小喬木根系根土間作用力的室外拉拔試驗(yàn)研究

王桂堯，胡圣輝，張永杰，陳 曙，沙琳川，楊聞達(dá)

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114)

小喬木根系根土間作用力的室外拉拔試驗(yàn)研究

王桂堯，胡圣輝，張永杰，陳 曙，沙琳川，楊聞達(dá)

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114)

小喬木根系在邊坡生態(tài)防護(hù)中具有相當(dāng)高的比例，研究土壤貧瘠小喬木根系的護(hù)坡機(jī)理及影響因素，對進(jìn)一步提高或改進(jìn)邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)具有理論和實(shí)際意義。在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，通過室外拉拔試驗(yàn)研究了紅黏土邊坡濕地松根系在大氣降雨、含水率、根系幾何參數(shù)等變動情況下根系對坡面土體加固能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)降雨條件下，表層土體的含水率大于深層土體的含水率，含根土體含水率大于素土含水率，表明小喬木根系有助于坡面土的雨水入滲；最大拉拔力隨含水率的增加表現(xiàn)為單調(diào)遞減或在最優(yōu)含水率附近最大的先增大后減小的趨勢，兩者間為二次函數(shù)的關(guān)系；最大拉拔力隨根系體積的增加總體表現(xiàn)單調(diào)遞增，但在含水率為22%和24%時(shí)，最大拉拔力隨根系體積的增加先減小后增大；植物根系在不同體積或含水率下，拉拔力-位移曲線波動較大。

小喬木根系；根土間作用力；拉拔試驗(yàn)；雨水影響

適宜在紅壤土等土質(zhì)貧瘠邊坡生長的小喬木等常被用于邊坡生態(tài)防護(hù)，并發(fā)揮了良好的護(hù)坡和生態(tài)效果，因此研究小喬木根系的護(hù)坡機(jī)理具有十分重要的理論和實(shí)際意義。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，根系最大拉拔力隨土壤含水率增加呈先增加后減小的趨勢[1]。拉拔力與根徑符合冪函數(shù)關(guān)系,與根系數(shù)量符合線性關(guān)系,與株高符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系[1～2]。在同一土壤干密度條件下，根系的最大拉拔力隨根徑增加而呈線性增大趨勢；根徑一定時(shí)，根系的最大拉拔力隨土壤干密度增加而增大；根的破壞模式有拉斷破壞和拔出摩擦破壞[3]?；鶐r風(fēng)化程度相近的情況下，拉拔力隨地莖、株高及地下生物量的增加而增大[4～6]。根系的破壞差異性較大，如峨眉冷杉、冬瓜楊根系為典型的彈性斷裂，而杜鵑根系為脆性斷裂，彈性模量并不是一個(gè)常量，隨根徑的增加而增加，隨根長加大而減小[7]。通常定義根系在單軸抗拉試驗(yàn)下拉斷時(shí)的力為最大拉斷力；根系從土中拔出對應(yīng)的峰值為最大拉拔力，相同直徑的合歡根系最大拉斷力大于最大拉拔力[8]。國內(nèi)外學(xué)者不僅研究植物根系的幾何參數(shù)、破壞模式對根系抗拉拔的影響，而且對根系幾何形態(tài)及拉拔狀態(tài)等進(jìn)行了大量研究。杜鵑水平根系發(fā)達(dá),拉拔過程中根系整體被拉出,而冬瓜楊由于垂直根系較發(fā)達(dá),拉拔過程持續(xù)時(shí)間較長,冷杉具有垂直和側(cè)向主根,荷載-位移(P-S)曲線表現(xiàn)出多峰的特征[9]。最大拉拔力與位移關(guān)系曲線可分為陡峭上升、陡峭下降和平緩下降3個(gè)階段[3]；根系受拉初期，應(yīng)力-應(yīng)變呈直線關(guān)系，當(dāng)荷載超過彈性極限，拉力繼續(xù)增加時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出非線性特征，且根系最大延伸率隨根徑增大而降低[10]。根-土復(fù)合體的拉斷力在高密度區(qū)比低密度區(qū)的小，撒播區(qū)比條播區(qū)的拉斷力小，高坡度區(qū)比低坡度區(qū)拉斷力小，遠(yuǎn)離沖蝕溝區(qū)比沖蝕溝區(qū)附近拉斷力小[11]。植被根系與土體之間的結(jié)合力以及根系自身的強(qiáng)度可以增加土體的抗剪強(qiáng)度,具有提高坡體穩(wěn)定性的作用[12～13]。以上學(xué)者都針對植物根系的幾何參數(shù)、生長參數(shù)等對植物根系拉拔進(jìn)行研究。而植物根系對降雨時(shí)含根土體含水率分布的影響以及根系全段激活時(shí)間與根系體積及含水率的關(guān)系等研究較少，因此本文擬采用室外原位拉拔試驗(yàn)對植物根系的護(hù)坡機(jī)理進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)內(nèi)容

1.1試驗(yàn)土樣與小喬木根系

試驗(yàn)區(qū)位于湖南省長沙市，土壤以紅壤為主。試驗(yàn)區(qū)土體參數(shù)如表1，屬于粉質(zhì)黏土。

植物選取濕地松(pinus elliottii)，栽種時(shí)間為2016年3月至2017年3月。拉拔根系如圖1所示。

表1 試驗(yàn)土體的物理特性指標(biāo)

圖1 室外拉拔對應(yīng)的不同體積根系圖Fig.1 Different volumetric roots of the external pull

1.2試驗(yàn)方法與試驗(yàn)內(nèi)容

為研究降雨對植物根系周圍土壤含水率的影響，在降雨后進(jìn)行室外拉拔試驗(yàn)。采用HP-50型艾德堡數(shù)顯推拉力計(jì)改裝的拉拔儀對植物根系進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。采用鐵絲將根系綁扎，用拉拔儀進(jìn)行拉拔力與拉拔時(shí)間關(guān)系曲線的測量，試驗(yàn)裝置如圖2所示。拉拔完成后，分3層對土體進(jìn)行取樣，進(jìn)行含水率的測試。同時(shí)把拔出的植物根系放入保鮮袋帶回試驗(yàn)室，清洗干凈后用掃描儀進(jìn)行掃描，再將照片采用根系分析軟件WINRHIZO得出根系的幾何參數(shù)。

圖2 拉拔裝置圖Fig.2 Drawing device

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1降雨對含根土體含水率的影響

在降雨作用下，含小喬木根系土壤的含水率也將發(fā)生相應(yīng)變化，室外實(shí)測不同降雨量或氣候條件下，含小喬木根系土壤含水率如圖3(a)所示。氣候變化條件下，含根土體不同深度的含水率變化如圖3(b)所示。

圖3 大氣降雨對含根土體含水率的影響Fig.3 Effect of atmospheric rainfall on water content of the soil

由圖3(a)可知，含根土體在降雨過程中含水率相比無根土體上升較快，而在降雨結(jié)束后其含水率下降速度也比素土要快，表明小喬木根系有助于雨水入滲。原因在于含根土體中的根系具有一定的保水能力，并且根土界面具有比素土更大的滲透性，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，根系的保水性和根土界面的高滲透性，導(dǎo)致含根土體的含水率略大于素土。降雨結(jié)束后，由于植物根系的蒸騰作用，使含根土體的含水率減小速度大于素土的含水率減小速度，直到低于素土含水率。

由圖3(b)可知，強(qiáng)降雨過程中，表層土體的含水率略大于深層土體含水率；而強(qiáng)降雨后的一段晴朗天氣條件下，由于含根土體植物根系的蒸騰作用及土體本身的水分蒸發(fā)，土體含水率逐漸下降，其中淺層的水分下降速度遠(yuǎn)大于深層土體的含水率，從而使深層土體含水率大于淺層土體含水率。原因在于表層土體不僅雨水入滲路徑最短，而且表層主根根徑最大且須根數(shù)量最多，因此強(qiáng)降雨條件下含根土體表層最容易達(dá)到飽和狀態(tài)。在強(qiáng)降雨后，植物根系的蒸騰作用和表層土體的水分蒸發(fā)作用，使表層土體與深層土體的含水率同步下降，但表層土體比深層土體的含水率下降速度更快。因此經(jīng)過一段時(shí)間的晴朗天氣后，含根土體表層含水率急劇下降為小于深層土體的含水率。

2.2含水率對根土間作用力的影響

根據(jù)小喬木根系拉拔試驗(yàn)結(jié)果，將體積為1～1.5 cm3，1.6～2 cm3，2.1～2.5 cm3，2.6～3 cm3根系的含水率與拉拔力關(guān)系進(jìn)行分析，擬合曲線如圖4所示。

圖4 含水率對根系拉拔影響Fig.4 Effect of moisture content on root drawing

由圖4可知，拉拔力隨含水率的增加具有先增加后減小的趨勢，且含水率為20%時(shí)拉拔力最大。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因，一是含水率增加，水的潤滑作用導(dǎo)致根土間的摩擦系數(shù)減小。二是含水率增加土體的強(qiáng)度也相應(yīng)下降。當(dāng)含水率較低時(shí)，土體孔隙中的結(jié)合水膜較薄，難以形成有效的彎液面而產(chǎn)生的結(jié)合水膜膠結(jié)作用，因此土壤對根系的咬合力較小。隨著含水率的增加，土粒與水之間形成結(jié)合水膜的水膠結(jié)作用增大了土壤與根系之間的黏聚力。但當(dāng)含水率進(jìn)一步增加時(shí)，土粒間的結(jié)合水膜變厚，彎液面產(chǎn)生的結(jié)合水膠結(jié)作用逐步減弱直至消失，從而使土壤與根系之間的結(jié)合力降低。

2.3根系體積對拉拔力的影響

根據(jù)小喬木根系的室外拉拔結(jié)果，將含水率為18%，22%，24%，30%，31%時(shí)的根系體積與拉拔力關(guān)系進(jìn)行分析，擬合曲線如圖5所示。

圖5 根系拉拔參數(shù)與根系幾何參數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between the root pull parameters and the root geometrical parameters

由圖5可知，含水率為22%和24%時(shí)，拉拔力隨根系體積增大呈先減小后增大趨勢，根系體積為2 cm3時(shí)，其拉拔力達(dá)到最小值。而含水率在18%，30%和31%，最大拉拔力隨根系體積的增大而增大。分析原因可能為根系體積較小時(shí)，根系的須根較多，當(dāng)根系體積約等于2 cm3時(shí)，根系直徑較大，而須根較少，隨著根系體積繼續(xù)增加，須根逐漸增加，含水率等于18%時(shí)，弱結(jié)合水膜水膠結(jié)作用較小，根土的接觸較松散，須根更利于根土接觸；當(dāng)含水率等于22%～24%時(shí)，土體顆粒弱結(jié)合水膜的水膠結(jié)作用較大，且須根比表面積較直根大，須根與土體的摩擦黏聚性能大于直根；當(dāng)含水率進(jìn)一步增加時(shí)，土體顆粒的弱結(jié)合水膜變厚，弱結(jié)合水膜的水膠結(jié)作用明顯減弱，須根與土體的摩擦黏聚力與直根與土體的摩擦黏聚力相差不大，此時(shí)最大拉拔力隨根系體積的增加而增大。植物根系拉拔力隨根系體積的增加而線性增加。

在根系拉拔階段，隨拉拔位移增加，根土界面強(qiáng)度被全段激活，拉拔力達(dá)到最大值，將最大拉拔力對應(yīng)的時(shí)間稱為根系完全激活時(shí)間，根系全段激活時(shí)間隨根系體積的增加而增加，呈冪函數(shù)增加。隨著根系體積的增加，根系與土體的接觸面積同步增加，由于根系本身存在彈性模量，根系被激活時(shí)間逐漸延長，根系與土體間的摩擦咬合作用促使拉拔力逐級增加，此結(jié)論進(jìn)一步證明了植物防護(hù)對邊坡加固的有效性。

2.4不同含水率與根系體積的拉拔力和拉拔位移關(guān)系

小喬木根系在體積一定時(shí)，拉拔力與位移的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，植物根系拉拔力-位移曲線呈緩慢上升、上下波動和急劇下降三個(gè)階段。由圖6(a，b)可知，當(dāng)含水率為17.8%～22.45%時(shí)，拉拔曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，而當(dāng)含水率為24.29%～28.8%時(shí)，拉拔曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型。

圖6 不同含水率與體積下拉拔力與拉拔位移的關(guān)系Fig.6 Relationship between the pull force and pull displacement of different water content and volume

當(dāng)根系體積等于3 cm3時(shí)，拉拔力最大對應(yīng)的含水率為20.91%，即含水率小于20.91%時(shí)，拉拔力隨含水率增加而增加，而含水率大于20.91%時(shí)，拉拔力隨含水率增大而減小趨勢；根系體積為2 cm3時(shí)，拉拔力最大的含水率為18.05%。

由圖6(c)可知，隨著拉拔位移的增加，根系與土體接觸面強(qiáng)度開始被激活，拉拔力逐漸增加，當(dāng)根土接觸面強(qiáng)度完全被激活時(shí)，根系拉拔力達(dá)到最大值，隨著拉拔位移的進(jìn)一步增加，土體對根系的黏聚摩擦作用逐漸減弱，土體對根系的包裹作用減弱促使根系被迅速拔出，拉拔力-位移曲線因人為手動拉拔，有一定的誤差，拉拔曲線出現(xiàn)波動。根系拉拔力隨含水率的增加先增加后減小，主要因?yàn)楹瘦^小時(shí)，根系與土體間的水膠結(jié)作用較小，隨著含水率的增加，土體顆粒的弱結(jié)合水膜逐漸變厚，土體與根系間的摩擦黏聚力逐漸增大到最大值，但隨著含水率的進(jìn)一步增加，土體結(jié)合水膜變得更厚，根土間的摩擦黏聚力逐漸減小。

由圖6(c)可知，當(dāng)土體含水率為18%時(shí)，最大拉拔力對應(yīng)的根系體積為2.4 cm3和4.5 cm3，而根系體積為1.8 cm3和3 cm3時(shí)的拉拔力較小。

分析原因?yàn)?.4 cm3體積以下的根系，須根占比較多，而根莖越大，主根和須根都發(fā)育更好，因此根系體積越大，根系拉拔力越大。而隨著根系體積的進(jìn)一步增加，即當(dāng)根系的體積約等于3 cm3時(shí)，根系主直根系比例加大，同等體積主直根系與土體的接觸面積較須根小，此時(shí)根土間的摩擦黏聚力主要由主直根系提供，根系最大拉拔力相對較?。欢?dāng)根系體積繼續(xù)增加時(shí)，以主直根為主的根土間摩擦黏聚力則隨根徑的增大而增大。

3 結(jié)論

(1)大氣降雨時(shí)，含根土體的含水率略大于無根土體，說明小喬木根系的存在使土體的滲透性和保水性增加；降雨停止后，根系的蒸騰作用使含根土體含水率下降速度遠(yuǎn)大于素土，而表層土體更茂密的根系使淺層土壤含水率下降速度遠(yuǎn)大于深層土體。

(2)植物根系的拉拔力與土壤含水率的關(guān)系具有單調(diào)遞減或先增加后減小的趨勢，通常在最佳含水率附近時(shí)，拉拔力最大。

(3)植物根系最大拉拔力隨根系體積呈線性增長趨勢，在體積約等于2 cm3時(shí)，根系最大拉拔力達(dá)到最小值，原因?yàn)轶w積等于2 cm3時(shí)，植物根系處于須根占比較大向主根占比占優(yōu)轉(zhuǎn)化的臨界點(diǎn)。

(4)植物根系拉拔力-位移曲線呈緩慢上升、上下波動和急劇下降三個(gè)階段；在低含水率情況下，拉拔力-位移關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，而在高含水率情況下表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型。

[1] 夏振堯,管世烽,牛鵬輝. 麥冬和多花木藍(lán)根系抗拉拔特性試驗(yàn)研究[J]. 水土保持通報(bào),2015,35(6):110-113. [XIA Z Y, GUAN S F, NIU P H. Experimental study on pull-out resistive properties of Ophiopogon Japonicus and lndigofera Amblyantha Roots[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2015,35(6):110-113.(in Chinese)]

[2] 李國榮, 胡夏嵩, 毛小青. 寒旱環(huán)境黃土區(qū)小喬木根系護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2008,35(1)：94-97. [LI G R, HU X S, MAO X Q. A study of the mechanical effects of shrub roots for slope protection in frigid and arid-semiarid loess area[J]. Hydrogeology amp; Engineering Geology,2008,35(1)：94-97. (in Chinese)]

[3] 管世烽, 夏振堯, 張倫. 水平荷載作用下多花木藍(lán)根系拉拔試驗(yàn)研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào),2016,33(6):24-28. [GUAN S F, XIA ZY, ZHANG L. Pull-out test of indigofera amblyantha craib root under horizontal load[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2016,33(6):24-28. (in Chinese)]

[4] 李紹才，孫海龍，楊志榮,等.護(hù)坡植物根系與巖體相互作用的力學(xué)特性[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(10)：2051-2057. [LI S C, SUN H L, YANG Z R,etal. Mechanical characteristics of interaction between root system of plants and rock for rock slope protection[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006，25(10)：2051-2057. (in Chinese)]

[5] 胡夏嵩, 陳桂琛, 周國英,等. 青藏鐵路沱沱河段路基邊坡植物護(hù)坡根系力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2012,39(1):107-113. [HU X S, CHEN G C, ZHOU G Y,etal. A study of the mechanic strength of vegetation roots for roadbed slope protection in the Tuotuohe river region along the Qinghai-Tibet railway[J].Hydrogeology amp; Engineering Geology,2012,39(1):107-113. (in Chinese)]

[6] 張興玲，胡夏嵩，李國榮,等.寒旱環(huán)境草本植物根系護(hù)坡的時(shí)間尺度效應(yīng)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36(4)：117-120. [ZHANG X L, HU X S, LI G R,etal. Time scale effect of herb roots on slope protection in a cold, arid and semi-arid environment[J]. Hydrogeology amp; Engineering Geology, 2009，36(4)：117-120. (in Chinese)]

[7] 朱清科, 陳麗華, 張東升. 貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)根系固土力學(xué)機(jī)制研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(4):64-67. [ZHU Q K, CHEN L H, ZHANG D S. Mechanisms of soil-reinforcement by roots in forest ecological systems in Gongga Mountain[J]. Journal of Beijing Forestry University,2002,24(4):64-67. (in Chinese)]

[8] 楊永紅,劉淑珍,王成華,等. 淺層滑坡生物治理中的喬木根系抗拉實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水土保持研究,2007,14(1):138-140. [YANG Y H, LIU S Z, WANG C H,etal. A study of tensile strength tests of arborous species root system in forest engineering technique of shallow landslide[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2007,14(1):138-140. (in Chinese)]

[9] 陳麗華, 余新曉, 張東升,等. 整株林木垂向抗拉試驗(yàn)研究[J]. 資源科學(xué),2004,26(7): 39-43. [CHEN L H, YU X X, ZHANG D S,etal. Experimental study on vertically tensile strength of whole tree[J]. Resources Science, 2004,26(7):39-43. (in Chinese)]

[10] 朱海麗, 胡夏嵩, 毛小青. 青藏高原黃土區(qū)護(hù)坡小喬木植物根系力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(增刊2):3445-3452. [ZHU H L, HU X S, MAO X Q. Study on mechanical characteristics of shrub roots for slope protection in loess area of Tibetan Plateau[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(Sup 2):3445-3452. (in Chinese)]

[11] 羅春燕,吳楚,蘆光新,等. 三江源區(qū)植物根-土復(fù)合體的最大拉拔力特征及影響因素分析[J]. 水土保持研究,2014,21(5):260-266. [LUO C Y, WU C, LU G X,etal. Tensile resistance characteristics of root-soil composite system and influence factor analysis in Sanjiangyuan Regions of Qinghai-Tibet Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2014,21(5):260-266. (in Chinese)]

[12] Operstein V, Frydman S. The influence of vegetation on soil strength[J].Ground Improvement,2000(4):81-89.

[13] Gray D H. Influence of vegetation on the stability of slopes[J].Vegetation and slopes,1995:3-25.

責(zé)任編輯

：張明霞

Anoutdoordrawingteststudyoftherootsoilinteractionforceforasmalltreerootsystem

WANG Guiyao, HU Shenghui, ZHANG Yongjie, CHEN Shu, SHA Linchuan, YANG Wenda

(SchoolofCivilandArchitectureEngineering,ChangshaUniversityofScienceamp;Technology,Changsha,Hunan410114,China)

Small trees have a very high proportion in slope ecological protection. A study of the mechanism of slope protection and influence factors of a small tree root system are of important theoretical and practical significance for further improvement of the slope protection technology. On the basis of domestic and foreign research achievements, the influence of moisture content and root geometric parameters on the strengthening ability of slope soil is examined by the outdoor drawing experiment in red clay ground with the pinus elliottii root system. The results show that moisture content of the surface soil is greater than that in the deep soil after heavy rainfall condition and moisture content of the root soil is less than that in the nature soil. It is found that the small tree root system helps the water to infiltrate in the slope. The maximum drawing force increases first and then decreases with the increasing moisture content as the trend of the quadratic function; the maximum drawing force increases monotonically with the increasing root volume over all the performance, but when moisture content is 22% and 24%，the maximum drawing force decreases first and then increases with the increasing root volume. The pullout force displacement curve fluctuates greatly under different volume or moisture content of the plant root.

small tree root system; root soil interaction force; drawing test; rain affect

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.10

TU413.1

A

1000-3665(2017)06-0064-06

2017-06-04;

2017-07-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51178063，51578082)；湖南省交通科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(201514)

王桂堯(1963-)，男，博士，教授，主要從事巖土工程及邊坡防護(hù)。E-mail：wanggy688@163.com