草本植物根系对边坡浅层土体抗剪强度的影响规律研究

[目的]研究草本植物根系对边坡浅层土体抗剪强度的影响规律。[方法]以阜新海州露天煤矿为工程依托,采用理论分析方法,建立了草本植物根系与土相互作用的力学模型,深化了草本植物根系固土改性的力学认识;采用直剪试验,选用马唐草与狗尾草为研究对象,研究了不同含根率与不同含水率共同作用下根-土复合体的抗剪强度及其相关参数的变化规律。[结果]根-土复合体的最佳抗剪强度与最优含根率相对应;2种草本植物根-土复合体抗剪强度随正压力的增加而增大,随含水率的增加而降低,在未达到含根率之前,随含根率增加而增大;根-土复合体黏聚力与抗剪强度变化规律相似,根系提高土体的抗剪强度主要体现在土体黏聚力的增加。[结论]该研究可为浅层边坡的固土稳定提供参考。

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。

三峡库区紫色土坡耕地草本植物根系固结地埂的土力学机制

为揭示三峡库区紫色土坡耕地草本植物根系对地埂土壤固结作用的土力学机制,选取库区3种草本地埂植物为研究对象,对3种地埂植物根系的分布特征及抗拉性能进行研究,并分析3种地埂土壤的抗冲性和抗剪强度。研究结果表明,紫花苜蓿、蓑草、桂牧一号的根系总生物量分别为(79.37±1.26),(97.99±1.66),(71.76±1.96)g/m^2,紫花苜蓿根系在0—10cm土层分布最多,蓑草主要根系分布深度集中在10—20cm,桂牧一号根系分布在0—30cm土层深度范围内呈现出递增的趋势,在30—40cm土层深度根系含量不到10%。3种草本地埂植物根系的平均抗拉力为桂牧一号(7.93N)>蓑草(6.03N)>紫花苜蓿(5.40N),3种地埂植物根系单根抗拉力与根径呈幂函数关系,蓑草地埂植物根系的单根抗拉力与根径的相关性最高。3种地埂植物根系的抗拉强度表现为蓑草根系(45.91MPa)>紫花苜蓿根系(19.68 MPa)>桂牧一号根系(15.28 MPa)。3种不同草本地埂植物根系间的抗拉力和抗拉强度差异达到显著水平(P<0.05)。3种植物地埂土壤的抗冲性变化为蓑草地埂(85.28L/(min·g))>紫花苜蓿(69.47L/(min·g))>桂牧一号(60.86L/(min·g)),蓑草地埂土壤的抗冲性与紫花苜蓿和桂牧一号间存在显著差异(P<0.05)。3种草本植物地埂土壤的抗剪强度顺序为蓑草地埂(115.49kPa)>紫花苜蓿(91.73kPa)>桂牧一号(75.14kPa)。结果表明,蓑草地埂在三峡库区具有较好的固埂防蚀效果,在三峡库区坡耕地固结地埂土壤中发挥重要作用。三峡库区草本植物固结地埂可为三峡库区坡耕地整治提供新思路。

草本植物根系对黄河故道区非饱和土特性的影响

为研究草本植物根系对沙质土壤非饱和特性的影响,试验测定了黄河故道区3种含草本植物(狗牙根、高羊茅、香根草)根系土体和裸地素土的土-水特征曲线,将得到的土-水特征曲线与Brooks-Corey公式进行了拟合,并据此推导了含草本植物根系沙土的孔隙半径变化指数和非饱和渗透系数函数。结果表明:相比裸地素土,含草本植物根系沙土的进气值降低,持水性增强,含狗牙根、高羊茅、香根草根系的沙土平均孔隙半径分别是裸地素土的26倍、12倍、59倍,当饱和度为25%~70%时,在相同饱和度下,含草本植物根系沙土比裸地素土的渗透系数提高了2~3个数量级;草本植物根系使黄河故道区沙土产生了团聚体效应。

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。

金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及其模型预测

开展金沙江干热河谷乡土草本植物根系提高土体抗剪强度及预测的研究,为该地区生态恢复、边坡防护、水土流失防治等生态工程中植物选择及其固土能力的计算提供依据。采用原位剪切试验测定扭黄茅(Heteropogon contortus)、莎草(Eulaliopsis binata)、芸香草(Cymbopogon distans)、旱茅(Schizachyrium delavayi(Hack.)Bor)等4种乡土草本植物根系及素土的抗剪切强度;用根系拉力计和电子卡尺测定根系的抗拉强度和直径;用Wu和Waldron垂直根模型(WWM)及纤维束根增强模型(FBM)对根系提高土体抗剪能力进行预测。结果表明:1)4种植物根系直径约80%分布在0.1~1 mm的范围内,扭黄茅、莎草、旱茅根系的直径和抗拉强度之间成负幂函数关系,芸香草两者间没有相关性。2)扭黄茅、莎草、旱茅、芸香草的根系可将土体的抗剪强度分别提高20.7%、85.3%、84.4%、16.1%。3)用WWM模型预测扭黄茅、旱茅、莎草的提高土体抗剪能力,其预测值是实测值的3.59~10.83倍;用FBM模型的预测值是实测值的1.24~2.62倍。旱茅、莎草根系提高土体抗剪强度的能力强于扭黄茅和芸香草,在干热河谷的生态工程中可优先选用;对根系提高土体抗剪强度的预测,FBM模型要优于WWM模型。

草本植物根系提高土体无侧限抗压强度及Wu & Waldron模型预测

研究基于无侧限抗压强度试验的方法,测定种植在长51.0 cm、直径110.0 mm、厚3.2 mm的PVC管内的非洲狗尾草、鸭茅和紫花苜蓿3种草本植物根土复合体和素土的黏聚力(C),初步探讨了黏聚力增量(ΔC)与破坏面上根面积比(root area ratio,简称RAR)、根系平均抗拉强度(Tr)的相关性;运用Wu&Waldron模型对3种草本植物根系提高土体抗剪能力进行预测.结果表明,非洲狗尾草、鸭茅、紫花苜蓿在0~25 cm深度范围内的ΔC值分别是4.75、4.04、1.39 kPa;在25~50 cm深度范围内的ΔC值分别是3.1、2.32、0.71 kPa.紫花苜蓿的ΔC值与破坏面的RAR、Tr相关不显著;非洲狗尾草、鸭茅的ΔC值与破坏面的RAR显著相关,与Tr不相关.Wu&Waldron模型预测的非洲狗尾草、鸭茅、紫花苜蓿根系提高土体抗剪能力值分别是实测值的60.08、50.9、179.08倍.

三江并流区水电站消落带适生草本植物根系固土能力

三江并流区生态脆弱敏感,水电站库周消落带土壤侵蚀严重,为研究消落带适生草本植物的根系固土效应,并为重建植被、控制土壤侵蚀提供依据,以生长期为18个月的风车草(Cyperus alternifolius L.)、美人蕉(Canna indica L.)、花叶芦竹(Arundo donax var.versicolor)和菖蒲(Acorus calamus L.)4种草本植物为研究对象,采用自制的原位剪切仪测定根土复合体和素土的抗剪强度;用根系拉力试验机测定根系的抗拉强度,用Wu和Waldron模型(WWM)对根系提高土体抗剪强度进行预测,并评价模型的可靠性。结果表明:(1)4种适生草本植物根系都能增强土体的抗剪强度,风车草、美人蕉、花叶芦竹和菖蒲根系使土体的抗剪强度分别提高了403.89%、248.32%、388.50%和200.71%;(2)4种草本植物根系的抗拉强度均与直径呈现负幂函数关系;(3)根系抗拉强度较大、破坏面上根面积比较高和根系直径(D)<1 mm细根较多的草本植物,固土效应更加显著;(4)4种草本植物根系对土体强度增量的WWM模型计算值是实测值的9.37—43.85倍,该模型对高含水率土壤中草本植物根系的预测精度较低。风车草、美人蕉、花叶芦竹和菖蒲的根系均有较强的固土能力,尤其是风车草和花叶芦竹,是三江并流区黄登水库消落带植被重建和固土抗蚀的优选物种。

基于离散元模拟的草本植物根系分布对黏土抗剪强度的影响研究

为深入研究草本植物根系分布对土壤固土能力的影响。通过堆积试验对植物根系-土壤接触参数进行标定,利用EDEM离散元软件研究不同根系形状,根系长度,根系间距以及根系数量对土壤固土能力的影响。结果表明:根土复合体剪应力大于无根土体剪应力,植物根系对土壤有加固的作用,提高抗剪强度;均布形根系较于三角形根系,对根土复合体抗剪强度的提升更明显;根系长度越长,根土复合体剪应力越大,固土能力越强,200 mm的根系阻力最大值比150 mm的根系阻力最大值增加5.34%,150 mm根系阻力最大值比100 mm根系阻力最大值增加18.44%;当根系间距等于两根系最长根毛长度(两根系根毛不重叠)时,根系固土能力最强;一定数量范围内,植物根系数量越多,固土能力越好。

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。

初始含水率对三江并流区消落带含根土壤崩解性的影响

【目的】研究初始含水率对三江并流区消落带含根土壤崩解性的影响,为该区域消落带土壤侵蚀防控和植被恢复提供依据。【方法】通过野外崩解试验测定不同初始含水率下狗牙根(Cynodon dactylon)、美人蕉(Canna indica)、风车草(Cyperus alternifolius)、花叶芦竹(Arundo donax var.versicolor)和菖蒲(Acorus calamus)5种消落带适生植物原状含根土壤的崩解指标,用根系分析仪分析其根系特征,并分析崩解指标与根系特征的相关性。【结果】初始含水率为7.2%、11.4%、15.2%和36.7%(饱和)时,有根处理的平均崩解量分别为素土的77.0%、92.4%、112.1%和362.8%,崩解速率分别为素土的71.4%、106.6%、127.5%和400.0%。在非饱和状态,直径≤1 mm的根系具有明显的抗崩解作用,而直径>2 mm的根系具有促进崩解的作用;在饱和状态,直径≤1 mm的根系特征与崩解量和崩解速率的关系均不明显,直径>1 mm的根系具有促进崩解的作用。5种植物根系中,以狗牙根的抗崩解性最强,美人蕉最弱。【结论】初始含水率较低时,草本植物根系能抑制土壤崩解;初始含水率较大时,根系会促进土壤崩解。直径>2 mm的根系具有促进崩解的作用,在三江并流区消落带植被恢复中,在适生性的前提下应优选细根植物。

三峡库区陡坡根-土复合体抗冲性能

以三峡库区已种植4a的紫花苜蓿、百喜草、狗牙根和香根草为对象,并以裸地为对照,采用改进的冲刷水槽、WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统和应变控制式直剪仪,分析测定5个处理根-土复合体抗冲性能以及根系、土壤参数,以期揭示不同草本植物根系对陡坡地紫色土表土抗冲性能的强化效应。研究结果表明:与对照(裸地)相比,4种草本植物根系均能显著增强紫色土表土的抗冲性能,其中香根草根-土复合体的抗冲性能最强(为对照小区的2.75—3.58倍),而紫花苜蓿复合体的抗冲性能最弱(为对照小区1.96—2.60倍);草本植物根长密度(RLD)和根表面积密度(RSAD)是影响陡坡下紫色土表土抗冲性能的主要因子;0.50 mm<d≤1.50 mm径级的根系有利于土壤抗冲性能的增强,尤其是1.00 mm<d≤1.50 mm径级的根系对根-土复合体的抗冲性能强化效应最大;4种草本植物根系均有利于降低土壤容重、提高土壤有机质含量和增强土壤抗剪性能;土壤粘聚力c是影响根-土复合体抗冲性能的又一主要因子,径级1.00 mm<d≤2.00 mm的根系则最有利于提高土壤粘聚力c。