長江河岸邊坡狗牙根根系力學性能研究

葉興 楊啟紅 張超波 王家生

摘要：河岸邊坡在流域生態系統中發揮著重要作用，植物根系通過發揮抗拉力學性能，提高了邊坡穩定性，對河岸邊坡生態穩定具有意義。然而，目前對長江河岸不同高程和排水方式下優勢草本物種根系的抗拉力學特性認識不足。因此，選取優勢草本物種狗牙根為研究對象，進行室內拉伸試驗，分析其在不同高程和排水方式下的抗拉力學特性。結果表明：① 狗牙根的抗拉力與根徑呈冪函數增長關系，其抗拉強度、延伸率以及彈性模量與根徑滿足冪函數下降關系。② 狗牙根的抗拉力、抗拉強度以及彈性模模量與岸坡高程呈正相關，而其延伸率與岸坡高程呈負相關。③ 狗牙根的抗拉力、抗拉強度和彈性模量在一、二、三期岸坡排水方式下依次增加，而其延伸率則依次減小。研究結果闡明了高程和岸坡排水對河岸優勢物種根系抗拉力學特性的影響，對長江河岸邊坡治理與防護提供了理論基礎。

關 鍵 詞：河岸帶; 狗牙根; 根系抗拉力學性能; 高程; 排水方式

中圖法分類號： S157

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.031

0 引 言

植物護坡是利用植物的作用來減輕坡面的不穩定性和侵蝕[1]。隨著水利、土木等工程建設的快速發展，植物護坡工程越來越受到人們的重視與關注。植物根系能夠穿過邊坡的薄弱面或滑動表面，對邊坡進行錨固，其作用類似于錨桿或抗滑樁[2]。同時植物根系在土壤中交錯、穿插以及網絡串聯達到固結土壤的效果。根土復合體系統還能增加土體的抗剪強度，具有良好的固土護坡效果。大量研究表明，岸坡植物是通過根系對土壤的黏聚和固持作用增強邊坡的穩定性，防止水土流失[3-4]，并且植物根系的固土護坡效應通過根系抗拉力學特性以及根土復合體的抗剪、抗蝕性等體現[5-6]。目前大多數研究主要是分析河岸帶優勢物種根徑和抗拉力學性能之間的關系，極少分析其他因素，例如土壤理化性質、土壤含水量以及微生物群落等對根系抗拉力學性能的影響[7-9]。狗牙根是長江河岸地帶的優勢物種，能適應水位頻繁變化下的惡劣環境，具有較強的兩棲適生性，是河岸邊坡優勢建群種[10]。因此本文選取長江河岸帶優勢物種狗牙根進行抗拉力學特性研究，分析根徑、高程和岸坡排水方式對根系抗拉力學特性的影響，為河岸不同高程處的生態恢復與建設提供借鑒和參考，為邊坡治理時岸坡排水設置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區域選擇在湖北省荊州市荊江段窯頭埠地區。該地區屬于亞熱帶季風氣候，雨量充足，年降雨量達到了1 500 mm，實測最高水位38.31 m（1998年8月17日），最低水位22.65 m（1972年2月3日），最大水位變幅為15.66 m，年平均氣溫為18 ℃，最低氣溫為-16 ℃，最高氣溫為40 ℃。河段堤岸土樣多以壤黏土和粉砂土為主，其水肥條件良好，pH值一般為6.8～8.1。試驗段高程分為低、中、高3個部分，低層位于26.50～31.60 m，中層位于31.60～36.01 m，高層位于36.01～40.42 m（全部以黃海高程為基準）。岸坡排水方式分為一、二、三期：一期為傳統盲溝排水設施，位于2號試驗段0+525～0+625，長100 m;二期排水位于1號試驗段0+450～0+525，總長度75 m，二期在傳統盲溝排水設施的基礎上，按孔深8 m、孔徑90 mm、孔距5 m布置16個水平排水孔;三期排水位于3號試驗段0+625～0+700，長100 m，三期排水在傳統盲溝排水設施的基礎上，按孔深15 m、孔徑90 mm、孔距5 m布置16個水平排水孔，排水孔孔口高程均為32.65 m（見圖1）。

1.2 試驗方法

1.2.1 根系采集

2019年10月在長江窯頭埠河岸帶26.50～40.42 m高程范圍內選取優勢物種狗牙根為研究對象（見表1）。狗牙根為多年生禾本科草本植物，根系為須根系。采樣地為緩坡棄耕地，土壤類型為紫色土（以壤黏土、粉砂土為主）。試驗設置高程為低、中、高3個水平，排水方式為一期、二期、三期3個水平。為了保證根系的完整，采用全挖掘法獲取植物鮮根，用毛刷清理狗牙根表面的泥土并進行修剪，用游標卡尺測量根系的直徑，然后對不同高程和不同排水方式下的狗牙根進行分組，分別放入不同的自封袋中并標號，及時帶回實驗室保鮮處理，并在2周內完成狗牙根拉伸試驗。

1.2.2 根系拉伸

采用WDW-5電子萬能試驗機和Smart Test終端測控軟件進行根系拉伸試驗，相關試驗數據利用計算機自動獲取，通過數據分析狗牙根在不同高程和不同排水方式下抗拉力學性能的變化關系。

在拉伸試驗的過程中，為了避免根系在夾具中滑動和夾斷，在根系兩端綁定醫用膠帶以增大根系與夾具之間的摩擦力，根系兩端分別夾20 mm，最終選取在根系中部或接近中部發生斷裂的情況作為成功試驗結果（見圖2）。

極限抗拉強度通過式（1）計算

P=4FπD2（1）

式中：P為極限抗拉強度，MPa;F為最大抗拉力，N;D為根系平均直徑，mm。

延伸率由式（2）計算

ε=ΔL/L×100%（2）

式中：ε為極限延伸率，%;ΔL為根系拉伸時的伸長量，mm;L為根段原始長度，mm，本研究中即為標距，取50 mm。

彈性模量由式（3）進行計算

E=σε（3）

式中：σ為應力，MPa;ε為極限延伸率，%;E為彈性模量，MPa。

1.3 數據分析

采用SPSS 20.0軟件對分析前的數據進行正態檢驗，為了保證試驗數據滿足正態分布，對不同高程和排水方式下狗牙根的抗拉力、抗拉強度、延伸率以及彈性模量進行單因素方差分析，研究這2種因素是否對抗拉力學特性產生顯著性影響，顯著水平為0.05，分析完成后利用Excel 2010作圖。3E8F2EEA-38EE-4E7D-9CEE-5A4D1C0E46D2

2 結果與分析

為了研究高程和排水方式對狗牙根根系力學性能的影響，選取了低、中、高3種高程和不同岸坡排水方式下的狗牙根進行拉伸試驗，共研究狗牙根612根，根徑均在0.18～0.71 mm之間，平均直徑間無顯著性差異（見表2）。狗牙根根系力學特性與高程、排水方式的關系如表3所列。

2.1 抗拉力、抗拉強度與高程的關系

隨著狗牙根根徑的增加，其抗拉力呈冪函數增大，而其抗拉強度呈冪函數減小，這與鐘榮華等[7]和馮國建等[11]對狗牙根的研究結果相同，也和其他眾多相關研究結論相一致[12-13]，這也說明了根徑是植物根系抗拉力和抗拉強度的決定因素之一。Genet等[14]認為根徑和抗拉強度的函數關系與根系內部纖維素含量密切相關，因為隨著根系直徑減小，根系纖維素和木質素含量以及根系抗拉強度都會增加。狗牙根的抗拉力和抗拉強度隨著高程增加而增大（見圖3），原因在于高程對土壤的理化性質和含水量都有影響，因此對狗牙根的抗拉力和抗拉強度也產生了影響。左志嚴[15]和Gonzalez-Ollauri等[16]研究結果指出土壤理化性質和植物根系相互影響，土壤理化性質改變會影響到根系含水量，還會對根土復合體的抗剪強度產生影響，高程增加以及土壤含水量降低，都會使狗牙根的抗拉力和抗拉強度增加。

2.2 延伸率、彈性模量與高程的變化關系

狗牙根延伸率和彈性模量隨著根徑的增加呈冪函數減小，這一結果和張超波[17]、萬娟[18]、王澤鵬[19]等的研究結果相一致，隨著根徑的增大，根系內部的纖維素和半纖維素含量會相應增加，而根系的極限延伸率和彈性模量則會減小。狗牙根的極限延伸率隨著高程的升高而減小，而其彈性模量則會隨著高程的升高而增大（見圖4）。Raymond[20]、Jane[21]和張喬艷等[22]發現植物根系極限延伸率和彈性模量與根系內部木質素、纖維素、半纖維素等有密切聯系。這可能是由于高程的增加，土壤性質和含水量發生了變化，使得狗牙根內部纖維素和半纖維素含量增加，進而使其延伸率減小，彈性模量增大。目前關于土壤理化性質和含水量對根系延伸率和彈性模量的影響研究較少，還需要進一步對此展開相關研究探討，以便更好地解釋這種變化規律。

2.3 排水方式與抗拉力、抗拉強度的關系

狗牙根的抗拉力和抗拉強度在一、二、三期排水方式下依次增加（見圖5）。在不同高程處，狗牙根抗拉力和抗拉強度在一期和三期都存在顯著性差異，原因在于一期排水使用傳統盲溝排水，而三期排水在傳統盲溝排水設施的基礎上，按孔深15 m、孔徑90 mm、孔距5 m布置16個水平排水孔。因此兩者間土壤含水量差距較大，導致抗拉力和抗拉強度都存在顯著性差異，這與蔣靜[23]、左志嚴[15]的研究結論相一致，而Zhang等[24]也指出土壤含水量的差異會影響根系的抗拉力和抗拉強度。

2.4 排水方式與延伸率、彈性模量的關系

狗牙根的延伸率在一、二、三期排水方式下不斷減小，而彈性模量則依次增加（見圖6）。岸坡排水改變了土壤的含水率，李長暄[25]指出含水率對根系的抗拉性能有顯著影響，當含水率下降到一定呈度時，根系極限延伸率顯著降低。歐陽前超等[26]研究顯示，由于彈性模量為應力與應變的比值，應變值即為根的拉伸量，彈性模量的計算結果明顯受應變值的影響。

3 結 論

對長江河岸帶狗牙根根系進行室內單根拉伸試驗，分析不同高程和不同排水方式對狗牙根根系力學性能的影響，得到以下結論。

（1） 狗牙根的抗拉力與根徑呈冪函數增大的關系，而其抗拉強度、延伸率以及彈性模量與根徑呈冪函數減小的關系。

（2） 狗牙根的抗拉力、抗拉強度以及彈性模量與高程呈正相關，而其延伸率與高程呈負相關。狗牙根抗拉力、抗拉強度以及彈性模量隨著高程的增加增幅分別在10%～19%、7%～27%、41.69%～59.41%之間。而延伸率隨著高程的增加降幅在19.19%～6.15%之間。

（3） 隨著排水方式的優化，在一、二、三期排水方式下狗牙根的抗拉力、抗拉強度和彈性模量依次增大，而其延伸率依次減小。抗拉力、抗拉強度和彈性模量在一、二、三期排水方式下的增幅分別為11.87%～28%、5.77%～41.06%、28.54%～40.56%，延伸率的降幅區間為20.38%～8.27%。

本文通過對長江河岸帶狗牙根根系力學性能的研究分析，對河岸帶不同高程的生態恢復與建設提供借鑒和參考，為邊坡治理中的岸坡排水措施設置提供理論依據。

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（編輯：黃文晉）

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