北川縣3種常用造林樹種根系拉伸特性1)

宋恒川 陳麗華 史常青 周 進(jìn) 張曉龍 龍 軍 王興宇

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (四川省綿陽市北川縣林業(yè)局)

近年來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到植物根系在邊坡防護(hù)、保土保水和生態(tài)防護(hù)等方面的重要作用。當(dāng)坡面發(fā)生破壞如侵蝕或滑坡時(shí)，利用植被措施來固坡護(hù)土是個(gè)很好的選擇［1］。植物發(fā)揮其固土護(hù)坡作用的主要部分是分布于地下的強(qiáng)大根系，但是不同屬種的植物由于遺傳、外界環(huán)境、土壤條件等方面的差異，導(dǎo)致根系的形態(tài)特征、力學(xué)特性等相差較大，從而表現(xiàn)出不同的護(hù)坡能力。根系地下生物量越大，根系分布越深，植物的抗逆性也越強(qiáng)，保持水土能力就越強(qiáng)。由于植物根系具有較強(qiáng)的抗拉特性，所以植被根系對斜坡的穩(wěn)定具有加固作用。程洪等［2］認(rèn)為，植物根系與土形成復(fù)合體，抗剪強(qiáng)度提高，減少土體滑動(dòng)破壞，故根系抗拉特性是阻止滑坡的關(guān)鍵因素。

汶川大地震中，北川縣也遭受了嚴(yán)重的損失，地震極大地破壞了縣域山地生態(tài)環(huán)境，造成嚴(yán)重的森林資源損失。北川災(zāi)后植被恢復(fù)重建過程中，仍面臨非常嚴(yán)峻的泥石流災(zāi)害的潛在威脅［3］。目前，北川地區(qū)針對林木根系力學(xué)特性的研究成果仍然有限，數(shù)據(jù)庫很不健全。文中以北川縣擂鼓鎮(zhèn)青家坡3種常見造林植物根系為對象，以材料力學(xué)、土力學(xué)、彈塑性力學(xué)、水土保持學(xué)、數(shù)學(xué)等理論為基礎(chǔ)，研究3種植物根系的抗拉強(qiáng)度、最大抗拉力、應(yīng)力—應(yīng)變曲線等，從固土護(hù)坡能力方面為北川縣植被重建過程中造林選種提供依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于北川縣擂鼓鎮(zhèn)，地理坐標(biāo):東經(jīng)109°48'～109°57'、北緯 32°16'～32°24'。境內(nèi)山高谷深，地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，屬于亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候類型，全年氣候溫和，雨量充沛，四季分明，大陸性季風(fēng)氣候明顯。冬干、春旱、夏洪、秋澇，降雨豐沛，日照少［4］。境內(nèi)氣候立體差異明顯，平均氣溫由東南向西北逐漸降低，降水量由東南向西北逐漸減少。全縣平均氣溫15.6℃，年平均最高溫度16.1℃、最低溫度14.8℃。全縣常年日照時(shí)間924.3 h，最多為1 116.2 h、最少為758.3 h，年平均降水量1 400 mm?？h境地勢高差懸殊，氣候和生物帶垂直變化明顯，土壤類型也隨之呈垂直地帶性分布，其中以山地黃壤和山地棕壤為主。根據(jù)林業(yè)資源調(diào)查資料顯示，全縣喬灌木種類主要為杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)、柏木(Cupressus funebris Endl.)、柳杉(Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr.)、箭竹(Fargesia demissa Yi)、榿木(Alnus cremastogyne Burk.)、云杉(Picea asperata Mast.)、冷杉(Abies fabri(Mast.)Craib.)、厚樸(Magnolia officinalis Rehd.et Wils.)［3］。

2 材料與方法

試驗(yàn)材料取自北川縣擂鼓鎮(zhèn)，2012年5—6月份進(jìn)行根系采集。通過當(dāng)?shù)亓謽I(yè)局了解到，北川常用造林樹種為柳杉、榿木以及厚樸等，對試驗(yàn)地進(jìn)行調(diào)查，選擇地勢較平、土層稍厚，樹種組成、立地條件、林相完整、林齡等因子基本一致的地段作為樣地。分別選取6年生的柳杉、榿木和厚樸作為研究對象:柳杉生長較快，樹冠高大，樹干通直，木材紋理直，材質(zhì)輕軟，是重要用材樹種;榿木根系具有根瘤或菌根，為非豆科固氮樹種，固氮能力強(qiáng)，增加土壤肥力，適應(yīng)性強(qiáng)，耐瘠薄，生長迅速，木材紋理通直，可作為膠合板、家具等用材;厚樸是分布較廣較原始的種類，對研究東亞和北美的植物區(qū)系及木蘭科分類有科學(xué)意義，根系發(fā)達(dá)，生長快，萌生力強(qiáng)，為中國貴重的藥用及用材樹種。試驗(yàn)樣地內(nèi)各做20 m×20 m的樣方1個(gè)，每木檢尺選出3株標(biāo)準(zhǔn)木，全挖法觀察并記錄根系情況。另外，采用扇形挖掘法分別在各樣地內(nèi)挖取表皮完好無損，直徑變化不明顯的根系，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，儲(chǔ)存在4℃的環(huán)境中以備拉力試驗(yàn)用。

文中試驗(yàn)所用設(shè)備是微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為 WDW－100E，測力范圍0.4 ～100.0 kN。試驗(yàn)時(shí)標(biāo)距為100 mm，拉伸速率為10 mm·min－1，常溫靜載環(huán)境下，選取直徑變化不明顯的根系，勻速拉伸直至根完全拉斷。要求根段在中間部位斷裂，試驗(yàn)才視為成功，如果根段從兩端夾具滑脫或者破壞，均視為失敗。

根系力學(xué)原理計(jì)算方法:

式中:P為單根抗拉強(qiáng)度(MPa);F為在計(jì)算P時(shí)為最大抗拉力，在計(jì)算σ時(shí)為抗拉力(N);σ為應(yīng)力(MPa);D為加載前根系平均直徑(mm)(試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測定拉斷根系截面積存在一定困難，故文中采用Lagrange的定義，定D為試驗(yàn)開始前根系的直徑)。

材料的拉伸過程一般是經(jīng)過彈性變形階段，達(dá)到屈服點(diǎn)之后發(fā)生塑性變形，達(dá)到斷裂點(diǎn)后發(fā)生斷裂。材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系(即符合胡克定律)，其比例系數(shù)稱為彈性模量。

式中:ε為縱向線應(yīng)變，即試樣在拉斷時(shí)的位移值與原長的比值，以百分比表示(%);L0為原長;ΔL為單根斷裂時(shí)的位移值(mm);E0.4為抗拉強(qiáng)度極限40%時(shí)的彈性模量(MPa)，彈性模量取40%極限應(yīng)力時(shí)的抗拉割線模量，即 E0.4=σ0.4/ε0.4［5］。

3 結(jié)果與分析

3.1 3個(gè)樹種根系形態(tài)學(xué)特征

對每個(gè)樹種3株標(biāo)準(zhǔn)木的根系全挖，根系的形態(tài)特征存在差別較大，由根基分生出來的側(cè)根的直徑、數(shù)量、生長方向等各不相同。表1為根基上生長出的各徑級側(cè)根的數(shù)量特征，由表1可知，根系一級側(cè)根中d＜5 mm的細(xì)根數(shù)量柳杉最多，分別是榿木的3.4倍、厚樸的2.6倍;3個(gè)樹種根系中d＜5 mm的細(xì)根數(shù)均為最多，其中柳杉比例最大，占到總側(cè)根量的70%以上。側(cè)根中直徑為5 mm≤d＜10 mm組的根系差別不明顯，且所占比例相對較小。較粗側(cè)根中起支撐作用的d≥20 mm的側(cè)根厚樸有10根之多，是柳杉的2倍、榿木的2.5倍。榿木的主要側(cè)根雖然數(shù)量較少，但是直徑相對粗些，最大直徑可達(dá)54 mm。

表1 根基上生長出的各徑級側(cè)根的數(shù)量特征

榿木主根欠發(fā)達(dá)，側(cè)根很發(fā)達(dá)，且呈近水平分布，與地表面的豎直夾角小于15°;二級分叉很少，試驗(yàn)中記錄的起始直徑大于1 mm的分叉根總共只有7根;按照向師慶等［6］的分法，榿木為水平根型。厚樸主根不明顯，側(cè)根十分發(fā)達(dá)，圍繞樹基立體分布均勻，且很多一級側(cè)根與地表面呈30°～50°斜向生長分布，二級分叉達(dá)到43根，三級分叉17根，所有根系在地下相互交織形成穩(wěn)定的錐形結(jié)構(gòu);厚樸為斜生根型。柳杉側(cè)根數(shù)量較多，但直徑普遍偏低，而且長度比榿木與厚樸的根系短，二級分叉僅有9根，側(cè)根中水平根和斜生根數(shù)量相當(dāng);柳杉屬復(fù)合根型。

3.2 3個(gè)樹種單根抗拉特性

3.2.1 最大抗拉力與直徑的關(guān)系

為了研究各樹種根系最大抗拉力與根徑的定量關(guān)系，每個(gè)樹種進(jìn)行了200次拉伸試驗(yàn)，其中榿木成功了78根，根徑范圍為1.38～6.38 mm，最大抗拉力范圍為15～322 N;柳杉成功123根，根徑范圍為0.52 ～6.36 mm，最大抗拉力為 5 ～485 N;厚樸成功了106根，根徑范圍為1.26～6.92 mm，最大抗拉力為11～540 N。

如圖1所示，對測定的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)3個(gè)樹種根的最大抗拉力與根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系。各樹種單根的最大抗拉力隨根徑的增大而迅速增加，厚樸根系直徑超過3 mm后增加趨勢較榿木和柳杉更為明顯，相同直徑時(shí)單根最大抗拉力由大到小的順序?yàn)榱?、厚樸、榿木?個(gè)樹種根的最大抗拉力與根徑的數(shù)學(xué)模型見表2。由表2可知，各樹種根抗拉力與根徑的相關(guān)系數(shù)都較高，原因是隨根徑增加，根截面積也迅速增加，同時(shí)根系的木質(zhì)化比例增加，使根的最大抗拉力亦迅速增加。由于根系本身含較多水分，隨著直徑的增加，最大抗拉力迅速增加，要求對其兩頭的加持力也相應(yīng)增加，當(dāng)根系直徑(＞8 mm)較大時(shí)，拉力儀器夾頭會(huì)使根出現(xiàn)變形或應(yīng)力集中，使根系在兩端夾頭處斷裂致試驗(yàn)失敗，故文中試驗(yàn)所測根系最大直徑為6.92 mm。但是由已測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)模型可以推測其他較大直徑的單根最大抗拉力。

圖1 3個(gè)樹種單根最大抗拉力與直徑的關(guān)系

表2 3個(gè)樹種單根最大抗拉力和直徑的回歸方程

3.2.2 抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系

抗拉強(qiáng)度等于斷裂時(shí)根系所受的最大抗拉力除以根系斷裂時(shí)的直徑，3個(gè)樹種在所測根徑范圍內(nèi)，榿木根系抗拉強(qiáng)度為4.17～16.05 MPa，最小抗拉強(qiáng)度值出現(xiàn)在直徑為5.52 mm時(shí)，最大抗拉強(qiáng)度時(shí)根徑為1.38 mm，根徑越小抗拉強(qiáng)度越大，抗拉強(qiáng)度隨直徑的增加呈減小趨勢，但相關(guān)系數(shù)偏低。柳杉根系抗拉強(qiáng)度為8.43～30.30 MPa，極限值時(shí)直徑分別為5.46、0.68 mm，與榿木根系相似，抗拉強(qiáng)度與直徑呈負(fù)相關(guān)，趨勢并不是很明顯。厚樸根系抗拉強(qiáng)度為3.64～25.57 MPa，最小抗拉強(qiáng)度時(shí)根徑為2.90 mm，而根徑為3.98 mm時(shí)有最大抗拉強(qiáng)度，與前兩種不同的是隨直徑的增加，抗拉強(qiáng)度呈波動(dòng)性變化。

對于不同屬種的植物，其抗拉強(qiáng)度與植物根系的增粗生長、根系中纖維素、木質(zhì)素含量及周皮的特性都存在密切相關(guān)性［7］?？赡芤?yàn)楹駱愀瞪L發(fā)達(dá)，同一樹種相同直徑的根生長時(shí)間不同，從而導(dǎo)致次生韌皮部和次生木質(zhì)部分別占其單根橫切面積的比例有高有低，影響其抗拉強(qiáng)度而沒有表現(xiàn)出與其他研究［8－10］一致的趨勢。

3.3 3個(gè)樹種單根的應(yīng)力—應(yīng)變特征

應(yīng)力—應(yīng)變曲線是描述材料力學(xué)性能的極其重要的圖形，圖中橫軸代表應(yīng)變，縱軸代表應(yīng)力。此種曲線能很好地反映根系的抗拉性能，關(guān)系到其固土護(hù)坡的能力，因而受到重視。文中試驗(yàn)曲線由精度高、性能穩(wěn)定的日本松下交流伺服控制試驗(yàn)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)的測試條件下測定。各選取2 mm徑級和5 mm徑級的單根做抗拉試驗(yàn)。不同樹種相同直徑的單根有不同的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，同一樹種不同直徑的單根由于生長時(shí)間不同根系結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，曲線也不相同。

圖2為3個(gè)樹種2 mm徑級的單根應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。由圖2可以看出，此徑級根的應(yīng)力—應(yīng)變曲線不同于鋼材，沒有明顯的屈服階段和頸縮階段，一直上升直至斷裂，屬于遞增型［11］。應(yīng)力—應(yīng)變曲線初始線性階段的斜率即為單根拉伸的彈性模量，開始時(shí)柳杉和榿木根系的曲線接近直線，且比厚樸要小，應(yīng)力與應(yīng)變在此段呈正比關(guān)系，直線部分最高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為比例極限。在此階段內(nèi)卸載，變形也隨之消失，說明發(fā)生了彈性變形。厚樸根系的極限延伸率最大，其次為榿木，柳杉最小。應(yīng)力—應(yīng)變曲線上柳杉單根的極限應(yīng)力最高，厚樸略高但與榿木較接近。

圖3為5 mm徑級的3個(gè)樹種根的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出OA1、OA2、OA3接近直線，各曲線超過A1、A2、A3點(diǎn)后，出現(xiàn)了一段鋸齒形曲線，這一階段應(yīng)力沒有增加，而應(yīng)變依然在增加，根系好像失去了抵抗變形的能力，這種應(yīng)力不增加而應(yīng)變顯著增加的現(xiàn)象稱為屈服階段。屈服階段曲線最低點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)(或屈服極限)。在屈服階段卸載，將出現(xiàn)不能消失的塑性變形。經(jīng)過屈服階段后，3條曲線分別從B1、B2、B3點(diǎn)又開始逐漸上升，說明要使應(yīng)變增加，必須增加應(yīng)力，根系又恢復(fù)了抵抗變形的能力，曲線最高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為抗拉強(qiáng)度(或強(qiáng)度極限)，它是衡量根系強(qiáng)度的又一個(gè)重要指標(biāo)。

圖2 3個(gè)樹種2 mm徑級單根應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3 3個(gè)樹種5 mm徑級單根應(yīng)力—應(yīng)變曲線

從5 mm徑級根系的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出，3樹種的彈性模量由大到小的順序?yàn)?柳杉、榿木、厚樸，之后都有較明顯的屈服階段，柳杉和厚樸的屈服階段都較短，而榿木經(jīng)過一個(gè)很長的屈服后才開始上升，厚樸的極限延伸率與榿木相差無幾，都大于柳杉。與2 mm徑級應(yīng)力—應(yīng)變曲線相比可得，隨著直徑的增大，各樹種單根極限延伸率明顯變小，極限抗拉強(qiáng)度也隨著減小，可能與隨直徑的增長根系結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)。結(jié)合圖2、圖3，3個(gè)樹種單根的抗拉強(qiáng)度由大到小的順序?yàn)?柳杉、榿木、厚樸。

但與其他材料不同的是，樹木的根系是活體材料，當(dāng)承受的應(yīng)力沒有達(dá)到最大應(yīng)力或極限應(yīng)力時(shí)，即根系沒有被完全拉斷時(shí)，如果外力停止作用，根系會(huì)通過生理作用進(jìn)行自身修復(fù)，甚至形成愈傷組織，長出不定根。那么其固土護(hù)坡保持水土的作用就不會(huì)明顯降低，這也是植物措施優(yōu)于工程措施的一方面。

4 結(jié)束語

試驗(yàn)所選的3個(gè)樹種根系差別很大，厚樸根系非常發(fā)達(dá)，主根不明顯，但根徑大于10 mm以上的側(cè)根明顯多于其他兩種，斜向生長且分支多，為斜生根型;榿木主根欠發(fā)達(dá)，側(cè)根很發(fā)達(dá)，且呈近水平分布，為水平根型;柳杉側(cè)根數(shù)量較多，但直徑普遍偏低，而且長度比榿木和厚樸的短，屬復(fù)合根型。

榿木根系最大抗拉力為15～322 N，抗拉強(qiáng)度為4.17～16.05 MPa;柳杉根系最大抗拉力 為5～485 N，抗拉強(qiáng)度為8.43 ～30.30 MPa;厚樸根系最大抗拉力范圍為11～540 N，抗拉強(qiáng)度為3.64～25.57 MPa。各樹種單根的最大抗拉力隨根徑的增大而迅速增加，相同直徑水平時(shí)單根最大抗拉力由大到小的順序?yàn)榱?、厚樸、榿木?；貧w分析發(fā)現(xiàn)3個(gè)樹種根的最大抗拉力與根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)都較高。榿木與柳杉根系的抗拉強(qiáng)度與直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，厚樸根系的抗拉強(qiáng)度沒有明顯的規(guī)律，可能與其材質(zhì)有關(guān)。

3個(gè)不同樹種根系的應(yīng)力—應(yīng)變曲線都是遞增曲線，2 mm徑級的細(xì)根比5 mm徑級的根系的極限延伸率和極限應(yīng)力都高，不同的是5 mm徑級的曲線有較明顯的屈服階段。2個(gè)徑級下厚樸和榿木的極限延伸率優(yōu)于柳杉，但是3個(gè)樹種單根的抗拉強(qiáng)度由大到小的順序?yàn)?柳杉、榿木、厚樸。

文中從林木根系數(shù)量、單根最大抗拉力、抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力—應(yīng)變曲線等方面對3個(gè)樹種進(jìn)行了比較，數(shù)量多、抗拉強(qiáng)度大的樹種的固土護(hù)坡效果好，但如本研究中的柳杉強(qiáng)度大但是根數(shù)量相對較少，而厚樸根量多強(qiáng)度又較小，如何將這些因素聯(lián)合起來做一個(gè)綜合評價(jià)模型，更方便的為植樹造林工程綠化提供指導(dǎo)，是需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究的。

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