半干旱土石山區(qū)香根草根系抗拉力學(xué)特性研究

王澤鵬

摘要：通過室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，研究了半干旱土石山區(qū)（山西省太原市崛圍山區(qū)）香根草根系杭拉力學(xué)特性，并分析了不同因素對根系杭拉力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明：香根草根徑以0.3～0.9mm為主，根系平均杭拉力為21.94N，平均杭拉強(qiáng)度為91.42mPa，平均彈性模量為4.65mPa；香根草根系極限杭拉力、杭拉強(qiáng)度和彈性模量均與根徑成冪函數(shù)關(guān)系；隨著根徑增大，極限杭拉力增大，但杭拉強(qiáng)度和彈性模量卻減?。幌嗤鶑较?，根系的極限杭拉力、杭拉強(qiáng)度和彈性模量隨著標(biāo)距增大而減??；當(dāng)根徑較小時，不同標(biāo)距間杭拉強(qiáng)度的差異明顯，但隨著根徑的增大，這種差距逐漸減小。

關(guān)鍵詞：香根草；根系；極限杭拉力；杭拉強(qiáng)度；彈性模量

中圖分類號：S157.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.021

植被護(hù)坡作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要手段之一，不僅美觀，而且符合當(dāng)前生態(tài)自然和諧的要求，可以很好地穩(wěn)定邊坡、防治山地災(zāi)害[1-3]。植物根系的固土力學(xué)機(jī)制受到廣泛研究，為覆蓋植被邊坡的穩(wěn)定分析和植被護(hù)坡力學(xué)性能的評價提供了重要的理論支撐[4-8]。

香根草具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長繁殖快、根系發(fā)達(dá)、耐旱耐瘠等特性，能適應(yīng)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬等各種土壤環(huán)境和干旱、漬水、貧瘠等條件，已成為土石山區(qū)穩(wěn)定淺層坡體、保持水土的先鋒植物。雖然近年來對香根草根系分布形態(tài)、抗拉力學(xué)性能開展了一些研究[9-12]，但主要集中在南方濕潤區(qū)域[13-16]，缺乏對半干旱土石山區(qū)香根草根系抗拉力學(xué)特性的研究。

因此，筆者通過對半干旱土石山區(qū)的香根草根系進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，獲得不同根徑和根長的根系極限抗拉力、抗拉強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)，以期為半干旱土石山區(qū)香根草根系抗拉力學(xué)特性研究填補(bǔ)空白，并為植物根系固土力學(xué)機(jī)制研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究根系取樣區(qū)域位于山西省太原市西北24km處的崛圍山區(qū)，該區(qū)平均海拔1352m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，全年無霜期為140d左右，全年日照時間為2500h左右。晝夜溫差較大，年平均溫度8℃，最低氣溫為-28℃，最高氣溫為40℃。年平均降水量為470mm，降雨主要集中在7-9月。崛圍山植被以油松、側(cè)柏和黃護(hù)等林木和香根草、百喜草等草本為主[17]。該區(qū)地表水屬黃河流域汾河水系，汾河一級支流泥屯河、柏板河、楊興河、澗河均在區(qū)內(nèi)匯人汾河。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及工具

試驗(yàn)設(shè)備及工具包括：①電子游標(biāo)卡尺，精確到0.01mm（測量根徑）；②卷尺，精確到1mm（測量根長與標(biāo)距）；③WDW-5型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率20mm/min，加載力精確到0.01N，變形精確到0.001mm（測量單根的抗拉力與抗拉強(qiáng)度）；④自封袋、鐵鏟、鐵鍬等（用于野外根系采集）。

2.2 試驗(yàn)方法

選取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)長勢良好、枝葉繁茂、表面無病害的香根草植株。首先清除選定植株附近的雜物，然后用鏟子小心地將植株挖出。將采集到的根系樣本放置于塑料袋中密封，盡快送至實(shí)驗(yàn)室。為了保證根系活性，每次采集根系樣品當(dāng)天必須測完。

按歐陽前超等[18]采用的方法，將香根草根系從土體中分離后，利用電子游標(biāo)卡尺測量每個根樣的直徑，每個根樣測量3個不同位置的直徑，取其平均值作為最終的直徑值，并將所測草根按直徑大小分組放置，在進(jìn)行不同直徑草根的拉伸試驗(yàn)時，選擇一定數(shù)量草根，確保得到不同直徑根樣的有效拉伸力學(xué)數(shù)據(jù)。根據(jù)根系測量結(jié)果，選定60、80、100cm三個不同的標(biāo)距，對每一個標(biāo)距，試驗(yàn)根樣涵蓋每個直徑組。記錄每次根系拉斷后的平均直徑、斷后標(biāo)距值和抗拉力等數(shù)據(jù)。

2.3 計(jì)算方法

根系抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為式中：T為單根抗拉強(qiáng)度，MPa；F為極限抗拉力，N；D為單根直徑，mm。

應(yīng)變ε計(jì)算公式為式中：ΔL為試驗(yàn)根試驗(yàn)過程中的變形量，mm；L為試驗(yàn)根初始長度，mm。

彈性模量E計(jì)算公式為式中：σ為應(yīng)力，MPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 根系極限抗拉力

本試驗(yàn)中香根草根徑以0.3～0.9mm為主。三個不同標(biāo)距60、80、100cm的根系抗拉力見圖1。從圖1可以看出，香根草根系具有較強(qiáng)的抗拉能力，本試驗(yàn)中最大極限抗拉力為38.65N（相應(yīng)的根徑也最大，為0.843mm）；最小極限抗拉力為9.9N（相應(yīng)的根徑也最小，為0.343mm），最大值為最小值的3.9倍。根系極限抗拉力與根徑成正相關(guān)關(guān)系，即根徑越大極限抗拉力越大，原因是隨著根徑增大，草根橫截面面積增大，且根系木質(zhì)化程度提高，細(xì)胞排列更為緊密，使根系組織抵抗變形的能力增大，抗拉力增大。三個標(biāo)距的香根草根系的平均極限抗拉力為21.94N。標(biāo)距為60cm的根系極限抗拉力最大，平均值為25.00N；標(biāo)距為80cm的根系極限抗拉力平均值為21.84N；標(biāo)距為100cm的根系極限抗拉力最小，平均值為18.98N。可以看出，根系極限抗拉力隨標(biāo)距增大而減小，說明植物根系中短根的抗拉能力更強(qiáng)。三種標(biāo)距測得的結(jié)果相差不大，表明本研究20cm標(biāo)距差值對極限抗拉力的影響較小。

通過回歸分析可知，香根草極限抗拉力F和根徑D之間成冪函數(shù)關(guān)系F=aDb（a、b為常數(shù)），標(biāo)距不同的根系極限抗拉力與根徑關(guān)系曲線近似成平行關(guān)系，說明三種標(biāo)距下極限抗拉力隨根徑的變化相對比較均勻。冪函數(shù)回歸方程見表1。

3.2 根系抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系見圖2。本試驗(yàn)香根草根系的抗拉強(qiáng)度范圍為52.02（根徑為0.853mm的）～168.42mPa（根徑為0.323mm的），平均抗拉強(qiáng)度為91.42mPa。不同標(biāo)距的抗拉強(qiáng)度之間存在著差異，抗拉強(qiáng)度最大的是標(biāo)距為60cm的根系，變化范圍為66.46～169.10mPa，平均抗拉強(qiáng)度為111.46mPa；標(biāo)距為80cm的根系抗拉強(qiáng)度次之，最大值為124.07mPa，最小值為60.03mPa，平均值為88.07mPa；標(biāo)距為100cm的根系抗拉強(qiáng)度最小，為51.97～116.96MPa，平均值為74.74mPa，最大值、最小值、平均值較60cm標(biāo)距的分別減小了30.83%、21.80%、32.94%。根系抗拉強(qiáng)度與根徑成負(fù)相關(guān)關(guān)系，根徑較小的不同標(biāo)距根系抗拉強(qiáng)度差別較大，根徑較大的不同標(biāo)距根系抗拉強(qiáng)度差別較小。標(biāo)距為60cm與80cm的根系抗拉強(qiáng)度差別較大，而標(biāo)距為80cm與100cm的根系抗拉強(qiáng)度差別較小。

通過回歸分析可知，香根草根系抗拉強(qiáng)度T與根徑D滿足冪函數(shù)關(guān)系T=αD-β（α、β為常數(shù)），這與余芹芹等[6]、Pollen等[7]、程洪等[15]的研究結(jié)果一致，表明越細(xì)的根抗拉強(qiáng)度越大，對土體有更強(qiáng)的固結(jié)作用，具有更好的護(hù)坡能力。冪函數(shù)回歸方程見表2。

3.3 根系彈性模量

不同標(biāo)距下彈性模量與根徑的關(guān)系見圖3。本試驗(yàn)香根草根系的彈性模量最大值為11.22mPa，最小值為1.78mPa，平均值為4.65mPa。標(biāo)距為60、80，100cm的根系彈性模量平均值分別為6.37、4.68、2.90MPa，最大值是最小值的2.2倍。標(biāo)距為100cm的根系彈性模量最?。ㄗ畲笾禐?.88mPa）；標(biāo)距為60cm的根系彈性模量最大（最大值為11.22mPa），是標(biāo)距為100cm根系的2.3倍。標(biāo)距為80cm的根系彈性模量為2.58～8.43mPa，居于標(biāo)距為60cm與100cm的根系彈性模量之間。彈性模量與根徑成負(fù)相關(guān)關(guān)系，根徑較小時三種標(biāo)距的根系彈性模量相差較大，根徑越大差距越小。

徑D之間滿足冪函數(shù)關(guān)系E=xD-y（x、y為常數(shù)）。冪函數(shù)回歸方程見表3。

4 結(jié)語

（1）香根草根徑多為0.3～0.9mm。香根草根系的抗拉力與根徑之間為正相關(guān)關(guān)系，且成冪函數(shù)關(guān)系；單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑增大逐漸減小，成冪函數(shù)關(guān)系，表明細(xì)根抗拉強(qiáng)度較大，對土體有較強(qiáng)的固結(jié)作用；根系彈性模量和根徑之間成冪函數(shù)關(guān)系，彈性模量隨著根徑增大而減小。

（2）香根草根徑相同的情況下，隨著標(biāo)距減小，最大抗拉力、抗拉強(qiáng)度、彈性模量均相應(yīng)增大，即標(biāo)距較小的根系具有較大的抗拉力和抗拉強(qiáng)度，說明植物根系中短根具有更好的力學(xué)性能，固土護(hù)坡作用更大。根徑較小時，各標(biāo)距間的抗拉力和抗拉強(qiáng)度差異較大，而隨著根徑增大，差距縮小，說明標(biāo)距對于根系的抗拉力學(xué)性能具有明顯影響。

（3）本文僅研究了香根草根徑和標(biāo)距對最大抗拉力、抗拉強(qiáng)度、彈性模量的影響，而含水率、土壤成分、根的化學(xué)成分等影響植物根系力學(xué)性能的因素有待進(jìn)一步研究。

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