昆明市3种草本植物根系及茎杆的力学特性试验研究

储怡鑫 薛凯喜 冯国建 朱小伟 王瑞洋 刘欣

摘 要：本文以云南省昆明市官渡区宝象河经开区河道作为研究区，选取紫茎泽兰（Eupatorium adenophorum ）、苏门白酒草（Conyza sumatrensis）、鬼针草（Bidens pilosa Linn） 3种分布广泛的草本植物进行根系及茎杆的力学特性试验研究，探讨3种植物在河道边坡防护中的内在机理。在分析取样点土壤性能以及对植物样本草本属性对照的基础上，进行植物抗拔试验、茎杆抗弯试验、单根抗拉试验和根土复合体试样直接剪切试验。结果表明，3种草本植物平均抗拔承载力由大至小依次为：鬼针草（34.69 N）、紫茎泽兰（32.50 N）、苏门白酒草（23.14 N），抗拔承载力与根系质量及地上部分质量均呈正相关，关系可由幂函数、修正的幂函数、指数函数进行拟合;平均茎杆抗弯强度由大至小依次为：紫茎泽兰（5.18 MPa）、鬼针草（5.01 MPa）、苏门白酒草（2.63 MPa），茎杆直径与抗弯强度呈负相关，关系可由指数函数拟合;平均根系抗拉力由大至小依次为：紫茎泽兰（9.26 N）、苏门白酒草（8.54 N）、鬼针草（5.68 N），平均根系抗拉强度由大至小依次为：紫茎泽兰（33.87 MPa）、鬼针草（32.74 MPa）、苏门白酒草（22.19 MPa），根系直径与抗拉力、抗拉强度的关系分别呈正相关与负相关，可分别由指数函数、幂函数拟合;根土复合体的黏聚力呈逐渐增大的变化趋势，苏门白酒草、紫茎泽兰、鬼针草涨幅相对于纯土分别为90%、120%、123%，内摩擦角呈逐漸缓慢增大的趋势，苏门白酒草、紫茎泽兰、鬼针草涨幅分别为5%、10%、12%，在100 、200 、300 、400 kPa的垂直压力下，3种植物的根土复合体抗剪强度相较于纯土均有大幅上涨，剪切位移与剪切应力关系曲线近似于幂函数。

关键词：根系力学特性;茎杆力学特性;根土复合体;苏门白酒草;紫茎泽兰;鬼针草

中图分类号：TU43;S714.7    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2022）01-0015-12

Experimental Study on Mechanical Properties of Roots and Stems

of Three Herbaceous Plants in Kunming

CHU Yixin1， XUE Kaixi1*， FENG Guojian2， ZHU Xiaowei1， WANG Ruiyang1， LIU Xin1

（1.School of Civil and Architectural Engineering， East China University of Technology， Nanchang 330013， China;

2.College of Architecture and Civil Engineering， Kunming University， Kunming 650214， China）

Abstract：Taking Baoxiang River in Guandu District， Kunming City， Yunnan Province， as the research area， three widely distributed herbaceous plants， Eupatorium adenophorum ， Conyza sumatrensis， and Bidens pilosa Linn， were selected for experimental research on mechanical properties of roots and stems， and the internal mechanism of three plants in river slope protection were explored. Based on the analysis of soil properties of the sampling points and herbal attribute comparison of plant samples， plant stem pull-out test， bending test， single tensile test and complex root soil sample direct shear test were carried out. The results showed that the average uplift capacity of the three herbaceous plants arranged in a descending order was Bidens pilosa Linn （34.69 N）， Eupatorium adenophorum （32.50 N）， and Conyza sumatrensis （23.14 N）. The uplift bearing capacity was positively correlated with the quality of root system and above-ground part， and their relationship can be fitted by power function， modified power function and exponential function. The average stem bending strength shown in a descending order was Eupatorium adenophorum （5.18 MPa）， Bidens pilosa Linn （5.01 MPa） and Conyza sumatrensis （2.63 MPa）. The stem diameter had a negative correlation with the bending strength and its relationship can be fitted by an exponential function. The average root tensile stress in descending order was Eupatorium adenophorum （9.26 N）， Conyza sumatrensis （8.54N） and Bidens pilosa Linn （5.68N）. The average root tensile strength in descending order was Eupatorium adenophorum （33.87 MPa）， Bidens pilosa Linn （32.74 MPa） and Conyza sumatrensis （22.19 MPa）. The root diameter was positively correlated with the tensile stress， while it was negatively correlated with the tensile strength. Both the two relationships can be fitted by exponential function and power function respectively. The cohesive force of the root-soil complex showed a gradually increasing trend. The increase of Conyza sumatrensis， Eupatorium adenophorum and Bidens pilosa Linn was 90%， 120%， and 123% respectively， when compared with pure soil. The internal friction angle showed a slowly increasing trend， as Conyza sumatrensis， Eupatorium adenophorum and Bidens pilosa Linn rose by 5%， 10%， and 12% respectively. Under the vertical pressures of 100， 200， 300， and 400 kPa， the shear strength of the root-soil complexes of the three plants increased significantly when they were compared with pure soil， and the relationship between shear displacement and shear stress was similar to a power function.

Keywords：Mechanical properties of root system; mechanical properties of stem; root-soil complex system; Conyza sumatrensis; Eupatorium adenophorum; Bidens pilosa Linn

0 引言

近年来，随着我国城市化进程快速推进，城区进行了各种工程项目的大规模建设，以昆明市宝象河为例，对其河道进行了多次大规模开挖，导致河床断面，河道植被覆盖层被摧毁，河道边坡大量裸露，造成了严重的崩塌、滑坡及水土流失等地质灾害，进而演变为生态冲击，使得河道生态系统失衡，河流生态恢复刻不容缓。其中河道边坡防护尤为重要，采用植物根系进行生态护坡是岩土工程与植物生态学相结合的产物，国内外对于此方面的研究认为，使用植物根系固土可以达到维持边坡稳定性的目的，从而防止边坡滑动，减少滑坡等重大地质灾害，提高边坡抗滑稳定性，同时可以净化环境，丰富人们的视觉体验。

国外很多学者对植物根系的各项力学性能进行了研究。刘向峰等[1]通过试验研究了碱蓬和早熟禾的根系抗拉性能，结果表明2种植物根系的抗拉力与直径呈现幂律关系。张欣等[2]对黑沙蒿根系进行拉伸试验，发现根系在轴向拉力下表现出弹塑性的特征。Bischetti等[3]、Mattie等[4]的研究指出根系抗拉强度与根系直径之间存在负相关关系，根系直径越小，所承受的抗拉强度越大。Tosi[5]的研究指出根系抗拉力与根系直径呈二次多项式关系，根系抗拉强度与直径呈幂函数关系。Baets等[6]对包括灌木和乔木等种类的地中海植物的根系进行抗拉试验，试验结果表明不同种类植物的抗拉强度存在差异，但草本植物未在研究范围内。

我国对环境破坏和生态退化方面认识较晚，近年来通过充分吸收国外河道生态护坡研究技术成果，并且充分结合本国的实际情况进行了大量研究：朱清科等[7]对贡嘎山森林的主要树种进行根系抗拉试验，结果表明植物根系的断裂类型包括弹性与脆性2种，与Tosi[5]研究的根系抗拉力、抗拉强度与直径关系的拟合方程不同;陈向波[8]对狗牙根等3种植物根系的抗拉力、抗拉强度与根系直径用4种常见的拟合方程来拟合，这4种拟合方程分别为线性、多项式、对数和指数函数;吕春娟等[9]、蒋坤云等[10]从根系的微观角度给予了科学的解释，认为根系的抗拉力与根系的纤维素含量有关，其成分含量与根系抗拉力成正相关。在根系抗拉实验仪器方面，很多研究者采用的是自制试验仪器或者万能试验机，但这些仪器均不是专门针对植物根系设计的，使其所测抗拉力学特性不准确。针对这一现状，惠尚[11]、张云伟等[12]开发研制了植物根系野外便携试验系统，保证了实验数据的真实性，并能在现场进行大量数据的采集与收集，有着重要的应用价值。对根土复合体进行直接剪切试验可以测定根土复合体的抗剪强度，许桐等[13]通过直接剪切试验研究了柴达木盆地4种盐生植物根系的根土复合体抗剪强度。

用植被对边坡进行防护是个系统工程，涉及学科多，已有的研究结果主要是单独考虑了植物抗拉强度、抗剪强度、根土复合體与植物根系直径的关系，对根系质量、地上部分质量、根冠比与植物的各种力学性能研究较少。本文通过对当地的气候、植物资源和自然环境等情况比较分析，选择出分布范围广、当地比较常见且易于拔出完整根系的紫茎泽兰（Eupatorium adenophorum ）、苏门白酒草（Conyza sumatrensis）、鬼针草（Bidens pilosa Linn）3种草本植物进行实验分析，如图1所示。将植物抗拔承载力、

根系抗拉性能、茎杆抗弯强度及根土复合体抗剪强度结合进行定量研究，探讨抗拔承载力与根系质量及地上部分质量的关系、根系直径与茎杆抗弯强度及抗拉强度的关系以及试样在不同垂直荷载下的抗剪强度变化。

1 研究区及植物概况

试验样本选取点位于中国云南省昆明市宝象河经开区区段河道，地理坐标为102°46′41.3″ N， 24°58′30.48″ E，海拔约1 895 m，属于北半球低纬度亚热带-高原山地季风气候，受印度洋西南暖湿气流的影响，此地年平均降雨量为1 000 mm左右，年均气温为15 ℃左右，年均日照为2 200 h左右，无霜期为240 d以上。该区土壤主要为红壤土，土壤pH多为4.5～7.5，有机质含量为1.5%～5.0%，地处云贵高原中部。

对紫茎泽兰、苏门白酒草、鬼针草3种植物的取样地进行土壤物理性质测定，参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），室内的土工试验也按照此标准进行。3种草本植物的取样地点坡长为5 m，边坡密度为2.02 g/cm3，坡度为64.13°，其基本属性见表1，对取样地点的土样进行筛分试验，得到土的颗粒组成如图2所示。土样粒径小于0.075 mm的颗粒占76%，小于0.005 mm的颗粒占10%，根据《土的分类标准》（GB/T 50145—2007），该土定名为细粒土，土中以粉粒为主。该土样的不均匀系数为11.6，曲率系数为2.155，该土土粒不均匀，级配良好。试验选取每种植物统计数量分别为60株。

2 试验材料与方法

2.1 根系抗拉强度试验

根系抗拉强度试验可以测定植物根系在被拉断时承受的最大应力值。试验方法为单根竖向拉伸试验，采用的试验仪器为万能试验机（型号为WDW3100型），在试验样地挑选健康的植物进行试验，快速对植物分别单株密封。进行室内试验时，用剪刀将植物的地上部分与根系部分分离，之后用细流自来水和柔软毛刷清洗植物根系，去除根系上不参与试验的附带土。采用万能试验机进行拉伸试验，选取长度为8±1倍（试验要求范围为5～10倍）直径的植物根系。在植物根系两端缠绕4圈橡皮膏，以避免应力集中以及根皮脱落，在根系被拉断时记录此时最大数值，记为根系的最大抗拉力F，并使用游标卡尺测定断裂处的根系直径D，之后用公式（1）对根系的抗拉强度进行计算。

P=Fπ（D/2）2 。 （1）

式中：P为植物根系抗拉强度，MPa;F为根系最大抗拉力，N;D为拉断处的根系直径，mm。

2.2 植物抗拔承载力试验

植物抗拔承载力试验可以测定植物抵抗竖向拔拉的能力。试验方法为野外原位抗拔承载力试验，在植物拉拔过程中，拉拔方向与植株生长地面垂直，拉拔时使用电子弹簧秤进行读数，记最大读数为根系的抗拔承载力。对植物的地上部分进行细流自来水冲洗，去除地上部分不参与试验的附带物质，将冲洗干净的植物根系和地上部分在105 ℃温度下进行30 min的杀青，之后将其置于65 ℃恒温箱内烘干，用电子天平（上海精科天美科学仪器有限公司生产，型号：YP502N）称取植物根系质量和地上部分质量[14]。计算根系质量与地上部分质量之比的数值，记为根冠比。

2.3 茎秆抗弯强度试验

茎杆抗弯强度试验可以反映植物茎杆抵抗弯曲不断裂的能力。采用的试验仪器为植物茎杆强度测定仪（型号为YF-1200型），选取的茎杆测试长度约为茎杆直径的20倍，记为测试长度L。调节测定仪螺母使夹具恰好与植物茎杆接触，此时启动测定仪，在茎秆出现断裂的瞬间记录下此瞬间最大茎秆拉力。之后采用公式（2）—公式（4）分别计算茎秆最大弯矩、茎杆抵抗矩、茎杆抗弯强度（计算可以等效为简支梁上加一集中力）：

Mmax=FL4 。 （2）

W=πD332 。（3）

σ=MmaxW 。 （4）

式中：F为最大抗拉力，N;L为茎的测试长度，mm;Mmax为最大弯矩，N·mm;W为茎杆抗弯截面系数，mm3;D为断裂处茎杆直径，mm;σ为抗弯强度，MPa。

2.4 植物根土复合体抗剪强度试验

植物根土复合体抗剪强度试验可以测定植物根土复合体抵抗剪切滑动的能力。采用直接剪切试验中的快剪方法，在试验样地取样时先将植物地上部分剪除，去除地表的杂物，使土体表面与植物剪断处平面水平，采用内径61.8 mm、高20 mm的环刀，快速且垂直的压入土体，小幅度慢挖环刀侧面土体，防止土体扰动，取出环刀，立即用保鲜膜将环刀密封，防止水分流失，选无植株生长区域用上述方法取出纯土试样，之后进行室内试验。使用应变控制式直剪仪（型号为ZJ型），分别测定4种垂直荷载（100 、200 、300 、400 kPa）下的抗剪强度。 方法为快剪，剪切速度为5 r/mm，剪切位移为7 mm。

3 结果与分析

3.1 根系直径与抗拉力、抗拉强度的关系

采用直方图可以反映数据的离散型。由图3—图5可知，3种植物的根系直径、抗拉力、抗拉强度分布集中程度由大到小依次为：鬼针草、苏门白酒草、紫茎泽兰，说明鬼针草各样本之间的抗拉性能差异程度相对较小。由表2可知，根系直径由大到小依次为：苏门白酒草（0.70 mm）、紫茎泽兰（0.59 mm）、鬼针草（0.47 mm），根系抗拉力由大到小依次为：紫茎泽兰（9.26 N）、苏门白酒草（8.54 N）、鬼针草（5.68 N），苏门白酒草和紫茎泽兰的根系直径和抗拉力均为鬼针草的1.5倍;根系抗拉强度由大到小依次为：紫茎泽兰（33.87 MPa）、鬼针草（32.74 MPa）、苏门白酒草（22.19 MPa），紫茎泽兰和鬼针草均为苏门白酒草的1.5倍。植物根系的抗拉强度在相当大的程度上影響其固土能力[15]，根系的抗拉强度越大，根系抵抗流水侵蚀的能力就越强。由图6—图7可知，3种植物的根系抗拉力均随根系直径的增长而增长，关系曲线可用指数函数拟合;3种植物的根系抗拉强度均随根系直径的增长而降低，关系曲线可由幂函数拟合。取样地的土壤中以粉粒为主，鬼针草根系发达，直径相对较小，抗拉强度相对较高，可以有效防止土壤中的细颗粒流失。

3.2 植物抗拔承载力与根系质量及地上部分质量的关系

根冠比能够反映植物在光合作用下地上产物质量与地下产物质量的分布[16]，土壤水分是影响根冠比的重要因素，植物地上部分的水分主要由根系供给[17]，且随着蒸腾作用大量散失。由图8—图11可知，鬼针草和苏门白酒草的地上部分质量、根系质量、根冠比和抗拔承载力分布较为集中，说明鬼针草和苏门白酒草各样本之间的抗拔性能差异程度相对较小。

由表3可知，3种植物的平均根冠比从大到小依次为：苏门白酒草（0.28）、紫茎泽兰（0.22）、鬼针草（0.18），鬼针草根冠比明显小于前两者，这是鬼针草根系直径相对较小的体现;抗拔承载力方面由大到小依次为：鬼针草（34.69 N）、紫茎泽兰（32.50 N）、苏门白酒草（23.14 N），紫茎泽兰和鬼针草是苏门白酒草的1.5倍。植物抵抗竖向拔拉的能力是植物根系共同作用的结果，苏门白酒草的根系粗壮，相对不发达，其根系共同作用的能力相对最弱，故其抗拔承载力相对较小。由图12—图13可知，3种植物的抗拔承载力均随根系质量和地上部分质量的增加而增加，紫茎泽兰和鬼针草各自的关系曲线均可由幂函数拟合，而苏门白酒草根系质量与抗拔承载力关系曲线由修正幂函数拟合，地上部分质量与抗拔承载力关系曲线由指数函数拟合，苏门白酒草在其根系质量和地上部分质量的主要分布区间为0.5～1.2 g、2～10 g，抗拔承载力的增速和取值均低于紫茎泽兰和鬼针草。

3.3 茎杆直径与抗弯强度的关系

由图14和图15可知，3种植物的茎杆直径和抗弯强度分布的集中程度由大到小依次为：鬼针草、苏门白酒草、紫茎泽兰，说明鬼针草各样本之间的抗弯性能差异程度相对较小。由表4知，茎杆直径由大到小依次为：鬼针草（3.30 mm）、紫茎泽兰（3.13 mm）、苏门白酒草（3.12 mm）;茎杆抗弯强度由大到小依次为：紫茎泽兰（5.18 MPa）、鬼针草（5.01 MPa）、苏门白酒草（2.63 MPa），紫茎泽兰和鬼针草是苏门白酒草的2倍，植物除了根系具有固土能力之外，其茎杆也具有拦截径流中携带的枯落物的作用[18]，并且茎杆抗弯强度还可以体现出植物抗倒伏能力的强弱，说明苏门白酒草的此类能力相对最弱。由图16可知，3种植物抗弯强度随茎杆直径的增大而减小，关系曲线均可用幂函数拟合;在茎杆直径主要分布区间2.5～4.5 mm，抗弯强度下降速率由快到慢依次为：紫茎泽兰（降幅9 MPa）、鬼针草（降幅6 MPa）、苏门白酒草（降幅4 MPa）;紫茎泽兰下降速率过快，符合其概率直方图中过大的离散程度，个体抗弯性能差异过大，不适宜作为固土植物。

3.4根土复合体的抗剪强度特征

在土壤的发育过程中，植物根系与土颗粒的相互作用对于土壤加固十分重要[19-23]，在土壤中植物根系的生长发育会细化土壤中的土颗粒，使其表面光滑，粒径减小[24]，并与根系黏附，形成根土复合体。由图17可知，3种草本植物的剪切位移与剪切应力关系曲线近似于幂函数，在相同的垂直压力下，纯土试样、苏门白酒草、紫茎泽兰、鬼针草的最大剪切应力依次增大，根土复合体的抗剪强度依次逐渐增加，说明植物根系可以提高土体的抗剪强度;随着垂直压力逐级增加，根土复合体的抗剪强度随之增加，初期根土复合体抗剪强度的增量较大，当剪切位移达到5 mm时抗剪强度变化很小，说明此时根土复合体接近破坏，基本不能再受剪切应力;随着剪切位移逐渐增大，根土复合体的最大剪切应力逐渐增加并趋于稳定，关系近似幂函数，此时土体已经变形，植物根系因为受到剪切力作用会发生拉伸变形，进一步转变为受拉力作用，此时便需要植物根系具备一定的抗拉性能与抗拔性能。由表5可知，苏门白酒草、紫茎泽兰、鬼针草最大剪切应力随垂直压力的涨幅情况，100 kPa分别为：21%、29%、32%;200 kPa分别为：15%、23%、27%;300 kPa分别为13%、18%、22%;400 kPa分别为：11%、16%、19%。由表6可知，土体中加入植物根系后，黏聚力大幅上涨，涨幅由大到小依次为：鬼针草（123%）、紫茎泽兰（120%）、苏门白酒草（90%），鬼针草涨幅最大，说明其承受剪切变形的能力最强。同时，内摩擦角小幅上涨，涨幅由大到小依次为：鬼针草（12%）、紫茎泽兰（10%）、苏门白酒草（5%），说明在防止土体滑动的过程中，鬼针草的临界自稳角最大;平均根径与之前统计基本符合，主根数由大到小依次为：紫茎泽兰（3根）、苏门白酒草（2根）、鬼针草（1根）。

4 结论与建议

本文以昆明市宝象河生态护坡为研究对象，对流域内常见的3种草本植物进行根系力学特性试验研究，定量表征了植物抗拔承载力、根系抗拉性能、茎杆抗弯强度及根土复合体抗剪强度，探讨了抗拔承载力与根系质量、地上部分质量的关系;根系直径与茎杆抗弯强度、抗拉强度的关系;试样在不同垂直荷载下的抗剪強度变化，得出如下结论。

（1）试验区内3种草本植物的抗拔承载力由大至小分别为：鬼针草、紫茎泽兰、苏门白酒草;抗弯强度和抗拉强度由大至小分别为：紫茎泽兰、鬼针草、苏门白酒草;抗拉力由大至小分别为：紫茎泽兰、苏门白酒草、鬼针草。

（2）试验区内3种草本植物的抗拔承载力与根系质量及地上部分质量均呈正相关，关系可由幂函数、修正的幂函数、指数函数进行拟合;茎杆直径与抗弯强度呈负相关，关系可由指数函数拟合;根系直径与抗拉力、抗拉强度分别呈正相关与负相关，可分别由指数函数、幂函数拟合。

（3）试验区内3种草本植物的剪切位移与剪切应力关系曲线近似于幂函数，根土复合体的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度从大到小依次为：鬼针草、紫茎泽兰、苏门白酒草。

（4）植物根系可以提高土体抗剪强度，鬼针草根系发达，抗拉强度相对较高，说明植物根系对土体的加筋作用相对最强。由茎杆抗弯强度及抗拔承载力可知，鬼针草拦截径流中携带的枯落物以及抗倒伏能力相对最强。

本文结论适用于昆明市宝象河生态护坡植物的筛选研究，并为今后对昆明市生态河道建设提供数据支持。

关于今后植被护坡的进一步研究工作，本文认为以下3个方面需要进一步完善。首先在今后的工作中，可以深入研究其他因素与植物抗拔承载力、根系抗拉强度、茎杆抗弯强度的关系，例如植物中纤维素含量与对根系抗拉强度的关系;其次为根系形态研究，植物的根系生长复杂，受到气候条件、土壤质地和边坡形态等因素的影响，可以采用分形理论的方法对根系形态进行分析研究;最后为草灌结合的护坡研究，因为灌木根系具有更强的抗拉性能，对土体的黏聚力提高幅度更大。

【参 考 文 献】

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