一種測定植物根系抗拉力學特性的簡易方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測定植物根系抗拉力學特性的簡易方法，尤其是能在野外環境下對植物根系抗拉力學特性進行現場測定的便攜式實驗方法，屬于生物力學測量技術領域。
【背景技術】
[0002]植物是控制土壤侵蝕和水土流失的主要措施。植物根系在土體中交錯、穿插，網絡串聯固持土壤是植物固土的重要方式。因而明確植物根系的抗拉力學性質是研宄其固土機理的重要內容。目前，植物根系抗拉力學特性的測定室內主要采用“萬能試驗機”，室外主要采取剪切箱外加拉力傳感器原位剪切的辦法。前者盡管其測量精度高，但因其是針對工業材料設計的，結構復雜，體積龐大，只能固定于某一特定場所，難以在野外現場開展植物根系抗拉伸實驗測試；且采集回來的根系樣本有限，沒有在野外現場豐富；另外植物根系從遠距離的野外帶回實驗室測試過程中，由于脫離土壤時間長，容易導致根系失水變干，抗拉伸力學特性變化，測試結果不能完全反映代表其真實抗拉力學性質。后者盡管能較為真實的研宄根系的固土力學效應，但對根系大小有要求，僅適合粗根系的抗拉試驗，對于毛根生物力學特性的測定難以完成；且剪切箱現場抗拉試驗不能測試根系的彈性拉伸。此外，這些大型專用實驗設備沒有針對根系的夾持裝置，容易把根夾壞，降低實驗成功率。當然，上述兩類實驗設備造價也較為昂貴，縱多研宄者承擔不起其高昂的費用。因此，開發一種用于植物根系抗拉特性測定的便攜式機械裝置或方法，特別是能用于野外環境下或在植物根系采集地點附近室內進行植物根系抗拉現場測試的機械裝置有著重要的應用價值。
【發明內容】
[0003]本發明的目的，在于針對上述植物根系抗拉強度測試存在的問題，提出一種專門用于對植物根系抗拉強度進行測試、省時省力又省錢的測試方法，特別是可以方便用于野外植物生長現場對植物根系進行測試的方法。采用本方法，不僅能為測試植物根系抗拉強度的較準確數值提供保證，且能保證測試樣本的豐富性和完整性，避免根系被夾具夾斷從而產生測試偏差的不利后果。
[0004]本發明的目的是這樣實現的:將植物根系從土壤中刨出后，用清水洗凈，根據根系顏色判斷將死根剔除。挑出未損傷活根，采用圖1方法測定根系的抗拉力和彈性拉伸位移。本植物根系抗拉測試方法中機械裝置由帶標尺螺旋機架1、數顯推拉力計2、夾持裝置3和數顯游標卡尺4組成；所述螺旋機架包括機架基座11、機架立柱12、牽引螺桿13、升降臺14，、機架頂部15、手搖輪16、數顯標尺17 ;所述數顯推拉力計為市面上用于測量工業材料拉力性質的拉力計，可自動記錄拉力峰值并保存；所述夾持裝置3包括結構完全相同的上夾具和下夾具，上、下夾具由左右兩塊相同且夾持面相向的U型夾持塊31及夾緊螺栓32、橡膠皮33組成；所述數顯游標卡尺4 (圖6)為市面上常用游標卡尺，可自動讀數。
[0005]其位置和連接關系為:數顯推拉力計2上端通過螺栓固定在升降臺14上，下端連接一夾具；另一夾具通過螺栓連接與機架基座11上；數顯游標卡尺4單獨使用，用于測定根系直徑。
[0006]本植物根系抗拉測試方法的步驟是:
[0007]I)將植物根系從土壤中刨出后，用清水洗凈，根據根系顏色判斷將死根剔除。
[0008]2)挑出未損傷活根，用數顯游標卡尺4測定待測根系兩端及中間點處的根徑D (mm) ο
[0009]3)然后將根系的一端用機架基座上夾具夾緊，另一端用數顯推拉力計2上夾具夾緊，緩慢轉動手搖輪16，使升降臺14上升時，上、下夾具之間產生拉力對根系進行拉伸，用數顯推拉力計測出根被拉斷時的最大拉力數值Fmax，用螺旋機架上I上的數顯標尺17讀取根系的拉伸位移L (mm)
[0010]4)分別按以下公式:
TE=4Fmax/3iD2 (I)
E = 4FL/ JT D2 (1-L) (2)
即可計算出該根系的抗拉強度Τκ。和楊氏模量Ε。
[0011 ] 5)統計根系抗拉強度和楊氏模量與根徑大小的關系，分析根系的抗拉力學特性。
[0012]如在野外植物生長的現場對植物根系的抗拉強度進行測試，可將設備拆卸后拉到現場，在植物根系采集點附近找一平地或自帶平板桌，將設備組裝起來以后開始試驗。
[0013]本發明的有益效果是:由于用已有簡單機械裝置取代了萬能試驗機或原位剪切箱來進行根系抗拉力學特性的測試，故省時省力又省錢；由于本裝置結構簡單且可分拆組裝，故可方便的攜帶到野外或在植物根系采集地點附近室內開展植物根系抗拉測試實驗，保證了測試樣本的豐富性和完整性，避免了將植物根系采集回實驗室后由于脫離土壤時間長，造成根系抗拉強度發生變化從而產生測試偏差的不利后果，并便于實時記錄實驗結果，因而能準確地反映野外植物根系的實際力學狀況；夾具上鋪墊一層橡膠皮，可減少鐵制夾具對根系的機械損傷；本方法可用數顯推拉力計測出并自動記錄根被拉斷時的最大拉力數值，用數顯標尺記錄根系拉伸位移，無需人工觀測，為較準確的計算植物根系抗拉強度和楊氏模量提供了保證，提高了植物根系抗拉測試試驗的可靠性。
【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0015]圖1是本發明方法的實現流程圖；
[0016]圖2是本發明植物根系抗拉強度測試機械裝置的結構圖；
[0017]圖3是圖1中數顯游標卡尺；
[0018]圖4是是圖1中的帶標尺螺旋機架；
[0019]圖5是圖1中的數顯推拉力計；
[0020]圖6是圖1中的夾具。
[0021]圖1中1-帶標尺螺旋機架、2-數顯推拉力計、3-夾具；
[0022]圖2中11-螺旋機架基座、12-機架立柱、13-牽引螺桿、14-升降臺、15_機架頂部、16-手搖輪、17-數顯標尺；
[0023]圖4中31-夾持塊、32-擰緊螺栓、33-橡膠皮。
【具體實施方式】
[0024]將植物根系從土壤中刨出后，用清水洗凈，根據根系顏色判斷將死根剔除。挑出未損傷活根，先用數顯游標卡尺4測定待測根系兩端及中間點處的根徑D (mm)。選擇平坦地面或桌面，參照圖1，將帶標尺螺旋機架(I)、數顯推拉力計(2)與夾具(3)組裝。將待測根系的上下兩端分別從上、下夾具的兩個U型夾持塊(31)的中間穿過，擰緊夾緊螺栓。轉動手搖輪(16)牽引螺桿向上作軸向移動，從而帶動升降臺上升，直至根系剛好被拉直。打開數顯標尺(17)并置零，啟動數顯推拉力計(2)，調至峰值保存模式。繼續轉動手搖輪(16)，數顯標尺(17)記錄根系拉伸過程中的位移變化，直至根系被拉斷，記錄并保存數顯推拉力計(2)測得的峰值(Fmax)和數顯標尺(17)記錄的最大位移值L(mm)再根據公式(I)和公式(2)分別計算根系的抗拉強度Tk和楊氏模量E。統計根系抗拉強度和楊氏模量與根徑大小的關系，分析根系的抗拉力學特性。轉動手搖輪(16)牽引螺桿向下作軸向移動，直至升降臺14垂直下降到初始位置，即可進行下一根系的抗拉力學測量。所有根系測量實驗完成后，為方便攜帶，可將垂直導向牽引機構、推拉力計和根系夾具等從固定機架上拆卸下來，然后將固定機架拆卸，分解為各個小部件分別打包裝箱，便于攜帶。
【主權項】
1.一種測定植物根系抗拉力學特性的簡易方法，其特征在于:采用已有數顯推拉力計和螺旋機架測定植物根系抗拉強度，所述數顯推拉力計可自動記錄并保存根系抗拉力峰值，其通過螺栓固定在螺旋機架上，所述螺旋機架自帶數顯標尺，可自動記錄根系彈性拉伸位移。
2.根據權利要求1所述的植物根系抗拉測試機械裝置，其特征在于:螺旋機架和數顯推拉力計上安裝夾具，通過夾具夾持根系，夾具上鋪墊一層橡膠皮，增加根系與夾具間的摩擦力，橡膠皮具彈性，可減少鐵制夾具對根系的損傷。
3.根據權利要求1和2所述的測定植物根系抗拉力學特性的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)利用根鉆或剖面挖掘法，對植物根系進行取樣，保持根系的原狀分布位置，將根系進行清洗，剔除死根，活根低溫保存； 2)應用數顯游標卡尺測定待測根系兩端及中間點處的根徑，根據根徑大小將所有根系分成不同直徑級； 3)用數顯推拉力計和螺旋機架測定并自動記錄根系的最大抗拉力和拉伸形變位移； 4)根據根直徑、最大抗拉力和根拉伸長度等參數，計算不同根徑級根系的抗拉強度和楊氏模量； 5)統計根系抗拉強度和楊氏模量與根徑大小的關系，分析根系的抗拉力學特性。
4.根據權利要求1或2或3所述的植物根系抗拉測試方法，其特征在于:本方法所采用機械裝置結構簡單、體積小、重量輕，操作過程簡易，測量結果準確，且各部分可以拆分為各個部件或單件，便于攜帶。
【專利摘要】本發明公開了一種測定植物根系抗拉力學特性的簡易方法。本方法包括以下步驟：1)利用根鉆或剖面挖掘法，對植物根系進行取樣，將根系進行清洗，剔除死根，活根低溫保存；2)用數顯游標卡尺測定根系兩端及中間點處的根徑，根據根徑大小將所有根系分成不同直徑級；3)用數顯推拉力計和螺旋機架測定并自動記錄根系的最大抗拉力和拉伸形變位移；4)根據根直徑、最大抗拉力和根拉伸長度等參數，計算不同根徑級根系的抗拉強度和楊氏模量；5)統計根系抗拉強度和楊氏模量與根徑大小的關系，分析根系的抗拉力學特性。本發明方法實驗裝置簡單，操作過程簡易，測量結果準確，可方便地運用于野外和室內對植物根系的抗拉和彈性拉伸強度進行測定。
【IPC分類】G01N3-08
【公開號】CN104655488
【申請號】CN201510008324
【發明人】鐘榮華, 賀秀斌, 鮑玉海, 呂發友, 高進長, 閻丹丹, 李峪, 王銘烽
【申請人】中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月8日