植被在改善生态环境、减少水土流失、涵养水源、固土护坡等方面具有其他工程措施所不能替代的作用。现有研究表明，植物根系对土壤的力学作用，能够稳定土层结构、提高土壤的抗剪强度，是植被实现固土护坡的重要手段(Roering et al.，2003;李绍才等，2006; 吕春娟等，2011)。

林木根系的抗拉力学特性是影响根系固土护坡效果的重要因素(陈丽华等，2008)。植物根系由众多单根构成，单根是发生根土力学作用的基本单元，单根的抗拉能力及抵抗形变能力决定了植株受外力时的整体形变状态及对土壤的约束能力，因此，具有较大抗拉强度的单根构成的根系将有助于土壤的稳固和增强。目前，国内外学者针对不同植被根系进行了单根抗拉力学特性研究(Roering et al.，2003;李绍才等，2006; 吕春娟等，2011; Abe et al.，1991;Abernethy et al.，2001; 朱清科等，2002; 杨永红等，2007; 耿威等，2008; 陈丽华等，2008; 朱海丽等，2008)，研究对象以草本和灌木根系居多，主要通过室内单拔抗拉试验来测得单根抗拉特性(吕春娟等，2011; Abe et al.，1991; Abernethy et al.，2001;朱清科等，2002; 杨永红等，2007; 耿威等，2008;陈丽华等，2008; 朱海丽等，2008)。

竹林是一种特殊的森林植被，具有生长迅速、经营简单、加工利用率高及观赏效果好等特点，经济效益及观赏价值显著(陈淑华等，2000)。在许多产竹地区，竹林也是用于土壤侵蚀控制的主要植被类型之一。与普通林木相比，竹林地下组织形态结构复杂，根系在土壤中密集网状分布团聚土壤，并通过竹连鞭、鞭生笋、笋长竹、竹养鞭这一盘根错节、错综复杂的连接特点连接为整体，形成庞大的地下网络覆盖到大片竹林地下土壤(刘广路等，2011; 梁佳等，2010)，对于固土护坡有积极的作用。因此，开展竹林根系固土护坡作用研究有着实际的科学意义。

然而，国内外关于竹林根系的抗拉特性研究还非常少见(刘国华等，2011)，对于竹林根系力学特性认识的滞后，制约着竹林地下根茎固土力学作用研究的深入开展。针对这一问题，本文选择根系较发达的散生竹根系为研究对象，对在云南分布较为广泛的毛竹(Phyllostachys edulis)、苦竹(Pleioblastus amarus)、金竹(Phyllostachys sulphurea)3种散生竹根系进行野外现场单根抗拉试验，分析其抗拉力学特性，建立抗拉力学模型，为竹林根系固土机制研究和固土效果评价提供参考。

试验地位于云南省昆明市西南林业大学竹种园内，102°75'E，25°05'N。海拔1 910 m，属北纬低纬度亚热带高原山地季风气候，日照时间较长，年平均气温15 ℃，年温差小，2009年以来年平均降水量598 mm。试验对象为竹龄1～2年的毛竹、苦竹、金竹3种散生竹根系。

试验用根系采用人工挖掘方法，逐层挖出竹根，尽量减小机械工具对竹子根系的损伤。现场收集到的3种散生竹根系直径范围在0.5～3 mm之间。选取其中表皮完好匀直的新鲜根系，对其抗拉力学特性参数进行现场测量。

为了反映根系在土壤中的实际情况，防止根系失水变干，保证根系各项抗拉力学性能测量的准确性，本次试验使用自制的植物根系抗拉力学特性野外便携试验系统，对采集的根系在野外现场进行实时测量。试验系统主要由机械装置、测试系统2部分组成。如图 1所示，机械装置部分采用模块化设计方法，结构简单，拆装、携带及使用方便; 还设有专门的根系夹持机构，能够在根系夹持的过程中减少根系损伤，尽量避免根系在夹持部断裂。

	图 1 植物根系抗拉特性野外便携试验系统 Fig. 1 The portable experimental system of tensile characteristics about roots in the field

测试系统包括拉力、位移传感器，信号调理装置，数据采集卡，笔记本电脑，项目组自行开发的QTC300数据记录软件。拉力传感器和位移测距传器用充电电池供电，试验现场不需要额外电源。测试时，位移传感器和拉力传感器将植物根系拉伸过程中位移和拉力转变为电信号，通过信号调理装置进行放大和滤波处理后，经数据采集卡转换为数字信号进入笔记本电脑，QTC300数据记录软件通过访问数据采集卡驱动程序取出检测数据，进行数字平滑滤波后自动储存为数据文件(图 2)。

	图 2 测试流程 Fig. 2 Flow chart of experiment

在进行根系拉伸试验前，用游标卡尺测量根系的直径，每一根系直径分别选取上、中、下3部分测量，最后取其平均值来确定直径大小。测试时，将根系的两端用专用夹持机构固定，标距为35 mm。启动测试软件，设定好采样频率和工程单位，缓慢转动牵引手柄，均匀加力，直至将根系拉断。为了正确反映根系抗拉性能，排除夹持损伤导致的根系断裂，将根系在靠近两端夹具处断裂时测得的数据剔除，剩余有效样本总数据83个。测试开始后，试验系统自动记录根系被拉伸过程中拉力及位移变化的数据，数据量的时间分辨率可由采样频率进行调整。

根系的抗拉力学特性主要由抗拉力、抗拉强度、变形特性等方面来反映。

通过记录的试验数据，能直接得到根系断裂时的最大抗拉力及最大变形量，并可建立应力-应变本构关系曲线。由于根系直径、测量标距已知，可以计算出根系的抗拉强度、极限应变、弹性模量等参数。计算公式(陈丽华等，2008)如下:

式中: σ_max为根系的抗拉强度(MPa); D为根系直径(mm); F_max为最大抗拉力(N); ε_max为极限应变;$\nabla $L_max为根系的最大变形量(mm); L 为测量标距(mm); E为根系的弹性模量(MPa)，根据应力-应变关系曲线，在抗拉强度极限50%以内，3种散生竹根系变形近似处于弹性区域，因此，弹性模量取50%极限应力时的抗拉割线模量; σ_0.5为50% 极限应力(MPa); ε_0.5为σ_0.5对应的应变。

图 3为3种散生竹根系最大抗拉力与直径的关系曲线。试验数据显示，3种竹根最大抗拉力与直径的关系均表现为正相关增长。对于同一种竹根，随着根径变粗，根系抗拉力快速增长，增长幅度依次为苦竹＞金竹＞毛竹。通过回归分析发现，3种竹根二者间关系都近似满足幂函数关系，相关系数超过0.9，分析结果如表 1所示。由于采集到的3种竹根样品直径范围不同，为了提高相互之间可比性，本研究采用直径加权平均方法，分别计算得到3种竹根的归一化平均最大抗拉力。结果表明，毛竹的平均最大抗拉力略高，其数值大小依次为毛竹(71.96 N)＞金竹(63.13 N)＞苦竹(62.05 N)。

	图 3 3种竹根直径与抗拉力的关系 Fig. 3 Relationship between root tensile force and diameter for three kinds of bamboo

表 1 3种竹根抗拉力与直径的回归方程 Tab.1 Regression equation between root tensile force and diameter of three kinds of bamboo

表 1 3种竹根抗拉力与直径的回归方程 Tab.1 Regression equation between root tensile force and diameter of three kinds of bamboo 种类Type 直径范围Diameter range /mm 拟合方程Fitting equatio R2 平均抗拉力 毛竹Phyllostachys edulis 1.40～3.36 y = 16.169x1.596 4 0.905 0 71.96 苦竹Pleioblastus amarus 0.80～2.24 y = 23.024x1.750 3 0.963 6 62.05 金竹Phyllostachys sulphurea 0.60～2.70 y = 17.8x1.7496 0.970 6 63.13

图 4为3种散生竹根系抗拉强度与直径的关系曲线。由图 4可见，3种散生竹根的抗拉强度大小与直径有关，其数值随着直径的增加而减小，拟合关系呈幂函数的形式，但是不同竹种根系的抗拉强度随根径增加而递减的程度不同。在归一化平均抗拉强度指标方面，苦竹最高，数值大小依次为苦竹(26.07 MPa)＞金竹(19.35 MPa)＞毛竹(16.46 MPa)，分析结果如表 2所示。已有研究表明，油松(Pinus tabulaeformis)根平均抗拉强度16.06 MPa，落叶松(Larix gmelinii)根平均抗拉强度11.72 MPa，白桦(Betula platyphylla)根平均抗拉强度25.33 MPa(张超波，2011)。与这3种常见造林树种相比，3种竹子的平均抗拉强度均大于油松根和落叶松根，苦竹的平均抗拉强度大于白桦根。

	图 4 3种竹根直径与抗拉强度的关系 Fig. 4 Relationship between root tensile strength and diameter for three kinds of bamboo

表 2 3 种竹根系平均抗拉强度 Tab.2 The average root tensile strength of third kinds of bamboo

表 2 3 种竹根系平均抗拉强度 Tab.2 The average root tensile strength of third kinds of bamboo 种类Type 拟合方程Fitting equation R2 抗拉强度Tensile strength/Mpa 范围Range 归一化均值Normalization 毛竹Phyllostachys edulis y=20.587x-0.403 6 0.378 4 11.33～22.28 14.46 苦竹Pleioblastus amarus y=29.315x-0.249 7 0.350 0 22.23～38.20 26.07 金竹Phyllostachys sulphurea y=22.663x-0.250 4 0.403 1 15.25～27.94 19.35

植物根系的固土能力与单根的应变性能有关。单根极限应变较大，有利于将所受拉力转化为侧向摩擦阻力，减小根系内力，提高根系的固土能力。由表 3可以看出，3种竹根的平均极限应变相差较大，毛竹的平均极限应变为24%，而金竹的平均极限应变仅为13%，并且毛竹和苦竹的最大极限应变都可达到40%。已知一些乔灌木根系的平均应变一般在10%～15%，最大的极限应变大约为30%(李绍才等，2006; 吕春娟等，2011; Abe et al.，1991; Abernethy et al.，2001; 朱清科等，2002; 杨永红等，2007; 耿威等，2008; 陈丽华等，2008; 朱海丽等，2008; 刘秀萍等，2006; Comino et al.，2010; 张超波，2011; Tosi，2007; 朱勇，2004)。可见，散生竹根系的变形范围要比一些乔灌木根系宽。

表 3 3种竹根的应力应变参数 Tab.3 Stress and strain parameters of three kinds of bamboo root

表 3 3种竹根的应力应变参数 Tab.3 Stress and strain parameters of three kinds of bamboo root 种类Type 极限应变Ultimate strain(%) 弹性模量Elastic modulus/Mpa 范围Range 归一化均值Normalization 范围Range 归一化均值Normalization 毛竹Phyllostachys edulis 12.70～41.81 24.29 34.23～145.03 67.01 苦竹Pleioblastus amarus 5.85～40.60 16.61 78.16～412.62 182.03 金竹Phyllostachys sulphurea 4.22～29.35 13.14 45.63～369.78 168.01

弹性模量表征了根系抵抗弹性变形的能力，是衡量根系抗拉力学性能的一个重要指标。从表 3可以看出，3种竹根的弹性模量均值大小依次为苦竹(182.03 MPa)＞金竹(168.01 MPa)＞毛竹(67.1 MPa)。标距100 mm油松的平均弹性模量大约为188.47 MPa，标距100 mm落叶松的平均弹性模量大约为134.29 MPa，标距100 mm白桦的平均弹性模量大约在317.77 MPa(吕春娟等，2011)。标距会对弹性模量有一定影响，标距越大其弹性模量越大，因此，标距为35 mm的苦竹和金竹根系都具有较好的弹性模量。

本文对在云南分布较为广泛的毛竹、苦竹、金竹3种散生竹根系进行了野外现场单根抗拉力学特性参数测量试验。试验结果显示:

1) 3种散生竹单根抗拉力均随着直径的增大呈幂函数形式增加，且相关系数较高。单根抗拉强度随着根径的增加而减小，并且呈近似幂函数的关系递减。

2) 对比3种不同类型的散生竹根系抗拉力学特性，苦竹根系的抗拉强度及弹性模量最高，说明其综合抗拉力学特性优于其他2种散生竹根系。其次是金竹，最后是毛竹。

3) 与其他植物相比，在抗拉强度方面，毛竹、苦竹、金竹的抗拉强度不低于油松、落叶松根系; 在弹性模量方面，苦竹和金竹根系有较好的弹性模量。