半干旱土石山区香根草根系抗拉力学特性研究

王泽鹏

摘要：通过室内拉伸试验，研究了半干旱土石山区（山西省太原市崛围山区）香根草根系杭拉力学特性，并分析了不同因素对根系杭拉力学特性的影响，结果表明：香根草根径以0.3～0.9mm为主，根系平均杭拉力为21.94N，平均杭拉强度为91.42mPa，平均弹性模量为4.65mPa；香根草根系极限杭拉力、杭拉强度和弹性模量均与根径成幂函数关系；随着根径增大，极限杭拉力增大，但杭拉强度和弹性模量却减小；相同根径下，根系的极限杭拉力、杭拉强度和弹性模量随着标距增大而减小；当根径较小时，不同标距间杭拉强度的差异明显，但随着根径的增大，这种差距逐渐减小。

关键词：香根草；根系；极限杭拉力；杭拉强度；弹性模量

中图分类号：S157.4+3 文献标志码：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.021

植被护坡作为生态环境保护的重要手段之一，不仅美观，而且符合当前生态自然和谐的要求，可以很好地稳定边坡、防治山地灾害[1-3]。植物根系的固土力学机制受到广泛研究，为覆盖植被边坡的稳定分析和植被护坡力学性能的评价提供了重要的理论支撑[4-8]。

香根草具有适应性强、生长繁殖快、根系发达、耐旱耐瘠等特性，能适应强酸、强碱、重金属等各种土壤环境和干旱、渍水、贫瘠等条件，已成为土石山区稳定浅层坡体、保持水土的先锋植物。虽然近年来对香根草根系分布形态、抗拉力学性能开展了一些研究[9-12]，但主要集中在南方湿润区域[13-16]，缺乏对半干旱土石山区香根草根系抗拉力学特性的研究。

因此，笔者通过对半干旱土石山区的香根草根系进行拉伸力学性能试验，获得不同根径和根长的根系极限抗拉力、抗拉强度和弹性模量等力学性能参数，以期为半干旱土石山区香根草根系抗拉力学特性研究填补空白，并为植物根系固土力学机制研究提供参考。

1 研究区概况

研究根系取样区域位于山西省太原市西北24km处的崛围山区，该区平均海拔1352m，属暖温带大陆性季风气候区，全年无霜期为140d左右，全年日照时间为2500h左右。昼夜温差较大，年平均温度8℃，最低气温为-28℃，最高气温为40℃。年平均降水量为470mm，降雨主要集中在7-9月。崛围山植被以油松、侧柏和黄护等林木和香根草、百喜草等草本为主[17]。该区地表水属黄河流域汾河水系，汾河一级支流泥屯河、柏板河、杨兴河、涧河均在区内汇人汾河。

2 试验材料及方法

2.1 试验设备及工具

试验设备及工具包括：①电子游标卡尺，精确到0.01mm（测量根径）；②卷尺，精确到1mm（测量根长与标距）；③WDW-5型电子万能试验机，加载速率20mm/min，加载力精确到0.01N，变形精确到0.001mm（测量单根的抗拉力与抗拉强度）；④自封袋、铁铲、铁锹等（用于野外根系采集）。

2.2 试验方法

选取试验区内长势良好、枝叶繁茂、表面无病害的香根草植株。首先清除选定植株附近的杂物，然后用铲子小心地将植株挖出。将采集到的根系样本放置于塑料袋中密封，尽快送至实验室。为了保证根系活性，每次采集根系样品当天必须测完。

按欧阳前超等[18]采用的方法，将香根草根系从土体中分离后，利用电子游标卡尺测量每个根样的直径，每个根样测量3个不同位置的直径，取其平均值作为最终的直径值，并将所测草根按直径大小分组放置，在进行不同直径草根的拉伸试验时，选择一定数量草根，确保得到不同直径根样的有效拉伸力学数据。根据根系测量结果，选定60、80、100cm三个不同的标距，对每一个标距，试验根样涵盖每个直径组。记录每次根系拉断后的平均直径、断后标距值和抗拉力等数据。

2.3 计算方法

根系抗拉强度计算公式为式中：T为单根抗拉强度，MPa；F为极限抗拉力，N；D为单根直径，mm。

应变ε计算公式为式中：ΔL为试验根试验过程中的变形量，mm；L为试验根初始长度，mm。

弹性模量E计算公式为式中：σ为应力，MPa。

3 结果与分析

3.1 根系极限抗拉力

本试验中香根草根径以0.3～0.9mm为主。三个不同标距60、80、100cm的根系抗拉力见图1。从图1可以看出，香根草根系具有较强的抗拉能力，本试验中最大极限抗拉力为38.65N（相应的根径也最大，为0.843mm）；最小极限抗拉力为9.9N（相应的根径也最小，为0.343mm），最大值为最小值的3.9倍。根系极限抗拉力与根径成正相关关系，即根径越大极限抗拉力越大，原因是随着根径增大，草根横截面面积增大，且根系木质化程度提高，细胞排列更为紧密，使根系组织抵抗变形的能力增大，抗拉力增大。三个标距的香根草根系的平均极限抗拉力为21.94N。标距为60cm的根系極限抗拉力最大，平均值为25.00N；标距为80cm的根系极限抗拉力平均值为21.84N；标距为100cm的根系极限抗拉力最小，平均值为18.98N。可以看出，根系极限抗拉力随标距增大而减小，说明植物根系中短根的抗拉能力更强。三种标距测得的结果相差不大，表明本研究20cm标距差值对极限抗拉力的影响较小。

通过回归分析可知，香根草极限抗拉力F和根径D之间成幂函数关系F=aDb（a、b为常数），标距不同的根系极限抗拉力与根径关系曲线近似成平行关系，说明三种标距下极限抗拉力随根径的变化相对比较均匀。幂函数回归方程见表1。

3.2 根系抗拉强度

抗拉强度与根径的关系见图2。本试验香根草根系的抗拉强度范围为52.02（根径为0.853mm的）～168.42mPa（根径为0.323mm的），平均抗拉强度为91.42mPa。不同标距的抗拉强度之间存在着差异，抗拉强度最大的是标距为60cm的根系，变化范围为66.46～169.10mPa，平均抗拉强度为111.46mPa；标距为80cm的根系抗拉强度次之，最大值为124.07mPa，最小值为60.03mPa，平均值为88.07mPa；标距为100cm的根系抗拉强度最小，为51.97～116.96MPa，平均值为74.74mPa，最大值、最小值、平均值较60cm标距的分别减小了30.83%、21.80%、32.94%。根系抗拉强度与根径成负相关关系，根径较小的不同标距根系抗拉强度差别较大，根径较大的不同标距根系抗拉强度差别较小。标距为60cm与80cm的根系抗拉强度差别较大，而标距为80cm与100cm的根系抗拉强度差别较小。

通过回归分析可知，香根草根系抗拉强度T与根径D满足幂函数关系T=αD-β（α、β为常数），这与余芹芹等[6]、Pollen等[7]、程洪等[15]的研究结果一致，表明越细的根抗拉强度越大，对土体有更强的固结作用，具有更好的护坡能力。幂函数回归方程见表2。

3.3 根系弹性模量

不同标距下弹性模量与根径的关系见图3。本试验香根草根系的弹性模量最大值为11.22mPa，最小值为1.78mPa，平均值为4.65mPa。标距为60、80，100cm的根系弹性模量平均值分别为6.37、4.68、2.90MPa，最大值是最小值的2.2倍。标距为100cm的根系弹性模量最小（最大值为4.88mPa）；标距为60cm的根系弹性模量最大（最大值为11.22mPa），是标距为100cm根系的2.3倍。标距为80cm的根系弹性模量为2.58～8.43mPa，居于标距为60cm与100cm的根系弹性模量之间。弹性模量与根径成负相关关系，根径较小时三种标距的根系弹性模量相差较大，根径越大差距越小。

径D之间满足幂函数关系E=xD-y（x、y为常数）。幂函数回归方程见表3。

4 结语

（1）香根草根径多为0.3～0.9mm。香根草根系的抗拉力与根径之间为正相关关系，且成幂函数关系；单根抗拉强度随着根径增大逐渐减小，成幂函数关系，表明细根抗拉强度较大，对土体有较强的固结作用；根系弹性模量和根径之间成幂函数关系，弹性模量随着根径增大而减小。

（2）香根草根径相同的情况下，随着标距减小，最大抗拉力、抗拉强度、弹性模量均相应增大，即标距较小的根系具有较大的抗拉力和抗拉强度，说明植物根系中短根具有更好的力学性能，固土护坡作用更大。根径较小时，各标距间的抗拉力和抗拉强度差异较大，而随着根径增大，差距缩小，说明标距对于根系的抗拉力学性能具有明显影响。

（3）本文仅研究了香根草根径和标距对最大抗拉力、抗拉强度、弹性模量的影响，而含水率、土壤成分、根的化学成分等影响植物根系力学性能的因素有待进一步研究。

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