不同护坡植物对岸坡土壤性质的影响及效应分析

植物影响边坡的稳定,植物通过根系的加筋作用提高土体的抗剪强度,增加边坡稳定、减少水土流失,植物通过茎叶对地表的覆盖,起到蓄水保墒作用.以天然草本、人工草本、苜蓿、金丝柳、榆树作为研究对象,其中天然草本的根系是多种草本植物根系混合.从根系一土体复合土体抗剪强度、土壤活性有机质、地表温度三个方面比较不同植物对岸坡土壤性质的影响,同时与无植物覆盖的土壤对比,比较其三方面性质的差异.采用室内直剪仪直剪的方法测定土体复合体剪切力,在植物根系处位置取土测定土壤活性有机质含量,利用温度计测定岸坡地表温度.结果表明,草本植物可以增加土体的内摩擦角,进而增加土体抗剪强度,灌木在生长初期与草本植物增加土体抗剪强度的机理相同,多年生灌木根系增加土体粘滞力.愉树根系的抗剪强度强于金丝柳根系的抗剪强度.天然草本的抗剪效果大于人工草本的抗剪强度.草本植物对于增加土壤活性有机质的作用弱于灌木.金丝柳、榆树改良土壤效果相对较好.草本、灌木具有良好的降低地表温度、保持水分的作用.此外,通过研究以期为植物护坡中植物品种的选择及植物搭配方式的设计提供建议与参考.     

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。     

黄土高原刺槐和侧柏根系固坡的有限元数值模拟

为探讨黄土高原主要造林树种刺槐和侧柏根系对土质边坡稳定性的作用,该文以刺槐(Robinia pseudoacacia)和侧柏(Platycladus orientalis)为例,应用有限元数值模拟法构建二维造林边坡稳定性分析模型,研究林木根系的空间异质性对水平阶整地坡和对照自然坡稳定性的影响。研究发现:1)无论是否经过整地处理,造林都可以提高边坡的稳定性,且刺槐根系的固土效果优于侧柏根系(P0.001);2)在不考虑水文过程的前提下,水平阶整地模式的人工林边坡稳定性优于对照自然坡;3)当根系表观附加黏聚力增加到某一阈值后,造林边坡的安全系数进入平稳阶段不再大幅上升,说明边坡稳定性模型对根系附加黏聚力计算法的精度并不敏感,揭示了根系固坡领域的研究重点应从过去的试图提高根系附加黏聚力的计算精度转变为提高评价造林边坡稳定性的准确性;4)根系附加黏聚力随坡位的变化而变化,两树种没有明显的规律,但安全系数均表现出较敏感于坡下位根系,建议在林分经营管理中充分利用坡下位林木的固土效益。该研究成果可为黄土高原地区浅表层滑坡灾害的防治工作提供理论依据。     

三峡库区狗牙根根系固坡抗蚀效应研究

研究了三峡库区嘉陵江岸的野生狗牙根(Cynodon dactylon (L.) Pers.)根系在土壤表层(0-30 cm)的分布特征,并从土壤理化性质和抗剪强度方面分析了其固坡抗蚀效应。研究结果表明:(1)样本的根系密度(RSD,root system density)与根系生物量呈较显著的正线性相关(R2=0.874 7),且90%总根数和86%的总根量均集中分布在0-30 cm的表土层;(2)狗牙根根系改变了土壤结构,土壤容重与根系生物量呈极显著的负线性相关(R2=0.977 8),总孔隙度与根系生物量呈极显著的正线性相关(R2=0.980 5);(3)狗牙根根系提高了土壤团聚体和有机质含量,土壤团聚体、有机质含量均与根系生物量呈极显著的正线性相关(R2=0.947 7,0.952 7);(4)根系增强了土体的抗剪强度,根系密度越大则抗剪强度增量越大;(5)根系对土体抗剪强度的增强主要是通过粘聚力来实现;(6)根系主要是通过增强土体的抗剪强度来实现其固坡抗蚀效应。     

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。     

林木根系固坡机制试验模型

研究植被防止土壤表层滑坡机制,多采用抗拉模型和根基变位模型进行试验研究。在抗拉模型的实验中假定某一定的剪切层厚度在剪切层变形的同时,对根系产生拉力,由于它分为水平及垂直两个方向,根据抗拉阻力可以确定根系对土壤强度的增强效果。在根基变住模型中以侧方流动的松软的地基中,插入具有韧性的模拟桩基础的模型,根据桩的变形与地基的变位之差,来确定剪切应力增值一水平变位关系。     

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。     

极端干旱地区葡萄根系吸水数值模拟

研究成龄葡萄根系分布与吸水特征及耗水规律,能够为制定成龄葡萄灌溉制度、提出丰产与节水相协调的成龄葡萄田间水分管理模式和创建成龄葡萄水分高效利用技术体系提供技术支撑。该文在分析灌溉条件下葡萄吸水特征的基础上,建立了一维非饱和土壤水分运动的无网格数值模拟模型,并依据实测葡萄根系分布特征,获得了葡萄一维根系分布函数,将其与不同的经验根系分布函数应用于数值模型进行动态模拟。通过模拟值与土壤水分实测值的比较分析,结果表明,不同根系分布模型下土壤水分模拟差别不大,相对误差均在1%以下,但相对于其他根系分布,指数根系数分布模拟值与实测值的误差较大,因此,认为拟合的根系分布函数和无网格数值模型能很好的模拟极端干旱地区葡萄根系吸水和土壤水分运动,且在缺乏实际根长分布数据的条件下,线性根系分布和分段根系分布都可反映葡萄实际根系分布,为利用简单一维根系分布模型分析不同灌溉条件葡萄吸水特征提供参考。     

青藏高原东北部黄土区灌木幼林根系护坡的时间效应

为研究青藏高原东北部黄土地区植物护坡效应的可持续性,选取种植在自建试验区的四翅滨藜、柠条锦鸡儿、白刺、霸王4种灌木植物,分别对生长时间为1～4a的上述灌木进行了野外现场拉拔试验。试验结果表明,4种灌木植物在其1～4a的生长时间里,四翅滨藜的抗拔力和侧根数在4种灌木中表现最大,霸王的根径是4种灌木中最大的;生长时间为1a的4种灌木中霸王地径最大,其后的2～4a生长时间中,四翅滨藜的地径则在4种灌木植物中表现最大。霸王和白刺的平均根径与生长时间之间呈显著幂函数关系,四翅滨藜和柠条锦鸡儿两者之间均呈指数函数关系;四翅滨藜和白刺的平均侧根数与生长时间之间呈显著的幂函数关系,霸王和柠条锦鸡儿的平均侧根数与生长时间之间呈线性函数关系;四翅滨藜和白刺的平均地径与生长时间之间呈幂函数关系,霸王和柠条锦鸡儿的平均地径与生长时间之间呈指数函数关系;四翅滨藜和柠条锦鸡儿的平均抗拔力与生长时间之间呈显著幂函数关系,霸王的平均抗拔力与生长时间之间呈线性函数关系,白刺的平均抗拔力与生长时间之间为指数函数关系。这种现象反映了4种灌木植物在试验区边坡防护中均表现出了较强的护坡可持续能力。     

植物根系吸水对非饱和土边坡稳定性影响的分析

为了量化植物根系吸水对非饱和土边坡稳定性的影响及为植被护坡的植物种类选择提供参考,采用COMSOL Multiphysics建立二维边坡,模拟不同根系形态、根长及降雨条件下的根系吸水引起的非饱和土边坡孔隙水压力的分布变化,并采用极限平衡理论对边坡稳定系数进行定量计算.结果表明:指数形根系吸水产生的吸力最大,比裸坡增大4...     

植被根系对干旱内陆河流岸坡冲刷过程影响的模拟研究

为探讨植被根系对干旱内陆河流岸坡冲刷过程的定量影响,以塔里木河为研究对象,采用BSTEM模型模拟分析的方法,模拟了8个典型岸坡在2016—2017连续2个水文年的冲刷过程,重点分析骆驼刺、红柳、芦苇、甘草、胡杨、白刺等6种典型荒漠植被根系对河岸冲刷过程的定量影响。结果表明：(1)塔里木河河岸崩塌基本发生于落水期和枯水期,岸坡稳定性在水文年内呈周期性变化,枯水期和涨水期安全系数F_s略有波动,整体上呈稳定状态,河岸稳定,在洪水期高水位处F_s短暂升高,随后随着水流的冲刷淘蚀以及水位下降,F_s不断下降,直至河岸崩塌,随后进入下一个水文年的循环;(2)植被根系在不同水位时期对稳定性的提升效果不同,具体表现为洪水期>涨水期>枯水期>落水期;(3)不同植被对稳定性增强的差异也较大,表现为白刺>骆驼刺>甘草>红柳>胡杨>芦苇;(4)植被根系在不同水位时期对河岸冲刷量的减少效果不同,表现为落水期>洪水期>涨水期>枯水期。根系存在河岸冲刷量减少0.77%～49.36%,且不同...     

不同坡度及植被覆盖度下的坡面流特性数值模拟

为深入研究坡度与植被对坡面流水力学特性的影响,以Navier—Stokes方程为基础,建立了非淹没刚性植被坡面流模型,并对该模型进行验证。运用该模型,参考西南山区实际情况,设置6个坡度、6个单宽流量和6种覆盖度组合条件下共216种工况,研究了坡面流的水力学特性。结果表明:流速与坡度、流量及植被覆盖度之间呈指数变化,相关系数为0.987。相同流量下,随着坡度的增加,流速增速逐渐减小,植被对坡面流的减缓作用逐渐减弱。阻力系数受到坡度、流量和植被覆盖的影响,存在临界覆盖度,低于临界覆盖度时,阻力系数与流量呈现负相关,高于临界覆盖度时,阻力系数与流量的呈现正相关。且临界覆盖度受到坡度的影响,坡度越大,临界覆盖度越大。研究结果可为山区水土流失的预防以及山洪水沙耦合致灾机制的研究提供理论参考。     

植被对边坡浅层稳定的影响

通过总结前人研究成果，从水文和力学效应两个方面全面地探讨了植物对边坡浅层稳定的影响，揭示植物对边坡稳定贡献最大的是根系对土壤的加筋作用，对边坡稳定的破坏主要是植物（尤其是树木）承受的风载荷。对于植物根系对边坡浅层稳定，用较大篇幅进行了较为深入地探讨，即分析了植物根系空间分布、植物根的强度、带根土块强度规律，并从能量的角度探讨了植物的根对边坡的影响。     

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。     

水库消涨带铺地黍植被护坡技术研究

在深圳市松子坑水库及其附近的月亮、獭湖水库等具有不同水位消涨节律和消涨带高差的库岸以铺地黍作植被护坡试验,结果表明,铺地黍长期在旱生陆地上生长良好,在浅淹、半淹甚至接近全淹时生长正常,在全淹8~9个月退水后仍能存活,耐淹、耐旱、耐瘠,且水土保持效果明显,是迄今为止发现的对水库消涨带生境最为适应的草本植物。     

扶项高速公路边坡植被特征与稳定性比较

[目的]以生长8a的大广高速公路扶沟—项城段边坡植被(简称扶项高速)为研究对象,选择5种典型植物群落,进行群落稳定性测度,为营建高速公路可持续景观提供理论依据。[方法]通过实地调研获得植物群落和土壤数据,提取对植物群落稳定性影响较大的群落物种多样性、群落生物量、土壤水分、土壤养分4项指标共计15个评价因子,通过隶属函数法对其进行稳定性测度。[结果]黑麦草+白三叶+楝树群落的物种多样性指标、生物量指标和土壤水分指标最高,土壤养分指标最高的是鬼针草+黑麦草群落。5种植物群落稳定性排序为:黑麦草+白三叶+楝树群落鬼针草+黑麦草群落黑麦草+紫花苜蓿群落鬼针草+黑麦草+艾草群落小叶扶芳藤群落。[结论]通过对植物群落稳定性分析,得出楝树、黑麦草、白三叶、紫花苜蓿为扶项高速公路边坡可持续景观营建的首选植物,在植物配置时应丰富群落层次,推荐配置模式楝树/构树/椿树/刺槐+黑麦草+紫花苜蓿;楝树/构树/椿树/刺槐+紫穗槐+白三叶+黑麦草;楝树/构树/椿树/刺槐+紫穗槐+紫花苜蓿+黑麦草。     

植被护坡研究进展与展望

在回顾国内外植被护坡发展简史的基础上,总结了植被护坡的功能,详细介绍了植被护坡机理的研究进展。从植物的截留降水、削弱溅蚀和抑制地表径流等方面分析了植被护坡的水文效应,并从植物单根抗拉强度、根-土相互作用、根-土复合体及边坡稳定分析等方面分析了植物护坡的力学效应,最后探讨了植被护坡的发展方向。     

太平湖大桥铜陵岸工程边坡稳定性分析

太平湖大桥铜陵岸结构面发育，边坡开挖后是否稳定倍受关注。在现场原型调查的基础上，运用3D-FLAC软件对边坡开挖及支护后的变形情况进行了数值模拟。结果表明：边坡开挖后变形较为明显，采取支护措施后变形明显收敛并趋于稳定。模拟结果与实际监测资料基本吻合，说明现场所采用的支护措施是可行的。     

寒旱环境植物护坡力学效应与根系化学成分响应

该项研究以试验区两种生长期为6a的灌木植物柠条锦鸡儿、霸王为例,分析了根系中所含半纤维素、木质素、纤维素和果胶质4种主要化学成分及其含量,并探讨了根系力学强度与其化学成分及其含量变化之间的关系。结果表明:柠条锦鸡儿根系平均抗拉强度为28.36～34.75MPa,霸王为4.53～6.61MPa,即柠条锦鸡儿根系平均抗拉强度显著大于霸王,且这两种灌木根系所含的4种化学成分由多至少依次为半纤维素、木质素、纤维素、果胶质,其中柠条锦鸡儿根系半纤维素含量为17.8%～29.03%,木质素为3.41%～5.36%,纤维素为2.3%～2.79%,果胶质为1.45%～2.15%;霸王根系半纤维素含量为15.6%～23.04%,木质素为3.69%～4.89%,纤维素为2.1%～3.06%,果胶质为1.92%～2.37%。两种灌木根系纤维素含量与根径、根系抗拉强度之间均表现出一定相关性;霸王根系半纤维素含量与其根系根径、抗拉强度之间呈相关性;柠条锦鸡儿根系果胶质含量与其根径、根系抗拉强度间均呈相关关系。本项研究可为进一步分析植物根系力学强度及其效应与根系组成特性之间的变化关系提供理论依据。