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。     

内蒙古中西部3种典型乡土植物根系抗折力学特性

为固土抗蚀优良树种的选择提供生物力学方面的参考依据,也为揭示植物根系持续固土抗蚀力学特性。以内蒙古中西部风水复合侵蚀区的3年生人工柠条(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、紫花苜蓿(Medicago sativa)3种典型乡土植物根系为对象,相同立地条件下使用HG100数显式推拉力计和自制便携式实验平台,在测试直径0.5~4 mm范围内,对单根进行70%极限折力受损,待自修复3个月后,研究3种植物根系抗折力及抗折强度的变化、比较不同植物种之间的差异性。结果表明,3种植物愈伤后单根平均抗折强度大小为:柠条(15.504 MPa)>沙棘(12.342 MPa)>紫花苜蓿(6.584 MPa),说明柠条根系受折受损愈伤自修复后的抗折能力优于沙棘和紫花苜蓿,沙棘又优于紫花苜蓿。3植物根系总体呈现平行对照组单根抗折力(强度)>愈伤后单根抗折力(强度),只有紫花苜蓿平行对照组单根抗折强度与其愈伤后的值无显著差异。柠条平均抗折力下降64%,沙棘平均抗折力下降28%,紫花苜蓿平均抗折力下降27%;柠条平均抗折强度下降40%,沙棘平均抗折强度下降22%,紫花苜蓿平均抗折强度下降12%,说明植物种不同则生物学特性不同,受损愈伤后恢复抗侵蚀能力不同。     

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。     

4种植物直根抗折力和抗折强度的研究

以柠条(Caragana microphylla)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、沙柳(Salix psammophila)和白沙蒿(Artemisia sphaerocep)的直根为研究对象,采用TY-8000伺服式强力机进行两端固定式折断试验,研究了土体内的根系受到径向折断力作用时,不同径级直根的抗折力和抗折强度。结果表明:在1~6mm径级范围内,4种植物直根抗折力随根径的增加均呈幂函数增长趋势,抗折强度随根径的增加呈幂函数减小趋势;在a=0.05的显著水平下,4种植物直根平均抗折力、抗折强度种间差异性均显著。随着径级的增加,柠条、沙柳、沙棘和白沙蒿4种植物直根平均抗折力范围分别为(79±5.8)~(1 119±104.46),(32±6.12)~(410±36.1),(12±1.5)~(141±6.2),(8±1.2)~(100±2.56)N,直根平均抗折强度范围分别为(62±9.68)~(43±4.01),(25±3.82)~(15±1.42),(8±1.01)~(6±1.29),(6±0.61)~(4±0.14)MPa。1~6mm径级范围内,4种植物种内径级间平均最大折断变形量差异性不大,平均最大折断变形量排序为柠条(16.77mm)沙柳(14.7mm)沙棘(11.22mm)白沙蒿(8.68mm)。     

半干旱矿区典型灌木根系固土力学及疲劳性能的差异性

[目的] 研究循环荷载对3种典型灌木根系抗拉力学特性的影响，明确疲劳作用后灌木根系固土效能的变化，为半干旱矿区生态修复和侵蚀防控过程中的植物种选择提供科学依据。 [方法] 以北沙柳、小叶锦鸡儿和沙棘根系为研究对象，利用TY8000伺服控制材料试验机对2～4 mm根径范围内的直根及侧根分支处施加轻度和重度循环荷载，分析疲劳前后根系抗拉力和抗拉强度的变化。 [结果] ①3种灌木根生物量、累计根长、根体积和根表面积种间差异显著，均表现为：北沙柳＞小叶锦鸡儿＞沙棘，且根生物量和根体积均主要分布于0-10 cm的表层土体，所占比例平均为38.5%和35.3%，累计根长和根表面积均主要分布于10-20 cm的浅层土体，所占比例平均为30.1%和29.8%。 ②3种灌木直根在疲劳前后抗拉力均与根径呈幂函数正相关，抗拉强度均与根径呈幂函数负相关，且抗拉力和抗拉强度均表现为：小叶锦鸡儿＞北沙柳＞沙棘，根系疲劳可显著提升直根抗拉性能。 ③3种灌木侧根分支处在疲劳前后抗拉力与抗拉强度随根径的变化与直根相似，疲劳前小叶锦鸡儿抗拉力最大，北沙柳次之，沙棘最低，但疲劳后却表现为：沙柳＞小叶锦鸡儿＞沙棘，根系疲劳可显著提升北沙柳和沙棘侧根分支处的抗拉力学性能，却会降低小叶锦鸡儿抗拉能力。 [结论] 在风蚀环境中，北沙柳根系在侵蚀过程中能始终保持良好的抗拉性能，可发挥稳定的固土抗蚀效能，应作为半干旱矿区植被重建的优选植物种。     

土壤水分对植物根-土界面相互作用特性的影响

为研究不同土壤水分下不同植物根系与土壤界面的摩阻特性,使用直剪仪对内蒙古中西部的5种典型乡土植物(柠条、沙棘、杨柴、紫花苜蓿和沙打旺)的根系在不同土壤含水率下进行根-土界面直剪摩擦试验。结果表明:当土壤含水率在4.5%~24.5%时,5种植物根-土界面摩擦系数均大于素土的土-土界面的值,且随着土壤含水率的增加,根-土界面和土-土界面摩擦系数均呈下降趋势,其中沙棘根-土界面的摩擦系数和黏聚力均大于其他4种植物的值,表明仅从根系与土壤间的相互作用特性来看,沙棘根系固土抗蚀的作用明显优于其他4种植物。根-土界面和土-土界面黏聚力均随着土壤含水率的增加呈先增后减的变化特征,且植物种不同黏聚力峰值出现时对应的土壤含水率亦不同。     

三峡库区紫色土坡耕地草本地埂植物根系分布及抗拉力学特征

[目的]探究三峡库区紫色土坡耕地3种草本地埂植物根系分布及抗拉特征,为揭示地埂植物根系固结地埂提供理论依据和数据支持。[方法]以三峡库区自然恢复的蓑草、人工种植的韭菜和蚕豆这3种草本地埂植物根系为研究对象,对比分析其根系在不同地埂土壤深度的分布规律及根系抗拉特性。[结果](1)在0—40cm深度土壤中3种草本地埂植物根系直径变化表现出:蚕豆根系韭菜根系蓑草根系。3种草本地埂植物根系直径与地埂土壤的土层深度间服从指数函数关系。(2)在0—40cm地埂土层深度范围内,韭菜根系生物量与蓑草根系和蚕豆根系生物量之间存在显著性差异(p0.05),韭菜和蚕豆地埂植物根系生物量随土层深度的增加而逐渐减小,蓑草地埂植物根系生物量随土层深度的增加先增加后减小。(3)3种草本地埂植物根系的单根平均抗拉力次序为蚕豆根系(10.53N)蓑草根系(6.03N)韭菜根系(4.51N),3种地埂植物根系单根抗拉力与根径呈幂函数关系(p0.05)。3种地埂植物根系的抗拉强度表现为蓑草根系(45.91 MPa)蚕豆根系(18.02MPa)韭菜根系(12.20 MPa)。(4)3种草本地埂植物根系黏聚力变化顺序为:蓑草根系(0.013 1kPa)蚕豆根系(0.009 4kPa)韭菜根系(0.005 5kPa)且3种地埂植物根系黏聚力与土层深度呈指数函数关系(p0.01)。[结论]自然恢复的蓑草地埂在三峡库区较其他两种人工种植的地埂植物有更好的固结地埂效果,从而有效控制坡面土壤侵蚀和水土流失。草本植物固结地埂可为三峡库区坡耕地治理提供新思路。     

黑沙蒿直根的材料力学特性研究

以鄂尔多斯采煤塌陷区植物的优势种之一黑沙蒿为研究对象,采用伺服式强力机研究其直根的材料力学特性。结果表明:在1~5mm径级范围内抗拉力、抗折力与根径均呈幂函数正相关,抗拉强度、抗折强度与根径呈幂函数负相关。在拉力和折力分别作用下,直根均表现出弹塑性变形特征,抗拉极限弹性力大于抗折极限弹性力,轴向弹性变形小于径向弹性变形。直根承受径向折力的σ~ε(应力—应变)曲线基本为下凹型,承受轴向拉力时的σ~ε曲线基本为上凸型,对于两种受力形式,极限强度均随根径的增大而减小,极限应变与根径无相关性。1~5mm根径直根的平均抗拉强度(8.32±1.67)MPa大于平均抗折强度(5.39±0.85)MPa,表明黑沙蒿直根抵抗轴向拉力的能力优于抵抗径向折力。     

刺槐根系抗弯特性研究

从根径和坡位两方面研究了石质陡边坡刺槐根系的抗弯特性。通过对刺槐根系进行室内单根弯曲试验,分析了不同坡位下坡向侧根的抗弯特性。试验结果表明,根系的抗弯强度与坡位的关系显著,不同坡位抗弯强度关系为:坡顶>坡中>坡底。坡顶和坡底根系的抗弯强度与根径之间存在递增的幂函数关系,而坡中根系抗弯强度与根径之间的关系不显著。弯曲弹性模量与根径存在递减的幂函数关系,在根径大于8mm左右,不同坡位根系弯曲弹性模量大小关系为:坡顶>坡中>坡底。不同坡位根系的最大弯曲力之间差异不显著,最大弯曲力沿着坡面向下呈递减趋势。不同坡位根系的断裂挠度之间差异也不显著,但根系的断裂挠度沿着坡面向下呈递增趋势。综合这些结果,可以发现坡顶根系的抗弯性能最佳,对边坡稳定的贡献较大。     

三峡库区紫色土坡耕地草本植物根系固结地埂的土力学机制

为揭示三峡库区紫色土坡耕地草本植物根系对地埂土壤固结作用的土力学机制,选取库区3种草本地埂植物为研究对象,对3种地埂植物根系的分布特征及抗拉性能进行研究,并分析3种地埂土壤的抗冲性和抗剪强度。研究结果表明,紫花苜蓿、蓑草、桂牧一号的根系总生物量分别为(79.37±1.26),(97.99±1.66),(71.76±1.96)g/m~2,紫花苜蓿根系在0—10cm土层分布最多,蓑草主要根系分布深度集中在10—20cm,桂牧一号根系分布在0—30cm土层深度范围内呈现出递增的趋势,在30—40cm土层深度根系含量不到10%。3种草本地埂植物根系的平均抗拉力为桂牧一号(7.93N)蓑草(6.03N)紫花苜蓿(5.40N),3种地埂植物根系单根抗拉力与根径呈幂函数关系,蓑草地埂植物根系的单根抗拉力与根径的相关性最高。3种地埂植物根系的抗拉强度表现为蓑草根系(45.91MPa)紫花苜蓿根系(19.68 MPa)桂牧一号根系(15.28 MPa)。3种不同草本地埂植物根系间的抗拉力和抗拉强度差异达到显著水平(P0.05)。3种植物地埂土壤的抗冲性变化为蓑草地埂(85.28L/(min·g))紫花苜蓿(69.47L/(min·g))桂牧一号(60.86L/(min·g)),蓑草地埂土壤的抗冲性与紫花苜蓿和桂牧一号间存在显著差异(P0.05)。3种草本植物地埂土壤的抗剪强度顺序为蓑草地埂(115.49kPa)紫花苜蓿(91.73kPa)桂牧一号(75.14kPa)。结果表明,蓑草地埂在三峡库区具有较好的固埂防蚀效果,在三峡库区坡耕地固结地埂土壤中发挥重要作用。三峡库区草本植物固结地埂可为三峡库区坡耕地整治提供新思路。     

植被恢复对黑岱沟矿区排土场土壤性质的影响

[目的]以内蒙古准格尔旗黑岱沟露天煤矿北排土场为研究对象,为矿区的植被恢复和治理提供依据。[方法]通过野外土壤剖面调查和采集土壤样品,对9种植被恢复模式及对照区土壤理化性质进行测定和分析,并通过土壤质量指数计算,对不同植被恢复模式下土壤质量进行评价。[结果]各种植被类型均能有效地改良土壤。其中沙棘的容重最小,为1.35g/cm3;油松+沙棘+锦鸡儿的含水量最大,为13.32%;油松+杨树+柳有机质最高,为9.42g/kg;油松+沙棘+锦鸡儿土壤速效N和速效K含量均为最高,分别为21.32和90.21mg/kg;锦鸡儿土壤速效P含量最高,为6.47mg/kg;沙棘和锦鸡儿作为灌木的乔灌混交模式下土壤质量综合评价值最高,单一种植沙棘以及锦鸡儿的土壤质量综合评价值也较高。[结论]种植沙棘、锦鸡儿以及乔木、沙棘和锦鸡儿的乔灌混交类型对该地区土壤复垦有重要作用。     

宁南黄土丘陵区3种典型林分的结构与水文影响比较

为分析宁南黄土丘陵区林分结构的水文功能影响关系及差异,以彭阳县3种典型林分(山杏纯林、山杏柠条混交林、山杏沙棘混交林)为对象,在2017年生长季观测了林下草本生物量和生物多样性、冠层降雨再分配、林下蒸散、土壤湿度的变化特征。结果表明:(1)林分地表覆盖度大小顺序为山杏沙棘混交林(0.81)山杏柠条混交林(0.71)山杏纯林(0.67);草本植物地上生物量为山杏沙棘混交林(0.86)山杏纯林(0.62)山杏柠条混交林(0.41);草本植物生物多样性为山杏柠条混交林山杏沙棘混交林山杏纯林。(2)3种林分类型的冠层都相对稀疏,降雨穿透率均90%,穿透雨量与林外降雨呈线性正相关;干流量和林冠截留量与林外降雨呈对数关系。(3)林下蒸散的季节变化呈"单峰型",研究期间林下蒸散表现为山杏沙棘混交林(245.0mm)山杏纯林(227.7mm)山杏柠条混交林(220.9mm),其中山杏柠条混交林的月际间差异最小。(4)生长季内土壤湿度在中上层(0—80cm)表现为逐渐降低趋势,在深层则相反;深层土壤水分的林分差异为山杏纯林山杏沙棘混交林山杏柠条混交林。在干旱缺水、侵蚀严重的黄土区,要恢复以水土保持为主要功能的稳定植被时,既要考虑植被配置模式对地表覆盖和草本生物量及物种多样性的影响,也要考虑对土壤湿度的影响,因此建议在植被恢复中尽量选择山杏沙棘混交林和山杏纯林。     

不同根系构型草本与灌木复合对土壤饱和导水率的影响因素分析及模拟

[目的] 探究不同根系构型草本与灌木复合时的根土性质的差异对土壤饱和导水率的影响,并综合考虑根系和土壤性质建立估算土壤饱和导水率的经验方程,为黄土高原植被恢复后的水文模型建立提供理论参考。[方法] 选取不同根系构型草本与灌木的混合样地,分别为柠条锦鸡儿加冰草(须根系)和柠条锦鸡儿加铁杆蒿(直根系)。采用双环刀法测定不同样地土壤饱和导水率。[结果] 样地类型和土层深度对土壤饱和导水率的影响达到显著水平,两者对土壤饱和导水率影响的因子贡献率分别为26%和52%。直根系铁杆蒿与柠条锦鸡儿混合样地的土壤饱和导水率高于须根系冰草与柠条锦鸡儿混合样地,并且不同样地的土壤饱和导水率随土层深度的增加均表现出降低的趋势。根长密度、团聚体以及土壤容重能够较好地模拟土壤饱和导水率,其拟合精度R²可以达到0.86。[结论] 直根系草本与灌木复合时较须根系草本与灌木复合相比具有更高的饱和导水率。在不同样地中,根长密度、团聚体以及土壤容重是影响饱和导水率的主要因素。     

贺兰山3种乔木单根及根土复合体力学特性

为研究和比较贺兰山山杨、青海云杉、油松单根和根土复合体的力学特性,通过单根拉伸、三轴压缩、饱和渗透试验测定了3种乔木单根和根土复合体的力学参数及土水特征曲线。结果表明:3种乔木单根力学特性存在显著差异,且直径对单根的力学特性有显著影响。单根最大拉力与直径成幂函数相关,随直径增大而增大;单根抗拉强度、杨氏模量与直径成对数函数相关,随直径增大而减小。山杨单根平均最大拉力(0.38kN)青海云杉(0.25kN)油松(0.17kN);山杨单根平均抗拉强度(33.39 MPa)青海云杉(27.79MPa)油松(18.45MPa);山杨单根平均杨氏模量(0.17GPa)青海云杉(0.12GPa)油松(0.11GPa)。3种乔木根土复合体的黏聚力、弹性模量存在显著差异,但摩擦角没有显著差异(平均值30.48°)。山杨根土复合体的黏聚力(10.65kPa)青海云杉(8.97kPa)油松(7.13kPa);山杨根土复合体的弹性模量(2.17 MPa)青海云杉(2.52 MPa)油松(4.21 MPa)。3种乔木根土复合体的土水特征曲线、渗透函数曲线都存在极显著差异,山杨根土复合体的渗透能力油松青海云杉。研究结果对于评价山杨、青海云杉、油松稳定边坡能力和建立贺兰山边坡稳定性分析数值模型都具有重要参考价值。     

高寒沙区人工沙棘对风沙危害的生态响应

[目的]沙棘(Hippophae rhamnoides)是高寒沙区典型的优良治沙物种,其风沙危害的抗逆性研究对沙棘生态适应性机理及高寒沙区生物治沙工作具有重大的探究与指导意义。[方法]对不同类型沙丘不同林龄的人工沙棘林进行了样方调查和风沙活动监测。[结果]沙棘群落特征与地表风蚀强度变化具有时空同步性。轻度风蚀与中轻度沙埋现象有助于沙棘的生长与群落的发展,固定与半固定沙丘人工沙棘的株高冠幅均为流动型沙丘沙棘的3~6倍;沙棘各生长指标与株下蚀积深度具有显著的二次函数拟合关系,8年生沙棘生长的最佳沙埋深度在30—40cm。2008—2016年,各沙丘沙棘群落特征与局地输沙率、粗糙度、蚀积深度等风沙活动特征分别表现出显著的指数递减、多函数递增和二次函数先增后加减的变化规律。[结论]高寒沙区沙棘对风沙危害的响应特征反映了沙棘良好的风沙适应能力,也指示沙棘造林技术需要注重立地条件选取、造林结构改进与多物种配置,保障沙棘的稳定生长势态与良好的生态修复效益。     

土石山区护坡草本植物根系抗拉力学特性

为了解山西省土石山区护坡植物的根系抗拉力学特性,对比选择最适宜的水土保持物种.对其边坡上黑麦草(Lolium perenne L.)、香根草(Vetiveria zizanioides L.)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)3种护坡植物的根系开展抗拉力学试验,研究3种植物根系最大抗拉力、极限抗拉强度以及弹性模量随直径及根长大小变化的规律.研究结果显示:根长一定时,3种植物的最大抗拉力随直径的增加而增加,单根极限抗拉强度随根系直径的增大而减小;而直径一定时,根系最大抗拉力和极限抗拉强度随根系长度的增大而减小;弹性模量值随着根径和根长增大呈下降的趋势.3种植物根系平均最大抗拉力关系为:香根草(16.258 N)＞黑麦草(11.734N)＞百喜草(4.891 N);平均极限抗拉强度关系为:百喜草(116.226 MPa)＞黑麦草(50.839 MPa)＞香根草(49.650MPa);平均弹性模量分别为:百喜草(20.392 MPa/mm)＞香根草(3.257 MPa/mm)＞黑麦草(3.245 MPa/mm).结果表明这3种植物中百喜草根系的固土能力最好,在选择最为适宜的水土保持物种时可优先考虑.研究结果可为土石山区水土保持研究提供一定的科学依据.     

季冻区公路边坡植物根系对冻融作用的影响

[目的] 探究季冻区公路边坡植物根系对冻融作用影响，为季冻区边坡防护工程的植物选择提供科学参考。[方法] 通过调查季冻区高速公路边坡土壤及植被特征，采用对比分析的方法研究不同植物根系对冻融循环作用的影响。[结果] 3种试验植物根系抵抗冻融破坏的强弱关系依次表现为：刺槐 > 胡枝子 > 紫穗槐。植物根系通过调节土壤物理性质以及发挥根系结构作用影响冻融循环过程，根系的存在调节了土壤含水率从而降低了土体发生融沉或裂缝的概率。[结论] 在季冻区公路边坡冻融破坏防治中，垂直根系生长较深，根系分布范围更广的植物能够提供更好的抵抗冻融破坏的能力。