磨盤山典型灌草根系抗拉力學特性及其影響因素研究

薛 楊 趙洋毅，2 王克勤，2 段 旭，2 杜玉雪

( 1. 西南林業大學生態與水土保持學院，云南 昆明，650224；

2. 國家林業和草原局云南玉溪森林生態系統國家定位觀測研究站，云南 昆明，650224)

我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，水土流失在坡體穩定性較差的土石山區尤為嚴重，傳統的防護工程在初期對邊坡水土保持作用顯著，但隨時間推移，工程老化，護坡效果減弱，嚴重的還會造成安全隱患。隨著植物護坡理念的興起，植物護坡技術愈來愈受到青睞，植物根系可有效提高土體穩定性已被證實[1-2]。

植物根系主要通過深粗根的錨固作用和淺細根的加筋作用提高土體穩定性，其中以小于1 mm的細根作用更為顯著[3]。根系抗拉強度大是水土保持植物的一個重要特性，通過對根系抗拉強度的研究發現，抗拉強度隨根徑以冪函數或指數函數形式變化[4-7]，根徑越小，抗拉強度越大，這種變化規律歸因于根系化學成分的差異，主要的化學成分包括木質素、纖維素和半纖維素等[8]。葉超等[9]和Genet等[10]研究發現單位根系干質量的纖維素含量與根徑呈反比，但在呂春娟等[11]的木本植物研究中根系纖維素含量與根徑呈正比，所以籠統的用木本或某種類植物的根系纖維素分布規律來解釋根系的力學特性并不科學。目前對植物根系主要化學成分含量、根徑以及根系力學特性之間相互作用機制的研究，集中于喬灌木植物[12-16]，對含有大量細根，固坡效果更顯著的草本植物研究較少，所以擴大不同屬種植物根系的研究具有重要意義。

云南地貌復雜，氣溫和降水的地域分異明顯，氣候帶多樣，溫帶、熱帶和亞熱帶氣候均有分布，植物生長受氣候環境因子的影響較為顯著[17-18]，為更好地滿足建設和植物護坡的需求，需培育或篩選出更多的護坡植物以適應多元化氣候。鑒于此，本研究以西南紅壤人工土質邊坡作為切入點，選取自然更新的鄉土灌草植物，測定不同根徑的纖維素、木質素、半纖維素含量，探究不同化學成分對根系力學特性的作用和貢獻，以期揭示根系力學特性變化的內在因素，為區域水土保持及護坡植物的配置提供參考。

1 研究區概況

研究區在云南省玉溪市新平縣磨盤山國家森林公園內，地處北緯 23°46′18″～23°54′34″，東經 101°16′06″～101°16′12″，該地區為亞熱帶高原性氣候，海拔1260～2614 m，氣候垂直變化明顯，干濕分明、雨熱同季，最高氣溫達33.0 ℃，最低氣溫只有-2.2 ℃，年平均氣溫15.5～23.7 ℃。6—8月降雨集中，年平均降雨1000～1100 mm。磨盤山土壤以第三紀古紅土發育的山地紅壤和玄武巖紅壤為主，土壤偏酸性，質地緊實，以中厚土壤層為主，局部為薄土層，土層厚度1 m左右。

2 材料與方法

2.1 根系材料采集

供試植物取自磨盤山國家森林公園內公路開挖產生的人工土質邊坡上，選取栽秧泡（Rubus pectinellus）、星毛金錦香（Osbeckia sikkimensis）、狗尾草（Setaria palmifolia），燈芯草（Juncus effuses）4種植物為研究對象，其中栽秧泡和狗尾草為水土保持植物[19]，狗尾草對紫莖澤蘭（Eupatorium adenophora）生長還具有抑制作用[20]，而燈芯草、星毛金錦香在西南地區分布廣泛，是具有較好護坡能力的園林觀賞性植物[21]。

對4種植物樣品的采集，分別于2017年6月和8月進行2次，植株生長邊坡坡度13°～18°，海拔1450～1980 m。根系采集采用完全挖掘法，選擇長勢相近的植株，按根系生長方向盡量避免對根系的機械損傷逐層挖掘，每種植物采集6～9株，完成后用毛刷清理根系表面泥土帶回實驗室，剪下根段裝入自封袋置于4 ℃冰箱中保存盡快進行實驗。

2.2 根系抗拉力學特性測定

選取完整無破損、粗細均勻、根長10～15 cm的根段，用游標卡尺測量根系上中下3處的直徑（精度0.01 mm），取平均值記為該根段的根徑。使用WZL-300紙張拉力儀進行根系抗拉力測定，拉伸速率設定為10 mm/min，在測試過程中控制終端可以連續測量拉力、抗拉強度等力學參數并記錄拉伸過程。需要注意的是在固定根段時，為避免夾具破壞根段或在實驗過程中根段發生打滑等現象，在夾具內側粘有防滑膠墊并用棉花纏繞根段兩端。整個實驗過程，只有當根段的斷裂點在2個夾具的中間段時數據才有效，在夾具附近發生的斷裂均視為無效實驗，4種植物各徑級測試成功的根樣數共計328根，成功率為61.6%。根系力學指標計算方法見式（1）～（5）。彈性材料在單向應力狀態下，其應力-應變關系符合虎克定律[22]，具體方程見式（5）。

式中：P為抗拉強度（MPa），Fmax為最大拉力（N），D為根系平均直徑（mm），為第i級直徑根的極限抗拉強度（MPa），Pi為第i級直徑根的數量，a為第i級直徑根的平均橫截面面積（ mm2），σ為 應 力 （ MPa），F為 抗 拉 力（N），A為根段的橫截面積（mm2），ε為根系縱向線應變即延伸率，ΔL為根系形變伸長量（cm），L為根段初始長度（cm），E為彈性模量。

2.3 根系主要化學成分含量測定

由于本研究中草本根系直徑均小于1.5 mm，灌木大于1.5 mm根徑的粗根含量很少，所以根系直徑按照 0～0.5、0.5～1、1～1.5、＞1.5 mm 歸類裝袋，于75 ℃下烘干至恒質量，后研磨過200目篩，應用范式纖維素洗滌法，測定根系纖維素、半纖維和木質素含量[23-25]。

2.4 分析方法

采用SPSS 18.0軟件進行數據統計分析，利用Excel 2010進行制圖，運用回歸分析、Pearson相關性分析、LSD法進行分析。

3 結果與分析

3.1 根系的力學特性分析

根系抗拉實驗實質為在順根系纖維的軸向上施加一個外力作用，當荷載加大，根系發生斷裂或連根拔起。4種供試植物抗拉試驗成功的總根數為339根，其中栽秧泡90根、星毛金錦香91根、狗尾草78根、燈芯草80根，供試灌木根徑范圍為0.32～3.21 mm，草本根徑范圍為0.21～1.44 mm。

根系抗拉力與根徑關系見圖1。由圖1可知，4種植物平均抗拉力由大到小依次為星毛金錦香＞栽秧泡＞狗尾草＞燈芯草。4種植物變化趨勢基本相同，根系最大抗拉力隨根徑的增大呈冪函數趨勢增大，遞增幅度栽秧泡＞星毛金錦香＞狗尾草＞燈芯草。

圖1 根系抗拉力隨根徑變化Fig. 1 Relationship between root tensile force and diameter

根系抗拉強度與根徑的關系見圖2。由圖2可知，在根徑小于1.0 mm的植物根系中，其抗拉強度由大到小依次為栽秧泡＞星毛金錦香＞狗尾草＞燈芯草，所選4種植物根系抗拉強度均隨根徑的增大以負冪次函數形式下降。而根徑小于1.0 mm的細根具有較強的抗拉強度，且含量較多對黏結土粒提高土體黏聚力的作用明顯，固土效果突出，所以認為栽秧泡的根系特性對提高淺層坡體根-土復合體強度更好，但具體的固土效果還要結合根系整體構型綜合考慮。

3.2 根系主要化學成分分析

根系的主要化學成分為木質素、纖維素和半纖維素，本次所選4種植物根系中，主要化學成分質量之和約占根系質量的60%，平均含量由大到小依次為纖維素＞木質素＞半纖維素。

圖2 根系抗拉強度隨根徑變化Fig. 2 Relationship between root tensile strength and diameter

1）木質素含量分布。由表1可知，4種植物根系木質素含量在17.22%～20.78%。在根徑小于1 mm的根系中，栽秧泡根系木質素含量顯著大于其他3種植物，而在根徑大于1 mm的根系中，星毛金錦香根系纖維素含量更多。在同種植物中，星毛金錦香、狗尾草、燈芯草根系不同根徑間木質素含量均存在顯著差異（P＜0.05），且均隨根徑的增大而增大，栽秧泡木質素含量隨根徑的增大而減小。

2）纖維素含量分布。由表2可知，4種植物根系纖維素含量在21.53%～28.79%。在相同根徑下，栽秧泡與星毛金錦香根系纖維素含量存在顯著差異（P＜0.05），而狗尾草與燈芯草根系纖維素含量無顯著差異。在同種植物不同根徑間纖維素含量均存在顯著差異（P＜0.05），同時，隨著根徑的增大，星毛金錦香、狗尾草、燈芯草根系纖維素含量隨之減小，而栽秧泡根系纖維素含量增大。

3）半纖維素含量分布。由表3可知，4種植物根系纖維素含量在13.19%～17.77%。在相同根徑下，栽秧泡、星毛金錦香根系半纖維素含量差異不顯著，狗尾草、燈芯草存在顯著差異（P＜0.05）。除狗尾草外，同種植物不同徑級間半纖維素含量差異不顯著。說明半纖維素含量變化與根徑間無明顯規律。

4）木纖比特征。木質素和纖維素含量是根系化學成分中最豐富的2種有機物，木質素充補在纖維素縫隙中增強植物抗壓和機械強度作用，二者的比值稱為木纖比，可反映木質素和纖維素變化的綜合特征。由表4可知，所選4種植物木纖比均小于1，其中狗尾草最大栽秧泡最小。同種植物根系不同根徑間木纖比存在顯著差異（P＜0.05）。狗尾草、燈芯草、星毛金錦香根系的木纖比均隨根徑的增大而增大，栽秧泡根系的隨根徑的增大而減小。

綜上可知，隨著根徑增大，除了栽秧泡外，其他3種植物根系的木質素含量、木纖比均隨之增大，纖維素含量均隨之減?。欢S根徑的增大，栽秧泡根系纖維素含量隨之增大，木質素含量和木纖比隨之減小。半纖維素無明顯規律。

3.3 根系力學特性與化學成分的關系

4種植物根系力學特性與主要化學成分含量的相關性分析結果見表5。由表5可知，4種植物的力學特性與半纖維素無顯著相關性，而與木質素、纖維素含量顯著相關（P＜0.05）。除栽秧泡外的3種植物根系抗拉力與木質素含量、木纖比呈極顯著正相關（P＜0.01），與纖維素含量呈極顯著負相關（P＜0.01），栽秧泡則反之。除栽秧泡外的3種植物根系抗拉強度與木質素含量、木纖比呈顯著負相關（P＜0.05），與纖維素含量呈顯著正相關（P＜0.05），栽秧泡反之。

表4 4種植物各徑級木纖比及差異性Table 4 The wood fiber ratio of each diameter grade and difference of 4 plants

表5 4種植物根系力學特性與主要化學成分含量的相關性分析Table 5 The correlation coefficient between the mechanical characteristics and content of main chemical components of the four plants root

3.4 根系應力-應變關系

3.4.1 根系應力-應變曲線

通過對根系拉伸過程中的應力與應變變化來分析根系抗拉特性。在實驗中發現受拉斷裂面通常參差不齊，且橫截面積與原始狀態變化較小，所以實驗采用Lagrange的定義，取斷裂橫截面積為根段初始截面積[5]。通過測量所選植物不同根徑數量占比：細根69.10%、中根28.45%、粗根5.22%，本實驗選取最有代表性的細根0.5 mm和中根1.2 mm 2個根徑級，每徑級各取30個根段進行實驗，根系應力-應變曲線見圖3。

圖3 4種植物根系的應力-應變曲線Fig. 3 Root stress-strain curve of four kinds of plants

由圖3a可知，2種根徑下栽秧泡根系的應力-應變特征曲線均為對數函數關系，受力前期，在應力小于20 MPa時，應力應變呈線性關系，根系的彈性特征最明顯；由圖3b可知，2種根徑下星毛金錦香根系的應力-應變特征曲線符合對數函數關系，與栽秧泡變化趨勢相似；由圖3c可知，2種根徑下狗尾草根系的應力-應變特征曲線，曲線彎曲度小，二次函數線性特征明顯，說明狗尾草根系是所選植物中最像彈性材料的植物；由圖3d可知，2種根徑下燈芯草根系的應力-應變關系曲線均與冪函數擬合度較高，但燈芯草的彈性材料特征最不明顯，在受力初期應力-應變關系基本無線性特征。

由圖3可知，1.2 mm根徑的最大應力總小于0.5 mm根徑的，表明最大應力隨根徑的增大而減小，即在應變相同的情況下，根徑越大所受應力越小。植物根系在受到軸向拉力前期，伸長量和單位面積荷載力均按照一定值成比例增加，應力-應變呈線性遞增關系這與彈性材料特性一致，當荷載力繼續加大，超過彈性極限時，線性應力-應變關系的斜率逐漸減小，直線開始向水平方向彎曲，即應力隨應變的增加幅度逐漸減小，這與塑性材料特征一致。同時發現在根系最后的斷裂點應力最大，其數值與該根徑最大抗拉強度相等。在實驗過程中也發現，即使同種植物相同根徑其實驗所得應力-應變曲線也有所差別，這可能是根系結構差異所造成的。

3.4.2 根系極限延伸率

植物根系的極限延伸率是反映根系抵抗土體滑坡的一個重要指標。因為在土體出現裂縫要發生相對滑移時，較大的極限延伸率有利于將根系所受的拉力向土體深層傳遞，同時對土體滑移產生的破壞力起到緩沖作用，這些都有利于提高根系固土能力。

由圖4可知，4種植物根系的最大延伸率呈現相同變化趨勢，均隨根徑的增大而減小，其平均延伸率由大到小依次為星毛金錦香18%＞栽秧泡16%＞狗尾草和燈芯草13%。

圖4 4種植物根系的極限延伸率與根徑關系Fig. 4 Relationship between critical strain and diameter of 4 species plants roots

將根系化學成分和根系極限延伸率放在一起比較時發現，狗尾草、燈芯草和星毛金錦香的根系極限延伸率隨纖維素的增加而增大，隨木質素的增加而減小，而栽秧泡根系極限延伸率與化學成分的關系與其他3種植物相反。

4 結論與討論

4.1 討論

4.1.1 根系力學特性與根徑關系

本次抗拉實驗草本植物所測試根系直徑范圍在0.21～1.44 mm，灌木根系在0.32～3.20 mm。抗拉強度范圍為14.01～53.24 MPa，抗拉強度的變幅較小與大多數學者研究結果一致[26-28]，但具體大小有差別，可能原因是根系材料復雜本身具有非均勻性和各向異性的特質，不同樹種之間根系材料可能存在較大差異，且受試根系直徑不同也會影響到抗拉力大小，從而根系力學性質的大小差異較大。4種植物根系的抗拉力均隨直徑的增大而增大，抗拉強度隨直徑的增大而減小，且都表現為冪函數關系，說明木本植物的抗拉規律對草本植物同樣適用[10，27]。

4.1.2 根系主要化學成分含量分布關系

4種植物根系中木質素、纖維素、半纖維素質量之和約占根系質量的60%左右，與紫花苜蓿（Medicago sativa）和馬唐（Digitaria sanguinalis）、油松（Pinus tabuliformis）、元寶楓（Acer truncatum）、櫟樹（Quercusspp.）[15，26-27]等喬木植物根系中主要化學成分含量接近。

狗尾草、燈芯草和星毛金錦香根系木質素含量、木纖比與根徑呈正比，纖維素與根徑呈反比，而栽秧泡木質素含量、木纖比與根徑呈反比，纖維素與根徑呈正比。栽秧泡化學成分隨根徑的變化與其他3種植物不同，造成這種現象的可能原因是根系增粗的過程實際就是向外生長形成韌皮部，向內生長形成木質部的過程，而纖維素、半纖維素含量更高的木質部生長速度比木質素含量高的韌皮部生長速度更快，所以隨著根系的增粗具有根皮的根系其纖維素含量增加幅度大于木質素的[29]，即表現為隨著根徑的增大纖維素含量的增大，木質素含量相對減少，觀察發現栽秧泡就具有較厚的根皮結構；同時具有根皮的實驗灌木根系木質素、纖維素含量會高于沒有根皮的實驗草本根系。

4.1.3 根系主要化學成分對抗拉特性的影響

4種植物根系的力學特性與木質素、纖維素呈極顯著相關，與半纖維素無顯著相關性，這與楊樹（Populusspp.）、海岸松（Pinus pinaster）、冷杉（Abies fabri）、紫花苜蓿和馬唐等木本植物研究結果相似[8，10，14，26]。但木質素與纖維素對不同植物的影響方式不同，狗尾草、燈芯草、星毛金錦香的根系抗拉強度與纖維素呈顯著正相關關系，與木質素呈顯著負相關關系，這與Genet等[10]、趙麗兵等[26]和Hales等[27]學者研究結果一致，但栽秧泡根系的化學成分對抗拉強度的影響與其他3種植物不同，栽秧泡根系的抗拉強度與木纖維素含量呈顯著正相關關系，與纖維素含量呈極顯著負相關關系，這與呂春娟等[11]研究的喬木根系結果一致，其原因本質是栽秧泡根系化學成分隨根徑的變化規律與狗尾草、燈芯草、星毛金錦香的變化規律相反。

4.1.4 根系應力-應變特征

不同植物種類的根系內部組織結構、空間排列存在差異，所以在抗拉過程中根系的應力-應變曲線會有所不同[30]。灌木應力-應變關系曲線呈對數函數關系，草本呈冪函數關系，在拉伸前期4種植物均表現出彈性材料特征，當應力達到一定值時變為塑性材料，這與朱海麗等[31]研究的灌木根系規律相似，即在一定拉力范圍內根系彈性特征較好，拉力持續增加，當超過彈性范圍時根系彈性特征變差轉變為塑性特征。此外，根系最大延伸率隨根徑的增大而減小，實驗灌木根系最大延伸率大于草本根系最大延伸率，可能原因為灌木根系外有一層根皮包裹稱為韌皮部，組成韌皮部的韌皮纖維具有很強的彈性，可以增強根系的延伸能力[29]，栽秧泡的韌皮部較厚，星毛金錦香根系的根皮中有粘膠液狀物質，使得韌皮部與木質部緊密粘連在一起增加了根系柔韌性，而草本植物基本無根皮組織。所選4種植物根系均表現出較好的抗變形能力，其根系彈性和延伸率對抵抗土體發生位移時的剪切力有很好的效果。

4.2 結論

本研究選取4種自然更新的鄉土灌草植物，進行根系單根抗拉實驗，對比分析根系力學特性及其相關影響因素，得出以下結論：

1）所選植物根系隨著根徑的增大，抗拉力以冪函數增大、抗拉強度以負冪次函數減小，根系抗拉能力由強到弱依次為栽秧泡＞星毛金錦香＞狗尾草＞燈芯草。

2）隨著根徑的增大星毛金錦香、狗尾草、燈芯草根系木質素含量、木纖比逐漸增大，纖維素含量減小，栽秧泡根系規律變化與之相反。半纖維素變化規律不明顯。

3）根系抗拉能力受根系化學成分影響，狗尾草、燈芯草、星毛金錦香抗拉力隨木質素、木纖比的增大而增大，隨纖維素的增大而減小，而它們的抗強度隨木質素、木纖比的增大而減小，隨纖維素的增大而增大，栽秧泡根系抗拉特性與根系化學成分的關系與其他3種植物相反。

4）4種植物根系彈性較好，根系最大應力隨根徑的增大而減小，均能一定程度的減緩土體位移的下滑力。