不同根系含量对山原红壤抗剪强度的影响

[目的]探讨云南省昆明市呈贡区段家营一植被覆盖的斜坡区不同含量植被根系对山原土壤抗剪强度的增强效应,为相关研究提供理论依据。[方法]制备0(无根系空白样),0.467,0.93,1.4 mg/cm~3这4种根系含量以及20%,25%,30%,35%,40%这5种含水量的根—土复合体试验样品进行抗剪强度试验。[结果]根—土复合体中,植被根系能提供给土壤额外的抗剪能力和抵抗土体变形来增强土体的抗剪强度,植被根系对土体抗剪强度有明显的增强效应,但这种增强效应是有限的。根系含量在0.93 mg/cm~3时,根系对土体的抗剪强度增强效果最好。随着根系含量的增加,黏聚力和内摩擦角总是呈现负相关性的关系,在低含水量情况下,黏聚力随根系含量增加而先降低后增加,内摩擦角随根系含量变化则相反。当含水量低且根系含量相对较少时(当含水量≤35%,根系含量≤0.93 mg/cm~3时),土壤参与剪切整个过程且为被剪主体,得到的黏聚力和内摩擦角均为正值,符合库仑定律;当含水量较高且根系含量较多时(当含水量=35%,根系含量=1.4 mg/cm~3时以及当含水量=45%,根系含量≥0.467 mg/cm~3时),被剪主体为根系,得到的黏聚力为负值,不符合库仑定律。[结论]库仑定律不适用于高含水量和高含量植被根系的根—土复合体抗剪强度的研究。在采用植被护坡时可用试验确定边坡土壤抗剪强度最高时的最佳含根量和含水量。     

桑树根系对紫色土土壤抗剪强度的影响

在重庆市忠县石宝镇选择桑树林地,每隔10 cm分层采集土壤样品,分离桑树根系与土壤,利用根系分析系统WinRHIZO分析根系的长度、体积和表面积等指标,同时测定紫色土土壤抗剪强度、紧实度、水分含量和容重等指标,利用逐步回归分析从形态学角度评价桑树根系对紫色土土壤抗剪强度的影响。结果表明:桑树根系根长密度总体上随土壤深度的增加而减少,中根及小根根体积密度随土壤深度的增加而增加,细根及极细根表面积密度则随土壤深度增加而减少;桑树林地土壤抗剪强度总体上随土壤深度的增加而增加,10—40 cm层林地土壤抗剪强度显著高于同层对照;紫色土土壤抗剪强度增加值主要来源于桑树平均根体积密度和土壤水分增加值的贡献,且前者是主要贡献者,桑树根系可以有效提高紫色土土壤抗剪强度。     

植被混凝土基材2种草本植物根-土复合体直剪试验研究

通过在植被混凝土基材上对狗牙根和紫花苜蓿2种有代表性的草本植物进行样地种植和室内直剪试验,分析植被混凝土基材上不同深度根-土复合体抗剪强度的分布规律,对比基材空白样地相应深度的抗剪强度,证实和量化了草本植物根系增强土壤抗剪切强度的作用。试验表明:根-土复合体在0-10cm土层内摩擦角变化不明显,粘聚力随深度先增大后减小;与基材空白样样地相比,根-土复合体内摩擦角变化不大,粘聚力变化显著,狗牙根粘聚力最大增幅为129.4%,紫花苜蓿粘聚力最大增幅为77%;狗牙根根-土复合体抗剪强度比同期生长的紫花苜蓿根-土复合体的抗剪强度高。     

4种不同植被群落类型表土的抗蚀力学特性

[目的]研究黄土高原农林业生产表层土壤水土流失,为该区域及其相似地区生态修复中树种选择及配置提供科学依据。[方法]以杨树+柠条乔灌混交林、杨树纯林、油松常绿针叶林和柠条灌木纯林下4种不同植被群落类型下表土为对象,进行抗剪力学特性研究,并分析土壤含水率对其力学特性的影响力。[结果]在测试表土含水率2.5%～12.5%范围内,4种不同植被类型及裸地对照样地土壤结皮抗剪强度和黏聚力均随着土壤含水率的增加呈增大的趋势,表明在一定范围内表土湿润程度的增加对提高土壤表层抗蚀能力起到积极作用;4种不同植被群落类型表土抗剪强度和黏聚力的值均显著大于裸地的值,说明水土保持的林草措施对表层土壤结构的改善起到了促进作用,从而提高了表层土壤的抗侵蚀能力;在测试含水率2.5%～12.5%范围内随着含水率的增加各样地表土内摩擦角无明显的变化规律。[结论] 4种不同植被群落类型中柠条+杨树混交林下表土抗剪强度、黏聚力总体表现最大,这也从另外一方面说明了水土保持的林草措施中营造混交林的优越性。     

不同护坡草本植物的根系分布特征及其对土壤抗剪强度的影响

为明确用于三峡库区植被构建的边坡植物物种根系特征与土壤抗剪强度之间的关系,该文以裸地为对照,应用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统对香根草(Vetiveria zizanioides(Lin.) Nash)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)、狗牙根(Cynodon dactylon(L) Pers.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)4种护坡草本的根系特征进行定量分析.研究发现:香根草的根长密度和根表面积密度显著大于其他草本;各草本类型的根长密度、根表面积密度及根重密度均随着土壤深度的增加递减,但随深度的增加,不同草本类型的差异逐步缩小;不同草本类型土壤内摩擦角φ和粘聚力c大小均为:香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地,且随土层深度的增加而降低;随着根长密度、根表面积密度的增大,土壤内摩擦角φ呈显著的对数增长,土壤粘聚力c呈显著的线性增长,且与直径D≤5 mm不同径级的根系特征之间存在明显的相关性.结果表明:相对于裸地而言,4种草本均能显著增强土壤内摩擦角φ和粘聚力c,且根系对土壤内摩擦角φ的提高程度大于土壤粘聚力c;根长密度和根表面积密度,尤其是直径D≤5 mm径级的根长密度和根表面积密度能很好的表征土壤的抗剪强度,可作为评估土壤抗剪强度的重要参数.     

石匣小流域整地措施对土壤剪切性质的影响

为了解坡面整地措施对坡体稳定性的影响和土壤物理性质对土壤抗剪强度的差异性,选取石匣小流域4个标准样地,通过测量多个土壤物理性质指标(土壤容重、土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、紧实度和液限),研究不同坡面整地措施的土壤临界剪切力随深度的变化,以及土壤抗剪切破坏能力的强弱关系和影响因素。结果表明:原状土的临界剪切力随深度的增加而增加;通过库伦公式得出的土壤抗剪强度与土壤临界剪切力的回归方程为σ=0.0123τf+0.6308。土壤物理性质对抗剪强度的影响不同,紧实度、容重与含水率对抗剪强度的影响相对较大。对于不同的坡面整地措施,土壤抗剪切能力强弱顺序为梯田水平条裸地,其中,在水平条上种植针叶树,土壤抗剪切能力优于种植阔叶树。在北京石匣地区,布设坡面整地措施时,需因地制宜地增加田面宽度,并种植针阔混交林以增加土壤抗剪强度。     

植被固土减蚀作用的力学效应

通过分析黄土丘陵沟壑区第一副区、第二副区和水蚀风蚀交错区不同植被坡面土壤的抗剪切力特性,研究植被固土减蚀的力学效应.结果表明,不同植被坡面土壤抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;由于根系的固结作用,植被坡面土壤的抗剪强度明显增加,植被坡面的黏聚力和内摩擦角角度大于裸地坡面的黏聚力和内摩擦角角度;不同植被坡面的黏聚力是裸地黏聚力的1.04～2.11倍,不同植被坡面的内摩擦角角度是裸地内摩擦角角度的1.03～1.19倍;不同植被坡面黏聚力与侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,产沙量呈下降的趋势;不同植被坡面产沙量随径流切应力的增大而增大,具有较好的线性相关关系.在上述分析基础上,建立了临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系,从力学层面认识了坡面侵蚀产沙的过程机理.     

花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证

为深入了解花棒(Hedysarum scoparium)根系在增强土壤抗剪强度中的作用机理,同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏,该文采用有限元数值模拟的方法研究了宁夏毛乌素沙地5 a生人工种植花棒根系的根截面积比(root area ratio,RAR)和垂直荷载对根-土复合体抗剪强度的影响,并对模拟结果进行了试验验证。研究表明:花棒根-土复合体的抗剪强度与垂直荷载的关系符合摩尔库伦(Mohr–Coulomb)屈服准则,花棒根系对土壤的抗剪强度有显著的提高作用。随RAR的增加,花棒根系表观黏聚力(root apparent cohesion,SR)呈线性增加(R20.9)。在相同的RAR下,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随垂直荷载的增加逐渐降低,符合对数函数变化规律(R20.9);在相同的垂直荷载下,随RAR的降低,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率呈线性递减(R20.9);在较低垂直荷载的情况下,花棒根系提高土壤抗剪强度的作用更明显。研究发现与素土相比花棒根-土复合体的剪应力峰值出现较晚,当土壤出现明显塑性变形时,花棒根系的固土能力才能体现出来。数值模拟结果和室内试验结果显示:利用该文所建立的花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模型,模拟计算的根-土复合体抗剪强度与室内试验结果基本一致,相对误差绝对值的平均值1.87%,花棒根-土复合体的直剪试验可以通过该研究所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果对于深入了解植物根系加固土壤的作用机理和推进根-土相互作用的数值模拟研究具有重要参考意义。     

2种草本植物根系对崩岗洪积扇土壤抗剪强度的影响

为探讨草本植物根系对崩岗洪积扇土壤抗剪强度的影响,以巨菌草(Pennisetum sp.)和宽叶雀稗(Paspalum wettsteinii)为研究对象,采用WinRHIZO根系分析系统对根系特征进行定量分析,并采用原位剪切试验测定崩岗洪积扇各土层的抗剪强度。结果表明:(1)根系能够改善土壤的结构及水分状况;(2)2种草本植物根系均主要分布在0—5cm土层,该层巨菌草根系各参数值是该草种根系均值的3.1~4.39倍,宽叶雀稗的则为2.23~2.57倍,随着土层深度的增加,巨菌草根系参数呈对数函数减小,而宽叶雀稗呈线性减小;(3)土壤抗剪强度均值大小表现为巨菌草宽叶雀稗裸地,其大小依次为21.04,16.43,9.89kPa;在0—20cm土层,2草种抗剪强度均显著大于裸地;(4)土壤抗剪强度与生物量密度、根表面积密度和分叉数密度极显著正相关,与根长密度显著正相关;巨菌草根系的生物量密度是表征土壤抗剪强度的最主要因子,而宽叶雀稗的则为根长密度。2种草本植物根系均能提高崩岗洪积扇土壤的抗剪强度,而巨菌草的效果优于宽叶雀稗。     

微域尺度苏打碱土的特征与植被的分布规律

探讨了微域尺度(32 m长的横剖面)苏打碱土的特征以及植被分布规律.结果表明,沿洼地向高平地土壤表现为盐化草甸土-浅位柱状苏打碱土-白盖苏打碱土-中位柱状苏打碱土的分布格局.植被为圆叶碱毛茛/蔚蓄蓼群落、鹅绒委陵菜群落、羊草/寸草苔群落、裸地以及羊草/星星草/虎尾草群落,其中委陵菜/篇蓄蓼群落、羊草/苔草群落沿洼地呈环状分布,裸地以及碱茅/虎尾草/羊草群落呈斑状分布.洼地边缘的植被具有最高的物种丰富度和覆盖度,生物量也最高;高平地的植被矮小,生物量较少.裸地的盐分含量较高(可达3.38%),土体紧实,限制了植被生长.     

汶川典型植物根-土复合体抗剪强度影响因素评价

为探究不同植物根-土复合体抗剪强度的差异性及各因素对其的影响程度,选取汶川县针叶林、阔叶林、灌丛、草地4种不同植被覆盖区为研究区,通过野外制取16种优势植物根-土复合体和无根裸土原状试样并开展室内快剪试验.分析了汶川县典型植物根系对土体抗剪强度和抗变形能力的增强作用,运用灰色关联法分析影响复合体抗剪强度的因素.结果 表...     

盐生植物根系增强土体抗剪强度效应试验研究

以大柴旦盐湖区及其周边地区作为试验区,选取海韭菜、芦苇2种优势盐生植物作为供试种,通过对2种盐生植物根—土复合体试样和素土试样进行剪切试验,探讨了盐生植物根系对土体抗剪强度增强作用以及土体抗剪强度的影响因素。结果表明:2种植物根—土复合体试样粘聚力值为13.48~21.87kPa,不含根系素土试样粘聚力值为8.45kPa,与不含根系素土相比,根—土复合体的粘聚力值增长量为5.03~13.42kPa,其增长幅度为59.53%~158.82%;海韭菜根—土复合体试样粘聚力值大于芦苇,2种盐生植物根—土复合体试样粘聚力值与2种盐生植物在一定范围内的根系含量之间呈正相关关系,同时一定程度上表明了试验区2种植物根系增强土体强剪强度的机制表现为,在一定范围内根—土复合体中根系密度和数量愈高则其对土体抗剪强度增强程度相对愈显著,且海韭菜对土体粘聚力的增强作用显著大于芦苇。该研究成果对研究区以及与该区地质条件相类似的其他地区利用盐生植物增强土体抗剪强度,以实现有效地防治地表水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有理论研究价值和实际指导意义。     

金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及其模型预测

开展金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及预测的研究,为该地区生态恢复、边坡防护、水土流失防治等生态工程中植物选择及其固土能力的计算提供依据.采用原位剪切试验测定扭黄茅(Heteropogon contortus)、莎草(Eulaliopsis binata)、芸香草(Cymbopogon distans)、旱茅(Schizachyrium delavayi(Hack.)Bor)等4种乡土草本植物根系及素土的抗剪切强度;用根系拉力计和电子卡尺测定根系的抗拉强度和直径:用Wu和Waldron垂直根模型(WWM)及纤维束根增强模型(FBM)对根系提高土体抗剪能力进行预测.结果表明:1)4种植物根系直径约80％分布在0.1～1mm的范围内,扭黄茅、莎草、旱茅根系的直径和抗拉强度之间成负幂函数关系,芸香草两者间没有相关性.2)扭黄茅、莎草、旱茅、芸香草的根系可将土体的抗剪强度分别提高20.7％、85.3％、84.4％、16.1％.3)用WWM模型预测扭黄茅、早茅、莎草的提高土体抗剪能力,其预测值是实测值的3.59～10.83倍;用FBM模型的预测值是实测值的1.24～2.62倍.旱茅、莎草根系提高土体抗剪强度的能力强于扭黄茅和芸香草,在干热河谷的生态工程中可优先选用;对根系提高土体抗剪强度的预测,FBM模型要优于WWM模型.     

针叶与阔叶树根系对土壤抗剪强度及坡体稳定性的影响

重庆缙云山地处三峡库区,是国家重点自然保护区。由于地势特点,坡面极易发生土壤侵蚀及浅层滑坡,因此,在不破坏原有生态环境的前提下,有效防止灾害发生是该地区的重点防治工作。选取了同种根构型的针叶树种(马尾松Pinus massoniana Lamb)和阔叶树种(四川大头茶Gordonia acuminate),比较其提高土壤抗剪强度的作用强弱,并分析根面积比率、剪切带根系径级比、根系位置范围,以及根系角度等因素对土壤抗剪强度的影响。结果表明,针叶树种对土壤抗剪强度增强效果强于阔叶树种;针叶树种根系平均抗拉强度较大,其对土壤抗剪强度的增量更大;针叶树种根系分布范围较广且存在更多与剪切方向成60°的根系,表现出更好的固坡作用;根面积比率对土壤抗剪强度影响不明显。     

含根量与土壤抗剪强度增加值关系的试验研究

通过对裸地、车桑子灌木林地不同深度土壤在天然含水量情况下的直剪试验，及对车桑子根系沿垂直方向的分布情况的调查，研究了含根量对非饱和土抗剪强度的影响。结果表明，植物根系具有提高非饱和土抗剪强度的作用，含根量沿垂直方向呈指数函数规律分布，黏聚力和内摩擦角沿垂直方向的增加值均与含根量成正相关关系。     

岩石边坡植被恢复工程中的客土稳定性分析

[目的]讨论岩石边坡植被恢复工程中的客土稳定性计算方法,为该类工程的稳定性评价提供依据。[方法]模拟计算抗剪型和摩擦型根系产生的作用力,转换为抗剪强度后作为客土稳定性的附加值,进而推导出稳定性计算公式,并通过济南—莱芜高速公路的客土喷播工程案例进行实测和验证。[结果](1)客土稳定性系数取决于无根土抗剪强度(Fs)、客土容重(γ)、客土厚度(d)、根系抗剪强度增量(τR);(2)根系产生的抗剪强度可细分抗剪型根系抗剪应力(τRg)和摩擦型根系抗剪应力(τRf)二者之和;(3)稳定性计算值始终小于实测值,分布规律及偏差值较稳定,植被恢复初期的3~5a内客土稳定性系数与植被恢复期成明显的正相关关系。[结论]客土稳定性系数计算可以作为岩石边坡植被恢复工程的参数设计和稳定性评价方法。     

2种草本植物根系对长汀县崩岗洪积扇土壤水分状况的影响

植被恢复是防治崩岗侵蚀的重要方法,为研究植物根系对崩岗洪积扇土壤水分状况的影响,以崩岗洪积扇上种植的深根系巨菌草和浅根系宽叶雀稗为研究对象,对其分层取样后,用环刀法测定土壤的密度、孔隙度和最大持水量等物理性质,计算土壤蓄水能力,并用WinRHIZO根系分析系统,测定根长和密度等参数.结果表明:巨菌草和宽叶雀稗的各根系特征指标,均随土层深度的增加而减小,巨菌草各根系指标均大于宽叶雀稗;有植被覆盖下的土壤密度均小于裸地,植被覆盖下土壤总孔隙度和毛管孔隙度均大于裸地,且随土层深度的增加而减小;有植被根系的土壤饱和蓄水量和毛管蓄水量均比裸地高,且与裸地差异显著;在土壤表层,宽叶雀稗增加土壤孔隙性和土壤保水能力大于巨菌草,而在土壤中深层,则巨菌草大于宽叶雀稗;根系改善土壤性质的能力,主要取决于其根长密度和根系总表面积,直径小于0.5mm的根系是影响土壤水分的最主要因子.研究植物根系对改良土壤水分状况的影响,以期为崩岗侵蚀防治中植被种类的筛选和推广提供依据.     

油蒿群落演替中的植物密度对土壤氮/磷比的响应

选择腾格里沙漠东缘内蒙古阿拉善左旗境内的油蒿+冷蒿群落为研究对象,在80 m×80 m样地400个4 m×4 m样方中,调查了油蒿和冷蒿的密度,测定了0～20 cm土层中的全氮和有效磷,分析了土壤氮/磷比与植物密度之间及其空间异质性之间的关系。结果表明,油蒿密度随土壤氮/磷比的增大而减小,冷蒿密度随土壤氮/磷比的增大而增大;油蒿密度的空间异质性随土壤氮/磷比的空间异质性的增大而减小,冷蒿密度空间异质性与土壤氮/磷比空间异质性无关。分析表明,植物密度的变化与土壤氮/磷比的变化密切相关,随着土壤氮/磷比的增大,油蒿逐渐退出,冷蒿逐渐侵入。因而,土壤氮/磷比的变化是干旱区油蒿群落演替的一个原因。     

柠条锦鸡儿细根表面积密度对土壤水分空间分布的响应

为研究柠条锦鸡儿(Caragana microphylla)细根与土壤水分的空间关系,以内蒙古农牧交错带10 a生柠条锦鸡儿细根为研究对象,对细根表面积密度与土壤含水率之间的关系进行了初步探讨。分别对柠条锦鸡儿细根和土壤水分的空间分布情况进行研究发现,垂直和水平土层方向各标准地柠条锦鸡儿细根表面积密度与土壤含水率均呈极显著相关,相关系数均大于0.65(P0.01)。经回归分析建立柠条锦鸡儿细根表面积密度与土壤含水率之间的关系模型并对模型进行验证,验证结果发现该模型可以很好地描述两者之间的关系(R~2=0.84,P0.01)。撂荒地土壤含水率比柠条地高71%,研究区柠条地出现至少200 cm的土壤干层,部分土层接近凋萎湿度,柠条生长受阻。研究结果对于干旱区人工柠条林的栽植管理具有重要意义,可为北方农牧交错带生态环境建设及植被恢复提供理论依据。