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。     

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     

草本植物根系增强土壤抗剪切强度的量化研究

通过对黄土高原丘陵沟壑区山西省河曲县砖窑沟流域内4种有代表性的草本植物进行野外剪切测试和模型预测,证实和量化了草本植物根系增强土壤抗剪切强度的作用。试验表明,在0～20cm土层4种草本植物根系均可显著增加土壤抗剪切强度,其中紫花苜蓿根系对土壤抗剪切强度的增强作用最大,其增大土壤抗剪切强度值为15．33kPa;草木樨和紫花苜蓿根系在20～40cm土层也能明显增大土壤抗剪切强度。同时,对比分析了实测结果与模型预测值间的差异,认为根系增大土壤抗剪强度的真实值应介于实测值和预测值之间。研究结果也表明这4种草本植物根系均具有较高的抗拉强度,且根系的抗拉强度与直径间存在显著幂函数负相关关系。这些研究对黄土区预测和评估草本植物根系的固土护坡作用,以及水土保持植物的选择及优化组合,更有效地发挥植物根系生物软措施的固土潜能具有重要现实指导意义。     

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。     

基于渐近均匀化理论的黄土高原草本植物固土效果模拟

黄土高原是中国水土流失和浅层滑坡灾害最严重的地区之一,而植被根系能有效抑制浅层滑坡。黄土高原草系分布广泛,根系在空间配置上具有鲜明的周期重复特征,计算大量根系的边坡固土效果非常复杂。该文利用渐进均匀化理论,构建"根系-土体"复合土体本构关系,通过与已有研究对比说明,该文所述方法计算三维本构关系具有较高精度。为说明均匀化方法在含根群边坡中的准确性和高效性,该文基于有限元软件ANSYS,进一步模拟了含草边坡和无草边坡的应力和应变分布规律。数值模型设置为3组,分别是无草边坡模型、含草边坡的分离式模型,以及基于该文均匀化理论的含草边坡模型。该文进一步采用观察等效塑性应变区是否贯通作为边坡失稳临界状态的标准,利用强度折减法计算了边坡安全系数。研究表明:1)渐进均匀化理论不仅能准确地构建根土复合体本构关系,而且极大地减少了模型计算工作量(减少了95.58%的单元数)。2)披碱草根系能改善边坡浅层土体的应力场,使得根系分布区内的剪应力更加均匀,使坡体浅层更趋于稳定。3)当边坡坡度较小时(坡角为30°),无草边坡安全系数较大(F=4.28),根系对边坡的稳定性加持较小(平均仅提高2.92%);当坡角增...     

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。     

由根系抗拉强度推算其固坡效果

通过对坡面崩塌地残存根系分布的调查和根系抗拉试验，得知直径d≤20mm与d≥20mm的根系在破坏时会产生不同的抵抗力，将底面、侧面、源头部的根系抵抗力合计起来则是崩塌地的全部抵抗力。根系抵抗力用简易亚恩布法进行固地解析，其结果在降雨时，即使粘着力C＝0，也不会发生崩塌，坡面安全系数FS1≥1，FS2≥1。然而在无树木的坡面上，当c≤0．197t／m2时，却易发生崩塌，FS3≤1。     

土石山区护坡草本植物根系抗拉力学特性

为了解山西省土石山区护坡植物的根系抗拉力学特性,对比选择最适宜的水土保持物种.对其边坡上黑麦草(Lolium perenne L.)、香根草(Vetiveria zizanioides L.)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)3种护坡植物的根系开展抗拉力学试验,研究3种植物根系最大抗拉力、极限抗拉强度以及弹性模量随直径及根长大小变化的规律.研究结果显示:根长一定时,3种植物的最大抗拉力随直径的增加而增加,单根极限抗拉强度随根系直径的增大而减小;而直径一定时,根系最大抗拉力和极限抗拉强度随根系长度的增大而减小;弹性模量值随着根径和根长增大呈下降的趋势.3种植物根系平均最大抗拉力关系为:香根草(16.258 N)＞黑麦草(11.734N)＞百喜草(4.891 N);平均极限抗拉强度关系为:百喜草(116.226 MPa)＞黑麦草(50.839 MPa)＞香根草(49.650MPa);平均弹性模量分别为:百喜草(20.392 MPa/mm)＞香根草(3.257 MPa/mm)＞黑麦草(3.245 MPa/mm).结果表明这3种植物中百喜草根系的固土能力最好,在选择最为适宜的水土保持物种时可优先考虑.研究结果可为土石山区水土保持研究提供一定的科学依据.     

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。     

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     

两种草本植物对红黏土边坡的固土护坡效应

[目的] 探讨两种草本植物对红黏土边坡的固土护坡效应,为该类型边坡、河道、大坝的生态治理提供科学参考。 [方法] 以红黏土边坡为研究对象,选取狗牙根和香根草作为护坡植物,通过种植试验、根系拉伸试验、直剪试验、室内模拟冲刷试验,探讨两种草本植物的护坡效应。 [结果] ①种植150 d内,两种草本植物均稳定生长,根系抗拉强度持续增加;生长30～150 d,狗牙根的最大抗拉力从0.84 N增至8.59 N,香根草的最大抗拉力从4.78 N增至89.89 N。 ②生长120 d时,对比无根土,狗牙根根土复合体的黏聚力提升91.1%,内摩擦角提升12.45%;香根草根土复合体的黏聚力提升107.47%,内摩擦角提升12.74%。 ③生长150 d时,对比裸坡,狗牙根坡的径流速率降低45.02%～54.15%,产沙速率降低58.3%～93.85%,60 min累计产沙量降低81.02%;香根草坡的径流速率降低35.46%～46.48%,产沙速率降低46.8%～89.44%,60 min累计产沙量降低74.61%。 [结论] 两种草本植物对红黏土边坡都具有良好的固土护坡效应,香根草对土体抗剪强度的增益效果更明显,狗牙根的水土保持效果更显著。     

浦阳江下游江岸草本植物根系对土壤抗冲性的影响

采用7级目测法对浦阳江下游江岸草本植物进行了调研,筛选出了当地的优势草本,并对其根系密度、土壤抗冲性增强效应进行了分析,补充了植物根系对江岸土壤抗冲性影响的基础资料。研究发现:（1）浦阳江下游江岸的优势草本植物是狗牙根、水蓼、芦苇、芒、双穗雀稗;（2）5种草本植物根系（d≤1.0 mm）在土壤表层（0—30 cm）均有较多分布,根系密度随着土层的垂直分布深度增加而减少,其规律服从指数函数关系分布;（3）5种优势草本根系均能增强浦阳江下游江岸土壤的抗冲性,增强值分别如下:芦苇14.16,芒12.53,狗牙根5.39,双汇雀稗5.01,水蓼4.41。5种优势草本均能在浦阳江消落带植被构建中发挥土壤抗冲性增强效应,尤其是芦苇与芒的增强效应最为明显。     

针叶与阔叶树根系对土壤抗剪强度及坡体稳定性的影响

重庆缙云山地处三峡库区,是国家重点自然保护区。由于地势特点,坡面极易发生土壤侵蚀及浅层滑坡,因此,在不破坏原有生态环境的前提下,有效防止灾害发生是该地区的重点防治工作。选取了同种根构型的针叶树种(马尾松Pinus massoniana Lamb)和阔叶树种(四川大头茶Gordonia acuminate),比较其提高土壤抗剪强度的作用强弱,并分析根面积比率、剪切带根系径级比、根系位置范围,以及根系角度等因素对土壤抗剪强度的影响。结果表明,针叶树种对土壤抗剪强度增强效果强于阔叶树种;针叶树种根系平均抗拉强度较大,其对土壤抗剪强度的增量更大;针叶树种根系分布范围较广且存在更多与剪切方向成60°的根系,表现出更好的固坡作用;根面积比率对土壤抗剪强度影响不明显。     

水库消落带典型草本植物根系对土壤抗冲性能的影响

为明确水库消落带典型草本植物根系对土壤抵抗径流侵蚀性能的影响,以裸地为对照,通过原状土冲刷试验研究了狗牙根、扁穗牛鞭草和苍耳3种草地0—20cm土层的土壤抗冲性能,并探讨了不同草本植物的根系特征及其对土壤抗冲性能的影响。结果表明:(1)3种草本植物根系均集中分布在0—10cm土层,扁穗牛鞭草的根重密度、根长密度、根表面积密度和根体积密度均显著高于狗牙根和苍耳(P<0.05)。(2)冲刷过程中各土样的径流含沙量均是先急剧降低后趋于稳定,放水冲刷0~3min含沙量较高且快速降低,3~6min缓慢降低,6~10min趋于平稳。与对照相比,不同草地在10min冲刷过程中均可有效减少径流含沙量,其中0—10cm土层的径流含沙量大小表现为对照>狗牙根>苍耳>扁穗牛鞭草,10—20cm土层则表现为对照>狗牙根>扁穗牛鞭草>苍耳。(3)冲刷过程中各土样的土壤抗冲指数均为先缓慢增大后迅速增大,抗冲指数在0~3min内较小且缓慢增大,3~6min时逐渐增大,6min后迅速增大。与对照相比,不同草本植物根系均可有效增加土壤抗冲指数,其中各草地0—10cm土层的抗冲指数与对照相比有显著差异,扁穗牛鞭草草地土壤抗冲指数最大,是对照的2.15倍,其次为苍耳、狗牙根草地,分别为对照的1.60,1.43倍;10—20cm土层扁穗牛鞭草和苍耳草地的土壤抗冲指数与对照相比仍具有显著差异,而狗牙根草地则差异不显著。(4)草本植物根系对土壤抗冲性能的增强效应主要发生在0—10cm土层,扁穗牛鞭草根系对土壤抗冲性能的增强效应最大,其次是苍耳,狗牙根最小。土壤抗冲性能的提高与根系分布、形态指标等密切相关,D≤1.5mm径级根系根表面积密度和根体积密度是影响土壤抗冲指数的关键因子。     

三江并流区水库消落带5种草本根系形态及抗拉特性

为揭示三江并流区水库消落带5种草本植物在浅层土壤中的根系形态及抗拉力学特性,筛选消落带优势固土草本,以澜沧江黄登水库消落带的花叶芦竹(Arundo donax var.versicolor)、风车草(Cyperus alternifolius L.)、美人蕉(Canna indica L.)、菖蒲(Acorus calamus L.)和芦苇(Phragmites communis Trin.)为对象,分析了根系形态,并进行室内单根拉伸试验。结果表明:(1)5种草本根系都发育良好,花叶芦竹和风车草根系的所有形态指标都位居前二,根系较为发达; 5种草本直径大于1 mm的根系长度、表面积和体积在各自总根系中占比最大,且除芦苇外,其余4种草本直径大于2 mm的根系体积占比最大,达到58.53%～92.86%。(2)5种草本根系的平均抗拉力、抗拉强度以花叶芦竹(33.04 N,34.33 MPa)最大,美人蕉(10.26 N,7.54 MPa)最小,根系抗拉力、抗拉强度分别随直径增大呈幂函数增大、减小。(3)5种草本根系平均极限延伸率以菖蒲(24.28%)最大,美人蕉(8.20%)最小; 平均杨氏模量以花叶芦竹(313.44 MPa)最大,菖蒲(70.47 MPa)最小,根系杨氏模量与直径呈幂函数负相关。综上,5种草本都适应了研究区环境,均可作为黄登水库消落带植被重建的候选物种; 直径大于1 mm的根系是5种草本根系的主体,直径大于2 mm的根系整体上对体积贡献最大; 花叶芦竹不仅根系发达,且其抵抗拉伸作用的能力最强,固土能力最强,是黄登水库消落带水土保持的优势草本。研究结果可适当推广到三江并流区和其他水库消落带。     

高速公路生态护坡技术的水土保持效应研究

对高速公路生态护坡工程开展试验观测。研究探讨生态护坡技术的水土保持效应。结果表明，在高速公路高陡边坡上采用生态护坡技术建植草本植被。在短期内可完全覆盖坡面，水土保持效果显著，可抑制边坡侵蚀的发育，有效控制坡面沟蚀的发生，在中雨到暴雨的情况下，边坡径流系数在15．97％以下，土壤流失量极小。生态护坡技术的水土保持机理主要与草本植被对降雨的截留、雨滴能量的削减、坡面径流的抑制、根系的锚固与加筋作用，以及生态护坡技术本身的工艺特性有关。     

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。     

云南省昭通市烂泥箐滑坡源区草本植物根系抗拉特征

[目的] 研究植物根系的抗拉强度特征,了解根系在复合体中的表现,为开展生态护坡时植物的选择提供依据。[方法] 对取自于云南省昭通市烂泥箐滑坡滑源区的鸢尾和艾根系开展单根拉伸试验,从宏观破坏特征,变形—拉力曲线以及断裂拉力、最大抗拉力、抗拉强度、延伸率和拉伸模量等参数揭示两者变形破坏特征和抗拉特征。[结果] ①鸢尾根系破坏具有明显延性,而艾根系呈现脆性破坏特征;破坏时前者的平均延伸率约是后者的3倍。鸢尾根系在拉伸过程表现出较好弹塑性变形特征和较强的变形能力。②由于周皮组织的保护作用,鸢尾根系变形—拉力曲线多呈现波动多峰值型,而艾根系主要呈现近似直线型。③根径和根系长度明显影响着根系抗拉特征,根系的断裂拉力和最大抗拉力、抗拉强度和拉伸模量随根径增加而呈现增加或减小的变化特点,待测根系长度较短会导致抗拉特征参数变异程度增强。所以建议选择根径沿轴向变化不大,尽量长的根系开展相关力学试验。[结论] 建议选择根组织结构好,周皮组织厚,变形能力强,延伸率大且具有明显延性破坏特征的植物作为草本护坡植物。     

河道生态护坡技术的水土保持效益研究

2004年春季在上海市浦东新区机场镇实施了河道生态护坡示范工程，主要采用了全系列生态护坡、土壤生物工程以及复合式生物稳定技术等3类生态护坡技术。护坡工程完成后，对生态护坡进行了连续3年（2004～2006年）的现场监测，以研究护坡工程的水土保持效益。杞柳枝、垂柳枝、结缕草等护坡植物生长良好，其新生枝叶和根系的水土保持效益明显，有效地控制了河岸土壤侵蚀，并为其他生物创造了稳定生境。本地草本植被逐渐得到恢复，物种数和盖度均增加，植物的水土保持效应增强。表层土壤和浅层土壤的抗剪强度测定结果显示生态护坡的土壤抗侵蚀性明显增强，3年中各类生态护坡均未出现明显的土壤侵蚀。     

广东耕地水土保持与“三高农业”问题探讨

广东耕地水土保持与“三高农业”问题探讨廖安中（广东省水利电力厅，广州市５１０１５０）郑邦兴（广东省农科院土肥所）在以水稻田为主的广东省，目前水土保持主要集中在光山秃岭，农耕地的水土保持往往被人们所忽视，基本没有纳入计划进行研究。找省耕地匮缺，质量下降...