磨盘山典型灌草根系抗拉力学特性及其影响因素研究

2019-04-16赵洋毅王克勤杜玉雪

西南林业大学学报 2019年2期

薛杨赵洋毅，2 王克勤，2 段旭，2 杜玉雪

( 1. 西南林业大学生态与水土保持学院，云南昆明，650224；

2. 国家林业和草原局云南玉溪森林生态系统国家定位观测研究站，云南昆明，650224)

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失在坡体稳定性较差的土石山区尤为严重，传统的防护工程在初期对边坡水土保持作用显著，但随时间推移，工程老化，护坡效果减弱，严重的还会造成安全隐患。随着植物护坡理念的兴起，植物护坡技术愈来愈受到青睐，植物根系可有效提高土体稳定性已被证实[1-2]。

植物根系主要通过深粗根的锚固作用和浅细根的加筋作用提高土体稳定性，其中以小于1 mm的细根作用更为显著[3]。根系抗拉强度大是水土保持植物的一个重要特性，通过对根系抗拉强度的研究发现，抗拉强度随根径以幂函数或指数函数形式变化[4-7]，根径越小，抗拉强度越大，这种变化规律归因于根系化学成分的差异，主要的化学成分包括木质素、纤维素和半纤维素等[8]。叶超等[9]和Genet等[10]研究发现单位根系干质量的纤维素含量与根径呈反比，但在吕春娟等[11]的木本植物研究中根系纤维素含量与根径呈正比，所以笼统的用木本或某种类植物的根系纤维素分布规律来解释根系的力学特性并不科学。目前对植物根系主要化学成分含量、根径以及根系力学特性之间相互作用机制的研究，集中于乔灌木植物[12-16]，对含有大量细根，固坡效果更显著的草本植物研究较少，所以扩大不同属种植物根系的研究具有重要意义。

云南地貌复杂，气温和降水的地域分异明显，气候带多样，温带、热带和亚热带气候均有分布，植物生长受气候环境因子的影响较为显著[17-18]，为更好地满足建设和植物护坡的需求，需培育或筛选出更多的护坡植物以适应多元化气候。鉴于此，本研究以西南红壤人工土质边坡作为切入点，选取自然更新的乡土灌草植物，测定不同根径的纤维素、木质素、半纤维素含量，探究不同化学成分对根系力学特性的作用和贡献，以期揭示根系力学特性变化的内在因素，为区域水土保持及护坡植物的配置提供参考。

1 研究区概况

研究区在云南省玉溪市新平县磨盘山国家森林公园内，地处北纬 23°46′18″～23°54′34″，东经 101°16′06″～101°16′12″，该地区为亚热带高原性气候，海拔1260～2614 m，气候垂直变化明显，干湿分明、雨热同季，最高气温达33.0 ℃，最低气温只有-2.2 ℃，年平均气温15.5～23.7 ℃。6—8月降雨集中，年平均降雨1000～1100 mm。磨盘山土壤以第三纪古红土发育的山地红壤和玄武岩红壤为主，土壤偏酸性，质地紧实，以中厚土壤层为主，局部为薄土层，土层厚度1 m左右。

2 材料与方法

2.1 根系材料采集

供试植物取自磨盘山国家森林公园内公路开挖产生的人工土质边坡上，选取栽秧泡（Rubus pectinellus）、星毛金锦香（Osbeckia sikkimensis）、狗尾草（Setaria palmifolia），灯芯草（Juncus effuses）4种植物为研究对象，其中栽秧泡和狗尾草为水土保持植物[19]，狗尾草对紫茎泽兰（Eupatorium adenophora）生长还具有抑制作用[20]，而灯芯草、星毛金锦香在西南地区分布广泛，是具有较好护坡能力的园林观赏性植物[21]。

对4种植物样品的采集，分别于2017年6月和8月进行2次，植株生长边坡坡度13°～18°，海拔1450～1980 m。根系采集采用完全挖掘法，选择长势相近的植株，按根系生长方向尽量避免对根系的机械损伤逐层挖掘，每种植物采集6～9株，完成后用毛刷清理根系表面泥土带回实验室，剪下根段装入自封袋置于4 ℃冰箱中保存尽快进行实验。

2.2 根系抗拉力学特性测定

选取完整无破损、粗细均匀、根长10～15 cm的根段，用游标卡尺测量根系上中下3处的直径（精度0.01 mm），取平均值记为该根段的根径。使用WZL-300纸张拉力仪进行根系抗拉力测定，拉伸速率设定为10 mm/min，在测试过程中控制终端可以连续测量拉力、抗拉强度等力学参数并记录拉伸过程。需要注意的是在固定根段时，为避免夹具破坏根段或在实验过程中根段发生打滑等现象，在夹具内侧粘有防滑胶垫并用棉花缠绕根段两端。整个实验过程，只有当根段的断裂点在2个夹具的中间段时数据才有效，在夹具附近发生的断裂均视为无效实验，4种植物各径级测试成功的根样数共计328根，成功率为61.6%。根系力学指标计算方法见式（1）～（5）。弹性材料在单向应力状态下，其应力-应变关系符合虎克定律[22]，具体方程见式（5）。

式中：P为抗拉强度（MPa），Fmax为最大拉力（N），D为根系平均直径（mm），为第i级直径根的极限抗拉强度（MPa），Pi为第i级直径根的数量，a为第i级直径根的平均横截面面积（ mm2），σ为应力（ MPa），F为抗拉力（N），A为根段的横截面积（mm2），ε为根系纵向线应变即延伸率，ΔL为根系形变伸长量（cm），L为根段初始长度（cm），E为弹性模量。

2.3 根系主要化学成分含量测定

由于本研究中草本根系直径均小于1.5 mm，灌木大于1.5 mm根径的粗根含量很少，所以根系直径按照 0～0.5、0.5～1、1～1.5、＞1.5 mm 归类装袋，于75 ℃下烘干至恒质量，后研磨过200目筛，应用范式纤维素洗涤法，测定根系纤维素、半纤维和木质素含量[23-25]。

2.4 分析方法

采用SPSS 18.0软件进行数据统计分析，利用Excel 2010进行制图，运用回归分析、Pearson相关性分析、LSD法进行分析。

3 结果与分析

3.1 根系的力学特性分析

根系抗拉实验实质为在顺根系纤维的轴向上施加一个外力作用，当荷载加大，根系发生断裂或连根拔起。4种供试植物抗拉试验成功的总根数为339根，其中栽秧泡90根、星毛金锦香91根、狗尾草78根、灯芯草80根，供试灌木根径范围为0.32～3.21 mm，草本根径范围为0.21～1.44 mm。

根系抗拉力与根径关系见图1。由图1可知，4种植物平均抗拉力由大到小依次为星毛金锦香＞栽秧泡＞狗尾草＞灯芯草。4种植物变化趋势基本相同，根系最大抗拉力随根径的增大呈幂函数趋势增大，递增幅度栽秧泡＞星毛金锦香＞狗尾草＞灯芯草。

图1 根系抗拉力随根径变化Fig. 1 Relationship between root tensile force and diameter

根系抗拉强度与根径的关系见图2。由图2可知，在根径小于1.0 mm的植物根系中，其抗拉强度由大到小依次为栽秧泡＞星毛金锦香＞狗尾草＞灯芯草，所选4种植物根系抗拉强度均随根径的增大以负幂次函数形式下降。而根径小于1.0 mm的细根具有较强的抗拉强度，且含量较多对黏结土粒提高土体黏聚力的作用明显，固土效果突出，所以认为栽秧泡的根系特性对提高浅层坡体根-土复合体强度更好，但具体的固土效果还要结合根系整体构型综合考虑。

3.2 根系主要化学成分分析

根系的主要化学成分为木质素、纤维素和半纤维素，本次所选4种植物根系中，主要化学成分质量之和约占根系质量的60%，平均含量由大到小依次为纤维素＞木质素＞半纤维素。

图2 根系抗拉强度随根径变化Fig. 2 Relationship between root tensile strength and diameter

1）木质素含量分布。由表1可知，4种植物根系木质素含量在17.22%～20.78%。在根径小于1 mm的根系中，栽秧泡根系木质素含量显著大于其他3种植物，而在根径大于1 mm的根系中，星毛金锦香根系纤维素含量更多。在同种植物中，星毛金锦香、狗尾草、灯芯草根系不同根径间木质素含量均存在显著差异（P＜0.05），且均随根径的增大而增大，栽秧泡木质素含量随根径的增大而减小。

2）纤维素含量分布。由表2可知，4种植物根系纤维素含量在21.53%～28.79%。在相同根径下，栽秧泡与星毛金锦香根系纤维素含量存在显著差异（P＜0.05），而狗尾草与灯芯草根系纤维素含量无显著差异。在同种植物不同根径间纤维素含量均存在显著差异（P＜0.05），同时，随着根径的增大，星毛金锦香、狗尾草、灯芯草根系纤维素含量随之减小，而栽秧泡根系纤维素含量增大。

3）半纤维素含量分布。由表3可知，4种植物根系纤维素含量在13.19%～17.77%。在相同根径下，栽秧泡、星毛金锦香根系半纤维素含量差异不显著，狗尾草、灯芯草存在显著差异（P＜0.05）。除狗尾草外，同种植物不同径级间半纤维素含量差异不显著。说明半纤维素含量变化与根径间无明显规律。

4）木纤比特征。木质素和纤维素含量是根系化学成分中最丰富的2种有机物，木质素充补在纤维素缝隙中增强植物抗压和机械强度作用，二者的比值称为木纤比，可反映木质素和纤维素变化的综合特征。由表4可知，所选4种植物木纤比均小于1，其中狗尾草最大栽秧泡最小。同种植物根系不同根径间木纤比存在显著差异（P＜0.05）。狗尾草、灯芯草、星毛金锦香根系的木纤比均随根径的增大而增大，栽秧泡根系的随根径的增大而减小。

综上可知，随着根径增大，除了栽秧泡外，其他3种植物根系的木质素含量、木纤比均随之增大，纤维素含量均随之减小；而随根径的增大，栽秧泡根系纤维素含量随之增大，木质素含量和木纤比随之减小。半纤维素无明显规律。

3.3 根系力学特性与化学成分的关系

4种植物根系力学特性与主要化学成分含量的相关性分析结果见表5。由表5可知，4种植物的力学特性与半纤维素无显著相关性，而与木质素、纤维素含量显著相关（P＜0.05）。除栽秧泡外的3种植物根系抗拉力与木质素含量、木纤比呈极显著正相关（P＜0.01），与纤维素含量呈极显著负相关（P＜0.01），栽秧泡则反之。除栽秧泡外的3种植物根系抗拉强度与木质素含量、木纤比呈显著负相关（P＜0.05），与纤维素含量呈显著正相关（P＜0.05），栽秧泡反之。

表4 4种植物各径级木纤比及差异性Table 4 The wood fiber ratio of each diameter grade and difference of 4 plants

表5 4种植物根系力学特性与主要化学成分含量的相关性分析Table 5 The correlation coefficient between the mechanical characteristics and content of main chemical components of the four plants root

3.4 根系应力-应变关系

3.4.1 根系应力-应变曲线

通过对根系拉伸过程中的应力与应变变化来分析根系抗拉特性。在实验中发现受拉断裂面通常参差不齐，且横截面积与原始状态变化较小，所以实验采用Lagrange的定义，取断裂横截面积为根段初始截面积[5]。通过测量所选植物不同根径数量占比：细根69.10%、中根28.45%、粗根5.22%，本实验选取最有代表性的细根0.5 mm和中根1.2 mm 2个根径级，每径级各取30个根段进行实验，根系应力-应变曲线见图3。

图3 4种植物根系的应力-应变曲线Fig. 3 Root stress-strain curve of four kinds of plants

由图3a可知，2种根径下栽秧泡根系的应力-应变特征曲线均为对数函数关系，受力前期，在应力小于20 MPa时，应力应变呈线性关系，根系的弹性特征最明显；由图3b可知，2种根径下星毛金锦香根系的应力-应变特征曲线符合对数函数关系，与栽秧泡变化趋势相似；由图3c可知，2种根径下狗尾草根系的应力-应变特征曲线，曲线弯曲度小，二次函数线性特征明显，说明狗尾草根系是所选植物中最像弹性材料的植物；由图3d可知，2种根径下灯芯草根系的应力-应变关系曲线均与幂函数拟合度较高，但灯芯草的弹性材料特征最不明显，在受力初期应力-应变关系基本无线性特征。

由图3可知，1.2 mm根径的最大应力总小于0.5 mm根径的，表明最大应力随根径的增大而减小，即在应变相同的情况下，根径越大所受应力越小。植物根系在受到轴向拉力前期，伸长量和单位面积荷载力均按照一定值成比例增加，应力-应变呈线性递增关系这与弹性材料特性一致，当荷载力继续加大，超过弹性极限时，线性应力-应变关系的斜率逐渐减小，直线开始向水平方向弯曲，即应力随应变的增加幅度逐渐减小，这与塑性材料特征一致。同时发现在根系最后的断裂点应力最大，其数值与该根径最大抗拉强度相等。在实验过程中也发现，即使同种植物相同根径其实验所得应力-应变曲线也有所差别，这可能是根系结构差异所造成的。

3.4.2 根系极限延伸率

植物根系的极限延伸率是反映根系抵抗土体滑坡的一个重要指标。因为在土体出现裂缝要发生相对滑移时，较大的极限延伸率有利于将根系所受的拉力向土体深层传递，同时对土体滑移产生的破坏力起到缓冲作用，这些都有利于提高根系固土能力。

由图4可知，4种植物根系的最大延伸率呈现相同变化趋势，均随根径的增大而减小，其平均延伸率由大到小依次为星毛金锦香18%＞栽秧泡16%＞狗尾草和灯芯草13%。

图4 4种植物根系的极限延伸率与根径关系Fig. 4 Relationship between critical strain and diameter of 4 species plants roots

将根系化学成分和根系极限延伸率放在一起比较时发现，狗尾草、灯芯草和星毛金锦香的根系极限延伸率随纤维素的增加而增大，随木质素的增加而减小，而栽秧泡根系极限延伸率与化学成分的关系与其他3种植物相反。

4 结论与讨论

4.1 讨论

4.1.1 根系力学特性与根径关系

本次抗拉实验草本植物所测试根系直径范围在0.21～1.44 mm，灌木根系在0.32～3.20 mm。抗拉强度范围为14.01～53.24 MPa，抗拉强度的变幅较小与大多数学者研究结果一致[26-28]，但具体大小有差别，可能原因是根系材料复杂本身具有非均匀性和各向异性的特质，不同树种之间根系材料可能存在较大差异，且受试根系直径不同也会影响到抗拉力大小，从而根系力学性质的大小差异较大。4种植物根系的抗拉力均随直径的增大而增大，抗拉强度随直径的增大而减小，且都表现为幂函数关系，说明木本植物的抗拉规律对草本植物同样适用[10，27]。

4.1.2 根系主要化学成分含量分布关系

4种植物根系中木质素、纤维素、半纤维素质量之和约占根系质量的60%左右，与紫花苜蓿（Medicago sativa）和马唐（Digitaria sanguinalis）、油松（Pinus tabuliformis）、元宝枫（Acer truncatum）、栎树（Quercusspp.）[15，26-27]等乔木植物根系中主要化学成分含量接近。

狗尾草、灯芯草和星毛金锦香根系木质素含量、木纤比与根径呈正比，纤维素与根径呈反比，而栽秧泡木质素含量、木纤比与根径呈反比，纤维素与根径呈正比。栽秧泡化学成分随根径的变化与其他3种植物不同，造成这种现象的可能原因是根系增粗的过程实际就是向外生长形成韧皮部，向内生长形成木质部的过程，而纤维素、半纤维素含量更高的木质部生长速度比木质素含量高的韧皮部生长速度更快，所以随着根系的增粗具有根皮的根系其纤维素含量增加幅度大于木质素的[29]，即表现为随着根径的增大纤维素含量的增大，木质素含量相对减少，观察发现栽秧泡就具有较厚的根皮结构；同时具有根皮的实验灌木根系木质素、纤维素含量会高于没有根皮的实验草本根系。

4.1.3 根系主要化学成分对抗拉特性的影响

4种植物根系的力学特性与木质素、纤维素呈极显著相关，与半纤维素无显著相关性，这与杨树（Populusspp.）、海岸松（Pinus pinaster）、冷杉（Abies fabri）、紫花苜蓿和马唐等木本植物研究结果相似[8，10，14，26]。但木质素与纤维素对不同植物的影响方式不同，狗尾草、灯芯草、星毛金锦香的根系抗拉强度与纤维素呈显著正相关关系，与木质素呈显著负相关关系，这与Genet等[10]、赵丽兵等[26]和Hales等[27]学者研究结果一致，但栽秧泡根系的化学成分对抗拉强度的影响与其他3种植物不同，栽秧泡根系的抗拉强度与木纤维素含量呈显著正相关关系，与纤维素含量呈极显著负相关关系，这与吕春娟等[11]研究的乔木根系结果一致，其原因本质是栽秧泡根系化学成分随根径的变化规律与狗尾草、灯芯草、星毛金锦香的变化规律相反。

4.1.4 根系应力-应变特征

不同植物种类的根系内部组织结构、空间排列存在差异，所以在抗拉过程中根系的应力-应变曲线会有所不同[30]。灌木应力-应变关系曲线呈对数函数关系，草本呈幂函数关系，在拉伸前期4种植物均表现出弹性材料特征，当应力达到一定值时变为塑性材料，这与朱海丽等[31]研究的灌木根系规律相似，即在一定拉力范围内根系弹性特征较好，拉力持续增加，当超过弹性范围时根系弹性特征变差转变为塑性特征。此外，根系最大延伸率随根径的增大而减小，实验灌木根系最大延伸率大于草本根系最大延伸率，可能原因为灌木根系外有一层根皮包裹称为韧皮部，组成韧皮部的韧皮纤维具有很强的弹性，可以增强根系的延伸能力[29]，栽秧泡的韧皮部较厚，星毛金锦香根系的根皮中有粘胶液状物质，使得韧皮部与木质部紧密粘连在一起增加了根系柔韧性，而草本植物基本无根皮组织。所选4种植物根系均表现出较好的抗变形能力，其根系弹性和延伸率对抵抗土体发生位移时的剪切力有很好的效果。