寒旱環(huán)境植物護坡力學效應與根系化學成分響應

喬 娜，余芹芹，盧海靜，胡夏嵩，2，李國榮，朱海麗

（1.青海大學 地質(zhì)工程系，西寧810016；2.中國科學院 青海鹽湖研究所，西寧810008）

植被護坡技術是一種利用植被進行坡面保護和侵蝕控制的途徑和手段［1］。關于植物根系及其根—土復合體的力學特性，國內(nèi)外已有較多研究，例如Endo［2］、Ziemer［3］、Wu［4］等通過現(xiàn)場測試研究了植物根系對邊坡土體的加強作用，Waldron［5］、Gary［6］、Shewbridg［7］等通過室內(nèi)直剪試驗研究了根系對土體抗剪強度的作用。上述研究表明：邊坡土體的抗剪強度隨根系數(shù)量的增加而增大，且存在最優(yōu)含根量。肖盛燮認為植物防護設計最基本的指標是植物根系的加固能力［8］；李紹才通過狗牙根—土復合體的抗拉試驗認為：植物根系的存在，使根—土復合體具有了抗拉特性，其抗拉強度隨含根量增加而增大［9］。關于植物根系抗拉強度與其化學成分之間的關系研究，Marie Genet等認為根系中纖維素含量對于木質(zhì)植物的抗拉強度有一定影響，其研究結果表明：單根抗拉強度與根直徑呈顯著的負相關關系，與根的纖維素含量呈正相關關系［10］。Commandeur和Pyles研究表明單位質(zhì)量的根系，相對細小的根系較相對粗的根系中所含纖維素含量多［11］。Sjostrom認為纖維素結構對于抵抗抗拉破壞方面是最理想的［12］。肖東升等認為植物根系中木質(zhì)素和纖維素的含量與植物根系的增粗生長速度相關，根系增粗生長越快、根徑越大，其抗拉力和抗剪力也越大［13］。朱海麗等認為根系中纖維素含量相對較高時，根系可視為柔性材料計算其抗拉強度與抗剪強度；根系中木質(zhì)素含量相對較高時其具有一定的剛度，根系具有一定的抗拉強度、抗剪強度及抗彎強度［14］。趙麗兵等通過對豆科的紫花苜蓿和禾本科的馬唐根的抗拉力與其相應的纖維素含量試驗表明，根的抗拉強度與纖維素含量正相關，并證實了纖維素含量對于維持根抗拉強度的作用大于木質(zhì)素含量［15］。

國內(nèi)外諸多學者關于根系抗拉強度與其化學成分含量間關系的研究，主要表現(xiàn)在根系抗拉強度與纖維素、木質(zhì)素及其含量變化之間的關系，但是從根系化學成分的種類，以及化學成分含量變化對根系抗拉強度影響的深層次機理方面的研究均有待于深入。本項研究通過對試驗區(qū)兩種灌木根系抗拉試驗、根系4種主要化學成分含量測定，以及根系抗拉強度與其相應化學成分之間關系等方面做了進一步探討與分析，其研究為進一步探討植物根系護坡力學效應及其機理方面提供重要理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于青海東北部的西寧盆地，地勢西高東低，南、北兩側高，湟水中央谷地低陷。地貌兼具高原山地和黃土丘陵復合類型，并以顯著的自然景觀垂直分帶和強烈的流水作用剝蝕塑造的黃土紅色泥巖丘陵及河谷平原為主要特征。西寧盆地地形起伏較大，南側為拉雞山、北側為達坂山、西側為日月山，地勢高聳、山巒疊嶂，是現(xiàn)代侵蝕作用最強烈的地區(qū)，溝間地塊構成的分水嶺呈梁峁狀，支離破碎，水土流失嚴重［16］。試驗區(qū)城東中莊小寨紅溝，其地理位置為東經(jīng)101°50′，北緯36°35′，區(qū)內(nèi)平均海拔高度約2 250 m，地處青海東部湟水流域河谷，黃土高原西緣，屬于高原寒冷干旱—半干旱氣候，年平均氣溫為5.5℃，夏季日極端最高氣溫為33.9℃，冬季日極端最低氣溫為零下26.3℃［17］；該地降水量少，蒸發(fā)強烈，多年平均降水量為350mm，蒸發(fā)量為1 235.6mm［16］。試驗區(qū)邊坡屬于人工堆積的土質(zhì)邊坡，土體類型為粉土，坡向為半陰半陽，坡度約為40°，坡高約為10m，試驗區(qū)面積約為20m×15m。

1.2 試驗材料

試驗區(qū)氣候寒冷干旱，選擇檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon）兩種耐寒、抗旱的鄉(xiāng)土灌木植物作為研究對象。本試驗所采用的灌木根系具體取樣方法是：在城東中莊小寨紅溝試驗區(qū)取試驗用土樣，將兩種灌木分別種植在盆口直徑為36cm、盆底直徑為18cm、盆高為40cm的試驗盆中，生長期為6a。試驗前將整株植物挖出來，統(tǒng)計其根系生長情況，統(tǒng)計結果如表1所示。試驗過程中，同株植物的一部分根系被用于進行單根拉伸試驗，另一部分根系則被用于測定其化學成分含量的樣本材料，試驗分2組進行，每組設3個重復。檸條錦雞兒試樣的土體含水率為10.3%、霸王試樣為15.5%；檸條錦雞兒試樣的土體密度為4.28 g／cm3、霸王試樣為4.35g／cm3。

1.3 根系的拉伸試驗方法

本項研究所采用的植物單根拉伸試驗，使用課題組自制室內(nèi)單根拉伸試驗儀進行單根拉伸力測定，其工作原理及基本結構均參照材料力學電子萬能試驗機。該儀器主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工作系統(tǒng)兩部分組成，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可記錄單根拉伸的整個過程，同時可得到不同時間、不同拉力作用下的位移以及植物單根破壞時的最大拉力。試驗儀器工作原理框圖如圖1所示［18］。本項試驗過程中，選擇測試長度10cm的主根或側根（不含毛根）作為供試根段夾持在工作臺上的拉伸夾具間，通過轉動手輪夾具向上移動，使位于夾具間的根段受到拉伸作用，直到根段被拉斷為止。

圖1 單根拉伸試驗工作原理［18］

1.4 根系的化學成分測定方法

將稱量好的檸條錦雞兒根系和霸王根系各50g鮮樣，粉碎、烘干，按規(guī)范要求稱取干燥樣品，采用容量法測定其木質(zhì)素含量和纖維素含量，采用重量法測定半纖維素含量和果膠質(zhì)含量［19］。

2 結果與分析

2.1 灌木植物根系形態(tài)特征

試驗所采用的生長期為6a的兩種供試灌木植物根系均為主直根型，選擇好試驗所用的根系后，從地表往下，每隔5cm用游標卡尺測定一次根徑，最后求得其平均根徑，最大根徑和最小根徑相應從中選取；用卷尺測根系長度，其根系形態(tài)特征統(tǒng)計結果見表1。檸條錦雞兒為豆科錦雞兒屬（Caragana）多年生落葉灌木，其根系發(fā)達，主根明顯，主根最大根長為42cm，最大根徑為6.28～10.85mm，最小根徑為1.93～4.62mm；側根和毛根較發(fā)達，屬于主側根均衡發(fā)育型，其側根最大根長為29.125cm，最大根徑約為2.75～4.43mm，最小根徑約為0.28～0.62 mm。霸王為蒺藜科霸王屬（Zygophyllum）多年生落葉灌木，其根肉質(zhì)，主根粗壯，屬淺根型灌木種，主根最大根長為39.5cm，最大根徑為7.98～8.99 mm，最小根徑為0.6～3.23mm，側根非常發(fā)達，其側根最大根長為24cm，最大根徑為3.35～4.36 mm，最小根徑為0.75～1.76mm。

表1 兩種灌木根系形態(tài)特征統(tǒng)計結果

2.2 灌木植物單根抗拉強度特性

由植物單根拉伸試驗可知，生長期為6a的兩種灌木根系均表現(xiàn)出較強的抗拉能力，霸王的平均根徑較檸條錦雞兒大，而后者的平均抗拉力則顯著大于前者，例如霸王其平均根徑為1.237mm時，平均抗拉力為6.310N，平均抗拉強度為5.370MPa；檸條錦雞兒平均根徑為1.147mm時，其平均抗拉力為31.591 N，平均抗拉強度為30.783MPa，且檸條錦雞兒根系的平均抗拉力是霸王平均抗拉力的5倍。因此，對具有同樣生長條件和生長期的檸條錦雞兒和霸王，前者的抗拉能力相對顯著高于后者（表2），其原因與根系半纖維素、纖維素、木質(zhì)素、果膠質(zhì)等4種主要化學成分及含量有一定的關系。由該表可知，兩種灌木根系的抗拉力均隨根徑的增大而呈增大趨勢，二者之間存在顯著冪函數(shù)關系；其根系的抗拉強度隨根徑的增加呈減小趨勢，二者呈顯著冪函數(shù)關系（圖2—3）。

2.3 灌木根系化學成分及其含量

植物根系可分為直根系和須根系，主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和果膠等物質(zhì)組成，具有擴張、抗壓和抗曲折性能，起堅固和支持作用［20］。植物的細胞壁由長鏈大分子纖維素聚合成的微纖絲構成骨架，其內(nèi)填充了木質(zhì)素、半纖維素、角質(zhì)、果膠質(zhì)等物質(zhì)，同樣形成類似“鋼筋混凝土”結構［15］。試驗采用的兩種灌木根系化學成分含量的測定結果表明：檸條錦雞兒根系其半纖維素、木質(zhì)素、纖維素、果膠質(zhì)的平均含量分別為24.58%，4.41%，2.53%，1.83%；霸王根系其平均含量分別為19.65%，4.39%，2.49%，2.07%（表3）。

表2 兩種灌木根系抗拉力及抗拉強度試驗結果

圖2 兩種灌木根系抗拉力－根徑關系曲線

圖3 兩種灌木根系抗拉強度－根徑關系曲線

由試驗結果可知，盡管兩種灌木根系4種主要化學成分的含量由高至低呈一致性變化規(guī)律，經(jīng)過t測驗，對于兩種灌木根系中所含4種化學成分的含量，均得出│t│＜t0.05，P＞0.05，即兩種灌木根系中所含4種化學成分的含量差異性均不顯著，但檸條錦雞兒和霸王供試種中，4種化學成分含量高低各不相同。如表3所示，兩種灌木其根系所含4種化學成分以半纖維素含量最多，分別為24.58%，19.65%，是根系所含其它3種化學成分平均含量的5～10倍，其中檸條錦雞兒根系其半纖維素平均含量比霸王根系高20%；兩種供試灌木根系其木質(zhì)素含量相差不顯著，檸條錦雞兒根系其木質(zhì)素平均含量較霸王根系略大，即分別為4.41%，4.39%；兩種供試灌木根系其纖維素含量和果膠質(zhì)含量均相對較少，檸條錦雞兒根系其纖維素含量和霸王根系相差較小，僅為0.04%，且前者果膠質(zhì)的平均含量比后者低12%。由以上分析可知，半纖維素和木質(zhì)素是構成試驗區(qū)兩種供試灌木根系的主要化學成分，且兩種灌木根系所含4種主要化學成分的含量均呈逐漸降低趨勢，由高至低依次為半纖維素含量＞木質(zhì)素含量＞纖維素含量＞果膠質(zhì)含量。

2.4 灌木根系化學成分含量與其力學強度關系

2.4.1 根系化學成分含量與其根徑關系 通過對兩種灌木根系的根徑統(tǒng)計且與其所含4種化學成分含量關系比較可知，隨著根徑的逐漸增大，其根系纖維素含量呈逐漸減少趨勢，且二者之間呈負相關關系，這與有關學者對木本植物根系的研究結果相類似［10］。此外，霸王根系其半纖維素含量隨著根徑增大而逐漸減少，二者之間呈負相關關系；檸條錦雞兒根系中果膠質(zhì)含量與其根徑之間呈負相關關系；兩種灌木根系其木質(zhì)素含量與根徑之間規(guī)律性不顯著。

表3 兩種灌木根系化學成分及其含量測試結果 %

2.4.2 根系化學成分含量與其力學強度關系 通過分析對比3組試驗中根系所含4種主要化學成分對其抗拉強度的影響，結果表明，兩種灌木根系所含4種主要化學成分對其抗拉強度的影響程度各不相同，即兩種灌木根系抗拉強度隨纖維素含量變化均呈一致性變化規(guī)律，霸王根系抗拉強度受其半纖維素含量影響顯著，檸條錦雞兒根系抗拉強度與果膠質(zhì)含量之間存在相關關系，兩種灌木根系抗拉強度與木質(zhì)素含量間均未表現(xiàn)出顯著相關關系。

植物細胞壁具有強大的纖絲網(wǎng)狀結構，可為細胞、組織甚至整個植物體提供機械支持作用［21］，纖維素為細胞壁最主要的化合物，是細胞壁主要的骨架成分，約占初生壁干重的15%～30%，在次生壁中所占的比例還要大些［22］，它是由成千上萬條以微纖絲為基本單位構成的網(wǎng)狀結構，對細胞壁的機械支持特性具有不容忽視的作用［23］。該項研究中，兩種灌木根系中纖維素平均含量差別較小，即分別為2.53%，2.49%，但其與根系抗拉強度之間存在相關關系。由兩種灌木根系中，纖維素含量與其抗拉強度之間均呈一致性規(guī)律變化，即隨著纖維素含量的增大，其抗拉強度也逐漸增強，根系纖維素含量與其抗拉強度之間呈正相關關系。半纖維素是構成植物細胞初生壁的主要成分之一，它與伸展蛋白、結構蛋白、壁酶、纖維素和果膠等一起構成具有一定硬度和彈性的細胞壁［24－25］。半纖維素以無定形狀態(tài)滲透在骨架物質(zhì)之中，起著基體粘結作用，以增強總體纖維整體的強度［26］。試驗結果表明，霸王根系抗拉強度與其半纖維素含量間呈正相關關系。當其根系半纖維素含量逐漸增大時，抗拉強度呈逐漸增強趨勢。果膠是胞間層以及初生細胞壁的主要組分之一，能結合多種金屬離子［26］，對植物根系的機械力學性能具有極其重要的作用。兩種灌木根系中果膠質(zhì)含量均相對較少，但結果表明，檸條錦雞兒根系所含果膠質(zhì)含量逐漸增多時，其抗拉強度逐漸增強，二者之間呈正相關關系。

木質(zhì)素是一種復雜酚類聚合物，具有使細胞相連的作用，填充于纖維素構架中以增強植物體的機械強度，它的強度比纖維素弱，但能提供剛度并改善耐久性［26］。通過對兩種灌木根系木質(zhì)素含量與其抗拉強度關系進行分析，結果表明，兩種灌木根系抗拉強度與木質(zhì)素含量之間均未能構成規(guī)律性變化關系。

3 結論

（1）試驗所選取的生長期為6a的兩種鄉(xiāng)土護坡灌木根系，其抗拉力和抗拉強度差異性較為顯著，即檸條錦雞兒根系平均抗拉力為31.591N，平均抗拉強度為30.783MPa；霸王根系抗拉力為6.310N，抗拉強度為5.370MPa，檸條錦雞兒根系的抗拉力相對高于霸王根系，且前者抗拉強度是后者的5倍。此外，兩種灌木根系的抗拉力均隨根徑的增大而增大，抗拉強度隨根徑的增大而逐漸減小，其根系抗拉力與根徑、抗拉強度與根徑之間均存在顯著冪函數(shù)關系。

（2）半纖維素、木質(zhì)素、纖維素和果膠質(zhì)是構成植物細胞壁的4種主要化學成分，對增強植物根系的機械力學性能具有重要作用。試驗所采用的兩種灌木根系其半纖維素、木質(zhì)素、纖維素、果膠質(zhì)4種主要化學成分的含量不同，其中檸條錦雞兒根系試樣其4種化學成分平均含量依次為24.58%，4.41%，2.53%，1.83%；霸王根系試樣4種化學成分平均含量依次為19.65%，4.39%，2.49%，2.07%。兩種灌木根系其4種主要化學成分含量由高至低呈一致性變化規(guī)律，即半纖維素含量＞木質(zhì)素含量＞纖維素含量＞果膠質(zhì)含量。

（3）通過對檸條錦雞兒和霸王兩種灌木根系的抗拉強度與其根系化學成分含量試驗結果可知，兩種供試種灌木根系的抗拉強度受4種主要化學成分的影響而表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，根系抗拉強度與纖維素含量間的相關關系相對顯著，即根系纖維素含量愈高，其抗拉強度愈大，二者之間呈正相關關系；霸王根系其半纖維含量與其抗拉強度亦呈正相關關系；檸條錦雞兒根系果膠質(zhì)含量與其抗拉強度之間表現(xiàn)出正相關關系；兩種灌木根系其木質(zhì)素含量與其相應抗拉強度之間相關性不顯著。

（4）本項研究在前人研究的基礎上，對兩種灌木根系（半纖維素、木質(zhì)素、纖維素和果膠質(zhì)）4種不同種類的化學成分含量進行了測定，同時對其含量變化對根系抗拉強度影響的機理進行了研究。通過分析比較兩種灌木根系中所含的4種主要化學成分與其根徑、根系抗拉強度之間的相互關系可知，根系所含4種主要化學成分含量與根徑變化有一定關系，且化學成分及含量對根系抗拉強度產(chǎn)生一定程度的影響。此外，根系所含以上4種主要化學成分含量及其變化與植物根系的生長期、生長特性、生長結構緊密相關，這方面的關系尚需進一步研究。

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