李有芳，劉 靜* ，張 欣，李雪松，姚喜軍，王晨嘉，蘇 禹

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 021000)

外力作用下4種植物根系易損部位的研究

李有芳1，劉 靜1*，張 欣2，李雪松1，姚喜軍3，王晨嘉1，蘇 禹1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 021000)

側(cè)根分支處；相鄰直根；抗拉力；抗折力

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料采集

1.2 試驗(yàn)根的選取與制備

圖1所示：直根總長為5 cm，其中，陰影部分為夾具夾持部位，兩夾具間即受力段為3 cm,夾具兩端各1 cm。從直根中點(diǎn)向兩端每隔5 mm做一標(biāo)記點(diǎn)并測量該標(biāo)記點(diǎn)的直徑。標(biāo)記點(diǎn)每隔180°測量一次，取平均值作為該直根的平均直徑。

圖2所示：以側(cè)根分支處為中點(diǎn)，沿上級(jí)直根段的軸向總長同為5 cm，其中，陰影部分為夾具夾持部位，兩夾具間距離3 cm，夾具兩端各1 cm。由于側(cè)根分支處根徑橫截面不一定呈規(guī)則圓形，因此，對其每隔120°測量1次直徑，取3次直徑平均值作為側(cè)根分支處直徑。

A: 相鄰上級(jí)直根Adjacent upper straight root; B: 受力段forced part; C: 側(cè)根分支處Lateral root branch; D: 上級(jí)根Upper root; E: 下級(jí)根Lower root.圖1 相鄰直根段示意圖Fig.1 Adjacent upper straight roots in test roots圖2 側(cè)根分支段示意圖Fig.2 Lateral root branch in test roots

1.2.2 抗折試驗(yàn)根的選取與制備 抗折試驗(yàn)根的選取與制備方法同抗拉試驗(yàn)，其中，帶有側(cè)根分支處的試驗(yàn)根與相鄰直根段總長均8 cm，2種根受力段均為4 cm，夾具兩端各2 cm。從試驗(yàn)根的中點(diǎn)(側(cè)根分支段的中點(diǎn)為側(cè)根分支處)向兩端每隔1 cm做標(biāo)記并測量標(biāo)記點(diǎn)的直徑，標(biāo)記點(diǎn)的測量方法同抗拉試驗(yàn)。

1.3 抗拉力和抗折力的測定

抗拉力和抗折力均由TY8000伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測定，加載速度均為500 mm·min-1?？估y定時(shí)將試驗(yàn)根的上下兩端分別垂直固定在試驗(yàn)機(jī)的上下夾具內(nèi)，其中，側(cè)根分支處根段的上級(jí)根固定在試驗(yàn)機(jī)的上夾具內(nèi)，2根下級(jí)根分別用3點(diǎn)固定式夾具夾持并調(diào)整夾具的角度以確保每一下級(jí)根軸向受力，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，對根系施加軸向拉力，直至根被拉斷?？拐墼囼?yàn)使直根呈水平狀態(tài)，用自制夾具將直根兩端固定，施力點(diǎn)位于直根受力段中點(diǎn)的上方(圖1)，帶有側(cè)根分支處的試驗(yàn)根使側(cè)根分支處位于受力段的中點(diǎn)，用自制夾具水平固定側(cè)根分支段的上級(jí)根和兩根下級(jí)根，在側(cè)根分支處施加垂直于根軸線的點(diǎn)壓力(圖2)。極限抗拉力和抗折力由電腦自動(dòng)記錄。本試驗(yàn)中抗折強(qiáng)度為破壞處單位根橫截面積上的抗折力。

抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度計(jì)算公式：

P= 4F/πD2

式中：P—抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度(MPa)；F—抗拉力、抗折力(N)；D—斷裂處直徑(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SAS 9.0軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種植物側(cè)根分支處和相鄰直根抗拉特性的差異

A: 相鄰直根抗拉力Anti-tension force of adjacent upper straight root; B: 側(cè)根分支處抗拉力Anti-tension force of lateral root branch; C: 相鄰直根抗拉強(qiáng)度Anti-tension strength of adjacent upper straight root; D: 側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度Anti-tension strength of lateral root branch. Ⅰ: 檸條Caragana korshinskii; Ⅱ: 沙柳Salix psammophila; Ⅲ: 沙棘Hippophae rhamnoides; Ⅳ: 白沙蒿Artemisia sphaerocephala;下同The same below.圖3 4種植物側(cè)根分支處、相鄰直根的抗拉力和抗拉強(qiáng)度Fig.3 Anti-tension force and anti- tension strength between lateral root branches and adjacent upper straight roots in four plants

2.2 4種植物側(cè)根分支處和相鄰直根抗折特性的差異

A: 相鄰直根抗折力 Anti-fracture force of adjacent upper straight root; B: 側(cè)根分支處抗折力 Anti-fracture force of lateral root branch; C: 相鄰直根抗折強(qiáng)度 Anti-fracture strength of adjacent upper straight root ; D: 側(cè)根分支處抗折強(qiáng)度 Anti-fracture strength of lateral root branch.圖4 4種植物側(cè)根分支處、相鄰直根的抗折力和抗折強(qiáng)度Fig.4 Anti- fracture force and anti- fracture strength between lateral root branches and adjacent upper straight roots in four plants.

3 討論

4 結(jié)論

造成垂直根模型(WWM)和纖維束模型(FBM)預(yù)測值偏高的原因應(yīng)補(bǔ)充兩點(diǎn)：①模型根系全部計(jì)入直根的抗拉力，忽略了側(cè)根分支處，而側(cè)根分支處是根系固土的薄弱點(diǎn)。②模型假設(shè)根土復(fù)合體發(fā)生剪切時(shí)，所有根系只在軸向方向受拉,而實(shí)際在土體被剪切時(shí)，根可能承受軸向拉力，也可能承受徑向折力。不同植物種，單根抵抗拉力和折力的特性不同，對于單根抗折強(qiáng)度小于抗拉強(qiáng)度的植物，模型必然高估根系的實(shí)際固土能力。

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(責(zé)任編輯：詹春梅)

Study on the Vulnerability of the Roots of Four Species under External Forces

LIYou-fang1,LIUJing1,ZHANGXin2,LIXue-song1,YAOXi-jun3,WANGChen-jia1,SUYu1

(1.Desert Science and Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China; 2.Institute of Water Resources for Pasturing Area of the Ministry of Water Resources, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China; 3.Land Surveying and Planning Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China)

lateral root branch; adjacent straight root; anti-tension force; anti-fracture force

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.01.009

2016-02-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51364034)

李有芳(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向：水土保持與荒漠化防治.電話：18747115838 E-mail: lyfyzd123@163.com
* 通訊作者：劉 靜，女，博士，教授，主要研究方向：水土保持與荒漠化防治.電話：13404803349 E-mail: ljing58@126.com

S157.2

A

1001-1498(2017)01-0063-06