紫花苜蓿根系拉拔试验研究

周霞 李东嵘 蒋静 张超波

摘要：为了研究紫花苜蓿根系的拉拔力学性质和评价其根系固土力学机制的增强效应，采用室外原位拉拔试验分析了影响苜蓿根系拉拔力的因素。试验结果表明：① 紫花苜蓿根系拉拔力随着直径、根长、根系表面积的增大而增大，抗拉力与直径增长趋势呈指数关系，根长L2（20～30 cm）比根长L1（10～20 cm）平均拉拔力增大了69.62%，根长L3（30～40 cm）比根长L2平均拉拔力增大了61.7%，根长L3平均拉拔力比根长L1增大156.16%。② 拉拔力随根系表面积的增大而增大;根长L2、L3的平均根系表面积分别是根长L1的2.28倍和5.17倍;根长L2、L3平均拉拔力分别是根长L1的1.70倍和2.66倍。③ 紫花苜蓿根系拉拔力与植物根径呈负相关，满足幂指函数关系。拉拔强度T的大小为T3 （30～40 cm）>T2 （20～30 cm）>T1 （10～20 cm），根长L2、L3的平均拉拔强度比根长L1的减小了14.70%，53.71%。

关 键 词：紫花苜蓿根系; 拉拔破坏; 力学机制; 固土护坡

近年来，随着我国经济的不断发展和城镇建设的不断扩大，基础工程建设对边坡的改造和破坏诱发了一系列新的地质灾害[1]。植物措施作为一种提高浅层边坡稳定性的措施，被广泛应用于边坡固土。植物根土护坡的原理是利用植物根系与土壤相互缠绕以增加土壤间的固结力，改变土壤结构，形成根土复合体，提高边坡稳定性和抗冲刷性。根系破坏模式有拉断破坏和拔出摩擦破坏[2-4]，许多学者的研究成果表明，根系最大拉拔力与根系直径呈幂函数或指数函数关系，与根系数量呈线性关系[5-6]。在相同土壤容重下，根系的最大拉拔力随根系直径的增加而增大;当根系直径一定时，根系最大拉拔力随土壤干密度的增加而增大。多数学者研究灌草植物根系直径、种类对抗拉强度的影响，朱海丽[7]、耿威[8]等对多种灌草进行拉拔试验，得出直径与抗拉力呈正相关，与抗拉强度呈负相关的规律。还有一些学者研究乔木植物，如张超波[9]、杨永红[10]等对不同乔木根系进行抗拉试验研究，也得出同样的结论。目前对于草本植物根系的拉拔力试验研究较少，仅赵丽兵[11]通过室内拉伸试验，得出苜蓿根系直径和纤维束含量对抗拉强度有一定的影响。紫花苜蓿作为水土保持的先锋植物之一，能增强土体稳定性和抗侵蚀能力。为了全面评价紫花苜蓿根系的抗拉试验，对紫花苜蓿根系进行室外原位单根拉拔试验，分析不同根长、直径、根系表面积对紫花苜蓿根系拉拔力的影响，研究结果可为根土间受力关系和边坡稳定性研究提供依据。

1 试验材料

试验区位于太原，年均气温9.5℃左右 ，年均降雨量为456 mm。试验箱尺寸为50 cm × 50 cm × 50 cm（长×宽×高），数量4个;土样取自太原市附近黄土，在填筑过程中尽量保持土的容重、均匀性等相关参数与自然环境接近，分层取样并分层填装压实，共分5层，每层10 cm。试验区土样参数为平均土壤容重1.37±0.02 g/cm3;平均土壤含水量18.37±0.50%;土壤pH值为7.78。种植的紫花苜蓿（Medicago sativa L.）属多年生草本植物，根粗壮、深入土层，常作为水土保持、边坡固土的首选植物。种植方式采用分行穴种，株距10 cm，在自然环境中生长，生长周期为7个月。

不同根长条件下，保证同一直径范围内有不同直径根系的试验样本，土壤含水量范围控制在18.04%～18.68%之间，土壤容重相差不大，样本根系均为拔出，拉拔根系数量108个。将拔出的试样根系去除表面泥土，称鲜重后放置在温度为65℃左右烘箱中烘干，记录干重[12]。地上部分试样的含水量为63.19%;地下部分试样含水量51.10%。

2 试验方法与数据分析

2.1 试验仪器

根系拉拔试验拟采用拉力计（如图1所示），拉力测试仪器量程为300 N，精度为0.1 N，根系被拔出时，能保持最大拔出力;游标卡尺测直径，精度为0.01 mm;卷尺测根长，精度为1 mm。

2.2 试验步骤

① 根系固定。将拉力计带有夹具的一端与苜蓿顶端2～3 cm根系固定。② 拉拔试验。将拉力计归零，垂直向上移动仪器，如图1所示，直至根系被拔出，记录拉拔力。③ 直径测量。分别测量被拔出根系的上下两端和中间直径，取平均值作为该根系的直径。④ 根长测量。测量夹具前端至拔出根长。⑤ 整理数据。

2.3 数据分析

对不同直径、根长条件下的有效抗拉力数据采用Excel和SPSS 20.0软件进行数据分析，研究不同直径和根长与根系拉拔力是否有显著相关性，当P<0.05，有显著相关性。

3 結果与分析

3.1 根长、直径与拉拔力关系

根据试验拔出有效根系，将苜蓿根系按照根长L划分为根长L1（10 cm     根系拉拔力是根系抵抗外界拉伸作用的能力，原位拉拔试验的根系拉拔力表现为根系被拔出的最大抗拉力。由图2可知，根系平均拉拔力的增长趋势随根长的增大而增大，根长为L1、L2、L3对应的平均拉拔力分别为9.981，16.931，26.567 N;根长L2、L3的平均拉拔力比L1的分别增加了6.950，16.580 N，拉拔力增幅分别为69.62%，156.16%。拉拔力与直径、根长均呈正相关，这与Genet M等学者的研究结果相似[13]。原因是根系穿插土层深处，植物在生长的过程中需要从土壤中吸收养分，随着根系直径的增大，根长、根系表面积也增大，增加了根系与土壤之间的接触面积，土壤和根系形成了良好的连接体，增强了土壤和根系的固土能力;根系在拔出过程中，需要抵抗更大土壤间的摩擦力，因此具有较强的抵拉拔力。

本次试验根长L1、L2、L3的平均直径分别为0.623，0.868，1.239 mm;植物在生长的过程中需要从土壤中吸收养分，随着根系直径的增大，根长也增大。由图3可知，紫花苜蓿根系拉拔力随着直径增大而增大，拉拔力与直径呈幂指函数关系，且相关系数均在0.9以上。试样L2、L3平均直径分别比L1增大了37.34%、96.04%，L2、L3平均抗拉力分别比L1增大了69.62%、156.16%。

在同一根长范围内，根系直径和拉拔力之间有显著的相关性（P<0.05）;根系直径相同时，根长与拉拔力有显著的相关性（P<0.05），根长L3的拉拔力大于根长L1和L2的拉拔力，也就是说苜蓿根系拉拔力随根长的增大而增大。

将不同根长苜蓿根系最大拉拔力与直径进行回归分析，结果如表1、图3所示。

3.2 根系表面积与拉拔力关系

试样根系从土壤中被拔出，根系表面积对拉拔力有重要影响。试样L1、L2、L3平均根系表面积分别为290.90，663.79，1 502.88 mm2;L1、L2、L3平均拉拔力分别为9.981，16.931，26.567 N。

由图4可得，试样L2、L3平均根系表面积分别是L1的2.28倍和5.17倍;试样L2、L3平均拉拔力分别是L1的1.7倍和2.66倍，随着根系表面积增大，根系拉拔力也增大。原因是根系通过自身条件缠绕在土壤中，根系表面积越大，与土壤接触面积越多，被拔出过程中需要克服更大的摩擦阻力。

3.3 根系拉拔强度特性分析

根系拉拔强度T是单根最大拉拔力和根系面积之比。研究植物根系拉拔强度是根系固土机制的重要组成部分。由图5可知，根长L1的根径范围为0.207～1.390 mm，拉拔强度为12.19～176.48 MPa，平均拉拔强度54.330 MPa;根长L2的根径范围0.207～1.770 mm，拉拔强度为13.50～216.78 MPa，平均拉拔强度46.301 MPa;根长L3的根径范围为0.557～2.183 mm，拉拔强度为15.49～61.21 MPa，平均拉拔强度25.372 MPa。试样根系的平均拉拔强度随直径的增大而减小，平均拉拔强度与直径呈幂函数关系，这与别的学者的研究结论一致[13]。L2、L3的平均拉拔强度比L1的分别减小了14.7%，53.71%，不同根长拉拔强度大小减幅差别不大。这种现象可能与根系内部结构组分木质素、纤维素等的含量有关，或者样本容量较小。

4 结 论

采用垂直拉拔方式对紫花苜蓿根系进行了室外原位单根拉拔试验，分析不同根长、直径、根系面积对紫花苜蓿根系拉拔力的影响，得到以下结论。

（1） 紫花苜蓿根系拉拔力随着直径的增大而增大，拉拔力与直径呈幂指函数关系;拉拔力随根长的增大而增大，拉拔力与根长呈指数函数关系;根长L2比根长L1的平均拉拔力增大了69.62%，根长L3比根长L2平均拉拔力增大了61.7%，根长L3平均拉拔力比根长L1增大了156.16%。

（2） 紫花苜蓿根系拉拔力与根系表面积呈正相关，根系表面积越大，根系拉拔力越大。试样L2、L3平均根系表面积分别比L1平均根系表面积大2.28、5.17倍;试样L2、L3平均拉拔力分别比L1大1.70、2.66倍。

（3） 紫花苜蓿拉拔强度随直径增大而减小，满足幂函数关系。不同根长拉拔强度大小减幅差别不大，L2、L3平均拉拔强度比L1平均拉拔强度减小了14.70%、53.71%。

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（编辑：黄文晋）