歐陽前超，魏楊，周霞，張超波

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，030024，太原)

土石山區(qū)護(hù)坡草本植物根系抗拉力學(xué)特性

歐陽前超，魏楊，周霞，張超波?

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，030024，太原)

為了解山西省土石山區(qū)護(hù)坡植物的根系抗拉力學(xué)特性，對(duì)比選擇最適宜的水土保持物種。對(duì)其邊坡上黑麥草(LoliumperenneL.)、香根草(VetiveriazizanioidesL.)、百喜草(PaspalumnotatumFlugge)3種護(hù)坡植物的根系開展抗拉力學(xué)試驗(yàn)，研究3種植物根系最大抗拉力、極限抗拉強(qiáng)度以及彈性模量隨直徑及根長(zhǎng)大小變化的規(guī)律。研究結(jié)果顯示：根長(zhǎng)一定時(shí)，3種植物的最大抗拉力隨直徑的增加而增加，單根極限抗拉強(qiáng)度隨根系直徑的增大而減?。欢睆揭欢〞r(shí)，根系最大抗拉力和極限抗拉強(qiáng)度隨根系長(zhǎng)度的增大而減小；彈性模量值隨著根徑和根長(zhǎng)增大呈下降的趨勢(shì)。3種植物根系平均最大抗拉力關(guān)系為：香根草(16.258 N)>黑麥草(11.734 N)>百喜草(4.891 N)；平均極限抗拉強(qiáng)度關(guān)系為：百喜草(116.226 MPa)>黑麥草(50.839 MPa)>香根草(49.650 MPa)；平均彈性模量分別為：百喜草(20.392 MPa/mm)>香根草(3.257 MPa/mm)>黑麥草(3.245 MPa/mm)。結(jié)果表明這3種植物中百喜草根系的固土能力最好，在選擇最為適宜的水土保持物種時(shí)可優(yōu)先考慮。研究結(jié)果可為土石山區(qū)水土保持研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。

根系； 水土保持； 抗拉力； 抗拉強(qiáng)度； 彈性模量

水土流失導(dǎo)致的山體滑坡是全世界常見的自然地質(zhì)災(zāi)害。在我國，西部山區(qū)滑坡災(zāi)害尤為嚴(yán)重。近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，自然資源的開發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度都在不斷擴(kuò)大和加劇，對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞沒有得到有效控制，致使山區(qū)常發(fā)生滑坡災(zāi)害，其危害程度也在逐年增加，直接威脅周邊群眾的人身安全，滑坡是制約山區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可忽視的因素；因此，通過在山坡上種植植物來有效的防治水土流失，是城鎮(zhèn)建設(shè)和山區(qū)發(fā)展中一項(xiàng)重要的水土保持課題[1]。

近年來植物固坡措施已經(jīng)在國內(nèi)外得以廣泛應(yīng)用[2]，其中植物單根抗拉特性是根系生物力學(xué)特性的重要組成部分，也是研究植物固土抗滑的基礎(chǔ)；但根系研究有著一定程度的復(fù)雜性，即使是單根抗拉也還存在著許多問題亟待解決，包括實(shí)驗(yàn)方法、影響因素等。有學(xué)者通過對(duì)根徑、根長(zhǎng)、含水率等植物自身影響因素[3-5]以及加載方式、速率、植物采伐時(shí)間等試驗(yàn)因素[6-7]進(jìn)行研究均得到不同的結(jié)論。目前主要從室內(nèi)單根抗拉和野外原位群根抗拔[8]2方面來研究根系抗拉力學(xué)特征，其中楊永紅等[9]對(duì)合歡等喬木根系的研究、朱清科等[10]對(duì)貢嘎山峨眉冷杉和冬瓜楊根系的研究、張東升[11]對(duì)杜鵑等林木根系的研究、鐘榮華等[12]對(duì)三峽水庫消落帶草本植物根系的研究、肖宏彬等[13]對(duì)貧瘠土壤環(huán)境下的香根草根系的研究結(jié)果不同程度地表明：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。筆者則從根長(zhǎng)和根徑2方面來進(jìn)一步研究根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度與兩者的相關(guān)關(guān)系，以期為水土保持固土護(hù)坡植物篩選研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)采集對(duì)象是土石山區(qū)的護(hù)坡植物根系，采樣區(qū)位于山西省太原市西北部尖草坪區(qū)崛圍山，山體呈南北走向，海拔1 352 m，地理位置介于E 112°25.628′～112°26.469′，N 37°57.821′～37°58.108′。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候類型，全年平均有130～150 d的無霜期，早晚、晝夜溫差較大，年平均溫度7～10 ℃，最低氣溫可達(dá)-28 ℃，最高氣溫可達(dá)40 ℃。全年日照時(shí)間2 400～2 600 h，降雨主要集中在7—9月。年平均降水量約為470 mm。尖草坪區(qū)整個(gè)地貌分為土石山區(qū)、黃土丘陵、沖積平原、溝洼谷地、沖積扇等不同類型，地形起伏較大。尖草坪區(qū)地表水均屬黃河流域汾河水系，汾河一級(jí)支流泥屯河、柏板河、楊興河、澗河均在區(qū)內(nèi)匯入汾河。平均地表水資源510萬m3，地下水資源為3 891萬m3，全區(qū)水資源總量為4 057萬m3。

2 材料與方法

王萍花[14]及張超波[15]進(jìn)行根系抗拉試驗(yàn)時(shí)采用的是WDW-100E微機(jī)控制式萬能電子試驗(yàn)機(jī)，本試驗(yàn)根系抗拉則采用新型WDW-5電子萬能試驗(yàn)機(jī)和SmartTest終端測(cè)控軟件，試驗(yàn)力最小讀數(shù)值能精確到0.01 N、變形最小讀數(shù)值能精確到0.001 mm，在精確度上有了較大提高。加載方式采用電動(dòng)加載，加載速率20 mm/min，有效地避免前人試驗(yàn)中手動(dòng)加載造成的誤差。此軟件采用人機(jī)交互方式分析計(jì)算測(cè)試根系的機(jī)械性能指標(biāo)，能在自動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)力學(xué)參數(shù)還可以人工修正分析結(jié)果，提高分析的準(zhǔn)確性。

2.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)儀器包括：1)根徑測(cè)量，電子游標(biāo)卡尺，精度0.01 mm；2)根長(zhǎng)與標(biāo)距，卷尺，精度1 mm；3)單根的抗拉力與抗拉強(qiáng)度，WDW-5電子萬能試驗(yàn)機(jī)；4)野外根系采集其他儀器與工具有皮尺、自封袋、鐵鏟、鐵鍬等。

2.2 試驗(yàn)步驟

野外采集所需植物根系時(shí)，將根系連同土體一起放入自封袋中密封暫存帶回實(shí)驗(yàn)室。所選根樣長(zhǎng)勢(shì)良好、外表無損、直徑變化梯度完整，用剪刀剪下，確保得到不同長(zhǎng)度、不同徑級(jí)的根系，為保證根系活性，每次外出采集根系樣品當(dāng)天測(cè)完。

制備不同直徑的根樣：按李曉鳳等[16]采用的方法將根系從土體中分離后，用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量單根直徑，為減小測(cè)量誤差，分別測(cè)量根上3個(gè)不同位置的直徑，取其平均值作為根徑值。根系按直徑大小分類放置，依次選擇一定數(shù)量不同直徑組的根開展抗拉試驗(yàn)，確保每個(gè)直徑組均能獲得有效數(shù)據(jù)。

制備不同標(biāo)距的根樣：根據(jù)根系的長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果，選定3組不同的標(biāo)距，分別為60、80和100 mm，試驗(yàn)根樣涵蓋每個(gè)直徑組。

圖1 根系固定Fig.1 Root fixation

圖2 根系拉斷Fig.2 Root breaking

抗拉測(cè)試按照以下步驟進(jìn)行：1)安裝試驗(yàn)機(jī)和測(cè)控軟件并運(yùn)行；2)測(cè)量直徑：選取較順直、完整無損，直徑均一的單根進(jìn)行測(cè)量；3)固定根系：將根的兩端固定在試驗(yàn)機(jī)的上下2個(gè)夾具中，保持根系鉛直以受到軸向勻速荷載的作用(圖1)；4)拉伸根系與記錄數(shù)據(jù)：在SmartTest軟件中設(shè)置好試驗(yàn)根的編號(hào)并輸入原始標(biāo)距和平均直徑，然后開始拉伸。實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)3種破壞形式——滑脫、夾口處斷裂以及接近中間處的正常斷裂(圖2)，因?yàn)榇藭r(shí)的破壞是由拉力引起的而非其他損傷引起，軟件中會(huì)顯示平均直徑、原始標(biāo)距、斷后標(biāo)距、拉力峰值等力學(xué)參數(shù)值，試驗(yàn)中選取正常拉斷根的數(shù)據(jù)并記錄。

2.3 數(shù)據(jù)分析

每次根拉斷后軟件中所顯示的平均直徑、斷后標(biāo)距值和拉力峰值分別進(jìn)行保存，最后分離出來用Excel匯總數(shù)據(jù)，極限抗拉強(qiáng)度由下列公式計(jì)算：

式中：P為極限抗拉強(qiáng)度，MPa；F為極限抗拉力，N；D為平均直徑，mm。數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析用SPSS 20.0軟件來完成，相關(guān)水平取α=0.01，對(duì)不同直徑組和標(biāo)距組數(shù)據(jù)分別做回歸性分析，當(dāng)決定系數(shù)R2>0.4則證明該組數(shù)據(jù)在α=0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 最大抗拉力與直徑的關(guān)系

從根系直徑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，本實(shí)驗(yàn)中香根草和黑麥草的根系主要處于0.2～1.0 mm的范圍內(nèi)，而百喜草主要介于0.1～0.4 mm的直徑范圍，三者的平均直徑分別為0.639、0.557和0.230 mm。由于過粗和過細(xì)的根在進(jìn)行單根抗拉實(shí)驗(yàn)時(shí)的難度較大，實(shí)驗(yàn)失敗率太高；因此本實(shí)驗(yàn)舍棄這些數(shù)據(jù)，主要選取根徑分布范圍內(nèi)的所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較(圖3～5)。

圖3 香根草抗拉力與直徑的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between tensile resistance and diameter of Vetiveria zizanioides L.

圖4 黑麥草抗拉力與直徑的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between tensile resistance and diameter of Lolium perenne L.

圖5 百喜草抗拉力與直徑的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between tensile resistance and diameter of Paspalum notatum Flugge

通過SPSS 20.0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(雙側(cè))上顯著相關(guān)，回歸分析結(jié)果見表1。

3種植物的平均最大抗拉力次序?yàn)椋合愀?16.258 N)>黑麥草(11.734 N)>百喜草(4.891 N)。

表1 植物抗拉力回歸分析表Tab.1 Regression analysis table of plant tensile resistance

其中：試驗(yàn)標(biāo)距為60 mm時(shí)測(cè)得的抗拉力最大，香根草(18.022 N)>黑麥草(13.108 N)>百喜草(5.190 N)；標(biāo)距為100 mm的抗拉力最小，香根草(13.978 N)>黑麥草(9.110 N)>百喜草(4.712 N)；標(biāo)距為80 cm的介于二者之間，香根草(16.773 N)>黑麥草(12.985 N)>百喜草(4.772 N)。香根草的抗拉力在各標(biāo)距范圍內(nèi)近似為百喜草的3倍、黑麥草近似為百喜草的2.5倍，而香根草與黑麥草的抗拉力結(jié)果相差不大，不超過1倍的變化范圍。這種差異除了是受到根徑的影響外，還可能是由于不同植物之間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)造成的，如化學(xué)成分和內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)等。Hathaway等[17]研究發(fā)現(xiàn)，無論是草本植物還是木本植物，根系的抗拉力和直徑之間的關(guān)系不僅反映了斷裂力學(xué)中的尺度效應(yīng)，而且與綜纖維素或纖維素含量有關(guān)。從抗拉力的情況來看，香根草比其他2種物種更能承受拉力作用，在植物根系中，直徑一定時(shí)短根的抗拉能力更強(qiáng)，根系的最大抗拉力與平均直徑呈正相關(guān)關(guān)系，即根徑越大，最大抗拉力越大。這與程洪等[18]所得的結(jié)論一致，二者接近線性增長(zhǎng)關(guān)系，說明在香根草根系中，根徑較大時(shí)具有較高的抗拉力。

3.2 極限抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系

由圖6～8可知，3種植物的平均抗拉強(qiáng)度值分別為百喜草(116.226 MPa)>黑麥草(50.839 MPa)>香根草(49.650 MPa)，其中百喜草的抗拉強(qiáng)度值范圍為83.468～152.547 MPa。各數(shù)據(jù)在直徑段內(nèi)分布均勻，黑麥草的分布范圍為20.584～111.156 MPa，但是在2端的數(shù)據(jù)較少，集中分布在中部，香根草的分布范圍為23.932～71.532 MPa，數(shù)據(jù)分布較為均勻(圖6～8)。

圖6 香根草抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between tensile strength and diameter of Vetiveria zizanioides L.

圖7 黑麥草抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between tensile strength and diameter of Lolium perenne L.

圖8 百喜草抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curve between tensile strength and diameter of Paspalum notatum Flugge

通過SPSS 20.0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(雙側(cè))上顯著相關(guān)(表2)。

試驗(yàn)標(biāo)距為60 mm時(shí)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度最大，百喜草(125.666 MPa)>黑麥草(61.683 MPa)>香根草(52.543 MPa)；標(biāo)距為100 mm的抗拉強(qiáng)度最小，百喜草(109.492 MPa)>香根草(46.672 MPa)>黑麥草(40.574 MPa)；標(biāo)距80 mm的介于二者之間，百喜草(113.520 MPa)>黑麥草(50.260 MPa)>香根草(49.735 MPa)，其中只有在80 mm的標(biāo)距內(nèi)黑麥草的極限抗拉強(qiáng)度值稍大于香根草，而在60和100 mm的標(biāo)距范圍內(nèi)黑麥草的極限抗拉強(qiáng)度值則偏小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：植物的抗拉強(qiáng)度值均與直徑呈冪函數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，不受植物種類影響；但是不同植物之間的抗拉強(qiáng)度值仍有著很大的差距，其中百喜草的抗拉強(qiáng)度值最大，而試驗(yàn)測(cè)定的香根草和黑麥草的數(shù)值相差不大，百喜草的抗拉強(qiáng)度值約為后兩者的2.3倍。

表2 植物抗拉強(qiáng)度回歸分析表Tab.2 Regression analysis table of plant tensile strength

3.3 植物彈性模量

另外，試驗(yàn)中通過根系拉斷后軟件得出的原始標(biāo)距和斷后標(biāo)距值來計(jì)算應(yīng)變量，以此可以計(jì)算得出3種植物在各標(biāo)距組的彈性模量，見表3。

表3 彈性模量計(jì)算表Tab.3 Calculation table of elastic modulus MPa/mm

3種植物平均彈性模量分別為：百喜草(20.392 MPa/mm)>香根草(3.257 MPa/mm)>黑麥草(3.245 MPa/mm)，彈性模量均隨著標(biāo)距的增大而減小，且在每個(gè)標(biāo)距組內(nèi)，3種植物彈性模量均存在百喜草>香根草>黑麥草的關(guān)系。由應(yīng)變量的計(jì)算結(jié)果可以看出，在標(biāo)距越大即根系越長(zhǎng)的情況下，根被拉伸的越長(zhǎng)。由表3可以看出，與抗拉力和抗拉強(qiáng)度不同，百喜草的彈性模量約是后兩者的6.3倍，而抗拉強(qiáng)度只有2～3倍，且香根草和黑麥草的計(jì)算結(jié)果非常接近，彈性模量計(jì)算結(jié)果受應(yīng)變值的影響很大。由于彈性模量為應(yīng)力與應(yīng)變的比值，應(yīng)變值即為根的拉伸量，試驗(yàn)結(jié)果顯示百喜草的彈性模量最大，表示其根系剛度越大，越不容易發(fā)生變形，對(duì)固持土壤作用效果越突出。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)從植物根徑和根長(zhǎng)2個(gè)因素考慮，結(jié)合單根所能承受的最大抗拉力、單根抗拉強(qiáng)度和彈性模量3個(gè)主要的力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)香根草、黑麥草和百喜草的根系抗拉力學(xué)特性進(jìn)行了分析比較，得出以下結(jié)論。

1)在各根系直徑范圍內(nèi)，3種植物單根極限抗拉力隨直徑的增大均以冪函數(shù)遞增，單根極限抗拉力從大到小順序表現(xiàn)為香根草>黑麥草>百喜草，抗拉力受直徑的影響較大。

2)在各根系直徑范圍內(nèi)，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，單根極限抗拉強(qiáng)度從大到小順序表現(xiàn)為百喜草>黑麥草>香根草。百喜草的固土性能明顯優(yōu)于黑麥草和香根草。

3)3種植物在各自研究徑級(jí)范圍內(nèi)，根系的彈性模量值隨著根徑和根長(zhǎng)增大呈下降的趨勢(shì)。3種植物單根極限彈性模量均值從大到小依次為百喜草>香根草>黑麥草。百喜草具有較大的極限彈性模量，說明同樣的外界加載條件，根徑、根長(zhǎng)較小的根系對(duì)外界拉力的緩沖能力比根徑、根長(zhǎng)較大的根系緩沖能力大，根徑、根長(zhǎng)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、短根增強(qiáng)土壤抗蝕、抗沖性的機(jī)理所在。

因此，在所研究的3種植物中百喜草根系的固土能力最優(yōu)，在水土保持固土護(hù)坡植物篩選研究中可優(yōu)先考慮。本試驗(yàn)研究結(jié)果可為土石山區(qū)的植物固土護(hù)坡以及水土保持研究提供科學(xué)依據(jù)。

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Root tensile properties of the herbaceous plants for slope protection in earth-rocky mountain area,northern China

OUYANG Qianchao,WEI Yang,ZHOU Xia,ZHANG Chaobo

(College of Water Resources Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,030024,Taiyuan,China)

[Background] Landslides caused by soil erosion are common natural geological disasters all over the world.Planting plants on hillsides is an effective project to conserve soil and water during urban construction and mountain development.The mechanical properties of plants are affected by many factors,such as root diameter,root length and rate of water content,as well as the loading ways,loading speed,logging time,etc.Effect of root length and diameter on root tensile properties of herbaceous plants in earth-rocky mountain area is still scarce.[Methods] This study aims at three slope protection plants:LoliumperenneL.,VetiveriazizanioidesL.andPaspalumnotatumFlugge in earth-rocky mountain areas in Shanxi Province,northern China.Three different root lengths:60,80 and 100 mm were selected in this study.Root tensile tests were conducted with a WDW-5 universal electronic testing system.In the tests,maximum tensile resistance,ultimate tensile strength and elastic modulus with changing root diameter and root length were measured and analyzed.[Results] The root diameter ofV.zizanioidesL.andL.perenneL.mainly varied in the range of 0.2-1.0 mm andP.notatumFlugge varied in the range of 0.1-0.4 mm,and the average values of the diameters were 0.639,0.557 and 0.230 mm respectively.The average maximum tensile resistance of the three species was in the order:V.zizanioidesL.(16.258 N) >L.perenneL.(11.734 N) >P.notatumFlugge (4.891 N).The average tensile strength ranked asP.notatumFlugge (116.226 MPa) >L.perenneL.(50.839 MPa) >V.zizanioidesL.(49.650 MPa).The average elastic modulus was in order asP.notatumFlugge (20.392 MPa/mm) >V.zizanioidesL.(3.257 MPa/mm) >L.perenneL.(3.245 MPa/mm).The elastic modulus ofP.notatumFlugge was about six times larger than the others.With certain root length,the maximum root tensile strength of the three plants decreased with root diameter increasing.Within certain root diameter,the maximum root tensile strength decreased with root length increasing.In addition,the elastic modulus decreased with both root diameter and length increasing.[Conclusions] According to the results,P.notatumFlugge has the best ability of soil fixation and slope protection among the studied three species.It can be a suitable species to maintain soil and water.The results provide a data basis for slope protection and soil and water conservation with vegetation in earth-rocky mountain areas.

root; soil and water conservation; tensile resistance; tensile strength; elastic modulus

2016-11-15

2017-06-25

項(xiàng)目名稱：國家自然科學(xué)基金 “黃土丘陵區(qū)灌草植物固土護(hù)坡過程中根系破壞機(jī)理試驗(yàn)研究”(31600582)；山西省高等學(xué)校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃

歐陽前超(1993—)，男，碩士研究生。主要研究方向：水利工程和邊坡保護(hù)工程。E-mail：394201326@qq.com

?通信作者簡(jiǎn)介：張超波(1984—)，男，博士，副教授。主要研究方向：山地災(zāi)害和邊坡保護(hù)工程。E-mail：zhangchaobo@tyut.edu.cn

S157.5

A

2096-2673(2017)04-0035-07

10.16843/j.sswc.2017.04.005