寒旱环境柠条锦鸡儿根系的力学群根效应

张兴玲+胡夏嵩

摘要：对试验区柠条锦鸡儿根系进行群根拉伸试验。结果表明，在相同的根径下，不论根系数量的多少，根系的抗拉力和抗拉强度具有随长度的增长而递减的趋势，且其递减的幅度较小；不论根长和根径如何变化，随根系数量的增加抗拉力均有较大幅度的提高。

关键词：柠条锦鸡儿；根系；拉伸试验；群根效应；寒旱环境

中图分类号：Q949.751.9；S157.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）19-4632-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.033

Mechanical Multiple Root Effects of Caragana korshinskii Roots in Frigid and

Arid-semiarid Environment

ZHANG Xing-linga，HU Xia-songb

（a.College of Water Resources and Electric Power；b.Department of Geological Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China）

Abstract： The multiple roots tensile tests of Caragana korshinskii were carried out in the testing areas. Results showed that when the C. korshinskii had the same root diameter， whether root quantity was more or less， the root tensile resistance and root tensile strength decreased with increase of root length， and the decreasing extent was lower. Whether root diameter and root length changed or not， the root tensile resistance increased greatly with increase of root quantity.

Key words： Caragana korshinskii；root system； tensile test； multiple root effect； frigid and arid-semiarid environment

通常情况下植物根系受到抗张或抗拉力作用的概率比受剪切力作用的概率要大，因为根系与土壤在共同粘聚力作用下形成活性有机体，当土壤受侵蚀时，根系在剪切力作用下会变形拉直，所受剪切力转为拉力作用，而根系抗拉力大的植物对土体产生的固持力较大，有利于边坡的稳定[1]，因此根系的抗拉力可直接代表根系抵抗其所受外力的有效指标。

国内外许多学者开展了根径与根系抗拉关系研究[1-7]，结果均表明根系抗拉力与根径呈幂函数关系；刘国彬等[8]对胡枝子等8种植物的研究结论为，根系的抗拉力与根径呈指数函数关系，而对紫花苜蓿等3种植物的研究结果为根系的抗拉力与根径呈幂函数关系；目前更多的研究表现在单根根系的抗拉力与根径之间的关系方面，实际植物对边坡的加固作用中，多株群根的共同作用具有较大的影响，根系的长度、根系的群根作用都会对根系的抗拉力产生较大影响。为此，以试验区柠条锦鸡儿为例，主要研究其根系的力学群根效应。在实际的边坡防护中，根系在边坡中形成了错综复杂的综合根系网，这种根系网可以有效防护边坡表面土体颗粒，充分发挥根系的群根作用，从而提高边坡浅层的稳定性，同时恢复和美化生态环境。

1 研究区自然概况

研究区地处青海省东北部湟水谷地中部西宁盆地，由于流水强烈侵蚀，黄土地貌发育较为典型，坡地多表现支离破碎，沟壑纵横，红层广泛出露，发育较典型的丹霞地貌[9]。属高原大陆性气候，年平均气温5.9 ℃，冬季时间长，干燥、寒冷、多风；年均降水量371 mm，年内分布极不均匀，集中在6～9月，占全年降水量的60%左右，且多以暴雨和阵雨形式出现，具有历时短、强度大、降雨集中等特点；蒸发量1 729 mm，是降水量的3.7倍，属半干旱气候类型[9]。试验区坡度陡，植被覆盖差， 暴雨频繁， 水土流失严重， 洪水、 滑坡、 泥石流等灾害现象频繁[10]。 试验区地理位置： 北纬36°35′，东经101°50′， 海拔约2 250 m，属于人工堆积的土质边坡，土体类型为粉土，坡向半阴半阳，坡度约40°。

2 材料与方法

2.1 试验材料

选取种植于试验地生长时间为1年的柠条锦鸡儿根系，该供试植物采用穴播方式种植， 穴距5 cm。采取挖掘剖面壁法挖取植株根系，挖掘深度0.5～2.2 m，随后植入大号试验盆内带回实验室，挑选生长正常，无病虫害并且根表皮完好的新鲜根系进行根系拉伸试验。

2.2 试验方法与内容

所采用的试验系统主要由数据处理采集系统和工作系统两大部分组成，工作原理如图1所示。

根系拉伸试验的步骤如下：根据试验方案量取不同长度和不同直径的鲜根系，由于根系与一般的刚性材料断裂方式不一样，根系断裂时断裂面参差不齐，难以精确测量根系断裂面的直径，因此本项试验中用游标卡尺测定根系的平均直径作为根系被拉断时的断裂面直径，用公式（1）计算根系的抗拉强度：

P=■ （1）

式中，P为根系的抗拉强度（MPa）； F为最大抗拉力（N）； D为根系直径（mm）。

3 结果与分析

3.1 抗拉力和抗拉强度长度效应

试验过程中，分别选定40、60、80、100 mm 4种长度（夹具净距）的根段，对每种长度的根系依次进行1～5根不同根系数量的拉伸试验。每种径级的根系3次重复，结果求其平均值。

从图2和图3可以看出，在相同的根径下，不论根系数量的多少，根系的抗拉力和抗拉强度具有随长度的增长而递减的趋势，且递减的幅度较小，在1.0～7.3 mm 7个根径径级范围内，根系的抗拉力和抗拉强度的长度效应。表1列出了在1.0～7.3 mm 7个根径径级范围内，当柠条锦鸡儿根系从1根逐步递增到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度的减少值。例如，其中根径为1.0 mm的根系，在根系数量从1根到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度均减少了40.0%、42.8%、40.0%、46.2%、47.1%；根径为1.9 mm的根系，在根系数量从1根到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度均减少了33.3%、36.4%、28.6%、27.8%、23.8%。

综合以上分析可知，群根作用对植物根系的固土护坡有很重要的影响，试验区种植的柠条锦鸡儿属于主侧根均衡发育型灌木，根系发达，主根明显，同时由于其根系的长度和根径不相同，所以在边坡防护中所起的作用也有所不同。由试验结果可知，在根径相同的条件下，随根系长度的增长其抗拉力和抗拉强度呈递减趋势，说明根长较短的根系不易被拉断，在边坡土体滑动时，其根表面与土体间产生的摩擦力可以得到充分发挥，从而对边坡土体产生较大的固持力，使边坡保持稳定；对于较长的根系而言，虽然比较短的根系易拉断，但是当边坡土体发生滑动裂缝时，长度相对较大的根系有利于把根系所受的拉力向土体深层传递，使根系本身所受的内力减小，从而反映出其护坡作用的有利方面。

3.2 根系抗拉力群根效应

试验结果表明，柠条锦鸡儿根系抗拉力的群根效应较为突出，由图4可知，不管根系的长度和根径如何变化，随根系数量的增加其抗拉力均有较大幅度的提高。表2列出了7个径级的根径段在40～100 mm 4种长度条件的下抗拉力平均值，可以看出，根系的抗拉力随着根系数量的增加均有较大幅度的提高。例如，其中根径为1.0 mm的根系，根系数量为1根时，抗拉力是37.5 N，当根系数量从1根增加到5根时，抗拉力高达125.0 N，5根的抗拉力比1根增加了233.33%，增加幅度比较大。表3列出了本项试验中根径从1.0 mm到7.3 mm的根系，在根系数量为2根、3根、4根和5根时的抗拉力平均值分别与根数为1根的抗拉力平均值相比的增幅。

群根拉伸试验结果表明，在一定根径范围内，随着根系数量的增加，根系的抗拉力在增大，同时根系表面积相应增大，当边坡土体发生滑动时，根系与土体的接触面积增加，其与土体间产生的摩擦力阻力也会增大，同时由于根系的抗拉力增大，故在土体滑动时根系不易被拉断，因此可以最大限度利用根系与土体间产生的摩擦阻力来阻止边坡土体的滑动。所以，根系数量的增加，相当于增加了边坡土体中的根系表面积和根系抗拉力，在实际的边坡防护中，其根系的分布是由多个水平根系和垂直根系系统相互交错，形成了综合的根系网，这种防护网具有包裹边坡表面或浅层土体颗粒的良好作用，可降低坡面或浅层的冲蚀侵蚀破坏，发挥良好的护坡作用[11]，这对减缓与防治边坡土体发生滑移变形具有重要意义。

4 小结

在根径相同的条件下，随根系长度的增长其抗拉力和抗拉强度呈递减趋势，说明根长较短的根系不易被拉断，在边坡土体滑动时，其根表面与土体间产生的摩擦力可以得到充分发挥，从而对边坡土体产生较大的固持力，使边坡保持稳定；对于较长的根系而言，虽然比较短的根系易拉断，但是当边坡土体发生滑动裂缝时，长度相对较大的根系有利于把根系所受的拉力向土体深层传递，使根系本身所受的内力减小，从而反映出其护坡作用的有利方面。

在一定根径范围内，随着根系数量的增加，根系的抗拉力在增大，同时根系表面积相应增大，当边坡土体发生滑动时，根系与土体的接触面积增加，其与土体间产生的摩擦力阻力也会增大，同时由于根系的抗拉力增大，故在土体滑动时根系不易被拉断，因此可以最大限度利用根系与土体间产生的摩擦阻力来阻止边坡土体的滑动。

参考文献：

[1] 杨维西，黄治江.黄土高原九个水土保持树种根的抗拉力[J].中国水土保持，1988（9）：47-49.

[2] 高齐治，张俊斌，张新萍.台湾西南部优势竹类籁竹根力之研究[J].世界竹藤通讯，2008，6（1）：10-15.

[3] 史敏华，王 棣，李任敏.石灰岩区主要水保灌木根系分布特征与根抗拉力研究初报[J].山西林业科技，1994（1）：17-19.

[4] 野久田稔郎，林拙郎，李晓华，等.由根系抗拉强度推算其固坡效果[J].水土保持科技情报，1997（1）：25-28.

[5] 朱清科，陈丽华，张东升，等.贡嘎山森林生态系统根系固土力学机制研究[J].北京林业大学学报，2002，24（4）：64-67.

[6] 程 洪，张新全.草本植物根系网固土原理的力学试验探究[J].水土保持通报，2002，22（5）：20-23.

[7] NILAWEERA N S， NUTALAYA P. Role of tree roots in slope stabilization[J]. Bull Eng Geol Env， 1999，57：337-342.

[8] 刘国彬，蒋定生，朱显漠，等.黄土区草地根系生物力学特性研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1996，2（3）：21-28.

[9] 张忠孝.青海地理[M].西宁：青海人民出版社，2004.

[10] 文忠祥.西宁市城市灾害与绿地减灾效应[J].青海师范大学学报（自然科学版），1999（1）：56-59.

[11] 阴 可，岳中琦，李焯芬.人工边坡绿化种植技术及其在香港的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2003，14（4）：21-25.

3 结果与分析

3.1 抗拉力和抗拉强度长度效应

试验过程中，分别选定40、60、80、100 mm 4种长度（夹具净距）的根段，对每种长度的根系依次进行1～5根不同根系数量的拉伸试验。每种径级的根系3次重复，结果求其平均值。

从图2和图3可以看出，在相同的根径下，不论根系数量的多少，根系的抗拉力和抗拉强度具有随长度的增长而递减的趋势，且递减的幅度较小，在1.0～7.3 mm 7个根径径级范围内，根系的抗拉力和抗拉强度的长度效应。表1列出了在1.0～7.3 mm 7个根径径级范围内，当柠条锦鸡儿根系从1根逐步递增到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度的减少值。例如，其中根径为1.0 mm的根系，在根系数量从1根到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度均减少了40.0%、42.8%、40.0%、46.2%、47.1%；根径为1.9 mm的根系，在根系数量从1根到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度均减少了33.3%、36.4%、28.6%、27.8%、23.8%。

综合以上分析可知，群根作用对植物根系的固土护坡有很重要的影响，试验区种植的柠条锦鸡儿属于主侧根均衡发育型灌木，根系发达，主根明显，同时由于其根系的长度和根径不相同，所以在边坡防护中所起的作用也有所不同。由试验结果可知，在根径相同的条件下，随根系长度的增长其抗拉力和抗拉强度呈递减趋势，说明根长较短的根系不易被拉断，在边坡土体滑动时，其根表面与土体间产生的摩擦力可以得到充分发挥，从而对边坡土体产生较大的固持力，使边坡保持稳定；对于较长的根系而言，虽然比较短的根系易拉断，但是当边坡土体发生滑动裂缝时，长度相对较大的根系有利于把根系所受的拉力向土体深层传递，使根系本身所受的内力减小，从而反映出其护坡作用的有利方面。

3.2 根系抗拉力群根效应

试验结果表明，柠条锦鸡儿根系抗拉力的群根效应较为突出，由图4可知，不管根系的长度和根径如何变化，随根系数量的增加其抗拉力均有较大幅度的提高。表2列出了7个径级的根径段在40～100 mm 4种长度条件的下抗拉力平均值，可以看出，根系的抗拉力随着根系数量的增加均有较大幅度的提高。例如，其中根径为1.0 mm的根系，根系数量为1根时，抗拉力是37.5 N，当根系数量从1根增加到5根时，抗拉力高达125.0 N，5根的抗拉力比1根增加了233.33%，增加幅度比较大。表3列出了本项试验中根径从1.0 mm到7.3 mm的根系，在根系数量为2根、3根、4根和5根时的抗拉力平均值分别与根数为1根的抗拉力平均值相比的增幅。

群根拉伸试验结果表明，在一定根径范围内，随着根系数量的增加，根系的抗拉力在增大，同时根系表面积相应增大，当边坡土体发生滑动时，根系与土体的接触面积增加，其与土体间产生的摩擦力阻力也会增大，同时由于根系的抗拉力增大，故在土体滑动时根系不易被拉断，因此可以最大限度利用根系与土体间产生的摩擦阻力来阻止边坡土体的滑动。所以，根系数量的增加，相当于增加了边坡土体中的根系表面积和根系抗拉力，在实际的边坡防护中，其根系的分布是由多个水平根系和垂直根系系统相互交错，形成了综合的根系网，这种防护网具有包裹边坡表面或浅层土体颗粒的良好作用，可降低坡面或浅层的冲蚀侵蚀破坏，发挥良好的护坡作用[11]，这对减缓与防治边坡土体发生滑移变形具有重要意义。

4 小结

在根径相同的条件下，随根系长度的增长其抗拉力和抗拉强度呈递减趋势，说明根长较短的根系不易被拉断，在边坡土体滑动时，其根表面与土体间产生的摩擦力可以得到充分发挥，从而对边坡土体产生较大的固持力，使边坡保持稳定；对于较长的根系而言，虽然比较短的根系易拉断，但是当边坡土体发生滑动裂缝时，长度相对较大的根系有利于把根系所受的拉力向土体深层传递，使根系本身所受的内力减小，从而反映出其护坡作用的有利方面。

在一定根径范围内，随着根系数量的增加，根系的抗拉力在增大，同时根系表面积相应增大，当边坡土体发生滑动时，根系与土体的接触面积增加，其与土体间产生的摩擦力阻力也会增大，同时由于根系的抗拉力增大，故在土体滑动时根系不易被拉断，因此可以最大限度利用根系与土体间产生的摩擦阻力来阻止边坡土体的滑动。

参考文献：

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[4] 野久田稔郎，林拙郎，李晓华，等.由根系抗拉强度推算其固坡效果[J].水土保持科技情报，1997（1）：25-28.

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[6] 程 洪，张新全.草本植物根系网固土原理的力学试验探究[J].水土保持通报，2002，22（5）：20-23.

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[9] 张忠孝.青海地理[M].西宁：青海人民出版社，2004.

[10] 文忠祥.西宁市城市灾害与绿地减灾效应[J].青海师范大学学报（自然科学版），1999（1）：56-59.

[11] 阴 可，岳中琦，李焯芬.人工边坡绿化种植技术及其在香港的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2003，14（4）：21-25.

3 结果与分析

3.1 抗拉力和抗拉强度长度效应

试验过程中，分别选定40、60、80、100 mm 4种长度（夹具净距）的根段，对每种长度的根系依次进行1～5根不同根系数量的拉伸试验。每种径级的根系3次重复，结果求其平均值。

从图2和图3可以看出，在相同的根径下，不论根系数量的多少，根系的抗拉力和抗拉强度具有随长度的增长而递减的趋势，且递减的幅度较小，在1.0～7.3 mm 7个根径径级范围内，根系的抗拉力和抗拉强度的长度效应。表1列出了在1.0～7.3 mm 7个根径径级范围内，当柠条锦鸡儿根系从1根逐步递增到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度的减少值。例如，其中根径为1.0 mm的根系，在根系数量从1根到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度均减少了40.0%、42.8%、40.0%、46.2%、47.1%；根径为1.9 mm的根系，在根系数量从1根到5根的情况下，长度为100 mm的根系比长度为40 mm的根系抗拉力和抗拉强度均减少了33.3%、36.4%、28.6%、27.8%、23.8%。

综合以上分析可知，群根作用对植物根系的固土护坡有很重要的影响，试验区种植的柠条锦鸡儿属于主侧根均衡发育型灌木，根系发达，主根明显，同时由于其根系的长度和根径不相同，所以在边坡防护中所起的作用也有所不同。由试验结果可知，在根径相同的条件下，随根系长度的增长其抗拉力和抗拉强度呈递减趋势，说明根长较短的根系不易被拉断，在边坡土体滑动时，其根表面与土体间产生的摩擦力可以得到充分发挥，从而对边坡土体产生较大的固持力，使边坡保持稳定；对于较长的根系而言，虽然比较短的根系易拉断，但是当边坡土体发生滑动裂缝时，长度相对较大的根系有利于把根系所受的拉力向土体深层传递，使根系本身所受的内力减小，从而反映出其护坡作用的有利方面。

3.2 根系抗拉力群根效应

试验结果表明，柠条锦鸡儿根系抗拉力的群根效应较为突出，由图4可知，不管根系的长度和根径如何变化，随根系数量的增加其抗拉力均有较大幅度的提高。表2列出了7个径级的根径段在40～100 mm 4种长度条件的下抗拉力平均值，可以看出，根系的抗拉力随着根系数量的增加均有较大幅度的提高。例如，其中根径为1.0 mm的根系，根系数量为1根时，抗拉力是37.5 N，当根系数量从1根增加到5根时，抗拉力高达125.0 N，5根的抗拉力比1根增加了233.33%，增加幅度比较大。表3列出了本项试验中根径从1.0 mm到7.3 mm的根系，在根系数量为2根、3根、4根和5根时的抗拉力平均值分别与根数为1根的抗拉力平均值相比的增幅。

群根拉伸试验结果表明，在一定根径范围内，随着根系数量的增加，根系的抗拉力在增大，同时根系表面积相应增大，当边坡土体发生滑动时，根系与土体的接触面积增加，其与土体间产生的摩擦力阻力也会增大，同时由于根系的抗拉力增大，故在土体滑动时根系不易被拉断，因此可以最大限度利用根系与土体间产生的摩擦阻力来阻止边坡土体的滑动。所以，根系数量的增加，相当于增加了边坡土体中的根系表面积和根系抗拉力，在实际的边坡防护中，其根系的分布是由多个水平根系和垂直根系系统相互交错，形成了综合的根系网，这种防护网具有包裹边坡表面或浅层土体颗粒的良好作用，可降低坡面或浅层的冲蚀侵蚀破坏，发挥良好的护坡作用[11]，这对减缓与防治边坡土体发生滑移变形具有重要意义。

4 小结

在根径相同的条件下，随根系长度的增长其抗拉力和抗拉强度呈递减趋势，说明根长较短的根系不易被拉断，在边坡土体滑动时，其根表面与土体间产生的摩擦力可以得到充分发挥，从而对边坡土体产生较大的固持力，使边坡保持稳定；对于较长的根系而言，虽然比较短的根系易拉断，但是当边坡土体发生滑动裂缝时，长度相对较大的根系有利于把根系所受的拉力向土体深层传递，使根系本身所受的内力减小，从而反映出其护坡作用的有利方面。

在一定根径范围内，随着根系数量的增加，根系的抗拉力在增大，同时根系表面积相应增大，当边坡土体发生滑动时，根系与土体的接触面积增加，其与土体间产生的摩擦力阻力也会增大，同时由于根系的抗拉力增大，故在土体滑动时根系不易被拉断，因此可以最大限度利用根系与土体间产生的摩擦阻力来阻止边坡土体的滑动。

参考文献：

[1] 杨维西，黄治江.黄土高原九个水土保持树种根的抗拉力[J].中国水土保持，1988（9）：47-49.

[2] 高齐治，张俊斌，张新萍.台湾西南部优势竹类籁竹根力之研究[J].世界竹藤通讯，2008，6（1）：10-15.

[3] 史敏华，王 棣，李任敏.石灰岩区主要水保灌木根系分布特征与根抗拉力研究初报[J].山西林业科技，1994（1）：17-19.

[4] 野久田稔郎，林拙郎，李晓华，等.由根系抗拉强度推算其固坡效果[J].水土保持科技情报，1997（1）：25-28.

[5] 朱清科，陈丽华，张东升，等.贡嘎山森林生态系统根系固土力学机制研究[J].北京林业大学学报，2002，24（4）：64-67.

[6] 程 洪，张新全.草本植物根系网固土原理的力学试验探究[J].水土保持通报，2002，22（5）：20-23.

[7] NILAWEERA N S， NUTALAYA P. Role of tree roots in slope stabilization[J]. Bull Eng Geol Env， 1999，57：337-342.

[8] 刘国彬，蒋定生，朱显漠，等.黄土区草地根系生物力学特性研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1996，2（3）：21-28.

[9] 张忠孝.青海地理[M].西宁：青海人民出版社，2004.

[10] 文忠祥.西宁市城市灾害与绿地减灾效应[J].青海师范大学学报（自然科学版），1999（1）：56-59.

[11] 阴 可，岳中琦，李焯芬.人工边坡绿化种植技术及其在香港的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2003，14（4）：21-25.