树木根系的坡面稳定机理

<正> 树木的地下部分,特别是根系与森林的抑制崩塌机能有着极为密切的关系。为了弄清楚这种关系的机理,必须从工程学上来评价根系。这些方法论在定量化评价森林的保护机能的过程中是不可忽视的研究课题。为此,本文将过去国内外采用的根系工程学评价方法及其坡面稳定机理归纳介绍如下。     

根系与土体接触面相互作用特性试验

 为探索根系与土体间相互作用的特性,基于库仑理论,采用直接剪切的方法,对油松根系和刺槐根系与黄土在不同含水量、土壤密度条件下进行不同法向荷载作用下的剪切试验,得出了油松根系和刺槐根系与黄土之间的剪切特性,刺槐根系与黄土间的摩擦阻力大于油松,并讨论了法向应力、树木根系种类、土壤密度及含水量对接触界面剪切特性的影响。     

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。     

林木根系衰老研究评述

根系衰老是环境因素变化引起的其生理功能的衰退。目前，对根系衰老的研究主要集中在整株水平和生态系统水平上。在整株水平上，树木同化C的能力、C在不同器官间的分配、尤其是在地上部分和地下部分间的分配比例，对根的萌生和衰老起着重要作用；地上部分的生长过程和健康状况也对根系的生长和寿命有很大影响；当树木的生长环境受到某种胁迫时，树木的抵抗力下降，容易招致病原菌的危害，造成根系衰老和死亡。在生态系统水平上，干旱洪涝、干扰等胁迫和树木-土壤间的养分循环都会引起树木生长环境的改变，对根系的衰老过程发生作用；季节变化使树木的地上部分和地下部分的生理活动处于不同的旺盛期，从而使C的分配方式有些改变，影响到根系的生长；土壤中养分的存在形式，某些离子的浓度也直接影响到根的寿命；病原菌对根系的危害与土壤中养分含量变化有关。所以，衰老过程受环境条件的影响，伴随着代谢，RNA和蛋白质合成速率的下降和（或）膜与细胞器结构的改变。     

树木根系在防止滑坡中的土力学作用

作者通过大型直接剪切测试和根系分布形态调查,研究了树木根系在防护滑坡中的作用。当土层中有根系存在时,其抗剪强度显然增强。作者据测试结果得出一些根系效应的方程式,其作用似同土壤凝聚力一样明显。根在深度方向上分布服从于Weibull分布。从大量的坡体稳定分析中看出,土层的抗剪强度存在着最弱强度区(潜伏破坏带),主要是该带中根系的垂直分布量很有限。所以表层滑坡就多发生在这个弱强度带上。因此,我们应把含根系多少的亚表土层看成为土壤——根系的相关作用层。作者还认为坡体破坏问题取决于该层受到破坏与否。     

渭北黄土高原主要造林树种根系分布特征及抗旱性研究

采用土钻法和盆栽试验研究了渭北地区主要造林树种的垂直根系分布特征及其抗旱性。结果表明立地条件对刺槐根系分布特征有明显的影响 ,林地土壤水分状况的差异是造成这种影响的关键所在 ;土壤种类、结构等对刺槐根系的分布特征也有很大的影响 ;不同树种在根系垂直分布特征方面存在着很大的差异 ,其中刺槐的根系分布最深 ;在一定的土壤干旱范围内 ,苗木可以通过提高根系活力来适应逆境 ,当土壤干旱超过一定的阈值后 ,树木根系将逐步丧失其活力和功能 ,最终导致地上部分的枯死 ;在供试的 4个树种中 ,山杏根系的抗旱性最强 ,其次是侧柏、刺槐和油松。苗木根系活力除了受土壤干旱协迫程度的影响之外 ,还受到干旱持续时间的影响。当土壤含水量降至 4 0 %的田间持水量时 ,土壤干旱已经对油松的生长构成了威胁 ,但对山杏、侧柏及刺槐的影响不大     

渭北主要造林树种根系抗旱性研究

采用盆栽试验的方法,研究了不同土壤干旱条件下渭北主要造林树种苗木根系活力的变化。结果表明:在一定的土壤干旱范围内,苗木可以通过提高根系活力来适应逆境。当土壤干旱超过一定的阈值后,树木根系将逐步丧失其活力和功能,最终导致地上部分的枯死。各树种中,山杏根系的抗旱性最强,其次是侧柏、刺槐和油松。苗木根系活力除了受土壤干旱胁迫程度的影响之外,还受到干旱持续时间的影响。当土壤含水量降至40%的田间持水量时,土壤干旱已经对油松的生长构成了威胁,但对山杏、侧柏及刺槐的影响不大。     

典型荒漠植被根系对黏性岸坡侵蚀过程的影响

植被根系对岸坡侵蚀具有明显影响作用,为定量揭示植被根系对黏性岸坡侵蚀过程的网络作用、护挡作用和牵拉作用,开展红柳和胡杨典型植被根系的概化水槽试验。结果表明：1）在根系网络作用下,黏性岸坡固土能力显著提高,有植被根系比无植被提高了30%～56%,其中红柳根系比胡杨根系平均提高了24.2%;2）不同布置方式的固土效果差异较大,红柳和胡杨根系固土效应V型布置比竖直布置分别提高了27.1%和18.6%;3）根系护挡作用对坡脚保护作用显著,有植被岸坡近岸纵向时均流速和紊动能分别减小至无植被的45%～67%和75%～91%;4）根系牵拉作用主要表现在对岸坡崩塌根土黏结体的堆积和分解以及床面淤积的影响等,其中牵拉作用越强,崩塌堆积体的体积占比就越大,根土黏结体被分解时间也越长,试验结果得到根系牵拉作用对河床保护贡献值平均提高了20%。研究结果可为干旱区荒漠植被固土护堤作用机理提供技术支持和理论参考。     

黄土风沙区根系强化抗冲性土体构型的定量化研究

为了探明黄土风沙区根系网络串连、根土黏结及生物化学作用对于创造抗冲性土体构型的相对重要性,以沙黄土为研究对象,通过含根土壤、无根土壤及模拟根系土壤冲刷试验,分析了根系固土总效应、物理固结效应及生物化学效应等参数.结果表明:物理固结效应在根系总效应中的贡献值平均为70.9％;与苜蓿密度90株/m2相比,物理固结效应在处理360株/m2中增加了6.8％;在物理固结效应中,根系串连作用较为关键,平均占比78.2％;根系物理固结效应与根表面积密度在极显著水平(P＜0.0l)上呈指数递增函数关系.植物根系物理固结效应是强化沙黄土抗冲性土体构型的主要表现形式,且根表面积密度可较好地反映根系固土效应.     

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。     

草类根系对土壤抗冲性的强化效应

本文以研究草本植物根系密度、根量及土壤抗冲性的剖面特征为基础,首次对不同土层深度根系的减沙效应及提高土壤抗冲性的有效范围进行了定量分析。结果表明,草类根系提高土壤抗冲性的作用与其在剖面中的分布状况的关系极为密切;20cm土层内,根系的减沙效应不受坡度及雨强的影响,减沙效应系数平均在0.82以上。20cm以下土层根系的减沙效应明显降低。根据对不同坡度及雨强下根系提高土壤抗冲性的效应曲线及减沙效应的综合分析,确定出在坡度≤30°、雨强≤4.0mm/min条件下,草类根系密度超过166根/100cm²时对增进土壤抵抗径流冲剧有极其明显的作用,其根系的有效深度下限值为30cm。     

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。     

有机肥对小麦根系生长及根系衰老进程的影响

采用土柱栽培与室内分析相结合的方法,研究了有机肥对小麦根系生长及根系衰老进程的影响。结果表明,有机肥可促进小麦根系的生长和根系在深层土壤中的分布,使小麦根系的总鲜重和深层土壤根系鲜重明显增加;提高不同土层、特别是深层土壤中根系的活力,使小麦生长后期保持较高的根系吸收养分的能力。有机肥可促进根系对氮、磷、钾的吸收和向子粒中的转移,使氮、磷、钾在子粒中的分配量增加;而且能抑制根系的膜脂过氧化作用,使不同土层小麦根系SOD活性提高、MDA含量降低,从而延缓了根系的衰老。     

狗牙根根系对三峡库区消落带紫色土崩解性能的作用机理分析

以三峡库区消落带主要土类紫色土和优势草种狗牙根为研究对象,通过开展无根系土壤对照(CK)、未经除草剂处理的活根试样(LR)和经除草剂处理的死根试样(DR)三种处理土壤的崩解试验,分析了狗牙草根系影响紫色土崩解性能的作用机理。结果表明:狗牙根根系的存在能够有效减少土壤崩解量并降低其崩解速率,狗牙根活根和死根根系分别降低崩解量的50%以上和33%左右;根系的这一作用机理又可分为物理作用和化学作用两个方面,而物理作用占根系总作用的51.36%～61.57%,即根系减少土壤崩解量的作用以物理作用为主。随着坡度增加,根系减少崩解量的物理作用呈现先增加后减小、化学作用则呈持续增加的趋势变化。本研究结果对深入理解植物根系对土壤崩解性能的影响具有重要意义。     

土壤硬度对播种苗和栽植苗根系发育的影响(英文)

 以赤松为实验材料,研究土壤硬度对播种苗和栽植苗根系发育的差异性。土壤硬度被设计为5个等级(用山中式土壤硬度计测定分别为10,15,20,25和30 mm)。分别调查播种苗与栽植苗根长、根系形态、苗高以及地上部和地下部生物量。结果表明:与播种苗相比,栽植苗形成细、短的根系,但根系数量较多;所有处理的栽植苗的主根丧失,而播种苗的主根则相对较为完整;播种苗的根径比随着土壤硬度的增加而增加(土壤硬度为10,25和30mm时的根径比分别为2．1,3．3和5．8),而栽植苗的根径比则随着土壤硬度的增加而减小(土壤硬度为10,25和30mm时的根径比分别为4．0,2．5和2．4)。这就意味着在紧实的土壤条件下,播种苗的根系生长要优先于地上部的生长;当土壤硬度大于25mm时,栽植苗的根系很难穿透植树穴,从而使根系发生缠绕。播种苗与栽植苗根系发育的这些差异,将会影响到树木的生长量、稳定性、水土保持能力以及对气候变化如干旱等的适应能力。因此,当恢复退化土地的植被时,进行土壤改良并采用播种恢复技术,将是成功恢复植被、形成稳定的森林群落的重要和必要的积极措施。     

根系对土壤机械压力影响的模拟试验

为了研究根系对土壤机械压力的大小、分布和影响因素以及各个因素与其相互关系,该研究采用自制的压力测量装置,测定并分析了不同模拟根系对不同体积质量土壤产生的机械压力及其影响因素。试验结果表明：模拟根系对土壤机械压力与根系直径呈极显著（p＜0.01）幂函数关系,随着直径增加,根系对土壤的机械压力增加;随着土壤体积质量增加和土层深度增加,根系对土壤机械压力增加;当植株受到风力作用时,随着风力变大,根系对土壤机械压力呈递增变化。模拟研究表明,根系生长可以对土壤产生机械压力,地表风力等扰动力量也可以传递到根系并引起这种机械压力的变化,这种压力可能会对土壤结构和物理行为产生影响,需要进一步深入研究。尽管该文是通过模拟根系进行模拟生长试验,仍然对研究根系生物力学有指导意义。     

沙地人工小叶锦鸡儿植被根系分布与土壤水分关系研究

采用分层挖取根系方法调查不同年龄人工小叶锦鸡儿固沙植被根系分布,同时测定植被下不同深度土壤的水分含量.结果表明植被根系主要分布在0～100 cm土壤中,占总根系生物量的92.77%以上.地下部与地上部生物量比值以天然植被最高.植被的吸收根系分布对土壤水分具有显著影响,吸收根集中分布区域下层土壤含水量锐减;吸收根集中分布深度的比较发现,天然植被>19年生人工植被>4年生人工植被,成龄人工植被吸收根系分布的浅层化造成降雨无法补充土壤深层水分,植被下土壤形成不透水层,影响主要固沙植被的生长.     

测量根系对土壤机械压力的试验装置设计

根系对土壤机械压力是综合反映土壤-根系复合体相互作用的力学指标.该研究研制出了一种可利用气体或液体介质进行直接测量根系对土壤机械压力的试验装置.利用气体介质测量装置进行了模拟根系的穿插试验取得了较好的试验结果;利用液体测压试验装置进行了模拟根系穿插试验和植物生长期根系压力测定的初步试验,结果表明:装置满足压力测量试验设计的需要,具有较好的适用性和精度,可以用本试验装置直接进行根系对土壤机械压力的测量.     

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。     

河西灌区枸杞根系空间分布特征研究

采用土钻法对河西灌区枸杞的根系分布特征进行了调查。结果表明:枸杞细根根系、粗根根系集中分布在20—40cm土层内;细根和粗根生物量水平分布随着距树干距离的增加呈指数性下降;根据枸杞根系分布特点,枸杞合理的施肥方法应采用沟施或环施,位置距枸杞树干30~90cm,深度30cm左右;结合树木根系消弱系数,从量化的角度对不同树龄枸杞根系分布特征的进一步分析,发现随着距树干距离的增加,3a生、8a生枸杞细根根系消弱系数β值随着水平距离的增加先增大后减小,最大值在距树干60cm处,分别为0.960 3,0.984 0;而枸杞粗根根系的β值随着距树干距离的增大而增大,在距树干90cm处有较大范围的分布,对树木水分和养分的疏导起到了非常重要的作用。细根根系的β值大于粗根根系的β值,说明细根比粗根在垂直方向分布范围深,吸收利用深层土壤水分和养分的能力强,这种分布特征扩大了枸杞的吸收空间,有利于树木吸收深层的水分和养分,促进树木地上部分的生长和发育。