森林生態系統主要樹種根系抗拉試驗

森林生態系統強大的根系可以保護土壤，減少平坦的坡度和崩塌等重力侵蝕。塔加山長江上游地區主要為冷杉（abiefabri）主要的深褐色針葉林，是中國保存最完好的原始森林生態系統之一。也是中國長江上游亞高山森林植被的主要代表。它對長江上游森林生態系統有著很強的代表性。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，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。當土壤發生移動時，它們將不可避免地促進分布在滑動表面以上的傾斜體的根系的移動。因此，森林生態系統中樹種根系與土壤結合的程度和根系抗拉力的強度對滑動體的發生和發展起著重要的控制作用。在這項工作中，我們研究了貢嘎山森林生態系統不同步長階段的森林群落類型的樹種根系結構和抗拉力學特征，并探索了該地區森林生態系統中樹種根系的固土機制。為我國天然林保護工程提供了理論參考。1研究區域的概論和研究方法1.1森林植被群落研究區位于貢嘎山東坡海螺溝亞高山暗針葉林地帶,地理坐標為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,大氣相對濕度大于90%,屬山地寒溫帶氣候類型.該區為泥石流多發區和現代冰川分布區,受不同時期發生泥石流和冰川活動的影響,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,此后隨著環境的改善,經過一系列演替過程,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主要樹種抗拉試驗根據貢嘎山森林植被演替過程中的主要群落樹種組成,對長江上游貢嘎山地區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,進行根系抗拉試驗.1.2.1uv/分度的測量測量精度為0.01%、靈敏度為0.2UV/分度的電子測量儀(KX3900);美國產20KNS剪切型拉力傳感器(USLOAD);以及一些自制的配套裝置.1.2.2單樹整株拉拔試驗對31株上述樹種不同胸徑(1~5cm)的樹木進行單樹整株拉拔試驗,觀測記錄整個拉拔過程不同時間、不同加載應力條件下樹木根系位移及變形量、拉拔時間和最終拔出時的最大應力.1.2.3試驗觀測和記錄對上述樹種不同根徑(2~30mm)、不同根長的單根進行拉拔試驗,觀測記錄單根整個拉拔過程不同時間、不同加載應力條件單根位移及變形量、拉拔時間和拔出或拔斷時的最大應力.2結果與分析2.1根系斷裂分析根系抗拉實質是軸向應力作用下順纖維抗拉,當荷載達到一定程度根系會發生斷裂或連根拔出.貢嘎山森林生態系統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部斷裂,斷裂面參差不齊,根系斷口與最大正應力一致,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節理,根系受拉后往往在節理處斷裂,即根系并不是在根系最細部斷裂,斷口平滑,且與最大正應力垂直,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性較差,杜鵑根系在拉拔過程中尚未達到根系本身材料的抗拉強度時已發生斷裂,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構的材料,根系在加載環境條件下將發生彈性變形、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而造成的變形稱為塑性變形,這種分子鏈的滑動是不可逆轉的,因此根系塑性形變是不可逆的.長江上游貢嘎山暗針葉林生態系統中主要樹種峨眉冷杉、冬瓜楊、杜鵑等3個樹種的根系應力——應變曲線如圖3和圖4.從試驗結果可知,上述3個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系數,根系的伸長系數是反映根系抗滑坡的一個重要指標.因為當土體間出現滑坡裂縫時伸長系數較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞,且伸長系數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摩阻轉化而使根系本身所受的內力減小,這樣有利于提高根系固土能力.因此,在長江上游暗針葉林生態系統中,雖然峨眉冷杉為建群種,峨眉冷杉林分為該系統演替的頂級群落.但是,冬瓜楊、杜鵑等林下木對提高林分的固結土體具有重要作用.2.3根系的土壤特性試驗研究表明(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系,當根系平均直徑增加到一定值時,根系的抗拉阻力會發生一個明顯的躍遷(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生了從彈性形變到塑性形變的飛躍.在不同土壤環境中,土壤密度特征影響土體與根系表面的摩擦系數,致使圖中曲線出現局部不穩定的波動,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數坐標下,無論是峨眉冷杉還是高山柳都表現出比較明顯的指數函數關系(圖7,圖8).這表明隨著樹木年齡的增長,其固持土壤的能力也不斷增強,但受土壤特性等其他因子的影響,二者的關系相對較復雜.由于杜鵑根系的生長節理作用杜鵑根系的抗拉強度與根徑的相關性較差(r=0.668),峨眉冷杉、冬瓜楊根系的抗拉強度與根徑的相關性較強,分別為峨眉冷杉r=0.967,冬瓜楊r=0.951.根系的根徑/長比值不同,其適應的抗拉模型不同(圖4).根系在一定根徑的情況下,根的徑/長小于某一值時,根系斷裂之前根系始終為彈性模型;當根的徑/長增大到某一值,根系抗拉模型表現為彈塑性模型;隨著根系根徑長比繼續增加根系抗拉模型表現為純塑模型.根系的根徑/長比值不同,根系的彈性模量不同.對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,在根徑相同的情況下,根系的根長不同其彈性模量不同.即由于根系形態特性及生物學的特性,在彈性形變范圍內,根系的彈性模量并不是一個常量,在彈性形變范圍內,彈性模量與根徑根長有很好的相關性.隨著根系的長度和根徑會有變化,表現為彈性模量隨根長的增加而減小,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為根系長度(cm).根系的表面積大小也對根系抗拉阻力有較大的影響.在根徑相同的情況下,須根發達的根系比主直根系抗拉強度大.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,當須根較少的主直根系根端頭受到線性拉力時,整個根系受到的是線性拉應力,由于須根在土壤中的不規則網狀分布,當須根性根系根端頭受到線性拉力時,網狀須根卻與土壤間發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節理,根系往往從節理處斷裂,為脆性斷裂.(2)各樹種根系在斷裂或完全拔出之前發生的變性過程也有所不同,由于各樹種根系形態特性及生物學的特性,在彈性形變范圍內根系的彈性模量并不是一個常量,而是隨根長的增加而減小,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)根系的抗拉強度與根表