馮國(guó)建，凌禎，肖桂英

（1.昆明學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)與工程管理學(xué)院，云南 昆明 650214；2.建水縣林業(yè)技術(shù)推廣所，云南 紅河哈尼族彝族自治州 654399）

滑坡是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害。對(duì)于滑坡的治理，一般采取漿砌片石、噴錨支護(hù)等單純的工程防護(hù)措施，但這些治理措施破壞了原有植被，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響較大。與傳統(tǒng)的工程治理措施相比，植被護(hù)坡具有改善生態(tài)環(huán)境、減少水土流失、涵養(yǎng)水源等作用，是一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的防治方法與措施，具有不可替代的重要作用[1]。因此，在人們?cè)絹?lái)越注重環(huán)境保護(hù)的背景下，采取工程防護(hù)措施與植物相結(jié)合的方法逐漸成為邊坡防護(hù)的一種新趨勢(shì)。

植物根系能與土壤顆粒形成根網(wǎng)，將植物體牢牢固定于土壤中，相當(dāng)于對(duì)土體具有一定的加筋作用[2]，根系增加了土體的粘聚力[3]，從而提高了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)[4]。當(dāng)根土復(fù)合體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)變形時(shí)，由于土體是不能承受拉力的材料，而植物根系能承受一定的拉力，在根土復(fù)合體受力變形的情況下，植物根系會(huì)被拉直。因此，植物根系固土效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是根系受到了拉力的作用[5]。劉福全將根系的力學(xué)特性的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重進(jìn)行分析，指出根系抗拉力學(xué)特性是影響植物根系固土的主導(dǎo)力學(xué)因素[6]。因此，有必要對(duì)護(hù)坡植物根系的抗拉性能進(jìn)行相關(guān)研究，揭示相關(guān)機(jī)理，為植被護(hù)坡提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南省植物資源豐富，具有“植物王國(guó)”的美稱(chēng)，是我國(guó)最早應(yīng)用高速公路坡面植被恢復(fù)技術(shù)的省份[7]。本次試驗(yàn)的取樣地點(diǎn)為昆明學(xué)院校內(nèi)觀物山（102°42'E，25°02'N），平均海拔 1 894 m。取樣地點(diǎn)的山坡坡面以紅黏土為主，邊坡坡度為50°左右。年平均氣溫15℃，最冷月平均氣溫7.7℃，最熱月平均氣溫19.8℃。該地水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，主要靠大氣降水及地表徑流補(bǔ)給，年均降水量1 000 mm左右，年度降水主要集中在6月份至10月份，約占全年降水的80%。坡向是山地的重要地形因子之一，會(huì)影響受光方向、溫度、降水、風(fēng)速等生態(tài)因子，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而對(duì)植物根系產(chǎn)生一定影響[8]。陰坡的土壤有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)碳和有效氮含量要高于陽(yáng)坡，說(shuō)明陰坡具有相對(duì)較高的土壤營(yíng)養(yǎng)資源[9]，植物生長(zhǎng)狀況比陽(yáng)坡好。因此，本次試驗(yàn)選取生長(zhǎng)在陰坡上的黃茅根系進(jìn)行抗拉性能試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)儀器與材料

2.1 試驗(yàn)儀器

由于目前我國(guó)沒(méi)有植物根系抗拉試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此研究者進(jìn)行室內(nèi)根系抗拉試驗(yàn)采用的儀器不盡相同[10]。本次試驗(yàn)儀器采用適用于棉、毛、麻、毛纖維物等材料的抗拉伸斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)測(cè)定的YG（B）026H-250型電子織物強(qiáng)力機(jī)（分辨率0.1 N，測(cè)力范圍0～2 500 N），儀器主要由機(jī)架、傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、測(cè)力傳感器、上下夾持器、電器控制箱及顯示面板等部件組成。其中，上夾具與測(cè)力傳感器相連接，下夾具與底座相連接。

2.2 試驗(yàn)材料

黃茅（Heteropogon contortus）為禾本科多年生叢生草本植物，喜熱且抗旱，耐貧瘠土壤，須根發(fā)達(dá)且較堅(jiān)韌，主要集中在5～30 cm土層中。分蘗能力較強(qiáng)，可達(dá)8～10個(gè)。在根系采樣過(guò)程中，選取生長(zhǎng)正常的黃茅植物，采用整株挖掘的方法采集植物根系，以黃茅植物為圓心，0.5 m為半徑，逐漸向下開(kāi)挖，在挖掘過(guò)程中盡量減少對(duì)根系的機(jī)械損傷。取樣完畢，為保證根系的鮮活性，將根系置于與根系生長(zhǎng)環(huán)境相似的濕土中保存，并帶回實(shí)驗(yàn)室盡快進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

將制備好的黃茅根系放在試驗(yàn)儀器夾具中間，分別由上、下夾具夾持黃茅根系，并保證根系的試驗(yàn)部分長(zhǎng)度為60 mm，啟動(dòng)試驗(yàn)儀器后，傳感器以500 mm/min的速度對(duì)黃茅根系進(jìn)行拉伸，直至根系被拉斷。在試驗(yàn)過(guò)程中，有的根系會(huì)從夾具中脫出，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中，剔除了這部分?jǐn)?shù)據(jù)。用游標(biāo)卡尺測(cè)定斷裂處根系的直徑，并記錄拉斷時(shí)的拉力，則根系的拉應(yīng)力可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中 σ：黃茅根系的拉應(yīng)力（MPa）；F：最大抗拉力（N）；D：拉斷處的根系直徑（mm）。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了80組拉伸試驗(yàn)，從根系中間部位斷裂的有49組，試驗(yàn)成功率為61.25%。對(duì)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前，應(yīng)判斷是否存在異常數(shù)據(jù)，若存在異常數(shù)據(jù)，則會(huì)加大試驗(yàn)誤差，甚至歪曲試驗(yàn)結(jié)果。植物根系抗拉力的測(cè)量值為Fi，平均值為標(biāo)準(zhǔn)差為σ，根據(jù)正態(tài)分布理論的概率為0.952。因此，在49組測(cè)量數(shù)據(jù)中，若某次測(cè)量的根系抗拉力的誤差不符合時(shí)，則對(duì)應(yīng)的抗拉力Fi具有較大誤差，應(yīng)剔除。和σ按式（2）和式（3）計(jì)算。

黃茅根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度的概率分布及試驗(yàn)數(shù)據(jù)間的擬合方程曲線應(yīng)用OriginLab分析并繪制分布圖。黃茅根系直徑與抗拉力、抗拉強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系，應(yīng)用CurveExpert軟件進(jìn)行擬合，得到擬合方程及相關(guān)系數(shù)。黃茅根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑關(guān)系的方差應(yīng)用SPSS軟件分析。

3 結(jié)果與分析

對(duì)49組的植物根系抗拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到根系抗拉力箱型圖（圖1）。從圖1可以看出，有5個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在異常，在分析之前應(yīng)進(jìn)行剔除。

圖1黃茅根系抗拉力箱型圖

剔除異常值后的植物根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，抗拉力和抗拉強(qiáng)度的概率分布直方圖如圖2所示?？芍S茅根系的抗拉力主要集中在7～15 N，占樣本總數(shù)的91%；黃茅根系的抗拉強(qiáng)度主要集中在50～150 MPa，占樣本總數(shù)的66%。

表1黃茅根系直徑、抗拉力和抗拉強(qiáng)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖2黃茅根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的概率分布直方圖

為研究黃茅根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行回歸分析?；貧w分析結(jié)果見(jiàn)表 2、表 3。

表2黃茅根系抗拉力與根系直徑關(guān)系的方差分析

表3黃茅根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑關(guān)系的方差分析

將試驗(yàn)過(guò)程中記錄的根系直徑、根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度繪制于圖3。由圖3可知，隨著根系直徑增加，根系的抗拉力隨之增大，但根系抗拉強(qiáng)度則隨之降低，表現(xiàn)出根系抗拉力與根系直徑呈正相關(guān)關(guān)系，根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度和根系直徑進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合出的關(guān)系式分別為F=16D0.14和σ=27.5D-1.33，相關(guān)系數(shù)分別為0.68和0.95。

圖3黃茅根系直徑與抗拉力、抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線

4 結(jié)論與討論

黃茅根系的抗拉力與根系直徑呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，抗拉強(qiáng)度與根系直徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于植物根系的抗拉性能，研究者針對(duì)不同的植物根系進(jìn)行了抗拉力學(xué)性能試驗(yàn)研究，對(duì)根系直徑與抗拉力及抗拉強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，指出植物根系的直徑與抗拉力與呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，與抗拉強(qiáng)度呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系[11]。本文的研究結(jié)果與以上試驗(yàn)結(jié)果是一致的，印證了本研究的正確性。

植物根系是高分子有機(jī)體，主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和果膠等物質(zhì)組成[12]，根系纖維素分子鍵使植物在沿根長(zhǎng)方向具有一定的抗拉性。在根系生長(zhǎng)初期，微細(xì)纖維已排列緊密，構(gòu)成纖維細(xì)胞壁的網(wǎng)狀骨架，隨著根系的不斷生長(zhǎng)和木質(zhì)化，木質(zhì)素不斷積存于微細(xì)纖維之間，以化學(xué)或物理方式使纖維之間黏結(jié)和加固，增加了根系的機(jī)械強(qiáng)度[13]，隨著根系直徑的不斷增大，纖維素和木質(zhì)素在徑向和軸向都明顯增加，從而表現(xiàn)為根系的抗拉力隨根系直徑增大而增大[14]。因此，試驗(yàn)中的黃茅根系抗拉力與根系直徑之間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，隨著直徑增加，根系的纖維素和木質(zhì)素含量增加，導(dǎo)致根系抗拉力增大。

在今后的研究中，應(yīng)進(jìn)行不同坡向情況下的根系抗拉性能試驗(yàn)的比較研究。此外，植物根系具有分支，應(yīng)增加進(jìn)行分支處的抗拉力學(xué)特性試驗(yàn)，進(jìn)行根系分支處的抗拉力及抗拉強(qiáng)度的研究。