王榮，張貞，王暉，張坤強(qiáng)，沈向

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

4種待選蘋(píng)果砧木與4種常見(jiàn)蘋(píng)果砧木力學(xué)特性的比較研究

王榮1，張貞1，王暉2，張坤強(qiáng)2，沈向1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

為選擇優(yōu)良蘋(píng)果砧木資源，以4種待選砧木(SD1、SD2、SD3、SD4)和4種生產(chǎn)常用砧木(平邑甜茶、八棱海棠、圓葉海棠、M26)為試驗(yàn)材料，利用精密型微控電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮和拉伸特性試驗(yàn)，利用微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，比較了待選和常用蘋(píng)果砧木的力學(xué)特性。結(jié)果表明：蘋(píng)果砧木順紋抗壓強(qiáng)度20.36～29.40 MPa，待選砧木SD1、SD3的抗壓強(qiáng)度(29.40、28.79 MPa)極顯著大于生產(chǎn)常用砧木平邑甜茶(26.61 MPa)和M26(23.01 MPa)；蘋(píng)果砧木順紋抗拉強(qiáng)度37.53～57.37 MPa，SD1、SD2的抗拉強(qiáng)度(56.63、57.37 MPa)極顯著大于圓葉海棠(37.53 MPa)、M26(47.73 MPa)；蘋(píng)果砧木抗扭強(qiáng)度22.04～30.43 MPa，待選砧木SD2的抗扭強(qiáng)度極顯著大于其他砧木，而SD3、SD1和SD4則與平邑甜茶、M26的抗扭強(qiáng)度差異不顯著。綜上所述，待選砧木的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等基本力學(xué)指標(biāo)均不差于生產(chǎn)常用砧木，符合生產(chǎn)上果樹(shù)砧木力學(xué)性能的要求。

蘋(píng)果砧木；力學(xué)特性；壓縮試驗(yàn)；拉伸試驗(yàn)；扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

AbstractTo select excellent apple rootstock resources, using four rootstocks (SD1, SD2, SD3, SD4) as candidate rootstocks and four apple stocks commonly used in production (Malushupehensis(Pamp.) Rehd.,MalusrobustaRehd.,Malus26) as materials, the mechanical characteristics were researched. The compression test and tensile property test were conducted with the accurate micro-controlled electronic universal testing machine, and the torsion test was conducted with the microcomputer control electron torsion testing machine. The results were as follows. The compressive strength parallel to grain of apple rootstocks ranged from 20.36 MPa to 29.40 MPa. The compressive strength of SD1 (29.40 MPa) and SD3 (28.79 MPa) were highly significantly greater than that ofMalushupehensis(26.61 MPa) andMalus26 (23.01 MPa). The tensile strength parallel to grain of apple rootstocks ranged from 37.53 MPa to 57.37 MPa and that of SD1 (56.63 MPa), SD2 (57.37 MPa) were all significantly or very significantly greater than that ofMalusprunifoliavar.ringo(37.53 MPa) andMalus26 (47.73 MPa). The torsional strength of apple rootstocks ranged from 22.04 MPa to 30.43 MPa, and that of SD2 (30.43 MPa) was highly significantly greater than that of other apple rootstocks, while SD3 (25.68 MPa), SD1 (24.90 MPa) and SD4 (24.54 MPa) had no significant differences withMalushupehensis(25.53 MPa) andMalus26 (24.33 MPa). In conclusion, the basic mechanics indexes of candidate rootstocks were not inferior to common apple rootstocks in production, and satisfied the requests in production.

KeywordsApple rootstock; Mechanical property; Compression test; Tensile test; Torsion test

蘋(píng)果(Malusdomestica)是世界上重要的果樹(shù)栽培樹(shù)種，我國(guó)是世界上最大的蘋(píng)果生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，目前蘋(píng)果栽培面積近232.8萬(wàn)公頃，年產(chǎn)蘋(píng)果4 261萬(wàn)噸[1、2]。砧木直接影響蘋(píng)果樹(shù)體的生長(zhǎng)、結(jié)果、抗逆性和結(jié)果壽命，在其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有重要的作用[3，4]。寬行密植高產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，使果樹(shù)樹(shù)冠變小，樹(shù)干變高，這就要求果樹(shù)砧木抵抗外力的能力增強(qiáng)，因此，砧木物理力學(xué)性質(zhì)就成為砧木培育中不得不考慮的問(wèn)題。砧木作為蘋(píng)果樹(shù)的重要組成部分，近年來(lái)的研究主要集中在生物學(xué)特性、根系構(gòu)型、抗性及矮化性能等方面[9-12]，尚未見(jiàn)有關(guān)蘋(píng)果砧木物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究方面的報(bào)道。參照國(guó)內(nèi)外荔枝(LitchichinensisSonn)、棉花(Gossypiumspp.)、沙柳(Salixpsammophila)等植物力學(xué)特性的研究方法[13-19]，我們開(kāi)展了對(duì)待選蘋(píng)果砧木和生產(chǎn)常用蘋(píng)果砧木力學(xué)特性參數(shù)的研究和比較，獲取其順紋抗壓縮、抗拉伸和抗扭強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，旨在為選擇優(yōu)良蘋(píng)果砧木資源、實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試8種蘋(píng)果砧木見(jiàn)表1。采樣地點(diǎn)為山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)蘋(píng)果工程中心，采樣時(shí)間為2014年3月26日(休眠期)。隨機(jī)選取盡可能通直、無(wú)病蟲(chóng)害、少分枝的砧木枝條，備用。

1.2試驗(yàn)方法

將選取的砧木枝條經(jīng)鋸解、刨削及手刻等制成試件，試件要求：長(zhǎng)度為順紋方向，各端面平整，端部對(duì)面的年輪大致平行，并與其相對(duì)面的棱相互垂直，且無(wú)明顯可見(jiàn)的缺陷。試件的制作參照GB/T1935—2009[20]略有改動(dòng)，試件規(guī)格見(jiàn)表2，試件直徑和長(zhǎng)度的公差均為±0.50 mm。試驗(yàn)方法參照木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法總則GB/T1928—2009及相關(guān)研究試驗(yàn)方法[21]。試驗(yàn)所用儀器設(shè)備如下：微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(WDW-5E濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司)、微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、真空干燥箱(DZF-6050上海博訊事業(yè)有限公司)、電子天平、游標(biāo)卡尺、卷尺和普通木工鋸刨機(jī)械等。

表1 8種供試蘋(píng)果砧木

表2試件規(guī)格

壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)束后立即將試樣破壞后的小塊部分稱重，參照GB/T1931—2009的規(guī)定，采用烘干法測(cè)定試樣含水率：即先將試樣稱重，精確至0.001 g，然后將同批試樣一并放入烘箱中，(103±2)℃烘8 h后，從中選擇2～3個(gè)試樣進(jìn)行一次試稱，之后每隔2 h稱量所選試樣1次，直至前后兩次稱量之差不超過(guò)試樣質(zhì)量的0.5%時(shí)即可，然后計(jì)算含水率[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1順紋壓縮試驗(yàn)結(jié)果

選3組砧木試件的壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖1所示，可以看出，隨著試驗(yàn)力的增大，砧木試件逐漸達(dá)到破壞極限。在這一過(guò)程中，試驗(yàn)力和試件變形的最初變化(變形1.0 mm之前)近乎直線，且有明確的比例極限，而該線性段的斜率即為試件的順紋抗壓彈性模量(試驗(yàn)機(jī)衡量變形忽略不計(jì))；當(dāng)試驗(yàn)力達(dá)到S點(diǎn)時(shí)，試件表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋，該點(diǎn)即為試件的比例極限點(diǎn)；超過(guò)S點(diǎn)后，增加試驗(yàn)力，變形增加，但試驗(yàn)力增幅減小。比例極限點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度的測(cè)定點(diǎn)[21]，故以S點(diǎn)的值為本試驗(yàn)蘋(píng)果砧木試件的抗壓極限載荷。

圖1 順紋壓縮曲線

順紋壓縮試驗(yàn)8種砧木共40個(gè)試樣，每種砧木5個(gè)試樣作為重復(fù)。由圖2可以看出，順紋壓縮試樣的抗壓彈性模量值的波動(dòng)范圍明顯大于其抗壓強(qiáng)度值的波動(dòng)范圍，這表明不同試樣的抗壓彈性模量相差較大，抗壓強(qiáng)度則比較接近。

由表3可以看出，供試蘋(píng)果砧木順紋抗壓強(qiáng)度的差異達(dá)到極顯著水平。待選砧木SD1、SD3的抗壓強(qiáng)度分別為(29.40±0.54)MPa和(28.79±1.02)MPa，都極顯著大于生產(chǎn)中常用的蘋(píng)果砧木；圓葉海棠的抗壓強(qiáng)度最小，為(20.36±0.71)MPa，除與待選砧木SD4的抗壓強(qiáng)度無(wú)顯著差異外，極顯著或顯著小于其他蘋(píng)果砧木；待選砧木SD2的抗壓強(qiáng)度極顯著小于SD1、SD3，極顯著大于SD4，而與八棱海棠的抗壓強(qiáng)度無(wú)顯著差異，但與平邑甜茶差異顯著。

壓縮試驗(yàn)完成后進(jìn)行試件含水率測(cè)定，結(jié)果顯示，8種蘋(píng)果砧木試件的含水率平均值在34.55%～40.53%之間，總變異系數(shù)為4.85%。

圖2 8種蘋(píng)果砧木的順紋抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量

表3 8種蘋(píng)果砧木的順紋抗壓強(qiáng)度及含水率比較

砧木抗壓強(qiáng)度(MPa)5%顯著水平1%顯著水平含水率(%)變異系數(shù)(%)SD129.40±0.54aA33.69～37.863.40SD328.79±1.02aA34.04～35.000.63平邑甜茶26.61±1.00bB36.42～39.141.77SD225.26±0.18cBC38.69～41.962.84八棱海棠24.77±0.47cCD35.26～35.994.05M2623.01±1.00dDE36.94～37.372.33SD421.38±0.72eEF35.02～37.753.33圓葉海棠20.36±0.71eF36.20～37.405.03

2.2順紋拉伸試驗(yàn)結(jié)果

順紋拉伸試驗(yàn)8種砧木共40個(gè)試樣，每種砧木5個(gè)試樣作為重復(fù)。拉伸過(guò)程中，隨著試驗(yàn)力的增大，試件變形逐漸增加(見(jiàn)圖3)，至試件微觀組織開(kāi)始破壞時(shí)，試驗(yàn)力達(dá)到極限，即為拉伸強(qiáng)度。8種供試蘋(píng)果砧木的抗拉強(qiáng)度差異達(dá)到極顯著水平(表4)。其中，待選砧木SD2的抗拉強(qiáng)度為(57.37±0.91)MPa，最大，其次是SD1和SD4，三者間差異不顯著，但都極顯著大于圓葉海棠的抗拉強(qiáng)度；SD3的抗拉強(qiáng)度與SD4差異不顯著，但顯著小于SD2、SD1的抗拉強(qiáng)度，極顯著大于圓葉海棠的抗拉強(qiáng)度。

圖3 試樣SD3拉伸試驗(yàn)中試驗(yàn)力隨位移的變化

拉伸試驗(yàn)完成后進(jìn)行試件含水率測(cè)定。從表4可以看出，拉伸試驗(yàn)試件的含水率在34.66%～40.00%范圍內(nèi)，總變異系數(shù)為3.30%。

表4 8種蘋(píng)果砧木的抗拉強(qiáng)度及其含水率比較

砧木抗拉強(qiáng)度(MPa)5%顯著水平1%極顯著水平含水率(%)變異系數(shù)(%)SD257.37±0.91aA39.80～40.001.59SD156.63±2.81abAB36.48～37.794.96SD453.01±2.45abcABC36.22～39.744.63八棱海棠50.48±2.72bcABC37.18～38.175.38SD349.50±0.22cABC34.66～36.590.45平邑甜茶48.33±1.12cBC38.29～38.322.32M2647.73±0.99cC37.03～37.232.08圓葉海棠37.53±1.21dD37.69～38.093.21

2.3扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)8種砧木共40個(gè)試樣，每種砧木5個(gè)試樣作為重復(fù)。結(jié)果(表5)顯示，待選砧木SD2的峰值扭矩最大，為6.073 N·m；八棱海棠的最小，為4.334 N·m。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，試件最大扭矩的最大剪斷力，即抗扭強(qiáng)度。從表5可以看出，待選砧木SD2的抗扭強(qiáng)度最大，為(30.43±1.15)MPa，極顯著地大于其他砧木；其次是SD3，顯著大于圓葉海棠和八棱海棠；待選砧木SD1和SD4的抗扭強(qiáng)度差異不顯著，SD1顯著大于八棱海棠，而SD4與八棱海棠的抗扭強(qiáng)度差異不顯著。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)完成后，進(jìn)行試件含水率的測(cè)定。從表5可以看出，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)試件的含水率在36.48%～42.06%范圍內(nèi)，總變異系數(shù)為3.62%。

表5 8種蘋(píng)果砧木的抗扭強(qiáng)度比較

3 討論

矮化寬行密植栽培模式可控制樹(shù)干大小，減少樹(shù)體消耗，提高生產(chǎn)效率和提早樹(shù)體結(jié)果，是目前蘋(píng)果栽培發(fā)展的總趨勢(shì)。但這一栽培模式易引發(fā)樹(shù)干高度增加，樹(shù)冠減小，遇到勁風(fēng)暴雨，樹(shù)干易被刮斷，造成不可挽回的損失。為此，研究砧木的物理力學(xué)性質(zhì)就成為砧木育種需考慮的重要問(wèn)題之一。

不同樹(shù)種的抗風(fēng)性存在差異，除受生長(zhǎng)速度、樹(shù)冠與根系形態(tài)等因素影響外，樹(shù)木枝干剛?cè)岫纫彩侵匾挠绊懸蜃又籟23]。木材力學(xué)性質(zhì)主要包括抗壓強(qiáng)度(包括順紋壓力和橫紋壓力)、抗拉強(qiáng)度(包括順拉強(qiáng)度和橫拉強(qiáng)度)、抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎模量、沖擊韌性、硬度、抗劈力等方面，各指標(biāo)間呈線性正相關(guān)關(guān)系[24，25]。但目前與抗風(fēng)性相關(guān)的木材物理力學(xué)性質(zhì)研究報(bào)道較少，陳綬柱等研究報(bào)道，在木材韌性、易曲性好的情況下，主干及枝條不易折斷，抗風(fēng)性能好[26]。而關(guān)于果樹(shù)砧木抗風(fēng)性的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)得8種蘋(píng)果砧木的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度并予以分析比較，希望能找到數(shù)量化表述果樹(shù)砧木抵抗勁風(fēng)暴雨等自然災(zāi)害的物理力學(xué)指標(biāo)。

本研究結(jié)果表明，蘋(píng)果砧木順紋抗壓強(qiáng)度20.36～29.40 MPa，待選砧木SD1、SD3的抗壓強(qiáng)度極顯著大于其他砧木品種。蘋(píng)果砧木順紋拉伸強(qiáng)度37.53～57.37 MPa，待選砧木SD2、SD1的抗拉強(qiáng)度極顯著大于生產(chǎn)常用砧木圓葉海棠、M26，SD4、SD3的抗拉強(qiáng)度顯著大于圓葉海棠。蘋(píng)果砧木抗扭強(qiáng)度22.04～30.43 MPa，待選砧木SD2的抗扭強(qiáng)度極顯著大于其他砧木，而SD3、SD1和SD4則與平邑甜茶、M26的抗扭強(qiáng)度差異不顯著。

在今后的砧木育種工作中，把砧木力學(xué)參數(shù)作為其考慮因素之一，淘汰物理力學(xué)指標(biāo)差的砧木，可提高砧木育種效率，從根本上減少自然災(zāi)害對(duì)果園造成的經(jīng)濟(jì)損失。本研究結(jié)果以及相關(guān)研究的進(jìn)一步探索，可望使果樹(shù)學(xué)與材料力學(xué)結(jié)合，促進(jìn)果樹(shù)高產(chǎn)砧木、結(jié)果枝研究的定量化，有望給予諸如蘋(píng)果砧木與不同嫁接品種結(jié)合部位的力學(xué)特性、不同嫁接方法植株的力學(xué)特性、結(jié)果枝的彈性模量等力學(xué)的詮釋與定量描述。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)所用4種待選砧木SD1、SD2、SD3和SD4的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度均不輸于生產(chǎn)常用砧木八棱海棠、平邑甜茶、M26和圓葉海棠。因此，4種待選砧木的力學(xué)性能符合生產(chǎn)上果樹(shù)砧木力學(xué)性能的要求，今后可在其嫁接親和力及砧木與品種結(jié)合部位力學(xué)性質(zhì)等方面做進(jìn)一步分析比較。

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[22] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 木材含水率測(cè)定方法 GB/T 1931—2009 [S]. 2009-02-23.

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ComparisonofMechanicalPropertiesofFourCandidateRootstocksandFourCommonAppleStocks

Wang Rong1, Zhang Zhen1, Wang Hui2, Zhang Kunqiang2, Shen Xiang1

(1.CollegeofHorticultureScienceandEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China; 2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineerings,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China)

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.09.009

2017-03-29

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)“我國(guó)重要野生果樹(shù)資源的收集、評(píng)價(jià)與優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)新利用技術(shù)研究與示范”(201303093)；山東省良種產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目“果樹(shù)新資源引進(jìn)開(kāi)發(fā)”(2009-96)

王榮(1987—)，女，在讀博士后，研究方向：果樹(shù)生理學(xué)。E-mail：wangrong201109@163.com

沈向(1966—)，男，教授，研究方向：果樹(shù)生理學(xué)。E-mail:guanshangguoshu@163.com

S661.4

A

1001-4942(2017)09-0046-05