毛正君， 耿咪咪

（1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué)煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

侵蝕是一種經(jīng)常影響人類社會(huì)的自然現(xiàn)象，人類活動(dòng)可能加速或抑制侵蝕的自然速度，進(jìn)而改變侵蝕的模式和速度，有可能會(huì)給當(dāng)?shù)貛?lái)嚴(yán)重的后果［1］。目前，植被被認(rèn)為是保護(hù)斜坡免受侵蝕和淺層滑坡的一種自然且有用的生物工程方法，受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用［2-5］。研究表明，植被可以通過(guò)地下根系的機(jī)械加固作用保護(hù)邊坡免受淺層滑坡的影響［6］。

近幾十年來(lái)，學(xué)者們開(kāi)始對(duì)植物根系的固土效應(yīng)開(kāi)展了大量研究。科學(xué)實(shí)踐表明，植物根系可通過(guò)纏繞、固結(jié)和串連土體等方式形成根土復(fù)合體，從而提高土體的抗剪強(qiáng)度，防止淺層滑坡和水土流失等類型的邊坡淺層破壞［7-10］，并由于具備低投入、易養(yǎng)護(hù)和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為景觀效果差且結(jié)構(gòu)逐步失效的傳統(tǒng)工程護(hù)坡替代方案［11-12］。植物單根是植物護(hù)坡的基本單元，對(duì)植物單根開(kāi)展的一系列研究是植物護(hù)坡研究的起點(diǎn)［13］。植物單根抗拉力學(xué)特性是直接代表植物根系抵抗外力的有效指標(biāo)，也是量化植物護(hù)坡及根系固土的必要條件［14-15］。目前對(duì)根系抗拉特性的研究主要包括三類，即室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)、室外原位水平拉拔及垂直拉拔試驗(yàn)。由于室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，且萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量精度高、范圍廣、試驗(yàn)控制度高，因此室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用，且至今仍然是植物護(hù)坡研究的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根系抗拉特性進(jìn)行的大量研究表明，不同植物根系在其抗拉特性及固土護(hù)坡方面的力學(xué)表現(xiàn)存在差異［16-18］。綜合來(lái)看，植物根系固土護(hù)坡的作用主要表現(xiàn)為：淺細(xì)根抵抗變形的能力較強(qiáng)，主要發(fā)揮加筋和減緩邊坡或河岸變形、破壞的作用，而深粗根剛度強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度較大，具有錨固、支撐作用，即當(dāng)邊坡或河岸土體產(chǎn)生變形時(shí)，穿插、纏繞在邊坡和河岸土層中的植物根系將土層中的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為根的拉應(yīng)力，發(fā)揮了較強(qiáng)的牽拉作用，且由于根系具有較強(qiáng)的延伸特性，故在一定程度上可抑制或減緩邊坡或河岸土體的變形［19-21］。但根系是一個(gè)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，不同植物物種的根系在年齡、根類型、方向、分枝模式、與土壤的界面特性和直徑方面都有所不同，所有這些因素都會(huì)導(dǎo)致根系抗拉強(qiáng)度具有較大的可變性［16］。因此，研究植物根系固土護(hù)坡效應(yīng)時(shí)，有必要探討根系抗拉力學(xué)特性及其影響因素。

植物根系抗拉力學(xué)特性的影響因素包括根系直徑、采伐時(shí)間、含水率、根系內(nèi)部化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)等材料自身特性，以及根系設(shè)定長(zhǎng)度與加載速率等試驗(yàn)條件［19,21-25］。但大多數(shù)研究主要集中在根系直徑與根系抗拉特性的關(guān)系，且沒(méi)有得到統(tǒng)一的結(jié)論［26］。如唐菡等［27］、劉子壯等［28］、鐘榮華等［29］、黃廣杰等［30］和Wang等［31］通過(guò)對(duì)不同草本植物進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)根系抗拉力、根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑存在非線性相關(guān)關(guān)系；胡晶華等［32］、劉昌義等［33］在對(duì)灌木植物根系進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)及Abdi 等［34］對(duì)喬木根系進(jìn)行拉伸試驗(yàn)中，也得到了此類結(jié)果；但李會(huì)科等［35］和田佳等［36］分別對(duì)喬木和草本植物根系進(jìn)行的研究中指出，根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑呈線性相關(guān)關(guān)系；李曉鳳等［37］和王劍敏［38］等分別對(duì)喬木和灌木植物根系進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根系直徑與抗拉強(qiáng)度之間沒(méi)有相關(guān)關(guān)系。植物根系在自然界遭受各種變化不定的荷載，如風(fēng)速變化，徑流沖擊等，這些均使得根系遭受的荷載加載速率處于不斷變化之中，其固土能力也存在明顯差異［39］。當(dāng)根系在抵御不同強(qiáng)度的風(fēng)力侵蝕過(guò)程中，會(huì)將荷載傳遞給根系，進(jìn)而改變林地邊坡的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)［40］，且風(fēng)力強(qiáng)度不同，其產(chǎn)生的荷載也存在差異；當(dāng)加載速率較大時(shí)，植物根系與土體的摩擦錨固力提高，同時(shí)達(dá)到最大摩擦錨固力的滑移量增加，可以理解為林木自身對(duì)于自然界不斷變化的荷載的一種自適應(yīng)，提高了自身穩(wěn)定性［39］；此外，加載速率還與植物根系內(nèi)部纖維含量、纖維排列緊密、疏松程度，以及根的其他物質(zhì)組成有關(guān)［41-42］，即當(dāng)根系內(nèi)部纖維越多，排列方向與受力方向一致，其更能適應(yīng)快速加載?；谝陨涎芯勘砻鳎酝难芯恐饕槍?duì)不同植物根系直徑、加載速率等與抗拉力、抗拉特性的關(guān)系開(kāi)展了相關(guān)研究，但尚未形成統(tǒng)一結(jié)論，并且缺乏綜合分析，還需要加強(qiáng)研究。

紫花苜蓿屬多年生草本，繁殖能力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，耐干旱瘠薄，根系發(fā)達(dá)，能深入土層，固土能力強(qiáng)，護(hù)坡效果好，是黃土高原地區(qū)的先鋒植物之一［43-45］。為了全面了解紫花苜蓿根系的抗拉力學(xué)特性，本研究對(duì)紫花苜蓿根系進(jìn)行了室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)，分析不同根系長(zhǎng)度、根系直徑和加載速率對(duì)紫花苜蓿根系抗拉力學(xué)特性的影響規(guī)律，并通過(guò)建立回歸方程探究了加載速率、根系直徑和根系長(zhǎng)度與根系抗拉力學(xué)特性的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省西安市臨潼區(qū)，海拔在350～1302 m 之間，地形呈階梯狀，由南向北逐漸降低。研究區(qū)屬東亞暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，多年平均氣溫13.7 ℃，極端低溫-16.5 ℃，極端高溫42.2 ℃，多年平均降水量為607.7 mm，降水主要集中在7—9 月，且多為大雨或暴雨，區(qū)內(nèi)年蒸發(fā)量為553.3 mm［46］；野生植物主要有野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、車(chē)前（Plantago asiatica）、苜蓿（Medicago sativa）等。其中，紫花苜蓿作為該地區(qū)水土保持的先鋒植物之一，能顯著增強(qiáng)土體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。因此，選取該區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)期為2～3 a 的紫花苜蓿進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1。

圖1 試驗(yàn)采樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.1 Site conditions of sampling points

1.2 試驗(yàn)材料

本文選用紫花苜蓿作為研究對(duì)象進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)。在獲取紫花苜蓿根系時(shí)，選取同一生長(zhǎng)環(huán)境下的生長(zhǎng)狀況相近的紫花苜蓿植株進(jìn)行根系采集。為了避免取樣過(guò)程中對(duì)根系的破壞影響，采用局部挖掘法先將根系周?chē)馏w清理使整個(gè)根系暴露出來(lái)，然后再用剪刀剪斷完整的根系，并將其帶回實(shí)驗(yàn)室；隨后對(duì)根系進(jìn)行清洗及修剪。待根系采集完畢后，隨即對(duì)紫花苜蓿進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)。紫花苜蓿單根拉伸試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 單根拉伸試驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Single tensile test process

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次單根拉伸試驗(yàn)考慮3個(gè)試驗(yàn)因素，即根長(zhǎng)、根徑以及加載速率。由于根徑為植物自身性質(zhì)，為不可控因素，故進(jìn)行隨機(jī)選取，并在試驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；而根長(zhǎng)和加載速率的選取均可通過(guò)人為控制，故設(shè)定試驗(yàn)根系長(zhǎng)度為0～50 mm、50～100 mm、100～150 mm、150～200 mm和200～250 mm 5個(gè)水平；由于外在荷載對(duì)植物的作用方式和作用過(guò)程會(huì)引起植物的固土能力的差異，因此為了研究外在荷載對(duì)根系固土能力的影響，本次試驗(yàn)設(shè)定加載速率為20、50、100、200 mm·min-1和500 mm·min-15 個(gè)水平。本次紫花苜蓿根系單根拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組見(jiàn)表1。為了表明本次試驗(yàn)中根長(zhǎng)和根徑各分組間是否顯著，對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。紫花苜蓿根系長(zhǎng)度和根系直徑分組顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)根長(zhǎng)和根徑各分組之間均具有顯著性差異，故此次分組合理。

表1 紫花苜蓿根系單根拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Design of single root tensile test of alfalfa root system

表2 紫花苜蓿根系長(zhǎng)度和根系直徑分組顯著性檢驗(yàn)Tab.2 Analysis of significant difference between alfalfa root length and root diameter groups

本次試驗(yàn)設(shè)定受拉根段在夾具中間部位或接近中間處斷裂的試驗(yàn)即為成功。本次試驗(yàn)共測(cè)定了605個(gè)苜蓿根系的抗拉強(qiáng)度，采集到可用數(shù)據(jù)302個(gè)，成功率為49.92%。根系直徑和長(zhǎng)度均采用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)得。在測(cè)量根系直徑時(shí)，將根系從上至下分為上、中、下3個(gè)部分，并測(cè)量以上3 部分直徑，然后求其平均值作為該根系的平均直徑；根系長(zhǎng)度則直接測(cè)量其全長(zhǎng)。試驗(yàn)根系平均直徑在2.0～7.0 mm 之間，根系長(zhǎng)度在48.79～242 mm之間。

1.4 單根拉伸試驗(yàn)

紫花苜蓿單根拉伸試驗(yàn)采用WDW-100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（圖3）進(jìn)行，該儀器能夠在產(chǎn)生拉力的同時(shí)測(cè)量荷載與位移。儀器試驗(yàn)力的范圍為0.4～100kN，加載速率可調(diào)節(jié)范圍為0.001～500 mm·min-1，試驗(yàn)載荷測(cè)量精度為±0.005 N，位移測(cè)量精度為±0.005 mm。

圖3 WDW-100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Fig.3 WDW-100 electronic universal testing machine

在單根拉伸試驗(yàn)開(kāi)始之前，對(duì)根系樣本進(jìn)行全面的檢查，剔除了有明顯損傷的根系，選擇直徑變化不大且順直少曲的單根。在試驗(yàn)前，先按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的根系長(zhǎng)度調(diào)整萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)距，并將根系垂直放入試驗(yàn)機(jī)拉伸夾具中固定，隨后開(kāi)始拉伸試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)拉伸夾具向兩端勻速拉伸根系，直至根系被完全拉斷，此時(shí)的抗拉力即為單根最大抗拉力。此外，由于拉伸夾具為剛性材料，而根系為柔性材料，在試驗(yàn)過(guò)程中夾具可能會(huì)夾斷根系，進(jìn)而使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差。因此本試驗(yàn)通過(guò)在根系上、下兩端包裹紙巾以增大根系與拉伸夾具間摩擦的方式，增大試驗(yàn)成功率，同時(shí)也可避免夾具作用造成的根系斷裂。同時(shí)認(rèn)為試驗(yàn)中斷裂發(fā)生在根段中部或接近中間處斷裂的試驗(yàn)即為成功（圖4），并將該試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。

圖4 拉伸試驗(yàn)實(shí)例Fig.4 Tensile test example

本試驗(yàn)中，根系抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：T為植物根系抗拉強(qiáng)度（MPa）；Fmax為植物根系最大抗拉力（N）；D為植物根系直徑(mm)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS（SPSS Inc., Chicago, USA）進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行協(xié)方差分析和單因素方差分析，研究不同根徑、根長(zhǎng)及加載速率對(duì)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度是否產(chǎn)生顯著影響；此外，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并進(jìn)行多元回歸分析，以比較根徑、根長(zhǎng)和加載速率對(duì)根系抗拉特性的影響程度大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 加載速率與紫花苜蓿根系抗拉特性的關(guān)系

通過(guò)對(duì)紫花苜蓿根系進(jìn)行不同加載速率的單根拉伸試驗(yàn)，得到不同加載速率下的紫花苜蓿根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度，以根長(zhǎng)為100～150 mm 的紫花苜蓿根系樣本為例，其根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。表3 為紫花苜蓿根系平均抗拉力和抗拉強(qiáng)度，由表3可見(jiàn)，紫花苜蓿根系最大平均抗拉力為184.78±117.94 N，最大平均抗拉強(qiáng)度為19.96±5.59 MPa。以根系直徑為協(xié)變量，加載速率為自變量，根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度為因變量進(jìn)行協(xié)方差分析，由表4 可知，20 mm·min-1、50 mm·min-1、100 mm·min-1、200 mm·min-1及500 mm·min-1加載速率下加載速率和根系直徑均對(duì)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度有極顯著影響。

表4 加載速率對(duì)根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度影響的協(xié)方差分析結(jié)果Tab.4 Covariance analysis of effects of loading rate on root tensile force and tensile strength

結(jié)合圖5 和表3 可知，根系抗拉力隨根系直徑增加呈顯著增加趨勢(shì)，而根系抗拉強(qiáng)度隨根系直徑的增加呈降低趨勢(shì)；紫花苜蓿根系在加載速率為100 mm·min-1時(shí)，其抗拉力增加幅度最大，且在根系直徑＜3 mm時(shí)，加載速率為500 mm·min-1時(shí)根系抗拉力最大，而當(dāng)根系直徑＞3.7 mm 時(shí)，加載速率為100 mm·min-1時(shí)根系抗拉力最大；在根系直徑＜3 mm 時(shí)，加載速率為500 mm·min-1時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，而當(dāng)根系直徑＞3 mm時(shí)，加載速率在100 mm·min-1時(shí)的根系抗拉強(qiáng)度則最大。由此可見(jiàn)，根徑較小的根系具有較高的抗拉效果，若其在邊坡快速破壞過(guò)程中充分發(fā)揮出來(lái)，將有效提高邊坡穩(wěn)定性。

表3 不同加載速率下紫花苜蓿根系平均抗拉力和抗拉強(qiáng)度Tab.3 Average root tensile force and tensile strength of alfalfa under different loading rates

圖5 不同加載速率下根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系Fig.5 Relationship between root tensile strength and root diameter under different loading rates

2.2 根系長(zhǎng)度與紫花苜蓿根系抗拉特性的關(guān)系

圖6a 中根系長(zhǎng)度為50～100 mm 和圖6b 中根系長(zhǎng)度為200～250 mm 時(shí)的曲線存在異常，其原因在于該長(zhǎng)度段的根系數(shù)量較少，故導(dǎo)致擬合效果不理想，因此在分析時(shí)不考慮該異常曲線。由圖6可見(jiàn)，當(dāng)加載速率為200 mm·min-1時(shí)，不同根系長(zhǎng)度下根系抗拉力隨根系直徑的增加整體上呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，根系抗拉強(qiáng)度隨根系直徑的增加整體上呈逐漸降低的趨勢(shì)；當(dāng)根系直徑＜3.4 mm 時(shí)，根系長(zhǎng)度為100～150 mm 時(shí)的根系抗拉力最大，根系直徑＞3.4 mm 時(shí)，根系長(zhǎng)度為200～250 mm 時(shí)的根系抗拉力最大；根系抗拉強(qiáng)度與根系長(zhǎng)度沒(méi)有明顯關(guān)系。采用單因素方差分析（ANOVA）分析了加載速率為200 mm·min-1時(shí)樣本長(zhǎng)度對(duì)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的影響（表5）。通過(guò)單因素方差分析的結(jié)果可以看出，紫花苜蓿根系長(zhǎng)度對(duì)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響。這與其他研究結(jié)果存在差異［19,26］，其原因可能是由于各長(zhǎng)度段的根系樣本數(shù)較少。

表5 紫花苜蓿根系長(zhǎng)度對(duì)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度影響的單因素方差分析結(jié)果Tab.5 Results of one-way ANOVA of effects of alfalfa root length on root tensile characteristics

圖6 不同根系長(zhǎng)度下根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系Fig.6 Relationship between root tensile properties and root diameter at different root lengths

2.3 根系直徑與紫花苜蓿根系抗拉特性的關(guān)系

由圖7 可見(jiàn)，當(dāng)根系在100～150 mm 長(zhǎng)度段時(shí)，紫花苜蓿根系抗拉力與直徑呈正相關(guān)關(guān)系，根系抗拉力隨根系直徑的增加整體上呈上升趨勢(shì)，表明紫花苜蓿根系較粗時(shí)具有較大的極限抗拉力；但紫花苜蓿根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即抗拉強(qiáng)度隨根系直徑的增加整體上呈降低趨勢(shì)。對(duì)該長(zhǎng)度段的紫花苜蓿根系直徑與抗拉力、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行單因素方差分析（表6）。由表6可見(jiàn)，紫花苜蓿根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑之間差異顯著。

表6 紫花苜蓿根系直徑對(duì)根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度影響的單因素方差分析結(jié)果Tab.6 Results of one-way ANOVA on the effect of alfalfa root diameter on root tensile resistance and tensile strength

圖7 紫花苜蓿根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系Fig.7 Relationship between root tensile properties and root diameter of alfalfa

通過(guò)對(duì)紫花苜蓿根系直徑與根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析可知，紫花苜蓿根系直徑與根系抗拉力之間呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，而紫花苜蓿根系直徑與根系抗拉強(qiáng)度之間呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.380、0.363，呈中度相關(guān)關(guān)系，其回歸方程見(jiàn)表7。

表7 紫花苜蓿根系直徑與根系抗拉力、抗拉特性的冪函數(shù)關(guān)系Tab.7 Power function relationship between root diameter and root tensile characteristics

2.4 紫花苜蓿根系抗拉特性影響因素的多元回歸分析

為了研究根系抗拉特性影響因素對(duì)紫花苜蓿根系抗拉特性影響程度的大小，本文以根系加載速率（x1）、根系直徑（x2）和根系長(zhǎng)度（x3）作為自變量，根系抗拉力（y1）和抗拉強(qiáng)度（y2）為因變量，進(jìn)行多元回歸分析。由于根系長(zhǎng)度（x3）對(duì)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響（P＞0.05），故不引入根系長(zhǎng)度變量。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化（Z-score）公式把不同量綱的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)［36］。將自變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，分別與抗拉力和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行多元回歸分析，得到回歸方程中的各項(xiàng)系數(shù)，其回歸模型如下式所示：

由上式可以看出，根系抗拉力與抗拉強(qiáng)度的回歸方程相關(guān)性顯著。加載速率與根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，根系直徑與根系抗拉力呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與根系抗拉強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；其中式（2）和式（3）回歸方程中各項(xiàng)回歸系數(shù)的絕對(duì)值大小為：x2（0.679）＞x1（0.100），x2（0.526）＞x1（0.156），表明根系直徑對(duì)根系抗拉力與抗拉強(qiáng)度的影響最大，根系直徑越大，根系抗拉力越大，根系的抗拉強(qiáng)度越?。患虞d速率也對(duì)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度有顯著影響。

3 討論

3.1 草本植物根系抗拉特性的影響因素及其固土效應(yīng)

植物根系抗拉特性是植物根系抵抗外力和根系固土效應(yīng)的有效指標(biāo)之一［47］。植物根系抗拉力學(xué)特性主要受其自身特性、試驗(yàn)條件等的影響。本研究通過(guò)對(duì)紫花苜蓿根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度僅與加載速率和根系直徑呈顯著相關(guān)。在根系直徑＜3 mm時(shí)，加載速率為500 mm·min-1時(shí)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度最大，而當(dāng)根系直徑相對(duì)較粗時(shí)，加載速率為100 mm·min-1時(shí)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度最大，這與李寧等［26］、李可等［19］的研究結(jié)果存在差異，他們指出根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度隨著加載速率的增大而減小，而Cofie等［48］則指出加載速率越大，抗拉強(qiáng)度越大。出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是由于根的結(jié)構(gòu)、根系直徑的不均勻性以及根系生長(zhǎng)期的不確定性所致［23］。本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)根系直徑與根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度呈冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，這與目前大多數(shù)研究結(jié)果一致［49-55］。由此可見(jiàn)，較細(xì)的根系更有利于提高邊坡穩(wěn)定性，這可能由于細(xì)根與土體顆粒的結(jié)合更加緊密。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)根系長(zhǎng)度與根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度沒(méi)有明顯關(guān)系，這與李曉鳳等［37］、歐陽(yáng)前超等［56］、呂春娟等［57］在根系長(zhǎng)度對(duì)抗拉特性影響的研究結(jié)果不一致，其原因可能是由于不同長(zhǎng)度段內(nèi)根系數(shù)量較小且根系直徑分布不均勻。

植物根系能顯著提高土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，主要原因之一就是植物根系具有較強(qiáng)的抗拉特性和變形特性［58］。植物根系與土形成一種復(fù)合材料即根土復(fù)合體，類似于將抗拉強(qiáng)度高且有一定柔韌性的加筋材料嵌入抗拉強(qiáng)度較低的土壤基質(zhì)中，通過(guò)土體與根系之間的相互作用，進(jìn)而提高邊坡穩(wěn)定性［13,58-60］。紫花苜蓿屬多年生草本植物，枝葉茂盛，根系粗壯且發(fā)達(dá)，根系分布深度較淺，大部分集中于0～30 cm 處，且須根的數(shù)量占該深度范圍內(nèi)根系總量的一半以上［61］。紫花苜蓿的須根與土體相互纏繞，且其主根深入土層以錨固邊坡土壤，進(jìn)而增加土壤抗滑和抗剪切破壞的能力。從固土抗蝕的角度來(lái)看，根系由于滑坡、崩塌等作用而受到的剪應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槔Φ淖饔?，進(jìn)而增強(qiáng)土體強(qiáng)度［58,62］。同時(shí)，隨著紫花苜蓿生長(zhǎng)期的增加，其根系數(shù)量越多，根徑越粗，分布越廣，根系與土壤接觸面積越大，紫花苜蓿的單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度就越大，其根系固土性能也就越強(qiáng)。

3.2 夾具效應(yīng)

試驗(yàn)時(shí)直接用夾具夾住根系端部會(huì)對(duì)根系造成一定程度的損傷，試驗(yàn)的失敗往往是由于夾具破壞了根系結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)根系在夾具接觸處及其附近斷裂。為了避免這一問(wèn)題，學(xué)者們采用環(huán)氧樹(shù)脂膠加固根部［50,55,63］、在夾具與試樣之間墊橡膠與砂紙［14］、在夾具與試樣之間墊軟木塊［64］、將根系纏繞在夾具上［65］等方法，在不同的試驗(yàn)條件下均取得了不錯(cuò)的效果。為了測(cè)得紫花苜蓿新鮮根系的抗拉強(qiáng)度，本次試驗(yàn)在采樣完將根系清洗并修剪后直接進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)。但由于新鮮根系的含水率較大，根系在受到拉伸時(shí)通常會(huì)在夾具處滑脫，進(jìn)而影響試驗(yàn)的成功率，因此本文采用環(huán)氧樹(shù)脂膠加固根部的方式進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)此方法僅適用于含水率較低的根系，對(duì)于新鮮根系，較高的含水率會(huì)影響環(huán)氧樹(shù)脂膠與根系的粘結(jié)，即使將表皮刮去，內(nèi)部纖維與膠體之間也僅僅是形成了一層膜，脫膜時(shí)根系容易整體滑出（圖8）。此外，由于根系直徑分布不均勻，往往呈現(xiàn)根系直徑一邊大一邊小的情況，直接用夾具將根系固定進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，根系直徑小的一端容易因?yàn)槟Σ亮Σ蛔愣鰥A具。因此，在本次試驗(yàn)中采用紙巾包裹根系直徑較小一端的方法來(lái)防止根系滑出（圖9），大大提高了試驗(yàn)的成功率。該方法雖然能夠提高摩擦力，但是并不能忽略?shī)A具對(duì)根系的破壞力，在今后的試驗(yàn)中夾具與根系樣本接觸的方法還有待提高。

圖8 刮皮后根系脫模時(shí)從環(huán)氧樹(shù)脂膠內(nèi)拔出Fig.8 Root system removed from epoxy resin adhesive during stripping after scraping

圖9 用紙巾包裹根系直徑較小端部后進(jìn)行試驗(yàn)Fig.9 Wrap the end of the root with paper towel and conduct the experiment

4 結(jié)論

本文以紫花苜蓿根系為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同直徑、不同長(zhǎng)度的紫花苜蓿根系在不同加載速率下進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)，分析了紫花苜蓿根系的抗拉力學(xué)特性及其影響因素，并通過(guò)協(xié)方差分析、單因素方差分析及回歸分析研究了各影響因素與抗拉力和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）在對(duì)紫花苜蓿根系的單根拉伸試驗(yàn)中，紫花苜蓿根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度在不同加載速率下均呈現(xiàn)顯著差異性（P＜0.05），在根系直徑＜3 mm時(shí)，加載速率為500 mm·min-1時(shí)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度最大，而當(dāng)根系直徑相對(duì)較粗時(shí)，加載速率為100 mm·min-1時(shí)根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度最大，說(shuō)明在邊坡的快速破壞過(guò)程中，較細(xì)的植物根系可以更好地發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，可以有效提高邊坡土體的穩(wěn)定性。

（2）本次試驗(yàn)中，紫花苜蓿根系長(zhǎng)度與根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度沒(méi)有顯著差異（P＞0.05）。

（3）單根拉伸試驗(yàn)表明，紫花苜蓿根系直徑與根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度均具有顯著差異性（P＜0.001）。且紫花苜蓿根系抗拉力隨著根系直徑的增大呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系（R2＝0.380，P＜0.001），而根系抗拉強(qiáng)度隨根系直徑的增大呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2＝0.363，P＜0.001）。

（4）通過(guò)進(jìn)行多元線性回歸分析表明，根系直徑是影響根系抗拉力與抗拉強(qiáng)度的最主要因素，根系直徑越大，根系抗拉力越大，根系的抗拉強(qiáng)度越小。