露天矿山开采产生的废弃物大量堆积就会形成排土场，造成植被受损和滑坡崩塌等危害。植物的根系可以稳固土壤，提高边坡稳定性，减少自然灾害的发生（张乔艳等，2020）。根系固土的机制之一是根系的存在改变了土体的力学性能，主要通过浅根的加筋作用和深根的锚固作用来表现（宋维峰等，2008），植物根系拉拔特性可作为评价植物固土作用的重要指标（王程等，2023）。当根系与土体作用受到剪切破坏时，根系的拉应力会减缓土体所承受的剪应力，充分发挥植物根系固土护坡的作用。在根系拉拔试验破坏过程中存在2种破坏形式，分别是拔断破坏和拔出破坏。当根土界面最大摩擦力大于植物根系最大抗拉力时，植物根系会发生拔断破坏；当植物根系最大摩擦力小于最大抗拉力时，植物根系会发生拔出破坏（Ji et al.，2018）。国内外学者认为植物根径、生长周期、土壤压实度、根系埋深和土壤含水率等均会影响植物根系拉拔特性（Ji et al.，2018；Fan et al.，2021；郭欢等，2022；吴凤等，2022；Mao et al.，2023）。Yang et al.（2018）认为草本植物根系的抗拉力随着根径的增加而增大；郭欢等（2022）通过研究2种护坡灌木单根拉拔摩擦试验，认为根系的直径和埋深对植物的抗拔力产生了影响；管世烽等（2016）在进行水平荷载作用下多花木蓝根系拉拔试验研究中发现，多花木蓝单根的最大拉拔力与土壤干密度呈正比；洪德伟（2019）基于大量试验，得出根土界面的摩擦力随着含水率的增加呈现出先增大后减小的变化趋势。Zhu et al.（2022）通过大量试验，证明了不同土壤含水率与植物根系抗拔力之间的关系。因此，为了探讨草本植物根系的护坡效果，需要对草本植物根系与土壤界面抗拉拔特性的影响因素进行研究。

本文选取多年生草本植物紫花苜蓿，开展了紫花苜蓿室内单根拉伸试验和拉拔试验，解决了以往研究侧重于探讨紫花苜蓿根系抗拉力和抗拔力变化规律的不足，为草本植物根土界面拉拔特性的研究提供了理论依据，增强了露天矿山排土场边坡的稳定性，对于黄金及稀贵金属矿山排土场边坡的生态修复具有重要的参考价值和指导作用。

研究区位于辽宁省阜新市太平区海州露天矿山排土场，排土场位于露天矿坑的西南部，占地面积约为13 km²（图1）。排土场呈阶梯状，平面呈弧形条带，地势表现为西北高、东南低，陡坎坡平均坡度为45°，平面最高海拔为+320 m，排土场相对标高为+32~+200 m。研究区气候为温带大陆半干旱季风气候，夏季炎热，秋季多风。

在排土场边坡利用环刀采集表层土壤（厚度约为20 cm），进行多点取样后将样品均匀混合，密封保存带回实验室。采用烘干法测量含水率，采用振动锤击法开展最大干密度试验。表层土壤的力学性质采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪（四联剪）进行测定，得出土壤的内摩擦角和黏聚力。边坡表层土壤的基本性质如表1所示。

本文选取排土场边坡自然生长的紫花苜蓿作为研究对象，紫花苜蓿的根粗壮，深入土层，根径发达，常用作护坡植物。采用全挖法采集根系，去除紫花苜蓿根系表面土壤，将根系浸泡在浓度为15%的酒精溶液中，带回实验室进行研究。紫花苜蓿根系分布如图2所示。

单根拉伸试验的目的是测定不同直径条件下根系的抗拉力和抗拉强度。在土体中根系受拉产生的抗拉力可以对土壤的下滑力进行缓冲（Zhou et al.，2019）。单根拉伸试验为进一步根系受拉分析提供了理论基础，试验结果还为后续探究紫花苜蓿根系拉断破坏和拔出破坏的临界值提供了重要数据。试验过程如下：剪取根系较直，且直径变化较小的根段10 cm，选取若干根直径不同的单根进行抗拉试验。采用精度为0.01 mm的游标卡尺测量根段两端和中间部位的根径后取平均值作为根段直径。试验仪器为数显拉力计ZP-500。试验时将根段固定在拉力计两端，匀速加载，直至紫花苜蓿根系被拉断，记录最大拉力值，计算单根抗拉强度为

式中：P为抗拉强度或抗拔强度；F为抗拉力或抗拔力；D为根系直径。固定端被拉断的根系试验误差较大，为了提高试验的准确性，选择被拉断部位处于根段中间1/3处的根系进行计算。

结合排土场表层土壤的基本数据，进行重塑土制备，将制备好的土壤静置24 h后再使用，使原状土与重塑土的基本物理性质保持一致。根据根系直径、土壤压实度和根系埋深3组不同变量分别进行3组试验，在试验过程中，使用游标卡尺测量根段两端及中间部位的根径，取平均值。试验一按照《土工试验方法标准》（中华人民共和国住房和城乡建设部，2019）重塑制样方法，将单根埋置于内径为6.5 cm、高度为12 cm的圆形钢桶中心压实，制备成紫花苜蓿根—土复合体，控制土壤压实度为80%，紫花苜蓿单根埋置深度为10 cm，剪取根径为0.23~1.91 mm，根系形态较直、长约12 cm的根段作为第1组试验材料。试验二控制紫花苜蓿根径相同，埋置深度为10 cm，改变压实度以5%为一个梯度。剪取根径相同，根系形态较直、长约12 cm的根段作为第2组试验材料，计算含水率为8.7%，压实度为65%~95%时所需重塑土的质量，使用精度为0.01 g的天平进行称重后将重塑土放入托盘中备用。将钢桶放入内径为10 cm的圆形扣件中，根段放入钢桶内，让根系端部的位置正好放入圆形扣件内直径为1 cm、高度为2 cm的孔洞中，防止根段露出的部分在击实过程中发生弯折（图3）。将配置好的重塑土分3层放入钢桶中，边放入边压实，最后利用手动击实桶击实。试验三控制压实度和根径相同，改变埋深，剪取根径相同、根系形态较直且长度为10~17 cm的根段作为第3组试验材料。分别将单根埋置于内径为6.5 cm，高度分别为10 cm、12 cm和15 cm的圆形钢桶中心压实，控制紫花苜蓿单根埋置深度为8~15 cm。然后，利用艾固数显拉力计（ZP-500）沿竖直方向缓慢匀速将根拔出，读取拉力计数据，计算单根抗拔强度。每组重复3次，确保试验数据的可靠性。

由图4可知，紫花苜蓿根系直径对抗拉拔力和抗拉拔强度具有明显影响。根系的抗拉拔力随着根径的增加而增大，抗拉拔强度随着根径的增加而减小。根径与抗拉拔力之间呈明显正相关关系，而根径与抗拉拔强度之间呈明显负相关关系。当根径较细时，抗拉力增长幅度较缓，抗拉拔强度迅速减小，随着根径的增加，抗拉拔力增长幅度越来越大，而抗拉拔强度减小幅度越来越小。根径越大，根系对抗拉拔力的影响越大，而对抗拉拔强度的影响越小。抗拉力的曲线斜率大于抗拔力，而抗拔强度的减小趋势比抗拉强度更加明显。

紫花苜蓿根径与抗拉拔力、抗拉拔强度之间具有较好的幂函数关系，表示为

式中：F为抗拉拔力或抗拉拔强度；D为单根根径；a和b为拟合参数。

抗拉力与抗拔力相交于根径为0.73 mm（临界值），根径小于临界值的根系根径较细，拔出过程中根—土界面的摩擦力大于抗拉力，根系被拉断，发生拉断破坏的概率较大，拉断率为71.32%；根径大于临界值的根系根径较粗，最大抗拉力大于根—土界面的摩擦力，且摩擦力小于抗拔力，根系被拔出，发生拔出破坏的概率较大，拔出率为68.28%。

抗拉力是指根系在轴向拉伸过程中，抵抗拉伸变形和破坏产生的力，而抗拔力是指根系在受到垂直于其表面方向的力的作用时，抵抗根系拔出的力（苑淑娟，2010）。植物根系的固土能力可以通过根系拉拔特性来表现，因此抗拉力和抗拔力越大，其根系对提高边坡稳定性的能力越强。这与郑明新等（2018）有关不同生长期多花木兰根系拉拔特性及其根系边坡稳定性的研究结论一致。紫花苜蓿的单根拉拔试验表明，根径越小越容易发生拉断破坏，根径越大越容易发生拔出破坏，这与Ji et al.（2019）和刘小光（2013）的研究结果一致，而与Pollen（2007）和Schwarz et al.（2010）试验结果相矛盾。产生此现象的原因是根径越大，根系表面积越大，根—土界面摩擦力越大，根系越容易被拉断，且根系上的分支和毛根数量等均会影响根系固土的能力。然而，在重塑土试验中忽略了这些因素，且固定埋置深度，所以会产生相矛盾的结果。拔出破坏和拉断破坏存在临界根径，根径越大发生拔出破坏的概率越大，根径越小发生拉断破坏的概率越大，根径小于临界根径的根系发生拉断破坏的概率较大，根径大于临界根径的根系发生拔出破坏的概率较大。因为根径越大，根系本身的抗拉力越大，而土壤的压实度一定，随着根径的增加，根系抗拉力增长的速度大于根系与土壤之间摩擦力增长的速度，所以发生拔出破坏的概率加大，发生拉断破坏的概率减小。当紫花苜蓿根径小于临界根径时，抗拔强度大于抗拉强度；当紫花苜蓿根径大于临界根径时，抗拉强度大于抗拔强度。

在埋深相同但根径不同的条件下，紫花苜蓿的单根抗拔力、根径与压实度之间的关系曲线如图5所示。

由图5可以看出，紫花苜蓿根系的抗拔力随着压实度的增加呈现出先增大后趋于平稳的变化趋势。在单根试验过程中，发现直径小于1 mm的紫花苜蓿根系在压实度低于80%时开始出现根系被拉断的现象。当压实度为80%~90%时，既有拉断破坏又有拔出破坏。当压实度为90%时，根径小于2 mm的根系全部被拉断。由此说明，紫花苜蓿的根系存在临界压实度，当土壤压实度超过临界值时，根系发生拉断破坏，根径越小，临界值越小，且随着土壤压实度的增加，紫花苜蓿被拉断的概率也在增加。这一结果与吴凤（2022）关于土壤含水量和压实度对植被护坡加固效果影响的研究结论一致。

根径越大，压实度与抗拔力曲线变化幅度越明显，说明压实度对根径较大的根系影响更大。当压实度较小时，根系最大摩擦力小于最大抗拉力，植物根系发生拔出破坏，根系被拉出。当根径一定时，紫花苜蓿根系抗拔力先随着根系压实度的增加而增加，说明压实度越小，土壤越松散，随着土壤压实度的增大，土粒之间的排列变得非常紧密，根土之间的黏聚力也越大，且根系与土壤的接触面更紧实，粗糙程度更大，导致根的摩擦力不断增大，所以拉拔时根系的抗拔力也随之增大。这与洪德伟（2019）关于晋西黄土区油松根系与土壤的摩擦力学特性的研究结论一致。当压实度较大时，根土界面最大摩擦力大于植物根系最大抗拉力，植物根系会发生拉断破坏，根系被拉断。紫花苜蓿根系抗拔力随着根系压实度的增加而趋于平稳。产生这种现象的原因是，当压实度达到一定程度时，土壤颗粒之间排列过于紧密，孔隙太小，导致根系被拔出时根土界面产生的摩擦阻力已经远大于植物根系本身的抗拉力，所以根系会发生断裂，此时的抗拔力与根系本身的抗拉力相同。这与张永亮等（2009）关于柠条、沙柳根—土界面抗阻拉力特性的研究结论一致。

植物根系的埋置深度是影响植物抗拔能力的重要因素之一。随着埋深的增加，不同压实度条件下紫花苜蓿根系的抗拔力表现不同，具体为：当压实度为65%时，抗拔力不断增大；当压实度为75%时，抗拔力先增大后趋于稳定；当压实度为85%时，抗拔力基本保持不变。随着埋深的增加，不同根径条件下紫花苜蓿根系的抗拔力表现不同，具体为：当根径为0.84 mm时，抗拔力变化浮动较小；当根径为1.32 mm时，抗拔力先增大后趋于稳定；当根径为1.68 mm时，抗拔力呈增长趋势（图6）。摩擦力计算公式为

式中：r为根系半径；μ为根土摩擦系数；γ_s为土体容重；z为根段深度。

由此可知，摩擦力与埋深呈正相关。依据贾彩虹（2008）编著的《土力学》可知，随着土层深度的增加土压力增大，深度越深则根受到的压力越大。滑动摩擦力计算公式为

式中：μ为根土摩擦系数；N为正压力。

由此可知，压力越大，紫花苜蓿根系所承受的摩擦力就越大，抗拔力也越大。说明随着埋深的增加紫花苜蓿根—土界面的作用力增强，即根系生长得越深对保持土壤稳定的效果就越明显。

压实度越大，埋置深度对抗拔力的影响程度越小。当压实度达到一定程度后，土体之间的粗颗粒与细颗粒充分结合，根系与土壤之间的咬合作用加大，根—土界面的摩擦力迅速超过根系的抗拉力，此时无论埋深多大，根系均会发生拉断破坏。当压实度较小时，根系的埋深越大，根系与土壤接触的表面积越大，根—土界面的摩擦力也越大，根系的埋置深度对抗拔力的影响也越大。当根径较细时，随着埋置深度的增加，根系越容易发生拉断破坏。当根径较大时，根系本身的最大抗拉力较大，此时发生拉断破坏的概率降低，对抗拔力的影响程度加大。这与胡夏嵩等（2012）关于青藏铁路沱沱河段路基边坡植物护坡根系力学强度试验研究的结论一致。根径越大，埋置深度对抗拉力的影响程度越大，埋置深度越大，土壤的细颗粒越多，根系与土壤接触越紧密，根系与土壤的摩擦力越大，抗拔力也越大。根径越小，抗拉力越小，当埋置深度较浅时，根土间的摩擦力大于抗拉力。因此，埋置深度对根径较小的根系影响程度较小。

根系在土体中的分布呈网状、纵横交错，在根系盘结范围内土体可看作由土和根系形成的根—土复合体材料（周云艳，2010）。根系抗拉不抗压，土壤抗压不抗拉，结合根系和土壤的优点，在受到剪切作用时，发挥加筋作用，根系本身的拉应力、根土界面的摩擦阻力以及根系之间的土体侧向约束力发挥作用，从而提高根土复合体的抗剪强度，增加了边坡稳定性，减少边坡浅层滑坡（朱锦奇等，2020）。根系加筋所提高的抗剪强度为

式中：τ为根—土复合体抗剪强度；σ为正应力；φ为内摩擦角；cs为素土黏聚力；∆s为根系黏聚力。提高根—土复合体的抗剪强度可以增加根系的黏聚力，根系整株增加的黏聚力可通过WWM模型进行量化，表示为

式中：Tri为第i个根系的抗拉强度；Ai为第i个根系的截面面积；N为穿过剪切面上根系的数量；A为剪切面面积；θ为垂直方向上的剪切变形角；φ为土壤的内摩擦角。由上式可以看出，根系直径和根系数量对根系的黏聚力具有一定的影响，且在一定条件下，压实度和根系埋深的增加可以提高拉拔强度，增大根系的黏聚力，加强根—土复合体的抗剪强度，进而提高露天矿山排土场边坡的稳定性。

通过改变紫花苜蓿根径、土壤压实度及根系埋置深度，采用单根抗拉拔试验，探究在不同条件下紫花苜蓿单根拉拔特性，为加强整株紫花苜蓿根系固土护坡作用研究，提高露天矿山排土场边坡的稳定性提供理论依据。研究得出如下结论：

（1）紫花苜蓿的抗拉拔力与根径呈正相关，抗拉拔强度与根径呈负相关。抗拉拔力与根径的关系曲线相关系数达到0.9以上，说明根径越大，根—土界面的摩擦力越大，根系的抗拔力就越大。根径越小越容易发生拉断破坏，根径越大越容易发生拔出破坏。拉断破坏和拔出破坏存在临界根径，即0.73 mm，根径小于0.73 mm的根系发生拉断破坏的概率为71.32%；根径大于0.73 mm的根系发生拔出破坏的概率为68.28%。

（2）土体压实度对抗拔力具有显著影响，紫花苜蓿的抗拔力随着压实度的增加呈现出先增大后趋于平稳的变化趋势。随着压实度的增加，根系发生拉断破坏的概率增加。

（3）埋置深度对紫花苜蓿根系抗拔力的影响程度与压实度、根径有关。压实度越大，埋置深度对抗拔力的影响程度越小；根径越大，埋置深度对抗拉力的影响程度越大。当压实度和根径相同时，根系埋深越大，土压力越大，根土间的摩擦力越大，根系的抗拔力也越大。

本文仅针对阜新海州露天矿山排土场紫花苜蓿的根系，研究了根系发生拉断破坏和拔出破坏的临界根径，不同压实度条件下发生拉断破坏和拔出破坏出现的概率，以及压实度与根径对埋深和抗拉力之间关系的影响程度。今后，可对其他植物进行原位拉拔特性分析，进一步揭示不同压实度和不同埋深对根系拉拔特性的影响，为研究植物根系加固排土场边坡提供理论基础。