长江河岸边坡狗牙根根系力学性能研究

叶兴 杨启红 张超波 王家生

摘要：河岸边坡在流域生态系统中发挥着重要作用，植物根系通过发挥抗拉力学性能，提高了边坡稳定性，对河岸边坡生态穩定具有意义。然而，目前对长江河岸不同高程和排水方式下优势草本物种根系的抗拉力学特性认识不足。因此，选取优势草本物种狗牙根为研究对象，进行室内拉伸试验，分析其在不同高程和排水方式下的抗拉力学特性。结果表明：① 狗牙根的抗拉力与根径呈幂函数增长关系，其抗拉强度、延伸率以及弹性模量与根径满足幂函数下降关系。② 狗牙根的抗拉力、抗拉强度以及弹性模模量与岸坡高程呈正相关，而其延伸率与岸坡高程呈负相关。③ 狗牙根的抗拉力、抗拉强度和弹性模量在一、二、三期岸坡排水方式下依次增加，而其延伸率则依次减小。研究结果阐明了高程和岸坡排水对河岸优势物种根系抗拉力学特性的影响，对长江河岸边坡治理与防护提供了理论基础。

关 键 词：河岸带; 狗牙根; 根系抗拉力学性能; 高程; 排水方式

中图法分类号： S157

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.031

0 引 言

植物护坡是利用植物的作用来减轻坡面的不稳定性和侵蚀[1]。随着水利、土木等工程建设的快速发展，植物护坡工程越来越受到人们的重视与关注。植物根系能够穿过边坡的薄弱面或滑动表面，对边坡进行锚固，其作用类似于锚杆或抗滑桩[2]。同时植物根系在土壤中交错、穿插以及网络串联达到固结土壤的效果。根土复合体系统还能增加土体的抗剪强度，具有良好的固土护坡效果。大量研究表明，岸坡植物是通过根系对土壤的黏聚和固持作用增强边坡的稳定性，防止水土流失[3-4]，并且植物根系的固土护坡效应通过根系抗拉力学特性以及根土复合体的抗剪、抗蚀性等体现[5-6]。目前大多数研究主要是分析河岸带优势物种根径和抗拉力学性能之间的关系，极少分析其他因素，例如土壤理化性质、土壤含水量以及微生物群落等对根系抗拉力学性能的影响[7-9]。狗牙根是长江河岸地带的优势物种，能适应水位频繁变化下的恶劣环境，具有较强的两栖适生性，是河岸边坡优势建群种[10]。因此本文选取长江河岸带优势物种狗牙根进行抗拉力学特性研究，分析根径、高程和岸坡排水方式对根系抗拉力学特性的影响，为河岸不同高程处的生态恢复与建设提供借鉴和参考，为边坡治理时岸坡排水设置提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区域选择在湖北省荆州市荆江段窑头埠地区。该地区属于亚热带季风气候，雨量充足，年降雨量达到了1 500 mm，实测最高水位38.31 m（1998年8月17日），最低水位22.65 m（1972年2月3日），最大水位变幅为15.66 m，年平均气温为18 ℃，最低气温为-16 ℃，最高气温为40 ℃。河段堤岸土样多以壤黏土和粉砂土为主，其水肥条件良好，pH值一般为6.8～8.1。试验段高程分为低、中、高3个部分，低层位于26.50～31.60 m，中层位于31.60～36.01 m，高层位于36.01～40.42 m（全部以黄海高程为基准）。岸坡排水方式分为一、二、三期：一期为传统盲沟排水设施，位于2号试验段0+525～0+625，长100 m;二期排水位于1号试验段0+450～0+525，总长度75 m，二期在传统盲沟排水设施的基础上，按孔深8 m、孔径90 mm、孔距5 m布置16个水平排水孔;三期排水位于3号试验段0+625～0+700，长100 m，三期排水在传统盲沟排水设施的基础上，按孔深15 m、孔径90 mm、孔距5 m布置16个水平排水孔，排水孔孔口高程均为32.65 m（见图1）。

1.2 试验方法

1.2.1 根系采集

2019年10月在长江窑头埠河岸带26.50～40.42 m高程范围内选取优势物种狗牙根为研究对象（见表1）。狗牙根为多年生禾本科草本植物，根系为须根系。采样地为缓坡弃耕地，土壤类型为紫色土（以壤黏土、粉砂土为主）。试验设置高程为低、中、高3个水平，排水方式为一期、二期、三期3个水平。为了保证根系的完整，采用全挖掘法获取植物鲜根，用毛刷清理狗牙根表面的泥土并进行修剪，用游标卡尺测量根系的直径，然后对不同高程和不同排水方式下的狗牙根进行分组，分别放入不同的自封袋中并标号，及时带回实验室保鲜处理，并在2周内完成狗牙根拉伸试验。

1.2.2 根系拉伸

采用WDW-5电子万能试验机和Smart Test终端测控软件进行根系拉伸试验，相关试验数据利用计算机自动获取，通过数据分析狗牙根在不同高程和不同排水方式下抗拉力学性能的变化关系。

在拉伸试验的过程中，为了避免根系在夹具中滑动和夹断，在根系两端绑定医用胶带以增大根系与夹具之间的摩擦力，根系两端分别夹20 mm，最终选取在根系中部或接近中部发生断裂的情况作为成功试验结果（见图2）。

极限抗拉强度通过式（1）计算

P=4FπD2（1）

式中：P为极限抗拉强度，MPa;F为最大抗拉力，N;D为根系平均直径，mm。

延伸率由式（2）计算

ε=ΔL/L×100%（2）

式中：ε为极限延伸率，%;ΔL为根系拉伸时的伸长量，mm;L为根段原始长度，mm，本研究中即为标距，取50 mm。

弹性模量由式（3）进行计算

E=σε（3）

式中：σ为应力，MPa;ε为极限延伸率，%;E为弹性模量，MPa。

1.3 数据分析

采用SPSS 20.0软件对分析前的数据进行正态检验，为了保证试验数据满足正态分布，对不同高程和排水方式下狗牙根的抗拉力、抗拉强度、延伸率以及弹性模量进行单因素方差分析，研究这2种因素是否对抗拉力学特性产生显著性影响，显著水平为0.05，分析完成后利用Excel 2010作图。3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2

2 结果与分析

为了研究高程和排水方式对狗牙根根系力学性能的影响，选取了低、中、高3种高程和不同岸坡排水方式下的狗牙根進行拉伸试验，共研究狗牙根612根，根径均在0.18～0.71 mm之间，平均直径间无显著性差异（见表2）。狗牙根根系力学特性与高程、排水方式的关系如表3所列。

2.1 抗拉力、抗拉强度与高程的关系

随着狗牙根根径的增加，其抗拉力呈幂函数增大，而其抗拉强度呈幂函数减小，这与钟荣华等[7]和冯国建等[11]对狗牙根的研究结果相同，也和其他众多相关研究结论相一致[12-13]，这也说明了根径是植物根系抗拉力和抗拉强度的决定因素之一。Genet等[14]认为根径和抗拉强度的函数关系与根系内部纤维素含量密切相关，因为随着根系直径减小，根系纤维素和木质素含量以及根系抗拉强度都会增加。狗牙根的抗拉力和抗拉强度随着高程增加而增大（见图3），原因在于高程对土壤的理化性质和含水量都有影响，因此对狗牙根的抗拉力和抗拉强度也产生了影响。左志严[15]和Gonzalez-Ollauri等[16]研究结果指出土壤理化性质和植物根系相互影响，土壤理化性质改变会影响到根系含水量，还会对根土复合体的抗剪强度产生影响，高程增加以及土壤含水量降低，都会使狗牙根的抗拉力和抗拉强度增加。

2.2 延伸率、弹性模量与高程的变化关系

狗牙根延伸率和弹性模量随着根径的增加呈幂函数减小，这一结果和张超波[17]、万娟[18]、王泽鹏[19]等的研究结果相一致，随着根径的增大，根系内部的纤维素和半纤维素含量会相应增加，而根系的极限延伸率和弹性模量则会减小。狗牙根的极限延伸率随着高程的升高而减小，而其弹性模量则会随着高程的升高而增大（见图4）。Raymond[20]、Jane[21]和张乔艳等[22]发现植物根系极限延伸率和弹性模量与根系内部木质素、纤维素、半纤维素等有密切联系。这可能是由于高程的增加，土壤性质和含水量发生了变化，使得狗牙根内部纤维素和半纤维素含量增加，进而使其延伸率减小，弹性模量增大。目前关于土壤理化性质和含水量对根系延伸率和弹性模量的影响研究较少，还需要进一步对此展开相关研究探讨，以便更好地解释这种变化规律。

2.3 排水方式与抗拉力、抗拉强度的关系

狗牙根的抗拉力和抗拉强度在一、二、三期排水方式下依次增加（见图5）。在不同高程处，狗牙根抗拉力和抗拉强度在一期和三期都存在显著性差异，原因在于一期排水使用传统盲沟排水，而三期排水在传统盲沟排水设施的基础上，按孔深15 m、孔径90 mm、孔距5 m布置16个水平排水孔。因此两者间土壤含水量差距较大，导致抗拉力和抗拉强度都存在显著性差异，这与蒋静[23]、左志严[15]的研究结论相一致，而Zhang等[24]也指出土壤含水量的差异会影响根系的抗拉力和抗拉强度。

2.4 排水方式与延伸率、弹性模量的关系

狗牙根的延伸率在一、二、三期排水方式下不断减小，而弹性模量则依次增加（见图6）。岸坡排水改变了土壤的含水率，李长暄[25]指出含水率对根系的抗拉性能有显著影响，当含水率下降到一定呈度时，根系极限延伸率显著降低。欧阳前超等[26]研究显示，由于弹性模量为应力与应变的比值，应变值即为根的拉伸量，弹性模量的计算结果明显受应变值的影响。

3 结 论

对长江河岸带狗牙根根系进行室内单根拉伸试验，分析不同高程和不同排水方式对狗牙根根系力学性能的影响，得到以下结论。

（1） 狗牙根的抗拉力与根径呈幂函数增大的关系，而其抗拉强度、延伸率以及弹性模量与根径呈幂函数减小的关系。

（2） 狗牙根的抗拉力、抗拉强度以及弹性模量与高程呈正相关，而其延伸率与高程呈负相关。狗牙根抗拉力、抗拉强度以及弹性模量随着高程的增加增幅分别在10%～19%、7%～27%、41.69%～59.41%之间。而延伸率随着高程的增加降幅在19.19%～6.15%之间。

（3） 随着排水方式的优化，在一、二、三期排水方式下狗牙根的抗拉力、抗拉强度和弹性模量依次增大，而其延伸率依次减小。抗拉力、抗拉强度和弹性模量在一、二、三期排水方式下的增幅分别为11.87%～28%、5.77%～41.06%、28.54%～40.56%，延伸率的降幅区间为20.38%～8.27%。

本文通过对长江河岸带狗牙根根系力学性能的研究分析，对河岸带不同高程的生态恢复与建设提供借鉴和参考，为边坡治理中的岸坡排水措施设置提供理论依据。

参考文献：

[1] GRAY D H.Biotechnical andsoil bioengineering slope stabilization：A practical guide for erosion control[J].Soil Science，1998，163（1）：83-85.

[2] TROMBLE J M.Water interception by two arid land shrubs[J].Journal of Arid Environments，1988，15（1）：65-70.

[3] JACKSON L L，LOPOUKHINE N，HILLYARD D.Ecological restoration：A definition and comments[J].Restoration Ecology，2010，3（2）：71-75.

[4] 仓田益二郎，顾宝衡.绿化工程技术[M].成都：四川科学技术出版社，1989.

[5] BAETS S D，POESEN J，KNAPEN A，et al.Impact of root architecture on the erosion-reducing potential of roots during concentrated flow[J].Earth Surface Processes & Landforms，2010，32（9）：1323-1345.3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2

[6] GENET M，JI J，FOURCAUD T，et al.Root reinforcement in plantations of Cryptomeria japonica D.Don：effect of tree age and stand structure on slope stability[J].Forest Ecology and Management，2008，256（8）：1517-1526.

[7] 鐘荣华，鲍玉海，贺秀斌，等.三峡水库消落带4种草本根系抗拉特性及根系粘聚力[J].水土保持学报，2015，29（4）：188-194.

[8] 徐少君，曾波，类淑桐.三峡库区几种耐水淹植物根系力学特征与土壤抗剪强度[J].湖北农业科学，2016，55（18）：4664-4670.

[9] 徐文秀，杨玲，鲍玉海，等.大型水库消落带2种典型耐淹草本植物单根抗拉力学特性[J].水土保持研究，2020，27（5）：259-264，272.

[10] 刘云峰，刘正学.三峡水库消落区极限条件下狗牙根适生性试验[J].西南大学学报（自然科学版），2005，27（5）：661-663.

[11] 冯国建，朱维伟，杜俊，等.狗牙根根系抗拉性能试验[J].北方园艺，2016（5）：80-82.

[12] 刘亚斌，李淑霞，余冬梅，等.西宁盆地黄土区典型草本植物单根抗拉力学特性试验[J].农业工程学报，2018，34（15）：157-166.

[13] 刘昌义，胡夏嵩，赵玉娇，等.寒旱环境草本与灌木植物单根拉伸试验强度特征研究[J].工程地质学报，2017，1（117）：3-12.

[14] GENET M，STOKES A，SALIN F，et al.The influence of cellulose content on tensile strength in tree roots[J].Plant & Soil，2005，278（1-2）：1-9.

[15] 左志严.5种植物根系力学特性及其对土壤水分的响应[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2017.

[16] GONZALEZ-OLLAURI A，MICKOVSKI S B.Plant-soil reinforcement response under different soil hydrological regimes[J].Geoderma，2017，285：141-150.

[17] 张超波.林木根系固土护坡力学基础研究[D].北京：北京林业大学，2011.

[18] 万娟.草灌生态护坡力学性能研究[D].武汉：华中科技大学，2015.

[19] 王泽鹏.半干旱土石山区香根草根系抗拉力学特性研究[J].人民黄河，2018，40（9）：93-95.

[20] RAYMOND O R，JUSTIN B S，CHRISTOPHER J S.Compositional analysis of lignocellulosic feedstocks.1.review and description of methods[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2010，58（16）：9043-9053.

[21] JANE F W.The structure of wood[M].Adaw & Charles Black：London，1970.

[22] 张乔艳，唐丽霞，潘露，等.基于根系化学组成的抗拉力学特性分析[J].南京林业大学学报（自然科学版），2020，44（1）：186-192.

[23] 蒋静，张超波，张雪彪，等.土壤水分对植物根系固土力学性能的影响综述[J].中国农学通报，2015，31（11）：253-261.

[24] ZHANG C B，ZHOU X，JIANG J，et al.Root moisture content influence on root tensile tests of herbaceous plants[J].Catena，2019，172：140-147.

[25] 李长暄.林木单根力学性能及其影响因素研究[D].北京：北京林业大学，2014.

[26] 欧阳前超，魏杨，周霞，等.土石山区护坡草本植物根系抗拉力学特性[J].中国水土保持科学，2017，15（4）：35-41.

（编辑：黄文晋）

Analysis of mechanical properties of bermudagrass root system on riparian slopes

of Yangtze River

YE Xing1，YANG Qihong2，ZHANG Chaobo1，WANG Jiasheng2

（1.College of Water Resources Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China; 2.Department of River Research，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Riparian slopes play an important role in watershed ecosystem.Plant roots can improve the stability of riparian slopes by exerting tensile mechanical properties，which is of great significance to the ecological stability of riparian slopes.However，there is a lack of understanding on the influence from different elevations and drainage methods on tensile properties of dominant herbaceous species along the Yangtze River.Root tensile tests were carried out on the roots of the dominant herbaceous species bermudagrass （Cynodon dactylon（L.） Pers.） to study root tensile properties under different elevations and drainage methods.The results showed that：① The root tensile force of bermudagrass increased with root diameter in power function，but the tensile strength，elongation and elastic modulus decreased with root diameter in power functions.② The root tensile force，tensile strength and elastic modulus of bermudagrass were positively correlated with the bank elevation，while the elongation was negatively correlated with the bank elevation.③ The root tensile force，tensile strength and elastic modulus of bermudagrass increased in sequence while the elongation decreased in sequence under the first，second and third stage of slope drainage.The results illustrated the effects of bank elevation and slope drainage on the root tensile properties of bermudagrass，which could provide a theory basis for vegetation measures on the bank slopes of the Yangtze River.

Key words：

riparian zone;bermudagrass;elevation;drainage mode;tensile properties3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2