冯国建，凌祯，肖桂英

（1.昆明学院城乡建设与工程管理学院，云南 昆明 650214；2.建水县林业技术推广所，云南 红河哈尼族彝族自治州 654399）

滑坡是一种常见的地质灾害。对于滑坡的治理，一般采取浆砌片石、喷锚支护等单纯的工程防护措施，但这些治理措施破坏了原有植被，对当地生态环境影响较大。与传统的工程治理措施相比，植被护坡具有改善生态环境、减少水土流失、涵养水源等作用，是一种既经济又环保的防治方法与措施，具有不可替代的重要作用[1]。因此，在人们越来越注重环境保护的背景下，采取工程防护措施与植物相结合的方法逐渐成为边坡防护的一种新趋势。

植物根系能与土壤颗粒形成根网，将植物体牢牢固定于土壤中，相当于对土体具有一定的加筋作用[2]，根系增加了土体的粘聚力[3]，从而提高了边坡的稳定安全系数[4]。当根土复合体发生错动变形时，由于土体是不能承受拉力的材料，而植物根系能承受一定的拉力，在根土复合体受力变形的情况下，植物根系会被拉直。因此，植物根系固土效应的实质是根系受到了拉力的作用[5]。刘福全将根系的力学特性的方差贡献率作为权重进行分析，指出根系抗拉力学特性是影响植物根系固土的主导力学因素[6]。因此，有必要对护坡植物根系的抗拉性能进行相关研究，揭示相关机理，为植被护坡提供理论依据。

1 研究区概况

云南省植物资源丰富，具有“植物王国”的美称，是我国最早应用高速公路坡面植被恢复技术的省份[7]。本次试验的取样地点为昆明学院校内观物山（102°42'E，25°02'N），平均海拔 1 894 m。取样地点的山坡坡面以红黏土为主，边坡坡度为50°左右。年平均气温15℃，最冷月平均气温7.7℃，最热月平均气温19.8℃。该地水文地质条件简单，主要靠大气降水及地表径流补给，年均降水量1 000 mm左右，年度降水主要集中在6月份至10月份，约占全年降水的80%。坡向是山地的重要地形因子之一，会影响受光方向、温度、降水、风速等生态因子，对植物生长发育产生重要影响，进而对植物根系产生一定影响[8]。阴坡的土壤有机质、总有机碳和有效氮含量要高于阳坡，说明阴坡具有相对较高的土壤营养资源[9]，植物生长状况比阳坡好。因此，本次试验选取生长在阴坡上的黄茅根系进行抗拉性能试验研究。

2 试验仪器与材料

2.1 试验仪器

由于目前我国没有植物根系抗拉试验的国家标准，因此研究者进行室内根系抗拉试验采用的仪器不尽相同[10]。本次试验仪器采用适用于棉、毛、麻、毛纤维物等材料的抗拉伸断裂强力及断裂伸长测定的YG（B）026H-250型电子织物强力机（分辨率0.1 N，测力范围0～2 500 N），仪器主要由机架、传动升降机构、测力传感器、上下夹持器、电器控制箱及显示面板等部件组成。其中，上夹具与测力传感器相连接，下夹具与底座相连接。

2.2 试验材料

黄茅（Heteropogon contortus）为禾本科多年生丛生草本植物，喜热且抗旱，耐贫瘠土壤，须根发达且较坚韧，主要集中在5～30 cm土层中。分蘖能力较强，可达8～10个。在根系采样过程中，选取生长正常的黄茅植物，采用整株挖掘的方法采集植物根系，以黄茅植物为圆心，0.5 m为半径，逐渐向下开挖，在挖掘过程中尽量减少对根系的机械损伤。取样完毕，为保证根系的鲜活性，将根系置于与根系生长环境相似的湿土中保存，并带回实验室尽快进行拉伸试验。

2.3 试验方法

将制备好的黄茅根系放在试验仪器夹具中间，分别由上、下夹具夹持黄茅根系，并保证根系的试验部分长度为60 mm，启动试验仪器后，传感器以500 mm/min的速度对黄茅根系进行拉伸，直至根系被拉断。在试验过程中，有的根系会从夹具中脱出，在试验数据的处理中，剔除了这部分数据。用游标卡尺测定断裂处根系的直径，并记录拉断时的拉力，则根系的拉应力可用下式进行计算：

式（1）中 σ：黄茅根系的拉应力（MPa）；F：最大抗拉力（N）；D：拉断处的根系直径（mm）。

2.4 数据处理

本次试验共进行了80组拉伸试验，从根系中间部位断裂的有49组，试验成功率为61.25%。对这些试验数据进行分析之前，应判断是否存在异常数据，若存在异常数据，则会加大试验误差，甚至歪曲试验结果。植物根系抗拉力的测量值为Fi，平均值为标准差为σ，根据正态分布理论的概率为0.952。因此，在49组测量数据中，若某次测量的根系抗拉力的误差不符合时，则对应的抗拉力Fi具有较大误差，应剔除。和σ按式（2）和式（3）计算。

黄茅根系抗拉力、抗拉强度的概率分布及试验数据间的拟合方程曲线应用OriginLab分析并绘制分布图。黄茅根系直径与抗拉力、抗拉强度之间的函数关系，应用CurveExpert软件进行拟合，得到拟合方程及相关系数。黄茅根系抗拉力、抗拉强度与根系直径关系的方差应用SPSS软件分析。

3 结果与分析

对49组的植物根系抗拉力试验数据进行分析，得到根系抗拉力箱型图（图1）。从图1可以看出，有5个试验数据存在异常，在分析之前应进行剔除。

图1黄茅根系抗拉力箱型图

剔除异常值后的植物根系抗拉力、抗拉强度的统计结果如表1所示，抗拉力和抗拉强度的概率分布直方图如图2所示。可知黄茅根系的抗拉力主要集中在7～15 N，占样本总数的91%；黄茅根系的抗拉强度主要集中在50～150 MPa，占样本总数的66%。

表1黄茅根系直径、抗拉力和抗拉强度结果统计

图2黄茅根系抗拉力和抗拉强度的概率分布直方图

为研究黄茅根系抗拉力、抗拉强度与根系直径之间的关系，对其进行回归分析。回归分析结果见表 2、表 3。

表2黄茅根系抗拉力与根系直径关系的方差分析

表3黄茅根系抗拉强度与根系直径关系的方差分析

将试验过程中记录的根系直径、根系抗拉力和抗拉强度绘制于图3。由图3可知，随着根系直径增加，根系的抗拉力随之增大，但根系抗拉强度则随之降低，表现出根系抗拉力与根系直径呈正相关关系，根系抗拉强度与根系直径呈负相关关系。对根系抗拉力、抗拉强度和根系直径进行数据拟合，拟合出的关系式分别为F=16D0.14和σ=27.5D-1.33，相关系数分别为0.68和0.95。

图3黄茅根系直径与抗拉力、抗拉强度关系曲线

4 结论与讨论

黄茅根系的抗拉力与根系直径呈幂函数正相关关系，抗拉强度与根系直径呈幂函数负相关关系。对于植物根系的抗拉性能，研究者针对不同的植物根系进行了抗拉力学性能试验研究，对根系直径与抗拉力及抗拉强度进行数据拟合，指出植物根系的直径与抗拉力与呈幂函数正相关关系，与抗拉强度呈幂函数或指数函数负相关关系[11]。本文的研究结果与以上试验结果是一致的，印证了本研究的正确性。

植物根系是高分子有机体，主要由纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和果胶等物质组成[12]，根系纤维素分子键使植物在沿根长方向具有一定的抗拉性。在根系生长初期，微细纤维已排列紧密，构成纤维细胞壁的网状骨架，随着根系的不断生长和木质化，木质素不断积存于微细纤维之间，以化学或物理方式使纤维之间黏结和加固，增加了根系的机械强度[13]，随着根系直径的不断增大，纤维素和木质素在径向和轴向都明显增加，从而表现为根系的抗拉力随根系直径增大而增大[14]。因此，试验中的黄茅根系抗拉力与根系直径之间表现为正相关关系，随着直径增加，根系的纤维素和木质素含量增加，导致根系抗拉力增大。

在今后的研究中，应进行不同坡向情况下的根系抗拉性能试验的比较研究。此外，植物根系具有分支，应增加进行分支处的抗拉力学特性试验，进行根系分支处的抗拉力及抗拉强度的研究。