森林生態(tài)系統(tǒng)主要樹種根系抗拉試驗(yàn)

森林生態(tài)系統(tǒng)主要樹種根系抗拉試驗(yàn)

森林生態(tài)系統(tǒng)強(qiáng)大的根系可以保護(hù)土壤，減少平坦的坡度和崩塌等重力侵蝕。塔加山長(zhǎng)江上游地區(qū)主要為冷杉（abiefabri）主要的深褐色針葉林，是中國(guó)保存最完好的原始森林生態(tài)系統(tǒng)之一。也是中國(guó)長(zhǎng)江上游亞高山森林植被的主要代表。它對(duì)長(zhǎng)江上游森林生態(tài)系統(tǒng)有著很強(qiáng)的代表性。土壤覆蓋層主要由冰層、泥石流沉積層和由山體崩塌形成的坍塌層組成。土壤很大，透水性強(qiáng)，地表徑流小。土壤侵蝕的主要形式是滑坡、崩塌等重力侵蝕和泥石流。當(dāng)土壤發(fā)生移動(dòng)時(shí)，它們將不可避免地促進(jìn)分布在滑動(dòng)表面以上的傾斜體的根系的移動(dòng)。因此，森林生態(tài)系統(tǒng)中樹種根系與土壤結(jié)合的程度和根系抗拉力的強(qiáng)度對(duì)滑動(dòng)體的發(fā)生和發(fā)展起著重要的控制作用。在這項(xiàng)工作中，我們研究了貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)不同步長(zhǎng)階段的森林群落類型的樹種根系結(jié)構(gòu)和抗拉力學(xué)特征，并探索了該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)中樹種根系的固土機(jī)制。為我國(guó)天然林保護(hù)工程提供了理論參考。1研究區(qū)域的概論和研究方法1.1森林植被群落研究區(qū)位于貢嘎山東坡海螺溝亞高山暗針葉林地帶,地理坐標(biāo)為N29°20′~30°20′,E101°30′~102°15′.氣候冷濕,年降雨量1900mm,年均溫4.0°,1月平均氣溫-4.5°,7月平均氣溫12.7°,年雨日260d,大氣相對(duì)濕度大于90%,屬山地寒溫帶氣候類型.該區(qū)為泥石流多發(fā)區(qū)和現(xiàn)代冰川分布區(qū),受不同時(shí)期發(fā)生泥石流和冰川活動(dòng)的影響,森林植被群落主要有川滇柳、冬瓜楊幼苗群落;川滇柳、冬瓜楊幼樹群落;冬瓜楊、川滇柳、沙棘幼林;冬瓜楊、川滇柳中齡林和峨嵋冷杉幼苗群落;冬瓜楊、杜鵑、峨嵋冷杉幼林;峨嵋冷杉中齡林;峨嵋冷杉成熟林;峨嵋冷杉過熟林.即在泥石流跡地及堆積物和冰磧物上,首先冬瓜楊、川滇柳(Salixrhederiana)等為先鋒樹種侵入,此后隨著環(huán)境的改善,經(jīng)過一系列演替過程,沙棘(Hippophaerhamnoides)、杜鵑(Rhododendronspp.)、峨嵋冷杉等樹種侵入,最終形成峨嵋冷杉頂極群落.1.2主要樹種抗拉試驗(yàn)根據(jù)貢嘎山森林植被演替過程中的主要群落樹種組成,對(duì)長(zhǎng)江上游貢嘎山地區(qū)處于不同森林植被群落中的峨眉冷杉、冬瓜楊、杜鵑、川滇柳等主要樹種,進(jìn)行根系抗拉試驗(yàn).1.2.1uv/分度的測(cè)量測(cè)量精度為0.01%、靈敏度為0.2UV/分度的電子測(cè)量?jī)x(KX3900);美國(guó)產(chǎn)20KNS剪切型拉力傳感器(USLOAD);以及一些自制的配套裝置.1.2.2單樹整株拉拔試驗(yàn)對(duì)31株上述樹種不同胸徑(1~5cm)的樹木進(jìn)行單樹整株拉拔試驗(yàn),觀測(cè)記錄整個(gè)拉拔過程不同時(shí)間、不同加載應(yīng)力條件下樹木根系位移及變形量、拉拔時(shí)間和最終拔出時(shí)的最大應(yīng)力.1.2.3試驗(yàn)觀測(cè)和記錄對(duì)上述樹種不同根徑(2~30mm)、不同根長(zhǎng)的單根進(jìn)行拉拔試驗(yàn),觀測(cè)記錄單根整個(gè)拉拔過程不同時(shí)間、不同加載應(yīng)力條件單根位移及變形量、拉拔時(shí)間和拔出或拔斷時(shí)的最大應(yīng)力.2結(jié)果與分析2.1根系斷裂分析根系抗拉實(shí)質(zhì)是軸向應(yīng)力作用下順纖維抗拉,當(dāng)荷載達(dá)到一定程度根系會(huì)發(fā)生斷裂或連根拔出.貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)主要樹種的根系在受拉條件下斷裂方式有很大的差異性,峨眉冷杉根系與冬瓜楊根系總是在根系末端最細(xì)部斷裂,斷裂面參差不齊,根系斷口與最大正應(yīng)力一致,屬于切斷破壞型,且斷裂處頸縮明顯,根系抗拉能力與根徑有很好的相關(guān)性(見圖1,圖2),即峨眉冷杉、冬瓜楊根系受拉過程中的斷裂方式為典型的彈性斷裂.而杜鵑根系由于存在生長(zhǎng)節(jié)理,根系受拉后往往在節(jié)理處斷裂,即根系并不是在根系最細(xì)部斷裂,斷口平滑,且與最大正應(yīng)力垂直,屬于正切斷裂型,斷裂處頸縮不明顯,根系抗拉能力與根徑相關(guān)性較差,杜鵑根系在拉拔過程中尚未達(dá)到根系本身材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)已發(fā)生斷裂,根系被拉斷.即杜鵑根系受拉過程中的斷裂方式表現(xiàn)為脆性斷裂.2.2根系變形量為積極主變的樹種,主要植物中于自然土林木根系屬于高分子結(jié)構(gòu)的材料,根系在加載環(huán)境條件下將發(fā)生彈性變形、彈塑性變形、塑性變形等變形和斷裂過程.彈性變形(或稱粘彈變形)是根系纖維素分子鏈的卷曲或伸展造成,當(dāng)拉力消除后變形可消除.根系纖維素分子鏈因拉力彼此滑動(dòng)而造成的變形稱為塑性變形,這種分子鏈的滑動(dòng)是不可逆轉(zhuǎn)的,因此根系塑性形變是不可逆的.長(zhǎng)江上游貢嘎山暗針葉林生態(tài)系統(tǒng)中主要樹種峨眉冷杉、冬瓜楊、杜鵑等3個(gè)樹種的根系應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖3和圖4.從試驗(yàn)結(jié)果可知,上述3個(gè)樹種根系被拉斷之前,其根系變形量從大到小依次為冬瓜楊>杜鵑>峨眉冷杉,其根系最大形變率從大到小依次為冬瓜楊>杜鵑>峨眉冷杉.峨眉冷杉、杜鵑、冬瓜楊的殘余變形量依次為2,2.5,3cm.殘余形變量也可用以表示根系的伸長(zhǎng)系數(shù),根系的伸長(zhǎng)系數(shù)是反映根系抗滑坡的一個(gè)重要指標(biāo).因?yàn)楫?dāng)土體間出現(xiàn)滑坡裂縫時(shí)伸長(zhǎng)系數(shù)較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞,且伸長(zhǎng)系數(shù)較大的根系在受拉過程中根系形變量也較大,有利于使根系所受的拉力向根系側(cè)摩阻轉(zhuǎn)化而使根系本身所受的內(nèi)力減小,這樣有利于提高根系固土能力.因此,在長(zhǎng)江上游暗針葉林生態(tài)系統(tǒng)中,雖然峨眉冷杉為建群種,峨眉冷杉林分為該系統(tǒng)演替的頂級(jí)群落.但是,冬瓜楊、杜鵑等林下木對(duì)提高林分的固結(jié)土體具有重要作用.2.3根系的土壤特性試驗(yàn)研究表明(以峨眉冷杉、高山柳為例),不同根系的抗拉阻力隨著根系平均直徑的增大而增加,但是,并不完全呈線性比例關(guān)系,當(dāng)根系平均直徑增加到一定值時(shí),根系的抗拉阻力會(huì)發(fā)生一個(gè)明顯的躍遷(圖5,圖6),這主要是由于根系本身的抗拉特性在受拉過程中產(chǎn)生了從彈性形變到塑性形變的飛躍.在不同土壤環(huán)境中,土壤密度特征影響土體與根系表面的摩擦系數(shù),致使圖中曲線出現(xiàn)局部不穩(wěn)定的波動(dòng),平均根系直徑較大的根系反而抗阻拉力較小.而根系的抗拉阻力與樹干基徑在雙自然對(duì)數(shù)坐標(biāo)下,無論是峨眉冷杉還是高山柳都表現(xiàn)出比較明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(圖7,圖8).這表明隨著樹木年齡的增長(zhǎng),其固持土壤的能力也不斷增強(qiáng),但受土壤特性等其他因子的影響,二者的關(guān)系相對(duì)較復(fù)雜.由于杜鵑根系的生長(zhǎng)節(jié)理作用杜鵑根系的抗拉強(qiáng)度與根徑的相關(guān)性較差(r=0.668),峨眉冷杉、冬瓜楊根系的抗拉強(qiáng)度與根徑的相關(guān)性較強(qiáng),分別為峨眉冷杉r=0.967,冬瓜楊r=0.951.根系的根徑/長(zhǎng)比值不同,其適應(yīng)的抗拉模型不同(圖4).根系在一定根徑的情況下,根的徑/長(zhǎng)小于某一值時(shí),根系斷裂之前根系始終為彈性模型;當(dāng)根的徑/長(zhǎng)增大到某一值,根系抗拉模型表現(xiàn)為彈塑性模型;隨著根系根徑長(zhǎng)比繼續(xù)增加根系抗拉模型表現(xiàn)為純塑模型.根系的根徑/長(zhǎng)比值不同,根系的彈性模量不同.對(duì)于一條根系來說由于各斷面處直徑不相同,其形率小于1.從而造成在根系彈性形變范圍內(nèi),在根徑相同的情況下,根系的根長(zhǎng)不同其彈性模量不同.即由于根系形態(tài)特性及生物學(xué)的特性,在彈性形變范圍內(nèi),根系的彈性模量并不是一個(gè)常量,在彈性形變范圍內(nèi),彈性模量與根徑根長(zhǎng)有很好的相關(guān)性.隨著根系的長(zhǎng)度和根徑會(huì)有變化,表現(xiàn)為彈性模量隨根長(zhǎng)的增加而減小,隨根徑的增加而增加.冷杉:y=16.857xd-6.311xl+547.588(n=15,r=0.920,a=0.001)冬瓜楊:y=29.527xd-2.659xl+35.127(n=15,r=0.944,a=0.001)根徑范圍2~16mm式中,y為根系彈性模量(kg/cm),xd為根系平均直徑(mm),xl為根系長(zhǎng)度(cm).根系的表面積大小也對(duì)根系抗拉阻力有較大的影響.在根徑相同的情況下,須根發(fā)達(dá)的根系比主直根系抗拉強(qiáng)度大.須根增加根系的表面積,增加了根系與土壤的接觸面積,也就增加根系與土壤間的摩擦阻力;并且,當(dāng)須根較少的主直根系根端頭受到線性拉力時(shí),整個(gè)根系受到的是線性拉應(yīng)力,由于須根在土壤中的不規(guī)則網(wǎng)狀分布,當(dāng)須根性根系根端頭受到線性拉力時(shí),網(wǎng)狀須根卻與土壤間發(fā)生了豎向的摩擦力與橫向的擠壓剪切力,因此增大了根系與土壤間的作用力.3土壤根系的彈性和應(yīng)力(1)各樹種根系在受拉情況下,峨眉冷杉、冬瓜楊根系為典型的彈性斷裂,而杜鵑根系由于存在生長(zhǎng)節(jié)理,根系往往從節(jié)理處斷裂,為脆性斷裂.(2)各樹種根系在斷裂或完全拔出之前發(fā)生的變性過程也有所不同,由于各樹種根系形態(tài)特性及生物學(xué)的特性,在彈性形變范圍內(nèi)根系的彈性模量并不是一個(gè)常量,而是隨根長(zhǎng)的增加而減小,隨根徑的增加而增加.(3)根系在受力拉斷或完全拔出前,3個(gè)供試樹種根系變形量從大到小依次為冬瓜楊>杜鵑>峨眉冷杉,根系最大形變率從大到小依次為冬瓜楊>杜鵑>峨眉冷杉.峨眉冷杉、杜鵑、冬瓜楊的殘余變形量依次為2,2.5,3cm.(4)根系的抗拉強(qiáng)度與根表