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5种木本植物根系的室内单根力学性能 0 不同品种植物的根系抗拉力 在过去20年中，植物固良率在国内外越来越受欢迎。尤其是乔木和灌木根系防治边坡土壤侵蚀或滑坡问题已经做了很多研究。而林木根系的抗拉能力是根系固土的一个重要表征,目前主要从野外原位群根抗拔和室内单根抗拉两方面来研究根系的抗拉力学特征。解明曙采用全根系拉拔试验法,研究了白榆根系的固土能力,认为根系土的抗剪强度远高于无根系土,即使变形后的残余强度,也高于无根系土,因此根系土壤即使含水量饱和后往往也能够保持土体不崩塌。朱清科,张东升等利用绞盘对冷杉、冬瓜杨和杜鹃的野外原状土拉拔试验研究表明根系抗拉与根系形态有很大的关系,在端头相同的情况下,须根发达的根系比直根系抗拉强度大。Marie等对挪威云杉和欧洲山毛榉进行原位拉拔试验的结果表明,欧洲山毛榉比挪威云杉具有更大的倾覆阻力,这可能因为欧洲山毛榉根系1.0 mm抗拉强度大于挪威云杉,说明根系在抵抗倾覆时扮演着重要角色。李绍才等对不同风化程度岩石坡面上的禾本科金发草及灌木黄荆、铁仔及羊蹄甲野外原位拉拔试验,发现根系在基岩表面表现为以地茎为中心向四周辐射分布,在植株受力向单根受力转化过程,离地茎中心越远单根的应力越小,导致植株受拉拔时,与基岩不同作用点单根的受力状态不同。B.B.Docker等的原位拉拔试验也证实,分支多、细根广布的A.floribunda根系具有相对较高的抗拉强度,而为主垂直根发达、细根较少的E.amplifolia具有相对较低的抗拉强度。这些研究都证明整棵树根系抗拔力的大小取决于根系的分布形态和单根的抗拉特性。 目前国内外学者开展单根抗拉研究,对于草本和灌木根系研究相对较多,常见灌木根系抗拉力研究表明,抗拉力随着根径的增加呈幕函数增大,而且不同树种根的抗拉力相差很大;不同草种根系抗拉力学特征证明草的毛根具有强大的抗拉能力。对乔木根系的拉力特性研究相对较少,仅限于少数树种。植物单根是根系固土的基本单元,单根的形变决定了植株受外力时的整体应变状态,而且根系结构中处于拉力状态的根提供大约60%的阻力去抵抗暴风雨。因此,具有较大抗拉强度的根系将有助于乔木的锚固,对单根的一系列研究是根系力学性能研究的起点。本研究将对华北地区常见的5种乔木树种进行单根拉伸试验,以期为根系固土机理研究和防治滑坡、泥石流和崩塌等地质灾害过程中水土保持树种的筛选提高重要的参考价值。 1 材料和方法 1.1 不同树种、不同密度的树种根系采集 试验材料于2009年8月和2009年10月2次在河北木兰国营林场下属北沟林场取样,地理坐标为E116°32′~118°14′,N41°35′~42°40′。为了使研究的树种具有代表性,选取当地常见的2种针叶树和3种阔叶乔木:油松(Pinus tabulaeformis)、白桦(Betula platyphylla)、落叶松(Larix gmelinii)、蒙古栎(Quercus mongolica)和榆树(Ulmus pumila)。 树木根系采集使用完全挖掘法,选取与其他林木间隔较大的树木,伐倒地上部分,切下圆盘,数年轮测出树龄。地下部分逐层挖出所有树根,在根系采样过程中尽量避免对根系的机械损伤,收集的根样为了具有代表性,每个树种至少选择3棵树以上,树龄均为20 a左右,从不同的树根处随机选取生长正常,无病虫害、茎杆通直均匀的新鲜活根系,经清洁后,放入密封袋,带回实验室在4℃环境下保存。取得的试样尽快测定,以保证根系材料的新鲜。 1.2 根段直径和直径的测量 本试验对5种乔木树种100 mm标距450个根段进行拉伸,成功214个样,平均成功率为47.55%。力学特性测定选用微机控制电子式万能试验机,型号WDW-100E,试验力测量范围400~100 KN,试验力分辨力0.001%,位移分辨力0.001 mm,全程自动换挡,速度范围0.001~500 mm/min。本试验设置的拉伸速度为10 mm/min。 试验前选取直径变化不大,顺直少弯曲,表皮完好的根系,在树根上4等分的3处标记处,用游标卡尺依次测量其直径,然后取平均值作为该根段直径。试验步骤:调整万能试验机标据固定为100 mm,将根段两端伸入夹具5 cm左右,拧紧夹具将根段固定,在夹根系时要注意置于夹头的中间部位,而且要使根系和水平面保持垂直,否则不能准确的测出最大拉力。软件参数设置以10 mm/min速度匀速拉伸树根直至完全拉断。试验中,为进一步避免单根在受力时出现打滑或在夹具两端处被拉断或剪断的现象,采用在夹具两端黏贴胶皮、缠绕和添加柔性物质等方法以增大根系与夹具间的摩擦。在试验过程中,会出现根段在夹具两端断裂或者滑出夹具现象,本试验中认为单根在夹具中间或接近中间处破坏时数据有效,以保证根系的断裂是由于拉力引起的而不是由于其他的任何测试过程中