植物根系固坡力学机理研究进展

近20年来,植物固坡在国内外越来越受欢迎。为进一步阐明植被根系对不稳定斜坡加固的力学机理,纵观多年来根系固土的研究成果,基于根系的锚固、加筋理论,从根系形态建成、抗拉、抗剪、采伐后根系强度变化及根系中主要成分木质素、纤维素的含量等方面进行综述。与素土相比,根土复合体的力学性能有了很大的提高,但其内在机理尚不太清楚,需要进一步的研究,并对存在的问题进行探讨,以便为根系的理论研究和植被护坡实践提供参考。     

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。     

草本植物根系网固土原理的力学试验探究

通过试验测定了生物软措施草本植物根系的最大拉力及最大拉力作用下根系断裂面直径 ,计算植物根系最大抗拉强度 ,结果表明香根草根系平均抗拉强度 85 m Pa>假俭草 2 7.3m Pa>白三叶 2 4 .6 m Pa>莎草 2 4 .5 m Pa>宜安草 19.7m Pa>马尼拉草 17.5 m Pa>狗牙根 13.4 m Pa。土壤剪切力试验表明香根草根系 沙土处理 >沙土对照 ,香根草根系 黏土 >黏土对照。探讨了草本植物根系网的固土性能 ,提出根系最大抗拉强度代表根系材料的受力潜能 ,可作为评判根系网的固土刚性的一个有效指标 ,为利用生物软措施代替或部分代替工程措施的作用 ,固土护坡防止土壤侵蚀及滑坡崩岗的灾害治理提供了力学理论依据     

苏北海堤林带树木根系固土功能研究

该文通过对海堤林带树木根系及土壤抗冲，抗蚀和渗透性的测定分析，发现同一地段土壤的抗冲，抗蚀指数表土层大于底土层。树木根系，尤其是根径≤２ｍｍ的细根有较强的固特土壤功能，抗冲指数与根长，根量间有明显的相关性，单相关系数分别为０．９３２６和０．８２５６。吸机质含量高的土壤抗蚀性强，抗蚀指数大，与有机含量间的相关系为０．８９３１，与细根的根长和根量的相关性相对较低，单相关系数分别为０．８２１６和０．７４     

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。     

五种护坡草本植物根系固土效果研究

对于公路边坡而言,植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀方面作用显著。为准确地评价植物根系的固土作用,选取北京地区常见的5种护坡草本植物,研究了其根系结构特征和根系强度特征,比较了不同草本植物根系结构的差异,结果表明:选取的草本植物根系生长深度除紫花苜蓿外多在0.6 m以内,沙打旺和狗尾草的根系总长度最大,表现出更好的抵抗拔出破坏的能力,而高羊茅和沙打旺根系在土壤中的数量较多,表现出更好的增强浅层土壤抗剪强度的效果。因此,北京地区的护坡草本植物,从根系固土的角度分析,沙打旺表现最好,其次是狗尾草、高羊茅和白三叶,表现较差的为紫花苜蓿。     

三维植被网技术的护坡机理及应用

三维植被网护坡技术综合土工网和植物护坡的优点 ,可有效地解决岩质边坡、高陡边坡防护问题。应用实例表明 ,三维植被网护坡对边坡的稳定极为有利 ,防护效果非常好     

基于CT扫描与细观力学的植物侧根固土机理分析

为了探寻植物根系加固土体、防护边坡的作用机理,该文从细观角度对根系固土的力学特性进行了探讨,并利用长江科学院研制的CT三轴仪,分别对素土样和2种含根土样进行不固结不排水的CT实时三轴剪切试验。通过对试样3个断面在不同应变时刻所对应的CT扫描数据进行定量分析发现,3个扫描层中素土样的(CT数均值)ME-ε1关系曲线下降段和(CT数方差)SD-ε1关系曲线上升段的变化幅度均大于2种含根土样曲线相应阶段的变化幅度;这说明含根土体内部缺陷发育速度更慢,含根土样内部裂纹萌生和扩展得更加缓慢,根系具有阻裂作用。文中重点对3种土样在高度的7/16处的断面上的CT扫描图片进行了定性和定量分析。利用Matlab软件自编后处理程序,对CT扫描图片进行了二值化处理,并统计出断面上的裂隙率、根附近区域及其之外区域的总裂隙大小、最大裂隙区域的长度和宽度信息。通过对含根土样和素土样受压过程的CT演化图片和断面上统计的裂缝数据信息进行比较分析,来对比说明素土和含根土样中裂纹扩展以及试样破坏过程的差异,从而揭露了根系的阻裂作用和桥联作用。最后得出根系固土的细观力学机理主要表现为根系对土体的阻裂作用和桥联作用。     

不同种植模式对作物根系固土拉力特性的影响

玉米大豆间作体系对土壤流失的影响研究多集中在地上部,而鲜有研究报道玉米大豆间作根系特征对固土拉力特性的影响。采用田间径流小区试验,研究了坡耕地条件下玉米大豆间作(MD)、玉米单作(MM)、大豆单作(DD)和裸地(CK)的生物量和根系固土拉力。结果表明:MD处理的玉米根系密度较MM处理增加了19.64%,10—20cm土层深度范围内MD处理与MM和CK处理间差异显著(p0.05),MD处理较MM和CK处理分别高出了4.25%和4.84%,在0—10cm范围内,MD处理较MM和CK处理分别提高了2.49%和15.85%,在20—30cm范围内,MD处理较MM和CK处理分别提高了1.56%和6.25%。MD处理的地上部分鲜重生物量较MM处理增加了2.46%,干重生物量较MM处理增加了7.31%,地下部分鲜重生物量较MM处理增加了5.06%,干重生物量较MM处理增加了3.17%。在0—30cm土层范围内,能有效保持土壤水分,提高土壤含水率。MD处理较MM处理、DD处理和CK处理不论在玉米样方还是在大豆样方其固土能力均强,在施加相同荷载情况下,间作处理比单作处理土壤样方的位移偏移量较单作处理时偏移量小。     

不同生育期烤烟根系固土能力特征研究

本研究选取云南省主要种植作物——烤烟为试验材料,分析烤烟不同生育期(团棵期、现蕾期、成熟期)的根系固土能力特征。应用锚杆拉力计和自行设计的剪切箱对不同生育期烤烟根系的固土能力在0~10 cm和0~20 cm土层进行原位测定。结果表明:同一生育期,根系密度表现为0~10 cm0~20 cm;同一土壤深度范围内,根系密度表现为成熟期现蕾期团棵期。相同深度范围内,固土能力表现为成熟期现蕾期团棵期;在现蕾期和成熟期,固土能力表现为0~10 cm0~20 cm,而团棵期由于根系尚未深扎至20 cm深度,只有在样方的塑性变形阶段的固土能力,表现为0~10 cm0~20 cm;同一生育期相同深度范围内,载荷与位移间呈现显著的直线相关关系(P0.01)。随着载荷的增加,将出现载荷临界点F1、F2和F3,F1为比例极限点,F2为屈服拉力点,F3为抗拉极限点。相同深度,F1与根系密度间无明显相关关系,F2和F3分别与根系密度间呈显著幂函数关系。在0~10 cm,F2与根系密度和F3与根系密度的相关方程分别为y=1.313x0.042和y=1.379x0.084;在0~20 cm,F2与根系密度和F3与根系密度的相关方程分别为y=1.389x0.048和y=1.638x0.077。该测定方法可以在水土保持上作为评价不同作物(植物)固土能力的有效参考手段,建立不同作物根系固土数据库,为坡耕地作物配置提供理论依据。     

基于熵值法的南宁市膨胀土护坡植被根系特征指标评价

[目的]评价植物对膨胀土边坡的防护作用,为膨胀土边坡防护植被的选取提供科学参考。[方法]在广西壮族自治区南宁市膨胀土地区草本植被中,选取8种常见植物并提取其整体根系特征及分层根系特征,统计分层根系特征的根长量、根表面积、根直径、根体积4个指标值。采用熵值法对所提取的4个根系特征指标进行赋权量化,并基于不同指标的权重综合比较评价植被根系护坡效果的优劣。[结果]植被的直径在0.25～0.55 mm,随深度加深变化不大。5 cm的浅层土中的根长量、根表面积、根体积占整个深度范围的50%～85.4%,且随着土层深度的增加而急剧递减。鬼针草的根长量、根表面积、根体积在整个深度范围中均有明显优势。根长量、根表面积、根直径、根体积的权重系数分别为0.310 0,0.243 2,0.165 4,0.281 5。综合评价值最高的是鬼针草,为0.916,其次为高羊茅,为0.761。最低的是黑麦草,为0.110。[结论]基于不同指标权重综合分析结果,鬼针草的评级最高,最适合作为南宁膨胀土地区的护坡植被。     

几种灌藤植被根系分布与固持土壤效果评价

为优化水土保持植被配置,对山东土石山区11种灌藤林地的根系分布和土壤侵蚀模数进行了测定,结果表明:11种灌藤植被中,紫穗槐根系水平和垂直分布的根幅最大,在相同降雨条件下葛藤林防止土壤侵蚀效果最佳。通过综合评价和聚类分析,选择出了6种适宜干旱瘠薄区域、生长良好、水土保持功能较强的灌藤植被:葛藤、紫穗槐、胡枝子、多花蔷薇、黄荆、山楂叶悬钩子。     

三峡水库消落带植被重建途径及其固土护岸效应

三峡水库蓄水运行后将出现一个落差达30 m的消落带,由于库水涨落和水文地质条件改变,导致其植被破坏,土壤裸露,在降水、库水位周期性地涨落和波浪的作用下,土壤侵蚀强烈,如何重建消落带植被成为广泛关注的热点问题。通过系统总结三峡水库消落带植被重建的科研实践及经验,提出了消落带植被重建的基本思路和途径,并利用侵蚀针定位观测方法,对比分析了不同植被重建途径下的固土护岸效应。结果表明,人工种植草地和自然恢复草地较其对照分别减少了土壤侵蚀74%和55%,显示出极显著的控制土壤侵蚀的效应。而表层土壤受人为扰动强烈的传统耕作耕地土壤侵蚀强度相较于对照高11%。     

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。     

北方地区常见固土护坡植物的应用

阐述北方地区固土护坡植物的选择依据,介绍固土护坡植物的配置技巧及养护要点,并列举其在北方地区的应用类型。     

红壤丘陵区典型植被群落根系生物量及碳储量研究

采用标准地法和"WinRhizo根系分析系统"平面扫描,研究了红壤丘陵区六种典型植被群落的根系特征、生物量、固碳量及土壤碳储量.结果表明:(1)根系特征值随土壤深度增加呈递减趋势,马尾松、杉木混交林和马尾松、木荷混交林土壤表层根系分布密集,特征值较大,马尾松低效林根系分布稀疏,特征值最小;(2)不同植被群落,0-40 cm土层的根系生物量所占比例在58.89%～84.88%.0-20 cm土层的土壤碳储量所占比例在35.89%～48.67%;(3)该区乔木混交林的根系生物量大于纯林和火烧迹地,植被群落的灌草覆盖度是影响根系生物量的主要因素.马尾松、木荷混交林根系净生产力最大,为6.74 t/(hm~2·a),马尾松低效林最小,为1.28t/(hm~2·a);(4)马尾松、木荷混交林的根系固碳量和土壤碳储量最大,分别为60.66 t/hm~2和9086.32 t/hm~2,马尾松低效林最小,分别为15.97 t/hm~2和1 683.75 t/hm~2,根系固碳量只占土壤碳储量的极少部分,但根系通过改良土壤结构,对增强碳源汇集和贮存、积累碳素具有重要的影响.     

植物根系固土作用研究进展

植物根系是植物吸收水分和养分的重要器官。强大的植物根系不仅可从土壤中吸收植物生长所必须的水分和养分,而且对于改良土壤的结构和成分,增强土壤的抗侵蚀能力和抗剪切能力有着重要的作用。从植物根系方面来研究土壤抗侵蚀能力是一个多学科交叉的新领域。通过多学科、多领域的联合研究,系统地揭示植物根系固土作用和固土机理,植物根系通过增强土壤的抗蚀性、抗冲性、抗剪强度以及根系的锚固力作用,提高了土壤的抗侵蚀能力。对于更有效地控制水土流失、保护和改善生态环境具有非常重要的意义。     

黄土高原植被固土减蚀作用研究进展

植被是控制和减弱水土流失的有效措施,具有保持水土的作用,在黄土高原生态环境建设中具有不可替代的作用。在系统分析黄土高原植被减水减沙作用研究现状的基础上,概述了植被改善土壤特性、植被与土壤抗冲性、植被与土壤抗剪强度、植被减蚀作用的动力学机理等方面的最新研究进展,并针对目前存在的问题以及今后有待深入研究的问题进行了探讨。该研究对于揭示植被固土减蚀作用的机理,为生态修复工程建设提供科学依据,具有一定的意义。     

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。     

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。