4種植物直根抗折力和抗折強(qiáng)度的研究

張 欣,劉 靜,鄭永剛,尹瑞平,吳永勝,郭建英

(1.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所,呼和浩特 010020; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010019)

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4種植物直根抗折力和抗折強(qiáng)度的研究

張 欣1,劉 靜2,鄭永剛2,尹瑞平1,吳永勝1,郭建英1

(1.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所,呼和浩特 010020; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010019)

以檸條(Caragana microphylla)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、沙柳(Salix psammophila)和白沙蒿(Artemisia sphaerocep)的直根為研究對象，采用TY-8000伺服式強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行兩端固定式折斷試驗，研究了土體內(nèi)的根系受到徑向折斷力作用時，不同徑級直根的抗折力和抗折強(qiáng)度。結(jié)果表明：在1～6 mm徑級范圍內(nèi)，4種植物直根抗折力隨根徑的增加均呈冪函數(shù)增長趨勢，抗折強(qiáng)度隨根徑的增加呈冪函數(shù)減小趨勢；在a=0.05的顯著水平下，4種植物直根平均抗折力、抗折強(qiáng)度種間差異性均顯著。隨著徑級的增加，檸條、沙柳、沙棘和白沙蒿4種植物直根平均抗折力范圍分別為(79±5.8)～(1 119±104.46)，(32±6.12)～(410±36.1)，(12±1.5)～(141±6.2)，(8±1.2)～(100±2.56)N，直根平均抗折強(qiáng)度范圍分別為(62±9.68)～(43±4.01)，(25±3.82)～(15±1.42)，(8±1.01)～(6±1.29)，(6±0.61)～(4±0.14)MPa。1～6 mm徑級范圍內(nèi)，4種植物種內(nèi)徑級間平均最大折斷變形量差異性不大，平均最大折斷變形量排序為檸條(16.77 mm)>沙柳(14.7 mm)>沙棘(11.22 mm)>白沙蒿(8.68 mm)。

直根; 抗折特性; 徑級

近年來，隨著國家逐步加大對基礎(chǔ)工程建設(shè)項目的投資力度，公路、鐵路建設(shè)項目持續(xù)增多。在山區(qū)道路工程建設(shè)中，坡面的開挖必定破壞已有的植被覆蓋層，可能導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的水土流失以及產(chǎn)生大量次生裸地現(xiàn)象，同時造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，邊坡巖土體的滑坡、崩塌、泥石流等的失穩(wěn)破壞形式還會間接給人民生命以及財產(chǎn)帶來巨大的損失。

在邊坡穩(wěn)定方面，植物措施已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前眾多研究主要集中于根系提高土壤抗沖性、抗剪性以及根系抗拉特性等方面進(jìn)行研究，以此作為根系固土機(jī)理以及邊坡防護(hù)樹種的選擇依據(jù)。根系在土壤中主要起到錨固[4-5]和加筋作用，由于根系呈網(wǎng)絡(luò)狀分布生長在土壤中，與無根土相比，根—土復(fù)合體的抗剪能力明顯提高[6]，穿插生長在土體中的植物根系通過提高根—土接觸面的摩擦力，進(jìn)而直接導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度[7]增加。根系在與土壤顆粒緊密結(jié)合，不僅能加固土壤的穩(wěn)定性，同時從土壤中吸收大量的水分、養(yǎng)分來促進(jìn)植物生長發(fā)育，也將使植物根系牢牢穿插于土壤中，起到保持水土以及固定流沙的作用[8]。

穿插生長在土壤中的根系，當(dāng)外界施加垂直于根軸線的徑向作用力時，由于施力點(diǎn)兩端根系穿插其中，根系則表現(xiàn)出抗折性能，我們把上述根系抵抗斷裂的力稱為抗折力，對應(yīng)的強(qiáng)度稱為抗折強(qiáng)度。到目前為止，國內(nèi)外基于根系的抗彎折研究甚少，且試驗大多采用懸臂梁(一端固定)、3點(diǎn)彎曲和4點(diǎn)彎曲(兩端不固定)方法進(jìn)行試驗研究。本試驗采用兩端固定式折斷法進(jìn)行上述模擬試驗研究，目前尚未見報道。

因此，本試驗以檸條(Caragana microphylla)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、沙柳(Salix psammophila)、白沙蒿(Artemisia sphaerocep)的直根為研究對象，運(yùn)用兩端固定折斷試驗分析4種植物抗折力及其抗折強(qiáng)度，以及折斷變形過程中4種植物直根平均最大折斷變形量，以此來探明4種植物抗折能力和差異性。此項研究將為分析根系固土機(jī)理以及邊坡防護(hù)樹種的選擇等實(shí)踐應(yīng)用方面提供一定的理論依據(jù)。

1　試驗材料與方法

1.1根系采集

本試驗樣地位于內(nèi)蒙古磴口縣，此地是典型的沙漠地區(qū)，植被類型主要以檸條、沙柳等灌木為主，本試驗所需的4種植物主要集中在各林場范圍內(nèi)。本試驗在磴口縣第4林場選擇生長良好的林地作為試驗樣地，每種植物分別隨機(jī)選取生長良好的30株待測植株，測其冠幅、株高和地徑，分別計算其平均值，最后在樣地內(nèi)選取與平均值相近的標(biāo)準(zhǔn)株挖掘其根系。在根系生長初期的5—6月份采集3～4年生檸條、沙棘、沙柳、白沙蒿根系。在標(biāo)準(zhǔn)株基徑大約2 m處繞樹1圈挖1.5 m深的圓形剖面，采用收縮法由外逐漸向內(nèi)挖，同時進(jìn)行根系的采集，挖掘時盡量不要破壞根系，以免影響根系的力學(xué)性能。根系挖出后裝在塑料袋內(nèi)用濕沙覆蓋帶回實(shí)驗室內(nèi)，再放于4℃恒溫箱內(nèi)保證其濕度，盡快完成試驗。

1.2根系制備

首先，將野外取回的根系進(jìn)行水洗，對根系進(jìn)行生命活性的篩選，通過根皮脫落、根顏色等將死根去除。然后選擇徑向通直、直徑均勻的根系作為試驗根系。依照根系直徑大小，每種植物按照0.5 mm為1個徑級間隔，從1～8 mm逐級劃分。試驗根總長不小于80 mm，其中試驗部分為40 mm。對每根根系的中點(diǎn)以及中點(diǎn)兩側(cè)20 mm處進(jìn)行標(biāo)記，用游標(biāo)卡尺測量試驗根上的3個標(biāo)記點(diǎn)處的直徑(每隔120°測量1次)，然后取斷裂點(diǎn)直徑的平均值作為該試驗根抗折強(qiáng)度計算中直徑的大小，每1徑級制備不少于30根待測根。

1.3試驗儀器與抗折強(qiáng)度的計算

本試驗使用TY-8000伺服式強(qiáng)力機(jī)以及自制夾具(內(nèi)蒙古大學(xué)機(jī)械廠制造)，采用兩端固定折斷法研究根系的抗折特性。夾持點(diǎn)位于根段中點(diǎn)往外2 cm處，施力點(diǎn)位于根段中點(diǎn)，壓頭位于施力點(diǎn)上方，與試驗根垂直。調(diào)節(jié)強(qiáng)力機(jī)和聯(lián)機(jī)軟件的相關(guān)參數(shù)并開始試驗，強(qiáng)力機(jī)自動記錄力—位移關(guān)系曲線圖?？拐蹚?qiáng)度計算公式如下：

(1)

式中：σ表示抗折強(qiáng)度(MPa)；F表示根被折斷的峰值(N)；D表示根系平均直徑(mm)。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

本試驗利用Excel 2003，SPSS 18.0軟件，采用回歸分析法對植物單根抗折力與根徑、抗折強(qiáng)度與根徑的關(guān)系進(jìn)行研究。采用方差分析法對不同植物相同直徑時，抗折力與抗折強(qiáng)度的種間差異進(jìn)行研究；不同直徑時，相同植物抗折力與抗折強(qiáng)度進(jìn)行研究。

2　結(jié)果與分析

2.1結(jié)果與分析

2.1.14種植物抗折力與根徑的關(guān)系1～6 mm徑級范圍內(nèi)，隨著直徑的增加，4種植物直根抗折力均表現(xiàn)出明顯的增長趨勢(圖1)。在0.05的顯著水平下，4種植物種內(nèi)不同徑級間抗折力均呈現(xiàn)較顯著差異(p<0.05)，并且在相同根徑下，種間抗折力同樣呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.01)，通過表1的多重比較結(jié)果顯示，沙棘和白沙蒿抗折力差異性不大，但就數(shù)值，同徑級下沙棘抗折大于白沙蒿(圖1)。

圖1　4種植物直根抗折力

通過對4種植物抗折力與直徑的回歸擬合分析得出圖1中的回歸模型，4種植物抗折力與直徑關(guān)系均呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.97。在1～6 mm徑級范圍內(nèi)，對表中4種植物的回歸模型進(jìn)行商比得出：F1(x)=y檸條/y沙柳=2.3711x0.0908>1，F(xiàn)2(x)=y沙柳/y沙棘=3.0234x-0.047>1，F(xiàn)3(x)=y沙棘/y白沙蒿=1.4179x0.0232>1。從以上的商比得出，在1～6 mm徑級范圍內(nèi)，4種植物直根抗折力比較結(jié)果為檸條>沙柳>沙棘>白沙蒿。從圖1中還可以看出，4種植物中檸條的擬合函數(shù)曲線斜率與其他3種植物相比變化幅度比較大，即曲線坡度最陡，說明檸條徑級間抗折能力的差異性最為明顯，且在相同直徑時，曲線所對應(yīng)的檸條抗折力始終為最大，其次為沙柳，然后為沙棘，最小為白沙蒿。

表1　4種植物抗折力種間多重檢驗

注：方差分析所用數(shù)據(jù)為1～6 mm徑級范圍內(nèi)，不同植物各徑級抗折力的均值(40組數(shù)據(jù))。

隨著徑級的增加，檸條、沙柳、沙棘和白沙蒿直根平均抗折力范圍分別為(79±5.8)～(1 119±104.46)，(32±6.12)～(410±36.1)，(12±1.5)～(141±6.2)，(8±1.2)～(100±2.56)N。4種植物中檸條的抗折力最大，對于抵抗折斷的能力最為明顯。

2.1.24種植物抗折強(qiáng)度1～6 mm徑級范圍內(nèi)，4種植物抗折強(qiáng)度與直徑呈現(xiàn)不同程度的冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)。隨著徑級的增加，檸條、沙柳、沙棘和白沙蒿直根平均抗折強(qiáng)度范圍分別為(62±9.68)～(43±4.01)，(25±3.82)～(15±1.42)，(8±1.01)～(6±1.29)，(6±0.61)～(4±0.14)MPa。通過對4種植物抗折強(qiáng)度與直徑回歸擬合得出(圖2)，4種植物抗折強(qiáng)度與直徑均呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.6～0.7。

從圖2中還可以看出，檸條抗折強(qiáng)度擬合曲線的坡度同樣為4種植物中最陡，斜率最大，在α=0.05水平下，4種植物種內(nèi)不同直徑時抗折強(qiáng)度差異性顯著(p<0.05)，且4種植物種間的抗折強(qiáng)度存在極顯著差異(p<0.001)；沙棘和白沙蒿的斜率變化不大，通過種間進(jìn)一步的兩兩對比發(fā)現(xiàn)，沙棘與白沙蒿的抗折強(qiáng)度之間差異性不大(p>0.05)，但就數(shù)值上來看沙棘大于白沙蒿。在1～6 mm相同徑級范圍內(nèi)，4種植物直根平均抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出檸條>沙柳>沙棘>白沙蒿。

圖2　4種植物直根抗折強(qiáng)度

因此，由以上分析得出，4種植物直根抗折強(qiáng)度在1～6 mm徑級范圍內(nèi)表現(xiàn)出，檸條的抗折強(qiáng)度最大，白沙蒿最小，并且直徑越小，4種植物的抗折強(qiáng)度越大，也就是說4種植物的細(xì)根(d<2 mm)在抵抗土體下滑方面的能力比粗根更強(qiáng)。

2.1.34種植物最大折斷變形量從表2可以看出，在1～6 mm徑級范圍內(nèi)，4種植物種內(nèi)徑級間平均最大折斷變形量差異性不大，由此可以說明，同種植物根系受外界作用力時，不同徑級根系所表現(xiàn)出的最大緩沖位移幾乎接近，所能阻礙土體下滑最大限度基本相近。4種植物1～6 mm直根平均最大折斷變形量排序均為檸條(16.77 mm)>沙柳(14.7 mm)>沙棘(11.22 mm)>白沙蒿(8.68 mm)，由此可以說明，同徑級4種植物中檸條阻礙土體下滑最大緩沖位移為最大，能力最強(qiáng)，白沙蒿最弱。在土體下滑過程中，由于根系固持在土體中，對土體下滑有緩沖作用。從以上分析得出，在外界因素相同情況下，4種植物中檸條對于提高土體的緩沖位移最大，緩沖能力最強(qiáng)，沙柳其次，沙棘第三，白沙蒿最次。這一指標(biāo)可以作為最優(yōu)邊坡防護(hù)植物種的評價指標(biāo)之一。

表2　不同徑級時4種植物平均最大折斷變形量　mm

注：以上所用數(shù)據(jù)均為TY-8000強(qiáng)力機(jī)在試驗根系斷裂時記錄的最大下行位移。

3　討論與結(jié)論

3.1討 論

4種植物的抗折力與直徑呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，抗折強(qiáng)度與直徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與包括本試驗組在內(nèi)的許多學(xué)者對根系抗拉特性的結(jié)果相似。邊坡失穩(wěn)時，雖然粗根與細(xì)根相比需要更大力才能被折斷，但是細(xì)根的抗折強(qiáng)度明顯比粗根大。粗根同錨桿一樣穿插生長在坡面上，能使根系與土體緊密結(jié)合，從而使邊坡更加穩(wěn)定，其作用機(jī)理同鋼筋混凝土相似[9]；而細(xì)根則是起到加筋作用[10]，細(xì)根的總量多，根系分泌粘質(zhì)物能夠使根系與土體更加緊密連接，形成微團(tuán)聚體，改變土壤的理化性質(zhì)[11]，粗根和細(xì)根的完美結(jié)合對坡面穩(wěn)固起到重要的貢獻(xiàn)[12]。

4種植物中直根平均抗折強(qiáng)度檸條為最大62～43 MPa，約為沙柳的2.5倍，沙棘的8倍，白沙蒿的10倍，因此，在相同外界折斷力的作用下，檸條抵抗折斷的能力更強(qiáng)。4種植物中檸條不僅在抗折力和抗折強(qiáng)度最大，而且通過2.1.3的研究結(jié)果顯示，檸條的平均最大折斷變形量也為最大，外界作用力下其根系自身的緩沖能力最強(qiáng)，這在實(shí)踐應(yīng)用中具有至關(guān)重要的作用，在土體下滑過程中，相同情況下，由于檸條的緩沖能力最強(qiáng)，能夠使坡面發(fā)生徹底滑落所需要的時間延長，相比其他3種植物更有利于穩(wěn)固邊坡。不同植物種之間的力學(xué)差異可歸結(jié)為根系內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成，研究結(jié)果表明根系抗拉強(qiáng)度同纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、果膠以及根系生物學(xué)性狀有關(guān)[13-14]，這也許是影響4種植物抗折力學(xué)差異的實(shí)質(zhì)原因，有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，單從根系抗折性能角度分析4種植物中檸條為最優(yōu)邊坡防護(hù)樹種，沙柳和沙棘居中，白沙蒿最差。檸條不僅在抗折性能上優(yōu)于其他3種植物，且本試驗組苑淑娟[15]采用拉伸試驗方法，在室內(nèi)對檸條、沙柳、沙地柏和白沙蒿4種植物直根抗拉力學(xué)特性研究結(jié)果表明，檸條的抗拉力及其抗拉強(qiáng)度均大于其他3種植物。由此說明檸條為邊坡防護(hù)最優(yōu)樹種。

3.2結(jié) 論

在1～6 mm徑級范圍內(nèi)，檸條、沙柳、沙棘和白沙蒿4種植物直根抗折力隨著徑級的增大均呈現(xiàn)出不同程度冪函數(shù)增長趨勢，直根抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同程度冪函數(shù)減小趨勢。4種植物直根平均抗折力、抗折強(qiáng)度種間差異性顯著。4種植物直根平均抗折力和平均抗折強(qiáng)度范圍各不相同，隨著徑級的增加，檸條、沙柳、沙棘和白沙蒿4種植物直根平均抗折力范圍分別為(79±5.8)～(1 119±104.46)，(32±6.12)～(410±36.1)，(12±1.5)～(141±6.2)，(8±1.2)～(100±2.56)N，直根平均抗折強(qiáng)度范圍分別為(62±9.68)～(43±4.01)，(25±3.82)～(15±1.42)，(8±1.01)～(6±1.29)，(6±0.61)～(4±0.14)MPa。4種植物種內(nèi)徑級間平均最大折斷變形量差異性不大，1～6 mm平均最大折斷變形量排序均為檸條(16.77 mm)>沙柳(14.7 mm)>沙棘(11.22 mm)>白沙蒿(8.68 mm)。

[1]張俊云,周德培.紅層泥巖邊坡生態(tài)防護(hù)機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(2):250-256.

[2]高德彬,倪萬魁,楊泓全.黃土地區(qū)公路路塹高邊坡植物防護(hù)探討[J].路基工程,2007(5):125-127.

[3]江鋒,張俊云.植物根系與邊坡土體間的力學(xué)特性研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2008,19(1):57-61.

[4]晏益力,宋云.植物根系—土體的相互作用力學(xué)模型[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,15(2):10-11.

[5]王庫.植物根系對土壤抗侵蝕能力的影響[J].土壤與環(huán)境,2001,10(3):250-252.

[6]李紅麗,董智,王林和,等.渾善達(dá)克沙地榆樹根系分布特征及生物量研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2002,16(4):99-105.

[7]李為萍,史海濱,胡敏.沙地柏根系徑級對根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響[J].土壤通報,2012,43(4):934-937.

[8]封金財,王建華.植物根的存在對邊坡穩(wěn)定性的作用[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2003,20(5):42-45.

[9]Stokes A,Atger C,Bengough A G,et al.Desirable plant root traits for protecting natural and engineered slopes against landslides[J].Plant and Soil,2009,324(1/2):1-30.

[10]陳麗華.林木根系固土力學(xué)機(jī)制[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[11]王韻秋,郝紹卿,于得榮,等.老參地土壤理化性狀的變化[J].特產(chǎn)研究,1979(3),1-9.

[12]Waldron L J,Dakessian S.Effect of grass,legume,and tree roots on soil shearing resistance[J].Soil Science Society of America Journal,1982,46(5):894-899.

[13]喬娜,余芹芹,盧海靜,等.寒旱環(huán)境植物護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)與根系化學(xué)成分響應(yīng)[J].水土保持研究，2012,19(3):108-113.

[14]羅春燕,吳楚,蘆光新,等.三江源區(qū)植物根—土復(fù)合體的抗拉拔力特征及影響因素分析[J].水土保持研究,2014,21(5):260-266.

[15]苑淑娟.4種植物單根抗拉力學(xué)特性的研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

Study on the Anti-Fracture Mechanical Properties of Four Kinds of Straight Roots

ZHANG Xin1,LIU Jing2,ZHENG Yonggang2,YIN Ruiping1,WU Yongsheng1,GUO Jianying1

(1.Institute of Water Conservancy Science,Ministry of Water Resources in Inner Mongolia,Hohhot 010020, China； 2.College of Ecology and Environmental Science,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010019,China)

Fixed-ends broken experiments were set up by the TY-8000 servo-type powerful machine in this study,the straight roots of Caragana microphylla,Hippophae rhamnoides,Salix psammophila and Artemisia sphaerocep were used as test material to find the difference about anti-fracture forces,the anti-fracture strength between straight roots of diameter grade while the roots in the soil body was affected by the radial fracture force perpendicular to the axis of the root.The result showed that within the scope of the 1～6 mm diameter,anti-fracture forces of straight root had a power growing pattern with the increase of root diameter,but anti-fracture strength reversed; there were significant differences on the average anti-fracture forces,anti-fracture strength of taproot of four kinds plant species under significant level a=0.05.With the diameter increase,the range of the average anti-fracture forces of four kinds of plants taproot of Caragana microphylla,Salix psammophila,Hippophae rhamnoides and Artemisia sphaerocep were (79±5.8)～(1 119±104.46),(32±6.12)～(410±36.1),(12±1.5)～(141±6.2),(8±1.2)～(100±2.56)Newton,while the ranges of the average anti-fracture strength of four kinds of plants taproot of Caragana microphylla,Salix psammophila,Hippophae rhamnoides and Artemisia sphaerocep were (62±9.68)～(43±4.01),(25±3.82)～(15±1.42),(8±1.01)～(6±1.29),(6±0.61)～(4±0.14)MPa,respectively.Within the scope of the 1～6 mm diameter,the average of maximum broken deformation was no difference between 4 plants,the order of the average of maximum broken deformation was Caragana microphylla(16.77 mm)>Salix psammophila(14.7 mm)>Hippophae rhamnoides(11.22 mm)>Artemisia sphaerocep(8.68 mm).

straight root; anti-fracture features; diameter grade

2015-08-06

2015-11-06

國家自然科學(xué)基金“根系固土抗蝕受損后自我修復(fù)的力學(xué)特性”(51364034);內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科研專項“神東煤礦采煤塌陷區(qū)水土保持植被配置應(yīng)用研究”

張欣(1972—),女,河北青河縣人,碩士研究生,研究方向為水土保持研究。E-mail:nmmkszx@163.com

劉靜(1958—),女,湖北鐘祥人,博士,教授,主要從事水土保持研究。E-mail:Ljing58@126.com

Q947.6

A

1005-3409(2016)05-0338-05