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3种水土保持植物根系固土力学特性研究

3种水土保持植物根系固土力学特性研究

作者：郝需婷内蒙古农业大学

学位级别：硕士

内蒙古中西部地区气候条件和地貌类型复杂多样,从而形成了敏感的环境脆弱生态区,多年来致力于通过植物措施,对破损的生态环境进行修复。因植物根系在土体中交叉、纠缠且与土体相互作用,对土体形成类似“加筋”和“固锚”作用,以此来提... 详细信息

内蒙古中西部地区气候条件和地貌类型复杂多样,从而形成了敏感的环境脆弱生态区,多年来致力于通过植物措施,对破损的生态环境进行修复。因植物根系在土体中交叉、纠缠且与土体相互作用,对土体形成类似“加筋”和“固锚”作用,以此来提高土体抵抗外界的各种侵蚀力,成为植物固土能力的主要表现。本文以内蒙古半干旱区3种典型的水土保持植物:柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)为对象,通过野外原位试验和室内模拟实验相结合的办法:野外进行3种植物单根的极限抗拉、抗弯、抗折材料力学特性、根系受剪受损后自修复的力学特性的研究;室内进行根-土复合体抗剪特性的研究,并分析垂直荷载、布根数量等影响因素、根-土界面摩阻特性的研究。主要研究结论如下:(1)3种植物野外实地试验结果表明:单根瞬时极限抗拉力和抗折力以及抗拉强度和抗折强度种间差异显著,均表现为柠条锦鸡儿>沙棘>紫花苜蓿,而抗弯力和抗弯强度均表现为柠条锦鸡儿>紫花苜蓿>沙棘。3种植物承受损伤力的大小均表现为:抗拉力>抗折力>抗弯力。(2)相同条件下,根-土复合体抗剪强度大小为:柠条锦鸡儿(15.96±3.13)KPa>沙棘(13.57±2.31)KPa>紫花苜蓿(8.44±2.85)KPa>素土(6.17±0.91)KPa,残余强度为柠条锦鸡儿(9.84±2.18)KPa>沙棘(7.67±1.63)KPa>紫花苜蓿(4.14±1.58)KPa>素土(3.68±0.85)KPa。表明:根系可以有效提高土体的抗剪强度、残余强度,且显著增强土体的稳定性。(3)损伤程度显著影响根系生长和极限抗剪的自修复能力,重度损伤(C程度:平均极限剪力的75%)对3种植物的存活率、抗剪能力的影响显著大于轻度(A程度:平均极限剪力的35%)和中度(B程度:平均极限剪力的55%)的损伤,极易造成根系死亡进而导致植株死亡。3种植物在受A、B、C 3个剪力损伤力自修复1个月后,植株整体存活率分别为76.67%、70%、53.33%,自修复3个月后的存活率分别为100%、93.33%、80%,植物根系在受剪力损伤后可以进行自我修复,受到的损伤力越小,整体的存活率越高。3种植物经过1个月和3个月的自修复,受损的根-土复合体的抗剪强度数值均大于素土,且小于未受损的平行对照。3种植物相比较,柠条锦鸡儿根系受剪受损后的自修复能力较强,沙棘次之,紫花苜蓿恢复能力最弱。(4)素土及3种植物根-土复合体抗剪强度随着垂直荷载的增大而增大,二者呈线性正相关,相关系数均大于0.9。在相同垂直荷载下,3种植物根-土复合体的抗剪强度随着布根数量的增加呈先增加后减少的趋势,在布根数量为4时达到峰值;3种植物根-土复合体的摩擦系数随着布根数量的增加总体上表现为先增加后减小的趋势;内摩擦角随着布根数量的增加变化不明显。(5)3种植物根-土界面平均抗阻拉力随着根径的增大而呈线性增大,根-土界面拉拔剪切强度随根系径直径的增加均呈幂函数减小趋势;根-土界面抗剪强度随着土壤中的含水率不断的增加表现为先增加而后减小的趋势;仪器加载速度对根-土界面拉拔抗剪强度无明显影响;根-土界面拉拔抗剪强度随着土壤含水率的增加在沙土和黄土中的变化趋势呈现先增加后减少的趋势,且黄土的抗剪强度均高于沙土,表明土壤类型对根-土界面拉拔抗剪强度的影响显著。

关键词：根系力学特性自修复根-土复合体根-土界面

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典型固沙植物梭梭平茬后茎干液流的变化特征

草业科学 2024年

作者：黄雅茹马迎宾郝需婷韩春霞崔健董雪王浩伊中国林业科学研究院沙漠林业实验中心林业和草原局防沙治沙工程技术研究中心乌兰布和沙漠综合治理国家长期科研基地内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站

梭梭（Haloxylon ammodendron）是防风固沙典型树种，近几年，部分梭梭林呈现衰退迹象，严重影响了防护林体系的防风固沙效益。平茬是减少干旱区梭梭植物水分胁迫的有效抚育管理措施，研究不同平茬处理下梭梭液流速率变化及其与气象因... 详细信息

梭梭（Haloxylon ammodendron）是防风固沙典型树种，近几年，部分梭梭林呈现衰退迹象，严重影响了防护林体系的防风固沙效益。平茬是减少干旱区梭梭植物水分胁迫的有效抚育管理措施，研究不同平茬处理下梭梭液流速率变化及其与气象因子的关系可帮助揭示平茬后梭梭的水分传输规律。本研究利用热扩散茎流计和自动气象站对乌兰布和沙漠不同平茬处理下梭梭的液流和气象因子进行监测。结果表明：不同平茬处理（未平茬、留茬75%、留茬50%、留茬25%、留茬0%）的液流小时尺度变化为“几字宽峰型”，未平茬梭梭为“单峰型”。不同平茬处理梭梭日均耗水量为留茬50%（15.37 kg）＞留茬75%（11.77 kg）＞未平茬（9.37 kg）＞留茬0%（3.29 kg）＞留茬25%（2.03 kg），处理之间存在极显著 (P＜0.01) 差异。液流速率与太阳辐射、空气温度、相对湿度、饱和水气压差存在非对称响应，未平茬、留茬75%、留茬50%、留茬25%、留茬0%与太阳辐射、相对湿度呈逆时针环状或逆时针斜8字型，而与空气温度、饱和水气压差呈顺时针环状或顺时针斜8字型。经主成分分析，小时尺度及日尺度下，太阳辐射是影响平茬、未平茬梭梭液流速率的主要气象因子。综上，以耗水量为依据，建议乌兰布和沙漠梭梭以留茬25%处理为最佳。研究结果为今后梭梭林生态需水量的估算及抚育管理提供了理论依据。

关键词：平茬茎流梭梭乌兰布和沙漠气象因子耗水量太阳辐射

黄河乌兰布和沙漠段不同生长时期植物叶功能性状特征

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生态学报 2024年

作者：郝需婷黄雅茹张帅崔健王浩伊郝惠忠马迎宾中国林业科学研究院沙漠林业实验中心国家林业草原防沙治沙工程技术研究中心内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站内蒙古河套灌区水利发展中心乌拉特分中心长济渠供水所

揭示黄河乌兰布和沙漠地区旱柳和梭梭叶功能性状在不同生长时期的变异规律，探明旱柳和梭梭对该区特殊环境的适应策略。以黄河乌兰布和沙漠段旱柳（Salix matsudana）和梭梭（Haloxylon ammodendron）为研究对象，在生长初期（5月初）... 详细信息

揭示黄河乌兰布和沙漠地区旱柳和梭梭叶功能性状在不同生长时期的变异规律，探明旱柳和梭梭对该区特殊环境的适应策略。以黄河乌兰布和沙漠段旱柳（Salix matsudana）和梭梭（Haloxylon ammodendron）为研究对象，在生长初期（5月初）、生长旺盛期（7月初）、生长末期（9月初）3个时期分别测定14个叶功能性状，分析不同生长时期叶功能性状的变异与性状间的相关性及其对气象因子的响应。结果表明：（1）在不同生长时期，2种植物的叶功能性状均发生不同程度变异，其中，梭梭叶干重（LDW）、旱柳相对水分亏缺（RWD）变异系数最大，分别为91.78%、45.74%,2种植物的叶碳稳定同位素比率（δ13C）变异系数均为最小（均小于5%）；旱柳叶含水量（LWC）、叶宽（LW）、叶形指数（LSI），梭梭LWC、比叶面积（SLA）、比叶重（SLW）在生长初期、旺盛期、末期间均存在显著差异（P<0.05）。（2）梭梭叶功能性状间的相关性较旱柳高；叶长（LL）、δ13C是两种植物叶功能性状中综合排名前3的共同指标因子。（3）气象因素分别解释了旱柳23.89%、梭梭26.87%的叶功能性状变异，其中比湿度（QV）和降水（PCP）分别是影响旱柳、梭梭叶功能性状的主要气象因子；QV和晴空表面有效辐射总数（PAR）是共同影响两种植物叶功能性状的气象因子。植物可以通过改变叶功能性状及性状间的权衡关系，调整资源获取能力和物质分配去适应复杂的环境变化，形成最适生存策略。

关键词：旱柳梭梭叶功能性状不同生长时期气象因子适应策略

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固沙先锋树种沙柳枝条力学特性及其影响因素

中国农业大学学报 2021年第11期26卷 84-96页

作者：王争贤格日乐崔天民郝需婷张永亮斯琴内蒙古农业大学沙漠治理学院呼和浩特010011 内蒙古农业大学草原与资源环境学院呼和浩特010011

以内蒙古干旱半干旱沙区固沙先锋树种沙柳(Salix psammophila)枝条为对象,研究其冬季休眠期抗拉、抗剪与抗弯力学特性,分析枝条长度、直径及其化学组分等对其力学特性的影响,为丰富植物固沙能力的评估指标体系,也为沙柳平茬机具的研制... 详细信息

以内蒙古干旱半干旱沙区固沙先锋树种沙柳(Salix psammophila)枝条为对象,研究其冬季休眠期抗拉、抗剪与抗弯力学特性,分析枝条长度、直径及其化学组分等对其力学特性的影响,为丰富植物固沙能力的评估指标体系,也为沙柳平茬机具的研制提供生物力学依据。结果显示:在测试径级0.5~2.5mm时,沙柳枝条的极限抗拉力为14.05~52.02N、抗剪力为16.26~80.04N、抗弯力为1.02~3.54N,均随着直径的增大而增大,应力直径递增函数不同;极限抗拉强度为8.96~66.19 MPa、抗剪强度为8.04~39.87 MPa、抗弯强度为1566.46~46.71MPa,均随直径的增大而减小,应力强度-直径递减函数不同。表明直径是影响枝条力学特性的重要影响因子。随着枝条长度的增长,其抗弯强度呈增大的趋势,而抗拉强度和抗剪强度无明显的变化规律;沙柳枝条极限抗拉力均值36.19±3.29N>抗剪力均值50.04±4.54N,枝条极限抗拉强度均值31.01±2.81 MPa>抗剪强度均值16.98±1.54MPa,说明枝条易破坏外力类型为剪切力。沙柳枝条抗拉强度、剪切强度和抗弯强度与纤维素、半纤维素含量呈显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关,与木质素含量呈显著正相关(P<0.05)。试验结果表明影响枝条抗拉、抗剪和抗弯强度的因素中纤维素和半纤维素起主要作用,其次是木质素含量。

关键词：沙柳枝条力学特性抗拉强度抗剪强度纤维素

不同类型土壤-柠条根系复合抗剪力学特性的比较

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土壤通报 2021年第4期52卷 821-827页

作者：杨锐婷格日乐郝需婷王争贤崔天民内蒙古农业大学内蒙古呼和浩特010011

为揭示柠条根系固土抗蚀机理,以柠条锦鸡儿与低液限粘土、砒砂岩风化土、含细粒土砂3种土壤类型的根土复合体做为对象进行室内直剪试验,研究3种土壤类型的柠条根土复合体抗剪强度及强度指标,分析其差异性。结果表明:3种不同土壤类型下... 详细信息

为揭示柠条根系固土抗蚀机理,以柠条锦鸡儿与低液限粘土、砒砂岩风化土、含细粒土砂3种土壤类型的根土复合体做为对象进行室内直剪试验,研究3种土壤类型的柠条根土复合体抗剪强度及强度指标,分析其差异性。结果表明:3种不同土壤类型下柠条根土复合体剪切规律均服从摩尔-库仑强度破坏准则。0.05显著水平下,12.5 kpa下根系提高土体抗剪强度优于25 kpa。抗剪强度、残余抗剪强度及二者的强度指标均为柠条根与3种土壤类型根土复合体优于相应素土。抗剪强度、残余抗剪强度、粘聚力及残余粘聚力大小排序为:低液限粘土根土复合体>砒砂岩风化土根土复合体>含细粒土砂根土复合体,内摩擦角和残余内摩擦角大小排序为:含细粒土砂根土复合体>砒砂岩风化土根土复合体>低液限粘土根土复合体。粘聚力、残余粘聚力的增长率区间为9.97%~45.78%,内摩擦角和残余内摩擦角的增长率区间为-4.09%~2.40%。根会增强土壤抗剪强度及残余抗剪强度。柠条根系对提高低液限粘土的抗剪特性作用效果最明显,提升效果最好。粘聚力在根土复合体抗剪强度、残余抗剪强度的增加中起主要作用。

关键词：柠条根土复合体土壤类型抗剪强度强度指标

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非生长时期6种植物枝条的抗折力学特性

水土保持通报 2019年第4期39卷 61-67页

作者：格日乐郝需婷苏日娜黄静崔天民内蒙古农业大学沙漠治理学院

[目的]对内蒙古自治区中西部非生长时期6种植物枝条抗折力学特性进行研究,为该区防风阻沙植物种的选择及其混交配置提供生物力学方面的科学参考。[方法]采用YG(B)026 H-250型织物强力机和自制夹具,室内进行枝条抗折试验,比较6种植物枝... 详细信息

[目的]对内蒙古自治区中西部非生长时期6种植物枝条抗折力学特性进行研究,为该区防风阻沙植物种的选择及其混交配置提供生物力学方面的科学参考。[方法]采用YG(B)026 H-250型织物强力机和自制夹具,室内进行枝条抗折试验,比较6种植物枝条抗折力和抗折强度,分析枝长和直径对抗折力学强度指标的影响。[结果]①在0.5~2.5 mm测试径级范围,6种植物枝条抗折力随直径的增加而增大,抗折强度则随直径的增加呈幂函数递减;②在测试径级0.5~2.5 mm范围内枝长在60 mm时柠条枝条抗折力、抗折强度最大,其值分别为51.700 N和33.510 MPa,枝长在80 mm时种间抗折力、抗折强度最大为柽柳,其值分别为61.777 N和30.821 MPa,枝长在100 mm时种间抗折力、抗折强度最大为沙柳,其值分别是62.237 N和33.156 MPa。[结论]6种植物枝条在非生长时期其抗折力和抗折强度随着直径、枝条长度的增加其变化特点表现不一致,表明植物种不同、枝长不同则对枝条抗折力、抗折强度的影响亦有差异,这也从另外一方面证明生态修复中只有实现多树种结合的修复方式才是最优水土保持功能实现的模式。

关键词：非生长时期枝条抗折力抗折强度

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不同林龄小胡杨叶性状研究

干旱区资源与环境 2022年第6期36卷 89-94页

作者：马迎宾黄雅茹张景波赵英铭郝需婷张帅中国林业科学研究院沙漠林业实验中心磴口015200 国家林业和草原局防沙治沙工程技术研究中心磴口015200 乌兰布和沙漠综合治理国家长期科研基地磴口015200 内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站磴口015200

通过对小胡杨不同林龄叶结构型性状和功能型性状的测定,探究叶性状与林龄的关系,为评价小胡杨在沙漠绿洲的引种表现提供理论依据。结果表明:不同林龄小胡杨叶面积、叶干重、叶干物质含量、叶长宽比、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞... 详细信息

通过对小胡杨不同林龄叶结构型性状和功能型性状的测定,探究叶性状与林龄的关系,为评价小胡杨在沙漠绿洲的引种表现提供理论依据。结果表明:不同林龄小胡杨叶面积、叶干重、叶干物质含量、叶长宽比、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO_(2)浓度存在显著差异,叶面积、叶干重、叶干物质含量、叶长宽比与林龄呈极显著线性正相关(p<0.01),比叶面积与小胡杨林龄之间呈极显著线性负相关(p<0.01),净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO_(2)浓度与林龄呈极显著线性正相关(p<0.01)。

关键词：叶性状林龄小胡杨乌兰布和沙漠

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4种不同植被群落类型表土的抗蚀力学特性

水土保持通报 2019年第3期39卷 1-6页

作者：格日乐郝需婷苏日娜孙保平黄静崔天民内蒙古农业大学沙漠治理学院内蒙古呼和浩特010019 北京林业大学水土保持学院北京100083

[目的]研究黄土高原农林业生产表层土壤水土流失,为该区域及其相似地区生态修复中树种选择及配置提供科学依据。[方法]以杨树+柠条乔灌混交林、杨树纯林、油松常绿针叶林和柠条灌木纯林下4种不同植被群落类型下表土为对象,进行抗剪力学... 详细信息

[目的]研究黄土高原农林业生产表层土壤水土流失,为该区域及其相似地区生态修复中树种选择及配置提供科学依据。[方法]以杨树+柠条乔灌混交林、杨树纯林、油松常绿针叶林和柠条灌木纯林下4种不同植被群落类型下表土为对象,进行抗剪力学特性研究,并分析土壤含水率对其力学特性的影响力。[结果]在测试表土含水率2.5%~12.5%范围内,4种不同植被类型及裸地对照样地土壤结皮抗剪强度和黏聚力均随着土壤含水率的增加呈增大的趋势,表明在一定范围内表土湿润程度的增加对提高土壤表层抗蚀能力起到积极作用;4种不同植被群落类型表土抗剪强度和黏聚力的值均显著大于裸地的值,说明水土保持的林草措施对表层土壤结构的改善起到了促进作用,从而提高了表层土壤的抗侵蚀能力;在测试含水率2.5%~12.5%范围内随着含水率的增加各样地表土内摩擦角无明显的变化规律。[结论]4种不同植被群落类型中柠条+杨树混交林下表土抗剪强度、黏聚力总体表现最大,这也从另外一方面说明了水土保持的林草措施中营造混交林的优越性。

关键词：表土抗剪强度黏聚力内摩擦角土壤含水率

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5种植物根系生物力学特性

东北林业大学学报 2021年第8期49卷 18-23,30页

作者：郝需婷格日乐张永亮斯琴王争贤杨锐婷内蒙古农业大学呼和浩特010011

为探究根系固土力学机理,于2019年5月初,分别对5种植物0~6 mm直根的相同根径施加70%平均极限抗拉力,进行原位瞬时轴向拉伸受损试验。3个月后,根据其愈伤后存活率、活力值、直根极限应变、弹性模量的变化,与平行对照(未受损)进行比较,分... 详细信息

为探究根系固土力学机理,于2019年5月初,分别对5种植物0~6 mm直根的相同根径施加70%平均极限抗拉力,进行原位瞬时轴向拉伸受损试验。3个月后,根据其愈伤后存活率、活力值、直根极限应变、弹性模量的变化,与平行对照(未受损)进行比较,分析5种植物根系固土力学特性的共同规律及种间差异。结果表明:愈伤3个月后,试验根存活率、活力值较平行对照均有明显下降,降低值由大到小依次为:沙棘、柠条、杨柴、沙打旺、紫花苜蓿。5种植物在代表根径级为0~1.5 mm时,其在愈伤后直根极限应变均值由大到小依次为紫花苜蓿(14.89±0.98)、沙棘(13.35±0.95)、杨柴(12.68±0.82)、沙打旺(12.66±0.76)、柠条(8.68±0.43);平行对照的直根极限应变均值由大到小依次为柠条(27.76±2.16)、沙棘(16.95±1.36)、杨柴(16.39±1.17)、沙打旺(16.13±1.18)、紫花苜蓿(12.59±0.69)。愈伤自修复后直根弹性模量均值由大到小依次为沙打旺(4.12±0.35)、杨柴(3.61±0.12)、紫花苜蓿(2.79±0.14)、柠条(2.21±0.21)、沙棘(1.64±0.13);平行对照的直根弹性模量均值由大到小依次为柠条(3.89±0.23)、沙棘(2.74±0.19)、杨柴(2.47±0.18)、沙打旺(2.22±0.07)、紫花苜蓿(0.86±0.073)。5种植物根系在受拉受损后经愈伤自修复后发现,草本植物根系恢复抗拉能力比灌木、半灌木强。

关键词：植物根系受损愈伤自修复极限应变弹性模量