半干旱矿区典型灌木根系固土力学及疲劳性能的差异性

张 欣王 博刘铁军郭建英王虎刚杨振奇

(1.中国水利水电科学研究院 内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站,北京100038;2.水利部 牧区水利科学研究所,内蒙古 呼和浩特010020;3.内蒙古师范大学,内蒙古 呼和浩特010020;4.内蒙古自治区水利事业发展中心,内蒙古 呼和浩特010020)

植物根系既具有吸收、传输水分和养分的生物功能,也兼备稳固自身并固持土体抵抗侵蚀的力学功能[1]。长期以来,能够积极发挥枝叶防风和根系固土效能的植物措施,一直是中国北方进行植被重建和生态修复的主要方式。尤其在半干旱矿区的复杂侵蚀环境中,因灌木根系在减弱土壤侵蚀,加固斜坡,固持土体等方面都能发挥积极的作用,使得该类植物成为边坡防护的首选物种以及区域水土流失防治的是首道防线[2]。

灌木根系的固土效能主要取决于其生物力学特性。因根系是由纤维素、半纤维素和木质素等化学物质组成,类似于高聚物材料,自身具有抗拉、抗压、抗折和抗弯曲等力学特性,对土体产生有效的约束[3]。一方面通过与土体错综缠绕形成一种加筋土,有效抵抗土体变形[4],另一方面根系如同锚杆一样扎入土体中,将浅层土体与深层土体嵌合在一起,使土体更加坚固和稳定[5]。从生长及力学特性角度研究不同灌木根系锚固土体、抵抗土体位移和变形能力,对于正确理解灌木根系固土抗蚀特性并充分发挥其保育水土、防风固沙的作用有重要意义。而不同灌木自身特性的种间差异又可造成其固土效能的差异化,在半干旱矿区侵蚀防控和精准植被建设的双重需求下,这种差异化特征将成为物种选择的基础依据。

目前关于植物根系抗拉力学特性的研究多集中于植物种类[6]、土壤含水量[7]、季节变化等外部因素[8]及根系直径、结构特征[9]、活性、化学组成等[10]内部因素的影响,且基本均为静荷载下根系拉伸试验,获取的数据也仅能代表静态下根系力学特性。但实际上,在自然界中,尤其是在以风蚀为主的干旱半干旱区,风力不间断地吹蚀作用于植物地上枝叶,形成动荷载由茎干不断地向地下根系传导,使根系处于循环拉伸的疲劳状态,形成疲劳性塑性损伤[11]。在这种动荷载作用下,植物根系的抗拉力学特性会发生何种变化?是否会影响其固土效能,进而改变群落及土体的稳定性?

本研究以半干旱矿区常见植物北沙柳(Salix psammophila)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)和沙棘(Hippophaerhamnoides)为研究对象,对3种灌木根系形态的垂直分布差异性进行分析,并开展动荷载拉拔试验,模拟研究风力吹蚀下循环拉拔造成的根系疲劳对直根及侧根分支处抗拉力学特性的影响,探讨典型灌木根系固土力学及疲劳性能的差异性,以明确不同灌木根系的固土功能特征,为生态脆弱区植被恢复过程中的物种筛选和侵蚀有效防控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗与陕西省榆林市交界处,该区域属于神府—东胜煤田神东矿 区,地 理 坐 标 为:110°05′—110°30′E,39°27′—39°15′N,海拔1 310 m,属于大陆性干旱半干旱气候,年均气温8.9℃,年均降水量396.8 mm,年均蒸发量1 790.4 mm,无霜期130 d,该地区土壤贫瘠,成土母质主要有风积沙、冲积物和洪积物,土壤粒径主要以砂砾为主。生态环境脆弱,属于典型的荒漠化草原景观,植被主要分布有北沙柳、小叶锦鸡儿、沙棘、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、沙米(Agriophyllum squarrosum)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。

1.2 样地设置

矿区自2005年开始针对采煤沉陷区进行生态治理,主要选择小叶锦鸡儿、沙棘和北沙柳进行带状栽植,植被建设10 hm2,初植密度为220株/hm2。针对研究内容和研究对象,选择长势良好的人工建植灌木群落:小叶锦鸡儿群落、北沙柳群落和沙棘群落,分别布设3块20 m×20 m灌木样方。统计各灌木样方中灌丛盖度、密度等样地参数,在各灌木样方中随机选取生长状况健康的植株20株,测量每株基径D(mm)、冠幅C(m2)、株高H(m),计算均值并依此选择标准株,生长指标详见表1。

表1 研究区灌木标准株生长状况

1.3 根系形态测定

对所选供试植株根系进行整株保护性挖掘,选择逐层去土,土层设置为0—10,10—20,20—30,30—40 cm以及40 cm以下土层,整株根系挖掘深度要求不出现细毛根为止。每一土层暴露出来的根系利用软毛刷刷去根系表层附土,剪断后按径级分装如密封袋冷藏。使用Epson Expression 10000XL高精度扫描仪对单位面积内的累计根长、根体积以及根表面积进行测定,使用Win RHIZO 2009年系统对根系形态学指标进行分析。根生物量采用烘干法进行测定。整株根系指标为各土层根系所测指标之和。

1.4 根系疲劳试验方法

根系是由各个径级的直段根与侧根分支处连接构成的复杂的网络结构。从根的拓扑学特性的角度来分析,灌木侧根分支主要为二分枝型。二分枝型的侧根去掉主根,剩下的两部分侧根直径粗细相差很小,呈人字形。2019年5月在研究区内挖取3种灌木2～4 mm根径范围内的直根和侧根分支处若干,将挖取的根系覆盖根际土,放入冷藏箱低温保存带回实验室,在10 d内完成试验,以保证试验过程中根系具有活性。试验前采用精度为0.01 mm电子游标卡尺精确测量供试根直径,图1a为直根,十字交叉测量A,O,B三点直径,计算平均值作为直根根径采用游标卡尺;图1b为侧根分支处,每隔120°测量分支节点O、上级直根A和2条下级侧根B处的直径,计算平均值作为侧根分支处的根径。测试部分长度为6 cm,阴影部分为夹具加持段。

图1 供试根形态示意图

利用TY 8000伺服控制材料试验机对供试根施加轴向循环荷载。试验分3组进行,A组为单次荷载下的根系极限抗拉力试验,测定供试根的极限抗拉力,供试根样本数为40个,其中直根和侧根分支处各20;B组为轻度循环荷载,施力强度为A组所测极限抗拉力的30%。第1次执行测试前输入30%极限力数值,以便在固定的拉力值时对根系停止拉伸,循环进行50次,加载速度设定为20 mm/min,循环中途滑脱、表皮破裂或断裂均视为无效数据,其中直根试验成功率为55%,供试根样本数为80个,有效数据为44个,侧根分支处试验成功率为46%,供试根样本数为80个,有效数据为36个。当50次循环完成后,以相同加载速度将供试根以匀速拉伸直至完全断裂,记录断裂时的拉力值。C组为重度循环荷载,施力强度为A组所测极限抗拉力的70%。第1次执行测试前输入70%极限力数值,后续操作同B组,其中直根试验成功率为30%,供试根样本数为80个,有效数据为24个,侧根分支处试验成功率为25%,供试根样本数为80个,有效数据为20个。循环完成后将所有供试根匀速拉断并记录拉力值。根系抗拉强度计算公式为:

式中:δ为抗拉强度(MPa);F为抗拉力(N);D为根系平均直径(mm)。

1.5 数据处理与分析

试验数据处理及作图采用Excel及SigmaPlot 14.0软件完成,采用SPSS 20.0软件进行统计检验。选取最小显著极差法(LSD)对3种灌木根系形态、直根及侧根分支处在单次荷载、轻度循环荷载和重度循环荷载下的抗拉力学特性进行差异性检验(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 灌木根系形态特征差异性

单位面积根生物量是反映植物根系在土壤内生长状况的指标。由图2可知,3种灌木根生物量差异显著(p＜0.05),表现为:北沙柳(9.46±3.73 g/m2)＞小叶锦鸡儿(5.77±1.37 g/m2)＞沙棘(2.37±0.36 g/m2),且根生物量均随土体加深而逐层递减。北沙柳、小叶锦鸡儿和沙棘根生物量均在0—10 cm的表层土体所占比例最大,分别占总生物量的41.86%,34.87%和38.88%。单位面积累计根长是反映植物根系吸收水分和养分能力的指标。

图2 灌木根系形态指标变化

由图2可知,3种灌木累计根长差异显著(p＜0.05),表现为北沙柳(1 015.49±295.11 cm/m2)＞小叶锦鸡儿(718.76±132.62 cm/m2)＞沙棘(362.82±65.43 cm/m2),且均在10—20 cm的浅层土体所占比例最高,依次占总根长的28.19%,24.93%和36.42%。单位面积根体积也是反映植物根系吸收和传导水肥的重要指标,由图2可知,3种灌木根体积差异显著(p＜0.05),表现为:北沙柳(8.78±2.44 cm3/m2)＞小叶锦鸡儿(5.11±1.12 cm3/m2)＞沙棘(2.73±1.06 cm3/m2),根体积均随土层加深而减小,在0—10 cm的表层土体所占比例最大,分别占根总体积的39.41%,30.42%和36.21%。单位面积根表面积是影响根系固土的重要指标,由图2可知,3种灌木根表面积差异显著(p＜0.05),表现为:北沙柳(335.38±68.01 cm2/m2)＞小叶锦鸡儿(231.39±60.06 cm2/m2)＞沙棘(158.63±59.09 cm2/m2),且均在10—20 cm的浅层土体所占比例最高,依次占总根表面积的28.61%,30.72%和31.01%。

2.2 循环荷载对灌木直根抗拉特性的影响

根系抗拉力和抗拉强度是反映其对外力轴向拉拔破坏抵抗能力的指标。由表2可知,在2～4 mm根径范围内,北沙柳、小叶锦鸡儿和沙棘直根在单次、轻度和重度循环荷载后,抗拉力均与根径呈幂函数正相关,抗拉强度均与根径呈幂函数负相关。由表3可知,3种灌木直根在单次、轻度和重度循环荷载后抗拉力均差异显著(p＜0.05),均表现为小叶锦鸡儿抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘抗拉力最低,抗拉强度在种间具有相同的差异性。循环荷载能够显著提升北沙柳和小叶锦鸡儿直根的抗拉力学特性,且随荷载程度增加,提升幅度增大,相比单次荷载,轻度循环荷载后二者抗拉力分别增加20.26%和58.99%,抗拉强度分别增大14.57%和34.63%;重度循环荷载后二者抗拉力分别增加25.98%和83.30%,抗拉强度分别增大28.78%和47.68%。相比单次荷载,沙棘直根抗拉力学特性在轻度循环荷载下有所下降但差异不显著,抗拉力和抗拉强度分别降低3.28%和6.83%,而在重度循环荷载下抗拉性能又显著提升,抗拉力和抗拉强度分别增加50.06%和53.95%。

表2 循环荷载下灌木直根极限抗拉力学与根径回归分析

表3 循环荷载下灌木直根抗拉力学特性差异性分析

2.3 循环荷载对灌木侧根分支处抗拉特性的影响

由表4可知,在2～4 mm根径范围内,北沙柳、小叶锦鸡儿和沙棘的侧根分支处在单次、轻度和重度循环荷载后,抗拉力均与根径呈幂函数正相关,抗拉强度与均根径呈幂函数负相关。由表5可知,3种灌木侧根分支处抗拉力差异显著(p＜0.05),单次荷载下小叶锦鸡儿抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘抗拉力最低,但在轻度和重度循环荷载后则表现为:沙柳＞小叶锦鸡儿＞沙棘,抗拉强度在种间具有相同的差异性。循环荷载对3种灌木侧根分支处的影响不尽相同,能够显著提升北沙柳侧根分支处的抗拉力学特性,且随荷载程度增加,提升幅度增大,轻度和重度循环荷载后北沙柳抗拉力分别增加71.52%和107.08%,抗拉强度分别增大113.81%和168.26%;而小叶锦鸡儿侧根分支处在循环荷载后抗拉力和抗拉强度均出现明显的下降,相比单次荷载,二者分别降低50.45%和54.25%(轻度和重度无差异)轻度循环荷载对沙棘侧根分支处抗拉力学特性无明显影响,但重度循环荷载可显著增加其抗拉力和抗拉强度,二者分别增加33.52%和41.57%。

表4 循环荷载下灌木侧根分支处极限抗拉力学与根径回归分析

表5 循环荷载灌木侧根分支处抗拉力学特性差异性分析

3 讨论

3.1 形态学特性对根系固土的影响

在半干旱矿区的复杂侵蚀环境中,固土抗蚀作用是根系首要发挥的生态功能。在本研究中,北沙柳的根系形态指标如根生物量、根体积、根长和根表面积均是最优值,小叶锦鸡儿次之,沙棘的根系形态表现最差,表明北沙柳根系能够更好地支撑土体并减轻位移变形的程度。这是因为根系形态是决定固土效能的直接指标,根系与土体的接触面积越大,根—土界面摩擦力随之增大[12]。当土体在采煤沉陷的重力作用或其他侵蚀营力破坏下发生变形时,土体与根系间将会形成相互错动的趋势,这种趋势一方面能被根—土界面的摩阻力所抵抗,另一方面,根系的侧向约束力也能有效减弱土体位移[13]。Frydman等[14]也表明根系密度和长度越大,地下生物量越大,则植物保持水土的能力越强。试验结果还表明,3种灌木根生物量、体积和表面积均集中分布于表层和浅层土体,具有随土层加深而减小的趋势,以分形理论对植物根系分布结构的研究表明,根系分形维数与根系加筋能力具有一致的变化,根系生物量集度越高,分形维数越大,则植物根系对土体的加固能力增强[15]。这说明在半干旱矿区,北沙柳等的根系对表层和浅层土体具有更好的固持作用,对深层土体的支撑作用相对较弱。

3.2 抗拉力学特性对根系固土的影响

不同植物种间根系抗拉强度差异明显。本试验结果表明,小叶锦鸡儿单根极限抗拉强度(单次荷载)均显著大于北沙柳和沙棘,因为根系抗拉力、抗拉强度等材料力学指标可量化反映根系的力学支撑效应[16],表明小叶锦鸡儿根系对土体有较高的力学加固和保护作用。单根抗拉力和抗拉强度的差异可能与植物根系化学成分含量差异有关,小叶锦鸡儿根系纤维素和综纤维素含量高于后者,这两种成分凝聚成的纤维束可增强根系的材料力学强度[17]。不同植被类型中,小叶锦鸡儿单根抗拉强度明显低于黑麦草、百喜草和香根草等草本植物[18],但明显高于白桦、油松和落叶松等乔木[19],与柠条锦鸡儿和霸王等灌木相近[20]。根系含水量、纤维素微纤丝排列方式、木质素含量、解剖结构等综合作用导致了这种差异的产生[21]。本研究表明,北沙柳、小叶锦鸡儿和沙棘单根抗拉力均与根径呈幂函数正相关,抗拉强度均与根径呈幂函数负相关,这与关于白刺、霸王、黄花柳等[20,22]植物的研究结果一致,也符合Tosi等[23]提出的抗拉强度Tr与根径D的回归方程(Tr=aD-b),这种现象出现的原因主要是纤维素微纤丝存在于根系细胞壁中,承担着拉力传导的功能并决定了根系强度,其含量普遍表现为随根径增大而降低的趋势[24]。

3.3 疲劳特性对根系固土的影响

试验结果表明,相比单次荷载,3种灌木直根在循环荷载后抗拉力和抗拉强度均出现明显提升,这与学者对油松[25]和侧柏[11]的研究结果相似。说明风力等循环动荷载造成的植物根系疲劳可改变其材料力学特性,在一定程度上会增强单根抗拉拔能力,也相应提高了根系增强土体抗蚀能力的程度。这种“增强效应”可能是因为在循环荷载过程中根细胞会逐渐失去水分并对空间结构形成挤压,纤维素微纤丝形成聚集并形成强有力的纤维束,以根系弹性的丧失来换取更强的抗拉能力[26]。但根型对疲劳特性存在一定影响,试验结果表明,小叶锦鸡儿侧根分支处的抗拉力和抗拉强度在循环荷载后出现了明显下降,抵抗外力拉拔破坏的能力被显著削弱,这可能是因为小叶锦鸡儿侧根分支处的分支节点是根网的易损部位[27],在循环拉拔下节点处容易产生裂隙,根段的结构稳定性被破坏,导致抗拉强度减弱,对土体的支撑和侧向约束力将被抑制,固土效能降低。

4 结论

(1)3种灌木根生物量、累计根长、根体积和根表面积种间差异显著,均表现为:北沙柳＞小叶锦鸡儿＞沙棘。根系形态指标均具有随土体加深而递减的趋势,根生物量和根体积集中分布于0—10 cm的表层土体,累计根长和根表面积集中分布于10—20 cm的浅层土体。

(2)3种灌木直根在单次、轻度和重度循环荷载后,抗拉力均与根径呈幂函数正相关,抗拉强度均与根径呈幂函数负相关,且抗拉力和抗拉强度均表现为:小叶锦鸡儿＞北沙柳＞沙棘;循环荷载能够显著提升3种灌木直根的抗拉力和抗拉强度,重度循环荷载后的提升效果更明显。

(3)3种灌木侧根分支处在单次、轻度和重度循环荷载后,抗拉力与抗拉强度随根径的变化与直根相似。单次荷载下小叶锦鸡儿侧根分支处抗拉力最大,北沙柳次之,沙棘最低,但在轻度和重度循环荷载后则表现为:沙柳＞小叶锦鸡儿＞沙棘;循环荷载后北沙柳和沙棘侧根分支处的抗拉力学性能明显增加,但小叶锦鸡儿却被显著削弱。