黑沙蒿根系抗拉特性及其与化学成分的关联性

胡晶华， 刘 静， 李雪松， 白潞翼， 张 欣， 王多民

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院， 内蒙古 呼和浩特 010019； 2.河北省水利科学研究院， 河北 石家庄 050051；3.水利部牧区水利科学研究所， 内蒙古 呼和浩特 010019； 4.阿拉善盟气象局， 内蒙古 阿拉善盟 750300)

植物根系防止土体位移和变形的作用已被大量研究证明[1]。在遭受大风拉拔、暴雨冲刷等外营力破坏时，植物根系主要受力类型是轴向拉力[2]，作为抵御土壤侵蚀的受力材料，根系轴向抗拉力、抗拉强度以及杨氏模量(拉伸弹性模量)是材料力学特征的重要指标。植物根系网由侧根分支处连接直根构成，目前，对于根系抗拉力学特性的研究主要集中于特定植物直根抗拉力和抗拉强度。大部分研究[3-4]表明，直根抗拉力与根径呈正相关，抗拉强度与根径呈负相关，且抗拉力、抗拉强度与根径呈幂函数关系。对侧根分支处抗拉特性的研究仅有本课题组对柠条(Caraganakorshinskii)、北沙柳(Salixpsammophila)等植物侧根分支处与相邻直根抗拉力学差异性的相关报道[5]。对于根系杨氏模量的研究报道较少，嵇晓雷等[6]计算了夹竹桃(Neriumoleander)的杨氏模量(E50=789.62MPa)，Abdi等[7]得出波斯银缕梅(Parrotiapersica)的杨氏模量与根径呈负相关，Boldrin等[8]提出锦熟黄杨(Buxussempervirens)等木本植物的杨氏模量与抗拉强度呈显著线性相关。植物根系化学成分含量也是影响其材料力学特性的重要因素[9]，Zhang等[10]研究表明，随着根径的增加，油松根系抗拉强度降低，根的木质素含量减小，且抗拉强度、木质素含量与根径呈幂函数关系。乔娜等[11]研究柠条锦鸡儿和霸王根系时，发现2种灌木根系纤维素含量与根径、抗拉强度均表现出一定的相关性。Genet[12]研究海岸松(Pinuspinaster)等5种植物根系时，得出根系抗拉强度随根径的增大而减小主要归因于细根单位干质量的纤维素含量大于粗根。植物种间因遗传特性和生长环境等的不同，材料力学特性的差别较大，因而作为一种生物材料所发挥的固土护坡功能也不尽相同。从根系化学成分的角度明确根系抵抗外力的强度特征和变形特点，并据此筛选抵抗特定侵蚀类型功能更强的植物种，对实现水土流失精准防控和评价水土保持植物固土抗蚀能力具有重要意义。为此，本文以半干旱矿区常见灌木黑沙蒿为对象，研究1～4 mm根径直根段、含侧根分支处根段的抗拉力、抗拉强度和杨氏模量，以及直根段、含侧根分支处根段的纤维素、半纤维素和木质素含量，探讨根系抗拉特性与主要化学成分含量的关联性，以期充实黑沙蒿根系固土力学特性，为矿区生态恢复和植物保护提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区伊金霍洛旗与陕西省神木市接壤处的采煤塌陷治理区(110°00′—110°24″E， 39°11′—39°29″N，海拔1 000—1 250 m)。属温带半干旱大陆性气候，年平均降水量为396.8 mm。研究区内土壤类型为沙质土，砂砾含量(0.05～1.00 mm)达80%～89%，质地复杂、结构较差、易受水蚀和风蚀，适合种植耐旱抗风沙的水土保持植物。该地区常见植物种有北沙柳、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等，黑沙蒿根系粗长，属于深根性轴根型植物，为良好的固沙植物之一，是该地区组成植物群落的优势种。

1.2 供试材料

于2019年7月进行试验，在研究区内选择长势良好的黑沙蒿群落，随机选取30株黑沙蒿测量株高、冠幅、地径，计算各指标的均值(株高：51±10 cm；冠幅：67±17 cm2；地径：1.2±0.2 cm)作为标准株指标，选取与标准株指标相近的植株进行采集。为防止植株死亡，采用部分挖掘法将黑沙蒿部分根系挖出并剪下放入黑塑料袋中，根系采集数量大约为800条，在根系上覆土并不断喷水，避免水分散失。带回试验室后在根际温度(4 ℃)下保存。

选择长势均匀的根系进行制备。黑沙蒿根系直径<4 mm范围内的干重占总株的87.22%，根长为98.3%，表面积为92.6%，体积为84.45%[13]，因此试验根径级选取为1～4 mm。试验根总长为120 mm试验长度为60 mm，两端阴影部分为夹具夹持部分。图1直根试验段，O点及距O点10和20 mm标记点根径采用十字交叉法测量，每个标记点需测量两次，取5点平均值作为该试验根的根径，并依此划分为1～2，2～3，3～4 mm共3个径级。图1含侧根分支处试验根，O点根径需每60°均匀测量3次，距O点10和20 mm处上级根、下级根的根径测量与直根段相同，并依此划分为1～2，2～3，3～4 mm这3个径级。试验根段制备好后一周内完成试验以保证其活性。

直根试验段 含侧根分支处试验根

图1 试验根示意图

1.3 试验设计与方法

1.3.1 试验设计 将根系分3组进行试验，A组进行试验根极限力学特性的测定，直根段、含侧根分支处根段各3个径级，各径级重复30条试验根，共180条试验根(无效数据不计)。B组进行试验根变形特性的测定，包括根系的应力应变曲线和杨氏模量的计算，径级分组和重复数与极限力学特性试验相同，共180条试验根(无效数据不计)。C组进行根主要化学成分含量的测定，各径级各指标重复测定3次，共54条试验根。

1.3.2 极限抗拉力的测定 本研究采用TY8000伺服控制试验机(试验力测量范围为0～5 000 N，精度为0.01 N)，自制试验夹具(专利号：ZL201520299176.1)对试验根进行极限抗拉力测定，其加载速度设置为500 mm/min。将制备好的试验根放入夹具使其处于轴向受拉状态，匀速施加轴向拉力直至根段断裂。设备自动记录试验根在拉伸过程中抗拉力(F)和位移(S)的变化，断裂点在距试验根中心两端20 mm内记为有效数据，断裂点直径取其相邻两侧标记点根径的平均值。极限抗拉强度为破坏处单位横截面积上的极限抗拉力：

P=4F/πD2

(1)

式中：P为极限抗拉强度(MPa)；F为极限抗拉力(N)；D为根径(mm)。

1.3.3 杨氏模量的计算 杨氏模量是描述材料抵抗轴向变形能力的物理量，即根系在拉伸过程中，其弹性阶段应力应变之比〔公式(4)〕。为保证含水量不变的情况下准确反映其应力应变的变化过程，加载速度采用10 mm/min，通过仪器自动记录的抗拉力和位移，计算试验根的应力、应变〔公式(2)—(3)〕，绘制应力应变曲线图并进行杨氏模量分析。

σr=4Fr/πD2

(2)

εr=Sr/60×100%

(3)

Er=σr/εr

(4)

式中：σr为线应力(MPa)；Fr为抗拉力(N)；D为根径(mm)；εr为线应变(%)；Sr为试验根受拉发生的位移(mm)；Er为杨氏模量(MPa)。

1.3.4 化学成分的测定 纤维素含量测定采用硝酸—乙醇法，根系木素被硝化并部分被氧化后产生的硝化木素和氧化木素以及大量半纤维素均溶于乙醇溶液，所得残渣为纤维素含量(GB/T2677.6-1994)；半纤维素含量测定采用间接法，即综纤维素含量减去纤维素含量即为半纤维素含量，棕纤维素测定含量采用亚氯酸钠法，利用亚氯酸钠溶液加热后的分解产物二氧化氯将木质素脱除(GB/T2677.8-1994)；木质素含量测定采用72%硫酸水解法，硫酸水解经苯醇混合液抽提，其水解残余物的质量为木质素含量(GB/T 2677.8-1994)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 20.0软件对数据进行统计处理，使用最小显著极差法(LSD)对黑沙蒿根段化学成分含量进行差异性检验，使用Pearson检验对根段抗拉强度、杨氏模量与化学成分含量进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 黑沙蒿根段极限强度特征

由图2可知，直根段、含侧根分支处根段抗拉力随根径的增加而增大，且抗拉力与根径呈幂函数关系(y直=11.497x1.365 6，R2=0.863 7，p<0.001；y侧=6.188 1x1.511 1，R2=0.934 8，p<0.001)，抗拉强度随根径的增大而减小，与根径呈幂函数关系(y直=15.207x-0.67，R2=0.612 2，p<0.001；y侧=7.879x-0.489，R2=0.600 1，p<0.001)。直根段抗拉力、抗拉强度均大于相同根径含侧根分支处根段。在1～4 mm根径范围内，直根段根径由1.07 mm增至3.92 mm，抗拉力由10.35 N增至99.41 N，抗拉强度由19.10 MPa降至4.26 MPa；3～4 mm直根平均抗拉力、抗拉强度分别是1～2 mm直根的3.2和0.6倍。含侧根分支处根段根径由1.16 mm增至3.97 mm，抗拉力由7.65 N增至50.12 N，抗拉强度由8.28 MPa降至3.46 MPa；3～4 mm含侧根分支处根段平均抗拉力、抗拉强度分别是1～2 mm含侧根分支处根段的3.5和0.7倍。粗根由于生长时间较长，木质化程度高，因此在拉伸破坏中表现出更强的抵抗力，但细根的抗拉强度即单位面积上的抗拉力优于较粗根，能够有效增强土体对侵蚀营力的抵御。

注：不同大写字母表示同一根段不同径级间抗拉力、抗拉强度差异显著(p<0.05)； 不同小写字母表示同一径级不同根段抗拉力、抗拉强度差异显著(p<0.05)。

2.2 黑沙蒿根段变形特征

在每个根径范围内选取与极限应力均值最接近的应力应变曲线作为该径级组的代表曲线(图3)。由图3可知，直根段、含侧根分支处根段承受轴向拉力后均表现出明显的弹塑性特征。随着应变的增大，应力先呈线性增大趋势，此阶段主要发生弹性变形；到达拐点后，应力随应变的增大呈现出缓慢的非线性增长趋势，斜率变小，应力应变曲线由线型改为上凸型，此阶段主要发生塑性变形。

如图4所示，直根段、含侧根分支处根段杨氏模量与根径呈负相关，直根段的杨氏模量均大于相同根径下含侧根分支处根段。直根段杨氏模量范围为72～341 MPa，1～2 mm直根平均杨氏模量是3～4 mm直根的1.9倍；含侧根分支处根段杨氏模量范围为18～469 MPa，1～2 mm含侧根分支处根段的平均杨氏模量是3～4 mm含侧根分支处根段的3.6倍。相较于粗根而言，黑沙蒿细根具有更高的杨氏模量，说明细根具有较强的韧性，抵抗弹性变形能力强，不易发生断裂，表现出更好的弹性性能。

图3 各径级应力应变代表曲线

2.3 黑沙蒿根段主要化学成分含量

黑沙蒿直根段、含侧根分支处根段各化学成分含量在不同径级下差异性显著(p<0.05)，纤维素、半纤维素和木质素含量之和达到总化学成分含量的70%以上，直根段、含侧根分支处根段的平均化学成分含量表现为：半纤维素(31.69%，32.18%)>木质素(28.42%，25.31%)>纤维素(15.50%，15.35%)(表1)。在1～4 mm根径范围内，直根段中纤维素含量范围为14.92%～16.22%，半纤维素为28.92%～35.22%、木质素为27.13%～29.51%，纤维素含量与根径呈负相关关系，半纤维素、木质素含量与根径均呈正相关关系。含侧根分支处根段中纤维素含量范围为14.61%～15.97%，半纤维素含量为30.25%～35.57%，木质素含量为24.11%～26.92%，纤维素含量随根径的增大而减小，半纤维素、木质素含量与根径无明显关系。

注：不同大写字母表示同一根段不同径级间杨氏模量差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示同一径级不同根段杨氏模量差异显著(p<0.05)。

表1 黑沙蒿根段主要化学成分含量

2.4 黑沙蒿根段抗拉强度、杨氏模量与化学成分的关联性

回归分析表明(表2)，黑沙蒿直根段抗拉强度、杨氏模量与3种主要化学成分拟合曲线均为线性函数(p<0.001)，含侧根分支处根段抗拉强度、杨氏模量与纤维素拟合为线性函数，与半纤维素、木质素无明显关系。Pearson检验后发现，直根段抗拉强度、杨氏模量与纤维素呈极显著正相关(p<0.01)，与半纤维素、木质素呈极显著负相关(p<0.01)。含侧根分支处根段抗拉强度、杨氏模量与纤维素呈极显著正相关(p<0.01)，与半纤维素、木质素无相关性。采用多元逐步回归进一步分析黑沙蒿根系各化学成分对抗拉特性的贡献，结果得出纤维素均与黑沙蒿根段抗拉强度、杨氏模量存在极显著预测函数关系(直根段：y强=-94.320+6.661x，y杨=-1 903.072+133.401x；含侧根分支处根段：y强=-37.343+2.778x，y杨=-1 756.876+120.329x)(p<0.01)，表明纤维素对黑沙蒿根段抗拉强度、杨氏模量的影响最大，并且为正相关。

表2 抗拉特性(y)与主要化学成分(x)的关联性

3 讨 论

黑沙蒿直根段、含侧根分支处根段的抗拉力与根径呈幂函数正相关，抗拉强度与根径呈幂函数负相关。这与柠条锦鸡儿、霸王、白刺等灌木根系抗拉力学特性规律一致[14]，也与其他乔木、草本植物的相关研究结论相符，即白桦、短柄草、细茎针茅等直根抗拉强度与根径为幂函数负相关[15-16]；柠条、沙柳、沙棘等含侧根分支处抗拉力与根径呈幂函数正相关，抗拉强度与根径呈幂函数负相关[5]。而化学成分含量的研究有助于从微观层面解释根系的力学特性。本研究表明，黑沙蒿直根段、含侧根分支处根段抗拉特性与纤维素有着良好的相关性，且纤维素影响抗拉特性的作用大于其他化学成分，其关系为：抗拉强度、杨氏模量与纤维素呈极显著正相关，这与草本植物香根草、百喜草、狗牙根[17]，灌木柠条、沙棘、沙柳[18]以及乔木白桦、蒙古栎[19]等植物根系抗拉强度与纤维素相关性的研究结果一致，这是因为纤维素是植物细胞壁中主要的骨架成分，而细胞壁是支撑植物机械性能的主要结构[17]。同时，纤维微纤丝是抵抗张力破坏的最佳结构，即纤维素的增加可以增强根系的抗拉强度[25]。除纤维素外，木质素、半纤维素与抗拉特性也存在一定的关联性，半纤维素、木质素作为基质填充在微纤丝中，其含量会直接影响到植物机械组织的发达程度。对于黑沙蒿直根段，半纤维素、木质素含量随着根径的减小而减少，半纤维素、木质素含量减少可以促进相邻纤维微纤丝的聚集，微纤丝之间紧密相连，增大接触面积，使纤维抵抗外力的强度显著提高[26]，从而导致直根段抗拉强度、杨氏模量随根径的减小而增大，表现出直根段抗拉强度、杨氏模量与半纤维素、木质素呈极显著负相关，叶超[17]研究狗尾草等5种草本植物根系抗拉强度与木质素关系时得出相似结论。但含侧根分支处根段由于根系形态发生变化使半纤维素、木质素含量保持在一个相对稳定的水平，只起到了黏结加固作用，对植物根系的抗拉强度没有产生显著影响[12,27]。由此表明，化学成分含量是影响植物根系抗拉力学特性的重要因素，且纤维素的作用明显大于其他化学成分。不同植物种间化学含量存在差异，导致植物根系材料力学特性种间差异大，黑沙蒿根系的纤维素含量范围在14.61%～16.22%，除了与沙棘根系的纤维素含量接近外，均低于上述其他植物根系的纤维素含量，相应的黑沙蒿根系抗拉强度也低于上述植物(表3)。但不同植物种根径的分布有较大的区别，杨氏模量无法排除根径对其的影响，故不同物种间根系纤维素含量与杨氏模量的关联性不显著。

4 结 论

(1) 在1～4 mm根径范围内，黑沙蒿直根段与含侧根分支处根段的抗拉力随根径的增加而增大，抗拉强度随根径的增大而减小，抗拉力、抗拉强度与根径均呈幂函数关系。直根段、含侧根分支处根段均表现出弹塑性特征，且杨氏模量均随根径的增大而减小，直根段杨氏模量大于相同根径下含侧根分支处根段的杨氏模量。直根段、含侧根分支处根段的平均抗拉强度为9.1和5.2 MPa，平均杨氏模量为169.3和104.1 MPa。

表3 几种植物种根系抗拉特性与纤维素含量

(2) 黑沙蒿直根段、含侧根分支处根段各化学成分含量差异显著(p<0.05)，纤维素、半纤维素与木质素含量之和达到总化学成分含量的70%以上。直根段、含侧根分支处根段的平均化学成分含量表现为：半纤维素(31.69%，32.18%)>木质素(28.42%，25.30%)>纤维素(15.50%，15.35%)。随着根径增加，直根段纤维素含量减小，半纤维素和木质素含量增加，而含侧根分支处根段纤维素含量减小，半纤维素和木质素含量无变化。

(3) 直根段抗拉强度、杨氏模量与纤维素含量呈极显著正相关(p<0.01)，与半纤维素、木质素含量呈极显著负相关(p<0.01)。含侧根分支处根段抗拉强度、杨氏模量与纤维素含量呈极显著正相关(p<0.01)，与半纤维素、木质素含量无相关性。

(4) 纤维素含量是影响植物根系抗拉强度的重要因素，对于同种植物而言，细根单位质量的纤维素含量显著大于粗根，导致细根的抗拉强度大于粗根。而不同植物之间，纤维素含量高的植物，其抗拉强度高于纤维素含量低的植物。