太行山区林木根系单根固土生物力学及疲劳特性研究

为了揭示河北太行山区崇陵小流域林木根系固土能力,选取太行山区崇陵小流域内的20年生油松(Pinus tabulaeformis)和侧柏(Platycladus orientalis)人工林为研究对象,采用室内单根拉伸试验的方法,测定3、5、7mm 3个径阶下最大抗拉力平均值和平均抗拉强度,对根系疲劳前后固土的力学特性及根系疲劳过程进行研究。结果表明:1)疲劳前后油松和侧柏根系的最大抗拉力与根径呈正相关关系,回归曲线采用幂函数拟合;2)疲劳前后油松根系最大抗拉力平均值和平均抗拉强度均高于侧柏,疲劳后2种林木根系抗拉强度随根径的变化规律与疲劳前一致;3)疲劳后不同径阶油松和侧柏最大抗拉力和抗拉强度均有提升,疲劳后油松和侧柏根系3个径级(3、5、7mm)的极限抗拉力比疲劳前分别增加了69.2%、36.5%、37.7%和13.7%、12.9%、32.9%,疲劳后油松和侧柏根系的平均抗拉强度分别是疲劳前的1.50倍和1.19倍;4)林木根系滞回曲线表现出明显的周期循环特征,最初几个周期"滞回环"饱满且间隙明显,"滞回环"间距随着循环周期的增加越来越密集,几乎形成闭合曲线,逐渐趋于稳定。

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。