紫穗槐根-土界面拉拔摩阻特性

袁亚楠, 李诗文, 胡晶华, 肖 巍, 王 博, 郑欣如, 刘 静

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 呼和浩特 010019; 2.中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司,乌鲁木齐 830000; 3.内蒙古师范大学 地理科学学院, 呼和浩特 010019)

根系不断分支深入地下与土壤紧密接触,起到固持土体、改善土壤结构与支撑树体的重要作用[1-2]。当植物受到外营力作用(如风力、水力作用)或土体发生变形时,根系可将土体受到的一部分剪应力转化成自身的拉应力从而稳固土体[3],根系与土体的相对位移产生摩阻力,而摩阻力会改变根—土复合体的应力应变状态,对土体稳定产生有利的影响[4]。研究根系与土壤直接接触的根土界面可以直观地模拟根系的固土性能,单根拉拔试验能够模拟土体发生滑动或塌陷时,根系从土体中被完全拔出的过程[5]。因此,根土界面拉拔摩阻特性的研究对于探究植物根系固土机制尤为必要,并且对于植物固土护坡具有理论指导意义和实际应用价值。

目前国内外学者已经对多种植物的根土界面拉拔摩阻特性进行研究,主要探究根系特征和不同土壤的土工性质对植物根土界面拉拔摩阻特性的影响。北沙柳(Salixpsammophila)、薄叶山矾(Symplocosanomala)、香根草(Vetiveriazizanioides)等植物根系的最大拉拔力与根径、根长、根土间接触面积均呈正相关关系[6-9];根系表面粗糙程度、根系埋深、土壤干密度均会影响根系抗拔,根系表面越粗糙,最大拉拔力越大[10-11],根系埋深越大,最大拉拔力越大[12-13],同时土壤干密度增大,最大拉拔力也增大[14-15]。此外,根系被拔出的速率也影响着根土界面拉拔摩阻特性[16],但关于根—土复合体中根系拉拔速率对拉拔摩阻特性影响的报道较少,且不同植物种间差异较大。紫穗槐(Amorphafruticosa)是一种典型的深根性树种,根系广、侧根多,耐盐碱、耐干旱、抗风沙、且对土壤要求不高,是保持水土的优良植物材料[17]。目前针对紫穗槐根系拉拔摩阻特性的研究较少,且综合分析各影响因素对固土特性的贡献率少有研究。本文对我国广泛分布的常见造林绿化种紫穗槐根系及其固体机制开展研究,通过室内拉拔试验,探讨有无须根、根径、拉拔速率(根系被拔出的快慢)对紫穗槐根土界面拉拔摩阻特性的影响,研究结果将为完善植物根系固土机制提供理论支持,并为研究区栽培植物种的选择提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集与制备

1.1.1 根系采集 取样地位于陕西省神木市大柳塔镇,于2021年8月下旬在试验区内挖取试验所需紫穗槐根系,根系保存于恒温冷藏柜中(温度:4℃,湿度70%),并在一周内完成试验。

1.1.2 土样采集 按照土工试验规范在试验地开挖剖面取土,取回的土壤一部分作为试验用土,另一部分用于土壤基本理化性质的测定,包括用烘干法测算土壤含水率,用环刀法测算土壤干密度。测得土壤干密度为1.67 g/cm3,原状土含水率为4.68%。土样的粒径成分使用Mastersizer 3000激光粒度分析仪测试,根据《土的工程分类标准》GB/T50145-2007将试验土样命名为粉土质砂(SM)。

1.1.3 样品制备 重塑土的制备:结合原状土的物理性质和紫穗槐生境状况,将重塑土的含水率设为4.68%。将风干后的原状土过2 mm筛后备用,本试验中每1 kg风干土需要43.6 g水,将原状土平铺于不透水的托盘上,水装入喷壶中均匀喷洒至土样上,其间不断搅拌,直至均匀混合后将制备好的土壤装入密封罐中遮光静置24 h后使用,使重塑土的性质更接近于原状土。

直根试验根段制备:从采集的紫穗槐根系中选取根径均匀、表皮完整的直根段进行试验,试验根总长8 cm,距离根端2 cm处为夹口端,如图1(左)所示。测量A,O,B三处根径并取平均值作为该根段根径。根径范围为1～5 mm,分为1～1.5 mm,1.5～2 mm,2～2.5 mm,2.5～3 mm,3～3.5 mm,3.5～4 mm,4～4.5 mm,4.5～5 mm 8个径级组,每个径级组均做15个重复。

图1 试验根段示意图

直根带须根试验根段制备:从采集的紫穗槐根系中选取直根上有侧生根径较细须根的直根段,本试验中称为带须根根段,如图1(右)所示。试验根总长8 cm,距离根端2 cm处为夹口端,根径测量方法同直根段。为减小误差,试验过程中,先用带须根根段进行第一次试验,然后对剪掉须根后得到的直根段进行第二次试验。该方法已证明可行,故不再赘述[18]。本研究选取1.5～2 mm径级范围内的试验根段,做20个重复。

根—土复合体的制备:称量配置好的重塑土放入管中部对称开小孔的PVC管中(使管内土的干密度为1.67 g/cm3),先封紧一侧管口,往管里添加重塑土,在土到达圆孔时将试验根段穿过圆孔,上部露出夹持段,继续填土直至将称量好的土全部加完,再封紧另一侧管口。将制备好的试样固定于自制夹具备用。

1.2 试验仪器及方法

选用TY 8000伺服强力机,设置好加载速度,固定制备好根—土复合体的PVC管,并将露出来的根段用夹具夹住向上拉拔,直至试验根从土中完全拔出,并记录最大拉拔力—位移曲线以及最大拉拔力—时间曲线。

为探究拉拔速率(根段被拔出的快慢)对紫穗槐根土界面拉拔特性的影响,分别设定拉拔速率为10 mm/min,500 mm/min,其中拉拔速率为10 mm/min时模拟根—土复合体在斜坡作用下的缓慢变形,拉拔速率为500 mm/min时模拟大风对枝叶的拉拔作用,力逐级传递到根—土复合体的根上发生的瞬间变形。

1.3 根土界面拉拔摩阻强度及摩擦系数推算

拉拔摩阻强度计算:

τπdl-F=0

(1)

式中:τ为根土界面拉拔剪应力(kPa);d为根段的平均直径(mm);F为根被拔出时的最大拉力(N);l为根系在土中的长度(mm)。

摩擦系数计算[19]

(2)

式中:D为根段的平均直径(mm);ρd为试验土的干密度(g/cm3);ω为试验土的含水率(%);L为试验根段在土壤中的长度(mm)。

1.4 数据统计分析

数据处理及统计采用Excel 2019和SPSS Statistics 25软件,采用 Origin 2018进行制图。使用最小显著极差法(LSD)、配对样本T检验法进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 有无须根条件下紫穗槐根土界面拉拔特性

由图2可知,直根带须根根段和直根段拉拔过程中的拉拔力—时间曲线的变化特征、直根带须根根段和直根段的拉拔力—位移曲线的变化特征基本一致,当外力作用于根段时,根段拉拔过程分为急剧上升、陡峭下降和平稳拔出3个阶段。由于紫穗槐1.5～2 mm径级范围内直根段有较高的轴向弹性模量(591.32 MPa)[20],在外力作用下根段的弹性缓解拉力,根段在土中的位移不大,而随着外力加载,根段的弹性变形全部释放,根土界面摩阻特性充分发挥达到最大拉拔力,即急剧上升段。继续加载,随着根被拔出,根与土壤的接触面积不断减小,随着位移的增大,摩擦力急剧减小,即陡峭下降段。随着根土界面被完全破坏,根土间的摩擦力几乎为零,根段被完全拔出,即平稳拔出段。

图2 有无须根条件下紫穗槐根土界面拉拔特性

从表1可以看出,紫穗槐直根带须根—土复合体的最大拉拔力、拉拔摩阻强度、根土界面摩擦系数较直根—土复合体均提高了1.3倍。直根带须根—土复合体的最大拉拔力、拉拔摩阻强度、根土界面摩擦系数较直根—土复合体均有显著提高。

表1 1.5～2 mm两种根段的拉拔强度特性指标Table 1 Characteristic indexes of drawingstrength of 1.5～2 mm root segments

2.2 不同根径条件下紫穗槐根土界面拉拔特性

由图3可见根径对最大拉拔力有较大影响,随根径增大直根—土复合体最大拉拔力呈指数函数增加,相关系数为0.95。在1～5 mm径级范围内直根—土复合体的最大拉拔力由7.28 N增加至45.29 N,根径在4.5～5 mm范围内直根—土复合体的最大拉拔力约为1～1.5 mm范围内根段的6倍。

图3 不同根径条件下最大拉拔力变化

从表2可以看出,1～5 mm径级范围内直根—土复合体拉拔摩阻强度与根径呈指数函数正相关,拉拔摩阻强度由30.09 kPa增加至52.68 kPa,其中1～4 mm范围内6个径级组直根—土复合体的拉拔摩阻强度之间无显著性差异,4～5 mm范围内两个径级组直根—土复合体的拉拔摩阻强度之间也无显著性差异,但4～5 mm范围内两个径级组直根—土复合体的拉拔摩阻强度与其他径级组均有显著性差异。紫穗槐根土界面摩擦系数随根径的变化趋势与最大拉拔力随根径的变化趋势相似,呈指数正相关,由0.53增至0.91,增幅为71.7%。其中根径在1～3.5 mm的5个径级组之间紫穗槐根土界面摩擦系数均无显著性差异,4～4.5 mm,4.5～5 mm两个径级组紫穗槐根土界面摩擦系数与其他径级组均表现为显著性差异。

表2 根径对拉拔摩阻强度和摩擦系数的影响Table 2 Effect of root diameter on drawing friction strength and friction coefficient

2.3 不同拉拔速率条件下紫穗槐根土界面拉拔特性

由表3可知,随拉拔速率增大,紫穗槐直根—土复合体的根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度呈增大趋势,拉拔速率为500 mm/min时紫穗槐直根—土复合体的拉拔摩阻强度、根土界面摩擦系数较拉拔速率为10 mm/min时差异性不显著。拉拔速率为500 mm/min时紫穗槐直根—土复合体的根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度较拉拔速率为10 mm/min时分别提高了12.73%,13.85%,拉拔速率为500 mm/min时根系全段激活时间远远短于拉拔速率为10 mm/min。

表3 不同拉拔速率下根段的拉拔强度特性指标Table 3 Drawing strength characteristic index of root section under different drawing rates

2.4 各影响因素对紫穗槐根段拉拔摩阻特性的贡献

为进一步分析比较根径、有无须根、拉拔速率对紫穗槐根段拉拔摩阻特性各项指标的影响,以根径、拉拔速率和有无须根为解释变量,以根土界面摩擦系数、摩阻强度和最大拉拔力为响应变量进行冗余分析(图4)。第一排序轴特征值为78.29%,第二排序轴特征值为21.71%,两轴完全解释了各变量与根土界面摩擦特性之间的关系,冗余分析更直观全面地反映出不同影响因素对紫穗槐根段拉拔摩阻特性各项指标的影响及影响强度,即各影响因素中贡献率最高的是根径(55.4%),其次是有无须根(23.7%),第三是拉拔速率(20.9%),三者与紫穗槐根段拉拔摩阻特性指标均呈极显著相关关系(p<0.01)。

图4 拉拔摩阻强度各项指标与各影响因素的综合分析

3 讨 论

紫穗槐根系最大拉拔力随根径增大呈指数函数增加,这与油松(Pinustabulaeformis)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、榆树(Ulmuspumila)、白桦(Betulaplatyphylla)、雪松(Cedrusdeodara)根系最大拉拔力随根径变化的规律相似[21-24]。根径增大使根—土接触面积变大,根—土间摩擦力发挥得更加充分,导致最大拉拔力增大。即随着植物根系生长,根径逐渐增粗,根系抗拔能力提高。紫穗槐根系多生须根[25],分析紫穗槐带须根根段和直根段的应力应变曲线发现,带须根根段和直根段拉拔过程中的变化曲线基本一致,当外力作用于根段时,根段拉拔过程分为急剧上升、陡峭下降和平稳拔出3个阶段,在上升段带须根根段和直根段几乎重合,带须根根段的最大拉拔力大于直根段,小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、冬瓜杨(Populuspurdomii)、峨眉冷杉(Abiesfabri)根系均表现出相同规律,即带须根根段的最大拉拔力大于直根段[26-27]。

根系全段激活时间(即达到最大拉拔力对应的时间[28]))表征根段在表面摩阻特性影响下抵抗拉拔位移的能力,试验表明根径为1.55 mm时,带须根根段根系全段激活时间30.4 s,而同径级直根段根系全段激活时间在27.8 s,根径为2.21 mm时,带须根根段根系全段激活时间49.4 s,而同径级直根段根系全段激活时间在38.8 s。这是由于带须根根段与直根段相比与土壤的接触面积更大,使得根土间摩擦力增加,根系全段激活时间延后,并且当根受到外力时,须根的侧向牵引作用分担了部分外力,即带须根根段可发挥较强的摩阻特性来控制土体变形[26],须根有效提高了根系的固土特性。拉拔速率为500 mm/min时紫穗槐直根—土复合体中根段的最大拉拔力、根土界面摩擦系数和拉拔摩阻强度较拉拔速率为10 mm/min时均有提高,这是由于当根系承受拉拔的速度低时,根土界面摩阻特性需要经过一段时间(36.52 s)才能充分激活。当拉拔速率为500 mm/min时,在瞬时拉力的作用下,根—土复合体结构瞬间(1.27 s)被破坏,根土间摩擦阻力立即达到峰值,来抵抗根土间产生的相对位移。但现有报道表明中国沙棘(Hippophaerhamnoides)和小叶锦鸡儿根系的最大拉拔力均随拉拔速率的增大呈现先增大后减小的变化趋势[29],柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、黑沙蒿根系的最大拉拔力均随拉拔速率的增大呈现先减小后增大的变化趋势[30-31],油松根系的最大拉拔力随拉拔速率的增加而减小[32]。综上,最大拉拔力对拉拔速率的响应是因植物而异的,有待深入研究。

根系极限抗拉力是根系在拉断前承受的最大拉力,反映根系抵抗拉伸破坏的能力;根系最大拉拔力是根系从特定土壤以及特定根—土复合体中完整拔出所承受的最大拉力,反映根系与土壤之间的摩擦力[33-34]。本课题组对轴向荷载下紫穗槐直根段的极限力及极限强度进行测定[20],结果表明紫穗槐1～5 mm径级范围内直根段极限抗拉力由46.35 N增加至215.85 N,极限抗拉力与根径呈幂函数正相关;紫穗槐1～5 mm径级范围内直根段抗拉强度由42.71 MPa减小至10.18 MPa,与根径呈幂函数负相关。在本研究中紫穗槐1～5 mm径级范围内直根—土复合体的最大拉拔力由7.28 N增加至45.29 N,紫穗槐1～5 mm径级范围内直根—土复合体的拉拔摩阻强度由30.09 kPa增大至52.68 kPa,与根径呈指数函数正相关。对比紫穗槐根系的极限抗拉力和最大拉拔力发现根系极限抗拉力远远大于最大拉拔力。郭翬对比四川山矾(Symplocossetchuensi)的极限抗拉力和最大拉拔力发现,在根径<2 mm时四川山矾的极限抗拉力略小于最大拉拔力,而根径>2 mm时表现为极限抗拉力远远大于最大拉拔力,四川山矾的较细根(根径<2 mm)在拔出前已经被拔断[33]。而紫穗槐的弹性模量较大,韧性较强,同时在本试验原状土(粉土质砂)紫穗槐直根—土复合体拉拔试验中,并未发生根段断裂情况,说明生长于粉土质砂土壤环境中的紫穗槐根段具有良好的抗拉断特性,其根—土复合体承受外力后,一般不会因根系拉断而解体。并且紫穗槐根系中较细根的抗拉强度大,因此能承受更多应力,大量较细根系在土里纵横交错使得根—土复合体的强度增大;较粗根的拉拔摩阻强度大,锚固作用显著,可有效的抵抗土体位移,保持根—土复合体的稳定。

4 结 论

(1) 须根明显提高了根段的固土性能,同径级紫穗槐直根带须根—土复合体的最大拉拔力、根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度较直根—土复合体均提高了1.3倍;

(2) 在1～5 mm径级范围内,随根径增大,紫穗槐直根—土复合体的最大拉拔力、根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度均呈指数正相关,其中4～4.5 mm径级范围内直根—土复合体的最大拉拔力、根土界面摩擦系数和拉拔摩阻强度较1～1.5 mm径级范围内分别提高了522.12%,71.7%和75.07%;

(3) 根系拉拔速率由10 mm/min增大至500 mm/min,紫穗槐直根—土复合体的根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度均呈增大趋势,即根系在遭到大风拉拔等大而瞬时的作用时也能发挥较好的固土特性。

(4) 冗余分析结果表明:根径对紫穗槐根—土复合体拉拔摩阻强度贡献较高(55.4%),其次是须根(23.7%),最后是拉拔速率(20.9%)。