寒旱區4種草本根系力學特性試驗研究

周林虎 劉昌義 胡夏嵩 徐志聞 李希來 朱海麗 李燕婷 李國榮

摘要：為研究青藏高原東北部地區草本植物根系力學特性及其根系固土護坡力學機制，以青海省剛察縣三角城種羊場地區為研究區，將賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅4種優勢草本植物作為供試種，開展室內單根拉伸和剪切試驗，系統分析了4種草本植物的單根力學特性。結果表明：4種草本植物平均單根抗拉力大小順序為賴草（3.336 N）>扁穗冰草（2.677 N）>早熟禾（1.988 N）>紫花針茅（ 1.588 N），單根抗拉力與根徑之間成指數函數關系;平均單根抗拉強度大小順序為早熟禾（68.166 MPa）>扁穗冰草（67.049 MPa）賴草（39.411 MPa）紫花針茅（32.207 MPa），單根抗拉強度與根徑之間成冪函數關系;平均單根抗剪力大小順序為賴草（7.086 N）>扁穗冰草（6.628 N）>早熟禾（5.215 N）>紫花針茅（3.938 N），單根抗剪力與根徑之間成指數函數關系;平均單根抗剪強度大小順序為扁穗冰草（ 67.217 MPa）>早熟禾（56.051 MPa）>紫花針茅（41.998 MPa）賴草（35.494 MPa）.單根抗剪強度與根徑之間成冪函數關系。

關鍵詞：草本植物;抗拉強度;抗剪強度;根系力學強度試驗;寒旱區

中圖分類號：S157.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.05 .020

近年來，隨著基礎工程建設力度和規模進一步加大，形成了大量裸露巖土邊坡。傳統的邊坡防護多采用砌石擋墻及噴混凝土等工程措施，其造價昂貴、景觀效應相對不顯著，且存在影響和破壞生態環境的現象[1]。植被護坡方法在發揮植物固土護坡作用的同時，還能充分表現出植物的景觀效應和環境效應，起到恢復區域生態、保護環境和美化景觀的積極作用[2]。隨著城鎮居民生態環保意識不斷提高，植被護坡技術在公路邊坡、河岸邊坡等基礎設施工程建設中得到了較為廣泛的應用。

國內外學者對植物護坡理論及其應用開展了大量研究，并取得了豐富成果。植物根系作用于邊坡淺層土體的力學效應主要表現為淺層根系的加筋作用、垂直深根的錨固作用以及側根的斜向牽引作用[3-6]。王曉梅等[7]通過對華中地區瑜伽山邊坡欒樹和木子樹2種生長期為3a的喬木根系進行單根拉伸試驗，結果表明欒樹和木子樹的單根抗拉強度分別為66.12、79.03 MPa，且單根抗拉強度與根徑之間均成冪函數關系。李光瑩等[8]1通過對黃河源瑪沁地區小嵩草、矮火絨草、細葉亞菊和鹽地風毛菊4種高寒草地植物進行單根拉伸試驗，結果表明4種草本植物單根抗拉力與根徑之間成指數函數關系，且單根抗拉強度與根徑之間均成冪函數關系。F.Preti等[9]對生長于意大利佛羅倫薩南部豆科灌木鷹爪豆的根系進行單根拉伸試驗，結果表明單根抗拉力隨著根徑增大而增大，且單根抗拉力與根徑之間符合冪函數關系。Liu X.M.等10]對生長于內蒙古鄂爾多斯高原的小葉錦雞兒、沙棘、白沙蒿3種灌木進行單根拉伸試驗，結果表明單根抗拉強度大小順序為小葉錦雞兒（ 33. 673 MPa）>沙棘（21.792 MPa）>白沙蒿（12.975 MPa），且這3種灌木單根抗拉強度和根徑之間符合冪函數關系。朱海麗等[11]通過對生長于青藏高原東北部黃土區的霸王、白刺、檸條錦雞兒和四翅濱藜4種生長期為18個月的灌木根系進行室內剪切試驗，發現其單根抗剪力隨著根徑增大而增大，而單根抗剪強度則隨著根徑增大而減小。賀振昭等[12]對生長于青海湖地區的醉馬草、紫花針茅等7種草本植物進行單根剪切試驗，結果表明單根抗剪強度與根徑之間成冪函數或指數函數關系。

上述對植物根系力學特性的研究主要集中在植物單根力學指標與根徑之間的關系上，而對于植物單根力學指標的變化幅度與根徑之間的關系（如單根抗拉力增長幅度與根徑之間的關系），尤其對于青藏高原東北部地區草本植物根系力學強度試驗研究較少。筆者選取位于青藏高原東北部的青海省剛察縣三角城種羊場地區作為研究區，通過對該區4種優勢草本植物進行室內單根拉伸和剪切試驗，分別測定其單根抗拉力和單根抗剪力，并在此基礎上得出4種草本植物單根抗拉強度和單根抗剪強度，探討其力學強度變化幅度和根徑之間的關系，以期為研究區及其周邊地區有效防治水土流失、淺層滑坡等地質災害提供參考。

1 研究區概況

研究區北面為祁連山脈，南臨青海湖，區內高山連綿，地勢自北向南傾斜，地貌由灘地、丘陵和山地構成。該區海拔為3 200-3 800 m[13]，屬典型大陸性氣候區，冬春干旱多風寒冷，夏季涼爽，年平均氣溫為-0.6℃，年平均降水量為370.3 mm，年平均蒸發能力為1607.4mm[1 4]。區內土地類型主要以高寒山地和干旱草原為主，適宜于當地生長的優勢草種主要有紫花針茅、扁穗冰草、披堿草、賴草、早熟禾等[15]。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

選取適宜于研究區氣候條件的賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅4種優勢草本植物，這4種草本植物具有耐寒、耐旱、耐貧瘠等特性，且具有較好的水保特性和生態價值[16-20]。

2.2 試驗儀器

采用由上海衡翼精密儀器有限公司生產的HY-0580型電子萬能材料試驗機。

2.3 試驗方法

在野外原位挖掘采集根系試樣。為確保根系完整性，將原位挖掘出的植株移放至試樣盆內編號，并及時帶回實驗室。先將根一土復合體用清水沖洗干凈，選取順直且表面完好的根系，截取長度為5～ 10 cm的根段，然后選取3個不同部位用游標卡尺測量其根徑，取其平均值作為該根段的根徑。當一組單根拉伸或剪切試驗結束后，利用AnyTest Professional軟件繪制出抗拉力一變形關系曲線。

在單根拉伸試驗過程中，為避免根系在夾具中發生滑動，采用在夾具夾頭兩端粘貼膠片、纏繞和增加柔性物質的方法增大根系與夾具之間的摩擦力[21]。選取斷裂破壞發生在根系中部或接近中部的情況作為有效試驗結果，若根系在兩端發生斷裂，則不計人有效數據。根據試驗得到的單根最大抗拉力和實測得到的根徑，可算出4種草本植物的單根抗拉強度，計算公式[11]為

P=4F/πD²

（1）

式中：P為單根抗拉強度，MPa;F為單根最大抗拉力，N;D為根徑，mm。

在開展室內單根剪切試驗時，將根系平順地穿過剪切小孔進行剪切，并將根系完全剪斷的情況作為有效試驗結果，若根系未被完全剪斷，則不計入有效數據。根據試驗得到的單根最大抗剪力和實測得到的根徑，可算出4種草本植物的單根抗剪強度，計算公式[11]為式中：τ為單根抗剪強度，MPa; Fb為單根最大抗剪力，N;A為根系的原始截面積，mm²;D為根徑，mm。

3 結果分析

3.1 單根抗拉力和抗拉強度與根徑之間的關系

研究區4種草本植物單根抗拉試驗結果見表1。由表1可知，區內4種草本植物平均根徑大小順序為賴草>紫花針茅>扁穗冰草>早熟禾，平均單根抗拉力大小順序為賴草>扁穗冰草>早熟禾>紫花針茅。賴草單根抗拉力表現出顯著大于其他3種草本植物的特性，其平均單根抗拉力分別為扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅的1.25倍、1.68倍、2.10倍。單根抗拉強度可作為評價根系固土護坡能力大小的一個有效指標22]，區內4種草本植物平均單根抗拉強度大小順序為早熟禾>扁穗冰草>賴草>紫花針茅，其中：早熟禾和扁穗冰草單根抗拉強度差異性不顯著（早熟禾單根抗拉強度為扁穗冰草的1. 02倍）.而與賴草和紫花針茅的差異性較為顯著（早熟禾單根抗拉強度分別為賴草和紫花針茅的1.73倍、2.12倍）。

區內4種草本植物根徑分別為0.2、0.4、0.6 mm時，其單根抗拉力和單根抗拉強度見表2。由表2可知，根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時.4種草本植物單根抗拉力增幅為244. 06% - 857. 22%，其中：扁穗冰草單根抗拉力增幅最大，分別為早熟禾、賴草和紫花針茅的1.59倍、2.04倍、3.51倍，表明扁穗冰草單根抗拉力受根徑影響最大，其次為早熟禾、賴草和紫花針茅。根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時.4種草本植物單根抗拉強度降幅為59.06% - 70.72%，與單根抗拉力增幅相比，變化幅度較小，說明單根抗拉力比單根抗拉強度受根徑影響大。

圖1、圖2分別為研究區4種草本植物單根抗拉力和單根抗拉強度與根徑之間的關系。由圖1可知.4種草本植物單根抗拉力隨著根徑增大而增大，且單根抗拉力與根徑之間符合指數函數關系。由圖2可知，4種草本植物單根抗拉強度隨著根徑的增大而減小，且單根抗拉強度與根徑之間符合冪函數關系。該結果與蔣坤云[23]、歐陽前超[24]、E.Abdi等[25]的研究結果一致。

3.2 單根抗剪力和抗剪強度與根徑的關系

研究區4種草本植物單根抗剪試驗結果見表3。由表3可知，4種草本植物平均根徑大小順序為賴草>紫花針茅>扁穗冰草>早熟禾，其平均單根抗剪力大小順序為賴草>扁穗冰草>早熟禾>紫花針茅，與4種草本植物平均抗拉力表現出一致的變化規律。同種草本植物單根抗剪力均大于其單根抗拉力，賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅平均單根抗剪力為其各自平均單根抗拉力的2.12倍、2.48倍、2.62倍和2.48倍。4種草本植物平均單根抗剪強度大小順序為扁穗冰草>早熟禾>賴草>紫花針茅，扁穗冰草單根抗剪強度分別為早熟禾、賴草和紫花針茅的1.20倍、1.60倍和1.89倍，表明扁穗冰草單根抗剪強度與早熟禾的差異較小，而與賴草和紫花針茅的差異較大。

4種草本植物根徑分別為0.2、0.4、0.6 mm時，其單根抗剪力和抗剪強度見表4。由表4可知，4種草本植物單根抗剪力隨著根徑的增大而增大，增幅大小順序為賴草>紫花針茅>早熟禾>扁穗冰草。根徑由0.2mm增大至0.6 mm時，4種草本植物單根抗剪力增幅為202.91% - 414.02%.紫花針茅單根抗剪力增幅分別為賴草、早熟禾和扁穗冰草的1.24倍、1.38倍和2.04倍，表明4種草本植物單根抗剪力增幅存在較為顯著的差異，其中紫花針茅單根抗剪力受根徑變化影響最大。4種草本植物單根抗剪強度隨著根徑增大而降低，其降幅大小順序為扁穗冰草>早熟禾>紫花針茅>賴草。根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時，4種草本植物單根抗剪強度降幅為56.51% - 74.62%.表明單根抗剪強度受根徑變化的影響比單根抗剪力的小。

圖3、圖4分別為4種草本植物單根抗剪力和單根抗剪強度與根徑之間的關系。由圖3可知.4種草本植物的單根抗剪力隨著根徑增大而增大，且單根抗剪力與根徑之間符合指數函數關系。由圖4可知.4種草本植物的單根抗剪強度隨根徑增大而減小，且單根抗剪強度與根徑之間符合冪函數關系。該結果與朱海麗等[11]、賀振昭等[12]的研究結果一致。

綜合分析4種草本植物單根抗拉和單根抗剪強度可知，區內早熟禾和扁穗冰草2種草本植物根系力學強度相對較高，賴草次之，紫花針茅相對最小。4結論

（1）研究區4種草本植物平均單根抗拉力大小順序為賴草（3.336 N）>扁穗冰草（2.677 N）>早熟禾（1.988 N）>紫花針茅（1.588 N），其單根抗拉力隨著根徑增大而增大，且二者之間成指數函數關系。區內4種草本植物平均單根抗拉強度大小順序為早熟禾（68.166 MPa）>扁穗冰草（67.049 MPa）>賴草（39.411MPa）>紫花針茅（32.207 MPa），其單根抗拉強度隨著根徑增大而減小，且二者之間成冪函數關系。

（2）區內4種草本植物平均單根抗剪力大小順序為賴草（7.086 N）>扁穗冰草（6.628 N）>早熟禾（5.215N）>紫花針茅（3.938 N），其單根抗剪力隨著根徑增大而增大，且二者之間成指數函數關系。4種草本植物平均單根抗剪強度大小順序為扁穗冰草（ 67.217MPa）>早熟禾（56.051 MPa）>賴草（41.998 MPa）>紫花針茅（ 35.494 MPa），其單根抗剪強度隨著根徑增大而減小，且二者之間成冪函數關系。

（3）根據4種草本植物單根抗拉和單根抗剪強度可知，區內早熟禾和扁穗冰草相對于其他2種草本植物，可起到更為顯著的固土護坡作用，有助于提高研究區及其周邊地區邊坡土體抗剪強度，可作為研究區及其周邊地區優勢護坡草種。

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