羅龍皂,李紹才,孫海龍,龍 鳳,張 丞,盧荻秋

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715;2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川成都 610064;3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,四川成都 610064;4.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都 610064)

石質(zhì)陡邊坡構(gòu)樹根系抗拉特性研究

羅龍皂1,李紹才2,孫海龍3,龍 鳳2,張 丞4,盧荻秋4

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715;2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川成都 610064;3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,四川成都 610064;4.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都 610064)

石質(zhì)陡邊坡;構(gòu)樹根系;抗拉強(qiáng)度;根系分級;上坡向;下坡向;應(yīng)力 -應(yīng)變曲線

通過對構(gòu)樹根系進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸試驗,從根系生長方位和根系分級角度,系統(tǒng)分析了上、下坡向,一、二、三級側(cè)根的抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗研究結(jié)果表明:根系的抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增大而減小,有著很好的冪函數(shù)關(guān)系,并且隨著根徑的增大,它們的抗拉強(qiáng)度值越來越接近;根系的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線與其自身的生長方位、根徑大小、根系分級存在一定的關(guān)系;上、下坡向根系的抗拉強(qiáng)度之間存在顯著性差異,其中下坡向根系的抗拉強(qiáng)度大于上坡向根系的抗拉強(qiáng)度;一、二、三級根系的抗拉強(qiáng)度之間不存在顯著性差異,三級側(cè)根抗拉強(qiáng)度平均值最大、二級側(cè)根次之、一級側(cè)根最小。由此可見,細(xì)根或毛根抗拉強(qiáng)度大,對保持邊坡穩(wěn)定的貢獻(xiàn)較大。不同生長方位和分級根系對護(hù)坡的貢獻(xiàn)也不相同,其中下坡向根系的貢獻(xiàn)要大于上坡向根系,隨著根系級別的增加,根系對護(hù)坡的貢獻(xiàn)率也在增加。

植物根系在提高邊坡穩(wěn)定性和防止坡面整塊垮塌中扮演著很重要的角色[1],植物根系不光從土壤中吸收養(yǎng)分,還具有支撐地上部分與加固巖土體的重要力學(xué)功能[2-3]。根系的抗拉特性是評估其力學(xué)作用能力的重要方面,故國內(nèi)外很多學(xué)者對其進(jìn)行了研究[4-9]。這些研究主要集中在根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及根系抗拉力與根徑之間的關(guān)系、抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系等方面,大多是在平地或土質(zhì)邊坡中開展的,對石質(zhì)邊坡生境下根系抗拉特性的研究較少,且在坡面條件下根系的抗拉特性受根系的空間分布位置及外荷載條件的影響劇烈,但目前對這方面的定量研究還較匱乏[10-12]。

構(gòu)樹在我國分布廣泛,尤其在南方地區(qū)極為常見,具有適應(yīng)性特強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)、根系淺、側(cè)根分布很廣、生長快、萌芽力和分蘗力強(qiáng)的特點(diǎn),尤其適合于石質(zhì)陡邊坡的生態(tài)防護(hù)。因此,本試驗以石質(zhì)陡坡生境下的構(gòu)樹為研究對象,著重從根系在坡面的生長方位與根系分級角度對構(gòu)樹根系抗拉特性進(jìn)行研究,目的是探明根系抗拉特性隨植物根系空間分布的變化特征,為定量評價植物根系的材料力學(xué)行為提供依據(jù),以進(jìn)一步為巖石邊坡生態(tài)防護(hù)提供指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地介紹

試驗地為四川省勵自生態(tài)技術(shù)有限公司試驗基地,位于四川省彭州市升平鎮(zhèn)。本地區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年平均氣溫16.3℃,最熱月(7月)平均氣溫 25.8℃,最冷月(1月)平均氣溫5.6℃,年平均降水量 1 146.5mm,其中生長季(3— 10月)降水量 816.3mm,年平均相對濕度 79%,年均蒸發(fā)量1 536.4mm。

該石質(zhì)邊坡為人工模擬邊坡,試驗區(qū)面積為 4.75m×15m,坡度為 1∶0.75,坡向南。巖石面采用 100 cm×50 cm×10 cm的石板砌成,基質(zhì)用植壤土(土壤類型為紫色土)與 TBS綠化基材(具體組成見文獻(xiàn)[13])按質(zhì)量比 10∶1混合,采用干噴法噴射(12m3空壓機(jī)、5m3/h混凝土噴射機(jī))至試驗坡面,厚度 10 cm。測得基質(zhì)混合物的容重為 1.07 g/cm3,有機(jī)質(zhì)含量為 47.06 g/kg。供試種于 2005年 6月以噴播方式與刺槐、桑樹、錦雞兒種子進(jìn)行混合播種,試驗時間是 2009年 5月份。試驗前測得基質(zhì)全N含量為 3.49 g/kg、全 P為 6.96 g/kg、全 K為 3.56g/kg。

1.2 根系挖掘與測量

(1)試驗前將坡面枯落物等雜質(zhì)清除,選定試驗植株(共 10棵)。

(2)通過開挖測得土壤厚度約為 10 cm,挖至 5 cm左右,露出鐵絲網(wǎng),根系、土體、鐵絲網(wǎng)相互交織在一起。小心地將根系周圍的鐵絲網(wǎng)剪掉并將其清理出坡面,此時土體厚度約剩 5 cm,然后對土體澆水至飽和,24h后進(jìn)行根系人工挖掘。

(3)選取根系中比較直的部分,長度為 150mm,用枝剪小心剪取,獲得的樣品貼上標(biāo)簽,注明采集植株、方位、根系分級等信息,立即裝入自封袋并放入 4℃冰箱保存[14]。

(4)根系力學(xué)特性測試前先用小刀將根皮剝掉,然后用游標(biāo)卡尺對其根徑進(jìn)行測量,由于根斷面不是規(guī)則的圓形,所以測量時應(yīng)同時測幾個直徑,并以最大的那個直徑作為根系的直徑(根徑的測量需同時測根端和根中部直徑)[4]。

1.3 根系力學(xué)特性測試

試驗根系按其生長方位可分為上坡向和下坡向兩類[8];根系分級按照標(biāo)準(zhǔn)分級方法分為一級側(cè)根、二級側(cè)根和三級側(cè)根[15-16]。根系生長方位和分級情況見圖 1。進(jìn)行根系力學(xué)特性測試前測定根系含水量為1.36%(均值),在室溫條件下,利用電子萬能試驗機(jī)(CMT5000,深圳新三思有限公司生產(chǎn))對它們進(jìn)行單根力學(xué)特性測試。電子萬能試驗機(jī)上裝有可卸載夾具,試驗時將根系兩端固定在夾具上,以保證其軸心受拉。拉伸過程中,根系容易在其與夾具接觸處斷裂。只有根系在根段中點(diǎn)附近斷裂,我們才認(rèn)為試驗是成功的。

圖1 坡面植物根系生長方位和分級示意

根系的抗拉強(qiáng)度計算公式為

式中:Tr為根系的抗拉強(qiáng)度,Mpa;Fa為最大抗拉力,N;D為根斷裂點(diǎn)直徑,mm。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對不同生長方位、不同分級根系的抗拉強(qiáng)度與根徑進(jìn)行回歸分析,探討它們之間的關(guān)系。再對不同生長方位根系抗拉強(qiáng)度進(jìn)行配對樣本T檢驗,分析它們之間的差異。對數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)方差分析,看根系分級是否對根系的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響,其中根徑作為協(xié)變量,根系分級作為自變量,抗拉強(qiáng)度作為因變量。數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗使用的是 Kolmogorov-Smirnov檢驗法,如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布,則對數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化。這些分析都是在spss16.0軟件中進(jìn)行的(顯著水平為 0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑間的關(guān)系

很多研究表明[17-20],根系的抗拉強(qiáng)度(Tr)與根徑大小有很大的關(guān)系,因此我們對上、下坡向不同分級(一級、二級、三級)根系的抗拉強(qiáng)度值與相應(yīng)根徑進(jìn)行了回歸分析,把曲線參數(shù)、樣本數(shù)量、根徑范圍、判定系數(shù)、相伴概率列于表 1中。分析結(jié)果(見圖 2)表明,上、下坡向各個分級根系的抗拉強(qiáng)度都隨著根徑的增大而減小,存在很好的冪函數(shù)關(guān)系(Tr=α? dβ),這與前人的研究結(jié)果一致[5,9-10]?；貧w方程中的指數(shù) β表示根系抗拉強(qiáng)度隨著根徑減小的速率,α可以作為一個尺度因子[14]。一級側(cè)根的α值較低,β值較高,表現(xiàn)出較低的抗性;二級側(cè)根的α值較高,β值較低,表現(xiàn)出較高的抗性。另外,上、下坡向根系中,隨著根徑的增大,各級根系的抗拉強(qiáng)度值越來越接近。

表 1 根系抗拉強(qiáng)度與根徑回歸方程參數(shù)

2.2 根系應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

研究發(fā)現(xiàn),同一植株中同一分級、根徑相同的根系,生長方位不同則其應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異較大。植物根系材料可分為彈性和塑性兩類[7]。一級側(cè)根中〔圖 3(a)〕,上坡向根系曲線的彈性階段較短,延伸率較大,表現(xiàn)為較大的塑性;而下坡向根系曲線表現(xiàn)為較大的線性。二級側(cè)根中〔圖 3(b)〕,上坡向根系彈性階段很小,延伸率達(dá)到 12%左右,主要表現(xiàn)為塑性;下坡向根系曲線具有較大的線性。上、下坡向三級側(cè)根的曲線形狀比較相似〔圖3(c)〕,彈性階段比較明顯,延伸率都達(dá)到12%左右,均表現(xiàn)為彈塑性特征。下坡向三級側(cè)根的比例極限 σpl、極限應(yīng)力 σu都要大于上坡向三級側(cè)根,說明上坡向三級側(cè)根具有更大的剛度。由此可見,根系的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與其生長方位有著密切的關(guān)系,因為不同生長方位上根系的水分、受力均會有差異,這都會影響根系的力學(xué)特性[21],從而導(dǎo)致上、下坡向應(yīng)力 -應(yīng)變曲線的差異。另外,在同一植株中,根徑相同的條件下,上坡向方面,各級側(cè)根的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線〔圖 4(a)〕也都具有比較明顯的彈性階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段、頸縮階段,表現(xiàn)出一定的彈塑性,其中一級側(cè)根的剛度和抗拉強(qiáng)度也是最大的。下坡向不同分級根系的應(yīng)力-應(yīng)變曲線〔圖 4(b)〕都具有比較明顯的彈性階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段、頸縮階段,而屈服階段不明顯,這些根系均表現(xiàn)為彈塑性特征。其中,三級側(cè)根的延伸率最大,達(dá)到 17%,說明其塑性最大。各級側(cè)根按極限應(yīng)力 σu(與抗拉強(qiáng)度一致)大小排序為一級側(cè)根 ＞二級側(cè)根＞三級側(cè)根,說明一級側(cè)根的剛度和抗拉強(qiáng)度最大。也就是說,不論從上坡向還是下坡向來看,一級側(cè)根的剛度和抗拉強(qiáng)度都是最大的,這可能與根系的解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)[10-11],有待深入研究。

圖4 不同分級根系的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 生長方位對根系抗拉強(qiáng)度的影響

通過對相同根系分級、相同(或相近)根徑、不同生長方位根系的抗拉強(qiáng)度值進(jìn)行配對樣本T檢驗,發(fā)現(xiàn)生長方位對根系的抗拉強(qiáng)度有顯著影響,上、下坡向根系的抗拉強(qiáng)度值之間存在顯著差異(T值為 4.361,P＜0.05,n=25)。從圖 5可知下坡向根系的抗拉強(qiáng)度均大于上坡向根系的抗拉強(qiáng)度,這可能是水分、養(yǎng)分、重力等因素的影響造成上、下坡向根系木質(zhì)化程度、纖維素含量的差異,從而導(dǎo)致上、下坡向根系抗拉強(qiáng)度大小的不同[12,21],具體原因有待進(jìn)一步研究。

2.4 根系分級對抗拉強(qiáng)度的影響

不同分級根系在遺傳、發(fā)展和功能上具有獨(dú)特性[22],這可能會導(dǎo)致它們的力學(xué)特性之間有差異。我們對同一生長方位、相同根徑但分級不同的根系進(jìn)行方差分析,發(fā)現(xiàn)下坡向根系中,根系分級對抗拉強(qiáng)度沒有顯著性影響,即一、二、三級側(cè)根的抗拉強(qiáng)度之間不存在顯著性差異(F=0.324,P=0.725,n=49),上坡向根系中也得到同樣結(jié)論(F=1.433,P=0.256,n=31)。雖然各個分級根系的抗拉強(qiáng)度之間不存在顯著性差異,但它們的平均值呈遞增趨勢(圖 5)。因為隨著分級的增加,根齡逐漸減小,而根齡小的根系可能具有更高的纖維素含量,從而提高其抗拉強(qiáng)度值[10]。

圖5 不同分級、不同生長方位根系抗拉強(qiáng)度

3 結(jié) 論

根系的抗拉強(qiáng)度是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素。本研究表明,根系抗拉強(qiáng)度隨著根徑增大而減小,有著很好的冪函數(shù)關(guān)系。上、下坡向根系的抗拉強(qiáng)度之間存在顯著性差異,其中下坡向根系的抗拉強(qiáng)度大于上坡向根系的抗拉強(qiáng)度。雖然一、二、三級根系的抗拉強(qiáng)度之間不存在顯著性差異,但它們的平均值呈遞增趨勢。由此可見,細(xì)根或毛根抗拉強(qiáng)度大,對保持邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)較大。不同生長方位和不同分級的根系對護(hù)坡的貢獻(xiàn)也不相同,下坡向根系的貢獻(xiàn)要大于上坡向根系,隨著根系級別的增加,根系對護(hù)坡的貢獻(xiàn)率也在增加。

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Characteristics of Tensile of Root System of Broussonetia papyrifera Growing on Lithosol Steep Slopes

LUO Long-zao1,LIShao-cai2,SUN Hai-long3,et al.
(1.School of Resources and Environment,SouthwestUniversity,Chongqing 400715,China;2.School of Life Sciences,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610064,China;

3.State Key Laboratory of Hyd rau lics Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610064,China)(37)

The paper systematically analyzes the tensile strength and stress-strain curveofup slope direction,down slope direction and lateral roots of grades 1,2 and 3 from the view points ofgrowing location and grade of rootsystem based on indoor single-root tensile tests of root system of Broussonetia papyrifera.The outcomes show thata)the tensile strength of root system decreases along with the increase of root diameter,showing a good relationship of power exponent.Their tensile strength values aregetting closer and closeralong with the increase of root diameter;b)the stress-strain curve of root system has a certain relationship with its growing location,size of root diameter and grade of root system;c)there is obvious difference existed between tensile strength of root system of up slope direction and down slope direction,ofwhich,the tensile strength of rootsystem of down slope direction is greater than that of the up slope direction and;d)there is noobvious difference existed among rootsystems ofgrade 1,2 and 3.The average value of tensile strength of the lateral root of grade 3 is themaximum,then the grade 2 and thegrade 1 them inimum.It can be seen that the tensile strength of fine rootor very thin root is great,having greater contribution to the stability of slopes.The contribution of rootsystem with different locations and differentgrades is also different.The contribution of root system of down slope direction is greater than thatof the up slope direction and the contribution rate of root system to slope p rotection increases along with the increase of root system grade.

lithosol steep slope;root system of Broussonetia papyrifera;tensile strength;grade of root system;up slope direction;down slope direction;stress-strain curve

Q14;Q94

A

1000-0941(2011)04-0037-04

國家自然科學(xué)基金項目(50974092)

羅龍皂(1985—),男,江西上饒市人,碩士研究生,從事環(huán)境生態(tài)方面的研究;通信作者孫海龍(1976—),男,黑龍江海林市人,講師,博士,從事生態(tài)工程研究工作。

2010-07-12

(責(zé)任編輯 徐素霞)