紫花苜蓿根系抗拉力学特性及其影响因素研究_毛正君.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.08紫花苜蓿根系抗拉力学特性及其影响因素研究毛正君1,2,3，耿咪咪1（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安710054；2.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院，陕西 西安710054；3.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安710054）摘要：为分析草本植物单根的抗拉力学特性及其影响因素，以紫花苜蓿为研究对象，选取不同根系直径、根系长度的紫花苜蓿根系在不同加载速率下开展室内单根拉伸试验，定量分析紫花苜蓿单根抗拉力学特性及其在不同影响因素下的变化规律。结果表明：加载速率对紫花苜蓿根系抗拉力和抗拉强度具有极显著影响（P0.05），且在根系直径3 mm时，加载速率为500 mmmin-1时根系抗拉力和抗拉强度最大，而当根系直径相对较粗时，加载速率为100 mmmin-1时根系抗拉力和抗拉强度最大；根系长度与紫花苜蓿根系抗拉力、抗拉强度之间没有显著差异（P0.05）；紫花苜蓿根系直径对根系抗拉力和抗拉强度具有显著影响（P0.001），其与根系抗拉力呈幂函数正相关关系（R20.380，P0.001），与抗拉强度呈幂函数负相关关系（R20.363，P0.001）；通过对紫花苜蓿根系抗拉力学特性的影响因素进行多元线性回归分析，根系直径是影响植物根系抗拉力学特性的最主要因素。关键词：紫花苜蓿；抗拉力学特性；加载速率；根系长度；根系直径侵蚀是一种经常影响人类社会的自然现象，人类活动可能加速或抑制侵蚀的自然速度，进而改变侵蚀的模式和速度，有可能会给当地带来严重的后果1。目前，植被被认为是保护斜坡免受侵蚀和浅层滑坡的一种自然且有用的生物工程方法，受到了广泛关注和应用 2-5。研究表明，植被可以通过地下根系的机械加固作用保护边坡免受浅层滑坡的影响 6。近几十年来，学者们开始对植物根系的固土效应开展了大量研究。科学实践表明，植物根系可通过缠绕、固结和串连土体等方式形成根土复合体，从而提高土体的抗剪强度，防止浅层滑坡和水土流失等类型的边坡浅层破坏7-10，并由于具备低投入、易养护和绿色环保等优点，成为景观效果差且结构逐步失效的传统工程护坡替代方案11-12。植物单根是植物护坡的基本单元，对植物单根开展的一系列研究是植物护坡研究的起点13。植物单根抗拉力学特性是直接代表植物根系抵抗外力的有效指标，也是量化植物护坡及根系固土的必要条件14-15。目前对根系抗拉特性的研究主要包括三类，即室内单根拉伸试验、室外原位水平拉拔及垂直拉拔试验。由于室内单根拉伸试验简单易行，且万能试验机测量精度高、范围广、试验控制度高，因此室内单根拉伸试验被广泛应用，且至今仍然是植物护坡研究的热点。目前，国内外学者对植物根系抗拉特性进行的大量研究表明，不同植物根系在其抗拉特性及固土护坡方面的力学表现存在差异16-18。综合来看，植物根系固土护坡的作用主要表现为：浅细根抵抗变形的能力较强，主要发挥加筋和减缓边坡或河岸变形、破坏的作用，而深粗根刚度强、抗拉强度较大，具有锚固、支撑作用，即当边坡或河岸土体产生变形时，穿插、缠绕在边坡和河岸土层中的植物根系将土层中的剪应力转化为根的拉应力，发挥了较强的牵拉作用，且由于根系具有较强的延伸特性，故在一定程度上可抑制或减缓边坡或河岸土体的变形19-21。但根系是一个复杂的三维结构，不同植物物种的根系在年龄、根类型、方向、分枝模式、与土壤的界面特性和直径方面都有所不同，所有这些因素都会导致根系抗拉强度具有较大的可变性16。因此，研究植物根系固土护坡效应时，有必要探讨根系抗拉力学特性及其影响因素。收稿日期：2022-04-16；修订日期：2022-10-14基金项目：陕西省重点研发计划项目（2020SF-379）；宁夏回族自治区重点研发计划项目（2022EG03052）作者简介：毛正君（1983-），男，博士，副教授，主要从事地质环境保护与国土空间生态修复研究.E-mail:zhengjun_235246页40卷干旱区研究植物根系抗拉力学特性的影响因素包括根系直径、采伐时间、含水率、根系内部化学成分和微观结构等材料自身特性，以及根系设定长度与加载速率等试验条件19,21-25。但大多数研究主要集中在根系直径与根系抗拉特性的关系，且没有得到统一的结论26。如唐菡等27、刘子壮等28、钟荣华等29、黄广杰等30和Wang等31通过对不同草本植物进行拉伸试验，发现根系抗拉力、根系抗拉强度与根系直径存在非线性相关关系；胡晶华等32、刘昌义等33在对灌木植物根系进行的拉伸试验及Abdi等34对乔木根系进行拉伸试验中，也得到了此类结果；但李会科等35和田佳等36分别对乔木和草本植物根系进行的研究中指出，根系抗拉强度与根系直径呈线性相关关系；李晓凤等37和王剑敏38等分别对乔木和灌木植物根系进行的拉伸试验发现，根系直径与抗拉强度之间没有相关关系。植物根系在自然界遭受各种变化不定的荷载，如风速变化，径流冲击等，这些均使得根系遭受的荷载加载速率处于不断变化之中，其固土能力也存在明显差异39。当根系在抵御不同强度的风力侵蚀过程中，会将荷载传递给根系，进而改变林地边坡的应力与应变状态40，且风力强度不同，其产生的荷载也存在差异；当加载速率较大时，植物根系与土体的摩擦锚固力提高，同时达到最大摩擦锚固力的滑移量增加，可以理解为林木自身对于自然界不断变化的荷载的一种自适应，提高了自身稳定性39；此外，加载速率还与植物根系内部纤维含量、纤维排列紧密、疏松程度，以及根的其他物质组成有关41-42，即当根系内部纤维越多，排列方向与受力方向一致，其更能适应快速加载。基于以上研究表明，以往的研究主要针对不同植物根系直径、加载速率等与抗拉力、抗拉特性的关系开展了相关研究，但尚未形成统一结论，并且缺乏综合分析，还需要加强研究。紫花苜蓿属多年生草本，繁殖能力强，适应性强，耐干旱瘠薄，根系发达，能深入土层，固土能力强，护坡效果好，是黄土高原地区的先锋植物之一43-45。为了全面了解紫花苜蓿根系的抗拉力学特性，本研究对紫花苜蓿根系进行了室内单根拉伸试验，分析不同根系长度、根系直径和加载速率对紫花苜蓿根系抗拉力学特性的影响规律，并通过建立回归方程探究了加载速率、根系直径和根系长度与根系抗拉力学特性的关系。1材料与方法1.1 研究区概况研究区位于陕西省西安市临潼区，海拔在3501302 m之间，地形呈阶梯状，由南向北逐渐降低。研究区属东亚暖温带半湿润气候，多年平均气温13.7，极端低温-16.5，极端高温42.2，多年平均降水量为607.7 mm，降水主要集中在79月，且多为大雨或暴雨，区内年蒸发量为553.3 mm46；野生植物主要有野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、车前（Plantago asiatica）、苜蓿（Medicago sativa）等。其中，紫花苜蓿作为该地区水土保持的先锋植物之一，能显著增强土体稳定性和抗侵蚀能力。因此，选取该区内生长期为23 a的紫花苜蓿进行试验。试验采样点现场情况如图1。1.2 试验材料本文选用紫花苜蓿作为研究对象进行单根拉伸试验。在获取紫花苜蓿根系时，选取同一生长环境下的生长状况相近的紫花苜蓿植株进行根系采集。为了避免取样过程中对根系的破坏影响，采用局部挖掘法先将根系周围土体清理使整个根系暴露出来，然后再用剪刀剪断完整的根系，并将其带回实验室；随后对根系进行清洗及修剪。待根系采集完毕后，随即对紫花苜蓿进行室内单根拉伸试验。紫花苜蓿单根拉伸试验过程见图2。1.3 试验设计本次单根拉伸试验考虑3个试验因素，即根长、根径以及加载速率。由于根径为植物自身性质，为不可控因素，故进行随机选取，并在试验前对其进行测量；而根长和加载速率的选取均可通过人为控制，故设定试验根系长度为050 mm、50100 mm、100150 mm、150200 mm和200250 mm 5个水平；由于外在荷载对植物的作用方式和作用过程会引起植物的固土能力的差异，因此为了研究外在荷载对根系固土能力的影响，本次试验设定加载速率为20、50、100、200 mmmin-1和 500 mmmin-15 个水平。本次紫花苜蓿根系单根拉伸试验设计分组见表1。为了表明本次试验中根长和根径各分组间是否显著，对其进行显著性检验。紫花苜蓿根系长度和根系直径分组显著性检验结果见表2，可见根长和根径各分组之间均具有显著性差异，故此次分组2362期毛正君等：紫花苜蓿根系抗拉力学特性及其影响因素研究合理。本次试验设定受拉根段在夹具中间部位或接近中间处断裂的试验即为成功。本次试验共测定了605个苜蓿根系的抗拉强度，采集到可用数据302个，成功率为49.92%。根系直径和长度均采用精度为0.01 mm的数显游标卡尺测得。在测量根系直径时，将根系从上至下分为上、中、下3个部分，并测量以上3部分直径，然后求其平均值作为该根系的平均直径；根系长度则直接测量其全长。试验根系平均直径在2.07.0 mm之间，根系长度在48.79242mm之间。1.4 单根拉伸试验紫花苜蓿单根拉伸试验采用WDW-100电子万能试验机（图3）进行，该仪器能够在产生拉力的同时测量荷载与位移。仪器试验力的范围为0.4100图1 试验采样点现场情况Fig.1 Site conditions of sampling points图2 单根拉伸试验过程Fig.2 Single tensile test process表1 紫花苜蓿根系单根拉伸试验设计Tab.1 Design of single root tensile test of alfalfa rootsystem分级12345根系直径/mm2334455-加载速率/（mmmin-1）2050100200500根系长度/mm05050100100150150200200250表2 紫花苜蓿根系长度和根系直径分组显著性检验Tab.2 Analysis of significant difference between alfalfa root length and root diameter groups12345根系长度数量/个1291786919平均值-83.3615.27a126.0613.27b181.4715.01c209.5411.82d根系直径数量/个931359110平均值2.650.23a3.440.29b4.320.28c5.410.58d-注：同列不同字母表示在0.05水平上差异显著。23740卷干旱区研究kN，加载速率可调节范围为0.001500 mmmin-1，试验载荷测量精度为0.005 N，位移测量精度为0.005 mm。在单根拉伸试验开始之前，对根系样本进行全面的检查，剔除了有明显损伤的根系，选择直径变化不大且顺直少曲的单根。在试验前，先按照试验设计的根系长度调整万能试验机的标距，并将根系垂直放入试验机拉伸夹具中固定，随后开始拉伸试验。在试验过程中，试验机拉伸夹具向两端匀速拉伸根系，直至根系被完全拉断，此时的抗拉力即为单根最大抗拉力。此外，由于拉伸夹具为刚性材料，而根系为柔性材料，在试验过程中夹具可能会夹断根系，进而使试验结果产生误差。因此本试验通过在根系上、下两端包裹纸巾以增大根系与拉伸夹具间摩擦的方式，增大试验成功率，同时也可避免夹具作用造成的根系断裂。同时认为试验中断裂发生在根段中部或接近中间处断裂的试验即为成功（图4），并将该试验数据作为有效数据。本试验中，根系抗拉强度计算公式为：T=4FmaxD2（1）式中：T为植物根系抗拉强度（MPa）；Fmax为植物根系最大抗拉力（N）；D为植物根系直径(mm)。1.5 数据分析采用 SPSS（SPSS Inc.,Chicago,USA）进行试验数据统计分析，并进行协方差分析和单因素方差分析，研究不同根径、根长及加载速率对根系抗拉力和抗拉强度是否产生显著影响；此外，对数据进行标准化处理并进行多