石質陡邊坡構樹根系抗拉特性研究

羅龍皂,李紹才,孫海龍,龍 鳳,張 丞,盧荻秋

(1.西南大學資源環境學院,重慶 400715;2.四川大學生命科學學院,四川成都 610064;3.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,四川成都 610064;4.四川大學水利水電學院,四川成都 610064)

石質陡邊坡構樹根系抗拉特性研究

羅龍皂1,李紹才2,孫海龍3,龍 鳳2,張 丞4,盧荻秋4

(1.西南大學資源環境學院,重慶 400715;2.四川大學生命科學學院,四川成都 610064;3.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,四川成都 610064;4.四川大學水利水電學院,四川成都 610064)

石質陡邊坡;構樹根系;抗拉強度;根系分級;上坡向;下坡向;應力 -應變曲線

通過對構樹根系進行室內單根拉伸試驗,從根系生長方位和根系分級角度,系統分析了上、下坡向,一、二、三級側根的抗拉強度和應力-應變曲線。試驗研究結果表明:根系的抗拉強度隨著根徑的增大而減小,有著很好的冪函數關系,并且隨著根徑的增大,它們的抗拉強度值越來越接近;根系的應力 -應變曲線與其自身的生長方位、根徑大小、根系分級存在一定的關系;上、下坡向根系的抗拉強度之間存在顯著性差異,其中下坡向根系的抗拉強度大于上坡向根系的抗拉強度;一、二、三級根系的抗拉強度之間不存在顯著性差異,三級側根抗拉強度平均值最大、二級側根次之、一級側根最小。由此可見,細根或毛根抗拉強度大,對保持邊坡穩定的貢獻較大。不同生長方位和分級根系對護坡的貢獻也不相同,其中下坡向根系的貢獻要大于上坡向根系,隨著根系級別的增加,根系對護坡的貢獻率也在增加。

植物根系在提高邊坡穩定性和防止坡面整塊垮塌中扮演著很重要的角色[1],植物根系不光從土壤中吸收養分,還具有支撐地上部分與加固巖土體的重要力學功能[2-3]。根系的抗拉特性是評估其力學作用能力的重要方面,故國內外很多學者對其進行了研究[4-9]。這些研究主要集中在根系應力-應變關系及根系抗拉力與根徑之間的關系、抗拉強度與根徑之間的關系等方面,大多是在平地或土質邊坡中開展的,對石質邊坡生境下根系抗拉特性的研究較少,且在坡面條件下根系的抗拉特性受根系的空間分布位置及外荷載條件的影響劇烈,但目前對這方面的定量研究還較匱乏[10-12]。

構樹在我國分布廣泛,尤其在南方地區極為常見,具有適應性特強、抗逆性強、根系淺、側根分布很廣、生長快、萌芽力和分蘗力強的特點,尤其適合于石質陡邊坡的生態防護。因此,本試驗以石質陡坡生境下的構樹為研究對象,著重從根系在坡面的生長方位與根系分級角度對構樹根系抗拉特性進行研究,目的是探明根系抗拉特性隨植物根系空間分布的變化特征,為定量評價植物根系的材料力學行為提供依據,以進一步為巖石邊坡生態防護提供指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地介紹

試驗地為四川省勵自生態技術有限公司試驗基地,位于四川省彭州市升平鎮。本地區氣候屬亞熱帶季風氣候,年平均氣溫16.3℃,最熱月(7月)平均氣溫 25.8℃,最冷月(1月)平均氣溫5.6℃,年平均降水量 1 146.5mm,其中生長季(3— 10月)降水量 816.3mm,年平均相對濕度 79%,年均蒸發量1 536.4mm。

該石質邊坡為人工模擬邊坡,試驗區面積為 4.75m×15m,坡度為 1∶0.75,坡向南。巖石面采用 100 cm×50 cm×10 cm的石板砌成,基質用植壤土(土壤類型為紫色土)與 TBS綠化基材(具體組成見文獻[13])按質量比 10∶1混合,采用干噴法噴射(12m3空壓機、5m3/h混凝土噴射機)至試驗坡面,厚度 10 cm。測得基質混合物的容重為 1.07 g/cm3,有機質含量為 47.06 g/kg。供試種于 2005年 6月以噴播方式與刺槐、桑樹、錦雞兒種子進行混合播種,試驗時間是 2009年 5月份。試驗前測得基質全N含量為 3.49 g/kg、全 P為 6.96 g/kg、全 K為 3.56g/kg。

1.2 根系挖掘與測量

(1)試驗前將坡面枯落物等雜質清除,選定試驗植株(共 10棵)。

(2)通過開挖測得土壤厚度約為 10 cm,挖至 5 cm左右,露出鐵絲網,根系、土體、鐵絲網相互交織在一起。小心地將根系周圍的鐵絲網剪掉并將其清理出坡面,此時土體厚度約剩 5 cm,然后對土體澆水至飽和,24h后進行根系人工挖掘。

(3)選取根系中比較直的部分,長度為 150mm,用枝剪小心剪取,獲得的樣品貼上標簽,注明采集植株、方位、根系分級等信息,立即裝入自封袋并放入 4℃冰箱保存[14]。

(4)根系力學特性測試前先用小刀將根皮剝掉,然后用游標卡尺對其根徑進行測量,由于根斷面不是規則的圓形,所以測量時應同時測幾個直徑,并以最大的那個直徑作為根系的直徑(根徑的測量需同時測根端和根中部直徑)[4]。

1.3 根系力學特性測試

試驗根系按其生長方位可分為上坡向和下坡向兩類[8];根系分級按照標準分級方法分為一級側根、二級側根和三級側根[15-16]。根系生長方位和分級情況見圖 1。進行根系力學特性測試前測定根系含水量為1.36%(均值),在室溫條件下,利用電子萬能試驗機(CMT5000,深圳新三思有限公司生產)對它們進行單根力學特性測試。電子萬能試驗機上裝有可卸載夾具,試驗時將根系兩端固定在夾具上,以保證其軸心受拉。拉伸過程中,根系容易在其與夾具接觸處斷裂。只有根系在根段中點附近斷裂,我們才認為試驗是成功的。

圖1 坡面植物根系生長方位和分級示意

根系的抗拉強度計算公式為

式中:Tr為根系的抗拉強度,Mpa;Fa為最大抗拉力,N;D為根斷裂點直徑,mm。

1.4 數據分析

對不同生長方位、不同分級根系的抗拉強度與根徑進行回歸分析,探討它們之間的關系。再對不同生長方位根系抗拉強度進行配對樣本T檢驗,分析它們之間的差異。對數據進行協方差分析,看根系分級是否對根系的抗拉強度產生顯著影響,其中根徑作為協變量,根系分級作為自變量,抗拉強度作為因變量。數據的正態性檢驗使用的是 Kolmogorov-Smirnov檢驗法,如果數據不符合正態分布,則對數據進行對數轉化。這些分析都是在spss16.0軟件中進行的(顯著水平為 0.05)。

2 結果與討論

2.1 根系抗拉強度與根系直徑間的關系

很多研究表明[17-20],根系的抗拉強度(Tr)與根徑大小有很大的關系,因此我們對上、下坡向不同分級(一級、二級、三級)根系的抗拉強度值與相應根徑進行了回歸分析,把曲線參數、樣本數量、根徑范圍、判定系數、相伴概率列于表 1中。分析結果(見圖 2)表明,上、下坡向各個分級根系的抗拉強度都隨著根徑的增大而減小,存在很好的冪函數關系(Tr=α? dβ),這與前人的研究結果一致[5,9-10]?；貧w方程中的指數 β表示根系抗拉強度隨著根徑減小的速率,α可以作為一個尺度因子[14]。一級側根的α值較低,β值較高,表現出較低的抗性;二級側根的α值較高,β值較低,表現出較高的抗性。另外,上、下坡向根系中,隨著根徑的增大,各級根系的抗拉強度值越來越接近。

表 1 根系抗拉強度與根徑回歸方程參數

2.2 根系應力-應變曲線特征

研究發現,同一植株中同一分級、根徑相同的根系,生長方位不同則其應力-應變曲線差異較大。植物根系材料可分為彈性和塑性兩類[7]。一級側根中〔圖 3(a)〕,上坡向根系曲線的彈性階段較短,延伸率較大,表現為較大的塑性;而下坡向根系曲線表現為較大的線性。二級側根中〔圖 3(b)〕,上坡向根系彈性階段很小,延伸率達到 12%左右,主要表現為塑性;下坡向根系曲線具有較大的線性。上、下坡向三級側根的曲線形狀比較相似〔圖3(c)〕,彈性階段比較明顯,延伸率都達到12%左右,均表現為彈塑性特征。下坡向三級側根的比例極限 σpl、極限應力 σu都要大于上坡向三級側根,說明上坡向三級側根具有更大的剛度。由此可見,根系的應力-應變曲線與其生長方位有著密切的關系,因為不同生長方位上根系的水分、受力均會有差異,這都會影響根系的力學特性[21],從而導致上、下坡向應力 -應變曲線的差異。另外,在同一植株中,根徑相同的條件下,上坡向方面,各級側根的應力 -應變曲線〔圖 4(a)〕也都具有比較明顯的彈性階段、應變強化階段、頸縮階段,表現出一定的彈塑性,其中一級側根的剛度和抗拉強度也是最大的。下坡向不同分級根系的應力-應變曲線〔圖 4(b)〕都具有比較明顯的彈性階段、應變強化階段、頸縮階段,而屈服階段不明顯,這些根系均表現為彈塑性特征。其中,三級側根的延伸率最大,達到 17%,說明其塑性最大。各級側根按極限應力 σu(與抗拉強度一致)大小排序為一級側根 ＞二級側根＞三級側根,說明一級側根的剛度和抗拉強度最大。也就是說,不論從上坡向還是下坡向來看,一級側根的剛度和抗拉強度都是最大的,這可能與根系的解剖結構有關[10-11],有待深入研究。

圖4 不同分級根系的應力-應變曲線

2.3 生長方位對根系抗拉強度的影響

通過對相同根系分級、相同(或相近)根徑、不同生長方位根系的抗拉強度值進行配對樣本T檢驗,發現生長方位對根系的抗拉強度有顯著影響,上、下坡向根系的抗拉強度值之間存在顯著差異(T值為 4.361,P＜0.05,n=25)。從圖 5可知下坡向根系的抗拉強度均大于上坡向根系的抗拉強度,這可能是水分、養分、重力等因素的影響造成上、下坡向根系木質化程度、纖維素含量的差異,從而導致上、下坡向根系抗拉強度大小的不同[12,21],具體原因有待進一步研究。

2.4 根系分級對抗拉強度的影響

不同分級根系在遺傳、發展和功能上具有獨特性[22],這可能會導致它們的力學特性之間有差異。我們對同一生長方位、相同根徑但分級不同的根系進行方差分析,發現下坡向根系中,根系分級對抗拉強度沒有顯著性影響,即一、二、三級側根的抗拉強度之間不存在顯著性差異(F=0.324,P=0.725,n=49),上坡向根系中也得到同樣結論(F=1.433,P=0.256,n=31)。雖然各個分級根系的抗拉強度之間不存在顯著性差異,但它們的平均值呈遞增趨勢(圖 5)。因為隨著分級的增加,根齡逐漸減小,而根齡小的根系可能具有更高的纖維素含量,從而提高其抗拉強度值[10]。

圖5 不同分級、不同生長方位根系抗拉強度

3 結 論

根系的抗拉強度是影響邊坡穩定的重要因素。本研究表明,根系抗拉強度隨著根徑增大而減小,有著很好的冪函數關系。上、下坡向根系的抗拉強度之間存在顯著性差異,其中下坡向根系的抗拉強度大于上坡向根系的抗拉強度。雖然一、二、三級根系的抗拉強度之間不存在顯著性差異,但它們的平均值呈遞增趨勢。由此可見,細根或毛根抗拉強度大,對保持邊坡穩定性的貢獻較大。不同生長方位和不同分級的根系對護坡的貢獻也不相同,下坡向根系的貢獻要大于上坡向根系,隨著根系級別的增加,根系對護坡的貢獻率也在增加。

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Characteristics of Tensile of Root System of Broussonetia papyrifera Growing on Lithosol Steep Slopes

LUO Long-zao1,LIShao-cai2,SUN Hai-long3,et al.
(1.School of Resources and Environment,SouthwestUniversity,Chongqing 400715,China;2.School of Life Sciences,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610064,China;

3.State Key Laboratory of Hyd rau lics Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610064,China)(37)

The paper systematically analyzes the tensile strength and stress-strain curveofup slope direction,down slope direction and lateral roots of grades 1,2 and 3 from the view points ofgrowing location and grade of rootsystem based on indoor single-root tensile tests of root system of Broussonetia papyrifera.The outcomes show thata)the tensile strength of root system decreases along with the increase of root diameter,showing a good relationship of power exponent.Their tensile strength values aregetting closer and closeralong with the increase of root diameter;b)the stress-strain curve of root system has a certain relationship with its growing location,size of root diameter and grade of root system;c)there is obvious difference existed between tensile strength of root system of up slope direction and down slope direction,ofwhich,the tensile strength of rootsystem of down slope direction is greater than that of the up slope direction and;d)there is noobvious difference existed among rootsystems ofgrade 1,2 and 3.The average value of tensile strength of the lateral root of grade 3 is themaximum,then the grade 2 and thegrade 1 them inimum.It can be seen that the tensile strength of fine rootor very thin root is great,having greater contribution to the stability of slopes.The contribution of rootsystem with different locations and differentgrades is also different.The contribution of root system of down slope direction is greater than thatof the up slope direction and the contribution rate of root system to slope p rotection increases along with the increase of root system grade.

lithosol steep slope;root system of Broussonetia papyrifera;tensile strength;grade of root system;up slope direction;down slope direction;stress-strain curve

Q14;Q94

A

1000-0941(2011)04-0037-04

國家自然科學基金項目(50974092)

羅龍皂(1985—),男,江西上饒市人,碩士研究生,從事環境生態方面的研究;通信作者孫海龍(1976—),男,黑龍江海林市人,講師,博士,從事生態工程研究工作。

2010-07-12

(責任編輯 徐素霞)