青藏高原東北部4種灌木主根和側根抗拉力學特性比較

周林虎， 胡夏嵩,2， 劉昌義， 徐志聞， 許 桐， 申紫雁

(1.青海大學 地質工程系， 青海 西寧 810016； 2.中國科學院 青海鹽湖研究所， 青海 西寧 810008)

國內外大量研究結果表明，植被護坡力學效應包括淺層根系加筋作用、垂直深根錨固作用和側根斜向牽引作用[1-7]，植物根系抗拉力學特性可作為評價根系力學效應的重要力學性質[8-9]。左志嚴等[10]通過對生長于內蒙古中西部地區(qū)，生長期為4 a的檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)和紫花苜蓿(Medicagosativa)根系進行單根拉伸試驗，指出3種植物單根極限抗拉力隨根徑的增加而增大，單根極限抗拉強度隨根徑的增加而減小，且2者之間呈冪函數(shù)負相關關系。歐陽前超等[11]對生長于山西土石山區(qū)的黑麥草(Loliumperenne)、香根草(Vetiveriazizanioides)和百喜草(Paspalumnotatum)3種草本根系進行單根抗拉力學試驗，結果表明其平均極限抗拉強度關系表現(xiàn)為百喜草(116.226 MPa)>黑麥草(50.839 MPa)>香根草(49.650 MPa)，并指出百喜草的固土性能明顯優(yōu)于黑麥草和香根草。田佳等[12]通過對種植于寧夏鹽池縣高沙窩林場，生長期為 5 a的花棒(Hedysarumscoparium)和沙柳(Salixcheilophila)根系進行單根拉伸試驗，指出花棒和沙柳根系單根最大拉力、抗拉強度和楊氏模量均與根徑之間呈冪函數(shù)關系。Capilleri等[13]對生長于意大利西西里島地區(qū)的蘆筍(Asparagusofficinalis)根系進行了室內單根拉伸試驗，結果表明其抗拉強度為2.5～8.0 MPa，并指出其可有效提高邊坡穩(wěn)定性。Abdi等[14]對生長于伊朗北部德黑蘭地區(qū)的歐洲鵝耳櫪(Carpinusbetulus)根系進行單根拉伸試驗，結果表明其根徑為0.3～4.5 mm時，抗拉強度為11.72～62.20 MPa，且2者之間呈冪函數(shù)關系。由以上相關研究結果可知，有關植物根系抗拉力學特性方面的研究主要是對其主根抗拉力學特性的研究，即已有的研究更多的表現(xiàn)在植物主根對邊坡土體的加筋和錨固作用，而有關植物側根抗拉力學特性及其與主根抗拉力學特性對比等方面，均有待于進一步開展深入研究。

青藏高原因其地處特殊的地理位置，成為中國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，其生態(tài)環(huán)境的保護建設與人類經(jīng)濟社會和諧發(fā)展，對中華民族乃至全球未來發(fā)展有著特殊的作用和意義[15]。近年來，隨著青藏高原東北部地區(qū)基礎設施建設與資源開發(fā)力度和規(guī)模的不斷加大和提升，人類工程活動在一定程度上導致了對高原資源盲目和不合理開發(fā)利用，使得本來就十分脆弱且極不穩(wěn)定的高原環(huán)境承受著愈來愈沉重的壓力，進而引發(fā)大規(guī)模水土流失、土地沙漠化、泥石流和滑坡等地質災害，且呈現(xiàn)出逐步惡化的變化趨勢[16-17]。這種高原生態(tài)環(huán)境的逐步惡化，對當?shù)亟?jīng)濟建設和社會發(fā)展帶來了影響，且一定程度構成了較嚴重的潛在威脅，因此開展青藏高原東北部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護具有重要的現(xiàn)實意義?；谝陨蠈嶋H情況，本項研究對青藏高原東北部黃土區(qū)4種生長期為3 a的優(yōu)勢灌木主根和側根進行了單根拉伸試驗，分析4種灌木主根和側根抗拉力學特性關系，以期為深入研究植物根系固土護坡力學機理提供參考。

1 研究區(qū)概況

本項研究自建試驗區(qū)位于青藏高原東北部的西寧盆地長嶺溝流域，其地理坐標為東經(jīng)101°42′，北緯36°36′，海拔為2 315～2 570 m[9]。試驗區(qū)邊坡坡度為30°，屬于自然土質邊坡，坡向向南，土質類型為粉土。該區(qū)屬寒冷半干旱高原大陸性氣候，多年平均氣溫為5.6 ℃，年均降水量為386.2 mm，蒸發(fā)量為1 762.8 mm[18]，降水主要集中在每年6～9 月份，占全年降水量70%～80%左右，且多以暴雨和陣雨形式出現(xiàn)，具有歷時短、強度大和降雨集中等特點[19-20]。該區(qū)域植被類型是以針茅、蒿類為主的草原植被，主要植物有長芒草(Stipabungeana)、短花針茅(Stipabreviflora)、馬先蒿(Pedicularisresupinata)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、賴草(Leymussecalinus)和灌木亞菊(Ajaniafruticulosa)等，零星分布有能形成群落的甘蒙錦雞兒(Caraganaopulens)灌叢、鬼劍錦雞兒(Caraganajubata)灌叢，伴生有白刺、北方枸杞和沙棘等灌木植物[21-23]。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

根據(jù)研究區(qū)寒冷半干旱氣候條件，本項研究篩選出檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王4種灌木植物作為試驗對象，其生長特征以及水土保持特性主要表現(xiàn)如下：

(1) 檸條錦雞兒為豆科、錦雞兒屬灌木植物，根系發(fā)達，具有較強的耐旱能力和抗逆性，可作為人工植被建植的主要優(yōu)良灌木植物，亦是北方地區(qū)水土保持和治沙造林的先鋒植物[24]。

(2) 中寧枸杞為茄科、枸杞屬灌木植物，根系粗長而發(fā)達，具有耐旱、耐寒、耐貧瘠和耐鹽堿等特點，且在干旱荒漠區(qū)仍能正常生長[25]。

(3) 白刺為蒺藜科、白刺屬灌木植物，其根系發(fā)達、再生能力強、抗逆性強、耐干旱鹽堿，是優(yōu)良的防風固沙灌木種，可在防治風沙危害、改良荒漠化土壤和保持生態(tài)平衡中起到重要作用[26]。

(4) 霸王為蒺藜科、霸王屬灌木植物，其主根粗壯但相對不發(fā)達，側根較為發(fā)達，長度超過主根數(shù)倍[20]；具有抗風沙、耐干旱的特點，可作為植被恢復的先鋒物種[27]。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗裝置 本項研究對區(qū)內4種灌木植物根系拉伸試驗采用HY-0580型電子萬能材料試驗機(圖1)。該實驗儀器主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工作系統(tǒng)2部分組成，其主要工作原理為：通過工作系統(tǒng)中的力和位移傳感器記錄試驗過程中試樣所受到的抗拉力和伸長量，然后傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過與試驗機相匹配的計算機軟件對數(shù)據(jù)進行自動處理后，即可得到相應的單根最大抗拉力和伸長量，同時繪制出單根抗拉力和伸長量之間的關系曲線。

圖1 單根力學強度實驗設備和單根拉伸試驗

2.2.2 取樣方法

(1) 野外試驗區(qū)原位挖掘采集試樣。在試驗區(qū)采集試樣時，為有效確保根系完整性，將原位挖掘出的植株移放至試樣盆內，并及時帶回實驗室。

(2) 清洗根—土復合體試樣。將根—土復合體試樣采用清水沖洗干凈，并選取其中順直且表面完好的根系作為試驗根系。

(3) 側根剪切。將復合體試樣中所清洗出的根系側根用剪刀剪下，并統(tǒng)計側根數(shù)量和根徑。

2.2.3 單根拉伸試驗方法 本項試驗中，4種灌木主根根長為130～980 mm，側根根長為54～280 mm，故將主根拉伸標距設定為100 mm，側根拉伸標距設定為50 mm。在室內開展單根拉伸試驗時，采用游標卡尺分別在根段上部、中部和下部3個不同部位測量其根徑，并取其平均值作為該根段的根徑，當一組單根拉伸試驗結束后，將根徑值輸入與試驗機相匹配的計算機軟件AnyTest Professional中，該軟件通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，即可繪制出抗拉力值—變形關系曲線。

在單根抗拉試驗過程中，為有效避免根系在夾具中發(fā)生滑動現(xiàn)象，采用在上、下兩夾具夾頭兩端粘貼膠片、纏繞和增加柔性物質的方法來增大根系與夾具之間的摩擦力[28]。選取斷裂破壞發(fā)生在根系中部或接近中部的試驗結果作為有效試驗結果，若根系在兩端發(fā)生斷裂，則不計入有效數(shù)據(jù)，重新進行拉伸試驗。

區(qū)內4種灌木植物單根抗拉強度計算公式如下[20]：

(1)

式中：P——單根抗拉強度(MPa)；F——單根最大抗拉力(N)；D——根徑(mm)，D包括D1和D2，D1為主根根徑，D2為側根根徑。

區(qū)內4種灌木植物的楊氏模量計算公式如下[29]：

(2)

式中：Er——楊氏模量(MPa)；F——單根最大抗拉力(N)；D——根徑(mm)；L0——根系原長(mm)； ΔL——根系最大伸長量(mm)。

3 結果與分析

3.1 4種灌木主根和側根抗拉力及其與根徑之間關系

本項試驗中，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王其主根根徑分別為1.26～4.93，1.62～6.07，2.1～6.41，2.16～5.23 mm，其中白刺主根平均根徑均大于其他3種灌木，即分別為霸王、中寧枸杞和檸條錦雞兒的1.12，1.15，1.38倍；4種灌木主根平均抗拉力由大至小依次為檸條錦雞兒(248.95 N)>中寧枸杞(236.55 N)>霸王(226.08 N)>白刺(190.10 N)，檸條錦雞兒主根抗拉力與中寧枸杞和霸王差異性相對不顯著，而與白刺抗拉力差異性相對較為顯著，即檸條錦雞兒平均單根抗拉力分別較中寧枸杞、霸王和白刺大12.40，22.87，58.85 N(表1)。

表1 試驗區(qū)4種灌木主根抗拉力F1及其與根徑D1之間擬合方程

4種灌木單根抗拉力隨著根徑增加呈增大的變化趨勢，且其抗拉力與根徑之間呈冪函數(shù)正相關關系(圖2)，該結果與李賀鵬等[30]對生長于浙江南部地區(qū)的檵木(Loropetalumchinensis)、麂角杜鵑(Rhododendronlatoucheae)和香港黃檀(Dalbergiamillettii)3種灌木，以及Yang等[31]對生長于河北省武道河林場的白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、油松(Pinustabulaeformis)和落葉松(Larixgmelinii)4種喬木根系抗拉力與根徑之間關系的研究結果一致。

此外，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王其單根最大抗拉力分別為402.56，342.54，345.67，320.83 N，所對應根徑分別為4.93，6.07，6.10，5.03 mm，反映出在主根根徑相同條件下，檸條錦雞兒主根抗拉力顯著大于其他3種灌木。

由區(qū)內4種灌木側根抗拉力值及其與根徑之間擬合方程(表2)可知，霸王側根根徑和平均抗拉力相對顯著于其他3種灌木，其側根平均抗拉力分別為中寧枸杞、白刺和檸條錦雞兒的1.72，1.78，3.20倍；4種灌木側根抗拉力與根徑呈冪函數(shù)正相關關系，這與主根抗拉力與根徑之間關系表現(xiàn)出一致性規(guī)律。

圖2 試驗區(qū)4種灌木主根抗拉力與根徑之間的關系

表2 試驗區(qū)4種灌木側根抗拉力F2及其與根徑D2之間擬合方程

注：D2為側根根徑。下同。

由區(qū)內4種灌木側根抗拉力值與根徑之間關系曲線(見圖3)可知，4種灌木側根抗拉力隨著根徑增加呈顯著增大的變化規(guī)律，但其遞增幅度表現(xiàn)出較顯著的差異性，表現(xiàn)在檸條錦雞兒、中寧枸杞和霸王3種灌木側根抗拉力遞增幅度呈不斷增大的變化規(guī)律，而白刺側根抗拉力遞增幅度則未表現(xiàn)出顯著變化趨勢，這說明白刺側根抗拉力受根徑影響程度不及其他3種灌木。

在此需要說明的是，因4種灌木根系抗拉力相對較大，且根段被上、下兩夾具夾持較緊，試驗中存在著2種現(xiàn)象：根段表皮與夾具間發(fā)生滑移和根段在與上、下夾具相接觸位置發(fā)生斷裂。以上這2種現(xiàn)象的存在，使得4種灌木的單根拉伸試驗有效率下降，表現(xiàn)在直至獲得20組主根抗拉力有效數(shù)據(jù)時，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王所重復的試驗次數(shù)分別為47，39，32，36次，該結果反映出根系抗拉力愈大，其拉伸試驗的有效率愈??；相應地，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王的側根獲得至20組有效拉伸數(shù)據(jù)時，所重復的試驗次數(shù)分別為22，27，25，29次，由此結果分析可以得出側根的拉伸試驗有效率顯著大于主根的有效率。

圖3 試驗區(qū)4種灌木側根抗拉力與根徑之間的關系

3.2 4種灌木主根和側根抗拉強度及其與根徑之間關系

由區(qū)內4種灌木主根抗拉強度及其與根徑之間擬合方程(表3)可知，檸條錦雞兒主根平均抗拉強度顯著大于其他3種灌木，即分別為中寧枸杞、霸王和白刺的1.50，1.94，2.89倍，同時這也一定程度地反映出檸條錦雞兒主根對邊坡土體的垂直錨固作用顯著于其他3種灌木；4種灌木主根抗拉強度與根徑之間呈冪函數(shù)負相關關系，且其相關指數(shù)均為0.94以上，該研究結果與蔣坤云[32]對生長于河北木蘭圍場地區(qū)的萬花木(Myripnoisdioica)、錦帶花(Weigelaflorida)等5種灌木植物根系抗拉強度與根徑之間關系研究結果表現(xiàn)出一致性規(guī)律。

表3 試驗區(qū)4種灌木主根抗拉強度及其與根徑之間擬合方程

由區(qū)內4種灌木主根抗拉強度與根徑之間關系曲線(圖4)可知，在4種灌木主根根徑相同條件下，檸條錦雞兒主根抗拉強度相對較大，中寧枸杞和霸王次之，白刺相對較小；隨著主根根徑增加，4種灌木主根抗拉強度遞減幅度表現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢，即表現(xiàn)在當主根根徑小于3 mm時，抗拉強度隨根徑增加呈現(xiàn)出急劇減小的變化規(guī)律，當根徑大于3 mm時，抗拉強度隨根徑增加其遞減幅度逐漸減小，最后趨于平緩狀態(tài)。

由表4可知，檸條錦雞兒側根抗拉強度顯著大于其他3種灌木，即檸條錦雞兒側根平均抗拉強度分別較中寧枸杞、白刺和霸王高41.31，42.79，46.71 MPa，同時亦反映出檸條錦雞兒側根對區(qū)內邊坡土體斜向牽引作用相對顯著于其他3種灌木；另外，4種灌木側根其抗拉強度與根徑之間具有顯著的冪函數(shù)負相關關系，這與其主根抗拉強度和根徑之間的關系一致。

圖4 試驗區(qū)4種灌木主根抗拉強度與根徑之間的關系

表4 試驗區(qū)4種灌木側根抗拉強度及其與根徑之間擬合方程

由區(qū)內4種灌木側根抗拉強度與根徑之間關系曲線(圖5)可知，霸王側根根徑相對較大，中寧枸杞和白刺次之，檸條錦雞兒側根根徑相對較?。淮送?，隨著根徑的增加，白刺與中寧枸杞和霸王側根抗拉強度遞減幅度表現(xiàn)出顯著差異性，即當側根根徑小于0.9 mm時，白刺側根抗拉強度顯著大于中寧枸杞和霸王，而當側根根徑大于0.9 mm時，白刺側根抗拉強度則小于中寧枸杞和霸王，即隨著側根根徑增加，白刺抗拉強度遞減幅度較中寧枸杞和霸王顯著。

3.3 4種灌木主根和側根楊氏模量及其與根徑之間關系

由表5可知，4種灌木主根在拉伸過程中，其平均伸長量(ΔL1)由大至小依次為：中寧枸杞(5.66 mm)>檸條錦雞兒(4.56 mm)>白刺(2.88 mm)>霸王(2.74 mm)，由此可得出，4種灌木主根根系被拉斷時的最大伸長率分別為5.66%，4.56%，2.88%和2.74%，即相對于其他3種灌木，中寧枸杞主根表現(xiàn)出相對較顯著的伸長特性；此外，霸王和檸條錦雞兒楊氏模量差異性相對不顯著，而與中寧枸杞和白刺差異性較顯著，即霸王主根平均楊氏模量為檸條錦雞兒、白刺和中寧枸杞的1.10，2.13，2.53倍，這說明霸王和檸條錦雞兒主根剛度較大，抵抗變形的能力顯著于其他2種灌木。

圖5 試驗區(qū)4種灌木側根抗拉強度與根徑之間的關系

由4種灌木主根楊氏模量與根徑之間關系曲線(圖6)可知，其主根楊氏模量隨著根徑增加表現(xiàn)出減小的變化規(guī)律，且2者之間呈冪函數(shù)負相關關系，該結果與田佳等[12]對花棒和沙柳2種灌木，以及及金楠等[33]對刺槐(Robiniapseudoacacia)和側柏(Platycladusorientalis)2種喬木根系楊氏模量與根徑之間關系的研究結果一致。

表6為區(qū)內4種灌木側根楊氏模量及其與根徑之間擬合方程，由表6可知，霸王側根拉斷時的伸長量顯著小于其他3種灌木，即檸條錦雞兒、中寧枸杞和白刺側根伸長量分別為霸王的1.74，1.76和1.76倍；同時，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王側根伸長率分別為12.82%，13.00%，12.98%，7.38%，這說明4種灌木側根伸長率顯著大于主根，反映出4種灌木側根伸長特性較主根顯著。此外，檸條錦雞兒側根楊氏模量相對最大，霸王次之，白刺和中寧枸杞相對較小，這與其主根楊氏模量大小關系表現(xiàn)出不一致性變化規(guī)律。

圖6 試驗區(qū)4種灌木主根楊氏模量與根徑之間的關系

表6 試驗區(qū)4種灌木側根楊氏模量及其與根徑之間擬合方程

由4種灌木側根楊氏模量與根徑之間關系曲線(圖7)可知，側根楊氏模量與根徑之間呈冪函數(shù)負相關關系，且其平均相關指數(shù)為0.79，顯著高于主根楊氏模量與根徑之間冪函數(shù)相關指數(shù)(0.66)，這說明側根楊氏模量與根徑之間的冪函數(shù)關系顯著于主根。

圖7 試驗區(qū)4種灌木側根楊氏模量與根徑之間的關系

3.4 4種灌木主根和側根根徑、抗拉力、抗拉強度和楊氏模量差異性分析

由區(qū)內4種灌木主根和側根根徑、抗拉力、抗拉強度和楊氏模量關系(表7)可知，4種灌木主根根徑、抗拉力和楊氏模量均顯著大于側根，而抗拉強度則表現(xiàn)出不一致變化規(guī)律，即檸條錦雞兒和白刺主根抗拉強度小于側根，而中寧枸杞和霸王主根抗拉強度大于側根；4種灌木主根和側根根徑、抗拉力比值由大至小依次為檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王，這說明4種灌木抗拉力與根徑具有一致性變化規(guī)律。此外，4種灌木主根和側根抗拉強度比值為0.67～1.22，說明其主根和側根抗拉強度之間差異性相對較小；4種灌木主根和側根楊氏模量比值為2.00～2.82，說明主根剛度顯著于側根，相對于側根不易發(fā)生形變，對邊坡穩(wěn)定性貢獻亦顯著于側根。

表7 試驗區(qū)4種灌木主根和側根根徑、抗拉力、抗拉強度和楊氏模量關系

注：該表中D1，F(xiàn)1，P1和Er1代表主根根徑、抗拉力、抗拉強度和楊氏模量值；D2，F(xiàn)2，P2和Er2代表側根根徑、抗拉力、抗拉強度和楊氏模量值。

4 結 論

(1) 試驗區(qū)4種灌木中，檸條錦雞兒主根和側根抗拉強度均大于其他3種灌木，說明檸條錦雞兒垂直深根錨固作用和側根斜向牽引作用均顯著于其他3種灌木；

(2) 4種灌木主根抗拉力顯著大于側根，即檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王主根抗拉力分別為側根的28.45，13.21，11.01，7.35倍，且抗拉力與根徑之間呈冪函數(shù)關系；

(3) 檸條錦雞兒和白刺主根抗拉強度小于側根，而中寧枸杞和霸王主根抗拉強度大于側根，即檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王主、側根抗拉強度比值分別為0.67，1.17，0.68，1.22；

(4) 4種灌木主根楊氏模量均大于側根，即檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王主根楊氏模量分別為側根的2.00，2.39，2.82，2.48倍，說明其主根剛度顯著于側根，相對于側根不易發(fā)生形變，對邊坡淺層穩(wěn)定性貢獻亦顯著于側根。