胡晶華， 劉 靜， 李雪松， 白潞翼， 張 欣， 王多民

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2.河北省水利科學(xué)研究院， 河北 石家莊 050051；3.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 4.阿拉善盟氣象局， 內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750300)

植物根系防止土體位移和變形的作用已被大量研究證明[1]。在遭受大風(fēng)拉拔、暴雨沖刷等外營力破壞時，植物根系主要受力類型是軸向拉力[2]，作為抵御土壤侵蝕的受力材料，根系軸向抗拉力、抗拉強度以及楊氏模量(拉伸彈性模量)是材料力學(xué)特征的重要指標。植物根系網(wǎng)由側(cè)根分支處連接直根構(gòu)成，目前，對于根系抗拉力學(xué)特性的研究主要集中于特定植物直根抗拉力和抗拉強度。大部分研究[3-4]表明，直根抗拉力與根徑呈正相關(guān)，抗拉強度與根徑呈負相關(guān)，且抗拉力、抗拉強度與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系。對側(cè)根分支處抗拉特性的研究僅有本課題組對檸條(Caraganakorshinskii)、北沙柳(Salixpsammophila)等植物側(cè)根分支處與相鄰直根抗拉力學(xué)差異性的相關(guān)報道[5]。對于根系楊氏模量的研究報道較少，嵇曉雷等[6]計算了夾竹桃(Neriumoleander)的楊氏模量(E50=789.62MPa)，Abdi等[7]得出波斯銀縷梅(Parrotiapersica)的楊氏模量與根徑呈負相關(guān)，Boldrin等[8]提出錦熟黃楊(Buxussempervirens)等木本植物的楊氏模量與抗拉強度呈顯著線性相關(guān)。植物根系化學(xué)成分含量也是影響其材料力學(xué)特性的重要因素[9]，Zhang等[10]研究表明，隨著根徑的增加，油松根系抗拉強度降低，根的木質(zhì)素含量減小，且抗拉強度、木質(zhì)素含量與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系。喬娜等[11]研究檸條錦雞兒和霸王根系時，發(fā)現(xiàn)2種灌木根系纖維素含量與根徑、抗拉強度均表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。Genet[12]研究海岸松(Pinuspinaster)等5種植物根系時，得出根系抗拉強度隨根徑的增大而減小主要歸因于細根單位干質(zhì)量的纖維素含量大于粗根。植物種間因遺傳特性和生長環(huán)境等的不同，材料力學(xué)特性的差別較大，因而作為一種生物材料所發(fā)揮的固土護坡功能也不盡相同。從根系化學(xué)成分的角度明確根系抵抗外力的強度特征和變形特點，并據(jù)此篩選抵抗特定侵蝕類型功能更強的植物種，對實現(xiàn)水土流失精準防控和評價水土保持植物固土抗蝕能力具有重要意義。為此，本文以半干旱礦區(qū)常見灌木黑沙蒿為對象，研究1～4 mm根徑直根段、含側(cè)根分支處根段的抗拉力、抗拉強度和楊氏模量，以及直根段、含側(cè)根分支處根段的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量，探討根系抗拉特性與主要化學(xué)成分含量的關(guān)聯(lián)性，以期充實黑沙蒿根系固土力學(xué)特性，為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)和植物保護提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗與陜西省神木市接壤處的采煤塌陷治理區(qū)(110°00′—110°24″E， 39°11′—39°29″N，海拔1 000—1 250 m)。屬溫帶半干旱大陸性氣候，年平均降水量為396.8 mm。研究區(qū)內(nèi)土壤類型為沙質(zhì)土，砂礫含量(0.05～1.00 mm)達80%～89%，質(zhì)地復(fù)雜、結(jié)構(gòu)較差、易受水蝕和風(fēng)蝕，適合種植耐旱抗風(fēng)沙的水土保持植物。該地區(qū)常見植物種有北沙柳、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等，黑沙蒿根系粗長，屬于深根性軸根型植物，為良好的固沙植物之一，是該地區(qū)組成植物群落的優(yōu)勢種。

1.2 供試材料

于2019年7月進行試驗，在研究區(qū)內(nèi)選擇長勢良好的黑沙蒿群落，隨機選取30株黑沙蒿測量株高、冠幅、地徑，計算各指標的均值(株高：51±10 cm；冠幅：67±17 cm2；地徑：1.2±0.2 cm)作為標準株指標，選取與標準株指標相近的植株進行采集。為防止植株死亡，采用部分挖掘法將黑沙蒿部分根系挖出并剪下放入黑塑料袋中，根系采集數(shù)量大約為800條，在根系上覆土并不斷噴水，避免水分散失。帶回試驗室后在根際溫度(4 ℃)下保存。

選擇長勢均勻的根系進行制備。黑沙蒿根系直徑<4 mm范圍內(nèi)的干重占總株的87.22%，根長為98.3%，表面積為92.6%，體積為84.45%[13]，因此試驗根徑級選取為1～4 mm。試驗根總長為120 mm試驗長度為60 mm，兩端陰影部分為夾具夾持部分。圖1直根試驗段，O點及距O點10和20 mm標記點根徑采用十字交叉法測量，每個標記點需測量兩次，取5點平均值作為該試驗根的根徑，并依此劃分為1～2，2～3，3～4 mm共3個徑級。圖1含側(cè)根分支處試驗根，O點根徑需每60°均勻測量3次，距O點10和20 mm處上級根、下級根的根徑測量與直根段相同，并依此劃分為1～2，2～3，3～4 mm這3個徑級。試驗根段制備好后一周內(nèi)完成試驗以保證其活性。

直根試驗段 含側(cè)根分支處試驗根

圖1 試驗根示意圖

1.3 試驗設(shè)計與方法

1.3.1 試驗設(shè)計 將根系分3組進行試驗，A組進行試驗根極限力學(xué)特性的測定，直根段、含側(cè)根分支處根段各3個徑級，各徑級重復(fù)30條試驗根，共180條試驗根(無效數(shù)據(jù)不計)。B組進行試驗根變形特性的測定，包括根系的應(yīng)力應(yīng)變曲線和楊氏模量的計算，徑級分組和重復(fù)數(shù)與極限力學(xué)特性試驗相同，共180條試驗根(無效數(shù)據(jù)不計)。C組進行根主要化學(xué)成分含量的測定，各徑級各指標重復(fù)測定3次，共54條試驗根。

1.3.2 極限抗拉力的測定 本研究采用TY8000伺服控制試驗機(試驗力測量范圍為0～5 000 N，精度為0.01 N)，自制試驗夾具(專利號：ZL201520299176.1)對試驗根進行極限抗拉力測定，其加載速度設(shè)置為500 mm/min。將制備好的試驗根放入夾具使其處于軸向受拉狀態(tài)，勻速施加軸向拉力直至根段斷裂。設(shè)備自動記錄試驗根在拉伸過程中抗拉力(F)和位移(S)的變化，斷裂點在距試驗根中心兩端20 mm內(nèi)記為有效數(shù)據(jù)，斷裂點直徑取其相鄰兩側(cè)標記點根徑的平均值。極限抗拉強度為破壞處單位橫截面積上的極限抗拉力：

P=4F/πD2

(1)

式中：P為極限抗拉強度(MPa)；F為極限抗拉力(N)；D為根徑(mm)。

1.3.3 楊氏模量的計算 楊氏模量是描述材料抵抗軸向變形能力的物理量，即根系在拉伸過程中，其彈性階段應(yīng)力應(yīng)變之比〔公式(4)〕。為保證含水量不變的情況下準確反映其應(yīng)力應(yīng)變的變化過程，加載速度采用10 mm/min，通過儀器自動記錄的抗拉力和位移，計算試驗根的應(yīng)力、應(yīng)變〔公式(2)—(3)〕，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線圖并進行楊氏模量分析。

σr=4Fr/πD2

(2)

εr=Sr/60×100%

(3)

Er=σr/εr

(4)

式中：σr為線應(yīng)力(MPa)；Fr為抗拉力(N)；D為根徑(mm)；εr為線應(yīng)變(%)；Sr為試驗根受拉發(fā)生的位移(mm)；Er為楊氏模量(MPa)。

1.3.4 化學(xué)成分的測定 纖維素含量測定采用硝酸—乙醇法，根系木素被硝化并部分被氧化后產(chǎn)生的硝化木素和氧化木素以及大量半纖維素均溶于乙醇溶液，所得殘渣為纖維素含量(GB/T2677.6-1994)；半纖維素含量測定采用間接法，即綜纖維素含量減去纖維素含量即為半纖維素含量，棕纖維素測定含量采用亞氯酸鈉法，利用亞氯酸鈉溶液加熱后的分解產(chǎn)物二氧化氯將木質(zhì)素脫除(GB/T2677.8-1994)；木質(zhì)素含量測定采用72%硫酸水解法，硫酸水解經(jīng)苯醇混合液抽提，其水解殘余物的質(zhì)量為木質(zhì)素含量(GB/T 2677.8-1994)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，使用最小顯著極差法(LSD)對黑沙蒿根段化學(xué)成分含量進行差異性檢驗，使用Pearson檢驗對根段抗拉強度、楊氏模量與化學(xué)成分含量進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑沙蒿根段極限強度特征

由圖2可知，直根段、含側(cè)根分支處根段抗拉力隨根徑的增加而增大，且抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系(y直=11.497x1.365 6，R2=0.863 7，p<0.001；y側(cè)=6.188 1x1.511 1，R2=0.934 8，p<0.001)，抗拉強度隨根徑的增大而減小，與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系(y直=15.207x-0.67，R2=0.612 2，p<0.001；y側(cè)=7.879x-0.489，R2=0.600 1，p<0.001)。直根段抗拉力、抗拉強度均大于相同根徑含側(cè)根分支處根段。在1～4 mm根徑范圍內(nèi)，直根段根徑由1.07 mm增至3.92 mm，抗拉力由10.35 N增至99.41 N，抗拉強度由19.10 MPa降至4.26 MPa；3～4 mm直根平均抗拉力、抗拉強度分別是1～2 mm直根的3.2和0.6倍。含側(cè)根分支處根段根徑由1.16 mm增至3.97 mm，抗拉力由7.65 N增至50.12 N，抗拉強度由8.28 MPa降至3.46 MPa；3～4 mm含側(cè)根分支處根段平均抗拉力、抗拉強度分別是1～2 mm含側(cè)根分支處根段的3.5和0.7倍。粗根由于生長時間較長，木質(zhì)化程度高，因此在拉伸破壞中表現(xiàn)出更強的抵抗力，但細根的抗拉強度即單位面積上的抗拉力優(yōu)于較粗根，能夠有效增強土體對侵蝕營力的抵御。

注：不同大寫字母表示同一根段不同徑級間抗拉力、抗拉強度差異顯著(p<0.05)； 不同小寫字母表示同一徑級不同根段抗拉力、抗拉強度差異顯著(p<0.05)。

2.2 黑沙蒿根段變形特征

在每個根徑范圍內(nèi)選取與極限應(yīng)力均值最接近的應(yīng)力應(yīng)變曲線作為該徑級組的代表曲線(圖3)。由圖3可知，直根段、含側(cè)根分支處根段承受軸向拉力后均表現(xiàn)出明顯的彈塑性特征。隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力先呈線性增大趨勢，此階段主要發(fā)生彈性變形；到達拐點后，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大呈現(xiàn)出緩慢的非線性增長趨勢，斜率變小，應(yīng)力應(yīng)變曲線由線型改為上凸型，此階段主要發(fā)生塑性變形。

如圖4所示，直根段、含側(cè)根分支處根段楊氏模量與根徑呈負相關(guān)，直根段的楊氏模量均大于相同根徑下含側(cè)根分支處根段。直根段楊氏模量范圍為72～341 MPa，1～2 mm直根平均楊氏模量是3～4 mm直根的1.9倍；含側(cè)根分支處根段楊氏模量范圍為18～469 MPa，1～2 mm含側(cè)根分支處根段的平均楊氏模量是3～4 mm含側(cè)根分支處根段的3.6倍。相較于粗根而言，黑沙蒿細根具有更高的楊氏模量，說明細根具有較強的韌性，抵抗彈性變形能力強，不易發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出更好的彈性性能。

圖3 各徑級應(yīng)力應(yīng)變代表曲線

2.3 黑沙蒿根段主要化學(xué)成分含量

黑沙蒿直根段、含側(cè)根分支處根段各化學(xué)成分含量在不同徑級下差異性顯著(p<0.05)，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量之和達到總化學(xué)成分含量的70%以上，直根段、含側(cè)根分支處根段的平均化學(xué)成分含量表現(xiàn)為：半纖維素(31.69%，32.18%)>木質(zhì)素(28.42%，25.31%)>纖維素(15.50%，15.35%)(表1)。在1～4 mm根徑范圍內(nèi)，直根段中纖維素含量范圍為14.92%～16.22%，半纖維素為28.92%～35.22%、木質(zhì)素為27.13%～29.51%，纖維素含量與根徑呈負相關(guān)關(guān)系，半纖維素、木質(zhì)素含量與根徑均呈正相關(guān)關(guān)系。含側(cè)根分支處根段中纖維素含量范圍為14.61%～15.97%，半纖維素含量為30.25%～35.57%，木質(zhì)素含量為24.11%～26.92%，纖維素含量隨根徑的增大而減小，半纖維素、木質(zhì)素含量與根徑無明顯關(guān)系。

注：不同大寫字母表示同一根段不同徑級間楊氏模量差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一徑級不同根段楊氏模量差異顯著(p<0.05)。

表1 黑沙蒿根段主要化學(xué)成分含量

2.4 黑沙蒿根段抗拉強度、楊氏模量與化學(xué)成分的關(guān)聯(lián)性

回歸分析表明(表2)，黑沙蒿直根段抗拉強度、楊氏模量與3種主要化學(xué)成分擬合曲線均為線性函數(shù)(p<0.001)，含側(cè)根分支處根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素擬合為線性函數(shù)，與半纖維素、木質(zhì)素?zé)o明顯關(guān)系。Pearson檢驗后發(fā)現(xiàn)，直根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與半纖維素、木質(zhì)素呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)。含側(cè)根分支處根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與半纖維素、木質(zhì)素?zé)o相關(guān)性。采用多元逐步回歸進一步分析黑沙蒿根系各化學(xué)成分對抗拉特性的貢獻，結(jié)果得出纖維素均與黑沙蒿根段抗拉強度、楊氏模量存在極顯著預(yù)測函數(shù)關(guān)系(直根段：y強=-94.320+6.661x，y楊=-1 903.072+133.401x；含側(cè)根分支處根段：y強=-37.343+2.778x，y楊=-1 756.876+120.329x)(p<0.01)，表明纖維素對黑沙蒿根段抗拉強度、楊氏模量的影響最大，并且為正相關(guān)。

表2 抗拉特性(y)與主要化學(xué)成分(x)的關(guān)聯(lián)性

3 討 論

黑沙蒿直根段、含側(cè)根分支處根段的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān)，抗拉強度與根徑呈冪函數(shù)負相關(guān)。這與檸條錦雞兒、霸王、白刺等灌木根系抗拉力學(xué)特性規(guī)律一致[14]，也與其他喬木、草本植物的相關(guān)研究結(jié)論相符，即白樺、短柄草、細莖針茅等直根抗拉強度與根徑為冪函數(shù)負相關(guān)[15-16]；檸條、沙柳、沙棘等含側(cè)根分支處抗拉力與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān)，抗拉強度與根徑呈冪函數(shù)負相關(guān)[5]。而化學(xué)成分含量的研究有助于從微觀層面解釋根系的力學(xué)特性。本研究表明，黑沙蒿直根段、含側(cè)根分支處根段抗拉特性與纖維素有著良好的相關(guān)性，且纖維素影響抗拉特性的作用大于其他化學(xué)成分，其關(guān)系為：抗拉強度、楊氏模量與纖維素呈極顯著正相關(guān)，這與草本植物香根草、百喜草、狗牙根[17]，灌木檸條、沙棘、沙柳[18]以及喬木白樺、蒙古櫟[19]等植物根系抗拉強度與纖維素相關(guān)性的研究結(jié)果一致，這是因為纖維素是植物細胞壁中主要的骨架成分，而細胞壁是支撐植物機械性能的主要結(jié)構(gòu)[17]。同時，纖維微纖絲是抵抗張力破壞的最佳結(jié)構(gòu)，即纖維素的增加可以增強根系的抗拉強度[25]。除纖維素外，木質(zhì)素、半纖維素與抗拉特性也存在一定的關(guān)聯(lián)性，半纖維素、木質(zhì)素作為基質(zhì)填充在微纖絲中，其含量會直接影響到植物機械組織的發(fā)達程度。對于黑沙蒿直根段，半纖維素、木質(zhì)素含量隨著根徑的減小而減少，半纖維素、木質(zhì)素含量減少可以促進相鄰纖維微纖絲的聚集，微纖絲之間緊密相連，增大接觸面積，使纖維抵抗外力的強度顯著提高[26]，從而導(dǎo)致直根段抗拉強度、楊氏模量隨根徑的減小而增大，表現(xiàn)出直根段抗拉強度、楊氏模量與半纖維素、木質(zhì)素呈極顯著負相關(guān)，葉超[17]研究狗尾草等5種草本植物根系抗拉強度與木質(zhì)素關(guān)系時得出相似結(jié)論。但含側(cè)根分支處根段由于根系形態(tài)發(fā)生變化使半纖維素、木質(zhì)素含量保持在一個相對穩(wěn)定的水平，只起到了黏結(jié)加固作用，對植物根系的抗拉強度沒有產(chǎn)生顯著影響[12,27]。由此表明，化學(xué)成分含量是影響植物根系抗拉力學(xué)特性的重要因素，且纖維素的作用明顯大于其他化學(xué)成分。不同植物種間化學(xué)含量存在差異，導(dǎo)致植物根系材料力學(xué)特性種間差異大，黑沙蒿根系的纖維素含量范圍在14.61%～16.22%，除了與沙棘根系的纖維素含量接近外，均低于上述其他植物根系的纖維素含量，相應(yīng)的黑沙蒿根系抗拉強度也低于上述植物(表3)。但不同植物種根徑的分布有較大的區(qū)別，楊氏模量無法排除根徑對其的影響，故不同物種間根系纖維素含量與楊氏模量的關(guān)聯(lián)性不顯著。

4 結(jié) 論

(1) 在1～4 mm根徑范圍內(nèi)，黑沙蒿直根段與含側(cè)根分支處根段的抗拉力隨根徑的增加而增大，抗拉強度隨根徑的增大而減小，抗拉力、抗拉強度與根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系。直根段、含側(cè)根分支處根段均表現(xiàn)出彈塑性特征，且楊氏模量均隨根徑的增大而減小，直根段楊氏模量大于相同根徑下含側(cè)根分支處根段的楊氏模量。直根段、含側(cè)根分支處根段的平均抗拉強度為9.1和5.2 MPa，平均楊氏模量為169.3和104.1 MPa。

表3 幾種植物種根系抗拉特性與纖維素含量

(2) 黑沙蒿直根段、含側(cè)根分支處根段各化學(xué)成分含量差異顯著(p<0.05)，纖維素、半纖維素與木質(zhì)素含量之和達到總化學(xué)成分含量的70%以上。直根段、含側(cè)根分支處根段的平均化學(xué)成分含量表現(xiàn)為：半纖維素(31.69%，32.18%)>木質(zhì)素(28.42%，25.30%)>纖維素(15.50%，15.35%)。隨著根徑增加，直根段纖維素含量減小，半纖維素和木質(zhì)素含量增加，而含側(cè)根分支處根段纖維素含量減小，半纖維素和木質(zhì)素含量無變化。

(3) 直根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與半纖維素、木質(zhì)素含量呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)。含側(cè)根分支處根段抗拉強度、楊氏模量與纖維素含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與半纖維素、木質(zhì)素含量無相關(guān)性。

(4) 纖維素含量是影響植物根系抗拉強度的重要因素，對于同種植物而言，細根單位質(zhì)量的纖維素含量顯著大于粗根，導(dǎo)致細根的抗拉強度大于粗根。而不同植物之間，纖維素含量高的植物，其抗拉強度高于纖維素含量低的植物。