昆明市3種草本植物根系及莖桿的力學特性試驗研究

儲怡鑫 薛凱喜 馮國建 朱小偉 王瑞洋 劉欣

摘 要：本文以云南省昆明市官渡區寶象河經開區河道作為研究區，選取紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum ）、蘇門白酒草（Conyza sumatrensis）、鬼針草（Bidens pilosa Linn） 3種分布廣泛的草本植物進行根系及莖桿的力學特性試驗研究，探討3種植物在河道邊坡防護中的內在機理。在分析取樣點土壤性能以及對植物樣本草本屬性對照的基礎上，進行植物抗拔試驗、莖桿抗彎試驗、單根抗拉試驗和根土復合體試樣直接剪切試驗。結果表明，3種草本植物平均抗拔承載力由大至小依次為：鬼針草（34.69 N）、紫莖澤蘭（32.50 N）、蘇門白酒草（23.14 N），抗拔承載力與根系質量及地上部分質量均呈正相關，關系可由冪函數、修正的冪函數、指數函數進行擬合;平均莖桿抗彎強度由大至小依次為：紫莖澤蘭（5.18 MPa）、鬼針草（5.01 MPa）、蘇門白酒草（2.63 MPa），莖桿直徑與抗彎強度呈負相關，關系可由指數函數擬合;平均根系抗拉力由大至小依次為：紫莖澤蘭（9.26 N）、蘇門白酒草（8.54 N）、鬼針草（5.68 N），平均根系抗拉強度由大至小依次為：紫莖澤蘭（33.87 MPa）、鬼針草（32.74 MPa）、蘇門白酒草（22.19 MPa），根系直徑與抗拉力、抗拉強度的關系分別呈正相關與負相關，可分別由指數函數、冪函數擬合;根土復合體的黏聚力呈逐漸增大的變化趨勢，蘇門白酒草、紫莖澤蘭、鬼針草漲幅相對于純土分別為90%、120%、123%，內摩擦角呈逐漸緩慢增大的趨勢，蘇門白酒草、紫莖澤蘭、鬼針草漲幅分別為5%、10%、12%，在100 、200 、300 、400 kPa的垂直壓力下，3種植物的根土復合體抗剪強度相較于純土均有大幅上漲，剪切位移與剪切應力關系曲線近似于冪函數。

關鍵詞：根系力學特性;莖桿力學特性;根土復合體;蘇門白酒草;紫莖澤蘭;鬼針草

中圖分類號：TU43;S714.7??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）01-0015-12

Experimental Study on Mechanical Properties of Roots and Stems

of Three Herbaceous Plants in Kunming

CHU Yixin1， XUE Kaixi1*， FENG Guojian2， ZHU Xiaowei1， WANG Ruiyang1， LIU Xin1

（1.School of Civil and Architectural Engineering， East China University of Technology， Nanchang 330013， China;

2.College of Architecture and Civil Engineering， Kunming University， Kunming 650214， China）

Abstract：Taking Baoxiang River in Guandu District， Kunming City， Yunnan Province， as the research area， three widely distributed herbaceous plants， Eupatorium adenophorum ， Conyza sumatrensis， and Bidens pilosa Linn， were selected for experimental research on mechanical properties of roots and stems， and the internal mechanism of three plants in river slope protection were explored. Based on the analysis of soil properties of the sampling points and herbal attribute comparison of plant samples， plant stem pull-out test， bending test， single tensile test and complex root soil sample direct shear test were carried out. The results showed that the average uplift capacity of the three herbaceous plants arranged in a descending order was Bidens pilosa Linn （34.69 N）， Eupatorium adenophorum （32.50 N）， and Conyza sumatrensis （23.14 N）. The uplift bearing capacity was positively correlated with the quality of root system and above-ground part， and their relationship can be fitted by power function， modified power function and exponential function. The average stem bending strength shown in a descending order was Eupatorium adenophorum （5.18 MPa）， Bidens pilosa Linn （5.01 MPa） and Conyza sumatrensis （2.63 MPa）. The stem diameter had a negative correlation with the bending strength and its relationship can be fitted by an exponential function. The average root tensile stress in descending order was Eupatorium adenophorum （9.26 N）， Conyza sumatrensis （8.54N） and Bidens pilosa Linn （5.68N）. The average root tensile strength in descending order was Eupatorium adenophorum （33.87 MPa）， Bidens pilosa Linn （32.74 MPa） and Conyza sumatrensis （22.19 MPa）. The root diameter was positively correlated with the tensile stress， while it was negatively correlated with the tensile strength. Both the two relationships can be fitted by exponential function and power function respectively. The cohesive force of the root-soil complex showed a gradually increasing trend. The increase of Conyza sumatrensis， Eupatorium adenophorum and Bidens pilosa Linn was 90%， 120%， and 123% respectively， when compared with pure soil. The internal friction angle showed a slowly increasing trend， as Conyza sumatrensis， Eupatorium adenophorum and Bidens pilosa Linn rose by 5%， 10%， and 12% respectively. Under the vertical pressures of 100， 200， 300， and 400 kPa， the shear strength of the root-soil complexes of the three plants increased significantly when they were compared with pure soil， and the relationship between shear displacement and shear stress was similar to a power function.

Keywords：Mechanical properties of root system; mechanical properties of stem; root-soil complex system; Conyza sumatrensis; Eupatorium adenophorum; Bidens pilosa Linn

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程快速推進，城區進行了各種工程項目的大規模建設，以昆明市寶象河為例，對其河道進行了多次大規模開挖，導致河床斷面，河道植被覆蓋層被摧毀，河道邊坡大量裸露，造成了嚴重的崩塌、滑坡及水土流失等地質災害，進而演變為生態沖擊，使得河道生態系統失衡，河流生態恢復刻不容緩。其中河道邊坡防護尤為重要，采用植物根系進行生態護坡是巖土工程與植物生態學相結合的產物，國內外對于此方面的研究認為，使用植物根系固土可以達到維持邊坡穩定性的目的，從而防止邊坡滑動，減少滑坡等重大地質災害，提高邊坡抗滑穩定性，同時可以凈化環境，豐富人們的視覺體驗。

國外很多學者對植物根系的各項力學性能進行了研究。劉向峰等[1]通過試驗研究了堿蓬和早熟禾的根系抗拉性能，結果表明2種植物根系的抗拉力與直徑呈現冪律關系。張欣等[2]對黑沙蒿根系進行拉伸試驗，發現根系在軸向拉力下表現出彈塑性的特征。Bischetti等[3]、Mattie等[4]的研究指出根系抗拉強度與根系直徑之間存在負相關關系，根系直徑越小，所承受的抗拉強度越大。Tosi[5]的研究指出根系抗拉力與根系直徑呈二次多項式關系，根系抗拉強度與直徑呈冪函數關系。Baets等[6]對包括灌木和喬木等種類的地中海植物的根系進行抗拉試驗，試驗結果表明不同種類植物的抗拉強度存在差異，但草本植物未在研究范圍內。

我國對環境破壞和生態退化方面認識較晚，近年來通過充分吸收國外河道生態護坡研究技術成果，并且充分結合本國的實際情況進行了大量研究：朱清科等[7]對貢嘎山森林的主要樹種進行根系抗拉試驗，結果表明植物根系的斷裂類型包括彈性與脆性2種，與Tosi[5]研究的根系抗拉力、抗拉強度與直徑關系的擬合方程不同;陳向波[8]對狗牙根等3種植物根系的抗拉力、抗拉強度與根系直徑用4種常見的擬合方程來擬合，這4種擬合方程分別為線性、多項式、對數和指數函數;呂春娟等[9]、蔣坤云等[10]從根系的微觀角度給予了科學的解釋，認為根系的抗拉力與根系的纖維素含量有關，其成分含量與根系抗拉力成正相關。在根系抗拉實驗儀器方面，很多研究者采用的是自制試驗儀器或者萬能試驗機，但這些儀器均不是專門針對植物根系設計的，使其所測抗拉力學特性不準確。針對這一現狀，惠尚[11]、張云偉等[12]開發研制了植物根系野外便攜試驗系統，保證了實驗數據的真實性，并能在現場進行大量數據的采集與收集，有著重要的應用價值。對根土復合體進行直接剪切試驗可以測定根土復合體的抗剪強度，許桐等[13]通過直接剪切試驗研究了柴達木盆地4種鹽生植物根系的根土復合體抗剪強度。

用植被對邊坡進行防護是個系統工程，涉及學科多，已有的研究結果主要是單獨考慮了植物抗拉強度、抗剪強度、根土復合體與植物根系直徑的關系，對根系質量、地上部分質量、根冠比與植物的各種力學性能研究較少。本文通過對當地的氣候、植物資源和自然環境等情況比較分析，選擇出分布范圍廣、當地比較常見且易于拔出完整根系的紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum ）、蘇門白酒草（Conyza sumatrensis）、鬼針草（Bidens pilosa Linn）3種草本植物進行實驗分析，如圖1所示。將植物抗拔承載力、

根系抗拉性能、莖桿抗彎強度及根土復合體抗剪強度結合進行定量研究，探討抗拔承載力與根系質量及地上部分質量的關系、根系直徑與莖桿抗彎強度及抗拉強度的關系以及試樣在不同垂直荷載下的抗剪強度變化。

1 研究區及植物概況

試驗樣本選取點位于中國云南省昆明市寶象河經開區區段河道，地理坐標為102°46′41.3″ N， 24°58′30.48″ E，海拔約1 895 m，屬于北半球低緯度亞熱帶-高原山地季風氣候，受印度洋西南暖濕氣流的影響，此地年平均降雨量為1 000 mm左右，年均氣溫為15 ℃左右，年均日照為2 200 h左右，無霜期為240 d以上。該區土壤主要為紅壤土，土壤pH多為4.5～7.5，有機質含量為1.5%～5.0%，地處云貴高原中部。

對紫莖澤蘭、蘇門白酒草、鬼針草3種植物的取樣地進行土壤物理性質測定，參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），室內的土工試驗也按照此標準進行。3種草本植物的取樣地點坡長為5 m，邊坡密度為2.02 g/cm3，坡度為64.13°，其基本屬性見表1，對取樣地點的土樣進行篩分試驗，得到土的顆粒組成如圖2所示。土樣粒徑小于0.075 mm的顆粒占76%，小于0.005 mm的顆粒占10%，根據《土的分類標準》（GB/T 50145—2007），該土定名為細粒土，土中以粉粒為主。該土樣的不均勻系數為11.6，曲率系數為2.155，該土土粒不均勻，級配良好。試驗選取每種植物統計數量分別為60株。

2 試驗材料與方法

2.1 根系抗拉強度試驗

根系抗拉強度試驗可以測定植物根系在被拉斷時承受的最大應力值。試驗方法為單根豎向拉伸試驗，采用的試驗儀器為萬能試驗機（型號為WDW3100型），在試驗樣地挑選健康的植物進行試驗，快速對植物分別單株密封。進行室內試驗時，用剪刀將植物的地上部分與根系部分分離，之后用細流自來水和柔軟毛刷清洗植物根系，去除根系上不參與試驗的附帶土。采用萬能試驗機進行拉伸試驗，選取長度為8±1倍（試驗要求范圍為5～10倍）直徑的植物根系。在植物根系兩端纏繞4圈橡皮膏，以避免應力集中以及根皮脫落，在根系被拉斷時記錄此時最大數值，記為根系的最大抗拉力F，并使用游標卡尺測定斷裂處的根系直徑D，之后用公式（1）對根系的抗拉強度進行計算。

P=Fπ（D/2）2 。 （1）

式中：P為植物根系抗拉強度，MPa;F為根系最大抗拉力，N;D為拉斷處的根系直徑，mm。

2.2 植物抗拔承載力試驗

植物抗拔承載力試驗可以測定植物抵抗豎向拔拉的能力。試驗方法為野外原位抗拔承載力試驗，在植物拉拔過程中，拉拔方向與植株生長地面垂直，拉拔時使用電子彈簧秤進行讀數，記最大讀數為根系的抗拔承載力。對植物的地上部分進行細流自來水沖洗，去除地上部分不參與試驗的附帶物質，將沖洗干凈的植物根系和地上部分在105 ℃溫度下進行30 min的殺青，之后將其置于65 ℃恒溫箱內烘干，用電子天平（上海精科天美科學儀器有限公司生產，型號：YP502N）稱取植物根系質量和地上部分質量[14]。計算根系質量與地上部分質量之比的數值，記為根冠比。

2.3 莖稈抗彎強度試驗

莖桿抗彎強度試驗可以反映植物莖桿抵抗彎曲不斷裂的能力。采用的試驗儀器為植物莖桿強度測定儀（型號為YF-1200型），選取的莖桿測試長度約為莖桿直徑的20倍，記為測試長度L。調節測定儀螺母使夾具恰好與植物莖桿接觸，此時啟動測定儀，在莖稈出現斷裂的瞬間記錄下此瞬間最大莖稈拉力。之后采用公式（2）—公式（4）分別計算莖稈最大彎矩、莖桿抵抗矩、莖桿抗彎強度（計算可以等效為簡支梁上加一集中力）：

Mmax=FL4 。 （2）

W=πD332 。（3）

σ=MmaxW 。 （4）

式中：F為最大抗拉力，N;L為莖的測試長度，mm;Mmax為最大彎矩，N·mm;W為莖桿抗彎截面系數，mm3;D為斷裂處莖桿直徑，mm;σ為抗彎強度，MPa。

2.4 植物根土復合體抗剪強度試驗

植物根土復合體抗剪強度試驗可以測定植物根土復合體抵抗剪切滑動的能力。采用直接剪切試驗中的快剪方法，在試驗樣地取樣時先將植物地上部分剪除，去除地表的雜物，使土體表面與植物剪斷處平面水平，采用內徑61.8 mm、高20 mm的環刀，快速且垂直的壓入土體，小幅度慢挖環刀側面土體，防止土體擾動，取出環刀，立即用保鮮膜將環刀密封，防止水分流失，選無植株生長區域用上述方法取出純土試樣，之后進行室內試驗。使用應變控制式直剪儀（型號為ZJ型），分別測定4種垂直荷載（100 、200 、300 、400 kPa）下的抗剪強度。 方法為快剪，剪切速度為5 r/mm，剪切位移為7 mm。

3 結果與分析

3.1 根系直徑與抗拉力、抗拉強度的關系

采用直方圖可以反映數據的離散型。由圖3—圖5可知，3種植物的根系直徑、抗拉力、抗拉強度分布集中程度由大到小依次為：鬼針草、蘇門白酒草、紫莖澤蘭，說明鬼針草各樣本之間的抗拉性能差異程度相對較小。由表2可知，根系直徑由大到小依次為：蘇門白酒草（0.70 mm）、紫莖澤蘭（0.59 mm）、鬼針草（0.47 mm），根系抗拉力由大到小依次為：紫莖澤蘭（9.26 N）、蘇門白酒草（8.54 N）、鬼針草（5.68 N），蘇門白酒草和紫莖澤蘭的根系直徑和抗拉力均為鬼針草的1.5倍;根系抗拉強度由大到小依次為：紫莖澤蘭（33.87 MPa）、鬼針草（32.74 MPa）、蘇門白酒草（22.19 MPa），紫莖澤蘭和鬼針草均為蘇門白酒草的1.5倍。植物根系的抗拉強度在相當大的程度上影響其固土能力[15]，根系的抗拉強度越大，根系抵抗流水侵蝕的能力就越強。由圖6—圖7可知，3種植物的根系抗拉力均隨根系直徑的增長而增長，關系曲線可用指數函數擬合;3種植物的根系抗拉強度均隨根系直徑的增長而降低，關系曲線可由冪函數擬合。取樣地的土壤中以粉粒為主，鬼針草根系發達，直徑相對較小，抗拉強度相對較高，可以有效防止土壤中的細顆粒流失。

3.2 植物抗拔承載力與根系質量及地上部分質量的關系

根冠比能夠反映植物在光合作用下地上產物質量與地下產物質量的分布[16]，土壤水分是影響根冠比的重要因素，植物地上部分的水分主要由根系供給[17]，且隨著蒸騰作用大量散失。由圖8—圖11可知，鬼針草和蘇門白酒草的地上部分質量、根系質量、根冠比和抗拔承載力分布較為集中，說明鬼針草和蘇門白酒草各樣本之間的抗拔性能差異程度相對較小。

由表3可知，3種植物的平均根冠比從大到小依次為：蘇門白酒草（0.28）、紫莖澤蘭（0.22）、鬼針草（0.18），鬼針草根冠比明顯小于前兩者，這是鬼針草根系直徑相對較小的體現;抗拔承載力方面由大到小依次為：鬼針草（34.69 N）、紫莖澤蘭（32.50 N）、蘇門白酒草（23.14 N），紫莖澤蘭和鬼針草是蘇門白酒草的1.5倍。植物抵抗豎向拔拉的能力是植物根系共同作用的結果，蘇門白酒草的根系粗壯，相對不發達，其根系共同作用的能力相對最弱，故其抗拔承載力相對較小。由圖12—圖13可知，3種植物的抗拔承載力均隨根系質量和地上部分質量的增加而增加，紫莖澤蘭和鬼針草各自的關系曲線均可由冪函數擬合，而蘇門白酒草根系質量與抗拔承載力關系曲線由修正冪函數擬合，地上部分質量與抗拔承載力關系曲線由指數函數擬合，蘇門白酒草在其根系質量和地上部分質量的主要分布區間為0.5～1.2 g、2～10 g，抗拔承載力的增速和取值均低于紫莖澤蘭和鬼針草。

3.3 莖桿直徑與抗彎強度的關系

由圖14和圖15可知，3種植物的莖桿直徑和抗彎強度分布的集中程度由大到小依次為：鬼針草、蘇門白酒草、紫莖澤蘭，說明鬼針草各樣本之間的抗彎性能差異程度相對較小。由表4知，莖桿直徑由大到小依次為：鬼針草（3.30 mm）、紫莖澤蘭（3.13 mm）、蘇門白酒草（3.12 mm）;莖桿抗彎強度由大到小依次為：紫莖澤蘭（5.18 MPa）、鬼針草（5.01 MPa）、蘇門白酒草（2.63 MPa），紫莖澤蘭和鬼針草是蘇門白酒草的2倍，植物除了根系具有固土能力之外，其莖桿也具有攔截徑流中攜帶的枯落物的作用[18]，并且莖桿抗彎強度還可以體現出植物抗倒伏能力的強弱，說明蘇門白酒草的此類能力相對最弱。由圖16可知，3種植物抗彎強度隨莖桿直徑的增大而減小，關系曲線均可用冪函數擬合;在莖桿直徑主要分布區間2.5～4.5 mm，抗彎強度下降速率由快到慢依次為：紫莖澤蘭（降幅9 MPa）、鬼針草（降幅6 MPa）、蘇門白酒草（降幅4 MPa）;紫莖澤蘭下降速率過快，符合其概率直方圖中過大的離散程度，個體抗彎性能差異過大，不適宜作為固土植物。

3.4根土復合體的抗剪強度特征

在土壤的發育過程中，植物根系與土顆粒的相互作用對于土壤加固十分重要[19-23]，在土壤中植物根系的生長發育會細化土壤中的土顆粒，使其表面光滑，粒徑減小[24]，并與根系黏附，形成根土復合體。由圖17可知，3種草本植物的剪切位移與剪切應力關系曲線近似于冪函數，在相同的垂直壓力下，純土試樣、蘇門白酒草、紫莖澤蘭、鬼針草的最大剪切應力依次增大，根土復合體的抗剪強度依次逐漸增加，說明植物根系可以提高土體的抗剪強度;隨著垂直壓力逐級增加，根土復合體的抗剪強度隨之增加，初期根土復合體抗剪強度的增量較大，當剪切位移達到5 mm時抗剪強度變化很小，說明此時根土復合體接近破壞，基本不能再受剪切應力;隨著剪切位移逐漸增大，根土復合體的最大剪切應力逐漸增加并趨于穩定，關系近似冪函數，此時土體已經變形，植物根系因為受到剪切力作用會發生拉伸變形，進一步轉變為受拉力作用，此時便需要植物根系具備一定的抗拉性能與抗拔性能。由表5可知，蘇門白酒草、紫莖澤蘭、鬼針草最大剪切應力隨垂直壓力的漲幅情況，100 kPa分別為：21%、29%、32%;200 kPa分別為：15%、23%、27%;300 kPa分別為13%、18%、22%;400 kPa分別為：11%、16%、19%。由表6可知，土體中加入植物根系后，黏聚力大幅上漲，漲幅由大到小依次為：鬼針草（123%）、紫莖澤蘭（120%）、蘇門白酒草（90%），鬼針草漲幅最大，說明其承受剪切變形的能力最強。同時，內摩擦角小幅上漲，漲幅由大到小依次為：鬼針草（12%）、紫莖澤蘭（10%）、蘇門白酒草（5%），說明在防止土體滑動的過程中，鬼針草的臨界自穩角最大;平均根徑與之前統計基本符合，主根數由大到小依次為：紫莖澤蘭（3根）、蘇門白酒草（2根）、鬼針草（1根）。

4 結論與建議

本文以昆明市寶象河生態護坡為研究對象，對流域內常見的3種草本植物進行根系力學特性試驗研究，定量表征了植物抗拔承載力、根系抗拉性能、莖桿抗彎強度及根土復合體抗剪強度，探討了抗拔承載力與根系質量、地上部分質量的關系;根系直徑與莖桿抗彎強度、抗拉強度的關系;試樣在不同垂直荷載下的抗剪強度變化，得出如下結論。

（1）試驗區內3種草本植物的抗拔承載力由大至小分別為：鬼針草、紫莖澤蘭、蘇門白酒草;抗彎強度和抗拉強度由大至小分別為：紫莖澤蘭、鬼針草、蘇門白酒草;抗拉力由大至小分別為：紫莖澤蘭、蘇門白酒草、鬼針草。

（2）試驗區內3種草本植物的抗拔承載力與根系質量及地上部分質量均呈正相關，關系可由冪函數、修正的冪函數、指數函數進行擬合;莖桿直徑與抗彎強度呈負相關，關系可由指數函數擬合;根系直徑與抗拉力、抗拉強度分別呈正相關與負相關，可分別由指數函數、冪函數擬合。

（3）試驗區內3種草本植物的剪切位移與剪切應力關系曲線近似于冪函數，根土復合體的黏聚力、內摩擦角和抗剪強度從大到小依次為：鬼針草、紫莖澤蘭、蘇門白酒草。

（4）植物根系可以提高土體抗剪強度，鬼針草根系發達，抗拉強度相對較高，說明植物根系對土體的加筋作用相對最強。由莖桿抗彎強度及抗拔承載力可知，鬼針草攔截徑流中攜帶的枯落物以及抗倒伏能力相對最強。

本文結論適用于昆明市寶象河生態護坡植物的篩選研究，并為今后對昆明市生態河道建設提供數據支持。

關于今后植被護坡的進一步研究工作，本文認為以下3個方面需要進一步完善。首先在今后的工作中，可以深入研究其他因素與植物抗拔承載力、根系抗拉強度、莖桿抗彎強度的關系，例如植物中纖維素含量與對根系抗拉強度的關系;其次為根系形態研究，植物的根系生長復雜，受到氣候條件、土壤質地和邊坡形態等因素的影響，可以采用分形理論的方法對根系形態進行分析研究;最后為草灌結合的護坡研究，因為灌木根系具有更強的抗拉性能，對土體的黏聚力提高幅度更大。

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