潘 露， 張喬艷， 郭 歡， 唐麗霞?

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽；2.貴州省國有扎佐林場，550025，貴陽)

植物根系在加強邊坡穩(wěn)定、增強土體強度等方面有顯著作用，能有效地防控水土流失、淺層滑坡及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1-5]。植物根系的固土作用主要體現(xiàn)為以深粗根的錨固、淺細(xì)根的加筋以及植物蒸騰降低坡體孔隙水壓力來增加斜坡的穩(wěn)定[4,6]；而植物的抗拉特性是決定根系護坡的關(guān)鍵，在含根土體受到剪切作用時，根系所受的剪切應(yīng)力因變形拉直轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，故單根抗拉是研究根系固土的基礎(chǔ)[7-8]。

國內(nèi)外學(xué)者對植物根系抗拉力學(xué)特性開展大量的研究。Baets等[9]對地中海地區(qū)25種植物根系進行單根拉伸試驗得到植物單根抗拉力隨根徑增加呈增加趨勢，且單根抗拉強度與根徑為負(fù)相關(guān)，其函數(shù)關(guān)系受植物的種類影響。呂春娟等[10]和劉亞斌等[8]對不同植物根系的單根抗拉研究也得到相似的結(jié)果。上述研究主要探究植物種類以及根系直徑對單根抗拉特性的影響。為進一步解釋根徑與抗拉力及抗拉強度的關(guān)系，李可等[11]和張喬艷等[12]通過拉伸斷面電鏡掃描，得出根系的微觀結(jié)構(gòu)是決定根系力學(xué)特性的主導(dǎo)因素。李寧[13]和Sluiter等[14]從根系化學(xué)成分方面探討木質(zhì)素和纖維素對力學(xué)特性的影響。呂春娟等[15]和張喬艷等[16]對不同植物根系的化學(xué)成分及力學(xué)性能進行測定，結(jié)果表明根系化學(xué)成分對其力學(xué)性能有影響。李長暄等[17]結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線特征對蒙古櫟(Quercusmongolica)的抗拉力學(xué)特性進行研究，得出不同徑級的應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型，表現(xiàn)出彈塑性材料特征，這與王萍花等[7]對喬木單根拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線研究結(jié)果一致。單根的應(yīng)力應(yīng)變曲線是揭示根系抗拉過程的基礎(chǔ)，不同樹種、不同年齡、不同根長、不同根徑以及不同拉伸速率都可能會影響其本構(gòu)關(guān)系[18]。

以上研究從不同角度解析根系抗拉力學(xué)特征及其影響因素，為植物根系固土護坡提供一定的理論支撐，貴州省是我國西南喀斯特區(qū)的核心，區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)導(dǎo)致形成大量裸露邊坡，土少石多、蓄水難等現(xiàn)狀使得生態(tài)修復(fù)難度大，植物護坡對該地區(qū)的生態(tài)修復(fù)與重建起重要作用。筆者以適應(yīng)性廣、萌芽能力強、耐干旱瘠薄的雙莢決明(Cassiabicapsularis)根系為研究對象，通過單根拉伸試驗測定不同根長和拉伸速率對其單根抗拉力、抗拉強度以及應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化特征，以期探究喀斯特石質(zhì)邊坡上雙莢決明單根受力變形特性，為喀斯特地區(qū)邊坡根系固土機理研究、生態(tài)恢復(fù)和防治滑坡提供理論研究價值和實際指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市花溪區(qū)，地理位置為E 106°27′～106°52′，N 26°11′～26°34′，海拔為1 030～1 326 m，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均降水量1 229 mm，年平均氣溫15 ℃[19]。區(qū)內(nèi)土壤主要為酸性黃壤土和石灰土，土壤分布不均，土被破碎?？λ固貐^(qū)邊坡土少石多，生態(tài)修復(fù)中常以土石混合堆積為主，輔以鐵絲網(wǎng)格穩(wěn)定后，以種植灌木來達到固土護坡目的。植物根系側(cè)根在表層土壤中水平分布，主根穿透混合土石，沿巖石縫隙扎到坡體深處以達到邊坡防護。邊坡防護多為喜鈣和石生植物，主要有火棘(Pyracanthafortuneana)，野薔薇(Rosamultiflora)，莢蒾(Viburnumdilatatum)，花椒(Zanthoxylumbungeanum)，多花木藍(Indigoferaamblyantha)，雙莢決明(Cassiabicapsularis)等[20]。

2 材料與方法

2.1 根系采集及制備

于2019年7月進行根系的采集與制備，以撒種生長5 a，長勢一致，無病蟲害的雙莢決明作為實驗株。采用全挖法獲取根系，清除根系表面雜質(zhì)后，將根系制成標(biāo)距分別為50、100 mm的試驗樣(根段總長分別為110和160 mm，兩端各留30 mm自由端用于與夾具接觸)并置于自封袋封袋保存，進行室內(nèi)拉伸試驗。當(dāng)天未能完成測定的根系，放于4 ℃冰箱保持根系的鮮活，所有根系于7 d內(nèi)完成實驗。

2.2 根系抗拉力學(xué)特性的測定

用電子游標(biāo)卡尺分別測量根段標(biāo)距兩端和中間的直徑，取其平均值作為該根段的直徑。根據(jù)平均直徑D將實驗根分為5個徑級，分別為徑級Ⅰ(0.5

實驗儀器采用濟南耐爾試驗機DWD-10，最大量程為10 kN，速度0.001～500 mm/min。為減少試驗誤差，根系滑出夾具或被夾斷均視為無效試驗，當(dāng)根系斷裂處明顯遠離夾具時為成功試驗。試驗總根數(shù)為210根，有效根系為89根，成功率為42.38%。

在研究根長對根系變形的影響時，拉伸速率選用10 mm/min，標(biāo)距分別為50、100 mm。預(yù)實驗表明，標(biāo)距小于50 mm的根段很難固定在萬能試驗機上，而大于100 mm的順直根段很少，故選用50和100 mm這2個標(biāo)距。為模擬在自然狀態(tài)下滑坡緩慢發(fā)生和大風(fēng)條件下的滑坡發(fā)生[21]，在研究拉伸速率對根系變形的影響時，標(biāo)距選用100 mm，拉伸速率分別為10、500 mm/min。

2.3 數(shù)據(jù)處理

林木根系的抗拉強度是指根系在外力拉伸下抵抗破斷的能力[9]。公式如下：

P=4Fmax/πD2；

(1)

σ=4F/πD2；

(2)

ε=ΔL/L。

(3)

式中：P為根系抗拉強度，MPa；Fmax為根系極限抗拉力，N；F為實時拉力，N；σ為應(yīng)力，MPa；D為根系平均直徑，mm，由于在實驗過程中無法測量根系斷裂時的直徑，所以認(rèn)為實驗過程中直徑?jīng)]有變化；ε為縱向線應(yīng)變即延伸率；ΔL為根系的延長量，mm；L為兩夾具之間受到拉伸作用的根長，mm，即為標(biāo)距。數(shù)理統(tǒng)計方法為卡方獨立性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 單根抗拉力學(xué)特性

3.1.1 不同根長、拉伸速率下單根抗拉力與根徑的關(guān)系 由圖1a和1b可見不同根長下雙莢決明單根抗拉力與直徑均呈冪函數(shù)關(guān)系增長，根長對單根抗拉力與根徑之間的關(guān)系影響不大。由圖1可知不同拉伸速率下雙莢決明單根抗拉力與直徑之間均呈冪函數(shù)關(guān)系增大，表明拉伸速率對單根抗拉力與根徑之間關(guān)系影響不大。

圖1 雙莢決明單根抗拉力與根徑的關(guān)系Fig.1 Relationship between tensile force of a single root and root diameter of Cassia bicapsularis

不同條件下最大抗拉力與直徑之間的函數(shù)關(guān)系式不同。根長50 mm，拉伸速率10 mm/min；根長100 mm，拉伸速率10 mm/min和根長100 mm，拉伸速率500 mm/min條件下單根抗拉力與直徑之間函數(shù)關(guān)系式分別為y=25.177x1.518 3(R2=0.900 4)；y=16.326x1.967 6(R2=0.929 2)；y=30.418x1.633(R2=0.913 2)。

3.1.2 不同根長、拉伸速率下單根抗拉強度與根徑的關(guān)系 圖2為雙莢決明單根抗拉強度與根徑之間的關(guān)系曲線，可見不同根長條件下單根抗拉強度與根徑之間均呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系減小，對比圖2b及圖2c可得不同拉伸速率下單根抗拉強度與根徑之間均呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系減小，表明根長和拉伸速率對單根抗拉強度與根徑之間關(guān)系影響不大。

圖2 雙莢決明單根抗拉強度與根徑的關(guān)系Fig.2 Relationship between tensile strength of a single root and root diameter of Cassia bicapsularis

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力應(yīng)變曲線可表現(xiàn)出多個拉伸力學(xué)性能指標(biāo)，如彈性模量、極限延伸率、抗拉強度等，此外，應(yīng)變狀態(tài)還能反映單根受力時的變形情況。本研究結(jié)果表明，雙莢決明單根拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線多樣，主要表現(xiàn)為鋸齒型、單峰型和多峰型3種(圖3)。

圖3 雙莢決明單根應(yīng)力應(yīng)變曲線類型Fig.3 Types of stress-strain curve of a single root of Cassia bicapsularis

圖3a為鋸齒型曲線，在受力初期，OA段應(yīng)力隨應(yīng)變呈直線增加，鋸齒波動不明顯，單根為彈性變形，隨著拉力持續(xù)增加，曲線斜率發(fā)生變化，AB段鋸齒型逐漸變明顯，即出現(xiàn)屈服階段，小范圍內(nèi)應(yīng)變增加而應(yīng)力沒有變化，單根變形為彈塑性變形。當(dāng)應(yīng)力達到最大值時，根系斷裂，應(yīng)變達到最大值。

圖3b為單峰型曲線， OA段為受力初期，應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性遞增，此階段為彈性變形階段。AB段為單根受力中期，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性，單根進入彈塑性變形階段，單根在力的作用下開始屈服。經(jīng)過屈服階段后， BC段為受力后期，單根進入硬化階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增大而增大，直至達到應(yīng)力峰值，單根斷裂，應(yīng)力迅速下降為0，此階段為塑性變形。

圖3c為多峰型曲線， OA段為彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線近似直線。AB段為屈服階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性，撤去拉伸力后，單根不能完全恢復(fù)至拉伸前的狀態(tài)，而保留一部分殘余變形。BC段為硬化階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間增長關(guān)系近似線性增長，應(yīng)力增至C點后根皮撕裂，應(yīng)力下降。CD段為根皮撕裂階段，應(yīng)變增加，應(yīng)力呈多峰型上下波動，根皮斷裂后中柱繼續(xù)抵抗變形，故D點處應(yīng)力表現(xiàn)為增大至最后一個峰值后迅速下降至0。

3.3 不同根長、不同速率對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

通過在不同拉伸速率下對不同根長的雙莢決明根系進行單根拉伸試驗，將應(yīng)力應(yīng)變曲線進行分類匯總得到表1。

表1 雙莢決明應(yīng)力應(yīng)變曲線類型匯總表Tab.1 Summary of the types of stress and strain curves of Cassia bicapsularis

3.3.1 不同根長下的應(yīng)力應(yīng)變曲線 由表1可見，雙莢決明根系在拉伸速率為10 mm/min，根長為50和100 mm條件下應(yīng)力應(yīng)變曲線多樣，鋸齒型、單峰型和多峰型均有，且不同根長下各類型占比不同。根長為50 mm條件下多峰型曲線占比最大，且其對應(yīng)的根徑范圍較廣。根長為100 mm條件下各類型曲線占比相差不大。值得注意的是，2種根長條件下鋸齒型曲線均為根徑小于2 mm的單根應(yīng)力應(yīng)變曲線，說明直徑較小的根系對外界拉力的緩沖能力更強。對不同根長的實驗結(jié)果進行卡方獨立性檢驗，結(jié)果表明，根長與應(yīng)力應(yīng)變曲線類型沒有顯著的相關(guān)性，χ2=2.801，P=0.247>0.05，接受原假設(shè)，即根長對應(yīng)力應(yīng)變曲線無顯著影響。

3.3.2 不同速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線 由表1可見，在根長均為100 mm，拉伸速率為10 mm/min條件下，應(yīng)力應(yīng)變曲線類型多樣且各類型占比均勻。拉伸速率為500 mm/min時所有應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型。對2種拉伸速率下的實驗結(jié)果進行卡方獨立性檢驗，結(jié)果表明，拉伸速率與應(yīng)力應(yīng)變曲線類型間有顯著的相關(guān)性，χ2=27.887，P=0.00<0.05，拒絕原假設(shè)，即拉伸速率對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型有顯著影響。

4 討論

單根的應(yīng)力應(yīng)變曲線是揭示根系抗拉過程的基礎(chǔ)，曲線反映單根受拉力過程中的變形特性。筆者通過在不同拉伸速率下對不同根長的雙莢決明進行單根拉伸實驗，試圖探究喀斯特地區(qū)雙莢決明單根抗拉變形特性。結(jié)果表明：

1)雙莢決明單根抗拉力隨直徑增大而呈冪函數(shù)遞增，單根抗拉強度隨直徑增大呈對數(shù)函數(shù)遞減。這與前人對其他植物單根拉伸的研究結(jié)果相近，李可等[11]對早熟禾和檸條錦雞兒的研究結(jié)果表明2種植物根系抗拉力與根徑間均呈冪函數(shù)關(guān)系增長，抗拉強度隨根徑增加而遞減，2種植物遞減關(guān)系不同。呂春娟等[10]對5種喬木抗拉特性進行研究，表明5種喬木根系極限抗拉力與直徑之間為冪函數(shù)關(guān)系，油松和白樺根系抗拉強度隨著直徑增大以冪函數(shù)遞減，蒙古櫟、落葉松和榆樹根系的單根抗拉強度隨根徑增大呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減。

2)喀斯特地區(qū)雙莢決明單根抗拉變形多樣且過程復(fù)雜，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)可將曲線分為3種類型，鋸齒型、單峰型和多峰型。鋸齒型主要包括彈性階段和屈服階段2個階段，對應(yīng)的變形特征為彈性變形和彈塑性變形，與軟鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變曲線有所不同，鋸齒型曲線沒有強化階段和局部頸縮階段。單峰型曲線表現(xiàn)為彈塑性材料受拉變形過程，主要包括彈性階段、屈服階段和強化階段，單根形態(tài)變化為彈性變形后到彈塑性變形，再到塑性變形直至斷裂。多峰型主要包括彈性階段、屈服階段、強化階段和局部頸縮階段，由于根系屬于高分子材料，材質(zhì)具有不均勻性，在局部頸縮階段變形體現(xiàn)為根皮撕裂，單根形態(tài)變化過程包括彈性變形、彈塑性變形、塑性變形、根皮撕裂和完全斷裂。李長暄等[17]對蒙古櫟的單根拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線研究結(jié)果表明各徑級應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型，這與本研究結(jié)果有所差異，這可能是樹種差異造成的。

3)對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型進行統(tǒng)計分析，在速率為10 mm/min，根長為50和100 mm條件下，3種應(yīng)力應(yīng)變曲線均有出現(xiàn)，根長對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型無顯著影響。在根長為100 mm，速率為500 mm/min條件下，應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型，拉伸速率對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型有影響，說明在拉伸過程中，拉伸速率對單根變形特征有影響，其原因可能是在較快的速率下，纖維束來不及發(fā)揮自身的抗拉特性，根系經(jīng)硬化階段后迅速斷裂。鋸齒型曲線均為根徑<2 mm的單根，這與細(xì)根的生物學(xué)特性有關(guān)，根徑<2 mm的單根木質(zhì)部發(fā)育不成熟，纖維素含量高，各組織分化不明顯，根皮和內(nèi)部組織間黏附力強，故沒有強化階段和根皮撕裂階段。這種非光滑的曲線特征與鋼筋受拉的應(yīng)力應(yīng)變曲線完全不同，說明細(xì)根在拉伸過程中對外界拉力具有較強的緩沖能力。這與王萍花等[7]、ZHANG[22]的研究結(jié)果一致。

5 結(jié)論

1)喀斯特地區(qū)雙莢決明單根抗拉力與根徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系遞增，抗拉強度與根徑之間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減，其抗拉特性與非喀斯特地區(qū)植物一致。

2)雙莢決明單根受拉變形多樣且過程復(fù)雜，應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為鋸齒型、單峰型和多峰型，單根以彈性變形、彈塑性變形以及根皮撕裂等變形方式來抵抗破壞，具有較強的變形能力。且變形方式與根徑有關(guān)，細(xì)根僅能發(fā)生彈性變形和彈塑性變形。

3)根長對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型沒有顯著影響。拉伸速率對應(yīng)力應(yīng)變曲線影響較大，拉伸速率為500 mm/min時，應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型。在較快速率下，根系更容易被破壞。直徑較小的根對外界拉力具有較強的緩沖能力。