林木根系基本力學(xué)性質(zhì)

內(nèi)容概要

林木根系的力學(xué)性質(zhì)是根系固土研究的基礎(chǔ)，也是近年來(lái)多學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，受到廣泛關(guān)注?！读帜靖祷玖W(xué)性質(zhì)》基于彈塑性力學(xué)、水土保持學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等原理和方法，采用野外試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、試驗(yàn)測(cè)定與理論分析相結(jié)合的技術(shù)路線，通過(guò)調(diào)查分析油松、華北落葉松、白樺、蒙古櫟和榆樹(shù)的根系形態(tài)，構(gòu)建了這五個(gè)樹(shù)種根系形態(tài)的分布模型；通過(guò)對(duì)林木根系的拉伸實(shí)驗(yàn)，揭示了根系的最大抗拉力、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等抗拉特性與根系直徑、標(biāo)距和加載速度等方面的聯(lián)系；運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分析數(shù)據(jù)的潛在意義，歸納出林木單根抗拉力學(xué)特性的綜合模型；通過(guò)對(duì)纖維素、木質(zhì)素和半纖維素含量的測(cè)定，揭示根系抗拉特性的內(nèi)因，建立根系主要化學(xué)成分與抗拉特性間的關(guān)系。
《林木根系基本力學(xué)性質(zhì)》可作為科研院所林學(xué)、水土保持等相關(guān)專業(yè)研究生的參考教材，也可作為從事林業(yè)、水土保持、生態(tài)、環(huán)境等方面研究的專業(yè)技術(shù)人員、科研人員和相關(guān)專業(yè)本科生的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

叢書(shū)序前言第1章 根系抗拉基本力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀1.1 根系抗拉力學(xué)特性1.1.1 根系拉伸斷裂形態(tài)1.1.2 根系抗拉強(qiáng)度及破壞極限荷載1.1.3 根系抗拉變形特性1.1.4 影響根系抗拉特性的主要因素1.2 根系主要化學(xué)成分與抗拉力學(xué)特性間的關(guān)系1.2.1 根系纖維素含量與抗拉特性1.2.2 根系木質(zhì)素含量與抗拉特性1.2.3 根系半纖維素含量與抗拉特性1.3 根顯微結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀1.3.1 根的顯微結(jié)構(gòu)1.3.2 根的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性間的關(guān)系1.4 研究展望第2章 根系力學(xué)性質(zhì)分析相關(guān)理論2.1 強(qiáng)度理論2.1.1 材料破壞的兩種形式2.1.2 四個(gè)常用的古典強(qiáng)度理論2.1.3 莫爾強(qiáng)度理論2.2 本構(gòu)關(guān)系模型2.2.1 線彈性類本構(gòu)模型2.2.2 非線彈性類本構(gòu)模型2.2.3 彈塑性類本構(gòu)模型第3章 試驗(yàn)材料與研究方法3.1 研究區(qū)域概況3.1.1 氣候3.1.2 地形地貌3.1.3 土壤3.1.4 植被概況3.2 研究樹(shù)種的選擇3.2.1 選擇依據(jù)3.2.2 研究樹(shù)種的生物學(xué)及生態(tài)學(xué)特性3.3 研究方法3.3.1 野外取樣3.3.2 根系拉伸試驗(yàn)3.3.3 根系主要化學(xué)成分分析3.3.4 根系顯微結(jié)構(gòu)觀察實(shí)驗(yàn)第4章 根系形態(tài)4.1 根系形態(tài)研究方法4.1.1 根系形態(tài)調(diào)查方法4.1.2 林木根系累積模型4.1.3 統(tǒng)計(jì)方法4.2 不同樹(shù)種形態(tài)分析4.2.1 根長(zhǎng)-根徑關(guān)系4.2.2 根長(zhǎng)-土層深度關(guān)系4.2.3 根系生物量-根徑關(guān)系4.2.4 根系垂直分布根型4.3 各樹(shù)種根的形態(tài)模型4.3.1 根系形態(tài)模擬步驟4.3.2 根系形態(tài)模擬效果4.4 小結(jié)第5章 林木根系抗拉特性5.1 林木根系最大抗拉力分析5.1.1 不同樹(shù)種抗拉力的比較5.1.2 根系抗拉力與直徑的關(guān)系5.1.3 根系抗拉力與標(biāo)距的關(guān)系5.1.4 根系抗拉力與加載速率的關(guān)系5.1.5 根系抗拉力影響因素分析5.2 林木根系抗拉強(qiáng)度的分析比較5.2.1 不同樹(shù)種抗拉強(qiáng)度的比較5.2.2 根系抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系5.2.3 根系抗拉強(qiáng)度與標(biāo)距的關(guān)系5.2.4 根系抗拉強(qiáng)度與加載速率的關(guān)系5.2.5 根系抗拉強(qiáng)度影響因素分析5.3 林木根系彈性模量5.3.1 不同樹(shù)種根系彈性模量比較5.3.2 根系彈性模量與直徑的關(guān)系5.3.3 根系彈性模量與加載速率的關(guān)系5.3.4 根系彈性模量影響因素分析5.4 林木根系延伸率與殘余應(yīng)變5.4.1 不同樹(shù)種根系延伸率比較5.4.2 不同直徑根系的殘余應(yīng)變比較5.4.3 不同標(biāo)距根系殘余應(yīng)變比較5.5 林木根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系5.5.1 不同樹(shù)種根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比較5.5.2 根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與直徑的關(guān)系5.5.3 根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與標(biāo)距的關(guān)系5.5.4 根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與加載速率的關(guān)系5.6 小結(jié)5.6.1 根系外在形態(tài)特性5.6.2 直徑與根系抗拉特性5.6.3 標(biāo)距與根系抗拉特性5.6.4 加載速率與根系抗拉特性第6章 數(shù)據(jù)處理與分析方法6.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理6.1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理的常用方法簡(jiǎn)介6.1.2 小波降噪6.1.3 移動(dòng)平均平滑法6.1.4 實(shí)例分析6.2 數(shù)據(jù)挖掘6.2.1 正態(tài)性檢驗(yàn)6.2.2 相關(guān)性分析6.2.3 聚類6.2.4 非參數(shù)檢驗(yàn)6.3 單根抗拉的力學(xué)模型6.3.1 固定控制變量情況下,抗拉強(qiáng)度的回歸模型6.3.2 引入控制變量時(shí),抗拉強(qiáng)度的綜合模型6.4 小結(jié)第7章 根系主要成分與抗拉特性7.1 根系抗拉力學(xué)特性7.1.1 根系抗拉力學(xué)分布特征7.1.2 同一樹(shù)種不同根型的力學(xué)特性比較7.1.3 不同樹(shù)種同一根型的力學(xué)特性比較7.2 根系主要化學(xué)成分與抗拉力學(xué)特性關(guān)系7.2.1 根系纖維素含量與抗拉特性的關(guān)系7.2.2 根系木質(zhì)素含量與抗拉特性的關(guān)系7.2.3 半纖維素含量與抗拉特性的關(guān)系7.2.4 綜纖維素含量與抗拉特性的關(guān)系7.2.5 L/C與抗拉特性的關(guān)系7.3 根系主要化學(xué)成分與極限拉伸應(yīng)變的關(guān)系7.3.1 5種樹(shù)種根系拉伸應(yīng)變分布特征7.3.2 根系主要成分與應(yīng)變的關(guān)系7.4 根系顯微結(jié)構(gòu)與抗拉特性7.4.1 材料選擇及其相關(guān)參數(shù)測(cè)定7.4.2 植物根系的顯微構(gòu)造特征7.4.3 植物根系顯微結(jié)構(gòu)與單根抗拉特性的關(guān)系7.5 小結(jié)7.5.1 不同樹(shù)種根系化學(xué)成分分布特征7.5.2 根系化學(xué)成分與抗拉力、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系7.5.3 根系化學(xué)成分對(duì)極限拉伸應(yīng)變7.5.4 根系纖維結(jié)構(gòu)與抗拉特性主要參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章  根系抗拉基本力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀 根是固著植物、并從土壤中吸收和運(yùn)輸水分與養(yǎng)分的器官。20世紀(jì)40年代，美國(guó)西部的一場(chǎng)“黑風(fēng)暴”和近年來(lái)我國(guó)北方地區(qū)沙塵暴的頻繁發(fā)生及濫砍濫伐、過(guò)度墾殖導(dǎo)致的水土流失與生態(tài)環(huán)境惡化，催生了以植被為核心的生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程，加速了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根系固土機(jī)理和土體穩(wěn)定性的研究，使植物固坡在國(guó)內(nèi)外越來(lái)越受歡迎（Bisch-ettietal.，2005；CoppinandRichards，1990；GrayandSotir，1996；Norris，2005；楊永紅等，2007a；2007b；熊燕梅等，2007），根系的固土力學(xué)機(jī)理也成為水土保持的新的研究領(lǐng)域。 1.1  根系抗拉力學(xué)特性 植物根系材料不同于一般的工程材料，根是具有生命的物體，研究其力學(xué)特性，最大的困難在于它參與代謝活動(dòng)，具有多相、非均勻、各向異性等特點(diǎn)，在不同生理和不同生長(zhǎng)環(huán)境下，其力學(xué)性質(zhì)有很大差異。盡管如此，許多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者還是對(duì)木本植物、草本植物、農(nóng)作物的根系進(jìn)行了相關(guān)抗拉特性研究試驗(yàn)，目前主要從室內(nèi)單根抗拉，室外原位土壤水平拉拔和垂直拉拔試驗(yàn)來(lái)確定不同植物根系的抗拉特性以及影響根系抗拉的因素（張東升，2002），從而得到植物根系拉伸條件下的最大載荷、應(yīng)力、應(yīng)變、延伸率、彈性模量等量化參數(shù)，為水土保持固坡植物選擇提供理論支撐。 1.1.1  根系拉伸斷裂形態(tài) 斷裂是指由于新裂紋萌生或已存在的裂紋擴(kuò)展而引起的一種破壞過(guò)程。根系抗拉實(shí)質(zhì)是軸向荷載作用下順纖維抗拉，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，根系抗拉斷裂有彈性斷裂和脆性斷裂之分。朱清科等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)主要樹(shù)種的根系在受拉條件下斷裂方式有很大的差異，冷杉（Abiesfabri）根系與冬瓜楊（PopuluspurdomiiRehd.）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，即冷杉、冬瓜楊根系受拉過(guò)程中的斷裂方式為典型的彈性斷裂。而杜鵑（Rho-dodendronsimsii）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(guò)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(guò)程中的斷裂方式表現(xiàn)為脆性斷裂。 1.1.2  根系抗拉強(qiáng)度及破壞極限荷載 單根的破壞極限荷載（最大抗拉力）與根系斷裂處面積的比值即為抗拉強(qiáng)度。單根抗拉力隨著根徑的增大而增大，抗拉強(qiáng)度通常隨著根系直徑的增大而減少（O′LoughlinandWaston，1979；OpersteinandFrydman，2000；Wu，1976；野久田捻郎等，1998），這種現(xiàn)象已經(jīng)歸因于根系成分的差異，因?yàn)榧?xì)根系單位干重的纖維素含量比粗根系多（Comman-deuretal.，1991）。史敏華等（1994）發(fā)現(xiàn)，荊條（Vitexnegundovar.heterophglla）等8個(gè)樹(shù)種根系的抗拉力隨著根徑的增加而迅速增大，不同樹(shù)種根的抗拉能力有顯著差異，其原因可能是根徑增加，根的截面積迅速增加，導(dǎo)致根的極限拉力迅速增加（耿威等，2008）。同樣，眾多對(duì)根系力學(xué)特性的研究均顯示，根系極限拉力或抗拉強(qiáng)度與根徑表現(xiàn)出冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系（朱海麗等，2008；李紹才等，2006；趙麗兵和張寶貴，2007）。 在根徑相同的情況下，根長(zhǎng)不同，根系的抗拉強(qiáng)度亦不同，表現(xiàn)為隨著根長(zhǎng)的增加，根系的抗拉強(qiáng)度減小，根系拉力與根長(zhǎng)為冪函數(shù)關(guān)系（張東升，2002）。朱清科等（2002）對(duì)冷杉根系和冬瓜楊根系平均抗拉強(qiáng)度研究也得出相同的結(jié)論。解明曙（1990a；1990b）研究表明，在根系橫截面積一定的情況下，長(zhǎng)而粗的少量根系與土體間的摩擦阻力遠(yuǎn)大于短而細(xì)的多量根系。目前，對(duì)根徑與抗拉強(qiáng)度的冪函數(shù)關(guān)系研究較多，而作為根系尺寸的另外一個(gè)因子，根系長(zhǎng)度同樣對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響，其影響卻較少被關(guān)注。 1.1.3  根系抗拉變形特性 根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是描述根系力學(xué)特性的重要指標(biāo)，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€上的特征點(diǎn)可以反映出根系受力過(guò)程中不同階段力學(xué)行為的基本特性和力學(xué)性能指標(biāo)，它能反映出根系從受力到破壞過(guò)程的受力變形特點(diǎn)。植物根系的極限延伸率是反映根系防治土體滑坡的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)土體間出現(xiàn)滑坡裂縫、根系的極限延伸率較大時(shí)，有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，同時(shí)，在根系伸長(zhǎng)系數(shù)較大的情況下，受拉過(guò)程中根系的形變量較大，有利于對(duì)土壤下滑力進(jìn)行緩沖，這些都有利于提高根系固土能力。 根系拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變特征隨樹(shù)種的不同而不同。例如，紫苜蓿（Medicagosativa）根的應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)閷?duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，不符合胡克定律，屬于彈塑性材料；而馬唐（Digitariasanguinalis）根的應(yīng)力與應(yīng)變呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，基本遵從于胡克定律，屬于彈性材料（趙麗兵和張寶貴，2007）。油松根系受拉后表現(xiàn)出兩個(gè)階段，線彈性階段和非線彈性階段，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以近似地采用雙曲線模型來(lái)描述（劉秀萍等，2006）。陳麗華等（2007）對(duì)冷杉、杜鵑、冬瓜楊、糙皮樺（Betulautili）、花楸（Sorbuspohuashanensis）、莢迷（Viburnumdilatatum）、衛(wèi)矛（Euonymusalatus）等7種樹(shù)木根系的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究后得出，拋物線模型能比較理想地模擬上述不同樹(shù)種根系的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。同一種植物在相同根徑下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線也不完全相同，這與根系結(jié)構(gòu)組成的差異有關(guān)（李紹才等，2006；朱海麗等，2008）。劉國(guó)彬等（1996）的研究還發(fā)現(xiàn)，豆科沙打旺（Astragalusadsurgens）和禾本科無(wú)芒雀麥（Bromusinermis）的應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)閷?duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，應(yīng)變遞增速度快，不符合胡克定律，其余牧草的本構(gòu)方程遵從胡克定律。 根系的極限延伸率隨著根徑的不同而變化（李紹才等，2006）。羊蹄甲（Bauhinia）與黃荊（Vitexnegundo）根系的極限延伸率表現(xiàn)為隨根徑增大而降低，可以理解為木質(zhì)素的含量增加引起；而鐵仔（Myrsine）根系的最大伸長(zhǎng)率與根徑的關(guān)系表現(xiàn)出單峰形曲線，即隨根徑增加，初期極限延伸率呈增加趨勢(shì)，達(dá)到最大值后又逐漸降低，這種變化需對(duì)根系進(jìn)行形態(tài)解剖分析后才能作出合理的解釋。同樣，朱海麗等（2008）發(fā)現(xiàn)，四翅濱藜（Atri-plexcanescens）等四種灌木根系的極限延伸率隨根徑增大而降低。草本根系的極限延伸率和纖維素含量都與根系直徑間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系（趙麗兵和張寶貴，2007）。有文獻(xiàn)記錄的最大灌木極限延伸率最大約為16%。草本根系極限延伸率一般較高，紫苜蓿根在直徑0.1mm時(shí)，極限延伸率可高達(dá)19.1%；馬唐根在直徑0.3mm時(shí)，極限延伸率可高達(dá)37.5%（趙麗兵和張寶貴，2007）。小麥根系的極限延伸率約為28%（Eassonetal.，1995），但向日葵（Helianthusannuus）籽苗根系的極限延伸率僅7%（Ennos，1989），番茄（Solanumlycopersicum）根的極限延伸率10%（Gartner，1994）。豬殃殃（Galiumapa-rine）是一種半直立一年生草本植物，下部莖具有很高的延伸性，斷裂時(shí)極限延伸率高達(dá)24%（Goodman，2005）?？梢?jiàn)，大多陸生植物根系都具有較高的極限延伸率。 1.1.4  影響根系抗拉特性的主要因素 根系抗拉特性與樹(shù)種和立地因子（如當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、季節(jié)、土壤環(huán)境等）有關(guān)（GrayandSotir，1996），不同樹(shù)種的抗拉特性有明顯區(qū)別。 Genet等（2005）、Tosi（2007）、DeBaets等（2008）等對(duì)地中海區(qū)域不同喬灌木根系的抗拉強(qiáng)度研究表明，不同樹(shù)種根系抗拉強(qiáng)度之間存在較大差異。 根系的抗拉阻力受種植模式的影響，如自然歐洲赤松（Pinussylvestris）林的根系比人工歐洲赤松（PinussylvestnisL.）林根系的抗拉力更大。 土壤環(huán)境也會(huì)影響抗拉強(qiáng)度，生長(zhǎng)在松軟土壤中的玉米根系比生長(zhǎng)在緊密土壤中的玉米根系的抗拉力要大（GoodmanandEnnos，1999）。季節(jié)變化也會(huì)影響根系抗拉強(qiáng)度，由于水分含量的減少，冬季根系的抗拉強(qiáng)度比夏季的大（Turmanina，1965）。室內(nèi)模擬不同含水量土壤中根系拉力研究表明，粗根（1.9～2.4mm）的極限拉力隨土壤含水量的增加而增加；中根（0.9～1.2mm）極限拉力的變化則因樹(shù)種而異（耿威等，2008）。 Makarova等（1998）比較了1994年12月21日和1995年2月7日兩次采集的山毛櫸（Fagussylyatica）的抗拉應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，第二次采集的根系抗拉應(yīng)力比第一次采集的根系的抗拉應(yīng)力要大。Cofie等（2000）測(cè)試了與Makarova等（1998）在同一采集地點(diǎn)采集的根系發(fā)現(xiàn)，根系抗拉強(qiáng)度比Makarova等（1998）獲得的數(shù)據(jù)相對(duì)要高，推測(cè)可能原因是季節(jié)變化對(duì)根系力學(xué)特性產(chǎn)生了影響。 不同的拉伸速率對(duì)根系抗拉強(qiáng)度也有影響，Cofie和Koolen（2001）發(fā)現(xiàn)拉伸速率從10mm/min增加到400mm/min時(shí)，根系拉伸應(yīng)力值增加了8%～20%。 根系的表面積大小也對(duì)根系抗拉阻力有較大影響。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，也就增加了根系與土壤的摩擦阻力；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)狀須根卻與土壤發(fā)生了豎向的摩擦力和橫向的擠壓剪切力，增大了根系與土壤間的作用力（朱清科等，2002）。 根系的鮮活度對(duì)其力學(xué)特性有顯著影響。Ziemer和Swanston（1977）的研究結(jié)果表明，森林砍伐后，細(xì)根2年后其固土能力喪失了32%，4年之后大多數(shù)小直徑根完全腐爛，10年后最大直徑的根的固土能力顯著喪失。Burroughs和Thomas（1977）的研究結(jié)果顯示，在森林砍伐后的頭3年內(nèi)，根系的數(shù)量顯著減少，同時(shí)單根的抗拉強(qiáng)度迅速衰退。林木砍伐48個(gè)月時(shí)，根徑1cm根的抗拉強(qiáng)度只有活根抗拉強(qiáng)度的26%。楊維西等（1990）對(duì)采伐后2年、4年的單根進(jìn)行了抗拉研究得出，刺槐（Robiniapseudoacacia）采伐后，其單根抗拉力明顯減小，抗拉力衰減率隨著伐后時(shí)間的推延而增大，并在伐后前兩年很快衰退，后兩年衰退進(jìn)度稍微緩減。 1.2  根系主要化學(xué)成分與抗拉力學(xué)特性間的關(guān)系 木材細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種成分構(gòu)成。 纖維素以分子鏈聚集成束和排列有序的微纖維絲狀態(tài)存在于細(xì)胞壁中，起著骨架物質(zhì)作用，相當(dāng)于鋼筋水泥構(gòu)件中的鋼筋。半纖維素以無(wú)定形狀態(tài)滲透在骨架物質(zhì)之中，起著基體黏結(jié)作用，故稱其為基體物質(zhì)，相當(dāng)于鋼筋水泥構(gòu)件中綁捆鋼筋的細(xì)鐵絲。木質(zhì)素是在細(xì)胞分化最后階段的木質(zhì)化過(guò)程中形成的，它滲透在細(xì)胞壁的骨架物質(zhì)和基體物質(zhì)之中，可使細(xì)胞壁堅(jiān)硬，所以稱其為結(jié)殼物質(zhì)或硬固物質(zhì)，相當(dāng)于鋼筋水泥構(gòu)件中的水泥。因此，細(xì)胞壁的主要成分與根系力學(xué)屬性密切相關(guān)，目前已成為揭示根系力學(xué)特性新的切入點(diǎn)，但研究成果較少。 1.2.1  根系纖維素含量與抗拉特性 目前，從根系成分的角度來(lái)解釋根系抗拉特性的不同，主要集中于纖維素含量和結(jié)構(gòu)的差異。R.L.Hathaway早在1975年就研究了楊樹(shù)（Populus）和柳樹(shù)（Salix）根系的抗拉強(qiáng)度，及與其相關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，Sjostrom在1993年進(jìn)一步研究了植物根系力學(xué)性質(zhì)與纖維素性質(zhì)的關(guān)系，但此后直接把根系力學(xué)特性和纖維素聯(lián)系起來(lái)的研究進(jìn)展并不樂(lè)觀，直到近幾年，此方面的研究才開(kāi)始受到關(guān)注（Genetetal.，2005；趙麗兵和張寶貴，2007；Halesetal.，2009）。 綜纖維素（holo-cellulose），也稱全纖維素，是植物纖維原料中的碳水化合物的全部，即纖維素與半纖維的綜合。 大多研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是草本植物還是木本植物，根系的抗拉強(qiáng)度和直徑之間存在冪函數(shù)遞減關(guān)系。但這種現(xiàn)象不僅反映了斷裂力學(xué)中的尺度效應(yīng)，還與綜纖維素或纖維素含量有關(guān)。楊樹(shù)和柳樹(shù)根系的纖維壁強(qiáng)度（fibrewallstrength）與纖維素含量正相關(guān)（r＝0.87*），彈性模量與纖維素含量顯著正相關(guān)（r＝0.87*），與木質(zhì)素/纖維素比值負(fù)相關(guān)（r＝-0.80*）（HathawayandPenny，1975）。Genet等（2005）研究發(fā)現(xiàn)，海岸松（PinuspinasterAit.）和歐洲栗（CastaneasativaMill.）0～4mm去皮根系中綜纖維素含量與抗拉強(qiáng)度均隨著根系直徑的減少而增加，美國(guó)紅橡（Quercus.rubra）和北美鵝掌楸（Lirio-dendrontulipifera）0～2mm帶皮根系中綜纖維素含量隨直徑的變化表現(xiàn)出相同的規(guī)律（Halesetal.，2009），并且不同直徑間綜纖維素含量變異性較大，其中美國(guó)紅橡和北美鵝掌楸最細(xì)根（D＜0.5mm）和最粗根（D＞2mm）的綜纖維素含量相對(duì)差異高達(dá)40%。草本植物紫苜蓿根系（D＝0～7mm）和馬唐（D＜1mm）根系纖維素含量隨直徑變化與木本植物根系中綜纖維素的研究結(jié)果相似，但兩種草本植物根的纖維素含量相差不大，抗拉強(qiáng)度差異卻較大，表明植物根的抗拉強(qiáng)度不僅與纖維素含量有關(guān)，還取決于根的纖維排列緊密、疏松程度以及根的其他物質(zhì)組成（趙麗兵和張寶貴，2007）。 1.2.2  根系木質(zhì)素含量與抗拉特性 木質(zhì)素也能影響強(qiáng)度特性，尤其在水分含量高的根系中（HathawayandPenny，1975）。Scippa等（2006）研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)在斜坡和平地上的鷹爪豆（Spartiumjunceum）根系的生物力學(xué)性質(zhì)可能由于機(jī)械組織或成分的變化而加強(qiáng)。對(duì)于8個(gè)月齡的幼苗，光學(xué)顯微鏡切片顯示，二者的機(jī)械組織并沒(méi)有任何不同，但斜坡上植物根系木質(zhì)素的濃度比較高。而且8個(gè)月齡時(shí)，斜坡上鷹爪豆根系和平地上的木質(zhì)素濃度差異明顯，這時(shí)破壞負(fù)荷也是比較高的。這些發(fā)現(xiàn)與以前的報(bào)道一致，為了增加穩(wěn)定性確保植物錨固，根系通過(guò)增加木質(zhì)素含量（StokesandMattheck，1996）或者通過(guò)改變細(xì)胞壁（Showalteretal.，1992；Telewski，1995；Shirsatetal.，1996；Zipseetal.，1998；Jametetal.，2000）對(duì)外界荷載做出回應(yīng)。 1.2.3  根系半纖維素含量與抗拉特性 對(duì)于植物抗拉力學(xué)性質(zhì)影響的研究，大多從造紙角度來(lái)分析不同半纖維素含量對(duì)紙漿力學(xué)性能的影響（Mukherjeeetal.，1993；Duchesneetal.，2001），從根系固土的角度，對(duì)半纖維素含量的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。 1.3  根顯微結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 根是植物體長(zhǎng)期適應(yīng)陸地生活的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的器官，外形一般呈圓柱形，在土壤中生長(zhǎng)越向下越細(xì)，并向四周分枝，形成復(fù)雜的根系。 1.3.1  根的顯微結(jié)構(gòu) 根的類型可以分為主根、側(cè)根和纖維根，根的顯微結(jié)構(gòu)可以分為根尖結(jié)構(gòu)、初生結(jié)構(gòu)、次生結(jié)構(gòu)和根的異常結(jié)構(gòu)。 1.根尖結(jié)構(gòu) 不論主根或側(cè)根，其最先端到生有根毛的部分稱根尖。根尖具有吸收和保護(hù)作用。根據(jù)根尖細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的程度不同，根尖可劃分為根冠、分生區(qū)、伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)（圖1-1）。 2.根的初生結(jié)構(gòu) 根尖分生區(qū)的細(xì)胞經(jīng)分裂、生長(zhǎng)和分化形成的組織，稱為初生組織。由初生組織構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，稱為初生結(jié)構(gòu)。根的初生結(jié)構(gòu)由表皮、皮層和中柱三部分組成（圖1-2）。 3.根的次生結(jié)構(gòu) 大多數(shù)植物的主根和較大的側(cè)根，在完成了初生生長(zhǎng)之后，由于側(cè)生分生組織（維管形成層和木栓形成層）的發(fā)生與活動(dòng)，根不斷地增粗，這種生長(zhǎng)過(guò)程稱為次生生長(zhǎng)。由它們產(chǎn)生的次生維管組織和周皮共同組成的結(jié)構(gòu)，叫次生結(jié)構(gòu)（圖1-3）。

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《林木根系基本力學(xué)性質(zhì)》可作為科研院所林學(xué)、水土保持等相關(guān)專業(yè)研究生的參考教材，也可作為從事林業(yè)、水土保持、生態(tài)、環(huán)境等方面研究的專業(yè)技術(shù)人員、科研人員和相關(guān)專業(yè)本科生的參考書(shū)。

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