5種植物側(cè)根分支處的抗拉力學(xué)特性研究

姚喜軍，王林和,劉 靜,劉小敏

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2 內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

5種植物側(cè)根分支處的抗拉力學(xué)特性研究

姚喜軍1,2，王林和1,劉 靜1,劉小敏1

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2 內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

【目的】 探討3～4年生檸條(CaraganamicrophyllaLam.)、沙地柏(SabinavalgarisAnt.)、沙柳(SalixpsammophilaC.wang et Ch Y.Yang)、白沙蒿(ArtemisiasphaerocephalaKrasch.)和沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)側(cè)根分支處的抗拉力學(xué)特性，為植物固土護(hù)坡提供理論基礎(chǔ)?！痉椒ā?在鄂爾多斯準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)和林格爾縣境內(nèi)采集5種植物根系，每種植物采3株標(biāo)準(zhǔn)株，對(duì)直徑0.5～4 mm的根系按0.5 mm分級(jí)，采用織物強(qiáng)力機(jī)(加載速度為200 mm/min)測(cè)定5種植物各徑級(jí)根系的室內(nèi)軸向抗拉力并計(jì)算抗拉強(qiáng)度，同時(shí)分析根型(鯡骨型、二分枝型)、生長(zhǎng)時(shí)期(生長(zhǎng)季初期(5月)、生長(zhǎng)旺盛期(8月))、土壤含水量(0%，6.8%，18.8%，26.6%)對(duì)側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的影響?！窘Y(jié)果】 5種植物側(cè)根分支處斷裂比例均在60%以上，側(cè)根分支處抗拉能力明顯不及相鄰的直段根；無(wú)論是鯡骨型還是二分枝型，5 種植物側(cè)根分支處的抗拉力均低于相鄰直段根的抗拉力，檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿和沙棘直段根的抗拉力分別是相鄰側(cè)根分支處抗拉力的1.39倍、1.33倍、1.46倍、1.63倍和1.91倍；5種植物2種根型側(cè)根分支處抗拉力和抗拉強(qiáng)度的種間差異相同，均表現(xiàn)為檸條>沙柳>沙地柏>沙棘>白沙蒿，根型對(duì)其影響不顯著；生長(zhǎng)旺盛期檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿、沙棘側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度均值分別為30.57，18.19，9.52，8.54和5.34 MPa，生長(zhǎng)季初期分別為26.79，15.25，10.17，6.76和6.10 MPa，生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的影響均在α=0.01水平下差異顯著；5種植物側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度均隨周邊土壤含水量的增大而減小，土壤含水量對(duì)其影響顯著?！窘Y(jié)論】 5種植物側(cè)根分支處是根系抗拉的薄弱點(diǎn)，其抗拉力是正確評(píng)價(jià)植物根系抗拉力學(xué)特性的關(guān)鍵。

側(cè)根分支處；直段根；抗拉力；抗拉強(qiáng)度

近年來，在植被固土護(hù)坡中，灌木、半灌木植物根系在淺層土體加固中起著至關(guān)重要的作用，由于它們的存在，土體可以看作是一個(gè)特殊的復(fù)合體材料，即根-土復(fù)合體，根系在其中起到了加筋作用，從而提高了土體的強(qiáng)度，達(dá)到了固持土體的目的[1-4]。

植物根系主要由垂直根系和側(cè)向根系兩部分組成，垂直根系可以將淺層土體錨固到深層土上，增加土體的遷移阻力，從而加固土層，一定程度上抑制滑坡，而側(cè)向根系可以提高根土復(fù)合體的整體強(qiáng)度[5-7]。近年來對(duì)側(cè)根的研究主要集中在兩個(gè)方面，一方面是對(duì)側(cè)根根土粘合鍵的研究[5]，主要集中在對(duì)根土界面摩阻特性和根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的研究。例如，宋維峰等[8]、邢會(huì)文等[9]將工程學(xué)上加筋材料的摩擦阻力引入到根系與土體界面之間的相互作用，并首次提出了根土界面摩擦系數(shù)的概念；楊亞川等[10]、劉國(guó)彬等[11]研究了草本植物根系的抗剪強(qiáng)度，其結(jié)果表明牧草毛根具有強(qiáng)大的抗拉能力，且抗拉力隨根直徑的增加而增大，根齡對(duì)抗拉力的影響因種而異；宋維峰等[12]研究了林木根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)根系能使坡面表層的應(yīng)力傳遞到土層深處,并弱化一定深度土層土體的應(yīng)力,具有一定的固土作用；楊永紅等[13]研究了影響根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的因素；張欣等[1]分析了檸條、沙柳等灌木根系對(duì)提高土體抗剪強(qiáng)度的作用。側(cè)根研究另一方面是針對(duì)根的抗拉強(qiáng)度，目前由于試驗(yàn)條件的制約，對(duì)植物根系抗拉力學(xué)特性的研究均針對(duì)直段根進(jìn)行[14-15]。 而對(duì)于側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的研究鮮見報(bào)道，側(cè)根分支處在主根與側(cè)根之間起著紐帶作用，對(duì)其斷裂強(qiáng)度的研究將很好地解釋植物根系網(wǎng)絡(luò)固土的內(nèi)在機(jī)理。

直段根抗拉力學(xué)特性的研究均采用強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測(cè)定，而針對(duì)側(cè)根分支處力學(xué)特性的研究，由于沒有專用夾具，至今未見報(bào)道。本研究以3～4年生檸條(CaraganamicrophyllaLam.)、沙地柏(SabinavalgarisAnt.)、沙柳(SalixpsammophilaC.wang et Ch Y.Yang)、白沙蒿(ArtemisiasphaerocephalaKrasch.)和沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)為研究對(duì)象，通過軸向拉伸試驗(yàn)，研究直段根與側(cè)根分支處抗拉力學(xué)特性的差異，以及根型、生長(zhǎng)時(shí)期和土壤含水量等因素對(duì)側(cè)根分支處抗拉力學(xué)特性的影響，以期為闡明植物根系的固土機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，挑選長(zhǎng)勢(shì)良好、分布均勻的檸條、沙地柏、沙柳、白沙蒿樣地，在每種植物的樣地內(nèi)隨機(jī)抽取20株作為一個(gè)樣本，對(duì)每株植物重復(fù)3次測(cè)其株高、冠幅等指標(biāo)，取各指標(biāo)的均值作為衡量該株植物的綜合指標(biāo)。然后在各樣地內(nèi)選取與綜合指標(biāo)接近的3～4年生植株作為標(biāo)準(zhǔn)株，將標(biāo)準(zhǔn)株根系采用整株挖掘法取樣。在內(nèi)蒙古和林格爾縣沙棘基地選取3～4年生沙棘樣地，隨機(jī)選取20株，測(cè)試指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)株的選取方法與上述4種植物相同，取樣方法同樣采用整株挖掘法。取樣完畢，用大型密封袋將挖出的根部土壤連同完整的根系一并帶回實(shí)驗(yàn)室，清理后將根系及時(shí)放在4 ℃冰箱中保存待測(cè)。

1.2 測(cè)試根的制備

每種植物選擇側(cè)根分支處直徑(分支處的直徑每隔120°測(cè)量1次，取3次平均值作為分支處的直徑)0.5～4 mm的根系按0.5 mm分級(jí)，以分支處為中心，沿3個(gè)根軸線方向分別量取15 mm作為試驗(yàn)根進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每徑級(jí)20個(gè)重復(fù)。從分支處開始分別在3個(gè)方向的直根段上每隔5 mm做標(biāo)記，用游標(biāo)卡尺十字交叉測(cè)量標(biāo)記處的直徑，并取平均值。

1.3 測(cè)試方法

采用YG(B)026H-250型織物強(qiáng)力機(jī)，加載速度為200 mm/min，自制三點(diǎn)可變角度夾具，將上級(jí)根垂直固定于強(qiáng)力機(jī)夾具上，將2條下級(jí)根分別用自制的三點(diǎn)可變角度夾具固定，再固定于強(qiáng)力機(jī)下夾具，調(diào)整可變角度夾具的角度，使2條下級(jí)根處于軸向受拉狀態(tài)(圖1)。對(duì)于直段根取斷裂處前后2個(gè)標(biāo)記的直徑平均值作為斷裂處的直徑?？估瓘?qiáng)度通過最大抗拉力與斷裂處的橫截面積計(jì)算。在試驗(yàn)過程中夾口處斷裂的視為無(wú)效數(shù)據(jù)。

圖1 自制夾具固定的測(cè)試根

1.4 研究?jī)?nèi)容與方法

1.4.1 軸向拉力作用下5種植物側(cè)根分支處的斷裂特征 側(cè)根分支處斷裂特征的研究中，根系取樣時(shí)期為生長(zhǎng)旺盛期(8月份)，對(duì)側(cè)根類型(含鯡骨型和二分枝型)并未進(jìn)一步區(qū)分。試驗(yàn)采用自制夾具對(duì)直段根和分支側(cè)根進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)分析了夾口處斷裂根數(shù)、有效試驗(yàn)根數(shù)、直段處斷裂根數(shù)和分支處斷裂根數(shù)等指標(biāo)。

1.4.2 5種植物側(cè)根分支處與相鄰直段根的抗拉力學(xué)特性 所用根系的取樣時(shí)期為生長(zhǎng)旺盛期(8月份)，考慮到在實(shí)際操作過程中二分枝型側(cè)根易獲取的特點(diǎn)，統(tǒng)一選取二分枝型側(cè)根。試驗(yàn)測(cè)定并計(jì)算了能夠反映根系力學(xué)特性的抗拉力和抗拉強(qiáng)度以及對(duì)其變化影響顯著的根徑。

1.4.3 根型對(duì)5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的影響 側(cè)根類型可分為鯡骨型和二分枝型2種根系構(gòu)型。由于2種根型的試驗(yàn)根在軸向拉伸過程中受力的角度不同，考慮到其力學(xué)特性可能有所差異，因此取2種根型的試驗(yàn)根分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取樣時(shí)期為生長(zhǎng)旺盛期(8月份)。

1.4.4 生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的影響 本試驗(yàn)分2個(gè)不同時(shí)期進(jìn)行取樣，分別為生長(zhǎng)季初期(5月份)和生長(zhǎng)旺盛期(8月份)，采用二分枝型根進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4.5 土壤含水量對(duì)5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的影響 根據(jù)取樣地土壤水分條件，設(shè)計(jì)0%，6.8%，18.8%和26.6% 4個(gè)不同的土壤含水量梯度進(jìn)行環(huán)境水分影響的研究。試驗(yàn)所用土壤均采自樣地，將所取的土壤在自然狀態(tài)下風(fēng)干，稱取一定質(zhì)量的風(fēng)干土置于密閉的玻璃器皿內(nèi)，然后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的含水量梯度，根據(jù)公式計(jì)算各自的需水量，用量筒稱取定量的水分別加入對(duì)應(yīng)的玻璃容器內(nèi)攪拌均勻用于試驗(yàn)。每種植物每一徑級(jí)取80條測(cè)試根，平均分成4組，分別置于4個(gè)不同含水量梯度的土壤中保存一晝夜，然后進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2003與SAS 9.0軟件進(jìn)行處理,其中運(yùn)用Excel 2003進(jìn)行圖表制作，運(yùn)用SAS 9.0進(jìn)行相關(guān)性分析與方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸向拉力作用下5種植物側(cè)根分支處的斷裂特征

本試驗(yàn)中，5種植物有效試驗(yàn)根的數(shù)量不等，在30～100根。根據(jù)5種植物的有效試驗(yàn)根在受拉條件下斷裂的方式來看，根系受拉后多數(shù)在側(cè)根分支處斷裂。由圖2可知，白沙蒿側(cè)根分支處斷裂數(shù)占有效試驗(yàn)根數(shù)的73.75%，沙柳、檸條、沙地柏、沙棘分別占96.36%，98.98%，79.45%和64.52%，側(cè)根分支處斷裂比例均在60%以上，由此可以推斷，側(cè)根分支處抵抗拉力的能力不及相鄰的直段根。由圖2可知，檸條和沙柳根系最易在側(cè)根分支處斷裂，沙棘根系與其他幾種根系相比不易在側(cè)根分支處斷裂。本課題組在前期大量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，檸條、沙柳直段根都具有較好的抗拉性能，而白沙蒿直段根的抗拉強(qiáng)度低于檸條和沙柳，但是本試驗(yàn)中白沙蒿側(cè)根分支處的抗拉性能明顯優(yōu)于檸條和沙柳，這為進(jìn)一步研究5種植物的綜合固土效能提供了有效的試驗(yàn)依據(jù)。

圖2 5種植物側(cè)根的斷裂情況
Fig.2 Lateral root breaking test of the five plants

2.2 5種植物側(cè)根分支處與相鄰直段根抗拉力學(xué)特性的差異

圖3表明，5種植物均為側(cè)根分支處抗拉力小于相鄰直段根抗拉力，且隨著根系直徑的增加呈現(xiàn)很好的冪指數(shù)關(guān)系。檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿、沙棘直段根平均抗拉力分別為側(cè)根分支處的1.39倍、1.33倍、1.46倍、1.63倍和1.91倍。根據(jù)以上側(cè)根分支處與相鄰直段根抗拉力的倍數(shù)關(guān)系可以推斷，在植物根系固土(錨固)過程中，直段根的作用要大于側(cè)根分支處的作用。由于沙棘、白沙蒿直段根與相鄰側(cè)根分支節(jié)點(diǎn)處抗拉力存在較大差異，因此推測(cè)其是由于不同部位根系的組成結(jié)構(gòu)存在較大差異，導(dǎo)致力學(xué)性能發(fā)生很大變化的。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，沙棘和白沙蒿側(cè)根分支處與直段根在植物纖維組成上確實(shí)差異較大，而檸條和沙柳直段根與相鄰側(cè)根分支節(jié)點(diǎn)處的抗拉力相差較小，這與檸條、沙柳側(cè)根分支節(jié)點(diǎn)處根系的生物組成結(jié)構(gòu)和直段根的差異較小有關(guān)。

圖3 5種植物側(cè)根分支處與直段根抗拉力及抗拉強(qiáng)度的比較

從圖3還可以看出，隨根直徑的變化，5種植物直段根和側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度與直徑均有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。同一種植物直段根與側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度均隨直徑的增加而減小，說明直徑較小的細(xì)根具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度。為了進(jìn)一步量化直段根與側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的差異，分別將5種植物直段根和側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度與直徑進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示，5種植物直段根和側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度與直徑之間呈顯著的冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，同一種植物直段根的抗拉強(qiáng)度均大于側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度。無(wú)論直段根還是側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度,5種植物均表現(xiàn)為檸條>白沙蒿>沙柳>沙地柏>沙棘。該排序結(jié)果顯示，5種植物抗拉強(qiáng)度排序與側(cè)根分支處斷裂難易程度的排序略有不同，值得進(jìn)一步研究。

2.3 側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的影響因素

2.3.1 根 型 從圖4可看出，5種植物鯡骨型側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度均隨著該處直徑的增大呈降低趨勢(shì)，其中以檸條側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的降低幅度最為明顯，沙棘次之，沙柳、沙地柏和白沙蒿較小。

在直徑為0.5～4 mm且直徑相同的條件下，5種植物鯡骨型側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度大小依次為檸條>沙柳>沙地柏>沙棘>白沙蒿。在側(cè)根分支處代表根徑級(jí)范圍內(nèi)，當(dāng)直徑為1 mm時(shí)，檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿和沙棘鯡骨型側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度分別為34.198，16.807，13.430，7.992和 9.254 MPa，檸條側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度約為沙柳的2倍、沙地柏的2.5倍；沙柳側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度約為沙地柏的1.3倍、白沙蒿和沙棘的2倍。

從圖5可以看出，5種植物二分枝型側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度均隨著該處直徑的增大呈降低趨勢(shì)，其中以檸條側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的降低幅度最為明顯，沙棘次之，沙柳、沙地柏和白沙蒿均較小。

在直徑為0.5～4 mm且直徑相同的條件下，5種植物二分枝型側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度大小依次為檸條>沙柳>沙地柏>沙棘>白沙蒿。在側(cè)根分支處代表根徑級(jí)范圍內(nèi)，當(dāng)直徑為1 mm時(shí)，檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿和沙棘二分枝型側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度分別為33.237，17.178，14.857，8.426 7和 10.144 MPa，檸條側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度約為沙柳的2倍、沙地柏的2.4倍；沙柳側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度約為沙地柏的1.2倍、白沙蒿的2倍、沙棘的1.7倍。

對(duì)檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿、沙棘5種植物鯡骨型和二分枝型側(cè)根分支處分別取直徑0.95，1.00和1.05 mm，通過回歸模型得到相應(yīng)根型側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度值，對(duì)其進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示2種根型在檢驗(yàn)水平α=0.1下無(wú)顯著差異，說明不同根型側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯區(qū)別。

圖4 5種植物鯡骨型側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度比較Fig.4 Comparison of tensile strength of herring bone type lateral root branch of the five plants

圖5 5種植物二分枝型側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度比較Fig.5 Comparison of the tensile strength of two branching type lateral root branch of the five plants

2.3.2 生長(zhǎng)時(shí)期 從圖6可以看出，檸條、沙柳和白沙蒿側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為生長(zhǎng)季初期大于生長(zhǎng)旺盛期，沙地柏和沙棘側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為生長(zhǎng)旺盛期大于生長(zhǎng)季初期。

生長(zhǎng)旺盛期檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿和沙棘側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的均值分別為30.57，18.19，9.52，8.54和5.34 MPa；生長(zhǎng)季初期這5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的均值分別為26.79，15.25，10.17，6.76和6.10 MPa。對(duì)這5種植物不同生長(zhǎng)時(shí)期的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行差異顯著性分析，結(jié)果表明，2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度均在α=0.01水平下差異性顯著。

圖6 2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的比較

2.3.3 土壤含水量 從圖7可以看出，檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿和沙棘側(cè)根分支處的平均抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)為0%土壤含水量下最大(其中0%為模擬土壤環(huán)境極度干旱狀態(tài))，其次為6.8%，然后是18.8%，26.6%時(shí)抗拉強(qiáng)度最小。

圖7 不同土壤含水量下5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度的比較

檸條、沙柳、沙地柏、白沙蒿和沙棘在0%土壤含水量下側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度均值分別為40.95，16.45，15.05，11.26和12.67 MPa;在6.8%土壤含水量下分別為31.81，13.38，10.37，8.73和7.82 MPa；在18.8%土壤含水量下分別為26.20，13.02，7.90，7.63和5.45 MPa；在26.6%土壤含水量下分別為24.39，11.74，5.31，6.18和4.64 MPa。通過SAS 9.0軟件分別對(duì)這5種植物不同土壤含水量下的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行差異顯著性分析，結(jié)果表明，不同土壤含水量下5種植物側(cè)根分支處抗拉強(qiáng)度均在α=0.01水平下差異顯著。

3 討 論

目前，由于受試驗(yàn)條件和諸多不確定因素的影響，絕大多數(shù)學(xué)者對(duì)根系的研究還停留在單根層面，并沒有擴(kuò)展到根系層面，如呂春娟等[16]、王萍花等[17]對(duì)喬木根系抗拉力學(xué)特性、抗拉強(qiáng)度力學(xué)模型的研究，也只是解決了單根抗拉強(qiáng)度的模型問題，并沒有解決整個(gè)根系的問題。因?yàn)楦凳怯筛鱾€(gè)徑級(jí)的側(cè)根分支處將直根連接構(gòu)成的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，假設(shè)直段根的抗拉力與相鄰的側(cè)根分支處的抗拉力相同，根系則以均衡的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)抵抗外力；如果直段根的抗拉力大于相鄰的側(cè)根分支處的抗拉力，在外力作用下整個(gè)根系將斷裂成為無(wú)數(shù)單段的直根；如果直根的抗拉力小于相鄰的側(cè)根分支處的抗拉力，整個(gè)根系將成為無(wú)數(shù)分叉的根段。無(wú)論根系網(wǎng)絡(luò)破壞是上述哪種類型，軸向拉力作用下根系的節(jié)點(diǎn)即側(cè)根分支處，其抗拉力是正確評(píng)價(jià)待測(cè)植物根系抗拉力學(xué)特性的關(guān)鍵。

本試驗(yàn)中5種植物側(cè)根分支處的抗拉力學(xué)特性均小于直根段的抗拉力學(xué)特性，說明根系在受拉過程中，往往是側(cè)根分支處先于直根處斷裂，導(dǎo)致整個(gè)根系分裂為無(wú)數(shù)單段的直根，難以成為相互聯(lián)結(jié)的根系網(wǎng)，這與陸桂紅等[18]對(duì)節(jié)節(jié)草、寒芒的的研究結(jié)果吻合，即節(jié)節(jié)草根系非節(jié)點(diǎn)處的抗拉力和抗拉強(qiáng)度均是節(jié)點(diǎn)處的2倍；同時(shí)也證實(shí)了牛國(guó)權(quán)[19]的研究結(jié)果，即每種植物根系理論拉力值均大于該種植物的實(shí)際整株拉力。因此，目前普遍流行的用直段根的抗拉力學(xué)特性評(píng)價(jià)根系的固土護(hù)坡效應(yīng)存在一定誤差，還需考慮側(cè)根分支處的抗拉力及抗拉強(qiáng)度的大小。

5種植物抗拉力學(xué)特性差異顯著，具體原因涉及到特定植物根系的生物學(xué)特性。正如黃艷輝等[20]對(duì)木材單根纖維力學(xué)性質(zhì)的研究所述，不同植物單纖維的縱向彈性模量、抗拉強(qiáng)度以及單纖維的蠕變、斷裂、疲勞、扭轉(zhuǎn)特性都是有差別的。再深入分析可能是因?yàn)闄帡l根系具有發(fā)達(dá)的次生韌皮部和木栓層[21]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，受其他因素影響較小。而白沙蒿根系持水性較強(qiáng)，根系含水量較檸條高，根系內(nèi)部細(xì)胞間隙較大，木質(zhì)化程度低，結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，故受其他因素影響大，抗拉力相對(duì)較弱。表1為課題組對(duì)5種植物根系含水量的測(cè)試結(jié)果。

表1 5種植物根系的天然含水量Table 1 Natural water content of five kinds of plants

側(cè)根分支節(jié)點(diǎn)處的抗拉力隨側(cè)根分支處斷面直徑的增大而逐漸增加，這一力學(xué)特性與根系的解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)。根系在生長(zhǎng)季初期，微細(xì)的纖維緊密排列，構(gòu)成纖維細(xì)胞壁的網(wǎng)狀骨架，根系的持續(xù)生長(zhǎng)和木質(zhì)化使木質(zhì)素不斷積存于微細(xì)纖維之間，以化學(xué)或物理方式使纖維之間黏結(jié)和加固[22-23]，增加根系的機(jī)械強(qiáng)度。隨著側(cè)根分支處直徑的增粗,橫截面積迅速增加，側(cè)根分支處中的纖維和木質(zhì)素在徑向和軸向都會(huì)增加，細(xì)胞排列相對(duì)緊密，使分支處組織具有較好的抵抗變形的能力，抗拉力逐漸增加，從而表現(xiàn)為側(cè)根分支處抗拉力隨分支處直徑的增大而增大。側(cè)根分支處的直徑越小，其抗拉強(qiáng)度越大，這種現(xiàn)象存在的主要原因與植物根系解剖結(jié)構(gòu)組成的差異有關(guān)，需要進(jìn)一步對(duì)其解剖結(jié)構(gòu)的物理排列方式和根系細(xì)胞壁化學(xué)組成進(jìn)行分析。從根系的解剖結(jié)構(gòu)來看，活根的剛性和韌性與細(xì)胞壁有密切關(guān)系，供試的5種灌木根系纖維細(xì)胞狹長(zhǎng)，其長(zhǎng)徑與根系縱軸平行，由此使根系在順纖維方向具有較強(qiáng)的抗拉性能，尤其是毛細(xì)根纖維具有較大彈性，表現(xiàn)出較大的抗拉強(qiáng)度[24]。

4 結(jié) 論

1)植物根系節(jié)點(diǎn)處即側(cè)根分支處為整個(gè)根系力學(xué)特性的薄弱點(diǎn)，5種植物2種根型側(cè)根分支處的抗拉力和抗拉強(qiáng)度均低于相鄰直段根，其力學(xué)特性表現(xiàn)為檸條最優(yōu)，白沙蒿、沙地柏和沙棘較弱。

2)植物根系的生長(zhǎng)時(shí)期和根系所在土壤的含水量對(duì)側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度均影響顯著。由于植物的個(gè)體差異，單根的生理結(jié)構(gòu)也存在不同，檸條、沙柳和白沙蒿側(cè)根分支處的抗拉強(qiáng)度在生長(zhǎng)季初期表現(xiàn)良好，而沙地柏和沙棘側(cè)根分支處在生長(zhǎng)旺盛期表現(xiàn)良好。雖然植物種間表現(xiàn)出個(gè)體差異，但是，在土壤含水量控制試驗(yàn)中反映出的規(guī)律是一致的，抗拉強(qiáng)度均隨含水量的增加而降低。

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Mechanical properties of tensile at lateral branches of five plants

YAO Xi-jun1,2，WANG Lin-he1，LIU Jing1，LIU Xiao-min1

(1CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010019,China；2InnerMongoliaLandSurveyingandPlanningInstitute,Hohhot,InnerMongolia010019,China)

【Objective】 The study discussed tensile mechanical properties at lateral root branches of 3-4 years oldCaraganamicrophyllaLam.,SalixpsammophilaC.wang et Ch Y.Yang,SabinavalgarisAnt.,ArtemisiasphaerocephalaKrasch.,andHippophaerhamnoidesLinn.to provide theoretical basis for soil slope protection by plants.【Method】 Roots of five plants in ZhunGer and He Lingle,ordos were collected with three standard strains for each plant.The roots with diameters of 0.5-4 mm were graded by every 0.5 mm and the axial tensions of roots in each diameter class were measured using fabric strength machine (load speed of 200 mm/min) to calculate tensile strengths.Then the effects of root type (herring bone pattern and two branching type),growth period (early growing season and growing season),and soil water content (0%,6.8%,18.8%,and 26.6%) on the tensile at lateral branches were analyzed.【Result】 Breaking ratios of lateral branches of the five plants were all more than 60%,indicating that the stretch resistance at lateral branch was significantly less than at straight section adjacent.Tensile at lateral branches of the five plants was lower than that at the adjacent straight segments for both the herring bone type and the dichotomous type.The root tensile strengths at the straight section ofC.microphyllaLam.,S.psammophilaC.wang et Ch Y.Yang,S.valgarisAnt.,A.sphaerocephalaKrasch.,andH.rhamnoidesLinn.were 1.39,1.33,1.46,1.63 and 1.91 times of tensile strength at the lateral root,respectively.Interspecific differences in the tensile strengths and tensile intensities at lateral branches of five plants and two types were all same in the order ofC.microphylla>S.psammophila>S.valgaris>H.rhamnoides>A.sphaerocephala.Root type had no significant effects.At the vigorous growth period, the mean values of tensile strength of lateral root branches forC.microphylla,S.psammophila,S.valgaris,H.rhamnoides,andA.sphaerocephalawere 30.57,18.19,9.52,8.54 and 5.34 MPa,while at the early growing season, the values were 26.79,15.25,10.17,6.76 and 6.10 MPa,respectively.The effects of growth period on tensile strength of lateral root branches among the five plants were significant (α=0.01).The tensile strengths of lateral root branches of the five plants decreased when the soil moisture increased and the influence of soil moisture was significant.【Conclusion】 The lateral root branches of the five plants were vulnerable in tensile resistance of the root system,and their tensile resistances were key to accurately evaluate mechanical properties of plant roots.

lateral root branch;straight section root;anti-tension;tensile strength

時(shí)間:2015-10-13 08:46

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.11.013

2015-01-16

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2010ZD16)

姚喜軍(1983-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，在讀博士，主要從事水土保持研究。E-mail:yaoxj83@163.com

王林和(1949-)，男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事沙生植物資源保護(hù)與利用研究。 E-mail:wlinhe@hotmail.com

S157.2

A

1671-9387(2015)11-0091-08

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