青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿根—土界面剪切特性

[目的]分析不同因素对根—土界面抗剪强度指标和抗剪强度的影响,为深入探讨青藏高原东北部黄土区灌木根系固土护坡机制提供理论依据。[方法]以区内优势灌木植物柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)为研究对象,通过根—土界面直剪试验,分析根径级别为2.20±1.00～32.00±1.80 mm以及土体含水量、干密度和含盐量分别为6.00%～22.00%,1.20～1.60 g/cm³,0.59%～2.50%的条件下,各因素对柠条锦鸡儿根—土界面抗剪强度指标和抗剪强度的影响规律。[结果]在其他影响因素恒定的情况下,根径对根—土界面抗剪强度指标和抗剪强度无显著影响(p>0.05)。随着土体含水量由6.00%增大到22.00%,根—土界面黏聚力呈先增大后减小的趋势,当土体含水量达到14.00%时黏聚力达到峰值6.74 kPa;根—土界面摩擦角由21.40°降低至15.75°,呈线性函数降低趋势;根—土界面抗剪强度呈线性函数降低趋势。随着土体干密度由1.20 g/cm³增长至1.60 g/cm³,根—土界面黏聚力由...     

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。     

植物根-土复合体固坡力学效应及模型研究现状与进展

论述了草本和灌木植物根系加筋土体、锚固土体、牵拉土体的力学效应,并结合国内外学者所采用的理论分析、模型试验、数值模拟等多种方法,系统评价了根系提高土体强度的力学效应及其对边坡稳定性的影响,并在此基础上指出了今后的研究方向。     

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。     

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。     

植物根-土复合体剪切试验及其力学模型研究现状与展望

近年来随着基础工程建设的快速实施,各类开挖边坡的数量逐年增加,由此引起的坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害呈显著增长趋势,给区域生态环境造成了严重的影响。为了科学有效地探讨解决这类环境地质问题,国内外学者开展了大量有关植物固土护坡理论方面的研究。在简论述植物护坡发展历史的基础上,着重探讨了根-土复合体的剪切试验及其力学模型的研究现状,并从根系特征对土体抗剪强度的影响、根-土复合体剪切试验、根-土复合体力学模型等3个方面论述了该研究领域的发展趋势。     

植物根-土复合体原位剪切试验研究现状及其进展

为了进一步评价植物根系增强土体抗剪强度的作用及其变化规律,结合国内外学者在此领域所开展的研究,系统地阐述了根-土复合体的结构、性能及草本、灌木植物根系增强边坡土体稳定性的贡献,讨论了原位剪切试验对于评价植物根系增强边坡稳定性贡献的优势;并初步探讨了根-土复合体原位剪切试验的发展方向,即对于坡体不同深度条件下根-土复合体中根系与土体之间的摩擦力大小以及土体密度、含水量等物理性指标对根系提高土体强度的影响程度尚需进一步研究;对于根-土复合体原位剪切试验装置中相关构件参数如剪切盒尺寸等的设计,以及所反映的边坡土体抗剪强度大小等方面尚需做进一步探讨。     

灌木柠条锦鸡儿根-黄土状盐渍土界面相互作用力学特性

为了进一步探讨西宁盆地黄土区灌木植物根系固土护坡力学效应,以区内优势灌木植物柠条锦鸡儿为研究对象,开展不同土体密度、含水量、含盐量和根径单因素变化条件下的单根垂直拉拔试验,探讨和分析了上述因素对灌木植物根-土界面相互作用力学特性的影响和作用机理。结果表明:在垂直埋深为25 cm及其他因素恒定的情况下,随着土体密度由1.20 g/cm³增长到1.60 g/cm³,单根最大抗拔出力由(28.60±2.83)N增长至(114.33±7.17)N,呈指数函数增长趋势; 随着土体含水量由6.00%增长到22.00%,单根最大抗拔出力由(152.80±10.07)N降低至(31.50±5.53)N,呈指数函数降低的变化趋势; 随着土体含盐量由0.59%增长至2.00%,单根最大抗拔出力呈现出先增大后减小的变化趋势,在含盐量为1.00%时,单根最大抗拔出力达到峰值(61.20±0.94)N,且二者关系符合二次函数关系; 在根径为2.74～9.57 mm范围内,随着单根平均根径的逐渐增大,单根最大抗拔出力由25.20 N线性增长至97.10 N。在此基础上,提出了垂直单根最大抗拔出力计算模型,并指出计算垂直单根最大抗拔出力所需的根-土界面综合黏聚力和综合摩擦角可通过根-土界面直剪试验获得。     

基于CT扫描与细观力学的植物侧根固土机理分析

为了探寻植物根系加固土体、防护边坡的作用机理,该文从细观角度对根系固土的力学特性进行了探讨,并利用长江科学院研制的CT三轴仪,分别对素土样和2种含根土样进行不固结不排水的CT实时三轴剪切试验。通过对试样3个断面在不同应变时刻所对应的CT扫描数据进行定量分析发现,3个扫描层中素土样的(CT数均值)ME-ε1关系曲线下降段和(CT数方差)SD-ε1关系曲线上升段的变化幅度均大于2种含根土样曲线相应阶段的变化幅度;这说明含根土体内部缺陷发育速度更慢,含根土样内部裂纹萌生和扩展得更加缓慢,根系具有阻裂作用。文中重点对3种土样在高度的7/16处的断面上的CT扫描图片进行了定性和定量分析。利用Matlab软件自编后处理程序,对CT扫描图片进行了二值化处理,并统计出断面上的裂隙率、根附近区域及其之外区域的总裂隙大小、最大裂隙区域的长度和宽度信息。通过对含根土样和素土样受压过程的CT演化图片和断面上统计的裂缝数据信息进行比较分析,来对比说明素土和含根土样中裂纹扩展以及试样破坏过程的差异,从而揭露了根系的阻裂作用和桥联作用。最后得出根系固土的细观力学机理主要表现为根系对土体的阻裂作用和桥联作用。     

土壤粒径对灌木植物根-土摩阻特性影响

为了系统性研究灌木植物根系的固土力学效应,探讨土体对根系的摩阻特性,以4种不同土壤粒径（原级配,1.0~2.0,0.5~1.0,<0.5 mm）和3年生的典型护坡植物种火棘及紫穗槐为研究对象,采用室内直剪的方式对根系进行根—土界面直剪摩擦试验。结果表明：（1）根—土及土—土界面的摩阻强度与垂直荷载呈明显的正线性关系;随土体粒径的增加,根—土及土—土界面的摩阻强度、摩擦系数、黏聚力和摩擦角均呈现下降趋势,且在相同粒径范围内,火棘根—土界面摩阻特性显著优于紫穗槐和素土;（2）根—土界面与素土界面的剪应力随位移的增长速率呈现先增大后减小的趋势;根—土界面剪应力与位移关系曲线呈现曲折蜿蜒式上升,而素土曲线表现为平缓式上升;（3）土体粒径越小,根土间接触面的比表面积越大,细小的土壤颗粒与根表面发生镶嵌,加大接触面的咬合力,使摩阻能力加大。研究结果对进一步探讨灌木植物根—土相互作用力学机制,以及利用灌木植物提高试验区边坡土体稳定性、防治坡面浅层滑落具有一定的理论指导意义。     

根土复合体力学效应及其模型构建研究进展与展望

[目的] 为探究根土复合体的力学效应机理及模型方法应用。[方法] 采用文献分析和对比分析法,归纳分析根土复合体概念和内涵、根土复合体力学效应及力学模型原理、优缺点以及适用范围。[结果] (1)根土复合体是根系与土体之间力学耦合效应的复合整体,根系在土体中交叉缠绕,起到加固作用;(2)根系与土体力学关系实质上是根土复合体土力、水力和复合力学特性作用的结果,土力特性、水力特性分别侧重研究根系对土体的影响和土中水分对土体和根系的影响,复合力学特性侧重于根土复合体自身特性对植物根系特征以及结构的直接影响,从而通过三者作用使根系与土体的力学关系处于动态平衡之中;(3)根土复合体复合力学模型研究较土力和水力学模型略少,土力学和水力学模型都是根据量化参数,通过参数间对比来衡量固土效果,但复合力学特性同时涉及土力特性和水力特性,考虑全面,应是未来研究的重点方向。[结论] 未来在开展冻融循环、干湿交替、干热循环对不同地区根系与土体相互作用的影响、多类型植物混种抗剪强度、化学作用和微生物作用对土水特性影响机理及复合模型构建等方面有待深入研究。研究结果可为生态脆弱区植被恢复、水土保持和可持续发展等提供重要的理论价值和工程借鉴意义。     

植物根系力学与固土作用机理研究综述

国家、地方政府、受益农户是集雨节灌工程的建设主体,不同的集雨节灌工程其建设的主体、管理模式、产权形式不同。坚持谁建设、谁拥有、谁管理、谁维护的原则,可保证集雨节灌工程的建设质量和持续正常利用。     

黄河源区4种植物根系力学特性及根-土复合体抗剪强度研究

为研究黄河源区高寒草地植物根系力学特性及其增强土体抗剪强度效应,选取黄河源区不同退化类型区的4种优势种草本植物(小蒿草、紫花针茅、矮火绒草、细叶亚菊)开展单根拉伸、剪切试验和根-土复合体直剪试验,结果表明:区内4种草本植物的单根抗拉强度和抗剪强度与根径之间呈幂函数关系,其中紫花针茅的平均单根抗拉强度(46.81 MPa...     

化感植物根际生物学特性研究现状与展望

植物的根际是一个复杂的微生态系统,植物的根必须与入侵的邻近植物根及大量以有机物质为营养的细菌、真菌、土存害虫相互竞争空间、水分、矿质营养等。在土壤中,根与根际生物体的相互作用相当复杂且受到许多土壤因素的影响,地下根际生物体以根分泌物为媒介相互作用的机制比发生在地表的生物体的相互作用复杂的多。越来越多的试验表明,根分泌物在根与根、根与根际微生物间起着重要作用,并以其为媒介在植物与环境的相互作用中起着传递信息的作用。本文在简要综述前人研究的基础上,深入探讨了化感植物根际生物学问题及攻克途径,以期为深入研究植物化感作用提供依据。