喬 娜，余芹芹，盧海靜，胡夏嵩，2，李國榮，朱海麗

（1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，西寧810016；2.中國科學(xué)院 青海鹽湖研究所，西寧810008）

植被護(hù)坡技術(shù)是一種利用植被進(jìn)行坡面保護(hù)和侵蝕控制的途徑和手段［1］。關(guān)于植物根系及其根—土復(fù)合體的力學(xué)特性，國內(nèi)外已有較多研究，例如Endo［2］、Ziemer［3］、Wu［4］等通過現(xiàn)場測試研究了植物根系對邊坡土體的加強(qiáng)作用，Waldron［5］、Gary［6］、Shewbridg［7］等通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究了根系對土體抗剪強(qiáng)度的作用。上述研究表明：邊坡土體的抗剪強(qiáng)度隨根系數(shù)量的增加而增大，且存在最優(yōu)含根量。肖盛燮認(rèn)為植物防護(hù)設(shè)計(jì)最基本的指標(biāo)是植物根系的加固能力［8］；李紹才通過狗牙根—土復(fù)合體的抗拉試驗(yàn)認(rèn)為：植物根系的存在，使根—土復(fù)合體具有了抗拉特性，其抗拉強(qiáng)度隨含根量增加而增大［9］。關(guān)于植物根系抗拉強(qiáng)度與其化學(xué)成分之間的關(guān)系研究，Marie Genet等認(rèn)為根系中纖維素含量對于木質(zhì)植物的抗拉強(qiáng)度有一定影響，其研究結(jié)果表明：單根抗拉強(qiáng)度與根直徑呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與根的纖維素含量呈正相關(guān)關(guān)系［10］。Commandeur和Pyles研究表明單位質(zhì)量的根系，相對細(xì)小的根系較相對粗的根系中所含纖維素含量多［11］。Sjostrom認(rèn)為纖維素結(jié)構(gòu)對于抵抗抗拉破壞方面是最理想的［12］。肖東升等認(rèn)為植物根系中木質(zhì)素和纖維素的含量與植物根系的增粗生長速度相關(guān)，根系增粗生長越快、根徑越大，其抗拉力和抗剪力也越大［13］。朱海麗等認(rèn)為根系中纖維素含量相對較高時(shí)，根系可視為柔性材料計(jì)算其抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度；根系中木質(zhì)素含量相對較高時(shí)其具有一定的剛度，根系具有一定的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度［14］。趙麗兵等通過對豆科的紫花苜蓿和禾本科的馬唐根的抗拉力與其相應(yīng)的纖維素含量試驗(yàn)表明，根的抗拉強(qiáng)度與纖維素含量正相關(guān)，并證實(shí)了纖維素含量對于維持根抗拉強(qiáng)度的作用大于木質(zhì)素含量［15］。

國內(nèi)外諸多學(xué)者關(guān)于根系抗拉強(qiáng)度與其化學(xué)成分含量間關(guān)系的研究，主要表現(xiàn)在根系抗拉強(qiáng)度與纖維素、木質(zhì)素及其含量變化之間的關(guān)系，但是從根系化學(xué)成分的種類，以及化學(xué)成分含量變化對根系抗拉強(qiáng)度影響的深層次機(jī)理方面的研究均有待于深入。本項(xiàng)研究通過對試驗(yàn)區(qū)兩種灌木根系抗拉試驗(yàn)、根系4種主要化學(xué)成分含量測定，以及根系抗拉強(qiáng)度與其相應(yīng)化學(xué)成分之間關(guān)系等方面做了進(jìn)一步探討與分析，其研究為進(jìn)一步探討植物根系護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)及其機(jī)理方面提供重要理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于青海東北部的西寧盆地，地勢西高東低，南、北兩側(cè)高，湟水中央谷地低陷。地貌兼具高原山地和黃土丘陵復(fù)合類型，并以顯著的自然景觀垂直分帶和強(qiáng)烈的流水作用剝蝕塑造的黃土紅色泥巖丘陵及河谷平原為主要特征。西寧盆地地形起伏較大，南側(cè)為拉雞山、北側(cè)為達(dá)坂山、西側(cè)為日月山，地勢高聳、山巒疊嶂，是現(xiàn)代侵蝕作用最強(qiáng)烈的地區(qū)，溝間地塊構(gòu)成的分水嶺呈梁峁?fàn)?，支離破碎，水土流失嚴(yán)重［16］。試驗(yàn)區(qū)城東中莊小寨紅溝，其地理位置為東經(jīng)101°50′，北緯36°35′，區(qū)內(nèi)平均海拔高度約2 250 m，地處青海東部湟水流域河谷，黃土高原西緣，屬于高原寒冷干旱—半干旱氣候，年平均氣溫為5.5℃，夏季日極端最高氣溫為33.9℃，冬季日極端最低氣溫為零下26.3℃［17］；該地降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均降水量為350mm，蒸發(fā)量為1 235.6mm［16］。試驗(yàn)區(qū)邊坡屬于人工堆積的土質(zhì)邊坡，土體類型為粉土，坡向?yàn)榘腙幇腙?，坡度約為40°，坡高約為10m，試驗(yàn)區(qū)面積約為20m×15m。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)區(qū)氣候寒冷干旱，選擇檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon）兩種耐寒、抗旱的鄉(xiāng)土灌木植物作為研究對象。本試驗(yàn)所采用的灌木根系具體取樣方法是：在城東中莊小寨紅溝試驗(yàn)區(qū)取試驗(yàn)用土樣，將兩種灌木分別種植在盆口直徑為36cm、盆底直徑為18cm、盆高為40cm的試驗(yàn)盆中，生長期為6a。試驗(yàn)前將整株植物挖出來，統(tǒng)計(jì)其根系生長情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)過程中，同株植物的一部分根系被用于進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，另一部分根系則被用于測定其化學(xué)成分含量的樣本材料，試驗(yàn)分2組進(jìn)行，每組設(shè)3個(gè)重復(fù)。檸條錦雞兒試樣的土體含水率為10.3%、霸王試樣為15.5%；檸條錦雞兒試樣的土體密度為4.28 g／cm3、霸王試樣為4.35g／cm3。

1.3 根系的拉伸試驗(yàn)方法

本項(xiàng)研究所采用的植物單根拉伸試驗(yàn)，使用課題組自制室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)儀進(jìn)行單根拉伸力測定，其工作原理及基本結(jié)構(gòu)均參照材料力學(xué)電子萬能試驗(yàn)機(jī)。該儀器主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工作系統(tǒng)兩部分組成，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可記錄單根拉伸的整個(gè)過程，同時(shí)可得到不同時(shí)間、不同拉力作用下的位移以及植物單根破壞時(shí)的最大拉力。試驗(yàn)儀器工作原理框圖如圖1所示［18］。本項(xiàng)試驗(yàn)過程中，選擇測試長度10cm的主根或側(cè)根（不含毛根）作為供試根段夾持在工作臺上的拉伸夾具間，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪夾具向上移動(dòng)，使位于夾具間的根段受到拉伸作用，直到根段被拉斷為止。

圖1 單根拉伸試驗(yàn)工作原理［18］

1.4 根系的化學(xué)成分測定方法

將稱量好的檸條錦雞兒根系和霸王根系各50g鮮樣，粉碎、烘干，按規(guī)范要求稱取干燥樣品，采用容量法測定其木質(zhì)素含量和纖維素含量，采用重量法測定半纖維素含量和果膠質(zhì)含量［19］。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌木植物根系形態(tài)特征

試驗(yàn)所采用的生長期為6a的兩種供試灌木植物根系均為主直根型，選擇好試驗(yàn)所用的根系后，從地表往下，每隔5cm用游標(biāo)卡尺測定一次根徑，最后求得其平均根徑，最大根徑和最小根徑相應(yīng)從中選??；用卷尺測根系長度，其根系形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。檸條錦雞兒為豆科錦雞兒屬（Caragana）多年生落葉灌木，其根系發(fā)達(dá)，主根明顯，主根最大根長為42cm，最大根徑為6.28～10.85mm，最小根徑為1.93～4.62mm；側(cè)根和毛根較發(fā)達(dá)，屬于主側(cè)根均衡發(fā)育型，其側(cè)根最大根長為29.125cm，最大根徑約為2.75～4.43mm，最小根徑約為0.28～0.62 mm。霸王為蒺藜科霸王屬（Zygophyllum）多年生落葉灌木，其根肉質(zhì)，主根粗壯，屬淺根型灌木種，主根最大根長為39.5cm，最大根徑為7.98～8.99 mm，最小根徑為0.6～3.23mm，側(cè)根非常發(fā)達(dá)，其側(cè)根最大根長為24cm，最大根徑為3.35～4.36 mm，最小根徑為0.75～1.76mm。

表1 兩種灌木根系形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 灌木植物單根抗拉強(qiáng)度特性

由植物單根拉伸試驗(yàn)可知，生長期為6a的兩種灌木根系均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗拉能力，霸王的平均根徑較檸條錦雞兒大，而后者的平均抗拉力則顯著大于前者，例如霸王其平均根徑為1.237mm時(shí)，平均抗拉力為6.310N，平均抗拉強(qiáng)度為5.370MPa；檸條錦雞兒平均根徑為1.147mm時(shí)，其平均抗拉力為31.591 N，平均抗拉強(qiáng)度為30.783MPa，且檸條錦雞兒根系的平均抗拉力是霸王平均抗拉力的5倍。因此，對具有同樣生長條件和生長期的檸條錦雞兒和霸王，前者的抗拉能力相對顯著高于后者（表2），其原因與根系半纖維素、纖維素、木質(zhì)素、果膠質(zhì)等4種主要化學(xué)成分及含量有一定的關(guān)系。由該表可知，兩種灌木根系的抗拉力均隨根徑的增大而呈增大趨勢，二者之間存在顯著冪函數(shù)關(guān)系；其根系的抗拉強(qiáng)度隨根徑的增加呈減小趨勢，二者呈顯著冪函數(shù)關(guān)系（圖2—3）。

2.3 灌木根系化學(xué)成分及其含量

植物根系可分為直根系和須根系，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，具有擴(kuò)張、抗壓和抗曲折性能，起堅(jiān)固和支持作用［20］。植物的細(xì)胞壁由長鏈大分子纖維素聚合成的微纖絲構(gòu)成骨架，其內(nèi)填充了木質(zhì)素、半纖維素、角質(zhì)、果膠質(zhì)等物質(zhì)，同樣形成類似“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)［15］。試驗(yàn)采用的兩種灌木根系化學(xué)成分含量的測定結(jié)果表明：檸條錦雞兒根系其半纖維素、木質(zhì)素、纖維素、果膠質(zhì)的平均含量分別為24.58%，4.41%，2.53%，1.83%；霸王根系其平均含量分別為19.65%，4.39%，2.49%，2.07%（表3）。

表2 兩種灌木根系抗拉力及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 兩種灌木根系抗拉力－根徑關(guān)系曲線

圖3 兩種灌木根系抗拉強(qiáng)度－根徑關(guān)系曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知，盡管兩種灌木根系4種主要化學(xué)成分的含量由高至低呈一致性變化規(guī)律，經(jīng)過t測驗(yàn)，對于兩種灌木根系中所含4種化學(xué)成分的含量，均得出│t│＜t0.05，P＞0.05，即兩種灌木根系中所含4種化學(xué)成分的含量差異性均不顯著，但檸條錦雞兒和霸王供試種中，4種化學(xué)成分含量高低各不相同。如表3所示，兩種灌木其根系所含4種化學(xué)成分以半纖維素含量最多，分別為24.58%，19.65%，是根系所含其它3種化學(xué)成分平均含量的5～10倍，其中檸條錦雞兒根系其半纖維素平均含量比霸王根系高20%；兩種供試灌木根系其木質(zhì)素含量相差不顯著，檸條錦雞兒根系其木質(zhì)素平均含量較霸王根系略大，即分別為4.41%，4.39%；兩種供試灌木根系其纖維素含量和果膠質(zhì)含量均相對較少，檸條錦雞兒根系其纖維素含量和霸王根系相差較小，僅為0.04%，且前者果膠質(zhì)的平均含量比后者低12%。由以上分析可知，半纖維素和木質(zhì)素是構(gòu)成試驗(yàn)區(qū)兩種供試灌木根系的主要化學(xué)成分，且兩種灌木根系所含4種主要化學(xué)成分的含量均呈逐漸降低趨勢，由高至低依次為半纖維素含量＞木質(zhì)素含量＞纖維素含量＞果膠質(zhì)含量。

2.4 灌木根系化學(xué)成分含量與其力學(xué)強(qiáng)度關(guān)系

2.4.1 根系化學(xué)成分含量與其根徑關(guān)系 通過對兩種灌木根系的根徑統(tǒng)計(jì)且與其所含4種化學(xué)成分含量關(guān)系比較可知，隨著根徑的逐漸增大，其根系纖維素含量呈逐漸減少趨勢，且二者之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與有關(guān)學(xué)者對木本植物根系的研究結(jié)果相類似［10］。此外，霸王根系其半纖維素含量隨著根徑增大而逐漸減少，二者之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；檸條錦雞兒根系中果膠質(zhì)含量與其根徑之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；兩種灌木根系其木質(zhì)素含量與根徑之間規(guī)律性不顯著。

表3 兩種灌木根系化學(xué)成分及其含量測試結(jié)果 %

2.4.2 根系化學(xué)成分含量與其力學(xué)強(qiáng)度關(guān)系 通過分析對比3組試驗(yàn)中根系所含4種主要化學(xué)成分對其抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，兩種灌木根系所含4種主要化學(xué)成分對其抗拉強(qiáng)度的影響程度各不相同，即兩種灌木根系抗拉強(qiáng)度隨纖維素含量變化均呈一致性變化規(guī)律，霸王根系抗拉強(qiáng)度受其半纖維素含量影響顯著，檸條錦雞兒根系抗拉強(qiáng)度與果膠質(zhì)含量之間存在相關(guān)關(guān)系，兩種灌木根系抗拉強(qiáng)度與木質(zhì)素含量間均未表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。

植物細(xì)胞壁具有強(qiáng)大的纖絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可為細(xì)胞、組織甚至整個(gè)植物體提供機(jī)械支持作用［21］，纖維素為細(xì)胞壁最主要的化合物，是細(xì)胞壁主要的骨架成分，約占初生壁干重的15%～30%，在次生壁中所占的比例還要大些［22］，它是由成千上萬條以微纖絲為基本單位構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對細(xì)胞壁的機(jī)械支持特性具有不容忽視的作用［23］。該項(xiàng)研究中，兩種灌木根系中纖維素平均含量差別較小，即分別為2.53%，2.49%，但其與根系抗拉強(qiáng)度之間存在相關(guān)關(guān)系。由兩種灌木根系中，纖維素含量與其抗拉強(qiáng)度之間均呈一致性規(guī)律變化，即隨著纖維素含量的增大，其抗拉強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)，根系纖維素含量與其抗拉強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系。半纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞初生壁的主要成分之一，它與伸展蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白、壁酶、纖維素和果膠等一起構(gòu)成具有一定硬度和彈性的細(xì)胞壁［24－25］。半纖維素以無定形狀態(tài)滲透在骨架物質(zhì)之中，起著基體粘結(jié)作用，以增強(qiáng)總體纖維整體的強(qiáng)度［26］。試驗(yàn)結(jié)果表明，霸王根系抗拉強(qiáng)度與其半纖維素含量間呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)其根系半纖維素含量逐漸增大時(shí)，抗拉強(qiáng)度呈逐漸增強(qiáng)趨勢。果膠是胞間層以及初生細(xì)胞壁的主要組分之一，能結(jié)合多種金屬離子［26］，對植物根系的機(jī)械力學(xué)性能具有極其重要的作用。兩種灌木根系中果膠質(zhì)含量均相對較少，但結(jié)果表明，檸條錦雞兒根系所含果膠質(zhì)含量逐漸增多時(shí)，其抗拉強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，二者之間呈正相關(guān)關(guān)系。

木質(zhì)素是一種復(fù)雜酚類聚合物，具有使細(xì)胞相連的作用，填充于纖維素構(gòu)架中以增強(qiáng)植物體的機(jī)械強(qiáng)度，它的強(qiáng)度比纖維素弱，但能提供剛度并改善耐久性［26］。通過對兩種灌木根系木質(zhì)素含量與其抗拉強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明，兩種灌木根系抗拉強(qiáng)度與木質(zhì)素含量之間均未能構(gòu)成規(guī)律性變化關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)所選取的生長期為6a的兩種鄉(xiāng)土護(hù)坡灌木根系，其抗拉力和抗拉強(qiáng)度差異性較為顯著，即檸條錦雞兒根系平均抗拉力為31.591N，平均抗拉強(qiáng)度為30.783MPa；霸王根系抗拉力為6.310N，抗拉強(qiáng)度為5.370MPa，檸條錦雞兒根系的抗拉力相對高于霸王根系，且前者抗拉強(qiáng)度是后者的5倍。此外，兩種灌木根系的抗拉力均隨根徑的增大而增大，抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而逐漸減小，其根系抗拉力與根徑、抗拉強(qiáng)度與根徑之間均存在顯著冪函數(shù)關(guān)系。

（2）半纖維素、木質(zhì)素、纖維素和果膠質(zhì)是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的4種主要化學(xué)成分，對增強(qiáng)植物根系的機(jī)械力學(xué)性能具有重要作用。試驗(yàn)所采用的兩種灌木根系其半纖維素、木質(zhì)素、纖維素、果膠質(zhì)4種主要化學(xué)成分的含量不同，其中檸條錦雞兒根系試樣其4種化學(xué)成分平均含量依次為24.58%，4.41%，2.53%，1.83%；霸王根系試樣4種化學(xué)成分平均含量依次為19.65%，4.39%，2.49%，2.07%。兩種灌木根系其4種主要化學(xué)成分含量由高至低呈一致性變化規(guī)律，即半纖維素含量＞木質(zhì)素含量＞纖維素含量＞果膠質(zhì)含量。

（3）通過對檸條錦雞兒和霸王兩種灌木根系的抗拉強(qiáng)度與其根系化學(xué)成分含量試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種供試種灌木根系的抗拉強(qiáng)度受4種主要化學(xué)成分的影響而表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，根系抗拉強(qiáng)度與纖維素含量間的相關(guān)關(guān)系相對顯著，即根系纖維素含量愈高，其抗拉強(qiáng)度愈大，二者之間呈正相關(guān)關(guān)系；霸王根系其半纖維含量與其抗拉強(qiáng)度亦呈正相關(guān)關(guān)系；檸條錦雞兒根系果膠質(zhì)含量與其抗拉強(qiáng)度之間表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系；兩種灌木根系其木質(zhì)素含量與其相應(yīng)抗拉強(qiáng)度之間相關(guān)性不顯著。

（4）本項(xiàng)研究在前人研究的基礎(chǔ)上，對兩種灌木根系（半纖維素、木質(zhì)素、纖維素和果膠質(zhì)）4種不同種類的化學(xué)成分含量進(jìn)行了測定，同時(shí)對其含量變化對根系抗拉強(qiáng)度影響的機(jī)理進(jìn)行了研究。通過分析比較兩種灌木根系中所含的4種主要化學(xué)成分與其根徑、根系抗拉強(qiáng)度之間的相互關(guān)系可知，根系所含4種主要化學(xué)成分含量與根徑變化有一定關(guān)系，且化學(xué)成分及含量對根系抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生一定程度的影響。此外，根系所含以上4種主要化學(xué)成分含量及其變化與植物根系的生長期、生長特性、生長結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，這方面的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

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