胡晶華， 劉 靜， 李雪松， 白潞翼， 張 欣， 王多民

(1.內蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院， 內蒙古 呼和浩特 010019； 2.河北省水利科學研究院， 河北 石家莊 050051；3.水利部牧區(qū)水利科學研究所， 內蒙古 呼和浩特 010019； 4.阿拉善盟氣象局， 內蒙古 阿拉善盟 750300)

植物根系防止土體位移和變形的作用已被大量研究證明[1]。在遭受大風拉拔、暴雨沖刷等外營力破壞時，植物根系主要受力類型是軸向拉力[2]，作為抵御土壤侵蝕的受力材料，根系軸向抗拉力、抗拉強度以及楊氏模量(拉伸彈性模量)是材料力學特征的重要指標。植物根系網(wǎng)由側根分支處連接直根構成，目前，對于根系抗拉力學特性的研究主要集中于特定植物直根抗拉力和抗拉強度。大部分研究[3-4]表明，直根抗拉力與根徑呈正相關，抗拉強度與根徑呈負相關，且抗拉力、抗拉強度與根徑呈冪函數(shù)關系。對側根分支處抗拉特性的研究僅有本課題組對檸條(Caraganakorshinskii)、北沙柳(Salixpsammophila)等植物側根分支處與相鄰直根抗拉力學差異性的相關報道[5]。對于根系楊氏模量的研究報道較少，嵇曉雷等[6]計算了夾竹桃(Neriumoleander)的楊氏模量(E50=789.62MPa)，Abdi等[7]得出波斯銀縷梅(Parrotiapersica)的楊氏模量與根徑呈負相關，Boldrin等[8]提出錦熟黃楊(Buxussempervirens)等木本植物的楊氏模量與抗拉強度呈顯著線性相關。植物根系化學成分含量也是影響其材料力學特性的重要因素[9]，Zhang等[10]研究表明，隨著根徑的增加，油松根系抗拉強度降低，根的木質素含量減小，且抗拉強度、木質素含量與根徑呈冪函數(shù)關系。喬娜等[11]研究檸條錦雞兒和霸王根系時，發(fā)現(xiàn)2種灌木根系纖維素含量與根徑、抗拉強度均表現(xiàn)出一定的相關性。Genet[12]研究海岸松(Pinuspinaster)等5種植物根系時，得出根系抗拉強度隨根徑的增大而減小主要歸因于細根單位干質量的纖維素含量大于粗根。植物種間因遺傳特性和生長環(huán)境等的不同，材料力學特性的差別較大，因而作為一種生物材料所發(fā)揮的固土護坡功能也不盡相同。從根系化學成分的角度明確根系抵抗外力的強度特征和變形特點，并據(jù)此篩選抵抗特定侵蝕類型功能更強的植物種，對實現(xiàn)水土流失精準防控和評價水土保持植物固土抗蝕能力具有重要意義。為此，本文以半干旱礦區(qū)常見灌木黑沙蒿為對象，研究1～4 mm根徑直根段、含側根分支處根段的抗拉力、抗拉強度和楊氏模量，以及直根段、含側根分支處根段的纖維素、半纖維素和木質素含量，探討根系抗拉特性與主要化學成分含量的關聯(lián)性，以期充實黑沙蒿根系固土力學特性，為礦區(qū)生態(tài)恢復和植物保護提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗與陜西省神木市接壤處的采煤塌陷治理區(qū)(110°00′—110°24″E， 39°11′—39°29″N，海拔1 000—1 250 m)。屬溫帶半干旱大陸性氣候，年平均降水量為396.8 mm。研究區(qū)內土壤類型為沙質土，砂礫含量(0.05～1.00 mm)達80%～89%，質地復雜、結構較差、易受水蝕和風蝕，適合種植耐旱抗風沙的水土保持植物。該地區(qū)常見植物種有北沙柳、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等，黑沙蒿根系粗長，屬于深根性軸根型植物，為良好的固沙植物之一，是該地區(qū)組成植物群落的優(yōu)勢種。

1.2 供試材料

于2019年7月進行試驗，在研究區(qū)內選擇長勢良好的黑沙蒿群落，隨機選取30株黑沙蒿測量株高、冠幅、地徑，計算各指標的均值(株高：51±10 cm；冠幅：67±17 cm2；地徑：1.2±0.2 cm)作為標準株指標，選取與標準株指標相近的植株進行采集。為防止植株死亡，采用部分挖掘法將黑沙蒿部分根系挖出并剪下放入黑塑料袋中，根系采集數(shù)量大約為800條，在根系上覆土并不斷噴水，避免水分散失。帶回試驗室后在根際溫度(4 ℃)下保存。

選擇長勢均勻的根系進行制備。黑沙蒿根系直徑<4 mm范圍內的干重占總株的87.22%，根長為98.3%，表面積為92.6%，體積為84.45%[13]，因此試驗根徑級選取為1～4 mm。試驗根總長為120 mm試驗長度為60 mm，兩端陰影部分為夾具夾持部分。圖1直根試驗段，O點及距O點10和20 mm標記點根徑采用十字交叉法測量，每個標記點需測量兩次，取5點平均值作為該試驗根的根徑，并依此劃分為1～2，2～3，3～4 mm共3個徑級。圖1含側根分支處試驗根，O點根徑需每60°均勻測量3次，距O點10和20 mm處上級根、下級根的根徑測量與直根段相同，并依此劃分為1～2，2～3，3～4 mm這3個徑級。試驗根段制備好后一周內完成試驗以保證其活性。

直根試驗段 含側根分支處試驗根

圖1 試驗根示意圖

1.3 試驗設計與方法

1.3.1 試驗設計 將根系分3組進行試驗，A組進行試驗根極限力學特性的測定，直根段、含側根分支處根段各3個徑級，各徑級重復30條試驗根，共180條試驗根(無效數(shù)據(jù)不計)。B組進行試驗根變形特性的測定，包括根系的應力應變曲線和楊氏模量的計算，徑級分組和重復數(shù)與極限力學特性試驗相同，共180條試驗根(無效數(shù)據(jù)不計)。C組進行根主要化學成分含量的測定，各徑級各指標重復測定3次，共54條試驗根。

1.3.2 極限抗拉力的測定 本研究采用TY8000伺服控制試驗機(試驗力測量范圍為0～5 000 N，精度為0.01 N)，自制試驗夾具(專利號：ZL201520299176.1)對試驗根進行極限抗拉力測定，其加載速度設置為500 mm/min。將制備好的試驗根放入夾具使其處于軸向受拉狀態(tài)，勻速施加軸向拉力直至根段斷裂。設備自動記錄試驗根在拉伸過程中抗拉力(F)和位移(S)的變化，斷裂點在距試驗根中心兩端20 mm內記為有效數(shù)據(jù)，斷裂點直徑取其相鄰兩側標記點根徑的平均值。極限抗拉強度為破壞處單位橫截面積上的極限抗拉力：

P=4F/πD2

(1)

式中：P為極限抗拉強度(MPa)；F為極限抗拉力(N)；D為根徑(mm)。

1.3.3 楊氏模量的計算 楊氏模量是描述材料抵抗軸向變形能力的物理量，即根系在拉伸過程中，其彈性階段應力應變之比〔公式(4)〕。為保證含水量不變的情況下準確反映其應力應變的變化過程，加載速度采用10 mm/min，通過儀器自動記錄的抗拉力和位移，計算試驗根的應力、應變〔公式(2)—(3)〕，繪制應力應變曲線圖并進行楊氏模量分析。

σr=4Fr/πD2

(2)

εr=Sr/60×100%

(3)

Er=σr/εr

(4)

式中：σr為線應力(MPa)；Fr為抗拉力(N)；D為根徑(mm)；εr為線應變(%)；Sr為試驗根受拉發(fā)生的位移(mm)；Er為楊氏模量(MPa)。

1.3.4 化學成分的測定 纖維素含量測定采用硝酸—乙醇法，根系木素被硝化并部分被氧化后產(chǎn)生的硝化木素和氧化木素以及大量半纖維素均溶于乙醇溶液，所得殘渣為纖維素含量(GB/T2677.6-1994)；半纖維素含量測定采用間接法，即綜纖維素含量減去纖維素含量即為半纖維素含量，棕纖維素測定含量采用亞氯酸鈉法，利用亞氯酸鈉溶液加熱后的分解產(chǎn)物二氧化氯將木質素脫除(GB/T2677.8-1994)；木質素含量測定采用72%硫酸水解法，硫酸水解經(jīng)苯醇混合液抽提，其水解殘余物的質量為木質素含量(GB/T 2677.8-1994)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，使用最小顯著極差法(LSD)對黑沙蒿根段化學成分含量進行差異性檢驗，使用Pearson檢驗對根段抗拉強度、楊氏模量與化學成分含量進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 黑沙蒿根段極限強度特征

由圖2可知，直根段、含側根分支處根段抗拉力隨根徑的增加而增大，且抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關系(y直=11.497x1.365 6，R2=0.863 7，p<0.001；y側=6.188 1x1.511 1，R2=0.934 8，p<0.001)，抗拉強度隨根徑的增大而減小，與根徑呈冪函數(shù)關系(y直=15.207x-0.67，R2=0.612 2，p<0.001；y側=7.879x-0.489，R2=0.600 1，p<0.001)。直根段抗拉力、抗拉強度均大于相同根徑含側根分支處根段。在1～4 mm根徑范圍內，直根段根徑由1.07 mm增至3.92 mm，抗拉力由10.35 N增至99.41 N，抗拉強度由19.10 MPa降至4.26 MPa；3～4 mm直根平均抗拉力、抗拉強度分別是1～2 mm直根的3.2和0.6倍。含側根分支處根段根徑由1.16 mm增至3.97 mm，抗拉力由7.65 N增至50.12 N，抗拉強度由8.28 MPa降至3.46 MPa；3～4 mm含側根分支處根段平均抗拉力、抗拉強度分別是1～2 mm含側根分支處根段的3.5和0.7倍。粗根由于生長時間較長，木質化程度高，因此在拉伸破壞中表現(xiàn)出更強的抵抗力，但細根的抗拉強度即單位面積上的抗拉力優(yōu)于較粗根，能夠有效增強土體對侵蝕營力的抵御。

注：不同大寫字母表示同一根段不同徑級間抗拉力、抗拉強度差異顯著(p<0.05)； 不同小寫字母表示同一徑級不同根段抗拉力、抗拉強度差異顯著(p<0.05)。

2.2 黑沙蒿根段變形特征

在每個根徑范圍內選取與極限應力均值最接近的應力應變曲線作為該徑級組的代表曲線(圖3)。由圖3可知，直根段、含側根分支處根段承受軸向拉力后均表現(xiàn)出明顯的彈塑性特征。隨著應變的增大，應力先呈線性增大趨勢，此階段主要發(fā)生彈性變形；到達拐點后，應力隨應變的增大呈現(xiàn)出緩慢的非線性增長趨勢，斜率變小，應力應變曲線由線型改為上凸型，此階段主要發(fā)生塑性變形。

如圖4所示，直根段、含側根分支處根段楊氏模量與根徑呈負相關，直根段的楊氏模量均大于相同根徑下含側根分支處根段。直根段楊氏模量范圍為72～341 MPa，1～2 mm直根平均楊氏模量是3～4 mm直根的1.9倍；含側根分支處根段楊氏模量范圍為18～469 MPa，1～2 mm含側根分支處根段的平均楊氏模量是3～4 mm含側根分支處根段的3.6倍。相較于粗根而言，黑沙蒿細根具有更高的楊氏模量，說明細根具有較強的韌性，抵抗彈性變形能力強，不易發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出更好的彈性性能。

圖3 各徑級應力應變代表曲線

2.3 黑沙蒿根段主要化學成分含量

黑沙蒿直根段、含側根分支處根段各化學成分含量在不同徑級下差異性顯著(p<0.05)，纖維素、半纖維素和木質素含量之和達到總化學成分含量的70%以上，直根段、含側根分支處根段的平均化學成分含量表現(xiàn)為：半纖維素(31.69%，32.18%)>木質素(28.42%，25.31%)>纖維素(15.50%，15.35%)(表1)。在1～4 mm根徑范圍內，直根段中纖維素含量范圍為14.92%～16.22%，半纖維素為28.92%～35.22%、木質素為27.13%～29.51%，纖維素含量與根徑呈負相關關系，半纖維素、木質素含量與根徑均呈正相關關系。含側根分支處根段中纖維素含量范圍為14.61%～15.97%，半纖維素含量為30.25%～35.57%，木質素含量為24.11%～26.92%，纖維素含量隨根徑的增大而減小，半纖維素、木質素含量與根徑無明顯關系。

注：不同大寫字母表示同一根段不同徑級間楊氏模量差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一徑級不同根段楊氏模量差異顯著(p<0.05)。

表1 黑沙蒿根段主要化學成分含量

2.4 黑沙蒿根段抗拉強度、楊氏模量與化學成分的關聯(lián)性

回歸分析表明(表2)，黑沙蒿直根段抗拉強度、楊氏模量與3種主要化學成分擬合曲線均為線性函數(shù)(p<0.001)，含側根分支處根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素擬合為線性函數(shù)，與半纖維素、木質素無明顯關系。Pearson檢驗后發(fā)現(xiàn)，直根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素呈極顯著正相關(p<0.01)，與半纖維素、木質素呈極顯著負相關(p<0.01)。含側根分支處根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素呈極顯著正相關(p<0.01)，與半纖維素、木質素無相關性。采用多元逐步回歸進一步分析黑沙蒿根系各化學成分對抗拉特性的貢獻，結果得出纖維素均與黑沙蒿根段抗拉強度、楊氏模量存在極顯著預測函數(shù)關系(直根段：y強=-94.320+6.661x，y楊=-1 903.072+133.401x；含側根分支處根段：y強=-37.343+2.778x，y楊=-1 756.876+120.329x)(p<0.01)，表明纖維素對黑沙蒿根段抗拉強度、楊氏模量的影響最大，并且為正相關。

表2 抗拉特性(y)與主要化學成分(x)的關聯(lián)性

3 討 論

黑沙蒿直根段、含側根分支處根段的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)正相關，抗拉強度與根徑呈冪函數(shù)負相關。這與檸條錦雞兒、霸王、白刺等灌木根系抗拉力學特性規(guī)律一致[14]，也與其他喬木、草本植物的相關研究結論相符，即白樺、短柄草、細莖針茅等直根抗拉強度與根徑為冪函數(shù)負相關[15-16]；檸條、沙柳、沙棘等含側根分支處抗拉力與根徑呈冪函數(shù)正相關，抗拉強度與根徑呈冪函數(shù)負相關[5]。而化學成分含量的研究有助于從微觀層面解釋根系的力學特性。本研究表明，黑沙蒿直根段、含側根分支處根段抗拉特性與纖維素有著良好的相關性，且纖維素影響抗拉特性的作用大于其他化學成分，其關系為：抗拉強度、楊氏模量與纖維素呈極顯著正相關，這與草本植物香根草、百喜草、狗牙根[17]，灌木檸條、沙棘、沙柳[18]以及喬木白樺、蒙古櫟[19]等植物根系抗拉強度與纖維素相關性的研究結果一致，這是因為纖維素是植物細胞壁中主要的骨架成分，而細胞壁是支撐植物機械性能的主要結構[17]。同時，纖維微纖絲是抵抗張力破壞的最佳結構，即纖維素的增加可以增強根系的抗拉強度[25]。除纖維素外，木質素、半纖維素與抗拉特性也存在一定的關聯(lián)性，半纖維素、木質素作為基質填充在微纖絲中，其含量會直接影響到植物機械組織的發(fā)達程度。對于黑沙蒿直根段，半纖維素、木質素含量隨著根徑的減小而減少，半纖維素、木質素含量減少可以促進相鄰纖維微纖絲的聚集，微纖絲之間緊密相連，增大接觸面積，使纖維抵抗外力的強度顯著提高[26]，從而導致直根段抗拉強度、楊氏模量隨根徑的減小而增大，表現(xiàn)出直根段抗拉強度、楊氏模量與半纖維素、木質素呈極顯著負相關，葉超[17]研究狗尾草等5種草本植物根系抗拉強度與木質素關系時得出相似結論。但含側根分支處根段由于根系形態(tài)發(fā)生變化使半纖維素、木質素含量保持在一個相對穩(wěn)定的水平，只起到了黏結加固作用，對植物根系的抗拉強度沒有產(chǎn)生顯著影響[12,27]。由此表明，化學成分含量是影響植物根系抗拉力學特性的重要因素，且纖維素的作用明顯大于其他化學成分。不同植物種間化學含量存在差異，導致植物根系材料力學特性種間差異大，黑沙蒿根系的纖維素含量范圍在14.61%～16.22%，除了與沙棘根系的纖維素含量接近外，均低于上述其他植物根系的纖維素含量，相應的黑沙蒿根系抗拉強度也低于上述植物(表3)。但不同植物種根徑的分布有較大的區(qū)別，楊氏模量無法排除根徑對其的影響，故不同物種間根系纖維素含量與楊氏模量的關聯(lián)性不顯著。

4 結 論

(1) 在1～4 mm根徑范圍內，黑沙蒿直根段與含側根分支處根段的抗拉力隨根徑的增加而增大，抗拉強度隨根徑的增大而減小，抗拉力、抗拉強度與根徑均呈冪函數(shù)關系。直根段、含側根分支處根段均表現(xiàn)出彈塑性特征，且楊氏模量均隨根徑的增大而減小，直根段楊氏模量大于相同根徑下含側根分支處根段的楊氏模量。直根段、含側根分支處根段的平均抗拉強度為9.1和5.2 MPa，平均楊氏模量為169.3和104.1 MPa。

表3 幾種植物種根系抗拉特性與纖維素含量

(2) 黑沙蒿直根段、含側根分支處根段各化學成分含量差異顯著(p<0.05)，纖維素、半纖維素與木質素含量之和達到總化學成分含量的70%以上。直根段、含側根分支處根段的平均化學成分含量表現(xiàn)為：半纖維素(31.69%，32.18%)>木質素(28.42%，25.30%)>纖維素(15.50%，15.35%)。隨著根徑增加，直根段纖維素含量減小，半纖維素和木質素含量增加，而含側根分支處根段纖維素含量減小，半纖維素和木質素含量無變化。

(3) 直根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與半纖維素、木質素含量呈極顯著負相關(p<0.01)。含側根分支處根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與半纖維素、木質素含量無相關性。

(4) 纖維素含量是影響植物根系抗拉強度的重要因素，對于同種植物而言，細根單位質量的纖維素含量顯著大于粗根，導致細根的抗拉強度大于粗根。而不同植物之間，纖維素含量高的植物，其抗拉強度高于纖維素含量低的植物。