多花木蓝和双荚决明根-土界面摩擦特性_张乔艳.pdf

第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 08 12;修回日期:2021 12 13基金项目:国家自然科学基金项目(31960332)作者简介:张乔艳(1995 )，女，贵州铜仁人，助理工程师，硕士研究生，主要从事林学相关研究。E-mail:1299162721 qq com通信作者:唐丽霞(1986 )，女，内蒙古呼和浩特人，副教授，博士研究生，主要从事水土保持与荒漠防治相关研究。E-mail:248206125qq comdoi:10 11988/ckyyb 202108222023，40(1):161 164，175多花木蓝和双荚决明根 土界面摩擦特性张乔艳1，2，唐丽霞1，冉洁2，谭玮颐2(1 贵州大学 林学院，贵阳550025;2 贵州省国有扎佐林场，贵阳550299)摘要:多花木蓝和双荚决明在稳定边坡和生态修复上具有积极作用，为研究其边坡防护机理，以 4 a 生多花木蓝和双荚决明根 土界面摩擦为切入点，探讨根系表观形貌、凹凸度对根 土界面摩擦强度的影响。结果表明:多花木蓝根皮以沟壑型为主，而双荚决明则以栅格型为主，且随根径的增大，这一现象越趋明显;根皮凹凸度随根径的增加而增大，根径由 1 mm 增加到5 mm 时，多花木蓝根皮凹凸度从0 26 增加到0 48，双荚决明从0 24 增加到0 66;根表皮呈格栅型的根 土摩擦强度较优，且凹凸度越大，根 土摩擦强度越大。研究围绕根皮微观形貌 凹凸度定量 试验验证来探讨根 土界面摩擦特性，建立根皮微观结构与根皮宏观摩擦剪切的关系，对于根系固土护坡力学特性的研究具有重要意义。关键词:根系;界面摩擦特性;凹凸度;微观形貌;多花木蓝;双荚决明中图分类号:TU41193文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0161 04开放科学(资源服务)标识码(OSID):Frictional Characteristics of oot Soil Interface of Indigoferaamblyantha and Cassia bicapsularisZHANG Qiao-yan1，2，TANG Li-xia1，AN Jie2，TAN Wei-yi2(1.College of Forestry，Guizhou University，Guiyang550025，China;2.Zhazuo State-owned ForestFarm of Guizhou Province，Guiyang550299，China)Abstract:As common tree species，Indigofera amblyantha and Cassia bicapsularis have positive effects on slopstability and ecological restoration To study their mechanism of slope protection，we investigated the influencesof apparent morphology and roughness of roots on frictional strength of root-soil interface of 4-year age Indigoferaamblyantha and Cassia bicapsularisesults showed that:1)Grooves dominate the root skin of Indigofera am-blyantha，and grids prevail on the root skin of Cassia bicapsularis With the increase of root diameter，such ap-parent morphology grows more obvious 2)The roughness of root surface increases with the expansion of root di-ameter When root diameter expands from 1 mm to 5 mm，the roughness of Indigofera amblyantha increasesfrom 0.26 to 0.48，while that of Cassia bicapsularis from 0.24 to 0.66.3)oot with grid skin morphology haslarger frictional strength on the root-soil interface，and the greater the roughness，the larger the frictional strengthof root-soil interface According to the micromorphology and quantified roughness as well as test verification，weestablished the relationship between the microstructure of root skin and the macroscopic friction and shear of root-soil interface The research finding is of great significance for the study of the mechanical properties of slope pro-tection by root systemKey words:root;friction characteristic of root-soil interface;root surface roughness;microstructure;Indigoferaamblyantha;Cassia bicapsularis长江科学院院报2023 年1研究背景有关植物根系固土护坡的研究多集中在两个方面，一是根系力学特性，二是根 土相互作用机制。对于根系力学特性的研究多集中在根径、树种 1、化学组成 2 4、根截面微观特性 5 7、根系含水率 8、拉伸速率 9 等方面，测定根系的力学特性来评估根系固土效果 10。但根 土间相互作用包括根 土复合体的抗剪特性、根系构型的变化及其与土壤的相互作用 11、根 土界面摩擦特性和根土面积比 A 的变化 12 等。当土体发生变形时，根系的存在将有效提高抗剪强度 13，这是根 土界面产生的摩擦力调动根系的抗拉强度来增强根 土复合体强度的结果 14 15，因此，研究根土界面摩阻特性有助于揭示根系固土护坡机制 16。根 土间摩擦是由黏结型摩擦力、非黏结型摩擦力以及剪切型摩擦力综合作用的结果17 18。黏结型摩擦力与土壤理化性质关系较大，而剪切型摩擦在抵抗土体变形时能调动根系抗拉强度来增强根 土复合体的抗剪强度。刘亚斌等19 研究表明，灌木柠条锦鸡儿的主根主要提供根 土间静摩擦;而土壤含水率的增加会降低根 土界面的摩擦系数20。此外，根径、埋置深度、加载速率均会对根 土摩擦特性产生影响21 23。为了揭示这一内因，刘亚斌等19，24 通过扫描电镜从微观的角度计算了根皮的粗糙度，阐释了不同植物根系不同根径摩擦性能产生差异的内因在于根皮的凹槽和凸起数目及长度比和宽度比的不同。邢会文等25 研究亦表明，根系表皮凹凸度增大，会增加根系与土体的接触面积，使得根 土间的摩擦力增大。田佳等26 进一步证实了根 土摩擦角的大小取决于根皮的凹凸度。以上研究集中在:以电子显微镜为基础获取根横截面特征，基于 ArcGIS 软件进行勾绘，计算其根皮凹凸度;以不同根径、树种、土壤粒径及其含水率为影响因素研究根 土界面的摩阻特征。以上研究填补了根系固土护坡中根 土界面摩阻特性的空白，为后续研究提供了一定的理论指导，但依然存在以下不足:对于根截面凹凸度的提取较为粗糙，电子显微镜无法精准获取根截面微观形貌;未将根 土界面摩阻进行系统的研究，形成宏观辨识微观定量实验论证体系。鉴于此，本文以喀斯特地区常见固土护坡树种多花木蓝和双荚决明根系为研究对象，通过根皮宏观特征的描述、结合电镜扫描对根截面凹凸度的定量，再通过直剪摩擦试验进一步论证，以期解析根系的固土护坡力学机理。2研究方法21研究区概况研究区域位于贵州省贵阳市花溪区，地理位置为 262711N、106393E，海拔 1 130 m，属于亚热带湿润气候。该区年均降雨量约 1 200 mm，雨季集中在 510 月份;年均气温 15 3，阴天多，日照少，年平均日照时数 1 164 9 h，无霜期 301 d，年均相对湿度为77%。该区域平均土层厚度约 6 cm，基岩裸露率约 45%4。22根系样品采集与制备选取边坡(坡度 23)撒种生长 4 a、地径约2 cm、长势一致的多花木蓝和双荚决明。采用全挖法各挖掘 10 株，选取生长正常、无病虫害的根系清洗干净，汲取根表皮多余水分后立即开展试验，当日未完成试样于 4 冰箱保鲜，并在 7 d 内完成测试。23土壤样品采集与制备将挖掘根系产生的土壤，去除土壤表面杂质(枯枝落叶等)装袋并带回实验室，风干并研磨过2 mm 筛，装袋密封保存。采用 pH 计测定土壤 pH值为 7 4，液限为 56 3%，塑限为 30 49%。24根皮微观特征辨识为直观辨识多花木蓝和双荚决明根皮凹凸特征，将 1 5 mm 根径的根剥皮后，于体视镜下放大20 倍至清晰，以获取根皮凹凸表观图片，每个径级取 3 次重复，选取具有代表性的图片进行分析。25根皮凹凸度的测定参照邢会文20 和夏振尧等27 试验方法，将根系分为 5 级，即 1(1 0 5 mm)、2(2 0 5 mm)、3(3 0 5 mm)、4(4 0 5 mm)、5(5 0 5 mm)。具体操作已另文发表28。采用 S 3400 N 电镜进行扫描，获取根系横截面 SEM 图。采用 ArcGIS 软件对其进行勾绘，参照公式(1)计算根截面凹凸度。=L1L2 100%。(1)式中:为凹凸度(%);L1为根系直线长度;L2为根系曲线长度。26根 土界面摩擦试验方法2 6 1不同含水率土壤的制备根据野外测定的土壤含水率在 11 2%22 4%，故而设定4 个含水率梯度 108%、143%、182%、231%。按照土工试验方法标准(GB/T501231999)制备试样，通过式(2)计算所需水的质261第 1 期张乔艳 等多花木蓝和双荚决明根 土界面摩擦特性量，用喷雾装置均匀喷洒混匀后盖紧，静置一昼夜备用。mw=m01+0 01w0 0 01(w1 w0)。(2)式中:mw为制备试样所需水的质量(g);m0为风干土质量(g);w0为风干土含水率(%);w1为配制目标含水率(%)。2 6 2根 土摩擦试验参照试验仪器(ZJ 型应变式直剪仪(四联剪)透水石尺寸(直径 高)为618 mm 20 mm，试样截面积为2 998 mm2，裁制大小相同的木块，用于粘贴根皮。为了减小误差，仅选取根径 3、4、5 mm 进行摩擦试验。本试验取56 g 根皮倒于四联剪的上盒，抚平土壤，盖上直剪仪上盒。根皮处理及放置如图1 所示。图 1根 土界面摩擦试验Fig1Frictional test on root-soil interface3研究结果31多花木蓝和双荚决明根系根皮微观特征植物根系发挥固土护坡作用，不仅取决于根系的力学特性，还取决于根 土界面摩擦形成“钢筋混凝土”的效果29。由表 1 可知，对于多花木蓝，根径 1 2 mm 时，根表皮较为光滑，随根径的增大，根表皮出现沟壑和