尖萼金絲桃根系特征對其抗拉特性的影響研究
2019-12-13 08:28唐彪薛海龍何新杰張競元沈彥會趙亮
安徽農業科學 2019年22期
唐彪 薛海龍 何新杰 張競元 沈彥會 趙亮
摘要?以西南地區2年生野生鄉土植物尖萼金絲桃為研究對象，采用室內拉拔試驗，選取拉拔位移、抗拉拔力、抗拉強度以及彈性模量作為抗拉拔特性指標，探討根徑、根長對其抗拉拔特性的影響。結果表明，根系拉拔位移與直徑顯著相關;抗拉拔力與直徑間表現為正向相關，根系極限抗拉拔力隨根徑的增大而增長;抗拉強度與直徑呈負相關，極限抗拉強度隨根徑的增大而減小。彈性模量隨著根徑的增加呈現不斷減小的趨勢，彈性模量為2.695～432.230 MPa。該研究結果可為更好地定量評價尖萼金絲桃根系增強邊坡固土抗蝕性能的貢獻提供試驗數據支撐，為進一步深入探討植物根系增強邊坡土體的穩定性機理提供參考。
關鍵詞?尖萼金絲桃;拉拔位移;抗拉拔力;抗拉強度;彈性模量
中圖分類號?U417.1+2文獻標識碼?A
文章編號?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，對土體的加固以錨固為主[1-3]。垂直根系對根土復合體起到束縛骨架的作用，從而起到制約土體變形、增強復合體整體穩定性的作用。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，在與周圍土體的相互咬合作用下，使不穩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定土層，利用穩定土層的錨固作用和被動抗力達到穩定坡面的作用。根系將所承受的荷載向土體深層傳遞，并向周圍擴散，從而降低根土復合體的應力水平，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，主要通過根系的抗拉拔力、抗拉強度及變形特征等方面來反映[7]。國內外許多學者[8-10]對根系的抗拉強度及根系抗拉強度與直徑之間的關系進行了研究，不同學者對不同植物種類的研究結果不盡相同。根系作為生物材料，其內部結構對其力學特性起到決定性的作用，且在生長過程中受外界環境的影響較大。目前對其力學特性的研究涉及到植物學、材料力學、彈塑性力學等多門學科。筆者以西南地區野生鄉土植物尖萼金絲桃（Hypericum acmosepalum N.Robson）為研究對象，探討其在特定條件下的單根拉拔位移、抗拉拔力、抗拉強度、彈性模量與根徑、根長之間的關系，旨在為尖萼金絲桃植物根系固土抗蝕性能評價提供數據支撐，也為尖萼金絲桃的后續推廣應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，根系發達，萌芽力強，對土壤適應性較好，是水土保持的良好樹種。
依托貴州六盤水邊坡工程項目，依據“之”字形挖取在相同邊坡環境下生長時間為2年的長勢較好、枝葉繁茂、生長期為花期、株高約130 cm、冠幅約50 cm×50 cm、分枝數約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株開展室內根系單根拉拔試驗。
采用游標卡尺測量根系直徑（D），按下述4個徑級（D<1.0 mm、1.0≤D≤3.0 mm、3.0
為避免根系在夾具處滑脫，試驗時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卡尺測量根斷裂處直徑（D）。按以下公式計算根系的抗拉強度（P）：
式中，P為抗拉強度（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。
按以下公式計算根系抗拉拔過程的應力（MPa）及應變（%）：
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，單位為mm。
以應變為橫坐標，以對應的應力為縱坐標，繪制根系的應力場曲線，選取應力場曲線中直線段的斜率作為根系的彈性模量（E）。從長度和直徑2個角度對根系抗拉強度進行研究，得到單根抗拉強度的二元計算模型。
2?結果與分析
2.1?單根抗拉拔性能
試驗根系（D≤3.0 mm）相對脆弱，在拉拔過程中易在夾具處發生斷裂。對試驗結果進行處理時，若根系在試驗過程中發生滑動或夾斷等情況，則視為數據無效，應予以剔除。試驗共對60個尖萼金絲桃根系樣本進行了單根拉拔測試，測得的抗拉試驗結果如表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度均對其抗拉位移、抗拉拔力、抗拉強度以及彈性模量均產生較大影響。
2.2?根系拉拔位移與根徑、根長相關分析
以尖萼金絲桃根系直徑為橫坐標，以拉拔位移為縱坐標，分析尖萼金絲桃根系的抗拉特性，其與根徑、根長的關系見圖1。
研究選取的尖萼金絲桃根系直徑范圍為0～5.5 mm，對應的拉拔位移范圍0～35 mm。從圖1可以看出，對于相同直徑的根系，根長越長，拉拔位移相對越大;對于相同根長的根系，直徑越大，拉拔位移相對越大;當根長分別為10和15 cm時，隨著根系直徑的增大，拉拔位移呈現出先增長后降低再增長的變化趨勢;當根長為5 cm時，隨著根系直徑的增大，拉拔位移呈現增長趨勢;究其原因，可能是因為根長為5 cm的為短根系，根系拉拔時僅發生正向拉伸形變，根系越粗，形變越大，相對的拉拔位移越大;根長為10和15 cm的為長根系，根系拉拔時可能會發生正負雙向拉伸形變，根系直徑≤3.0 mm和根系直徑>5.0 mm時，根系拉拔均發生正向形變，對應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的根系則發生了負向形變，對應的拉拔位移負向增大。
2.3?抗拉拔力、抗拉強度與根徑、根長相關分析?相關研究表明，植物根系直徑相對于根皮結構和性質對根系強度的影響更明顯，根系的極限抗拉拔力與其直徑呈顯著的線性關系[11-13]。大多數學者認為，用冪函數來擬合根系強度與直徑的關系，較其他回歸方程具有更好的相關性[14-15]。
對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進行回歸擬合，并計算出極限抗拉強度P，得到尖萼金絲桃單根極限抗拉拔力及極限抗拉強度與其根徑、根長間的關系，如圖2、3所示。擬合結果表明，根系極限抗拉拔力、極限抗拉強度與根系直徑、根長間的冪函數關系顯著，冪函數方程的回歸系數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為正向關系，根系極限抗拉拔力隨根徑增大而增長，與劉亞斌等[16-17]和趙玉嬌等[18]認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持續增大的趨勢的研究結果基本一致。由其擬合函數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度的計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度與直徑間呈負相關關系，其極限抗拉強度隨根徑的增大而減小，該與萬娟[19]和趙冰琴[20]認為多花木藍根系抗拉強度隨著根系直徑的增大整體上呈現不斷減小趨勢的結論相類似。單根極限抗拉強度變化范圍從32.054 MPa（D=0.5 mm）到1.079 MPa（D=5.5 mm），減小幅度達32倍。由其擬合函數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度計算公式可以由下式表示：
式中，P為單根極限抗拉強度; D為根系斷裂處直徑。
2.4?根系應力-應變關系與弾性模量分析?從圖4可以看出，不同根長尖萼金絲桃根系的應力-應變曲線均呈現出近“正弦函數”型的變化趨勢，隨著應變的增加，應力曲線呈現先快速上升再快速下降而后緩慢上升再下降的趨勢，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，隨著應變的增加，應力直線增加，根系在達到應力峰值后沒有直接被拉斷，應力快速減小但沒有消失，此后隨著應變的增加，應力曲線呈現出先緩慢上升后下降的變化趨勢，最終趨近于0，上述結果表明尖萼金絲桃根系具有良好的塑性變形特性，在拉力最大時仍可以保持纖維組織連接，雖然已大部分損傷，但不會被完全拉斷，此后仍有拉力產生，這是因為生長2年的尖萼金絲桃根系木質部已經比較發達，含有大量木質素，質地較為堅硬，針對坡度較大，存在滑動趨勢但未發生滑動破壞的坡體，利用其根系的加筋和錨固效應能夠更好地提高邊坡的穩定性。
將應力-應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不斷減小的趨勢，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，抵抗變形的能力減小，與趙亮[21]對香根草、郝鄭芳[22]對狗牙根和高羊茅、夏振堯等[23]對麥冬和多花木藍根系拉拔研究的結論相類似。根系的彈性模量為2.695～432.230 MPa，其彈性模量遠大于土體的彈性模量（0.35～40.00 MPa）。不同根長的根系彈性模量變化曲線有類似的規律，根系的彈性模量減小的幅度與直徑的大小相關，根系直徑D<3.0 mm時彈性模量減小的幅度較大，這是因為直徑D<3.0 mm時的尖萼金絲桃根系正是木質素急劇增加的時期，因此彈性模量相對變化急劇，此后隨著直徑的增大，彈性模量的變化幅度相對平緩。
3?結論
（1）尖萼金絲桃根系拉拔位移與根系直徑顯著相關，相同根長，直徑越大，拉拔位移越大;短根系，根系拉拔時僅發生正向拉伸形變，根系越粗，形變越大，拉拔位移越大;長根系，根系拉拔時會發生正負雙向拉伸形變，根系越粗，形變增大-減小間替變化，相對的拉拔位移也呈現增大-減小間替的趨勢。
（2）尖萼金絲桃根系直徑與抗拉拔力間表現為正向相關，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），增長了近10倍?？估瓘姸扰c直徑間呈負相關，其極限抗拉強度隨根徑的增大而減小。單根極限抗拉強度變化范圍32.054 MPa（D=0.5 mm）到1.079 MPa（D=5.5 mm），減小幅度高達32倍。
（3）不同直徑根系的應力應變曲線呈現出近“正弦函數”變化趨勢，隨著應變的增加，應力呈現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，表明尖萼金絲桃根系具有良好的塑性變形特性，針對坡度較大，存在滑動趨勢但未發生滑動破壞的坡體，尖萼金絲桃根系的加筋和錨固效應能夠更好地提高邊坡的穩定性。
（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，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不斷減小的趨勢，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，抵抗變形的能力減小。根系的彈性模量為2.695～432.230 MPa，其彈性模量遠大于土體。根系的彈性模量減小幅度與直徑大小相關，當根系直徑≤3.0 mm時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緩慢且幅度平緩。
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