左志嚴(yán), 格日樂, 烏仁圖雅, 王 娟

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

內(nèi)蒙古中西部3種鄉(xiāng)土植物根系抗拉力學(xué)特性的對(duì)比研究

左志嚴(yán), 格日樂, 烏仁圖雅, 王 娟

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

摘要：[目的] 研究?jī)?nèi)蒙古中西部地區(qū)3種鄉(xiāng)土植物種根系的抗拉機(jī)理，為該區(qū)水土保持的樹種選擇提供依據(jù)。[方法] 以內(nèi)蒙古中西部地區(qū)3種常見植物檸條、沙棘和紫花苜蓿根系為對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)單根瞬時(shí)極限拉伸試驗(yàn)研究。[結(jié)果] (1) 3種植物單根極限抗拉力隨著直徑的增加而增大，單根極限抗拉強(qiáng)度隨直徑的增加均呈冪函數(shù)遞減。(2) 當(dāng)直徑在0.19 mm～2.89 mm范圍內(nèi)相同徑級(jí)時(shí)，3種植物單根極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量均值大小順序相同，依次為：檸條>沙棘>紫花苜蓿，3種植物根徑≤0.5 mm的細(xì)根具有較大的極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量； (3) 同一樹種當(dāng)根系直徑相同時(shí)，土壤含水率高則其單根平均極限抗拉強(qiáng)度小。[結(jié)論] 根系的力學(xué)特性與形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合，是選擇適宜的水土保持樹種非常重要的因素。從根系抗拉性能方面評(píng)價(jià)3種植物根系固土抗蝕能力大小則檸條優(yōu)于沙棘和紫花苜蓿。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)胃? 極限抗拉力; 極限抗拉強(qiáng)度; 彈性模量; 土壤含水率

近年來植物固坡措施在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1-6]。根是植物直接與土壤接觸的營養(yǎng)器官，能與土壤顆粒形成根網(wǎng)，將植物體牢牢固定于土壤中，在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗蝕性、防止土壤侵蝕方面的作用非常顯著，是地上部分所無法替代的[7]。植物根系是高分子有機(jī)體，根系纖維素分子鍵使植物在沿根長方向具有一定的抗拉性，在拉應(yīng)力作用下表現(xiàn)出一定的彈性(或稱黏彈性)，以適應(yīng)軸向拉力。在沒有林木生長的邊坡上土體下滑除了首先克服土壤粒子間的黏結(jié)力以外，還必須克服滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，如果把克服黏結(jié)力和摩擦力統(tǒng)一理解為破壞時(shí)對(duì)土體的剪力，則這時(shí)的黏結(jié)力和摩擦力即土體的抗剪力。有林地邊坡土體滑動(dòng)時(shí)除了克服上述兩種力外，還必須克服根系的固持力——根系與土體間的摩擦阻力或根系的抗拉力。坡體滑動(dòng)時(shí)由于根系受拉位移而導(dǎo)致根系表面與土粒之間發(fā)生摩擦，這種摩擦產(chǎn)生的摩擦力阻止根系位移并通過根系表面把摩擦阻力傳遞給樹根，如果樹根的抗拉力大于根系表面與土體間的摩擦阻力，則根系被滑動(dòng)體在滑動(dòng)時(shí)從滑動(dòng)面以下的土體中抽拉出來。如果根系的抗拉力小于這個(gè)摩擦阻力，根系便被拉斷而不會(huì)抽出。植物單根抗拉特性是植物根系生物力學(xué)特性的重要組成部分，是研究植物根系固土作用的基礎(chǔ)。林木根系的抗拉能力是根系固土的一個(gè)重要表征，目前主要從野外原位群根抗拔[8-13]和室內(nèi)單根抗拉[6，9-10，12，14-24]兩方面來研究根系的抗拉力學(xué)特征。野外原位群根抗拔試驗(yàn)證明，整棵樹根系抗拔力的大小取決于根系的分布形態(tài)和單根的抗拉特性；單根室內(nèi)抗拉試驗(yàn)研究結(jié)果表明，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(qiáng)度與直徑呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系、與根的纖維素含量呈正相關(guān)關(guān)系等。此外，相關(guān)研究者[25-26]也提出了所研究植物根系的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)。植物單根是根系固土的基本單元，單根的形變決定了植株受外力時(shí)的整體應(yīng)變狀態(tài)，而且根系結(jié)構(gòu)中處于拉力狀態(tài)的根提供大約60%的阻力去抵抗暴風(fēng)雨。因此，對(duì)單根的一系列研究是根系力學(xué)性能研究的起點(diǎn)。鑒于此，本研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部3種常見植物檸條、沙棘和紫花苜蓿根系為對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)單根瞬時(shí)極限拉伸試驗(yàn)，模擬瞬時(shí)大風(fēng)作用、暴雨順坡沖刷下單根受拉斷裂狀態(tài)，研究3種植物單根極限抗拉力、極限抗拉強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)，以及直徑、土壤含水率等因素對(duì)單根抗拉力學(xué)特性的影響，揭示3種不同植物根系抗拉力學(xué)特性的共同規(guī)律和差異，為該區(qū)域優(yōu)良水土保持植物的選擇提供基礎(chǔ)力學(xué)數(shù)據(jù)。

1研究方案

1.1　試驗(yàn)材料

選擇在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝露天煤礦的內(nèi)排土場(chǎng)平臺(tái)，于2012年5月初，選擇生長良好的4年生檸條(Caraganakorshinskii.)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、紫花苜蓿(Medicagosativa)樣地，樣地中心地理位置為39°47′15″N，111°16′07″E，位于1臺(tái)地，海拔高度為1 255 m，土壤為復(fù)填土。該露天煤礦自然概況、植物樣地及標(biāo)準(zhǔn)株的選取、植物生長狀況、造林方式等已另文發(fā)表[26]，這里不再贅述。將選擇好的標(biāo)準(zhǔn)株用剖面壁法[27]挖出根系，將根系置于與生長環(huán)境相似的濕沙中暫時(shí)保存，帶回實(shí)驗(yàn)室在2～4 ℃的保鮮箱內(nèi)保存?zhèn)溆?。取得的試樣盡快測(cè)定，以保證根系材料的新鮮。

1.2　試驗(yàn)樣品制備

研究植物根系生物力學(xué)特性如果只針對(duì)每種植物的整個(gè)地下部分，會(huì)出現(xiàn)工作量大，重復(fù)性小等問題，因此應(yīng)首先確定每種植物根系的代表根。代表根的確定方法，通過將植株地下部分所有根系以0.5 mm為1個(gè)徑級(jí)進(jìn)行分級(jí)，分別計(jì)算每個(gè)徑級(jí)的累計(jì)根數(shù)量、累計(jì)根長、累計(jì)根表面積、累計(jì)根干重百分比等4個(gè)方面進(jìn)行分析判斷，選取根生物量眾值所對(duì)應(yīng)的直徑組作為該種植物的代表根，3種植物中檸條和沙棘代表根的文章已另文發(fā)表[28]。結(jié)果表明，檸條代表根徑級(jí)為0～0.5 mm，0.5～1 mm，1～1.5 mm；沙棘代表根徑級(jí)為0.5～1 mm和1～1.5 mm。上述2種植物代表根的研究結(jié)果顯示，細(xì)根是植物地下部分發(fā)揮固土、抗蝕作用的主體，即細(xì)根交錯(cuò)密布，網(wǎng)絡(luò)固持土壤,提高土壤的抗侵蝕能力。而當(dāng)大風(fēng)、暴雨來襲時(shí)，最易遭受破壞的也是細(xì)根，所以細(xì)根是制約整個(gè)植株發(fā)揮固土抗蝕作用的根本，也是根系生物力學(xué)研究的主要部分。因此，對(duì)檸條、沙棘和紫花苜蓿3種植物根系抗拉生物力學(xué)特性的研究針對(duì)細(xì)根進(jìn)行，根系直徑在0～3 mm之間。

將待測(cè)植物根系(直徑在0～3 mm之間)以0.5 mm為一個(gè)徑級(jí)進(jìn)行分級(jí)。試驗(yàn)前選取直徑變化不大，順直少彎曲，表皮完好的根段，根段至少長80 mm，再從中間量取60 mm，在60 mm根段上4等分地做5處標(biāo)記，即每隔15 mm作一個(gè)標(biāo)記，共做5個(gè)標(biāo)記。在試驗(yàn)根一端標(biāo)記點(diǎn)的外側(cè)貼上編有序號(hào)的標(biāo)簽，用游標(biāo)卡尺從貼標(biāo)簽一側(cè)開始依次量取5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)處直徑，每個(gè)點(diǎn)正交方向各測(cè)量一次，然后取其平均值作為該點(diǎn)直徑。將量好的待測(cè)試驗(yàn)根按徑級(jí)放人貼有標(biāo)識(shí)的密封袋，并在24 h內(nèi)快速進(jìn)行試驗(yàn)。

不同土壤含水率下根系拉伸材料的制備：試驗(yàn)按照在樣地中實(shí)際測(cè)定的土壤含水率10.86%以及風(fēng)干含水率4.5%(模擬土壤干旱)的2個(gè)含水率梯度進(jìn)行制備。土壤含水率10.86%的土樣制備：試驗(yàn)用土取自排土場(chǎng)植物樣地內(nèi)3株標(biāo)準(zhǔn)株附近1 m以內(nèi)，取土深度為20—100 cm的根系分布層，以20 cm為一層分4層取樣，每層3個(gè)重復(fù)，根據(jù)測(cè)定20—100 cm土層平均含水率為10.86±1.02%,容重為1.53±0.31 g/cm3。將植物樣地所取土壤在自然狀態(tài)下風(fēng)干后，測(cè)定風(fēng)干含水率為4.5±0.36%，將風(fēng)干土樣在105 ℃條件下烘干24 h，稱取一定重量的烘干土置于帶蓋的塑料桶內(nèi)，然后據(jù)實(shí)測(cè)的試驗(yàn)用土壤含水量10.86%計(jì)算所需水量，倒入桶內(nèi)拌勻，將分級(jí)測(cè)量好直徑的試驗(yàn)根放在10.86%含水量的土壤中,在陰涼處放置24 h后，取出稱量根系重量，以后每隔2 h測(cè)一次根系重量，直到根系重量恒定時(shí)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。土壤含水率4.5%的土樣制備：直接取風(fēng)干含水率為4.5%的土樣，按照上述方法進(jìn)行根系拉伸試樣的制備。

1.3　儀器和方法

試驗(yàn)儀器為YG(B)026H-250型織物強(qiáng)力機(jī)(精度為0.01，拉力量程為0～2 500 N)以及電子游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)和直尺等?？椢飶?qiáng)力機(jī)最大加載速度為500 mm/min。

試驗(yàn)步驟：調(diào)整織物強(qiáng)力機(jī)標(biāo)距固定為60 mm，將根段兩端伸入夾具至少10 mm，擰緊夾具將根段固定，在夾單根時(shí)注意置于夾頭的中部，使拉伸材料和水平面保持垂直。試驗(yàn)設(shè)置為500 mm/min的加載速度，單根軸向極限抗拉力可由電腦直接讀取。由于根徑沿軸向變化，計(jì)算單根極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，根徑取斷裂處上下2個(gè)標(biāo)記點(diǎn)直徑的平均值。在試驗(yàn)過程中，會(huì)出現(xiàn)根段在夾具兩端斷裂現(xiàn)象，本試驗(yàn)中認(rèn)為單根在夾具中間或接近中間處破壞時(shí)數(shù)據(jù)有效，以保證根系的斷裂是由于拉力引起的而不是由于其他的任何測(cè)試過程中的損傷引起的。極限抗拉強(qiáng)度由公式(1)進(jìn)行計(jì)算[29]:

P=4F/πD2

(1)

式中：P——極限抗拉強(qiáng)度(MPa)；F——極限抗拉力(N)；D——根系斷裂處直徑(mm)。

平均極限抗拉強(qiáng)度(Tr)[30]計(jì)算公式為：

Tr=∑Tiniai/∑niai

(2)

式中：ni——直徑為第i級(jí)的根的數(shù)量；ai——直徑為第i級(jí)的根的平均截面面積(mm2)；Ti——直徑為第i級(jí)的根的極限抗拉強(qiáng)度(MPa)。極限應(yīng)變(延伸率)由公式(3)計(jì)算[30]：

ε=△L/L

(3)

式中：ε—極限應(yīng)變； △L——試驗(yàn)根拉伸過程中的伸長量(mm)；L——試驗(yàn)根初始長度(mm)。

彈性模量計(jì)算公式為[31]：

E=σ/ε

(4)

式中：σ——應(yīng)力(MPa)，σ=F/A；F——拉力(N)；A——根段截面積(mm2)；ε——極限應(yīng)變即極限延伸率，ε=ΔL/L；E——彈性模量。

2結(jié)果與分析

2.1　單根極限抗拉力、極限抗拉強(qiáng)度與直徑關(guān)系

3種植物根系直徑在0～3 mm范圍時(shí)，單根極限抗拉力隨著直徑的增加而增大，通過SAS 9.0軟件進(jìn)行回歸分析，3種植物單根極限抗拉力與根徑均在α=0.01的水平下呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，檸條(R2=0.873)、沙棘(R2=0.861)和紫花苜蓿(R2=0.797)均以冪函數(shù)遞增。檸條根系的直徑范圍是0.09～3.06 mm，沙棘根系的直徑范圍是0.17～2.89 mm，紫花苜蓿根系的直徑范圍是0.19～3.05 mm，故在直徑0.19～2.89 mm范圍內(nèi)相同徑級(jí)時(shí)，3種植物單根極限抗拉力均值從大到小依次為：檸條(96.63 N)>沙棘(47.35 N)>紫花苜蓿(29.33 N)。對(duì)檸條和沙棘2種植物代表根研究[27]中發(fā)現(xiàn)，代表根交集為0.5～1.5 mm。綜合考慮2種植物代表根徑級(jí)分布和3種植物在相同直徑下對(duì)比兩個(gè)方面，當(dāng)直徑在0.5～1.5 mm時(shí)，3種植物單根極限抗拉力均值從大到小依次為：檸條(58.04 N)>沙棘(21.15 N)>紫花苜蓿(9.82 N)，檸條單根極限抗拉力是沙棘的2.74倍和紫花苜蓿的5.9倍；單根極限抗拉強(qiáng)度隨直徑的增大而減小，3種植物均以冪函數(shù)遞減，回歸方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.65，大于置信水平為0.01時(shí)的最小相關(guān)系數(shù)。同樣當(dāng)直徑在0.19～2.89 mm范圍內(nèi)相同徑級(jí)時(shí)，3種植物單根極限抗拉強(qiáng)度均值從大到小依次為：檸條(104.26 MPa)>沙棘(29.28 MPa)>紫花苜蓿(25.45 MPa)。當(dāng)直徑在0.5～1.5 mm范圍時(shí)，3種植物單根極限抗拉強(qiáng)度均值從大到小依次為：檸條(110.95 MPa)>沙棘(32.46 MPa)>紫花苜蓿(28.65 MPa)，檸條單根極限抗拉強(qiáng)度是沙棘的3.42倍和紫花苜蓿的3.87倍。產(chǎn)生這一差異的原因可能取決于根系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，檸條根系的結(jié)構(gòu)較為致密，具有發(fā)達(dá)的次生韌皮部和次生木質(zhì)部，纖維素和木質(zhì)素含量多，因此具有較大的抗拉力；沙棘根系內(nèi)部細(xì)胞含水量大，細(xì)胞間隙較大，在拉伸過程中細(xì)胞受力容易滑脫，表現(xiàn)出較脆的特點(diǎn)，所以抗拉力較小，而紫花苜蓿為草本植物，根系組織的木質(zhì)化程度較灌木低的緣故，關(guān)于這方面需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。圖1為3種植物單根平均極限抗拉強(qiáng)度與直徑關(guān)系圖。由圖1可以看出，3種植物平均極限抗拉強(qiáng)度亦隨著徑級(jí)的增加呈減小的趨勢(shì)。在所測(cè)試的根系中，直徑≤0.5 mm 的細(xì)根具有較大的極限抗拉強(qiáng)度，其中檸條平均直徑為0.21 mm時(shí)的極限抗拉強(qiáng)度均值為254.67 MPa，沙棘平均直徑0.24 mm時(shí)為120.86 MPa，紫花苜蓿平均直徑是0.32 mm時(shí)為84.35 MPa，分別為直徑在0.5～1.5 mm范圍平均極限抗拉強(qiáng)度的2.30，3.72和2.94倍，相當(dāng)于Ⅰ級(jí)鋼筋極限抗拉強(qiáng)度(370 MPa)的69%，33%和23%，這與其他研究者[24，30-31]對(duì)不同植物種根系抗拉力學(xué)特征研究證明植物的細(xì)根、毛根具有強(qiáng)大的抗拉能力的結(jié)論相同。同時(shí)已有的研究[32]表明，直徑≤1 mm的毛根對(duì)纏繞固結(jié)土壤，強(qiáng)化土壤抗沖性有巨大作用。因此根系的力學(xué)特性與形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合，是選擇適宜的水土保持樹種非常重要的因素。

圖1　根系極限抗拉強(qiáng)度均值與直徑關(guān)系

2.2　單根極限應(yīng)變、彈性模量與直徑關(guān)系

植被根系對(duì)斜坡的穩(wěn)定和加固作用，其重要基礎(chǔ)之一是根系具有較強(qiáng)抗拉特性和變形能力，極限應(yīng)變是指根系在單向拉伸下斷裂前所達(dá)到的最大延伸率，包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，是衡量根系拉斷之前總的變形能力。通過SAS 9.0軟件進(jìn)行回歸分析，3種植物中沙棘單根極限應(yīng)變與根徑在α=0.01的水平下呈顯著正相關(guān)關(guān)系，檸條和紫花苜蓿回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)小于0.5，小于置信水平為0.01時(shí)的最小相關(guān)系數(shù)。3種植物中沙棘單根極限應(yīng)變(延伸率)與直徑呈顯著的正相關(guān)，檸條和紫花苜蓿則關(guān)系不顯著。檸條和紫花苜蓿2種植物間相比較，紫花苜蓿根極限應(yīng)變與根徑在α=0.1的水平下呈顯著正相關(guān)關(guān)系，檸條回歸方程的相關(guān)系數(shù)小于0.5，小于置信水平為0.1時(shí)的最小相關(guān)系數(shù)。根據(jù)上述結(jié)果對(duì)沙棘和紫花苜蓿2種植物單根極限延伸率與直徑進(jìn)行進(jìn)一步回歸分析，沙棘單根極限延伸率隨直徑的增加以冪函數(shù)遞增(R2=0.617)，紫花苜蓿則以多項(xiàng)式函數(shù)遞增(R2=0.335)。究其原因可能與植物種不同，其生物學(xué)特性不同，則生物力學(xué)特性也不同，關(guān)于這點(diǎn)需要結(jié)合植物微觀組織的形態(tài)解剖構(gòu)造及化學(xué)組分等進(jìn)行進(jìn)一步研究。圖2為3種植物單根在不同徑級(jí)下極限延伸率均值變化圖，通過SAS 9.0軟件進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，3種植物單根極限延伸率均值在α=0.01的水平下具有顯著的差異性。從圖2可以看出，3種植物極限延伸率均值隨徑級(jí)變化基本表現(xiàn)為2種類型： (1) 遞增型。如紫花苜蓿，極限延伸率均值隨著徑級(jí)的增加而增加； (2) 單峰曲線型。如檸條和沙棘，單根極限延伸率均值開始隨徑級(jí)的增加而增加，達(dá)到最大值后，隨著徑級(jí)的繼續(xù)增加呈下降趨勢(shì)。從圖2還可以看出，2種灌木檸條和沙棘隨著徑級(jí)的增加，極限延伸率均值曲線波動(dòng)明顯，而草本植物紫花苜蓿則曲線變化較均勻，這可能與植物的生物學(xué)特性有關(guān)，關(guān)于這點(diǎn)還需要結(jié)合植物組織微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分等方面進(jìn)一步研究。當(dāng)直徑在0.19～2.89 mm范圍相同徑級(jí)時(shí)，3種植物單根極限延伸率均值從大到小依次為：沙棘(8.88%)>檸條(8.71%)>紫花苜蓿(4.73%)，沙棘稍大于檸條，但二者差值很小不明顯。當(dāng)直徑在0.5～1.5 mm范圍時(shí)3種植物單根極限延伸率均值從大到小依次為：檸條(8.23%)>沙棘(6.4%)>紫花苜蓿(3.97%)，檸條單根極限延伸率是沙棘的1.29倍和紫花苜蓿的3.07倍。

圖2　根系極限延伸率均值與直徑關(guān)系

圖3為3種植物單根在不同徑級(jí)下極限彈性模量均值變化圖，通過SAS 9.0軟件進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，3種植物單根極限彈性模量均值在α=0.01的水平下具有顯著的差異性。從圖3可以看出，同一樹種極限彈性模量的均值隨著徑級(jí)的增加呈下降的趨勢(shì)，這與3種植物單根極限抗拉強(qiáng)度均值隨徑級(jí)變化的趨勢(shì)相同，當(dāng)直徑在0.19～2.89 mm范圍相同徑級(jí)時(shí)，3種植物單根極限彈性模量均值從大到小依次為：檸條(2126.4MPa)>沙棘(952.29MPa)>紫花苜蓿(435.44MPa)。當(dāng)直徑在0.5～1.5 mm范圍時(shí)3種植物單根極限彈性模量均值從大到小依次為：檸條(1765MPa)>沙棘(890.55MPa)>紫花苜蓿(772.67MPa)，檸條單根極限彈性模量是沙棘的1.98倍和紫花苜蓿的2.28倍。從圖3還可以看出，直徑≤0.5 mm 的細(xì)根具有較大的極限彈性模量，3種植物間相比較，檸條單根平均直徑為0.21 mm時(shí)極限彈性模量的均值為7178.01 MPa>沙棘單根平均直徑為0.24 mm時(shí)的極限彈性模量均值6430.21 MPa>紫花苜蓿單根直徑0.32 mm時(shí)的極限彈性模量的均值1 482.19 MPa，分別為各自單根直徑在0.5～1.5 mm徑級(jí)范圍極限彈性模量均值的4.07倍(檸條)、7.22倍(沙棘)和1.92倍(紫花苜蓿)。說明同樣的外界加載條件，直徑較小的根系對(duì)外界拉力的緩沖能力比直徑大的根系緩沖能力大，結(jié)合3種植物單根極限抗拉強(qiáng)度與直徑關(guān)系的研究結(jié)果可以看出，即直徑較小的根系具有較強(qiáng)的極限抗拉強(qiáng)度，這可能是細(xì)根增強(qiáng)土壤抗蝕抗沖性的機(jī)理所在。

圖3　根系極限彈性模量均值與直徑關(guān)系

2.3　土壤含水率對(duì)單根極限抗拉強(qiáng)度的影響

圖4為2種灌木根系在2種不同土壤含水率下單根平均極限抗拉強(qiáng)度隨直徑變化曲線。通過SAS9.0軟件進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，2種植物在2種不同土壤含水率下極限抗拉強(qiáng)度在α=0.01的水平下具有顯著的差異性。從圖4可以看出，當(dāng)直徑相同時(shí)，2種灌木總體表現(xiàn)為，土壤含水量大則其單根平均極限抗拉強(qiáng)度小的變化特點(diǎn)。其中檸條在2～2.5 mm時(shí)稍有波動(dòng)。表明2種灌木根系在土體含水量較低的情況下根系固土能力要優(yōu)于高含水量土體。這與苑淑娟[33]和張永亮[34]等的研究結(jié)論一致。

圖4　土壤含水率對(duì)根系極限抗拉強(qiáng)度的影響

3結(jié)果討論

單根極限抗拉力隨著根徑的增大而增大，極限抗拉強(qiáng)度通常隨著根系尺寸的增大而減少，但不同樹種變化的函數(shù)不同。本研究中檸條、沙棘和紫花苜蓿單根極限抗拉力隨著直徑的增加均以冪函數(shù)增大，這與灌木四翅濱藜、檸條錦雞兒、鐵仔、羊蹄甲、黃荊、沙地柏、沙柳等根系變化函數(shù)一致[12,17,23]，與灌木霸王、白刺等根系極限拉力隨直徑增大以指數(shù)函數(shù)增大的結(jié)論不同[12,22-23]。根系極限抗拉強(qiáng)度隨著直徑增大以冪函數(shù)遞減，這與灌木四翅濱藜、檸條錦雞兒[23]、針葉樹挪威云杉、南歐海松和南歐黑松和闊葉樹種歐洲山毛櫸、歐洲板栗[11]、草本紫花苜蓿和馬唐等根系極限抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系一致[31]。單根抗拉力隨著根莖的增大而增大，極限抗拉強(qiáng)度通常隨著根系尺寸的增大而減少，這種規(guī)律已經(jīng)被很多文獻(xiàn)證實(shí)[29，31，33-34]，但是究其機(jī)理目前還不太清楚。而且不同樹種根系隨直徑的變化函數(shù)類型不同，這種差異與根系微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，還是受樹種的遺傳基因所決定；另一面植物根系是生物材料,其結(jié)構(gòu)具有各向異性及不均勻性的特點(diǎn),且在其生長過程中受外界因素影響,根系內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，這方面的因素還有待于進(jìn)一步研究。

4結(jié) 論

(1) 當(dāng)根系直徑在0～3 mm范圍時(shí)，3種植物單根極限抗拉強(qiáng)度隨直徑的增大均以冪函數(shù)遞減。3種植物在0.19～2.89 mm范圍內(nèi)相同徑級(jí)時(shí)，單根極限抗拉力和抗拉強(qiáng)度從大到小順序相同，表現(xiàn)為：檸條>沙棘>紫花苜蓿。表明從固土抗蝕的根系生物力學(xué)特性方面來看，3種植物間相比較，檸條明顯優(yōu)于沙棘和紫花苜蓿。產(chǎn)生這一差異的原因可能取決于根系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同。關(guān)于這方面還需要結(jié)合根系微觀解剖結(jié)構(gòu)及化學(xué)組分進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(2) 3種植物在各自研究徑級(jí)范圍內(nèi)，沙棘單根極限應(yīng)變(延伸率)隨直徑的增加以冪函數(shù)遞增，紫花苜蓿則以多項(xiàng)式函數(shù)遞增，檸條單根極限應(yīng)變與直徑關(guān)系不顯著。當(dāng)直徑在0.19～2.89 mm范圍內(nèi)相同徑級(jí)時(shí)3種植物單根極限應(yīng)變均值從大到小依次為：沙棘(8.88%)>檸條(8.71%)>紫花苜蓿(4.73%)，檸條和沙棘單根極限應(yīng)變差值很小為0.17%。當(dāng)直徑在0.5～1.5 mm檸條和沙棘代表根所在徑級(jí)范圍時(shí)，檸條單根極限應(yīng)變(延伸率)是沙棘的1.29倍和紫花苜蓿的3.07倍。

(3) 3種植物在各自研究徑級(jí)范圍內(nèi)，單根極限彈性模量的均值隨著徑級(jí)的增加呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)直徑在0.19～2.89 mm范圍相同徑級(jí)時(shí)，3種植物單根極限彈性模量均值從大到小依次為：檸條(2 126.4 MPa)>沙棘(952.29 MPa )>紫花苜蓿(435.44 MPa)。在所研究的根系中，檸條、沙棘和紫花苜蓿直徑≤0.5 mm的細(xì)根具有較大的極限彈性模量，說明同樣的外界加載條件，直徑較小的根系對(duì)外界拉力的緩沖能力比直徑大的根系緩沖能力大，直徑較小的根系又具有較強(qiáng)的極限抗拉強(qiáng)度，這也正是細(xì)根增強(qiáng)土壤抗蝕、抗沖性的機(jī)理所在。因此，根系的力學(xué)特性與形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合，是選擇適宜的水土保持樹種非常重要的因素。彈性模量和極限應(yīng)變(延伸率)反映的是根系在拉伸過程中的變形能力，而且受很多因素的影響，其中直徑和樹種是很重要的因素。

(4) 同一樹種，當(dāng)根系直徑相同時(shí)，土壤含水量大則其單根平均極限抗拉強(qiáng)度小，表明檸條和沙棘根系在土體含水量較低的情況下根系固土能力要優(yōu)于高含水量土體。這也從另外一個(gè)角度證明樹木可以通過蒸騰作用降低土壤含水量，提高根系固持土體的能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Coppin N J, Richares I G. Use of Vegetation in Civil Engineering[M]. London: Butterworths, 1990.

[2]Gray D H. Biotechnical and Soil Bioengineering Slope Stabilization: A Practical Guide for Erosion Control[M]. New York: John Wiley & Sons, 1996.

[3]Norris J E. Root reinforcement by Hawthorn and Oak roots on a highway cut-slope in Southern England[J]. Plant and Soil, 2005, 278(1/2): 43-53.

[4]Bischetti G B, Chiaradia E A, Simonato T, et al. Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy (Northern Italy)[J]. Plant and Soil, 2005, 278(1/2): 11-22.

[5]熊燕梅,夏漢平,李志安,等.植物根系固坡抗蝕的效應(yīng)與機(jī)理研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(4):895-904.

[6]楊永紅,劉淑珍,王成華,等.淺層滑坡生物治理中的喬木根系抗拉實(shí)驗(yàn)研究[J].水土保持研究,2007,14(1):138-140.

[7]劉定輝,李勇.植物根系提高土壤抗侵蝕性機(jī)理研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(3):34-37.

[8]解明曙.林木根系固坡土力學(xué)機(jī)制研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1990,4(3):7-14.

[9]朱清科,陳麗華.貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)根系固土力學(xué)機(jī)制研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(4):64-67.

[10]張東升.長江上游暗針葉林林木根系抗拉力學(xué)特性研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2002.

[11]Genet M, Stokes A, Salin F, et al. The influence of cellulose content on tensile strength in tree roots[J]. Plant and Soil, 2005,278(1/2):1-9.

[12]李紹才,孫海龍,楊志榮,等.護(hù)坡植物根系與巖體相互作用的力學(xué)特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(10):2051-2057.

[13]Docker B B, Hubble T C T. Quantifying root-reinforcement of river bank soils by four Australian tree species[J]. Geomorphology, 2008,100(3):401-418.

[14]阿部和時(shí),巖元賢.用樹木根系的抗拉強(qiáng)度測(cè)定根系固定坡面的作用[J].水土保持科技情報(bào),1992(4):53-57.

[15]楊維西,黃治江.黃土高原九個(gè)水土保持樹種根的抗拉力[J].中國水土保持,1988(9):47-49.

[16]周躍,張軍,駱華松,等.松屬、青岡屬喬木側(cè)根的強(qiáng)度在防護(hù)林固土護(hù)坡作用中的意義[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2001,25(1):105-109.

[17]史敏華,王棣.石灰?guī)r區(qū)主要水保灌木根系分布特征與根抗拉力研究初報(bào)[J].山西林業(yè)科技,1994(1):17-19.

[18]Operstein V, Frydman S. The influence of vegetation on soil strength[J]. Proceedings of the ICE-Ground Improvement, 2000,4(2):81-89.

[19]De Baets S, Poesen J, Reubens B, et al. Root tensile strength and root distribution of typical Mediterranean plant species and their contribution to soil shear strength[J]. Plant and Soil, 2008, 305(1/2):207-226.

[20]Mattia C, Bischetti G B, Gentile F. Biotechnical characteristics of root systems of typical Mediterranean species[J]. Plant and Soil, 2005, 278(1/2):23-32.[21]程洪,顏傳盛,李建慶,等.草本植物根系網(wǎng)的固土機(jī)制模式與力學(xué)試驗(yàn)研究[J].水土保持研究,2006,13(1):62-65.

[22]耿威,王林和,劉靜,等.鄂爾多斯高原3種4齡—5齡灌木根系抗拉特性初步研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,29(3):86-89.

[23]朱海麗,胡夏嵩,毛小青,等.青藏高原黃土區(qū)護(hù)坡灌木植物根系力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(S2):3445-3452.

[24]劉國彬,蔣定生,朱顯謨.黃土區(qū)草地根系生物力學(xué)特性研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1996,2(3):21-28.

[25]Coutts M P. Root architecture and tree stability[J]. Plant and Soil, 1983, 71(1/3):171-188.

[26]格日樂,額爾敦花,宋想斌,等.6種水土保持植物枝條的數(shù)量特征[J].中國水土保持科學(xué),2012,10(6):71-76.

[27]伯姆,德榕,協(xié)麟.根系研究法[M].北京：科學(xué)出版社,1985.

[28]馬紅燕,格日樂,趙杏花.排土場(chǎng)2種灌木根系數(shù)量特征研究[J].水土保持通報(bào),2013,33(2):156-159.

[29]呂春娟,陳麗華,周碩,等.不同喬木根系的抗拉力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(1):329-335.

[30]程洪,張新全.草本植物根系網(wǎng)固土原理的力學(xué)試驗(yàn)探究[J].水土保持通報(bào),2002,22(5):20-23.

[31]趙麗兵,張寶貴.紫花苜蓿和馬唐根的生物力學(xué)性能及相關(guān)因素的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(9):7-12.

[32]李勇著.黃土高原植物根系與土壤抗沖性[M].北京：科學(xué)出版社,1995.

[33]苑淑娟.4種植物單根抗拉力學(xué)特性的研究[D].內(nèi)蒙古 呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[34]張永亮.沙棘根系生物力學(xué)特性研究[D].內(nèi)蒙古 呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

Root Tensile Mechanism Comparison of Three Aboriginal Plants in Central-western Inner Mongolia Area

ZUO Zhiyan, Gerile, Wurentuya, WANG Juan

(CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010019,China)

Abstract：[Objective] Root tensible mechanism of three aboriginal plants in the Central-western Inner Mongolia area was studied to provide references of species selection for soil and water consvervation. [Methods] Single root tension of three common plants of the midwest regions of Inner Mongolia area, Hippophae rhamnoides, Caragana korshinskii and Medicago sativa were tested with indoor instantaneous ultimate method. [Results] (1) Single root transient ultimate tensile strength of the plants increased with diameter; single root ultimate tensile strength decreased by power function with diameter increased; (2) When the root diameters were in the same size class between 0.19~2.89 mm, three species’ single root transient ultimate tensile strength and modulus of elasticity ranked as: Hippophae rhamnoides>Caragana Korshinskii>Medicago sativa when the three plants’ root diameter were less than 0.5 mm, the fine root had greater ultimate tensile strength and modulus of elasticity; (3) When the same tree species had the same root diameter, if soil had high moisture content, the average tensile strength of single was small. [Conclusion] It is important to consider both morphological characteristics and mechanical properties when choosing appropriate species for soil and water conservation. The levels of root reinforcement erosion resistance of Caragana korshinskii were better than that of Hippophae rhamnoides and Medicago sativa.

Keywords:single root; ultimate tensile; ultimate tensile strength; modulus of elasticity; soil moisture content

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0052-06

中圖分類號(hào)：S714.7

通信作者：格日樂(1970—),女(蒙古族),內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人,博士,副教授,主要從事水土保持與荒漠化防治方面的研究。E-mail:gerile81@sohu.com。

收稿日期：2014-02-21修回日期：2014-03-24
資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“準(zhǔn)格爾露天煤礦排土場(chǎng)水土保持功能植被固土抗蝕生物力學(xué)響應(yīng)機(jī)制”(41161046)
第一作者：左志嚴(yán)(1992—),男(蒙古族),內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗帘３峙c荒漠化防治。E-mail:496117499@qq.com。