火棘單根抗拉力學(xué)特性分析

黎洪江 肖 雄 張喬艷 石慶港 唐麗霞*

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院 貴陽 550025；2.關(guān)嶺布依族苗族自治縣林業(yè)局 貴州關(guān)嶺 561300)

火棘根系發(fā)達(dá)，扎根較深，是良好的水土保持樹種[1]。植物根系在一定程度上能固結(jié)土體，對(duì)于減緩淺層滑坡、崩塌等重力侵蝕具有積極作用[2]。此外，根系的抗拉特性是根系固土的重要指標(biāo)，隨著生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的不斷發(fā)展，許多學(xué)者針對(duì)植物根系的抗拉力學(xué)特性進(jìn)行了研究[3]。結(jié)果表明，植物根系最大抗拉力和抗拉強(qiáng)度與根徑呈一定函數(shù)關(guān)系，最大抗拉力隨著根徑的增加呈冪函數(shù)增加， 抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增加呈冪函數(shù)減小[4～8]。李長(zhǎng)暄在對(duì)油松、白樺和蒙古棟樹種的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的降低，植物根系的極限抗拉力會(huì)顯著的提高[9]。以上研究均在一定程度上探討了根徑對(duì)其抗拉力學(xué)特性的影響，但均著力于宏觀力學(xué)特性的影響因素，對(duì)根系生長(zhǎng)發(fā)育導(dǎo)致根截面微觀孔隙的變化涉及較少。有鑒于此，為進(jìn)一步探討根徑截面微觀孔隙的變化對(duì)其力學(xué)特性的影響，本文以三年生火棘為研究對(duì)象，分析根徑、根系含水率、孔隙度與抗拉力、抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。以期從微觀孔隙的角度揭示其根系抗拉特性的內(nèi)在因素，為今后根系抗拉特性的研究工作提供相應(yīng)的參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴陽市花溪區(qū)，具有高原季風(fēng)氣候的特點(diǎn)，無霜期長(zhǎng)，雨量充沛，濕度較大；年平均氣溫為14.9℃，無霜期平均246天，年雨量1178.3mm，空氣優(yōu)良天數(shù)341天；地貌類型主要有丘峰溶原、溶丘洼地、峰林洼地、喀斯特臺(tái)原，其間發(fā)育喀斯特盆地、洼地、漏斗、寬谷、槽谷、喀斯特大泉、伏流、天窗、地下河、天生橋及石林等眾多喀斯特形態(tài)；土壤類以黃壤、石灰土、水稻土、紫色土、潮土和沼澤土為主；常見的樹種有杉(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、火棘(Pyracanthafortuneana)等三種。

2 材料與方法

2.1 材料

于2019年7月到8月底在研究區(qū)進(jìn)行采樣，所采樣本為種植3年、長(zhǎng)勢(shì)均一的火棘根系，為保證根系的完整性，試驗(yàn)采取整株挖掘法。將采集的根系進(jìn)行分級(jí)后，立即進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，當(dāng)日未做完的根系用自封袋裝好后放置冰箱中保鮮，以保證根系的鮮活及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，所采集的根系于7天內(nèi)完成試驗(yàn)。

2.2 試樣制備

把野外采集的根系按直徑1～5mm分為五個(gè)徑級(jí)，即1(1±0.5mm)、2(2±0.5mm)、3(3±0.5mm)、4(4±0.5mm)、5(5±0.5mm)， 制成標(biāo)距為50cm的標(biāo)件。

為研究持續(xù)降水后土壤含水率較高時(shí)對(duì)根系抗拉特性的影響，即根系含水率達(dá)飽和時(shí)，其抗拉力學(xué)特性的變化，將一部分分級(jí)根系浸泡48h，使根系吸水達(dá)到飽和，用于飽和含水率根系抗拉力學(xué)特性試驗(yàn)；另一部分分級(jí)根系則放冰箱里冷藏保鮮，防止其水分流失，用于自然含水率根系抗拉力學(xué)特性試驗(yàn)。

2.3 植物根系拉伸實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)采用微機(jī)控電子萬能試驗(yàn)機(jī)DWD-10，拉伸速率設(shè)置為10mm/min。拉伸實(shí)驗(yàn)中，僅以中間斷裂的根系算成功試樣，由兩端的夾具引起的斷裂，或根表皮脫落等均視為失敗試樣。在實(shí)驗(yàn)拉伸中經(jīng)常出現(xiàn)從夾具處斷裂、滑脫等情況，為提高試驗(yàn)成功率，本試驗(yàn)將根系的兩端用魔術(shù)貼進(jìn)行包裹，再用夾具夾持，以減輕夾具對(duì)根系的損傷。

根系的最大抗拉力，是指根系在外力軸向拉伸作用下，所能抵抗的極限拉應(yīng)力。根系的抗拉強(qiáng)度是指根系抵抗外力軸向拉伸作用時(shí)的最大能力，其計(jì)算參照抗拉強(qiáng)度公式(1)：

σ=4F/(πD2)。 (1)

其中，σ——為抗拉強(qiáng)度Mpa，

F——為最大抗拉力N，

D——為根系直徑mm。

2.4 孔隙度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)

通過劉一星的《木材學(xué)》中對(duì)木材孔隙度測(cè)定和連廣對(duì)木材孔隙度的研究，對(duì)根系孔隙度采用相似密度法進(jìn)行計(jì)算[10，11]。用電子天平稱根的重量，用量筒排水法測(cè)根體積。在測(cè)體積時(shí)為防止根系兩端吸水影響用石蠟將根系的端口封上。

采用公式(2)計(jì)算

P=(1-ρ/ρ0)*100%。 (2)

其中，P——表示木材孔隙度%，

ρ——表示木材的實(shí)測(cè)密度g/cm3，

ρ0——表示木材的真實(shí)密度，一般認(rèn)為與樹種無關(guān)，其數(shù)值為1.5g/cm3。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤自然含水率時(shí)根徑對(duì)抗拉特性的影響

根系直徑是影響根系抗拉力學(xué)特性的重要因素，通過室內(nèi)對(duì)土壤自然含水率時(shí)根系標(biāo)距為50mm的根系進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1可以看出，根的抗拉力受直徑的影響很大，隨著根系直徑的增加，抗拉力逐漸增大，二者呈指數(shù)函數(shù)增加，相關(guān)系數(shù)為R2= 0.9384，擬合程度很好。由此說明，根徑是影響根系抗拉力的重要因素之一。

由圖2可以看出，根徑對(duì)抗拉強(qiáng)度也存在影響，表現(xiàn)為隨著根系直徑的增大，抗拉強(qiáng)度逐漸減小，為了描述根徑與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)根系徑級(jí)與抗拉強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，采用指數(shù)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到擬合函數(shù)與相關(guān)系數(shù)分別為：y= 55.813e-0.294x，R2= 0.861。由R系數(shù)可知，擬合程度也較高，在0.85以上。由此說明，根系抗拉強(qiáng)度與根徑成負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即根系越粗，根系抗拉強(qiáng)度越小。

綜上所述，抗拉強(qiáng)度泛指單位面積上承受拉伸能力的大小。根系越粗，抗拉強(qiáng)度越低，說明根徑的增粗使得根截面單位面積上承受拉力的能力下降，根系承受抗拉力的有效面積增加。由抗拉力隨根徑的增大而增加可知，抗拉強(qiáng)度的降低源于承受拉力的有效單位面積的增加，且增加幅度遠(yuǎn)大于抗拉力。

圖1 土壤自然含水率下根徑與抗拉力的關(guān)系

圖2 土壤自然含水率下根徑與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 土壤飽和含水率時(shí)根徑對(duì)根系抗拉特性的影響

為了研究持續(xù)降水對(duì)根系固土護(hù)坡的影響，對(duì)土壤飽和含水率時(shí)根系進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。結(jié)果表明，在土壤飽和含水率時(shí)，隨著根徑的增大，抗拉力也隨之增大，二者亦呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，R2= 0.9573。由R可以看出，擬合程度較高。而且隨著根徑的增大，抗拉力的增長(zhǎng)明顯，細(xì)根的抗拉力要小于粗根。即含水率的變化，對(duì)根系抗拉力與根徑的間的變化趨勢(shì)影響不大，但較之自然含水率時(shí)根系的抗拉力值，存在一定的差異。

同理，隨著根徑的增加，飽和含水率時(shí)根系的抗拉強(qiáng)度隨根徑的增加呈減小的趨勢(shì)。二者呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系R2= 0.5506。由此可以看出，飽和含水率對(duì)根系抗拉強(qiáng)度與根徑的擬合關(guān)系較低，較之土壤自然含水率時(shí)的根系。表明根系水分的升高，對(duì)不同根徑下抗拉強(qiáng)度的影響不一，對(duì)比3.1可知，常態(tài)根系與飽和含水率根系的抗拉特性，在徑級(jí)相同的情況下，雖然它們的值不相同，但趨勢(shì)相同。對(duì)于抗拉力來說，在飽和含水率下，它的擬合程度相對(duì)更好，說明根系吸水對(duì)抗拉力有一定的作用，根系的含水量減小，根的抗拉力會(huì)隨之減弱。而對(duì)于抗拉強(qiáng)度來說，飽和含水率與自然含水率下，隨著根徑的增加，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，但飽和含水率相比自然含水率差異明顯，具體原因需要進(jìn)一步研究。

圖3 飽和含水率下根徑與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 飽和含水率下根徑與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

貴州年均降水量較大，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)下暴雨或持續(xù)性降水的現(xiàn)象，此時(shí)地表水通過土壤表面滲入土壤內(nèi)部。當(dāng)土壤內(nèi)部的土壤含水量達(dá)到飽和時(shí)，植物根系吸水，達(dá)到一定程度后，根系的含水量會(huì)增加。對(duì)于邊坡防護(hù)來說，研究其含水率與抗拉特性之間的關(guān)系尤為重要。

通過對(duì)比分析圖5圖6，自然含水率與飽和含水率下根系之間的拉拔特性，可以很清晰的知道它們之間存在的差異，其結(jié)果如下：

由圖5可以看出,在土壤自然含水率和飽和含水率時(shí)，隨著根徑的增加，根系的抗拉力都是隨之增加的。但在根徑為5時(shí)，兩者的抗拉力差距明顯，說明含水率對(duì)粗根的影響很大，根徑在5以下時(shí)兩者的差距不是很明顯。而且根徑徑級(jí)為3時(shí)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前，自然含水率根系相比飽和含水率根系的抗拉力要大，而在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，兩者相反。

由圖6可以看出，在土壤飽和含水率和自然含水率時(shí)，隨著根徑徑級(jí)的增加，抗拉強(qiáng)度是隨之減小的。相比自然含水率與飽和含水率，根徑級(jí)為1時(shí)的抗拉強(qiáng)度，兩者的差距很大，根徑為5時(shí)兩者的差距也很大，說明含水率對(duì)粗根和細(xì)根的影響都很大，相反的是，細(xì)根時(shí)飽和含水率比自然含水率的抗拉強(qiáng)度小，粗根則相反。而且當(dāng)根系徑級(jí)為3時(shí)，在3之前自然含水率比飽和含水率的抗拉強(qiáng)度要大，在3之后，自然含水率的抗拉強(qiáng)度比飽和含水率的抗拉強(qiáng)度要小。

綜上所述，說明對(duì)于根系的抗拉力、抗拉強(qiáng)度與含水量之間的關(guān)系，存在某個(gè)徑級(jí)或某個(gè)含水量時(shí)，使它們的性能有一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)。由圖可以看出，飽和含水率下最優(yōu)點(diǎn)的根系徑級(jí)在3左右。由于拉力機(jī)對(duì)徑級(jí)為5以上的粗根成功率較低根系數(shù)量不多，所以含水率對(duì)徑級(jí)5以后的粗根產(chǎn)生的影響需要進(jìn)一步的研究。

圖5 自然含水率與飽和含水率抗拉力的比較

圖6 自然含水率與飽和含水率抗拉強(qiáng)度的比較

3.3 根系孔隙度與抗拉特性的關(guān)系

通過查閱相關(guān)資料[12,13]，發(fā)現(xiàn)目前對(duì)根系孔隙度與抗拉特性之間的關(guān)系研究較少，研究根系孔隙度與根系拉拔特性的關(guān)系，在一定程度能揭示根系抗拉力學(xué)特性變化的內(nèi)因。由圖7可知，隨著根徑的增大，孔隙度逐漸減小，根系與孔隙度的關(guān)系是成對(duì)數(shù)關(guān)系，R2= 0.7162。由此說明，根系的增粗生長(zhǎng)對(duì)其截面孔隙產(chǎn)生了一定的影響，這將在一定程度對(duì)力學(xué)特性產(chǎn)生影響。

結(jié)合3.1可知，根系孔隙度減小，抗拉強(qiáng)度也隨之減小，說明孔隙度和抗拉特性之間為正相關(guān)關(guān)系。在根系直徑增大的過程中，根系的孔隙度減小，這就說明，隨著根系直徑的增加，抗拉強(qiáng)度減小的原因是因?yàn)楦到孛娴挠行娣e增大引起的。這與3.1的研究結(jié)果相符。

圖7 根徑與孔隙度的關(guān)系

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本文的研究發(fā)現(xiàn)火棘的單根拉拔特性，抗拉力隨根徑的增大而增大，抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而減小，這一研究與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果一致[4，9，14]，不同之處在于，在不同的生長(zhǎng)環(huán)境條件下，抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根徑之間的函數(shù)關(guān)系不同。該結(jié)論需要結(jié)合不同地區(qū)的火棘根系拉拔特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。由圖1 可知抗拉力隨根徑的增大而增大，由圖2可知抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而減小，這一結(jié)論與王萍花[9]在華北地區(qū)4種常見喬木根系抗拉強(qiáng)度的力學(xué)綜合模型的研究結(jié)論一致,與劉艷琦[15]關(guān)于沙柳、檸條等研究結(jié)論不一致，其原因可能與植物立地條件和樹種差異有關(guān)。

在不同徑級(jí)下的根徑含水率對(duì)根徑的影響不一，已有的研究表明[16]，隨著根系含水率的增大，根系的直徑越大，含水率對(duì)抗拉特性的影響就越大，即根系含水率對(duì)粗根的影響比細(xì)根大，這與本文對(duì)粗根影響的研究結(jié)果一致，與細(xì)根的影響存在一定差異，其原因可能與樹種差異有關(guān)。

本文從微觀的角度去探究孔隙度對(duì)根系抗拉特性的影響，得知孔隙度與抗拉力呈負(fù)相關(guān)，與抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)。目前對(duì)根系孔隙度的研究較少，孔隙度的算法不一，本文采用連廣[10]對(duì)木材孔隙度的計(jì)算公式得此結(jié)論。

4.2 結(jié)論

(1)根系直徑是影響抗拉力的重要因素，無論是飽和含水率還是自然含水率，根徑與抗拉力都呈正相關(guān)關(guān)系，與抗拉強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)根系含水率對(duì)抗拉力學(xué)特性隨根徑的增加產(chǎn)生的變化趨勢(shì)沒有明顯的影響，但對(duì)其抗拉力和抗拉強(qiáng)度影響較大。此外，飽和含水率下根系抗拉力較自然含水率擬合程度好，說明含水率對(duì)不同根徑下抗拉力學(xué)特性的影響大小不一。

(3)隨根徑的增加，火棘根系孔隙度逐漸降低。孔隙度與抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著孔隙度增加，抗拉強(qiáng)度也隨之增加；與抗拉力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，孔隙度越大，抗拉力相對(duì)越小。