李曉鳳，陳麗華，王萍花

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點試驗室，100083，北京)

當(dāng)發(fā)生泥石流或崩塌時，在崩塌面分布的植物 根系的強度有利于阻止大規(guī)模滑坡［1］，因此，根系的抗拉力學(xué)特性是評估植被護坡、根系錨固土體作用的基礎(chǔ)，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于這方面的研究［2－13］。這些研究主要集中在考慮根徑、樹種等因素對抗拉力學(xué)特性的影響，而有關(guān)探究根長、拉伸速率、是否帶皮等因素對根系抗拉力學(xué)特性的影響方面的研究鮮有報道。

華北落葉松(Larix principis-rupprechtii)作為一種耐寒、喜光、耐干旱瘠薄的淺根性樹種，是我國北方地區(qū)水土保持的重要樹種之一。目前國內(nèi)對落葉松根系的研究相對較少，如韓有志等［14－15］主要對落葉松根系分布及根系生物量進行了一定研究，而對落葉松根系拉伸的力學(xué)性能未進行研究。為了全面了解華北落葉松根系抵抗外力拉伸的力學(xué)性能，通過對不同根長，拉伸速率以及去皮、帶皮的落葉松根系進行室內(nèi)單根拉伸試驗，分析根長、拉伸速率以及去皮與否對落葉松根系抗拉強度和應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征的影響，以期為進一步探討華北落葉松根系固持土壤、穩(wěn)定邊坡的力學(xué)機制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)北溝林場位于灤河上游的河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣境內(nèi)，E 116°32'～118°14'，N 41°35'～42°40'。屬于中溫帶向寒溫帶過渡、半干早向半濕潤過渡的山地氣候，具有水熱同季、冬長夏短、四季分明、晝夜溫差大的特征;平均氣溫－1.4 ～4.7 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫－42.9℃，≥0 ℃的年積溫2 180 ℃，≥10 ℃年積溫1 610℃，≥15 ℃年積溫859 ℃;無霜期67 ～128 d，≥6 級大風(fēng)時間27 d;年均降雨量380 ～560 mm，主要集中在6—8 月，占全年降雨量的69%，其中7 月份降雨量占全年降雨量的31%，降雨多以暴雨形式出現(xiàn);年均蒸發(fā)量1 462.9 ～1 556.8 mm，平均相對濕度63%。

北溝林場有高等維管植物600 多種，以天然次生林和人工林為主，主要喬木樹種有華北落葉松、油松(Pinus tabulaeformis)、白樺(Betula platyphylla)、蒙古櫟(Quercus mongolica)等。其中華北落葉松是當(dāng)?shù)胤植济娣e最大的人工林，喬木，高達30 m，胸徑可達1 m，樹皮暗褐色，不規(guī)則縱裂，成小片脫落，枝平展，樹冠圓錐形，耐寒、喜光、耐干旱瘠薄的淺根性樹種，喜冷涼的氣候，對土壤的適應(yīng)性較強，有—定的耐水濕能力;但其生長速度與土壤的水肥條件關(guān)系密切，在土壤水分不足或土壤水分過多、通氣不良的立地條件下，生長不好，甚至死亡，過酸過堿的土壤均不適于生長［16］。選擇華北落葉松作為研究對象對于研究人工針葉林根系固土的力學(xué)機制具有較好的代表性和典型性。

2 研究方法

2.1 根系材料采集

1)為確保采集的根樣具有代表性，隨機選取至少3 株生長正常且與其他林木間隔較大的華北落葉松樹種，伐倒其地上部分。

2)對地下部分，采用完全挖掘法，以10 cm 為一個土層深度，在盡量避免對根系造成機械損傷的前提下逐漸開挖出所有的樹根(圖1(a))。

3)選取根系中無病蟲害、順直少彎曲的鮮活根，用枝剪剪成長度為400 mm 的根段，并將其放入自封袋(圖1(b))中保存，貼上標簽注明采樣樹種及日期，帶回試驗室，放入冰箱4 ℃條件下保鮮。

圖1 根系樣本Fig.1 Samples of root

4)根系拉伸試驗前，用游標卡尺測定根段的直徑，由于根斷面并非均勻規(guī)則的圓，所以選取根端和根中3 個部位，分別測定其直徑，取平均值作為該根段的直徑。

2.2 室內(nèi)拉伸試驗

采用型號WDW－100E 的微機控制電子式萬能試驗機進行單根拉伸試驗，研究根長、拉伸速率及去皮與否等因素對根系抗拉強度的影響。試驗力測量范圍0.4 ～100 kN，全程自動換擋，速度范圍0.001 ～500 mm/min，具體的試驗設(shè)計見表1。調(diào)整萬能試驗機標距到試驗設(shè)計中的設(shè)定根長，因為伸入上下夾具兩端的樹根長度各為5 mm，所以，選取比試驗設(shè)計的根長多10 mm 的根段放入夾具中擰緊固定，開動機器按試驗設(shè)計的速度勻速拉伸樹根直至完全拉斷為止。

表1 華北落葉松單根拉伸試驗設(shè)計Tab.1 Experimental design for different factors on the tensile properties of Larix principis-rupprechtii roots

試驗過程中會出現(xiàn)根在夾具兩端斷裂或滑出夾具的現(xiàn)象，筆者認為，單根在夾具中間或接近中間處斷裂，是由拉力引起的破壞而非其他測試過程中的損傷引起，此時記錄的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

對抗拉強度與直徑進行回歸分析，探討抗拉強度與直徑之間的關(guān)系。對不同根長、拉伸速率條件下抗拉強度的數(shù)據(jù)進行協(xié)方差分析，研究不同根長和拉伸速率對根系抗拉強度是否產(chǎn)生顯著影響，其中根徑作為協(xié)變量，根長和拉伸速率作為固定效應(yīng)的控制變量，抗拉強度為因變量;再對去皮與否根系的抗拉強度數(shù)據(jù)進行配對樣本t 檢驗，分析它們之間的差異。

進行以上分析之前，使用Shapiro－Wilk(W 檢驗)法對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗。進行協(xié)方差分析前，對樣本數(shù)據(jù)進行方差齊性檢驗，若方差不齊，使用Brown－Forsythe 或Welch 的修正值，若仍不能通過，則使用不等方差假設(shè)項下的Tamhane's T2 或Dunnett's T3 等。

以上所有分析都采用SPSS17.0 軟件進行，顯著水平為0.05。

2.4 根系抗拉強度計算方法

抗拉強度是表征材料在外力拉伸條件下抵抗破斷的能力，其計算公式為

式中:P 為根系抗拉強度，MPa;Fmax為根系最大抗拉力，N;D 為根系平均直徑，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 根系抗拉強度與直徑的關(guān)系

將依據(jù)試驗設(shè)計測定的所有根徑與抗拉強度的有效數(shù)據(jù)，分別按不同根長、不同拉伸速率及去皮與否做抗拉強度與直徑的關(guān)系曲線，結(jié)果見圖2。圖2(a)、(b)、(c)中有1 條重復(fù)的散點趨勢線，即根長為100 mm 的帶皮根系以10 mm/min 拉伸速率拉伸的抗拉強度。據(jù)此趨勢線分析，此種拉伸條件下抗拉強度與根徑之間不存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，這與以往的很多研究［5－8］并不一致?？赡茉蚴窃囼灅颖緮?shù)據(jù)容量偏小，或選取的試驗根徑偏大(＞2 mm)，極細根很少，沒能發(fā)現(xiàn)其抗拉強度與根徑的關(guān)系;但李賀鵬等［11］、王劍敏等［17］研究香港黃檀根系的拉伸性能時，也出現(xiàn)了其根系抗拉強度與根徑無明顯相關(guān)性的結(jié)果。據(jù)圖2 可知，其他拉伸條件下，根系抗拉強度與直徑呈負相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為隨著直徑的增大根系抗拉強度減小，且隨著直徑的增大，不同根長、拉伸速率以及去皮與否條件下根系的抗拉強度值越來越接近。

圖2 根系抗拉強度與直徑的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between tensile strength and root diameter

對不同拉伸條件下根系的抗拉強度值與直徑進行回歸分析，在通過擬合優(yōu)度檢驗、回歸方程顯著性檢驗以及回歸系數(shù)顯著性檢驗的方程中，選取決定系數(shù)最大的方程作為最終的回歸結(jié)果(表2)?；貧w結(jié)果說明，根長為100 mm 的帶皮根系以10 mm/min的拉伸速率拉伸的抗拉強度與直徑無明顯相關(guān)性，得不到回歸方程，除此以外，根系抗拉強度與直徑間存在較明顯的逆函數(shù)關(guān)系(P=a+b/D)，回歸方程中參數(shù)a 代表某種拉伸條件下的最小抗拉強度，參數(shù)b 表示根系抗拉強度隨直徑減小的幅度。

表2 不同拉伸條件下抗拉強度與直徑的回歸方程Tab.2 Regression equation of tensile strength and diameter in different conditions

3.2 根系應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3繪出了華北落葉松在不同條件下根系拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？梢?，華北落葉松根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線為單峰曲線，無明顯的頸縮現(xiàn)象，表現(xiàn)出彈塑性材料特征，即在加載的初期階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性增長，表現(xiàn)為較明顯的彈性材料特征，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，迅速進入塑性階段，表現(xiàn)出非線性增長，直至達到破壞極限，根被拉斷。

圖3(a)為2 個不同徑級(2.15 和4.11 mm)、根長為50 mm 的帶皮根樣以10 mm/min 的速率進行拉伸后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。可知，徑級較小的根在受力初期表現(xiàn)出較好的彈性，徑級較大的根更多地表現(xiàn)出塑性特征，即細根的彈性模量大于粗根的，細根擁有更好的抵抗彈性變形的能力;就延伸率而言，細根的極限延伸率接近25%，粗根的極限延伸率僅為17%，說明細根對外界荷載的緩沖能力強于粗根;對極限應(yīng)力(抗拉強度)而言，細根的極限應(yīng)力接近20 MPa，粗根的極限應(yīng)力為10 MPa 左右，說明根系的極限應(yīng)力隨著直徑的增加呈遞減的趨勢。

圖3(b)為3 個不同根長但徑級同為2 mm 的帶皮根樣以10 mm/min 的速率拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？芍?根長較小的根系應(yīng)力－應(yīng)變曲線在上端包覆著根長較大的根系應(yīng)力－應(yīng)變曲線，說明華北落葉松根系的彈性模量隨著根長的增加而減小，即較短的根系擁有更好的抵抗變形的能力;隨著根長的增加，極限應(yīng)力與極限應(yīng)變都有明顯的下降，說明抗拉強度與極限延伸率均與根長呈負相關(guān)。

圖3(c)為徑級同為2 mm、根長為100 mm 的帶皮根樣以2 個不同的速率拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？芍?，2 個不同拉伸速率下根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線差異不大，幾乎重合，說明拉伸速率對根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線沒有造成顯著影響。

圖3(d)為徑級同為2 mm、根長為100 mm 的帶皮及去皮根樣以10 mm/min 的速率拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？芍?，去皮后根系的彈性模量、極限應(yīng)力都明顯提高，而極限延伸率去皮前后相差不大，造成這種差異的可能原因是去皮后根系內(nèi)部的纖維素和木質(zhì)素含量發(fā)生了變化，具體有待進一步深入研究。

3.3 根長對根系抗拉強度的影響

不同根長對根系抗拉強度的協(xié)方差分析結(jié)果見表3?？芍L對根系的抗拉強度存在著顯著影響(Sig.＜0.05)，且隨著根長的增加，抗拉強度的均值呈減小的趨勢，且根長50 和250 mm 根系的抗拉強度的均值極差顯著(α=0.05)。

3.4 拉伸速率對根系抗拉強度的影響

對不同拉伸速率的根系抗拉強度進行協(xié)方差分析，結(jié)果見表4?？芍?0 和400 mm/min 這2 個水平的拉伸速率對根系抗拉強度影響不顯著(Sig.＞0.05)，但能看出隨著拉伸速率的增加，抗拉強度的均值略微有所減小。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是拉伸速率對根系抗拉強度確實不存在顯著影響，也可能是試驗設(shè)定的2 種拉伸速率差異尺度仍不夠大，不足以顯示它們對抗拉強度影響的差異性。

圖3 不同條件下根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Roots stress－strain curve under different conditions

表3 不同根長抗拉強度的協(xié)方差分析結(jié)果Tab.3 Covariance analysis of tensile strength for different root length

表4 不同拉伸速率抗拉強度的協(xié)方差分析結(jié)果Tab.4 Covariance analysis of tensile strength for different stretching rate

3.5 去皮與否對根系抗拉強度的影響

分析去皮與否對根系抗拉強度的影響時，由于試驗測定根系的直徑范圍為0.93 ～6.63 mm，人為將直徑分為0.5 ＜D≤1.5、1.5 ＜D≤2.5、2.5 ＜D≤3.5、3.5 ＜D≤4.5、4.5 ＜D≤5.5、D ＞5.5 mm 6 個水平。將這6 類徑級去皮與帶皮根系的抗拉強度均值作為分析數(shù)據(jù)，作配對樣本t 檢驗。檢驗結(jié)果顯示:去皮與否對根系抗拉強度的影響極為顯著(Sig.＜0.01);在顯著性水平α=0.05 上，根系去皮前后抗拉強度數(shù)值發(fā)生明顯的變化，二者之間的相關(guān)系數(shù)為－0.820;去皮前根系的平均抗拉強度為(10.473 6±1.105 68)MPa，去皮后根系的平均抗拉強度為(27.834 1±3.582 37)MPa，去皮后根系的抗拉強度得到明顯提高。

4 結(jié)論

1)除根長100 mm、拉伸速率為100 mm/min 的帶皮根系的抗拉強度與直徑無明顯相關(guān)性外，其他拉伸條件下華北落葉松根系的抗拉強度與直徑均呈負相關(guān)關(guān)系，基本滿足逆函數(shù)關(guān)系式，且直徑越大，抗拉強度的差異越小。

2)不同拉伸條件下，華北落葉松根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線均為從原點出發(fā)的單峰曲線，無明顯的頸縮現(xiàn)象，表現(xiàn)出彈塑性材料的特征，但每條曲線的具體參數(shù)，如彈性模量、極限延伸率、極限應(yīng)力等，存在一定的差異。直徑較小、根長較短、去皮根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線從上方包覆直徑較大、根長較長、帶皮根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，而拉伸速率對根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線影響不明顯。直徑、根長均與極限延伸率呈負相關(guān)關(guān)系，而拉伸速率和去皮與否對極限延伸率的影響不明顯。

3)根長對根系的抗拉強度存在著顯著影響，隨著根長的增加，抗拉強度的均值呈減小趨勢，且根長50 和250 mm 根系的抗拉強度的均值極差顯著(α=0.05)。

4)拉伸速率對根系抗拉強度的影響不明顯，而去皮與否對根系抗拉強度的影響極為顯著，且去皮后根系抗拉強度會得到明顯的提高。

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