基于植物生长过程的根系固土机制及Wu模型参数优化

【目的】为提高植物根系固土效果模型量化的准确性,针对植物根系在土壤中受破坏的不同方式,基于植物生长过程的根土复合体直剪试验,利用根的拔出与抗拉试验,分析根系在不同生长时期的受力机制,定量评估植物根系对土壤的加固效果。【方法】在原有直剪仪器的基础上,设计了一套分离式、可测定盆栽植物根系固土效果的装置。将12棵3年生山矾幼树样本直接种植于直剪盒,针对移植后1个月、4个月和1年后山矾根系的单根抗拉强度、拔出强度和根土复合体的抗剪强度进行测定,建立植物单根直径与单根抗拉强度、拔出强度的关系曲线。在时间尺度上,研究影响其根系固土的相关参数变化,分析根系与土壤的相互作用机制和根系的破坏情况,并优化现有Wu模型,并尝试评估动态生长过程中的根系固土效果。【结果】1)植物根系固土效果受抗拉强度与拔出强度的共同影响,在植物的生长的过程中,拔出强度对固土效果的影响比抗拉强度更加显著;2)随着植物种植时间的增加,4个月后根土复合体的抗剪切强度显著增加,1年后根土复合体的抗剪切强度较前4个月增长放缓。根土复合体发生剪切破坏后,根系发生断裂破坏的概率随种植时间的增加而增加。3)将根系抗拉和拔出强度2个参数加入到植物根系固土模型的计算中,可以更好地反映植物根系固土效果,特别是对于植物移植生长过程,模型计算结果与实际值平均相差仅为8.13%。【结论】植物根系在1年的生长周期内,根系数量不会发生较大变化,根系抗拉强度由其材料属性决定,也不会发生较大变化。而根系与土壤间的键合则变得更加紧密,根系的拔出强度增加显著,更多的根系在土壤发生破坏时发生断裂,最终提高根系加固土壤的效果。     

林木根系与黄土复合体的三轴试验

以林木根系为研究对象,将根系与土壤视为一个整体,用三轴压缩试验方法研究根土复合体的应力-应变及强度特性,探讨不同根系直径、根系分布方式、复合体含水量和围压下的极限主应力差和加根效果,得出根土复合体的强度指标.结果表明:根土复合体在含水量相同的情况下,随根径增大,复合体的强度提高率增大.水平根的根土复合体随含水量增加,复合体的强度提高率减小;垂直根和复合根的复合体随含水量增加,复合体的强度提高率增大.垂直根和复合根的根土复合体能明显提高土体的强度,水平根的根土复合体对于提高土体强度效果不是很明显.     

四川山矾根系分支节点对根系固土效益的影响

【目的】研究根系形态学参数和力学参数对固土效果的影响,进一步了解根-土相互作用机制和固土机制。【方法】利用改装过的万能试验机测定四川山矾根系的抗拉强度、杨氏模量、摩擦力等力学特性,利用自制的大盒直剪装置测定含根土样本的抗剪强度。分析根系形态学参数与力学特性参数的关系。【结果】1)四川山矾的根直径与根长、抗拉强度、杨氏模量和拔出力都符合幂函数关系。其中,根直径与抗拉强度和杨氏模量呈负相关,根直径与根长、拔出力呈正相关。2)四川山矾根系分支节点数的增加,可显著提高根系拔出力,但分支节点对单位根长度拔出力的影响较小。3)四川山矾根系分支节点的增加,可显著提高根系的土壤加固效果,每存在1个分支节点可提高根系附加抗剪强度约50%。分支节点的增加可显著提高单位根长和根直径的附加抗剪强度。4)主成分分析发现,对根系附加抗剪强度的极值影响最大的参数为根长之和,而对根系附加抗剪强度的屈服值影响最大的参数为根直径之和。【结论】四川山矾根系分支节点的存在对根系的拔出强度和最终的固土效果都有显著影响,是根系固土效果定量研究中的重要参数,这对理解和分析边坡植物根系加固土壤的机制有重要意义。     

不同林分密度马尾松人工林根系生物量及空间分布研究

以龙里林场17 a三种不同密度的马尾松人工林为研究对象,采用逐层全根挖掘法和土钻法对其平均标准木和林分行间根系生物量进行研究。结果表明:马尾松根系总生物量受密度影响显著,C(25.78 t·hm-2)>B(15.77 t·hm-2)>A(12.47 t·hm-2),占根系总生物量(根桩除外)的87.8%以上的根系分布于0~30 cm的土层中,不同径级根系中,以根桩和粗根所占比例最大。林分行间根系生物量受密度影响较大,除中根外,土层深度对小根和细根分布的影响达到显著水平。水平方向,不同径级根系生物量变化趋势各异,细根和小根生物量在距离树干约1 m处达到最高,根系总生物量主要集中在距离树干0.5 m的范围内。随着土层深度的增加,不同径级根系的生物量都呈现出逐渐降低的趋势,在10~20 cm土层中,根系生物量达到最大值。     

基质和温度对巨柏移植苗根系生长发育的影响

为了研究巨柏苗木根系生长发育,以4年生苗木为材料,调查3种土壤基质(沙土、农田土、混合土)、5种温度(10℃、15℃、20℃、25℃、18-26℃变温)条件下苗木的生根时间及移栽35d后苗木的生根率、新根数量(新根总数、一二三级侧根数量)、新根品质(总长度、总表面积、总体积)和鳞叶叶绿素含量。结果表明,沙土中巨柏生根最早,生根率最高,新根数量最多,新根生长量最大;农田土次之;混合土最差。10-25℃范围内,苗木生根率、新根数量、新根生长量、叶绿素含量与土壤温度呈正相关,但18-26℃变温条件下苗木生根最早。     

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。     

四川攀西地区麻疯树人工林有害生物初步研究

该文首次报道了四川攀西地区麻疯树Jatropha curcasL.人工林中危害叶、花、果实和根的18种有害生物及其分布。其中麻疯树柄细蛾Stomphastis thrausticaMeyrick、麻疯树蛀梢斑螟Oncocera faecellaZeller、蓖麻夜蛾Achaea janataLinnaeus、丽盾蝽Chrysocoris grandis(Thunberg)、长盾蝽Scutellerasp.、黑翅土白蚁Odontotermes fomosanusShiraki、烂皮病Phomasp、白粉病Erysiphesp.在1~3 a生人工林中普遍发生;灰霉病Botrytis cinereaPers在苗圃危害较重;黑翅土白蚁、烂皮病在个别林分已使少数树木死亡。     

根系分布方式对根-土复合体抗剪强度的影响

通过对香根草根-土复合体的室内直剪试验,探讨了根系直径和分布方式对根-土复合体抗剪强度的影响。研究发现,在其它条件相同的情况下,垂直加斜交等量布根时,复合体的抗剪强度最高;垂直加水平等量布根时,其抗剪强度最低;其它布根方式时,其抗剪强度介于上述二者之间。研究表明,根系分布方式对根-土复合体的粘聚力的影响是非常明显的,而对其内摩擦角的影响却并不明显。同时,在相同根系数量和布根方式条件下,随着根系直径的增大根-土复合体的抗剪强度及内摩擦角先增大后减小。当根系直径达到某一值时,根-土复合体的抗剪强度达到最大值。研究结果对进一步探索生态护坡工程中根-土复合体的抗剪强度形成机理具有重要的理论意义,也为生态护坡工程的强度和边坡稳定分析提供了理论依据。     

林草混交根-土复合体的抗剪强度特性

通过对香根草和小叶女贞两种不同植物根系构成的根土复合体及两种植物混交根系构成的根土复合体分别进行了系列直剪试验研究,探索了在不同含水率及不同含根比的情况下,植物根系对复合体抗剪强度的影响规律。研究表明,草本植物香根草以及木本植物小叶女贞的根系都能提高根土复合体的抗剪强度,但二者对复合体抗剪强度指标的贡献是不同的,且混交根土复合体的抗剪强度仍符合库伦强度理论。在此基础上,本研究提出了根土复合体的内摩擦角随小叶女贞含根比变化的幂函数关系式。以上研究为进一步探索林草一体化高稳定护坡技术,具有重要的理论意义。     

攀西地区川滇桤木容器育苗技术研究

文章研究了攀西地区(攀枝花市和西昌地区)无底营养袋与托盘培育川滇桤木的苗木生长状况及适宜规格和育苗基质配方。研究结果表明:①托盘育苗能解决川滇桤木无底营养袋(无底塑料薄膜筒)育苗的根系盘绕现象;②本地区培育川滇桤木适合采用的容积为150m l以上的导根线类托盘;育苗切根方式以空气切根为好;③本地区适合采用的育苗基质配方由燥红土、泥碳土和牛粪组成,体积比为25%红土、37.5%泥碳土和37.5%牛粪(体积比)组成。     

青藏高原20种灌木生长时期根系特征及抗旱性初探

以青藏高原地区各地的柠条Caragana korshinskii等20种灌木树种为试材,通过田间试验测定此20种灌木在生长初期(5月)和生长旺期(7月)的全根系特征值(长度、表面积、体积、根尖数、分叉数)和微细根(直径≤2 mm)特征值(长度、表面积、体积、根尖数),研究灌木在生长初期和旺期根系特征,并根据根系特征进行聚类分析。研究结果表明:(1)5月和7月灌木树种之间全根系和微细根系特征值指标均存在显著性差异,同一时期灌木树种各根系特征值大小顺序有所不同,并且7月灌木树种根系特征值大小顺序规律与5月不一致。(2)与5月相比,灌木7月全根系和微细根特征值均呈不同幅度增加,其中全根系和微细根特征值中增幅最大的分别是全根体积(175.14%)和微细根根尖数(74.56%)。(3)全根系特征值4个指标之间和微细根系特征值5个指标之间均呈显著正相关,而全根系特征值和微细根特征值之间总体呈显著正相关,仅5月全根体积与各微细根特征值相关性不显著。(4)主成分分析结果表明,7月各项指标载荷均比5月份对应指标高,并且7月微细根特征值指标载荷相对高于对应全根系指标,测定灌木7月的微细根系特征值,能更好地反映灌木根系特征。(5)从根系特征角度综合评价,20种灌木大致可以分为5种类型(抗旱能力依次减弱):金露梅Potentilla fruticosa为第1类,抗旱性最强;三颗针Berberis julianae、树锦鸡儿Caragana arborescens为第2类;柠条Caragana korshinskii、胡颓子Elaeagnus pungens、蔷薇Rosa multifl ora和绣线菊Spiraea salicifolia为第3类;唐古特莸Caryopteris tangutica和珍珠梅Sorbaria kirilowii为第4类;其余11种灌木为第5类。     

中龄林马尾松细根固土作用的调控

研究不同施肥处理对中龄林马尾松细根生长动态的影响,结合根系与固土作用的关系,阐述施肥对细根固土作用的调控。结果表明:不同施肥处理下细根生物量及形态指标均表现为夏季(8、9月份)最高,冬季(11、12月份)最低,施P肥或者NPK肥合理混施可促进细根生物量及根长等的生长状况,并延长细根生长时间,且在夏季显著高于对照。因此在马尾松中龄林下,通过施用P肥及NPK肥合理混施调控细根的生长,增强其固土效应。     

林地土壤及其真菌对毛红椿种子发芽及幼苗保存的影响

[目的]通过不同群落毛红椿天然林林地土壤及其真菌对种子萌发和幼苗存活影响的研究,探讨影响毛红椿天然更新的障碍因素。[方法]在江西九连山国家级自然保护区内的3个毛红椿天然优势群落中,分别取距离毛红椿母树3个不同距离(2.5、5.0、7.5 m)处的根区土壤和远离毛红椿母树(25 m以外)的非根区土壤,以非林地土为对照开展室内模拟播种和以根区土壤真菌的水或根系分泌物悬液对毛红椿幼苗进行灌根接种,观察种子萌发、幼苗存活和幼苗感病情况。[结果]各群落土壤中种子发芽均呈先上升后下降规律,且基本在第8 10天达到高峰;林地土与非林地土种子发芽率差异不显著,但林地根区土幼苗的存活率极显著低于非林地土和林地非根区土;距母树3个不同距离根区土的幼苗存活率差异不显著。灌根接种不同处理间幼苗存活率差异极显著,具体表现为接种RS2、RS5根区真菌的幼苗感病率显著高于根系分泌物及无菌水空白对照,且RS2真菌的根系分泌物悬浮液幼苗感病率显著高于其无菌水悬浮液。[结论]毛红椿种子萌发不受土壤环境的影响,但幼苗建成受根区范围内土壤的影响,根系分泌物和致病菌的互作显著降低幼苗保存率。由此推断,毛红椿根区土壤内存在幼苗的潜在致病菌及根系分泌物可增强其致病性。     

香根草根系的分布形态及抗拉强度试验研究

通过对贫瘠土壤环境下生长1年的香根草根系在土中分布的统计分析,得到了香根草根系数量和根系横截面积沿土层深度变化的规律,并基于香根草根系抗拉强度的一系列试验,研究了根系抗拉强度随其直径和长度而变化的特性。结果表明:香根草根系的数量和横截面积沿深度呈递减趋势,但大部分根系分布在较深的土层内;随着根径和长度的增长,抗拉强度逐渐下降,根径的影响更加明显。在此基础上,改进了现有的根系抗拉强度计算模型,并给出了针对香根草的模型参数。计算结果和实测数据非常吻合,证明了该理论模型的可靠性,为根土复合体抗剪强度研究和植物边坡稳定分析提供了理论基础。     

间种山毛豆对桉树根系空间分布的影响

以桉树(2 m×3 m)+山毛豆(Tephrosia candida)复合经营模式为研究对象,桉树纯林(2 m×3 m)为对照,根系生物量和根长密度为测定指标,采用根系区位全挖法和土钻样点法,探索了间种山毛豆对桉树根系空间分布的影响。结果显示:间种山毛豆有利于提高桉树细根和粗根在地下部分的比例,其中细根生物量提高幅度最大,比纯林桉树提高了1.99倍;间种山毛豆对桉树细根生物量空间分布影响显著,在垂直方向上,桉树细根生物量明显下沉,各土层大小排序为20～40 cm 0～20 cm 40～60 cm,在水平方向上,桉树细根生长明显外延,各区位细根生物量大小排序为区位2区位1区位3;间种山毛豆对0～20 cm深土层的桉树根系根长密度影响显著,其中纯林桉树细根根长密度是间种模式的1.4倍,粗根是间种模式的1.9倍,而2种模式下桉树根长密度最大值均出现在20～40 cm土层;在从桉树树兜往树行中间的水平方向上,间种模式和纯林桉树中细根和粗根的根长密度变化趋势均是单峰型曲线,其中细根根长密度峰值分别出现在1.00、1.25 m位置,粗根根长密度峰值分别出现在0.75、1.00 m位置。桉树人工林间种山毛豆能有效促进桉树根系生长,特别是细根生物量明显增加;同时桉树根系出现了生长下沉和外延现象,这可能是受地下根系生态位重叠产生的树种间竞争和促进作用影响造成。     

放牧强度对克氏针茅根系构型特征的影响研究

指出了放牧是内蒙古草原主要的利用方式之一,适宜的放牧强度有利于草原生产力的稳定以及提高,但是长期的过度放牧对于草原植被产生了很大的影响。以呼伦贝尔克氏针茅草原不同放牧强度下的克氏针茅(Stipa krylovii)为对象,设置3个放牧梯度,轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG),在不同放牧梯度下对其根系形态特征进行了研究。分析了3个不同放牧梯度下克氏针茅根系长度、根系表面积、根系体积、根系直径、根尖数的变化趋势;在不同直径范围分析了根系长度、根系表面积、根系体积和根尖数的具体变化趋势。对根系长度、根系表面积、根系体积、根系直径、根尖数做了相关性分析。结果表明:中度放牧促进根系根长生长,轻度放牧根长减少;根总表面积与根总体积随放牧强度的增加而增大;根尖数在中度放牧强度下最大;根尖数、根系长度与根系表面积具有相关性;根系长度与根尖数相关;根系长度与根尖数量具有相关性;根表面积与根总体积相关;根系表面积与根尖数相关。一定强度的放牧可以促进克氏针茅根系的生长,但若超过植物所能承受的放牧强度,便会不利于根系生长。     

科尔沁沙地3种灌木根际土壤pH值及其养分状况

根际一般是指根土界面数毫米范围内受根系影响的土壤区,它是水分和矿质养分进入根系、参与生物循环的门户,同时也是根系自身活动和代谢对土壤影响最直接、最强烈的区域(刘建军等,1998; 杨玉盛,1998).根际区具有许多不同于原土体的物理、化学和微生物学特性,如根际土壤微生物量及活性高于非根际区(焦如珍等,1999); 根际养分离子浓度与非根际区不同(曾曙才等,2003); 根际土壤pH值与非根际区不同(马健等,1998).     

冀北山区不同植被恢复类型根际土壤细菌群落结构及多样性

【目的】研究冀北山区不同植被恢复类型对根际土壤细菌群落结构特征和多样性影响,探索自然和人工恢复对土壤微生物的作用机制,为该区域植被恢复与管理提供理论依据。【方法】以自然恢复的灌草丛、灌木林、次生林以及人工恢复的人工林根面、根际和非根际土为研究对象,通过Illumina Miseq平台对细菌16S rRNA的V3—V4片段进行高通量测序,分析土壤细菌α、β和功能多样性、群落结构组成以及与环境因子的关系。【结果】1)各恢复类型细菌α多样性差异显著(P0.05),次生林土壤细菌丰度和多样性均高于人工林,灌草丛多样性高,丰度最低;灌木林丰度高,多样性最低。不同根际范围土壤细菌α多样性差异不显著(P0.05),整体表现为根面和根际土高于非根际土。2)次生林和人工林土壤细菌群落结构有一定相似性;次生林与灌草丛、灌木林土壤细菌群落结构差异较大。根际土与非根际土细菌群落结构有一定相似性,根面土与根际、非根际土细菌结构差异较大。3)变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门和厚壁菌门为优势类群。各样地有机质分解菌群(变形菌门、放线菌门和拟杆菌门)丰度差异显著,灌草丛和次生林显著高于其他样地,根面和根际土显著高于非根际土。固碳和固氮菌群(芽单胞菌门和厚壁菌门)分布较均匀。4)土壤田间持水量、有机质和全磷、植被分布均匀度、Simpson多样性指数和丰富度指数是影响土壤细菌群落的主要因素。土壤因子(田间持水量、有机质和全磷)对灌木林和灌草丛非根际土细菌影响极显著,对根面和根际土细菌作用较小;植被因子(植被分布均匀度、Simpson多样性指数和丰富度指数)对乔木林(次生林和人工林)不同根际范围土壤细菌群落影响均达到极显著水平。5)新陈代谢功能在KEGG上的编码基因数量最多,是土壤细菌的优势功能。各土样细菌群落KEGG功能基因序列数量和多样性差异显著,说明各植被恢复类型根际土壤中有许多具有各自独特功能的菌种,但土壤和植被不能决定土壤细菌功能多样性。【结论】恢复方式、植被类型和根系对冀北山区土壤细菌群落结构和多样性均有影响,其中恢复方式对土壤细菌多样性作用更明显,植被类型对土壤细菌群落结构影响更显著。距离根系越近,土壤细菌多样性越高,土壤细菌群落结构与非根际土差异越大。此外,环境因子如土壤养分、水分含量及植被分布状况等均与土壤细菌群落结构及多样性有关。     

香格里拉亚高山两种植被类型主要植物的丛枝菌根研究

以滇西北香格里拉亚高山地区生态严重退化的荒草坡植被类型和基本实现恢复的近原生林地植被类型中主要植物的丛枝菌根真菌(AMF)作为研究对象,对这些植物根系的AMF感染率及其根际土壤中的AMF孢子密度进行了调查研究。结果表明,荒草坡的10种植物和近原生林地的9种植物,均形成典型的丛枝菌根(AM)。荒草坡和近原生林植物根际土壤中的平均孢子密度分别为674±221(SE)个/100g土和290±72个/100g土。单因素方差分析表明,两植被类型的主要植物在根系AMF菌丝感染率以及根际土壤中AMF孢子密度方面的差异都极显著。同种植物在近原生林地具有较高的AMF感染率,而根际土壤中的孢子密度则是在荒草坡为高。相关性分析表明,所调查植物的根系AMF菌丝感染率与根际土壤中的AMF孢子密度间不存在相关性。     

苹果根际土pH值和有效养分的研究

通过对田间和盆栽树细根和土壤的测定表明，苹果根际土与非银际土在有机质含量，过氧化氢酶活性，ｐＨ值和有效养分等方面有明显差异。苹果根际土ｐＨ值受施肥种类的影响结果与禾谷类作物相似，叶片蒸腾速率的增大会引起根际土，ｐＨ值的下降，而根系活力对根际土ｐＨ值无影响，根际土有效养分含量与非根际土有效养分含量有很好的相关性，而非根际土有效养分含量与细根内相应元素含量的相关性比根际土与细根的好。根系的吸收能力影响