黃土丘陵區(qū)不同植物根系抗拉力學特性

蘇雪萌, 劉俊娥,2, 周正朝,2, 李秋嘉, 趙富王

(1.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710062; 2.陜西師范大學 地理學國家級試驗教學示范中心, 西安 710062)

黃土高原是我國土壤侵蝕最為嚴重的地區(qū)之一[1-3]。根據(jù)“中國水土流失與生態(tài)安全綜合科學考察”，黃土高原總面積64萬km2，土壤侵蝕面積達39萬km2[4]。而研究表明植被恢復建設(shè)是最常用的水土保持措施，植被能攔截降雨、減少降雨侵蝕力，其根系也可以改善土壤理化性質(zhì)，增強土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗侵蝕能力[5-6]。早在20世紀30年代，Holch(1931年)首次提出有關(guān)不同森林植被根系對坡面穩(wěn)定影響，之后對根系固土功能、防止地表沖刷及增加坡面抗滑能力等方面逐漸開始研究[7-11]。近年來植物固坡措施已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應用[12]，其中植物單根抗拉特性是根系生物力學特性的重要組成部分，也是研究植物固土抗滑的基礎(chǔ)；但根系研究有著一定程度的復雜性，即使是單根抗拉也還存在著許多問題亟待解決，包括試驗方法、影響因素等。有學者通過對根徑、根長、含水率等植物自身影響因素[13-14]以及加載方式、速率、植物采伐時間等試驗因素[15-16]進行研究均得到不同的結(jié)論。目前主要從室內(nèi)單根抗拉和野外原位群根抗拔2方面[7]來研究根系抗拉力學特征，其中李光瑩等[17]對黃河源區(qū)高寒草地植物的根系的研究，趙麗兵等[18]對紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和馬唐(Digitariaciliaris)兩種草本植物根系的研究，陸桂紅等[19]對泥石流源區(qū)典型草本植物根系的研究，鐘榮華等[20]對三峽水庫消落帶草本植物根系的研究，肖宏彬等[21]對貧瘠土壤環(huán)境下的香根草(Chrysopogonzizanioides)根系的研究結(jié)果不同程度地表明：根系抗拉力與直徑呈顯著的冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系；根系抗拉強度與直徑呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，與根的纖維素含量呈正相關(guān)關(guān)系等。先后已有研究探討黃土高原不同植物根系對土壤抗侵蝕性能的影響[22]，但是對黃土高原不同植物根系特征與植物根系抗拉力學特性方面研究較少。在不同條件下，不同植物抗拉特性還存在較大差別[23]。

因此，本研究以黃土丘陵區(qū)3種典型植物：狼牙刺(Sophoraviciifolia)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、苔草(CarexlanceolataBoott)，通過運用工程力學基礎(chǔ)理論研究不同植物根系抗拉力學特性，探析植物根系在固坡保土增強土體穩(wěn)定性的作用機理，以期為黃土高原丘陵區(qū)水土保持固土護坡植物篩選研究提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地位于黃土高原丘陵區(qū)的陜西省延安市安塞區(qū)縣南溝(109°17′42″E，36°42′25″N)，平均海拔為1 266 m。該區(qū)屬于溫帶半濕潤氣候區(qū)向溫帶半干旱大陸性氣候過渡區(qū)，多年年平均氣溫8.8℃，多年年平均降水量為505.3 mm，年內(nèi)降水主要集中在7月、8月、9月份[24]。土壤類型為黃綿土，土質(zhì)疏松，遇水易崩解破碎，水土流失嚴重。自90年代開始該區(qū)實行大規(guī)模退耕還林還草工程，本研究區(qū)分布大量自然恢復植被，主要植被類型有鐵桿蒿(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月在安塞區(qū)縣南溝流域選取具有代表性植物種群(狼牙刺、鐵桿蒿、苔草)的坡面作為研究樣地(表1)。在每種植物種群的坡面按“S”形選取5株高度、覆蓋面積相近的植物，并分層采集根系；為避免出現(xiàn)不同程度的誤差，統(tǒng)一規(guī)定采樣剖面深為30 cm，分為3層，每層高為10 cm，長和寬分別為15 cm。每層以根為中心用卷尺測量根土復合體的標準長寬高，為避免根土復合體造成機械損傷，只用鏟子將整個根土復合體鏟出，然后將根土復合體放入自封袋中，帶回實驗室放入4℃低溫冰箱中進行保存。

表1 不同植被種群樣地信息

1.2.2 根系拉力測定 本試驗單根根徑采用根系分析軟件進行測定，測定的根徑為單根的平均根徑作為該根段的根徑。所有單根測定完成后按其根徑的徑級大小劃分為：徑級I(0.0001.300 mm)。在4個徑級范圍內(nèi)分別設(shè)計5種不同標距，即待測根系長度(50 mm，75 mm，100 mm，125 mm，150 mm)，采用微機控制電子萬能材料試驗機(上海松頓LDM-1)對植物根系進行勻速拉伸試驗，測定抗拉力、抗拉強度、變形特性等參數(shù)。試驗時，首先調(diào)整萬能材料試驗機標距與試驗設(shè)計中的根系設(shè)定長度一致，考慮儀器固定根系時所用夾頭要占據(jù)一定根系長度，實際根系長度相比測定長度多約30 mm。將根系兩端固定夾緊后，以10 mm/min的速度進行勻速定速度拉伸直到根系被完全拉斷為止。在5種標距下，3種植物根系總根數(shù)為900根，由于試驗根系若在夾口處斷裂則視為試驗失敗數(shù)據(jù)作廢，根系僅在夾口之間中間位置斷裂記為成功，所以總計成功根數(shù)為360根，總成功率為38.3%。

根系的抗拉力學特性主要由抗拉力、抗拉強度、變形特性等方面來反映。通過萬能材料試驗機可直接導出根系斷裂時的最大抗拉力及最大變形量。由于根系根徑、測量標距已知，可以計算出根系的抗拉強度、彈性模量等參數(shù)。計算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：P為單根抗拉強度(MPa)；F為在計算最大抗拉強度時最大抗拉力，在計算應力時為抗拉力(N)；D為根系平均根徑(mm)；E即為彈性模量；σ為應力N(極限應力σ數(shù)值與抗拉強度P值相等)；ε為應變即延伸率；ΔL為單根拉伸是的伸長量(mm)；L為單根的原始長度，本研究試驗中稱為標距(mm)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 進行分析之前對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗與方差齊性檢驗。用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用SPSS 20.0對5種標距下根徑與抗拉力、根徑與抗拉強度之間的關(guān)系進行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大抗拉力與根徑和根長的關(guān)系

從根徑的統(tǒng)計結(jié)果來看，鐵桿蒿和苔草的根系主要處于0.4～1.5 mm的范圍內(nèi)，而本試驗中狼牙刺的根系主要處于0.4～2.6 mm的范圍內(nèi)，三者的平均直徑分別為1.443 mm，1.043 mm和0.978 mm。由于過粗和過細的根在進行單根抗拉試驗時的難度較大，試驗失敗率太高；因此本試驗舍棄這些數(shù)據(jù)，主要選取根徑分布范圍內(nèi)的所得數(shù)據(jù)進行分析和比較(圖1)。

3種植物的平均最大抗拉力次序為：狼牙刺(12.135 N)>苔草(11.194 N)>鐵桿蒿(9.168 N)。整體來看，3種植物根系在各標距范圍內(nèi)抗拉力無顯著性差異。3種植物根系的抗拉力均隨直徑增大呈冪函數(shù)增大(圖1)，狼牙刺根系極限抗拉力與根徑的回歸R2>0.6，其中標距75 mm，R2擬合度最高；苔草根系極限抗拉力與根徑的回歸系數(shù)R2>0.55，其中標距150 mm，R2擬合度最高；鐵桿蒿極限抗拉力與根徑的回歸系數(shù)R2>0.4，其中標距75 mm，R2擬合度最高。

圖1 3種不同植物根系抗拉力與直徑的關(guān)系曲線

在不同徑級下，3種植物根系最大抗拉力隨著徑級的增大而逐漸增大。其中，鐵桿蒿在徑級I與其他徑級間的最大抗拉力有顯著性差異，苔草在徑級I和Ⅱ與徑級Ⅲ和Ⅳ之間有顯著性差異，狼牙刺在徑級Ⅱ與徑級I，Ⅲ，Ⅳ之間分別存在顯著差異，其余各徑級間無顯著性差異。同一徑級不同物種根系抗拉力差異性不顯著，鐵桿蒿根系抗拉力均顯著大于其他兩種植物根系(表2)。

2.2 極限抗拉強度與根徑和根長的關(guān)系

3種植物的平均抗拉強度值分別為：鐵桿蒿(15.718 MPa)>苔草(15.486 MPa)>狼牙刺(6.457 MPa)，其中鐵桿蒿的抗拉強度值范圍為0.719～94.930 MPa；苔草的抗拉強度值范圍為3.118～36.923 MPa；狼牙刺的抗拉強度范圍為2.436～16.464 MPa，各個數(shù)據(jù)在直徑段內(nèi)分布比較集中，主要集中在徑級Ⅱ、徑級Ⅲ區(qū)間(表2)。徑級I～Ⅳ，3種植物根系極限抗拉強度隨著徑級的增大而逐漸減小。同一物種群，狼牙刺根系徑級Ⅱ與其他各徑級的極限抗拉強度有顯著差異性，鐵桿蒿根系徑級Ⅱ與其他各徑級的極限抗拉強度有顯著差異，苔草根系徑級I與其余根徑有顯著差異，其余各徑級間差異不顯著(表2)。同一徑級不同物種，狼牙刺分別與鐵桿蒿和苔草存在顯著差異，其余物種間差異不顯著(表2)。

表2 不同徑級下不同植物根系最大抗拉力和最大抗拉強度

注：(1)小寫字母表示同一物種不同徑級間存在差異顯著(p<0.05)；(2)大寫字母表示同一徑級不同物種間存在差異顯著(p<0.05)；(3)徑級I(0.0001.300 mm)。

通過SPSS 20.0軟件進行回歸分析，3種植物單根極限抗拉強度與根徑均在雙側(cè)水平上顯著相關(guān)，3種植物根系的抗拉強度均隨直徑增大呈冪函數(shù)減小(圖2)，狼牙刺根系極限抗拉強度與根徑的回歸系數(shù)R2>0.51，其中標距150 mm，R2擬合度最高；鐵桿蒿極限抗拉強度與根徑的回歸系數(shù)R2>0.18，其中標距125 mm，R2擬合度最高；苔草根系極限抗拉力與根徑的回歸系數(shù)R2>0.52，其中標距75 mm，R2擬合度最高(圖2)。

2.3 植物彈性模量

試驗中通過根系拉斷后軟件得出的原始標距和斷后標距值計算應變量，以此可以計算得出3種植物在各標距組的彈性模量(表3)。在同一物種間，不同標距的彈性模量沒有顯著性差異。在同一標距下，僅有標距為50 mm和100 mm 的鐵桿蒿分別與狼牙刺和苔草存在顯著差異，其余各標距下物種間無顯著性差異(表3)。

3種植物平均彈性模量分別為：鐵桿蒿(2.900 N/mm)>狼牙刺(1.698 N/mm)>苔草(1.003 N/mm)，在標距50，75，100 mm中，3種植物的彈性模量均隨著標距的增加而減小，且每個標距組內(nèi)，彈性模量均存在鐵桿蒿>狼牙刺>苔草的關(guān)系。在標距125，150 mm中，3種植物的彈性模量均表現(xiàn)為標距125 mm的彈性模量大于標距150 mm的彈性模量。由應變量的計算結(jié)果可以看出，在標距越大即根系越長的情況下，根被拉伸的越長。由表3可以看出，3種植物的彈性模量與抗拉力和抗拉強度不同，鐵桿蒿的彈性模量是苔草的2.7倍，是狼牙刺的1.7倍，而三者的抗拉強度、抗拉力只有1～2倍，且狼牙刺和苔草的計算結(jié)果非常接近，彈性模量計算結(jié)果受應變值的影響很大。

圖2 3種不同植物根系抗拉強度與直徑的關(guān)系

標距/mm狼牙刺/(N·mm-1)鐵桿蒿/(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：大寫字母表示同一標距下不同物種間存在差異顯著(p<0.05)；小寫字母表示同一物種間不同標距下存在差異顯著(p<0.05)。

3 討 論

根系抗拉性能是其主要力學性質(zhì)之一，其大小直接影響到根系的固土效應。不同標距對單根抗拉強度表現(xiàn)結(jié)果顯著不同，反映了在不同寬度的土壤剪切帶內(nèi)根系對固土抗滑能力有顯著差別。本研究表明從3種植物抗拉力的情況來看，狼牙刺比其他2種植物更能承受拉力作用，在植物根系中，根系最大抗拉力與根徑關(guān)系呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即根徑越大，最大抗拉力越大，其中根系極限抗拉力的擬合函數(shù)表示為Fmax=αDβ，α，β為經(jīng)驗系數(shù)且α，β>0。其中從相關(guān)系數(shù)來看，3種植物根系極限抗拉力與根徑相關(guān)系數(shù)都在0.4以上，狼牙刺>苔草>鐵桿蒿，均表現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，這與前人研究的紫花苜蓿[18]、香根草[21]、歐洲山毛櫸[26]等其他喬灌木、草本植物研究結(jié)果一致，但是在數(shù)值上有所不同。分析其原因可能是由于試驗條件或者根系生理年齡期的影響，所以在考慮根系形態(tài)特征的同時，也要考慮根系年齡結(jié)構(gòu)對根系抗拉力的影響。Hathaway等研究發(fā)現(xiàn)，無論是草本植物還是喬灌木植物，根系的抗拉力和直徑之間的關(guān)系不僅反映了斷裂力學中的尺度效應，而且與纖維素或者木質(zhì)素含量有關(guān)。而前人研究中所用根系多以生長茂盛根系粗大的喬灌木，其根徑與本研究中的材料差異較大，從而根系力學性質(zhì)的大小差異較大。

3種植物單根抗拉強度隨著根徑的增加而逐漸減小，研究表明植物的抗拉強度均與根徑呈冪函數(shù)的負相關(guān)關(guān)系，不受植物種類影響；但是不同植物之間的抗拉強度值仍然有著很大差距，其中鐵桿蒿和苔草的抗拉強度值相差不大，二者的抗拉強度值是狼牙刺的2.4倍。這可能由于不同植物根系在不同深度的土壤理化性質(zhì)不同，所以不同植物根系空間分布存在差異[27-29]。。3種植物根系抗拉強度隨著根徑增加呈冪函數(shù)減少，其他學者對檸條[23]、錦雞兒[23]、落葉松[30]、白樺[30]等喬灌木根系抗拉強度的試驗研究表明，根徑與抗拉強度基本呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)減少趨勢，這與本研究結(jié)果相一致。由此可知，大多數(shù)情況下，草本植物與粗大的喬灌木根系抗拉力學特性是一致的，但是在小的根徑范圍內(nèi)，由于試驗條件的限制或者根系生理年齡期的影響，可能出現(xiàn)抗拉強度不穩(wěn)定的情況，需區(qū)別對待。

試驗研究表明，在不同標距下根系的抗拉強度顯著不同，反映了不同寬度的土壤剪切帶內(nèi)根固土抗滑能力的差別。3種植物的抗拉強度隨著標距的增加而逐漸減小，這是可能由于隨著根系標距的增加進而缺陷增多的概率就會相應增加，所以就會降低其抗拉強度[31]。由于彈性模量為應力與應變的比值，應變量即為根的拉伸量，試驗結(jié)果顯示3種植物隨著標距的增加而減小，鐵桿蒿具有較大的極限彈性模量，說明同樣的外界加載條件，根徑、根長較小的根系對外界拉力的緩沖能力比根徑、根長較大的根系緩沖能力大，根徑、根長較小的根系又具有較強的極限抗拉強度。這也正是直根、短根增強土壤抗蝕、抗沖性的機理所在。這與歐陽前超[32]研究土石山區(qū)草本植物的彈性模量研究結(jié)果相一致，但是其白喜草平均彈性模量與本文鐵桿蒿的數(shù)據(jù)相差較大，這可能由于植物種類或者根系生理年齡不一致。但是，無論草本植物還是喬灌木都可以說明根系剛度越大，越不容易發(fā)生變形，對固持土壤作用效果越突出。

4 結(jié) 論

(1) 在各根徑范圍內(nèi)，3種植物的單根極限抗拉力隨著直徑的增大均已冪函數(shù)遞增，單根極限抗拉力從大到小順序表現(xiàn)為狼牙刺>苔草>鐵桿蒿，抗拉力受直徑的影響較大。

(2) 在根徑的范圍內(nèi)，3種植物單根極限抗拉強度隨根徑的增大均以冪函數(shù)遞減，單根極限抗拉強度從大到小順序表現(xiàn)為鐵桿蒿>苔草>狼牙刺。鐵桿蒿的固土性能明顯優(yōu)于苔草和狼牙刺。

(3) 3種植物在各自研究的徑級范圍內(nèi)，根系的彈性模量隨著根徑和根長的增大呈下降趨勢。3種植物單根極限彈性模量均值從大到小依次為鐵桿蒿>狼牙刺>苔草。

因此，在本研究的3種植物中鐵桿蒿根系的固土能力最優(yōu)，在水土保持固土護坡植物篩選研究中可以優(yōu)先考慮。本試驗研究結(jié)果可為黃土丘陵區(qū)的植物固土護坡以及水土保持研究提供科學依據(jù)。