李 可, 朱海麗,2, 宋 路, 李國(guó)榮,2, 謝彬山, 李本峰

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810016)

青藏高原地區(qū)由于特殊的氣候、地理?xiàng)l件，滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，水土流失現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重。隨著水土保持觀念的不斷更新，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根系護(hù)坡也更加重視，并發(fā)現(xiàn)在土壤中穿插植物根系，能有效地遏制土體的大規(guī)模變形[1-2]。在以往對(duì)青藏高原地區(qū)的灌木和草本植物根系護(hù)坡的研究中發(fā)現(xiàn)，植物根系對(duì)邊坡淺層土體穩(wěn)定、增加土壤強(qiáng)度等方面起到顯著作用[3-5]。檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)和草地早熟禾(PoapratensisL.)作為我國(guó)西北地區(qū)比較常見(jiàn)的灌木和草本植物，抗寒、抗旱、抗逆性較強(qiáng)。青海東部檸條錦雞兒群落總蓋度為80%，主要由6種植物組成，群落垂直結(jié)構(gòu)分兩層，即灌木和底下草本植物。灌木層優(yōu)勢(shì)種為檸條錦雞兒，平均高度為112 cm，分蓋度為55%，生物量達(dá)到(1 530.99±809.23) g/m2[6]，此外西藏沙棘(HippophaethibetanaSchlechtend.)也占有明顯優(yōu)勢(shì)；草本層優(yōu)勢(shì)種為賴草(LeymussecalinusTzvel.)，次優(yōu)勢(shì)種為草木樨狀黃芪(AstragalusmelilotoidesPall.)、油蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg.)、狗尾草[Setariaviridis(L.) Beauv.]等植物；草地早熟禾群落總蓋度為85%，優(yōu)勢(shì)種為草地早熟禾，平均高度為54.9 cm，分蓋度為60%，生物量達(dá)到368.64～633.95 g/m2[7]，次優(yōu)勢(shì)種為垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)、油蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg.)、針茅(StipacapillataLinn.)、多裂委陵菜(PotentillamultifidaL.)等植物。熊燕梅[8]、胡夏嵩[9]、朱海麗[10]、李臻[11]等學(xué)者對(duì)該類(lèi)植物根系的固土作用研究主要集中在植物根系抗拉特性及不同植物種根系抗拉特性的比較等方面，認(rèn)為植物根系的抗拉特性主要受根系種類(lèi)和根系直徑的影響，根系抗拉特性與根徑之間呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系。近幾年的研究已經(jīng)證實(shí)，由于植物根系微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與特殊性，植物微觀結(jié)構(gòu)是影響木材力學(xué)性能的決定因素[12-14]。朱海麗等[15]通過(guò)對(duì)灌木根系進(jìn)行單根拉伸以及根系解剖等試驗(yàn)，指出根系韌皮纖維、木纖維的百分含量及周皮的木質(zhì)化程度顯著影響根系力學(xué)強(qiáng)度。蔣坤云等[16-17]進(jìn)行了喬木根系拉伸和根系分子離析試驗(yàn)，定量分析出根系木纖維含量與根系抗拉特性呈正相關(guān)關(guān)系。郭維俊等[18]研究認(rèn)為小麥根系承載能力取決于機(jī)械組織厚度、維管束數(shù)量等；唐朝生等[19]提出纖維表面形態(tài)學(xué)特征及接觸面之間力的產(chǎn)生和傳遞是纖維加筋土的主要力學(xué)機(jī)理。以往的研究主要針對(duì)不同種植物根系的抗拉力、抗拉強(qiáng)度、根系受力應(yīng)力—應(yīng)變特征等開(kāi)展了相關(guān)研究，而對(duì)在不同速率、不同標(biāo)距下植物根系固土的力學(xué)特性及其與微觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)系研究還較少[20-26]。

因此本文通過(guò)對(duì)西寧地區(qū)草地早熟禾和檸條錦雞兒兩種優(yōu)勢(shì)植物根系的抗拉特性進(jìn)行測(cè)定；重點(diǎn)分析不同拉伸速率和不同標(biāo)距對(duì)植物單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度的影響；此外通過(guò)對(duì)根系拉斷斷面進(jìn)行電鏡掃描，分析兩種植物根系受力破壞特點(diǎn)，揭示根系受力變化的影響因素，為植物根系固坡機(jī)理的深入研究以及青藏高原區(qū)固坡植被的選擇提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于青海省西寧市城北區(qū)青海大學(xué)后山顧家?guī)X溝，地處青海東北部湟水谷地中部西寧盆地，海拔約2 275 m，屬高原寒冷干旱—半干旱氣候。具有寒長(zhǎng)暑短、晝夜溫差大等特點(diǎn)。年平均氣溫為5.9℃，年均降水量為345 mm，集中在6—9月份，占全年降水量的60%左右，且多以暴雨和陣雨形式出現(xiàn)[9]。試驗(yàn)區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，黃土邊坡坡度較大，沖溝發(fā)育，沖蝕溝深達(dá)十米至幾十米，25°以上的坡地占該地面積的47.2%，前緣分布有沖積扇或坡積裙，水土流失嚴(yán)重。每逢暴雨季節(jié)，易誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等不同規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害，給研究區(qū)周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了一定威脅。

2　材料與方法

2.1　根系材料

選取研究區(qū)耐寒、抗旱的優(yōu)勢(shì)植物種檸條錦雞兒和草地早熟禾兩種根系發(fā)育典型的植被作為研究對(duì)象[11]。采用挖掘剖面壁法挖取植株根系，草地早熟禾挖掘深度為0.4～0.8 m，檸條錦雞兒挖掘深度為1.0～1.5 m。在開(kāi)挖過(guò)程中，記錄并統(tǒng)計(jì)植株根系的主根和側(cè)根的分布、延伸方向、分支情況及根徑、根量等。然后將挖取的植株地下部分用毛刷將其表面粘附的土體剝離，用保鮮膜包裹起來(lái)，再將整個(gè)植株植入試驗(yàn)盆中帶回實(shí)驗(yàn)室。在試驗(yàn)過(guò)程中，用環(huán)刀取根系周?chē)瓲钔粒瑴y(cè)定土體天然密度，并用鋁盒取一定量土體帶回實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用CS101-EBN烘箱測(cè)定土體含水率。試驗(yàn)區(qū)土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)區(qū)土體的基本物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

2.2　試驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.2.1單根拉伸試驗(yàn)將取回的植物根系放入LRHS-150-Ⅲ恒濕恒溫培養(yǎng)箱保證其根系新鮮度，選取表皮完好、根徑通直均勻的根系作為試驗(yàn)材料。根據(jù)試驗(yàn)需要將截取根長(zhǎng)分別為60，80，100 mm的根段各60～80段。試驗(yàn)選用RWT-6010微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[27]，分別設(shè)定40，60，80 mm共3個(gè)標(biāo)距，3，5，10 mm/min共3種不同速率對(duì)兩種植物根系進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始前，將選取的植物根系，剪切至試驗(yàn)要求長(zhǎng)度，并將剪斷后備用的根段試樣用濕毛巾包裹，以減少根段中水分蒸發(fā)。在進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)時(shí)，將不同長(zhǎng)度的根段夾持在拉伸儀的上、下夾具間，按不同的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始后，按規(guī)定的拉伸速率，使受測(cè)根段試樣處于受拉狀態(tài)，直至根段斷裂，受測(cè)根段試樣斷裂時(shí)的抗拉力即為單根最大抗拉力。每組試驗(yàn)重復(fù)45～55次。由于在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，拉伸夾具為剛性材料，在拉伸過(guò)程中存在柔性材料根段被夾具夾斷的現(xiàn)象，因此為了提高試驗(yàn)的成功率，即植物根段受到拉伸作用力而產(chǎn)生斷裂，而非夾具作用斷裂，本項(xiàng)試驗(yàn)采用在夾具兩端黏貼薄海綿以增大根系與夾具間的摩擦，并選取試驗(yàn)中受拉根段在夾具中間部位斷裂的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。根系力學(xué)參數(shù)的計(jì)算方法[10]為：

(1)

(2)

(3)

式中：P為根系抗拉強(qiáng)度(MPa)；Fmax為根系最大抗拉力；F為實(shí)時(shí)拉力(N)；σ為應(yīng)力(MPa)；D為根系平均直徑(mm)；ε為縱向線應(yīng)變即延伸率；ΔL為根系延伸時(shí)的延長(zhǎng)量(mm)；L為夾具兩端受到拉伸作用的根段長(zhǎng)度，即標(biāo)距(mm)。

2.2.2斷裂根系微觀結(jié)構(gòu)首先選取表面完好且有活性的檸條錦雞兒和草地早熟禾兩種相同根徑的根段進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，挑選拉伸標(biāo)距為40 mm時(shí)，拉伸速率為3，5，10 mm/min條件下拉伸斷裂位置居中的3段受拉根系作為試驗(yàn)材料，并做好編號(hào)和標(biāo)簽，用刀片在不同編號(hào)的根系斷口處截取橫、縱斷面根段，并將截取下的小根段固定在膜片上。采用置換干燥法取代根系中的水分，再進(jìn)行抽真空干燥。在真空條件下進(jìn)行噴金處理鍍膜后，采用JSM-6610 LV型電子顯微鏡進(jìn)行取相，并通過(guò)Image-Proplus圖樣分析系統(tǒng)觀測(cè)兩種植物根系微觀斷面特征以及根系周皮受拉變形量和根系內(nèi)部管孔直徑的變化。

3　結(jié)果與分析

3.1　優(yōu)勢(shì)植物抗拉特性與根徑關(guān)系

3.1.1單根抗拉力與根徑的關(guān)系通過(guò)對(duì)研究區(qū)兩種優(yōu)勢(shì)植物種檸條錦雞兒和草地早熟禾進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2—3所示，最終試驗(yàn)成功測(cè)定檸條錦雞兒根段試樣157個(gè)，成功率60.38%；草地早熟禾根段試樣159個(gè)，成功率62.35%。試驗(yàn)成功的檸條錦雞兒根徑平均值為(0.76±0.14) mm，單根平均最大抗拉力為(25.29±9.5) N；草地早熟禾根徑平均值為(0.20±0.05) mm，單根平均最大抗拉力為(1.85±0.41) N。2種植物的根系具有不同的抗拉力，灌木植物檸條錦雞兒的抗拉力明顯高于草本植物草地早熟禾。以拉伸速率為5 mm/min拉伸標(biāo)距為40 mm為例，見(jiàn)圖1對(duì)2種植物的單根抗拉力與根徑之間的關(guān)系進(jìn)行擬合分析表明：?jiǎn)胃目估﹄S根徑的增大而增大，且2種植物的單根抗拉力與根徑之間均存在冪函數(shù)關(guān)系。在其他拉伸速率和拉伸標(biāo)距下試驗(yàn)結(jié)果也同樣具有此規(guī)律。

表2　試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒?jiǎn)胃煸囼?yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：相同小寫(xiě)字母表示差異性不顯著，有一個(gè)相同小寫(xiě)字母表示差異性<0.05，不同小寫(xiě)字母表示差異性<0.01，下表同。

表3　試驗(yàn)區(qū)草地早熟禾單根拉伸試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1　試驗(yàn)區(qū)2種植物單根最大抗拉力與根徑的關(guān)系

3.1.2單根抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系由單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的擬合方程可知，2種植物單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間均呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系。如表2—3所示，檸條錦雞兒的單根根系抗拉強(qiáng)度范圍為36～84 MPa，平均值為(52.15±16.96) MPa，草地早熟禾的單根根系抗拉強(qiáng)度范圍為26～140 MPa，平均值為(64.43±20.25) MPa。對(duì)試驗(yàn)區(qū)2種植物單根抗拉試驗(yàn)以5 mm/min標(biāo)距40 mm為例進(jìn)行分析得出，隨著根徑的增大，兩種植物根系的單根抗拉強(qiáng)度逐漸減小，其關(guān)系可用乘冪函數(shù)公式表示(圖2)。

圖2　試驗(yàn)區(qū)2種植物單根抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系

3.2　不同標(biāo)距下單根抗拉力及抗拉強(qiáng)度

通過(guò)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)河流近岸由于水流沖蝕作用下河岸下部砂礫石層蝕退，從而使上部根—土復(fù)合體層在自重的作用下產(chǎn)生拉張裂隙，裂縫中穿插的植物根系形成了一張根系網(wǎng)，充分發(fā)揮了根系的抗拉作用，從而減緩了邊岸滑塌。根據(jù)野外測(cè)量臨界崩塌塊體裂隙寬度約寬7 cm，基于根—土復(fù)合體層裂隙寬度，本次單根拉伸試驗(yàn)設(shè)置拉伸標(biāo)距為4，6，8 cm，在拉伸速率為5 mm/min下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，以草地早熟禾在標(biāo)距為40 mm，平均根徑為0.21 mm為例，其單根平均最大抗拉力達(dá)到2.47 N，較相同條件下標(biāo)距為60 mm和80 mm的平均最大抗拉力1.27 N和1.18 N，增加了約1倍；以檸條錦雞兒在標(biāo)距為80 mm，平均根徑為0.68 mm為例，其單根平均最大抗拉力達(dá)到31.65 N，較相同條件下標(biāo)距為40 mm和60 mm的平均最大抗拉力18.59 N和15.54 N，增加了約1倍(圖3)。同時(shí)由表2—3可看出，在相同速率下草地早熟禾根系平均抗拉力變化趨勢(shì)依次為標(biāo)距40 mm>標(biāo)距60 mm>標(biāo)距80 mm；檸條錦雞兒根系平均抗拉力變化趨勢(shì)為標(biāo)距80 mm>標(biāo)距60 mm>標(biāo)距40 mm。由此可以看得出：標(biāo)距40 mm為草地早熟禾發(fā)揮最大抗拉力的最佳的標(biāo)距；標(biāo)距80 mm為檸條錦雞兒根系發(fā)揮最大抗拉力的最佳標(biāo)距。造成這種情況的原因可能是兩種植物根系的微觀組成結(jié)構(gòu)不同，而不同的結(jié)構(gòu)在不同標(biāo)距下才能發(fā)揮各自的最大作用，所以兩種植物根系的最佳標(biāo)距不同。

由圖4可知，隨著根徑的增加，抗拉強(qiáng)度降低，根徑越細(xì)，抗拉強(qiáng)度越大。根徑在0.10～0.15 mm，草地早熟禾標(biāo)距為60 mm時(shí)其抗拉強(qiáng)度最大，隨著根徑的增大，標(biāo)距為60 mm的植物根系的抗拉強(qiáng)度下降幅度最大，且在根徑超過(guò)0.2 mm后，標(biāo)距為60 mm的根系抗拉強(qiáng)度小于標(biāo)距為40，80 mm的根系抗拉強(qiáng)度；檸條錦雞兒在標(biāo)距為80 mm時(shí)根系抗拉強(qiáng)度最大，標(biāo)距為60 mm時(shí)最小，標(biāo)距40 mm的抗拉強(qiáng)度介于兩者之間。經(jīng)SPSS 21.0比較均值中的單因素方差檢驗(yàn)，分別定量分析了兩種優(yōu)勢(shì)植物根系的抗拉力、抗拉強(qiáng)度在不同拉伸標(biāo)距、拉伸速率下的差異顯著性，結(jié)果見(jiàn)表4，除檸條錦雞兒根系抗拉力在不同拉伸標(biāo)距下差異性不顯著外，其余植物種根系抗拉特性與拉伸標(biāo)距均呈現(xiàn)顯著的差異性。

圖3　試驗(yàn)區(qū)2種植物在拉伸速率5 mm/min不同標(biāo)距下的根徑與抗拉力關(guān)系曲線

圖4　試驗(yàn)區(qū)2種植物在拉伸速率5 mm/min不同標(biāo)距下的根徑與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線

表4　不同因素下兩種植物根系抗拉特性差異的單因素方差分析結(jié)果

由此可以看出：在相同根徑的情況下，標(biāo)距60 mm是草地早熟禾根系發(fā)揮最佳抗拉強(qiáng)度的標(biāo)距；而檸條錦雞兒在試驗(yàn)設(shè)定的不同標(biāo)距下，其根系抗拉強(qiáng)度差異不明顯。由此可以看出兩種植物中草地早熟禾須根豐富，尤其是根徑小于0.5 mm的活性根對(duì)土體具有較強(qiáng)的加筋作用，能夠增強(qiáng)土體的抗剪、抗沖性能。但在不同標(biāo)距下，兩種植物根系的抗拉強(qiáng)度并沒(méi)有隨標(biāo)距的變化呈規(guī)律性增加或減少。這與之前周朔[21]對(duì)喬木油松的抗拉強(qiáng)度研究中提到的相同根徑的根系抗拉強(qiáng)度隨標(biāo)距的減小而減小的關(guān)系不是很相符。這種差異性很有可能是由于草本、灌木或喬木植物的根系微觀組成有較大的差異，另外與不同地域土壤、氣候、水分存在顯著差異性有關(guān)，但具體原因有待深入分析。

3.3　不同速率下單根抗拉力及抗拉強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)兩種優(yōu)勢(shì)植物根系在拉伸標(biāo)距為40 mm，拉伸速率分別為3，5，10 mm/min進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，分析不同拉伸速率對(duì)兩種植被根系的抗拉力學(xué)特性的影響。由圖5可知，隨著根徑的遞增，兩種植物根系的抗拉力均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。草地早熟禾根系在拉伸速率為10 mm/min時(shí)，其抗拉力增加幅度最大；對(duì)于根徑<0.30 mm的根系抗拉力，隨著拉伸速率的減小而減小。檸條錦雞兒根系在拉伸速率為5 mm/min時(shí)，其抗拉力增加幅度最大；當(dāng)根徑>1.11 mm時(shí)，拉伸速率為5 mm/min下的根系抗拉力逐漸接近并超過(guò)拉伸速率為10 mm/min下的抗拉力?？梢钥闯?，在拉伸試驗(yàn)中，草地早熟禾和檸條錦雞兒兩種優(yōu)勢(shì)植物根系的平均抗拉力隨拉伸速率的增大而減小。研究表明當(dāng)研究區(qū)土坡發(fā)生崩塌時(shí)，其破壞速率越小，植物根系越能充分發(fā)揮其抗拉特性。

圖5　試驗(yàn)區(qū)2種植物在不同速率下的根徑與抗拉力關(guān)系曲線

圖6　試驗(yàn)區(qū)2種植物在不同速率下的根徑與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖5可知，草地早熟禾和檸條錦雞兒在拉伸標(biāo)距為40 mm條件下，隨著植物根徑的增大，植物根系抗拉力隨著拉伸速率的增大而顯著增大，且同一根徑下拉伸速率愈大，根系抗拉力愈小。由圖6可知，當(dāng)檸條錦雞兒根徑在0.3～0.5 mm、草地早熟禾根徑在0.1～0.15 mm時(shí)，根系抗拉強(qiáng)度在3 mm/min時(shí)最大，且隨著根徑的增大，草地早熟禾和檸條錦雞兒根系抗拉強(qiáng)度隨著拉伸速率的增大而減小，且拉伸速率為3 mm/min時(shí)，根系抗拉強(qiáng)度下降幅度最大。草地早熟禾在根徑>0.27 mm后，拉伸速率為5 mm/min下的根系抗拉強(qiáng)度趨近于拉伸速率為10 mm/min的根系抗拉強(qiáng)度；檸條錦雞兒在根徑>0.66 mm后，拉伸速率為3 mm/min的抗拉強(qiáng)度小于拉伸速率為10 mm/min的。所以在土體的快速崩塌過(guò)程中，較細(xì)的根系能發(fā)揮其抗拉力較高的特點(diǎn)，能有效提高河岸的穩(wěn)定性。兩種優(yōu)勢(shì)植物根系的抗拉力、抗拉強(qiáng)度在不同拉伸速率下差異顯著性的方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

3.4　應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)兩種植物單根拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析可知，無(wú)論是草本植物還是灌木植物，由于其根系結(jié)構(gòu)組成不同，根系拉伸的應(yīng)力—應(yīng)變特征也不同。試驗(yàn)區(qū)兩種植物單根拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)為彈塑性材料特性。分別由根徑為0.22 mm的草地早熟禾和根徑為0.69 mm的檸條錦雞兒?jiǎn)胃鞈?yīng)力—應(yīng)變曲線，由圖7—8可知，在相同根徑下，不同速率、不同標(biāo)距下其應(yīng)力—應(yīng)變曲線也是不同的。兩種植物根系在受拉的初始階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈比例增長(zhǎng)，表現(xiàn)為線性關(guān)系；隨著進(jìn)一步拉伸，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限之后，應(yīng)變較應(yīng)力增長(zhǎng)更快，無(wú)殘余變形，表現(xiàn)為非線性彈性變形，此階段的應(yīng)力增量相對(duì)較小，抗拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率也較為平緩，當(dāng)達(dá)到破壞抗拉力的時(shí)候，根系斷裂破壞。

圖7　試驗(yàn)區(qū)2種植物在不同標(biāo)距下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系

圖8　試驗(yàn)區(qū)2種植物在不同速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系

從圖8看出，草地早熟禾單根在受力時(shí)，表現(xiàn)有較大的彈性；當(dāng)荷載超過(guò)彈性極限，拉力繼續(xù)增加時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系逐漸偏離直線，呈上凸曲線，斜率漸減，表現(xiàn)出非線性彈性特征；檸條錦雞兒?jiǎn)胃芰r(shí)，也表現(xiàn)有較大的彈性；當(dāng)荷載超過(guò)彈性極限，拉力繼續(xù)增加時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系逐漸偏離直線，呈略微下凹曲線，這是由于檸條錦雞兒在拉伸過(guò)程中首先是韌皮部受力，然后是其木質(zhì)部受力的原因所導(dǎo)致的。

根系在拉伸過(guò)程中其延伸率是衡量根系拉斷之前總的變形能力對(duì)坡體變形而言的一個(gè)重要指標(biāo)，其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。當(dāng)邊坡土體間出現(xiàn)滑動(dòng)裂縫時(shí)，延伸率較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，且延伸率較大的根系在受拉過(guò)程中根系形變量也較大，有利于使根系所受的拉力向根系側(cè)摩阻轉(zhuǎn)化而使根系本身所受的內(nèi)力減小，這樣有利于提高根系固土能力。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)草本植物和灌木植物根系的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變分析知：草地早熟禾在相同根徑、相同拉伸速率不同拉伸標(biāo)距下的延伸率由大到小為：標(biāo)距40 mm>標(biāo)距60 mm>標(biāo)距80 mm；在相同根徑、相同拉伸標(biāo)距不同拉伸速率下的延伸率由大到小為：3 mm/min>5 mm/min>10 mm/min；檸條錦雞兒，在相同根徑、相同拉伸速率不同拉伸標(biāo)距下的延伸率由大到小為：標(biāo)距40 mm>標(biāo)距60 mm>標(biāo)距80 mm；在相同根徑、相同拉伸標(biāo)距不同拉伸速率下的延伸率由大到小為：3 mm/min>5 mm/min>10 mm/min。可以看出兩種植物在相同根徑、拉伸速率為5 mm/min，拉伸標(biāo)距為40 mm時(shí)的延伸率最大，隨著標(biāo)距的增加延伸率呈下降趨勢(shì)；在相同根徑、拉伸標(biāo)距為40 mm，拉伸速率為3 mm/min時(shí)兩種植物根系的延伸率最大，隨著拉伸速率的增加延伸率也呈下降趨勢(shì)。由表2—3可知，草本植物草地早熟禾的平均延伸率(24%)高于灌木植物檸條錦雞兒(16.80%)，由此可以看出草本植物根系所具有的較高的抗拉強(qiáng)度、較大的延伸性能和彈塑性的特征，對(duì)于提高試驗(yàn)區(qū)坡體淺層土體的強(qiáng)度和粘聚力，同時(shí)對(duì)抵抗坡體變形都具有重要作用；灌木植物以其較長(zhǎng)的根系和根系所具有的彈塑性應(yīng)力—應(yīng)變特征對(duì)強(qiáng)化根—土復(fù)合體的抗剪切能力、錨固較深層的土體及提高土體粘聚力也都具有重要意義。

通過(guò)進(jìn)一步觀察分析根系的拉伸過(guò)程中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的特征，比較兩種植物根系無(wú)論在不同標(biāo)距還是不同速率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，根系的應(yīng)力—應(yīng)變曲線整體都為單峰曲線，特別是草地早熟禾較細(xì)根系的曲線表現(xiàn)出明顯的非光滑性的特征，這與鋼筋受拉的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的特征明顯不同，說(shuō)明草本植物草地早熟禾的根系比灌木植物檸條錦雞兒的根系在拉伸過(guò)程中對(duì)外界拉力具有較強(qiáng)的緩沖能力。

3.5　根系拉伸斷面微觀特征及其與單根抗拉特性的關(guān)系

3.5.1根系拉伸斷面微觀特征對(duì)2種優(yōu)勢(shì)植物根系的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，草地早熟禾根系結(jié)構(gòu)較檸條錦雞兒根系有較大的差異。草地早熟禾根系的木質(zhì)化程度較低，由表皮、皮層和中柱3部分組成，早熟禾根系的表皮較薄，皮層中的管孔受擠壓大多呈現(xiàn)多邊形，中柱中管孔直徑相對(duì)較小，密度較高，且管孔呈團(tuán)狀，大小較為統(tǒng)一，分布在整個(gè)次生木質(zhì)部中。檸條錦雞兒根系木質(zhì)化程度較高，主要由周皮、韌皮部、次生韌皮部以及中柱等組成。根系表皮較薄，次生韌皮部和次生木質(zhì)部占橫截面總面積的比例較大；中柱在根系橫截面中所占的面積最大，由木質(zhì)部、韌皮部等組成；管孔類(lèi)型為復(fù)管孔，分布在整個(gè)次生木質(zhì)部中；木纖維在根系橫截面所占的比例較大[28]。

對(duì)比不同拉伸速率下發(fā)生斷裂的植物根系橫斷面微觀結(jié)構(gòu)圖，可知草地早熟禾根系在拉伸速率為3 mm/min時(shí)，周皮與管孔壁剝離，周皮斷裂并發(fā)生塑性變形產(chǎn)生一定的延展現(xiàn)象，也有彈性變形。在斷口處周皮形如褶皺，次生木質(zhì)部在周皮斷裂后斷口不整齊見(jiàn)圖9A，管孔變形大，撕裂程度高；當(dāng)拉伸速率為5 mm/min時(shí)次生木質(zhì)部斷裂口較整齊，管孔形變不大。周皮撕裂程度較低，且與管孔連接較好。周皮產(chǎn)生一定的延展現(xiàn)象并形成褶皺，有明顯二次斷裂痕跡見(jiàn)圖9B；當(dāng)拉伸速率為10 mm/min時(shí)次生木質(zhì)部斷裂整齊，周皮與管孔連接完整，無(wú)剝離。周皮沒(méi)有延展沒(méi)有明顯二次斷裂痕跡，次生木質(zhì)部斷裂管孔沒(méi)有明顯被撕裂，管孔形狀保持較好見(jiàn)圖9C。檸條錦雞兒根系在拉伸速率為3 mm/min時(shí)，根系斷面呈現(xiàn)參差不齊狀，管孔受到擠壓變形較大，中柱中木纖維在拉伸作用下產(chǎn)生延展，發(fā)生二次斷裂，撕裂程度高；當(dāng)拉伸速率為5 mm/min時(shí)木質(zhì)部斷裂面整齊，皮層與中柱剝離，管孔變形不大，發(fā)生延展的木纖維的數(shù)量相比拉伸速率為3 mm/min時(shí)較少；當(dāng)拉伸速率為10 mm/min時(shí)，木質(zhì)部斷裂面整齊，管孔形狀保持較好，木纖維延展的距離相對(duì)較短(圖10)。

圖9　草地早熟禾根系在不同拉伸速率下的斷面微觀結(jié)構(gòu)

圖10　檸條錦雞兒根系在不同拉伸速率下的斷面微觀結(jié)構(gòu)

在觀察不同速率下根系受拉橫斷面管孔變化情況時(shí)，分別測(cè)定了不同拉伸速率下受拉橫斷面電鏡掃描照片中管孔短軸的平均直徑，見(jiàn)表5?？梢钥闯隼焖俾试酱?，根段受拉斷裂面越平整，平均管孔短軸直徑越小。表明在較慢拉伸速率下，根系中的纖維束能夠逐漸發(fā)揮自身抗拉特性并直到拉斷，因此斷面參差不齊，且管孔變形嚴(yán)重。隨著拉伸速率的增大，根系的彈性變形沒(méi)有完成就進(jìn)入了塑性變形，根系大多為脆性斷裂，因此斷面平整，管孔的直徑變化也相對(duì)較小。

表5　根系拉伸斷面管孔平均直徑

圖11為草地早熟禾根段分別在3 mm/min，5 mm/min和10 mm/min這3種拉伸速率下的縱斷面電鏡掃描照片。當(dāng)拉伸速率為3 mm/min時(shí)，受拉后的植物根系周皮產(chǎn)生拉裂裂縫，撕裂程度嚴(yán)重，周皮表面有大量斷裂的纖維絲。隨著拉伸速率的增大，周皮表面的拉裂裂縫數(shù)量逐漸減少且裂縫寬度也愈不明顯。表明根系在較慢的拉伸速率下能通過(guò)纖維絲的抗拉作用來(lái)減緩根系斷裂，纖維束呈現(xiàn)漸進(jìn)式破壞。觀察檸條錦雞兒根系的縱斷面微觀圖片(圖12)，可知根系縱斷面的拉裂裂縫數(shù)量是隨著拉伸速率的增大而減少，拉裂程度也逐漸減弱。由于檸條錦雞兒根系木質(zhì)化程度較高，所以周皮表面沒(méi)有斷裂的纖維絲。

圖11不同速率下草地早熟禾根系縱斷面特征

圖12　不同速率下檸條錦雞兒根系縱斷面特征

3.5.2兩種植物的根系微觀結(jié)構(gòu)與抗拉特性的相關(guān)性在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，兩種植物根系在速率為3 mm/min下大多為彈塑性斷裂，尤其是檸條錦雞兒一般都是外層韌皮部先被拉裂，裂紋呈45°方向交叉分布然后木質(zhì)部依次被撕裂。隨著速率的加快逐漸轉(zhuǎn)為脆性斷裂，斷口平滑，由于根系的彈性變形沒(méi)有完全進(jìn)行完就進(jìn)入了塑形變形，力學(xué)性質(zhì)沒(méi)有得到充分的發(fā)揮，導(dǎo)致在相同根徑、相同標(biāo)距的前提下抗拉力和抗拉強(qiáng)度隨著速率的加快都有所降低。通過(guò)對(duì)早熟禾(圖9)與檸條錦雞兒(圖10)根系微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，檸條錦雞兒根系木質(zhì)化程度高于早熟禾根系，表皮厚度也要明顯大于早熟禾。由此可見(jiàn)，檸條的次生微管組織發(fā)達(dá)，使得根系的抗拉特性較強(qiáng)，草地早熟禾的次生微管組織發(fā)展相對(duì)較弱且細(xì)胞排列疏松，使得根系的抗拉特性較弱[11]。在對(duì)試驗(yàn)拉斷根系橫斷面微觀結(jié)構(gòu)觀察中發(fā)現(xiàn)，在不同的拉伸速率下檸條錦雞兒根系橫斷面都有大量參差不齊的纖維狀物質(zhì)，即檸條錦雞兒根系木纖維在根系橫截面所占的比例要大于早熟禾。隨著拉伸速率的增大，草地早熟禾根系周皮的延伸率逐漸降低；檸條錦雞兒根系中木纖維的型變量也相應(yīng)的減小(圖9—10)。

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及觀察2種植物根系橫斷面微觀結(jié)構(gòu)圖得出，拉伸速率在較小的情況下，植物根系自身的周皮及木纖維會(huì)隨著根系的受拉發(fā)揮一定抗拉作用，影響根系的抗拉特性。該結(jié)論也符合蔣坤云在灌木、草木植物根系抗拉特性中的研究結(jié)果[16-17]。

4　結(jié) 論

(1) 單根拉伸試驗(yàn)表明，兩種植物根系抗拉力隨著根徑的增大呈冪函數(shù)增長(zhǎng)；而根系抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而減小，草地早熟禾以指數(shù)函數(shù)形式遞減、檸條錦雞兒以冪函數(shù)形式遞減。試驗(yàn)研究中，草地早熟禾根徑<0.25 mm的根系與檸條錦雞兒根徑<0.5 mm的根系具有較大的抗拉強(qiáng)度。

(2) 在不同拉伸標(biāo)距下的拉伸試驗(yàn)中，草地早熟禾發(fā)揮最大抗拉力的標(biāo)距為40 mm；檸條錦雞兒發(fā)揮最大抗拉力的標(biāo)距為80 mm。根徑相同條件下，草地早熟禾標(biāo)距為60 mm時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，且隨著根徑的增大，3種標(biāo)距下單根的抗拉強(qiáng)度變化幅度逐漸減??；而檸條錦雞兒在標(biāo)距為80 mm時(shí)其抗拉強(qiáng)度最大。檸條錦雞兒根系的抗拉力在不同標(biāo)距下差異不顯著。

(3) 在不同拉伸速率下的拉伸試驗(yàn)中，兩種植物根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度在拉伸速率為3 mm/min時(shí)最大。隨著拉伸速率的加快根系從彈塑性斷裂逐漸轉(zhuǎn)為脆性斷裂，斷口平滑，由于根系的彈性變形沒(méi)有完全進(jìn)行完就進(jìn)入了塑形變形，力學(xué)性質(zhì)沒(méi)有得到充分的發(fā)揮，導(dǎo)致在相同根徑、相同標(biāo)距的前提下抗拉力和抗拉強(qiáng)度隨著速率的加快都有所降低。兩種植物根系的抗拉特性在不同拉伸速率下均呈現(xiàn)顯著差異性。

(4) 對(duì)兩種植物根系拉伸斷面電鏡掃描觀察斷面SEM照片可知，不同拉伸速率、拉伸標(biāo)距下兩種植物根系周皮的延伸程度、撕裂程度以及管孔的變化均不相同?？傮w來(lái)說(shuō)拉伸速率越小周皮延伸長(zhǎng)度越大、撕裂程度越高、管孔變形越嚴(yán)重。同時(shí)隨著植物根徑變化、根系木質(zhì)化程度加劇以及根系木纖維增加，植物根系的抗拉特性也會(huì)有相應(yīng)的變化。

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時(shí)間一分一秒地過(guò)去，激蕩在內(nèi)心的憤恨盛怒已消失殆盡，恐慌焦慮悄然爬上心頭。昨天老四曾囑咐我們要善于發(fā)現(xiàn)對(duì)手的弱點(diǎn)，但皮特除了缺乏討喜的品質(zhì)外，沒(méi)有任何弱點(diǎn)。他夠高夠強(qiáng)壯，塊頭大，但又沒(méi)有大到使行動(dòng)遲緩；他對(duì)別人的弱點(diǎn)有很好的判斷力；他生性惡毒，肯定不會(huì)對(duì)我有半點(diǎn)慈悲心。我本想理直氣壯地告訴他不要小瞧我，可這分明是個(gè)謊言。皮特猜得一點(diǎn)沒(méi)錯(cuò)，我真是一點(diǎn)打斗能力都沒(méi)有。

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