全 文 ：第 49 卷 第 7 期
2 0 1 3 年 7 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 7
Jul．，2 0 1 3
doi: 10．11707 / j．1001-7488．20130727
收稿日期: 2012 － 10 － 29; 修回日期: 2013 － 03 － 05。
基金项目: 国家自然科学基金项目(31060118) ; 云南省应用基础研究项目(2009ZC041M) ;昆明理工大学人才培养项目(2010-07)。
3 种散生竹的单根抗拉力学特性
张云伟1 惠 尚2 卜晓磊2 尚书磊2 杨承铭2
(1. 昆明理工大学信息工程与自动化学院 昆明 650504; 2. 昆明理工大学现代农业工程学院 昆明 650504)
关键词: 散生竹; 抗拉力; 抗拉强度; 应变; 弹性模量
中图分类号: S781. 2 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)07 － 0183 － 05
Mechanical Characteristics of Tensile Strength for Three
Monopodial Bamboo Single Roots
Zhang Yunwei1 Hui Shang2 Bu Xiaolei2 Shang Shulei2 Yang Chengming2
(1. Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology Kunming 650504;
2. Faculty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology Kunming 650504)
Abstract: Bamboo plays an important role as a kind of vegetation with contribution to soil and water conservation，
Mechanics property of roots play a crucial role in mechanics of soil-reinforcement． In order to find the tension properties of
the bamboo roots underground，the tensile experiment for the roots of three kinds of monopodial bamboo，Phyllostachys
edulis，Pleioblastus amarus and Phyllostachys sulphurea，was implemented in the field． The experiment employed our own
portable experimental equipment for testing tensile characteristics of root． Tensile force and strain rate of roots with
different diameters was tested for these three kinds of bamboo． Then，their tensile strength and elastic modulus were
obtained through calculation． The experimental results show that the tensile force of monopodial bamboo root increases
regularly by the power function regulaas the increase of the root diameter，and the tensile strength of root reduces along
with the increase of root diameter by the power function． The average anti-tension of these three bamboo roots is
Phyllostachys edulis(71. 96 N)，Pleioblastus amarus(62. 05 N) and Phyllostachys sulphurea(63. 13 N)，and their average
tensile strength is Phyllostachys edulis(16. 46 MPa)，Pleioblastus amarus(26. 07 MPa) and Phyllostachys sulphurea(19. 35
MPa)，The ultimate strain has limitation from 13% to 24% ． The average elastic modulus is Phyllostachys edulis(67. 1
MPa)，Pleioblastus amarus(182. 03 MPa) and Phyllostachys sulphurea (168. 01 MPa) ． Compared to the three kinds of
bamboo，Pleioblastus amarus root has the best comprehensive tensile properties． Next are Phyllostachys sulphurea，and
Phyllostachys edulis root respectively． Compared with the common afforestation tree Pinus tabulaeformis， Betula
platyphylla，Larix gmelinii，monopodial bamboo roots have better tensile mechanical properties．
Key words: monopodial bamboo; tensile force; tensile strength; strain; elastic modulus
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
林 业 科 学 49 卷
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。
1 材料与方法
1. 1 试验地及根系材料 试验地位于云南省昆明
市西南林业大学竹种园内，102°75E，25°05N。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。
1. 2 试验装置 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
1. 3 试验方法 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。
481
第 7 期 张云伟等: 3 种散生竹的单根抗拉力学特性
1. 4 根系抗拉力学特性计算 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:
σmax =
4Fmax
πD2
， (1)
εmax =
Lmax
L
， (2)
E =
σ0 ． 5
ε0 ． 5
。 (3)
式中: σmax为根系的抗拉强度(MPa); D 为根系直
径(mm); Fmax为最大抗拉力(N); εmax为极限应变;
Lmax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; σ0. 5为 50%极限
应力(MPa); ε0. 5为 σ0. 5对应的应变。
2 结果与分析
2. 1 根系抗拉力 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)。
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 equation R
2 平均抗拉力
Average anti-tension /N
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 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
2. 2 根系抗拉强度 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
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
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
581
林 业 科 学 49 卷
和落叶松根，苦竹的平均抗拉强度大于白桦根。
2. 3 应力应变 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 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 R
2 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
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. 77MPa(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。
3 结论
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。
参 考 文 献
陈丽华，余新晓，宋维峰，等 ． 2008． 林木根系固土力学机制 ． 北京:
科学出版社 ．
陈淑华，刘章权，王 鹏，等 ． 2000． 福安市河岸绿竹固土护岸效益
的探讨 ． 福建水土保持，12(4) : 49 － 52．
耿 威，王林和，刘 静，等 ． 2008． 鄂尔多斯高原 3 种 4 龄 － 5 龄灌
木根系抗拉特性初步研究 ．内蒙古农业大学学报，29(3) : 86 －
89．
梁 佳，谢双喜，张 雯，等 ． 2010． 赤水市 7 种散生竹生长情况调查
分析 ． 贵州农业科学，38(6) : 171 － 176．
李绍才，孙海龙，杨志荣，等 ． 2006． 护坡植物根系与岩体相互作用的
力学特性 ． 岩石力学与工程报，25(10) : 2051 － 2057．
刘国华，王福升，丁雨龙 ． 2011. 4 种地被竹根系分布特征及其力学
性质 ．林业科技开发，25(6) : 20 － 23．
刘广路，范少辉，苏文会 ． 2011． 散生竹生长特性及管理技术研究进
展 ． 竹子研究汇刊，30(3) : 43 － 48．
刘秀萍，陈丽华，宋维峰，等 ． 2006． 油松根系抗拉应力 － 应变全曲
线试验研究 ． 中国水土保持科学，4(2) : 66 － 70．
吕春娟，陈丽华，周 硕，等 ． 2011． 不同乔木根系的抗拉力学特性 ．
农业工程学报，27(增 1) : 329 － 335．
杨永红，王成华，刘淑珍，等 ． 2007． 浅层滑坡生物治理中的乔木根
681
第 7 期 张云伟等: 3 种散生竹的单根抗拉力学特性
系抗拉实验研究 ． 水土保持研究，14(2) : 233 － 235．
张超波 ． 2011． 林木根系固土护坡力学基础研究 ． 北京:北京林业大
学博士学位论文 ．
朱 勇 ． 2004． 苦竹林根系的生长力研究初步 ． 中国林学会首届竹
业学术大会论文集，浙江 ．
朱海丽，胡夏嵩，毛小青，等 ． 2008． 青藏高原黄土区护坡灌木植物
根系力学特性研究 ． 岩石力学与工程学报，27 (增 2) : 3445 －
3452．
朱清科，陈丽华，张东升，等 ． 2002． 贡嘎山森林生态系统根系固土
力学机制研究 ．北京林业大学学报，24(4) : 64 － 67．
Abe K，Ziemer R R． 1991． Effect of tree roots on a shear zone: modeling
reinforced shear stress． Canadian Journal of Forest Research，21
(7) : 1012 － 1019．
Abernethy B，Rutherfurd I D． 2001． The distribution and strength of
riparian tree roots in relation to riverbank reinforcement．
Hydrological． Processes，15(1) : 63 － 79．
Comino E，Marengo P． 2010． Root tensile strength of three shrub
species: Rosa canina， Cotoneaster dammeri and Juniperus
horizontalis: soil reinforcement estimation by laboratory tests．
Catena，82(3) : 227 － 235．
Roering J J，Schmidt K M，Stock J D，et al． 2003． Shallow landsliding，
root reinforcement，and the spatial distribution of trees in the Oregon
Coast Range． Canadian Geotechnical Journal，40(2) : 237 － 253．
Tosi M． 2007． Root tensile strength relationships and their slope stability
implications of three shrub species in the Northern Apennines．
Geomorphology，87(4) : 268 － 283．
(责任编辑 石红青)
781