加載速度為500 mm/min軸向拉伸，測定極限抗拉力。枝條抗拉試驗在靠近夾口處斷裂為無效數(shù)據(jù)，在試驗標距內距斷點最近的兩點直徑平均值作為斷點處直徑。每一次試驗停止時，聯(lián)機軟件會自動生成抗拉力F(N)的大小，抗拉力計算抗拉強度(P)，計算公式如下：

P=4F/πD2

(1)

式中：P為枝條極限抗拉強度，MPa；F為極限抗拉力，即枝條被拉斷時的峰值，N；D為斷裂點處直徑，mm。

枝條抗剪力的測定如圖1(b)所示，DA為夾持段3 cm，AC為試驗段6 cm，BC段為5 cm，枝條直徑測量分別選擇ABC 3點，3個點直徑平均值作為枝條徑級劃分依據(jù)。采用武藝儒等[21]的方法，在TY-8000伺服式強力機上，使試驗枝條呈水平放置的懸臂梁受力狀態(tài)，施力點位于夾持點一側1 cm處，即受力部分長度1 cm，壓頭位于受力點(B點)上方，以最大加載速度500 mm/min勻速施加垂直壓力，使試驗段承受剪力，試驗終點為AB段受力為零，試驗儀記錄最大剪切力，剪切強度為破壞處B點單位橫截面積上的剪切力計算公式如下：

A、B、C、D、E分別表示用游標卡尺測量直徑的點，F(xiàn)表示作用在枝條的外力，下同。A, B, C, D and E denote the points where the diameters are measured by a vernier caliper. F denotes the externalforce acting on the branch. The same below.圖1 枝條抗拉力、抗剪力、抗彎力應力加載示意圖Fig.1 Stress-loading diagram of tension resistance, shear resistance and bending resistance of branches

σ=2F/πD2

(2)

式中:σ為抗剪強度，MPa；F為抗剪力(N)；D為直徑，mm。

枝條抗彎力的測定如圖1(c)所示，試驗枝條總長不小于6 cm，AB為夾持段2 cm，BD段為試驗標距長6 cm, 再將BD段進行2等分，每段長度為3 cm，枝條直徑測量分別選擇BCD3點，3個點直徑平均值作為枝條徑級劃分依據(jù)。枝條抗彎力的測定使用薛冬梅等的方法，在TY-8000伺服式強力機上將試樣一端夾在夾具上，使其形成懸臂狀，在標距中點部位C點施加垂直壓力，當壓頭接觸到枝條后儀器自動采集數(shù)據(jù)，當力達到峰值后自動停止[17]。定義此時的壓力為抗彎力F，進一步計算枝條抗彎強度T。

T=M/W

(3)

M=FL/2

(4)

W=πD3/32

(5)

式中：M為最大彎矩，N·mm；W為抗彎截面模量，mm3；L為標距長度，mm；F為抗彎力，N；D為枝條直徑，mm。

根系化學組分測定采用硝酸-乙醇法[22]測定纖維素；半纖維素測定采用鹽酸-DNS還原糖測定法[23]；木質素測定采用72%的濃硫酸溶液法[24]通過測定出的3 種化學組分含量計算綜纖維素和木纖比。

數(shù)據(jù)處理和分析利用Excel 2007進行數(shù)據(jù)初步處理，采用Spss 18.0軟件最小顯著差異法(LSD)進行差異性檢驗，使用Pearson 檢驗進行相關性分析，最后進行數(shù)據(jù)作圖分析。

2 結果與分析

2.1 沙柳枝條極限抗拉力和抗拉強度

相同長度、不同徑級間沙柳枝條極限抗拉力、抗拉強度差異性如表1所示?？芍?0和100 mm長度下，徑級1.5～2.0 mm和2.0～2.5 mm的極限抗拉力之間無顯著差異，其他均存在顯著差異性(P<0.05)。3種長度梯度下，極限抗拉強度在不同徑級間均存在顯著差異性(P<0.05)。表明直徑是影響枝條極限抗拉力學特性的重要因子。

表1 沙柳枝條在相同長度、不同徑級間極限抗拉力、抗拉強度差異性Table 1 Differences in ultimate tensile resistance and tensile strength of Salix psammophilabranches at the same length and different diameters mm

沙柳枝條極限抗拉力、抗拉強度與直徑的關系由圖2可知，在枝條直徑0.5～2.5 mm、3種長度梯度60、80、100 mm下，沙柳枝條的極限抗拉力隨直徑的增大而增大，枝條長為60 mm時直徑-抗拉力曲線呈多項式函數(shù)變化；枝條長為80 mm時直徑-抗拉力曲線呈冪函數(shù)變化；枝條長為100 mm時直徑-抗拉力曲線呈對數(shù)函數(shù)變化。枝長為60、80、100 mm時極限抗拉力變化范圍分別是14.05～52.02 N、11.86～81.29 N、14.33～85.04 N。在枝條直徑0.5～2.5 mm、3種長度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝條的極限抗拉強度隨直徑的增大而減小，直徑-抗拉強度曲線在3種長度梯度呈多項式函數(shù)變化。枝長為60、80、100 mm時極限抗拉強度變化幅度分別是8.96～66.19、14.85～58.43、16.65～62.60 MPa。

圖3為沙柳枝條在相同徑級不同長度下極限抗拉強度比較結果，由圖3可知，沙柳枝條在相同徑級下，當直徑在0.5～1.0 mm時，隨著長度的增長，沙柳枝條抗拉強度具有顯著差異，而當直徑增大時，差異不明顯。

圖2 沙柳枝條極限抗拉力、抗拉強度與直徑關系Fig.2 Relationship between the ultimate tensile resistance, tensile strength and the diameter of Salix psammophila branches

2.2 沙柳枝條抗剪力和抗剪強度

沙柳枝條在相同長度不同徑級間抗剪力、抗剪強度差異性檢驗結果見表2。由表2可知，沙柳枝條在60 mm長度下直徑0.5～1.0 mm與其他3個徑級間抗剪力存在顯著差異(P<0.05)，而直徑1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5 mm枝條抗剪力之間無顯著差異；在枝條長度分別為80和100 mm下，各測試徑級間枝條抗剪力存在顯著差異(P<0.05)。枝條抗剪強度除了在長度80、100 mm下徑級1.5～2.0 mm與2.0～2.5 mm的抗剪強度之間無顯著差異以外其他均存在顯著差異(P<0.05)。表明直徑是影響枝條剪切力學特性的重要因子。

沙柳枝條抗剪力、抗剪強度與直徑關系見圖4。由圖4可知，在測試徑級0.5～2.5 mm時，3種長度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝條抗剪力隨著直徑的增大而增大，當長度為60 mm時，直徑-抗剪力曲線呈多項式函數(shù)變化，枝條長為80 mm時，直徑-抗剪力曲線呈冪函數(shù)變化，枝條長為100 mm時，直徑-抗剪力曲線呈多項式函數(shù)變化。3種長度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝條抗剪力變化范圍分別是16.26～80.04、10.30～46.00、8.70～95.90 N。在測試徑級0.5～2.5 mm，3種長度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝條的抗剪強度隨直徑的增大而減小，當長度為60 mm時枝條直徑-抗剪強度呈冪函數(shù)變化；長度為80 mm和100 mm 時直徑-抗剪強度呈多項式函數(shù)變化。3種長度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝條抗剪強度變化范圍分別是8.04～39.87、4.60～23.33、6.52～21.29 MPa。

圖中不同字母表示相同徑級不同長度間極限抗拉強度差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters above each column represent significant differences in ultimate tensile strength between different lengths of the same diameter class (P<0.05). The same below.圖3 沙柳枝條在相同徑級不同長度下極限抗拉強度比較Fig.3 Comparison of ultimate tensile strength of Salix psammophilabranches at the same diameter and different lengths

表2 沙柳枝條在相同長度不同徑級間抗剪力、抗剪強度差異性檢驗Table 2 Differences in shear resistance and shear strength of Salix psammophilabranches at the same length and different diameters mm

圖5為沙柳枝條在相同徑級不同長度下抗剪強度比較結果，由圖5中可看出，沙柳枝條在相同徑級下隨著枝條長度的增加，當直徑在0.5～1.0 mm時，隨著長度的增長，沙柳枝條抗剪強度具有顯著差異，而當直徑增大時，差異不明顯。

2.3 沙柳枝條抗彎力和抗彎強度

沙柳枝條在相同長度不同徑級間抗彎力、抗彎強度差異性檢驗結果見表3?？梢姵酥l長度60 mm 下徑級0.5～1.0 mm與1.0～1.5 mm的抗彎力無顯著差異性以外其他均存在顯著差異(P<0.05)。枝條抗彎強度分別在3種長度梯度下不同徑級間均存在顯著差異(P<0.05)。表明直徑是影響枝條抗彎力學特性的重要因子。

圖4 沙柳枝條抗剪力、抗剪強度與直徑關系Fig.4 The relationship between the shear resistance, shear strength and diameter of Salix psammophila branches

圖5 沙柳枝條在相同徑級不同長度下抗剪強度比較Fig.5 Comparison of the shear strength of Salix psammophilabranches at the same diameter and different lengths

表3 沙柳枝條在相同長度不同徑級間抗彎力、抗彎強度差異性檢驗結果Table 3 Test results of the difference in flexural resistance and flexural strength of Salix psammophilabranches with the same length and different diameters mm

由圖6可知，在測試徑級0.5～2.5 mm時，3種長度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝條的抗彎力隨直徑的增大而增大，長度為60 mm時，枝條直徑-抗彎力曲線呈二項式函數(shù)變化；長度為80 mm時，直徑-抗彎力曲線呈多項式函數(shù)變化；長度為100 mm時直徑-抗彎力曲線呈冪函數(shù)變化。3種長度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝條的抗彎力變化幅度分別是1.02～3.54 N、0.87～3.94 N和1.12～8.29 N。在測試徑級0.5～2.5 mm時，3種長度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝條的抗彎強度隨直徑的增大而減小，3種長度梯度下，枝條直徑-抗彎強度曲線均呈多項式函數(shù)變化。3種長度梯度60、80和100 mm下抗彎強度變化幅度分別是1 566.46～46.71 MPa、1 260.49～53.26 MPa和1 720.04～133.52 MPa。

圖6 沙柳枝條抗彎力、抗彎強度與直徑的關系Fig.6 The relationship between the flexural resistance, flexural strength and diameter of Salix psammophila branches

由圖7看出，在相同徑級下沙柳枝條抗彎強度隨著長度的增長而增大，在相同徑級范圍內3個不同長度枝條抗彎強度間均存在顯著差異(P<0.05)。這與薛冬梅等[17]對檸條、白沙蒿和沙棘3種植物生長季鮮枝的研究結果一致。表明枝條長度對枝條抗彎力學特性有明顯影響。

圖7 沙柳枝條在相同徑級不同長度下抗彎強度比較Fig.7 Comparison of the flexural strength of Salix psammophilabranches at the same diameter and different lengths

2.4 沙柳枝條抗拉與抗剪力學特性比較

預實驗表明徑向彎力不能夠使植物枝條斷裂，只能使枝條彎曲變形，軸向拉力和徑向剪力是導致枝條斷裂損傷的主要外力類型，同時借鑒相關研究結果[25]，本研究對沙柳地上部枝條軸向抗拉和徑向抗剪力學特性進行比較，揭示其易破壞外力類型。由圖8可知，除了在徑級0.5～1.0 mm時的極限抗拉力和抗剪力之間無顯著差異以外其他徑級間均存在顯著差異(P<0.05)。在測試徑級0.5～2.5 mm，枝條極限抗拉力均值51.684±4.698 N>抗剪力均值(36.560±3.323) N；在徑級1.0～1.5 mm 和1.5～2.0 mm時，枝條極限抗拉強度和抗剪強度之間無顯著差異，而0.5～1.0 mm和2.0～2.5 mm 2個徑級時二者存在顯著差異(P<0.05)。沙柳枝條在測試徑級0.5～2.5 mm，枝條極限抗拉強度均值(38.248±3.477) MPa>抗剪強度均值(30.127±2.739) MPa。表明沙柳枝條易破壞的外力類型為剪切力。

2.5 沙柳枝條主要化學組分含量及其對枝條抗拉、抗剪和抗彎力學特性的影響

植物枝條化學組分含量是影響細胞木質化程度的主要因素，進而對植物力學特性產生重要影響[26]。表4為沙柳枝條主要化學組分含量在測試徑級0.5～2.5 mm隨著直徑的變化。從表中可以看出，主要化學組分纖維素、半纖維素、木質素含量在不同徑級間總體表現(xiàn)為差異性顯著(P<0.05)，隨著直徑的增大纖維素、半纖維素含量均呈現(xiàn)減小的變化，這與枝條極限抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度隨著直徑的增大而減小的變化一致；木質素含量隨著直徑的增大呈現(xiàn)增大的變化，這與枝條極限抗拉力、抗剪力和抗彎力隨著直徑的增大而增大的變化一致。表5為沙柳枝條極限抗拉、抗剪和抗彎強度與其化學組分相關性檢驗，從表中可以看出，枝條抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度與纖維素、半纖維素、綜纖維素含量總體呈現(xiàn)顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)正相關，與木質素含量呈顯著正相關(P<0.05)。表明沙柳枝條抗拉、抗剪和抗彎強度的發(fā)揮其中纖維素和半纖維素含量起重要作用，其次是木質素含量。關于這點還需要結合枝條的微觀解剖結構進行進一步研究。

圖8 沙柳枝條極限抗拉力與抗剪力、極限抗拉強度與抗剪強度比較Fig.8 Comparison of ultimate tensile resistance and shear resistance, ultimate tensile strength and shear strength of Salix psammophila branches

3 討 論

在測試徑級0.5～2.5 mm，3種枝長60、80和100 mm下，沙柳枝條在冬季休眠期極限抗拉力，抗剪力與抗彎力均隨直徑的增大而增大；枝條極限抗拉強度，抗剪強度與抗彎強度均隨直徑的增大而減小，這與薛冬梅等[17]和格日樂[18-19]等各自關于其研究對象在生長旺盛時期鮮枝的研究結論相同。隨著枝條長度的增長，極限抗拉強度、抗剪強度呈現(xiàn)：當直徑為0.5～1.0 mm時，隨著長度的增長，沙柳枝條抗拉強度和抗剪強度具有顯著差異，而當直徑增大時，差異不明顯?？箯潖姸葎t隨枝條長度的增長而增大，這與薛冬梅等[17]的研究結論一致。沙柳枝條在測試徑級0.5～2.5 mm時，極限抗拉力均大于抗剪力，表明沙柳枝條易破壞的外力類型為剪切力，這與李有芳等[27]關于4種植物生長旺盛期根系易受損的外力類型研究中關于沙柳的研究結論相反，即在生長旺盛期，造成沙柳根系易損的外力類型為軸向拉力，分析原因可能與枝條含水率密切相關。生長旺盛時期根系含水率較高，細胞間水分子聯(lián)系較緊密，有待進一步研究。

表4 沙柳枝條主要化學組分含量隨直徑變化表Table 4 Changes of the content of main chemical components of Salix psammophila branches with diameter

表5 沙柳枝條抗拉、剪切和抗彎強度與其化學組分相關性檢驗Table 5 Correlation test of tensile, shear and flexural strength of Salix psammophilabranches and their chemical components

4 結 論

沙柳枝條在測試直徑0.5～2.5 mm時，3種長度梯度60、80和100 mm下，其極限抗拉力、抗拉強度、抗剪力、抗剪強度、抗彎力、抗彎強度在不同徑級間總體呈顯著差異(P<0.05)。表明直徑是影響枝條力學特性的重要因子。3種長度梯度下枝條抗拉力(14.05～52.02、11.86～81.29、14.33～85.04 N)、抗剪力(16.26～80.04、10.30～46.00、8.70～95.90 N)、抗彎力(1.02～3.54、0.87～3.94和1.12～8.29 N)隨著直徑的增大而增大，極限抗拉強度(8.96～66.19、14.85～58.43、16.65～62.60 MPa)、抗剪強度(8.04～39.87、4.60～23.33、6.52～21.29 MPa)、抗彎強度(1 566.46～46.71、1 260.49～53.26、1 720.04～133.52 MPa)隨著直徑的增大而減小。枝長不同、外力類型不同則直徑-應力關系曲線既有相同之處也有區(qū)別。枝條抗拉強度和抗剪強度隨著枝條長度的增加，在直徑為0.5～1.0 mm時，沙柳枝條抗拉強度和抗剪強度具有顯著差異，而當直徑增大時，差異不明顯。而抗彎強度隨著長度的增長而增大，表明長度對枝條抗彎力學特性有明顯影響。

在測試徑級0.5～2.5 mm，沙柳枝條極限抗拉力均值(51.684±4.698) N>抗剪力均值(36.560±3.323) N；極限抗拉強度均值(38.248±18.367) MPa>抗剪強度均值(30.127±2.739) MPa，表明沙柳枝條易破壞的外力類型為剪切力。

在測試徑級0.5～2.5 mm，沙柳枝條主要化學組分纖維素、半纖維素、木質素含量在不同徑級間總體表現(xiàn)為差異性顯著(P<0.05)，且隨著直徑的增大纖維素、半纖維素含量均呈現(xiàn)減小的變化，木質素含量隨著直徑的增大呈現(xiàn)增大的變化。枝條極限抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度與纖維素、半纖維素含量總體呈現(xiàn)顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)正相關，與木質素含量呈顯著正相關(P<0.05)。表明沙柳枝條抗拉、抗剪和抗彎強度的發(fā)揮其中纖維素和半纖維素含量起重要作用，其次是木質素含量。關于這點還需要結合枝條的微觀解剖結構進行進一步研究。