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蔺草 Juncus effusus 属灯心草科 Juncaceae 多年生宿根性草本,俗称席草,原产亚热带,中国、日本、韩国以及东南亚一些国家都有栽培。在中国主要分布于浙江、江苏、安徽、江西、上海及四川等省市。蔺草是一种重要的经济作物,宁波是全国最大的蔺草栽植和草制品加工出口基地,连续数年栽培面积超过10 000 hm2,占全国栽培面积3/5以上,一般草茎干质量为9~12 t·hm-2,年出口创汇近10亿元[1]。目前,蔺草的主要栽培品种有‘冈山3号’‘伊索拉米’‘鄞蔺1号’‘农林1号’‘农林4号’‘宁草’‘白头草’和‘长草’等[2-3]。蔺草茎秆是一种优质天然纤维,具有表面接触性好,吸湿放湿性优越,保温隔热性能强等特点[4]。其茎秆多用于编织榻榻米、草席、草垫、草帽等十大系列百余种日常用品。近年来,中国蔺草种植规模日益扩大,但品种混杂情况严重,极大地影响和限制了蔺草制品的生产需求。因此,培育优质的蔺草品种,对中国蔺草产业的发展极其重要。茎秆的力学性能研究是利用遗传工程改变作物内部结构与机械性能,选育良种的前提[5]。关于农作物茎秆力学特性方面,国内学者主要对小麦 Triticum aestivum,水稻 Oryza sativa,玉米 Zea mays,苎麻 Boehmeria nivea,工业大麻 Cannabis sativa,蓖麻 Ricinus communis 等进行了深入的研究工作,并取得较多的成果[6-11],国外学者也开展了大量的相关研究[12-16],但关于蔺草茎秆力学特性的研究还鲜见报道。本研究以5份蔺草种质为研究对象,通过对蔺草底部茎秆解剖构造和力学特性进行观测测试,分析有关特性的影响因素及其变化规律,为蔺草机械收割技术参数设计提供理论支持,为进一步选育优良蔺草品种及其开发利用提供参考。
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XY001和XY003蔺草底部茎秆的横切面微观结构见图 1,其余3份与这2份相似。可以看出:蔺草底部茎秆的横切面呈圆形或近圆形,5份蔺草种质底部茎秆横切面的基本结构大致相同,分为表皮、基本组织、维管束和髓,基本组织包括同化组织和纤维2部分。最外层为1层表皮细胞构成的表皮,表皮外被角质层。表皮下的5~7层是由排列较为紧密的薄壁细胞和在薄壁细胞之间间隔排列的成束纤维构成的基本组织。基本组织内紧靠表皮的2~3层细胞紧密排列呈栅状,细胞内富含叶绿体,即为同化组织。纤维束沿茎秆切向周围紧靠表皮层与基本组织间隔排列,在蔺草茎秆的横切面上纤维束成楔形,狭的一端径向地伸向基本组织,其大小和伸入的程度不等。大多数纤维束的内侧与外围维管束的外侧相接。维管束分散在基本组织中,数量多,大小不一,大致呈外、中、内3层排列。中、外2层维管束数量多,但其横切面面积小;内层的维管束数量少,但横切面面积大,并向内突入髓部较深。髓部由无数多孔疏松的星状细胞组成,又称海绵组织,位于基本组织和维管束以内,居于茎的中部,占有较大面积。茎秆结构外坚内松,外密内疏,坚韧且富有弹性,吸湿力强。在基本组织的细胞间还存在着与维管束相间排列的数个腔隙道,腔隙道横切面为圆形或椭圆形的空腔。
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5份蔺草种质底部茎秆横切面直径、茎壁厚、茎壁厚/茎半径,以及维管束数目统计结果见表 1。由表 1可见:5份蔺草种质茎秆维管束的总数目为47~58个,其多少的排列顺序为XY004>XY003>XY001>XY002>XY007;横切面直径为3.78~4.09 mm,大小的排列顺序为XY001>XY004>XY007>XY002>XY003;茎壁厚313.20~361.80 μm,其大小的排列顺序为XY004>XY003>XY001>XY007>XY002;茎壁厚/茎半径比值为0.161~0.189,其大小排序为XY003>XY004>XY001>XY007>XY002。方差分析表明:5份蔺草种质之间横切面直径无显著性差异;XY002和XY007之间茎壁厚无显著性差异,与其他3份之间均存在显著性差异(P<0.05);XY003与XY004之间茎壁厚/茎半径无显著性差异,与其他3份之间均存在显著性差异(P<0.05)。
阎早种质 维管束数目/个 横切面直径/mm 茎壁厚/μm 茎壁厚/茎半径 内层 中、外层 总数 XY001 12 41 53 4.09 ± 0.37 a 351.00 ± 29.69 a 0.172 ± 0.008 bc XY002 11 39 50 3.90 ± 0.32 a 313.20 ± 19.14 b 0.161 ± 0.009 c XY003 15 42 57 3.78 ± 0.19 a 358.00 ± 19.90 a 0.189 ± 0.004 a XY004 14 44 58 3.99 ± 0.11 a 361.80 ± 35.73 a 0.181 ± 0.013 ab XY007 10 37 47 3.91 ± 0.28 a 327.40 ± 21.36 ab 0.168 ± 0.006 c 说明:同列数据(平均值±标准差)后面不同小写字母表示5C水平显著差异。 Table 1. Comparison of micro-structure on five rush stems
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XY001和XY003茎秆纤维细胞的形态见图 2,其余3份与这2份相似。可以看出:纤维细胞的长度大小不一,均呈纺锤形,中部较宽,两头较尖。中部粗细均匀,且有较厚的细胞壁,细胞壁上有具缘纹孔。
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5份蔺草种质纤维的长度、宽度、腔径和壁腔比见表 2。由表 2可知:5份蔺草种质的纤维长度为681.47~712.04 μm,宽度为5.58~8.00 μm,腔径为2.34~3.94 μm,壁腔比为1.194~1.556。不同种质纤维的长度和宽度不同,长度的大小排列顺序为XY004>XY001>XY002>XY003>XY007,宽度的大小排列顺序为XY007>XY002>XY004>XY003>XY001。不同种质的壁腔比有明显的差别,大小排列顺序为XY003>XY004>XY001>XY002>XY007。方差分析表明:5份蔺草种质之间纤维长度均无显著差异;XY007与其他4份蔺草的纤维宽度之间均存在显著差异(P<0.05);XY003的壁腔比与XY004之间无显著性差异,与其他3份蔺草均存在显著差异(P<0.05)。
蔺草种质 长度/μm 变异系数 宽度/μm 变异系数 腔径/μm 变异系数 壁腔比 变异系数 XY001 710.59±126.52 a 0.18 5.58±1.08 c 0.19 2.48±0.77 c 0.31 1.373±0.499 bc 0.36 XY002 704.61±146.70 a 0.21 6.54±1.54 b 0.24 3.19±1.29 b 0.41 1.235±0.621 cd 0.50 XY003 684.01±127.55 a 0.19 5.66±1.16 c 0.21 2.34±0.76 c 0.33 1.556±0.583 a 0.38 XY004 712.04±165.58 a 0.23 6.34±1.72 b 0.27 2.67±0.98 c 0.37 1.497±0.521 ab 0.35 XY007 681.47±167.39 a 0.25 8.00±2.59 a 0.32 3.94±1.82 a 0.46 1.194±0.528 d 0.44 Table 2. Comparison of morphology of the rush fiber
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由图 3可以看出:5份蔺草种质纤维长度的分布频率有所差异,但整体分布规律基本相同,集中在350~1 250 μm,其中长度在500~800 μm长的纤维占到了60%以上,小于500 μm和大于800 μm的纤维所占比例很小。
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XY001,XY002,XY003,XY004和XY007的平均含水率分别为10.73%,10.60%,10.52%,9.35%,10.08%,其相应的粗纤维质量分数测定结果见图 4。由图 4可以看出,5份蔺草种质粗纤维的质量分数为35.04%~36.85%,平均为36.20%,不同蔺草种质粗纤维质量分数的百分比有所不同,其高低排列顺序为XY003>XY001>XY004>XY002>XY007。方差分析表明:5份蔺草种质之间粗纤维质量分数无显著差异性(P>0.05)。
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反应茎秆力学性能的指标有拉伸强度、剪切强度、弹性模量、刚性模量以及茎秆的压缩特性等。对5份不同种质蔺草底部茎秆进行抗拉测试,其力学性能指标测试结果见表 3。
蔺草种质 面积/mm2 最大拉力/N 拉伸强度/MPa 拉伸变形量/mm 拉伸弹性模量/MPa XY001 1.80±0.32 b 72.67±9.80 a 41.09±6.37 b 1.04±0.30 a 1 679.66±472.65 bc XY002 1.68±0.33 bc 61.59±7.29 b 38.13±10.23 b 0.94±0.19 a 1 640.58±313.30 bc XY003 1.17±0.11 d 69.06±10.62 ab 59.11±9.48 a 1.04±0.13 a 2 297.10±320.15 a XY004 1.47±0.28 c 72.71±11.06 a 51.52±14.80 a 1.05±0.19 a 1 998.21±611.47 ab XY007 2.24±0.49 a 71.89±12.60 a 33.28±8.44 b 0.93±0.20 a 1 438.23±251.74 c 说明:同列数据(平均值±标准差)后面不同小写字母表示5%水平显著差异。 Table 3. Mechanical properties of stems of five rush genetic resources
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对蔺草茎秆力学性能与微观结构、纤维的壁腔比及粗纤维素含量进行相关性分析,结果如表 3所示。由表 3可以看出:5份蔺草种质底部茎秆的横截面积为1.17~2.24 mm2,最大拉力为61.59~72.71 N,拉伸强度为33.28~59.11 MPa,拉伸变形量为0.93~1.05 mm,拉伸弹性模量为1 438.23~2 297.10 MPa。不同蔺草种质底部茎秆的横截面积有所不同,茎秆横截面积大小的排列为XY007>XY001>XY002>XY004>XY003,XY007的横截面积与其他4份之间均有显著的差异性;不同种质的拉伸强度、拉伸弹性模量有明显差别:拉伸强度的大小排列顺序为XY003>XY004>XY001>XY002>XY007,XY003的拉伸强度与XY001,XY002和XY007之间均有显著性差异,与 XY004之间无明显差异;拉伸弹性模量的大小排序与拉伸强度相同,XY003的拉伸弹性模量与XY001,XY002和XY007之间均有显著性差异(P<0.05)。由表 4可以看出:蔺草茎秆拉伸强度与维管束总数、茎壁厚/茎半径之间均具有极显著正相关关系,与纤维壁腔比呈显著正相关;拉伸弹性模量与维管束总数、茎壁厚/茎半径之间均呈极显著正相关,与纤维壁腔比呈显著正相关;拉伸强度和拉伸弹性模量与粗纤维质量分数之间均呈正相关,但不显著。
维管束总数 茎壁厚/茎半径 纤维壁腔比 粗纤维质量分数 拉伸强度 0.818** 0.740** 0.584* 0.258 拉伸弹性模量 0.724** 0.748** 0.663* 0.398 说明:*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.01) Table 4. Correlation analysis between anatomical structure and mechanical properties