森林生态系统主要树种根系抗拉试验

森林生态系统主要树种根系抗拉试验

森林生态系统强大的根系可以保护土壤，减少平坦的坡度和崩塌等重力侵蚀。塔加山长江上游地区主要为冷杉（abiefabri）主要的深褐色针叶林，是中国保存最完好的原始森林生态系统之一。也是中国长江上游亚高山森林植被的主要代表。它对长江上游森林生态系统有着很强的代表性。土壤覆盖层主要由冰层、泥石流沉积层和由山体崩塌形成的坍塌层组成。土壤很大，透水性强，地表径流小。土壤侵蚀的主要形式是滑坡、崩塌等重力侵蚀和泥石流。当土壤发生移动时，它们将不可避免地促进分布在滑动表面以上的倾斜体的根系的移动。因此，森林生态系统中树种根系与土壤结合的程度和根系抗拉力的强度对滑动体的发生和发展起着重要的控制作用。在这项工作中，我们研究了贡嘎山森林生态系统不同步长阶段的森林群落类型的树种根系结构和抗拉力学特征，并探索了该地区森林生态系统中树种根系的固土机制。为我国天然林保护工程提供了理论参考。1研究区域的概论和研究方法1.1森林植被群落研究区位于贡嘎山东坡海螺沟亚高山暗针叶林地带,地理坐标为N29°20′~30°20′,E101°30′~102°15′.气候冷湿,年降雨量1900mm,年均温4.0°,1月平均气温-4.5°,7月平均气温12.7°,年雨日260d,大气相对湿度大于90%,属山地寒温带气候类型.该区为泥石流多发区和现代冰川分布区,受不同时期发生泥石流和冰川活动的影响,森林植被群落主要有川滇柳、冬瓜杨幼苗群落;川滇柳、冬瓜杨幼树群落;冬瓜杨、川滇柳、沙棘幼林;冬瓜杨、川滇柳中龄林和峨嵋冷杉幼苗群落;冬瓜杨、杜鹃、峨嵋冷杉幼林;峨嵋冷杉中龄林;峨嵋冷杉成熟林;峨嵋冷杉过熟林.即在泥石流迹地及堆积物和冰碛物上,首先冬瓜杨、川滇柳(Salixrhederiana)等为先锋树种侵入,此后随着环境的改善,经过一系列演替过程,沙棘(Hippophaerhamnoides)、杜鹃(Rhododendronspp.)、峨嵋冷杉等树种侵入,最终形成峨嵋冷杉顶极群落.1.2主要树种抗拉试验根据贡嘎山森林植被演替过程中的主要群落树种组成,对长江上游贡嘎山地区处于不同森林植被群落中的峨眉冷杉、冬瓜杨、杜鹃、川滇柳等主要树种,进行根系抗拉试验.1.2.1uv/分度的测量测量精度为0.01%、灵敏度为0.2UV/分度的电子测量仪(KX3900);美国产20KNS剪切型拉力传感器(USLOAD);以及一些自制的配套装置.1.2.2单树整株拉拔试验对31株上述树种不同胸径(1~5cm)的树木进行单树整株拉拔试验,观测记录整个拉拔过程不同时间、不同加载应力条件下树木根系位移及变形量、拉拔时间和最终拔出时的最大应力.1.2.3试验观测和记录对上述树种不同根径(2~30mm)、不同根长的单根进行拉拔试验,观测记录单根整个拉拔过程不同时间、不同加载应力条件单根位移及变形量、拉拔时间和拔出或拔断时的最大应力.2结果与分析2.1根系断裂分析根系抗拉实质是轴向应力作用下顺纤维抗拉,当荷载达到一定程度根系会发生断裂或连根拔出.贡嘎山森林生态系统主要树种的根系在受拉条件下断裂方式有很大的差异性,峨眉冷杉根系与冬瓜杨根系总是在根系末端最细部断裂,断裂面参差不齐,根系断口与最大正应力一致,属于切断破坏型,且断裂处颈缩明显,根系抗拉能力与根径有很好的相关性(见图1,图2),即峨眉冷杉、冬瓜杨根系受拉过程中的断裂方式为典型的弹性断裂.而杜鹃根系由于存在生长节理,根系受拉后往往在节理处断裂,即根系并不是在根系最细部断裂,断口平滑,且与最大正应力垂直,属于正切断裂型,断裂处颈缩不明显,根系抗拉能力与根径相关性较差,杜鹃根系在拉拔过程中尚未达到根系本身材料的抗拉强度时已发生断裂,根系被拉断.即杜鹃根系受拉过程中的断裂方式表现为脆性断裂.2.2根系变形量为积极主变的树种,主要植物中于自然土林木根系属于高分子结构的材料,根系在加载环境条件下将发生弹性变形、弹塑性变形、塑性变形等变形和断裂过程.弹性变形(或称粘弹变形)是根系纤维素分子链的卷曲或伸展造成,当拉力消除后变形可消除.根系纤维素分子链因拉力彼此滑动而造成的变形称为塑性变形,这种分子链的滑动是不可逆转的,因此根系塑性形变是不可逆的.长江上游贡嘎山暗针叶林生态系统中主要树种峨眉冷杉、冬瓜杨、杜鹃等3个树种的根系应力——应变曲线如图3和图4.从试验结果可知,上述3个树种根系被拉断之前,其根系变形量从大到小依次为冬瓜杨>杜鹃>峨眉冷杉,其根系最大形变率从大到小依次为冬瓜杨>杜鹃>峨眉冷杉.峨眉冷杉、杜鹃、冬瓜杨的残余变形量依次为2,2.5,3cm.残余形变量也可用以表示根系的伸长系数,根系的伸长系数是反映根系抗滑坡的一个重要指标.因为当土体间出现滑坡裂缝时伸长系数较大的根系有利于把根系所受的拉力向土体深层传递,且伸长系数较大的根系在受拉过程中根系形变量也较大,有利于使根系所受的拉力向根系侧摩阻转化而使根系本身所受的内力减小,这样有利于提高根系固土能力.因此,在长江上游暗针叶林生态系统中,虽然峨眉冷杉为建群种,峨眉冷杉林分为该系统演替的顶级群落.但是,冬瓜杨、杜鹃等林下木对提高林分的固结土体具有重要作用.2.3根系的土壤特性试验研究表明(以峨眉冷杉、高山柳为例),不同根系的抗拉阻力随着根系平均直径的增大而增加,但是,并不完全呈线性比例关系,当根系平均直径增加到一定值时,根系的抗拉阻力会发生一个明显的跃迁(图5,图6),这主要是由于根系本身的抗拉特性在受拉过程中产生了从弹性形变到塑性形变的飞跃.在不同土壤环境中,土壤密度特征影响土体与根系表面的摩擦系数,致使图中曲线出现局部不稳定的波动,平均根系直径较大的根系反而抗阻拉力较小.而根系的抗拉阻力与树干基径在双自然对数坐标下,无论是峨眉冷杉还是高山柳都表现出比较明显的指数函数关系(图7,图8).这表明随着树木年龄的增长,其固持土壤的能力也不断增强,但受土壤特性等其他因子的影响,二者的关系相对较复杂.由于杜鹃根系的生长节理作用杜鹃根系的抗拉强度与根径的相关性较差(r=0.668),峨眉冷杉、冬瓜杨根系的抗拉强度与根径的相关性较强,分别为峨眉冷杉r=0.967,冬瓜杨r=0.951.根系的根径/长比值不同,其适应的抗拉模型不同(图4).根系在一定根径的情况下,根的径/长小于某一值时,根系断裂之前根系始终为弹性模型;当根的径/长增大到某一值,根系抗拉模型表现为弹塑性模型;随着根系根径长比继续增加根系抗拉模型表现为纯塑模型.根系的根径/长比值不同,根系的弹性模量不同.对于一条根系来说由于各断面处直径不相同,其形率小于1.从而造成在根系弹性形变范围内,在根径相同的情况下,根系的根长不同其弹性模量不同.即由于根系形态特性及生物学的特性,在弹性形变范围内,根系的弹性模量并不是一个常量,在弹性形变范围内,弹性模量与根径根长有很好的相关性.随着根系的长度和根径会有变化,表现为弹性模量随根长的增加而减小,随根径的增加而增加.冷杉:y=16.857xd-6.311xl+547.588(n=15,r=0.920,a=0.001)冬瓜杨:y=29.527xd-2.659xl+35.127(n=15,r=0.944,a=0.001)根径范围2~16mm式中,y为根系弹性模量(kg/cm),xd为根系平均直径(mm),xl为根系长度(cm).根系的表面积大小也对根系抗拉阻力有较大的影响.在根径相同的情况下,须根发达的根系比主直根系抗拉强度大.须根增加根系的表面积,增加了根系与土壤的接触面积,也就增加根系与土壤间的摩擦阻力;并且,当须根较少的主直根系根端头受到线性拉力时,整个根系受到的是线性拉应力,由于须根在土壤中的不规则网状分布,当须根性根系根端头受到线性拉力时,网状须根却与土壤间发生了竖向的摩擦力与横向的挤压剪切力,因此增大了根系与土壤间的作用力.3土壤根系的弹性和应力(1)各树种根系在受拉情况下,峨眉冷杉、冬瓜杨根系为典型的弹性断裂,而杜鹃根系由于存在生长节理,根系往往从节理处断裂,为脆性断裂.(2)各树种根系在断裂或完全拔出之前发生的变性过程也有所不同,由于各树种根系形态特性及生物学的特性,在弹性形变范围内根系的弹性模量并不是一个常量,而是随根长的增加而减小,随根径的增加而增加.(3)根系在受力拉断或完全拔出前,3个供试树种根系变形量从大到小依次为冬瓜杨>杜鹃>峨眉冷杉,根系最大形变率从大到小依次为冬瓜杨>杜鹃>峨眉冷杉.峨眉冷杉、杜鹃、冬瓜杨的残余变形量依次为2,2.5,3cm.(4)根系的抗拉强度与根表