潘 露， 張喬艷， 郭 歡， 唐麗霞?

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽；2.貴州省國有扎佐林場，550025，貴陽)

植物根系在加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定、增強(qiáng)土體強(qiáng)度等方面有顯著作用，能有效地防控水土流失、淺層滑坡及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1-5]。植物根系的固土作用主要體現(xiàn)為以深粗根的錨固、淺細(xì)根的加筋以及植物蒸騰降低坡體孔隙水壓力來增加斜坡的穩(wěn)定[4,6]；而植物的抗拉特性是決定根系護(hù)坡的關(guān)鍵，在含根土體受到剪切作用時(shí)，根系所受的剪切應(yīng)力因變形拉直轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，故單根抗拉是研究根系固土的基礎(chǔ)[7-8]。

國內(nèi)外學(xué)者對植物根系抗拉力學(xué)特性開展大量的研究。Baets等[9]對地中海地區(qū)25種植物根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)得到植物單根抗拉力隨根徑增加呈增加趨勢，且單根抗拉強(qiáng)度與根徑為負(fù)相關(guān)，其函數(shù)關(guān)系受植物的種類影響。呂春娟等[10]和劉亞斌等[8]對不同植物根系的單根抗拉研究也得到相似的結(jié)果。上述研究主要探究植物種類以及根系直徑對單根抗拉特性的影響。為進(jìn)一步解釋根徑與抗拉力及抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，李可等[11]和張喬艷等[12]通過拉伸斷面電鏡掃描，得出根系的微觀結(jié)構(gòu)是決定根系力學(xué)特性的主導(dǎo)因素。李寧[13]和Sluiter等[14]從根系化學(xué)成分方面探討木質(zhì)素和纖維素對力學(xué)特性的影響。呂春娟等[15]和張喬艷等[16]對不同植物根系的化學(xué)成分及力學(xué)性能進(jìn)行測定，結(jié)果表明根系化學(xué)成分對其力學(xué)性能有影響。李長暄等[17]結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線特征對蒙古櫟(Quercusmongolica)的抗拉力學(xué)特性進(jìn)行研究，得出不同徑級(jí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型，表現(xiàn)出彈塑性材料特征，這與王萍花等[7]對喬木單根拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線研究結(jié)果一致。單根的應(yīng)力應(yīng)變曲線是揭示根系抗拉過程的基礎(chǔ)，不同樹種、不同年齡、不同根長、不同根徑以及不同拉伸速率都可能會(huì)影響其本構(gòu)關(guān)系[18]。

以上研究從不同角度解析根系抗拉力學(xué)特征及其影響因素，為植物根系固土護(hù)坡提供一定的理論支撐，貴州省是我國西南喀斯特區(qū)的核心，區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)導(dǎo)致形成大量裸露邊坡，土少石多、蓄水難等現(xiàn)狀使得生態(tài)修復(fù)難度大，植物護(hù)坡對該地區(qū)的生態(tài)修復(fù)與重建起重要作用。筆者以適應(yīng)性廣、萌芽能力強(qiáng)、耐干旱瘠薄的雙莢決明(Cassiabicapsularis)根系為研究對象，通過單根拉伸試驗(yàn)測定不同根長和拉伸速率對其單根抗拉力、抗拉強(qiáng)度以及應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化特征，以期探究喀斯特石質(zhì)邊坡上雙莢決明單根受力變形特性，為喀斯特地區(qū)邊坡根系固土機(jī)理研究、生態(tài)恢復(fù)和防治滑坡提供理論研究價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市花溪區(qū)，地理位置為E 106°27′～106°52′，N 26°11′～26°34′，海拔為1 030～1 326 m，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均降水量1 229 mm，年平均氣溫15 ℃[19]。區(qū)內(nèi)土壤主要為酸性黃壤土和石灰土，土壤分布不均，土被破碎?？λ固貐^(qū)邊坡土少石多，生態(tài)修復(fù)中常以土石混合堆積為主，輔以鐵絲網(wǎng)格穩(wěn)定后，以種植灌木來達(dá)到固土護(hù)坡目的。植物根系側(cè)根在表層土壤中水平分布，主根穿透混合土石，沿巖石縫隙扎到坡體深處以達(dá)到邊坡防護(hù)。邊坡防護(hù)多為喜鈣和石生植物，主要有火棘(Pyracanthafortuneana)，野薔薇(Rosamultiflora)，莢蒾(Viburnumdilatatum)，花椒(Zanthoxylumbungeanum)，多花木藍(lán)(Indigoferaamblyantha)，雙莢決明(Cassiabicapsularis)等[20]。

2 材料與方法

2.1 根系采集及制備

于2019年7月進(jìn)行根系的采集與制備，以撒種生長5 a，長勢一致，無病蟲害的雙莢決明作為實(shí)驗(yàn)株。采用全挖法獲取根系，清除根系表面雜質(zhì)后，將根系制成標(biāo)距分別為50、100 mm的試驗(yàn)樣(根段總長分別為110和160 mm，兩端各留30 mm自由端用于與夾具接觸)并置于自封袋封袋保存，進(jìn)行室內(nèi)拉伸試驗(yàn)。當(dāng)天未能完成測定的根系，放于4 ℃冰箱保持根系的鮮活，所有根系于7 d內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。

2.2 根系抗拉力學(xué)特性的測定

用電子游標(biāo)卡尺分別測量根段標(biāo)距兩端和中間的直徑，取其平均值作為該根段的直徑。根據(jù)平均直徑D將實(shí)驗(yàn)根分為5個(gè)徑級(jí)，分別為徑級(jí)Ⅰ(0.5

實(shí)驗(yàn)儀器采用濟(jì)南耐爾試驗(yàn)機(jī)DWD-10，最大量程為10 kN，速度0.001～500 mm/min。為減少試驗(yàn)誤差，根系滑出夾具或被夾斷均視為無效試驗(yàn)，當(dāng)根系斷裂處明顯遠(yuǎn)離夾具時(shí)為成功試驗(yàn)。試驗(yàn)總根數(shù)為210根，有效根系為89根，成功率為42.38%。

在研究根長對根系變形的影響時(shí)，拉伸速率選用10 mm/min，標(biāo)距分別為50、100 mm。預(yù)實(shí)驗(yàn)表明，標(biāo)距小于50 mm的根段很難固定在萬能試驗(yàn)機(jī)上，而大于100 mm的順直根段很少，故選用50和100 mm這2個(gè)標(biāo)距。為模擬在自然狀態(tài)下滑坡緩慢發(fā)生和大風(fēng)條件下的滑坡發(fā)生[21]，在研究拉伸速率對根系變形的影響時(shí)，標(biāo)距選用100 mm，拉伸速率分別為10、500 mm/min。

2.3 數(shù)據(jù)處理

林木根系的抗拉強(qiáng)度是指根系在外力拉伸下抵抗破斷的能力[9]。公式如下：

P=4Fmax/πD2；

(1)

σ=4F/πD2；

(2)

ε=ΔL/L。

(3)

式中：P為根系抗拉強(qiáng)度，MPa；Fmax為根系極限抗拉力，N；F為實(shí)時(shí)拉力，N；σ為應(yīng)力，MPa；D為根系平均直徑，mm，由于在實(shí)驗(yàn)過程中無法測量根系斷裂時(shí)的直徑，所以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過程中直徑?jīng)]有變化；ε為縱向線應(yīng)變即延伸率；ΔL為根系的延長量，mm；L為兩夾具之間受到拉伸作用的根長，mm，即為標(biāo)距。數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法為卡方獨(dú)立性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單根抗拉力學(xué)特性

3.1.1 不同根長、拉伸速率下單根抗拉力與根徑的關(guān)系 由圖1a和1b可見不同根長下雙莢決明單根抗拉力與直徑均呈冪函數(shù)關(guān)系增長，根長對單根抗拉力與根徑之間的關(guān)系影響不大。由圖1可知不同拉伸速率下雙莢決明單根抗拉力與直徑之間均呈冪函數(shù)關(guān)系增大，表明拉伸速率對單根抗拉力與根徑之間關(guān)系影響不大。

圖1 雙莢決明單根抗拉力與根徑的關(guān)系Fig.1 Relationship between tensile force of a single root and root diameter of Cassia bicapsularis

不同條件下最大抗拉力與直徑之間的函數(shù)關(guān)系式不同。根長50 mm，拉伸速率10 mm/min；根長100 mm，拉伸速率10 mm/min和根長100 mm，拉伸速率500 mm/min條件下單根抗拉力與直徑之間函數(shù)關(guān)系式分別為y=25.177x1.518 3(R2=0.900 4)；y=16.326x1.967 6(R2=0.929 2)；y=30.418x1.633(R2=0.913 2)。

3.1.2 不同根長、拉伸速率下單根抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系 圖2為雙莢決明單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系曲線，可見不同根長條件下單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間均呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系減小，對比圖2b及圖2c可得不同拉伸速率下單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間均呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系減小，表明根長和拉伸速率對單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間關(guān)系影響不大。

圖2 雙莢決明單根抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系Fig.2 Relationship between tensile strength of a single root and root diameter of Cassia bicapsularis

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力應(yīng)變曲線可表現(xiàn)出多個(gè)拉伸力學(xué)性能指標(biāo)，如彈性模量、極限延伸率、抗拉強(qiáng)度等，此外，應(yīng)變狀態(tài)還能反映單根受力時(shí)的變形情況。本研究結(jié)果表明，雙莢決明單根拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線多樣，主要表現(xiàn)為鋸齒型、單峰型和多峰型3種(圖3)。

圖3 雙莢決明單根應(yīng)力應(yīng)變曲線類型Fig.3 Types of stress-strain curve of a single root of Cassia bicapsularis

圖3a為鋸齒型曲線，在受力初期，OA段應(yīng)力隨應(yīng)變呈直線增加，鋸齒波動(dòng)不明顯，單根為彈性變形，隨著拉力持續(xù)增加，曲線斜率發(fā)生變化，AB段鋸齒型逐漸變明顯，即出現(xiàn)屈服階段，小范圍內(nèi)應(yīng)變增加而應(yīng)力沒有變化，單根變形為彈塑性變形。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，根系斷裂，應(yīng)變達(dá)到最大值。

圖3b為單峰型曲線， OA段為受力初期，應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性遞增，此階段為彈性變形階段。AB段為單根受力中期，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性，單根進(jìn)入彈塑性變形階段，單根在力的作用下開始屈服。經(jīng)過屈服階段后， BC段為受力后期，單根進(jìn)入硬化階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增大而增大，直至達(dá)到應(yīng)力峰值，單根斷裂，應(yīng)力迅速下降為0，此階段為塑性變形。

圖3c為多峰型曲線， OA段為彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線近似直線。AB段為屈服階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性，撤去拉伸力后，單根不能完全恢復(fù)至拉伸前的狀態(tài)，而保留一部分殘余變形。BC段為硬化階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間增長關(guān)系近似線性增長，應(yīng)力增至C點(diǎn)后根皮撕裂，應(yīng)力下降。CD段為根皮撕裂階段，應(yīng)變增加，應(yīng)力呈多峰型上下波動(dòng)，根皮斷裂后中柱繼續(xù)抵抗變形，故D點(diǎn)處應(yīng)力表現(xiàn)為增大至最后一個(gè)峰值后迅速下降至0。

3.3 不同根長、不同速率對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

通過在不同拉伸速率下對不同根長的雙莢決明根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，將應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行分類匯總得到表1。

表1 雙莢決明應(yīng)力應(yīng)變曲線類型匯總表Tab.1 Summary of the types of stress and strain curves of Cassia bicapsularis

3.3.1 不同根長下的應(yīng)力應(yīng)變曲線 由表1可見，雙莢決明根系在拉伸速率為10 mm/min，根長為50和100 mm條件下應(yīng)力應(yīng)變曲線多樣，鋸齒型、單峰型和多峰型均有，且不同根長下各類型占比不同。根長為50 mm條件下多峰型曲線占比最大，且其對應(yīng)的根徑范圍較廣。根長為100 mm條件下各類型曲線占比相差不大。值得注意的是，2種根長條件下鋸齒型曲線均為根徑小于2 mm的單根應(yīng)力應(yīng)變曲線，說明直徑較小的根系對外界拉力的緩沖能力更強(qiáng)。對不同根長的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行卡方獨(dú)立性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，根長與應(yīng)力應(yīng)變曲線類型沒有顯著的相關(guān)性，χ2=2.801，P=0.247>0.05，接受原假設(shè)，即根長對應(yīng)力應(yīng)變曲線無顯著影響。

3.3.2 不同速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線 由表1可見，在根長均為100 mm，拉伸速率為10 mm/min條件下，應(yīng)力應(yīng)變曲線類型多樣且各類型占比均勻。拉伸速率為500 mm/min時(shí)所有應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型。對2種拉伸速率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行卡方獨(dú)立性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，拉伸速率與應(yīng)力應(yīng)變曲線類型間有顯著的相關(guān)性，χ2=27.887，P=0.00<0.05，拒絕原假設(shè)，即拉伸速率對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型有顯著影響。

4 討論

單根的應(yīng)力應(yīng)變曲線是揭示根系抗拉過程的基礎(chǔ)，曲線反映單根受拉力過程中的變形特性。筆者通過在不同拉伸速率下對不同根長的雙莢決明進(jìn)行單根拉伸實(shí)驗(yàn)，試圖探究喀斯特地區(qū)雙莢決明單根抗拉變形特性。結(jié)果表明：

1)雙莢決明單根抗拉力隨直徑增大而呈冪函數(shù)遞增，單根抗拉強(qiáng)度隨直徑增大呈對數(shù)函數(shù)遞減。這與前人對其他植物單根拉伸的研究結(jié)果相近，李可等[11]對早熟禾和檸條錦雞兒的研究結(jié)果表明2種植物根系抗拉力與根徑間均呈冪函數(shù)關(guān)系增長，抗拉強(qiáng)度隨根徑增加而遞減，2種植物遞減關(guān)系不同。呂春娟等[10]對5種喬木抗拉特性進(jìn)行研究，表明5種喬木根系極限抗拉力與直徑之間為冪函數(shù)關(guān)系，油松和白樺根系抗拉強(qiáng)度隨著直徑增大以冪函數(shù)遞減，蒙古櫟、落葉松和榆樹根系的單根抗拉強(qiáng)度隨根徑增大呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減。

2)喀斯特地區(qū)雙莢決明單根抗拉變形多樣且過程復(fù)雜，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)可將曲線分為3種類型，鋸齒型、單峰型和多峰型。鋸齒型主要包括彈性階段和屈服階段2個(gè)階段，對應(yīng)的變形特征為彈性變形和彈塑性變形，與軟鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變曲線有所不同，鋸齒型曲線沒有強(qiáng)化階段和局部頸縮階段。單峰型曲線表現(xiàn)為彈塑性材料受拉變形過程，主要包括彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段，單根形態(tài)變化為彈性變形后到彈塑性變形，再到塑性變形直至斷裂。多峰型主要包括彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和局部頸縮階段，由于根系屬于高分子材料，材質(zhì)具有不均勻性，在局部頸縮階段變形體現(xiàn)為根皮撕裂，單根形態(tài)變化過程包括彈性變形、彈塑性變形、塑性變形、根皮撕裂和完全斷裂。李長暄等[17]對蒙古櫟的單根拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線研究結(jié)果表明各徑級(jí)應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型，這與本研究結(jié)果有所差異，這可能是樹種差異造成的。

3)對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在速率為10 mm/min，根長為50和100 mm條件下，3種應(yīng)力應(yīng)變曲線均有出現(xiàn)，根長對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型無顯著影響。在根長為100 mm，速率為500 mm/min條件下，應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型，拉伸速率對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型有影響，說明在拉伸過程中，拉伸速率對單根變形特征有影響，其原因可能是在較快的速率下，纖維束來不及發(fā)揮自身的抗拉特性，根系經(jīng)硬化階段后迅速斷裂。鋸齒型曲線均為根徑<2 mm的單根，這與細(xì)根的生物學(xué)特性有關(guān)，根徑<2 mm的單根木質(zhì)部發(fā)育不成熟，纖維素含量高，各組織分化不明顯，根皮和內(nèi)部組織間黏附力強(qiáng)，故沒有強(qiáng)化階段和根皮撕裂階段。這種非光滑的曲線特征與鋼筋受拉的應(yīng)力應(yīng)變曲線完全不同，說明細(xì)根在拉伸過程中對外界拉力具有較強(qiáng)的緩沖能力。這與王萍花等[7]、ZHANG[22]的研究結(jié)果一致。

5 結(jié)論

1)喀斯特地區(qū)雙莢決明單根抗拉力與根徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系遞增，抗拉強(qiáng)度與根徑之間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減，其抗拉特性與非喀斯特地區(qū)植物一致。

2)雙莢決明單根受拉變形多樣且過程復(fù)雜，應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為鋸齒型、單峰型和多峰型，單根以彈性變形、彈塑性變形以及根皮撕裂等變形方式來抵抗破壞，具有較強(qiáng)的變形能力。且變形方式與根徑有關(guān)，細(xì)根僅能發(fā)生彈性變形和彈塑性變形。

3)根長對應(yīng)力應(yīng)變曲線類型沒有顯著影響。拉伸速率對應(yīng)力應(yīng)變曲線影響較大，拉伸速率為500 mm/min時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線均為單峰型。在較快速率下，根系更容易被破壞。直徑較小的根對外界拉力具有較強(qiáng)的緩沖能力。