固沙先锋树种沙柳枝条力学特性及其影响因素

王争贤 格日乐* 崔天民 郝需婷 张永亮 斯琴

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，呼和浩特 010011；2.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院，呼和浩特 010011)

我国是世界上受沙漠化危害最严重的国家之一，土地沙化是制约干旱半干旱地区经济社会发展的重要因素。在干旱、半干旱地区的荒漠化过程中，植物作为一种经济有效的防风阻沙材料被广泛应用。近年来，随着我国生态文明建设的稳步推进，荒漠植被覆盖面积呈现逐年增加的趋势。我国现有灌木林面积已达5 365万km2，其中荒漠化地区防护林占49.73%，主要分布于干旱半干旱和亚湿润干旱区[1-2]。目前，三北地区沙地生态系统主要以灌草型为主，同时，沙区现有73 333 km2中幼林急需抚育管护、有33 000 km2灌木林亟待平茬复壮。

灌木具有耐干旱、抗风沙、耐瘠薄、天然更新好、萌蘖能力强、根系发达等特性，是防沙治沙的优良树种和先锋树种。对沙生灌木定期平茬可促进其稳定生长，从而保持灌木林生态功能的可持续性。沙生灌木不仅具有重要的生态效益,同时还可以带来较好的经济效益。灌木平茬复壮后可以获取大量的枝条,是很好的生物质燃料。平茬后的枝条还可以作为制浆造纸的原材料、人造板原材料，同时也是重要的饲料来源[3]。

机械化收割灌木平茬，可以实现灌木林的及时平茬复壮，避免灌木枯死现象的发生灌木的收割根据不同的地形地貌,采用的平茬方式也有所不同：在平坦和缓坡丘陵地带,多采用小型割灌机平茬，在沙丘沟整地带因机械平茬不方便,多釆用人工利用镢头、板斧或小型背负式割灌机平茬。无论采用哪种平茬方式, 均不得伤害其分蘖生长点[4]。传统的切割方式不仅工作效率低、劳动强度大、采收成本高,而且由于灌木在秋冬季收获时,木质化程度较高,加之灌木枝条具有的柔弹特性,其切口表面易形成不光滑的所谓的“毛口”,不利于次年发芽生长[5]。严重时会造成大面积死亡或萌生率极低。

沙柳属杨柳科落叶丛生直立灌木或小乔木，是我国干旱半干旱地区主要防风固沙优良先锋树种之一，具有耐寒、耐旱、耐高温、耐沙埋、适应性强、生长快、防风固沙能力强、对立地条件选择不十分严格，作为造林的重要树种在沙区大面积栽种。据不完全统计,仅鄂尔多斯市到目前己有50%的沙柳因未能及时平茬而出现不同程度的生长退化现象[3]。

我国目前还没有完全适宜于收割柠条、沙柳等沙生灌木的大中型收割机械，这是由于收割对象在力学性能以及直径上的不同，决定了切割方式、切割速度、割刀与妄轩的相对位置等的不同[6]。随着我国大面积灌木林的成熟及工业化生产的需要,对灌木平茬的需求己经愈来愈迫切。

在防治土壤风蚀过程中，植物通过覆盖地表，分解风力以及阻沙输沙等有效途径降低风速，削弱风对地表土粒分离和搬运而起作用。当运动气流通过有植被覆盖的地表时，植被部分分解运动气流的剪应力，减弱气流对地表的吹蚀，从而达到保护地表土壤的效应。目前关于植物防风抗蚀力学特性的研究，大多集中于根系固土力学特性[7-12]和农作物茎秆的抗剪、抗倒伏性能[13-16]，关于枝条防风阻沙力学特性的报道尚少[17-20]。因此，本研究拟以固沙先锋树种沙柳枝条为研究对象，通过调查沙柳各径级枝条在冬季休眠期抗拉、抗剪和抗弯力学强度指标，分析直径和长度及其化学组分纤维素、半纤维素、木质素含量等对其力学特性的影响，以期为沙柳平茬机具的研制提供生物力学方面的重要参考依据，也为进一步揭示沙柳枝条防风阻沙力学特性，丰富植物固沙能力评估指标体系。

1 材料与方法

2018年12月初，选择在内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗境内的库布其沙漠固定沙地上进行沙柳枝条采集。随机选取30株4年生的沙柳植株，对每株重复测量3次株高、冠幅、地径等，分别计算其平均值作为沙柳标准株株高(166.45±6.12) cm、冠幅(142.48±9.12) cm、地径(11.87±3.12) mm，选取与标准株相近植株从植株中下部各个方位进行枝条采集。试验的每个径级下枝条数的采集至少50条，并保证每个径级下有效数据为30个，即至少30个重复的有效数据。

将采集的沙柳枝条进行筛选，尽量选择直径均匀的枝条作为试验枝。根据沙柳地上部枝条的分枝特性，其枝条以细枝为主，故试样直径选取0.5～2.5 mm，并以0.5 mm为一个间隔进行径级划分。枝条长度对力学特性的影响，分为3个试验长度梯度:(60、80、100) mm。枝条直径使用游标卡尺十字交叉法测量2次，取平均值作为测量点的直径。

枝条抗拉力的测定如图1(a)所示，分别选择在60、80和100 mm的3种标距下，枝条两端夹持部位的长度为2 cm，取夹距中间AE段6 cm作为试验标距，再将AE段进行4等分，每段长度为1.5 cm。直径测量分别选择A、B、C、D、E 5个点，5个点直径平均值作为枝条径级划分依据。在TY-8000 伺服式强力机上将枝条两端固定，以最大加载速度为500 mm/min轴向拉伸，测定极限抗拉力。枝条抗拉试验在靠近夹口处断裂为无效数据，在试验标距内距断点最近的两点直径平均值作为断点处直径。每一次试验停止时，联机软件会自动生成抗拉力F(N)的大小，抗拉力计算抗拉强度(P)，计算公式如下：

P=4F/πD2

(1)

式中：P为枝条极限抗拉强度，MPa；F为极限抗拉力，即枝条被拉断时的峰值，N；D为断裂点处直径，mm。

枝条抗剪力的测定如图1(b)所示，DA为夹持段3 cm，AC为试验段6 cm，BC段为5 cm，枝条直径测量分别选择ABC 3点，3个点直径平均值作为枝条径级划分依据。采用武艺儒等[21]的方法，在TY-8000伺服式强力机上，使试验枝条呈水平放置的悬臂梁受力状态，施力点位于夹持点一侧1 cm处，即受力部分长度1 cm，压头位于受力点(B点)上方，以最大加载速度500 mm/min匀速施加垂直压力，使试验段承受剪力，试验终点为AB段受力为零，试验仪记录最大剪切力，剪切强度为破坏处B点单位横截面积上的剪切力计算公式如下：

A、B、C、D、E分别表示用游标卡尺测量直径的点，F表示作用在枝条的外力，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.图1 枝条抗拉力、抗剪力、抗弯力应力加载示意图Fig.1 Stress-loading diagram of tension resistance, shear resistance and bending resistance of branches

σ=2F/πD2

(2)

式中:σ为抗剪强度，MPa；F为抗剪力(N)；D为直径，mm。

枝条抗弯力的测定如图1(c)所示，试验枝条总长不小于6 cm，AB为夹持段2 cm，BD段为试验标距长6 cm, 再将BD段进行2等分，每段长度为3 cm，枝条直径测量分别选择BCD3点，3个点直径平均值作为枝条径级划分依据。枝条抗弯力的测定使用薛冬梅等的方法，在TY-8000伺服式强力机上将试样一端夹在夹具上，使其形成悬臂状，在标距中点部位C点施加垂直压力，当压头接触到枝条后仪器自动采集数据，当力达到峰值后自动停止[17]。定义此时的压力为抗弯力F，进一步计算枝条抗弯强度T。

T=M/W

(3)

M=FL/2

(4)

W=πD3/32

(5)

式中：M为最大弯矩，N·mm；W为抗弯截面模量，mm3；L为标距长度，mm；F为抗弯力，N；D为枝条直径，mm。

根系化学组分测定采用硝酸-乙醇法[22]测定纤维素；半纤维素测定采用盐酸-DNS还原糖测定法[23]；木质素测定采用72%的浓硫酸溶液法[24]通过测定出的3 种化学组分含量计算综纤维素和木纤比。

数据处理和分析利用Excel 2007进行数据初步处理，采用Spss 18.0软件最小显著差异法(LSD)进行差异性检验，使用Pearson 检验进行相关性分析，最后进行数据作图分析。

2 结果与分析

2.1 沙柳枝条极限抗拉力和抗拉强度

相同长度、不同径级间沙柳枝条极限抗拉力、抗拉强度差异性如表1所示。可知在80和100 mm长度下，径级1.5～2.0 mm和2.0～2.5 mm的极限抗拉力之间无显著差异，其他均存在显著差异性(P<0.05)。3种长度梯度下，极限抗拉强度在不同径级间均存在显著差异性(P<0.05)。表明直径是影响枝条极限抗拉力学特性的重要因子。

表1 沙柳枝条在相同长度、不同径级间极限抗拉力、抗拉强度差异性Table 1 Differences in ultimate tensile resistance and tensile strength of Salix psammophilabranches at the same length and different diameters mm

沙柳枝条极限抗拉力、抗拉强度与直径的关系由图2可知，在枝条直径0.5～2.5 mm、3种长度梯度60、80、100 mm下，沙柳枝条的极限抗拉力随直径的增大而增大，枝条长为60 mm时直径-抗拉力曲线呈多项式函数变化；枝条长为80 mm时直径-抗拉力曲线呈幂函数变化；枝条长为100 mm时直径-抗拉力曲线呈对数函数变化。枝长为60、80、100 mm时极限抗拉力变化范围分别是14.05～52.02 N、11.86～81.29 N、14.33～85.04 N。在枝条直径0.5～2.5 mm、3种长度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝条的极限抗拉强度随直径的增大而减小，直径-抗拉强度曲线在3种长度梯度呈多项式函数变化。枝长为60、80、100 mm时极限抗拉强度变化幅度分别是8.96～66.19、14.85～58.43、16.65～62.60 MPa。

图3为沙柳枝条在相同径级不同长度下极限抗拉强度比较结果，由图3可知，沙柳枝条在相同径级下，当直径在0.5～1.0 mm时，随着长度的增长，沙柳枝条抗拉强度具有显著差异，而当直径增大时，差异不明显。

图2 沙柳枝条极限抗拉力、抗拉强度与直径关系Fig.2 Relationship between the ultimate tensile resistance, tensile strength and the diameter of Salix psammophila branches

2.2 沙柳枝条抗剪力和抗剪强度

沙柳枝条在相同长度不同径级间抗剪力、抗剪强度差异性检验结果见表2。由表2可知，沙柳枝条在60 mm长度下直径0.5～1.0 mm与其他3个径级间抗剪力存在显著差异(P<0.05)，而直径1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5 mm枝条抗剪力之间无显著差异；在枝条长度分别为80和100 mm下，各测试径级间枝条抗剪力存在显著差异(P<0.05)。枝条抗剪强度除了在长度80、100 mm下径级1.5～2.0 mm与2.0～2.5 mm的抗剪强度之间无显著差异以外其他均存在显著差异(P<0.05)。表明直径是影响枝条剪切力学特性的重要因子。

沙柳枝条抗剪力、抗剪强度与直径关系见图4。由图4可知，在测试径级0.5～2.5 mm时，3种长度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝条抗剪力随着直径的增大而增大，当长度为60 mm时，直径-抗剪力曲线呈多项式函数变化，枝条长为80 mm时，直径-抗剪力曲线呈幂函数变化，枝条长为100 mm时，直径-抗剪力曲线呈多项式函数变化。3种长度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝条抗剪力变化范围分别是16.26～80.04、10.30～46.00、8.70～95.90 N。在测试径级0.5～2.5 mm，3种长度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝条的抗剪强度随直径的增大而减小，当长度为60 mm时枝条直径-抗剪强度呈幂函数变化；长度为80 mm和100 mm 时直径-抗剪强度呈多项式函数变化。3种长度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝条抗剪强度变化范围分别是8.04～39.87、4.60～23.33、6.52～21.29 MPa。

图中不同字母表示相同径级不同长度间极限抗拉强度差异显著(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.图3 沙柳枝条在相同径级不同长度下极限抗拉强度比较Fig.3 Comparison of ultimate tensile strength of Salix psammophilabranches at the same diameter and different lengths

表2 沙柳枝条在相同长度不同径级间抗剪力、抗剪强度差异性检验Table 2 Differences in shear resistance and shear strength of Salix psammophilabranches at the same length and different diameters mm

图5为沙柳枝条在相同径级不同长度下抗剪强度比较结果，由图5中可看出，沙柳枝条在相同径级下随着枝条长度的增加，当直径在0.5～1.0 mm时，随着长度的增长，沙柳枝条抗剪强度具有显著差异，而当直径增大时，差异不明显。

2.3 沙柳枝条抗弯力和抗弯强度

沙柳枝条在相同长度不同径级间抗弯力、抗弯强度差异性检验结果见表3。可见除了枝条长度60 mm 下径级0.5～1.0 mm与1.0～1.5 mm的抗弯力无显著差异性以外其他均存在显著差异(P<0.05)。枝条抗弯强度分别在3种长度梯度下不同径级间均存在显著差异(P<0.05)。表明直径是影响枝条抗弯力学特性的重要因子。

图4 沙柳枝条抗剪力、抗剪强度与直径关系Fig.4 The relationship between the shear resistance, shear strength and diameter of Salix psammophila branches

图5 沙柳枝条在相同径级不同长度下抗剪强度比较Fig.5 Comparison of the shear strength of Salix psammophilabranches at the same diameter and different lengths

表3 沙柳枝条在相同长度不同径级间抗弯力、抗弯强度差异性检验结果Table 3 Test results of the difference in flexural resistance and flexural strength of Salix psammophilabranches with the same length and different diameters mm

由图6可知，在测试径级0.5～2.5 mm时，3种长度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝条的抗弯力随直径的增大而增大，长度为60 mm时，枝条直径-抗弯力曲线呈二项式函数变化；长度为80 mm时，直径-抗弯力曲线呈多项式函数变化；长度为100 mm时直径-抗弯力曲线呈幂函数变化。3种长度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝条的抗弯力变化幅度分别是1.02～3.54 N、0.87～3.94 N和1.12～8.29 N。在测试径级0.5～2.5 mm时，3种长度梯度60、80和100 mm下，沙柳枝条的抗弯强度随直径的增大而减小，3种长度梯度下，枝条直径-抗弯强度曲线均呈多项式函数变化。3种长度梯度60、80和100 mm下抗弯强度变化幅度分别是1 566.46～46.71 MPa、1 260.49～53.26 MPa和1 720.04～133.52 MPa。

图6 沙柳枝条抗弯力、抗弯强度与直径的关系Fig.6 The relationship between the flexural resistance, flexural strength and diameter of Salix psammophila branches

由图7看出，在相同径级下沙柳枝条抗弯强度随着长度的增长而增大，在相同径级范围内3个不同长度枝条抗弯强度间均存在显著差异(P<0.05)。这与薛冬梅等[17]对柠条、白沙蒿和沙棘3种植物生长季鲜枝的研究结果一致。表明枝条长度对枝条抗弯力学特性有明显影响。

图7 沙柳枝条在相同径级不同长度下抗弯强度比较Fig.7 Comparison of the flexural strength of Salix psammophilabranches at the same diameter and different lengths

2.4 沙柳枝条抗拉与抗剪力学特性比较

预实验表明径向弯力不能够使植物枝条断裂，只能使枝条弯曲变形，轴向拉力和径向剪力是导致枝条断裂损伤的主要外力类型，同时借鉴相关研究结果[25]，本研究对沙柳地上部枝条轴向抗拉和径向抗剪力学特性进行比较，揭示其易破坏外力类型。由图8可知，除了在径级0.5～1.0 mm时的极限抗拉力和抗剪力之间无显著差异以外其他径级间均存在显著差异(P<0.05)。在测试径级0.5～2.5 mm，枝条极限抗拉力均值51.684±4.698 N>抗剪力均值(36.560±3.323) N；在径级1.0～1.5 mm 和1.5～2.0 mm时，枝条极限抗拉强度和抗剪强度之间无显著差异，而0.5～1.0 mm和2.0～2.5 mm 2个径级时二者存在显著差异(P<0.05)。沙柳枝条在测试径级0.5～2.5 mm，枝条极限抗拉强度均值(38.248±3.477) MPa>抗剪强度均值(30.127±2.739) MPa。表明沙柳枝条易破坏的外力类型为剪切力。

2.5 沙柳枝条主要化学组分含量及其对枝条抗拉、抗剪和抗弯力学特性的影响

植物枝条化学组分含量是影响细胞木质化程度的主要因素，进而对植物力学特性产生重要影响[26]。表4为沙柳枝条主要化学组分含量在测试径级0.5～2.5 mm随着直径的变化。从表中可以看出，主要化学组分纤维素、半纤维素、木质素含量在不同径级间总体表现为差异性显著(P<0.05)，随着直径的增大纤维素、半纤维素含量均呈现减小的变化，这与枝条极限抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度随着直径的增大而减小的变化一致；木质素含量随着直径的增大呈现增大的变化，这与枝条极限抗拉力、抗剪力和抗弯力随着直径的增大而增大的变化一致。表5为沙柳枝条极限抗拉、抗剪和抗弯强度与其化学组分相关性检验，从表中可以看出，枝条抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度与纤维素、半纤维素、综纤维素含量总体呈现显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关，与木质素含量呈显著正相关(P<0.05)。表明沙柳枝条抗拉、抗剪和抗弯强度的发挥其中纤维素和半纤维素含量起重要作用，其次是木质素含量。关于这点还需要结合枝条的微观解剖结构进行进一步研究。

图8 沙柳枝条极限抗拉力与抗剪力、极限抗拉强度与抗剪强度比较Fig.8 Comparison of ultimate tensile resistance and shear resistance, ultimate tensile strength and shear strength of Salix psammophila branches

3 讨 论

在测试径级0.5～2.5 mm，3种枝长60、80和100 mm下，沙柳枝条在冬季休眠期极限抗拉力，抗剪力与抗弯力均随直径的增大而增大；枝条极限抗拉强度，抗剪强度与抗弯强度均随直径的增大而减小，这与薛冬梅等[17]和格日乐[18-19]等各自关于其研究对象在生长旺盛时期鲜枝的研究结论相同。随着枝条长度的增长，极限抗拉强度、抗剪强度呈现：当直径为0.5～1.0 mm时，随着长度的增长，沙柳枝条抗拉强度和抗剪强度具有显著差异，而当直径增大时，差异不明显。抗弯强度则随枝条长度的增长而增大，这与薛冬梅等[17]的研究结论一致。沙柳枝条在测试径级0.5～2.5 mm时，极限抗拉力均大于抗剪力，表明沙柳枝条易破坏的外力类型为剪切力，这与李有芳等[27]关于4种植物生长旺盛期根系易受损的外力类型研究中关于沙柳的研究结论相反，即在生长旺盛期，造成沙柳根系易损的外力类型为轴向拉力，分析原因可能与枝条含水率密切相关。生长旺盛时期根系含水率较高，细胞间水分子联系较紧密，有待进一步研究。

表4 沙柳枝条主要化学组分含量随直径变化表Table 4 Changes of the content of main chemical components of Salix psammophila branches with diameter

表5 沙柳枝条抗拉、剪切和抗弯强度与其化学组分相关性检验Table 5 Correlation test of tensile, shear and flexural strength of Salix psammophilabranches and their chemical components

4 结 论

沙柳枝条在测试直径0.5～2.5 mm时，3种长度梯度60、80和100 mm下，其极限抗拉力、抗拉强度、抗剪力、抗剪强度、抗弯力、抗弯强度在不同径级间总体呈显著差异(P<0.05)。表明直径是影响枝条力学特性的重要因子。3种长度梯度下枝条抗拉力(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)、抗弯力(1.02～3.54、0.87～3.94和1.12～8.29 N)随着直径的增大而增大，极限抗拉强度(8.96～66.19、14.85～58.43、16.65～62.60 MPa)、抗剪强度(8.04～39.87、4.60～23.33、6.52～21.29 MPa)、抗弯强度(1 566.46～46.71、1 260.49～53.26、1 720.04～133.52 MPa)随着直径的增大而减小。枝长不同、外力类型不同则直径-应力关系曲线既有相同之处也有区别。枝条抗拉强度和抗剪强度随着枝条长度的增加，在直径为0.5～1.0 mm时，沙柳枝条抗拉强度和抗剪强度具有显著差异，而当直径增大时，差异不明显。而抗弯强度随着长度的增长而增大，表明长度对枝条抗弯力学特性有明显影响。

在测试径级0.5～2.5 mm，沙柳枝条极限抗拉力均值(51.684±4.698) N>抗剪力均值(36.560±3.323) N；极限抗拉强度均值(38.248±18.367) MPa>抗剪强度均值(30.127±2.739) MPa，表明沙柳枝条易破坏的外力类型为剪切力。

在测试径级0.5～2.5 mm，沙柳枝条主要化学组分纤维素、半纤维素、木质素含量在不同径级间总体表现为差异性显著(P<0.05)，且随着直径的增大纤维素、半纤维素含量均呈现减小的变化，木质素含量随着直径的增大呈现增大的变化。枝条极限抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度与纤维素、半纤维素含量总体呈现显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关，与木质素含量呈显著正相关(P<0.05)。表明沙柳枝条抗拉、抗剪和抗弯强度的发挥其中纤维素和半纤维素含量起重要作用，其次是木质素含量。关于这点还需要结合枝条的微观解剖结构进行进一步研究。