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。     

华北典型植被根系抗拉力学特性及其与主要化学成分关系

为了解植被根系化学成分对根系力学性能的影响,该研究对华北地区常见的2种针叶树油松（Pinus tabulaeformis Carr.）和华北落叶松（Larix principis-rupprechtii Mayr.）以及3种阔叶树白桦（Betula platyphylla Suk.）、蒙古栎（Quercus mongolicus Fisch. ex Ledeb）和榆树（Ulmus pumila Linn.）5种树直径为0.75～7.65mm,共473根系进行了单根抗拉试验,并将拉伸后的根系按7个直径级归类后测定其纤维素含量、木质素含量、半纤维素含量及综纤维素含量。结果表明,5种树根系抗拉力范围为8～954 N,抗拉强度范围为6～53 MPa。不同树种间抗拉力、抗拉强度差异显著,从大到小依次为榆树＞白桦＞蒙古栎＞油松＞华北落叶松。抗拉力随直径增大以幂函数增大;抗拉强度随直径减小以幂函数和逆函数减小。根系的极限延伸率范围为6.95%～15.50%,不同树种间差异显著。5种树7个径级根系纤维素质量分数范围为20.09%～37.67%,木质素质量分数范围为18.03%～41.67%,半纤维素质量分数范围为1.29%～14.90%,综纤维素质量分数范围为26.20%～52.09%,木质素与纤维素质量分数比值（简称木纤比）为0.53～1.81。根系抗拉力与纤维素含量、半纤维含量、综纤维素含量正相关,与木质素含量、木纤比负相关;根系抗拉强度与纤维素含量、半纤维含量、综纤维素含量负相关,与木质素含量、木纤比正相关。但对于不同的树种,显著影响抗拉力、抗拉强度的化学成分不同。因此,根系中某一化学成分含量的变化并不能完全解释根系力学性能与直径的尺寸效应,或许根系其他内在因素如显微结构等也有着重要的贡献。     

不同乔木根系的抗拉力学特性

为了揭示植被根系的固土力学机制,筛选合适的水土保持树种,选取华北地区5种常见乔木油松、蒙古栎、白桦、落叶松和榆树根系进行室内单根拉伸试验。结果表明,5种乔木根系极限抗拉力和直径之间存在显著的幂函数关系;油松和白桦根系抗拉强度随着直径增大以幂函数递减,蒙古栎、落叶松和榆树根系的抗拉强度随直径增大均以对数函数递减。拉伸过程中,根系对外界拉力的敏感性是在一定范围内的波动,5种乔木平均敏感性依次为白桦＞落叶松＞榆树＞油松＞蒙古栎。5种乔木根系不同直径的应力应变曲线特征参数不同,但均为单峰曲线,具有弹塑性材料特征,拟合曲线三阶抛物线模型能很好地反映其基本特征。不同树种不同直径的抗拉力学特征存在很大的差别,其内在原因还需要进一步的研究。     

护坡植物根系力学特性与其解剖结构关系

为研究植物单根力学特性与其解剖结构的关系,以西宁盆地为例,对青藏高原东北部黄土区5种灌木单根抗拉特性、抗剪特性、根系解剖结构进行了一系列试验研究.结果表明:根系解剖结构中韧皮纤维、木纤维的百分含量、周皮的木质化程度及根系的木质化速度等因素影响根系力学强度,根系拉伸延长率与根系韧皮纤维含量成正比,与木纤维含量成反比;5种灌木植物中,柠条锦鸡儿单根横切面上次生韧皮部平均面积比最大,达到45%,表现为单根具有较大延伸率;四翅滨藜单根横切面上次生木质部平均面积比最大,达到50%,表现为单根具有较强的抗拉和抗剪强度.根据5种供试灌木根系力学特性及其解剖结构特征,四翅滨藜和柠条锦鸡儿根系固土护坡作用较大.     

蒙古栎根系单根抗拉力学特性

为探究蒙古栎根系的基本力学性质,对试验机夹具进行了改进并对根进行了预处理。选取直径范围为1~17 mm的蒙古栎根系在不同标距下进行了室内单根拉伸试验。结果表明,根系的抗拉力随直径的增大而增大,且呈显著的幂函数关系;抗拉强度随直径增加呈减小趋势;蒙古栎单根应力应变曲线在各个径级下皆为单峰曲线,呈弹塑性材料特征。说明蒙古栎通过其较强的抗拉性能和变形能力可对维持坡面稳定起到了积极作用。     

内蒙古中西部3种乡土植物根系抗拉力学特性的对比研究

[目的]研究内蒙古中西部地区3种乡土植物种根系的抗拉机理,为该区水土保持的树种选择提供依据。[方法]以内蒙古中西部地区3种常见植物柠条、沙棘和紫花苜蓿根系为对象,进行室内单根瞬时极限拉伸试验研究。[结果](1)3种植物单根极限抗拉力随着直径的增加而增大,单根极限抗拉强度随直径的增加均呈幂函数递减。(2)当直径在0.19mm~2.89mm范围内相同径级时,3种植物单根极限抗拉强度和弹性模量均值大小顺序相同,依次为:柠条沙棘紫花苜蓿,3种植物根径≤0.5mm的细根具有较大的极限抗拉强度和弹性模量;(3)同一树种当根系直径相同时,土壤含水率高则其单根平均极限抗拉强度小。[结论]根系的力学特性与形态结构特征的结合,是选择适宜的水土保持树种非常重要的因素。从根系抗拉性能方面评价3种植物根系固土抗蚀能力大小则柠条优于沙棘和紫花苜蓿。     

白桦根系力学特性的定量研究

选取华北地区白桦(Betula platyphylla)为研究对象,以白桦单根拉伸的试验结果作为基础数据,应用方差分析的方法对白桦根系的力学特性进行了定量分析。依据试验设计的准则,选取拉伸速率、根长(标距)和直径这3个指标作为影响白桦根系力学特性的影响因素,以最大抗拉力、抗拉强度、弹性模量及极限延伸率这4个指标作为反映白桦根系力学特性的响应指标。结果表明,根径对白桦的最大抗拉力、抗拉强度和极限延伸率存在显著影响;根长(标距)、拉伸速率均对弹性模量和极限延伸率存在显著影响。对选取的4个反映白桦根系力学特性指标而言,拉伸速率与根长(标距)之间均不存在交互效应。对抗拉强度及最大抗拉力而言,拉伸速率与根径、根长(标距)与根径的交互效应均存在且有显著差异表达。对弹性模量、极限延伸率而言,根长(标距)与根径的交互效应的影响不显著,而拉伸速率与根径的交互作用有显著影响。     

大型水库消落带2种典型耐淹草本植物单根抗拉力学特性

研究水库消落带2种典型固土护坡草本的单根抗拉力学特性,可为明确草本根系固土护坡的力学机制提供依据。以狗牙根(Cynodon dactylon)、苍耳(Xanthium sibiricum)2种草本植物为对象,通过室内单根拉伸试验,对比观测了不同根径级别条件下单根的抗拉力、抗拉强度、极限延伸率和弹性模量,分析了各力学特性指标与根径间的拟合关系,并探讨了单根拉伸试验过程中的应力—应变特征。结果表明:(1)狗牙根单根抗拉力平均值大于苍耳,在0.30～0.50 mm和0.90～1.00 mm根径范围内两者达到显著性差异(p0.05),狗牙根单根抗拉力分别比苍耳的大28.06%和9.95%;(2)狗牙根单根抗拉强度平均值是苍耳的1.08倍,在0.40～0.50 mm和0.90～1.00 mm根径范围内两者达到显著性差异(p0.05),狗牙根单根抗拉强度分别比苍耳大24.10%和18.72%;(3) 2种草本单根抗拉力和单根抗拉强度随着根径增大,分别呈幂函数增长和幂函数降低关系;(4) 2种草本单根均呈弹塑性材料特征,单根拉伸过程中的应力—应变关系表现为弹性变形、弹塑性变形、塑性变形和突然断裂4个变化阶段,单根弹性变形阶段的极限拉应力约占极限抗拉强度的50%～70%;(5)狗牙根单根极限延伸率显著大于苍耳(p0.05),分别为(23.59±0.44)%和(14.54±0.38)%,与之相反,狗牙根单根弹性模量显著小于苍耳(p0.05),分别为(474.79±13.82)MPa和(540.77±14.21)MPa。整体来看,草本单根抗拉力学特性与植物类型、根径大小密切相关,狗牙根单根抗拉力和单根抗拉强度均大于苍耳,其单根抵抗外界拉伸作用的能力强于苍耳,说明狗牙根具有更强的固土护坡能力。     

陕北黄土区不同植物根系抗拉力学特性研究

[目的]单根抗拉力学特性是植物发挥固土护坡作用的重要因素,乡土植物分布广泛对区域固土护坡起主要作用,研究比较不同植物单根抗拉力学特性,对坡陡沟深、滑塌频发的黄土区护坡植物选择具有重要意义。[方法]以陕北黄土区的截叶铁扫帚、猪毛蒿、大针茅、铁杆蒿、茭蒿和细叶薹草6种常见乡土植物为研究对象,通过室内单根拉伸试验,比较分析了以上6种植物不同根径单根抗拉力、单根抗拉强度和单根延伸率等力学特性。[结果](1)在根径范围内,6种植物单根抗拉力与根径呈幂函数形(y=ax^b,b>0)正相关关系,植物单根抗拉强度与根径呈幂函数形(y=ax^b,b<0)负相关关系;6种植物单根延伸率随着根径的增加呈现出增大趋势,但单根延伸率与根径之间未呈现出显著的相关性。(2)在试验根径0.05～0.60 mm范围内,植物种类对单根抗拉力、单根抗拉强度和单根延伸率的影响都达到显著水平,6种植物平均单根抗拉力关系为：细叶薹草(10.20 N)>大针茅(7.39 N)>铁杆蒿(6.87 N)>茭蒿(6.44 N)>猪毛蒿(6.34 N)>截叶...     

华北油松、落叶松根系抗拉强度与其微观结构的相关性研究

为研究针叶树种单根抗拉强度与其微观结构和纤维的内在联系,为筛选合适的水土保持、边坡防护树种提供理论基础,对油松、落叶松2种北方常见树种的根系进行抗拉强度、根系解剖结构以及根系分子离析、微纤丝角测定等一系列试验研究,并运用多元回归等数学统计方法对其之间的相关性进行定量、定性分析。结果表明:油松、落叶松根系抗拉强度和根系直径负相关,呈幂指数关系;对所测定的9个指标进行分析后得出,根系抗拉强度与管胞在根系横截面所占的面积比、管胞长宽比、管胞长度均呈正相关,管胞微纤丝角对根系抗拉强度的影响最大,两者呈负相关;油松根系管胞长度、长宽比显著大于华北落叶松,而管胞微纤丝角小于华北落叶松,所以使其根系拥有较华北落叶松更大的抗拉强度,具有更好的根系固土护坡作用。     

4种常见乔木单根拉伸的应力应变曲线分析

选取华北地区河北省北沟林场4种常见乔木油松、白桦、落叶松、蒙古栎进行拉伸试验,分析了直径、根长和拉伸速率对其应力应变曲线的影响。试验结果表明,乔木单根的应力应变曲线整体都为单峰曲线,没有出现明显的径缩现象,4种乔木的应力应变曲线都表现出弹塑性材料特征。相同加载条件,同一直径径级水平下,白桦和蒙古栎的抗拉力学性能比较接近,均具有较大的弹性模量、抗拉强度和较小的极限延伸率;油松和落叶松的力学性能接近,具有较小的弹性模量及抗拉强度和较大的极限延伸率。随着直径的增加,乔木根的弹性模量、极限延伸率和抗拉强度均降低。随着根长的增加,落叶松的弹性模量表现为下降的趋势,而其余3种乔木的弹性模量均表现出上升的趋势。极限延伸率、抗拉强度均与根长成负相关。速率的增加使得根系更容易被拉断破坏,白桦和落叶松的弹性模量、抗拉强度均与拉伸速率成负相关,极限延伸率与拉伸速率成正相关。     

冀北山地6种天然纯林枯落物及土壤水文效应

以冀北山区6种典型纯林为对象,对枯落物层和土壤层水文效应进行初步研究,结果表明:①枯落物总储量变化范围在3.44～23.97t/hm2之间,顺序为白桦纯林>油松纯林>山杨纯林>五角枫纯林>蒙古栎纯林>黑榆纯林,最大持水量的变化范围为5.16～45.11t/hm2,顺序为五角枫纯林>山杨纯林>蒙古栎纯林>白桦纯林>油松纯林>黑榆纯林,山杨纯林有效拦蓄能力最强,为35.45t/hm2,黑榆纯林的拦蓄能力最弱,为2.66t/hm2;②未分解层枯落物8h基本达到饱和,半分解层在6h已经达到饱和,持水量与浸泡时间呈明显对数关系;枯落物在浸水的0.5h内吸水速率最大,4h左右时下降速度明显减缓,枯落物吸水速率与浸泡时间呈明显幂函数关系;③土壤容重均值变化范围为0.82～1.14g/cm3,总孔隙度的变动范围为44.43%～56.97%;④土壤层有效持水能力以五角枫纯林最强,为116.00t/hm2,白桦纯林持水能力最弱,为40.50t/hm2,土壤入渗速率与入渗时间呈明显幂函数关系。     

接坝地区9种典型林分类型枯落物层和土壤层水文效应

以八英庄林场9种典型林分类型为研究对象,对其枯落物层、土壤层水文效应进行研究,结果表明:（1）9种典型林分类型枯落物蓄积量在5.79~24.97 t/hm²的范围内,排序为白桦纯林 > 白桦山杨混交林 > 油松纯林 > 山杨纯林 > 蒙古栎纯林 > 落叶松油松混交林 > 白桦黑桦混交林 > 落叶松纯林 > 落叶松白桦混交林。（2）9种典型林分类型枯落物持水能力有一定差异,排序为白桦山杨混交林 > 山杨纯林 > 油松纯林 > 白桦纯林 > 白桦黑桦混交林 > 落叶松油松混交林 > 蒙古栎纯林 > 落叶松白桦混交林 > 落叶松纯林。（3）枯落物持水量与浸水时间呈较好的指数关系,相关系数在0.95以上,吸水速率与浸水时间呈较好的幂函数关系,相关系数大于0.9。（4）白桦山杨混交林枯落物有效拦蓄量最大为52.63 t/hm²,落叶松白桦混交林枯落物有效拦蓄量最小为14 t/hm²。（5）蒙古栎纯林土壤持水能力最强为117.42 t/hm²,其次是白桦山杨混交林为104.75 t/hm²,白桦纯林土壤持水能力最差为37.80 t/hm²。（6）土壤初渗速率在2.3~56.8 mm/min范围内,土壤入渗速率与入渗时间呈较好的幂函数关系,相关系数大于0.95。     

黄土高原半干旱丘陵区不同树种纯林土壤性质极化研究

人工或天然纯林土壤性质呈现偏离原平衡态并朝某个方向非平衡或极端化发展的现象被作者称为极化。作者提出了抗极化域(W)、抗极化度(R)、极化度(P)和极抗比(I)等土壤极化的表征指标,并采用多样地多样点混合采土法对黄土高原半干旱丘陵区进入成熟生长期的不同树种纯林和混交林土壤性质进行了广泛测定和极化分析。结果表明:(1)不同树种林地属于极强度极化(P>0.20)的土壤性质分别为:油松纯林的化学性质,侧柏、刺槐和沙棘纯林的化学和生物学性质,白榆纯林的化学、生物学性质和微量元素,白桦纯林的生物学性质,茶条槭纯林的生物学和物理性质。(2)总体而言,油松和刺槐纯林会引起土壤的严重贫养化;侧柏纯林会引起土壤的严重富养化;白榆纯林虽然会引起土壤的富养化,但却使得微量元素越来越缺乏;白桦纯林主要会引起土壤生物学性质的恶化;茶条槭纯林土壤有偏贫养化和生物学性质恶化的趋势;沙棘纯林会导致土壤严重贫养化和生物、物理性质的恶化;小叶杨纯林土壤性质尚未发生明显极化。(3)总体而言,小叶杨、油松的抗极化能力均较强,而白榆的抗极化能力最低;相对于林木抗极化能力,土壤的绝对综合极抗比属于中等以上(Ia>0.40)的性质分别为:油松纯林的化学、物理性质,侧柏、刺槐和白榆纯林的所有性质,白桦纯林的生物学、物理和化学性质。     

冀北山地6种林分类型土壤水分-物理性质变化

为改善冀北山地林地生态功能,提高该地区森林涵养水源的能力,选取冀北山地6种典型林分为研究对象,采用环刀法对土壤物理性质进行了分析比较。结果表明:(1)土壤容重与土层深度呈正相关,土壤容重均值排序为:华北落叶松林(1.20g/cm~3)蒙古栎林(1.14g/cm3)油松林(1.12g/cm~3)黑桦林(1.03g/cm~3)白桦林(0.98g/cm~3)山杨林(0.81g/cm~3);(2)土壤总孔隙度与土层深度呈负相关,土壤总孔隙度均值排序为:山杨林(57.6%)白桦林(51.4%)黑桦林(51.1%)油松林(49.1%)华北落叶松林(45.9%)蒙古栎林(44.8%);土壤毛管孔隙度均值山杨林最大(48.9%),油松林最小(35.1%);非毛管孔隙度均值为油松林最大(14.0%),白桦林最小(3.6%);(3)土壤持水量与土层深度之间存在负相关关系,土壤最大持水量均值为山杨林最大,华北落叶松林最小;(4)土壤入渗速率与入渗时间呈明显幂函数关系,稳渗速率油松林最大(15.00mm/min),华北落叶松林最小(0.68mm/min)。研究结果可为森林土壤资源可持续利用提供依据。     

黄土高原油松与其他树种枯落叶混合分解对土壤性质的影响

通过油松及其他10个树种枯落叶单独和混合分解试验,探讨了油松与其他树种枯落叶混合分解对土壤性质的影响及在对土壤性质影响中是否存在相互促进或抑制作用。结果表明:11种枯落叶单独分解均明显提高了土壤脲酶、脱氢酶、磷酸酶活性和有机质、碱解氮含量,但在对土壤速效磷含量和CEC的影响中存在较大差异。油松分别与侧柏、小叶杨、刺槐和白榆枯落叶混合分解对土壤微生物总量的影响存在明显的相互促进作用;油松与沙棘枯落叶混合分解对土壤磷酸酶活性的影响存在相互促进作用,而与侧柏、白桦和白榆枯落叶混合分解对土壤磷酸酶活性的影响存在相互抑制作用;油松与大部分树种枯落叶混合分解对土壤速效钾的影响存在相互促进作用,而对土壤速效磷的影响存在相互抑制作用;油松分别与小叶杨、沙棘、紫穗槐枯落叶混合分解对土壤有机质的影响存在相互促进作用。就土壤性质总体而言,油松与沙棘、刺槐、小叶杨和紫穗槐枯落叶成对混合分解对土壤性质综合表现为相互促进,而与侧柏、辽东栎、白桦、落叶松和柠条枯落叶成对混合分解对土壤性质综合表现为相互抑制。