火棘单根抗拉力学特性分析

黎洪江 肖 雄 张乔艳 石庆港 唐丽霞*

(1.贵州大学林学院 贵阳 550025；2.关岭布依族苗族自治县林业局 贵州关岭 561300)

火棘根系发达，扎根较深，是良好的水土保持树种[1]。植物根系在一定程度上能固结土体，对于减缓浅层滑坡、崩塌等重力侵蚀具有积极作用[2]。此外，根系的抗拉特性是根系固土的重要指标，随着生态护坡技术的不断发展，许多学者针对植物根系的抗拉力学特性进行了研究[3]。结果表明，植物根系最大抗拉力和抗拉强度与根径呈一定函数关系，最大抗拉力随着根径的增加呈幂函数增加， 抗拉强度随着根径的增加呈幂函数减小[4～8]。李长暄在对油松、白桦和蒙古栋树种的研究中发现，随着含水率的降低，植物根系的极限抗拉力会显著的提高[9]。以上研究均在一定程度上探讨了根径对其抗拉力学特性的影响，但均着力于宏观力学特性的影响因素，对根系生长发育导致根截面微观孔隙的变化涉及较少。有鉴于此，为进一步探讨根径截面微观孔隙的变化对其力学特性的影响，本文以三年生火棘为研究对象，分析根径、根系含水率、孔隙度与抗拉力、抗拉强度之间的关系。以期从微观孔隙的角度揭示其根系抗拉特性的内在因素，为今后根系抗拉特性的研究工作提供相应的参考。

1 研究区概况

研究区位于贵阳市花溪区，具有高原季风气候的特点，无霜期长，雨量充沛，湿度较大；年平均气温为14.9℃，无霜期平均246天，年雨量1178.3mm，空气优良天数341天；地貌类型主要有丘峰溶原、溶丘洼地、峰林洼地、喀斯特台原，其间发育喀斯特盆地、洼地、漏斗、宽谷、槽谷、喀斯特大泉、伏流、天窗、地下河、天生桥及石林等众多喀斯特形态；土壤类以黄壤、石灰土、水稻土、紫色土、潮土和沼泽土为主；常见的树种有杉(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)、火棘(Pyracanthafortuneana)等三种。

2 材料与方法

2.1 材料

于2019年7月到8月底在研究区进行采样，所采样本为种植3年、长势均一的火棘根系，为保证根系的完整性，试验采取整株挖掘法。将采集的根系进行分级后，立即进行抗拉试验，当日未做完的根系用自封袋装好后放置冰箱中保鲜，以保证根系的鲜活及试验数据的可靠性，所采集的根系于7天内完成试验。

2.2 试样制备

把野外采集的根系按直径1～5mm分为五个径级，即1(1±0.5mm)、2(2±0.5mm)、3(3±0.5mm)、4(4±0.5mm)、5(5±0.5mm)， 制成标距为50cm的标件。

为研究持续降水后土壤含水率较高时对根系抗拉特性的影响，即根系含水率达饱和时，其抗拉力学特性的变化，将一部分分级根系浸泡48h，使根系吸水达到饱和，用于饱和含水率根系抗拉力学特性试验；另一部分分级根系则放冰箱里冷藏保鲜，防止其水分流失，用于自然含水率根系抗拉力学特性试验。

2.3 植物根系拉伸实验

试验采用微机控电子万能试验机DWD-10，拉伸速率设置为10mm/min。拉伸实验中，仅以中间断裂的根系算成功试样，由两端的夹具引起的断裂，或根表皮脱落等均视为失败试样。在实验拉伸中经常出现从夹具处断裂、滑脱等情况，为提高试验成功率，本试验将根系的两端用魔术贴进行包裹，再用夹具夹持，以减轻夹具对根系的损伤。

根系的最大抗拉力，是指根系在外力轴向拉伸作用下，所能抵抗的极限拉应力。根系的抗拉强度是指根系抵抗外力轴向拉伸作用时的最大能力，其计算参照抗拉强度公式(1)：

σ=4F/(πD2)。 (1)

其中，σ——为抗拉强度Mpa，

F——为最大抗拉力N，

D——为根系直径mm。

2.4 孔隙度的测定实验

通过刘一星的《木材学》中对木材孔隙度测定和连广对木材孔隙度的研究，对根系孔隙度采用相似密度法进行计算[10，11]。用电子天平称根的重量，用量筒排水法测根体积。在测体积时为防止根系两端吸水影响用石蜡将根系的端口封上。

采用公式(2)计算

P=(1-ρ/ρ0)*100%。 (2)

其中，P——表示木材孔隙度%，

ρ——表示木材的实测密度g/cm3，

ρ0——表示木材的真实密度，一般认为与树种无关，其数值为1.5g/cm3。

3 结果分析

3.1 土壤自然含水率时根径对抗拉特性的影响

根系直径是影响根系抗拉力学特性的重要因素，通过室内对土壤自然含水率时根系标距为50mm的根系进行拉伸试验，结果如图1和图2所示。

由图1可以看出，根的抗拉力受直径的影响很大，随着根系直径的增加，抗拉力逐渐增大，二者呈指数函数增加，相关系数为R2= 0.9384，拟合程度很好。由此说明，根径是影响根系抗拉力的重要因素之一。

由图2可以看出，根径对抗拉强度也存在影响，表现为随着根系直径的增大，抗拉强度逐渐减小，为了描述根径与抗拉强度的关系，对根系径级与抗拉强度进行回归分析，采用指数函数对试验结果进行拟合，得到拟合函数与相关系数分别为：y= 55.813e-0.294x，R2= 0.861。由R系数可知，拟合程度也较高，在0.85以上。由此说明，根系抗拉强度与根径成负指数函数关系，即根系越粗，根系抗拉强度越小。

综上所述，抗拉强度泛指单位面积上承受拉伸能力的大小。根系越粗，抗拉强度越低，说明根径的增粗使得根截面单位面积上承受拉力的能力下降，根系承受抗拉力的有效面积增加。由抗拉力随根径的增大而增加可知，抗拉强度的降低源于承受拉力的有效单位面积的增加，且增加幅度远大于抗拉力。

图1 土壤自然含水率下根径与抗拉力的关系

图2 土壤自然含水率下根径与抗拉强度的关系

3.2 土壤饱和含水率时根径对根系抗拉特性的影响

为了研究持续降水对根系固土护坡的影响，对土壤饱和含水率时根系进行拉拔试验。结果表明，在土壤饱和含水率时，随着根径的增大，抗拉力也随之增大，二者亦呈指数函数关系，R2= 0.9573。由R可以看出，拟合程度较高。而且随着根径的增大，抗拉力的增长明显，细根的抗拉力要小于粗根。即含水率的变化，对根系抗拉力与根径的间的变化趋势影响不大，但较之自然含水率时根系的抗拉力值，存在一定的差异。

同理，随着根径的增加，饱和含水率时根系的抗拉强度随根径的增加呈减小的趋势。二者呈负指数函数关系R2= 0.5506。由此可以看出，饱和含水率对根系抗拉强度与根径的拟合关系较低，较之土壤自然含水率时的根系。表明根系水分的升高，对不同根径下抗拉强度的影响不一，对比3.1可知，常态根系与饱和含水率根系的抗拉特性，在径级相同的情况下，虽然它们的值不相同，但趋势相同。对于抗拉力来说，在饱和含水率下，它的拟合程度相对更好，说明根系吸水对抗拉力有一定的作用，根系的含水量减小，根的抗拉力会随之减弱。而对于抗拉强度来说，饱和含水率与自然含水率下，随着根径的增加，抗拉强度呈现相同的趋势，但饱和含水率相比自然含水率差异明显，具体原因需要进一步研究。

图3 饱和含水率下根径与抗拉强度的关系

图4 饱和含水率下根径与抗拉强度的关系

贵州年均降水量较大，经常会出现下暴雨或持续性降水的现象，此时地表水通过土壤表面渗入土壤内部。当土壤内部的土壤含水量达到饱和时，植物根系吸水，达到一定程度后，根系的含水量会增加。对于边坡防护来说，研究其含水率与抗拉特性之间的关系尤为重要。

通过对比分析图5图6，自然含水率与饱和含水率下根系之间的拉拔特性，可以很清晰的知道它们之间存在的差异，其结果如下：

由图5可以看出,在土壤自然含水率和饱和含水率时，随着根径的增加，根系的抗拉力都是随之增加的。但在根径为5时，两者的抗拉力差距明显，说明含水率对粗根的影响很大，根径在5以下时两者的差距不是很明显。而且根径径级为3时是一个转折点，在转折点之前，自然含水率根系相比饱和含水率根系的抗拉力要大，而在转折点之后，两者相反。

由图6可以看出，在土壤饱和含水率和自然含水率时，随着根径径级的增加，抗拉强度是随之减小的。相比自然含水率与饱和含水率，根径级为1时的抗拉强度，两者的差距很大，根径为5时两者的差距也很大，说明含水率对粗根和细根的影响都很大，相反的是，细根时饱和含水率比自然含水率的抗拉强度小，粗根则相反。而且当根系径级为3时，在3之前自然含水率比饱和含水率的抗拉强度要大，在3之后，自然含水率的抗拉强度比饱和含水率的抗拉强度要小。

综上所述，说明对于根系的抗拉力、抗拉强度与含水量之间的关系，存在某个径级或某个含水量时，使它们的性能有一个最优点。由图可以看出，饱和含水率下最优点的根系径级在3左右。由于拉力机对径级为5以上的粗根成功率较低根系数量不多，所以含水率对径级5以后的粗根产生的影响需要进一步的研究。

图5 自然含水率与饱和含水率抗拉力的比较

图6 自然含水率与饱和含水率抗拉强度的比较

3.3 根系孔隙度与抗拉特性的关系

通过查阅相关资料[12,13]，发现目前对根系孔隙度与抗拉特性之间的关系研究较少，研究根系孔隙度与根系拉拔特性的关系，在一定程度能揭示根系抗拉力学特性变化的内因。由图7可知，随着根径的增大，孔隙度逐渐减小，根系与孔隙度的关系是成对数关系，R2= 0.7162。由此说明，根系的增粗生长对其截面孔隙产生了一定的影响，这将在一定程度对力学特性产生影响。

结合3.1可知，根系孔隙度减小，抗拉强度也随之减小，说明孔隙度和抗拉特性之间为正相关关系。在根系直径增大的过程中，根系的孔隙度减小，这就说明，随着根系直径的增加，抗拉强度减小的原因是因为根系截面的有效面积增大引起的。这与3.1的研究结果相符。

图7 根径与孔隙度的关系

4 讨论与结论

4.1 讨论

本文的研究发现火棘的单根拉拔特性，抗拉力随根径的增大而增大，抗拉强度随根径的增大而减小，这一研究与大多数学者的研究结果一致[4，9，14]，不同之处在于，在不同的生长环境条件下，抗拉力、抗拉强度与根径之间的函数关系不同。该结论需要结合不同地区的火棘根系拉拔特性进行进一步研究。由图1 可知抗拉力随根径的增大而增大，由图2可知抗拉强度随根径的增大而减小，这一结论与王萍花[9]在华北地区4种常见乔木根系抗拉强度的力学综合模型的研究结论一致,与刘艳琦[15]关于沙柳、柠条等研究结论不一致，其原因可能与植物立地条件和树种差异有关。

在不同径级下的根径含水率对根径的影响不一，已有的研究表明[16]，随着根系含水率的增大，根系的直径越大，含水率对抗拉特性的影响就越大，即根系含水率对粗根的影响比细根大，这与本文对粗根影响的研究结果一致，与细根的影响存在一定差异，其原因可能与树种差异有关。

本文从微观的角度去探究孔隙度对根系抗拉特性的影响，得知孔隙度与抗拉力呈负相关，与抗拉强度呈正相关。目前对根系孔隙度的研究较少，孔隙度的算法不一，本文采用连广[10]对木材孔隙度的计算公式得此结论。

4.2 结论

(1)根系直径是影响抗拉力的重要因素，无论是饱和含水率还是自然含水率，根径与抗拉力都呈正相关关系，与抗拉强度呈负相关关系。

(2)根系含水率对抗拉力学特性随根径的增加产生的变化趋势没有明显的影响，但对其抗拉力和抗拉强度影响较大。此外，饱和含水率下根系抗拉力较自然含水率拟合程度好，说明含水率对不同根径下抗拉力学特性的影响大小不一。

(3)随根径的增加，火棘根系孔隙度逐渐降低。孔隙度与抗拉强度呈正相关关系，随着孔隙度增加，抗拉强度也随之增加；与抗拉力呈负相关关系，孔隙度越大，抗拉力相对越小。