李有芳，劉 靜* ，張 欣，李雪松，姚喜軍，王晨嘉，蘇 禹

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 021000)

外力作用下4種植物根系易損部位的研究

李有芳1，劉 靜1*，張 欣2，李雪松1，姚喜軍3，王晨嘉1，蘇 禹1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 021000)

側(cè)根分支處；相鄰直根；抗拉力；抗折力

1 材料與方法

1.1 試驗材料采集

1.2 試驗根的選取與制備

圖1所示：直根總長為5 cm，其中，陰影部分為夾具夾持部位，兩夾具間即受力段為3 cm,夾具兩端各1 cm。從直根中點向兩端每隔5 mm做一標(biāo)記點并測量該標(biāo)記點的直徑。標(biāo)記點每隔180°測量一次，取平均值作為該直根的平均直徑。

圖2所示：以側(cè)根分支處為中點，沿上級直根段的軸向總長同為5 cm，其中，陰影部分為夾具夾持部位，兩夾具間距離3 cm，夾具兩端各1 cm。由于側(cè)根分支處根徑橫截面不一定呈規(guī)則圓形，因此，對其每隔120°測量1次直徑，取3次直徑平均值作為側(cè)根分支處直徑。

A: 相鄰上級直根Adjacent upper straight root; B: 受力段forced part; C: 側(cè)根分支處Lateral root branch; D: 上級根Upper root; E: 下級根Lower root.圖1 相鄰直根段示意圖Fig.1 Adjacent upper straight roots in test roots圖2 側(cè)根分支段示意圖Fig.2 Lateral root branch in test roots

1.2.2 抗折試驗根的選取與制備 抗折試驗根的選取與制備方法同抗拉試驗，其中，帶有側(cè)根分支處的試驗根與相鄰直根段總長均8 cm，2種根受力段均為4 cm，夾具兩端各2 cm。從試驗根的中點(側(cè)根分支段的中點為側(cè)根分支處)向兩端每隔1 cm做標(biāo)記并測量標(biāo)記點的直徑，標(biāo)記點的測量方法同抗拉試驗。

1.3 抗拉力和抗折力的測定

抗拉力和抗折力均由TY8000伺服控制材料試驗機進行測定，加載速度均為500 mm·min-1。抗拉力測定時將試驗根的上下兩端分別垂直固定在試驗機的上下夾具內(nèi)，其中，側(cè)根分支處根段的上級根固定在試驗機的上夾具內(nèi)，2根下級根分別用3點固定式夾具夾持并調(diào)整夾具的角度以確保每一下級根軸向受力，啟動試驗機，對根系施加軸向拉力，直至根被拉斷?？拐墼囼炇怪备仕綘顟B(tài)，用自制夾具將直根兩端固定，施力點位于直根受力段中點的上方(圖1)，帶有側(cè)根分支處的試驗根使側(cè)根分支處位于受力段的中點，用自制夾具水平固定側(cè)根分支段的上級根和兩根下級根，在側(cè)根分支處施加垂直于根軸線的點壓力(圖2)。極限抗拉力和抗折力由電腦自動記錄。本試驗中抗折強度為破壞處單位根橫截面積上的抗折力。

抗拉強度、抗折強度計算公式：

P= 4F/πD2

式中：P—抗拉強度、抗折強度(MPa)；F—抗拉力、抗折力(N)；D—斷裂處直徑(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SAS 9.0軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種植物側(cè)根分支處和相鄰直根抗拉特性的差異

A: 相鄰直根抗拉力Anti-tension force of adjacent upper straight root; B: 側(cè)根分支處抗拉力Anti-tension force of lateral root branch; C: 相鄰直根抗拉強度Anti-tension strength of adjacent upper straight root; D: 側(cè)根分支處抗拉強度Anti-tension strength of lateral root branch. Ⅰ: 檸條Caragana korshinskii; Ⅱ: 沙柳Salix psammophila; Ⅲ: 沙棘Hippophae rhamnoides; Ⅳ: 白沙蒿Artemisia sphaerocephala;下同The same below.圖3 4種植物側(cè)根分支處、相鄰直根的抗拉力和抗拉強度Fig.3 Anti-tension force and anti- tension strength between lateral root branches and adjacent upper straight roots in four plants

2.2 4種植物側(cè)根分支處和相鄰直根抗折特性的差異

A: 相鄰直根抗折力 Anti-fracture force of adjacent upper straight root; B: 側(cè)根分支處抗折力 Anti-fracture force of lateral root branch; C: 相鄰直根抗折強度 Anti-fracture strength of adjacent upper straight root ; D: 側(cè)根分支處抗折強度 Anti-fracture strength of lateral root branch.圖4 4種植物側(cè)根分支處、相鄰直根的抗折力和抗折強度Fig.4 Anti- fracture force and anti- fracture strength between lateral root branches and adjacent upper straight roots in four plants.

3 討論

4 結(jié)論

造成垂直根模型(WWM)和纖維束模型(FBM)預(yù)測值偏高的原因應(yīng)補充兩點：①模型根系全部計入直根的抗拉力，忽略了側(cè)根分支處，而側(cè)根分支處是根系固土的薄弱點。②模型假設(shè)根土復(fù)合體發(fā)生剪切時，所有根系只在軸向方向受拉,而實際在土體被剪切時，根可能承受軸向拉力，也可能承受徑向折力。不同植物種，單根抵抗拉力和折力的特性不同，對于單根抗折強度小于抗拉強度的植物，模型必然高估根系的實際固土能力。

[1] 周本智, 傅懋毅. 粗放經(jīng)營毛竹林鞭系和根系結(jié)構(gòu)研究[J].林業(yè)科學(xué)研究, 2008, 21(2): 217-221.

[2] 吳 鵬, 謝朋成, 宋文龍, 等. 基于根系形態(tài)的植物根系力學(xué)與固土護坡作用機理[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2014, 42(5): 139-142.

[3] 陳義君, 彭石磊, 諶 蕓, 等. 植物根系固土力學(xué)機理的研究進展[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2014, 38(2): 151-156.

[4] 李華坦, 李國榮, 趙玉嬌, 等. 模擬自然降雨條件下植物根系增強邊坡土體抗剪強度特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2016, 32(4): 142-148.

[5] Danjon F, Fourcaud T, Bert D. Root architecture and wind-firmness of maturePinuspinaster[J]. New Phytologist, 2005, 168，33(2): 387-400.

[6] Gian B B, Enrico A C, Tommaso S,etal. Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy(Northern Italy) [J]. Plant and Soil, 2005, 278 (1): 11-22.

[7] Pollen N. Temporal and spatial variability in root reinforcement of sterambanks: Accounting for soil shear strength and moistur e[J]. Catena, 2007, 69 (3): 197-205.

[9] 孫麗文, 史常青, 趙廷寧. 北川縣4個樹種根系抗拉特性研究[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2014, 32(1):34-40.

[10] 李 謙, 周本智, 安艷飛, 等. 綠竹根系分布及生物力學(xué)性質(zhì)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2014, 25(5):1319-1326.

[11] 田 佳, 曹 兵, 及金楠, 等. 防風(fēng)固沙灌木花棒沙柳根系生物力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2014, 30(23):192-198.

[12] Docker B B, Hubble T C T. Quantifying root-reinforcement of river bank soils by four Australian tree species[J]. Geomorphology, 2008, 100: 401-418.

[13] Comino E, Marengo P. Root tensile strength of three shrub species:Rosacanina,CotoneasterdammeriandJuniperushorizontalis: Soil reinforcement estimation by laboratory test[J]. Catena, 2010, 82: 227-235.

[14] Zhang C B, Chen L H, Jiang J,etal. Effects of gauge length and strain rate on the tensile strength of tree roots[J].Trees, 2012, 26: 1577-1584.

[15] Liu X M, Liu J, Sun X,etal. Study on the lateral root branch tensile mechanical characteristics of three kinds of plants at exuberant growth period[C]. 2012 4th International Conference on Agriculture and Animals Science, Thailand: IACSIT Press, 2012, 47: 47-51.

[16] 劉鵬飛, 劉 靜, 張 格, 等. 四種植物生長旺盛期側(cè)根分支處抗折特性研究[J].北方園藝, 2015(17):58-61.

[17] 鄭永剛. 4種植物直根抗折力學(xué)特性的研究[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

[18] 邢會文, 姚喜軍, 劉 靜, 等.4種植物代表根的研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008, 29(4):22-25.

[19] 張永亮. 沙棘根系生物力學(xué)特性研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[20] 周云艷, 陳建平, 王曉梅. 植物根系固土護坡機理的研究進展及展望[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2012, 21(6): 1171-1177.

[21] 張超波, 蔣 靜, 陳麗華. 植物根系固土力學(xué)機制模型[J].中國農(nóng)學(xué)通報, 2012, 28(31):1-6.

[22] 楊 旸, 字淑慧, 余建新. 植物根系固土機理及模型研究進展 [J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014, 29 (5): 759-765.

[23] 田 佳, 曹 兵, 及金楠. 植物根系固土作用模型研究進展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2015, 31(21):209-219.

[24] 趙麗兵, 張寶貴, 蘇志珠. 草本植物根系增強土壤抗剪切強度的量化研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2008, 16(3): 718-722.

[25] Burylo M, Hudek C, Rey F. Soil reinforcement by the roots of six dominant species on eroded mountainous marly slopes (Southern Alps, France)[J]. Catena, 2011, 84: 70-78.

[26] Comino E, Marengo P, Rolli V. Root reinforcement effect of different grass species: A comparison between experimental and models results [J]. Soil and Tillage Research, 2010, 110: 60-68.

(責(zé)任編輯：詹春梅)

Study on the Vulnerability of the Roots of Four Species under External Forces

LIYou-fang1,LIUJing1,ZHANGXin2,LIXue-song1,YAOXi-jun3,WANGChen-jia1,SUYu1

(1.Desert Science and Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China; 2.Institute of Water Resources for Pasturing Area of the Ministry of Water Resources, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China; 3.Land Surveying and Planning Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China)

lateral root branch; adjacent straight root; anti-tension force; anti-fracture force

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.01.009

2016-02-01

國家自然科學(xué)基金項目(51364034)

李有芳(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向：水土保持與荒漠化防治.電話：18747115838 E-mail: lyfyzd123@163.com
* 通訊作者：劉 靜，女，博士，教授，主要研究方向：水土保持與荒漠化防治.電話：13404803349 E-mail: ljing58@126.com

S157.2

A

1001-1498(2017)01-0063-06