黃土丘陵區(qū)不同植物根系抗拉力學(xué)特性

蘇雪萌, 劉俊娥,2, 周正朝,2, 李秋嘉, 趙富王

(1.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710062; 2.陜西師范大學(xué) 地理學(xué)國(guó)家級(jí)試驗(yàn)教學(xué)示范中心, 西安 710062)

黃土高原是我國(guó)土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-3]。根據(jù)“中國(guó)水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察”，黃土高原總面積64萬(wàn)km2，土壤侵蝕面積達(dá)39萬(wàn)km2[4]。而研究表明植被恢復(fù)建設(shè)是最常用的水土保持措施，植被能攔截降雨、減少降雨侵蝕力，其根系也可以改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗侵蝕能力[5-6]。早在20世紀(jì)30年代，Holch(1931年)首次提出有關(guān)不同森林植被根系對(duì)坡面穩(wěn)定影響，之后對(duì)根系固土功能、防止地表沖刷及增加坡面抗滑能力等方面逐漸開始研究[7-11]。近年來(lái)植物固坡措施已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[12]，其中植物單根抗拉特性是根系生物力學(xué)特性的重要組成部分，也是研究植物固土抗滑的基礎(chǔ)；但根系研究有著一定程度的復(fù)雜性，即使是單根抗拉也還存在著許多問題亟待解決，包括試驗(yàn)方法、影響因素等。有學(xué)者通過(guò)對(duì)根徑、根長(zhǎng)、含水率等植物自身影響因素[13-14]以及加載方式、速率、植物采伐時(shí)間等試驗(yàn)因素[15-16]進(jìn)行研究均得到不同的結(jié)論。目前主要從室內(nèi)單根抗拉和野外原位群根抗拔2方面[7]來(lái)研究根系抗拉力學(xué)特征，其中李光瑩等[17]對(duì)黃河源區(qū)高寒草地植物的根系的研究，趙麗兵等[18]對(duì)紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和馬唐(Digitariaciliaris)兩種草本植物根系的研究，陸桂紅等[19]對(duì)泥石流源區(qū)典型草本植物根系的研究，鐘榮華等[20]對(duì)三峽水庫(kù)消落帶草本植物根系的研究，肖宏彬等[21]對(duì)貧瘠土壤環(huán)境下的香根草(Chrysopogonzizanioides)根系的研究結(jié)果不同程度地表明：根系抗拉力與直徑呈顯著的冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系；根系抗拉強(qiáng)度與直徑呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與根的纖維素含量呈正相關(guān)關(guān)系等。先后已有研究探討黃土高原不同植物根系對(duì)土壤抗侵蝕性能的影響[22]，但是對(duì)黃土高原不同植物根系特征與植物根系抗拉力學(xué)特性方面研究較少。在不同條件下，不同植物抗拉特性還存在較大差別[23]。

因此，本研究以黃土丘陵區(qū)3種典型植物：狼牙刺(Sophoraviciifolia)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、苔草(CarexlanceolataBoott)，通過(guò)運(yùn)用工程力學(xué)基礎(chǔ)理論研究不同植物根系抗拉力學(xué)特性，探析植物根系在固坡保土增強(qiáng)土體穩(wěn)定性的作用機(jī)理，以期為黃土高原丘陵區(qū)水土保持固土護(hù)坡植物篩選研究提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于黃土高原丘陵區(qū)的陜西省延安市安塞區(qū)縣南溝(109°17′42″E，36°42′25″N)，平均海拔為1 266 m。該區(qū)屬于溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)向溫帶半干旱大陸性氣候過(guò)渡區(qū)，多年年平均氣溫8.8℃，多年年平均降水量為505.3 mm，年內(nèi)降水主要集中在7月、8月、9月份[24]。土壤類型為黃綿土，土質(zhì)疏松，遇水易崩解破碎，水土流失嚴(yán)重。自90年代開始該區(qū)實(shí)行大規(guī)模退耕還林還草工程，本研究區(qū)分布大量自然恢復(fù)植被，主要植被類型有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、白羊草(Bothriochloaischaemum)等[25]。

1.2 研究方法

1.2.1 根系采集 于2017年10月在安塞區(qū)縣南溝流域選取具有代表性植物種群(狼牙刺、鐵桿蒿、苔草)的坡面作為研究樣地(表1)。在每種植物種群的坡面按“S”形選取5株高度、覆蓋面積相近的植物，并分層采集根系；為避免出現(xiàn)不同程度的誤差，統(tǒng)一規(guī)定采樣剖面深為30 cm，分為3層，每層高為10 cm，長(zhǎng)和寬分別為15 cm。每層以根為中心用卷尺測(cè)量根土復(fù)合體的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)寬高，為避免根土復(fù)合體造成機(jī)械損傷，只用鏟子將整個(gè)根土復(fù)合體鏟出，然后將根土復(fù)合體放入自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃低溫冰箱中進(jìn)行保存。

表1 不同植被種群樣地信息

1.2.2 根系拉力測(cè)定 本試驗(yàn)單根根徑采用根系分析軟件進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定的根徑為單根的平均根徑作為該根段的根徑。所有單根測(cè)定完成后按其根徑的徑級(jí)大小劃分為：徑級(jí)I(0.0001.300 mm)。在4個(gè)徑級(jí)范圍內(nèi)分別設(shè)計(jì)5種不同標(biāo)距，即待測(cè)根系長(zhǎng)度(50 mm，75 mm，100 mm，125 mm，150 mm)，采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(上海松頓LDM-1)對(duì)植物根系進(jìn)行勻速拉伸試驗(yàn)，測(cè)定抗拉力、抗拉強(qiáng)度、變形特性等參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)整萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)標(biāo)距與試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的根系設(shè)定長(zhǎng)度一致，考慮儀器固定根系時(shí)所用夾頭要占據(jù)一定根系長(zhǎng)度，實(shí)際根系長(zhǎng)度相比測(cè)定長(zhǎng)度多約30 mm。將根系兩端固定夾緊后，以10 mm/min的速度進(jìn)行勻速定速度拉伸直到根系被完全拉斷為止。在5種標(biāo)距下，3種植物根系總根數(shù)為900根，由于試驗(yàn)根系若在夾口處斷裂則視為試驗(yàn)失敗數(shù)據(jù)作廢，根系僅在夾口之間中間位置斷裂記為成功，所以總計(jì)成功根數(shù)為360根，總成功率為38.3%。

根系的抗拉力學(xué)特性主要由抗拉力、抗拉強(qiáng)度、變形特性等方面來(lái)反映。通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)可直接導(dǎo)出根系斷裂時(shí)的最大抗拉力及最大變形量。由于根系根徑、測(cè)量標(biāo)距已知，可以計(jì)算出根系的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)。計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：P為單根抗拉強(qiáng)度(MPa)；F為在計(jì)算最大抗拉強(qiáng)度時(shí)最大抗拉力，在計(jì)算應(yīng)力時(shí)為抗拉力(N)；D為根系平均根徑(mm)；E即為彈性模量；σ為應(yīng)力N(極限應(yīng)力σ數(shù)值與抗拉強(qiáng)度P值相等)；ε為應(yīng)變即延伸率；ΔL為單根拉伸是的伸長(zhǎng)量(mm)；L為單根的原始長(zhǎng)度，本研究試驗(yàn)中稱為標(biāo)距(mm)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 進(jìn)行分析之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)與方差齊性檢驗(yàn)。用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用SPSS 20.0對(duì)5種標(biāo)距下根徑與抗拉力、根徑與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大抗拉力與根徑和根長(zhǎng)的關(guān)系

從根徑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，鐵桿蒿和苔草的根系主要處于0.4～1.5 mm的范圍內(nèi)，而本試驗(yàn)中狼牙刺的根系主要處于0.4～2.6 mm的范圍內(nèi)，三者的平均直徑分別為1.443 mm，1.043 mm和0.978 mm。由于過(guò)粗和過(guò)細(xì)的根在進(jìn)行單根抗拉試驗(yàn)時(shí)的難度較大，試驗(yàn)失敗率太高；因此本試驗(yàn)舍棄這些數(shù)據(jù)，主要選取根徑分布范圍內(nèi)的所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較(圖1)。

3種植物的平均最大抗拉力次序?yàn)椋豪茄来?12.135 N)>苔草(11.194 N)>鐵桿蒿(9.168 N)。整體來(lái)看，3種植物根系在各標(biāo)距范圍內(nèi)抗拉力無(wú)顯著性差異。3種植物根系的抗拉力均隨直徑增大呈冪函數(shù)增大(圖1)，狼牙刺根系極限抗拉力與根徑的回歸R2>0.6，其中標(biāo)距75 mm，R2擬合度最高；苔草根系極限抗拉力與根徑的回歸系數(shù)R2>0.55，其中標(biāo)距150 mm，R2擬合度最高；鐵桿蒿極限抗拉力與根徑的回歸系數(shù)R2>0.4，其中標(biāo)距75 mm，R2擬合度最高。

圖1 3種不同植物根系抗拉力與直徑的關(guān)系曲線

在不同徑級(jí)下，3種植物根系最大抗拉力隨著徑級(jí)的增大而逐漸增大。其中，鐵桿蒿在徑級(jí)I與其他徑級(jí)間的最大抗拉力有顯著性差異，苔草在徑級(jí)I和Ⅱ與徑級(jí)Ⅲ和Ⅳ之間有顯著性差異，狼牙刺在徑級(jí)Ⅱ與徑級(jí)I，Ⅲ，Ⅳ之間分別存在顯著差異，其余各徑級(jí)間無(wú)顯著性差異。同一徑級(jí)不同物種根系抗拉力差異性不顯著，鐵桿蒿根系抗拉力均顯著大于其他兩種植物根系(表2)。

2.2 極限抗拉強(qiáng)度與根徑和根長(zhǎng)的關(guān)系

3種植物的平均抗拉強(qiáng)度值分別為：鐵桿蒿(15.718 MPa)>苔草(15.486 MPa)>狼牙刺(6.457 MPa)，其中鐵桿蒿的抗拉強(qiáng)度值范圍為0.719～94.930 MPa；苔草的抗拉強(qiáng)度值范圍為3.118～36.923 MPa；狼牙刺的抗拉強(qiáng)度范圍為2.436～16.464 MPa，各個(gè)數(shù)據(jù)在直徑段內(nèi)分布比較集中，主要集中在徑級(jí)Ⅱ、徑級(jí)Ⅲ區(qū)間(表2)。徑級(jí)I～Ⅳ，3種植物根系極限抗拉強(qiáng)度隨著徑級(jí)的增大而逐漸減小。同一物種群，狼牙刺根系徑級(jí)Ⅱ與其他各徑級(jí)的極限抗拉強(qiáng)度有顯著差異性，鐵桿蒿根系徑級(jí)Ⅱ與其他各徑級(jí)的極限抗拉強(qiáng)度有顯著差異，苔草根系徑級(jí)I與其余根徑有顯著差異，其余各徑級(jí)間差異不顯著(表2)。同一徑級(jí)不同物種，狼牙刺分別與鐵桿蒿和苔草存在顯著差異，其余物種間差異不顯著(表2)。

表2 不同徑級(jí)下不同植物根系最大抗拉力和最大抗拉強(qiáng)度

注：(1)小寫字母表示同一物種不同徑級(jí)間存在差異顯著(p<0.05)；(2)大寫字母表示同一徑級(jí)不同物種間存在差異顯著(p<0.05)；(3)徑級(jí)I(0.0001.300 mm)。

通過(guò)SPSS 20.0軟件進(jìn)行回歸分析，3種植物單根極限抗拉強(qiáng)度與根徑均在雙側(cè)水平上顯著相關(guān)，3種植物根系的抗拉強(qiáng)度均隨直徑增大呈冪函數(shù)減小(圖2)，狼牙刺根系極限抗拉強(qiáng)度與根徑的回歸系數(shù)R2>0.51，其中標(biāo)距150 mm，R2擬合度最高；鐵桿蒿極限抗拉強(qiáng)度與根徑的回歸系數(shù)R2>0.18，其中標(biāo)距125 mm，R2擬合度最高；苔草根系極限抗拉力與根徑的回歸系數(shù)R2>0.52，其中標(biāo)距75 mm，R2擬合度最高(圖2)。

2.3 植物彈性模量

試驗(yàn)中通過(guò)根系拉斷后軟件得出的原始標(biāo)距和斷后標(biāo)距值計(jì)算應(yīng)變量，以此可以計(jì)算得出3種植物在各標(biāo)距組的彈性模量(表3)。在同一物種間，不同標(biāo)距的彈性模量沒有顯著性差異。在同一標(biāo)距下，僅有標(biāo)距為50 mm和100 mm 的鐵桿蒿分別與狼牙刺和苔草存在顯著差異，其余各標(biāo)距下物種間無(wú)顯著性差異(表3)。

3種植物平均彈性模量分別為：鐵桿蒿(2.900 N/mm)>狼牙刺(1.698 N/mm)>苔草(1.003 N/mm)，在標(biāo)距50，75，100 mm中，3種植物的彈性模量均隨著標(biāo)距的增加而減小，且每個(gè)標(biāo)距組內(nèi)，彈性模量均存在鐵桿蒿>狼牙刺>苔草的關(guān)系。在標(biāo)距125，150 mm中，3種植物的彈性模量均表現(xiàn)為標(biāo)距125 mm的彈性模量大于標(biāo)距150 mm的彈性模量。由應(yīng)變量的計(jì)算結(jié)果可以看出，在標(biāo)距越大即根系越長(zhǎng)的情況下，根被拉伸的越長(zhǎng)。由表3可以看出，3種植物的彈性模量與抗拉力和抗拉強(qiáng)度不同，鐵桿蒿的彈性模量是苔草的2.7倍，是狼牙刺的1.7倍，而三者的抗拉強(qiáng)度、抗拉力只有1～2倍，且狼牙刺和苔草的計(jì)算結(jié)果非常接近，彈性模量計(jì)算結(jié)果受應(yīng)變值的影響很大。

圖2 3種不同植物根系抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系

標(biāo)距/mm狼牙刺/(N·mm-1)鐵桿蒿/(N·mm-1)苔草/(N·mm-1)502.323±0.374Aa4.340±0..391Ba1.413±0.090Aa751.964±0.143ABa2.768±0.334Ba1.202±0.089Aab1001.313±0..085Aa2.517±0.260Ba0.736±0.035Aa1251.501±0.103ABa2.434±0.230Ba0.902±0.119Aab1501.390±0.128ABa2.442±0.297Ba0.761±0.099Aa

注：大寫字母表示同一標(biāo)距下不同物種間存在差異顯著(p<0.05)；小寫字母表示同一物種間不同標(biāo)距下存在差異顯著(p<0.05)。

3 討 論

根系抗拉性能是其主要力學(xué)性質(zhì)之一，其大小直接影響到根系的固土效應(yīng)。不同標(biāo)距對(duì)單根抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)結(jié)果顯著不同，反映了在不同寬度的土壤剪切帶內(nèi)根系對(duì)固土抗滑能力有顯著差別。本研究表明從3種植物抗拉力的情況來(lái)看，狼牙刺比其他2種植物更能承受拉力作用，在植物根系中，根系最大抗拉力與根徑關(guān)系呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即根徑越大，最大抗拉力越大，其中根系極限抗拉力的擬合函數(shù)表示為Fmax=αDβ，α，β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)且α，β>0。其中從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，3種植物根系極限抗拉力與根徑相關(guān)系數(shù)都在0.4以上，狼牙刺>苔草>鐵桿蒿，均表現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，這與前人研究的紫花苜蓿[18]、香根草[21]、歐洲山毛櫸[26]等其他喬灌木、草本植物研究結(jié)果一致，但是在數(shù)值上有所不同。分析其原因可能是由于試驗(yàn)條件或者根系生理年齡期的影響，所以在考慮根系形態(tài)特征的同時(shí)，也要考慮根系年齡結(jié)構(gòu)對(duì)根系抗拉力的影響。Hathaway等研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是草本植物還是喬灌木植物，根系的抗拉力和直徑之間的關(guān)系不僅反映了斷裂力學(xué)中的尺度效應(yīng)，而且與纖維素或者木質(zhì)素含量有關(guān)。而前人研究中所用根系多以生長(zhǎng)茂盛根系粗大的喬灌木，其根徑與本研究中的材料差異較大，從而根系力學(xué)性質(zhì)的大小差異較大。

3種植物單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增加而逐漸減小，研究表明植物的抗拉強(qiáng)度均與根徑呈冪函數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，不受植物種類影響；但是不同植物之間的抗拉強(qiáng)度值仍然有著很大差距，其中鐵桿蒿和苔草的抗拉強(qiáng)度值相差不大，二者的抗拉強(qiáng)度值是狼牙刺的2.4倍。這可能由于不同植物根系在不同深度的土壤理化性質(zhì)不同，所以不同植物根系空間分布存在差異[27-29]。。3種植物根系抗拉強(qiáng)度隨著根徑增加呈冪函數(shù)減少，其他學(xué)者對(duì)檸條[23]、錦雞兒[23]、落葉松[30]、白樺[30]等喬灌木根系抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究表明，根徑與抗拉強(qiáng)度基本呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)減少趨勢(shì)，這與本研究結(jié)果相一致。由此可知，大多數(shù)情況下，草本植物與粗大的喬灌木根系抗拉力學(xué)特性是一致的，但是在小的根徑范圍內(nèi)，由于試驗(yàn)條件的限制或者根系生理年齡期的影響，可能出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度不穩(wěn)定的情況，需區(qū)別對(duì)待。

試驗(yàn)研究表明，在不同標(biāo)距下根系的抗拉強(qiáng)度顯著不同，反映了不同寬度的土壤剪切帶內(nèi)根固土抗滑能力的差別。3種植物的抗拉強(qiáng)度隨著標(biāo)距的增加而逐漸減小，這是可能由于隨著根系標(biāo)距的增加進(jìn)而缺陷增多的概率就會(huì)相應(yīng)增加，所以就會(huì)降低其抗拉強(qiáng)度[31]。由于彈性模量為應(yīng)力與應(yīng)變的比值，應(yīng)變量即為根的拉伸量，試驗(yàn)結(jié)果顯示3種植物隨著標(biāo)距的增加而減小，鐵桿蒿具有較大的極限彈性模量，說(shuō)明同樣的外界加載條件，根徑、根長(zhǎng)較小的根系對(duì)外界拉力的緩沖能力比根徑、根長(zhǎng)較大的根系緩沖能力大，根徑、根長(zhǎng)較小的根系又具有較強(qiáng)的極限抗拉強(qiáng)度。這也正是直根、短根增強(qiáng)土壤抗蝕、抗沖性的機(jī)理所在。這與歐陽(yáng)前超[32]研究土石山區(qū)草本植物的彈性模量研究結(jié)果相一致，但是其白喜草平均彈性模量與本文鐵桿蒿的數(shù)據(jù)相差較大，這可能由于植物種類或者根系生理年齡不一致。但是，無(wú)論草本植物還是喬灌木都可以說(shuō)明根系剛度越大，越不容易發(fā)生變形，對(duì)固持土壤作用效果越突出。

4 結(jié) 論

(1) 在各根徑范圍內(nèi)，3種植物的單根極限抗拉力隨著直徑的增大均已冪函數(shù)遞增，單根極限抗拉力從大到小順序表現(xiàn)為狼牙刺>苔草>鐵桿蒿，抗拉力受直徑的影響較大。

(2) 在根徑的范圍內(nèi)，3種植物單根極限抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大均以冪函數(shù)遞減，單根極限抗拉強(qiáng)度從大到小順序表現(xiàn)為鐵桿蒿>苔草>狼牙刺。鐵桿蒿的固土性能明顯優(yōu)于苔草和狼牙刺。

(3) 3種植物在各自研究的徑級(jí)范圍內(nèi)，根系的彈性模量隨著根徑和根長(zhǎng)的增大呈下降趨勢(shì)。3種植物單根極限彈性模量均值從大到小依次為鐵桿蒿>狼牙刺>苔草。

因此，在本研究的3種植物中鐵桿蒿根系的固土能力最優(yōu)，在水土保持固土護(hù)坡植物篩選研究中可以優(yōu)先考慮。本試驗(yàn)研究結(jié)果可為黃土丘陵區(qū)的植物固土護(hù)坡以及水土保持研究提供科學(xué)依據(jù)。