青藏高原兩種典型植物根系抗拉特性與其微觀結(jié)構(gòu)的關系

李 可, 朱海麗,2, 宋 路, 李國榮,2, 謝彬山, 李本峰

(1.青海大學 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點實驗室, 西寧 810016)

青藏高原地區(qū)由于特殊的氣候、地理條件，滑坡、崩塌等地質(zhì)災害頻發(fā)，水土流失現(xiàn)象也越來越嚴重。隨著水土保持觀念的不斷更新，國內(nèi)外學者對植物根系護坡也更加重視，并發(fā)現(xiàn)在土壤中穿插植物根系，能有效地遏制土體的大規(guī)模變形[1-2]。在以往對青藏高原地區(qū)的灌木和草本植物根系護坡的研究中發(fā)現(xiàn)，植物根系對邊坡淺層土體穩(wěn)定、增加土壤強度等方面起到顯著作用[3-5]。檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)和草地早熟禾(PoapratensisL.)作為我國西北地區(qū)比較常見的灌木和草本植物，抗寒、抗旱、抗逆性較強。青海東部檸條錦雞兒群落總蓋度為80%，主要由6種植物組成，群落垂直結(jié)構(gòu)分兩層，即灌木和底下草本植物。灌木層優(yōu)勢種為檸條錦雞兒，平均高度為112 cm，分蓋度為55%，生物量達到(1 530.99±809.23) g/m2[6]，此外西藏沙棘(HippophaethibetanaSchlechtend.)也占有明顯優(yōu)勢；草本層優(yōu)勢種為賴草(LeymussecalinusTzvel.)，次優(yōu)勢種為草木樨狀黃芪(AstragalusmelilotoidesPall.)、油蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg.)、狗尾草[Setariaviridis(L.) Beauv.]等植物；草地早熟禾群落總蓋度為85%，優(yōu)勢種為草地早熟禾，平均高度為54.9 cm，分蓋度為60%，生物量達到368.64～633.95 g/m2[7]，次優(yōu)勢種為垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)、油蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg.)、針茅(StipacapillataLinn.)、多裂委陵菜(PotentillamultifidaL.)等植物。熊燕梅[8]、胡夏嵩[9]、朱海麗[10]、李臻[11]等學者對該類植物根系的固土作用研究主要集中在植物根系抗拉特性及不同植物種根系抗拉特性的比較等方面，認為植物根系的抗拉特性主要受根系種類和根系直徑的影響，根系抗拉特性與根徑之間呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關系。近幾年的研究已經(jīng)證實，由于植物根系微觀結(jié)構(gòu)的復雜性與特殊性，植物微觀結(jié)構(gòu)是影響木材力學性能的決定因素[12-14]。朱海麗等[15]通過對灌木根系進行單根拉伸以及根系解剖等試驗，指出根系韌皮纖維、木纖維的百分含量及周皮的木質(zhì)化程度顯著影響根系力學強度。蔣坤云等[16-17]進行了喬木根系拉伸和根系分子離析試驗，定量分析出根系木纖維含量與根系抗拉特性呈正相關關系。郭維俊等[18]研究認為小麥根系承載能力取決于機械組織厚度、維管束數(shù)量等；唐朝生等[19]提出纖維表面形態(tài)學特征及接觸面之間力的產(chǎn)生和傳遞是纖維加筋土的主要力學機理。以往的研究主要針對不同種植物根系的抗拉力、抗拉強度、根系受力應力—應變特征等開展了相關研究，而對在不同速率、不同標距下植物根系固土的力學特性及其與微觀結(jié)構(gòu)間的關系研究還較少[20-26]。

因此本文通過對西寧地區(qū)草地早熟禾和檸條錦雞兒兩種優(yōu)勢植物根系的抗拉特性進行測定；重點分析不同拉伸速率和不同標距對植物單根抗拉力和抗拉強度的影響；此外通過對根系拉斷斷面進行電鏡掃描，分析兩種植物根系受力破壞特點，揭示根系受力變化的影響因素，為植物根系固坡機理的深入研究以及青藏高原區(qū)固坡植被的選擇提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于青海省西寧市城北區(qū)青海大學后山顧家?guī)X溝，地處青海東北部湟水谷地中部西寧盆地，海拔約2 275 m，屬高原寒冷干旱—半干旱氣候。具有寒長暑短、晝夜溫差大等特點。年平均氣溫為5.9℃，年均降水量為345 mm，集中在6—9月份，占全年降水量的60%左右，且多以暴雨和陣雨形式出現(xiàn)[9]。試驗區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，黃土邊坡坡度較大，沖溝發(fā)育，沖蝕溝深達十米至幾十米，25°以上的坡地占該地面積的47.2%，前緣分布有沖積扇或坡積裙，水土流失嚴重。每逢暴雨季節(jié)，易誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等不同規(guī)模的地質(zhì)災害，給研究區(qū)周邊居民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了一定威脅。

2　材料與方法

2.1　根系材料

選取研究區(qū)耐寒、抗旱的優(yōu)勢植物種檸條錦雞兒和草地早熟禾兩種根系發(fā)育典型的植被作為研究對象[11]。采用挖掘剖面壁法挖取植株根系，草地早熟禾挖掘深度為0.4～0.8 m，檸條錦雞兒挖掘深度為1.0～1.5 m。在開挖過程中，記錄并統(tǒng)計植株根系的主根和側(cè)根的分布、延伸方向、分支情況及根徑、根量等。然后將挖取的植株地下部分用毛刷將其表面粘附的土體剝離，用保鮮膜包裹起來，再將整個植株植入試驗盆中帶回實驗室。在試驗過程中，用環(huán)刀取根系周圍原狀土，測定土體天然密度，并用鋁盒取一定量土體帶回實驗室應用CS101-EBN烘箱測定土體含水率。試驗區(qū)土體基本物理性質(zhì)指標測定結(jié)果見表1。

表1　試驗區(qū)土體的基本物理性質(zhì)指標測定結(jié)果

2.2　試驗內(nèi)容與方法

2.2.1單根拉伸試驗將取回的植物根系放入LRHS-150-Ⅲ恒濕恒溫培養(yǎng)箱保證其根系新鮮度，選取表皮完好、根徑通直均勻的根系作為試驗材料。根據(jù)試驗需要將截取根長分別為60，80，100 mm的根段各60～80段。試驗選用RWT-6010微機控制電子式萬能試驗機，參照試驗標準[27]，分別設定40，60，80 mm共3個標距，3，5，10 mm/min共3種不同速率對兩種植物根系進行拉伸試驗。試驗開始前，將選取的植物根系，剪切至試驗要求長度，并將剪斷后備用的根段試樣用濕毛巾包裹，以減少根段中水分蒸發(fā)。在進行單根拉伸試驗時，將不同長度的根段夾持在拉伸儀的上、下夾具間，按不同的設計要求進行拉伸試驗。試驗開始后，按規(guī)定的拉伸速率，使受測根段試樣處于受拉狀態(tài)，直至根段斷裂，受測根段試樣斷裂時的抗拉力即為單根最大抗拉力。每組試驗重復45～55次。由于在拉伸試驗過程中，拉伸夾具為剛性材料，在拉伸過程中存在柔性材料根段被夾具夾斷的現(xiàn)象，因此為了提高試驗的成功率，即植物根段受到拉伸作用力而產(chǎn)生斷裂，而非夾具作用斷裂，本項試驗采用在夾具兩端黏貼薄海綿以增大根系與夾具間的摩擦，并選取試驗中受拉根段在夾具中間部位斷裂的試驗數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。根系力學參數(shù)的計算方法[10]為：

(1)

(2)

(3)

式中：P為根系抗拉強度(MPa)；Fmax為根系最大抗拉力；F為實時拉力(N)；σ為應力(MPa)；D為根系平均直徑(mm)；ε為縱向線應變即延伸率；ΔL為根系延伸時的延長量(mm)；L為夾具兩端受到拉伸作用的根段長度，即標距(mm)。

2.2.2斷裂根系微觀結(jié)構(gòu)首先選取表面完好且有活性的檸條錦雞兒和草地早熟禾兩種相同根徑的根段進行單根拉伸試驗，挑選拉伸標距為40 mm時，拉伸速率為3，5，10 mm/min條件下拉伸斷裂位置居中的3段受拉根系作為試驗材料，并做好編號和標簽，用刀片在不同編號的根系斷口處截取橫、縱斷面根段，并將截取下的小根段固定在膜片上。采用置換干燥法取代根系中的水分，再進行抽真空干燥。在真空條件下進行噴金處理鍍膜后，采用JSM-6610 LV型電子顯微鏡進行取相，并通過Image-Proplus圖樣分析系統(tǒng)觀測兩種植物根系微觀斷面特征以及根系周皮受拉變形量和根系內(nèi)部管孔直徑的變化。

3　結(jié)果與分析

3.1　優(yōu)勢植物抗拉特性與根徑關系

3.1.1單根抗拉力與根徑的關系通過對研究區(qū)兩種優(yōu)勢植物種檸條錦雞兒和草地早熟禾進行單根拉伸試驗，結(jié)果如表2—3所示，最終試驗成功測定檸條錦雞兒根段試樣157個，成功率60.38%；草地早熟禾根段試樣159個，成功率62.35%。試驗成功的檸條錦雞兒根徑平均值為(0.76±0.14) mm，單根平均最大抗拉力為(25.29±9.5) N；草地早熟禾根徑平均值為(0.20±0.05) mm，單根平均最大抗拉力為(1.85±0.41) N。2種植物的根系具有不同的抗拉力，灌木植物檸條錦雞兒的抗拉力明顯高于草本植物草地早熟禾。以拉伸速率為5 mm/min拉伸標距為40 mm為例，見圖1對2種植物的單根抗拉力與根徑之間的關系進行擬合分析表明：單根的抗拉力隨根徑的增大而增大，且2種植物的單根抗拉力與根徑之間均存在冪函數(shù)關系。在其他拉伸速率和拉伸標距下試驗結(jié)果也同樣具有此規(guī)律。

表2　試驗區(qū)檸條錦雞兒單根拉伸試驗統(tǒng)計結(jié)果

注：相同小寫字母表示差異性不顯著，有一個相同小寫字母表示差異性<0.05，不同小寫字母表示差異性<0.01，下表同。

表3　試驗區(qū)草地早熟禾單根拉伸試驗統(tǒng)計結(jié)果

圖1　試驗區(qū)2種植物單根最大抗拉力與根徑的關系

3.1.2單根抗拉強度與根徑的關系由單根抗拉強度與根徑之間的擬合方程可知，2種植物單根抗拉強度與根徑之間均呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關系。如表2—3所示，檸條錦雞兒的單根根系抗拉強度范圍為36～84 MPa，平均值為(52.15±16.96) MPa，草地早熟禾的單根根系抗拉強度范圍為26～140 MPa，平均值為(64.43±20.25) MPa。對試驗區(qū)2種植物單根抗拉試驗以5 mm/min標距40 mm為例進行分析得出，隨著根徑的增大，兩種植物根系的單根抗拉強度逐漸減小，其關系可用乘冪函數(shù)公式表示(圖2)。

圖2　試驗區(qū)2種植物單根抗拉強度與根徑的關系

3.2　不同標距下單根抗拉力及抗拉強度

通過實地考察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)河流近岸由于水流沖蝕作用下河岸下部砂礫石層蝕退，從而使上部根—土復合體層在自重的作用下產(chǎn)生拉張裂隙，裂縫中穿插的植物根系形成了一張根系網(wǎng)，充分發(fā)揮了根系的抗拉作用，從而減緩了邊岸滑塌。根據(jù)野外測量臨界崩塌塊體裂隙寬度約寬7 cm，基于根—土復合體層裂隙寬度，本次單根拉伸試驗設置拉伸標距為4，6，8 cm，在拉伸速率為5 mm/min下進行拉伸試驗。

試驗研究發(fā)現(xiàn)，以草地早熟禾在標距為40 mm，平均根徑為0.21 mm為例，其單根平均最大抗拉力達到2.47 N，較相同條件下標距為60 mm和80 mm的平均最大抗拉力1.27 N和1.18 N，增加了約1倍；以檸條錦雞兒在標距為80 mm，平均根徑為0.68 mm為例，其單根平均最大抗拉力達到31.65 N，較相同條件下標距為40 mm和60 mm的平均最大抗拉力18.59 N和15.54 N，增加了約1倍(圖3)。同時由表2—3可看出，在相同速率下草地早熟禾根系平均抗拉力變化趨勢依次為標距40 mm>標距60 mm>標距80 mm；檸條錦雞兒根系平均抗拉力變化趨勢為標距80 mm>標距60 mm>標距40 mm。由此可以看得出：標距40 mm為草地早熟禾發(fā)揮最大抗拉力的最佳的標距；標距80 mm為檸條錦雞兒根系發(fā)揮最大抗拉力的最佳標距。造成這種情況的原因可能是兩種植物根系的微觀組成結(jié)構(gòu)不同，而不同的結(jié)構(gòu)在不同標距下才能發(fā)揮各自的最大作用，所以兩種植物根系的最佳標距不同。

由圖4可知，隨著根徑的增加，抗拉強度降低，根徑越細，抗拉強度越大。根徑在0.10～0.15 mm，草地早熟禾標距為60 mm時其抗拉強度最大，隨著根徑的增大，標距為60 mm的植物根系的抗拉強度下降幅度最大，且在根徑超過0.2 mm后，標距為60 mm的根系抗拉強度小于標距為40，80 mm的根系抗拉強度；檸條錦雞兒在標距為80 mm時根系抗拉強度最大，標距為60 mm時最小，標距40 mm的抗拉強度介于兩者之間。經(jīng)SPSS 21.0比較均值中的單因素方差檢驗，分別定量分析了兩種優(yōu)勢植物根系的抗拉力、抗拉強度在不同拉伸標距、拉伸速率下的差異顯著性，結(jié)果見表4，除檸條錦雞兒根系抗拉力在不同拉伸標距下差異性不顯著外，其余植物種根系抗拉特性與拉伸標距均呈現(xiàn)顯著的差異性。

圖3　試驗區(qū)2種植物在拉伸速率5 mm/min不同標距下的根徑與抗拉力關系曲線

圖4　試驗區(qū)2種植物在拉伸速率5 mm/min不同標距下的根徑與抗拉強度關系曲線

表4　不同因素下兩種植物根系抗拉特性差異的單因素方差分析結(jié)果

由此可以看出：在相同根徑的情況下，標距60 mm是草地早熟禾根系發(fā)揮最佳抗拉強度的標距；而檸條錦雞兒在試驗設定的不同標距下，其根系抗拉強度差異不明顯。由此可以看出兩種植物中草地早熟禾須根豐富，尤其是根徑小于0.5 mm的活性根對土體具有較強的加筋作用，能夠增強土體的抗剪、抗沖性能。但在不同標距下，兩種植物根系的抗拉強度并沒有隨標距的變化呈規(guī)律性增加或減少。這與之前周朔[21]對喬木油松的抗拉強度研究中提到的相同根徑的根系抗拉強度隨標距的減小而減小的關系不是很相符。這種差異性很有可能是由于草本、灌木或喬木植物的根系微觀組成有較大的差異，另外與不同地域土壤、氣候、水分存在顯著差異性有關，但具體原因有待深入分析。

3.3　不同速率下單根抗拉力及抗拉強度

通過對兩種優(yōu)勢植物根系在拉伸標距為40 mm，拉伸速率分別為3，5，10 mm/min進行單根拉伸試驗，分析不同拉伸速率對兩種植被根系的抗拉力學特性的影響。由圖5可知，隨著根徑的遞增，兩種植物根系的抗拉力均呈現(xiàn)增大的趨勢。草地早熟禾根系在拉伸速率為10 mm/min時，其抗拉力增加幅度最大；對于根徑<0.30 mm的根系抗拉力，隨著拉伸速率的減小而減小。檸條錦雞兒根系在拉伸速率為5 mm/min時，其抗拉力增加幅度最大；當根徑>1.11 mm時，拉伸速率為5 mm/min下的根系抗拉力逐漸接近并超過拉伸速率為10 mm/min下的抗拉力?？梢钥闯?，在拉伸試驗中，草地早熟禾和檸條錦雞兒兩種優(yōu)勢植物根系的平均抗拉力隨拉伸速率的增大而減小。研究表明當研究區(qū)土坡發(fā)生崩塌時，其破壞速率越小，植物根系越能充分發(fā)揮其抗拉特性。

圖5　試驗區(qū)2種植物在不同速率下的根徑與抗拉力關系曲線

圖6　試驗區(qū)2種植物在不同速率下的根徑與抗拉強度關系曲線

由圖5可知，草地早熟禾和檸條錦雞兒在拉伸標距為40 mm條件下，隨著植物根徑的增大，植物根系抗拉力隨著拉伸速率的增大而顯著增大，且同一根徑下拉伸速率愈大，根系抗拉力愈小。由圖6可知，當檸條錦雞兒根徑在0.3～0.5 mm、草地早熟禾根徑在0.1～0.15 mm時，根系抗拉強度在3 mm/min時最大，且隨著根徑的增大，草地早熟禾和檸條錦雞兒根系抗拉強度隨著拉伸速率的增大而減小，且拉伸速率為3 mm/min時，根系抗拉強度下降幅度最大。草地早熟禾在根徑>0.27 mm后，拉伸速率為5 mm/min下的根系抗拉強度趨近于拉伸速率為10 mm/min的根系抗拉強度；檸條錦雞兒在根徑>0.66 mm后，拉伸速率為3 mm/min的抗拉強度小于拉伸速率為10 mm/min的。所以在土體的快速崩塌過程中，較細的根系能發(fā)揮其抗拉力較高的特點，能有效提高河岸的穩(wěn)定性。兩種優(yōu)勢植物根系的抗拉力、抗拉強度在不同拉伸速率下差異顯著性的方差分析結(jié)果見表4。

3.4　應力-應變曲線

通過對試驗區(qū)兩種植物單根拉伸應力—應變曲線分析可知，無論是草本植物還是灌木植物，由于其根系結(jié)構(gòu)組成不同，根系拉伸的應力—應變特征也不同。試驗區(qū)兩種植物單根拉伸應力—應變曲線表現(xiàn)為彈塑性材料特性。分別由根徑為0.22 mm的草地早熟禾和根徑為0.69 mm的檸條錦雞兒單根拉伸應力—應變曲線，由圖7—8可知，在相同根徑下，不同速率、不同標距下其應力—應變曲線也是不同的。兩種植物根系在受拉的初始階段，應力與應變呈比例增長，表現(xiàn)為線性關系；隨著進一步拉伸，當應力超過彈性極限之后，應變較應力增長更快，無殘余變形，表現(xiàn)為非線性彈性變形，此階段的應力增量相對較小，抗拉應力—應變曲線的斜率也較為平緩，當達到破壞抗拉力的時候，根系斷裂破壞。

圖7　試驗區(qū)2種植物在不同標距下的應力-應變曲線的關系

圖8　試驗區(qū)2種植物在不同速率下的應力-應變曲線的關系

從圖8看出，草地早熟禾單根在受力時，表現(xiàn)有較大的彈性；當荷載超過彈性極限，拉力繼續(xù)增加時，應力與應變關系逐漸偏離直線，呈上凸曲線，斜率漸減，表現(xiàn)出非線性彈性特征；檸條錦雞兒單根受力時，也表現(xiàn)有較大的彈性；當荷載超過彈性極限，拉力繼續(xù)增加時，應力與應變關系逐漸偏離直線，呈略微下凹曲線，這是由于檸條錦雞兒在拉伸過程中首先是韌皮部受力，然后是其木質(zhì)部受力的原因所導致的。

根系在拉伸過程中其延伸率是衡量根系拉斷之前總的變形能力對坡體變形而言的一個重要指標，其指根系在單向拉伸下斷裂前所達到的最大延伸率，包括彈性應變和塑性應變。當邊坡土體間出現(xiàn)滑動裂縫時，延伸率較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，且延伸率較大的根系在受拉過程中根系形變量也較大，有利于使根系所受的拉力向根系側(cè)摩阻轉(zhuǎn)化而使根系本身所受的內(nèi)力減小，這樣有利于提高根系固土能力。通過對試驗區(qū)草本植物和灌木植物根系的拉伸應力—應變分析知：草地早熟禾在相同根徑、相同拉伸速率不同拉伸標距下的延伸率由大到小為：標距40 mm>標距60 mm>標距80 mm；在相同根徑、相同拉伸標距不同拉伸速率下的延伸率由大到小為：3 mm/min>5 mm/min>10 mm/min；檸條錦雞兒，在相同根徑、相同拉伸速率不同拉伸標距下的延伸率由大到小為：標距40 mm>標距60 mm>標距80 mm；在相同根徑、相同拉伸標距不同拉伸速率下的延伸率由大到小為：3 mm/min>5 mm/min>10 mm/min?？梢钥闯鰞煞N植物在相同根徑、拉伸速率為5 mm/min，拉伸標距為40 mm時的延伸率最大，隨著標距的增加延伸率呈下降趨勢；在相同根徑、拉伸標距為40 mm，拉伸速率為3 mm/min時兩種植物根系的延伸率最大，隨著拉伸速率的增加延伸率也呈下降趨勢。由表2—3可知，草本植物草地早熟禾的平均延伸率(24%)高于灌木植物檸條錦雞兒(16.80%)，由此可以看出草本植物根系所具有的較高的抗拉強度、較大的延伸性能和彈塑性的特征，對于提高試驗區(qū)坡體淺層土體的強度和粘聚力，同時對抵抗坡體變形都具有重要作用；灌木植物以其較長的根系和根系所具有的彈塑性應力—應變特征對強化根—土復合體的抗剪切能力、錨固較深層的土體及提高土體粘聚力也都具有重要意義。

通過進一步觀察分析根系的拉伸過程中的應力—應變曲線的特征，比較兩種植物根系無論在不同標距還是不同速率下的應力—應變曲線發(fā)現(xiàn)，根系的應力—應變曲線整體都為單峰曲線，特別是草地早熟禾較細根系的曲線表現(xiàn)出明顯的非光滑性的特征，這與鋼筋受拉的應力—應變曲線的特征明顯不同，說明草本植物草地早熟禾的根系比灌木植物檸條錦雞兒的根系在拉伸過程中對外界拉力具有較強的緩沖能力。

3.5　根系拉伸斷面微觀特征及其與單根抗拉特性的關系

3.5.1根系拉伸斷面微觀特征對2種優(yōu)勢植物根系的顯微結(jié)構(gòu)進行觀察后發(fā)現(xiàn)，草地早熟禾根系結(jié)構(gòu)較檸條錦雞兒根系有較大的差異。草地早熟禾根系的木質(zhì)化程度較低，由表皮、皮層和中柱3部分組成，早熟禾根系的表皮較薄，皮層中的管孔受擠壓大多呈現(xiàn)多邊形，中柱中管孔直徑相對較小，密度較高，且管孔呈團狀，大小較為統(tǒng)一，分布在整個次生木質(zhì)部中。檸條錦雞兒根系木質(zhì)化程度較高，主要由周皮、韌皮部、次生韌皮部以及中柱等組成。根系表皮較薄，次生韌皮部和次生木質(zhì)部占橫截面總面積的比例較大；中柱在根系橫截面中所占的面積最大，由木質(zhì)部、韌皮部等組成；管孔類型為復管孔，分布在整個次生木質(zhì)部中；木纖維在根系橫截面所占的比例較大[28]。

對比不同拉伸速率下發(fā)生斷裂的植物根系橫斷面微觀結(jié)構(gòu)圖，可知草地早熟禾根系在拉伸速率為3 mm/min時，周皮與管孔壁剝離，周皮斷裂并發(fā)生塑性變形產(chǎn)生一定的延展現(xiàn)象，也有彈性變形。在斷口處周皮形如褶皺，次生木質(zhì)部在周皮斷裂后斷口不整齊見圖9A，管孔變形大，撕裂程度高；當拉伸速率為5 mm/min時次生木質(zhì)部斷裂口較整齊，管孔形變不大。周皮撕裂程度較低，且與管孔連接較好。周皮產(chǎn)生一定的延展現(xiàn)象并形成褶皺，有明顯二次斷裂痕跡見圖9B；當拉伸速率為10 mm/min時次生木質(zhì)部斷裂整齊，周皮與管孔連接完整，無剝離。周皮沒有延展沒有明顯二次斷裂痕跡，次生木質(zhì)部斷裂管孔沒有明顯被撕裂，管孔形狀保持較好見圖9C。檸條錦雞兒根系在拉伸速率為3 mm/min時，根系斷面呈現(xiàn)參差不齊狀，管孔受到擠壓變形較大，中柱中木纖維在拉伸作用下產(chǎn)生延展，發(fā)生二次斷裂，撕裂程度高；當拉伸速率為5 mm/min時木質(zhì)部斷裂面整齊，皮層與中柱剝離，管孔變形不大，發(fā)生延展的木纖維的數(shù)量相比拉伸速率為3 mm/min時較少；當拉伸速率為10 mm/min時，木質(zhì)部斷裂面整齊，管孔形狀保持較好，木纖維延展的距離相對較短(圖10)。

圖9　草地早熟禾根系在不同拉伸速率下的斷面微觀結(jié)構(gòu)

圖10　檸條錦雞兒根系在不同拉伸速率下的斷面微觀結(jié)構(gòu)

在觀察不同速率下根系受拉橫斷面管孔變化情況時，分別測定了不同拉伸速率下受拉橫斷面電鏡掃描照片中管孔短軸的平均直徑，見表5。可以看出拉伸速率越大，根段受拉斷裂面越平整，平均管孔短軸直徑越小。表明在較慢拉伸速率下，根系中的纖維束能夠逐漸發(fā)揮自身抗拉特性并直到拉斷，因此斷面參差不齊，且管孔變形嚴重。隨著拉伸速率的增大，根系的彈性變形沒有完成就進入了塑性變形，根系大多為脆性斷裂，因此斷面平整，管孔的直徑變化也相對較小。

表5　根系拉伸斷面管孔平均直徑

圖11為草地早熟禾根段分別在3 mm/min，5 mm/min和10 mm/min這3種拉伸速率下的縱斷面電鏡掃描照片。當拉伸速率為3 mm/min時，受拉后的植物根系周皮產(chǎn)生拉裂裂縫，撕裂程度嚴重，周皮表面有大量斷裂的纖維絲。隨著拉伸速率的增大，周皮表面的拉裂裂縫數(shù)量逐漸減少且裂縫寬度也愈不明顯。表明根系在較慢的拉伸速率下能通過纖維絲的抗拉作用來減緩根系斷裂，纖維束呈現(xiàn)漸進式破壞。觀察檸條錦雞兒根系的縱斷面微觀圖片(圖12)，可知根系縱斷面的拉裂裂縫數(shù)量是隨著拉伸速率的增大而減少，拉裂程度也逐漸減弱。由于檸條錦雞兒根系木質(zhì)化程度較高，所以周皮表面沒有斷裂的纖維絲。

圖11不同速率下草地早熟禾根系縱斷面特征

圖12　不同速率下檸條錦雞兒根系縱斷面特征

3.5.2兩種植物的根系微觀結(jié)構(gòu)與抗拉特性的相關性在試驗中發(fā)現(xiàn)，兩種植物根系在速率為3 mm/min下大多為彈塑性斷裂，尤其是檸條錦雞兒一般都是外層韌皮部先被拉裂，裂紋呈45°方向交叉分布然后木質(zhì)部依次被撕裂。隨著速率的加快逐漸轉(zhuǎn)為脆性斷裂，斷口平滑，由于根系的彈性變形沒有完全進行完就進入了塑形變形，力學性質(zhì)沒有得到充分的發(fā)揮，導致在相同根徑、相同標距的前提下抗拉力和抗拉強度隨著速率的加快都有所降低。通過對早熟禾(圖9)與檸條錦雞兒(圖10)根系微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，檸條錦雞兒根系木質(zhì)化程度高于早熟禾根系，表皮厚度也要明顯大于早熟禾。由此可見，檸條的次生微管組織發(fā)達，使得根系的抗拉特性較強，草地早熟禾的次生微管組織發(fā)展相對較弱且細胞排列疏松，使得根系的抗拉特性較弱[11]。在對試驗拉斷根系橫斷面微觀結(jié)構(gòu)觀察中發(fā)現(xiàn)，在不同的拉伸速率下檸條錦雞兒根系橫斷面都有大量參差不齊的纖維狀物質(zhì)，即檸條錦雞兒根系木纖維在根系橫截面所占的比例要大于早熟禾。隨著拉伸速率的增大，草地早熟禾根系周皮的延伸率逐漸降低；檸條錦雞兒根系中木纖維的型變量也相應的減小(圖9—10)。

通過分析試驗數(shù)據(jù)以及觀察2種植物根系橫斷面微觀結(jié)構(gòu)圖得出，拉伸速率在較小的情況下，植物根系自身的周皮及木纖維會隨著根系的受拉發(fā)揮一定抗拉作用，影響根系的抗拉特性。該結(jié)論也符合蔣坤云在灌木、草木植物根系抗拉特性中的研究結(jié)果[16-17]。

4　結(jié) 論

(1) 單根拉伸試驗表明，兩種植物根系抗拉力隨著根徑的增大呈冪函數(shù)增長；而根系抗拉強度隨根徑的增大而減小，草地早熟禾以指數(shù)函數(shù)形式遞減、檸條錦雞兒以冪函數(shù)形式遞減。試驗研究中，草地早熟禾根徑<0.25 mm的根系與檸條錦雞兒根徑<0.5 mm的根系具有較大的抗拉強度。

(2) 在不同拉伸標距下的拉伸試驗中，草地早熟禾發(fā)揮最大抗拉力的標距為40 mm；檸條錦雞兒發(fā)揮最大抗拉力的標距為80 mm。根徑相同條件下，草地早熟禾標距為60 mm時抗拉強度最大，且隨著根徑的增大，3種標距下單根的抗拉強度變化幅度逐漸減小；而檸條錦雞兒在標距為80 mm時其抗拉強度最大。檸條錦雞兒根系的抗拉力在不同標距下差異不顯著。

(3) 在不同拉伸速率下的拉伸試驗中，兩種植物根系抗拉力和抗拉強度在拉伸速率為3 mm/min時最大。隨著拉伸速率的加快根系從彈塑性斷裂逐漸轉(zhuǎn)為脆性斷裂，斷口平滑，由于根系的彈性變形沒有完全進行完就進入了塑形變形，力學性質(zhì)沒有得到充分的發(fā)揮，導致在相同根徑、相同標距的前提下抗拉力和抗拉強度隨著速率的加快都有所降低。兩種植物根系的抗拉特性在不同拉伸速率下均呈現(xiàn)顯著差異性。

(4) 對兩種植物根系拉伸斷面電鏡掃描觀察斷面SEM照片可知，不同拉伸速率、拉伸標距下兩種植物根系周皮的延伸程度、撕裂程度以及管孔的變化均不相同?？傮w來說拉伸速率越小周皮延伸長度越大、撕裂程度越高、管孔變形越嚴重。同時隨著植物根徑變化、根系木質(zhì)化程度加劇以及根系木纖維增加，植物根系的抗拉特性也會有相應的變化。

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時間一分一秒地過去，激蕩在內(nèi)心的憤恨盛怒已消失殆盡，恐慌焦慮悄然爬上心頭。昨天老四曾囑咐我們要善于發(fā)現(xiàn)對手的弱點，但皮特除了缺乏討喜的品質(zhì)外，沒有任何弱點。他夠高夠強壯，塊頭大，但又沒有大到使行動遲緩；他對別人的弱點有很好的判斷力；他生性惡毒，肯定不會對我有半點慈悲心。我本想理直氣壯地告訴他不要小瞧我，可這分明是個謊言。皮特猜得一點沒錯，我真是一點打斗能力都沒有。

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