水土流失导致的山体滑坡是全世界常见的自然地质灾害。在我国，西部山区滑坡灾害尤为严重。近年来，随着国家经济建设的发展，自然资源的开发规模和强度都在不断扩大和加剧，对生态环境的破坏没有得到有效控制，致使山区常发生滑坡灾害，其危害程度也在逐年增加，直接威胁周边群众的人身安全，滑坡是制约山区社会、经济发展不可忽视的因素；因此，通过在山坡上种植植物来有效的防治水土流失，是城镇建设和山区发展中一项重要的水土保持课题^[1]。

近年来植物固坡措施已经在国内外得以广泛应用^[2]，其中植物单根抗拉特性是根系生物力学特性的重要组成部分，也是研究植物固土抗滑的基础；但根系研究有着一定程度的复杂性，即使是单根抗拉也还存在着许多问题亟待解决，包括实验方法、影响因素等。有学者通过对根径、根长、含水率等植物自身影响因素^[3-5]以及加载方式、速率、植物采伐时间等试验因素^[6-7]进行研究均得到不同的结论。目前主要从室内单根抗拉和野外原位群根抗拔^[8]2方面来研究根系抗拉力学特征，其中杨永红等^[9]对合欢等乔木根系的研究、朱清科等^[10]对贡嘎山峨眉冷杉和冬瓜杨根系的研究、张东升^[11]对杜鹃等林木根系的研究、钟荣华等^[12]对三峡水库消落带草本植物根系的研究、肖宏彬等^[13]对贫瘠土壤环境下的香根草根系的研究结果不同程度地表明：根系抗拉力与直径呈显著的幂函数正相关关系；根系抗拉强度与直径呈显著的负相关关系，与根的纤维素含量呈正相关关系等。笔者则从根长和根径2方面来进一步研究根系抗拉力和抗拉强度与两者的相关关系，以期为水土保持固土护坡植物筛选研究提供科学依据。

本试验采集对象是土石山区的护坡植物根系，采样区位于山西省太原市西北部尖草坪区崛围山，山体呈南北走向，海拔1 352 m，地理位置介于E 112°25.628′~112°26.469′，N 37°57.821′~37°58.108′。该区属暖温带大陆性季风气候类型，全年平均有130~150 d的无霜期，早晚、昼夜温差较大，年平均温度7~10 ℃，最低气温可达-28 ℃，最高气温可达40 ℃。全年日照时间2 400~2 600 h，降雨主要集中在7—9月。年平均降水量约为470 mm。尖草坪区整个地貌分为土石山区、黄土丘陵、冲积平原、沟洼谷地、冲积扇等不同类型，地形起伏较大。尖草坪区地表水均属黄河流域汾河水系，汾河一级支流泥屯河、柏板河、杨兴河、涧河均在区内汇入汾河。平均地表水资源510万m³，地下水资源为3 891万m³，全区水资源总量为4 057万m³。

王萍花^[14]及张超波^[15]进行根系抗拉试验时采用的是WDW-100E微机控制式万能电子试验机，本试验根系抗拉则采用新型WDW-5电子万能试验机和SmartTest终端测控软件，试验力最小读数值能精确到0.01 N、变形最小读数值能精确到0.001 mm，在精确度上有了较大提高。加载方式采用电动加载，加载速率20 mm/min，有效地避免前人试验中手动加载造成的误差。此软件采用人机交互方式分析计算测试根系的机械性能指标，能在自动分析的基础上，对相关力学参数还可以人工修正分析结果，提高分析的准确性。

本试验仪器包括：1) 根径测量，电子游标卡尺，精度0.01 mm；2) 根长与标距，卷尺，精度1 mm；3) 单根的抗拉力与抗拉强度，WDW-5电子万能试验机；4) 野外根系采集其他仪器与工具有皮尺、自封袋、铁铲、铁锹等。

野外采集所需植物根系时，将根系连同土体一起放入自封袋中密封暂存带回实验室。所选根样长势良好、外表无损、直径变化梯度完整，用剪刀剪下，确保得到不同长度、不同径级的根系，为保证根系活性，每次外出采集根系样品当天测完。

制备不同直径的根样：按李晓凤等^[16]采用的方法将根系从土体中分离后，用电子游标卡尺测量单根直径，为减小测量误差，分别测量根上3个不同位置的直径，取其平均值作为根径值。根系按直径大小分类放置，依次选择一定数量不同直径组的根开展抗拉试验，确保每个直径组均能获得有效数据。

制备不同标距的根样：根据根系的长度测量结果，选定3组不同的标距，分别为60、80和100 mm，试验根样涵盖每个直径组。

抗拉测试按照以下步骤进行：1) 安装试验机和测控软件并运行；2) 测量直径：选取较顺直、完整无损，直径均一的单根进行测量；3) 固定根系：将根的两端固定在试验机的上下2个夹具中，保持根系铅直以受到轴向匀速荷载的作用(图 1)；4) 拉伸根系与记录数据：在SmartTest软件中设置好试验根的编号并输入原始标距和平均直径，然后开始拉伸。实验中会出现3种破坏形式——滑脱、夹口处断裂以及接近中间处的正常断裂(图 2)，因为此时的破坏是由拉力引起的而非其他损伤引起，软件中会显示平均直径、原始标距、断后标距、拉力峰值等力学参数值，试验中选取正常拉断根的数据并记录。

图 1(Figure 1)

图 1 根系固定 Figure 1 Root fixation

图 2(Figure 2)

图 2 根系拉断 Figure 2 Root breaking

每次根拉断后软件中所显示的平均直径、断后标距值和拉力峰值分别进行保存，最后分离出来用Excel汇总数据，极限抗拉强度由下列公式计算：

式中：P为极限抗拉强度，MPa；F为极限抗拉力，N；D为平均直径，mm。数据的相关性分析用SPSS 20.0软件来完成，相关水平取α＝0.01，对不同直径组和标距组数据分别做回归性分析，当决定系数R²>0.4则证明该组数据在α＝0.01水平(双侧)上显著相关。

从根系直径的统计结果来看，本实验中香根草和黑麦草的根系主要处于0.2~1.0 mm的范围内，而百喜草主要介于0.1~0.4 mm的直径范围，三者的平均直径分别为0.639、0.557和0.230 mm。由于过粗和过细的根在进行单根抗拉实验时的难度较大，实验失败率太高；因此本实验舍弃这些数据，主要选取根径分布范围内的所得数据进行分析和比较(图 3~5)。

图 3(Figure 3)

图 3 香根草抗拉力与直径的关系曲线 Figure 3 Relationship curve between tensile resistance and diameter of Vetiveria zizanioides L.

图 4(Figure 4)

图 4 黑麦草抗拉力与直径的关系曲线 Figure 4 Relationship curve between tensile resistance and diameter of Lolium perenne L.

图 5(Figure 5)

图 5 百喜草抗拉力与直径的关系曲线 Figure 5 Relationship curve between tensile resistance and diameter of Paspalum notatum Flugge

通过SPSS 20.0软件进行回归分析，3种植物单根极限抗拉力与根径均在α＝0.01的水平(双侧)上显著相关，回归分析结果见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 植物抗拉力回归分析表 Table 1 Regression analysis table of plant tensile resistance 标距 Length/mm 香根草 Vetiveria zizanioides L. 黑麦草 Lolium perenne L. 百喜草 Paspalum notatum Flugge 60 0.848 0.929 0.913 80 0.883 0.807 0.955 100 0.828 0.882 0.828

表 1 植物抗拉力回归分析表 Table 1 Regression analysis table of plant tensile resistance

3种植物的平均最大抗拉力次序为：香根草(16.258 N)>黑麦草(11.734 N)>百喜草(4.891 N)。其中：试验标距为60 mm时测得的抗拉力最大，香根草(18.022 N)>黑麦草(13.108 N)>百喜草(5.190 N)；标距为100 mm的抗拉力最小，香根草(13.978 N)>黑麦草(9.110 N)>百喜草(4.712 N)；标距为80 cm的介于二者之间，香根草(16.773 N)>黑麦草(12.985 N)>百喜草(4.772 N)。香根草的抗拉力在各标距范围内近似为百喜草的3倍、黑麦草近似为百喜草的2.5倍，而香根草与黑麦草的抗拉力结果相差不大，不超过1倍的变化范围。这种差异除了是受到根径的影响外，还可能是由于不同植物之间的内在结构造成的，如化学成分和内部显微结构等。Hathaway等^[17]研究发现，无论是草本植物还是木本植物，根系的抗拉力和直径之间的关系不仅反映了断裂力学中的尺度效应，而且与综纤维素或纤维素含量有关。从抗拉力的情况来看，香根草比其他2种物种更能承受拉力作用，在植物根系中，直径一定时短根的抗拉能力更强，根系的最大抗拉力与平均直径呈正相关关系，即根径越大，最大抗拉力越大。这与程洪等^[18]所得的结论一致，二者接近线性增长关系，说明在香根草根系中，根径较大时具有较高的抗拉力。

由图 6~8可知，3种植物的平均抗拉强度值分别为百喜草(116.226 MPa)>黑麦草(50.839 MPa)>香根草(49.650 MPa)，其中百喜草的抗拉强度值范围为83.468~152.547 MPa。各数据在直径段内分布均匀，黑麦草的分布范围为20.584~111.156 MPa，但是在2端的数据较少，集中分布在中部，香根草的分布范围为23.932~71.532 MPa，数据分布较为均匀(图 6~8)。

图 6(Figure 6)

图 6 香根草抗拉强度与直径的关系曲线 Figure 6 Relationship curve between tensile strength and diameter of Vetiveria zizanioides L.

图 7(Figure 7)

图 7 黑麦草抗拉强度与直径的关系曲线 Figure 7 Relationship curve between tensile strength and diameter of Lolium perenne L.

图 8(Figure 8)

图 8 百喜草抗拉强度与直径的关系曲线 Figure 8 Relationship curve between tensile strength and diameter of Paspalum notatum Flugge

通过SPSS 20.0软件进行回归分析，3种植物单根极限抗拉力与根径均在α＝0.01的水平(双侧)上显著相关(表 2)。

表 2(Table 2)

表 2 植物抗拉强度回归分析表 Table 2 Regression analysis table of plant tensile strength 标距 Length/mm 香根草 Vetiveria zizanioides L. 黑麦草 Lolium perenne L. 百喜草 Paspalum notatum Flugge 60 0.481 0.671 0.470 80 0.418 0.619 0.564 100 0.522 0.431 0.558

表 2 植物抗拉强度回归分析表 Table 2 Regression analysis table of plant tensile strength

试验标距为60 mm时测得的抗拉强度最大，百喜草(125.666 MPa)>黑麦草(61.683 MPa)>香根草(52.543 MPa)；标距为100 mm的抗拉强度最小，百喜草(109.492 MPa)>香根草(46.672 MPa)>黑麦草(40.574 MPa)；标距80 mm的介于二者之间，百喜草(113.520 MPa)>黑麦草(50.260 MPa)>香根草(49.735 MPa)，其中只有在80 mm的标距内黑麦草的极限抗拉强度值稍大于香根草，而在60和100 mm的标距范围内黑麦草的极限抗拉强度值则偏小。从实验结果可以看出：植物的抗拉强度值均与直径呈幂函数的负相关关系，不受植物种类影响；但是不同植物之间的抗拉强度值仍有着很大的差距，其中百喜草的抗拉强度值最大，而试验测定的香根草和黑麦草的数值相差不大，百喜草的抗拉强度值约为后两者的2.3倍。

另外，试验中通过根系拉断后软件得出的原始标距和断后标距值来计算应变量，以此可以计算得出3种植物在各标距组的弹性模量，见表 3。

表 3(Table 3)

表 3 弹性模量计算表 Table 3 Calculation table of elastic modulus MPa/mm 标距 Length/mm 香根草 Vetiveria zizanioides L. 黑麦草 Lolium perenne L. 百喜草 Paspalum notatum Flugge 60 3.740 4.153 21.653 80 3.115 2.919 25.539 100 2.915 2.664 13.985 平均Average 3.257 3.245 20.392

表 3 弹性模量计算表 Table 3 Calculation table of elastic modulus

3种植物平均弹性模量分别为：百喜草(20.392 MPa/mm)>香根草(3.257 MPa/mm)>黑麦草(3.245 MPa/mm)，弹性模量均随着标距的增大而减小，且在每个标距组内，3种植物弹性模量均存在百喜草>香根草>黑麦草的关系。由应变量的计算结果可以看出，在标距越大即根系越长的情况下，根被拉伸的越长。由表 3可以看出，与抗拉力和抗拉强度不同，百喜草的弹性模量约是后两者的6.3倍，而抗拉强度只有2~3倍，且香根草和黑麦草的计算结果非常接近，弹性模量计算结果受应变值的影响很大。由于弹性模量为应力与应变的比值，应变值即为根的拉伸量，试验结果显示百喜草的弹性模量最大，表示其根系刚度越大，越不容易发生变形，对固持土壤作用效果越突出。

本试验从植物根径和根长2个因素考虑，结合单根所能承受的最大抗拉力、单根抗拉强度和弹性模量3个主要的力学性能指标，对香根草、黑麦草和百喜草的根系抗拉力学特性进行了分析比较，得出以下结论。

1) 在各根系直径范围内，3种植物单根极限抗拉力随直径的增大均以幂函数递增，单根极限抗拉力从大到小顺序表现为香根草>黑麦草>百喜草，抗拉力受直径的影响较大。

2) 在各根系直径范围内，3种植物单根极限抗拉强度随直径的增大均以幂函数递减，单根极限抗拉强度从大到小顺序表现为百喜草>黑麦草>香根草。百喜草的固土性能明显优于黑麦草和香根草。

3)3种植物在各自研究径级范围内，根系的弹性模量值随着根径和根长增大呈下降的趋势。3种植物单根极限弹性模量均值从大到小依次为百喜草>香根草>黑麦草。百喜草具有较大的极限弹性模量，说明同样的外界加载条件，根径、根长较小的根系对外界拉力的缓冲能力比根径、根长较大的根系缓冲能力大，根径、根长较小的根系又具有较强的极限抗拉强度。这也正是细根、短根增强土壤抗蚀、抗冲性的机理所在。

因此，在所研究的3种植物中百喜草根系的固土能力最优，在水土保持固土护坡植物筛选研究中可优先考虑。本试验研究结果可为土石山区的植物固土护坡以及水土保持研究提供科学依据。