沙地柏根系抗拉力学特性研究

蒋希雁　何春晓　董捷　王皓宇

摘要：对河北省张家口市沙地柏（Sabina vulgaris Ant.）根系进行抗拉试验，结果表明，沙地柏单根抗拉力随着根系直径的增大呈幂函数形式增大，单根抗拉强度随着根系直径的增加呈近似幂函数的关系递减，且相關系数都较高，沙地柏根系直径较大的根对边坡土体的加固作用有限，而根系直径较小的根抗拉强度较大，对根系护坡起主要作用;沙地柏单根伸长率、截面收缩率随着根系直径的增大呈直线形式减小，且相关系数都较高，根系直径较小，根系伸长率较大，从侧面反映出随着根系直径的增加，韧性减小。沙地柏根系直径范围在1.00～6.00 mm，抗拉力在25.0～369.0 N，抗拉强度在13.00～17.00 MPa，伸长率在8.00%～12.00%，截面收缩率在8.00%～12.00%，平均抗拉力为170.7 N，平均抗拉强度为14.89 MPa，平均伸长率为10.76%，平均截面收缩率为9.82%。

关键词：沙地柏（Sabina vulgaris Ant.）;抗拉力;抗拉强度;伸长率;截面收缩率;生态护坡

中图分类号：TU432;P642.22         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）22-0138-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.032           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on tensile properties of roots of Sabina vulgaris Ant.

JIANG Xi-yan1，2，HE Chun-xiao1，2，DONG Jie1，2，WANG Hao-yu1，2

（1.Hebei Key Laboratory of Diagnosis，Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering，Zhangjiakou 075000，Hebei，China;

2.Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，Hebei，China）

Abstract： Tensile test is carried out on the Sabina vulgaris Ant.'s root in Zhangjiakou city， the results show that with the increase of diameter， the anti-tensile strength of single root increases in the form of power function， and the tensile strength of single root decreases with the increase of root diameter， and the correlation coefficient is higher. The root with large root diameter has limited reinforcement effect on slope soil， while the root with small root diameter has greater tensile strength， which plays a major role in root slope protection. The elongation rate and sectional shrinkage of single root decreases in the form of a straight line with the increase of the diameter， and the correlation coefficients is high.The root diameter is smaller， and the root elongation is larger， which reflect from the side that the toughness decreased with the increase of the root diameter. The diameter of the root is 1.00～6.00 mm， the anti-tensile strength is 25.0～369.0 N， the tensile strength is 13.00～17.00 MPa， the elongation rate is 8.00%～12.00%， the sectional shrinkage rate is 8.00%～12.00%， the average anti-tensile strength is about 170.7 N， the average tensile strength is 14.89 MPa， the average root elongation is 10.76%， the average section shrinkage is 9.82%.

Key words： Sabina vulgaris Ant.; anti-tensile strength; tensile strength; elongation rate; sectional shrinkage; ecological slope protection

植被护坡是利用植物根系固土作用稳定浅层边坡的一种新技术，与传统的工程护坡相比，植被护坡在发挥其护坡作用的同时，具有工程措施所无法比拟的优点，一方面能够迅速恢复由于人类工程建设所破坏的生态环境，保持生态间的平衡，美化景观，净化空气。另一方面，植被护坡造价低，经济性较工程措施护坡优越。根系是植物的重要器官，不仅具有吸收输导土壤中的水分养分、合成和储存营养物质等生理功能，还具有固持水土的能力。研究表明，植物根系通过发挥其自身的抗拉特性以增强土体的抗剪强度。同时，植物根系具有的抗拉性能是增强边坡稳定性最重要的因素，也是根系固土抗蚀的重要指标，能表征根系材料在固土过程中的受力潜能[1-4]。直径越大，根系抗拉力越大，抗拉强度越小，根径与根系抗拉力和抗拉强度呈幂函数或指函数关系。研究者对多种灌木植物根系、草本植物根系进行分析[4-14]，都得出了相同结论。

张家口市地处河北省西北部，位于东经113°50′—116°30′，北纬39°30′—42°10′，海拔1 300～1 600 m。沙地柏（Sabina vulgaris Ant.）生长势旺，修剪后能产生多发性侧枝，形成斜生丛状树形，在短期内形成整齐无缺的绿篱，具有开发价值。沙地柏根系发达，细根极多，10～60 cm的土层内形成纵横交错的根系网，萌芽力强，能忍受风蚀沙埋，长期适应干旱的环境，是干旱、半干旱地区防风固沙和水土保持的优良树种，在肥沃通透土壤成长较快。在张家口某高速公路路堤生态边坡对沙地柏根系进行抗拉强度试验，从而为该地区生态护坡理论提供一定的理论基础。

1  材料与方法

1.1  试验材料

选取张家口某沙地柏长势较好的边坡，试验采用人工挖掘根系方法，挖掘深度0～20 cm，随机挖取生长较好的鲜活根系，在挖掘过程中尽量避免机械对根系的损伤。经清理后，放入密封袋，带回实验室保存。取得的试样7 d内测完，以保证根系材料的新鲜。

1.2  试验方法

在进行根系拉伸试验前，用精确度较高的游标卡尺测量根系的直径，为了使一根上的直径大致相同，截取粗细较为均匀的根段作为一个根系，每个根系测量分别选取根系的两头和中间三部分进行测量，然后求取平均值作为根系的直径，记为D。采用电子拉力试验机，测试时将根系的两端用专用夹持机构固定，启动测试仪器，速度25 mm/min，到根系拉断结束。为了正确反映根系的抗拉性能，排除夹持损伤导致的根系断裂，将根系在靠近两端夹具处断裂时测得的数据剔除;选取夹具中间或接近中间处断裂时的数据为有效数据。

根系各指标的计算公式为：

式中，P为根系抗拉强度;F为根系最大抗拉力（N）;D为根系平均直径（mm）;？啄为伸长率;ΔL为根系长度变化量;L为根系原长;？鬃为截面收缩率;A0为根拉断前截面面积;A为根拉断后的截面面积。

2  结果与分析

2.1  沙地柏不同直径根系指标

由表1可以看出，所取沙地柏根直径范围在1.00～6.00 mm，抗拉力在25.0～369.0 N，抗拉强度在13.00～17.00 MPa，伸长率在8.00%～12.00%，截面收缩率在8.00%～12.00%，平均抗拉力为170.7 N，平均抗拉强度为14.89 MPa，根系伸长率为10.76%，截面收缩率为9.82%。随着根系直径的增加，抗拉力逐渐增大，而抗拉强度、伸长率、截面收缩率随着根系直径的增加逐渐减小。

对于沙地柏的抗拉强度、抗拉力、伸长率、截面收缩率与其根系直径的关系，采用线性、多项式和幂函数3种常用数值拟合的方法进行回归分析，得到沙地柏根系的抗拉力与其根系直径的关系分别是（Y为根系的抗拉力，D为对应根系直径）线性Y=-106.3+77.32D（R2=0.986），多项式Y=7.96D2+18.14D-17.68（R2=0.992），幂函数Y=14.54D1.82（R2=0.996）。

通过拟合得到幂函数（指数式）和多项式更接近反映根系抗拉力与根系直径的关系，因为幂函数拟合度更高一些，这里取根系直径与抗拉力是指数分布。由图1可知，随着根系直径的增加，根系抗拉力逐渐增加，呈指数型分布，根系抗拉力都在拟合曲线的上下分布，且拟合度较高，建立其关系为Y=aDb，式中，Y为植物根系的抗拉力，D为植物根系的直径，a、b为给定植物的经验常数，在一定条件下，给定一个沙地柏根系直径，就能初步估算出根系的抗拉力。

沙地柏根系的抗拉强度与其根系直径的关系分别是（P为根系的抗拉强度，D为对应根系的直径）线性P=17.32-0.678D（R2=0.893），多项式P=0.088D2-1.335D+18.3（R2=0.901），幂函数P=17.68D-0.15（R2=0.912）。通过拟合得到指数式和多项式更接近反映根系抗拉强度与根系直径的关系，因指数型拟合度更高一些，这里取根系直徑与抗拉强度为指数分布。

由图2可知，随着根系直径的增加，根系抗拉强度逐渐减小，呈指数型分布，根系抗拉强度真实值在拟合曲线上下分布并且与指数型拟合度较高，由根系抗拉强度的计算公式，结合根系直径与根系抗拉强度的关系，可以得出根系直径增加的幅度要大于根系抗拉强度，即在一定条件下随着根系直径增加抗拉强度增加缓慢。建立其关系为P=aDb，其中，P为植物根系的抗拉强度，D为植物根系的直径，a、b为给定植物的经验常数，由图2可以看出，根系直径在2.23～2.60 mm，根系抗拉强度下降比较快;根系直径在2.60～5.02 mm，根系抗拉强度下降比较缓慢。

沙地柏根系的伸长率与其根系直径的关系分别是（？啄为根系的伸长率，D为对应根系的直径）线性？啄=12.98-0.64D（R2=0.983），多项式？啄=-0.036D2-0.37D+12.58（R2=0.98），幂函数？啄=13.18D-0.17（R2=0.797）。

通过拟合得到线性式和多项式更接近反映根系伸长率与根系直径的关系，因为直线型拟合度更高，这里取根系直径与根系伸长率是直线分布，如图3所示。由图3可知，随着根系直径的增加，根系伸长率逐渐减小，呈直线型分布，由此可以得出根系直径越大，根系伸长率越小，由公式和拟合关系可以得出根系直径大的，根系长度变化量较小，建立其关系为？啄=a+bD，其中，？啄为植物根系的伸长率，D为植物根系的直径，a、b为给定植物的经验常数，在一定条件下，通过根系伸长率与根系直径拟合线就能初步估算出根系的伸长率。

沙地柏根系的截面收缩率与其根系直径的关系分别是（？鬃为根系的伸长率，D为对应根系直径）线性？鬃=11.8-0.55D（R2=0.918），多项式？鬃=-0.049D2-0.19D+11.3（R2=0.912），幂函数？鬃=12.03-0.18（R2=0.863）。

通过拟合得到线性和多项式更接近反映根系截面收缩率与根系直径的关系，因为直线型拟合度更高，这里取根系直径与截面收缩率是直线型分布，如图4所示。由图4可知，随着根系直径的增加，截面收缩率逐渐减小，通过拟合度可知，线性更能反映根系直径与截面收缩率的关系，建立其关系为？鬃=a+bD，其中，？鬃为植物根系的截面收缩率，D为植物根系的直径，a、b为给定植物的经验常数，在一定条件下，就能初步估算出根系的截面收缩率。从图4可以看出，随着沙地柏根系直径的增加，根系直径在1.39～2.60 mm，截面收缩率下降较快，根系直径在2.60～5.02 mm，截面收缩率逐渐下降，且较慢。

3  小结

对张家口地区分布较为广泛的沙地柏根系进行了单根抗拉力学特性试验。结果表明，抗拉力在25.0～369.0 N，抗拉强度在13.00～17.00 MPa，伸长率在8.00%～12.00%，截面收缩率在8.00%～12.00%，平均抗拉力为170.7 N，平均抗拉强度为14.89 MPa，根系伸长率为10.76%，截面收缩率为9.82%。沙地柏单根抗拉力随着根系直径的增大呈幂函数形式增加，单根抗拉强度随着根系直径的增加呈近似幂函数的关系递减，且相关系数都较高，由此可见，沙地柏根系直径较大的根对浅层边坡土体的加固作用有限，而根系直径较小的须根抗拉强度较大，对根系护坡起到主要作用。沙地柏单根伸长率、截面收缩率随着根系直径的增大呈直线形式减小，且相关系数都较高，由此可以看出根系直径较小，根系伸长率较大，从侧面反映出随着根系直径的增加，韧性减小。以上试验结果分析可以用来预测和评估植物的固土护坡作用，对有效地进行水土保持、植物的选择及优化组合、发挥生物工程措施的固土潜能具有指导意义。

参考文献：

[1] 周德培，张俊云.植被护坡工程技术[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 王治国，张云龙，刘徐师，等.林业生态工程学[M].北京：中国林业出版社，2000.

[3] 王可钧，李焯芬.植物固坡的力学简析[J].岩石力学与工程学报，1998，17（6）：687-691.

[4] 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（7）：64-67.

[5] 杨永红，刘淑珍，王成华，等.浅层滑坡生物治理中的乔木根系抗拉实验研究[J].水土保持研究，2007，14（1）：138-140.

[6] 李贺鹏，岳春雷，陳友吾，等.浙南山区6种优势乔木植物根系的力学特性研究[J].浙江林业科技，2010，30（3）：6-11.

[7] 张超波.植物根系固土护坡力学基础研究[D].北京：北京林业大学，2011.

[8] 耿  威.4种植物单根持续拉力下的抗拉特性[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2008.

[9] 王剑敏，沈烈英，赵广琦.中亚热带优势灌木根系对土壤抗剪切力的影响[J].南京林业大学学报（自然科学版），2011，35（2）：47-50.

[10] 刘国彬，蒋定生，朱显漠.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.

[11] 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.

[12] 李成凯.青藏高原黄土区4种草本植物单根抗拉特性研究[J].中国水土保持，2008（5）：33-34.

[13] 张小娟.高速公路护坡植物根系分布及力学特性研究[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2013.