5種植物根系生物力學(xué)特性1)

郝需婷 格日樂 張永亮 斯琴 王爭賢 楊銳婷

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010011)

植被根系對斜坡有穩(wěn)定加固作用是因為其具有較強(qiáng)的抗拉特性和形變能力。受拉過程中根系的形變能力可以對土壤下滑力進(jìn)行緩沖，增加固土能力[1-3]。通常，植物根系受張力、拉力作用的概率比受剪切力作用的概率大，原因是根系與土壤通過共同黏附力形成活性有機(jī)體，且當(dāng)土壤受侵蝕時，根系受到的剪切壓力發(fā)生變形并被拉直，從而轉(zhuǎn)為拉力作用[4]。當(dāng)土體間出現(xiàn)滑坡裂縫時，快速增長的應(yīng)變有利于把根系所受拉力向土體深層傳遞。植物根系的形變能力決定直根受外力時的整體應(yīng)變狀態(tài)，最大應(yīng)變即為極限延伸率。極限延伸率體現(xiàn)根系抵抗土體滑坡的能力，極限延伸率較大利于根系將所受拉力向根系側(cè)摩阻力轉(zhuǎn)化，從而減小根系本身所受的內(nèi)力，提高根系固土能力。

材料的彈性模量表征其抵抗彈性形變的能力，其值越大，材料發(fā)生一定彈性形變的應(yīng)力也越大，即材料剛度也越大，在一定應(yīng)力作用時，發(fā)生的彈性形變越小。

對植物來說，機(jī)械刺激在自然界中無處不在，它由風(fēng)，雨，冰雹及動物的運動等引起。研究發(fā)現(xiàn)，植物對環(huán)境應(yīng)力的適應(yīng)性可分為4個階段[5]，分別為報警階段、抵抗階段、疲勞階段、再生階段。應(yīng)力作用前，植物處于標(biāo)準(zhǔn)的生理狀態(tài)。施加應(yīng)力后，植物的生理標(biāo)準(zhǔn)功能下降，如光合作用、代謝產(chǎn)物傳輸?shù)裙δ芟陆?。若施加的?yīng)力強(qiáng)度過大，超過植物的應(yīng)力閥值，即超過植物的承受能力，將導(dǎo)致植物被嚴(yán)重破壞甚至死亡。如果遭受破壞且不至死亡，此時植物的應(yīng)力處理機(jī)制被激活，如修復(fù)過程的啟動、形態(tài)的緩慢適應(yīng)，此時為報警階段。這一階段，植物建立新的生理標(biāo)準(zhǔn)并逐漸使其得到強(qiáng)化。繼續(xù)施加應(yīng)力使其超過植物的應(yīng)力承受范圍后，植物處于應(yīng)力抵抗階段。此時，植物處于較穩(wěn)定的生理狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力源在植物呈現(xiàn)疲勞狀態(tài)時及時消除應(yīng)力作用，植物得到修復(fù)并達(dá)到更好更高的生理標(biāo)準(zhǔn)，此時為再生階段，植物抗逆能力進(jìn)一步強(qiáng)化。

植物材料與工程材料有著質(zhì)的區(qū)別。工程材料、金屬棒物理系統(tǒng)受損后的恢復(fù)不可逆,而根系是具有活性的材料，其受損后可以自行恢復(fù)[6]。根系本身具有調(diào)整、恢復(fù)的自組織能力，在固土抗蝕受損后具有自修復(fù)的機(jī)能。由于植物材料具有獨特的自修復(fù)機(jī)能，即可以自行修復(fù)，減小損傷累積引起的材料失效，因此植物材料雖然比工程材料(如金屬)的強(qiáng)度低，卻能長期承受多種嚴(yán)酷的自然荷載[7]。另一方面，大多數(shù)的工程材料具有均勻性、各向同性、連續(xù)性，而由基本組成單元(細(xì)胞)根據(jù)其周圍局部的情況構(gòu)筑而成的植物材料是非均勻且各向異性的[7]。

開挖邊坡、開采煤炭等建設(shè)項目形成的地面沉陷、地裂縫隙容易造成地上植物根系受損。目前關(guān)于植物根系受損后自修復(fù)的研究主要是關(guān)于受損后自修復(fù)的生長性狀[8]。固土抗蝕植物種的選擇是改善侵蝕區(qū)水土流失現(xiàn)狀的關(guān)鍵。由于植物自身對環(huán)境的適應(yīng)性及立地條件的差異，根系的力學(xué)特性存在種間差異，僅從力學(xué)特性的角度對根系的固土能力進(jìn)行分析判斷具有片面性。

以內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部大型采煤礦區(qū)準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝露天礦排土場相同立地條件人工栽植的5種常見4年生植物紫花苜蓿(MedicagosativaL)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall)、楊柴(HedysarummongolicumTurez)、檸條(CaraganakorshinskiiKom)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)的根系為對象，研究5種植物根系受損自修復(fù)后材料力學(xué)特性的共同規(guī)律及其種間差異，為該區(qū)域植被建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)準(zhǔn)株的確定及根系挖掘

2019年5月初，在鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝露天礦內(nèi)排土場(39°47′15″N，111°16′7″E；海拔高度為1 255 m)選擇人工繁育紫花苜蓿、沙打旺、楊柴、檸條、沙棘。每種植物隨機(jī)抽取4年生植株20株，測其地徑、株高、冠幅等生長指標(biāo)(表1)，計算其平均值為標(biāo)準(zhǔn)株參數(shù)[9]。以此為基礎(chǔ)分別選取與標(biāo)準(zhǔn)株最為接近的5株植物進(jìn)行根系挖掘。

表1 植株生長狀況及標(biāo)準(zhǔn)株選取

對選取的標(biāo)準(zhǔn)株植株以根頸為圓心，水平方向從冠幅1.5倍處向圓心進(jìn)行挖掘，以逐步收縮法向中間取土；垂直方向以每種植物根系集中分布土層為挖掘深度，在快要露出根系前停止挖土，用毛刷刷去根系周圍覆土，直到露出的根系長度達(dá)到試驗要求。根據(jù)野外原位試驗便攜式儀器大小，挖坑規(guī)格的長大于80 cm、寬大于30 cm、高大于40 cm，以確保儀器能夠置于試驗根下方。

1.2 試驗設(shè)計

如果研究根系的固土特性針對每種植物的整個根系，將面臨工作量大，重復(fù)性小的問題。針對上述問題，可通過研究根系的數(shù)量特征，確定其代表根[10]。根據(jù)前期對5種植物代表根的研究結(jié)果顯示，代表根徑級集中分布在0～1.5 mm[10-12]，所以選取5種植物代表根徑級進(jìn)行直根極限應(yīng)變和彈性模量均值的比較研究是可行的。

1.2.1 根損傷力的確定

根據(jù)苑淑娟[13]和張永亮[14]的研究可知：對于檸條，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到自身極限應(yīng)力的40%左右時，出現(xiàn)彈性極限點；對于沙棘，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到自身極限應(yīng)力的60%左右時，出現(xiàn)彈性極限點。本研究預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)損傷力大于或等于極限拉力的80%時，試驗根死亡率極高，且部分根系在施加損傷力的過程中已發(fā)生斷裂。因此，在確定損傷力時，在保證試驗根有一定存活率的基礎(chǔ)，選取大于彈性極限點的拉伸力，即極限抗拉力的70%作為損傷力。對試驗根施加損傷力前，對正常生長的5種植物標(biāo)準(zhǔn)株植株根系，進(jìn)行極限抗拉力的測定，以計算損傷力。

1.2.2 根損傷力的施加

分別以直根中點及距離中點左右兩側(cè)30 mm處為標(biāo)記點，測量每個標(biāo)記點的根徑。試驗根段的制備如圖1所示，試驗根段的長度至少為12 cm，受力根段(AB段)軸向標(biāo)距為6 cm，兩端陰影部分為測試機(jī)臺夾具對直根的夾持部分，對根段產(chǎn)生軸向拉力。試驗前用電子游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)十字交叉測量試驗根段A、O、B3點直徑(O為中點，A、B為距離中點30 mm處的兩端夾具點)，計算3點的直徑平均值為試驗根直徑。試驗過程中，統(tǒng)計得到在試驗段中點附近斷裂根的數(shù)據(jù)，為有效數(shù)據(jù)；在夾口處斷裂或滑出根的數(shù)據(jù)，為無效數(shù)據(jù)，并記錄直根拉伸斷裂時的最大位移。

圖1 試驗根段制備示意圖

5月初(生長季初期)對所選試驗根分為3組(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組)進(jìn)行試驗，各組各徑級有效試驗根數(shù)最少為10根。Ⅰ組進(jìn)行直根瞬時極限抗拉力的測定，試驗時采用數(shù)顯式推拉力計及自制便攜式試驗儀器測定5種植物各徑級的直根極限抗拉力，加載速度設(shè)定為50 mm·min-1；Ⅱ組進(jìn)行受拉受損愈傷試驗，在原位不離體時，對5種植物各徑級直根施加損傷拉力，施力大小為Ⅰ組所得該徑級極限抗拉力的70%，施力時保證試驗根表皮完好，施力后對受損根進(jìn)行標(biāo)記；Ⅲ組為平行對照試驗，選擇相同徑級直根作為平行對照，對照根挖出后僅進(jìn)行與受拉受損、愈傷試驗根相同的挖掘、暴露、夾持、標(biāo)記、掩埋等擾動，不施加任何損傷力，讓其自然生長3個月。

經(jīng)過3個月愈傷自修復(fù)，8月初將Ⅱ、Ⅲ組標(biāo)記的各徑級試驗根挖出后分別測定其根徑、存活率、活力值，然后進(jìn)行極限抗拉試驗。

1.2.3 直根存活率及活力值的測定

根據(jù)試驗根外形、顏色、彈性及根皮與中柱分離的難易程度區(qū)分活根、死根[15]，存活率計算公式為式(1)。根系活力采用TTC法[16]測定，活力值用TTC還原強(qiáng)度表示。

存活率計算公式：

存活率=(活根數(shù)/總試驗根數(shù))×100%。

(1)

延伸率計算公式：

ε=(ΔL/L)×100%。

(2)

式中：ε為縱向線應(yīng)變即延伸率；ΔL為直根拉伸時的伸長量；L為直根的原始長度。

彈性模量計算：

E=σ/ε。

(3)

式中：E為彈性模量；σ為應(yīng)力；ε為縱向線應(yīng)變即延伸率。

野外原位試驗拉伸儀器由HP-500數(shù)顯式推拉力計(精度0.01 N)和位移測量計及自制便攜式試驗儀器(拉伸平臺)組成(圖2)。

圖2 野外原位拉伸試驗儀器及自制試驗平臺

2 結(jié)果與分析

2.1 直根受損后愈傷自修復(fù)對直根的存活率及根系活力的影響

根系受拉受損愈傷自修復(fù)后所存留活根的數(shù)量越多，其存活率越大，也越有利于植物根系受損愈傷自修復(fù)后繼續(xù)固持土體。圖3a所示，5種植物0～6 mm各徑級試驗根受拉受損愈傷自修復(fù)后，試驗根存活率較平行對照均有明顯下降，其下降值分別為：紫花苜蓿9.29%、沙打旺13.72%、楊柴16.94%、檸條21.63%、沙棘21.87%，且表現(xiàn)為根徑越大，受損自修復(fù)后存活率越低。不同植物及徑級的存活率均有所差異，但5種植物直根受損后自修復(fù)的存活率均隨根徑的增大而減小。

圖3b所示，試驗根在遭受外力的拉拽后出現(xiàn)一定的變形及損傷，從而導(dǎo)致活力值明顯降低。通過愈傷自修復(fù)，試驗根活力值仍低于平行對照，紫花苜蓿、沙打旺、楊柴、檸條、沙棘較平行對照分別下降了16.67%、18.96%、32.67%、17.63%、36.19%。5種植物試驗根自修復(fù)后、平行對照的活力值峰值均出現(xiàn)在2～3 mm徑級。

圖3 5種植物直根受損自修復(fù)后根系存活率與活力值的變化

2.2 直根愈傷自修復(fù)后的極限應(yīng)變與平行對照的比較

軸向應(yīng)變即延伸率(ε)，植物根系的延伸率是反映根系抵抗土體分裂、滑脫的重要指標(biāo)。由圖4可知，在0～6 mm各徑級的5種植物愈傷自修復(fù)后及平行對照的直根極限應(yīng)變隨根徑的增加并無明顯變化，且只有平行對照的檸條直根極限應(yīng)變與根徑的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.525 4，其他植物的平行對照及自修復(fù)后的直根極限應(yīng)變與根徑間的相關(guān)系數(shù)均小于0.5，相關(guān)性較低。有研究表明，草本植物根系的延伸率與直徑間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，根系最大延伸率隨根徑的增加而減小[17]。本研究中愈傷自修復(fù)后沙打旺、楊柴，平行對照的紫花苜蓿、沙打旺、楊柴、檸條直根的變化規(guī)律與其相同。

圖4 5種植物在愈傷自修復(fù)3個月后與平行對照的直根極限應(yīng)變隨直徑變化的關(guān)系

由表2可知，5種植物直根在代表根徑級0～1.5 mm時，除紫花苜蓿，其他植物的極限應(yīng)變值總體呈現(xiàn)平行對照大于愈傷后。平行對照與愈傷自修復(fù)相比，檸條、沙打旺、紫花苜蓿的直根極限應(yīng)變值均存在顯著差異；楊柴、沙棘直根極限應(yīng)變值無顯著差異。檸條、沙打旺平行對照的直根極限應(yīng)變值均大于其愈傷自修復(fù)后，差值分別為19.08%、3.47%；紫花苜蓿則相反，愈傷自修復(fù)后直根極限應(yīng)變值大于其平行對照，其差值為2.30%。由此表明，5種植物根系在固土抗蝕過程中受拉受損，經(jīng)過愈傷自修復(fù)后恢復(fù)抗侵蝕能力。其中，紫花苜?；謴?fù)能力最突出；檸條、沙打旺根系受拉受損后抗侵蝕能力明顯下降，在愈傷自修復(fù)后仍然不能恢復(fù)；楊柴、沙棘的恢復(fù)能力不明顯。

表2 5種植物種內(nèi)平行對照和愈傷自修復(fù)后直根極限應(yīng)變均值

由表3可知，5種植物直根在代表根徑級0～1.5 mm時，平行對照的檸條、沙打旺、紫花苜蓿、沙棘4種植物的直根極限應(yīng)變均值種間存在顯著差異；楊柴與紫花苜蓿存在顯著差異，與檸條、沙打旺、沙棘無顯著差異。5種植物平行對照的直根極限應(yīng)變均值由大到小排列依次為：檸條(27.76±2.16)、沙棘(16.95±1.36)、楊柴(16.39±1.17)、沙打旺(16.13±1.18)、紫花苜蓿(12.59±0.69)。5種植物愈傷自修復(fù)后，紫花苜蓿、楊柴、沙打旺、沙棘的直根極限應(yīng)變均值種間差異顯著，檸條的直根極限應(yīng)變均值與其他4種植物的直根極限應(yīng)變均值無顯著差異。5種植物愈傷自修復(fù)后的直根極限應(yīng)變均值由大到小排列依次為：紫花苜蓿(14.89±0.98)、沙棘(13.35±0.95)、楊柴(12.68±0.82)、沙打旺(12.66±0.76)、檸條(8.68±0.43)，與平行對照的直根極限應(yīng)變均值大小順序發(fā)生變化，其中草本植物紫花苜蓿的值最大，而灌木檸條、草本植物沙打旺的值最小。在相同時間內(nèi)，紫花苜蓿根系在固土抗蝕受拉受損后恢復(fù)抗侵蝕能力最強(qiáng)；檸條、沙打旺恢復(fù)抗侵蝕能力最差。

表3 5種植物直根平行對照、愈傷自修復(fù)3個月后極限應(yīng)變均值種間方差分析結(jié)果

2.3 直根愈傷自修復(fù)后與平行對照的彈性模量比較

由圖5可知，5種植物平行對照與愈傷自修復(fù)后的直根彈性模量在測試根直徑為0～6 mm時，均隨直徑的增加呈減小的趨勢。進(jìn)行曲線回歸擬合后，擬合方程與復(fù)相關(guān)系數(shù)如圖5所示。其中，愈傷自修復(fù)后，沙打旺、檸條、沙棘的直根彈性模量隨根徑的增加以冪函數(shù)遞減，紫花苜蓿、楊柴以多項式函數(shù)遞減；平行對照的紫花苜蓿、沙打旺、楊柴、沙棘直根彈性模量均以冪函數(shù)遞減，檸條以多項式函數(shù)遞減。相關(guān)性分析顯示，α=0.05時，除愈傷自修復(fù)后的沙打旺，平行對照的紫花苜蓿、沙打旺、沙棘相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.5外，其他均小于0.5，根系直徑與彈性模量二者相關(guān)性較低。

圖5 5種植物平行對照與愈傷自修復(fù)后的直根彈性模量

由表4可知，5種植物直根在代表根徑級0～1.5 mm時，平行對照與愈傷自修復(fù)后的檸條、沙打旺、楊柴、沙棘的直根彈性模量均值均存在顯著差異，紫花苜蓿平行對照與自修復(fù)后的直根彈性模量均值無顯著差異。愈傷自修復(fù)后，檸條、沙棘的直根彈性模量均值小于其平行對照，楊柴、沙打旺的直根彈性模量均值則大于其平行對照。

表4 5種植物直根彈性模量均值在平行對照與愈傷自修復(fù)后方差分析結(jié)果

5種植物直根在代表根徑級0～1.5 mm時，平行對照的直根彈性模量均值種間存在顯著差異。直根彈性模量均值由大到小依次為：檸條(3.89±0.23)、沙棘(2.74±0.19)、楊柴(2.47±0.18)、沙打旺(2.22±0.07)、紫花苜蓿(0.86±0.07)，與平行對照的5種植物直根極限應(yīng)變均值順序總體一致。從植被生活型角度來看，5種植物根系平行對照的彈性模量大小表現(xiàn)為灌木優(yōu)于半灌木，半灌木又優(yōu)于草本植物的特點。對愈傷自修復(fù)后5種植物種間的直根彈性模量均值進(jìn)行比較，檸條與紫花苜蓿，紫花苜蓿與沙棘無顯著差異，其他植物種間均存在顯著差異。愈傷自修復(fù)后的直根彈性模量均值由大到小依次為：沙打旺(4.12±0.35)、楊柴(3.61±0.12)、紫花苜蓿(2.79±0.14)、檸條(2.21±0.21)、沙棘(1.64±0.13)，與平行對照的直根彈性模量均值相比，排列有所變化。

3 討論

本研究中5種植物根系受損后的根系存活率、活力值較對照均有不同程度的降低，即使通過3個月的自修復(fù)也不能完全恢復(fù)到平行對照水平，這與王博等[18]關(guān)于折力損傷自修復(fù)對干旱礦區(qū)小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)根系固土的影響及蘇禹[19]關(guān)于檸條、沙柳(Salixpsammoplzila)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、白沙蒿(ArtemisiastellerianaBess.)4種植物根系受剪受損愈傷后的抗剪特性結(jié)論相似。紫花苜蓿的直根極限應(yīng)變在受拉受損自修復(fù)后隨著根徑的增長呈下凹型增長趨勢，其平行對照的直根極限應(yīng)變隨著根徑的增長呈上凸型增長趨勢；沙棘的直根極限應(yīng)變在愈傷自修復(fù)后及平行對照時均隨著根徑的增長呈上凸型增長趨勢，這一結(jié)論與左志嚴(yán)等[20]對紫花苜蓿、沙棘直根室內(nèi)模擬試驗的極限應(yīng)變研究結(jié)果一致。本研究中，5種植物受拉受損自修復(fù)后和平行對照的直根彈性模量基本隨直徑的增加而減小，與牛國權(quán)等[21-22]對檸條、沙地柏、沙柳、白沙蒿單根在軸向拉力下的變形特性、萬娟等[23]對多花木蘭根系抗拉特性研究中彈性模量的變化相似，Liu et al.[24]也提出，機(jī)械刺激時，受損的植株根、莖、葉柄的力學(xué)性狀如彈性模數(shù)、彎矩、撓曲剛度等也會明顯降低。

4 結(jié)論

5種植物直根在測試根直徑為0～6 mm時，各徑級試驗根受拉受損后經(jīng)過3個月的愈傷自修復(fù)，其存活率、活力值較平行對照均有明顯下降。植物品種不同，降低值有所差異，且表現(xiàn)為根徑越大，受損自修復(fù)后存活率越低。5種植物試驗根活力值在自修復(fù)后和平行對照的峰值均出現(xiàn)在2～3 mm徑級。

5種植物直根在代表根徑級為0～1.5 mm時，極限應(yīng)變除紫花苜蓿外，總體呈平行對照的極限應(yīng)變大于愈傷后。其中檸條、沙打旺平行對照的極限應(yīng)變均顯著大于其愈傷自修復(fù)后(P<0.05)，其差值分別為19.08%、3.47%；紫花苜蓿則相反，愈傷自修復(fù)后的極限應(yīng)變顯著大于其平行對照，差值為2.3%(P<0.05)。5種植物平行對照的直根極限應(yīng)變均值由大到小依次為：檸條、沙棘、楊柴、沙打旺、紫花苜蓿；5種植物愈傷自修復(fù)后的直根極限應(yīng)變均值由大到小依次為：紫花苜蓿、沙棘、楊柴、沙打旺、檸條，與平行對照的直根極限應(yīng)變均值相比，排列有所變化。由此表明，植物品種不同則根系在受拉受損后恢復(fù)抗侵蝕的能力不同。

5種植物直根在代表根徑級為0～1.5 mm時，檸條、沙打旺、楊柴、沙棘平行對照的直根彈性模量均值與愈傷自修復(fù)后的相比，均存在顯著差異；紫花苜蓿無顯著差異。檸條、沙棘愈傷自修復(fù)后的直根彈性模量均值小于平行對照，楊柴、沙打旺愈傷自修復(fù)后的直根彈性模量均值大于平行對照。5種植物平行對照的直根彈性模量均值由大到小依次為：檸條、沙棘、楊柴、沙打旺、紫花苜蓿；愈傷自修復(fù)后的直根彈性模量均值由大到小依次為：沙打旺、楊柴、紫花苜蓿、檸條、沙棘，與平行對照相比也發(fā)生了變化。