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。     

沙地柏根系径级对根土复合体抗剪强度的影响

采用应变控制式直剪仪,通过对含不同沙地柏根系径级的扰动土进行室内直剪试验,分析研究根土复合体的抗剪性能。结果表明沙地柏根系的加入,增强了土体的抗剪强度,且根土复合体的抗剪强度符合库伦定律;当所含根系径级小于某个极限值时,根土复合体的抗剪强度随着径级的增大而增大,当超过这一极限值,则随着所含根系径级的增大,其抗剪强度逐渐减小,随着根系径级的逐步增大,由于根自身抵抗土体剪切变形能力增强,使得根土复合体的抗剪强度值开始回升;一定竖向荷载下,根土截面比△过小,对复合体抗剪性能影响微弱;根土截面比过大,根系与土壤胶结力降低,对抗剪强度产生负影响,因此,存在一个最佳根土截面比,在此比值附近,根土复合体的抗剪强度达到最大。本研究可为沙地柏在作为水土保持树种栽植方面提供理论依据。     

草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究

针对生物软措施的力学固土护坡作用进行了力学机制方面的探讨,提出植物根系网固土力学机制模式的四个层次,以及对不同草本植物根系的固土性能进行了力学试验比较。结果表明不同植物根系具有不同的抗拉强度。香根草根系平均抗拉强度最大达85 m Pa,其次为假俭草,平均抗拉强度27.3 m Pa,白三叶根系平均抗拉强度为24.6 m Pa,莎草根系平均抗拉强度为24.5 m Pa,宜安草根系平均抗拉强度为19.7 m Pa,百喜草根系平均抗拉强度为19.23 m Pa,马尼拉草根系平均抗拉强度为17.5 m Pa,狗牙根根系平均抗拉强度为13.45 m Pa。不同的植物根系具有不同的抗拉强度、不同的固土性能与其遗传结构及其组织材料不同有关。充分了解和认识植物根系固土性能,科学合理运用生物软措施代替或部分代替工程措施在我国繁重的生态环境保护和恢复的基本建设工程项目中具有重要的应用价值和意义。     

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。     

Root Typ：描述和分析根系结构的一般性模型

根系结构和发展的动态模型结合各种发展过程,模拟多种动态的相互作用,是研究根系-土壤-大气连续统一体的有效工具。近年来,从分形描述和发展途径中出现的一些模型,难以概括各种植物根系的一般性规律。原因在于根系生长的复杂性、缺少独立且又合适的检测模型的数据,使得模型不能详细结合各种重要机制。在这里我们提出的称作“Root Typ”的一般性模型致力于定量整体分析根系结构、简化结构多样性的描述。它的目的：(1) 详述多物种的根系发展过程。(2)归纳根系概念。(3)以简化方式描述土壤对根系发展过程的影响。详细讨论模型的几个发展过程：轴向和径向生长,顺序分枝,重复,转换,衰败和脱落。     

布根方式及根系径级对根土复合体抗剪性能的影响

以沙地柏根系及其土壤所构成的根土复合体为研究对象,通过根土复合体的室内直剪试验,研究了沙地柏根的不同径级、不同布置方式对根土复合体抗剪性能的影响。结果表明,在不同法向应力作用下,有根系存在的根土复合体抗剪强度均明显高于无根扰动土的抗剪强度。在根土复合体中,垂直存在的根系对提高土体抗剪强度的贡献大于水平存在的根系。在所含根数一致的情况下,根土复合体的抗剪强度并不与所含根系径级的大小成正比,而是随着根系径级的增大呈现递增—回落—反弹的趋势。该试验的研究可为今后沙地柏水土保持树种的栽植提供一定的技术参数及理论支撑。     

林木根系对土壤的增强作用与机理分析

林木根系具有固持土体的重要生态功能,根系的存在显著提高了根系与土壤组成的根土复合体的强度,三轴试验表明,根系的直径、布置方式、土壤的含水量等因素对于该增强作用有显著影响。从机理上讲,林木根系对土壤的增强作用是由于根土界面摩擦力的作用把土中的剪应力转换成根的受拉作用而产生的,理论分析和试验研究都证明了这一点。     

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。     

基于ANSYS建立的油松单根复合体模型的验证

[目的]为了揭示林木根系固土的力学机制,以根土复合体为研究对象,应用有限元程序ANSYS 12.0,研究油松单根与土壤间的摩擦特性。[方法]将根土复合体视为根、土和根土接触面3部分组成的离散化模型,油松单根采用线弹性本构模型,土体采用理想弹塑性本构模型。根据三轴压缩试验及根系拉拔试验计算出的模型参数,运用非线性有限元法模拟在不同埋深,不同直径下的单根拉拔试验。分析根土复合体的摩擦力与滑移量的变化关系,绘制关系曲线。将数值分析结果与拉拔试验数据进行对比。[结果]有限元模拟结果与根系拉拔试验结果基本一致:根土间初始摩擦力和峰值摩擦力随根系的埋深和直径的增加而增大,峰值滑移量随根系埋深增加而增大。[结论]建立的单根复合体有限元模型可以用于根土摩擦特性的研究,并为进一步对多角度的立体群根根系进行数值分析提供依据。     

黄土区3种优势灌木根土复合体的抗剪强度研究

黄土区水土流失严重,生态护坡是比较推崇的防护手段,特别是灌木具有发达的根系,对含根土体有较为明显的抗剪增强作用,因此,比较自然条件下区域适生优势灌木的根土复合体抗剪强度,对于合理选择固土护坡植物具有重要意义。以黄土区常见的优势乡土灌木达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides)和狼牙刺(Sophora viciifolia)为研究对象,野外采用三维土柱挖取灌木的根系,进行不同直径单根抗拉试验和根土复合体的剪切试验。结果表明:(1)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根系集中分布于0—40 cm土层中,它们的根长密度、根表面积密度和生物量密度随着土层深度的增加表现出整体递减的趋势。(2)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系的抗拉力(Tensile Resistance,TR)与抗拉强度(Tensile Strength,TS)都表现为关于直径(D)的幂函数(aD^b),其中抗拉力与根径呈正相关(b>1),而抗拉强度与根径呈负相关(b<1)。(3)不同灌木根土复合体的抗剪强度在地下分布是不同的,在根际范围内随土层加深,达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少而后增加又减少的趋势,最大抗剪强度的土层是20—30 cm和50—70 cm,沙棘和狼牙刺根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少的趋势,最大抗剪强度的土层分别是30—50 cm,0—20 cm。说明灌木的细根可以更好地起到固土护坡的作用,建议在黄土区优先选择达乌里胡枝子和沙棘作为护坡植物,从而为生态护坡提供一些参考。     

花岗岩残积土边坡草本植物根固效应试验

为了推进根系固土机制的定量研究,在前期边坡调查和植物筛选的基础上,人工种植了百喜草、假俭草、狗牙根3种常见的护坡植物,根据各深度下原状根-土复合体干密度、含水率和质量含根量等物理性质指标,设计了重塑根-土复合体直剪试验方案,实施了3种植物原状和重塑根-土复合体的直剪试验。结果表明:3种原状根-土复合体的抗剪强度在各级法向压力作用下均随含根量的增加而逐渐增大;3种原状根-土复合体的黏聚力和内摩擦角均随深度的增加而减小;3种植物根系在相同的土体状态下对黏聚力的影响排序为狗牙根百喜草假俭草;对土体内摩擦角的影响排序为假俭草百喜草狗牙根。植物根系增强土体抗剪强度的作用不仅受植物种类的影响,还与土体的干密度和含水率密切相关,干密度的增加对黏聚力的提升有显著影响,对内摩擦角的影响却并不大;3种植物重塑根-土复合体的最优含水率均为25%左右。在重塑根-土复合体的直剪试验中,很难探求含根量对抗剪强度指标的影响。     

含根量对秋枫根-土复合体抗剪强度的影响

为研究含根量对秋枫(Bischofia j avanica)根-土复合体抗剪强度的影响,利用纵剖面法探究了秋枫根面积比沿土层深度的分布规律,基于根面积比的分布范围,分别对7级不同根面积比梯度的重塑垂直根-土复合体试样在4级正应力下进行了改进的大盒直剪试验,定量探究了不同含根量对土体抗剪强度的影响,分析了根-土复合体黏聚...     

芒萁根系对崩岗红土层土壤抗剪强度的影响

为探究植物根系对崩岗红土层土壤抗剪强度的作用机制,采取室内直剪试验,研究不同含水率条件下芒萁（Dicranopteris dichotoma）根系对红土层抗剪强度的影响。结果表明：（1）不同根重密度土体的抗剪强度总体随含水率增加而下降,含根土体的抗剪强度大于素土。（2）黏聚力随着含水率的增加均呈先增大后减小的趋势,而随根重密度的增加呈增大的趋势,且增量逐渐减小。（3）内摩擦角与土壤含水率之间呈线性负相关,但与根重密度之间无明显关系。（4）含水率对抗剪强度的影响大于根重密度,可用含水率和根重密度模拟根土复合体的抗剪强度（NSE=0.84）。综上,根系的作用可增加崩壁红土层土壤的抗剪强度,但高含水率条件下根系的增强效应降低,可通过减少水分注入以增加崩壁根土复合体的稳定性。     

冻融时间和含水率对紫穗槐加筋黄土抗剪强度的影响

[目的]研究紫穗槐根系在不同含水率和不同融化时间对土体加固作用,为季冻区紫穗槐固土效应提供设计依据。[方法]以取自西宁市黄土为研究对象,用室内三轴试验方法研究紫穗槐根系根—土复合体的应力应变及强度特性,探讨在不同解冻时间和不同含水率下紫穗槐根—土复合体抗剪强度指标变化规律,并通过SEM电镜扫描试验从微观的角度评价紫穗槐根系的加固机理。[结果]紫穗槐根系在不同含水率时有不同的加筋情况,在低含水率和高含水率加筋作用更加明显;在冻融前后紫穗槐根系的加筋作用体现在当土体受到荷载作用时,紫穗槐根系会束缚土颗粒之间的移动,增大土颗粒之间的咬合以及增大根系和土颗粒之间的接触面,从而增大内摩擦角;通过电镜扫描试验可以看出,紫穗槐根系可以抑制土体中的裂隙产生与发展,从而增大土体的整体性。[结论]紫穗槐根系在不同地区均能起到加筋作用。不同含水率会存在不同的最佳含根量,紫穗槐根系的固土作用体现在增大土体的内摩擦角,增加土体的整体性。     

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。     

BGB微生物菌剂对黄土高原区域土壤与油松的影响

[目的]研究黄土高原区域油松造林中施用BGB微生物菌剂对油松造林成活率、树高、地径生长的影响,以及土壤养分与水分的变化,为BGB微生物菌剂在黄土丘陵地区的植被恢复应用提供理论依据和技术支持。[方法]在不同坡面处施用3种量的BGB微生物菌剂,观察不同量的处理对油松及土壤养分的影响。[结果]BGB微生物菌剂能够显著提高苗木的成活率,促进苗木树高、地径的增长;可以显著地提高土壤中各养分的含量,增加土壤含水量,且影响随着土壤深度的增加而减小,随坡度的降低而变大。其中对土壤中速效磷和有机质的影响最显著;BGB微生物菌剂能够明显改善土壤的含水量,并且在土壤20—40cm处作用较明显。[结论]BGB微生物菌剂对油松造林成活率、生长量与土壤养分有显著的影响。     

间伐对油松人工林碳储量的长期影响

间伐不仅能改变人工林林木生长状况,还会影响整个森林碳储量,研究间伐对人工林碳固存的长期影响,有助于准确评价人工林的碳汇功能,为人工林的科学经营管理提供参考。2016年8月,以黄土高原森林区营造于1962年,间伐于1985年的4种(强度间伐、中度间伐、轻度间伐、对照)油松人工林为对象,保留密度分别为800,1 500,2 200,2 900株/hm~2,研究了间伐对油松人工林不同植被层、叶凋落物、粗木质残体和土壤有机碳库的影响。结果表明:轻度和中度间伐下油松人工林系统碳储量较对照显著提高了28.54%和21.33%,强度间伐碳储量(154.66t/hm~2)与对照(169.26t/hm~2)无显著差异。乔木层是油松人工林的主要碳库,占人工林总碳储量的64.85%~74.62%。不同处理下乔木层树干碳储量所占比例最高(52.05%~56.43%),树根和树枝次之(22.27%~22.60%和17.73%~18.32%),树叶最低(3.56%~7.01%)。中度和强度间伐下在提高林下灌草多样性的同时,总的灌草碳储量分别比对照高24.27%和25.24%。间伐显著降低了叶凋落物碳储量,其中,强度间伐下的叶凋落物只有对照的48.15%。土壤碳库的变化主要是由土壤表层0—20cm有机碳变动所引起,中度和强度间伐土壤表层碳储量较对照分别减少了17.68%和33.76%,而轻度间伐(51.23t/hm~2)与对照(50.96t/hm~2)无显著差异。土壤表层碳储量与植物多样性和基础呼吸呈显著负相关。轻度和中度间伐有助于森林生态系统碳固定,其中轻度间伐不仅有利于地上植被碳固定,而且还有助于土壤碳库的维持。     

两种草本植物根系对土壤可蚀性的影响

为揭示草本植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响,选取白三叶（Trifolium repens L.）、黑麦草（Loliu perenne L.）及两者混播根系为研究对象,通过冲刷试验,研究了3种种植类型的根系特征及对土壤可蚀性影响。结果表明:（1）白三叶、黑麦草及混播草的根长密度（RLD）、根面积比（RAR）及根重密度（RMD）由春季到秋季呈现先升高后降低最后趋于稳定的变化趋势。（2）试验期内,土壤可蚀性大小顺序为白三叶 < 黑麦草 < 混播草 < 裸地。3种种植类型的土壤可蚀性与土壤容重、水稳性团聚体、RLD、RAR及RMD呈指数函数形式下降（R²>0.70）。（3）土壤可蚀性与0～1.0 mm径级根系极显著正相关（p<0.01）,与1.0～2.0 mm,0～2.0 mm显著正相关（p<0.05）。     

寒旱环境植物根系增强边坡土体抗剪强度试验研究

研究以地处西宁盆地的青海大学自建试验区作为研究区。采用草本、灌木植物单一种植和混合种植的方式,对种植植物边坡及未种植植物的素土边坡在A层(坡面地表0cm)、B层(坡面以下20cm)深度处的根—土复合体试样进行直接剪切试验,探讨了单一种植和混合种植两种种植方式下边坡土体抗剪强度的变化特征。结果表明:(1)单一种植的草本边坡在A层处根—土复合试样的粘聚力值分别为24.09,22.81kPa,均显著大于灌木边坡A层深度处根—土复合体试样的粘聚力值19.03,17.91kPa,且相对于素土试样的粘聚力值,草本根—土复合体试样的粘聚力值的增加幅度依次为104.67%,93.80%,灌木根—土复合体试样粘聚力值的增加幅度依次为61.68%,52.17%,显然,草本根—土复合体的粘聚力值增长幅度大于灌木植物;(2)随边坡土体深度的增加,单一种植方式下草本边坡根—土复合体试样粘聚力值呈递减趋势,即粘聚力值依次由24.09,22.81kPa递减至19.06,21.02kPa,这在一定程度反映出草本对边坡浅层土体抗剪强度的增强作用相对较为显著;(3)2种草本和灌木混合种植方式下根系对边坡土体抗剪强度的贡献值,均大于相应位置处2种草本和灌木单一种植方式下的贡献值,即混合种植条件下复合体的粘聚力值较单一种植时的增加幅度为0.13%~42.83%。该研究成果为定量评价边坡不同种植方式下植物根系增强边坡土体抗剪强度提供了理论依据,同时为进一步探讨植物根系增强边坡土体抗剪强机理具有一定理论价值和实际意义。