黃土高原典型退耕樹種刺槐根－土復(fù)合體力學(xué)效應(yīng)機(jī)制

關(guān)鍵詞：刺槐；根系；根－土復(fù)合體；抗拉強(qiáng)度；根－土摩擦系數(shù)；黃土高原中圖分類號：S157．2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10．3969 ／ j．issn．1000－1379．2025．06．018引用格式：，等．黃土高原典型退耕樹種刺槐根－土復(fù)合體力學(xué)效應(yīng)機(jī)制［J］．人民黃河，2025，47（6）：117－122．

Mechanisms Underlying the Mechanical Effects of Root?Soil Composites in Robinia Pseudoacacia：A Typical Afforestation Tree Species in the Loess Plateau

BAI Xulong1， YANG Aoqiu1， CHEN Zhuo1， DUAN Jingui1， ZHENG Ziteng1， SUN Yuxiang1， TIAN Kanliang1，2 （1．Institute of Soil and Water Conservation， Northwest A＆F University， Yangling ， China； 2．Institute of Soil and Water Conservation， Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources， Yangling ， China） Abstract： In order to reveal the reinforcement mechanisms of plant roots on loess slopes and provide a foundation for advancing theoretical re? search and practical applications of vegetative slope protection in the Loess Plateau region， this study focused on Robinia pseudoacacia， a prominent afforestation species in the area． Through the tensile testing of Robinia pseudoacacia roots and root?pull experiments on root?soil composites， we analyzed the tensile properties of roots of varying diameters and the factors influencing the root?soil friction coefficients． The findings indicate that a） the tensile strength of Robinia pseudoacacia roots exhibits a positive correlation with root diameter， whereas both the longitudinal ultimate elongation and elastic modulus demonstrate a negative correlation with increasing root diameter． b） Soil dry density sig? nificantly influences the root?soil friction coefficient， which increases as soil dry density rises． This phenomenon is attributed to the enhanced interlocking between roots and soil at higher densities． c） Conversely， the root?soil friction coefficient decreases with increasing soil moisture content， primarily due to the thickening of the water film on soil particles， which diminish the roughness and adhesive strength between the soil and roots． d） No significant relationship is observed between the root?soil friction coefficient and the thickness of roots of the same spe? cies， likely because the surface roughness of roots across different diameters does not vary substantially．

Key words： Robinia pseudoacacia； root system； root?soil composite； tensile strength； root?soil friction coefficient； Loess Plateau

黃土高原土質(zhì)疏松、水土流失嚴(yán)重、干旱缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱，制約著經(jīng)濟(jì)社會尤其農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。我國從1999 年開始實施的退耕還林（草）工程，使黃土高原地區(qū)林草面積快速增加、生態(tài)質(zhì)量明顯提高、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理調(diào)整［1－3］。 刺槐對土壤的適應(yīng)性極強(qiáng)，且莖葉的水文效應(yīng)及根系的力學(xué)效應(yīng)具有良好的水土保持作用［4－6］，是黃土高原地區(qū)典型的退耕還林樹種之一。 有關(guān)學(xué)者對植物根系的力學(xué)性質(zhì)、根－土復(fù)合體力學(xué)特性及其影響因素等開展了試驗研究，如蔣希雁等［7］、楊傲秋［8］研究了植物根系對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，Ghestem 等［9］進(jìn)行了根－土復(fù)合體剪切試驗，Vergani 等［10］ 、Shaurav 等［11］ 進(jìn)行了現(xiàn)場拔根試驗，

Mao 等［12］對含苜蓿根黃土的內(nèi)聚力進(jìn)行了試驗研究，付江濤等［13］對植物固土護(hù)坡效應(yīng)進(jìn)行了研究，Pollen等［14］研究了淺層散生根系、深層主直根系對土體的錨固作用。 已有研究表明，植物根系可以提高土體的抗剪強(qiáng)度、改善土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、發(fā)揮固土護(hù)坡的作用。 目前對黃土邊坡植物根系加固土體的研究主要集中在草本植物和灌木根系的相關(guān)力學(xué)特性上，而對自然條件下喬木根系力學(xué)特性及其對黃土邊坡加固機(jī)理的研究還有待深入。 鑒于植物根系對土體的加固作用主要是由根系自身的抗拉強(qiáng)度和根－土摩擦系數(shù)所決定的，本研究以刺槐根系為研究對象，通過刺槐根系抗拉試驗和根－土復(fù)合體根系拉拔試驗，分析了不同直徑刺槐根系的抗拉特性和根－土摩擦系數(shù)的影響因素，以期揭示植物根系對黃土邊坡的加固機(jī)理，并為黃土高原地區(qū)植物邊坡防護(hù)理論研究的深化和實踐提供參考。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省咸陽市區(qū)中國科學(xué)院水土保持研究所馬超嶺水土保持野外科學(xué)試驗站的黃土邊坡（東經(jīng) 108^°07^′51^′′ ，北緯 34^°20^′28^′′， ），其地勢南高北低，平均海拔高度約 495m ，氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，多年平均氣溫 13.1^qC ，多年平均降水量 611.2mm 、水面蒸發(fā)量 1 505.3mm ，土壤以馬蘭黃土為主，坡面植被以刺槐為主。

1．2 試樣采集及制備

在黃土坡面的刺槐林中，選取不同生長年限的刺槐，鋸掉地表樹干，挖取邊長為 50cm 、厚度為 40cm 的原狀根－土復(fù)合體，密封并包裹牢固，運回試驗室，試驗前用水沖掉根系周圍的土壤，制備不同根徑的根系試樣；同時，采用環(huán)刀法采集刺槐根系周邊的原狀土樣，測定其物理性質(zhì)指標(biāo)（主要結(jié)果為：黏粒、粉粒、沙粒含量分別為 30.90%.37.92%.31.18% ，采樣時天然含水率為 16.22% 、干密度為 1.43g/cm³ ）。

采集的刺槐根徑為 0.8～14.5mm 。 在根系抗拉試驗前，選取60 根完整無損的新鮮刺槐根系，修剪成長度為 18cm 的試樣。 在根系拉拔試驗（根－土摩擦試驗）前，依據(jù)刺槐根徑變化幅度和土壤天然含水率、干密度測定結(jié)果，設(shè)計了 5 種根徑 （2，4，6，8，10mm） ）、5種土壤含水率 （12%，14%，16%，18%，20%） 和 4 種土壤干密度 （1.3，1.4，1.5，1.6g/cm³） 的根－土復(fù)合體試樣，制樣時選取符合根徑要求的刺槐根系，統(tǒng)一修剪為15cm 長，埋入土中 10cm 、露出長度為 5cm ，用金屬絲穿過根系頂部并予以固定、防止刺槐根在試驗過程中打滑或脫落，將刺槐根系放在直徑為 5cm 的有機(jī)塑料管正中心位置，按照設(shè)計的含水率及干密度測算出將塑料管填充 10cm 高度所需試驗土壤質(zhì)量，按質(zhì)量比為 3：3：3：1 （對應(yīng)填土高度為 3、3、3、1cm） ）將試驗土壤分層填入塑料管中（如圖 1 所示），每層填土完成后用光滑玻璃棒進(jìn)行壓實與拋毛；填土完成后將整個塑料管用錫紙密封、靜置 24h 以確保土壤與刺槐根系充分接觸，用于根系拉拔試驗。

圖 1 根－土復(fù)合體試樣示意

Fig．1 Root?Soil Composite Sample Schematic

1．3 試驗方法

1．3．1 根系抗拉試驗

植物根系抗拉強(qiáng)度是評價土壤抗蝕能力和邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)之一［15］，采用 YT010－1000 型土工布綜合強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行根系抗拉試驗。 首先，在試驗根系距頂部4cm 處和距尾部 4cm 處分別用醫(yī)用棉布進(jìn)行包裹纏繞，以防止根系在試驗過程中滑出；然后，將試驗根系固定在事先調(diào)整好間距為 100mm 的強(qiáng)力機(jī)上下夾具之間，確保根系豎直并位于夾具中心；最后，啟動強(qiáng)力機(jī)、控制拉伸速度為 10mm/min ，觀察并記錄根系被拉斷時的瞬時拉力及延伸長度（縱向變形量），據(jù)此計算根系的抗拉強(qiáng)度、極限延伸率，公式為

式中： T 為根系抗拉強(qiáng)度， F_t 為根系的極限抗拉力（即根系被拉斷時的瞬時拉力）， D 為根系平均直徑（即根系距頂部 4cm 處、距尾部 4cm 處及中點處直徑的平均值）， ε 為根系縱向極限延伸率， ΔL 為根系被拉斷時的變形量， L 為根系在抗拉試驗之前的原始長度（本試驗 L=100mm^? ）。

根系在抗拉試驗過程中經(jīng)歷了從彈性變形到塑性變形的過程，最終達(dá)到變形極限時斷裂。 本研究根據(jù)根系抗拉強(qiáng)度 T 與極限延伸率 ε 測算根系彈性模量E ，用于衡量根系抵抗變形的能力［16］，計算公式為

E=T/ε

由于試驗測得的根系變形既有彈性變形又有塑性

變形，因此按上式計算的彈性模量 E 偏小，據(jù)此評估刺槐根系抵抗變形的性能偏安全。

1．3．2 根系拉拔試驗

采用 DL－5000 型電子拉力試驗機(jī)進(jìn)行根系拉拔試驗，將預(yù)制根－土復(fù)合體試樣下端固定在儀器平臺上，把綁有金屬絲的根系自由端用試驗機(jī)上端夾具予以固定，以 10mm/min 的速度將根系勻速從土體中拔出，實時觀察拉力試驗機(jī)顯示屏示數(shù)，待根系完全從土體中拔出或在拔出過程中根系被拉斷時，記錄顯示屏示數(shù)最大值，根據(jù)李東嶸［17］、郭歡等［18］推導(dǎo)的公式計算根－土摩擦系數(shù) μ ：

式中： F 為根系從根－土復(fù)合體中完全勻速拔出或在拔出過程中根系被拉斷時試驗機(jī)顯示屏示數(shù)的最大值（極限抗拉力）， ρ_d 為土壤干密度， ω 為土壤含水率， L_s 為根系在土體中的埋深（本試驗埋深為 10cm ）。

1．4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用軟件 Origin2024 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及圖表繪制，采用軟件 SPSS20 中的雙變量偏相關(guān)分析模塊計算各變量間的相關(guān)系數(shù)，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)校驗法對雙變量相關(guān)性進(jìn)行雙尾顯著性檢驗，采用最小顯著差數(shù)法檢驗各樣本組均值之間的差異。

2 試驗結(jié)果分析

2．1 刺槐根系拉伸力學(xué)性能

1）抗拉力。 抗拉試驗測得刺槐根系的單根抗拉力為 36～3867N ，最大抗拉力與根徑的關(guān)系見圖2（圖中 r 為相關(guān)系數(shù)）。 圖2 表明，刺槐根系最大抗拉力與根徑之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，即根徑在很大程度上決定了根系的最大抗拉力的大小，二者呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系。

圖 2 刺槐根系最大抗拉力與根徑的關(guān)系

Fig．2 Relationship Between Maximum Tensile Strength and Diameter of Robinia Pseudoacacia Roots

2）延伸率。 試驗測得刺槐根系的縱向極限延伸率為 10.6%～29.3% ，縱向極限延伸率與根徑的關(guān)系見圖3，縱向極限延伸率隨根徑的增大而減小，即細(xì)根比粗根韌性好，但二者之間的相關(guān)性不顯著。

圖 3 刺槐根系縱向極限延伸率與根徑的關(guān)系Fig．3 Relationship Between Longitudinal Ultimate Elongationand Diameter of Robinia Pseudoacacia Roots

3）彈性模量。 試驗測得刺槐根系彈性模量范圍為 147.27～343.18MPa ，由圖 4 可以看出彈性模量隨著根徑增大呈小幅減小趨勢，但二者相關(guān)性較弱。

圖 4 刺槐根系彈性模量與直徑的關(guān)系Fig．4 Relationship Between Elastic Modulus andDiameter of Robinia Pseudoacacia Roots

2．2 刺槐根－土摩擦系數(shù)影響因素

1）土壤干密度對刺槐根－土摩擦系數(shù)的影響。 圖5 為不同根徑情況下根－土摩擦系數(shù)與土壤干密度的關(guān)系，可以看出，隨著土壤干密度增大，不同根徑的根－土摩擦系數(shù)均呈增大趨勢，其原因是土壤干密度越大根系與土體結(jié)合得越緊密。

2）土壤含水率對刺槐根－土摩擦系數(shù)的影響。 圖6 為不同土壤干密度情況下根－土摩擦系數(shù)與土壤含水率的關(guān)系，可以看出，在不同土壤干密度情況下根－土摩擦系數(shù)總體上隨土壤含水率的提高而減小，其原因是土體強(qiáng)度隨著土壤含水率的提高而降低，導(dǎo)致根系與土壤之間的黏結(jié)力減弱。

圖 5 根－土摩擦系數(shù)與土壤干密度的關(guān)系Fig．5 Relationship Between Root?Soil FrictionCoefficient and Soil Dry Density

圖 6 根－土摩擦系數(shù)與土壤含水率的關(guān)系Fig．6 Relationship Between Root?Soil FrictionCoefficient and Soil Moisture Content

3）根徑對根－土摩擦系數(shù)的影響。 點繪不同土壤含水率和干密度情況下根－土摩擦系數(shù)與根系直徑的關(guān)系（見圖7）表明，根－土摩擦系數(shù)隨根徑的變化無明顯規(guī)律，原因是不同根徑的根系表面粗糙度差別不大。

圖 7 根－土摩擦系數(shù)與根徑的關(guān)系Fig．7 Relationship Between Root?Soil FrictionCoefficient and Root Diameter

4）根－土摩擦系數(shù)主導(dǎo)因素分析。 點繪根－土摩擦系數(shù)與根徑、土壤含水率、土壤干密度的 3D 關(guān)系圖（本文圖略）表明，在土壤干密度為 1.4～1.6g/cm³ 范圍內(nèi)，根－土摩擦系數(shù)隨著土壤含水率提高而逐漸減小。 選取覆蓋各影響因素的樣本 100 個，對根－土摩擦系數(shù)與根徑、土壤含水率、土壤干密度的關(guān)系進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性檢驗，表明根－土摩擦系數(shù)與根徑不顯著負(fù)相關(guān)、與土壤含水率顯著負(fù)相關(guān)、與土壤干密度顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 -0.005_s-0.535_s0.717 ，即土壤含水率和土壤干密度為根－土摩擦系數(shù)的主導(dǎo)因素。

2．3 討論

綜上所述，刺槐根系的抗拉力與根徑密切相關(guān)，隨著根徑的增大顯著增大，二者呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，該結(jié)果與 Gao 等［19］對香根草根系進(jìn)行試驗所得結(jié)論相似，原因是粗根系具有較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和較高的細(xì)胞密度、包含較多的纖維組織［20］，因而整體強(qiáng)度較高［21］。 植物根系的拔出阻力越大，越有利于坡面土體的穩(wěn)定。在探究刺槐根徑與縱向極限延伸率相關(guān)關(guān)系時，單根縱向極限延伸率隨著根徑的增大而減小，此結(jié)果與周朔［22］和李長暄［23］的研究結(jié)論類似，其主要原因是隨著植物根徑增大，木質(zhì)素含量逐漸高于纖維素含量，導(dǎo)致其縱向極限延伸率隨根徑增大不再顯著變化［24］，而在根徑較小時刺槐根系表現(xiàn)出較好的彈性，它對土體具有較強(qiáng)的黏結(jié)和纏繞作用，能夠有效抵御根－土復(fù)合體發(fā)生斷裂。 此外，隨著根徑的增大，彈性模量逐漸減小，原因是較大根徑的根系結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，內(nèi)部存在更多的空隙或軟弱區(qū)域，因此在應(yīng)力作用下表現(xiàn)出較大的變形，導(dǎo)致彈性模量降低。

本研究所得根－土摩擦系數(shù)與根徑相關(guān)性不顯著、與土壤含水率顯著負(fù)相關(guān)、與土壤干密度顯著正向關(guān)的結(jié)果，與有關(guān)學(xué)者［25－28］對油松、檸條、白沙蒿、沙柳、沙地柏、沙棘等進(jìn)行試驗所得結(jié)論類似，其主要原因是土壤含水率提高到某閾值后，土壤顆粒表面的水膜變厚，水對土壤顆粒的作用可能從黏聚轉(zhuǎn)變?yōu)闈櫥粌H降低了土壤顆粒之間的粗糙度，而且降低了土壤顆粒與根系之間的粗糙度，導(dǎo)致根－土摩擦系數(shù)減小。然而，Mickovski 等［29］利用濕沙和風(fēng)干沙重塑根－土復(fù)合體進(jìn)行拔根試驗，發(fā)現(xiàn)濕沙中根系的抗拔力大于干沙中的，與本研究所得結(jié)果不一致，主要原因是濕沙中吸力引起的表觀黏聚力較大、抗剪強(qiáng)度較高，而干沙中吸力引起的表觀黏聚力幾乎可以忽略不計。 總體而言，根－土摩擦系數(shù)受土壤干密度、土壤含水率等因素的影響顯著。

3 結(jié)論

1）刺槐根系的抗拉力隨根徑的增大而增大，但縱向極限延伸率、彈性模量隨根徑的增大而減小。2）土壤干密度對刺槐根－土摩擦系數(shù)有顯著影響，摩擦系數(shù)隨土壤干密度的增大而增大，其主要原因是土壤干密度越大根系與土壤之間結(jié)合得越緊密。3）刺槐根－土摩擦系數(shù)隨土壤含水率的增大而減小，其主要原因是土壤顆粒表面存在的水膜隨土壤含水率的增大而變厚，使土壤與根系之間的粗糙度和結(jié)合強(qiáng)度降低。4）刺槐根－土摩擦系數(shù)與根系粗細(xì)無明顯關(guān)系，主要原因是不同根徑根系表面的粗糙度差別不大。

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【責(zé)任編輯 張智民】