植被根系固土机理研究进展

坡面植被不仅可以稳定岩土边坡,而且具有美化生态环境的作用。为了阐明植被根系对不稳定斜坡的影响,根据多年来根系固土的研究成果,从根系固土力学基础、根系几何力学特性、根系对土壤抗冲与抗剪的影响等方面,对植被根系护坡机理进行了综述,分析了目前研究中存在的不足,并就今后研究中应注意的问题提出了看法。     

典型荒漠植被根系对黏性岸坡侵蚀过程的影响

植被根系对岸坡侵蚀具有明显影响作用，为定量揭示植被根系对黏性岸坡侵蚀过程的网络作用、护挡作用和牵拉作用，开展红柳和胡杨典型植被根系的概化水槽试验。结果表明：1）在根系网络作用下，黏性岸坡固土能力显著提高，有植被根系比无植被提高了30%～56%，其中红柳根系比胡杨根系平均提高了24.2%；2）不同布置方式的固土效果差异较大，红柳和胡杨根系固土效应V型布置比竖直布置分别提高了27.1%和18.6%；3）根系护挡作用对坡脚保护作用显著，有植被岸坡近岸纵向时均流速和紊动能分别减小至无植被的45%～67%和75%～91%；4）根系牵拉作用主要表现在对岸坡崩塌根土黏结体的堆积和分解以及床面淤积的影响等，其中牵拉作用越强，崩塌堆积体的体积占比就越大，根土黏结体被分解时间也越长，试验结果得到根系牵拉作用对河床保护贡献值平均提高了20%。研究结果可为干旱区荒漠植被固土护堤作用机理提供技术支持和理论参考。     

生态修复区不同植物群体的根系固土力学机理

为探索生态修复区不同植物群体的根系固土力学机理,以国家生态修复工程新平县生态修复区为例,对不同恢复阶段的植被进行原位土壤根系水平抗拉力学试验。结果表明：调整后的原位土壤根系水平抗拉试验方法可在山区的斜坡上进行不同物种组成的植物群落根系力学作用的研究,同时可定量获取土壤根系水平抗拉过程中载荷与位移的关系,绘出载荷-位移（F-S）曲线。F-S曲线反映出草本样方、灌草样方、灌木样方和乔木样方的根系均具有不同的抗拉特性,都会经历弹性形变阶段、塑性形变阶段和强化阶段;这些植物根系在固土、固坡中起着重要的作用,并随着生态修复过程的发展,生态系统抵抗土体滑动的能力不断增强。     

植物根系固坡效应模拟及稳定性数值分析

随着生态环境保护的要求日益提高,植物护坡工程的理论和实践研究得到了发展。由于植物根系及其分布的随机性和复杂性,根土相互作用机理以及根系固坡的定量化研究工作还很不深入。本文对根系固土力学机制和根土复合介质抗剪强度模型进行了评述,将根系对土体的强度贡献以“表观凝聚力”表示,采用数值方法对植物根系固坡效应及其稳定性进行了分析,考虑根系强度增量以及护坡深度,在多种情况下进行了边坡整体安全系数计算。分析结果可为植物根系的力学效应评判、护坡植物的选取,以及其优化布设等纵深研究方面提供了理论基础。     

林木根系固土的理论基础

为了探索林木根系的固土作用,半个多世纪以来许多学者从不同侧面对根系的固土作用进行了大量的研究和探索,在根系固土理论研究上取得了一定成果。鉴于此,概述了莫尔-库仑强度理论、加筋理论、锚固理论等根系固土基础理论以及须根理论模型（W氏模型）、垂直根系木本植物根-土相互作用力学模型、水平根系根-土相互作用力学模型等根系固土的分析模型。依据固土理论,提出了今后根系固土作用研究重点是根系的分布特征,根系与土的摩擦特性以及根系的力学性能。     

植物根系固土作用研究进展

植物根系是植物吸收水分和养分的重要器官。强大的植物根系不仅可从土壤中吸收植物生长所必须的水分和养分,而且对于改良土壤的结构和成分,增强土壤的抗侵蚀能力和抗剪切能力有着重要的作用。从植物根系方面来研究土壤抗侵蚀能力是一个多学科交叉的新领域。通过多学科、多领域的联合研究,系统地揭示植物根系固土作用和固土机理,植物根系通过增强土壤的抗蚀性、抗冲性、抗剪强度以及根系的锚固力作用,提高了土壤的抗侵蚀能力。对于更有效地控制水土流失、保护和改善生态环境具有非常重要的意义。     

基于两种计算模型的油松与元宝枫根系固土效能分析

[目的]定量分析北方常见植物(油松、元宝枫)根系对提高土壤抗剪能力的作用,为更好地评价植物根系固土效能提供理论基础。[方法]选取不同根系面积比(RAR)的油松(Pinus tabulaeformis)根土复合体、元宝枫(Acer truncatum)根土复合体及素土分别进行了不同垂直压力下的直剪试验,得出了油松根土复合体、元宝枫根土复合体及素土的抗剪强度增量。并通过根系的拉伸试验测定了植物根系的抗拉强度,同时使用Wu的根土复合体模型和Pollen的纤维束模型对抗剪强度增量进行模拟并与实际测定的抗剪强度增量进行对比分析。[结果](1)根系主要通过增强土壤的黏聚力来增强土壤的抗剪切强度;(2)植物根系抗拉强度、拔出强度与根系直径都符合幂函数关系,抗拉强度和拔出强度大小存在阈值,根系大于2mm时,根系拔出强度小于根系抗拉强度,小于2mm时则反之;(3)Wu的根土复合体模型高估植物根系固土效果值平均为26.81%,而纤维束模型对根系提高土壤抗剪强度则平均高估9.82%。[结论]相对于Wu模型,纤维束模型对土壤的固土效果的计算更为准确。     

植物根系抗侵蚀指标及模型研究进展

植物根系能显著抑制土壤侵蚀过程,实现固土护坡目标。随着植被重建进程的加快,表征根系抗侵蚀的指标和模型研究日趋合理完善。其中,根系指标选取集中反映在根系的形态特征和空间特征,而模型构建侧重理论型模型探索与修正。本文在综述植物根系抗侵蚀形态特征和空间特征指标及模型的基础上,发现目前应用的根系表征指标不能很好地关联根系形态特征和空间连接特征在坡面土壤抗侵蚀中的综合效应。为此,提出了"根系构架"的新概念,以期为坡面土壤侵蚀与植被配置的关系研究及模型参数优化提供一定的参考。     

南充市水土流失的人为因素分析及对策研究

在总结国内外近20a来关于植物根系的固土护坡作用研究基础上，从根系提高土壤抗冲性研究方面、植物根系力学研究方面、植物根系固土作用机理研究及其应用前景和展望等方面作了综述，明确了今后要加强对植物根系材料力学特性和根土复合体形成及作用机制方面的研究，更重要的是从根一土微观机制上进行深入研究，以便能揭示其本质。为植物在工程绿化、边坡稳定、生态恢复和水土保持等方面的应用提供理论指导，为我国迅速发展的城市化、生态化进程服务。     

西南山区云南松根土复合体力学特性及其对浅层坡体稳定性的影响

[目的] 探究西南山区云南松根土复合体力学特性及其对坡体稳定性的影响，为该区浅层滑坡机理认识，识别预警与防治等提供理论基础与数据支持。 [方法] 以四川省凉山州中研究极为缺乏且与浅层滑坡密切相关的云南松根系为研究对象，开展根土复合体抗剪强度试验和FLAC 3D边坡安全系数数值模拟，探究了不同根系密度、根系分布方式与土壤含水量组合下乔木根土复合体的力学性质及浅层边坡稳定性。 [结果] 较高的植物根系密度可明显提高土体的抗剪强度，与素土相比，黏聚力、内摩擦角提高比例分别高达45.5%，9.6%。然而，根径与根系抗拉强度却呈显著的幂函数负相关关系(p＜0.05)，根径低于2 mm的细根抗拉强度最强；同时，乔木根系水平或垂直分布方式下，土壤含水量的增加均会降低土体的抗剪强度，不利于边坡稳定，而乔木交错分布最有利于提高土壤的抗剪强度和边坡稳定性。 [结论] 乔木根系的高密度发育，复杂交错分布，细根丛生等特点对提高根土复合体抗剪强度与边坡稳定性具有重要作用，适度地增加边坡植被覆盖是控制浅层滑坡发生的重要措施之一。通过评价地质灾害多发区不同条件下乔木根系护土固坡效应，可为震后地质活跃区开展生态修复提供理论支持。     

植物根系对土壤侵蚀控制机理的研究

介绍了近年来植物根系对土壤侵蚀控制机理的研究进展。在水文效应和机械效应两个方面,植物根系通过增强土壤的抗冲性、渗透能力、抗剪强度以及根系网的固土功能提高土壤的抗侵蚀能力。     

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。     

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。     

泥石流频发区典型乔灌植物根系的固土效应

[目的]研究泥石流频发区云南省昆明市东川区蒋家沟两种典型生态修复物种新银合欢(Leucaena leucocephala)和马桑(Coriaria sinnica)的根系固土效应,为当地生物工程的应用及泥石流治理效益的评价提供理论依据和数据支撑。[方法]通过根系挖掘法查明根系分布特征,开展根系拉伸试验分析单根抗拉特征,运用修正后的Wu-Waldron模型(RWM)计算两种植物根系对土壤抗剪强度的增加值。[结果]①新银合欢和马桑的根面积比RAR均随着土壤深度的增加而减小。②新银合欢根系构型为垂直型,马桑根系构型为横走型。③新银合欢根系的抗拉强度与根径之间无明显规律性,马桑根系的抗拉强度与根径之间呈递减的对数函数关系。④新银合欢和马桑根系对土体抗剪强度增加值均随着土壤深度的增加而减少,新银合欢根系固土深度约为1.4 m,马桑根系固土深度约为0.6 m。[结论]新银合欢和马桑根系均能显著发挥固土作用。由于根系构型、固土深度、固土方式等原因,二者的固土作用不同,可将二者结合种植,不仅有利于边坡的稳定,也可提高土体的抗冲性。     

植物苗期根系抗侵蚀特性试验研究——以构树和顶坛花椒为例

植物的固土抗蚀作用大小与其根系密切相关,而根系特征决定了根的固土抗蚀作用的发挥,本文以相同基质下构树和顶坛花椒不同特征的根系为研究对象.通过研究根系特征与土壤抗冲性、抗蚀性、抗拉性、紧实度的关系,结果表明,苗期根系能强化土壤抗冲性,构树苗、顶坛花椒苗根系强化值大小分别为78.01>77.71;根系可提高土壤抗蚀性,其抗蚀性强弱为.构树苗>顶坛花椒苗>对照,构树、顶坛花椒、对照试验的土壤水稳性指数分别为4.36,3.16,1.67;不同树种根系对土壤的固结能力不同,构树苗生长下的土壤抗拉能力为214.92 N,明显大于顶坛花椒苗生长下的土壤154.87 N;土壤紧实度大小为构树苗>顶坛花椒苗.并采用加权综合指数法综合评价了苗期不同特征植物根系的固土能力强弱,得出构树苗综合指数为1.058.而顶坛花椒苗为0.902.即构树苗的固土能力强于顶坛花椒,以期为今后的水土保持工作提供一定的理论依据.     

黄土高原植被固土减蚀作用研究进展

植被是控制和减弱水土流失的有效措施,具有保持水土的作用,在黄土高原生态环境建设中具有不可替代的作用。在系统分析黄土高原植被减水减沙作用研究现状的基础上,概述了植被改善土壤特性、植被与土壤抗冲性、植被与土壤抗剪强度、植被减蚀作用的动力学机理等方面的最新研究进展,并针对目前存在的问题以及今后有待深入研究的问题进行了探讨。该研究对于揭示植被固土减蚀作用的机理,为生态修复工程建设提供科学依据,具有一定的意义。     

植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究

介绍了近10年来植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究进展。植物根系稳定表土层结构、提高土壤入渗性能和抗剪强度、增强土壤抗冲性的有效性机理是植被抵抗径流侵蚀动态过程及土壤侵蚀预报研究亟待加强的关键科学问题。     

昭通烂泥箐滑坡源区原生状态根-土复合体抗剪特征

以昭通烂泥箐滑坡源区优势物种鸢尾科鸢尾属鸢尾原生根系—土复合体作为研究对象,采用直剪试验对复合体抗剪特征进行深入研究,并与室内相同含水率重塑复合体试验结果对比分析。结果表明,整体上无根素土具有应变软化特征,而复合体具有应变硬化的特性,各复合体的抗剪强度均比素土的高,且抗剪强度随着含根量的增加而增加,根系加固效应明显,但复合体并没出现与重塑土类似的最优（最佳）含根量。原状复合体的c值随含根量的增加没有明显变化规律,而φ值则逐渐递增,其增长率也有相同的变化趋势。复合体破坏断面显示根系为主根系且垂直贯通剪切面,垂向压力大时固土效应最优;无主根的侧根直径较小,根系在复合体中倾斜分布,特别是与剪切错动方向一致时会影响固土效应发挥。素土破坏模式为破坏面并不完全水平整体的剪切破坏,复合体则是非根系被剪断或拉断,而根系被拔出土体,根—土界面产生明显相对位移的破坏模式。研究结果可为以增强复合体抗剪强度为目的的护坡植被的选择提供基础理论依据。     

14种本土草本植物固定铅污染土壤的试验研究

采用温室盆栽试验研究不同浓度(0,500,1 000,1 500mg/kg)铅处理下,14种本土草本植物根系在土壤中的分布及固土抗蚀效应。结果表明:种植不同植物固土抗蚀效应差异很大,反枝苋、高丹草、紫苑随着铅浓度的增大,根系生物量、抗剪强度逐渐减小,表现出对铅较差的耐性和固土抗蚀性能;其余11种植物表现出相对较强的耐性和固土抗蚀性能。在0-10cm土层中,鲁梅克斯K-1杂交酸模、藜、紫花苜蓿在各处理下抗剪强度均大于鸭茅、新麦草及其余6种植物,因此对浅层铅污染土壤进行生物固定时,可选择固土能力较强鲁梅克斯K-1杂交酸模、藜、紫花苜蓿;在10-15cm土层中,藜、紫花苜蓿抗剪强度均大于鸭茅、新麦草及其余7种植物。因此,对较深土壤进行生物固定时,可选择固土能力较强的藜、紫花苜蓿。     

植物固土护岸及净化水质综述

本文主要从植物林冠层截留降水、枯枝落叶层的覆盖、根系的穿插、固结以及根的力学特性等方面分析了植被固土护岸的作用机理;利用水生植物自身的性状和抗性能力以及其可以吸收、富集水中的营养物质及其他元素等方面来分析植物净化水质的机理。最后探讨了植被护岸的发展方向,分析了植物净水、护岸的优势并提出了今后的发展方向。