青藏高原东北部黄土区灌木幼林根系护坡的时间效应

为研究青藏高原东北部黄土地区植物护坡效应的可持续性,选取种植在自建试验区的四翅滨藜、柠条锦鸡儿、白刺、霸王4种灌木植物,分别对生长时间为1～4a的上述灌木进行了野外现场拉拔试验。试验结果表明,4种灌木植物在其1～4a的生长时间里,四翅滨藜的抗拔力和侧根数在4种灌木中表现最大,霸王的根径是4种灌木中最大的;生长时间为1a的4种灌木中霸王地径最大,其后的2～4a生长时间中,四翅滨藜的地径则在4种灌木植物中表现最大。霸王和白刺的平均根径与生长时间之间呈显著幂函数关系,四翅滨藜和柠条锦鸡儿两者之间均呈指数函数关系;四翅滨藜和白刺的平均侧根数与生长时间之间呈显著的幂函数关系,霸王和柠条锦鸡儿的平均侧根数与生长时间之间呈线性函数关系;四翅滨藜和白刺的平均地径与生长时间之间呈幂函数关系,霸王和柠条锦鸡儿的平均地径与生长时间之间呈指数函数关系;四翅滨藜和柠条锦鸡儿的平均抗拔力与生长时间之间呈显著幂函数关系,霸王的平均抗拔力与生长时间之间呈线性函数关系,白刺的平均抗拔力与生长时间之间为指数函数关系。这种现象反映了4种灌木植物在试验区边坡防护中均表现出了较强的护坡可持续能力。     

寒旱环境灌木根系增强边坡土体抗剪强度特征

为深入研究根系与剪切面呈不同夹角α条件下,边坡土体中根系对土体抗剪强度的影响,以及定量分析评价植物根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,该项研究以生长期为150 d的柠条锦鸡儿、霸王根系及其组成的柠条锦鸡儿根-土复合体、霸王根-土复合体为研究对象分别进行室内单根拉伸试验和复合体剪切试验。通过对2灌木根系进行单根拉伸试验,得到2种灌木根系单根的抗拉强度,并对根系与剪切面夹角α分别为45°、60°、75°、90°等4种条件下的根-土复合体进行剪切试验,得到4种α角度条件下的根-土复合体试样抗剪强度;在此基础上,分析探讨了单根抗拉强度与根-土复合体试样粘聚力值之间的关系。结果表明:柠条锦鸡儿根系的单根抗拉强度较霸王根系的单根抗拉强度略高;柠条锦鸡儿根-土复合体、霸王根-土复合体试样,在4种不同α角度条件下的黏聚力均显著大于素土黏聚力;当α角由45°增大至90°时,2种灌木根-土复合体的黏聚力值呈逐渐增大的趋势,且黏聚力的增长率亦表现出一致性变化规律,即2种灌木根-土复合体试样的黏聚力的增长率均随着α角的增大而呈增大趋势;根-土复合体黏聚力值与单根抗拉强度存在正相关关系。由上述复合体黏聚力值的变化规律反映出,试验区2种灌木根系对边坡土体抗剪强度具有显著增强作用,同时亦反映出随根系的单根抗拉强度的增大,根系对土体粘聚力值的增强效果相对愈加显著,且随根系与剪切面间夹角不同,根系增强边坡土体抗剪强度贡献具有不同的变化规律,即表现在根系与剪切面之间的夹角趋于垂直时,根系具有相对最大限度地增强土体抗剪强度的作用。该研究结果为定量评价植物根系增强边坡土体抗剪强度的贡献,提供了试验方面的数据支撑,这为进一步深入探讨植物根系增强边坡土体抗剪强机理提供参考。     

黄土区不同龄期灌木柠条锦鸡儿根系的分布特征及其固土护坡效果

为定量评价西宁盆地黄土区优势灌木柠条锦鸡儿根系固土护坡效果,该研究以区内生长期为幼龄期（<6 a）、中龄期（6～14 a）和老龄期（>14 a）3个龄期的柠条锦鸡儿为研究对象,通过原位挖掘法与原位拉拔试验相结合的方式,调查不同龄期柠条锦鸡儿根系形态学指标和根系分布特征,并通过单根拉伸试验获得单根抗拉强度。以此为基础,利用WWM模型对不同龄期柠条锦鸡儿根系附加黏聚力进行计算,评价不同龄期柠条锦鸡儿根系对土体抗剪强度的增强效果。结合有限元数值模拟分析,定量评价不同龄期柠条锦鸡儿根系加筋和锚固作用对黄土边坡稳定性的贡献。结果表明：随着龄期的增加,柠条锦鸡儿根系埋深、根系总根长、主根根径和主根根长均逐渐增加;各龄期柠条锦鸡儿根系主要分布在0～0.6 m土层深度范围内,随着土层深度增加,幼龄期和老龄期根系根长和根数呈逐渐减少趋势;中龄期根系则呈先增大后减小趋势,根长和根数的最大值出现在0.3～0.6 m的土层深度内。幼龄期和老龄期柠条锦鸡儿根面积比和根系附加黏聚力均随着土层深度增加而逐渐减少,中龄期柠条锦鸡儿则呈先增大后减小变化趋势,且该龄期根系增强土体抗剪强度的效果相对最为显著。不...     

寒旱环境植物护坡力学效应与根系化学成分响应

该项研究以试验区两种生长期为6a的灌木植物柠条锦鸡儿、霸王为例,分析了根系中所含半纤维素、木质素、纤维素和果胶质4种主要化学成分及其含量,并探讨了根系力学强度与其化学成分及其含量变化之间的关系。结果表明:柠条锦鸡儿根系平均抗拉强度为28.36～34.75MPa,霸王为4.53～6.61MPa,即柠条锦鸡儿根系平均抗拉强度显著大于霸王,且这两种灌木根系所含的4种化学成分由多至少依次为半纤维素、木质素、纤维素、果胶质,其中柠条锦鸡儿根系半纤维素含量为17.8%～29.03%,木质素为3.41%～5.36%,纤维素为2.3%～2.79%,果胶质为1.45%～2.15%;霸王根系半纤维素含量为15.6%～23.04%,木质素为3.69%～4.89%,纤维素为2.1%～3.06%,果胶质为1.92%～2.37%。两种灌木根系纤维素含量与根径、根系抗拉强度之间均表现出一定相关性;霸王根系半纤维素含量与其根系根径、抗拉强度之间呈相关性;柠条锦鸡儿根系果胶质含量与其根径、根系抗拉强度间均呈相关关系。本项研究可为进一步分析植物根系力学强度及其效应与根系组成特性之间的变化关系提供理论依据。     

Relationship between tensile properties and microstructures of three different broadleaf tree roots in North China

为了研究乔木单根抗拉性能与其微观结构和纤维的关系,为筛选合适的水土保持、边坡防护树种提供理论基础,对白桦、榆树、蒙古栎3种北方常见阔叶树种的根系进行了抗拉力、抗拉强度、根系解剖结构以及根系分子离析等一系列的试验,并运用多元回归的方法对两者之间的关系进行定量的分析。试验结果表明：3种阔叶树种的根系显微结构基本和其树材相同;根系显微结构中木纤维所占根系横截面积的百分比、韧皮部所占根系横截面积的百分比、木纤维的尺寸因素影响单根的抗拉特性;其中木纤维所占根系横截面积的百分比对单根抗拉力的影响因子最大且呈正相关,韧皮部所占根系横截面积的百分比对单根抗拉强度的影响因子最大且呈正相关;同时单根抗拉特性与木纤维的长度、木纤维的长宽比以及壁腔比均成正相关,但影响因子小于木纤维所占根系横截面积的百分比、韧皮部所占根系横截面积的百分比;3个树种中榆树在相同直径下的各项测定指标都高于白桦和蒙古栎,表现出单根具有更好的抗拉特性。研究结果可为固土护坡阔叶树种的选择提供参考。     

华北护坡阔叶树种根系抗拉性能与其微观结构的关系

为了研究乔木单根抗拉性能与其微观结构和纤维的关系,为筛选合适的水土保持、边坡防护树种提供理论基础,对白桦、榆树、蒙古栎3种北方常见阔叶树种的根系进行了抗拉力、抗拉强度、根系解剖结构以及根系分子离析等一系列的试验,并运用多元回归的方法对两者之间的关系进行定量的分析。试验结果表明:3种阔叶树种的根系显微结构基本和其树材相同;根系显微结构中木纤维所占根系横截面积的百分比、韧皮部所占根系横截面积的百分比、木纤维的尺寸因素影响单根的抗拉特性;其中木纤维所占根系横截面积的百分比对单根抗拉力的影响因子最大且呈正相关,韧皮部所占根系横截面积的百分比对单根抗拉强度的影响因子最大且呈正相关;同时单根抗拉特性与木纤维的长度、木纤维的长宽比以及壁腔比均成正相关,但影响因子小于木纤维所占根系横截面积的百分比、韧皮部所占根系横截面积的百分比;3个树种中榆树在相同直径下的各项测定指标都高于白桦和蒙古栎,表现出单根具有更好的抗拉特性。研究结果可为固土护坡阔叶树种的选择提供参考。     

青藏高原东北部黄土区草本与灌木植物根-土相互作用力学机理及其模型研究

为研究草本和灌木根系在护坡中的力学机理,以西宁盆地为例,对青藏高原黄土区生长2年的草本芨芨草和灌木柠条锦鸡儿进行了野外观测和现场力学试验。结合研究区现场观察、试验和分析得出：芨芨草和柠条锦鸡儿根系的生长特征及力学特征均较其他乡土植物显著,护坡力学效应较强;试验区草本植物根系在土体中主要起加筋作用,灌木植物水平根系起牵引作用、垂直根系起锚固作用。通过建立根-土相互作用的力学模型得出：草本植物根系对边坡的加筋作用大小与根系数量、根系抗拉力以及根系在土体中的延伸方向均有关;灌木根系对土体的牵引效应与根系数量、直径和抗拉强度呈正相关,根系锚固力的大小主要取决于根系与土体间的摩擦力,且根系所受的摩擦力与根系半径、土层深度和土体重度呈正相关。对于坡度为40°的土质边坡,选择芨芨草、柠条锦鸡儿等根系发达的灌草植物进行护坡,其防护效果较好。     

青藏高原东北部4种灌木主根和侧根抗拉力学特性比较

[目的]开展青藏高原东北部黄土区4种灌木植物主根和侧根抗拉力学强度试验,探讨主根和侧根抗拉力学特性关系,为深入研究植物根系固土护坡力学机理提供参考。[方法]选取西宁盆地长岭沟流域作为研究区,对生长期为3 a的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、中宁枸杞(Lycium chinense)、白刺(Nitraria tangutorum)和霸王(Sarcozygium xanthoxylon)4种优势灌木主根和侧根进行室内单根拉伸试验,确定其主根和侧根抗拉力、抗拉强度和杨氏模量及其与根径之间的关系;在此基础上,进一步分析了4种灌木主根和侧根根径、抗拉力、抗拉强度和杨氏模量之间的关系。[结果]柠条锦鸡儿、中宁枸杞、白刺和霸王主根抗拉力分别为侧根的28.45,13.21,11.01,7.35倍,主根抗拉强度分别为侧根的0.67,1.17,0.68,1.22倍,主根杨氏模量分别为侧根的2.00,2.39,2.82,2.48倍。[结论] 4种灌木植物主根抗拉力均显著大于侧根;柠条锦鸡儿和白刺主根抗拉强度小于侧根,而中宁枸杞和霸王主根抗拉强度大于侧根;4种灌木植物主根杨氏模量显著大于侧根,说明其主根相对于侧根不易发生形变,对边坡浅层稳定性贡献亦显著于侧根。     

青藏高原两种典型植物根系抗拉特性与其微观结构的关系

为研究青藏高原东部边坡、路堑两种常见的护坡植物根系抗拉特性及其与根系微观结构的关系,对灌木植物柠条锦鸡儿和草本植物草地早熟禾根系进行了室内单根拉伸试验和根系断面电镜扫描试验。试验结果显示:两种植物根系抗拉力随着根径的增大呈幂函数增大;根系抗拉强度随根径的增大呈幂函数或指数函数减小。草地早熟禾根系平均抗拉力在标距为40mm时达到最大值;柠条锦鸡儿根系平均抗拉力在标距为80mm时达到最大值;当拉伸速率为3mm/min时,两种植物根系抗拉力和抗拉强度最大,两种植物在拉伸速率为5mm/min和10mm/min时,其抗拉强度变化不明显。两种植物单根拉伸应力—应变曲线呈单峰曲线,无明显的颈缩现象,具有弹塑性材料特点,且根径较小的草本植物草地早熟禾根系表现出具有较高的抗拉强度、较大的延伸性能。根系断面显微结构中,柠条锦鸡儿和草地早熟禾根系横断面的管孔孔径随着拉伸速率的增大逐渐减小,减小幅度依次为91.25%,45.41%,表皮破坏程度也相应的减弱。根系的拉伸横断面表皮撕裂程度及表皮延长程度随拉伸速率、拉伸标距的增大而减小。     

黄土区灌木柠条锦鸡儿根-土间摩擦力学机制试验研究

为系统研究灌木植物根系的拉拔摩擦力学机制,该项研究在西宁盆地黄土区的自建试验区内选取生长期为2 a的柠条锦鸡儿作为供试种进行根系拉拔摩擦试验。试验结果表明:柠条锦鸡儿主根的作用主要为提供根-土间静摩擦力,侧根的作用则主要表现为增大根-土间最大静摩擦力、根-土间最大摩擦力及根-土间最大摩擦力对应的根系位移;柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力随着根系总表面积、根系总体积、根系总长、根系总干质量、侧根数5个根系形态学指标的增加而增大,根-土间最大摩擦力与5个根系形态学指标之间可建立幂函数关系,且通过相关性分析可知,根系总表面积是与柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力相关程度相对较为显著的根系形态学指标;在本试验条件下(土体质量含水率15.1%,密度1.65g/cm3)由单根(不含侧根的主根)拉拔摩擦试验所得到的柠条锦鸡儿主根与土体间静摩擦系数为0.738 9±0.04,该值显著大于区内不含根系土体内摩擦系数0.504 0±0.03,表明柠条锦鸡儿根-土界面间的摩擦力值及抵抗变形的能力大于不含根系土体。该项研究结果对于进一步探讨研究区灌木根系的拉拔摩擦力学机制,以及科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有指导意义和实际应用价值。     

青藏高原黄土区四种草本植物单根抗拉特性研究

为研究草本植物根系固土护坡的力学机理,对青藏高原西宁盆地黄土区的披碱草、细茎冰草、赖草、芨芨草4种草本植物进行了室内单根拉伸试验,分析了其单根抗拉特性。结果表明:生长2年的4种草本植物单根平均抗拉强度可达65MPa,单根抗拉力随根径的增大而增大;4种草本植物按单根抗拉强度大小排序为:芨芨草>细茎冰草>赖草>披碱草,单根抗拉强度与根径间呈幂函数或指数函数的关系,随根径增大而减小,表明草本植物须根对边坡表层防护具有重要的作用。     

尖萼金丝桃根系对边坡土体抗剪强度的影响

[目的]探讨根系单根抗拉拔强度对边坡土体抗剪强度的影响,定量分析根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,为评价植物根系增强边坡土体抗剪切性能提供依据。[方法]以2 a生尖萼金丝桃根系及其组成的根土复合体为研究对象,分别进行室内单根拉拔试验和根土复合体剪切试验,获得根系的抗拉强度及根土复合体试样黏聚力值;在此基础上分析根系抗拉强度与根土复合体黏聚力值之间的关系。[结果]尖萼金丝桃根系抗拉强度与根系直径存在负向幂函数关系,相关性系数均大于0.92;根系拉拔位移、抗拉拔力均与根系直径呈正相关关系,拉拔位移与抗拉拔力之间也表现为显著正相关关系;抗拉强度与根系直径、拉拔位移、抗拉拔力两两之间均呈负相关关系;根土复合体的黏聚力相较于无根素土均有不同程度的增长,增幅达17.25%～94.76%,黏聚力、黏聚力增长率均与根土面积比、根土体积比呈正相关关系。[结论]尖萼金丝桃根系拉拔特征对边坡土体抗剪强度产生显著的影响,边坡土体抗剪切性能评价指标与根系拉拔特征变化密切相关。     

黄土区3种优势灌木根土复合体的抗剪强度研究

黄土区水土流失严重,生态护坡是比较推崇的防护手段,特别是灌木具有发达的根系,对含根土体有较为明显的抗剪增强作用,因此,比较自然条件下区域适生优势灌木的根土复合体抗剪强度,对于合理选择固土护坡植物具有重要意义。以黄土区常见的优势乡土灌木达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides)和狼牙刺(Sophora viciifolia)为研究对象,野外采用三维土柱挖取灌木的根系,进行不同直径单根抗拉试验和根土复合体的剪切试验。结果表明:(1)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根系集中分布于0—40 cm土层中,它们的根长密度、根表面积密度和生物量密度随着土层深度的增加表现出整体递减的趋势。(2)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系的抗拉力(Tensile Resistance,TR)与抗拉强度(Tensile Strength,TS)都表现为关于直径(D)的幂函数(aD^b),其中抗拉力与根径呈正相关(b>1),而抗拉强度与根径呈负相关(b<1)。(3)不同灌木根土复合体的抗剪强度在地下分布是不同的,在根际范围内随土层加深,达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少而后增加又减少的趋势,最大抗剪强度的土层是20—30 cm和50—70 cm,沙棘和狼牙刺根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少的趋势,最大抗剪强度的土层分别是30—50 cm,0—20 cm。说明灌木的细根可以更好地起到固土护坡的作用,建议在黄土区优先选择达乌里胡枝子和沙棘作为护坡植物,从而为生态护坡提供一些参考。     

三种护坡植物根-土复合体抗剪强度比较

以紫穗槐、胡枝子及狗牙根根系及其与土壤构成的根-土复合体为研究对象,通过对根-土复合体的室内直剪试验,比较分析了不同物种根系和不同含根量对根-土复合体的抗剪强度的影响。结果表明,根系的存在提高了土体的抗剪强度,根-土复合体的抗剪强度随着含根量的增加而增大,但当含根量达到一定值时根-土复合体的强度增加并不明显,即存在最佳含根量范围;与无根扰动土相比,根-土复合体内摩擦角无显著变化,但显著提高了黏聚力,其中紫穗槐、胡枝子、狗牙根黏聚力平均增幅分别为47.5%,39.2%和38.9%;紫穗槐、胡枝子和狗牙根根-土复合体对土壤的抗剪强度影响不同。在水土流失区种植乔灌木物种能有效增加坡体稳定性,降低土壤侵蚀。     

防风固沙灌木花棒沙柳根系生物力学特性

为了揭示花棒和沙柳的根系生物力学特性,该文选取毛乌苏沙地5 a生人工种植花棒、沙柳的根系为研究对象,通过室内单根拉伸试验,得到沙柳(直径0.78~7.44 mm)的平均最大拉力、抗拉强度和杨氏模量分别比花棒(直径0.91~6.46 mm)高42.07%、44.52%和90.00%。花棒、沙柳单根根系的最大拉力随直径增大以幂函数增大,抗拉强度和杨氏模量随直径增大以幂函数减小。花棒与沙柳单根根系的平均抗拉强度能达到Ⅰ级钢筋(370MPa)的6.86%和9.91%,对土壤有一定的加筋作用。采用自制根系拉力测试系统进行野外原位整株根系垂直拉拔试验,得到花棒(地径17.65~42.68 mm)和沙柳(地径20.35~48.07 mm)的整株根系最大垂直拉拔力为(1.71±0.16)k N和(1.18±0.16)k N,花棒比沙柳高出44.92%。花棒整株根系的生物力学特性要优于沙柳,整体固沙能力更强。该研究可为根系固土作用理论研究和防风固沙树种的筛选提供参考。     

Root tensile strength of three shrub species: Rosa canina, Cotoneaster dammeri and Juniperus horizontalis: Soil reinforcement estimation by laboratory tests

The presence of vegetation increases soil burden stability along slopes and therefore reduces soil erosion. The contribution of the vegetation is due to mechanical (reinforcing soil shear resistance) and hydrologic controls on stream banks and superficial landslides. This study focused on the biotechnical characteristics of the root system of three shrub species: Rosa canina (L.), Cotoneaster dammeri (C.K. Schneid) and Juniperus horizontalis (Moench). The aim of this paper is to increase our understanding on root biomechanical properties of shrubs species and their contribution to soil reinforcement. The considered shrubs grew up in wood containers, exposed to natural conditions in a village near Asti (Northern Italy) for 2 years. Laboratory tests were conducted to measure the ultimate root tensile strength and to estimate the root density distribution with depth (root area ratio), in order to quantify the soil mechanical reinforcement. Root tensile strength measurements were carried out on single root specimens and root area ratio was estimated analyzing the whole root system. The improvement of soil mechanical properties obtained by the presence of shrubs was estimated using two different models. The first model, based on a simple force equilibrium model, considers that the tensile strength of all roots crossing the shear plane is fully mobilized. This classical approach is implemented by the Fiber Bundle Model concept, to account for non-simultaneous root breaking. C. dammeri roots presented the highest tensile strength and soil reinforcement values, while R. canina and J. horizontalis were characterized by lower values. Similarly at each considered depth C. dammeri showed the highest soil reinforcement effect.