半干旱礦區典型灌木根系固土力學及疲勞性能的差異性

張 欣王 博劉鐵軍郭建英王虎剛楊振奇

(1.中國水利水電科學研究院 內蒙古陰山北麓草原生態水文國家野外科學觀測研究站,北京100038;2.水利部 牧區水利科學研究所,內蒙古 呼和浩特010020;3.內蒙古師范大學,內蒙古 呼和浩特010020;4.內蒙古自治區水利事業發展中心,內蒙古 呼和浩特010020)

植物根系既具有吸收、傳輸水分和養分的生物功能,也兼備穩固自身并固持土體抵抗侵蝕的力學功能[1]。長期以來,能夠積極發揮枝葉防風和根系固土效能的植物措施,一直是中國北方進行植被重建和生態修復的主要方式。尤其在半干旱礦區的復雜侵蝕環境中,因灌木根系在減弱土壤侵蝕,加固斜坡,固持土體等方面都能發揮積極的作用,使得該類植物成為邊坡防護的首選物種以及區域水土流失防治的是首道防線[2]。

灌木根系的固土效能主要取決于其生物力學特性。因根系是由纖維素、半纖維素和木質素等化學物質組成,類似于高聚物材料,自身具有抗拉、抗壓、抗折和抗彎曲等力學特性,對土體產生有效的約束[3]。一方面通過與土體錯綜纏繞形成一種加筋土,有效抵抗土體變形[4],另一方面根系如同錨桿一樣扎入土體中,將淺層土體與深層土體嵌合在一起,使土體更加堅固和穩定[5]。從生長及力學特性角度研究不同灌木根系錨固土體、抵抗土體位移和變形能力,對于正確理解灌木根系固土抗蝕特性并充分發揮其保育水土、防風固沙的作用有重要意義。而不同灌木自身特性的種間差異又可造成其固土效能的差異化,在半干旱礦區侵蝕防控和精準植被建設的雙重需求下,這種差異化特征將成為物種選擇的基礎依據。

目前關于植物根系抗拉力學特性的研究多集中于植物種類[6]、土壤含水量[7]、季節變化等外部因素[8]及根系直徑、結構特征[9]、活性、化學組成等[10]內部因素的影響,且基本均為靜荷載下根系拉伸試驗,獲取的數據也僅能代表靜態下根系力學特性。但實際上,在自然界中,尤其是在以風蝕為主的干旱半干旱區,風力不間斷地吹蝕作用于植物地上枝葉,形成動荷載由莖干不斷地向地下根系傳導,使根系處于循環拉伸的疲勞狀態,形成疲勞性塑性損傷[11]。在這種動荷載作用下,植物根系的抗拉力學特性會發生何種變化?是否會影響其固土效能,進而改變群落及土體的穩定性?

本研究以半干旱礦區常見植物北沙柳(Salix psammophila)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)和沙棘(Hippophaerhamnoides)為研究對象,對3種灌木根系形態的垂直分布差異性進行分析,并開展動荷載拉拔試驗,模擬研究風力吹蝕下循環拉拔造成的根系疲勞對直根及側根分支處抗拉力學特性的影響,探討典型灌木根系固土力學及疲勞性能的差異性,以明確不同灌木根系的固土功能特征,為生態脆弱區植被恢復過程中的物種篩選和侵蝕有效防控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗與陜西省榆林市交界處,該區域屬于神府—東勝煤田神東礦 區,地 理 坐 標 為:110°05′—110°30′E,39°27′—39°15′N,海拔1 310 m,屬于大陸性干旱半干旱氣候,年均氣溫8.9℃,年均降水量396.8 mm,年均蒸發量1 790.4 mm,無霜期130 d,該地區土壤貧瘠,成土母質主要有風積沙、沖積物和洪積物,土壤粒徑主要以砂礫為主。生態環境脆弱,屬于典型的荒漠化草原景觀,植被主要分布有北沙柳、小葉錦雞兒、沙棘、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、沙米(Agriophyllum squarrosum)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。

1.2 樣地設置

礦區自2005年開始針對采煤沉陷區進行生態治理,主要選擇小葉錦雞兒、沙棘和北沙柳進行帶狀栽植,植被建設10 hm2,初植密度為220株/hm2。針對研究內容和研究對象,選擇長勢良好的人工建植灌木群落:小葉錦雞兒群落、北沙柳群落和沙棘群落,分別布設3塊20 m×20 m灌木樣方。統計各灌木樣方中灌叢蓋度、密度等樣地參數,在各灌木樣方中隨機選取生長狀況健康的植株20株,測量每株基徑D(mm)、冠幅C(m2)、株高H(m),計算均值并依此選擇標準株,生長指標詳見表1。

表1 研究區灌木標準株生長狀況

1.3 根系形態測定

對所選供試植株根系進行整株保護性挖掘,選擇逐層去土,土層設置為0—10,10—20,20—30,30—40 cm以及40 cm以下土層,整株根系挖掘深度要求不出現細毛根為止。每一土層暴露出來的根系利用軟毛刷刷去根系表層附土,剪斷后按徑級分裝如密封袋冷藏。使用Epson Expression 10000XL高精度掃描儀對單位面積內的累計根長、根體積以及根表面積進行測定,使用Win RHIZO 2009年系統對根系形態學指標進行分析。根生物量采用烘干法進行測定。整株根系指標為各土層根系所測指標之和。

1.4 根系疲勞試驗方法

根系是由各個徑級的直段根與側根分支處連接構成的復雜的網絡結構。從根的拓撲學特性的角度來分析,灌木側根分支主要為二分枝型。二分枝型的側根去掉主根,剩下的兩部分側根直徑粗細相差很小,呈人字形。2019年5月在研究區內挖取3種灌木2～4 mm根徑范圍內的直根和側根分支處若干,將挖取的根系覆蓋根際土,放入冷藏箱低溫保存帶回實驗室,在10 d內完成試驗,以保證試驗過程中根系具有活性。試驗前采用精度為0.01 mm電子游標卡尺精確測量供試根直徑,圖1a為直根,十字交叉測量A,O,B三點直徑,計算平均值作為直根根徑采用游標卡尺;圖1b為側根分支處,每隔120°測量分支節點O、上級直根A和2條下級側根B處的直徑,計算平均值作為側根分支處的根徑。測試部分長度為6 cm,陰影部分為夾具加持段。

圖1 供試根形態示意圖

利用TY 8000伺服控制材料試驗機對供試根施加軸向循環荷載。試驗分3組進行,A組為單次荷載下的根系極限抗拉力試驗,測定供試根的極限抗拉力,供試根樣本數為40個,其中直根和側根分支處各20;B組為輕度循環荷載,施力強度為A組所測極限抗拉力的30%。第1次執行測試前輸入30%極限力數值,以便在固定的拉力值時對根系停止拉伸,循環進行50次,加載速度設定為20 mm/min,循環中途滑脫、表皮破裂或斷裂均視為無效數據,其中直根試驗成功率為55%,供試根樣本數為80個,有效數據為44個,側根分支處試驗成功率為46%,供試根樣本數為80個,有效數據為36個。當50次循環完成后,以相同加載速度將供試根以勻速拉伸直至完全斷裂,記錄斷裂時的拉力值。C組為重度循環荷載,施力強度為A組所測極限抗拉力的70%。第1次執行測試前輸入70%極限力數值,后續操作同B組,其中直根試驗成功率為30%,供試根樣本數為80個,有效數據為24個,側根分支處試驗成功率為25%,供試根樣本數為80個,有效數據為20個。循環完成后將所有供試根勻速拉斷并記錄拉力值。根系抗拉強度計算公式為:

式中:δ為抗拉強度(MPa);F為抗拉力(N);D為根系平均直徑(mm)。

1.5 數據處理與分析

試驗數據處理及作圖采用Excel及SigmaPlot 14.0軟件完成,采用SPSS 20.0軟件進行統計檢驗。選取最小顯著極差法(LSD)對3種灌木根系形態、直根及側根分支處在單次荷載、輕度循環荷載和重度循環荷載下的抗拉力學特性進行差異性檢驗(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 灌木根系形態特征差異性

單位面積根生物量是反映植物根系在土壤內生長狀況的指標。由圖2可知,3種灌木根生物量差異顯著(p＜0.05),表現為:北沙柳(9.46±3.73 g/m2)＞小葉錦雞兒(5.77±1.37 g/m2)＞沙棘(2.37±0.36 g/m2),且根生物量均隨土體加深而逐層遞減。北沙柳、小葉錦雞兒和沙棘根生物量均在0—10 cm的表層土體所占比例最大,分別占總生物量的41.86%,34.87%和38.88%。單位面積累計根長是反映植物根系吸收水分和養分能力的指標。

圖2 灌木根系形態指標變化

由圖2可知,3種灌木累計根長差異顯著(p＜0.05),表現為北沙柳(1 015.49±295.11 cm/m2)＞小葉錦雞兒(718.76±132.62 cm/m2)＞沙棘(362.82±65.43 cm/m2),且均在10—20 cm的淺層土體所占比例最高,依次占總根長的28.19%,24.93%和36.42%。單位面積根體積也是反映植物根系吸收和傳導水肥的重要指標,由圖2可知,3種灌木根體積差異顯著(p＜0.05),表現為:北沙柳(8.78±2.44 cm3/m2)＞小葉錦雞兒(5.11±1.12 cm3/m2)＞沙棘(2.73±1.06 cm3/m2),根體積均隨土層加深而減小,在0—10 cm的表層土體所占比例最大,分別占根總體積的39.41%,30.42%和36.21%。單位面積根表面積是影響根系固土的重要指標,由圖2可知,3種灌木根表面積差異顯著(p＜0.05),表現為:北沙柳(335.38±68.01 cm2/m2)＞小葉錦雞兒(231.39±60.06 cm2/m2)＞沙棘(158.63±59.09 cm2/m2),且均在10—20 cm的淺層土體所占比例最高,依次占總根表面積的28.61%,30.72%和31.01%。

2.2 循環荷載對灌木直根抗拉特性的影響

根系抗拉力和抗拉強度是反映其對外力軸向拉拔破壞抵抗能力的指標。由表2可知,在2～4 mm根徑范圍內,北沙柳、小葉錦雞兒和沙棘直根在單次、輕度和重度循環荷載后,抗拉力均與根徑呈冪函數正相關,抗拉強度均與根徑呈冪函數負相關。由表3可知,3種灌木直根在單次、輕度和重度循環荷載后抗拉力均差異顯著(p＜0.05),均表現為小葉錦雞兒抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘抗拉力最低,抗拉強度在種間具有相同的差異性。循環荷載能夠顯著提升北沙柳和小葉錦雞兒直根的抗拉力學特性,且隨荷載程度增加,提升幅度增大,相比單次荷載,輕度循環荷載后二者抗拉力分別增加20.26%和58.99%,抗拉強度分別增大14.57%和34.63%;重度循環荷載后二者抗拉力分別增加25.98%和83.30%,抗拉強度分別增大28.78%和47.68%。相比單次荷載,沙棘直根抗拉力學特性在輕度循環荷載下有所下降但差異不顯著,抗拉力和抗拉強度分別降低3.28%和6.83%,而在重度循環荷載下抗拉性能又顯著提升,抗拉力和抗拉強度分別增加50.06%和53.95%。

表2 循環荷載下灌木直根極限抗拉力學與根徑回歸分析

表3 循環荷載下灌木直根抗拉力學特性差異性分析

2.3 循環荷載對灌木側根分支處抗拉特性的影響

由表4可知,在2～4 mm根徑范圍內,北沙柳、小葉錦雞兒和沙棘的側根分支處在單次、輕度和重度循環荷載后,抗拉力均與根徑呈冪函數正相關,抗拉強度與均根徑呈冪函數負相關。由表5可知,3種灌木側根分支處抗拉力差異顯著(p＜0.05),單次荷載下小葉錦雞兒抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘抗拉力最低,但在輕度和重度循環荷載后則表現為:沙柳＞小葉錦雞兒＞沙棘,抗拉強度在種間具有相同的差異性。循環荷載對3種灌木側根分支處的影響不盡相同,能夠顯著提升北沙柳側根分支處的抗拉力學特性,且隨荷載程度增加,提升幅度增大,輕度和重度循環荷載后北沙柳抗拉力分別增加71.52%和107.08%,抗拉強度分別增大113.81%和168.26%;而小葉錦雞兒側根分支處在循環荷載后抗拉力和抗拉強度均出現明顯的下降,相比單次荷載,二者分別降低50.45%和54.25%(輕度和重度無差異)輕度循環荷載對沙棘側根分支處抗拉力學特性無明顯影響,但重度循環荷載可顯著增加其抗拉力和抗拉強度,二者分別增加33.52%和41.57%。

表4 循環荷載下灌木側根分支處極限抗拉力學與根徑回歸分析

表5 循環荷載灌木側根分支處抗拉力學特性差異性分析

3 討論

3.1 形態學特性對根系固土的影響

在半干旱礦區的復雜侵蝕環境中,固土抗蝕作用是根系首要發揮的生態功能。在本研究中,北沙柳的根系形態指標如根生物量、根體積、根長和根表面積均是最優值,小葉錦雞兒次之,沙棘的根系形態表現最差,表明北沙柳根系能夠更好地支撐土體并減輕位移變形的程度。這是因為根系形態是決定固土效能的直接指標,根系與土體的接觸面積越大,根—土界面摩擦力隨之增大[12]。當土體在采煤沉陷的重力作用或其他侵蝕營力破壞下發生變形時,土體與根系間將會形成相互錯動的趨勢,這種趨勢一方面能被根—土界面的摩阻力所抵抗,另一方面,根系的側向約束力也能有效減弱土體位移[13]。Frydman等[14]也表明根系密度和長度越大,地下生物量越大,則植物保持水土的能力越強。試驗結果還表明,3種灌木根生物量、體積和表面積均集中分布于表層和淺層土體,具有隨土層加深而減小的趨勢,以分形理論對植物根系分布結構的研究表明,根系分形維數與根系加筋能力具有一致的變化,根系生物量集度越高,分形維數越大,則植物根系對土體的加固能力增強[15]。這說明在半干旱礦區,北沙柳等的根系對表層和淺層土體具有更好的固持作用,對深層土體的支撐作用相對較弱。

3.2 抗拉力學特性對根系固土的影響

不同植物種間根系抗拉強度差異明顯。本試驗結果表明,小葉錦雞兒單根極限抗拉強度(單次荷載)均顯著大于北沙柳和沙棘,因為根系抗拉力、抗拉強度等材料力學指標可量化反映根系的力學支撐效應[16],表明小葉錦雞兒根系對土體有較高的力學加固和保護作用。單根抗拉力和抗拉強度的差異可能與植物根系化學成分含量差異有關,小葉錦雞兒根系纖維素和綜纖維素含量高于后者,這兩種成分凝聚成的纖維束可增強根系的材料力學強度[17]。不同植被類型中,小葉錦雞兒單根抗拉強度明顯低于黑麥草、百喜草和香根草等草本植物[18],但明顯高于白樺、油松和落葉松等喬木[19],與檸條錦雞兒和霸王等灌木相近[20]。根系含水量、纖維素微纖絲排列方式、木質素含量、解剖結構等綜合作用導致了這種差異的產生[21]。本研究表明,北沙柳、小葉錦雞兒和沙棘單根抗拉力均與根徑呈冪函數正相關,抗拉強度均與根徑呈冪函數負相關,這與關于白刺、霸王、黃花柳等[20,22]植物的研究結果一致,也符合Tosi等[23]提出的抗拉強度Tr與根徑D的回歸方程(Tr=aD-b),這種現象出現的原因主要是纖維素微纖絲存在于根系細胞壁中,承擔著拉力傳導的功能并決定了根系強度,其含量普遍表現為隨根徑增大而降低的趨勢[24]。

3.3 疲勞特性對根系固土的影響

試驗結果表明,相比單次荷載,3種灌木直根在循環荷載后抗拉力和抗拉強度均出現明顯提升,這與學者對油松[25]和側柏[11]的研究結果相似。說明風力等循環動荷載造成的植物根系疲勞可改變其材料力學特性,在一定程度上會增強單根抗拉拔能力,也相應提高了根系增強土體抗蝕能力的程度。這種“增強效應”可能是因為在循環荷載過程中根細胞會逐漸失去水分并對空間結構形成擠壓,纖維素微纖絲形成聚集并形成強有力的纖維束,以根系彈性的喪失來換取更強的抗拉能力[26]。但根型對疲勞特性存在一定影響,試驗結果表明,小葉錦雞兒側根分支處的抗拉力和抗拉強度在循環荷載后出現了明顯下降,抵抗外力拉拔破壞的能力被顯著削弱,這可能是因為小葉錦雞兒側根分支處的分支節點是根網的易損部位[27],在循環拉拔下節點處容易產生裂隙,根段的結構穩定性被破壞,導致抗拉強度減弱,對土體的支撐和側向約束力將被抑制,固土效能降低。

4 結論

(1)3種灌木根生物量、累計根長、根體積和根表面積種間差異顯著,均表現為:北沙柳＞小葉錦雞兒＞沙棘。根系形態指標均具有隨土體加深而遞減的趨勢,根生物量和根體積集中分布于0—10 cm的表層土體,累計根長和根表面積集中分布于10—20 cm的淺層土體。

(2)3種灌木直根在單次、輕度和重度循環荷載后,抗拉力均與根徑呈冪函數正相關,抗拉強度均與根徑呈冪函數負相關,且抗拉力和抗拉強度均表現為:小葉錦雞兒＞北沙柳＞沙棘;循環荷載能夠顯著提升3種灌木直根的抗拉力和抗拉強度,重度循環荷載后的提升效果更明顯。

(3)3種灌木側根分支處在單次、輕度和重度循環荷載后,抗拉力與抗拉強度隨根徑的變化與直根相似。單次荷載下小葉錦雞兒側根分支處抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘最低,但在輕度和重度循環荷載后則表現為:沙柳＞小葉錦雞兒＞沙棘;循環荷載后北沙柳和沙棘側根分支處的抗拉力學性能明顯增加,但小葉錦雞兒卻被顯著削弱。