麥冬和多花木藍根系抗拉拔特性試驗研究

夏振堯， 管世烽， 牛鵬輝， 梁永哲， 胡文靜， 許文年

(1.三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 三峽地區地質災害與生態環境

湖北省協同創新中心， 湖北 宜昌 443002； 3.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司， 廣西 南寧 530029)

麥冬和多花木藍根系抗拉拔特性試驗研究

夏振堯1,2， 管世烽2,3， 牛鵬輝1,2， 梁永哲2， 胡文靜1， 許文年1,2

(1.三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 三峽地區地質災害與生態環境

湖北省協同創新中心， 湖北 宜昌 443002； 3.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司， 廣西 南寧 530029)

摘要：[目的] 揭示麥冬和多花木藍根系根土界面的抗拉拔力特性，為根土界面摩擦特性的進一步研究提供依據。 [方法] 通過控制5個梯度的土壤含水率，采用直接施加垂直拉拔荷載的單根拉拔試驗方法。[結果] 麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力隨根徑的增加而增大且呈非線性冪函數關系；在相同土壤容重條件下，麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力隨土壤含水率的增加而呈先增加后減小的趨勢。在土壤含水率介于一定范圍內時，多花木藍根的最大抗拉拔力大于麥冬根的最大抗拉拔力，而在其它土壤含水率條件下，麥冬根的最大抗拉拔力大于多花木藍根的最大抗拉拔力；并發現麥冬根的最大抗拉拔力的最大值在含水率為10.43%附近，而多花木藍根的最大抗拉拔力的最大值則在含水率為13.00%附近。 [結論] 根徑、土壤含水率和植物種類影響根土界面的抗拉拔力。

關鍵詞：根土界面； 固土作用； 拉拔試驗； 抗拉拔力

植物固土主要通過根系的加筋和錨固作用來實現[1]，根—土復合體在外力作用下，其變形小于素土[2-3]。加筋理論模型認為，植物根系的彈性模量要遠遠高于土體，植物根系與土體相互作用時，會在根系與土壤接觸界而產生摩擦阻力，這不僅限制了根系周圍土體的變形而且使根系周圍的土體受到壓縮而增大土體的內聚力，提高了土體的強度從而起到固持土體的作用[4-6]。因此，根土界面的摩擦特性是根系固土機制研究的關鍵之一。根系與土壤的摩擦特性研究，目前常借鑒土壤與其他材料的界面摩擦特性研究方法，如采用直剪試驗研究喬木與灌木根系與土體界面摩擦特性[2,7]，采用拉拔試驗模擬加筋材料被拔出的特性[8]。

植物根系的抗拉拔力是表征植物根—土摩擦特征的一個重要參數。當土體遭受破壞產生滑動面時，根系將所承受的荷載向土體深層傳遞及周圍擴散，降低根土復合體的應力水平，改善土體變形性能。本文基于前人研究結果，應用土力學原理，以常用水土保持植物——麥冬(Ophiopogonjaponicus)和多花木藍(Indigoferaamblyantha)的根系為對象，采用施加直接垂直拉拔荷載的單根拉拔試驗，研究根系抗拉拔力的影響因素，為根土界面摩擦特性的研究提供基礎和依據。

1材料與方法

1.1　試驗材料

植物選取宜昌市三峽大學校園內植被修復邊坡中長勢較好的草本植物麥冬和灌木植物多花木藍。麥冬，是百合科沿階草屬多年生常綠草本植物，主要生長于海拔50~1400 m的山坡、山谷林下、路旁或濕地；對土壤環境的要求不高，具有較強的穿透力和剪切力，使其具有固土、切斷土表徑流防止水土流失的優良特性，是一種固土護坡的優良地被植物，也是園林中常用的邊緣材料。多花木藍，為豆科木藍屬多年生落葉灌木，多生于1 200 m以下的山坡，在林緣、路邊、荒山陽面坡、灌叢都較常見，具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、根系發達的特點，能固定土壤，增加土壤通透性，能有效截留降水，因此，可以防治水土流失，還能和其他草種混播在高速公路、鐵路兩側的坡面土壤中，是一種優秀的水土保持及綠化護坡植物。植物植株于2013年8月采用整株挖掘法挖掘，分別選取長勢相同的10株麥冬和多花木藍，挖出后置于靜水中洗去土壤，待根系表面的水漬晾干后進行觀察測量，麥冬根數量多，直徑范圍0.8~2.5 mm，而多花木藍根數量少，直徑范圍0.6~5.8 mm，且以1~2.5 mm居多。然后用剪刀分別剪取根較直、表面較平整的單根作為拉拔試驗材料，剪取的根長為50 mm，直徑范圍為0.8~2.5 mm，并用測量精度為0.01 mm的電子游標卡尺測量單根平均直徑(測量根系的兩端和中部的直徑，其平均值作為這一單根的平均直徑)。將測量后的單根放入自封袋并編號，然后放入冰箱內保鮮儲存，且于24 h內進行試驗。

試驗土壤于2013年8月降雨后的第3天晴天的上午9：00時，取自麥冬和多花木藍植株挖掘樣地內，其土壤類型均為黃棕壤，取土深度為0.2 m表層土，去除土內的石子、根系等雜質，將其帶回實驗室并將土壤風干，土壤風干后過2 mm土壤篩制備試驗土樣，并采用篩分法測定土樣的顆粒組成，黃棕壤的基本物理性質詳見表1。采用烘干法測定土壤天然含水量，采用環刀法測定土壤容重。pH值采用電位法測定。

表1　黃棕壤的基本物理性質指標

1.2　試驗設計

采用烘干法測定風干且過篩后土壤的含水率w0，因天然含水率為10.43%，將試驗土樣土體含水率wi設計為5.00%，8.00%，10.43%，13.00%和16.00%共5個梯度，然后用天平稱量風干土質量m(本試驗為1 500 g)，根據公式(1)分別計算設計含水率wi件下制備土樣所需要的加水量mwi將稱量的風干土樣m平鋪于搪瓷盤內，并分別用量筒量取mwi，然后將水均勻噴灑在土樣上，拌勻后裝入盛土容器內蓋緊，潤濕24 h，制備成不同設計含水率土樣。計算公式為：

(1)

mi=(1+0.01wi)γdV

(2)

式中：mwi——制備土樣時所需的加水量(g)； m——制備土樣時稱量的風干土質量(g)； mi——制備試樣時所需的土質量(g)； wi——土樣設計含水率(%)； w0——風干土含水率(%)； γd——土壤容重(g/cm3)； V——裝土盒容積(g/cm3)。

室內模擬天然條件，控制土壤容重γd=1.38g/cm3，根據公式(2)計算裝土盒體積 時不同設計含水率wi條件下制備試樣所需的土質量mi，并從制備的不同設計含水率土樣中稱量制備試樣所需的土質量mi，然后按土力學試驗規范[9]重塑制樣方法分別將單根垂直埋于直徑為100mm、高為40mm環形裝土盒的中心，分二層壓實，制備成麥冬和多花木藍單根根—土復合體，由于裝土盒高度僅有40mm，因此單根埋深亦僅為40mm；然后采用改裝的HP-50型艾德堡數顯推拉力計試驗裝置分別對麥冬和多花木藍單根根—土復合體進行拉拔試驗，其加載速度控制為10mm/min，每組含水率進行12根單根拉拔試驗，每根單根進行3次重塑根—土復合體拉拔試驗。采用Excel軟件對數據進行初步處理及回歸方程擬合。

2結果與討論

2.1　根徑對單根抗拉拔力的影響

圖1—2為兩種植物單根的最大抗拉拔力與根徑的回歸擬合關系曲線。由圖1—2可以看出，在各土壤含水率條件下，麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力均隨著根徑的增大呈冪函數增大的趨勢。各土壤含水率條件下麥冬和多花木藍根系的最大抗拉拔力與根徑擬合回歸方程的相關系數R2均大于0.876，說明其回歸方程擬合較好。當土壤含水率為8.00%和16.00%時，麥冬單根擬合回歸方程的相關系數最小，其值為0.920；當土壤含水率為8.00%時，多花木藍單根擬合回歸方程的相關系數最小，其值僅為0.876。

圖1　麥冬根土間最大抗拉拔力與根徑的關系

圖2　多花木藍根土間最大抗拉拔力與根徑的關系

2.2　土壤含水率對單根抗拉拔力的影響

根據兩種植物根徑與單根的最大抗拉拔力回歸方程分別計算麥冬和多花木藍根徑分別為1.5和2.0mm時單根的最大抗拉拔力，并繪制單根的最大抗拉拔力與土壤含水率關系曲線，如圖3所示?？芍煌鶑綏l件的麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力均隨土壤含水率的增加呈現先增加后減小的趨勢。在土壤含水率等于5.00%時，麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力較??；當土壤含水率增加到10.43%附近時，麥冬單根的最大抗拉拔力先達到最大值，多花木藍單根的最大抗拉拔力繼續增大；隨著土壤含水率的增加，麥冬單根的最大抗拉拔力達到最大值后開始減小，當土壤含水率為13.00%附近時，多花木藍單根的最大抗拉拔力也達到最大值；隨著土壤含水率的繼續增加，多花木藍單根的最大抗拉拔力也開始減小。

圖3　根系最大抗拉拔力與含水量的關系曲線

2.3　不同物種根對單根抗拉拔力的影響

從圖1—3可以看出，麥冬和多花木藍兩種單根的抗拉拔力顯著不同。雖然兩種根的最大抗拉拔力都隨根徑的增加而增大且呈現出冪函數關系，但二者在相同土壤含水率及相同根徑時，其最大抗拉拔力大小顯著不同。由圖3可知，同一根徑條件下，當土壤含水率小于某一含水率w1(其分界點介于10.43%~13.00%)時，麥冬單根的最大抗拉拔力整體上大于多花木藍單根的最大抗拉拔力；當土壤含水率大于含水率 后，多花木藍單根的最大抗拉拔力將大于麥冬單根的最大抗拉拔力。但由曲線的趨勢發現，隨著土壤含水率的增加，必然存在另一含水率w2(其分界點大于16.00%)使得麥冬單根的最大抗拉拔力大于多花木藍單根的最大抗拉拔力。同時發現，二者不同根徑單根的最大抗拉拔力在不同的含水率下達到最大值。因此，總體來看，在表層土中，當土壤含水率介于w1~w2時，多花木藍根對土壤的錨固作用優于麥冬；而在其他含水率條件下，麥冬根的錨固作用優于多花木藍。

2.4　討 論

麥冬和多花木藍單根拉拔試驗研究表明，麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力均隨根徑的增加而增大，呈冪函數非線性關系。這是因為植物單根的直徑越大，表面積越大，根土接觸面就越大，根土界面摩擦力發揮越充分，從而導致根與土壤間的摩擦力就越大，從而增加了根系的抗拉拔力。劉小光等[10]通過直接拉拔試驗研究了油松和落葉松根與土界面摩擦特性，其試驗表明植物根的抗拉拔力隨著根徑的增大而增大且呈現出冪函數關系。本試驗結果與劉小光等的研究結果一致。朱清科等[11]和封福記[12]均指出由于根在被拉拔的過程中會由彈性形變到塑性形變，當植物根徑增大到一定程度時，其抗拉拔力也會有明顯的躍遷。但本試驗兩種植物根的最大抗拉拔力并沒有出現明顯的躍遷，這是因為試驗兩種植物根徑尚未達到發生躍遷的極限值。朱清科等[11]對長江上游貢嘎山峨眉冷杉和冬瓜楊根的拔根試驗研究表明，這兩種植物根的抗拉拔力發生明顯躍遷時，其根的平均直徑均大于10mm。張永亮等[13]采用拉拔試驗研究了內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮境內檸條和沙柳灌木根的抗拉拔特性，試驗表明檸條和沙柳的抗拉拔力隨根徑的增加呈直線增大的趨勢。因此，采用線性回歸方程分別擬合麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力與根徑的關系。通過比較冪函數和線性函數的相關系數發現，采用冪函數方程擬合根系的最大抗拉拔力與根徑的關系，其擬合度更高，效果更好，說明試驗結果是準確的。

劉小光[14]對油松和落葉松單根拉拔試驗和本試驗的結果均表明，在相同土壤容重條件下，根的最大抗拉拔力隨著土壤含水率的增加呈現先增大后減小的趨勢。因為含水量較小時，土顆粒空隙大而較為松散，尚未形成較強的結合鍵，土顆粒與根系表面的接觸也較松散，從而使根—土間的聯結力較弱，根系的摩擦力也較弱，根系的抗拉拔力也較弱。隨著含水量的增加，土顆粒與水的結合水膜增強，水膠結也增強，土體粘聚力相應增大，提高了土體和根系表面的咬合力，也提高了根系的摩擦力，亦提高了根系的抗拉拔力。當超過一定含水量時，土體周圍的結合水厚度變厚，使土顆粒間距增大，這時通過結合水膜的水膠結能力就逐漸減弱，土體粘聚力相應減小，從而減弱了根系和土顆粒間的咬合力，導致了根土間的摩擦力減小，減小了根系的抗拉拔力。因此，在土壤容重一致的情況下，土壤含水率在一定范圍內增大有利于根系的錨固作用，土壤含水率超過一定范圍根土的摩擦錨固作用將會減低。

3結 論

麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力隨根徑的增加而增大且呈現非線性冪函數關系；在相同土壤容重條件下，麥冬和多花木藍單根的最大抗拉拔力隨土壤含水率的增加而呈先增加后減小的趨勢。在相同土壤含水率及相同根徑條件下，麥冬和多花木藍兩種單根的抗拉拔力顯著不同；總體來看，在表層土中，當土壤含水率介于w1~w2時，多花木藍根的最大抗拉拔力優于麥冬的最大抗拉拔力，而在其他含水率條件下，麥冬根的最大抗拉拔力優于多花木藍的最大抗拉拔力；同時發現麥冬根的最大抗拉拔力的最大值在含水率為10.43%附近，而多花木藍根的最大抗拉拔力的最大值則在含水率為13%附近。

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Experimental Study on Pull-out Resistive Properties ofOphiopogonJaponicusandIndigoferaAmblyanthaRoots

XIA Zhenyao1,2, GUAN Shifeng2,3, NIU Penghui1,2,

LIANG Yongzhe2, HU Wenjing1, XU Wennian1,2

(1.CollegeofCivilEngineering&Architecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China; 2.CollaborativeInnovationCenterforGeo-hazardsandEco-environmentinThreeGorgesAreaofHubeiProvince,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China;3.GuangxiDatengxiaGorgeWaterConservancyDevelopmentCo.Ltd.,Nanning,Guangxi530029,China)

Abstract：[Objective] The pull-out resistive properties of Ophiopogon japonicus and Indigofera amblyantha root were tested in order to provide guides for further research on the friction characteristics of the root soil interface. [Methods] Five levels of soil moisture content were designed to carry out single-root direct pull-out tests with vertical outward load. [Results] The maximum pull-out resistive force of the two plant root were both increased by nonlinear power function with root diameter as independent variable. Under the condition of constant soil bulk density, the maximum pull-out resistive force of root experienced an increases firstly and then declined as soil moisture content increased. The maximum pull-out resistive force of Indigofera amblyantha root was greater than that of Ophiopogon japonicus within a certain range of soil moisture content. While the maximum pull-out resistive force of Ophiopogon japonicus root was greater than that of Indigofera amblyantha under other conditions. Results also revealed that the pull-out resistive force of Ophiopogon japonicus root reached the maximum when the soil moisture content was close to 10.43%, while the pull-out resistive force of Indigofera amblyantha root reached the maximum when the soil moisture content was close to 13.00%. [Conclusion] Root diameter, soil moisture content and plants species have influences to some extent on the pull-out resistive force of root-soil interface.

Keywords:root-soil interface; soil-reinforcement; pull-out test; pull-out resistive force

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0110-04

中圖分類號：S157.9

通信作者：許文年(1960—)，男(漢族)，河北省元氏縣人，博士，教授，主要從事邊坡生態防護方面的研究。E-mail：xwn@ctgu.edu.cn。

收稿日期：2014-05-21修回日期：2014-09-30

資助項目：國家科技支撐計劃項目“金沙江梯級水電開發區生態保護與入庫泥沙調控關鍵技術與示范”(2012BAC06B02-04)； 國家自然科學基金項目(51278281; 41202250)

第一作者：夏振堯(1981—)男(漢族)，湖北省武漢市人，博士，副教授，主要從事邊坡生態防護方面的研究。E-mail：xzy_yc@126.com。