基于透明土试验技术的植物根系生长规律试验

　　摘 要：根系空间分布形态对土体抗剪强度影响显著。近年来快速发展的透明土试验技术为非嵌入式可视化观测植物根系分布形态提供了技术支撑。基于 Carbopol Ultrez 10 制配成透明黏土材料，开展多年生草莓的种子，绿萝，香根草，蒜苗四种植物根系生长过程中的分布形态观测研究;继而，开展四种植物根系分布形态下含根透明土体试验，选择最优含根量、根系增强效数以及防风固沙等问题。试验结果表明透明黏土材料中最优含根量约为 0.35%，混合分布形态下根系增强效应最明显。

　　关 键 词：植物根系;透明土;防风固坡;十字板剪切试验

　　1引 言

　　我国因地面沉降、山体滑坡造成的地质灾害不容忽视。自1949年以来，因地面沉降造成的损失就累计高达4500-5000亿元;以滑坡灾害为例，其原因是：山坡结构发生了不稳定的变化，导致了坡面的剪切强度降低和坡面上物质的剪切应力增加。雨水或者融雪的渗透;地下水位的上升;垂直植被结构被破坏;土壤养分的缺乏和土壤结构的破坏都是造成滑坡灾害的原因。

　　2 试验概况

　　2.1试验装置

　　植物根系分布形态物理模型试验场地位于室内阳台试验环境良好窗户可通风室温恒定在10-18℃之间、空气相对湿度在75%-80%之间，光照直射且时长在每天6h左右。试验装置主要包括：高硼硅玻璃瓶4个、带相机的手机1部、刻度尺一把以及微型十字板剪切仪,实际使用的十字板头具体尺寸为 50.8 mm×101.6 mm，量程为 0～8.125 kPa，系数为 0.062 5。

　　2.2 透明土材料制配

　　本文试验基于一种新型透明黏土材料，该材料由 Carbopol Ultrez 10粉末(以下简称U10)、纯净水以及 NaOH 溶液制配而成。其中NaOH 粉末纯度要大于98%。U10 是一种交联聚丙烯酸聚合物，常温下为白色粉末状，颗粒大小相对均匀，其粒径范围为 50～100 nm，颗粒相对密度为 1.4543，表观密度为 0.21 g/cm3。U10 在中和前易于在水中分散，黏度小，便于使用操作;中和后又具有高黏度、高含水率、高透光率、低折射率等特点。

　　2.3试验植物选择

　　经过研究和分析，选择了以下几种植物：

　　草莓的种子：呈螺旋状排列在果肉上，在植物学百上称为瘦果。种子为长圆锥形，为黄色或黄绿色。

　　绿萝：属于麒麟叶属植物，大型常绿藤本，可以水培种植。成熟枝上叶柄粗壮，长30-40厘米，基部稍扩大，上部关节长2.5-3厘米、稍肥厚，腹面具宽槽，叶鞘长，叶片薄革质，翠绿色. [1]

　　香根草：根系能穿透坚硬红粘土，并穿透砾石之间、岩层之间薄弱的地方，可长至2-3米深，最深达到5-6米。

　　蒜苗：又叫青蒜(不见光时为蒜黄)。品质好的蒜苗应该鲜嫩，株高在35厘米左右，叶色鲜绿，不黄不烂，毛根白色不枯萎.

　　2.4试验装置

　　植物根系分布形态物理模型试验场地位于室内阳台试验环境良好窗户可通风室温恒定在10-18℃之间、空气相对湿度在75%-80%之间，光照直射且时长在每天6h左右。试验装置主要包括：高硼硅玻璃瓶4个，容量为245g、带相机的手机1部、刻度尺一把。

　　2.5透明土材料制配

　　针对植物无法在目前常用人工合成透明土材料中存活问题，本文试验基于一种新型透明黏土材料，该材料由 Carbopol Ultrez 10粉末、纯净水以及 NaOH 溶液制配而成。其中NaOH 粉末纯度要大于98%。U10 是一种交联聚丙烯酸聚合物，常温下为白色粉末状，颗粒大小相对均匀，其粒径范围为 50～100 nm，颗粒相对密度为 1.4543，表观密度为 0.21 g/cm3。U10 在中和前易于在水中分散，黏度小，便于使用操作;中和后又具有高黏度、高含水率、高透光率、低折射率等特点，因此，可以用于制配人工合成透明黏土材料。

　　2.6制配过程

　　需要塑料密封桶、加热器、搅拌器以配制 30 L 透明黏土试样为例，制配过程及主要操作方法如下：

　　(1)材料准备：

　　·材料配比为 U10∶NaOH∶水 =1∶0.4∶98.6，称取 0.3 kg U10 粉末，0.1 kg NaOH 粉末，及 29.6 L 的纯净水，其中溶解 NaOH 粉末所需纯净水包含在整体设计需水量中。

　　·U10 粉末搅拌：取干净的塑料密封桶，称取纯净水的质量并加入桶中(预留一定的纯净水供溶解 NaOH 粉末之用)，利用加热器将水加热至 50℃～ 60℃;然后，称量并加入 U10 粉末，并在常温下密封静置 8～10 h;采用小功率搅拌器搅拌 30～40 min，搅拌完成后，密封静置 8～10 h。

　　·NaOH 溶液搅拌：称量 NaOH 粉末，放入装有 0.5 L 纯净水的量杯中，搅拌、溶解后制配成 NaOH 溶液，并倒入装有 U10 混合液的密封桶中，采用大功率搅拌器快速均匀搅拌 10～15 min 至均匀黏稠状。

　　草种准备：

　　草种质量各 3 g，正式播种之前，在水中进行催芽 24 h;18 瓶植物营养液约 700 mL。并进行PH值测定

　　2.7实验实施阶段

　　新型透明黏土中植物根系可直接连续不间断拍照与测量记录。

　　(1)将调配好的透明土等量，分别装入四个高硼硅玻璃瓶中

　　(2)将催芽成功的种子放入透明土中

　　(3)在含有种子的透明土表层喷洒植物营养液

　　(4)放到光照良好适合植物生长的地方

　　(5)每天对种子发芽及其根系变化做好记录，每隔5天拍一张照片

　　3 试验结果与分析

　　为了探讨含根量对复合土体抗剪强度的影响规 律，试验设计了 0.1%与0.35% 等2 组含根复合土体的 试验，并开展土体的试验作为对比分析。植物根系在土体中的分布形态为混合型。每组工况各取不同位置，测定其抗剪强度，进而分析确定含根量对土体强度的影响。

　　由于透明黏土中蒜苗根系长势比草莓种子相对更好，因此，选用蒜苗根系开展含复合土的抗剪强度试验。由于受根系抗剪强度和土体结构性双重影响，随着根系含量的增加，含根复合土体的抗剪强度是先增加后减少的。该曲线上的含根复合体抗剪强度所对应的含根量即为最优含 根量，最优含根量与土体、根系的物理力学性质有关，且与植物根系在土体中的分布形态等因素相关。本文试验条件下，所得最优含根量为 0.35%左右。

　　力学论文投稿期刊：岩土力学是由中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊。

　　4 结论

　　(1)尽管本文所采用的透明黏土材料与天然软 黏土特性仍存在一定的差异，但该材料可初步运用 于植物根系生长过程非嵌入式可视化观测研究。

　　(2)本文试验条件下，态下透明黏土材料中最优含根量约为 0.35%。混合分布形态下根系对表层加筋效应最明显，

　　参 考 文 献

　　[1] 吴宏伟. 大气-植被-土体相互作用：理论与机理[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(1): 1-47.

　　[2] 程鹏, 李锦辉, 宋磊. 生态边坡的水力和力学特性分析: 试验研究[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(10): 1901-1907.

　　[3] 丁瑜, 夏振尧, 许文年, 等. 根系作用下的基材土-岩接触面原位剪切试验研究[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(11): 2107-2113.

　　[4] 李雄威, 孔令伟, 郭爱国. 植被作用下膨胀土渗透和力学特性及堑坡防护机制[J]. 岩土力学, 2013, 34(1): 73-79.

　　作者：王传越( 1)，赵婉宁( 1)，吕晶( 1)，肖清源( 2)