寒旱區(qū)4種草本根系力學(xué)特性試驗(yàn)研究

周林虎 劉昌義 胡夏嵩 徐志聞 李希來(lái) 朱海麗 李燕婷 李國(guó)榮

摘要：為研究青藏高原東北部地區(qū)草本植物根系力學(xué)特性及其根系固土護(hù)坡力學(xué)機(jī)制，以青海省剛察縣三角城種羊場(chǎng)地區(qū)為研究區(qū)，將賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅4種優(yōu)勢(shì)草本植物作為供試種，開(kāi)展室內(nèi)單根拉伸和剪切試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了4種草本植物的單根力學(xué)特性。結(jié)果表明：4種草本植物平均單根抗拉力大小順序?yàn)橘嚥荩?.336 N）>扁穗冰草（2.677 N）>早熟禾（1.988 N）>紫花針茅（ 1.588 N），單根抗拉力與根徑之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系;平均單根抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)樵缡旌蹋?8.166 MPa）>扁穗冰草（67.049 MPa）賴草（39.411 MPa）紫花針茅（32.207 MPa），單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間成冪函數(shù)關(guān)系;平均單根抗剪力大小順序?yàn)橘嚥荩?.086 N）>扁穗冰草（6.628 N）>早熟禾（5.215 N）>紫花針茅（3.938 N），單根抗剪力與根徑之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系;平均單根抗剪強(qiáng)度大小順序?yàn)楸馑氡荩?67.217 MPa）>早熟禾（56.051 MPa）>紫花針茅（41.998 MPa）賴草（35.494 MPa）.單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間成冪函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：草本植物;抗拉強(qiáng)度;抗剪強(qiáng)度;根系力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn);寒旱區(qū)

中圖分類號(hào)：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.05 .020

近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)力度和規(guī)模進(jìn)一步加大，形成了大量裸露巖土邊坡。傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)多采用砌石擋墻及噴混凝土等工程措施，其造價(jià)昂貴、景觀效應(yīng)相對(duì)不顯著，且存在影響和破壞生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象[1]。植被護(hù)坡方法在發(fā)揮植物固土護(hù)坡作用的同時(shí)，還能充分表現(xiàn)出植物的景觀效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，起到恢復(fù)區(qū)域生態(tài)、保護(hù)環(huán)境和美化景觀的積極作用[2]。隨著城鎮(zhèn)居民生態(tài)環(huán)保意識(shí)不斷提高，植被護(hù)坡技術(shù)在公路邊坡、河岸邊坡等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物護(hù)坡理論及其應(yīng)用開(kāi)展了大量研究，并取得了豐富成果。植物根系作用于邊坡淺層土體的力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)為淺層根系的加筋作用、垂直深根的錨固作用以及側(cè)根的斜向牽引作用[3-6]。王曉梅等[7]通過(guò)對(duì)華中地區(qū)瑜伽山邊坡欒樹(shù)和木子樹(shù)2種生長(zhǎng)期為3a的喬木根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明欒樹(shù)和木子樹(shù)的單根抗拉強(qiáng)度分別為66.12、79.03 MPa，且單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間均成冪函數(shù)關(guān)系。李光瑩等[8]1通過(guò)對(duì)黃河源瑪沁地區(qū)小嵩草、矮火絨草、細(xì)葉亞菊和鹽地風(fēng)毛菊4種高寒草地植物進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明4種草本植物單根抗拉力與根徑之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間均成冪函數(shù)關(guān)系。F.Preti等[9]對(duì)生長(zhǎng)于意大利佛羅倫薩南部豆科灌木鷹爪豆的根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明單根抗拉力隨著根徑增大而增大，且單根抗拉力與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。Liu X.M.等10]對(duì)生長(zhǎng)于內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原的小葉錦雞兒、沙棘、白沙蒿3種灌木進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明單根抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)樾∪~錦雞兒（ 33. 673 MPa）>沙棘（21.792 MPa）>白沙蒿（12.975 MPa），且這3種灌木單根抗拉強(qiáng)度和根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。朱海麗等[11]通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)于青藏高原東北部黃土區(qū)的霸王、白刺、檸條錦雞兒和四翅濱藜4種生長(zhǎng)期為18個(gè)月的灌木根系進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其單根抗剪力隨著根徑增大而增大，而單根抗剪強(qiáng)度則隨著根徑增大而減小。賀振昭等[12]對(duì)生長(zhǎng)于青海湖地區(qū)的醉馬草、紫花針茅等7種草本植物進(jìn)行單根剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間成冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

上述對(duì)植物根系力學(xué)特性的研究主要集中在植物單根力學(xué)指標(biāo)與根徑之間的關(guān)系上，而對(duì)于植物單根力學(xué)指標(biāo)的變化幅度與根徑之間的關(guān)系（如單根抗拉力增長(zhǎng)幅度與根徑之間的關(guān)系），尤其對(duì)于青藏高原東北部地區(qū)草本植物根系力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)研究較少。筆者選取位于青藏高原東北部的青海省剛察縣三角城種羊場(chǎng)地區(qū)作為研究區(qū)，通過(guò)對(duì)該區(qū)4種優(yōu)勢(shì)草本植物進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸和剪切試驗(yàn)，分別測(cè)定其單根抗拉力和單根抗剪力，并在此基礎(chǔ)上得出4種草本植物單根抗拉強(qiáng)度和單根抗剪強(qiáng)度，探討其力學(xué)強(qiáng)度變化幅度和根徑之間的關(guān)系，以期為研究區(qū)及其周邊地區(qū)有效防治水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)北面為祁連山脈，南臨青海湖，區(qū)內(nèi)高山連綿，地勢(shì)自北向南傾斜，地貌由灘地、丘陵和山地構(gòu)成。該區(qū)海拔為3 200-3 800 m[13]，屬典型大陸性氣候區(qū)，冬春干旱多風(fēng)寒冷，夏季涼爽，年平均氣溫為-0.6℃，年平均降水量為370.3 mm，年平均蒸發(fā)能力為1607.4mm[1 4]。區(qū)內(nèi)土地類型主要以高寒山地和干旱草原為主，適宜于當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)草種主要有紫花針茅、扁穗冰草、披堿草、賴草、早熟禾等[15]。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

選取適宜于研究區(qū)氣候條件的賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅4種優(yōu)勢(shì)草本植物，這4種草本植物具有耐寒、耐旱、耐貧瘠等特性，且具有較好的水保特性和生態(tài)價(jià)值[16-20]。

2.2 試驗(yàn)儀器

采用由上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0580型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

2.3 試驗(yàn)方法

在野外原位挖掘采集根系試樣。為確保根系完整性，將原位挖掘出的植株移放至試樣盆內(nèi)編號(hào)，并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室。先將根一土復(fù)合體用清水沖洗干凈，選取順直且表面完好的根系，截取長(zhǎng)度為5～ 10 cm的根段，然后選取3個(gè)不同部位用游標(biāo)卡尺測(cè)量其根徑，取其平均值作為該根段的根徑。當(dāng)一組單根拉伸或剪切試驗(yàn)結(jié)束后，利用AnyTest Professional軟件繪制出抗拉力一變形關(guān)系曲線。

在單根拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，為避免根系在夾具中發(fā)生滑動(dòng)，采用在夾具夾頭兩端粘貼膠片、纏繞和增加柔性物質(zhì)的方法增大根系與夾具之間的摩擦力[21]。選取斷裂破壞發(fā)生在根系中部或接近中部的情況作為有效試驗(yàn)結(jié)果，若根系在兩端發(fā)生斷裂，則不計(jì)人有效數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)得到的單根最大抗拉力和實(shí)測(cè)得到的根徑，可算出4種草本植物的單根抗拉強(qiáng)度，計(jì)算公式[11]為

P=4F/πD²

（1）

式中：P為單根抗拉強(qiáng)度，MPa;F為單根最大抗拉力，N;D為根徑，mm。

在開(kāi)展室內(nèi)單根剪切試驗(yàn)時(shí)，將根系平順地穿過(guò)剪切小孔進(jìn)行剪切，并將根系完全剪斷的情況作為有效試驗(yàn)結(jié)果，若根系未被完全剪斷，則不計(jì)入有效數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)得到的單根最大抗剪力和實(shí)測(cè)得到的根徑，可算出4種草本植物的單根抗剪強(qiáng)度，計(jì)算公式[11]為式中：τ為單根抗剪強(qiáng)度，MPa; Fb為單根最大抗剪力，N;A為根系的原始截面積，mm²;D為根徑，mm。

3 結(jié)果分析

3.1 單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系

研究區(qū)4種草本植物單根抗拉試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，區(qū)內(nèi)4種草本植物平均根徑大小順序?yàn)橘嚥?紫花針茅>扁穗冰草>早熟禾，平均單根抗拉力大小順序?yàn)橘嚥?扁穗冰草>早熟禾>紫花針茅。賴草單根抗拉力表現(xiàn)出顯著大于其他3種草本植物的特性，其平均單根抗拉力分別為扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅的1.25倍、1.68倍、2.10倍。單根抗拉強(qiáng)度可作為評(píng)價(jià)根系固土護(hù)坡能力大小的一個(gè)有效指標(biāo)22]，區(qū)內(nèi)4種草本植物平均單根抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)樵缡旌?扁穗冰草>賴草>紫花針茅，其中：早熟禾和扁穗冰草單根抗拉強(qiáng)度差異性不顯著（早熟禾單根抗拉強(qiáng)度為扁穗冰草的1. 02倍）.而與賴草和紫花針茅的差異性較為顯著（早熟禾單根抗拉強(qiáng)度分別為賴草和紫花針茅的1.73倍、2.12倍）。

區(qū)內(nèi)4種草本植物根徑分別為0.2、0.4、0.6 mm時(shí)，其單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表2。由表2可知，根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時(shí).4種草本植物單根抗拉力增幅為244. 06% - 857. 22%，其中：扁穗冰草單根抗拉力增幅最大，分別為早熟禾、賴草和紫花針茅的1.59倍、2.04倍、3.51倍，表明扁穗冰草單根抗拉力受根徑影響最大，其次為早熟禾、賴草和紫花針茅。根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時(shí).4種草本植物單根抗拉強(qiáng)度降幅為59.06% - 70.72%，與單根抗拉力增幅相比，變化幅度較小，說(shuō)明單根抗拉力比單根抗拉強(qiáng)度受根徑影響大。

圖1、圖2分別為研究區(qū)4種草本植物單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系。由圖1可知.4種草本植物單根抗拉力隨著根徑增大而增大，且單根抗拉力與根徑之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由圖2可知，4種草本植物單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增大而減小，且單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。該結(jié)果與蔣坤云[23]、歐陽(yáng)前超[24]、E.Abdi等[25]的研究結(jié)果一致。

3.2 單根抗剪力和抗剪強(qiáng)度與根徑的關(guān)系

研究區(qū)4種草本植物單根抗剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，4種草本植物平均根徑大小順序?yàn)橘嚥?紫花針茅>扁穗冰草>早熟禾，其平均單根抗剪力大小順序?yàn)橘嚥?扁穗冰草>早熟禾>紫花針茅，與4種草本植物平均抗拉力表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。同種草本植物單根抗剪力均大于其單根抗拉力，賴草、扁穗冰草、早熟禾和紫花針茅平均單根抗剪力為其各自平均單根抗拉力的2.12倍、2.48倍、2.62倍和2.48倍。4種草本植物平均單根抗剪強(qiáng)度大小順序?yàn)楸馑氡?早熟禾>賴草>紫花針茅，扁穗冰草單根抗剪強(qiáng)度分別為早熟禾、賴草和紫花針茅的1.20倍、1.60倍和1.89倍，表明扁穗冰草單根抗剪強(qiáng)度與早熟禾的差異較小，而與賴草和紫花針茅的差異較大。

4種草本植物根徑分別為0.2、0.4、0.6 mm時(shí)，其單根抗剪力和抗剪強(qiáng)度見(jiàn)表4。由表4可知，4種草本植物單根抗剪力隨著根徑的增大而增大，增幅大小順序?yàn)橘嚥?紫花針茅>早熟禾>扁穗冰草。根徑由0.2mm增大至0.6 mm時(shí)，4種草本植物單根抗剪力增幅為202.91% - 414.02%.紫花針茅單根抗剪力增幅分別為賴草、早熟禾和扁穗冰草的1.24倍、1.38倍和2.04倍，表明4種草本植物單根抗剪力增幅存在較為顯著的差異，其中紫花針茅單根抗剪力受根徑變化影響最大。4種草本植物單根抗剪強(qiáng)度隨著根徑增大而降低，其降幅大小順序?yàn)楸馑氡?早熟禾>紫花針茅>賴草。根徑由0.2 mm增大至0.6 mm時(shí)，4種草本植物單根抗剪強(qiáng)度降幅為56.51% - 74.62%.表明單根抗剪強(qiáng)度受根徑變化的影響比單根抗剪力的小。

圖3、圖4分別為4種草本植物單根抗剪力和單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系。由圖3可知.4種草本植物的單根抗剪力隨著根徑增大而增大，且單根抗剪力與根徑之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由圖4可知.4種草本植物的單根抗剪強(qiáng)度隨根徑增大而減小，且單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。該結(jié)果與朱海麗等[11]、賀振昭等[12]的研究結(jié)果一致。

綜合分析4種草本植物單根抗拉和單根抗剪強(qiáng)度可知，區(qū)內(nèi)早熟禾和扁穗冰草2種草本植物根系力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高，賴草次之，紫花針茅相對(duì)最小。4結(jié)論

（1）研究區(qū)4種草本植物平均單根抗拉力大小順序?yàn)橘嚥荩?.336 N）>扁穗冰草（2.677 N）>早熟禾（1.988 N）>紫花針茅（1.588 N），其單根抗拉力隨著根徑增大而增大，且二者之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。區(qū)內(nèi)4種草本植物平均單根抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)樵缡旌蹋?8.166 MPa）>扁穗冰草（67.049 MPa）>賴草（39.411MPa）>紫花針茅（32.207 MPa），其單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑增大而減小，且二者之間成冪函數(shù)關(guān)系。

（2）區(qū)內(nèi)4種草本植物平均單根抗剪力大小順序?yàn)橘嚥荩?.086 N）>扁穗冰草（6.628 N）>早熟禾（5.215N）>紫花針茅（3.938 N），其單根抗剪力隨著根徑增大而增大，且二者之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。4種草本植物平均單根抗剪強(qiáng)度大小順序?yàn)楸馑氡荩?67.217MPa）>早熟禾（56.051 MPa）>賴草（41.998 MPa）>紫花針茅（ 35.494 MPa），其單根抗剪強(qiáng)度隨著根徑增大而減小，且二者之間成冪函數(shù)關(guān)系。

（3）根據(jù)4種草本植物單根抗拉和單根抗剪強(qiáng)度可知，區(qū)內(nèi)早熟禾和扁穗冰草相對(duì)于其他2種草本植物，可起到更為顯著的固土護(hù)坡作用，有助于提高研究區(qū)及其周邊地區(qū)邊坡土體抗剪強(qiáng)度，可作為研究區(qū)及其周邊地區(qū)優(yōu)勢(shì)護(hù)坡草種。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊淑梅，齊永志，王志強(qiáng).傳統(tǒng)護(hù)坡與生態(tài)護(hù)坡在護(hù)岸設(shè)計(jì)中的組合應(yīng)用[J].山東國(guó)土資源，2012，28（3）：27-28.

[2]周云艷.植物根系固土機(jī)理與護(hù)坡技術(shù)研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2010：5-6.

[3]TOSI M.Root Tensile Strength Relationships and Their SlopeStability Implications of Three Shrub Species in the NonhemApennines（ Italy）[J].Ceomorphology，2007， 84（4）： 268-283.

[4] 段曉明，苗增健，劉連新，等，生態(tài)護(hù)坡應(yīng)用及護(hù)坡植物群落的選擇[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（31）：15327-15329.

[5] 張興玲，胡夏嵩，毛小青，等，植物根系固土護(hù)坡力學(xué)機(jī)理研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].人民黃河，2009，31（6）：87-93.

[6]余芹芹，喬娜，胡夏嵩，等，植物根一土復(fù)合體固坡力學(xué)效應(yīng)及模型研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中國(guó)水土保持，2011（7）： 51-54.

[7] 王曉梅，陳建平，周云艷，植物根系抗拉試驗(yàn)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（ 32）：15688-15691.

[8] 李光瑩，虎嘯天，李希來(lái)，等，黃河源瑪沁地區(qū)高寒草地植物固土護(hù)坡的力學(xué)效應(yīng)[J].山地學(xué)報(bào)，2014，32（5）：550-560.

[9]

PRETIF，CIADROSSICH F.Root Reinforcement and SlopeBioengineering Stabilization by Spanish Broom （Spartiumjunceum L.）[J].Hydrology and Earth System Sciences Dis-cussions， 2009，6（3）：1713- 1726.

[10]

LIU X M， LIU J，SUN X， et al.Study on the Lateral RootBranch Tensile Mechanical Characteristics of Three Kinds ofPlants at Exuberant Crowth Period[C ]//CBEES. Proceedingsof the 4th Intemational Conference of Agriculture and AnimalScience. Singapore： IACSIT Press， 2012：47-51.

[11]朱海麗，胡夏嵩，毛小青，等，青藏高原黃土區(qū)護(hù)坡灌木植物根系力學(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.

[12]賀振昭，黨生，劉昌義，等，青海湖地區(qū)草本植物根系力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].中國(guó)水土保持，2017（4）：44-48.來(lái)桂林，基于能值分析的青海省三角城種羊場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007：9 - 11.

[14]楊予海，高寒地區(qū)國(guó)家級(jí)牧場(chǎng)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征研究：以青海省三角城種羊場(chǎng)為例[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005：19-21.

[15]祁彪，張德罡，丁玲玲，等，退化高寒干旱草地植物群落多樣性特征[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，40（5）：626-631.

[16]劉玉萍，劉濤，呂婷，等，賴草屬的地理分布及其起源散布[J].植物科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，35（3）：305-317.

[17]周學(xué)麗，楊路存，李桂全，等，扁穗冰草rDNA-ITS序列測(cè)定及分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2016，30（9）：178-182.

[18]姚璇，早熟禾栽培技術(shù)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2015（ 11）：33-34.

[19]YUE P P，LU X F，YE R R， et al.Distribution of Stipa pur-purea Steppe in the Northeastem Qinghai-Tibet Plateau（ China）[J].Russian Joumal of Ecology，2011，42（1）：50-56.

[20]LI X J，ZHANC X Z，WU J S，et al.Root Biomass Distri-bution in Alpine Ecosystems of the Northem TibetanPlateau[J].Environmental Earth Sciences， 2011， 64（7）：1911-1919，

[21]張?jiān)苽ィ萆?，卜曉磊，?3種散生竹的單根抗拉力學(xué)特性[J].林業(yè)科學(xué)，2013，49（7）：183-187.

[22]YAN Z，SONC Y， JIANC P，et al.Mechanical Analysis ofInteraction Between Plant Roots and Rock and Soil Mass inSlope Vegetation[J].Applied Mathematics and Mechanics，2010，31（5）：617-622.

[23]蔣坤云，植物根系抗拉特性的單根微觀結(jié)構(gòu)作用機(jī)制[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2013：64-69.

[24]歐陽(yáng)前超，山西土石山區(qū)草本植物固土力學(xué)性能研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2017：54-56.

[25]ABDI E，MAJNOUNIAN B，RAHIMI H， et al.Distributionand Tensile Strength of Hombeam（ Carpinus betulus） RootsCrowing on Slopes of Caspian Forests， Iran [J]. Journal ofForestry Research， 2009， 20（2）：105- 110.