5種植物根系生物力學特性1)

郝需婷 格日樂 張永亮 斯琴 王爭賢 楊銳婷

(內蒙古農業大學，呼和浩特，010011)

植被根系對斜坡有穩定加固作用是因為其具有較強的抗拉特性和形變能力。受拉過程中根系的形變能力可以對土壤下滑力進行緩沖，增加固土能力[1-3]。通常，植物根系受張力、拉力作用的概率比受剪切力作用的概率大，原因是根系與土壤通過共同黏附力形成活性有機體，且當土壤受侵蝕時，根系受到的剪切壓力發生變形并被拉直，從而轉為拉力作用[4]。當土體間出現滑坡裂縫時，快速增長的應變有利于把根系所受拉力向土體深層傳遞。植物根系的形變能力決定直根受外力時的整體應變狀態，最大應變即為極限延伸率。極限延伸率體現根系抵抗土體滑坡的能力，極限延伸率較大利于根系將所受拉力向根系側摩阻力轉化，從而減小根系本身所受的內力，提高根系固土能力。

材料的彈性模量表征其抵抗彈性形變的能力，其值越大，材料發生一定彈性形變的應力也越大，即材料剛度也越大，在一定應力作用時，發生的彈性形變越小。

對植物來說，機械刺激在自然界中無處不在，它由風，雨，冰雹及動物的運動等引起。研究發現，植物對環境應力的適應性可分為4個階段[5]，分別為報警階段、抵抗階段、疲勞階段、再生階段。應力作用前，植物處于標準的生理狀態。施加應力后，植物的生理標準功能下降，如光合作用、代謝產物傳輸等功能下降。若施加的應力強度過大，超過植物的應力閥值，即超過植物的承受能力，將導致植物被嚴重破壞甚至死亡。如果遭受破壞且不至死亡，此時植物的應力處理機制被激活，如修復過程的啟動、形態的緩慢適應，此時為報警階段。這一階段，植物建立新的生理標準并逐漸使其得到強化。繼續施加應力使其超過植物的應力承受范圍后，植物處于應力抵抗階段。此時，植物處于較穩定的生理狀態。當應力源在植物呈現疲勞狀態時及時消除應力作用，植物得到修復并達到更好更高的生理標準，此時為再生階段，植物抗逆能力進一步強化。

植物材料與工程材料有著質的區別。工程材料、金屬棒物理系統受損后的恢復不可逆,而根系是具有活性的材料，其受損后可以自行恢復[6]。根系本身具有調整、恢復的自組織能力，在固土抗蝕受損后具有自修復的機能。由于植物材料具有獨特的自修復機能，即可以自行修復，減小損傷累積引起的材料失效，因此植物材料雖然比工程材料(如金屬)的強度低，卻能長期承受多種嚴酷的自然荷載[7]。另一方面，大多數的工程材料具有均勻性、各向同性、連續性，而由基本組成單元(細胞)根據其周圍局部的情況構筑而成的植物材料是非均勻且各向異性的[7]。

開挖邊坡、開采煤炭等建設項目形成的地面沉陷、地裂縫隙容易造成地上植物根系受損。目前關于植物根系受損后自修復的研究主要是關于受損后自修復的生長性狀[8]。固土抗蝕植物種的選擇是改善侵蝕區水土流失現狀的關鍵。由于植物自身對環境的適應性及立地條件的差異，根系的力學特性存在種間差異，僅從力學特性的角度對根系的固土能力進行分析判斷具有片面性。

以內蒙古自治區中西部大型采煤礦區準格爾煤田黑岱溝露天礦排土場相同立地條件人工栽植的5種常見4年生植物紫花苜蓿(MedicagosativaL)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall)、楊柴(HedysarummongolicumTurez)、檸條(CaraganakorshinskiiKom)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)的根系為對象，研究5種植物根系受損自修復后材料力學特性的共同規律及其種間差異，為該區域植被建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 標準株的確定及根系挖掘

2019年5月初，在鄂爾多斯市準格爾煤田黑岱溝露天礦內排土場(39°47′15″N，111°16′7″E；海拔高度為1 255 m)選擇人工繁育紫花苜蓿、沙打旺、楊柴、檸條、沙棘。每種植物隨機抽取4年生植株20株，測其地徑、株高、冠幅等生長指標(表1)，計算其平均值為標準株參數[9]。以此為基礎分別選取與標準株最為接近的5株植物進行根系挖掘。

表1 植株生長狀況及標準株選取

對選取的標準株植株以根頸為圓心，水平方向從冠幅1.5倍處向圓心進行挖掘，以逐步收縮法向中間取土；垂直方向以每種植物根系集中分布土層為挖掘深度，在快要露出根系前停止挖土，用毛刷刷去根系周圍覆土，直到露出的根系長度達到試驗要求。根據野外原位試驗便攜式儀器大小，挖坑規格的長大于80 cm、寬大于30 cm、高大于40 cm，以確保儀器能夠置于試驗根下方。

1.2 試驗設計

如果研究根系的固土特性針對每種植物的整個根系，將面臨工作量大，重復性小的問題。針對上述問題，可通過研究根系的數量特征，確定其代表根[10]。根據前期對5種植物代表根的研究結果顯示，代表根徑級集中分布在0～1.5 mm[10-12]，所以選取5種植物代表根徑級進行直根極限應變和彈性模量均值的比較研究是可行的。

1.2.1 根損傷力的確定

根據苑淑娟[13]和張永亮[14]的研究可知：對于檸條，當應力達到自身極限應力的40%左右時，出現彈性極限點；對于沙棘，當應力達到自身極限應力的60%左右時，出現彈性極限點。本研究預試驗發現，當損傷力大于或等于極限拉力的80%時，試驗根死亡率極高，且部分根系在施加損傷力的過程中已發生斷裂。因此，在確定損傷力時，在保證試驗根有一定存活率的基礎，選取大于彈性極限點的拉伸力，即極限抗拉力的70%作為損傷力。對試驗根施加損傷力前，對正常生長的5種植物標準株植株根系，進行極限抗拉力的測定，以計算損傷力。

1.2.2 根損傷力的施加

分別以直根中點及距離中點左右兩側30 mm處為標記點，測量每個標記點的根徑。試驗根段的制備如圖1所示，試驗根段的長度至少為12 cm，受力根段(AB段)軸向標距為6 cm，兩端陰影部分為測試機臺夾具對直根的夾持部分，對根段產生軸向拉力。試驗前用電子游標卡尺(精度0.01 mm)十字交叉測量試驗根段A、O、B3點直徑(O為中點，A、B為距離中點30 mm處的兩端夾具點)，計算3點的直徑平均值為試驗根直徑。試驗過程中，統計得到在試驗段中點附近斷裂根的數據，為有效數據；在夾口處斷裂或滑出根的數據，為無效數據，并記錄直根拉伸斷裂時的最大位移。

圖1 試驗根段制備示意圖

5月初(生長季初期)對所選試驗根分為3組(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組)進行試驗，各組各徑級有效試驗根數最少為10根。Ⅰ組進行直根瞬時極限抗拉力的測定，試驗時采用數顯式推拉力計及自制便攜式試驗儀器測定5種植物各徑級的直根極限抗拉力，加載速度設定為50 mm·min-1；Ⅱ組進行受拉受損愈傷試驗，在原位不離體時，對5種植物各徑級直根施加損傷拉力，施力大小為Ⅰ組所得該徑級極限抗拉力的70%，施力時保證試驗根表皮完好，施力后對受損根進行標記；Ⅲ組為平行對照試驗，選擇相同徑級直根作為平行對照，對照根挖出后僅進行與受拉受損、愈傷試驗根相同的挖掘、暴露、夾持、標記、掩埋等擾動，不施加任何損傷力，讓其自然生長3個月。

經過3個月愈傷自修復，8月初將Ⅱ、Ⅲ組標記的各徑級試驗根挖出后分別測定其根徑、存活率、活力值，然后進行極限抗拉試驗。

1.2.3 直根存活率及活力值的測定

根據試驗根外形、顏色、彈性及根皮與中柱分離的難易程度區分活根、死根[15]，存活率計算公式為式(1)。根系活力采用TTC法[16]測定，活力值用TTC還原強度表示。

存活率計算公式：

存活率=(活根數/總試驗根數)×100%。

(1)

延伸率計算公式：

ε=(ΔL/L)×100%。

(2)

式中：ε為縱向線應變即延伸率；ΔL為直根拉伸時的伸長量；L為直根的原始長度。

彈性模量計算：

E=σ/ε。

(3)

式中：E為彈性模量；σ為應力；ε為縱向線應變即延伸率。

野外原位試驗拉伸儀器由HP-500數顯式推拉力計(精度0.01 N)和位移測量計及自制便攜式試驗儀器(拉伸平臺)組成(圖2)。

圖2 野外原位拉伸試驗儀器及自制試驗平臺

2 結果與分析

2.1 直根受損后愈傷自修復對直根的存活率及根系活力的影響

根系受拉受損愈傷自修復后所存留活根的數量越多，其存活率越大，也越有利于植物根系受損愈傷自修復后繼續固持土體。圖3a所示，5種植物0～6 mm各徑級試驗根受拉受損愈傷自修復后，試驗根存活率較平行對照均有明顯下降，其下降值分別為：紫花苜蓿9.29%、沙打旺13.72%、楊柴16.94%、檸條21.63%、沙棘21.87%，且表現為根徑越大，受損自修復后存活率越低。不同植物及徑級的存活率均有所差異，但5種植物直根受損后自修復的存活率均隨根徑的增大而減小。

圖3b所示，試驗根在遭受外力的拉拽后出現一定的變形及損傷，從而導致活力值明顯降低。通過愈傷自修復，試驗根活力值仍低于平行對照，紫花苜蓿、沙打旺、楊柴、檸條、沙棘較平行對照分別下降了16.67%、18.96%、32.67%、17.63%、36.19%。5種植物試驗根自修復后、平行對照的活力值峰值均出現在2～3 mm徑級。

圖3 5種植物直根受損自修復后根系存活率與活力值的變化

2.2 直根愈傷自修復后的極限應變與平行對照的比較

軸向應變即延伸率(ε)，植物根系的延伸率是反映根系抵抗土體分裂、滑脫的重要指標。由圖4可知，在0～6 mm各徑級的5種植物愈傷自修復后及平行對照的直根極限應變隨根徑的增加并無明顯變化，且只有平行對照的檸條直根極限應變與根徑的復相關系數為0.525 4，其他植物的平行對照及自修復后的直根極限應變與根徑間的相關系數均小于0.5，相關性較低。有研究表明，草本植物根系的延伸率與直徑間存在負相關關系，根系最大延伸率隨根徑的增加而減小[17]。本研究中愈傷自修復后沙打旺、楊柴，平行對照的紫花苜蓿、沙打旺、楊柴、檸條直根的變化規律與其相同。

圖4 5種植物在愈傷自修復3個月后與平行對照的直根極限應變隨直徑變化的關系

由表2可知，5種植物直根在代表根徑級0～1.5 mm時，除紫花苜蓿，其他植物的極限應變值總體呈現平行對照大于愈傷后。平行對照與愈傷自修復相比，檸條、沙打旺、紫花苜蓿的直根極限應變值均存在顯著差異；楊柴、沙棘直根極限應變值無顯著差異。檸條、沙打旺平行對照的直根極限應變值均大于其愈傷自修復后，差值分別為19.08%、3.47%；紫花苜蓿則相反，愈傷自修復后直根極限應變值大于其平行對照，其差值為2.30%。由此表明，5種植物根系在固土抗蝕過程中受拉受損，經過愈傷自修復后恢復抗侵蝕能力。其中，紫花苜蓿恢復能力最突出；檸條、沙打旺根系受拉受損后抗侵蝕能力明顯下降，在愈傷自修復后仍然不能恢復；楊柴、沙棘的恢復能力不明顯。

表2 5種植物種內平行對照和愈傷自修復后直根極限應變均值

由表3可知，5種植物直根在代表根徑級0～1.5 mm時，平行對照的檸條、沙打旺、紫花苜蓿、沙棘4種植物的直根極限應變均值種間存在顯著差異；楊柴與紫花苜蓿存在顯著差異，與檸條、沙打旺、沙棘無顯著差異。5種植物平行對照的直根極限應變均值由大到小排列依次為：檸條(27.76±2.16)、沙棘(16.95±1.36)、楊柴(16.39±1.17)、沙打旺(16.13±1.18)、紫花苜蓿(12.59±0.69)。5種植物愈傷自修復后，紫花苜蓿、楊柴、沙打旺、沙棘的直根極限應變均值種間差異顯著，檸條的直根極限應變均值與其他4種植物的直根極限應變均值無顯著差異。5種植物愈傷自修復后的直根極限應變均值由大到小排列依次為：紫花苜蓿(14.89±0.98)、沙棘(13.35±0.95)、楊柴(12.68±0.82)、沙打旺(12.66±0.76)、檸條(8.68±0.43)，與平行對照的直根極限應變均值大小順序發生變化，其中草本植物紫花苜蓿的值最大，而灌木檸條、草本植物沙打旺的值最小。在相同時間內，紫花苜蓿根系在固土抗蝕受拉受損后恢復抗侵蝕能力最強；檸條、沙打旺恢復抗侵蝕能力最差。

表3 5種植物直根平行對照、愈傷自修復3個月后極限應變均值種間方差分析結果

2.3 直根愈傷自修復后與平行對照的彈性模量比較

由圖5可知，5種植物平行對照與愈傷自修復后的直根彈性模量在測試根直徑為0～6 mm時，均隨直徑的增加呈減小的趨勢。進行曲線回歸擬合后，擬合方程與復相關系數如圖5所示。其中，愈傷自修復后，沙打旺、檸條、沙棘的直根彈性模量隨根徑的增加以冪函數遞減，紫花苜蓿、楊柴以多項式函數遞減；平行對照的紫花苜蓿、沙打旺、楊柴、沙棘直根彈性模量均以冪函數遞減，檸條以多項式函數遞減。相關性分析顯示，α=0.05時，除愈傷自修復后的沙打旺，平行對照的紫花苜蓿、沙打旺、沙棘相關系數絕對值大于0.5外，其他均小于0.5，根系直徑與彈性模量二者相關性較低。

圖5 5種植物平行對照與愈傷自修復后的直根彈性模量

由表4可知，5種植物直根在代表根徑級0～1.5 mm時，平行對照與愈傷自修復后的檸條、沙打旺、楊柴、沙棘的直根彈性模量均值均存在顯著差異，紫花苜蓿平行對照與自修復后的直根彈性模量均值無顯著差異。愈傷自修復后，檸條、沙棘的直根彈性模量均值小于其平行對照，楊柴、沙打旺的直根彈性模量均值則大于其平行對照。

表4 5種植物直根彈性模量均值在平行對照與愈傷自修復后方差分析結果

5種植物直根在代表根徑級0～1.5 mm時，平行對照的直根彈性模量均值種間存在顯著差異。直根彈性模量均值由大到小依次為：檸條(3.89±0.23)、沙棘(2.74±0.19)、楊柴(2.47±0.18)、沙打旺(2.22±0.07)、紫花苜蓿(0.86±0.07)，與平行對照的5種植物直根極限應變均值順序總體一致。從植被生活型角度來看，5種植物根系平行對照的彈性模量大小表現為灌木優于半灌木，半灌木又優于草本植物的特點。對愈傷自修復后5種植物種間的直根彈性模量均值進行比較，檸條與紫花苜蓿，紫花苜蓿與沙棘無顯著差異，其他植物種間均存在顯著差異。愈傷自修復后的直根彈性模量均值由大到小依次為：沙打旺(4.12±0.35)、楊柴(3.61±0.12)、紫花苜蓿(2.79±0.14)、檸條(2.21±0.21)、沙棘(1.64±0.13)，與平行對照的直根彈性模量均值相比，排列有所變化。

3 討論

本研究中5種植物根系受損后的根系存活率、活力值較對照均有不同程度的降低，即使通過3個月的自修復也不能完全恢復到平行對照水平，這與王博等[18]關于折力損傷自修復對干旱礦區小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)根系固土的影響及蘇禹[19]關于檸條、沙柳(Salixpsammoplzila)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、白沙蒿(ArtemisiastellerianaBess.)4種植物根系受剪受損愈傷后的抗剪特性結論相似。紫花苜蓿的直根極限應變在受拉受損自修復后隨著根徑的增長呈下凹型增長趨勢，其平行對照的直根極限應變隨著根徑的增長呈上凸型增長趨勢；沙棘的直根極限應變在愈傷自修復后及平行對照時均隨著根徑的增長呈上凸型增長趨勢，這一結論與左志嚴等[20]對紫花苜蓿、沙棘直根室內模擬試驗的極限應變研究結果一致。本研究中，5種植物受拉受損自修復后和平行對照的直根彈性模量基本隨直徑的增加而減小，與牛國權等[21-22]對檸條、沙地柏、沙柳、白沙蒿單根在軸向拉力下的變形特性、萬娟等[23]對多花木蘭根系抗拉特性研究中彈性模量的變化相似，Liu et al.[24]也提出，機械刺激時，受損的植株根、莖、葉柄的力學性狀如彈性模數、彎矩、撓曲剛度等也會明顯降低。

4 結論

5種植物直根在測試根直徑為0～6 mm時，各徑級試驗根受拉受損后經過3個月的愈傷自修復，其存活率、活力值較平行對照均有明顯下降。植物品種不同，降低值有所差異，且表現為根徑越大，受損自修復后存活率越低。5種植物試驗根活力值在自修復后和平行對照的峰值均出現在2～3 mm徑級。

5種植物直根在代表根徑級為0～1.5 mm時，極限應變除紫花苜蓿外，總體呈平行對照的極限應變大于愈傷后。其中檸條、沙打旺平行對照的極限應變均顯著大于其愈傷自修復后(P<0.05)，其差值分別為19.08%、3.47%；紫花苜蓿則相反，愈傷自修復后的極限應變顯著大于其平行對照，差值為2.3%(P<0.05)。5種植物平行對照的直根極限應變均值由大到小依次為：檸條、沙棘、楊柴、沙打旺、紫花苜蓿；5種植物愈傷自修復后的直根極限應變均值由大到小依次為：紫花苜蓿、沙棘、楊柴、沙打旺、檸條，與平行對照的直根極限應變均值相比，排列有所變化。由此表明，植物品種不同則根系在受拉受損后恢復抗侵蝕的能力不同。

5種植物直根在代表根徑級為0～1.5 mm時，檸條、沙打旺、楊柴、沙棘平行對照的直根彈性模量均值與愈傷自修復后的相比，均存在顯著差異；紫花苜蓿無顯著差異。檸條、沙棘愈傷自修復后的直根彈性模量均值小于平行對照，楊柴、沙打旺愈傷自修復后的直根彈性模量均值大于平行對照。5種植物平行對照的直根彈性模量均值由大到小依次為：檸條、沙棘、楊柴、沙打旺、紫花苜蓿；愈傷自修復后的直根彈性模量均值由大到小依次為：沙打旺、楊柴、紫花苜蓿、檸條、沙棘，與平行對照相比也發生了變化。