两类侵蚀营力损伤下小叶锦鸡儿直根自修复能力研究

以半干旱矿区常见植物小叶锦鸡儿为试材,采用离体条件下,对1.5~3.5mm根径范围直根施加瞬时损伤拉力(70%的极限拉力)或瞬时损伤折力(70%的极限折力),待其自修复5个月后,研究拉力、折力损伤对小叶锦鸡儿生物和力学自修复特征的影响,以期探究拉力、折力损伤对植物根系持续固土效能。结果表明:小叶锦鸡儿直根受损自修复后存活率高于65%、根径增长率高于18%;修复前后极限抗拉强度差异:平行对照(42.29±4.81)MPa受拉自修复5个月后(33.64±3.30)MPa受损前(28.57±3.03)MPa;抗折强度差异:平行对照(48.72±2.26)MPa受折自修复5个月后(44.37±2.36)MPa受损前(37.60±5.96)MPa;两类损伤力相比:拉力损伤对直根生长限制效应显著,存活率、增长率均较低,且抗折强度均显著高于抗拉强度,说明小叶锦鸡儿根系持续承受土体沉降能力强于抵抗大风拉拔能力;较细直根(径级1.5~2.4mm)受损自修复后的存活率是较粗直根(径级2.5~3.5mm)的0.99倍,根径增长率是较粗直根的1.32倍,强度下降率是较粗直根的0.81倍,较细直根自修复后生长状况和力学特性均优于较粗直根。     

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。     

加载速度及含水率对四种植物直根抗折强度的影响

以3~4年生柠条、沙柳、沙棘、白沙蒿为研究对象,采用TY8000系列伺服控制材料试验机,研究加载速度及土壤含水率对直根抗折强度的影响。结果表明:4种植物直根的抗折强度与加载速度呈正相关,1.5~2.0mm及3.0~3.5mm 2个径级的直根在承受瞬时折断力(加载速度500mm/min和860mm/min)时的抗折强度显著高于相同径级的根在缓慢折断力(加载速度10mm/min)时的抗折强度,其中加载速度500mm/min时2个径级直根抗折强度为柠条((58.30±7.45)MPa,(49.21±3.45)MPa)沙柳((23.21±1.88)MPa,(19.12±2.95)MPa)沙棘((7.79±1.06)MPa,(6.61±1.05)MPa)白沙蒿((5.51±0.66)MPa,(4.43±0.38)MPa),相同径级的根在缓慢折断力时的抗折强度分别为上述强度的87.1%、83.7%,82.8%、86.8%,79.2%、81.8%,90.0%、73.6%。4种植物直根抗折强度随着土壤和根系含水率的增加呈减小趋势,2.0~2.5mm的直根在土壤干旱(含水率为0.0%)时的抗折强度为柠条((60.05±7.00)MPa)沙柳((25.99±2.88)MPa)沙棘((8.52±1.17)MPa)白沙蒿((5.85±0.63)MPa),在土壤含水率饱和(含水率为25.6%)时的抗折强度分别为上述强度79.1%、73.0%、74.3%、65.1%。     

4种植物生长旺盛期根系易受损的外力类型研究

在植物生长旺盛期,采用材料试验机测定3~4年生柠条、沙柳、沙棘、白沙蒿在1~4mm径级范围内的侧根分支处、相邻上级直根的抗拉力与抗折力,研究4种植物根系易受损的外力类型。结果表明:同径级条件下,柠条和沙柳的侧根分支处、相邻直根均表现为抗拉力小于抗折力,而沙棘和白沙蒿侧根分支处和相邻直根均表现为抗拉力大于抗折力。侧根分支处抗拉强度和抗折强度分别为:柠条(23.70±3.97)(33.66±7.74)MPa,沙柳(14.86±1.28)(17.31±1.91)MPa,沙棘(10.61±2.40)(3.97±1.23)MPa,白沙蒿(5.07±1.25)(2.18±0.39)MPa;相邻直根的抗拉强度和抗折强度分别为:柠条(28.02±4.40)(47.06±4.41)MPa,沙柳(20.33±1.76)(27.54±3.82)MPa,沙棘(15.86±3.90)(8.75±1.71)MPa,白沙蒿(8.80±1.74)(6.15±1.01)MPa。在生长旺盛期,造成柠条和沙柳根系易损的外力类型为轴向拉力,造成沙棘和白沙蒿根系易损的外力类型为径向折力。同一径级下,4种植物根系的抗拉强度、抗折强度均为侧根分支处小于相邻上级直根。4种植物根系抗拉强度和抗折强度的种间差异均为柠条沙柳沙棘白沙蒿。在4种植物根系固土作用中,1~1.5mm范围内的细根起主导作用。