石质陡边坡构树根系抗拉特性研究

罗龙皂,李绍才,孙海龙,龙 凤,张 丞,卢荻秋

(1.西南大学资源环境学院,重庆 400715;2.四川大学生命科学学院,四川成都 610064;3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610064;4.四川大学水利水电学院,四川成都 610064)

石质陡边坡构树根系抗拉特性研究

罗龙皂1,李绍才2,孙海龙3,龙 凤2,张 丞4,卢荻秋4

(1.西南大学资源环境学院,重庆 400715;2.四川大学生命科学学院,四川成都 610064;3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610064;4.四川大学水利水电学院,四川成都 610064)

石质陡边坡;构树根系;抗拉强度;根系分级;上坡向;下坡向;应力 -应变曲线

通过对构树根系进行室内单根拉伸试验,从根系生长方位和根系分级角度,系统分析了上、下坡向,一、二、三级侧根的抗拉强度和应力-应变曲线。试验研究结果表明:根系的抗拉强度随着根径的增大而减小,有着很好的幂函数关系,并且随着根径的增大,它们的抗拉强度值越来越接近;根系的应力 -应变曲线与其自身的生长方位、根径大小、根系分级存在一定的关系;上、下坡向根系的抗拉强度之间存在显著性差异,其中下坡向根系的抗拉强度大于上坡向根系的抗拉强度;一、二、三级根系的抗拉强度之间不存在显著性差异,三级侧根抗拉强度平均值最大、二级侧根次之、一级侧根最小。由此可见,细根或毛根抗拉强度大,对保持边坡稳定的贡献较大。不同生长方位和分级根系对护坡的贡献也不相同,其中下坡向根系的贡献要大于上坡向根系,随着根系级别的增加,根系对护坡的贡献率也在增加。

植物根系在提高边坡稳定性和防止坡面整块垮塌中扮演着很重要的角色[1],植物根系不光从土壤中吸收养分,还具有支撑地上部分与加固岩土体的重要力学功能[2-3]。根系的抗拉特性是评估其力学作用能力的重要方面,故国内外很多学者对其进行了研究[4-9]。这些研究主要集中在根系应力-应变关系及根系抗拉力与根径之间的关系、抗拉强度与根径之间的关系等方面,大多是在平地或土质边坡中开展的,对石质边坡生境下根系抗拉特性的研究较少,且在坡面条件下根系的抗拉特性受根系的空间分布位置及外荷载条件的影响剧烈,但目前对这方面的定量研究还较匮乏[10-12]。

构树在我国分布广泛,尤其在南方地区极为常见,具有适应性特强、抗逆性强、根系浅、侧根分布很广、生长快、萌芽力和分蘖力强的特点,尤其适合于石质陡边坡的生态防护。因此,本试验以石质陡坡生境下的构树为研究对象,着重从根系在坡面的生长方位与根系分级角度对构树根系抗拉特性进行研究,目的是探明根系抗拉特性随植物根系空间分布的变化特征,为定量评价植物根系的材料力学行为提供依据,以进一步为岩石边坡生态防护提供指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验地介绍

试验地为四川省励自生态技术有限公司试验基地,位于四川省彭州市升平镇。本地区气候属亚热带季风气候,年平均气温16.3℃,最热月(7月)平均气温 25.8℃,最冷月(1月)平均气温5.6℃,年平均降水量 1 146.5mm,其中生长季(3— 10月)降水量 816.3mm,年平均相对湿度 79%,年均蒸发量1 536.4mm。

该石质边坡为人工模拟边坡,试验区面积为 4.75m×15m,坡度为 1∶0.75,坡向南。岩石面采用 100 cm×50 cm×10 cm的石板砌成,基质用植壤土(土壤类型为紫色土)与 TBS绿化基材(具体组成见文献[13])按质量比 10∶1混合,采用干喷法喷射(12m3空压机、5m3/h混凝土喷射机)至试验坡面,厚度 10 cm。测得基质混合物的容重为 1.07 g/cm3,有机质含量为 47.06 g/kg。供试种于 2005年 6月以喷播方式与刺槐、桑树、锦鸡儿种子进行混合播种,试验时间是 2009年 5月份。试验前测得基质全N含量为 3.49 g/kg、全 P为 6.96 g/kg、全 K为 3.56g/kg。

1.2 根系挖掘与测量

(1)试验前将坡面枯落物等杂质清除,选定试验植株(共 10棵)。

(2)通过开挖测得土壤厚度约为 10 cm,挖至 5 cm左右,露出铁丝网,根系、土体、铁丝网相互交织在一起。小心地将根系周围的铁丝网剪掉并将其清理出坡面,此时土体厚度约剩 5 cm,然后对土体浇水至饱和,24h后进行根系人工挖掘。

(3)选取根系中比较直的部分,长度为 150mm,用枝剪小心剪取,获得的样品贴上标签,注明采集植株、方位、根系分级等信息,立即装入自封袋并放入 4℃冰箱保存[14]。

(4)根系力学特性测试前先用小刀将根皮剥掉,然后用游标卡尺对其根径进行测量,由于根断面不是规则的圆形,所以测量时应同时测几个直径,并以最大的那个直径作为根系的直径(根径的测量需同时测根端和根中部直径)[4]。

1.3 根系力学特性测试

试验根系按其生长方位可分为上坡向和下坡向两类[8];根系分级按照标准分级方法分为一级侧根、二级侧根和三级侧根[15-16]。根系生长方位和分级情况见图 1。进行根系力学特性测试前测定根系含水量为1.36%(均值),在室温条件下,利用电子万能试验机(CMT5000,深圳新三思有限公司生产)对它们进行单根力学特性测试。电子万能试验机上装有可卸载夹具,试验时将根系两端固定在夹具上,以保证其轴心受拉。拉伸过程中,根系容易在其与夹具接触处断裂。只有根系在根段中点附近断裂,我们才认为试验是成功的。

图1 坡面植物根系生长方位和分级示意

根系的抗拉强度计算公式为

式中:Tr为根系的抗拉强度,Mpa;Fa为最大抗拉力,N;D为根断裂点直径,mm。

1.4 数据分析

对不同生长方位、不同分级根系的抗拉强度与根径进行回归分析,探讨它们之间的关系。再对不同生长方位根系抗拉强度进行配对样本T检验,分析它们之间的差异。对数据进行协方差分析,看根系分级是否对根系的抗拉强度产生显著影响,其中根径作为协变量,根系分级作为自变量,抗拉强度作为因变量。数据的正态性检验使用的是 Kolmogorov-Smirnov检验法,如果数据不符合正态分布,则对数据进行对数转化。这些分析都是在spss16.0软件中进行的(显著水平为 0.05)。

2 结果与讨论

2.1 根系抗拉强度与根系直径间的关系

很多研究表明[17-20],根系的抗拉强度(Tr)与根径大小有很大的关系,因此我们对上、下坡向不同分级(一级、二级、三级)根系的抗拉强度值与相应根径进行了回归分析,把曲线参数、样本数量、根径范围、判定系数、相伴概率列于表 1中。分析结果(见图 2)表明,上、下坡向各个分级根系的抗拉强度都随着根径的增大而减小,存在很好的幂函数关系(Tr=α◦ dβ),这与前人的研究结果一致[5,9-10]。回归方程中的指数 β表示根系抗拉强度随着根径减小的速率,α可以作为一个尺度因子[14]。一级侧根的α值较低,β值较高,表现出较低的抗性;二级侧根的α值较高,β值较低,表现出较高的抗性。另外,上、下坡向根系中,随着根径的增大,各级根系的抗拉强度值越来越接近。

表 1 根系抗拉强度与根径回归方程参数

2.2 根系应力-应变曲线特征

研究发现,同一植株中同一分级、根径相同的根系,生长方位不同则其应力-应变曲线差异较大。植物根系材料可分为弹性和塑性两类[7]。一级侧根中〔图 3(a)〕,上坡向根系曲线的弹性阶段较短,延伸率较大,表现为较大的塑性;而下坡向根系曲线表现为较大的线性。二级侧根中〔图 3(b)〕,上坡向根系弹性阶段很小,延伸率达到 12%左右,主要表现为塑性;下坡向根系曲线具有较大的线性。上、下坡向三级侧根的曲线形状比较相似〔图3(c)〕,弹性阶段比较明显,延伸率都达到12%左右,均表现为弹塑性特征。下坡向三级侧根的比例极限 σpl、极限应力 σu都要大于上坡向三级侧根,说明上坡向三级侧根具有更大的刚度。由此可见,根系的应力-应变曲线与其生长方位有着密切的关系,因为不同生长方位上根系的水分、受力均会有差异,这都会影响根系的力学特性[21],从而导致上、下坡向应力 -应变曲线的差异。另外,在同一植株中,根径相同的条件下,上坡向方面,各级侧根的应力 -应变曲线〔图 4(a)〕也都具有比较明显的弹性阶段、应变强化阶段、颈缩阶段,表现出一定的弹塑性,其中一级侧根的刚度和抗拉强度也是最大的。下坡向不同分级根系的应力-应变曲线〔图 4(b)〕都具有比较明显的弹性阶段、应变强化阶段、颈缩阶段,而屈服阶段不明显,这些根系均表现为弹塑性特征。其中,三级侧根的延伸率最大,达到 17%,说明其塑性最大。各级侧根按极限应力 σu(与抗拉强度一致)大小排序为一级侧根 ＞二级侧根＞三级侧根,说明一级侧根的刚度和抗拉强度最大。也就是说,不论从上坡向还是下坡向来看,一级侧根的刚度和抗拉强度都是最大的,这可能与根系的解剖结构有关[10-11],有待深入研究。

图4 不同分级根系的应力-应变曲线

2.3 生长方位对根系抗拉强度的影响

通过对相同根系分级、相同(或相近)根径、不同生长方位根系的抗拉强度值进行配对样本T检验,发现生长方位对根系的抗拉强度有显著影响,上、下坡向根系的抗拉强度值之间存在显著差异(T值为 4.361,P＜0.05,n=25)。从图 5可知下坡向根系的抗拉强度均大于上坡向根系的抗拉强度,这可能是水分、养分、重力等因素的影响造成上、下坡向根系木质化程度、纤维素含量的差异,从而导致上、下坡向根系抗拉强度大小的不同[12,21],具体原因有待进一步研究。

2.4 根系分级对抗拉强度的影响

不同分级根系在遗传、发展和功能上具有独特性[22],这可能会导致它们的力学特性之间有差异。我们对同一生长方位、相同根径但分级不同的根系进行方差分析,发现下坡向根系中,根系分级对抗拉强度没有显著性影响,即一、二、三级侧根的抗拉强度之间不存在显著性差异(F=0.324,P=0.725,n=49),上坡向根系中也得到同样结论(F=1.433,P=0.256,n=31)。虽然各个分级根系的抗拉强度之间不存在显著性差异,但它们的平均值呈递增趋势(图 5)。因为随着分级的增加,根龄逐渐减小,而根龄小的根系可能具有更高的纤维素含量,从而提高其抗拉强度值[10]。

图5 不同分级、不同生长方位根系抗拉强度

3 结 论

根系的抗拉强度是影响边坡稳定的重要因素。本研究表明,根系抗拉强度随着根径增大而减小,有着很好的幂函数关系。上、下坡向根系的抗拉强度之间存在显著性差异,其中下坡向根系的抗拉强度大于上坡向根系的抗拉强度。虽然一、二、三级根系的抗拉强度之间不存在显著性差异,但它们的平均值呈递增趋势。由此可见,细根或毛根抗拉强度大,对保持边坡稳定性的贡献较大。不同生长方位和不同分级的根系对护坡的贡献也不相同,下坡向根系的贡献要大于上坡向根系,随着根系级别的增加,根系对护坡的贡献率也在增加。

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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

国家自然科学基金项目(50974092)

罗龙皂(1985—),男,江西上饶市人,硕士研究生,从事环境生态方面的研究;通信作者孙海龙(1976—),男,黑龙江海林市人,讲师,博士,从事生态工程研究工作。

2010-07-12

(责任编辑 徐素霞)