雷相科，張雪彪，楊啟紅，歐陽(yáng)前超，張超波（．太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 0004；．山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 高粱研究所，山西晉中00600；．長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，湖北 武漢4000）

植物根系抗拉力學(xué)性能研究進(jìn)展

雷相科1，張雪彪2，楊啟紅3，歐陽(yáng)前超1，張超波1
（1．太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2．山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 高粱研究所，山西晉中030600；3．長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，湖北 武漢430010）

根系是植物固土的基本單元，根系力學(xué)性能研究是植物根系固土研究的基礎(chǔ)。植物護(hù)坡工程中，植物根系通過(guò)發(fā)揮抗剪和抗拉作用提高邊坡穩(wěn)定性。根系抗拉能力是增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性最重要的因素之一，根系抗拉力學(xué)性能研究具有重要意義。在分析國(guó)內(nèi)外多種植物根系抗拉力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了這些植物根系抗拉力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀，分析比較了植物根系抗拉力學(xué)性能研究試驗(yàn)的方法和多種影響因素與植物根系抗拉性能的關(guān)系，得出如下結(jié)論：①目前尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的根系抗拉試驗(yàn)，根系抗拉性能試驗(yàn)研究的方法和設(shè)備有待科學(xué)規(guī)范；②根系直徑與抗拉力和抗拉強(qiáng)度關(guān)系研究已經(jīng)形成共識(shí)，即根系直徑越大，抗拉力越大，抗拉強(qiáng)度越??；③根系抗拉強(qiáng)度隨根系采伐時(shí)間的推移而降低；④根系長(zhǎng)度、含水量、加載速率、根系內(nèi)部化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)抗拉力和抗拉強(qiáng)度的影響研究較少，尚未形成統(tǒng)一結(jié)論，還需要加強(qiáng)研究。最后，探討了植物根系抗拉力學(xué)性能研究存在的問(wèn)題和趨勢(shì)，認(rèn)為夾具的改進(jìn)、根系形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)研究、根系疲勞破壞研究應(yīng)成為今后研究的重點(diǎn)。參61

植物生態(tài)學(xué)；植物根系；固土護(hù)坡；抗拉力；抗拉強(qiáng)度；綜述

人類(lèi)利用植物進(jìn)行固土護(hù)坡已有較長(zhǎng)歷史。早在1591年，中國(guó)就開(kāi)始用柳樹(shù)Salix babylonica來(lái)進(jìn)行固土護(hù)坡及穩(wěn)定堤防［1］。在17世紀(jì)，中國(guó)就用植被保護(hù)黃河河岸。中世紀(jì)，法國(guó)、瑞士通過(guò)栽培柳樹(shù)來(lái)防護(hù)運(yùn)河河岸。1633年，日本采用植草皮、栽樹(shù)苗的方法治理荒坡，這也是日本植被護(hù)坡的起源。歐洲最早使用植物固坡是在19世紀(jì)。20世紀(jì)30年代，植被護(hù)坡被引入中歐，從此植被護(hù)坡技術(shù)在歐洲廣為傳播，主要應(yīng)用于公路邊坡和河堤防護(hù)。在北美，植被護(hù)坡可以追溯到1926年［2］。英國(guó)于20世紀(jì)40年代末開(kāi)始使用植被護(hù)坡技術(shù)，主要應(yīng)用于陸地景觀的穩(wěn)定、堤岸和交通線路邊坡的保護(hù)等。位于東南亞的馬來(lái)西亞、泰國(guó)等國(guó)家，香根草Vetiveria zizanioides因具有根系發(fā)達(dá)、扎根深、根系抗拉強(qiáng)度比一般植物大等特點(diǎn)，被廣泛用于溝渠的加固和高速公路路基護(hù)坡［3］。根系是植物重要器官，不僅具有吸收輸導(dǎo)土壤中的水分養(yǎng)分，合成和儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等生理功能，還具有固持水土的能力。研究表明，植物根系通過(guò)發(fā)揮其自身的抗拉特性以增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度［4］。同時(shí)，植物根系具有的抗拉性能是增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性最重要的因素，也是根系固土抗蝕的重要指標(biāo)，能表征根系材料在固土過(guò)程中的受力潛能［5］。因此，本文綜述與植物根系抗拉力學(xué)性能相關(guān)的研究。

1　植物根系抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法

不同植物根系的形態(tài)和力學(xué)性能差異很大，目前學(xué)術(shù)界還沒(méi)有關(guān)于根系抗拉試驗(yàn)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外研究根系抗拉性能采用的方法和設(shè)備各不相同。目前主要通過(guò)室內(nèi)單根抗拉試驗(yàn)、室外原位土壤水平拉拔試驗(yàn)和垂直拉拔試驗(yàn)來(lái)探究不同植物根系的抗拉強(qiáng)度及其影響因素。

1.1植物根系的采集

對(duì)于植物根系抗拉試驗(yàn)中根系的采集和保存，國(guó)內(nèi)外學(xué)者往往根據(jù)實(shí)際條件而采取不同的方法。采集試驗(yàn)備用根系主要有2種主要方法：完全挖掘法和剖面壁法。采用完全挖掘法采集根系時(shí)，應(yīng)盡量防止對(duì)根系的機(jī)械損傷，采集主直根系時(shí)先從基部將根系切斷，然后將根系慢慢拉出，采集須根時(shí)把根系從基部切斷后將根系水平整體托出，保證根系的完整性。若將根系連同土體一塊采集，運(yùn)回試驗(yàn)室后，為減小植物蒸騰作用，應(yīng)除去部分枝葉，定期進(jìn)行少量澆水，盡量使植物保持生物活性。宋維峰［6］和王磊［7］就采用完全挖掘法來(lái)采集根系。采取挖掘剖面壁法采集根系時(shí)，剖面壁挖掘深度為1.0～1.5 m，同時(shí)保留植株地上部分，隨后植入試驗(yàn)盆內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。為了最大限度地保證根系與挖掘前的狀態(tài)一致，實(shí)驗(yàn)人員通常會(huì)在實(shí)驗(yàn)盆內(nèi)放入與根系周?chē)寥榔骄氏嗟鹊脑囼?yàn)區(qū)土壤，使根系穩(wěn)固地立于試驗(yàn)盆中。朱海麗等［8］就采用挖掘剖面壁法挖取根系進(jìn)行根系抗拉試驗(yàn)。筆者通過(guò)整理發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者采用完全挖掘法采集根系。與剖面壁法相比，完全挖掘法雖然工作量較大，但其適用性更強(qiáng)，也能有效防止對(duì)根系的機(jī)械損傷。

1.2試驗(yàn)儀器

由于目前沒(méi)有植物根系抗拉試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，因此進(jìn)行室內(nèi)根系抗拉試驗(yàn)采用的儀器也不盡相同，有彈簧秤和自制試驗(yàn)儀器，也有萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)以其測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、試驗(yàn)控制度高等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于抗拉試驗(yàn)，特別是其對(duì)拉伸速率的控制、變形位移測(cè)量的精確度是自制試驗(yàn)儀器無(wú)法比擬的。張超波［9］、呂春娟等［10］、王萍花［11］進(jìn)行根系抗拉試驗(yàn)時(shí)采用的是WDW-100E微機(jī)控制式萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)，儀器測(cè)力范圍為0.4～100 kN，加載速率范圍為0.005～500.000 mm·min－1，最大拉伸行程為600 mm，且這3項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)量準(zhǔn)確度均為±0.5%。該儀器測(cè)量范圍較廣，精度高。耿威［12］采用的是YG（B）026H-25型織物強(qiáng)力機(jī)，測(cè)力量程為0～2 500 N；嵇曉雷［13］開(kāi)展狗牙根Cynodon dactylon根系拉伸試驗(yàn)時(shí)采用的是WZL-300紙張拉力儀，儀器最大量程100 N，最小分度值0.001 N，精確度較高；而開(kāi)展夾竹桃Nerium indicum根系拉伸試驗(yàn)時(shí)，采用的是TGH-2B型微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大拉力量程為10 kN。彈簧秤和自制儀器以其便攜、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)被應(yīng)用于根系抗拉試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)較早使用自制儀器的是楊維西等［14］，他們采用簡(jiǎn)單的類(lèi)似彈簧秤的儀器測(cè)定根系的抗拉力。此后，史敏華等［15］也采用類(lèi)似的儀器進(jìn)行植物根系抗拉力的研究；李會(huì)科等［16］和程洪等［17］均采用彈簧秤測(cè)定根系的抗拉力；田佳等［18］測(cè)定根系抗拉力時(shí)，采用了數(shù)字測(cè)力儀。同時(shí)，HALES等［19］的研究表明：簡(jiǎn)單的彈簧秤測(cè)量方法是估計(jì)根系抗拉強(qiáng)度行之有效的方法。劉國(guó)彬等［20］自制了一個(gè)野外快速測(cè)定抗拉力的簡(jiǎn)易工具，該工具利用化學(xué)分析滴定管，配以鋁質(zhì)水杯、特制的根夾和標(biāo)尺等，通過(guò)緩慢加砝碼和滴定管加水作為拉力源，來(lái)測(cè)量根系抗拉力；郝彤琦等［21］在參考劉國(guó)彬等的試驗(yàn)儀器基礎(chǔ)上，自制了測(cè)量抗拉力的試驗(yàn)裝置。近年來(lái)自制試驗(yàn)儀器得到了極大的發(fā)展，其測(cè)量精度也得到了極大提高。在國(guó)內(nèi)，朱清科等［22］、陳麗華［23］、劉秀萍［24］、宋維峰［6］采用測(cè)量精度為0.01%，靈敏度為0.2 μV·分度－1的電子測(cè)量?jī)x和美國(guó)產(chǎn)20KNS剪切型拉力傳感器以及一些自制的配套裝置進(jìn)行試驗(yàn)，該儀器測(cè)量精度、控制度較高。朱海麗等［8］根據(jù)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的工作原理和基木結(jié)構(gòu)研制了室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)儀，主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工作系統(tǒng)2個(gè)部分組成?；萆械龋?5］自制了竹子根系抗拉力學(xué)特性野外便攜試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機(jī)械部分和電子測(cè)控部分組成，測(cè)力量程0～2 000 N，最小分度值0.01 N。在國(guó)外，很多學(xué)者也利用自制儀器進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。BISCHETTI等［26］采用自制儀器研究意大利北部主要造林樹(shù)種根系的抗拉強(qiáng)度。TOSI［27］采用的儀器主要分為5部分：固定根兩端的鋼夾、施加拉力的活塞機(jī)、2 kN測(cè)力計(jì)、位移計(jì)以及固定上述設(shè)備的儀器臺(tái)。

1.3試驗(yàn)注意事項(xiàng)

1.3.1根系直徑測(cè)定由于植物根系結(jié)構(gòu)的特殊性，根系沿根軸向存在粗細(xì)變化，同時(shí)根截面并非規(guī)則的圓形，因此同一點(diǎn)處不同方向的根徑并不相同，但目前的根系抗拉試驗(yàn)都把根系截面當(dāng)做圓形處理，這必然會(huì)帶來(lái)誤差。計(jì)算根系抗拉強(qiáng)度時(shí)，各學(xué)者對(duì)直徑的取值也各不相同。張超波［9］采用測(cè)定根兩端和根中3個(gè)部位的直徑，取平均值作為該根段的直徑的方法；李曉鳳等［28］采用了同樣的方法。耿威［12］、苑淑娟［29］在根系上每隔某一個(gè)相等距離作一個(gè)標(biāo)記，在每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)正交方向上各測(cè)量1次直徑，平均值為該點(diǎn)直徑，然后取各點(diǎn)的平均值作為該根段的直徑。上述方法是減小根系直徑測(cè)量誤差的有效方法。PARR等［30］認(rèn)為，根系被拉斷后需要再測(cè)量距斷裂點(diǎn)1 cm左右處的直徑（根系在斷點(diǎn)處一般有明顯頸縮，直徑數(shù)值變小與原值不符），如果測(cè)量數(shù)據(jù)和先前數(shù)據(jù)出入較大，以拉斷后的直徑為準(zhǔn)，這樣能減少對(duì)根系抗拉強(qiáng)度的高估。張超波［9］采用此方法計(jì)算油松Pinus tabulaeformis根系的抗拉強(qiáng)度；王萍花［11］也采用了此種方法。趙麗兵等［31］用掃描器和根系分析軟件分析根的初始直徑，作為根的斷裂處直徑來(lái)計(jì)算抗拉強(qiáng)度。程洪等［17］計(jì)算根系的抗拉強(qiáng)度時(shí)，用游標(biāo)卡尺測(cè)定根系被拉斷時(shí)的斷裂面直徑，重復(fù)18～36次·試樣－1；楊永紅等［32］對(duì)每種試樣重復(fù)測(cè)定10～18次；王曉梅等［33］重復(fù)測(cè)定10次。苑淑娟［29］計(jì)算抗拉強(qiáng)度時(shí)，取斷裂點(diǎn)處相鄰2個(gè)標(biāo)記點(diǎn)直徑的平均值作為根系直徑。

1.3.2根系固定GENET等［34］認(rèn)為：只有根系在夾具中間或接近中間處斷裂時(shí)試驗(yàn)才成功，因?yàn)榇藭r(shí)的破壞是由拉力引起而非其他的損傷引起。為了提高試驗(yàn)成功率，NILAWEERA等［35］在夾具與根系間加入軟木薄片來(lái)提高摩擦力。GENET等［34］在實(shí)驗(yàn)中借鑒了該方法。OPERSTEIN等［36］采用在夾具兩端粘貼膠皮、纏繞和添加柔性物質(zhì)等方法來(lái)增大根系與夾具間的摩擦。朱海麗等［8］借鑒了該方法。宋維峰［6］測(cè)定油松根系抗拉力時(shí)，為防止根系滑動(dòng)，用聚四氟乙烯密封帶作為墊層。嵇曉雷［13］用紙張拉力儀測(cè)量狗牙根根系抗拉力，夾頭裝置只能用于夾紙張，因此試驗(yàn)時(shí)，用木工膠將根系粘貼在紙張表面，再用夾具夾持紙張。

2　植物根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的影響因素

對(duì)植物根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的研究是探究根系固土機(jī)制的重要基礎(chǔ)。影響植物根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的因素主要有：根系直徑、根系長(zhǎng)度、根系含水量、加載速率、采伐時(shí)間、根系內(nèi)部化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)等。其中，大部分的研究是關(guān)于根徑與抗拉力和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)其他因素的研究相對(duì)較少。

2.1根系直徑

直徑是影響根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的重要因素。許多學(xué)者開(kāi)展了直徑與根系抗拉關(guān)系的研究，得出的結(jié)論主要有以下3種：①直徑越大，根系抗拉力越大，抗拉強(qiáng)度越小，根徑與根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度成冪函數(shù)或指函數(shù)關(guān)系。GENET等［34］、阿部和時(shí)等［37］、楊維西等［14］、朱清科等［22］、楊永紅等［32］、李賀鵬等［38］、張超波［9］、呂春娟等［10］對(duì)多種喬木植物根系進(jìn)行研究，史敏華等［15］、朱海麗等［8］、耿威［12］、王劍敏等［39］對(duì)多種灌木植物根系進(jìn)行研究，OPERSTEIN等［34］、劉國(guó)彬等［20］、程洪等［17］、李成凱［40］、苑淑娟［29］、張小娟［41］對(duì)多種草本植物根系進(jìn)行研究，都得出了該結(jié)論。②根系直徑與根系抗拉強(qiáng)度呈線性相關(guān)的關(guān)系。周躍等［42］通過(guò)對(duì)華山松Pinus armandii和思茅松Pinus resiya的側(cè)根進(jìn)行的研究，李會(huì)科等［16］通過(guò)對(duì)花椒Zanthoxylum bungeanum林根系的研究，田佳等［18］通過(guò)對(duì)早熟禾Poa annua，無(wú)芒雀麥Bromus inermis，多年生黑麥草Lolium perenne，高羊茅Festuca arundinace的研究，均證實(shí)了這一線性相關(guān)關(guān)系。③根系直徑與根系抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯相關(guān)性。de BAETS等［43］研究芒柄花Ononis arvensis，絨毛花Corylopsis velutina的抗拉特性時(shí)，王劍敏等［38］、李賀鵬等［39］研究香港黃檀Dalbergia millettii根系的抗拉性能時(shí)，李曉鳳等［16］研究根長(zhǎng)為100 mm的華北落葉松Larix principis-rupprechtii帶皮根系在10 mm·min－1拉伸速率下的抗拉強(qiáng)度，都認(rèn)為根系直徑與根系抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯相關(guān)性。出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是試驗(yàn)樣本太少，或者與根系內(nèi)部結(jié)構(gòu)組分（木質(zhì)素、纖維素等）含量有關(guān)。

部分學(xué)者以室外原位拉拔試驗(yàn)研究根系的抗拉特性。朱清科等［22］的研究表明：根的抗拉力隨根系直徑的增大而增加，但并不完全成線性比例關(guān)系，兩者表現(xiàn)出比較明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。楊永紅［32］的研究表明：抗拉拔力隨著根系直徑的增加而增加，抗拉拔強(qiáng)度隨著根系直徑的增加而減少。從相同直徑的根系來(lái)看，最大抗拉力大于抗拉拔力，最大抗拉強(qiáng)度大于抗拉拔強(qiáng)度［18］?？拱畏梢杂糜趯?duì)根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)［44］，樹(shù)木的根系分布形態(tài)直接影響根系的垂直抗拉效果［45］。

2.2根系長(zhǎng)度

目前，關(guān)于根系長(zhǎng)度與抗拉力和抗拉強(qiáng)度之間關(guān)系的研究較少，但現(xiàn)有研究均不同程度表明，根系長(zhǎng)度會(huì)對(duì)抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響，且根系抗拉強(qiáng)度隨根長(zhǎng)的增加而降低。

朱清科等［22］對(duì)峨眉冷杉Abies fabri，冬瓜楊Populus purdomii和杜鵑Rhododendron simsii的根系進(jìn)行了研究。在根徑相同的情況下，不同的根長(zhǎng)會(huì)有不同的彈性模量。張東升［46］、毛伶俐［47］、姚環(huán)等［48］、張超波［9］、周朔［49］和苑淑娟［29］的研究均表明：根系的抗拉強(qiáng)度隨根長(zhǎng)的增加而減小；張東升的研究表明：兩者多數(shù)表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系；而張超波的研究表明兩者滿足線性關(guān)系；毛伶俐等的研究表明，隨著根長(zhǎng)增加抗拉強(qiáng)度減低的梯度較小且兩者相關(guān)度較弱。周朔的研究還表明：根系的抗拉力也隨著根長(zhǎng)的增加而減小，王萍花［11］的研究同樣證明了該結(jié)論。蔣坤云［50］的研究表明：根系長(zhǎng)度對(duì)灌木根系的抗拉特性有顯著影響。

2.3根系含水量

由于植物根系的含水量與根系生存的土壤情況、季節(jié)等因素有很大的相關(guān)性，并且根系內(nèi)部的水分有自由水和束縛水2種，對(duì)含水量進(jìn)行定量測(cè)定也比較困難，目前關(guān)于根系含水量與抗拉力學(xué)性能之間關(guān)系的研究較少。

根系水分含量會(huì)因?yàn)榧竟?jié)的不同而有所差異，含水量不同根系的抗拉強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。早在1965年，TURMANINA就已得出冬季根系水分含量雖然少但根系的抗拉強(qiáng)度卻比夏季大。WASTERLUND的研究得出結(jié)論，根系強(qiáng)度在12月達(dá)到最大值后下降，6月和7月降低到最小值，冬季根系強(qiáng)度比夏季高的原因可能是冬季根系含水量較低。JANE發(fā)現(xiàn)即使纖維減少25%～30%的含水量，但只要含水量高于纖維含水量飽和點(diǎn)，這種變化對(duì)纖維強(qiáng)度特性影響極小，因此，可能存在一個(gè)含水量的臨界點(diǎn)，含水量的變化越過(guò)這個(gè)臨界點(diǎn)將導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的明顯變化，但如果沒(méi)有越過(guò)臨界點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生顯著變化［9］。李會(huì)科等［16］的研究表明：在根徑一定時(shí)，干根拉力＞帶土根拉力＞濕根拉力。李謙等［51］對(duì)綠竹Dendrocalamopsis oldhami根系的研究表明：12%含水率下根系抗拉強(qiáng)度大于飽和含水率下，但這種差異在不同徑級(jí)間表現(xiàn)不同，同時(shí)，含水率對(duì)根系抗拉強(qiáng)度的影響程度隨著根系直徑的增加而下降。及金楠［52］研究其他因素時(shí)，采取將根系在水中浸泡數(shù)小時(shí)后再進(jìn)行抗拉試驗(yàn)的方法以避免含水量的差異而引起抗拉強(qiáng)度的變化。李長(zhǎng)暄［53］的研究表明，水分對(duì)抗拉力有顯著影響，隨著含水率的降低，根的抗拉力顯著提高，且隨著直徑的增加，影響越來(lái)越顯著。

2.4荷載的加載速率

目前，關(guān)于該因素的研究較少，并且在僅有的研究中，各學(xué)者得出的結(jié)論不盡相同。但多數(shù)研究表明，荷載加載速率會(huì)不同程度地影響根系抗拉強(qiáng)度。

COFIE等［54］比較了10 mm·min－1和400 mm·min－1等2種加載速率下根系的抗拉特性，指出：隨著拉伸速率的增大，根系拉伸應(yīng)力值增加了8%～20%。陳麗華［23］的研究表明：加載速率越大，根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度越小；直徑越大，不同加載速率下根系抗拉力與強(qiáng)度差異越大。周朔［49］認(rèn)為，當(dāng)加載速率較大時(shí)，根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度都有所降低，根系被拉斷成功率遠(yuǎn)大于較小時(shí)。張超波［9］對(duì)白樺Betula platyphylla根系進(jìn)行的研究得出結(jié)論：2個(gè)拉伸速率10 mm·min－1和400 mm·min－1對(duì)根系的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響。王萍花［11］的研究表明：隨著拉伸速率的增大，根系抗拉強(qiáng)度受到的影響不明顯，但其最大抗拉力的范圍略有減少。苑淑娟［29］認(rèn)為，加載速度越大，抗拉強(qiáng)度越大。蔣坤云［50］的研究表明：拉伸速率對(duì)灌木植物根系抗拉特性的影響顯著，而對(duì)草本植物根系抗拉特性的影響不顯著。

2.5采伐時(shí)間

現(xiàn)有的研究均表明：隨著根系采伐后時(shí)間的推移，根系抗拉強(qiáng)度降低，并且滑坡的發(fā)生率會(huì)增加。

BISHOP等［55］的研究得出，采伐使滑坡的發(fā)生率增加了約4.5倍。 ZIEMER和SWANSTON在進(jìn)一步的研究后推斷出，直徑較小的根系在采伐后的2 a內(nèi)失去了32%的強(qiáng)度，10 a后最粗的根系都會(huì)失去強(qiáng)度。BURROUGHS等［56］的研究得出，松樹(shù)根系的抗拉強(qiáng)度在采伐后的大約3～5 a間會(huì)下降約50%，在40個(gè)月后，根系的抗拉強(qiáng)度基本消失。執(zhí)印康裕的研究表明，采伐后根系的抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的增加而減少。楊維西等［57］的研究表明采伐后根系最大抗拉力明顯減小，其衰減率隨采伐后時(shí)間的推延而增大；孫立達(dá)等［58］對(duì)采伐之后刺槐Sophora japonica林根系的研究也得出了相同的結(jié)論。

2.6根系內(nèi)部化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)植物根系內(nèi)部化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)根系抗拉特性影響以及影響機(jī)理的研究較少，但對(duì)該領(lǐng)域的研究有助于我們從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)根系的抗拉力學(xué)特性，因此，這一方面的研究應(yīng)成為學(xué)者們以后研究的重點(diǎn)。

HATHAWAY等［5］首次對(duì)這一因素進(jìn)行研究并得出結(jié)論，根系的纖維壁強(qiáng)度與纖維素含量正相關(guān)；楊氏模量與纖維素含量顯著正相關(guān)，與木質(zhì)素/纖維素比值負(fù)相關(guān)；根系的維管柱是決定根系抗拉力的重要因素。此后，SJOSTROM，COMMANDEUR和PYLES的研究表明：植物根系力學(xué)性質(zhì)與纖維素性質(zhì)之間關(guān)系密切。GENET等［34］的研究對(duì)該因素研究的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。GENET等的研究發(fā)現(xiàn)，海岸松Pinus pinaster和歐洲栗Castanea sativa 0～4 mm去皮根系中綜纖維素含量與抗拉強(qiáng)度均隨著根徑的減少而增加。近年來(lái)，學(xué)者們的研究成果主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①根系的抗拉強(qiáng)度與纖維素含量正相關(guān)。趙麗兵等［31］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了這一結(jié)論。②根系的抗拉強(qiáng)度與木質(zhì)素含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。張超波等［59］和呂春娟［60］的研究表明了這一觀點(diǎn)。③根系抗拉強(qiáng)度與木質(zhì)素和纖維素的比值密切相關(guān)。趙麗兵等［31］、陳麗華［23］、張超波［9］、呂春娟［60］均提出了這一觀點(diǎn)。④植物內(nèi)部多種微觀結(jié)構(gòu)對(duì)根系抗拉性能產(chǎn)生影響。朱海麗等［8］、郭維俊等［61］、陳麗華［23］、蔣坤云［50］的研究表明，根系內(nèi)部韌皮纖維、木纖維的百分含量、周皮的木質(zhì)化、中柱中的機(jī)械組織、木纖維尺寸、管胞尺寸對(duì)根系抗拉性能產(chǎn)生影響。

3　植物根系抗拉力學(xué)性能研究存在的問(wèn)題及趨勢(shì)

由于根系結(jié)構(gòu)的特殊性，找到能將根段兩端固定在實(shí)驗(yàn)儀器上的夾具成為試驗(yàn)的難點(diǎn)?？估囼?yàn)根段試樣的直徑基本小于10 mm，因?yàn)檩^大根徑的試樣一般會(huì)在夾頭處滑脫或破壞。為了對(duì)植物根系有更好更全面的研究，并且提高試驗(yàn)成功率，對(duì)夾具的改進(jìn)應(yīng)成為今后研究的重點(diǎn)。

目前，對(duì)于根系抗拉特性的研究，大部分集中在根系宏觀幾何特性，而關(guān)于根系的組成材料對(duì)力學(xué)性質(zhì)影響的研究還較少，且基本都是簡(jiǎn)單的定性研究。因此，為了從本質(zhì)上揭示根系力學(xué)特性，在今后需要進(jìn)一步對(duì)根系進(jìn)行形態(tài)解剖觀察并且更深入地研究纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等因素對(duì)根系力學(xué)性能的影響。

對(duì)根系抗拉力學(xué)性能的測(cè)定，大部分學(xué)者采用靜荷載的勻速拉伸試驗(yàn)，然而，根系每天都要承受各種荷載的多次往復(fù)作用，一直處在疲勞往復(fù)狀態(tài)。采用反復(fù)加載-卸載方式拉伸根系，對(duì)于更真實(shí)的研究植物根系抗拉力學(xué)性能具有重要意義。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)植物根系疲勞破壞的研究。

缺少在某一分類(lèi)體系上進(jìn)行系統(tǒng)分析、歸納與提升。各個(gè)學(xué)者進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)采用的方法、試驗(yàn)過(guò)程等差別很大，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不具備很強(qiáng)的可比性。應(yīng)嘗試建立進(jìn)行根系抗拉力學(xué)性能研究的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

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Research progress on the tensile mechanical properties of plant roots

LEI Xiangke1，ZHANG Xuebiao2，YANG Qihong3，OUYANG Qianchao1，ZHANG Chaobo1
（1.College of Water Resources Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China；2.Sorghum Research Institute，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Jinzhong 030600，Shanxi，China；3. Changjiang River Scientific Research Institute，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，Hubei，China）

The root system is the basic unit of soil reinforcement by plants，and the research on the tensile mechanical properties of root system lays the foundation of studies on soil reinforcing effects of plant roots.In slope protection engineering which employs plants，the root system improves the stability of the slope through its shear resistance and tensile resistance.Researches have shown evidence that the tensile strength of root system is one of the most important determinants of enhancing slope stability.Therefore，research on the mechanical properties of root tensile strength is of great significance.Based on the analysis of various studies about the properties of tensile strength of root system by both Chinese and international researchers，this paper not only gives a summary of the current status of these studies but also analyzes and compares the experimental methods employed in these studies，and examines the relationship between various determinants and the tensile performance of root system of plants.Conclusions of this paper are as follows：（1）There has not formed a standardized tensile test for root system yet，and the scientific specifications for methods and devices used in the experimental study on the tensile properties of root system should be implemented；（2）The consensus a-mong studies on the relationship between the diameter of root system and its tensile resistance and tensile strength is that the tensile resistance is in a positive correlation with the diameter of the root system while the tensile strength is in a negative correlation with it；（3）The tensile strength of the root system declines with the passage of time since the plant is uprooted；（4）There have no enough researches on the impacts of length，water content，loading rate，chemical components and micro-structure of root system on its tensile resistance and tensile strength，no consensus conclusion has yet been reached and therefore further researches are needed.Finally，this paper explores the problems and trends of researches on the tensile mechanical properties of root system of plants，and argues that the emphasis of future research will be on the improvement of clamps，structural study on the morphological anatomy of root system and the study on the fatigue failure of root system. ［Ch，61 ref.］

plant ecology；plant root；root reinforcement and slope stability；tensile resistance；tensile strength；review

S718.3；Q948.1

A

2095-0756（2016）04-0703-09

10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.021

2015-06-01；

2015-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（51149005，51209150）；太原理工大學(xué)青年團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目（2013T037，2013T038）

雷相科，從事水土保持相關(guān)方向研究。E-mail：leixiangke@163.com。通信作者：張超波，講師，從事流域生態(tài)、山地災(zāi)害研究。E-mail：zhangchaobo@tyut.edu.cn