紫穗槐根-土界面拉拔摩阻特性

袁亞楠, 李詩文, 胡晶華, 肖 巍, 王 博, 鄭欣如, 劉 靜

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010019; 2.中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司,烏魯木齊 830000; 3.內蒙古師范大學 地理科學學院, 呼和浩特 010019)

根系不斷分支深入地下與土壤緊密接觸,起到固持土體、改善土壤結構與支撐樹體的重要作用[1-2]。當植物受到外營力作用(如風力、水力作用)或土體發生變形時,根系可將土體受到的一部分剪應力轉化成自身的拉應力從而穩固土體[3],根系與土體的相對位移產生摩阻力,而摩阻力會改變根—土復合體的應力應變狀態,對土體穩定產生有利的影響[4]。研究根系與土壤直接接觸的根土界面可以直觀地模擬根系的固土性能,單根拉拔試驗能夠模擬土體發生滑動或塌陷時,根系從土體中被完全拔出的過程[5]。因此,根土界面拉拔摩阻特性的研究對于探究植物根系固土機制尤為必要,并且對于植物固土護坡具有理論指導意義和實際應用價值。

目前國內外學者已經對多種植物的根土界面拉拔摩阻特性進行研究,主要探究根系特征和不同土壤的土工性質對植物根土界面拉拔摩阻特性的影響。北沙柳(Salixpsammophila)、薄葉山礬(Symplocosanomala)、香根草(Vetiveriazizanioides)等植物根系的最大拉拔力與根徑、根長、根土間接觸面積均呈正相關關系[6-9];根系表面粗糙程度、根系埋深、土壤干密度均會影響根系抗拔,根系表面越粗糙,最大拉拔力越大[10-11],根系埋深越大,最大拉拔力越大[12-13],同時土壤干密度增大,最大拉拔力也增大[14-15]。此外,根系被拔出的速率也影響著根土界面拉拔摩阻特性[16],但關于根—土復合體中根系拉拔速率對拉拔摩阻特性影響的報道較少,且不同植物種間差異較大。紫穗槐(Amorphafruticosa)是一種典型的深根性樹種,根系廣、側根多,耐鹽堿、耐干旱、抗風沙、且對土壤要求不高,是保持水土的優良植物材料[17]。目前針對紫穗槐根系拉拔摩阻特性的研究較少,且綜合分析各影響因素對固土特性的貢獻率少有研究。本文對我國廣泛分布的常見造林綠化種紫穗槐根系及其固體機制開展研究,通過室內拉拔試驗,探討有無須根、根徑、拉拔速率(根系被拔出的快慢)對紫穗槐根土界面拉拔摩阻特性的影響,研究結果將為完善植物根系固土機制提供理論支持,并為研究區栽培植物種的選擇提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

1.1.1 根系采集 取樣地位于陜西省神木市大柳塔鎮,于2021年8月下旬在試驗區內挖取試驗所需紫穗槐根系,根系保存于恒溫冷藏柜中(溫度:4℃,濕度70%),并在一周內完成試驗。

1.1.2 土樣采集 按照土工試驗規范在試驗地開挖剖面取土,取回的土壤一部分作為試驗用土,另一部分用于土壤基本理化性質的測定,包括用烘干法測算土壤含水率,用環刀法測算土壤干密度。測得土壤干密度為1.67 g/cm3,原狀土含水率為4.68%。土樣的粒徑成分使用Mastersizer 3000激光粒度分析儀測試,根據《土的工程分類標準》GB/T50145-2007將試驗土樣命名為粉土質砂(SM)。

1.1.3 樣品制備 重塑土的制備:結合原狀土的物理性質和紫穗槐生境狀況,將重塑土的含水率設為4.68%。將風干后的原狀土過2 mm篩后備用,本試驗中每1 kg風干土需要43.6 g水,將原狀土平鋪于不透水的托盤上,水裝入噴壺中均勻噴灑至土樣上,其間不斷攪拌,直至均勻混合后將制備好的土壤裝入密封罐中遮光靜置24 h后使用,使重塑土的性質更接近于原狀土。

直根試驗根段制備:從采集的紫穗槐根系中選取根徑均勻、表皮完整的直根段進行試驗,試驗根總長8 cm,距離根端2 cm處為夾口端,如圖1(左)所示。測量A,O,B三處根徑并取平均值作為該根段根徑。根徑范圍為1～5 mm,分為1～1.5 mm,1.5～2 mm,2～2.5 mm,2.5～3 mm,3～3.5 mm,3.5～4 mm,4～4.5 mm,4.5～5 mm 8個徑級組,每個徑級組均做15個重復。

圖1 試驗根段示意圖

直根帶須根試驗根段制備:從采集的紫穗槐根系中選取直根上有側生根徑較細須根的直根段,本試驗中稱為帶須根根段,如圖1(右)所示。試驗根總長8 cm,距離根端2 cm處為夾口端,根徑測量方法同直根段。為減小誤差,試驗過程中,先用帶須根根段進行第一次試驗,然后對剪掉須根后得到的直根段進行第二次試驗。該方法已證明可行,故不再贅述[18]。本研究選取1.5～2 mm徑級范圍內的試驗根段,做20個重復。

根—土復合體的制備:稱量配置好的重塑土放入管中部對稱開小孔的PVC管中(使管內土的干密度為1.67 g/cm3),先封緊一側管口,往管里添加重塑土,在土到達圓孔時將試驗根段穿過圓孔,上部露出夾持段,繼續填土直至將稱量好的土全部加完,再封緊另一側管口。將制備好的試樣固定于自制夾具備用。

1.2 試驗儀器及方法

選用TY 8000伺服強力機,設置好加載速度,固定制備好根—土復合體的PVC管,并將露出來的根段用夾具夾住向上拉拔,直至試驗根從土中完全拔出,并記錄最大拉拔力—位移曲線以及最大拉拔力—時間曲線。

為探究拉拔速率(根段被拔出的快慢)對紫穗槐根土界面拉拔特性的影響,分別設定拉拔速率為10 mm/min,500 mm/min,其中拉拔速率為10 mm/min時模擬根—土復合體在斜坡作用下的緩慢變形,拉拔速率為500 mm/min時模擬大風對枝葉的拉拔作用,力逐級傳遞到根—土復合體的根上發生的瞬間變形。

1.3 根土界面拉拔摩阻強度及摩擦系數推算

拉拔摩阻強度計算:

τπdl-F=0

(1)

式中:τ為根土界面拉拔剪應力(kPa);d為根段的平均直徑(mm);F為根被拔出時的最大拉力(N);l為根系在土中的長度(mm)。

摩擦系數計算[19]

(2)

式中:D為根段的平均直徑(mm);ρd為試驗土的干密度(g/cm3);ω為試驗土的含水率(%);L為試驗根段在土壤中的長度(mm)。

1.4 數據統計分析

數據處理及統計采用Excel 2019和SPSS Statistics 25軟件,采用 Origin 2018進行制圖。使用最小顯著極差法(LSD)、配對樣本T檢驗法進行差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 有無須根條件下紫穗槐根土界面拉拔特性

由圖2可知,直根帶須根根段和直根段拉拔過程中的拉拔力—時間曲線的變化特征、直根帶須根根段和直根段的拉拔力—位移曲線的變化特征基本一致,當外力作用于根段時,根段拉拔過程分為急劇上升、陡峭下降和平穩拔出3個階段。由于紫穗槐1.5～2 mm徑級范圍內直根段有較高的軸向彈性模量(591.32 MPa)[20],在外力作用下根段的彈性緩解拉力,根段在土中的位移不大,而隨著外力加載,根段的彈性變形全部釋放,根土界面摩阻特性充分發揮達到最大拉拔力,即急劇上升段。繼續加載,隨著根被拔出,根與土壤的接觸面積不斷減小,隨著位移的增大,摩擦力急劇減小,即陡峭下降段。隨著根土界面被完全破壞,根土間的摩擦力幾乎為零,根段被完全拔出,即平穩拔出段。

圖2 有無須根條件下紫穗槐根土界面拉拔特性

從表1可以看出,紫穗槐直根帶須根—土復合體的最大拉拔力、拉拔摩阻強度、根土界面摩擦系數較直根—土復合體均提高了1.3倍。直根帶須根—土復合體的最大拉拔力、拉拔摩阻強度、根土界面摩擦系數較直根—土復合體均有顯著提高。

表1 1.5～2 mm兩種根段的拉拔強度特性指標Table 1 Characteristic indexes of drawingstrength of 1.5～2 mm root segments

2.2 不同根徑條件下紫穗槐根土界面拉拔特性

由圖3可見根徑對最大拉拔力有較大影響,隨根徑增大直根—土復合體最大拉拔力呈指數函數增加,相關系數為0.95。在1～5 mm徑級范圍內直根—土復合體的最大拉拔力由7.28 N增加至45.29 N,根徑在4.5～5 mm范圍內直根—土復合體的最大拉拔力約為1～1.5 mm范圍內根段的6倍。

圖3 不同根徑條件下最大拉拔力變化

從表2可以看出,1～5 mm徑級范圍內直根—土復合體拉拔摩阻強度與根徑呈指數函數正相關,拉拔摩阻強度由30.09 kPa增加至52.68 kPa,其中1～4 mm范圍內6個徑級組直根—土復合體的拉拔摩阻強度之間無顯著性差異,4～5 mm范圍內兩個徑級組直根—土復合體的拉拔摩阻強度之間也無顯著性差異,但4～5 mm范圍內兩個徑級組直根—土復合體的拉拔摩阻強度與其他徑級組均有顯著性差異。紫穗槐根土界面摩擦系數隨根徑的變化趨勢與最大拉拔力隨根徑的變化趨勢相似,呈指數正相關,由0.53增至0.91,增幅為71.7%。其中根徑在1～3.5 mm的5個徑級組之間紫穗槐根土界面摩擦系數均無顯著性差異,4～4.5 mm,4.5～5 mm兩個徑級組紫穗槐根土界面摩擦系數與其他徑級組均表現為顯著性差異。

表2 根徑對拉拔摩阻強度和摩擦系數的影響Table 2 Effect of root diameter on drawing friction strength and friction coefficient

2.3 不同拉拔速率條件下紫穗槐根土界面拉拔特性

由表3可知,隨拉拔速率增大,紫穗槐直根—土復合體的根土界面摩擦系數、拉拔摩阻強度呈增大趨勢,拉拔速率為500 mm/min時紫穗槐直根—土復合體的拉拔摩阻強度、根土界面摩擦系數較拉拔速率為10 mm/min時差異性不顯著。拉拔速率為500 mm/min時紫穗槐直根—土復合體的根土界面摩擦系數、拉拔摩阻強度較拉拔速率為10 mm/min時分別提高了12.73%,13.85%,拉拔速率為500 mm/min時根系全段激活時間遠遠短于拉拔速率為10 mm/min。

表3 不同拉拔速率下根段的拉拔強度特性指標Table 3 Drawing strength characteristic index of root section under different drawing rates

2.4 各影響因素對紫穗槐根段拉拔摩阻特性的貢獻

為進一步分析比較根徑、有無須根、拉拔速率對紫穗槐根段拉拔摩阻特性各項指標的影響,以根徑、拉拔速率和有無須根為解釋變量,以根土界面摩擦系數、摩阻強度和最大拉拔力為響應變量進行冗余分析(圖4)。第一排序軸特征值為78.29%,第二排序軸特征值為21.71%,兩軸完全解釋了各變量與根土界面摩擦特性之間的關系,冗余分析更直觀全面地反映出不同影響因素對紫穗槐根段拉拔摩阻特性各項指標的影響及影響強度,即各影響因素中貢獻率最高的是根徑(55.4%),其次是有無須根(23.7%),第三是拉拔速率(20.9%),三者與紫穗槐根段拉拔摩阻特性指標均呈極顯著相關關系(p<0.01)。

圖4 拉拔摩阻強度各項指標與各影響因素的綜合分析

3 討 論

紫穗槐根系最大拉拔力隨根徑增大呈指數函數增加,這與油松(Pinustabulaeformis)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、榆樹(Ulmuspumila)、白樺(Betulaplatyphylla)、雪松(Cedrusdeodara)根系最大拉拔力隨根徑變化的規律相似[21-24]。根徑增大使根—土接觸面積變大,根—土間摩擦力發揮得更加充分,導致最大拉拔力增大。即隨著植物根系生長,根徑逐漸增粗,根系抗拔能力提高。紫穗槐根系多生須根[25],分析紫穗槐帶須根根段和直根段的應力應變曲線發現,帶須根根段和直根段拉拔過程中的變化曲線基本一致,當外力作用于根段時,根段拉拔過程分為急劇上升、陡峭下降和平穩拔出3個階段,在上升段帶須根根段和直根段幾乎重合,帶須根根段的最大拉拔力大于直根段,小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、冬瓜楊(Populuspurdomii)、峨眉冷杉(Abiesfabri)根系均表現出相同規律,即帶須根根段的最大拉拔力大于直根段[26-27]。

根系全段激活時間(即達到最大拉拔力對應的時間[28]))表征根段在表面摩阻特性影響下抵抗拉拔位移的能力,試驗表明根徑為1.55 mm時,帶須根根段根系全段激活時間30.4 s,而同徑級直根段根系全段激活時間在27.8 s,根徑為2.21 mm時,帶須根根段根系全段激活時間49.4 s,而同徑級直根段根系全段激活時間在38.8 s。這是由于帶須根根段與直根段相比與土壤的接觸面積更大,使得根土間摩擦力增加,根系全段激活時間延后,并且當根受到外力時,須根的側向牽引作用分擔了部分外力,即帶須根根段可發揮較強的摩阻特性來控制土體變形[26],須根有效提高了根系的固土特性。拉拔速率為500 mm/min時紫穗槐直根—土復合體中根段的最大拉拔力、根土界面摩擦系數和拉拔摩阻強度較拉拔速率為10 mm/min時均有提高,這是由于當根系承受拉拔的速度低時,根土界面摩阻特性需要經過一段時間(36.52 s)才能充分激活。當拉拔速率為500 mm/min時,在瞬時拉力的作用下,根—土復合體結構瞬間(1.27 s)被破壞,根土間摩擦阻力立即達到峰值,來抵抗根土間產生的相對位移。但現有報道表明中國沙棘(Hippophaerhamnoides)和小葉錦雞兒根系的最大拉拔力均隨拉拔速率的增大呈現先增大后減小的變化趨勢[29],檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、黑沙蒿根系的最大拉拔力均隨拉拔速率的增大呈現先減小后增大的變化趨勢[30-31],油松根系的最大拉拔力隨拉拔速率的增加而減小[32]。綜上,最大拉拔力對拉拔速率的響應是因植物而異的,有待深入研究。

根系極限抗拉力是根系在拉斷前承受的最大拉力,反映根系抵抗拉伸破壞的能力;根系最大拉拔力是根系從特定土壤以及特定根—土復合體中完整拔出所承受的最大拉力,反映根系與土壤之間的摩擦力[33-34]。本課題組對軸向荷載下紫穗槐直根段的極限力及極限強度進行測定[20],結果表明紫穗槐1～5 mm徑級范圍內直根段極限抗拉力由46.35 N增加至215.85 N,極限抗拉力與根徑呈冪函數正相關;紫穗槐1～5 mm徑級范圍內直根段抗拉強度由42.71 MPa減小至10.18 MPa,與根徑呈冪函數負相關。在本研究中紫穗槐1～5 mm徑級范圍內直根—土復合體的最大拉拔力由7.28 N增加至45.29 N,紫穗槐1～5 mm徑級范圍內直根—土復合體的拉拔摩阻強度由30.09 kPa增大至52.68 kPa,與根徑呈指數函數正相關。對比紫穗槐根系的極限抗拉力和最大拉拔力發現根系極限抗拉力遠遠大于最大拉拔力。郭翬對比四川山礬(Symplocossetchuensi)的極限抗拉力和最大拉拔力發現,在根徑<2 mm時四川山礬的極限抗拉力略小于最大拉拔力,而根徑>2 mm時表現為極限抗拉力遠遠大于最大拉拔力,四川山礬的較細根(根徑<2 mm)在拔出前已經被拔斷[33]。而紫穗槐的彈性模量較大,韌性較強,同時在本試驗原狀土(粉土質砂)紫穗槐直根—土復合體拉拔試驗中,并未發生根段斷裂情況,說明生長于粉土質砂土壤環境中的紫穗槐根段具有良好的抗拉斷特性,其根—土復合體承受外力后,一般不會因根系拉斷而解體。并且紫穗槐根系中較細根的抗拉強度大,因此能承受更多應力,大量較細根系在土里縱橫交錯使得根—土復合體的強度增大;較粗根的拉拔摩阻強度大,錨固作用顯著,可有效的抵抗土體位移,保持根—土復合體的穩定。

4 結 論

(1) 須根明顯提高了根段的固土性能,同徑級紫穗槐直根帶須根—土復合體的最大拉拔力、根土界面摩擦系數、拉拔摩阻強度較直根—土復合體均提高了1.3倍;

(2) 在1～5 mm徑級范圍內,隨根徑增大,紫穗槐直根—土復合體的最大拉拔力、根土界面摩擦系數、拉拔摩阻強度均呈指數正相關,其中4～4.5 mm徑級范圍內直根—土復合體的最大拉拔力、根土界面摩擦系數和拉拔摩阻強度較1～1.5 mm徑級范圍內分別提高了522.12%,71.7%和75.07%;

(3) 根系拉拔速率由10 mm/min增大至500 mm/min,紫穗槐直根—土復合體的根土界面摩擦系數、拉拔摩阻強度均呈增大趨勢,即根系在遭到大風拉拔等大而瞬時的作用時也能發揮較好的固土特性。

(4) 冗余分析結果表明:根徑對紫穗槐根—土復合體拉拔摩阻強度貢獻較高(55.4%),其次是須根(23.7%),最后是拉拔速率(20.9%)。