長(zhǎng)江河岸邊坡狗牙根根系力學(xué)性能研究

葉興 楊啟紅 張超波 王家生

摘要：河岸邊坡在流域生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，植物根系通過發(fā)揮抗拉力學(xué)性能，提高了邊坡穩(wěn)定性，對(duì)河岸邊坡生態(tài)穩(wěn)定具有意義。然而，目前對(duì)長(zhǎng)江河岸不同高程和排水方式下優(yōu)勢(shì)草本物種根系的抗拉力學(xué)特性認(rèn)識(shí)不足。因此，選取優(yōu)勢(shì)草本物種狗牙根為研究對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，分析其在不同高程和排水方式下的抗拉力學(xué)特性。結(jié)果表明：① 狗牙根的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，其抗拉強(qiáng)度、延伸率以及彈性模量與根徑滿足冪函數(shù)下降關(guān)系。② 狗牙根的抗拉力、抗拉強(qiáng)度以及彈性模模量與岸坡高程呈正相關(guān)，而其延伸率與岸坡高程呈負(fù)相關(guān)。③ 狗牙根的抗拉力、抗拉強(qiáng)度和彈性模量在一、二、三期岸坡排水方式下依次增加，而其延伸率則依次減小。研究結(jié)果闡明了高程和岸坡排水對(duì)河岸優(yōu)勢(shì)物種根系抗拉力學(xué)特性的影響，對(duì)長(zhǎng)江河岸邊坡治理與防護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞：河岸帶; 狗牙根; 根系抗拉力學(xué)性能; 高程; 排水方式

中圖法分類號(hào)： S157

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.031

0 引 言

植物護(hù)坡是利用植物的作用來減輕坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕[1]。隨著水利、土木等工程建設(shè)的快速發(fā)展，植物護(hù)坡工程越來越受到人們的重視與關(guān)注。植物根系能夠穿過邊坡的薄弱面或滑動(dòng)表面，對(duì)邊坡進(jìn)行錨固，其作用類似于錨桿或抗滑樁[2]。同時(shí)植物根系在土壤中交錯(cuò)、穿插以及網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)達(dá)到固結(jié)土壤的效果。根土復(fù)合體系統(tǒng)還能增加土體的抗剪強(qiáng)度，具有良好的固土護(hù)坡效果。大量研究表明，岸坡植物是通過根系對(duì)土壤的黏聚和固持作用增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，防止水土流失[3-4]，并且植物根系的固土護(hù)坡效應(yīng)通過根系抗拉力學(xué)特性以及根土復(fù)合體的抗剪、抗蝕性等體現(xiàn)[5-6]。目前大多數(shù)研究主要是分析河岸帶優(yōu)勢(shì)物種根徑和抗拉力學(xué)性能之間的關(guān)系，極少分析其他因素，例如土壤理化性質(zhì)、土壤含水量以及微生物群落等對(duì)根系抗拉力學(xué)性能的影響[7-9]。狗牙根是長(zhǎng)江河岸地帶的優(yōu)勢(shì)物種，能適應(yīng)水位頻繁變化下的惡劣環(huán)境，具有較強(qiáng)的兩棲適生性，是河岸邊坡優(yōu)勢(shì)建群種[10]。因此本文選取長(zhǎng)江河岸帶優(yōu)勢(shì)物種狗牙根進(jìn)行抗拉力學(xué)特性研究，分析根徑、高程和岸坡排水方式對(duì)根系抗拉力學(xué)特性的影響，為河岸不同高程處的生態(tài)恢復(fù)與建設(shè)提供借鑒和參考，為邊坡治理時(shí)岸坡排水設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)域選擇在湖北省荊州市荊江段窯頭埠地區(qū)。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充足，年降雨量達(dá)到了1 500 mm，實(shí)測(cè)最高水位38.31 m（1998年8月17日），最低水位22.65 m（1972年2月3日），最大水位變幅為15.66 m，年平均氣溫為18 ℃，最低氣溫為-16 ℃，最高氣溫為40 ℃。河段堤岸土樣多以壤黏土和粉砂土為主，其水肥條件良好，pH值一般為6.8～8.1。試驗(yàn)段高程分為低、中、高3個(gè)部分，低層位于26.50～31.60 m，中層位于31.60～36.01 m，高層位于36.01～40.42 m（全部以黃海高程為基準(zhǔn)）。岸坡排水方式分為一、二、三期：一期為傳統(tǒng)盲溝排水設(shè)施，位于2號(hào)試驗(yàn)段0+525～0+625，長(zhǎng)100 m;二期排水位于1號(hào)試驗(yàn)段0+450～0+525，總長(zhǎng)度75 m，二期在傳統(tǒng)盲溝排水設(shè)施的基礎(chǔ)上，按孔深8 m、孔徑90 mm、孔距5 m布置16個(gè)水平排水孔;三期排水位于3號(hào)試驗(yàn)段0+625～0+700，長(zhǎng)100 m，三期排水在傳統(tǒng)盲溝排水設(shè)施的基礎(chǔ)上，按孔深15 m、孔徑90 mm、孔距5 m布置16個(gè)水平排水孔，排水孔孔口高程均為32.65 m（見圖1）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 根系采集

2019年10月在長(zhǎng)江窯頭埠河岸帶26.50～40.42 m高程范圍內(nèi)選取優(yōu)勢(shì)物種狗牙根為研究對(duì)象（見表1）。狗牙根為多年生禾本科草本植物，根系為須根系。采樣地為緩坡棄耕地，土壤類型為紫色土（以壤黏土、粉砂土為主）。試驗(yàn)設(shè)置高程為低、中、高3個(gè)水平，排水方式為一期、二期、三期3個(gè)水平。為了保證根系的完整，采用全挖掘法獲取植物鮮根，用毛刷清理狗牙根表面的泥土并進(jìn)行修剪，用游標(biāo)卡尺測(cè)量根系的直徑，然后對(duì)不同高程和不同排水方式下的狗牙根進(jìn)行分組，分別放入不同的自封袋中并標(biāo)號(hào)，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室保鮮處理，并在2周內(nèi)完成狗牙根拉伸試驗(yàn)。

1.2.2 根系拉伸

采用WDW-5電子萬能試驗(yàn)機(jī)和Smart Test終端測(cè)控軟件進(jìn)行根系拉伸試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲取，通過數(shù)據(jù)分析狗牙根在不同高程和不同排水方式下抗拉力學(xué)性能的變化關(guān)系。

在拉伸試驗(yàn)的過程中，為了避免根系在夾具中滑動(dòng)和夾斷，在根系兩端綁定醫(yī)用膠帶以增大根系與夾具之間的摩擦力，根系兩端分別夾20 mm，最終選取在根系中部或接近中部發(fā)生斷裂的情況作為成功試驗(yàn)結(jié)果（見圖2）。

極限抗拉強(qiáng)度通過式（1）計(jì)算

P=4FπD2（1）

式中：P為極限抗拉強(qiáng)度，MPa;F為最大抗拉力，N;D為根系平均直徑，mm。

延伸率由式（2）計(jì)算

ε=ΔL/L×100%（2）

式中：ε為極限延伸率，%;ΔL為根系拉伸時(shí)的伸長(zhǎng)量，mm;L為根段原始長(zhǎng)度，mm，本研究中即為標(biāo)距，取50 mm。

彈性模量由式（3）進(jìn)行計(jì)算

E=σε（3）

式中：σ為應(yīng)力，MPa;ε為極限延伸率，%;E為彈性模量，MPa。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件對(duì)分析前的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，對(duì)不同高程和排水方式下狗牙根的抗拉力、抗拉強(qiáng)度、延伸率以及彈性模量進(jìn)行單因素方差分析，研究這2種因素是否對(duì)抗拉力學(xué)特性產(chǎn)生顯著性影響，顯著水平為0.05，分析完成后利用Excel 2010作圖。3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2

2 結(jié)果與分析

為了研究高程和排水方式對(duì)狗牙根根系力學(xué)性能的影響，選取了低、中、高3種高程和不同岸坡排水方式下的狗牙根進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，共研究狗牙根612根，根徑均在0.18～0.71 mm之間，平均直徑間無顯著性差異（見表2）。狗牙根根系力學(xué)特性與高程、排水方式的關(guān)系如表3所列。

2.1 抗拉力、抗拉強(qiáng)度與高程的關(guān)系

隨著狗牙根根徑的增加，其抗拉力呈冪函數(shù)增大，而其抗拉強(qiáng)度呈冪函數(shù)減小，這與鐘榮華等[7]和馮國建等[11]對(duì)狗牙根的研究結(jié)果相同，也和其他眾多相關(guān)研究結(jié)論相一致[12-13]，這也說明了根徑是植物根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的決定因素之一。Genet等[14]認(rèn)為根徑和抗拉強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系與根系內(nèi)部纖維素含量密切相關(guān)，因?yàn)殡S著根系直徑減小，根系纖維素和木質(zhì)素含量以及根系抗拉強(qiáng)度都會(huì)增加。狗牙根的抗拉力和抗拉強(qiáng)度隨著高程增加而增大（見圖3），原因在于高程對(duì)土壤的理化性質(zhì)和含水量都有影響，因此對(duì)狗牙根的抗拉力和抗拉強(qiáng)度也產(chǎn)生了影響。左志嚴(yán)[15]和Gonzalez-Ollauri等[16]研究結(jié)果指出土壤理化性質(zhì)和植物根系相互影響，土壤理化性質(zhì)改變會(huì)影響到根系含水量，還會(huì)對(duì)根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響，高程增加以及土壤含水量降低，都會(huì)使狗牙根的抗拉力和抗拉強(qiáng)度增加。

2.2 延伸率、彈性模量與高程的變化關(guān)系

狗牙根延伸率和彈性模量隨著根徑的增加呈冪函數(shù)減小，這一結(jié)果和張超波[17]、萬娟[18]、王澤鵬[19]等的研究結(jié)果相一致，隨著根徑的增大，根系內(nèi)部的纖維素和半纖維素含量會(huì)相應(yīng)增加，而根系的極限延伸率和彈性模量則會(huì)減小。狗牙根的極限延伸率隨著高程的升高而減小，而其彈性模量則會(huì)隨著高程的升高而增大（見圖4）。Raymond[20]、Jane[21]和張喬艷等[22]發(fā)現(xiàn)植物根系極限延伸率和彈性模量與根系內(nèi)部木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等有密切聯(lián)系。這可能是由于高程的增加，土壤性質(zhì)和含水量發(fā)生了變化，使得狗牙根內(nèi)部纖維素和半纖維素含量增加，進(jìn)而使其延伸率減小，彈性模量增大。目前關(guān)于土壤理化性質(zhì)和含水量對(duì)根系延伸率和彈性模量的影響研究較少，還需要進(jìn)一步對(duì)此展開相關(guān)研究探討，以便更好地解釋這種變化規(guī)律。

2.3 排水方式與抗拉力、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

狗牙根的抗拉力和抗拉強(qiáng)度在一、二、三期排水方式下依次增加（見圖5）。在不同高程處，狗牙根抗拉力和抗拉強(qiáng)度在一期和三期都存在顯著性差異，原因在于一期排水使用傳統(tǒng)盲溝排水，而三期排水在傳統(tǒng)盲溝排水設(shè)施的基礎(chǔ)上，按孔深15 m、孔徑90 mm、孔距5 m布置16個(gè)水平排水孔。因此兩者間土壤含水量差距較大，導(dǎo)致抗拉力和抗拉強(qiáng)度都存在顯著性差異，這與蔣靜[23]、左志嚴(yán)[15]的研究結(jié)論相一致，而Zhang等[24]也指出土壤含水量的差異會(huì)影響根系的抗拉力和抗拉強(qiáng)度。

2.4 排水方式與延伸率、彈性模量的關(guān)系

狗牙根的延伸率在一、二、三期排水方式下不斷減小，而彈性模量則依次增加（見圖6）。岸坡排水改變了土壤的含水率，李長(zhǎng)暄[25]指出含水率對(duì)根系的抗拉性能有顯著影響，當(dāng)含水率下降到一定呈度時(shí)，根系極限延伸率顯著降低。歐陽前超等[26]研究顯示，由于彈性模量為應(yīng)力與應(yīng)變的比值，應(yīng)變值即為根的拉伸量，彈性模量的計(jì)算結(jié)果明顯受應(yīng)變值的影響。

3 結(jié) 論

對(duì)長(zhǎng)江河岸帶狗牙根根系進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)，分析不同高程和不同排水方式對(duì)狗牙根根系力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論。

（1） 狗牙根的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)增大的關(guān)系，而其抗拉強(qiáng)度、延伸率以及彈性模量與根徑呈冪函數(shù)減小的關(guān)系。

（2） 狗牙根的抗拉力、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量與高程呈正相關(guān)，而其延伸率與高程呈負(fù)相關(guān)。狗牙根抗拉力、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量隨著高程的增加增幅分別在10%～19%、7%～27%、41.69%～59.41%之間。而延伸率隨著高程的增加降幅在19.19%～6.15%之間。

（3） 隨著排水方式的優(yōu)化，在一、二、三期排水方式下狗牙根的抗拉力、抗拉強(qiáng)度和彈性模量依次增大，而其延伸率依次減小?？估?、抗拉強(qiáng)度和彈性模量在一、二、三期排水方式下的增幅分別為11.87%～28%、5.77%～41.06%、28.54%～40.56%，延伸率的降幅區(qū)間為20.38%～8.27%。

本文通過對(duì)長(zhǎng)江河岸帶狗牙根根系力學(xué)性能的研究分析，對(duì)河岸帶不同高程的生態(tài)恢復(fù)與建設(shè)提供借鑒和參考，為邊坡治理中的岸坡排水措施設(shè)置提供理論依據(jù)。

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（編輯：黃文晉）

Analysis of mechanical properties of bermudagrass root system on riparian slopes

of Yangtze River

YE Xing1，YANG Qihong2，ZHANG Chaobo1，WANG Jiasheng2

（1.College of Water Resources Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China; 2.Department of River Research，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Riparian slopes play an important role in watershed ecosystem.Plant roots can improve the stability of riparian slopes by exerting tensile mechanical properties，which is of great significance to the ecological stability of riparian slopes.However，there is a lack of understanding on the influence from different elevations and drainage methods on tensile properties of dominant herbaceous species along the Yangtze River.Root tensile tests were carried out on the roots of the dominant herbaceous species bermudagrass （Cynodon dactylon（L.） Pers.） to study root tensile properties under different elevations and drainage methods.The results showed that：① The root tensile force of bermudagrass increased with root diameter in power function，but the tensile strength，elongation and elastic modulus decreased with root diameter in power functions.② The root tensile force，tensile strength and elastic modulus of bermudagrass were positively correlated with the bank elevation，while the elongation was negatively correlated with the bank elevation.③ The root tensile force，tensile strength and elastic modulus of bermudagrass increased in sequence while the elongation decreased in sequence under the first，second and third stage of slope drainage.The results illustrated the effects of bank elevation and slope drainage on the root tensile properties of bermudagrass，which could provide a theory basis for vegetation measures on the bank slopes of the Yangtze River.

Key words：

riparian zone;bermudagrass;elevation;drainage mode;tensile properties3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2