周霞 李東嶸 蔣靜 張超波

摘要：為了研究紫花苜蓿根系的拉拔力學性質(zhì)和評價其根系固土力學機制的增強效應，采用室外原位拉拔試驗分析了影響苜蓿根系拉拔力的因素。試驗結果表明：① 紫花苜蓿根系拉拔力隨著直徑、根長、根系表面積的增大而增大，抗拉力與直徑增長趨勢呈指數(shù)關系，根長L2（20～30 cm）比根長L1（10～20 cm）平均拉拔力增大了69.62%，根長L3（30～40 cm）比根長L2平均拉拔力增大了61.7%，根長L3平均拉拔力比根長L1增大156.16%。② 拉拔力隨根系表面積的增大而增大;根長L2、L3的平均根系表面積分別是根長L1的2.28倍和5.17倍;根長L2、L3平均拉拔力分別是根長L1的1.70倍和2.66倍。③ 紫花苜蓿根系拉拔力與植物根徑呈負相關，滿足冪指函數(shù)關系。拉拔強度T的大小為T3 （30～40 cm）>T2 （20～30 cm）>T1 （10～20 cm），根長L2、L3的平均拉拔強度比根長L1的減小了14.70%，53.71%。

關 鍵 詞：紫花苜蓿根系; 拉拔破壞; 力學機制; 固土護坡

近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)建設的不斷擴大，基礎工程建設對邊坡的改造和破壞誘發(fā)了一系列新的地質(zhì)災害[1]。植物措施作為一種提高淺層邊坡穩(wěn)定性的措施，被廣泛應用于邊坡固土。植物根土護坡的原理是利用植物根系與土壤相互纏繞以增加土壤間的固結力，改變土壤結構，形成根土復合體，提高邊坡穩(wěn)定性和抗沖刷性。根系破壞模式有拉斷破壞和拔出摩擦破壞[2-4]，許多學者的研究成果表明，根系最大拉拔力與根系直徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關系，與根系數(shù)量呈線性關系[5-6]。在相同土壤容重下，根系的最大拉拔力隨根系直徑的增加而增大;當根系直徑一定時，根系最大拉拔力隨土壤干密度的增加而增大。多數(shù)學者研究灌草植物根系直徑、種類對抗拉強度的影響，朱海麗[7]、耿威[8]等對多種灌草進行拉拔試驗，得出直徑與抗拉力呈正相關，與抗拉強度呈負相關的規(guī)律。還有一些學者研究喬木植物，如張超波[9]、楊永紅[10]等對不同喬木根系進行抗拉試驗研究，也得出同樣的結論。目前對于草本植物根系的拉拔力試驗研究較少，僅趙麗兵[11]通過室內(nèi)拉伸試驗，得出苜蓿根系直徑和纖維束含量對抗拉強度有一定的影響。紫花苜蓿作為水土保持的先鋒植物之一，能增強土體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。為了全面評價紫花苜蓿根系的抗拉試驗，對紫花苜蓿根系進行室外原位單根拉拔試驗，分析不同根長、直徑、根系表面積對紫花苜蓿根系拉拔力的影響，研究結果可為根土間受力關系和邊坡穩(wěn)定性研究提供依據(jù)。

1 試驗材料

試驗區(qū)位于太原，年均氣溫9.5℃左右 ，年均降雨量為456 mm。試驗箱尺寸為50 cm × 50 cm × 50 cm（長×寬×高），數(shù)量4個;土樣取自太原市附近黃土，在填筑過程中盡量保持土的容重、均勻性等相關參數(shù)與自然環(huán)境接近，分層取樣并分層填裝壓實，共分5層，每層10 cm。試驗區(qū)土樣參數(shù)為平均土壤容重1.37±0.02 g/cm3;平均土壤含水量18.37±0.50%;土壤pH值為7.78。種植的紫花苜蓿（Medicago sativa L.）屬多年生草本植物，根粗壯、深入土層，常作為水土保持、邊坡固土的首選植物。種植方式采用分行穴種，株距10 cm，在自然環(huán)境中生長，生長周期為7個月。

不同根長條件下，保證同一直徑范圍內(nèi)有不同直徑根系的試驗樣本，土壤含水量范圍控制在18.04%～18.68%之間，土壤容重相差不大，樣本根系均為拔出，拉拔根系數(shù)量108個。將拔出的試樣根系去除表面泥土，稱鮮重后放置在溫度為65℃左右烘箱中烘干，記錄干重[12]。地上部分試樣的含水量為63.19%;地下部分試樣含水量51.10%。

2 試驗方法與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗儀器

根系拉拔試驗擬采用拉力計（如圖1所示），拉力測試儀器量程為300 N，精度為0.1 N，根系被拔出時，能保持最大拔出力;游標卡尺測直徑，精度為0.01 mm;卷尺測根長，精度為1 mm。

2.2 試驗步驟

① 根系固定。將拉力計帶有夾具的一端與苜蓿頂端2～3 cm根系固定。② 拉拔試驗。將拉力計歸零，垂直向上移動儀器，如圖1所示，直至根系被拔出，記錄拉拔力。③ 直徑測量。分別測量被拔出根系的上下兩端和中間直徑，取平均值作為該根系的直徑。④ 根長測量。測量夾具前端至拔出根長。⑤ 整理數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對不同直徑、根長條件下的有效抗拉力數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，研究不同直徑和根長與根系拉拔力是否有顯著相關性，當P<0.05，有顯著相關性。

3 結果與分析

3.1 根長、直徑與拉拔力關系

根據(jù)試驗拔出有效根系，將苜蓿根系按照根長L劃分為根長L1（10 cm? ? ?根系拉拔力是根系抵抗外界拉伸作用的能力，原位拉拔試驗的根系拉拔力表現(xiàn)為根系被拔出的最大抗拉力。由圖2可知，根系平均拉拔力的增長趨勢隨根長的增大而增大，根長為L1、L2、L3對應的平均拉拔力分別為9.981，16.931，26.567 N;根長L2、L3的平均拉拔力比L1的分別增加了6.950，16.580 N，拉拔力增幅分別為69.62%，156.16%。拉拔力與直徑、根長均呈正相關，這與Genet M等學者的研究結果相似[13]。原因是根系穿插土層深處，植物在生長的過程中需要從土壤中吸收養(yǎng)分，隨著根系直徑的增大，根長、根系表面積也增大，增加了根系與土壤之間的接觸面積，土壤和根系形成了良好的連接體，增強了土壤和根系的固土能力;根系在拔出過程中，需要抵抗更大土壤間的摩擦力，因此具有較強的抵拉拔力。

本次試驗根長L1、L2、L3的平均直徑分別為0.623，0.868，1.239 mm;植物在生長的過程中需要從土壤中吸收養(yǎng)分，隨著根系直徑的增大，根長也增大。由圖3可知，紫花苜蓿根系拉拔力隨著直徑增大而增大，拉拔力與直徑呈冪指函數(shù)關系，且相關系數(shù)均在0.9以上。試樣L2、L3平均直徑分別比L1增大了37.34%、96.04%，L2、L3平均抗拉力分別比L1增大了69.62%、156.16%。

在同一根長范圍內(nèi)，根系直徑和拉拔力之間有顯著的相關性（P<0.05）;根系直徑相同時，根長與拉拔力有顯著的相關性（P<0.05），根長L3的拉拔力大于根長L1和L2的拉拔力，也就是說苜蓿根系拉拔力隨根長的增大而增大。

將不同根長苜蓿根系最大拉拔力與直徑進行回歸分析，結果如表1、圖3所示。

3.2 根系表面積與拉拔力關系

試樣根系從土壤中被拔出，根系表面積對拉拔力有重要影響。試樣L1、L2、L3平均根系表面積分別為290.90，663.79，1 502.88 mm2;L1、L2、L3平均拉拔力分別為9.981，16.931，26.567 N。

由圖4可得，試樣L2、L3平均根系表面積分別是L1的2.28倍和5.17倍;試樣L2、L3平均拉拔力分別是L1的1.7倍和2.66倍，隨著根系表面積增大，根系拉拔力也增大。原因是根系通過自身條件纏繞在土壤中，根系表面積越大，與土壤接觸面積越多，被拔出過程中需要克服更大的摩擦阻力。

3.3 根系拉拔強度特性分析

根系拉拔強度T是單根最大拉拔力和根系面積之比。研究植物根系拉拔強度是根系固土機制的重要組成部分。由圖5可知，根長L1的根徑范圍為0.207～1.390 mm，拉拔強度為12.19～176.48 MPa，平均拉拔強度54.330 MPa;根長L2的根徑范圍0.207～1.770 mm，拉拔強度為13.50～216.78 MPa，平均拉拔強度46.301 MPa;根長L3的根徑范圍為0.557～2.183 mm，拉拔強度為15.49～61.21 MPa，平均拉拔強度25.372 MPa。試樣根系的平均拉拔強度隨直徑的增大而減小，平均拉拔強度與直徑呈冪函數(shù)關系，這與別的學者的研究結論一致[13]。L2、L3的平均拉拔強度比L1的分別減小了14.7%，53.71%，不同根長拉拔強度大小減幅差別不大。這種現(xiàn)象可能與根系內(nèi)部結構組分木質(zhì)素、纖維素等的含量有關，或者樣本容量較小。

4 結 論

采用垂直拉拔方式對紫花苜蓿根系進行了室外原位單根拉拔試驗，分析不同根長、直徑、根系面積對紫花苜蓿根系拉拔力的影響，得到以下結論。

（1） 紫花苜蓿根系拉拔力隨著直徑的增大而增大，拉拔力與直徑呈冪指函數(shù)關系;拉拔力隨根長的增大而增大，拉拔力與根長呈指數(shù)函數(shù)關系;根長L2比根長L1的平均拉拔力增大了69.62%，根長L3比根長L2平均拉拔力增大了61.7%，根長L3平均拉拔力比根長L1增大了156.16%。

（2） 紫花苜蓿根系拉拔力與根系表面積呈正相關，根系表面積越大，根系拉拔力越大。試樣L2、L3平均根系表面積分別比L1平均根系表面積大2.28、5.17倍;試樣L2、L3平均拉拔力分別比L1大1.70、2.66倍。

（3） 紫花苜蓿拉拔強度隨直徑增大而減小，滿足冪函數(shù)關系。不同根長拉拔強度大小減幅差別不大，L2、L3平均拉拔強度比L1平均拉拔強度減小了14.70%、53.71%。

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（編輯：黃文晉）