尖萼金絲桃根系特征對(duì)其抗拉特性的影響研究

唐彪 薛海龍 何新杰 張競(jìng)元 沈彥會(huì) 趙亮

摘要?以西南地區(qū)2年生野生鄉(xiāng)土植物尖萼金絲桃為研究對(duì)象，采用室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，選取拉拔位移、抗拉拔力、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量作為抗拉拔特性指標(biāo)，探討根徑、根長(zhǎng)對(duì)其抗拉拔特性的影響。結(jié)果表明，根系拉拔位移與直徑顯著相關(guān);抗拉拔力與直徑間表現(xiàn)為正向相關(guān)，根系極限抗拉拔力隨根徑的增大而增長(zhǎng);抗拉強(qiáng)度與直徑呈負(fù)相關(guān)，極限抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而減小。彈性模量隨著根徑的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，彈性模量為2.695～432.230 MPa。該研究結(jié)果可為更好地定量評(píng)價(jià)尖萼金絲桃根系增強(qiáng)邊坡固土抗蝕性能的貢獻(xiàn)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，為進(jìn)一步深入探討植物根系增強(qiáng)邊坡土體的穩(wěn)定性機(jī)理提供參考。

關(guān)鍵詞?尖萼金絲桃;拉拔位移;抗拉拔力;抗拉強(qiáng)度;彈性模量

中圖分類號(hào)?U417.1+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2019）22-0206-04

Abstract?The wild native plants Hypericum acmosepalum with 2 years in southwest area of China were taken as the research object.The influences of root diameter and root length on pulling resistance characteristics were explored with pull displacement，tensile force，tensile strength and elastic modulus as the indices of pulling resistance characteristics.The results showed that there was a significant correlation between pull displacement and diameter.There was a positive correlation between tensile force and diameter，and the ultimate tensile strength of root increased with the increase of root diameter.There was a negative correlation between tensile strength and the diameter，the ultimate tensile strength decreased with the increase of root diameter.The elastic modulus decreased with the increase of root diameter.The elastic modulus was from 2.695 MPa to 432.230 MPa.The results provided the test data to support for quantitative evaluation root system of H.acmosepalum on enhancing the performance of retaining soil and erosion resistance，and provide reference for further exploration on the mechanism of reinforcing the stability of soil by plant roots.

Key words?Hypericum acmosepalum;Pull displacement;Tensile force;Tensile strength;Elastic modulus

灌木類木本植物的根系，其先端部位能向土體內(nèi)部延伸，相較于以須根為主的草本植物，其能更好地固持土層，對(duì)土體的加固以錨固為主[1-3]。垂直根系對(duì)根土復(fù)合體起到束縛骨架的作用，從而起到制約土體變形、增強(qiáng)復(fù)合體整體穩(wěn)定性的作用。根系通過膨脹作用，與周圍土體緊鎖在一起，提高與土體之間的摩擦阻力。同時(shí)，在與周圍土體的相互咬合作用下，使不穩(wěn)定的表層土體與未遭到破壞仍然具有較高承載能力的深層土體形成整體，將坡面推力傳遞到穩(wěn)定土層，利用穩(wěn)定土層的錨固作用和被動(dòng)抗力達(dá)到穩(wěn)定坡面的作用。根系將所承受的荷載向土體深層傳遞，并向周圍擴(kuò)散，從而降低根土復(fù)合體的應(yīng)力水平，改善其變形性能[4-6]。

植物根系的抗拉特性是根系固土抗蝕的重要指標(biāo)，主要通過根系的抗拉拔力、抗拉強(qiáng)度及變形特征等方面來反映[7]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[8-10]對(duì)根系的抗拉強(qiáng)度及根系抗拉強(qiáng)度與直徑之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，不同學(xué)者對(duì)不同植物種類的研究結(jié)果不盡相同。根系作為生物材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)特性起到?jīng)Q定性的作用，且在生長(zhǎng)過程中受外界環(huán)境的影響較大。目前對(duì)其力學(xué)特性的研究涉及到植物學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)等多門學(xué)科。筆者以西南地區(qū)野生鄉(xiāng)土植物尖萼金絲桃（Hypericum acmosepalum N.Robson）為研究對(duì)象，探討其在特定條件下的單根拉拔位移、抗拉拔力、抗拉強(qiáng)度、彈性模量與根徑、根長(zhǎng)之間的關(guān)系，旨在為尖萼金絲桃植物根系固土抗蝕性能評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐，也為尖萼金絲桃的后續(xù)推廣應(yīng)用提供研究理論支撐。

1?材料與方法

尖萼金絲桃，隸屬藤黃科金絲桃屬（Hypericum Linn.）;生于海拔450～2 400 m的山坡或山谷的疏林下、路旁或灌叢中;半常綠灌木，植株矮，冠幅大，根系發(fā)達(dá)，萌芽力強(qiáng)，對(duì)土壤適應(yīng)性較好，是水土保持的良好樹種。

依托貴州六盤水邊坡工程項(xiàng)目，依據(jù)“之”字形挖取在相同邊坡環(huán)境下生長(zhǎng)時(shí)間為2年的長(zhǎng)勢(shì)較好、枝葉繁茂、生長(zhǎng)期為花期、株高約130 cm、冠幅約50 cm×50 cm、分枝數(shù)約5根的具有代表性的尖萼金絲桃10株，采取整株挖掘法挖掘，保證尖萼金絲桃根系完整，將其挖出后置于靜水中，洗去根系表面土壤，然后自然晾干，篩選5株開展室內(nèi)根系單根拉拔試驗(yàn)。

采用游標(biāo)卡尺測(cè)量根系直徑（D），按下述4個(gè)徑級(jí)（D<1.0 mm、1.0≤D≤3.0 mm、3.05.0 mm）分開，每個(gè)徑級(jí)隨機(jī)選取5個(gè)根系，分別截取長(zhǎng)10 cm的較直莖段，立即放入保鮮袋，在 24 h內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。將上述按4個(gè)徑級(jí)分開的根系，再按3個(gè)長(zhǎng)度層次（5、10、15 cm）選取或者截取莖段，每個(gè)長(zhǎng)度層次選取5個(gè)莖段，采用拉力儀器測(cè)量其單根拉拔位移及抗拉拔力，取其平均值作為最終的拉拔位移（S）和抗拉拔力（T）。當(dāng)D<1.0 mm和1.0≤D≤3.0 mm時(shí)，使用數(shù)顯式根系拉力計(jì)（量程0～50 N，精度0.001）測(cè)量;當(dāng)3.05.0 mm時(shí)，使用指針式根系拉力計(jì)（量程0～1 000 N，精度0.01）測(cè)量。

為避免根系在夾具處滑脫，試驗(yàn)時(shí)根系在夾具處增加橡皮墊，以增大摩擦。根系拉斷后使用游標(biāo)卡尺測(cè)量根斷裂處直徑（D）。按以下公式計(jì)算根系的抗拉強(qiáng)度（P）：

式中，P為抗拉強(qiáng)度（單位為MPa）;T為抗拉拔力，單位為N;D為斷裂面根系直徑，單位為mm。

按以下公式計(jì)算根系抗拉拔過程的應(yīng)力（MPa）及應(yīng)變（%）：

式中，T為抗拉拔力，單位為N;r為斷裂面根系半徑，單位為mm;S為拉拔位移，單位為mm;L為根長(zhǎng)，單位為mm。

以應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為縱坐標(biāo)，繪制根系的應(yīng)力場(chǎng)曲線，選取應(yīng)力場(chǎng)曲線中直線段的斜率作為根系的彈性模量（E）。從長(zhǎng)度和直徑2個(gè)角度對(duì)根系抗拉強(qiáng)度進(jìn)行研究，得到單根抗拉強(qiáng)度的二元計(jì)算模型。

2?結(jié)果與分析

2.1?單根抗拉拔性能

試驗(yàn)根系（D≤3.0 mm）相對(duì)脆弱，在拉拔過程中易在夾具處發(fā)生斷裂。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理時(shí)，若根系在試驗(yàn)過程中發(fā)生滑動(dòng)或夾斷等情況，則視為數(shù)據(jù)無效，應(yīng)予以剔除。試驗(yàn)共對(duì)60個(gè)尖萼金絲桃根系樣本進(jìn)行了單根拉拔測(cè)試，測(cè)得的抗拉試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，根系的拉伸破壞過程為最初根皮裂開一條縫，隨著力的增加，根皮裂開第2條縫、第3條縫……最后根纖維被拉斷，尖萼金絲桃根系的直徑和長(zhǎng)度均對(duì)其抗拉位移、抗拉拔力、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量均產(chǎn)生較大影響。

2.2?根系拉拔位移與根徑、根長(zhǎng)相關(guān)分析

以尖萼金絲桃根系直徑為橫坐標(biāo)，以拉拔位移為縱坐標(biāo)，分析尖萼金絲桃根系的抗拉特性，其與根徑、根長(zhǎng)的關(guān)系見圖1。

研究選取的尖萼金絲桃根系直徑范圍為0～5.5 mm，對(duì)應(yīng)的拉拔位移范圍0～35 mm。從圖1可以看出，對(duì)于相同直徑的根系，根長(zhǎng)越長(zhǎng)，拉拔位移相對(duì)越大;對(duì)于相同根長(zhǎng)的根系，直徑越大，拉拔位移相對(duì)越大;當(dāng)根長(zhǎng)分別為10和15 cm時(shí)，隨著根系直徑的增大，拉拔位移呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后降低再增長(zhǎng)的變化趨勢(shì);當(dāng)根長(zhǎng)為5 cm時(shí)，隨著根系直徑的增大，拉拔位移呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì);究其原因，可能是因?yàn)楦L(zhǎng)為5 cm的為短根系，根系拉拔時(shí)僅發(fā)生正向拉伸形變，根系越粗，形變?cè)酱?，相?duì)的拉拔位移越大;根長(zhǎng)為10和15 cm的為長(zhǎng)根系，根系拉拔時(shí)可能會(huì)發(fā)生正負(fù)雙向拉伸形變，根系直徑≤3.0 mm和根系直徑>5.0 mm時(shí)，根系拉拔均發(fā)生正向形變，對(duì)應(yīng)的拉拔位移正向增大，而根系直徑>3.0 mm且根系直徑≤5.0 mm的根系則發(fā)生了負(fù)向形變，對(duì)應(yīng)的拉拔位移負(fù)向增大。

2.3?抗拉拔力、抗拉強(qiáng)度與根徑、根長(zhǎng)相關(guān)分析?相關(guān)研究表明，植物根系直徑相對(duì)于根皮結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)根系強(qiáng)度的影響更明顯，根系的極限抗拉拔力與其直徑呈顯著的線性關(guān)系[11-13]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，用冪函數(shù)來擬合根系強(qiáng)度與直徑的關(guān)系，較其他回歸方程具有更好的相關(guān)性[14-15]。

對(duì)于研究選取的尖萼金絲桃根系，最大根徑5.5 mm，其極限抗拉拔力達(dá)到39.221 N，較最小根徑0.5 mm根系單根極限抗拉拔力4.367 N，增長(zhǎng)了近10倍。將根系直徑D與拉拔過程中的極限抗拉拔力 T進(jìn)行回歸擬合，并計(jì)算出極限抗拉強(qiáng)度P，得到尖萼金絲桃單根極限抗拉拔力及極限抗拉強(qiáng)度與其根徑、根長(zhǎng)間的關(guān)系，如圖2、3所示。擬合結(jié)果表明，根系極限抗拉拔力、極限抗拉強(qiáng)度與根系直徑、根長(zhǎng)間的冪函數(shù)關(guān)系顯著，冪函數(shù)方程的回歸系數(shù)R2分別為0.990 4、0.965 3、0.996 1和0.924 9、0.994 9、0.989 4，均大于0.92。

從圖2可以看出，尖萼金絲桃根系直徑與抗拉拔力間表現(xiàn)為正向關(guān)系，根系極限抗拉拔力隨根徑增大而增長(zhǎng)，與劉亞斌等[16-17]和趙玉嬌等[18]認(rèn)為檸條錦雞兒和霸王2種灌木單根抗拉拔力隨著直徑的增大呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì)的研究結(jié)果基本一致。由其擬合函數(shù)y=4.035x1.604、y=5.568 5x0.626 7、y=6.188 8x1.366可知，尖萼金絲桃根系單根抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式可以由下式表示：

式中，T為單根極限抗拉拔力;D為根系斷裂處直徑。

從圖3可知，尖萼金絲桃單根的抗拉強(qiáng)度與直徑間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其極限抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而減小，該與萬娟[19]和趙冰琴[20]認(rèn)為多花木藍(lán)根系抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑的增大整體上呈現(xiàn)不斷減小趨勢(shì)的結(jié)論相類似。單根極限抗拉強(qiáng)度變化范圍從32.054 MPa（D=0.5 mm）到1.079 MPa（D=5.5 mm），減小幅度達(dá)32倍。由其擬合函數(shù)y=18.615x-1.919、y=34.247x-2.499、y=32.714x-1.67可知，尖萼金絲桃根系單根抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式可以由下式表示：

式中，P為單根極限抗拉強(qiáng)度; D為根系斷裂處直徑。

2.4?根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與弾性模量分析?從圖4可以看出，不同根長(zhǎng)尖萼金絲桃根系的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出近“正弦函數(shù)”型的變化趨勢(shì)，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力曲線呈現(xiàn)先快速上升再快速下降而后緩慢上升再下降的趨勢(shì)，表明尖萼金絲桃根系在破壞前具有較好的彈性，在根系拉拔過程中，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力直線增加，根系在達(dá)到應(yīng)力峰值后沒有直接被拉斷，應(yīng)力快速減小但沒有消失，此后隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出先緩慢上升后下降的變化趨勢(shì)，最終趨近于0，上述結(jié)果表明尖萼金絲桃根系具有良好的塑性變形特性，在拉力最大時(shí)仍可以保持纖維組織連接，雖然已大部分損傷，但不會(huì)被完全拉斷，此后仍有拉力產(chǎn)生，這是因?yàn)樯L(zhǎng)2年的尖萼金絲桃根系木質(zhì)部已經(jīng)比較發(fā)達(dá)，含有大量木質(zhì)素，質(zhì)地較為堅(jiān)硬，針對(duì)坡度較大，存在滑動(dòng)趨勢(shì)但未發(fā)生滑動(dòng)破壞的坡體，利用其根系的加筋和錨固效應(yīng)能夠更好地提高邊坡的穩(wěn)定性。

將應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率作為彈性模量，繪制彈性模量與根系直徑的關(guān)系曲線。從圖5可以看出，尖萼金絲桃根系的彈性模量隨著直徑的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，表明尖萼金絲桃根系直徑越小，其抵抗變形的能力越大，即隨著根系根徑的成長(zhǎng)，抵抗變形的能力減小，與趙亮[21]對(duì)香根草、郝鄭芳[22]對(duì)狗牙根和高羊茅、夏振堯等[23]對(duì)麥冬和多花木藍(lán)根系拉拔研究的結(jié)論相類似。根系的彈性模量為2.695～432.230 MPa，其彈性模量遠(yuǎn)大于土體的彈性模量（0.35～40.00 MPa）。不同根長(zhǎng)的根系彈性模量變化曲線有類似的規(guī)律，根系的彈性模量減小的幅度與直徑的大小相關(guān)，根系直徑D<3.0 mm時(shí)彈性模量減小的幅度較大，這是因?yàn)橹睆紻<3.0 mm時(shí)的尖萼金絲桃根系正是木質(zhì)素急劇增加的時(shí)期，因此彈性模量相對(duì)變化急劇，此后隨著直徑的增大，彈性模量的變化幅度相對(duì)平緩。

3?結(jié)論

（1）尖萼金絲桃根系拉拔位移與根系直徑顯著相關(guān)，相同根長(zhǎng)，直徑越大，拉拔位移越大;短根系，根系拉拔時(shí)僅發(fā)生正向拉伸形變，根系越粗，形變?cè)酱?，拉拔位移越?長(zhǎng)根系，根系拉拔時(shí)會(huì)發(fā)生正負(fù)雙向拉伸形變，根系越粗，形變?cè)龃?減小間替變化，相對(duì)的拉拔位移也呈現(xiàn)增大-減小間替的趨勢(shì)。

（2）尖萼金絲桃根系直徑與抗拉拔力間表現(xiàn)為正向相關(guān)，根系極限抗拉拔力隨根徑的增大而增大。單根極限抗拉拔力變化范圍為4.367 2 N（D=0.5 mm）到39.221 1 N（D=5.5 mm），增長(zhǎng)了近10倍?？估瓘?qiáng)度與直徑間呈負(fù)相關(guān)，其極限抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而減小。單根極限抗拉強(qiáng)度變化范圍32.054 MPa（D=0.5 mm）到1.079 MPa（D=5.5 mm），減小幅度高達(dá)32倍。

（3）不同直徑根系的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出近“正弦函數(shù)”變化趨勢(shì)，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力呈現(xiàn)先快速上升再快速下降而后緩慢上升再緩慢下降的整體趨勢(shì)，表明尖萼金絲桃根系具有良好的塑性變形特性，針對(duì)坡度較大，存在滑動(dòng)趨勢(shì)但未發(fā)生滑動(dòng)破壞的坡體，尖萼金絲桃根系的加筋和錨固效應(yīng)能夠更好地提高邊坡的穩(wěn)定性。

（4）尖萼金絲桃的根系拉拔過程是彈塑性破壞，隨著根系的不斷生長(zhǎng)，其彈塑性特征越來越明顯，其彈性模量隨著直徑的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，根系直徑越小，其抵抗變形的能力越大，而隨著根系根徑的成長(zhǎng)，抵抗變形的能力減小。根系的彈性模量為2.695～432.230 MPa，其彈性模量遠(yuǎn)大于土體。根系的彈性模量減小幅度與直徑大小相關(guān)，當(dāng)根系直徑≤3.0 mm時(shí)彈性模量減小的速度快且幅度較大，此后隨著根系直徑的增加，彈性模量減小的速度相對(duì)緩慢且幅度平緩。

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