小乔木根系根土间作用力的室外拉拔试验研究

王桂尧，胡圣辉，张永杰，陈 曙，沙琳川，杨闻达

(长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 410114)

小乔木根系根土间作用力的室外拉拔试验研究

王桂尧，胡圣辉，张永杰，陈 曙，沙琳川，杨闻达

(长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 410114)

小乔木根系在边坡生态防护中具有相当高的比例，研究土壤贫瘠小乔木根系的护坡机理及影响因素，对进一步提高或改进边坡生态防护技术具有理论和实际意义。在综合国内外相关研究成果的基础上，通过室外拉拔试验研究了红黏土边坡湿地松根系在大气降雨、含水率、根系几何参数等变动情况下根系对坡面土体加固能力的影响。试验结果表明强降雨条件下，表层土体的含水率大于深层土体的含水率，含根土体含水率大于素土含水率，表明小乔木根系有助于坡面土的雨水入渗；最大拉拔力随含水率的增加表现为单调递减或在最优含水率附近最大的先增大后减小的趋势，两者间为二次函数的关系；最大拉拔力随根系体积的增加总体表现单调递增，但在含水率为22%和24%时，最大拉拔力随根系体积的增加先减小后增大；植物根系在不同体积或含水率下，拉拔力-位移曲线波动较大。

小乔木根系；根土间作用力；拉拔试验；雨水影响

适宜在红壤土等土质贫瘠边坡生长的小乔木等常被用于边坡生态防护，并发挥了良好的护坡和生态效果，因此研究小乔木根系的护坡机理具有十分重要的理论和实际意义。现有研究结果表明，根系最大拉拔力随土壤含水率增加呈先增加后减小的趋势[1]。拉拔力与根径符合幂函数关系,与根系数量符合线性关系,与株高符合指数函数关系[1～2]。在同一土壤干密度条件下，根系的最大拉拔力随根径增加而呈线性增大趋势；根径一定时，根系的最大拉拔力随土壤干密度增加而增大；根的破坏模式有拉断破坏和拔出摩擦破坏[3]。基岩风化程度相近的情况下，拉拔力随地茎、株高及地下生物量的增加而增大[4～6]。根系的破坏差异性较大，如峨眉冷杉、冬瓜杨根系为典型的弹性断裂，而杜鹃根系为脆性断裂，弹性模量并不是一个常量，随根径的增加而增加，随根长加大而减小[7]。通常定义根系在单轴抗拉试验下拉断时的力为最大拉断力；根系从土中拔出对应的峰值为最大拉拔力，相同直径的合欢根系最大拉断力大于最大拉拔力[8]。国内外学者不仅研究植物根系的几何参数、破坏模式对根系抗拉拔的影响，而且对根系几何形态及拉拔状态等进行了大量研究。杜鹃水平根系发达,拉拔过程中根系整体被拉出,而冬瓜杨由于垂直根系较发达,拉拔过程持续时间较长,冷杉具有垂直和侧向主根,荷载-位移(P-S)曲线表现出多峰的特征[9]。最大拉拔力与位移关系曲线可分为陡峭上升、陡峭下降和平缓下降3个阶段[3]；根系受拉初期，应力-应变呈直线关系，当荷载超过弹性极限，拉力继续增加时，应力-应变关系表现出非线性特征，且根系最大延伸率随根径增大而降低[10]。根-土复合体的拉断力在高密度区比低密度区的小，撒播区比条播区的拉断力小，高坡度区比低坡度区拉断力小，远离冲蚀沟区比冲蚀沟区附近拉断力小[11]。植被根系与土体之间的结合力以及根系自身的强度可以增加土体的抗剪强度,具有提高坡体稳定性的作用[12～13]。以上学者都针对植物根系的几何参数、生长参数等对植物根系拉拔进行研究。而植物根系对降雨时含根土体含水率分布的影响以及根系全段激活时间与根系体积及含水率的关系等研究较少，因此本文拟采用室外原位拉拔试验对植物根系的护坡机理进行研究。

1 试验方法与试验内容

1.1试验土样与小乔木根系

试验区位于湖南省长沙市，土壤以红壤为主。试验区土体参数如表1，属于粉质黏土。

植物选取湿地松(pinus elliottii)，栽种时间为2016年3月至2017年3月。拉拔根系如图1所示。

表1 试验土体的物理特性指标

图1 室外拉拔对应的不同体积根系图Fig.1 Different volumetric roots of the external pull

1.2试验方法与试验内容

为研究降雨对植物根系周围土壤含水率的影响，在降雨后进行室外拉拔试验。采用HP-50型艾德堡数显推拉力计改装的拉拔仪对植物根系进行拉拔试验。采用铁丝将根系绑扎，用拉拔仪进行拉拔力与拉拔时间关系曲线的测量，试验装置如图2所示。拉拔完成后，分3层对土体进行取样，进行含水率的测试。同时把拔出的植物根系放入保鲜袋带回试验室，清洗干净后用扫描仪进行扫描，再将照片采用根系分析软件WINRHIZO得出根系的几何参数。

图2 拉拔装置图Fig.2 Drawing device

2 试验结果与分析

2.1降雨对含根土体含水率的影响

在降雨作用下，含小乔木根系土壤的含水率也将发生相应变化，室外实测不同降雨量或气候条件下，含小乔木根系土壤含水率如图3(a)所示。气候变化条件下，含根土体不同深度的含水率变化如图3(b)所示。

图3 大气降雨对含根土体含水率的影响Fig.3 Effect of atmospheric rainfall on water content of the soil

由图3(a)可知，含根土体在降雨过程中含水率相比无根土体上升较快，而在降雨结束后其含水率下降速度也比素土要快，表明小乔木根系有助于雨水入渗。原因在于含根土体中的根系具有一定的保水能力，并且根土界面具有比素土更大的渗透性，当降雨强度达到一定程度时，根系的保水性和根土界面的高渗透性，导致含根土体的含水率略大于素土。降雨结束后，由于植物根系的蒸腾作用，使含根土体的含水率减小速度大于素土的含水率减小速度，直到低于素土含水率。

由图3(b)可知，强降雨过程中，表层土体的含水率略大于深层土体含水率；而强降雨后的一段晴朗天气条件下，由于含根土体植物根系的蒸腾作用及土体本身的水分蒸发，土体含水率逐渐下降，其中浅层的水分下降速度远大于深层土体的含水率，从而使深层土体含水率大于浅层土体含水率。原因在于表层土体不仅雨水入渗路径最短，而且表层主根根径最大且须根数量最多，因此强降雨条件下含根土体表层最容易达到饱和状态。在强降雨后，植物根系的蒸腾作用和表层土体的水分蒸发作用，使表层土体与深层土体的含水率同步下降，但表层土体比深层土体的含水率下降速度更快。因此经过一段时间的晴朗天气后，含根土体表层含水率急剧下降为小于深层土体的含水率。

2.2含水率对根土间作用力的影响

根据小乔木根系拉拔试验结果，将体积为1～1.5 cm3，1.6～2 cm3，2.1～2.5 cm3，2.6～3 cm3根系的含水率与拉拔力关系进行分析，拟合曲线如图4所示。

图4 含水率对根系拉拔影响Fig.4 Effect of moisture content on root drawing

由图4可知，拉拔力随含水率的增加具有先增加后减小的趋势，且含水率为20%时拉拔力最大。出现以上现象的原因，一是含水率增加，水的润滑作用导致根土间的摩擦系数减小。二是含水率增加土体的强度也相应下降。当含水率较低时，土体孔隙中的结合水膜较薄，难以形成有效的弯液面而产生的结合水膜胶结作用，因此土壤对根系的咬合力较小。随着含水率的增加，土粒与水之间形成结合水膜的水胶结作用增大了土壤与根系之间的黏聚力。但当含水率进一步增加时，土粒间的结合水膜变厚，弯液面产生的结合水胶结作用逐步减弱直至消失，从而使土壤与根系之间的结合力降低。

2.3根系体积对拉拔力的影响

根据小乔木根系的室外拉拔结果，将含水率为18%，22%，24%，30%，31%时的根系体积与拉拔力关系进行分析，拟合曲线如图5所示。

图5 根系拉拔参数与根系几何参数的关系Fig.5 Relationship between the root pull parameters and the root geometrical parameters

由图5可知，含水率为22%和24%时，拉拔力随根系体积增大呈先减小后增大趋势，根系体积为2 cm3时，其拉拔力达到最小值。而含水率在18%，30%和31%，最大拉拔力随根系体积的增大而增大。分析原因可能为根系体积较小时，根系的须根较多，当根系体积约等于2 cm3时，根系直径较大，而须根较少，随着根系体积继续增加，须根逐渐增加，含水率等于18%时，弱结合水膜水胶结作用较小，根土的接触较松散，须根更利于根土接触；当含水率等于22%～24%时，土体颗粒弱结合水膜的水胶结作用较大，且须根比表面积较直根大，须根与土体的摩擦黏聚性能大于直根；当含水率进一步增加时，土体颗粒的弱结合水膜变厚，弱结合水膜的水胶结作用明显减弱，须根与土体的摩擦黏聚力与直根与土体的摩擦黏聚力相差不大，此时最大拉拔力随根系体积的增加而增大。植物根系拉拔力随根系体积的增加而线性增加。

在根系拉拔阶段，随拉拔位移增加，根土界面强度被全段激活，拉拔力达到最大值，将最大拉拔力对应的时间称为根系完全激活时间，根系全段激活时间随根系体积的增加而增加，呈幂函数增加。随着根系体积的增加，根系与土体的接触面积同步增加，由于根系本身存在弹性模量，根系被激活时间逐渐延长，根系与土体间的摩擦咬合作用促使拉拔力逐级增加，此结论进一步证明了植物防护对边坡加固的有效性。

2.4不同含水率与根系体积的拉拔力和拉拔位移关系

小乔木根系在体积一定时，拉拔力与位移的关系如图6所示。由图6可知，植物根系拉拔力-位移曲线呈缓慢上升、上下波动和急剧下降三个阶段。由图6(a，b)可知，当含水率为17.8%～22.45%时，拉拔曲线表现为应变硬化型，而当含水率为24.29%～28.8%时，拉拔曲线表现为应变软化型。

图6 不同含水率与体积下拉拔力与拉拔位移的关系Fig.6 Relationship between the pull force and pull displacement of different water content and volume

当根系体积等于3 cm3时，拉拔力最大对应的含水率为20.91%，即含水率小于20.91%时，拉拔力随含水率增加而增加，而含水率大于20.91%时，拉拔力随含水率增大而减小趋势；根系体积为2 cm3时，拉拔力最大的含水率为18.05%。

由图6(c)可知，随着拉拔位移的增加，根系与土体接触面强度开始被激活，拉拔力逐渐增加，当根土接触面强度完全被激活时，根系拉拔力达到最大值，随着拉拔位移的进一步增加，土体对根系的黏聚摩擦作用逐渐减弱，土体对根系的包裹作用减弱促使根系被迅速拔出，拉拔力-位移曲线因人为手动拉拔，有一定的误差，拉拔曲线出现波动。根系拉拔力随含水率的增加先增加后减小，主要因为含水率较小时，根系与土体间的水胶结作用较小，随着含水率的增加，土体颗粒的弱结合水膜逐渐变厚，土体与根系间的摩擦黏聚力逐渐增大到最大值，但随着含水率的进一步增加，土体结合水膜变得更厚，根土间的摩擦黏聚力逐渐减小。

由图6(c)可知，当土体含水率为18%时，最大拉拔力对应的根系体积为2.4 cm3和4.5 cm3，而根系体积为1.8 cm3和3 cm3时的拉拔力较小。

分析原因为2.4 cm3体积以下的根系，须根占比较多，而根茎越大，主根和须根都发育更好，因此根系体积越大，根系拉拔力越大。而随着根系体积的进一步增加，即当根系的体积约等于3 cm3时，根系主直根系比例加大，同等体积主直根系与土体的接触面积较须根小，此时根土间的摩擦黏聚力主要由主直根系提供，根系最大拉拔力相对较小；而当根系体积继续增加时，以主直根为主的根土间摩擦黏聚力则随根径的增大而增大。

3 结论

(1)大气降雨时，含根土体的含水率略大于无根土体，说明小乔木根系的存在使土体的渗透性和保水性增加；降雨停止后，根系的蒸腾作用使含根土体含水率下降速度远大于素土，而表层土体更茂密的根系使浅层土壤含水率下降速度远大于深层土体。

(2)植物根系的拉拔力与土壤含水率的关系具有单调递减或先增加后减小的趋势，通常在最佳含水率附近时，拉拔力最大。

(3)植物根系最大拉拔力随根系体积呈线性增长趋势，在体积约等于2 cm3时，根系最大拉拔力达到最小值，原因为体积等于2 cm3时，植物根系处于须根占比较大向主根占比占优转化的临界点。

(4)植物根系拉拔力-位移曲线呈缓慢上升、上下波动和急剧下降三个阶段；在低含水率情况下，拉拔力-位移关系表现为应变硬化型，而在高含水率情况下表现为应变软化型。

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责任编辑

：张明霞

Anoutdoordrawingteststudyoftherootsoilinteractionforceforasmalltreerootsystem

WANG Guiyao, HU Shenghui, ZHANG Yongjie, CHEN Shu, SHA Linchuan, YANG Wenda

(SchoolofCivilandArchitectureEngineering,ChangshaUniversityofScienceamp;Technology,Changsha,Hunan410114,China)

Small trees have a very high proportion in slope ecological protection. A study of the mechanism of slope protection and influence factors of a small tree root system are of important theoretical and practical significance for further improvement of the slope protection technology. On the basis of domestic and foreign research achievements, the influence of moisture content and root geometric parameters on the strengthening ability of slope soil is examined by the outdoor drawing experiment in red clay ground with the pinus elliottii root system. The results show that moisture content of the surface soil is greater than that in the deep soil after heavy rainfall condition and moisture content of the root soil is less than that in the nature soil. It is found that the small tree root system helps the water to infiltrate in the slope. The maximum drawing force increases first and then decreases with the increasing moisture content as the trend of the quadratic function; the maximum drawing force increases monotonically with the increasing root volume over all the performance, but when moisture content is 22% and 24%，the maximum drawing force decreases first and then increases with the increasing root volume. The pullout force displacement curve fluctuates greatly under different volume or moisture content of the plant root.

small tree root system; root soil interaction force; drawing test; rain affect

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.10

TU413.1

A

1000-3665(2017)06-0064-06

2017-06-04;

2017-07-14

国家自然科学基金项目资助(51178063，51578082)；湖南省交通科技计划项目资助(201514)

王桂尧(1963-)，男，博士，教授，主要从事岩土工程及边坡防护。E-mail：wanggy688@163.com