1、不同類型植物根系對地莖所受力 的響應(yīng) 專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程匯報(bào)人：郭豐英 導(dǎo)師：李平 教授開題報(bào)告開題報(bào)告 報(bào)告的內(nèi)容 一、研究的目的和意義 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 三、實(shí)驗(yàn)材料和儀器 四、研究內(nèi)容 五、研究的方法 研究的目的和意義 水土資源是人們賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是水土資源是人們賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本要素。但是由于自然條件和人環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本要素。但是由于自然條件和人類長期對水土資源的不合理利用，水土資源遭到嚴(yán)重類長期對水土資源的不合理利用，水土資源遭到嚴(yán)重的損失和破壞的損失和破壞。 植物固土抗蝕是近年來植物生物學(xué)研究的熱點(diǎn)，植物固土抗蝕是近年來植物生物學(xué)研究的熱

2、點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注，根系對固土起主要作用，目前對根系受到廣泛關(guān)注，根系對固土起主要作用，目前對根系固土的研究主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：固土的研究主要表現(xiàn)在三個(gè)方面： （1 1）根系抗拉力學(xué)性能研究）根系抗拉力學(xué)性能研究 （2 2）根）根- -土復(fù)合體抗剪特性的研究土復(fù)合體抗剪特性的研究 （3 3）根）根- -土界面摩擦特性研究土界面摩擦特性研究 但是對于以上的研究都是針對單根的研究，至于但是對于以上的研究都是針對單根的研究，至于對整個(gè)根系的研究，目前還沒有報(bào)道。對整個(gè)根系的研究，目前還沒有報(bào)道。 針對以上情況，研究不同植被在根的各種分布作針對以上情況，研究不同植被在根的各種分布作用下力的傳遞特點(diǎn)，進(jìn)而

3、得出根系固土的最佳效果。用下力的傳遞特點(diǎn)，進(jìn)而得出根系固土的最佳效果。 研究現(xiàn)狀 為了探索植物根系固土作用，以往許多學(xué)者從不為了探索植物根系固土作用，以往許多學(xué)者從不同的側(cè)面對根系的固土作用進(jìn)行了大量的研究和探索，同的側(cè)面對根系的固土作用進(jìn)行了大量的研究和探索，以往采用的方法是：在野外選取一塊徑流小區(qū)，培育以往采用的方法是：在野外選取一塊徑流小區(qū)，培育特定試驗(yàn)品種，但是由于長期在野外工作，研究周期特定試驗(yàn)品種，但是由于長期在野外工作，研究周期長，需要投入大量的人力、物力，所以近幾年人們都長，需要投入大量的人力、物力，所以近幾年人們都轉(zhuǎn)向了根系固土生物力學(xué)特性及根系固土機(jī)理的研究。轉(zhuǎn)向了根系固土

4、生物力學(xué)特性及根系固土機(jī)理的研究。 根系固土生物力學(xué)特性的研究主要有三方面：根系固土生物力學(xué)特性的研究主要有三方面： 根系抗拉特性、根根系抗拉特性、根- -土復(fù)合體抗剪特性、根土復(fù)合體抗剪特性、根- -土界面的土界面的摩擦特性來反映的。摩擦特性來反映的。 （1 1）根系抗拉特性的研究）根系抗拉特性的研究 國內(nèi)外學(xué)者對根系力學(xué)特性的研究主要體現(xiàn)在根國內(nèi)外學(xué)者對根系力學(xué)特性的研究主要體現(xiàn)在根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度及根系的變形特性上，且不同植系抗拉力、抗拉強(qiáng)度及根系的變形特性上，且不同植物根系的抗拉力學(xué)特性表現(xiàn)不同。物根系的抗拉力學(xué)特性表現(xiàn)不同。 1986 1986年阿部和時(shí)、巖元賢等對日本柳杉等多種植

5、物年阿部和時(shí)、巖元賢等對日本柳杉等多種植物 根系進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，植物根系的抗拉根系進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，植物根系的抗拉力與根莖呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。力與根莖呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。19961996年年GrayGray、SotirSotir對不同季節(jié)根系進(jìn)行拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表明，由于冬對不同季節(jié)根系進(jìn)行拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表明，由于冬季土壤含水量較小，導(dǎo)致冬季根系的抗拉強(qiáng)度比夏季季土壤含水量較小，導(dǎo)致冬季根系的抗拉強(qiáng)度比夏季的大，的大，20072007年我國學(xué)者陳麗華等對冷杉、杜鵑等樹木年我國學(xué)者陳麗華等對冷杉、杜鵑等樹木根系進(jìn)行了應(yīng)力根系進(jìn)行了應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明根應(yīng)變關(guān)

6、系的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明根系的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用拋物線模型模擬比較理想。系的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用拋物線模型模擬比較理想。 （2 2）根）根- -土復(fù)合體抗剪特性土復(fù)合體抗剪特性 1968 1968年遠(yuǎn)藤泰等人對栽植白樺和赤楊的剪切箱進(jìn)年遠(yuǎn)藤泰等人對栽植白樺和赤楊的剪切箱進(jìn)行剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在自然含水狀態(tài)下，抗剪強(qiáng)度增量行剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在自然含水狀態(tài)下，抗剪強(qiáng)度增量S S與剪切樣品中根系容積質(zhì)量與剪切樣品中根系容積質(zhì)量M M（g/mg/m2 2) )成線性關(guān)系增成線性關(guān)系增加，即為加，即為S=0.093S=0.093（M-53M-53）。）。19961996年楊亞川等人對野年楊亞川等人對野燕麥、狗尾草為主要植

7、被的土壤草本植物根系復(fù)合體燕麥、狗尾草為主要植被的土壤草本植物根系復(fù)合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究表明，在草本植物覆蓋的情況下復(fù)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究表明，在草本植物覆蓋的情況下復(fù) 合體抗剪強(qiáng)度與正壓力符合庫侖定律，抗剪強(qiáng)度與正壓力符合庫侖定律， （3 3）根）根- -土界面摩擦特性的研究土界面摩擦特性的研究 根系與土體界面的作用特性，決定根根系與土體界面的作用特性，決定根- -土復(fù)合體土復(fù)合體內(nèi)部穩(wěn)定性，根系與土體的之間的靜摩擦力是提高土內(nèi)部穩(wěn)定性，根系與土體的之間的靜摩擦力是提高土體抗剪強(qiáng)度增量的主要因素，體抗剪強(qiáng)度增量的主要因素，20062006年宋維峰對林木根年宋維峰對林木根系固土力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究根系

8、固土力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究根- -土復(fù)合體之間的摩擦特性土復(fù)合體之間的摩擦特性主要與垂直土壓力、土壤密度、土壤含水量等因素與垂直土壓力、土壤密度、土壤含水量等因素 有關(guān)等等。有關(guān)等等。 植物根系固土機(jī)理主要分為加筋作用和錨固作用植物根系固土機(jī)理主要分為加筋作用和錨固作用, ,植物根系穿插與土壤中植物根系穿插與土壤中, ,就類似于鋼筋包裹在混凝土中，就類似于鋼筋包裹在混凝土中，土體與根系之間形成緊密的復(fù)合體，當(dāng)土體受到破壞土體與根系之間形成緊密的復(fù)合體，當(dāng)土體受到破壞時(shí)，根系與土體共同抵抗外力導(dǎo)致的破壞。根系的錨時(shí)，根系與土體共同抵抗外力導(dǎo)致的破壞。根系的錨固可以從組合梁作用、擠壓加固作用等幾個(gè)方面來

9、解固可以從組合梁作用、擠壓加固作用等幾個(gè)方面來解釋。釋。 實(shí)驗(yàn)材料和儀器 （1 1）試驗(yàn)所用的材料：一種是忽略變形的根系，采）試驗(yàn)所用的材料：一種是忽略變形的根系，采用直徑為用直徑為3mm3mm的鋁絲，另一種是考慮變形的根系，采用的鋁絲，另一種是考慮變形的根系，采用彈性模量為彈性模量為1.29GPa1.29GPa的彈性材料。的彈性材料。 （2 2）試驗(yàn)所用的儀器是）試驗(yàn)所用的儀器是HG-100HG-100數(shù)顯式推拉力計(jì)，它數(shù)顯式推拉力計(jì)，它是新一代通用型便攜式的拉壓負(fù)荷測量儀器，具有高是新一代通用型便攜式的拉壓負(fù)荷測量儀器，具有高分辨率、攜帶方便等特點(diǎn)。設(shè)有負(fù)荷實(shí)時(shí)值、峰值切分辨率、攜帶方便等

10、特點(diǎn)。設(shè)有負(fù)荷實(shí)時(shí)值、峰值切換鍵，可做負(fù)荷峰值及負(fù)荷實(shí)時(shí)值測試，可實(shí)現(xiàn)拉斷換鍵，可做負(fù)荷峰值及負(fù)荷實(shí)時(shí)值測試，可實(shí)現(xiàn)拉斷即停，力值保持、施加力限制、疲勞試驗(yàn)等各種新型即停，力值保持、施加力限制、疲勞試驗(yàn)等各種新型 使用功能，可以連接上位機(jī)對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、打印、刪除、分析等操作。 研究內(nèi)容 研究方法 1 1 不同根系分布的受力特點(diǎn)研究不同根系分布的受力特點(diǎn)研究 100cm100cm100cm100cm100cm100cm的箱子的箱子 ，四面開通，把數(shù)，四面開通，把數(shù)顯式推拉力計(jì)以和根系以相同的角度固定在箱子的底顯式推拉力計(jì)以和根系以相同的角度固定在箱子的底部，然后把根固定在拉力計(jì)端部的掛鉤上

11、，地莖從頂部，然后把根固定在拉力計(jì)端部的掛鉤上，地莖從頂部垂直伸出，然后在離根部部垂直伸出，然后在離根部4cm4cm的地方固定拉力計(jì)。的地方固定拉力計(jì)。 (1) (1)沿軸向?qū)λ椒植几凳┘油饬ρ剌S向?qū)λ椒植几凳┘油饬?1) 1) 只有一級根的情況下，沿軸向?qū)ζ涫┲挥幸患壐那闆r下，沿軸向?qū)ζ涫?加外力。加外力。 實(shí)驗(yàn)平臺 2 2）一級和二級根都具備的情況下，沿軸向?qū)ζ涫┮患壓投壐季邆涞那闆r下，沿軸向?qū)ζ涫┘油饬Α＜油饬Α?（2 2）沿軸向?qū)λ椒植几凳┘油饬Γ┭剌S向?qū)λ椒植几凳┘油饬?1 1）只有一級根的情況下，沿軸向?qū)ζ涫┘油饬?。）只有一級根的情況下，沿軸向?qū)ζ涫┘油饬Α?/p>

12、 2 2）一級和二級根都具備的情況下，沿軸向?qū)ζ涫┮患壓投壐季邆涞那闆r下，沿軸向?qū)ζ涫┘油饬Α＜油饬Α?然后分別記錄其試驗(yàn)結(jié)果和圖形，然后用結(jié)構(gòu)力然后分別記錄其試驗(yàn)結(jié)果和圖形，然后用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器模擬根系，對其求力，與試驗(yàn)結(jié)果對比。分學(xué)求解器模擬根系，對其求力，與試驗(yàn)結(jié)果對比。分析根系力的分布特點(diǎn)。析根系力的分布特點(diǎn)。 2 2 外力與地莖成一定的夾角時(shí)，根系力的分布特點(diǎn)研究外力與地莖成一定的夾角時(shí)，根系力的分布特點(diǎn)研究 （1 1）水平分布根系所受力的分布特點(diǎn)）水平分布根系所受力的分布特點(diǎn) 1 1）只有一級根的情況下，根系所受力的分布特點(diǎn)）只有一級根的情況下，根系所受力的分布特點(diǎn) 2 2）

13、一級和二級根都具備的情況下，根系所受力的）一級和二級根都具備的情況下，根系所受力的分布特點(diǎn)分布特點(diǎn) （2 2）垂直分布根系所受力的分布特點(diǎn)）垂直分布根系所受力的分布特點(diǎn) 1 1）只有一級根的情況下，根系所受力的分布特點(diǎn)）只有一級根的情況下，根系所受力的分布特點(diǎn) 2 2）一級和二級根都具備的情況下，根系所受力的分布）一級和二級根都具備的情況下，根系所受力的分布特點(diǎn)特點(diǎn) 然后分別記錄其試驗(yàn)結(jié)果和圖形，然后用結(jié)構(gòu)力學(xué)然后分別記錄其試驗(yàn)結(jié)果和圖形，然后用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器模擬根系，對其求力，與試驗(yàn)結(jié)果對比，分析求解器模擬根系，對其求力，與試驗(yàn)結(jié)果對比，分析根系力的分布特點(diǎn)。根系力的分布特點(diǎn)。 3 3 根系材料的特性對力的分布特點(diǎn)的影響根系材料的特性對力的分布特點(diǎn)的影響 具體的試驗(yàn)方法：選用一級和二級根都具備的水具