白桦单根的抗拉力学特性研究

为研究根系力学特性,对华北地区白桦(Betula platyphylla)进行单根拉伸,系统分析白桦根系材料的力学特性。结果表明:在同一标距、同一拉伸速率下,抗拉强度与直径存在着负相关关系,且表现为幂函数关系,极限延伸率与直径呈负相关关系,最大抗拉力与直径存在正相关关系;同一拉伸速率下,标距较小的单根有较小的弹性模量和较大的平均抗拉力、平均抗拉强度及平均极限延伸率;以400 mm/min和10 mm/min不同速率拉伸根系,根系在400 mm/min下大多为脆性断裂,易拉断破坏,拉伸速率的变化对抗拉强度和最大抗拉力的影响不显著。对白桦根系的应力应变曲线分析表明,根系直径较小时,随应变增加应力呈线性增大,表现出较好的线弹性关系,直径增大后,应力应变曲线递增缓慢,没有明显的线性区间。根据白桦应力应变曲线的特征,建立并拟合得出了白桦单根本构关系的经验模型,检验表明模型的拟合结果与试验数据基本吻合。     

Establishing an integrated mechanical model of root tensile strength—taking four common arbor species in North China for example

抗拉强度是建立边坡稳定模型时最常使用的植被根系特性之一。为建立根系抗拉强度的力学综合模型,对华北地区4种常见乔木油松、白桦、落叶松和蒙古栎的单根依照不同标距、不同拉伸速率进行了拉力试验。试验数据的分析结果表明：所有根系抗拉强度的观测值均通过正态检验;从数学角度出发,应用聚类分析方法,区分出4种乔木的极细根和细根;标距、树种对抗拉强度影响显著,拉伸速率对抗拉强度影响不显著。在理论推导和数据分析的基础上建立了乔木单根抗拉强度的力学综合模型,并对模型参数进行求解。该研究探明了单根抗拉强度的作用机理,对建立边坡稳定模型具有重要参考价值。     

华北地区4种常见乔木根系抗拉强度的力学综合模型

抗拉强度是建立边坡稳定模型时最常使用的植被根系特性之一。为建立根系抗拉强度的力学综合模型,对华北地区4种常见乔木油松、白桦、落叶松和蒙古栎的单根依照不同标距、不同拉伸速率进行了拉力试验。试验数据的分析结果表明:所有根系抗拉强度的观测值均通过正态检验;从数学角度出发,应用聚类分析方法,区分出4种乔木的极细根和细根;标距、树种对抗拉强度影响显著,拉伸速率对抗拉强度影响不显著。在理论推导和数据分析的基础上建立了乔木单根抗拉强度的力学综合模型,并对模型参数进行求解。该研究探明了单根抗拉强度的作用机理,对建立边坡稳定模型具有重要参考价值。      

护坡木本植物根系的力学特性及其与细胞壁成分的关系

为研究人工边坡立地条件下木本植物根系固土护坡的力学机制,以京承高速(3期)边坡为例,对榆树、紫穗槐、刺槐、胡枝子4种木本植物共395个根样进行室内单根拉伸试验,然后按5个根系径级分类并分别测定其半纤维素、纤维素、木质素含量,系统分析植物根系材料的力学性能。结果表明:4种木本植物根系直径为0.95~5.42 mm,抗拉强度为7.66~36.94 MPa,抗拉力为22.18~464.50 N。4种植物之间抗拉力、抗拉强度差异显著,从大到小依次为榆树＞紫穗槐＞胡枝子＞刺槐,根系抗拉力随根系直径增大以幂函数增大,抗拉强度随根系直径增大以逆函数或幂函数减小。4种木本植物5个径级根系半纤维素质量分数为1.37%~29.26%,纤维素质量分数为20.57%~36.91%,木质素质量分数为15.12%~29.84%,综纤维素质量分数为28.18%~66.17%,木纤比比值为0.45~1.31。不同树种间及不同径级根系间细胞壁成分差异显著。根系抗拉力与木质素显著负相关;抗拉强度与木质素正相关,与半纤维素负相关。根系拉伸的应力--应变曲线随树种根系结构组成的不同而不同。单根拉伸的应力--应变特征初始阶段为线性关系,拉力继续增大会逐渐表现出塑性特征,根系最大应力随直径增大而减小。综合4种植物的抗拉特性,榆树和紫穗槐的护坡作用较大。      

太行山区林木根系单根固土生物力学及疲劳特性研究

为了揭示河北太行山区崇陵小流域林木根系固土能力,选取太行山区崇陵小流域内的20年生油松(Pinus tabulaeformis)和侧柏(Platycladus orientalis)人工林为研究对象,采用室内单根拉伸试验的方法,测定3、5、7mm 3个径阶下最大抗拉力平均值和平均抗拉强度,对根系疲劳前后固土的力学特性及根系疲劳过程进行研究。结果表明:1)疲劳前后油松和侧柏根系的最大抗拉力与根径呈正相关关系,回归曲线采用幂函数拟合;2)疲劳前后油松根系最大抗拉力平均值和平均抗拉强度均高于侧柏,疲劳后2种林木根系抗拉强度随根径的变化规律与疲劳前一致;3)疲劳后不同径阶油松和侧柏最大抗拉力和抗拉强度均有提升,疲劳后油松和侧柏根系3个径级(3、5、7mm)的极限抗拉力比疲劳前分别增加了69.2%、36.5%、37.7%和13.7%、12.9%、32.9%,疲劳后油松和侧柏根系的平均抗拉强度分别是疲劳前的1.50倍和1.19倍;4)林木根系滞回曲线表现出明显的周期循环特征,最初几个周期"滞回环"饱满且间隙明显,"滞回环"间距随着循环周期的增加越来越密集,几乎形成闭合曲线,逐渐趋于稳定。     

沙棘根系固土力学特性对其平茬复壮的响应

为考察平茬措施对根系力学特性的影响，以内蒙古干旱半干旱地区水土保持先锋灌木沙棘（Hippophae rhamnoides）根系为研究对象，使用TY-8000拉力机，进行单根极限拉伸试验和根土界面拉拔摩阻试验，并分析平茬对沙棘根系固土力学特性的影响。试验结果显示，在测试根径为0~5 mm时，平茬和未平茬条件下，沙棘单根极限抗拉力、抗阻拉力均与直径呈幂函数正相关；单根极限抗拉强度、根-土界面拉拔抗剪强度均与直径呈幂函数负相关。在代表根径级0.5~1.5 mm，沙棘平茬较未平茬平均单根极限抗拉力值提高31%；平均单根极限抗拉强度提高37%；平均拉拔抗剪强度提高30%。研究结果表明，直径对沙棘根系抗拉强度和抗剪强度均有影响，且沙棘经平茬处理后，抗拉特性和抗剪特性均有所提高。     

北方5种常见乔木根?土摩擦锚固性能研究

  目的  油松、白桦、蒙古栎、华北落叶松和榆树作为在北方广泛生长及种植的树种，其根系在锚固土壤和防止滑坡方面起着重要作用，因此研究其根?土界面摩擦性能具有科学意义。  方法  本文将挖自于木兰围场县木兰林管局北沟林场的5种乔木树种根系按不同直径分成若干小段，并将单根埋入干密度为1.52 g/cm3、含水率为12.72%的土壤试件盒中。通过北京林业大学植被力学实验室自主研发的根系拉拔试验机对埋入土壤的单根进行拔出试验，探究单根拔出的作用机理并从不同树种、不同直径两方面分析影响其摩擦力的因素。  结果  （1）单根在被拔出的过程中会发生两种破坏模式，当根的最大抗拉力小于根?土界面最大摩擦力时发生拔断破坏，反之则发生拔出破坏。（2）单根的最大摩擦力随直径以幂函数关系增长且拟合度很高，树种对于最大摩擦力的增幅具有明显的影响。（3）蒙古栎、榆树根?土界面最大剪应力随直径的增长而减小，白桦、华北落叶松、油松根?土界面最大剪应力随直径的增长而增大。（4）5种树种根?土界面剪应力与位移曲线可以用改进的双曲线模型进行拟合，各树种剪应力均在位移量为总值的6%时达到峰值。  结论  研究表明不同树种及直径对其根系固土效果会产生较大的影响，传统的固土效果预测方法会高估根系的固土作用，因此在进行人工防护林建设过程中应综合考虑根系的影响。      

热胁迫对华北落叶松、油松针叶SOD、POD活性的影响

为了从抗氧化酶方面探讨华北落叶松高温伤害机理,以华北落叶松、油松为材料作对比试验,对不同热胁迫处理下叶内SOD、POD活性的变化进行了测定。结果表明:不同热胁迫温度同时胁迫两树种,华北落叶松SOD活性始终高于油松;各温度胁迫短时间内华北落叶松POD活性高于油松,胁迫超过一定时间,油松POD活性和上升幅度均高于华北落叶松,即在长时间热胁迫胁迫时,油松能维持较高的POD活性。     

植物根系抗拉力学性能研究进展

根系是植物固土的基本单元,根系力学性能研究是植物根系固土研究的基础。植物护坡工程中,植物根系通过发挥抗剪和抗拉作用提高边坡稳定性。根系抗拉能力是增强边坡稳定性最重要的因素之一,根系抗拉力学性能研究具有重要意义。在分析国内外多种植物根系抗拉力学性能研究的基础上,总结了这些植物根系抗拉力学特性的研究现状,分析比较了植物根系抗拉力学性能研究试验的方法和多种影响因素与植物根系抗拉性能的关系,得出如下结论:①目前尚未形成标准的根系抗拉试验,根系抗拉性能试验研究的方法和设备有待科学规范;②根系直径与抗拉力和抗拉强度关系研究已经形成共识,即根系直径越大,抗拉力越大,抗拉强度越小;③根系抗拉强度随根系采伐时间的推移而降低;④根系长度、含水量、加载速率、根系内部化学成分和微观结构等对抗拉力和抗拉强度的影响研究较少,尚未形成统一结论,还需要加强研究。最后,探讨了植物根系抗拉力学性能研究存在的问题和趋势,认为夹具的改进、根系形态解剖结构研究、根系疲劳破坏研究应成为今后研究的重点。     

玉米根系的拉伸特性研究

对玉米品种豫单5766和浚单18根系的拉伸特性进行了测试,测取了供试材料不同直径根系的最大拉力及抗拉强度,分析了玉米根系的拉伸特性。研究表明:在根系受拉后的初始阶段,拉力变形线为直线,外皮破裂后,拉力变形线为曲线,其变形属于非线性变形。玉米根系的抗拉强度不仅与品种有关,还与直径的大小有关,不同品种的抗拉强度不同,同一品种直径越大抗拉强度越小。     

狗牙根种质资源的根系分布特征及抗拉强度研究

为比较不同狗牙根种质资源的固土护坡能力,研究了不同狗牙根的根系分布特征及抗拉强度,结果表明:狗牙根的根系集中分布在0～10 cm土层,其根长密度和根重密度随土层深度的增加而减少,C2的根长密度和根重密度均优于C1和C3.3份狗牙根材料的平均根直径均小于1.0 mm,C2的有效根密度最大;狗牙根的根系抗拉强度均随根系直径的增加而减小,3份材料的根系最大抗拉强度的峰值均出现在根系直径小于0.4 mm径级,表明细根的固土护坡能力较粗根好,3份材料中C2的根系平均抗拉强度最大.从3份狗牙根材料中初步筛选出较适宜做护坡的狗牙根为C2.     

干旱胁迫对华北落叶松和油松幼苗叶绿素含量与根系活力的影响

为研究干旱胁迫对针叶树种幼苗生长的影响,以华北落叶松和油松的2年生幼苗为材料进行大田干旱胁迫模拟试验,通过对比干旱胁迫下针叶中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b的含量、叶绿素a/b值以及根系活力的变化,探究不同干旱胁迫强度对华北落叶松和油松幼苗生长的影响。结果表明:(1)华北落叶松的叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素a+b的含量在干旱胁迫下呈现出先增加后下降的趋势,叶绿素a/b的值在干旱胁迫下不断减小;而油松的叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素a+b的含量呈现缓慢下降的趋势,叶绿素a/b的值在较小范围内波动。(2)华北落叶松和油松的根系含水率在干旱胁迫下不断下降,根系活力先增强后减弱。(3)在干旱胁迫下,华北落叶松的叶绿素a+b含量与其根系活力之间表现出极显著的正相关关系,而油松的叶绿素a+b含量随根系活力增大而呈现增加趋势,但并没有达到显著水平。经过综合分析并结合植物的抗旱性表现,得出华北落叶松幼苗对干旱胁迫的敏感程度远大于油松,其适应性和抗旱性相比于油松较弱。     

北京山区不同林分林下植被根系分布特征及其影响因素

目的通过野外调查和室内试验分析林下植被生物量以及根系特征,为北京土石山区人工造林树种的选择和植被恢复提供科学依据。方法在北京土石山区典型代表红门川流域,以油松和侧柏林下植被为研究对象,采用样方法进行植被调查,测定林下植被生物量和根系,草本和灌木生物量采用全刈法,根系调查采用连续钻取土芯法。结果结果表明:不同树种林地根系生物量差异显著(P < 0.05),灌丛林地根系生物量最高((6.84±1.35) t/hm2),其次为侧柏((4.65±0.90) t/hm2),油松林地土壤根系生物量最低((3.33±0.93) t/hm2),且同一林地根系生物量在不同土层均基本接近;不同树种林地根长密度和根表面积密度均随径级的增大而减小,0~0.1 mm径级根系是林地根系分布最广的,其次为0.1~0.2 mm径级的根系;随林龄增大,侧柏、油松林不同径级根长密度、根表面积密度和根系生物量均呈递减趋势,且均明显低于灌丛林地;坡向显著影响林地根系生物量,半阴坡根系生物量明显大于阳坡和阴坡根系生物量(P < 0.05),林地根长密度和根表面积密度与砂粒含量显著性负相关(P < 0.05),其中径级0~0.1 mm和0.2~0.5 mm根系尤为明显,根系生物量与土壤密度间显著负相关(P < 0.05),尤其是径级0.2~0.5 mm根系。结论研究结果表明对土石山区造林树种的选取不仅要参考当地环境条件和土壤特征,还要充分考虑造林树种的生长特性。      

华北土石山区白桦根系分布特征及力学性能研究

以华北土石山区常见乔木白桦根系为研究对象,采用全挖法,从根长、根径、土层深度等方面进行比较,利用Sketchup Pro 8软件建立根系的形态模型;并在实验室进行根系抗拉强度及根土复合体抗剪强度的试验。结果表明,白桦根系垂直分布范围集中在0～60 cm的土层中,对坡面浅层水土保持起着重要作用,用软件模拟出的根系形态较接近实际;根系抗拉力与直径成正比,抗拉强度随直径的增加而减小;白桦根系能明显增强土体的抗剪强度,且根系交叉方式不同,根土复合体的抗剪强度也不同。     

根系逐渐破坏过程中固土效果研究

植物根系的固土效果会随根系破坏而发生变化,但其变化过程并不明确。以重庆缙云山的四川山矾为研究对象,以2 mm为根系径级,采用逐径级剪除根系法模仿根系逐渐遭到破坏的过程;同时测量根系的抗拉与抗拔强度,利用自制大盒直剪仪测量根土复合体的抗剪强度,并与Wu模型计算值作对比,系统研究根系逐渐破坏过程中的固土效果。结果表明,春季生四川山矾3年幼苗的植物根系抗拉强度随着根系直径的减小而减小。当根系直径小于2 mm时,根系拉拔强度要高于植物根系的抗拉强度,当根系直径大于2 mm时,则根系抗拉强度更大。大盒直剪测量结果显示,根系破坏过程中根土复合体的抗剪强度首先保持不变,当大于2 mm的根系开始与土壤分离时,根土复合体的抗剪强度会快速下降。在一定范围内,根面积比越大,根土复合体的抗剪强度越大,根系对土壤的加固作用越强。在根系逐渐破坏过程中,Wu模型在一定程度上高估了根土复合体的抗剪强度,且高估值与根面积比呈正相关关系。      

护岸金丝柳根系分布特征和力学特性分析

了解不同土壤生物工程措施下根系分布特征与抗拉特性对土壤生物工程措施的合理配置意义重大。以竣工5年的北京市怀柔区土壤生物工程试验区4种不同种植方式(埋根、扦插、梢捆、灌丛垫)下的金丝柳根系为研究对象,测量统计不同土层深度、不同径级的根系生物量并进行单根拉伸试验,分析在不同种植方式下金丝柳根系的生物量分布特征和单根抗拉特性,结果表明:灌丛垫和梢捆措施根系主要分布在0~40cm深度的土层中,在0~20cm土层中尤为集中。灌丛垫方式下根径≤1mm的细根含量丰富(占其总量的31.3%),须根系最为发达,梢捆次之,细根含量占其总量的19.2%。不同种植方式下根系抗拉力与直径都呈正相关,且以幂函数的规律变化。在0~20cm的土层中,不同种植方式下根系的抗拉特性存在较大差异,平均抗拉力从大到小依次为埋根、扦插、梢捆、灌丛垫;而平均延伸率从大到小依次为灌丛垫、梢捆、扦插、埋根。所以,灌丛垫和梢捆方式下根系浅层生物量较大,须根发达且具有更好的延伸性能,可有效减轻表土侵蚀,应设置在水位浮动区;埋根和扦插措施下根系能抵抗更大的剪切力,更好地深入土层深处,可设置在岸堤区。