4种乔木根系不同埋根方式根-土复合体的抗剪特性

在固定的土壤含水量和干密度条件下,分别选取直径3,5和7 mm的落叶松、油松、白桦和蒙古栎根系,采用水平埋根、垂直埋根和复合埋根的方式制备直径为101 mm的根土复合体试样;应用全自动三轴压缩仪,设定围压分别为200,400和600 kPa,对试样进行固结不排水试验,评价埋根方式和根系直径对土壤抗剪强度的影响。结果表明：加根复合体的抗剪强度明显大于素土,抗剪强度随着埋根直径的增加而增大,土壤抗剪强度表现为复合根复合体＞水平根复合体＞垂直根复合体。植物根系在土壤中形成横纵交错的状态对减少滑坡等自然灾害可起到更好的作用。     

林木根系与黄土复合体的三轴试验

以林木根系为研究对象,将根系与土壤视为一个整体,用三轴压缩试验方法研究根土复合体的应力-应变及强度特性,探讨不同根系直径、根系分布方式、复合体含水量和围压下的极限主应力差和加根效果,得出根土复合体的强度指标.结果表明:根土复合体在含水量相同的情况下,随根径增大,复合体的强度提高率增大.水平根的根土复合体随含水量增加,复合体的强度提高率减小;垂直根和复合根的复合体随含水量增加,复合体的强度提高率增大.垂直根和复合根的根土复合体能明显提高土体的强度,水平根的根土复合体对于提高土体强度效果不是很明显.     

林草混交根-土复合体的抗剪强度特性

通过对香根草和小叶女贞两种不同植物根系构成的根土复合体及两种植物混交根系构成的根土复合体分别进行了系列直剪试验研究,探索了在不同含水率及不同含根比的情况下,植物根系对复合体抗剪强度的影响规律。研究表明,草本植物香根草以及木本植物小叶女贞的根系都能提高根土复合体的抗剪强度,但二者对复合体抗剪强度指标的贡献是不同的,且混交根土复合体的抗剪强度仍符合库伦强度理论。在此基础上,本研究提出了根土复合体的内摩擦角随小叶女贞含根比变化的幂函数关系式。以上研究为进一步探索林草一体化高稳定护坡技术,具有重要的理论意义。     

基于植物生长过程的根系固土机制及Wu模型参数优化

【目的】为提高植物根系固土效果模型量化的准确性,针对植物根系在土壤中受破坏的不同方式,基于植物生长过程的根土复合体直剪试验,利用根的拔出与抗拉试验,分析根系在不同生长时期的受力机制,定量评估植物根系对土壤的加固效果。【方法】在原有直剪仪器的基础上,设计了一套分离式、可测定盆栽植物根系固土效果的装置。将12棵3年生山矾幼树样本直接种植于直剪盒,针对移植后1个月、4个月和1年后山矾根系的单根抗拉强度、拔出强度和根土复合体的抗剪强度进行测定,建立植物单根直径与单根抗拉强度、拔出强度的关系曲线。在时间尺度上,研究影响其根系固土的相关参数变化,分析根系与土壤的相互作用机制和根系的破坏情况,并优化现有Wu模型,并尝试评估动态生长过程中的根系固土效果。【结果】1)植物根系固土效果受抗拉强度与拔出强度的共同影响,在植物的生长的过程中,拔出强度对固土效果的影响比抗拉强度更加显著;2)随着植物种植时间的增加,4个月后根土复合体的抗剪切强度显著增加,1年后根土复合体的抗剪切强度较前4个月增长放缓。根土复合体发生剪切破坏后,根系发生断裂破坏的概率随种植时间的增加而增加。3)将根系抗拉和拔出强度2个参数加入到植物根系固土模型的计算中,可以更好地反映植物根系固土效果,特别是对于植物移植生长过程,模型计算结果与实际值平均相差仅为8.13%。【结论】植物根系在1年的生长周期内,根系数量不会发生较大变化,根系抗拉强度由其材料属性决定,也不会发生较大变化。而根系与土壤间的键合则变得更加紧密,根系的拔出强度增加显著,更多的根系在土壤发生破坏时发生断裂,最终提高根系加固土壤的效果。     

四川山矾根系分支节点对根系固土效益的影响

【目的】研究根系形态学参数和力学参数对固土效果的影响,进一步了解根-土相互作用机制和固土机制。【方法】利用改装过的万能试验机测定四川山矾根系的抗拉强度、杨氏模量、摩擦力等力学特性,利用自制的大盒直剪装置测定含根土样本的抗剪强度。分析根系形态学参数与力学特性参数的关系。【结果】1)四川山矾的根直径与根长、抗拉强度、杨氏模量和拔出力都符合幂函数关系。其中,根直径与抗拉强度和杨氏模量呈负相关,根直径与根长、拔出力呈正相关。2)四川山矾根系分支节点数的增加,可显著提高根系拔出力,但分支节点对单位根长度拔出力的影响较小。3)四川山矾根系分支节点的增加,可显著提高根系的土壤加固效果,每存在1个分支节点可提高根系附加抗剪强度约50%。分支节点的增加可显著提高单位根长和根直径的附加抗剪强度。4)主成分分析发现,对根系附加抗剪强度的极值影响最大的参数为根长之和,而对根系附加抗剪强度的屈服值影响最大的参数为根直径之和。【结论】四川山矾根系分支节点的存在对根系的拔出强度和最终的固土效果都有显著影响,是根系固土效果定量研究中的重要参数,这对理解和分析边坡植物根系加固土壤的机制有重要意义。     

土壤饱和度对柠条根与两类土界面摩擦特性的影响

以内蒙古鄂尔多斯地区低液限粉土和粉土质砂及其人工柠条林为研究对象,通过重塑土直剪试验研究土壤含水率对柠条根与两类土界面摩擦特性的影响,为根-土相互作用机理提供理论和数据支持。结果显示:随着土壤饱和度由25%增至85%,低液限粉土根-土界面的摩擦系数由0.438逐渐减小到0.35,粉土质砂则由0.517减至0.424;2种土壤质地根-土界面粘聚力呈先增大后减小的趋势,低液限粉土和粉土质砂根-土界面粘聚力分别在土壤饱和度为55%和40%时达到最大值,分别为4.986和3.056;土壤饱和度对根-土界面抗剪强度的影响随土壤类型的不同存在差异,在柠条根系主要分布层0.7 m和1.4 m内,2种土壤质地根-土界面抗剪强度随土壤饱和度增加呈现先增大后减小的趋势,且低液限粉土根-土界面抗剪强度高于粉土质砂,从固土效果角度,低液限粉土种植柠条的固土作用优于粉土质砂。     

3种散生竹的单根抗拉力学特性

植被在改善生态环境、减少水土流失、涵养水源、固土护坡等方面具有其他工程措施所不能替代的作用.现有研究表明,植物根系对土壤的力学作用,能够稳定土层结构、提高土壤的抗剪强度,是植被实现固土护坡的重要手段(Roering et al.,2003;李绍才等,2006;吕春娟等,2011). 林木根系的抗拉力学特性是影响根系固土护坡效果的重要因素(陈丽华等,2008).植物根系由众多单根构成,单根是发生根土力学作用的基本单元,单根的抗拉能力及抵抗形变能力决定了植株受外力时的整体形变状态及对土壤的约束能力,因此,具有较大抗拉强度的单根构成的根系将有助于土壤的稳固和增强.     

不同降雨强度下植被护坡对边坡位移的影响

为研究不同降雨强度下植物根系对边坡土体位移的控制效果,采用PLAXIS 3D有限元软件对3种降雨强度下植物根系固土边坡进行数值模拟计算,结果表明:边坡未采用植物根系护坡时,降雨会导致边坡表层土体发生较大位移,土体位移增大范围包含整个坡面。边坡采用植物根系护坡时,能有效减少边坡表层土体位移,边坡土体位移增大范围比无根系防护边坡明显减小,主要分布在边坡坡面中上部。降雨强度为5,10和20 mm/h时,植物根系固土边坡土体最大位移相比无根系防护边坡减小幅度分别为89.8%,80.3%和71.8%,可见降雨条件下植物根系能够有效控制边坡土体位移,但随着降雨强度增大,植物根系对边坡表层土体位移的控制效果会有所减弱。对边坡进行稳定性分析可知,植物根系的存在能有效提高边坡浅层范围内土体的抗剪强度,从而使边坡表层土体塑性点数量减少;还能显著减小发生滑坡时的偏应变增量,并且缩小潜在滑动面的发生区域,提升边坡的稳定性。为了保证强降雨条件下边坡稳定性,提出了植物根系结合锚杆支护的综合护坡方式,该支护方式能够有效降低强降雨条件下边坡土体的位移,增强边坡稳定性。     

香根草根系的分布形态及抗拉强度试验研究

通过对贫瘠土壤环境下生长1年的香根草根系在土中分布的统计分析,得到了香根草根系数量和根系横截面积沿土层深度变化的规律,并基于香根草根系抗拉强度的一系列试验,研究了根系抗拉强度随其直径和长度而变化的特性。结果表明:香根草根系的数量和横截面积沿深度呈递减趋势,但大部分根系分布在较深的土层内;随着根径和长度的增长,抗拉强度逐渐下降,根径的影响更加明显。在此基础上,改进了现有的根系抗拉强度计算模型,并给出了针对香根草的模型参数。计算结果和实测数据非常吻合,证明了该理论模型的可靠性,为根土复合体抗剪强度研究和植物边坡稳定分析提供了理论基础。     

外力作用下4种植物根系易损部位的研究

[目的]为探讨根系在轴向拉力和径向折力下的易损部位。[方法]以3 4 a的柠条、沙柳、沙棘和白沙蒿为研究对象,采用TY8000伺服控制材料试验机测定4种植物侧根分支处和相邻直根的抗拉力与抗折力。[结果]表明:在1 4 mm根径范围内,4种植物侧根分支处和相邻直根的抗拉力、抗折力均与直径呈幂函数正相关,抗拉强度、抗折强度均与直径呈幂函数负相关;同径级时,每种植物单根的抗拉强度和抗折强度均表现为侧根分支处小于相邻直根,4种植物侧根分支处和相邻直根的抗拉强度为柠条((23.70±3.97)、(28.02±4.40)MPa)沙柳((14.86±1.28)、(20.33±1.76)MPa)沙棘((10.60±2.40)、(15.86±3.90)MPa)白沙蒿((5.07±1.25)、(8.80±1.74)MPa),侧根分支处和相邻直根的抗折强度为:柠条((33.66±7.74)、(47.06±4.41)MPa)沙柳((17.31±1.91)、(27.54±3.82)MPa)沙棘((3.97±1.23)、(8.75±1.70)MPa)白沙蒿((2.18±0.39)、(6.15±1.01)MPa)。[结论]无论受轴向拉力还是径向折力,4种植物根系易损部位均为侧根分支处。造成垂直根模型(WWM)和纤维束模型(FBM)预测根系固土能力偏高的补充原因为:(1)模型根系全部计入直根的抗拉力,忽略了侧根分支处,而侧根分支处是根系固土的薄弱点。(2)模型假设所有根系为轴向受拉的杆件。实际根土复合体发生剪切时,根可能承受轴向拉力,也可能承受径向折力。对于抗折强度小于抗拉强度的植物,模型必然高估根的实际固土能力。     

应用分形维数研究狗牙根根系边坡固坡效应

植物根系形态非常复杂,很难定量确定根系对边坡土体的防护作用。笔者选择常见护坡植物狗牙根为研究对象,根据自主研发的分形维数计算软件确定狗牙根根系分形维数,提出基于根系分形特征的固土机理数值分析方法,将根土复合体当作由土体、根系所联系起来的有机体,研究在雨水侵蚀力和坡面径流侵蚀力作用下,不同根系分形特征对土体位移场的影响。根据根系分形维数与表层位移关系曲线,建立分形维数与边坡土体稳定性的相互关系,明确边坡植入狗牙根根系对表层土体稳定性影响,研究结果表明,分形维数与数值计算相结合,能够反映植物根系形态对边坡表层土体位移的影响,对于植物生态边坡的设计与施工具有现实的指导意义。     

边坡土壤含水率对不同植被土壤抗剪强度的影响

边坡土壤含水率是影响边坡稳定性的重要因素。本文通过直剪试验,研究边坡土壤含水率对不同植被类型土壤抗剪强度的影响。试验结果显示,天然含水率时,草地土壤抗剪强度高于裸地;随着含水率的增加,土壤抗剪强度及其指标（粘聚力和内摩擦角）基本呈现先增大后减小的趋势,其中裸地土壤抗剪强度在含水率约为10％时达到峰值,草地土壤达到抗剪强度峰值时的含水率约为12％,且草地土壤峰值时的抗剪强度值明显大于裸地;峰值过后含水率继续增加到饱和含水率的过程中,草地土壤抗剪强度减小的幅度小,受含水率变化的影响小。由此表明,边坡植被能显著减弱土壤含水率的增加对土壤抗剪强度的影响,增强边坡土体的稳定性。     

苹果根际土pH值和有效养分的研究

通过对田间和盆栽树细根和土壤的测定表明，苹果根际土与非银际土在有机质含量，过氧化氢酶活性，ｐＨ值和有效养分等方面有明显差异。苹果根际土ｐＨ值受施肥种类的影响结果与禾谷类作物相似，叶片蒸腾速率的增大会引起根际土，ｐＨ值的下降，而根系活力对根际土ｐＨ值无影响，根际土有效养分含量与非根际土有效养分含量有很好的相关性，而非根际土有效养分含量与细根内相应元素含量的相关性比根际土与细根的好。根系的吸收能力影响     

典型石漠化区土壤理化性质对其抗剪性能的影响

通过典型石漠化地区不同土地利用类型土壤理化性质的垂直分布及其与土壤抗剪性能的关系探究,为同类地区水土流失防治提供科学依据。以建水县普雄乡典型石漠化地区为研究区域,通过野外采样与室内分析相结合的方法,以研究区乔木林地、坡耕地、灌木林地、撂荒地4种土地利用类型0-80cm土层土壤为研究对象,分层采集原状土,测定其理化性质和抗剪性能,分析土壤理化性质对抗剪强度的影响规律。结果表明,(1)不同土地利用类型不同土层的土壤理化性质差异显著,不同土层化学性质的指标含量的差异主要集中在0-20cm土层和20-80cm土层之间,在20-80cm的各土层中,其TN、TOC、TP和TK含量都分别较接近;(2)4种土地利用类型,抗剪强度的大小依次为撂荒地乔木林地灌木林地坡耕地,随着土层加深,土壤抗剪性能逐渐增大;(3)根据Pearson相关和因子分析表明,土壤容重、含水率、pH值、黏粒、粉粒是与土壤抗剪强度密切相关的物理因素,全磷、全氮是与土壤抗剪强度密切相关的化学因素。     

根系对边坡土体抗崩解能力影响的试验研究

通过对模型箱根—土的试验研究,探索了混合种植林草的边坡土体的初始含水量、边坡坡度及有效根密度等对边坡土体抗崩解能力的影响。研究结果表明:边坡土体的抗崩解能力不但与边坡坡度和土体的初始含水量有关,更与边坡土体中的有效根密度有关;在一定的初始含水量条件下,土体抗崩解能力随着有效根密度的增大而呈幂函数增长趋势;在此基础上提出了不同初始含水量和不同有效根密度条件下土壤完全崩解所需时间的计算公式。研究结果为揭示植物根系对边坡稳定性的增强机理提供了理论基础,也对促进生态护坡和植物边坡的水土保持等技术的发展具有一定的理论及工程应用价值。     

植物护坡及其生态效应研究

河道生态系统中的河岸侵蚀和滨水缓冲带建设倍受关注。本文以上海市浦东新区机场镇的生态河道示范工程为例,探讨了以生态修复和稳定坡岸为目标的植物护坡技术在生态河道坡岸修复中的应用及其生态效应。在不同河段分别采用了全系列生态护坡、土壤生物工程护坡和复合式生物稳定等三类植物护坡技术。通过对工程实施后3年（2004～2006年）来的生态监测发现,护坡植物生长良好,新生枝叶和根系的护坡作用明显,土壤抗剪强度明显增加,河岸土壤侵蚀得到有效控制,坡岸的结构稳定性增强;同时河岸生境得到改善,本地植物快速恢复,生物多样性增加,河岸植物群落结构由单一结构向复杂结构转变,生态稳定性逐渐增强。生态河道的植物坡岸修复技术可以在我国各类坡岸的生态修复和边坡稳定中广泛运用。     

控根对湿加松扦插苗生长与根系形态的动态影响

以湿加松扦插容器苗为材料,设置空气切根(30,50,70cm苗床)和不切根对照处理,分析处理后半年内株高、地径、地上部生物量、根系生物量、根长、根表面积、根直径、细根比例等指标的月变化。结果表明,控根影响了扦插苗的根系形态,但对扦插苗的生长与生物量无显著影响。处理4个月后,70cm苗床的切根处理显著促进了根系的伸长生长,但5个月时,切根苗木的根系转向粗生长的阶段,与对照相比,细根比例降低,而根直径增大。苗木生长量呈现与根直径的相关性逐渐增强、而与根长度相关性减弱的趋势,表明控根苗木根系形态的动态变化有利于促进苗木的生长。建议采用70cm苗床做湿加松扦插苗的空气切根。     

土壤含水率对沙柳根土间摩阻力的影响

以神府-东胜采煤塌陷区沙柳及其生长地土壤为研究对象,通过根-土复合体单根拉拔试验,测定土壤含水率为4.6%、8.6%、12.6%时,根径1.0～1.5 mm、1.5～2.0 mm、2.0～2.5 mm沙柳根与土壤间摩阻力、产生最大摩阻力对应滑移值,掌握土壤含水量与沙柳根土间摩擦阻力的关系。结果表明:根土间摩阻力随滑移变化分为急剧上升段、较平缓下降段与平缓段3个阶段;随土壤含水率的增大,各根级根土间摩阻力均呈减小趋势,其中径级在1.0～1.5 mm范围内摩阻力降幅较其他径级小;当土壤含水率为4.6%和8.6%时,产生最大摩阻力时对应的滑移值无显著变化(P0.05),土壤含水率增大至12.6%时滑移值出现小幅增加。     

浙南山区6种优势乔木植物根系的力学特性研究

为研究乔木植物固土护坡的力学机制,以中亚热带常绿阔叶林为例,对浙江南部的山体滑坡、泥石流易发区内优势植物:苦槠(Castanopsis sclerophylla)、甜槠(C.eyrei)、枫香(Liquidambar formosana)、南酸枣(Choerospondias axillaris)、马尾松(Pinus massoniana)和杉木(Cunninghamia lanceolata)6种乔木植物根系进行室内力学比较试验。结果表明:不同植物根系具有不同的抗拉力与抗拉强度;所有植物的单根抗拉力都随着直径增加而增大,其中杉木的抗拉力最低,甜槠、枫香和马尾松居中,苦槠和南酸枣的较高;6种植物直径与抗拉力间的拟合函数中以幂函数最为适合,并且6种植物直径与抗拉力间成幂函数正相关关系;6种植物根系的抗拉强度随着直径增加而降低,并且所有植物抗拉强度与其直径成幂函数负相关关系,其中杉木的抗拉强度明显低于其它树种;苦槠和南酸枣的固土护坡作用较大,枫香、甜槠、马尾松居中,而杉木的则最差。     

香根草根系形态分布模型研究

采用直接开挖法,对4株2年生的香根草进行了根系分形特征调查,测量了其根系数量、长度、直径和分枝角度等信息,计算比例参数α和分配参数q。基于Frac Root模型,建立了香根草根系形态分布模型,其可对根长、连结直径和根系生物量等进行预测。通过对预测结果和实际调查统计结果的对比,并应用"微根区管成像系统"进行监测,验证了模型的可靠性。该模型为进行根系固土护坡分析奠定了理论基础。