黑沙蒿根系抗拉特性及其与化学成分的关联性

[目的] 探讨根系抗拉特性与主要化学成分含量的关联性，以期充实根系固土力学特性研究以及提供矿区生态恢复和植物保护的理论支持。[方法] 以神东矿区广泛分布的多年生灌木黑沙蒿（Artemisia ordosica）为研究对象，利用TY8000伺服式强力机，研究1~4 mm径级直根段、含侧根分支处根段抗拉材料的力学特性并测定各径级的纤维素、半纤维素和木质素，研究根系材料力学及其与化学成分的关联性。[结果] ①随着根系直径增加，黑沙蒿直根段、含侧根分支处根段抗拉力增加，而抗拉强度和杨氏模量减小，且抗拉力、抗拉强度和杨氏模量都与根系直径呈幂函数关系。②直根段、含侧根分支处根段化学成分含量差异显著（p<0.05），平均化学成分含量为：半纤维素（31.69%，32.18%） > 木质素（28.42%，25.30%） > 纤维素（15.50%，15.35%）。③随着根系直径增加，直根段纤维素含量减小，半纤维素和木质素含量增加，而含侧根分支处根段纤维素含量减小，半纤维素和木质素含量无变化。④直根段抗拉强度、杨氏模量与纤维素极显著正相关（p<0.01），与半纤维素、木质素极显著负相关（p<0.01）。含侧根分支处根段抗拉强度、杨氏模量与纤维素极显著正相关（p<0.01），与半纤维素、木质素无相关性。[结论] 黑沙蒿根系抗拉特性与化学成分表现出一定的相关性，且纤维素是影响灌木根系材料力学特性的主要化学组分。     

三种灌木根系易损荷载类型及易损部位研究

以半干旱矿区的小叶锦鸡儿、北沙柳和沙棘为研究对象,利用TY8000伺服式强力机测定3种灌木1～5mm径级直根段和含侧根分支处根段的抗拉力及抗拉剪组合力,研究3种灌木根系的易损荷载类型和易损部位。结果表明:小叶锦鸡儿、北沙柳直根段的平均抗拉剪组合强度均大于平均抗拉强度(46.39>39.96MPa、23.55>17.86MPa),含侧根分支处根段亦然(34.70>29.86MPa、14.16>11.43MPa);而沙棘反之,直根段和含侧根分支处根段的平均抗拉剪组合强度均小于平均抗拉强度(9.83<12.43MPa、8.18<8.90MPa),即小叶锦鸡儿、北沙柳直根段和含侧根分支处根段的易损荷载为轴向拉力,沙棘根系易损荷载为拉剪组合力。3种灌木含侧根分支处根段抵抗外力的能力低于相邻上、下级直根,即3种灌木根系易损部位均为侧根分支处。     

黑沙蒿单根变形特性研究

为探究轴向、径向荷载下植物根系对弹性变形的适应与抵抗特性,以水土流失地区常见植物种黑沙蒿根系为对象,采用TY8000伺服控制试验机,研究1～5 mm径级范围内黑沙蒿直根及含侧根分支处根段承受轴向、径向荷载下弹性模量与刚度的变化。结果表明:直根及含侧根分支处根段力-位移曲线(F-s曲线)承受轴向荷载时呈上凸形,承受径向荷载时呈下凹形;直根段、含侧根分支处根段的拉伸弹性模量、弯曲弹性模量均与根径幂函数负相关,抗拉刚度及抗弯刚度与根径幂函数正相关;弹性模量与刚度在轴向荷载下表现出较大的差异,在径向荷载下差异不显著。试验结果说明黑沙蒿较细根适应变形能力更强,较粗根抵抗变形能力更强,且根型影响变形性质。     

沙柳直根抗拉特性对循环荷载的响应

为揭示风力侵蚀区植物长期遭受大风使其根系反复受力后的固土性能,以神东矿区广泛分布的水土保持植物种沙柳（Salix psammophila）为研究对象,采用TY8000伺服式强力机对1～5 mm径级沙柳直根进行轴向循环荷载试验,探究直根抗拉特性对模拟大风拉拔产生的反复加载-卸载作用的响应。结果表明：（1）承受循环荷载后直根极限抗拉力与根径呈幂函数正相关,抗拉强度与根径呈幂函数负相关,与单次荷载下直根抗拉力、抗拉强度-根径关系相似。（2）承受循环荷载后各径级直根抗拉力、抗拉强度较单次荷载均有所增强且差异显著（P<0.05）,1～2mm、2.5～3.5 mm、4～5 mm直根抗拉力、抗拉强度分别增长了60%、60%,48%、50%,31%、32%。（3）直根力-位移曲线在循环过程中表现出明显的周期循环特征,随循环次数增加,滞回环间距逐渐闭合,由加载段-卸载段曲线组成的滞回环面积随之减小,抵抗塑性变形能力越来越差,最后趋之稳定。直根累计伸长率随循环次数的增加而增长,分为快速增长阶段和缓慢增长阶段。（4）承受单次荷载和循环荷载后,直根弹性应力、极限应力、弹性模量与根径呈负相关,累计弹性应变...     

轴向反复荷载下灌木分叉处根段强度及变形特性研究

以神府-东胜煤田采煤塌陷区常见固土植物小叶锦鸡儿和北沙柳为研究对象,采用TY8000伺服控制试验机测定其1~4 mm根径范围内分叉处根段抗拉强度、延伸率等,研究此根段承受反复拉伸后的力学特性。结果表明:2种灌木分叉处根段的极限抗拉强度与根径呈负相关关系,极限抗拉力与根径呈正相关关系;小叶锦鸡儿的平均极限抗拉强度(25.91±5.95 MPa)显著大于北沙柳的平均极限抗拉强度(14.83±2.60 MPa)。2种灌木分叉处根段在受反复拉伸时的力-位移曲线均表现出弹塑性特征;北沙柳的平均延伸率(21.84%±3.09%)、平均弹性应变(3.37±0.54)均显著大于小叶锦鸡儿的平均延伸率(19.37%±2.82%)、平均弹性应变(2.12±0.52)。本研究可充实灌木根系的固土力学机制,同时为北方采煤塌陷区植被恢复建设的物种选择提供一定的理论依据。     

反复施加拉剪组合力对小叶锦鸡儿直根材料力学特性的影响

以1～5 mm小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)直根为研究对象,采用TY 8000伺服式强力机研究50次加载(荷载为试验根极限抗拉剪组合力的70%)对其材料力学特性的影响。结果表明:承受50次加载后,试验根极限力—径向位移曲线斜率大于对照根;试验根极限抗拉剪组合力及其强度显著高于对照根(p0.05)。反复加载后试验根抗拉剪组合力—根径的函数关系、抗拉剪组合强度—根径的函数关系均与对照根相似,仍分别呈幂函数正相关、幂函数负相关。随着根径由1～2 mm增至4～5 mm,试验根极限抗拉剪组合力由对照根的1.26倍增至1.34倍。随着加载次数的增加,试验根径向位移增量减小。