昆明市3種草本植物根系及莖桿的力學(xué)特性試驗(yàn)研究

儲(chǔ)怡鑫 薛凱喜 馮國(guó)建 朱小偉 王瑞洋 劉欣

摘 要：本文以云南省昆明市官渡區(qū)寶象河經(jīng)開(kāi)區(qū)河道作為研究區(qū)，選取紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum ）、蘇門(mén)白酒草（Conyza sumatrensis）、鬼針草（Bidens pilosa Linn） 3種分布廣泛的草本植物進(jìn)行根系及莖桿的力學(xué)特性試驗(yàn)研究，探討3種植物在河道邊坡防護(hù)中的內(nèi)在機(jī)理。在分析取樣點(diǎn)土壤性能以及對(duì)植物樣本草本屬性對(duì)照的基礎(chǔ)上，進(jìn)行植物抗拔試驗(yàn)、莖桿抗彎試驗(yàn)、單根抗拉試驗(yàn)和根土復(fù)合體試樣直接剪切試驗(yàn)。結(jié)果表明，3種草本植物平均抗拔承載力由大至小依次為：鬼針草（34.69 N）、紫莖澤蘭（32.50 N）、蘇門(mén)白酒草（23.14 N），抗拔承載力與根系質(zhì)量及地上部分質(zhì)量均呈正相關(guān)，關(guān)系可由冪函數(shù)、修正的冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合;平均莖桿抗彎強(qiáng)度由大至小依次為：紫莖澤蘭（5.18 MPa）、鬼針草（5.01 MPa）、蘇門(mén)白酒草（2.63 MPa），莖桿直徑與抗彎強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，關(guān)系可由指數(shù)函數(shù)擬合;平均根系抗拉力由大至小依次為：紫莖澤蘭（9.26 N）、蘇門(mén)白酒草（8.54 N）、鬼針草（5.68 N），平均根系抗拉強(qiáng)度由大至小依次為：紫莖澤蘭（33.87 MPa）、鬼針草（32.74 MPa）、蘇門(mén)白酒草（22.19 MPa），根系直徑與抗拉力、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系分別呈正相關(guān)與負(fù)相關(guān)，可分別由指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)擬合;根土復(fù)合體的黏聚力呈逐漸增大的變化趨勢(shì)，蘇門(mén)白酒草、紫莖澤蘭、鬼針草漲幅相對(duì)于純土分別為90%、120%、123%，內(nèi)摩擦角呈逐漸緩慢增大的趨勢(shì)，蘇門(mén)白酒草、紫莖澤蘭、鬼針草漲幅分別為5%、10%、12%，在100 、200 、300 、400 kPa的垂直壓力下，3種植物的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度相較于純土均有大幅上漲，剪切位移與剪切應(yīng)力關(guān)系曲線近似于冪函數(shù)。

關(guān)鍵詞：根系力學(xué)特性;莖桿力學(xué)特性;根土復(fù)合體;蘇門(mén)白酒草;紫莖澤蘭;鬼針草

中圖分類(lèi)號(hào)：TU43;S714.7??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006-8023（2022）01-0015-12

Experimental Study on Mechanical Properties of Roots and Stems

of Three Herbaceous Plants in Kunming

CHU Yixin1， XUE Kaixi1*， FENG Guojian2， ZHU Xiaowei1， WANG Ruiyang1， LIU Xin1

（1.School of Civil and Architectural Engineering， East China University of Technology， Nanchang 330013， China;

2.College of Architecture and Civil Engineering， Kunming University， Kunming 650214， China）

Abstract：Taking Baoxiang River in Guandu District， Kunming City， Yunnan Province， as the research area， three widely distributed herbaceous plants， Eupatorium adenophorum ， Conyza sumatrensis， and Bidens pilosa Linn， were selected for experimental research on mechanical properties of roots and stems， and the internal mechanism of three plants in river slope protection were explored. Based on the analysis of soil properties of the sampling points and herbal attribute comparison of plant samples， plant stem pull-out test， bending test， single tensile test and complex root soil sample direct shear test were carried out. The results showed that the average uplift capacity of the three herbaceous plants arranged in a descending order was Bidens pilosa Linn （34.69 N）， Eupatorium adenophorum （32.50 N）， and Conyza sumatrensis （23.14 N）. The uplift bearing capacity was positively correlated with the quality of root system and above-ground part， and their relationship can be fitted by power function， modified power function and exponential function. The average stem bending strength shown in a descending order was Eupatorium adenophorum （5.18 MPa）， Bidens pilosa Linn （5.01 MPa） and Conyza sumatrensis （2.63 MPa）. The stem diameter had a negative correlation with the bending strength and its relationship can be fitted by an exponential function. The average root tensile stress in descending order was Eupatorium adenophorum （9.26 N）， Conyza sumatrensis （8.54N） and Bidens pilosa Linn （5.68N）. The average root tensile strength in descending order was Eupatorium adenophorum （33.87 MPa）， Bidens pilosa Linn （32.74 MPa） and Conyza sumatrensis （22.19 MPa）. The root diameter was positively correlated with the tensile stress， while it was negatively correlated with the tensile strength. Both the two relationships can be fitted by exponential function and power function respectively. The cohesive force of the root-soil complex showed a gradually increasing trend. The increase of Conyza sumatrensis， Eupatorium adenophorum and Bidens pilosa Linn was 90%， 120%， and 123% respectively， when compared with pure soil. The internal friction angle showed a slowly increasing trend， as Conyza sumatrensis， Eupatorium adenophorum and Bidens pilosa Linn rose by 5%， 10%， and 12% respectively. Under the vertical pressures of 100， 200， 300， and 400 kPa， the shear strength of the root-soil complexes of the three plants increased significantly when they were compared with pure soil， and the relationship between shear displacement and shear stress was similar to a power function.

Keywords：Mechanical properties of root system; mechanical properties of stem; root-soil complex system; Conyza sumatrensis; Eupatorium adenophorum; Bidens pilosa Linn

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，城區(qū)進(jìn)行了各種工程項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè)，以昆明市寶象河為例，對(duì)其河道進(jìn)行了多次大規(guī)模開(kāi)挖，導(dǎo)致河床斷面，河道植被覆蓋層被摧毀，河道邊坡大量裸露，造成了嚴(yán)重的崩塌、滑坡及水土流失等地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而演變?yōu)樯鷳B(tài)沖擊，使得河道生態(tài)系統(tǒng)失衡，河流生態(tài)恢復(fù)刻不容緩。其中河道邊坡防護(hù)尤為重要，采用植物根系進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡是巖土工程與植物生態(tài)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，國(guó)內(nèi)外對(duì)于此方面的研究認(rèn)為，使用植物根系固土可以達(dá)到維持邊坡穩(wěn)定性的目的，從而防止邊坡滑動(dòng)，減少滑坡等重大地質(zhì)災(zāi)害，提高邊坡抗滑穩(wěn)定性，同時(shí)可以凈化環(huán)境，豐富人們的視覺(jué)體驗(yàn)。

國(guó)外很多學(xué)者對(duì)植物根系的各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。劉向峰等[1]通過(guò)試驗(yàn)研究了堿蓬和早熟禾的根系抗拉性能，結(jié)果表明2種植物根系的抗拉力與直徑呈現(xiàn)冪律關(guān)系。張欣等[2]對(duì)黑沙蒿根系進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)根系在軸向拉力下表現(xiàn)出彈塑性的特征。Bischetti等[3]、Mattie等[4]的研究指出根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，根系直徑越小，所承受的抗拉強(qiáng)度越大。Tosi[5]的研究指出根系抗拉力與根系直徑呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，根系抗拉強(qiáng)度與直徑呈冪函數(shù)關(guān)系。Baets等[6]對(duì)包括灌木和喬木等種類(lèi)的地中海植物的根系進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明不同種類(lèi)植物的抗拉強(qiáng)度存在差異，但草本植物未在研究范圍內(nèi)。

我國(guó)對(duì)環(huán)境破壞和生態(tài)退化方面認(rèn)識(shí)較晚，近年來(lái)通過(guò)充分吸收國(guó)外河道生態(tài)護(hù)坡研究技術(shù)成果，并且充分結(jié)合本國(guó)的實(shí)際情況進(jìn)行了大量研究：朱清科等[7]對(duì)貢嘎山森林的主要樹(shù)種進(jìn)行根系抗拉試驗(yàn)，結(jié)果表明植物根系的斷裂類(lèi)型包括彈性與脆性2種，與Tosi[5]研究的根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與直徑關(guān)系的擬合方程不同;陳向波[8]對(duì)狗牙根等3種植物根系的抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根系直徑用4種常見(jiàn)的擬合方程來(lái)擬合，這4種擬合方程分別為線性、多項(xiàng)式、對(duì)數(shù)和指數(shù)函數(shù);呂春娟等[9]、蔣坤云等[10]從根系的微觀角度給予了科學(xué)的解釋，認(rèn)為根系的抗拉力與根系的纖維素含量有關(guān)，其成分含量與根系抗拉力成正相關(guān)。在根系抗拉實(shí)驗(yàn)儀器方面，很多研究者采用的是自制試驗(yàn)儀器或者萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，但這些儀器均不是專門(mén)針對(duì)植物根系設(shè)計(jì)的，使其所測(cè)抗拉力學(xué)特性不準(zhǔn)確。針對(duì)這一現(xiàn)狀，惠尚[11]、張?jiān)苽サ萚12]開(kāi)發(fā)研制了植物根系野外便攜試驗(yàn)系統(tǒng)，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，并能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的采集與收集，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)根土復(fù)合體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)可以測(cè)定根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，許桐等[13]通過(guò)直接剪切試驗(yàn)研究了柴達(dá)木盆地4種鹽生植物根系的根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度。

用植被對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)是個(gè)系統(tǒng)工程，涉及學(xué)科多，已有的研究結(jié)果主要是單獨(dú)考慮了植物抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、根土復(fù)合體與植物根系直徑的關(guān)系，對(duì)根系質(zhì)量、地上部分質(zhì)量、根冠比與植物的各種力學(xué)性能研究較少。本文通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂?、植物資源和自然環(huán)境等情況比較分析，選擇出分布范圍廣、當(dāng)?shù)乇容^常見(jiàn)且易于拔出完整根系的紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum ）、蘇門(mén)白酒草（Conyza sumatrensis）、鬼針草（Bidens pilosa Linn）3種草本植物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，如圖1所示。將植物抗拔承載力、

根系抗拉性能、莖桿抗彎強(qiáng)度及根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度結(jié)合進(jìn)行定量研究，探討抗拔承載力與根系質(zhì)量及地上部分質(zhì)量的關(guān)系、根系直徑與莖桿抗彎強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的關(guān)系以及試樣在不同垂直荷載下的抗剪強(qiáng)度變化。

1 研究區(qū)及植物概況

試驗(yàn)樣本選取點(diǎn)位于中國(guó)云南省昆明市寶象河經(jīng)開(kāi)區(qū)區(qū)段河道，地理坐標(biāo)為102°46′41.3″ N， 24°58′30.48″ E，海拔約1 895 m，屬于北半球低緯度亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候，受印度洋西南暖濕氣流的影響，此地年平均降雨量為1 000 mm左右，年均氣溫為15 ℃左右，年均日照為2 200 h左右，無(wú)霜期為240 d以上。該區(qū)土壤主要為紅壤土，土壤pH多為4.5～7.5，有機(jī)質(zhì)含量為1.5%～5.0%，地處云貴高原中部。

對(duì)紫莖澤蘭、蘇門(mén)白酒草、鬼針草3種植物的取樣地進(jìn)行土壤物理性質(zhì)測(cè)定，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019），室內(nèi)的土工試驗(yàn)也按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。3種草本植物的取樣地點(diǎn)坡長(zhǎng)為5 m，邊坡密度為2.02 g/cm3，坡度為64.13°，其基本屬性見(jiàn)表1，對(duì)取樣地點(diǎn)的土樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到土的顆粒組成如圖2所示。土樣粒徑小于0.075 mm的顆粒占76%，小于0.005 mm的顆粒占10%，根據(jù)《土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145—2007），該土定名為細(xì)粒土，土中以粉粒為主。該土樣的不均勻系數(shù)為11.6，曲率系數(shù)為2.155，該土土粒不均勻，級(jí)配良好。試驗(yàn)選取每種植物統(tǒng)計(jì)數(shù)量分別為60株。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 根系抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

根系抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)可以測(cè)定植物根系在被拉斷時(shí)承受的最大應(yīng)力值。試驗(yàn)方法為單根豎向拉伸試驗(yàn)，采用的試驗(yàn)儀器為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為WDW3100型），在試驗(yàn)樣地挑選健康的植物進(jìn)行試驗(yàn)，快速對(duì)植物分別單株密封。進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，用剪刀將植物的地上部分與根系部分分離，之后用細(xì)流自來(lái)水和柔軟毛刷清洗植物根系，去除根系上不參與試驗(yàn)的附帶土。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，選取長(zhǎng)度為8±1倍（試驗(yàn)要求范圍為5～10倍）直徑的植物根系。在植物根系兩端纏繞4圈橡皮膏，以避免應(yīng)力集中以及根皮脫落，在根系被拉斷時(shí)記錄此時(shí)最大數(shù)值，記為根系的最大抗拉力F，并使用游標(biāo)卡尺測(cè)定斷裂處的根系直徑D，之后用公式（1）對(duì)根系的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

P=Fπ（D/2）2 。 （1）

式中：P為植物根系抗拉強(qiáng)度，MPa;F為根系最大抗拉力，N;D為拉斷處的根系直徑，mm。

2.2 植物抗拔承載力試驗(yàn)

植物抗拔承載力試驗(yàn)可以測(cè)定植物抵抗豎向拔拉的能力。試驗(yàn)方法為野外原位抗拔承載力試驗(yàn)，在植物拉拔過(guò)程中，拉拔方向與植株生長(zhǎng)地面垂直，拉拔時(shí)使用電子彈簧秤進(jìn)行讀數(shù)，記最大讀數(shù)為根系的抗拔承載力。對(duì)植物的地上部分進(jìn)行細(xì)流自來(lái)水沖洗，去除地上部分不參與試驗(yàn)的附帶物質(zhì)，將沖洗干凈的植物根系和地上部分在105 ℃溫度下進(jìn)行30 min的殺青，之后將其置于65 ℃恒溫箱內(nèi)烘干，用電子天平（上海精科天美科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，型號(hào)：YP502N）稱取植物根系質(zhì)量和地上部分質(zhì)量[14]。計(jì)算根系質(zhì)量與地上部分質(zhì)量之比的數(shù)值，記為根冠比。

2.3 莖稈抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

莖桿抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)可以反映植物莖桿抵抗彎曲不斷裂的能力。采用的試驗(yàn)儀器為植物莖桿強(qiáng)度測(cè)定儀（型號(hào)為YF-1200型），選取的莖桿測(cè)試長(zhǎng)度約為莖桿直徑的20倍，記為測(cè)試長(zhǎng)度L。調(diào)節(jié)測(cè)定儀螺母使夾具恰好與植物莖桿接觸，此時(shí)啟動(dòng)測(cè)定儀，在莖稈出現(xiàn)斷裂的瞬間記錄下此瞬間最大莖稈拉力。之后采用公式（2）—公式（4）分別計(jì)算莖稈最大彎矩、莖桿抵抗矩、莖桿抗彎強(qiáng)度（計(jì)算可以等效為簡(jiǎn)支梁上加一集中力）：

Mmax=FL4 。 （2）

W=πD332 。（3）

σ=MmaxW 。 （4）

式中：F為最大抗拉力，N;L為莖的測(cè)試長(zhǎng)度，mm;Mmax為最大彎矩，N·mm;W為莖桿抗彎截面系數(shù)，mm3;D為斷裂處莖桿直徑，mm;σ為抗彎強(qiáng)度，MPa。

2.4 植物根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

植物根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)可以測(cè)定植物根土復(fù)合體抵抗剪切滑動(dòng)的能力。采用直接剪切試驗(yàn)中的快剪方法，在試驗(yàn)樣地取樣時(shí)先將植物地上部分剪除，去除地表的雜物，使土體表面與植物剪斷處平面水平，采用內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀，快速且垂直的壓入土體，小幅度慢挖環(huán)刀側(cè)面土體，防止土體擾動(dòng)，取出環(huán)刀，立即用保鮮膜將環(huán)刀密封，防止水分流失，選無(wú)植株生長(zhǎng)區(qū)域用上述方法取出純土試樣，之后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。使用應(yīng)變控制式直剪儀（型號(hào)為ZJ型），分別測(cè)定4種垂直荷載（100 、200 、300 、400 kPa）下的抗剪強(qiáng)度。 方法為快剪，剪切速度為5 r/mm，剪切位移為7 mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 根系直徑與抗拉力、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

采用直方圖可以反映數(shù)據(jù)的離散型。由圖3—圖5可知，3種植物的根系直徑、抗拉力、抗拉強(qiáng)度分布集中程度由大到小依次為：鬼針草、蘇門(mén)白酒草、紫莖澤蘭，說(shuō)明鬼針草各樣本之間的抗拉性能差異程度相對(duì)較小。由表2可知，根系直徑由大到小依次為：蘇門(mén)白酒草（0.70 mm）、紫莖澤蘭（0.59 mm）、鬼針草（0.47 mm），根系抗拉力由大到小依次為：紫莖澤蘭（9.26 N）、蘇門(mén)白酒草（8.54 N）、鬼針草（5.68 N），蘇門(mén)白酒草和紫莖澤蘭的根系直徑和抗拉力均為鬼針草的1.5倍;根系抗拉強(qiáng)度由大到小依次為：紫莖澤蘭（33.87 MPa）、鬼針草（32.74 MPa）、蘇門(mén)白酒草（22.19 MPa），紫莖澤蘭和鬼針草均為蘇門(mén)白酒草的1.5倍。植物根系的抗拉強(qiáng)度在相當(dāng)大的程度上影響其固土能力[15]，根系的抗拉強(qiáng)度越大，根系抵抗流水侵蝕的能力就越強(qiáng)。由圖6—圖7可知，3種植物的根系抗拉力均隨根系直徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，關(guān)系曲線可用指數(shù)函數(shù)擬合;3種植物的根系抗拉強(qiáng)度均隨根系直徑的增長(zhǎng)而降低，關(guān)系曲線可由冪函數(shù)擬合。取樣地的土壤中以粉粒為主，鬼針草根系發(fā)達(dá)，直徑相對(duì)較小，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，可以有效防止土壤中的細(xì)顆粒流失。

3.2 植物抗拔承載力與根系質(zhì)量及地上部分質(zhì)量的關(guān)系

根冠比能夠反映植物在光合作用下地上產(chǎn)物質(zhì)量與地下產(chǎn)物質(zhì)量的分布[16]，土壤水分是影響根冠比的重要因素，植物地上部分的水分主要由根系供給[17]，且隨著蒸騰作用大量散失。由圖8—圖11可知，鬼針草和蘇門(mén)白酒草的地上部分質(zhì)量、根系質(zhì)量、根冠比和抗拔承載力分布較為集中，說(shuō)明鬼針草和蘇門(mén)白酒草各樣本之間的抗拔性能差異程度相對(duì)較小。

由表3可知，3種植物的平均根冠比從大到小依次為：蘇門(mén)白酒草（0.28）、紫莖澤蘭（0.22）、鬼針草（0.18），鬼針草根冠比明顯小于前兩者，這是鬼針草根系直徑相對(duì)較小的體現(xiàn);抗拔承載力方面由大到小依次為：鬼針草（34.69 N）、紫莖澤蘭（32.50 N）、蘇門(mén)白酒草（23.14 N），紫莖澤蘭和鬼針草是蘇門(mén)白酒草的1.5倍。植物抵抗豎向拔拉的能力是植物根系共同作用的結(jié)果，蘇門(mén)白酒草的根系粗壯，相對(duì)不發(fā)達(dá)，其根系共同作用的能力相對(duì)最弱，故其抗拔承載力相對(duì)較小。由圖12—圖13可知，3種植物的抗拔承載力均隨根系質(zhì)量和地上部分質(zhì)量的增加而增加，紫莖澤蘭和鬼針草各自的關(guān)系曲線均可由冪函數(shù)擬合，而蘇門(mén)白酒草根系質(zhì)量與抗拔承載力關(guān)系曲線由修正冪函數(shù)擬合，地上部分質(zhì)量與抗拔承載力關(guān)系曲線由指數(shù)函數(shù)擬合，蘇門(mén)白酒草在其根系質(zhì)量和地上部分質(zhì)量的主要分布區(qū)間為0.5～1.2 g、2～10 g，抗拔承載力的增速和取值均低于紫莖澤蘭和鬼針草。

3.3 莖桿直徑與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

由圖14和圖15可知，3種植物的莖桿直徑和抗彎強(qiáng)度分布的集中程度由大到小依次為：鬼針草、蘇門(mén)白酒草、紫莖澤蘭，說(shuō)明鬼針草各樣本之間的抗彎性能差異程度相對(duì)較小。由表4知，莖桿直徑由大到小依次為：鬼針草（3.30 mm）、紫莖澤蘭（3.13 mm）、蘇門(mén)白酒草（3.12 mm）;莖桿抗彎強(qiáng)度由大到小依次為：紫莖澤蘭（5.18 MPa）、鬼針草（5.01 MPa）、蘇門(mén)白酒草（2.63 MPa），紫莖澤蘭和鬼針草是蘇門(mén)白酒草的2倍，植物除了根系具有固土能力之外，其莖桿也具有攔截徑流中攜帶的枯落物的作用[18]，并且莖桿抗彎強(qiáng)度還可以體現(xiàn)出植物抗倒伏能力的強(qiáng)弱，說(shuō)明蘇門(mén)白酒草的此類(lèi)能力相對(duì)最弱。由圖16可知，3種植物抗彎強(qiáng)度隨莖桿直徑的增大而減小，關(guān)系曲線均可用冪函數(shù)擬合;在莖桿直徑主要分布區(qū)間2.5～4.5 mm，抗彎強(qiáng)度下降速率由快到慢依次為：紫莖澤蘭（降幅9 MPa）、鬼針草（降幅6 MPa）、蘇門(mén)白酒草（降幅4 MPa）;紫莖澤蘭下降速率過(guò)快，符合其概率直方圖中過(guò)大的離散程度，個(gè)體抗彎性能差異過(guò)大，不適宜作為固土植物。

3.4根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度特征

在土壤的發(fā)育過(guò)程中，植物根系與土顆粒的相互作用對(duì)于土壤加固十分重要[19-23]，在土壤中植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)細(xì)化土壤中的土顆粒，使其表面光滑，粒徑減小[24]，并與根系黏附，形成根土復(fù)合體。由圖17可知，3種草本植物的剪切位移與剪切應(yīng)力關(guān)系曲線近似于冪函數(shù)，在相同的垂直壓力下，純土試樣、蘇門(mén)白酒草、紫莖澤蘭、鬼針草的最大剪切應(yīng)力依次增大，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度依次逐漸增加，說(shuō)明植物根系可以提高土體的抗剪強(qiáng)度;隨著垂直壓力逐級(jí)增加，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨之增加，初期根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增量較大，當(dāng)剪切位移達(dá)到5 mm時(shí)抗剪強(qiáng)度變化很小，說(shuō)明此時(shí)根土復(fù)合體接近破壞，基本不能再受剪切應(yīng)力;隨著剪切位移逐漸增大，根土復(fù)合體的最大剪切應(yīng)力逐漸增加并趨于穩(wěn)定，關(guān)系近似冪函數(shù)，此時(shí)土體已經(jīng)變形，植物根系因?yàn)槭艿郊羟辛ψ饔脮?huì)發(fā)生拉伸變形，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾ψ饔?，此時(shí)便需要植物根系具備一定的抗拉性能與抗拔性能。由表5可知，蘇門(mén)白酒草、紫莖澤蘭、鬼針草最大剪切應(yīng)力隨垂直壓力的漲幅情況，100 kPa分別為：21%、29%、32%;200 kPa分別為：15%、23%、27%;300 kPa分別為13%、18%、22%;400 kPa分別為：11%、16%、19%。由表6可知，土體中加入植物根系后，黏聚力大幅上漲，漲幅由大到小依次為：鬼針草（123%）、紫莖澤蘭（120%）、蘇門(mén)白酒草（90%），鬼針草漲幅最大，說(shuō)明其承受剪切變形的能力最強(qiáng)。同時(shí)，內(nèi)摩擦角小幅上漲，漲幅由大到小依次為：鬼針草（12%）、紫莖澤蘭（10%）、蘇門(mén)白酒草（5%），說(shuō)明在防止土體滑動(dòng)的過(guò)程中，鬼針草的臨界自穩(wěn)角最大;平均根徑與之前統(tǒng)計(jì)基本符合，主根數(shù)由大到小依次為：紫莖澤蘭（3根）、蘇門(mén)白酒草（2根）、鬼針草（1根）。

4 結(jié)論與建議

本文以昆明市寶象河生態(tài)護(hù)坡為研究對(duì)象，對(duì)流域內(nèi)常見(jiàn)的3種草本植物進(jìn)行根系力學(xué)特性試驗(yàn)研究，定量表征了植物抗拔承載力、根系抗拉性能、莖桿抗彎強(qiáng)度及根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，探討了抗拔承載力與根系質(zhì)量、地上部分質(zhì)量的關(guān)系;根系直徑與莖桿抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系;試樣在不同垂直荷載下的抗剪強(qiáng)度變化，得出如下結(jié)論。

（1）試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3種草本植物的抗拔承載力由大至小分別為：鬼針草、紫莖澤蘭、蘇門(mén)白酒草;抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度由大至小分別為：紫莖澤蘭、鬼針草、蘇門(mén)白酒草;抗拉力由大至小分別為：紫莖澤蘭、蘇門(mén)白酒草、鬼針草。

（2）試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3種草本植物的抗拔承載力與根系質(zhì)量及地上部分質(zhì)量均呈正相關(guān)，關(guān)系可由冪函數(shù)、修正的冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合;莖桿直徑與抗彎強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，關(guān)系可由指數(shù)函數(shù)擬合;根系直徑與抗拉力、抗拉強(qiáng)度分別呈正相關(guān)與負(fù)相關(guān)，可分別由指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)擬合。

（3）試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3種草本植物的剪切位移與剪切應(yīng)力關(guān)系曲線近似于冪函數(shù)，根土復(fù)合體的黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度從大到小依次為：鬼針草、紫莖澤蘭、蘇門(mén)白酒草。

（4）植物根系可以提高土體抗剪強(qiáng)度，鬼針草根系發(fā)達(dá)，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，說(shuō)明植物根系對(duì)土體的加筋作用相對(duì)最強(qiáng)。由莖桿抗彎強(qiáng)度及抗拔承載力可知，鬼針草攔截徑流中攜帶的枯落物以及抗倒伏能力相對(duì)最強(qiáng)。

本文結(jié)論適用于昆明市寶象河生態(tài)護(hù)坡植物的篩選研究，并為今后對(duì)昆明市生態(tài)河道建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)于今后植被護(hù)坡的進(jìn)一步研究工作，本文認(rèn)為以下3個(gè)方面需要進(jìn)一步完善。首先在今后的工作中，可以深入研究其他因素與植物抗拔承載力、根系抗拉強(qiáng)度、莖桿抗彎強(qiáng)度的關(guān)系，例如植物中纖維素含量與對(duì)根系抗拉強(qiáng)度的關(guān)系;其次為根系形態(tài)研究，植物的根系生長(zhǎng)復(fù)雜，受到氣候條件、土壤質(zhì)地和邊坡形態(tài)等因素的影響，可以采用分形理論的方法對(duì)根系形態(tài)進(jìn)行分析研究;最后為草灌結(jié)合的護(hù)坡研究，因?yàn)楣嗄靖稻哂懈鼜?qiáng)的抗拉性能，對(duì)土體的黏聚力提高幅度更大。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]劉向峰，郝國(guó)亮，張怡斌，等.草本植物對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性提升效果研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)術(shù)，2021，17（9）：103-108.

LIU X F， HAO G L， ZHANG Y B， et al. Study on improvement effect of herb plants on slope stability of dumping site[J]. Journal of Safety Science and Technology， 2021，17（9）：103-108.

[2]張欣，劉靜，劉鐵軍，等.采煤塌陷區(qū)先鋒植物含側(cè)根分支處根段抗拉力學(xué)特性[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，35（6）：32-39.

ZHANG X， LIU J， LIU T J， et al. The anti-tension force characteristics of lateral root branches of pioneer plant in the coal mining subsidence area[J]. Journal of Northwest Forestry University， 2020， 35（6）：32-39.

[3] BISCHETTI G B， CHIARADIA E A， SIMONATO T， et al. Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy （northern Italy）[J]. Plant and Soil， 2005， 278（1/2）： 11-22.

[4]MATTIA C， BISCHETTI G B， GENTILE F. Biotechnical characteristics of root systems of typical Mediterranean species[J]. Plant and Soil， 2005， 278（1/2）： 23-32.

[5]TOSI M. Root tensile strength relationships and their slope stability implications of three shrub species in the Northern Apennines （Italy）[J]. Geomorphology， 2007， 87（4）： 268-283.

[6]BAETS S， POESEN J， REUBENS B， et al. Root tensile strength and root distribution of typical Mediterranean plant species and their contribution to soil shear strength[J]. Plant and Soil， 2008， 305（1/2）： 207-226.

[7]朱清科，陳麗華，張東升，等.貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)根系固土力學(xué)機(jī)制研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（4）：64-67.

ZHU Q K， CHEN L H， ZHANG D S， et al. Mechanisms of soil-reinforcement by roots in forest ecological systems in Gongga Mountain[J]. Journal of Beijing Forestry University， 2002， 24（4）： 64-67.

[8]陳向波.高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

CHEN X B. Study on expressway slope eco-protection technology and its application[D]. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2005.

[9]呂春娟，陳麗華，周碩，等.不同喬木根系的抗拉力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（S1）：329-335.

LYU C J， CHEN L H， ZHOU S， et al. Root mechanical characteristics of different tree species[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2011， 27（S1）： 329-335.

[10]蔣坤云，陳麗華，楊苑君，等.華北油松、落葉松根系抗拉強(qiáng)度與其微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)性研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（2）：8-12，19.

JIANG K Y， CHEN L H， YANG Y J， et al. Relationship between tensile strength and selected anatomical features of two different conifer species’ roots in North China[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2013， 27（2）： 8-12， 19.

[11]惠尚.竹子根系抗拉力學(xué)特性野外便攜試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

HUI S. Design of field portable system to test tensile properties of bamboo roots[D]. Kunming： Kunming University of Science and Technology， 2013.

[12]張?jiān)苽ィ饔?，王大龍，?植物根系抗拉力學(xué)特性便攜式測(cè)試系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（6）：58-63.

ZHANG Y W， YU Y， WANG D L， et al. Design of portable test system for tensile property of plant roots[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2014， 45（6）： 58-63.

[13]許桐，劉昌義，胡夏嵩，等.柴達(dá)木盆地4種鹽生植物根系力學(xué)特性及根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度研究[J].水土保持研究，2021，28（3）：101-110.

XU T， LIU C Y， HU X S， et al. Study on the mechanical properties of roots and the shear strengths of four halophytic plants in Qaidam basin[J]. Research of Soil and Water Conservation， 2021， 28（3）： 101-110.

[14]周云艷，徐琨，陳建平，等.基于CT掃描與細(xì)觀力學(xué)的植物側(cè)根固土機(jī)理分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（1）：1-9.

ZHOU Y Y， XU K， CHEN J P， et al. Mechanism of plant lateral root reinforcing soil based on CT scan and mesomechanics analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30（1）： 1-9.

[15]李可，朱海麗，宋路，等.青藏高原兩種典型植物根系抗拉特性與其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].水土保持研究，2018，25（2）：240-249.

LI K， ZHU H L， SONG L， et al. Relationship between tensile properties and microstructure of two typical plant roots in the Qinghai-Tibet plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation， 2018， 25（2）： 240-249.

[16]廖晶晶，羅緒強(qiáng)，羅光杰，等.三種護(hù)坡植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度比較[J].水土保持通報(bào)，2013，33（5）：118-122.

LIAO J J， LUO X Q， LUO G J， et al. Comparison of shear strength of root-soil composite for three types of slope protection vegetation[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2013， 33（5）： 118-122.

[17]曹波，曹志東，王黎明，等.植物根系固土作用研究進(jìn)展[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2009（1）：26-28.

CAO B， CAO Z D， WANG L M， et al. Technology of soil and water conservation[J]. Technology of Soil and Water Conservation， 2009（1）： 26-28.

[18]吳建召，陳愛(ài)民，崔羽，等.干熱河谷常見(jiàn)植物地表形態(tài)特征與泥沙攔截的關(guān)系[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2018，24（6）：1236-1246.

WU J Z， CHEN A M， CUI Y， et al. Relationship between near-surface morphological traits of familiar plants and their ability for sediment retention in a dry-hot valley[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology， 2018， 24（6）： 1236-1246.

[19]嵇曉雷，楊平.關(guān)于植物根系形態(tài)分布研究進(jìn)展與新方法探討[J].森林工程，2011，27（4）：54-57.

JI X L， YANG P. Research development of the distribution of plant root morphology and discussion on its new methods[J]. Forest Engineering， 2011， 27（4）：54-57.

[20]張喬艷，唐麗霞，潘露，等. 基于根系化學(xué)組成的抗拉力學(xué)特性分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，44（1）：186-192.

ZHANG Qiaoyan， TANG Lixia， PAN Lu， CHEN Long. Tensile mechanical properties of roots based on chemical composition[J].Journal of Nanjing Forestry University （Natural Science Edition）， 2020， 44（1）： 186-192.

[21]王續(xù)富，郝龍飛，郝嘉鑫，等.模擬氮沉降和不同外生菌根真菌侵染對(duì)樟子松幼苗生長(zhǎng)的影響[J].植物研究，2021，41（1）：138-144.

WANG X F， HAO L F， HAO J X， et al. Growth responses of Pinus sylvestris var. mongolica seedlings under simulated nitrogen deposition and different inoculation of ectomycorrhizal fungi treatments[J]. Bulletin of Botanical Research， 2021， 41（1）： 138-144.

[22]杜崇宣，劉云根，王妍，等.外源磷輸入對(duì)高原湖濱濕地香蒲根系分泌物的影響[J].西部林業(yè)科學(xué)，2020，49（3）：117-125，146.

DU C X， LIU Y G， WANG Y， et al. Effects of exogenous phosphorus input on the root exudates of the Typha angustifolia L[J]. Journal of West China Forestry Science， 2020， 49（3）： 117-125， 146.

[23]張玉婷，陳佳毅，李培根，等.叢枝菌根對(duì)防治植物缺鐵性黃化病的作用機(jī)理與應(yīng)用研究[J].林業(yè)科技情報(bào)，2020，52（3）：1-5.

ZHANG Y T， CHEN J Y， LI P G， et al. Mechanism and application of arbuscular mycorrhiza on prevention and treatment of iron deficiency chlorosis in plants[J]. Forestry Science and Technology Information， 2020， 52（3）： 1-5.

[24]蘇日娜，格日樂(lè)，郝需婷，等.3種植物根-土復(fù)合體抗剪特性的影響因素[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，42（3）：26-31，76.

SU R N， GE R L， HAO X T， et al. Influence factors of shear characteristics of three plants’ root-soil composites[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University （Natural Science Edition）， 2021， 42（3）： 26-31， 76.