楊東旭， 劉 靜， 王勇軼, 袁亞楠

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院， 呼和浩特 010019)

我國水土流失面積大、范圍廣、治理難，水土流失治理工作尤為重要. 不同的植物有不同的生態(tài)適應(yīng)性，具有抗旱、保水能力的植物對保持水土有積極作用,且根系固土力學(xué)的研究也引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1]. 植物根系穿插于土體，在自然界外營力作用下會受到拉伸，也會受到來自滑坡、泥石流等不穩(wěn)定載體帶來的瞬時或持續(xù)性拉拔. 植物豐富的根系可以起到固持水土、錨固邊坡的作用[2]. 目前，對植物根系固土力學(xué)的研究多集中于不同植物根系的單根單次荷載抗拉力學(xué)特性[3-4]、根系含水率[5]及根系化學(xué)成分與根系力學(xué)特性的關(guān)系[6]等方面的研究，如王萍花[7]研究發(fā)現(xiàn)白樺、蒙古櫟、油松、落葉松喬木單根的應(yīng)力應(yīng)變曲線整體都為單峰曲線，李可等[8]發(fā)現(xiàn)檸條錦雞兒和早熟禾2種植物根系具有彈塑性材料特點，周林虎等[9]發(fā)現(xiàn)早熟禾、扁穗冰草、賴草、紫花針茅4種植物根系單根抗拉強度與根徑之間成冪函數(shù)關(guān)系，郭維俊等[10]發(fā)現(xiàn)小麥根系具有良好的彈性和承載能力. 植物根系在承受自然界外營力反復(fù)拉拔作用時處于疲勞狀態(tài)，根系處于疲勞狀態(tài)時，根系與土壤所形成的物理結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而影響根系力學(xué)特性發(fā)生變化，因此對于根系疲勞的研究，有助于為水土保持建設(shè)和水土流失防治提供理論依據(jù). 但對于根系的抗疲勞特性的研究仍然較少，呂春娟等[11]發(fā)現(xiàn)油松根系在10 mm/min加載速度下承受100或1 000次循環(huán)荷載后，其疲勞后的根系力學(xué)特性較單調(diào)荷載有所增強. 穆楓等[12]研究后同樣發(fā)現(xiàn)：承受疲勞后的油松和側(cè)柏各徑級直根根系較未承受疲勞的根系抗拉力和抗拉強度均有所增高，且2種植物有相同規(guī)律.

干旱、半干旱區(qū)是風(fēng)力侵蝕多發(fā)頻發(fā)的區(qū)域，灌木是防治風(fēng)力侵蝕的主要植物種，其根系也是承載風(fēng)力循環(huán)拉拔破壞的主要受體，然而，目前針對灌木根系疲勞特性的研究尚未見報道. 小葉錦雞兒具有良好的抗旱性、耐寒性和環(huán)境適應(yīng)性，是根系發(fā)達的防風(fēng)固沙及水土保持樹種，具有很高的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益[13]. 本研究以3年生小葉錦雞兒根系為循環(huán)荷載的試驗對象，模擬根系遭受風(fēng)力反復(fù)拉拔的狀態(tài)，研究根系經(jīng)過軸向循環(huán)荷載破壞后抗拉力學(xué)特性的變化，探討灌木根系在風(fēng)力循環(huán)拉拔后的固土效能，以期為干旱、半干旱生態(tài)脆弱區(qū)植被恢復(fù)和侵蝕防控提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于陜西省神木市大柳塔鎮(zhèn)水土保持科技示范園區(qū)內(nèi)，該地區(qū)屬大陸性干旱半干旱氣候. 自然條件惡劣，土壤貧瘠，土質(zhì)多為沙壤土，春秋季風(fēng)沙大，冬季寒冷且漫長，少雨雪. 多年均氣溫為8.9 ℃，年均降水量約為396.8 mm，主要集中在夏秋季節(jié)，年均蒸發(fā)量為1 790.4 mm. 試驗區(qū)內(nèi)小葉錦雞兒為多年生灌木，呈帶狀分布. 該區(qū)主要水土保持樹種包括小葉錦雞兒、北沙柳 (Salixpsammophila)、黑沙蒿 (Artemisiaordosica)、中國沙棘 (Hippohaerhamnoides)等旱生灌木植物.

1.2 試驗根采集與制備

1.2.1 試驗根采集 在試驗區(qū)選擇長勢良好、植株數(shù)量分布均勻、面積為10 m×10 m的小葉錦雞兒樣地，隨機選取30株小葉錦雞兒，測其株高、冠幅、地徑，分別取均值作為選取標(biāo)準(zhǔn)株的依據(jù). 確定標(biāo)準(zhǔn)株(株高為(1.22±0.33)m；冠幅為(1.52±0.03)m2；地徑為(1.53±0.21)cm)后，在樣地選取與標(biāo)準(zhǔn)株指標(biāo)相近的小葉錦雞兒植株，從距其基徑水平距離 1 m處開挖根系剖面，挖的過程中掌握力度，從外向內(nèi)小心挖取土壤與根系，避免損傷根系，用剪刀剪取收集所需徑級范圍內(nèi)的完整無損傷的根系. 將采集的根系裝入容器并以濕沙填充覆蓋后帶回實驗室，保存在4 ℃環(huán)境中. 試驗根在取回后1周內(nèi)完成試驗.

1.2.2 試驗根制備 選取來自同一母根段且表皮無破損的1.00≤d≤4.00 mm徑級的小葉錦雞兒活根根系，每隔1 mm為一個徑級，試驗根根長8 cm，標(biāo)距為4 cm，兩端分別留2 cm夾持部分(圖1)，使用游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)，以試驗根的中點向兩側(cè)每隔10 mm進行根系直徑測定，采用十字交叉法對每個斷面測量2次，取其平均值作為該點的直徑并作為劃分試驗根徑級的依據(jù).

圖1 小葉錦雞兒直根段軸向拉力示意圖

1.3 試驗方法

試驗于2018年6月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院根系力學(xué)實驗室進行，試驗儀器采用中國江西的天源牌TY8000伺服控制拉力試驗機(精度為0.01 mm，最大加載速度為860 mm/min). 1.00≤d≤2.00、2.00

單次荷載速度為20 mm/min. 試驗時拉伸直至根系斷裂，以斷裂時的抗拉強度，作小葉錦雞兒直根段抗拉強度和抗拉力回歸曲線方程，以此作為循環(huán)荷載的應(yīng)力水平. 每個徑級再取15條試驗根進行2個梯度的循環(huán)荷載，按根徑對每條試驗根計算擬合循環(huán)荷載極限力；將擬合極限力的30%與70%作為該試驗循環(huán)荷載的依據(jù)，設(shè)定循環(huán)荷載的次數(shù)為50次，待成功拉伸50次后，再利用20 mm/min的加載速度將該根系瞬時拉斷，對此時的抗拉力進行記錄統(tǒng)計. 將試驗根兩端預(yù)留的2 cm用夾具夾緊，使試驗根保持軸向水平狀態(tài)后對其勻速施加壓力. 其中：

(1)單次荷載極限力測定：勻速施加拉力直至試驗根被破壞，a段間斷裂記為有效，夾具夾口處斷裂記為無效.

(2)循環(huán)荷載測定：分別以擬合極限力的30%和70%對試驗根勻速施加拉力后卸載，待徑向位移歸零，記為1次加-卸載過程，此加-卸載過程重復(fù)50次.

(3)循環(huán)荷載后極限力測定：待循環(huán)50次加-卸載過程后(此時根系沒有斷裂)，再以20 mm/min加載速度對試驗根勻速施力至破壞，記錄此時的極限抗拉力.

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗利用SAS9.0軟件對直根段承受不同形式荷載的抗拉力和抗拉強度進行差異性檢驗(α=0.05)，通過Excel軟件進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，直徑、加載次數(shù)、加載速度3種影響因素對根系力學(xué)特性的影響通過灰色關(guān)聯(lián)分析(Grey Modeling_V3.0)進行分析比較. 抗拉強度計算公式：

σ=4F/πD2，

其中，σ為抗拉強度(MPa)，F(xiàn)為極限抗拉力(N)，D為試驗根平均直徑(mm).

2 結(jié)果與分析

2.1 承受循環(huán)荷載后根系抗拉力學(xué)特性

根系抗拉力的大小可以體現(xiàn)根系固持土壤能力的強弱. 通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，小葉錦雞兒直根段具有較強的根系抗拉力. 圖2A、B是直徑與根系極限抗拉力和抗拉強度關(guān)系圖，可以看出，單次荷載(y=47.603x1.54，R2=0.903 0)、循環(huán)荷載30%(y=64.238x1.57，R2=0.952 4)、循環(huán)荷載70%(y=28.622x1.84，R2=0.979 1)中直徑與極限抗拉力和極限抗拉強度均滿足冪函數(shù)關(guān)系，且根系承受循環(huán)荷載前后的抗拉力和抗拉強度的差異性均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).

圖2 小葉錦雞兒直根段承受循環(huán)荷載前后的抗拉力、抗拉強度與直徑回歸曲線

隨直徑增大，抗拉力呈增長趨勢(圖2A、表1)，當(dāng)直根段承受30%極限力循環(huán)荷載后，1.00≤d≤2.00、2.00

根系抗拉強度與直徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2B)，直徑越大，根系抗拉強度越小，直根段承受30%極限力循環(huán)荷載后3個徑級的根系抗拉強度分別為66.35±0.83、55.28±0.84、50.39±0.39 MPa，較單次荷載3個徑級極限抗拉強度分別增加了1.36、1.36、1.38倍. 承受70%極限力循環(huán)荷載后1.00≤d≤2.00、2.00

由圖2和表1可以看出，直根段承受極限力30%和極限力70%循環(huán)荷載后，3.00

表1 小葉錦雞兒直根段承受循環(huán)荷載前后力學(xué)特性差異Table 1 The mechanical properties of straight root section of Caragana microphylla before and after cyclic loading

在30%和70%循環(huán)荷載下分別以20、200 mm/min加載速度對2.00

表2 不同加載速度下根系力學(xué)特性差異性檢驗

如表3所示，同種循環(huán)荷載下，直根可承受50次反復(fù)拉伸的百分比隨著直徑增大和循環(huán)荷載的增大逐漸減少.

表3 小葉錦雞兒各徑級直根加載次數(shù)統(tǒng)計

2.2 根系承受循環(huán)荷載后抗拉力學(xué)特性與影響因子的關(guān)聯(lián)度分析

由表4可知，將循環(huán)荷載后對根系抗拉特性產(chǎn)生影響的3個指標(biāo)因子根徑、加載次數(shù)和加載速度進行灰色關(guān)聯(lián)分析. 結(jié)果表明：當(dāng)循環(huán)荷載為單次荷載抗拉力的30%時，影響根系力學(xué)特性的3個因子依次為：根徑、加載次數(shù)、加載速度,各個影響因子與受力后根系抗拉力的關(guān)聯(lián)度分別是0.754、0.643、0.641. 由此可見：根系承受循環(huán)荷載過程中，影響根系抗拉力的關(guān)鍵因素是根徑，其次是加載次數(shù)和加載速度. 承受70%循環(huán)荷載時根系力學(xué)特性及其影響因子間的關(guān)聯(lián)度與關(guān)系表現(xiàn)出同樣的規(guī)律(表4).

表4 循環(huán)荷載下根系抗拉力影響因子的原始數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)分析Table 4 The source data and correlation analysis of root tensile strength factors under cyclic loading

3 討論

承受單根極限抗拉力30%循環(huán)荷載后直根抗拉強度、極限抗拉力較單次荷載均有所增大，這一現(xiàn)象與大多研究根系疲勞的研究[12]結(jié)果類似. 根系作為一種活性材料，在承受適度的循環(huán)荷載后，激發(fā)了自身的自修復(fù)和根系固土功能[14]. 蔣坤云等[15]學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：灌木根系的木纖維面積百分比和木纖維壁腔比與單根最大抗拉力呈正相關(guān)關(guān)系. MARIE等[16]研究發(fā)現(xiàn)幾種樹木根系抗拉強度與直徑之間的冪函數(shù)關(guān)系可能是由于纖維素含量的變化引起的. 火棘(Pyracanthafortuneana)和刺鼠李(Rhamusdumetorum)2種植物根系的化學(xué)組成中，木質(zhì)素含量與根系極限抗拉力、抗拉強度呈正相關(guān)關(guān)系[17]. 經(jīng)過循環(huán)荷載后的植物根系，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而影響根系力學(xué)性能，因此，根系內(nèi)部的化學(xué)組分可能是造成根系抗拉力增大的原因之一. 承受單根極限抗拉力70%循環(huán)荷載后根系抗拉強度、極限抗拉力較單次荷載根系均有所減小，植物根系內(nèi)部具有豐富的細胞結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，究其原因，可能是由于根系內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，此時對根系進行高荷載的反復(fù)拉伸會對根系的微觀細胞結(jié)構(gòu)造成損傷，使其抗拉力和抗拉強度均有所減小. 小葉錦雞兒發(fā)達的次生微管組織和高程度木質(zhì)化為其較好的抗拉特性提供了基礎(chǔ). 研究[4]表明：隨著拉伸速率由3 mm/min 加大至10 mm/min，小葉錦雞兒木質(zhì)部斷裂面整齊度隨著拉伸速率的增大趨于整齊，是由于根系的纖維束還未能發(fā)揮它自身的抗拉性能，直接由根系的彈性變形進入塑性變形階段并迅速被拉斷. 而70%的循環(huán)荷載已遠超根系的彈性極限，在高頻次與高荷載共同作用下，加快了根系的斷裂速度，從而導(dǎo)致根系承受70%循環(huán)荷載后極限抗拉力有所減小. 根系力學(xué)特性的變化是多方面因素共同作用導(dǎo)致，如根系含水率、加載速率等可能對根系力學(xué)特性的交替產(chǎn)生影響，還需要進一步深入研究.

4 結(jié)論

小葉錦雞兒直根段承受循環(huán)荷載前后的極限抗拉力差異顯著(P<0.05)，且均與直徑呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系. 1～4 mm徑級根系承受30%循環(huán)荷載后的極限抗拉力較單次荷載平均增加了39.99%，承受70%循環(huán)荷載后的極限抗拉力較單次荷載平均減少了18.72%. 灰色關(guān)聯(lián)分析表明：根系直徑、加載次數(shù)、加載速度均是影響小葉錦雞兒根系力學(xué)特性的因素. 小葉錦雞兒根系在遇到風(fēng)力侵襲時，外營力對根系產(chǎn)生循環(huán)拉拔作用，較小的循環(huán)荷載會增強根系抗拉力和固持土體能力；當(dāng)循環(huán)荷載過大，會造成根系損傷且導(dǎo)致根系抗拉力和固土能力下降.