半干旱地區(qū)3種植物根系的抗彎力特征

格日樂, 劉艷琦, 孫保平, 阿如旱, 娜日蘇

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019; 2.北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083; 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 草原與資源環(huán)境學院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

植物固土主要通過根系固土來實現(xiàn)[1]。目前對根系固土力學原理的研究主要集中在根—土界面摩阻特性、根—土復合體抗剪特性、根系抗拉特性等，其中的一些研究成果現(xiàn)已作為評價根系固持土體能力的重要依據(jù)[2-11]。當植物生長在邊坡條件下，會受到多種應力的作用，植株在受到風力作用時，其迎風面的根系主要表現(xiàn)為抗拉特性，而背風面根系則表現(xiàn)為抗彎特性[12]。與之相似的是，植物在重力作用下，上坡向根系表現(xiàn)為抗拉特性，下坡向根系表現(xiàn)為抗彎特性。

植物抗彎曲力學特性的研究分為地上部分和地下部分，研究大部分停留在地上部分，主要以抗倒伏作物[13-14]的選育和收割機械設計[15-18]為目的，此類研究的重點是枝條或莖的抗彎折特性。還有研究者探討了可作為木材加工林木的抗彎特性[19-20]。而針對水土保持植物根系抗彎力學特性的研究才剛剛開始。彎曲力學特性的研究方法主要有三點彎曲法[21-25]、四點彎曲法[26-28]、懸臂梁彎曲法[29-30]和灰色關聯(lián)法[31]等。不同研究對象(農(nóng)作物)抗彎試驗研究方法也為水土保持植物根系抗彎特性研究工作的開展提供了經(jīng)驗和啟示。

另外，植物枝葉承受的外力通過根頸向各級根系傳遞的過程中，根節(jié)點是構成根系網(wǎng)并傳遞外力的關鍵部位。根系在受力過程中，若根節(jié)點處首先斷裂，則整個根系將成為若干單根，無法構成相互聯(lián)結的根系網(wǎng)絡。然而以往對根節(jié)點重要性認識不足，以及試驗條件的制約，國內(nèi)外關于根節(jié)點處力學特性的研究甚少。植物根系的生長并不是以單根形式存在，而是以一個交織形態(tài)存在的復雜網(wǎng)狀結構，因此根節(jié)點處對土體起到的錨固作用同樣不可忽視。根節(jié)點在主根與側根之間起著紐帶作用，對其力學特性的研究將很好地解釋植物根系網(wǎng)絡固土的內(nèi)在機理。

鑒于此，本文擬通過室內(nèi)伺服式強力機進行試驗，通過懸臂梁彎曲方法[32]研究檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、紫花苜蓿(Medicagosativa)3種植物根節(jié)點與其相鄰直根在不同直徑下抗彎力和抗彎強度，為植物根系網(wǎng)絡固土內(nèi)在機理的研究提供科學依據(jù)，也為完善干旱半干旱區(qū)植物根系固土抗蝕生物力學數(shù)據(jù)庫，進而為該區(qū)域及相似地區(qū)植被建設中植物種的選擇及配置提供生物力學方面的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

供試植物為3～4齡檸條、沙棘和紫花苜蓿，3種植物根系都與根瘤菌共生，具有固氮改土作用。其中檸條(豆科Leguminosae、錦雞兒屬Caragana)是黃土高原地區(qū)主要的旱生落葉灌木，根系發(fā)達，具有廣泛的適應性和很強的抗逆能力，沙棘(胡頹子科Elaeagnaceae、沙棘屬Hippophae)落葉灌木或小喬木，具有較強的適應能力，能在高溫、低溫、干旱、瘠薄、鹽堿、風沙等惡劣環(huán)境中生存，2種灌木均為營造水土保持林和防風固沙林、飼料林和薪炭林的優(yōu)良樹種；紫花苜蓿為豆科(Leguminosae)多年生草本植物，抗逆性強，有較強固土能力。3種植物根系材料采集于半干旱氣候區(qū)的內(nèi)蒙古黃土丘陵溝壑區(qū)的鄂爾多斯市準格爾煤田黑岱溝露天煤礦再塑地貌—內(nèi)排土場平臺，平臺樣地海拔高度為1 255 m，中心經(jīng)緯度為39°47′15″N，111°16′07″E，土壤質(zhì)地為輕壤土。沙棘和檸條2種灌木為植苗造林，株行距為1.5 m×1.5 m，草本植物紫花苜蓿為直播，條播，條播行距30 cm，蓋度為50%，造林時期為春季造林。于2014年生長季末期的8月末采集3種植物標準株的根系。標準株的選取是在相同立地條件下對每一種植物隨機抽取3～4年生植株30株作為1個樣本，測量其地徑、株高及冠幅，重復3次。3種植物生長狀況見表1。在30株樣本中找出與平均值最接近的3株植物作為標準株，對標準株進行根系挖掘取樣。以標準株基徑為圓心，以1 m為半徑繞樹一圈挖1 m深的圓柱形剖面。根系的挖掘采用收縮法，即由外逐漸向內(nèi)挖，同時采集試驗所需徑級根系，挖掘過程中盡量減少對根系的破壞。挖出的根系裝在黑色塑料袋內(nèi)且用濕沙覆蓋，最后帶回實驗室內(nèi)置于4 ℃恒溫箱內(nèi)保持根系的濕度，盡快完成試驗。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗根的制備 相鄰上級直根試樣：每種植物選取根徑1～5 mm的根，并以0.5 mm為一個間隔進行分級，不同徑級組分別取20根左右做重復試驗。試驗根長度不小于60 mm(圖1)，選取試驗部分(D1—D3)長30 mm，并在試驗根一端貼上標簽寫明序號。分別對這3個部位進行標記和直徑的測量，每個點正交方向測量2次，然后取各個點平均值作為該試驗根的直徑。

圖1 相鄰直根示意圖

表1 植株生長狀況及標準株選取

含根節(jié)點根段：每種植物選取含根節(jié)點根段分叉處直徑在2～5 mm 且僅具有一個分叉處的根為試驗根，同樣以0.5 mm為一個間隔進行分級，不同徑級組分別取15根左右做重復試驗。試驗根長度不小于60 mm(按分叉前根軸線的延長線量取)，試驗部分(D1—D3)30 mm，根節(jié)點處位于試驗部分中間D2(如圖2)。直徑測量方法與上述直根段相同。

圖2 含根節(jié)點根段示意圖

1.2.2 研究方法 本試驗采用懸臂梁彎曲試驗法模擬土體變形時根系抵抗彎曲的能力，試驗過程中根的一端固持在土體中，固持端下面的根系隨著土體的錯動而彎曲變形。

抗彎力的測定采用YG(B)026 H-250型織物強力機(精度為0.01，拉力量程為0～2 500 N)，以及自制變口徑鋼制夾具。

具體方法如圖1和圖2所示，固定點位于D1，施力點位于夾點后3 cm處，即D3，壓頭位于施力點上方，與試驗根垂直。當壓頭接觸到試驗根后儀器自動采集數(shù)據(jù)，當力達到峰值后自動停止。若試驗過程中根夾口處出現(xiàn)斷裂的情況，應將其視為無效數(shù)據(jù)?？箯潖姸扔嬎愎絒32]如下：

式中：L——力臂長(mm);F1——抗彎力(N)；D——根的直徑(mm)。

根節(jié)點抗彎力計算，其中L為從D1D2水平延長線(分叉前根軸線的延長線)開始至施力點D3垂直延長線的交點處長度D1D3(見圖2)。

2 結果與分析

2.1 3種植物根節(jié)點與相鄰直根抗彎力比較

如圖3所示，3種植物根節(jié)點和相鄰上一級直根的抗彎力均隨著直徑的增大而增大，抗彎力與直徑符合冪函數(shù)正相關關系。

圖3 3種植物根節(jié)點與相鄰直根抗彎力(N)隨直徑變化關系

將所測植物所有徑級內(nèi)的直根和分叉根進行差異性檢驗，結果顯示紫花苜蓿p=0.398 0，沙棘p=0.060 9，檸條p=0.939 3，表明3種植物根節(jié)點與其相鄰直根的抗彎力無顯著性差異(p>0.05)。

對每種植物2～5 mm徑級內(nèi)的根節(jié)點根與相鄰上一級直根抗彎力數(shù)據(jù)進行分徑級差異性檢驗，即分別將每種植物、每一徑級含根節(jié)點根與相鄰上級直根抗彎力的試驗數(shù)據(jù)作為樣本，進行差異性檢驗，結果顯示3種植物根節(jié)點與相鄰上級直根之間抗彎力只有部分徑級間存在差異，集中于2～3.5 mm徑級之間(α=0.05水平下差異顯著)(表2)。3種植物在其他徑級范圍內(nèi)的根節(jié)點與相鄰上級直根的抗彎力在α=0.05水平下無顯著性差異。

表2 根節(jié)點與相鄰直根抗彎力(N)的差異性檢驗

當檸條、沙棘、紫花苜蓿上級直根直徑分別從1.19 mm增大到4.97 mm，從1.05 mm增大到4.98 mm，1.10 mm增大到4.98 mm的過程中，所對應的抗彎力變化范圍為0.11～8.68，0.01～2.20，0.10～5.54 N。檸條、沙棘、紫花苜蓿含根節(jié)點根直徑分別從2.12增大到4.49 mm、從2.40 mm增大到4.94 mm，從2.58 mm增大到4.98 mm的過程中，所對應的抗彎力變化范圍為0.66～6.97，0.20～2.21，0.75～3.84 N。

表3結果顯示，隨著徑級的增大，檸條和沙棘根節(jié)點相比各自相鄰上級直根抗彎力的增長率在逐漸減小，紫花苜蓿根節(jié)點相比其相鄰上級直根抗彎力的增長率在逐漸增大。

將2和5 mm分別帶入到各自的回歸方程中計算出相對應的抗彎力值，通過公式〔(F末-F初)/F初〕計算3種植物根節(jié)點和相鄰上級直根抗彎力的增幅以便于進行定量分析，所得檸條根節(jié)點和相鄰上級直根抗彎力增幅分別為17%和15%；沙棘根節(jié)點和相鄰上級直根抗彎力增幅分別為20%和18%；紫花苜蓿根節(jié)點和相鄰上級直根抗彎力增幅分別為10%和13%。表明沙棘根系抗彎力增幅大于其他3種植物。3種植物根節(jié)點和相鄰上級直根平均抗彎力的種間大小順序為:檸條>紫花苜蓿>沙棘。

表3 3種植物根節(jié)點與相鄰直根在相同徑級下抗彎力的增長率%

3種植物根節(jié)點抗彎力均小于相鄰上級直根，檸條根節(jié)點抗彎力為相鄰直根抗彎力的91%，沙棘根節(jié)點抗彎力為相鄰上級直根抗彎力的95%，紫花苜蓿根節(jié)點抗彎力為相鄰上級直根抗彎力65%。表明沙棘根節(jié)點抵抗土體彎曲變形的能力與相鄰直根抵抗土體彎曲變形的能力相差最小，其次為檸條，紫花苜蓿相差最大，也就是說，3種植物根系相比較，沙棘各級根系間共同作用抵抗變形的能力較好，其次為檸條，各級根系間較好共同作用有利于根系網(wǎng)中各級根系間的固結，有助于根系網(wǎng)發(fā)揮其固持土體的作用。紫花苜蓿根節(jié)點與其相鄰上級直根抵抗彎曲變形的能力相差較大，所以在外力作用下，根節(jié)點較易發(fā)生斷裂。

2.2 3種植物根節(jié)點與相鄰直根抗彎強度比較

對于每種植物，分別將2～5 mm徑級的根節(jié)點、相鄰直根抗彎強度的試驗數(shù)據(jù)作為樣本，進行根節(jié)點與相鄰直根抗彎強度的差異性檢驗，結果表明檸條、沙棘和紫花苜蓿根節(jié)點與相鄰直根之間的抗彎強度均在α=0.05水平下差異性顯著(表4)。

表4 =3種植物根節(jié)點與相鄰直根抗彎強度(MPa)的差異性檢驗表

3種植物根節(jié)點和相鄰直根的抗彎強度隨著直徑的增大無明顯變化規(guī)律。圖4為3種植物根徑在2～5 mm范圍根節(jié)點與相鄰上級直根平均抗彎強度隨直徑的變化趨勢。

圖4 3種植物根節(jié)點與相鄰直根抗彎強度(MPa)比較

由圖4可知，所測根徑范圍內(nèi)除了沙棘直根的平均抗彎強度隨著根徑的增加無明顯變化規(guī)律以外，其他直根與根節(jié)點平均抗彎強度隨著根徑的增加呈現(xiàn)多項式函數(shù)關系，其中檸條根節(jié)點和相鄰上級直根在2.5～3和3～3.5 mm徑級范圍時抗彎強度達到最大，沙棘根節(jié)點和相鄰上級直根分別在3.5～4和2.5～3 mm徑級范圍時抗彎強度達到最大，紫花苜蓿根節(jié)點和相鄰直根均在2.5～3 mm徑級范圍時抗彎強度達到最大。檸條、沙棘和紫花苜蓿根節(jié)點抗彎強度波動范圍分別是(17.80～24.86，4.19～5.58，9.44～13.35 MPa)；各自相鄰上級直根抗彎強度波動范圍分別是(16.32～30.86，4.01～6.29，6.95～23.04 MPa)。并且3種植物根節(jié)點的平均抗彎強度均小于各自相鄰上級直根的平均抗彎強度，種間大小為檸條(21.87，24.33 MPa)>紫花苜蓿(10.69，17.02 MPa)>沙棘(4.81，4.95 MPa)。檸條、沙棘和紫花苜蓿相鄰上級直根平均抗彎強度為其根節(jié)點平均抗彎強度的1.11，1.03和1.59倍。

3 討 論

前期研究表明[33]，檸條、沙棘和紫花苜蓿單根極限抗拉強度隨著纖維素含量的增加而增大，單根極限抗拉強度即單位面積上的抗拉力與纖維素含量相關系數(shù)分別為沙棘0.99，檸條0.83，紫花苜蓿0.80，說明纖維素含量對植物根系抗拉強度具有重要影響。檸條、沙棘和紫花苜蓿根節(jié)點和相鄰上級直根的抗彎力與直徑呈正相關冪函數(shù)關系，3種植物根節(jié)點和相鄰上一級直根的抗彎強度隨著直徑的增大無明顯變化規(guī)律。其內(nèi)在機理還需要結合根系微觀形態(tài)構造及其化學組分等進行進一步研究。

3種植物根節(jié)點平均抗彎強度均小于各自相鄰直根的平均抗彎強度，種間大小順序為：檸條(21.87，24.33 MPa)>紫花苜蓿(10.69，17.02 MPa)>沙棘(4.81，4.95 MPa)。關于這點需要結合同一植物種根節(jié)點與其相鄰直根段的微觀形態(tài)構造進行后續(xù)的深入研究，而造成植物種間差異的原因是多方面的，首先，不同樹種具有不同的生物學特性，即微觀形態(tài)構造及其化學組分不同。其次，不同樹種生物生態(tài)特征的形成和發(fā)展除了受自身生物學特性即遺傳因素的影響外還與立地條件密切相關，故使得生物力學特性也不同。

4 結 論

(1) 在測試根徑1～5 mm范圍內(nèi)，3種植物根節(jié)點和相鄰上級直根的抗彎力與直徑呈冪函數(shù)正相關關系，且3種植物根節(jié)點抗彎力與其相鄰直根的值在0.05水平無顯著性差異。3種植物根節(jié)點和相鄰上級直根平均抗彎力的種間大小順序一致，為檸條>紫花苜蓿>沙棘。在測試根徑2～5 mm范圍內(nèi)3種植物根節(jié)點的平均抗彎強度均小于各自相鄰上級直根的平均抗彎強度，種間大小順序為檸條(21.87，24.33 MPa)>紫花苜蓿(10.69，17.02 MPa)>沙棘(4.81，4.95 MPa)，與平均抗彎力的大小順序一致。說明3種植物間相比較，檸條根系抵抗彎曲變形的能力最大，沙棘最小，紫花苜蓿介于二者之間。

(2) 沙棘直根段與根節(jié)點抗彎力、抗彎強度差值最小，表明沙棘根節(jié)點抵抗土體彎曲變形的能力與相鄰直根抵抗土體彎曲變形的能力相差最小，各級根系間共同作用抵抗變形的能力較好，有利于根系網(wǎng)中各級根系間的固結，更加有助于根系網(wǎng)發(fā)揮其固持土體的作用。紫花苜蓿根節(jié)點與其相鄰直根抵抗彎曲變形的能力相差較大，在外力作用下，含根節(jié)點根段較易發(fā)生斷裂，檸條則介于二者之間。該研究結果可為內(nèi)蒙古砒砂巖丘陵溝壑區(qū)沙棘柔性壩材料的選擇提供生物力學依據(jù)。