油松根系的固土力学机制

为深入了解林木根系固土力学机制,探讨不同条件下的根系固土作用,对油松根系进行了拉伸、拔出和根土复合体三轴试验。结果表明,油松根系的抗拉力随根系直径的增大成幂函数关系增加,而抗拉强度随直径的增大无明显变化规律;根系受拉的应力—应变曲线特征参数不同,以二次多项式模型拟合效果最好,均为单峰曲线,具有弹塑性材料的特征,极限应力和极限延伸率的大小与根系直径无明显的关系;根土界面最大摩擦力随着根径的增加呈现出近似线性的增长趋势。根径越大,根系越深,根土界面摩擦力就越大,进而对土壤的摩擦锚固作用就越强。相同根径时,根土复合体的抗剪强度随围压的增加而增大。相同围压下,根土复合体的抗剪强度随着根径的增加而增大。相同的根径和围压下,垂直埋根方式的根土复合体抗剪效果好于水平埋根方式。     

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。     

植被根系固土机理研究进展

坡面植被不仅可以稳定岩土边坡,而且具有美化生态环境的作用。为了阐明植被根系对不稳定斜坡的影响,根据多年来根系固土的研究成果,从根系固土力学基础、根系几何力学特性、根系对土壤抗冲与抗剪的影响等方面,对植被根系护坡机理进行了综述,分析了目前研究中存在的不足,并就今后研究中应注意的问题提出了看法。     

林木根系固土的理论基础

为了探索林木根系的固土作用,半个多世纪以来许多学者从不同侧面对根系的固土作用进行了大量的研究和探索,在根系固土理论研究上取得了一定成果。鉴于此,概述了莫尔-库仑强度理论、加筋理论、锚固理论等根系固土基础理论以及须根理论模型（W氏模型）、垂直根系木本植物根-土相互作用力学模型、水平根系根-土相互作用力学模型等根系固土的分析模型。依据固土理论,提出了今后根系固土作用研究重点是根系的分布特征,根系与土的摩擦特性以及根系的力学性能。     

神东矿区不同治理年限典型灌木群落调查与分析

为评估神东矿区的植被恢复治理成效,从群落物种丰富度、物种个体总数、群落总盖度及物种多样性等方面分析了矿区典型植物群落随治理年限延长而呈现出的发展趋势。从分析来看,沙棘群落和柠条(柠条锦鸡儿)群落随治理年限延长表现出总体向好的发展趋势,后期基本不需人为干预,表现出良好的水土保持效益;而沙柳(乌柳)群落随治理年限延长表现出总体向差的发展趋势,后期需要人为干预和管理才能发挥较好的水土保持效益。     

砒砂岩区不同灌木根系构型及根系抗拉对比

对砒砂岩区各主要灌木树种根系形态进行定量研究,探究哪种水土保持植物可以有效地抵抗砒砂岩区的复合型侵蚀,以该区分布较广的灌木树种沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、酸枣(Ziziphusjujuba M.)、连翘(Forsythia suspensa V.)、文冠果(Xanthoceras sorbifolium B.)、黄刺玫(Rosaxanthina L.)和蒙古扁桃(Amygdalus mongolica R.)单株个体为研究对象,对其根系分布范围、几何形态,拓扑指数、单根力学特性,降维进行综合分析,筛选出在砒砂岩地区固土效果较好的灌木植物。结果表明:(1)文冠果和连翘以倾斜根为主,沙棘、酸枣、黄刺玫和蒙古扁桃以水平根为主;细根长文冠果(2 368.54 cm)＞沙棘(1 746.12 cm)＞黄刺玫(1 463.15 cm)＞蒙古扁桃(1 162.81 cm)＞酸枣(928.69 cm)＞连翘(817.45 cm);文冠果拓扑指数0.54且根系呈叉状分支结构;连翘拓扑指数0.71且呈鱼尾型分支结构。(2)根系平均抗拉强度文冠果(30.45 MPa)＞黄刺玫(18.21 MPa)＞连翘(17.03 MPa)＞蒙古扁桃(16.62 MPa)＞酸枣(16.34 MPa)＞沙棘(15.35 MPa)。基于主成分分析法对不同灌木树种根系固土效应进行对比,其中,文冠果的综合主成分指标最高达到2.28,则综合固土效果最好。研究结果可为砂岩地区选出适宜的土保持灌木,同时为灌木林的可持续发展提供理论参考。     

根系主要成分含量对根系固土效能的影响

选取中国北方两种常见树种油松(Pinus tabulaeformis)和元宝枫(Acer truncatum),对这两种树0.2~6mm直径的根系直径、根系抗拉强度、整根的根土复合体强度、根系3种主要成分含量(纤维素含量、半纤维素含量与木质素含量)进行测定。结果表明,随着根系直径的增加,植物根系半纤维素含量增高,纤维素含量与木质素含量降低,从而植物的抗拉强度降低。植物根系抗拉强度与纤维素含量、木质素含量成正相关关系,与半纤维素含量成负相关关系。因此,在排除根系结构影响的前提下,植物根系纤维素含量与木质素含量是导致不同植物种固土效果差异的直接原因。     

生态修复区不同植物群体的根系固土力学机理

为探索生态修复区不同植物群体的根系固土力学机理,以国家生态修复工程新平县生态修复区为例,对不同恢复阶段的植被进行原位土壤根系水平抗拉力学试验。结果表明：调整后的原位土壤根系水平抗拉试验方法可在山区的斜坡上进行不同物种组成的植物群落根系力学作用的研究,同时可定量获取土壤根系水平抗拉过程中载荷与位移的关系,绘出载荷-位移（F-S）曲线。F-S曲线反映出草本样方、灌草样方、灌木样方和乔木样方的根系均具有不同的抗拉特性,都会经历弹性形变阶段、塑性形变阶段和强化阶段;这些植物根系在固土、固坡中起着重要的作用,并随着生态修复过程的发展,生态系统抵抗土体滑动的能力不断增强。     

防风固沙灌木花棒沙柳根系生物力学特性

为了揭示花棒和沙柳的根系生物力学特性,该文选取毛乌苏沙地5 a生人工种植花棒、沙柳的根系为研究对象,通过室内单根拉伸试验,得到沙柳(直径0.78~7.44 mm)的平均最大拉力、抗拉强度和杨氏模量分别比花棒(直径0.91~6.46 mm)高42.07%、44.52%和90.00%。花棒、沙柳单根根系的最大拉力随直径增大以幂函数增大,抗拉强度和杨氏模量随直径增大以幂函数减小。花棒与沙柳单根根系的平均抗拉强度能达到Ⅰ级钢筋(370MPa)的6.86%和9.91%,对土壤有一定的加筋作用。采用自制根系拉力测试系统进行野外原位整株根系垂直拉拔试验,得到花棒(地径17.65~42.68 mm)和沙柳(地径20.35~48.07 mm)的整株根系最大垂直拉拔力为(1.71±0.16)k N和(1.18±0.16)k N,花棒比沙柳高出44.92%。花棒整株根系的生物力学特性要优于沙柳,整体固沙能力更强。该研究可为根系固土作用理论研究和防风固沙树种的筛选提供参考。     

干旱半干旱煤矿区土壤水分研究进展

本文重点评述了干旱半干旱煤矿区土壤水分与生态环境效应研究进展,系统总结了土壤水分运移机理与动态模拟方法。采煤塌陷会破坏土壤含水层构造并导致地下水位下降,间接改变了土壤含水率空间分布特征;露天采矿与复垦过程中机械压实导致土壤孔隙数量减少、连通性减弱,土壤水分入渗受阻;土壤重构与植被重建技术能够有效改善土壤结构,缓解土壤水分流失。在未来研究中,应进一步丰富势能理论体系、完善数值模拟技术并引入动态指标;结合干旱半干旱煤矿区环境的特殊性加强土壤水分运移规律及其机理研究;基于土壤-植被-水分间耦合关系优化调控措施,促进干旱半干旱煤矿区复垦与生态修复。     

半干旱退化山区不同土地利用方式土壤理化性质的特征研究

通过对半干旱退化山区不同土地利用方式的土壤理化性质的调查研究.得出不同土地利用措施土壤机械成分表现出一定的差异性,在0-40 cm土层,88542整地和人工草地的粗砂粒平均含量高于天然草地;在0-100 cm土层,最大田间持水量:人工林地＞人工草地＞天然草地;毛管持水量:人工草地＞人工林地＞天然草地;土壤总孔隙度:人工林地＞人工草地＞天然草地;毛管孔隙度:人工草地＞人工林地＞天然草地;土壤的透气性:人工林地＞人工草地＞天然草地.在0-100 cm土层:有机质的含量为:人工林地＞天然草地＞人工草地;土壤碱解氮的含量变化为:人工林地＞人工草地＞天然草地;土壤速效磷的含量变化为:人工林地＞人工草地＞天然草地.结果表明,合理的土地利用方式,改善了土壤结构和肥力,增加土壤的通透性,改变土壤水肥气热状况,其中人工造林整地对土壤容重、持水量、土壤养分的促进作用均优于其它利用方式,有利于植被的快速恢复.     

采煤塌陷区土壤碳储量变化及其影响因素分析

采用因子分析、相关分析等方法揭示大柳塔矿区采煤塌陷前后土壤碳储量的变化及其影响因素。结果表明:（1）在不同土层深度上,土壤碳储量含量差异不显著（p < 0.05）,但在空间分布上差异显著。（2）在不同坡位上,对照区和沉陷区均表现出坡底 > 坡中 > 坡顶的规律,采煤塌陷对坡底部位的土壤碳储量影响差异显著（p < 0.05）。（3）土壤碳储量与土壤孔隙度、全氮、有机质均呈显著正相关,相关系数分别为0.943,0.864,0.967（p < 0.01）,并且,主导影响因子为土壤有机质和土壤孔隙度。     

虎榛子群丛根系的固土作用研究

共选样地18块,其中15块均为由虎榛子(Ostryopsis davidiana Decaisne)单一种组成的植被群落样地,另外选择对照样地3块,样地规格为5m×5m。18块样地均测定了地表以下20,40,60,80,100cm共5个层面的土壤抗剪强度,同时测定对照裸地样地的紧实度和虎榛子植被群落样地根截面积率。虎榛子植被群落样地土壤样品需去除裸地抗剪强度的影响。在研究林木根系固土作用时,必须消除土壤紧实度造成的影响。经测量计算,土壤样品根截面积率最大为1.014%,对应的抗剪强度增强值(也为最大值)为0.1346kN/m2。分析结果表明,虎榛子群丛根系对土壤抗剪强度的增强值与穿过剪切面的根截面积率呈线性正相关。     

油松根系固土的基本力学特性

植被根系的力学性质对于斜坡的稳定性是一个重要因素。为确定油松根系的基本力学特性,对油松不同标距不同直径根段进行拉力试验。结果表明：所有根系随直径级的增大,抗拉力以幂函数显著增大,抗拉强度却以幂函数减小,对于直径D≤1mm的根系,抗拉强度显著增加。标距对抗拉力影响不显著,对抗拉强度影响显著。油松的应力应变曲线为单峰曲线,具有弹塑性材料特征。首次初步将油松根系的应力应变曲线简化为3个阶段：线性弹性段、非线性弹性段和塑性段。在理论推导和数据分析的基础上,建立了油松根系的三阶抛物线本构模型。这些研究探明了油松作为水土保持先锋树种固土的力学机理,对护坡植物的选择和优化组合具有重要的参考价值。     

岩溶区典型根系地下生境的土壤质量分析

选择岩溶区三种不同的典型根系地下生境类型土壤为研究对象(类型Ⅵ——白云岩水平产状多层空间类型、类型Ⅸ——白云岩倾斜产状多层空间类型及类型Ⅺ——白云岩直立产状多层空间类型),根据不同类型的土壤物理、化学及生物学指标,计算土壤肥力的综合指标值,对其土壤质量进行综合分析评价。结果表明:(1)不同植物根系地下生境类型和不同空间土壤层次的土壤指标值差异极显著;(2)不同类型的土壤质量存在差异,且具有明显的层次性,土壤质量表现为白云岩倾斜产状多层空间类型最好,且三种类型的土壤质量均呈现出随土壤深度的增加而逐渐降低的趋势。该文揭示了根系地下生境的土壤质量差异,这为岩溶石漠化区的植被恢复技术研究和治理均有积极的作用。     

半干旱区不同土层深度土壤有机碳变化

选择内蒙古自治区赤峰市敖汉旗黄花甸子流域为研究对象,运用地统计学与ArcGIS空间分析工具相结合的方法研究了不同土层深度土壤有机碳含量、密度以及储量的变化情况。结果表明,不同土层有机碳含量与密度由高到低均表现为:表层(0—20cm)中层(20—60cm)底层(60—100cm)。表层土壤碳密度随海拔高度的增加而下降,有机碳含量呈现先增加后降低的趋势;底层土壤有机碳含量随海拔高度的改变无明显变化。同时海拔高度对土壤有机碳的影响也随土壤深度的增加而减小。研究区有机碳总储量为2.04×105 t,不同土层有机碳储量由高到低表现为:中层(8.56×104 t)底层(6.41×104 t)表层(5.47×104 t)。土壤有机碳储量与其对应海拔高度下面积的大小具有显著相关性。     

泥石流频发区典型乔灌植物根系的固土效应

[目的]研究泥石流频发区云南省昆明市东川区蒋家沟两种典型生态修复物种新银合欢(Leucaena leucocephala)和马桑(Coriaria sinnica)的根系固土效应,为当地生物工程的应用及泥石流治理效益的评价提供理论依据和数据支撑。[方法]通过根系挖掘法查明根系分布特征,开展根系拉伸试验分析单根抗拉特征,运用修正后的Wu-Waldron模型(RWM)计算两种植物根系对土壤抗剪强度的增加值。[结果]①新银合欢和马桑的根面积比RAR均随着土壤深度的增加而减小。②新银合欢根系构型为垂直型,马桑根系构型为横走型。③新银合欢根系的抗拉强度与根径之间无明显规律性,马桑根系的抗拉强度与根径之间呈递减的对数函数关系。④新银合欢和马桑根系对土体抗剪强度增加值均随着土壤深度的增加而减少,新银合欢根系固土深度约为1.4 m,马桑根系固土深度约为0.6 m。[结论]新银合欢和马桑根系均能显著发挥固土作用。由于根系构型、固土深度、固土方式等原因,二者的固土作用不同,可将二者结合种植,不仅有利于边坡的稳定,也可提高土体的抗冲性。     

半干旱区人工固沙灌丛发育过程土壤水分及水量平衡研究

在野外条件下测定了不同林龄小叶锦鸡儿人工固沙灌丛区生长季节土壤水分动态和蒸散量变化。结果表明:不同林龄灌丛区土壤水分状态和蒸散量存在明显差异,土壤水分含量随着植被林龄增加而降低,16年生、19年生灌丛区土壤含水量随着深度增加呈下降趋势,在70cm深度产生低含水区,土壤转变为非淋溶性土壤;生长季土壤水分受降水和植被双重影响,在6月期间含水量最低;生长季节蒸散量随着植被林龄增加而增大,以19年生灌丛区最高,所有灌丛区生长季节蒸散量均低于同期降水量,占同期降水量的95%以上。流动沙丘生长季节土壤水分含量高于灌丛区,蒸散量低于灌丛区。     

煤矿矿区不同采煤塌陷年限土壤物理性质对比研究

为揭示采煤塌陷对矿区土壤物理性质的影响机理,为矿区生态修复和重建提供理论依据,在选取典型样地的基础上,采用土壤测定方法,研究了不同塌陷年限不同土层土壤物理性质的变化。结果表明:随采煤塌陷年限的延长,矿区表层土壤密度逐渐增大,底层土壤密度先增大后减小;毛管孔隙度逐渐下降,非毛管孔隙度先下降后上升;表层土壤总孔隙度逐渐下降,底层土壤总孔隙度先下降后上升;土壤体积含水量和土壤贮水量先上升后下降,土壤质量含水量逐渐下降;表层土壤毛管持水量逐渐降低,底层土壤毛管持水量先下降后上升;表层土壤田间持水量逐渐降低,底层土壤田间持水量先下降后上升;土壤排水能力先下降后上升。