灌木根系几何特性对拉拔力影响的试验研究

[目的]探究灌木根系几何特性对拉拔力的影响,为边坡防护植物物种的选择与植物价值的充分利用提供理论参考。[方法]以红叶石楠为例,通过对多根系形态的灌木根系进行室外拉拔试验,研究不同含水率、根系形态、二级侧根等情况对根土间相互作用力的影响。[结果]Y型根系和水平根系最大拉拔力随土壤含水率的增加呈对数和指数函数减小,而主直根系最大拉拔力随土壤含水率的增加呈先增大后减小的趋势,最优含水率在17.5%左右;Y型根系的最大拉拔力随Y型根系夹角的增加逐渐增大,而根系全段激活时间随根系夹角的增加呈现先减小后增大的趋势,在夹角为75°时最容易被激活;Y型根系及主直根系的最大拉拔力均随二级侧根数的增加呈线性增加,且主直根系最大拉拔力的增加趋势大于Y型根系。主直根系在土壤含水率为10%,20%,25%时,拉拔曲线呈拉拔硬化型,含水率为15%时,拉拔曲线呈拉拔软化型;水平根系和Y型根系在含水率为15%,17.5%时,拉拔曲线呈拉拔硬化型,含水率为20%,22.5%,25%时,拉拔曲线呈拉拔软化型。[结论]根系形态与含水率是影响根系拉拔力的关键因素,根系形态越复杂,拉拔力越大;含水率越高,拉拔曲线逐渐由硬化向软化型转变。     

麦冬和多花木蓝根系抗拉拔特性试验研究

[目的]揭示麦冬和多花木蓝根系根土界面的抗拉拔力特性,为根土界面摩擦特性的进一步研究提供依据。[方法]通过控制5个梯度的土壤含水率,采用直接施加垂直拉拔荷载的单根拉拔试验方法。[结果]麦冬和多花木蓝单根的最大抗拉拔力随根径的增加而增大且呈非线性幂函数关系;在相同土壤容重条件下,麦冬和多花木蓝单根的最大抗拉拔力随土壤含水率的增加而呈先增加后减小的趋势。在土壤含水率介于一定范围内时,多花木蓝根的最大抗拉拔力大于麦冬根的最大抗拉拔力,而在其它土壤含水率条件下,麦冬根的最大抗拉拔力大于多花木蓝根的最大抗拉拔力;并发现麦冬根的最大抗拉拔力的最大值在含水率为10.43%附近,而多花木蓝根的最大抗拉拔力的最大值则在含水率为13.00%附近。[结论]根径、土壤含水率和植物种类影响根土界面的抗拉拔力。     

冀西北地区白桦根系-土壤界面摩擦性能

林木根系通过摩擦锚固作用实现对土体的固持。以冀西北地区白桦的根系为对象,通过垂直拉拔试验,探究根径、根系土中埋深、土壤含水率、海拔、根系生长方向等因素对根系-土壤界面摩擦性能的影响。结果表明:根土摩擦力随着埋深、根径的增大而增大,同根系直径满足幂函数关系,决定系数大于0.82,拟合良好;土壤含水率由11.85%增大至17.85%,根土摩擦力先增后减,最大拔出力对应土壤含水率范围在13.85%～17.85%之间;不同海拔位置、不同生长方向的根系,其根土界面摩擦力也有所差异。冗余分析结果表明,根系直径和海拔对根土摩擦力贡献接近且较高。研究结果对冀西北地区林木树种的选择和生态环境的保护具有重要的意义。     

山西土石山区3种草本植物根拉拨特性

为了解山西省土石山区固土护坡草本植物根系拉拔特性,筛选拉拔力优势草本植物物种进行水土流失防治,通过开展根系原位拉拔力学试验,研究了3种典型草本植物香根草（Vetiveria zizanioides L.）、百喜草（Paspalum notatum Flugge）、黑麦草（Lolium perenne L.）根系拉拔力随根径和土层深度的变化规律。结果显示:3种草本植物根系拉拔力随着根径的增大而增加,且拉拔力与根径之间满足幂函数关系;整体上,根系拉拔力从大到小顺序表现为香根草 > 黑麦草 > 百喜草,而且三者之间差异显著;但在D≤0.4 mm和D>0.4 mm两个根径组下,黑麦草均表现出较好的拉拔力性能。在0—10 cm,10—20 cm两个土层间,香根草和百喜草两种植物根系拉拔力性能相似,而黑麦草单根拉拔力在表层土壤发挥效果优于下层土壤。从单根拉拔力方面出发,黑麦草在3种植物中可优先考虑用于固持浅表层土壤。试验探究了草本植物单根在不同根径组下和土层深度下的抗拔性能,研究结果可为山西省土石山区水土保持植物措施草本植物物种选择提供理论依据。     

尖萼金丝桃根系对边坡土体抗剪强度的影响

[目的]探讨根系单根抗拉拔强度对边坡土体抗剪强度的影响,定量分析根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,为评价植物根系增强边坡土体抗剪切性能提供依据。[方法]以2 a生尖萼金丝桃根系及其组成的根土复合体为研究对象,分别进行室内单根拉拔试验和根土复合体剪切试验,获得根系的抗拉强度及根土复合体试样黏聚力值;在此基础上分析根系抗拉强度与根土复合体黏聚力值之间的关系。[结果]尖萼金丝桃根系抗拉强度与根系直径存在负向幂函数关系,相关性系数均大于0.92;根系拉拔位移、抗拉拔力均与根系直径呈正相关关系,拉拔位移与抗拉拔力之间也表现为显著正相关关系;抗拉强度与根系直径、拉拔位移、抗拉拔力两两之间均呈负相关关系;根土复合体的黏聚力相较于无根素土均有不同程度的增长,增幅达17.25%～94.76%,黏聚力、黏聚力增长率均与根土面积比、根土体积比呈正相关关系。[结论]尖萼金丝桃根系拉拔特征对边坡土体抗剪强度产生显著的影响,边坡土体抗剪切性能评价指标与根系拉拔特征变化密切相关。     

西宁盆地黄土区草本植物群根效应及其护坡贡献

通过对种植在30°和45°边坡条件下、生长期为1年的垂穗披碱草和芨芨草进行的野外原位动态拉拔试验,分析了试验区所种植的2种草本植物在不同坡度条件下株高、地径、须根数、根长、分蘖数等生长量指标与其抗拔力之间的关系。试验结果表明：植物株高对其抗拔力影响相对较为明显,即当株高达到一定高度时,植物的护坡效果得以较好地发挥出来;两种坡度条件下植物生长量指标存在一定差异,产生该差异的主要原因是不同边坡土体中水分含量不同。植物根系抗拔力与作用时间之间的动态变化过程可划分为初始、中间和最终3个阶段,不同坡度条件下同种草本的抗拔力存在差异,相同坡度条件下不同草本的抗拔力亦存在一定差异。     

浅层滑坡生物治理中的乔木根系抗拉实验研究

通过对野外选取的合欢根系的抗拉试验，及在合欢林地的抗拉拔实验，研究了根系的最大抗拉强度和抗拉拔强度。结果表明，根系最大抗拉强度与根系直径成指数函数关系，最大抗拉力与根系直径成正相关关系，根系抗拉拔力可以和根系直径、根长、土壤容重建立回归方程，从而可以求得根系与周围土体之间的静摩擦系数。     

多花木蓝根系与土体界面摩阻特征

为研究灌木植物根系的固土护坡力学效应,探讨根系与土体间相互作用的特性。以多花木蓝为供试植物,进行植物根系切片并计算根系的表面凹凸度,选取0~0.5,0.5~1.0,1.0~1.5,1.5~2.0mm 4种粒径的粉质黏土,在不同的土体含水率和根径条件下,制备根土复合体扰动试样,进行单根抗拔摩阻试验和直剪摩阻试验,探讨土体含水率、植物根径以及土体粒径对根土界面摩阻特性的影响。结果表明:多花木蓝根系的表面凹凸度随根径变化无显著性差异,根系的拉拔剪应力集中在17.36~32.76kPa,而根土界面的摩擦系数为0.10~0.20;根系拉拔剪应力和根土界面摩擦系数随土体粒径和土体含水率的增加逐渐下降;土体含水率和土体粒径愈低,根系形态特征对根系的拉拔剪应力和根土界面摩擦系数的影响愈显著。研究结果对分析根土界面摩阻特性的影响因素,以及利用灌木植物提高边坡土体结构稳定和防治水土流失、土壤侵蚀等地质灾害具有重大的指导意义。     

基于力学参数解析黄土高原典型草地的土壤分离能力研究

为解析黄土高原地区典型草地土壤分离能力变化的力学机制,选择代表性的须根系和直根系草地作为研究对象,基于室内径流冲刷试验,估算了相对土壤分离能力（RSD）,测定了土壤抗剪强度和根系抗拉力,并基于Wu氏模型估算了根系黏聚力（Cr）。结果表明,须根系草地的RSD较直根系草地显著低77.27%,而Cr较直根系草地高14.84%。直根系草地的Cr对RSD的表达效果优于根长密度,而须根系草地效果差异不明显。RSD与200 KPa正应力下抗剪强度（τ200）的相关性优于其他正压力。根土复合体中,Cr对土壤分离的效应强于τ200。通过根土复合体力学参数能够有效预测直根系草地的土壤分离能力,但对于须根系草地的预测还需进一步探究。研究结果可为黄土高原根系减蚀机理的完善提供参考。     

生态护坡中根系对土体抗剪强度的影响

在护坡工程中,植被发达的根系能对边坡土体产生一定程度的加筋作用,从而可提高边坡的浅层稳定性。为探究植物根系对土体抗剪强度的影响,采用常规三轴不固结不排水试验,测定不同含根量、含水率对重塑粉质黏土抗剪指标的影响,结果表明:①根土复合体与素土的应力-应变变化趋势相同,说明摩尔-库仑强度准则同样适用于根土复合体,其不同主要体现在黏聚力大小上;素土和根土复合体均大约在轴向应变2%处出现主应力差峰值,然后逐渐趋于破坏。②根土复合体的抗剪强度明显大于素土,并且在含水率为9%时黏聚力增加显著,说明根能起到加筋作用,能够用来约束土体变形、增加抗剪强度。③在一定条件下,黏聚力和含根量成线性正相关关系;黏聚力和含水率对数成反比关系,即在一定条件下随着含水率增大,黏聚力降低。通过拟合得到根系加筋效应公式τ_f=c+σtan φ=c_0+a+bx+σtan φ,只要给定含水率和含根量,就能初步计算出抗剪强度。     

负压水肥一体化灌溉对黄瓜产量和水、氮利用效率的影响

【目的】本试验采用自行设计的新型负压水肥一体化灌溉系统,进行了系统供水负压对土壤硝态氮分布和黄瓜水氮利用效率影响的研究,以期为实际应用和管理提供理论依据和技术参考。【方法】在遮雨网室内进行了供水和施氮双因素盆栽试验。以常规灌溉为对照(CK),设4个供水水平:0(W1)、–5(W2)、–10(W3)和–15 k Pa(W4),2个施氮水平(N1,N 0.3 g/kg土;N0,不施氮),共10个处理。分析检测了黄瓜生育期内0—25土壤水分变化动态、土壤硝态氮的空间分布特征,计算了黄瓜的水、氮利用效率。【结果】随着黄瓜耗水量的增加,系统供水量也增大,系统累计供水量与黄瓜累计耗水量之间存在极显著线性关系y=0.96x+3.4(R2=0.99,P0.01)。不同供水负压对同一时期土壤含水量变化有极显著影响(P0.01),当供水负压设定在0、–5、–10和–15 k Pa时,土壤平均质量含水量分别为28.7%、22.7%、20.0%和15.6%,而在同一系统供水负压下黄瓜整个生育期土壤含水量保持相对稳定,其变化属于弱变异(变异系数CV≤0.1)。负压灌溉水肥一体化能显著提高0—25 cm土壤氮素分布的均匀性,土壤硝态氮沿垂直方向的平均变差系数分别比常规灌溉降低了58.6%~71.2%。同一系统供水负压下,施氮处理(N1)黄瓜植株干物质量、产量和水分利用效率比不施氮处理(N0)分别提高了4.6%~256.1%、12.6%~196.6%和7.76%~86.27%。当供水负压为–5 k Pa时,黄瓜植株平均干重和产量均为最高,分别为153 g/pot和1406 g/pot,黄瓜平均水分利用效率和氮肥表观利用率分别比常规灌溉提高了136.8%和52.32%。【结论】适宜的供水负压下,负压灌溉系统通过土壤水分平衡供应机制,实现了作物对水分的连续自动获取,黄瓜整个生长期间,灌溉系统可以保持平稳均匀与适时适量供水,因而,负压灌溉水肥一体化显著提高了黄瓜的水、氮利用效率。本试验条件下,系统供水负压为–5 k Pa更有利于黄瓜的产量和氮素利用率的提高。     

灌木柠条锦鸡儿根-黄土状盐渍土界面相互作用力学特性

为了进一步探讨西宁盆地黄土区灌木植物根系固土护坡力学效应,以区内优势灌木植物柠条锦鸡儿为研究对象,开展不同土体密度、含水量、含盐量和根径单因素变化条件下的单根垂直拉拔试验,探讨和分析了上述因素对灌木植物根-土界面相互作用力学特性的影响和作用机理。结果表明:在垂直埋深为25 cm及其他因素恒定的情况下,随着土体密度由1.20 g/cm³增长到1.60 g/cm³,单根最大抗拔出力由(28.60±2.83)N增长至(114.33±7.17)N,呈指数函数增长趋势; 随着土体含水量由6.00%增长到22.00%,单根最大抗拔出力由(152.80±10.07)N降低至(31.50±5.53)N,呈指数函数降低的变化趋势; 随着土体含盐量由0.59%增长至2.00%,单根最大抗拔出力呈现出先增大后减小的变化趋势,在含盐量为1.00%时,单根最大抗拔出力达到峰值(61.20±0.94)N,且二者关系符合二次函数关系; 在根径为2.74～9.57 mm范围内,随着单根平均根径的逐渐增大,单根最大抗拔出力由25.20 N线性增长至97.10 N。在此基础上,提出了垂直单根最大抗拔出力计算模型,并指出计算垂直单根最大抗拔出力所需的根-土界面综合黏聚力和综合摩擦角可通过根-土界面直剪试验获得。     

分蘖期干旱胁迫对寒地粳稻光合特性及产量形成的影响

为了探讨分蘖期干旱胁迫对寒地粳稻产量形成的影响机理及其耐旱机制,以东农425(耐旱型)和松粳6号(干旱敏感型)为试验材料,通过盆栽方式于分蘖期控制土壤水势至0 k Pa(对照)、-10 k Pa(轻度干旱)、-25 k Pa(中度干旱)、-40 k Pa(重度干旱),依次记为A0、A1、A2、A3。处理21 d后复水,研究分蘖期不同程度干旱胁迫对寒地粳稻叶面积、光合特性、叶绿素总含量、产量及产量构成因素的影响。结果表明,分蘖期干旱胁迫导致叶面积减小、功能叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)均随土壤水势降低而下降。同时,干旱处理期间寒地粳稻功能叶片叶绿素总含量、叶绿素a/b值均随干旱胁迫程度增加而下降,但类胡萝卜素含量的变化却与其相反。干旱胁迫下寒地粳稻产量显著下降,且下降幅度随土壤水势降低而逐渐增大。有效穗数和穗粒数大量降低造成产量显著下降,说明分蘖期干旱胁迫造成减产的主要原因是低土壤水势造成了寒地粳稻库容量或单位面积颖花量的大量降低。与A0(对照)相比,A1、A2和A3下松粳6号产量降幅分别为13.87%、20.87%和32.51%;而东农425分别为10.58%、15.21%和25.52%,均显著低于松粳6号,且耐旱型品种东农425始终保持较高光合生长能力。本研究结果为寒地粳稻抗旱节水栽培技术措施的制定提供了理论依据。     

黄土区灌木柠条锦鸡儿根-土间摩擦力学机制试验研究

为系统研究灌木植物根系的拉拔摩擦力学机制,该项研究在西宁盆地黄土区的自建试验区内选取生长期为2 a的柠条锦鸡儿作为供试种进行根系拉拔摩擦试验。试验结果表明:柠条锦鸡儿主根的作用主要为提供根-土间静摩擦力,侧根的作用则主要表现为增大根-土间最大静摩擦力、根-土间最大摩擦力及根-土间最大摩擦力对应的根系位移;柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力随着根系总表面积、根系总体积、根系总长、根系总干质量、侧根数5个根系形态学指标的增加而增大,根-土间最大摩擦力与5个根系形态学指标之间可建立幂函数关系,且通过相关性分析可知,根系总表面积是与柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力相关程度相对较为显著的根系形态学指标;在本试验条件下(土体质量含水率15.1%,密度1.65g/cm3)由单根(不含侧根的主根)拉拔摩擦试验所得到的柠条锦鸡儿主根与土体间静摩擦系数为0.738 9±0.04,该值显著大于区内不含根系土体内摩擦系数0.504 0±0.03,表明柠条锦鸡儿根-土界面间的摩擦力值及抵抗变形的能力大于不含根系土体。该项研究结果对于进一步探讨研究区灌木根系的拉拔摩擦力学机制,以及科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有指导意义和实际应用价值。     

土壤水吸力对控释尿素养分释放特征的影响

为探究不同土壤水吸力对控释尿素养分释放的影响,根据供试壤质砂土的水分特征曲线设置了6种不同土壤水吸力的处理,采用25℃恒温土壤模拟实验,测定土壤中控释尿素的养分释放特征。结果表明,土壤水吸力为0 k Pa时恒温土壤培养法与静水浸提法测得的控释尿素养分释放特征无显著差异。土壤水吸力为75 k Pa、30 k Pa和0 k Pa的3个处理,测定的土壤孔隙中空气相对湿度均为95%以上,土壤水汽饱和,释放期基本相同,表明在不考虑水分流动及养分扩散状况影响时,土壤水分条件已不再是影响控释尿素养分释放的主要因素。土壤水吸力525 k Pa和260 k Pa(土壤孔隙中空气相对湿度分别为84%和91%)时释放期分别为416.4 d和120.0 d,相对于土壤水饱和时释放期(63.6 d)的相对相差分别为146.8%和59.1%,远超过《控释肥料》行业标准规定的允许差(20%),表明控释尿素的释放率和释放期受到土壤水吸力过高的抑制。土壤水吸力大小直接影响土壤孔隙空气湿度的饱和与否,土壤水吸力对控释尿素养分释放的影响通过土壤水汽作用于肥料颗粒实现。     

盐生植物根系增强土体抗剪强度效应试验研究

以大柴旦盐湖区及其周边地区作为试验区,选取海韭菜、芦苇2种优势盐生植物作为供试种,通过对2种盐生植物根—土复合体试样和素土试样进行剪切试验,探讨了盐生植物根系对土体抗剪强度增强作用以及土体抗剪强度的影响因素。结果表明:2种植物根—土复合体试样粘聚力值为13.48~21.87kPa,不含根系素土试样粘聚力值为8.45kPa,与不含根系素土相比,根—土复合体的粘聚力值增长量为5.03~13.42kPa,其增长幅度为59.53%~158.82%;海韭菜根—土复合体试样粘聚力值大于芦苇,2种盐生植物根—土复合体试样粘聚力值与2种盐生植物在一定范围内的根系含量之间呈正相关关系,同时一定程度上表明了试验区2种植物根系增强土体强剪强度的机制表现为,在一定范围内根—土复合体中根系密度和数量愈高则其对土体抗剪强度增强程度相对愈显著,且海韭菜对土体粘聚力的增强作用显著大于芦苇。该研究成果对研究区以及与该区地质条件相类似的其他地区利用盐生植物增强土体抗剪强度,以实现有效地防治地表水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有理论研究价值和实际指导意义。     

不同生育期调亏滴灌对菘蓝光合特性及品质的影响

精准调亏灌溉是菘蓝高产高效的关键技术。为探究不同生育期膜下调亏滴灌对菘蓝光合特性、产量及品质的影响,于2015年在河西走廊中部张掖市凉州区民乐县益民灌溉试验站开展了菘蓝不同生育期、不同灌水量的试验研究。在保持其他生育期正常灌溉的情况下,在菘蓝的苗期、营养生长期、肉质根生长期和肉质根成熟期分别进行轻度和中度的水分胁迫处理,以全生育期的正常灌溉作为对照,测定菘蓝光合生理指标、产量和品质。结果表明,营养生长期和肉质根生长期水分亏缺显著降低了菘蓝叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度,且随水分亏缺程度加大,降幅增大。苗期轻度干旱处理的菘蓝产量和水分利用效率最高,分别达到8 317.58 kg·hm~(-2)和2.68 kg·m~(-3);肉质根成熟期轻度干旱处理次之,而肉质根生长期中度干旱处理最低。肉质根成熟期中度干旱处理的菘蓝综合品质最优,其菘蓝靛蓝、靛玉红、(R,S)-告依春含量比生育期正常灌溉处理分别提高0.26、0.42、0.0165 mg·g-1。综合考虑产量、水分利用效率及菘蓝品质等指标,最佳菘蓝水分调控处理为肉质根成熟期轻度调亏,即肉质根成熟期土壤相对含水率为55%~80%、其余生育期土壤相对含水率为65%~100%。本研究结果为高效水管理提供了一定的理论指导。     

层状土垂直一维入渗土壤水分运动数值模拟与验证

[目的]为进一步认识层状土垂直一维入渗土壤水分运动规律。[方法]依据非饱和土壤水分运动理论,建立了垂直一维土壤饱和—非饱和水分运动的数学模型,并用SWMS-2D软件进行求解。采用已有文献资料,对均质土和层状土的土壤剖面含水率、土壤湿润锋运移值和累积入渗量及入渗速率等指标的实测值与模拟值进行分析验证。[结果]实测值与模拟值具有较好的一致性,所提出的数学模型既适用于均质土壤,也适用于层状土壤。[结论]所建模型能比较真实地反映均质土和层状土垂直一维入渗土壤水分运动的状况,证明利用SWMS-2D软件对层状土柱中土壤水分运动进行模拟具有可行性。