植物根系抗拉力学性能研究进展

根系是植物固土的基本单元,根系力学性能研究是植物根系固土研究的基础。植物护坡工程中,植物根系通过发挥抗剪和抗拉作用提高边坡稳定性。根系抗拉能力是增强边坡稳定性最重要的因素之一,根系抗拉力学性能研究具有重要意义。在分析国内外多种植物根系抗拉力学性能研究的基础上,总结了这些植物根系抗拉力学特性的研究现状,分析比较了植物根系抗拉力学性能研究试验的方法和多种影响因素与植物根系抗拉性能的关系,得出如下结论:①目前尚未形成标准的根系抗拉试验,根系抗拉性能试验研究的方法和设备有待科学规范;②根系直径与抗拉力和抗拉强度关系研究已经形成共识,即根系直径越大,抗拉力越大,抗拉强度越小;③根系抗拉强度随根系采伐时间的推移而降低;④根系长度、含水量、加载速率、根系内部化学成分和微观结构等对抗拉力和抗拉强度的影响研究较少,尚未形成统一结论,还需要加强研究。最后,探讨了植物根系抗拉力学性能研究存在的问题和趋势,认为夹具的改进、根系形态解剖结构研究、根系疲劳破坏研究应成为今后研究的重点。     

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.     

林地土壤抗冲性研究

通过对22个林地土壤的人工降雨实验，对产流时间、次径流深、次侵蚀模数进行了综合对比分析，探讨了次侵蚀模数与次径流深，次侵蚀模数与林地平均树木根系顺纹抗拉力强度的关系，并建立了相关数学模型。     

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。     

采煤塌陷区先锋植物含侧根分支处根段抗拉力学特性

为了进一步完善植物根系固土力学机制,以神东矿区采煤塌陷区的先锋植物黑沙蒿为研究对象,采用TY8000伺服式强力机研究其含侧根分支处根段的抗拉力学特性。结果表明,随根径的增加,黑沙蒿含侧根分支处根段的抗拉力逐渐增加,抗拉强度逐渐下降;在轴向拉力反复加载下,试验根由弹性变形逐渐过渡到塑性变形,表现出明显的弹塑性特征;试验根的σ～ε曲线主要分为直线型、上凸型、多峰型、波动型4种,除σ～ε曲线外,其余3种σ～ε曲线基本均以上凸型逐渐达到第1个峰值;各径级代表性σ～ε曲线的极限弹性应力由4.62 MPa降至2.25 MPa,而极限弹性应变无变化规律。黑沙蒿含侧根分支处根段的抗拉力与根径呈幂函数正相关,抗拉强度与根径呈幂函数负相关;试验根在轴向拉力下表现出弹塑性特征;随应变的不断增加,试验根应力由快速增长过渡为缓慢增长;试验根的极限弹性应力与根径呈负相关,而极限弹性应变与根径无相关性。     

青海湖地区草本植物根系力学特性试验研究

为研究草本植物单根的力学特性及其根系固土护坡的力学机制,为青海湖及其周边地区开展植物固土护坡和防风固沙提供理论依据和实际应用指导,以青海湖北岸为研究区,分别采集自然生长区内的醉马草、紫花针茅、羊茅,沙漠生长区的赖草、驼绒藜,315国道种植区的垂穗披碱草、早熟禾等7种优势草本植物,进行了室内单根拉伸和单根剪切试验,较为系统地分析了7种草本植物单根的力学特性。试验结果表明:草本植物单根抗拉力和抗剪力均随其根径的增加而增大,且分别与其根径呈幂函数或指数函数关系;3个区内草本植物单根抗拉强度与其根径均呈幂函数关系,抗剪强度与其根径呈幂函数或指数函数关系,其中自然生长区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度由大至小依次为紫花针茅、羊茅、醉马草,沙漠生长区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度为赖草大于驼绒藜,315国道种植区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度为早熟禾大于垂穗披碱草。     

三江源区植物根-土复合体的抗拉拔力特征及影响因素分析

为研究高寒地区草地恢复过程中牧草根系固土稳定性机制,在青藏高原三江源区对燕麦根—土复合体进行原位拉拔试验,系统分析了燕麦根—土复合体抗拉力的表现特征及影响因素。结果表明:（1）根—土复合体的抗拉力在不同地形、种植方式等不同情况下,表现出的特征不一致。高密度区比低密度区的抗拉力小,撒播区比条播区的抗拉力小,高坡度区比低坡度区抗拉力小,远离冲蚀沟区比冲蚀沟区附近抗拉力小,且差异显著（P < 0.05）。（2）根—土复合体的抗拉力与地上生物学性状相关性低,与根系生物学性状相关性高。（3）复合体的抗拉力与根径（RD）、须根条数（RN）呈极显著正相关（P < 0.01）,与根长（RL）、单根生物量（RW）呈显著正相关（P < 0.05）。     

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。     

内蒙古中西部3种乡土植物根系抗拉力学特性的对比研究

[目的]研究内蒙古中西部地区3种乡土植物种根系的抗拉机理,为该区水土保持的树种选择提供依据。[方法]以内蒙古中西部地区3种常见植物柠条、沙棘和紫花苜蓿根系为对象,进行室内单根瞬时极限拉伸试验研究。[结果](1)3种植物单根极限抗拉力随着直径的增加而增大,单根极限抗拉强度随直径的增加均呈幂函数递减。(2)当直径在0.19mm~2.89mm范围内相同径级时,3种植物单根极限抗拉强度和弹性模量均值大小顺序相同,依次为:柠条沙棘紫花苜蓿,3种植物根径≤0.5mm的细根具有较大的极限抗拉强度和弹性模量;(3)同一树种当根系直径相同时,土壤含水率高则其单根平均极限抗拉强度小。[结论]根系的力学特性与形态结构特征的结合,是选择适宜的水土保持树种非常重要的因素。从根系抗拉性能方面评价3种植物根系固土抗蚀能力大小则柠条优于沙棘和紫花苜蓿。     

黄土丘陵沟壑区主要物种根茎力学特性

植物根茎力学特性影响着植被固定土壤和拦截的能力,是植被抗侵蚀特性研究不可缺少的一部分。在延河流域选取的6个典型小流域内,对铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、茭蒿(Artemisia giralii)、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、阿尔泰狗哇花(Heteropappus altaicus)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)、蒙古蒿(Artemisia mongolica)的根茎进行广泛采样,在测量其根直径、抗拉力、抗拉强度、茎直径、抗弯强度和刚度、木质素和纤维素含量等指标的基础上,探讨了植物根茎力学特性。结果表明:根系直径与抗拉力呈显著的正相关关系,与抗拉强度呈显著的负相关关系,且均可用幂函数进行拟合;随着茎的直径增长抗弯刚度不断加强、抗弯强度趋于稳定;猪毛蒿茎平均直径、最大抗压力和抗弯刚度较其他物种大;达乌里胡枝子的茎抗弯刚度较小,根系抗拉强度和茎抗弯强度却最大;抗弯强度与木质素含量、纤维素含量和纤维素/木质素均具有显著的相关关系。