黄土丘陵区不同植物根系抗拉力学特性

2019-05-22苏雪萌刘俊娥周正朝李秋嘉赵富王

水土保持研究 2019年3期

苏雪萌, 刘俊娥,2, 周正朝,2, 李秋嘉, 赵富王

(1.陕西师范大学地理科学与旅游学院, 西安 710062; 2.陕西师范大学地理学国家级试验教学示范中心, 西安 710062)

黄土高原是我国土壤侵蚀最为严重的地区之一[1-3]。根据“中国水土流失与生态安全综合科学考察”，黄土高原总面积64万km2，土壤侵蚀面积达39万km2[4]。而研究表明植被恢复建设是最常用的水土保持措施，植被能拦截降雨、减少降雨侵蚀力，其根系也可以改善土壤理化性质，增强土壤结构，提高土壤抗侵蚀能力[5-6]。早在20世纪30年代，Holch(1931年)首次提出有关不同森林植被根系对坡面稳定影响，之后对根系固土功能、防止地表冲刷及增加坡面抗滑能力等方面逐渐开始研究[7-11]。近年来植物固坡措施已经在国内外得到广泛应用[12]，其中植物单根抗拉特性是根系生物力学特性的重要组成部分，也是研究植物固土抗滑的基础；但根系研究有着一定程度的复杂性，即使是单根抗拉也还存在着许多问题亟待解决，包括试验方法、影响因素等。有学者通过对根径、根长、含水率等植物自身影响因素[13-14]以及加载方式、速率、植物采伐时间等试验因素[15-16]进行研究均得到不同的结论。目前主要从室内单根抗拉和野外原位群根抗拔2方面[7]来研究根系抗拉力学特征，其中李光莹等[17]对黄河源区高寒草地植物的根系的研究，赵丽兵等[18]对紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和马唐(Digitariaciliaris)两种草本植物根系的研究，陆桂红等[19]对泥石流源区典型草本植物根系的研究，钟荣华等[20]对三峡水库消落带草本植物根系的研究，肖宏彬等[21]对贫瘠土壤环境下的香根草(Chrysopogonzizanioides)根系的研究结果不同程度地表明：根系抗拉力与直径呈显著的幂函数正相关关系；根系抗拉强度与直径呈显著的负相关关系，与根的纤维素含量呈正相关关系等。先后已有研究探讨黄土高原不同植物根系对土壤抗侵蚀性能的影响[22]，但是对黄土高原不同植物根系特征与植物根系抗拉力学特性方面研究较少。在不同条件下，不同植物抗拉特性还存在较大差别[23]。

因此，本研究以黄土丘陵区3种典型植物：狼牙刺(Sophoraviciifolia)、铁杆蒿(Artemisiagmelinii)、苔草(CarexlanceolataBoott)，通过运用工程力学基础理论研究不同植物根系抗拉力学特性，探析植物根系在固坡保土增强土体稳定性的作用机理，以期为黄土高原丘陵区水土保持固土护坡植物筛选研究提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地位于黄土高原丘陵区的陕西省延安市安塞区县南沟(109°17′42″E，36°42′25″N)，平均海拔为1 266 m。该区属于温带半湿润气候区向温带半干旱大陆性气候过渡区，多年年平均气温8.8℃，多年年平均降水量为505.3 mm，年内降水主要集中在7月、8月、9月份[24]。土壤类型为黄绵土，土质疏松，遇水易崩解破碎，水土流失严重。自90年代开始该区实行大规模退耕还林还草工程，本研究区分布大量自然恢复植被，主要植被类型有铁杆蒿(Artemisiagmelinii)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、白羊草(Bothriochloaischaemum)等[25]。

1.2 研究方法

1.2.1 根系采集于2017年10月在安塞区县南沟流域选取具有代表性植物种群(狼牙刺、铁杆蒿、苔草)的坡面作为研究样地(表1)。在每种植物种群的坡面按“S”形选取5株高度、覆盖面积相近的植物，并分层采集根系；为避免出现不同程度的误差，统一规定采样剖面深为30 cm，分为3层，每层高为10 cm，长和宽分别为15 cm。每层以根为中心用卷尺测量根土复合体的标准长宽高，为避免根土复合体造成机械损伤，只用铲子将整个根土复合体铲出，然后将根土复合体放入自封袋中，带回实验室放入4℃低温冰箱中进行保存。

表1 不同植被种群样地信息

1.2.2 根系拉力测定本试验单根根径采用根系分析软件进行测定，测定的根径为单根的平均根径作为该根段的根径。所有单根测定完成后按其根径的径级大小划分为：径级I(0.0001.300 mm)。在4个径级范围内分别设计5种不同标距，即待测根系长度(50 mm，75 mm，100 mm，125 mm，150 mm)，采用微机控制电子万能材料试验机(上海松顿LDM-1)对植物根系进行匀速拉伸试验，测定抗拉力、抗拉强度、变形特性等参数。试验时，首先调整万能材料试验机标距与试验设计中的根系设定长度一致，考虑仪器固定根系时所用夹头要占据一定根系长度，实际根系长度相比测定长度多约30 mm。将根系两端固定夹紧后，以10 mm/min的速度进行匀速定速度拉伸直到根系被完全拉断为止。在5种标距下，3种植物根系总根数为900根，由于试验根系若在夹口处断裂则视为试验失败数据作废，根系仅在夹口之间中间位置断裂记为成功，所以总计成功根数为360根，总成功率为38.3%。

根系的抗拉力学特性主要由抗拉力、抗拉强度、变形特性等方面来反映。通过万能材料试验机可直接导出根系断裂时的最大抗拉力及最大变形量。由于根系根径、测量标距已知，可以计算出根系的抗拉强度、弹性模量等参数。计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：P为单根抗拉强度(MPa)；F为在计算最大抗拉强度时最大抗拉力，在计算应力时为抗拉力(N)；D为根系平均根径(mm)；E即为弹性模量；σ为应力N(极限应力σ数值与抗拉强度P值相等)；ε为应变即延伸率；ΔL为单根拉伸是的伸长量(mm)；L为单根的原始长度，本研究试验中称为标距(mm)。

1.2.3 数据处理与分析进行分析之前对数据进行正态性检验与方差齐性检验。用Excel 2010进行数据处理和图表绘制，采用SPSS 20.0对5种标距下根径与抗拉力、根径与抗拉强度之间的关系进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 最大抗拉力与根径和根长的关系

从根径的统计结果来看，铁杆蒿和苔草的根系主要处于0.4～1.5 mm的范围内，而本试验中狼牙刺的根系主要处于0.4～2.6 mm的范围内，三者的平均直径分别为1.443 mm，1.043 mm和0.978 mm。由于过粗和过细的根在进行单根抗拉试验时的难度较大，试验失败率太高；因此本试验舍弃这些数据，主要选取根径分布范围内的所得数据进行分析和比较(图1)。

3种植物的平均最大抗拉力次序为：狼牙刺(12.135 N)>苔草(11.194 N)>铁杆蒿(9.168 N)。整体来看，3种植物根系在各标距范围内抗拉力无显著性差异。3种植物根系的抗拉力均随直径增大呈幂函数增大(图1)，狼牙刺根系极限抗拉力与根径的回归R2>0.6，其中标距75 mm，R2拟合度最高；苔草根系极限抗拉力与根径的回归系数R2>0.55，其中标距150 mm，R2拟合度最高；铁杆蒿极限抗拉力与根径的回归系数R2>0.4，其中标距75 mm，R2拟合度最高。

图1 3种不同植物根系抗拉力与直径的关系曲线

在不同径级下，3种植物根系最大抗拉力随着径级的增大而逐渐增大。其中，铁杆蒿在径级I与其他径级间的最大抗拉力有显著性差异，苔草在径级I和Ⅱ与径级Ⅲ和Ⅳ之间有显著性差异，狼牙刺在径级Ⅱ与径级I，Ⅲ，Ⅳ之间分别存在显著差异，其余各径级间无显著性差异。同一径级不同物种根系抗拉力差异性不显著，铁杆蒿根系抗拉力均显著大于其他两种植物根系(表2)。

2.2 极限抗拉强度与根径和根长的关系

3种植物的平均抗拉强度值分别为：铁杆蒿(15.718 MPa)>苔草(15.486 MPa)>狼牙刺(6.457 MPa)，其中铁杆蒿的抗拉强度值范围为0.719～94.930 MPa；苔草的抗拉强度值范围为3.118～36.923 MPa；狼牙刺的抗拉强度范围为2.436～16.464 MPa，各个数据在直径段内分布比较集中，主要集中在径级Ⅱ、径级Ⅲ区间(表2)。径级I～Ⅳ，3种植物根系极限抗拉强度随着径级的增大而逐渐减小。同一物种群，狼牙刺根系径级Ⅱ与其他各径级的极限抗拉强度有显著差异性，铁杆蒿根系径级Ⅱ与其他各径级的极限抗拉强度有显著差异，苔草根系径级I与其余根径有显著差异，其余各径级间差异不显著(表2)。同一径级不同物种，狼牙刺分别与铁杆蒿和苔草存在显著差异，其余物种间差异不显著(表2)。

表2 不同径级下不同植物根系最大抗拉力和最大抗拉强度

注：(1)小写字母表示同一物种不同径级间存在差异显著(p<0.05)；(2)大写字母表示同一径级不同物种间存在差异显著(p<0.05)；(3)径级I(0.0001.300 mm)。

通过SPSS 20.0软件进行回归分析，3种植物单根极限抗拉强度与根径均在双侧水平上显著相关，3种植物根系的抗拉强度均随直径增大呈幂函数减小(图2)，狼牙刺根系极限抗拉强度与根径的回归系数R2>0.51，其中标距150 mm，R2拟合度最高；铁杆蒿极限抗拉强度与根径的回归系数R2>0.18，其中标距125 mm，R2拟合度最高；苔草根系极限抗拉力与根径的回归系数R2>0.52，其中标距75 mm，R2拟合度最高(图2)。

2.3 植物弹性模量

试验中通过根系拉断后软件得出的原始标距和断后标距值计算应变量，以此可以计算得出3种植物在各标距组的弹性模量(表3)。在同一物种间，不同标距的弹性模量没有显著性差异。在同一标距下，仅有标距为50 mm和100 mm 的铁杆蒿分别与狼牙刺和苔草存在显著差异，其余各标距下物种间无显著性差异(表3)。

3种植物平均弹性模量分别为：铁杆蒿(2.900 N/mm)>狼牙刺(1.698 N/mm)>苔草(1.003 N/mm)，在标距50，75，100 mm中，3种植物的弹性模量均随着标距的增加而减小，且每个标距组内，弹性模量均存在铁杆蒿>狼牙刺>苔草的关系。在标距125，150 mm中，3种植物的弹性模量均表现为标距125 mm的弹性模量大于标距150 mm的弹性模量。由应变量的计算结果可以看出，在标距越大即根系越长的情况下，根被拉伸的越长。由表3可以看出，3种植物的弹性模量与抗拉力和抗拉强度不同，铁杆蒿的弹性模量是苔草的2.7倍，是狼牙刺的1.7倍，而三者的抗拉强度、抗拉力只有1～2倍，且狼牙刺和苔草的计算结果非常接近，弹性模量计算结果受应变值的影响很大。

图2 3种不同植物根系抗拉强度与直径的关系

标距/mm狼牙刺/(N·mm-1)铁杆蒿/(N·mm-1)苔草/(N·mm-1)502.323±0.374Aa4.340±0..391Ba1.413±0.090Aa751.964±0.143ABa2.768±0.334Ba1.202±0.089Aab1001.313±0..085Aa2.517±0.260Ba0.736±0.035Aa1251.501±0.103ABa2.434±0.230Ba0.902±0.119Aab1501.390±0.128ABa2.442±0.297Ba0.761±0.099Aa

注：大写字母表示同一标距下不同物种间存在差异显著(p<0.05)；小写字母表示同一物种间不同标距下存在差异显著(p<0.05)。

3 讨论

根系抗拉性能是其主要力学性质之一，其大小直接影响到根系的固土效应。不同标距对单根抗拉强度表现结果显著不同，反映了在不同宽度的土壤剪切带内根系对固土抗滑能力有显著差别。本研究表明从3种植物抗拉力的情况来看，狼牙刺比其他2种植物更能承受拉力作用，在植物根系中，根系最大抗拉力与根径关系呈现正相关关系，即根径越大，最大抗拉力越大，其中根系极限抗拉力的拟合函数表示为Fmax=αDβ，α，β为经验系数且α，β>0。其中从相关系数来看，3种植物根系极限抗拉力与根径相关系数都在0.4以上，狼牙刺>苔草>铁杆蒿，均表现幂函数关系，这与前人研究的紫花苜蓿[18]、香根草[21]、欧洲山毛榉[26]等其他乔灌木、草本植物研究结果一致，但是在数值上有所不同。分析其原因可能是由于试验条件或者根系生理年龄期的影响，所以在考虑根系形态特征的同时，也要考虑根系年龄结构对根系抗拉力的影响。Hathaway等研究发现，无论是草本植物还是乔灌木植物，根系的抗拉力和直径之间的关系不仅反映了断裂力学中的尺度效应，而且与纤维素或者木质素含量有关。而前人研究中所用根系多以生长茂盛根系粗大的乔灌木，其根径与本研究中的材料差异较大，从而根系力学性质的大小差异较大。

3种植物单根抗拉强度随着根径的增加而逐渐减小，研究表明植物的抗拉强度均与根径呈幂函数的负相关关系，不受植物种类影响；但是不同植物之间的抗拉强度值仍然有着很大差距，其中铁杆蒿和苔草的抗拉强度值相差不大，二者的抗拉强度值是狼牙刺的2.4倍。这可能由于不同植物根系在不同深度的土壤理化性质不同，所以不同植物根系空间分布存在差异[27-29]。。3种植物根系抗拉强度随着根径增加呈幂函数减少，其他学者对柠条[23]、锦鸡儿[23]、落叶松[30]、白桦[30]等乔灌木根系抗拉强度的试验研究表明，根径与抗拉强度基本呈幂函数或指数函数减少趋势，这与本研究结果相一致。由此可知，大多数情况下，草本植物与粗大的乔灌木根系抗拉力学特性是一致的，但是在小的根径范围内，由于试验条件的限制或者根系生理年龄期的影响，可能出现抗拉强度不稳定的情况，需区别对待。

试验研究表明，在不同标距下根系的抗拉强度显著不同，反映了不同宽度的土壤剪切带内根固土抗滑能力的差别。3种植物的抗拉强度随着标距的增加而逐渐减小，这是可能由于随着根系标距的增加进而缺陷增多的概率就会相应增加，所以就会降低其抗拉强度[31]。由于弹性模量为应力与应变的比值，应变量即为根的拉伸量，试验结果显示3种植物随着标距的增加而减小，铁杆蒿具有较大的极限弹性模量，说明同样的外界加载条件，根径、根长较小的根系对外界拉力的缓冲能力比根径、根长较大的根系缓冲能力大，根径、根长较小的根系又具有较强的极限抗拉强度。这也正是直根、短根增强土壤抗蚀、抗冲性的机理所在。这与欧阳前超[32]研究土石山区草本植物的弹性模量研究结果相一致，但是其白喜草平均弹性模量与本文铁杆蒿的数据相差较大，这可能由于植物种类或者根系生理年龄不一致。但是，无论草本植物还是乔灌木都可以说明根系刚度越大，越不容易发生变形，对固持土壤作用效果越突出。