尖萼金丝桃根系特征对其抗拉特性的影响研究
2019-12-13唐彪薛海龙何新杰张竞元沈彦会赵亮
唐彪 薛海龙 何新杰 张竞元 沈彦会 赵亮
摘要 以西南地区2年生野生乡土植物尖萼金丝桃为研究对象，采用室内拉拔试验，选取拉拔位移、抗拉拔力、抗拉强度以及弹性模量作为抗拉拔特性指标，探讨根径、根长对其抗拉拔特性的影响。结果表明，根系拉拔位移与直径显著相关;抗拉拔力与直径间表现为正向相关，根系极限抗拉拔力随根径的增大而增长;抗拉强度与直径呈负相关，极限抗拉强度随根径的增大而减小。弹性模量随着根径的增加呈现不断减小的趋势，弹性模量为2.695～432.230 MPa。该研究结果可为更好地定量评价尖萼金丝桃根系增强边坡固土抗蚀性能的贡献提供试验数据支撑，为进一步深入探讨植物根系增强边坡土体的稳定性机理提供参考。
关键词 尖萼金丝桃;拉拔位移;抗拉拔力;抗拉强度;弹性模量
中图分类号 U417.1+2文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2019）22-0206-04
Abstract The wild native plants Hypericum acmosepalum with 2 years in southwest area of China were taken as the research object.The influences of root diameter and root length on pulling resistance characteristics were explored with pull displacement，tensile force，tensile strength and elastic modulus as the indices of pulling resistance characteristics.The results showed that there was a significant correlation between pull displacement and diameter.There was a positive correlation between tensile force and diameter，and the ultimate tensile strength of root increased with the increase of root diameter.There was a negative correlation between tensile strength and the diameter，the ultimate tensile strength decreased with the increase of root diameter.The elastic modulus decreased with the increase of root diameter.The elastic modulus was from 2.695 MPa to 432.230 MPa.The results provided the test data to support for quantitative evaluation root system of H.acmosepalum on enhancing the performance of retaining soil and erosion resistance，and provide reference for further exploration on the mechanism of reinforcing the stability of soil by plant roots.
Key words Hypericum acmosepalum;Pull displacement;Tensile force;Tensile strength;Elastic modulus
灌木類木本植物的根系，其先端部位能向土体内部延伸，相较于以须根为主的草本植物，其能更好地固持土层，对土体的加固以锚固为主[1-3]。垂直根系对根土复合体起到束缚骨架的作用，从而起到制约土体变形、增强复合体整体稳定性的作用。根系通过膨胀作用，与周围土体紧锁在一起，提高与土体之间的摩擦阻力。同时，在与周围土体的相互咬合作用下，使不稳定的表层土体与未遭到破坏仍然具有较高承载能力的深层土体形成整体，将坡面推力传递到稳定土层，利用稳定土层的锚固作用和被动抗力达到稳定坡面的作用。根系将所承受的荷载向土体深层传递，并向周围扩散，从而降低根土复合体的应力水平，改善其变形性能[4-6]。
植物根系的抗拉特性是根系固土抗蚀的重要指标，主要通过根系的抗拉拔力、抗拉强度及变形特征等方面来反映[7]。国内外许多学者[8-10]对根系的抗拉强度及根系抗拉强度与直径之间的关系进行了研究，不同学者对不同植物种类的研究结果不尽相同。根系作为生物材料，其内部结构对其力学特性起到决定性的作用，且在生长过程中受外界环境的影响较大。目前对其力学特性的研究涉及到植物学、材料力学、弹塑性力学等多门学科。笔者以西南地区野生乡土植物尖萼金丝桃（Hypericum acmosepalum N.Robson）为研究对象，探讨其在特定条件下的单根拉拔位移、抗拉拔力、抗拉强度、弹性模量与根径、根长之间的关系，旨在为尖萼金丝桃植物根系固土抗蚀性能评价提供数据支撑，也为尖萼金丝桃的后续推广应用提供研究理论支撑。
1 材料与方法
尖萼金丝桃，隶属藤黄科金丝桃属（Hypericum Linn.）;生于海拔450～2 400 m的山坡或山谷的疏林下、路旁或灌丛中;半常绿灌木，植株矮，冠幅大，根系发达，萌芽力强，对土壤适应性较好，是水土保持的良好树种。
依托贵州六盘水边坡工程项目，依据“之”字形挖取在相同边坡环境下生长时间为2年的長势较好、枝叶繁茂、生长期为花期、株高约130 cm、冠幅约50 cm×50 cm、分枝数约5根的具有代表性的尖萼金丝桃10株，采取整株挖掘法挖掘，保证尖萼金丝桃根系完整，将其挖出后置于静水中，洗去根系表面土壤，然后自然晾干，筛选5株开展室内根系单根拉拔试验。
采用游标卡尺测量根系直径（D），按下述4个径级（D<1.0 mm、1.0≤D≤3.0 mm、3.0
为避免根系在夹具处滑脱，试验时根系在夹具处增加橡皮垫，以增大摩擦。根系拉断后使用游标卡尺测量根断裂处直径（D）。按以下公式计算根系的抗拉强度（P）：
式中，P为抗拉强度（单位为MPa）;T为抗拉拔力，单位为N;D为断裂面根系直径，单位为mm。
按以下公式计算根系抗拉拔过程的应力（MPa）及应变（%）：
式中，T为抗拉拔力，单位为N;r为断裂面根系半径，单位为mm;S为拉拔位移，单位为mm;L为根长，单位为mm。
以应变为横坐标，以对应的应力为纵坐标，绘制根系的应力场曲线，选取应力场曲线中直线段的斜率作为根系的弹性模量（E）。从长度和直径2个角度对根系抗拉强度进行研究，得到单根抗拉强度的二元计算模型。
2 结果与分析
2.1 单根抗拉拔性能
试验根系（D≤3.0 mm）相对脆弱，在拉拔过程中易在夹具处发生断裂。对试验结果进行处理时，若根系在试验过程中发生滑动或夹断等情况，则视为数据无效，应予以剔除。试验共对60个尖萼金丝桃根系样本进行了单根拉拔测试，测得的抗拉试验结果如表1所示，根系的拉伸破坏过程为最初根皮裂开一条缝，随着力的增加，根皮裂开第2条缝、第3条缝……最后根纤维被拉断，尖萼金丝桃根系的直径和长度均对其抗拉位移、抗拉拔力、抗拉强度以及弹性模量均产生较大影响。
2.2 根系拉拔位移与根径、根长相关分析
以尖萼金丝桃根系直径为横坐标，以拉拔位移为纵坐标，分析尖萼金丝桃根系的抗拉特性，其与根径、根长的关系见图1。
研究选取的尖萼金丝桃根系直径范围为0～5.5 mm，对应的拉拔位移范围0～35 mm。从图1可以看出，对于相同直径的根系，根长越长，拉拔位移相对越大;对于相同根长的根系，直径越大，拉拔位移相对越大;当根长分别为10和15 cm时，随着根系直径的增大，拉拔位移呈现出先增长后降低再增长的变化趋势;当根长为5 cm时，随着根系直径的增大，拉拔位移呈现增长趋势;究其原因，可能是因为根长为5 cm的为短根系，根系拉拔时仅发生正向拉伸形变，根系越粗，形变越大，相对的拉拔位移越大;根长为10和15 cm的为长根系，根系拉拔时可能会发生正负双向拉伸形变，根系直径≤3.0 mm和根系直径>5.0 mm时，根系拉拔均发生正向形变，对应的拉拔位移正向增大，而根系直径>3.0 mm且根系直径≤5.0 mm的根系则发生了负向形变，对应的拉拔位移负向增大。
2.3 抗拉拔力、抗拉强度与根径、根长相关分析 相关研究表明，植物根系直径相对于根皮结构和性质对根系强度的影响更明显，根系的极限抗拉拔力与其直径呈显著的线性关系[11-13]。大多数学者认为，用幂函数来拟合根系强度与直径的关系，较其他回归方程具有更好的相关性[14-15]。
对于研究选取的尖萼金丝桃根系，最大根径5.5 mm，其极限抗拉拔力达到39.221 N，较最小根径0.5 mm根系单根极限抗拉拔力4.367 N，增长了近10倍。将根系直径D与拉拔过程中的极限抗拉拔力 T进行回归拟合，并计算出极限抗拉强度P，得到尖萼金丝桃单根极限抗拉拔力及极限抗拉强度与其根径、根长间的关系，如图2、3所示。拟合结果表明，根系极限抗拉拔力、极限抗拉强度与根系直径、根长间的幂函数关系显著，幂函数方程的回归系数R2分别为0.990 4、0.965 3、0.996 1和0.924 9、0.994 9、0.989 4，均大于0.92。
从图2可以看出，尖萼金丝桃根系直径与抗拉拔力间表现为正向关系，根系极限抗拉拔力随根径增大而增长，与刘亚斌等[16-17]和赵玉娇等[18]认为柠条锦鸡儿和霸王2种灌木单根抗拉拔力随着直径的增大呈现持续增大的趋势的研究结果基本一致。由其拟合函数y=4.035x1.604、y=5.568 5x0.626 7、y=6.188 8x1.366可知，尖萼金丝桃根系单根抗拉强度的计算公式可以由下式表示：
式中，T为单根极限抗拉拔力;D为根系断裂处直径。
从图3可知，尖萼金丝桃单根的抗拉强度与直径间呈负相关关系，其极限抗拉强度随根径的增大而减小，该与万娟[19]和赵冰琴[20]认为多花木蓝根系抗拉强度随着根系直径的增大整体上呈现不断减小趋势的结论相类似。单根极限抗拉强度变化范围从32.054 MPa（D=0.5 mm）到1.079 MPa（D=5.5 mm），减小幅度达32倍。由其拟合函数y=18.615x-1.919、y=34.247x-2.499、y=32.714x-1.67可知，尖萼金丝桃根系单根抗拉强度计算公式可以由下式表示：
式中，P为单根极限抗拉强度; D为根系断裂处直径。
2.4 根系应力-应变关系与弾性模量分析 从图4可以看出，不同根长尖萼金丝桃根系的应力-应变曲线均呈现出近“正弦函数”型的变化趋势，随着应变的增加，应力曲线呈现先快速上升再快速下降而后缓慢上升再下降的趋势，表明尖萼金丝桃根系在破坏前具有较好的弹性，在根系拉拔过程中，随着应变的增加，应力直线增加，根系在达到应力峰值后没有直接被拉断，应力快速减小但没有消失，此后随着应变的增加，应力曲线呈现出先缓慢上升后下降的变化趋势，最终趋近于0，上述结果表明尖萼金丝桃根系具有良好的塑性变形特性，在拉力最大时仍可以保持纤维组织连接，虽然已大部分损伤，但不会被完全拉断，此后仍有拉力产生，这是因为生长2年的尖萼金丝桃根系木质部已经比较发达，含有大量木质素，质地较为坚硬，针对坡度较大，存在滑动趋势但未发生滑动破坏的坡体，利用其根系的加筋和锚固效应能够更好地提高边坡的稳定性。
将应力-应变曲线的斜率作为弹性模量，绘制弹性模量与根系直径的关系曲线。从图5可以看出，尖萼金丝桃根系的彈性模量随着直径的增加呈现不断减小的趋势，表明尖萼金丝桃根系直径越小，其抵抗变形的能力越大，即随着根系根径的成长，抵抗变形的能力减小，与赵亮[21]对香根草、郝郑芳[22]对狗牙根和高羊茅、夏振尧等[23]对麦冬和多花木蓝根系拉拔研究的结论相类似。根系的弹性模量为2.695～432.230 MPa，其弹性模量远大于土体的弹性模量（0.35～40.00 MPa）。不同根长的根系弹性模量变化曲线有类似的规律，根系的弹性模量减小的幅度与直径的大小相关，根系直径D<3.0 mm时弹性模量减小的幅度较大，这是因为直径D<3.0 mm时的尖萼金丝桃根系正是木质素急剧增加的时期，因此弹性模量相对变化急剧，此后随着直径的增大，弹性模量的变化幅度相对平缓。
3 结论
（1）尖萼金丝桃根系拉拔位移与根系直径显著相关，相同根长，直径越大，拉拔位移越大;短根系，根系拉拔时仅发生正向拉伸形变，根系越粗，形变越大，拉拔位移越大;长根系，根系拉拔时会发生正负双向拉伸形变，根系越粗，形变增大-减小间替变化，相对的拉拔位移也呈现增大-减小间替的趋势。
（2）尖萼金丝桃根系直径与抗拉拔力间表现为正向相关，根系极限抗拉拔力随根径的增大而增大。单根极限抗拉拔力变化范围为4.367 2 N（D=0.5 mm）到39.221 1 N（D=5.5 mm），增长了近10倍。抗拉强度与直径间呈负相关，其极限抗拉强度随根径的增大而减小。单根极限抗拉强度变化范围32.054 MPa（D=0.5 mm）到1.079 MPa（D=5.5 mm），减小幅度高达32倍。
（3）不同直径根系的应力应变曲线呈现出近“正弦函数”变化趋势，随着应变的增加，应力呈现先快速上升再快速下降而后缓慢上升再缓慢下降的整体趋势，表明尖萼金丝桃根系具有良好的塑性变形特性，针对坡度较大，存在滑动趋势但未发生滑动破坏的坡体，尖萼金丝桃根系的加筋和锚固效应能够更好地提高边坡的稳定性。
（4）尖萼金丝桃的根系拉拔过程是弹塑性破坏，随着根系的不断生长，其弹塑性特征越来越明显，其弹性模量随着直径的增加呈现不断减小的趋势，根系直径越小，其抵抗变形的能力越大，而随着根系根径的成长，抵抗变形的能力减小。根系的弹性模量为2.695～432.230 MPa，其弹性模量远大于土体。根系的弹性模量减小幅度与直径大小相关，当根系直径≤3.0 mm时弹性模量减小的速度快且幅度较大，此后随着根系直径的增加，弹性模量减小的速度相对缓慢且幅度平缓。
参考文献
[1] 张兴玲，胡夏嵩，李国荣，等.青藏高原东北部黄土区灌木幼林根系护坡的时间效应[J].农业工程学报，2012，28（4）：136-141.
[2] 言志信，宋云，江平，等.植被护坡中植物根和岩土相互作用的力学分析[J].应用数学和力学，2010，31（5）：585-590.
[3] 言志信，宋杰，蔡汉成，等.草本植物加固边坡的力学原理[J].土木建筑与环境工程，2010，32（2）：30-34.
[4] 张锋，凌贤长，吴李泉，等.植被须根护坡力学效应的三轴试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（S2）：3979-3985.
[5] ABDI E，MAJNOUNIAN B，GENET M，et al.Quantifying the effects of root reinforcement of Persian ironwood （Parrotia persica） on slope stability;a case study： Hillslope of Hyrcanian forests，northern Iran[J].Ecological engineering，2010，36：1409-1416.
[6] 余芹芹，乔娜，卢海静，等.植物根系对土体加筋效应研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31（S1）：3216-3223.
[7] 张超波，蒋静，陈丽华.植物根系固土力学机制模型[J].中国农学通报，2012，28（31）：1-6.
[8] ABDI E，AZHDARI F，ABDULKHANI A，et al.Tensile strength and cellulose content of Persian ironwood （Parrotia persica） roots as bioengineering material[J].Journal of forest science，2014，60（10）：425-430.
[9] COMINO E，MARENGO P，ROLLI V.Root reinforcement effect of different grass species： A comparison between experimental and models results[J].Soil& tillage research，2010，110（1）：60-68.
[10] LATEH H，AVANI Z，GHASSEM H，et al.Tensile strength and root distribution of Acacia mangium and Macaranga tanarius at spatial variation（Case study： East-West highway，Malaysia） [J].International journal of biosciences，2015，7：18-28.
[11] 薛方.根-土相互作用及植被防護边坡浅层稳定性分析[D].成都：西南交通大学，2010.
[12] 许文年，夏振尧，周明涛，等.植被混凝土生态防护技术理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2012.
[13] 李国荣，胡夏嵩，毛小青，等.青藏高原东北部黄土区灌木植物根系护坡效应的数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2010，29（9）：1877-1884.
[14] 言志信，宋杰，蔡汉成，等.草本植物加固边坡的力学原理[J].土木建筑与环境工程，2010，32（2）：30-34.
[15] 张兴玲，胡夏嵩，李国荣，等.青藏高原东北部黄土区灌木幼林根系护坡的时间效应[J].农业工程学报，2012，28（4）：136-141.
[16] 刘亚斌，胡夏嵩，余冬梅，等.寒旱环境黄土区灌木植物根系拉拔试验及其根系表面微观结构特征研究[J].岩石力学与工程学报，2018，37（S1）：3701-3713.
[17] 刘亚斌，胡夏嵩，余冬梅，等.西宁盆地黄土区2种灌木植物根–土界面微观结构特征及摩擦特性试验[J].岩石力学与工程学报，2018，37（5）：1270-1280.
[18] 赵玉娇，胡夏嵩，李华坦，等.寒旱环境灌木根系增强边坡土体抗剪强度特征[J].农业工程学报，2016，32（12）：174-180.
[19] 万娟.草灌生态护坡力学性能研究[D].武汉：华中科技大学，2015.
[20] 赵冰琴.两种典型护坡草灌植物根系力学特性的试验研究[D].宜昌：三峡大学，2013.
[21] 赵亮.根土复合体抗剪强度试验研究[D].长沙：中南林业科技大学，2014.
[22] 郝郑芳.高速公路切方边坡防护草本植物根系固土能力研究[D].雅安：四川农业大学，2014.
[23] 夏振尧，管世烽，牛鹏辉，等.麦冬和多花木蓝根系抗拉拔特性试验研究[J].水土保持通报，2015，35（6）：110-113.
