相關商品
商品簡介
名人/編輯推薦
目次
書摘/試閱
商品簡介
林木根系的力學性質是根系固土研究的基礎，也是近年來多學科交叉研究的熱點問題，受到廣泛關注。《林木根系基本力學性質》基於彈塑性力學、水土保持學、數學、化學等原理和方法，採用野外試驗與室內實驗相結合、試驗測定與理論分析相結合的技術路線，通過調查分析油松、華北落葉松、白樺、蒙古櫟和榆樹的根系形態，構建了這五個樹種根系形態的分佈模型；通過對林木根系的拉伸實驗，揭示了根系的最大抗拉力、抗拉強度、彈性模量等抗拉特性與根系直徑、標距和加載速度等方面的聯繫；運用數學統計方法，對數據進行預處理，分析數據的潛在意義，歸納出林木單根抗拉力學特性的綜合模型；通過對纖維素、木質素和半纖維素含量的測定，揭示根系抗拉特性的內因，建立根系主要化學成分與抗拉特性間的關係。《林木根系基本力學性質》可作為科研院所林學、水土保持等相關專業研究生的參考教材，也可作為從事林業、水土保持、生態、環境等方面研究的專業技術人員、科研人員和相關專業本科生的參考書。·
名人/編輯推薦
《林木根系基本力學性質》可作為科研院所林學、水土保持等相關專業研究生的參考教材，也可作為從事林業、水土保持、生態、環境等方面研究的專業技術人員、科研人員和相關專業本科生的參考書。
目次
叢書序前言第1章 根系抗拉基本力學性質研究現狀1.1 根系抗拉力學特性1.1.1 根系拉伸斷裂形態1.1.2 根系抗拉強度及破壞極限荷載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 根系主要化學成分與抗拉力學特性間的關係1.2.1 根系纖維素含量與抗拉特性1.2.2 根系木質素含量與抗拉特性1.2.3 根系半纖維素含量與抗拉特性1.3 根顯微結構的研究現狀1.3.1 根的顯微結構1.3.2 根的顯微結構與力學特性間的關係1.4 研究展望第2章 根系力學性質分析相關理論2.1 強度理論2.1.1 材料破壞的兩種形式2.1.2 四個常用的古典強度理論2.1.3 莫爾強度理論2.2 本構關係模型2.2.1 線彈性類本構模型2.2.2 非線彈性類本構模型2.2.3 彈塑性類本構模型第3章 試驗材料與研究方法3.1 研究區域概況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 研究樹種的選擇3.2.1 選擇依據3.2.2 研究樹種的生物學及生態學特性3.3 研究方法3.3.1 野外取樣3.3.2 根系拉伸試驗3.3.3 根系主要化學成分分析3.3.4 根系顯微結構觀察實驗第4章 根系形態4.1 根系形態研究方法4.1.1 根系形態調查方法4.1.2 林木根系累積模型4.1.3 統計方法4.2 不同樹種形態分析4.2.1 根長一根徑關係4.2.2 根長一土層深度關係4.2.3 根系生物量一根徑關係4.2.4 根系垂直分佈根型4.3 各樹種根的形態模型4.3.1 根系形態模擬步驟4.3.2 根系形態模擬效果4.4 小結第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 不同樹種抗拉力的比較5.1.2 根系抗拉力與直徑的關係5.1.3 根系抗拉力與標距的關係5.1.4 根系抗拉力與加載速率的關係5.1.5 根系抗拉力影響因素分析5.2 林木根系抗拉強度的分析比較5.2.1 不同樹種抗拉強度的比較5.2.2 根系抗拉強度與直徑的關係5.2.3 根系抗拉強度與標距的關係5.2.4 根系抗拉強度與加載速率的關係5.2.5 根系抗拉強度影響因素分析5.3 林木根系彈性模量5.3.1 不同樹種根系彈性模量比較5.3.2 根系彈性模量與直徑的關係5.3.3 根系彈性模量與加載速率的關係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餘應變5.4.1 不同樹種根系延伸率比較5.4.2 不同直徑根系的殘餘應變比較5.4.3 不同標距根系殘餘應變比較5.5 林木根系應力一應變關係5.5.1 不同樹種根系應力一應變關係比較5.5.2 根系應力一應變關係與直徑的關係5.5.3 根系應力一應變關係與標距的關係5.5.4 根系應力一應變關係與加載速率的關係5.6 小結5.6.1 根系外在形態特性5.6.2 直徑與根系抗拉特性5.6.3 標距與根系抗拉特性5.6.4 加載速率與根系抗拉特性第6章 數據處理與分析方法6.1 數據預處理6.1.1 觀測數據預處理的常用方法簡介6.1.2 小波降噪6.1.3 移動平均平滑法6.1.4 實例分析6.2 數據挖掘6.2.1 正態性檢驗6.2.2 相關性分析6.2.3 聚類6.2.4 非參數檢驗6.3 單根抗拉的力學模型6.3.1 固定控制變量情況下，抗拉強度的回歸模型6.3.2 引入控制變量時，抗拉強度的綜合模型6.4 小結第7章 根系主要成分與抗拉特性7.1 根系抗拉力學特性7.1.1 根系抗拉力學分佈特徵7.1.2 同一樹種不同根型的力學特性比較7.1.3 不同樹種同一根型的力學特性比較7.2 根系主要化學成分與抗拉力學特性關係7.2.1 根系纖維素含量與抗拉特性的關係7.2.2 根系木質素含量與抗拉特性的關係7.2.3 半纖維素含量與抗拉特性的關係7.2.4 綜纖維素含量與抗拉特性的關係7.2.5 L／C與抗拉特性的關係7.3 根系主要化學成分與極限拉伸應變的關係7.3.1 5種樹種根系拉伸應變分佈特徵7.3.2 根系主要成分與應變的關係7.4 根系顯微結構與抗拉特性7.4.1 材料選擇及其相關參數測定7.4.2 植物根系的顯微構造特徵7.4.3 植物根系顯微結構與單根抗拉特性的關係7.5 小結7.5.1 不同樹種根系化學成分分佈特徵7.5.2 根系化學成分與抗拉力、抗拉強度的關係7.5.3 根系化學成分對極限拉伸應變7.5.4 根系纖維結構與抗拉特性主要參考文獻·
書摘/試閱
第1章 根系抗拉基本力學性質研究現狀
根是固著植物、并從土壤中吸收和運輸水分與養分的器官。20世紀40年代，美國西部的一場“黑風暴”和近年來我國北方地區沙塵暴的頻繁發生及濫砍濫伐、過度墾殖導致的水土流失與生態環境惡化，催生了以植被為核心的生態環境建設工程，加速了國內外學者對植物根系固土機理和土體穩定性的研究，使植物固坡在國內外越來越受歡迎（Bisch-ettietal.，2005；CoppinandRichards，1990；GrayandSotir，1996；Norris，2005；楊永紅等，2007a；2007b；熊燕梅等，2007），根系的固土力學機理也成為水土保持的新的研究領域。
1.1 根系抗拉力學特性
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，研究其力學特性，最大的困難在于它參與代謝活動，具有多相、非均勻、各向異性等特點，在不同生理和不同生長環境下，其力學性質有很大差異。盡管如此，許多國內外專家學者還是對木本植物、草本植物、農作物的根系進行了相關抗拉特性研究試驗，目前主要從室內單根抗拉，室外原位土壤水平拉拔和垂直拉拔試驗來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、應力、應變、延伸率、彈性模量等量化參數，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
斷裂是指由于新裂紋萌生或已存在的裂紋擴展而引起的一種破壞過程。根系抗拉實質是軸向荷載作用下順纖維抗拉，當荷載達到一定程度，根系會發生斷裂或連根拔出，根系抗拉斷裂有彈性斷裂和脆性斷裂之分。朱清科等（2002）研究發現，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，冷杉（Abiesfabri）根系與冬瓜楊（PopuluspurdomiiRehd.）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，即冷杉、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（Rho-dodendronsimsii）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。
1.1.2 根系抗拉強度及破壞極限荷載
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度。單根抗拉力隨著根徑的增大而增大，抗拉強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），這種現象已經歸因于根系成分的差異，因為細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）發現，荊條（Vitexnegundovar.heterophglla）等8個樹種根系的抗拉力隨著根徑的增加而迅速增大，不同樹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，導致根的極限拉力迅速增加（耿威等，2008）。同樣，眾多對根系力學特性的研究均顯示，根系極限拉力或抗拉強度與根徑表現出冪函數或指數函數關系（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，根長不同，根系的抗拉強度亦不同，表現為隨著根長的增加，根系的抗拉強度減小，根系拉力與根長為冪函數關系（張東升，2002）。朱清科等（2002）對冷杉根系和冬瓜楊根系平均抗拉強度研究也得出相同的結論。解明曙（1990a；1990b）研究表明，在根系橫截面積一定的情況下，長而粗的少量根系與土體間的摩擦阻力遠大于短而細的多量根系。目前，對根徑與抗拉強度的冪函數關系研究較多，而作為根系尺寸的另外一個因子，根系長度同樣對土壤抗剪強度產生重要影響，其影響卻較少被關注。
1.1.3 根系抗拉變形特性
根系應力-應變關系是描述根系力學特性的重要指標，應力-應變全曲線上的特征點可以反映出根系受力過程中不同階段力學行為的基本特性和力學性能指標，它能反映出根系從受力到破壞過程的受力變形特點。植物根系的極限延伸率是反映根系防治土體滑坡的一個重要指標，當土體間出現滑坡裂縫、根系的極限延伸率較大時，有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，同時，在根系伸長系數較大的情況下，受拉過程中根系的形變量較大，有利于對土壤下滑力進行緩沖，這些都有利于提高根系固土能力。
根系拉伸的應力-應變特征隨樹種的不同而不同。例如，紫苜蓿（Medicagosativa）根的應力與應變為對數函數關系，不符合胡克定律，屬于彈塑性材料；而馬唐（Digitariasanguinalis）根的應力與應變呈顯著的線性正相關關系，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出兩個階段，線彈性階段和非線彈性階段，其應力-應變關系可以近似地采用雙曲線模型來描述（劉秀萍等，2006）。陳麗華等（2007）對冷杉、杜鵑、冬瓜楊、糙皮樺（Betulautili）、花楸（Sorbuspohuashanensis）、莢迷（Viburnumdilatatum）、衛矛（Euonymusalatus）等7種樹木根系的應力-應變關系進行實驗研究后得出，拋物線模型能比較理想地模擬上述不同樹種根系的應力-應變關系。同一種植物在相同根徑下，其應力-應變曲線也不完全相同，這與根系結構組成的差異有關（李紹才等，2006；朱海麗等，2008）。劉國彬等（1996）的研究還發現，豆科沙打旺（Astragalusadsurgens）和禾本科無芒雀麥（Bromusinermis）的應力-應變為對數函數關系，應變遞增速度快，不符合胡克定律，其余牧草的本構方程遵從胡克定律。
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為隨根徑增大而降低，可以理解為木質素的含量增加引起；而鐵仔（Myrsine）根系的最大伸長率與根徑的關系表現出單峰形曲線，即隨根徑增加，初期極限延伸率呈增加趨勢，達到最大值后又逐漸降低，這種變化需對根系進行形態解剖分析后才能作出合理的解釋。同樣，朱海麗等（2008）發現，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相關關系（趙麗兵和張寶貴，2007）。有文獻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，極限延伸率可高達19.1%；馬唐根在直徑0.3mm時，極限延伸率可高達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，斷裂時極限延伸率高達24%（Goodman，2005）。可見，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
根系抗拉特性與樹種和立地因子（如當地的環境、季節、土壤環境等）有關（GrayandSotir，1996），不同樹種的抗拉特性有明顯區別。
Genet等（2005）、Tosi（2007）、DeBaets等（2008）等對地中海區域不同喬灌木根系的抗拉強度研究表明，不同樹種根系抗拉強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。
土壤環境也會影響抗拉強度，生長在松軟土壤中的玉米根系比生長在緊密土壤中的玉米根系的抗拉力要大（GoodmanandEnnos，1999）。季節變化也會影響根系抗拉強度，由于水分含量的減少，冬季根系的抗拉強度比夏季的大（Turmanina，1965）。室內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）的抗拉應力發現，第二次采集的根系抗拉應力比第一次采集的根系的抗拉應力要大。Cofie等（2000）測試了與Makarova等（1998）在同一采集地點采集的根系發現，根系抗拉強度比Makarova等（1998）獲得的數據相對要高，推測可能原因是季節變化對根系力學特性產生了影響。
不同的拉伸速率對根系抗拉強度也有影響，Cofie和Koolen（2001）發現拉伸速率從10mm/min增加到400mm/min時，根系拉伸應力值增加了8%～20%。
根系的表面積大小也對根系抗拉阻力有較大影響。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，也就增加了根系與土壤的摩擦阻力；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，網狀須根卻與土壤發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）。
根系的鮮活度對其力學特性有顯著影響。Ziemer和Swanston（1977）的研究結果表明，森林砍伐后，細根2年后其固土能力喪失了32%，4年之后大多數小直徑根完全腐爛，10年后最大直徑的根的固土能力顯著喪失。Burroughs和Thomas（1977）的研究結果顯示，在森林砍伐后的頭3年內，根系的數量顯著減少，同時單根的抗拉強度迅速衰退。林木砍伐48個月時，根徑1cm根的抗拉強度只有活根抗拉強度的26%。楊維西等（1990）對采伐后2年、4年的單根進行了抗拉研究得出，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間的推延而增大，并在伐后前兩年很快衰退，后兩年衰退進度稍微緩減。
1.2 根系主要化學成分與抗拉力學特性間的關系
木材細胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質素三種成分構成。
纖維素以分子鏈聚集成束和排列有序的微纖維絲狀態存在于細胞壁中，起著骨架物質作用，相當于鋼筋水泥構件中的鋼筋。半纖維素以無定形狀態滲透在骨架物質之中，起著基體黏結作用，故稱其為基體物質，相當于鋼筋水泥構件中綁捆鋼筋的細鐵絲。木質素是在細胞分化最后階段的木質化過程中形成的，它滲透在細胞壁的骨架物質和基體物質之中，可使細胞壁堅硬，所以稱其為結殼物質或硬固物質，相當于鋼筋水泥構件中的水泥。因此，細胞壁的主要成分與根系力學屬性密切相關，目前已成為揭示根系力學特性新的切入點，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解釋根系抗拉特性的不同，主要集中于纖維素含量和結構的差異。R.L.Hathaway早在1975年就研究了楊樹（Populus）和柳樹（Salix）根系的抗拉強度，及與其相關的解剖結構和化學組成，Sjostrom在1993年進一步研究了植物根系力學性質與纖維素性質的關系，但此后直接把根系力學特性和纖維素聯系起來的研究進展并不樂觀，直到近幾年，此方面的研究才開始受到關注（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。
大多研究發現，無論是草本植物還是木本植物，根系的抗拉強度和直徑之間存在冪函數遞減關系。但這種現象不僅反映了斷裂力學中的尺度效應，還與綜纖維素或纖維素含量有關。楊樹和柳樹根系的纖維壁強度（fibrewallstrength）與纖維素含量正相關（r＝0.87*），彈性模量與纖維素含量顯著正相關（r＝0.87*），與木質素/纖維素比值負相關（r＝-0.80*）（HathawayandPenny，1975）。Genet等（2005）研究發現，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度均隨著根系直徑的減少而增加，美國紅橡（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出相同的規律（Halesetal.，2009），并且不同直徑間綜纖維素含量變異性較大，其中美國紅橡和北美鵝掌楸最細根（D＜0.5mm）和最粗根（D＞2mm）的綜纖維素含量相對差異高達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果相似，但兩種草本植物根的纖維素含量相差不大，抗拉強度差異卻較大，表明植物根的抗拉強度不僅與纖維素含量有關，還取決于根的纖維排列緊密、疏松程度以及根的其他物質組成（趙麗兵和張寶貴，2007）。
1.2.2 根系木質素含量與抗拉特性
木質素也能影響強度特性，尤其在水分含量高的根系中（HathawayandPenny，1975）。Scippa等（2006）研究發現，長在斜坡和平地上的鷹爪豆（Spartiumjunceum）根系的生物力學性質可能由于機械組織或成分的變化而加強。對于8個月齡的幼苗，光學顯微鏡切片顯示，二者的機械組織并沒有任何不同，但斜坡上植物根系木質素的濃度比較高。而且8個月齡時，斜坡上鷹爪豆根系和平地上的木質素濃度差異明顯，這時破壞負荷也是比較高的。這些發現與以前的報道一致，為了增加穩定性確保植物錨固，根系通過增加木質素含量（StokesandMattheck，1996）或者通過改變細胞壁（Showalteretal.，1992；Telewski，1995；Shirsatetal.，1996；Zipseetal.，1998；Jametetal.，2000）對外界荷載做出回應。
1.2.3 根系半纖維素含量與抗拉特性
對于植物抗拉力學性質影響的研究，大多從造紙角度來分析不同半纖維素含量對紙漿力學性能的影響（Mukherjeeetal.，1993；Duchesneetal.，2001），從根系固土的角度，對半纖維素含量的研究尚未見報道。
1.3 根顯微結構的研究現狀
根是植物體長期適應陸地生活的過程中發展起來的器官，外形一般呈圓柱形，在土壤中生長越向下越細，并向四周分枝，形成復雜的根系。
1.3.1 根的顯微結構
根的類型可以分為主根、側根和纖維根，根的顯微結構可以分為根尖結構、初生結構、次生結構和根的異常結構。
1.根尖結構
不論主根或側根，其最先端到生有根毛的部分稱根尖。根尖具有吸收和保護作用。根據根尖細胞生長和分化的程度不同，根尖可劃分為根冠、分生區、伸長區和成熟區（圖1-1）。
2.根的初生結構
根尖分生區的細胞經分裂、生長和分化形成的組織，稱為初生組織。由初生組織構成的結構，稱為初生結構。根的初生結構由表皮、皮層和中柱三部分組成（圖1-2）。
3.根的次生結構
大多數植物的主根和較大的側根，在完成了初生生長之后，由于側生分生組織（維管形成層和木栓形成層）的發生與活動，根不斷地增粗，這種生長過程稱為次生生長。由它們產生的次生維管組織和周皮共同組成的結構，叫次生結構（圖1-3）。
根是固著植物、并從土壤中吸收和運輸水分與養分的器官。20世紀40年代，美國西部的一場“黑風暴”和近年來我國北方地區沙塵暴的頻繁發生及濫砍濫伐、過度墾殖導致的水土流失與生態環境惡化，催生了以植被為核心的生態環境建設工程，加速了國內外學者對植物根系固土機理和土體穩定性的研究，使植物固坡在國內外越來越受歡迎（Bisch-ettietal.，2005；CoppinandRichards，1990；GrayandSotir，1996；Norris，2005；楊永紅等，2007a；2007b；熊燕梅等，2007），根系的固土力學機理也成為水土保持的新的研究領域。
1.1 根系抗拉力學特性
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，研究其力學特性，最大的困難在于它參與代謝活動，具有多相、非均勻、各向異性等特點，在不同生理和不同生長環境下，其力學性質有很大差異。盡管如此，許多國內外專家學者還是對木本植物、草本植物、農作物的根系進行了相關抗拉特性研究試驗，目前主要從室內單根抗拉，室外原位土壤水平拉拔和垂直拉拔試驗來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、應力、應變、延伸率、彈性模量等量化參數，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
斷裂是指由于新裂紋萌生或已存在的裂紋擴展而引起的一種破壞過程。根系抗拉實質是軸向荷載作用下順纖維抗拉，當荷載達到一定程度，根系會發生斷裂或連根拔出，根系抗拉斷裂有彈性斷裂和脆性斷裂之分。朱清科等（2002）研究發現，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，冷杉（Abiesfabri）根系與冬瓜楊（PopuluspurdomiiRehd.）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，即冷杉、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（Rho-dodendronsimsii）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。
1.1.2 根系抗拉強度及破壞極限荷載
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度。單根抗拉力隨著根徑的增大而增大，抗拉強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），這種現象已經歸因于根系成分的差異，因為細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）發現，荊條（Vitexnegundovar.heterophglla）等8個樹種根系的抗拉力隨著根徑的增加而迅速增大，不同樹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，導致根的極限拉力迅速增加（耿威等，2008）。同樣，眾多對根系力學特性的研究均顯示，根系極限拉力或抗拉強度與根徑表現出冪函數或指數函數關系（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，根長不同，根系的抗拉強度亦不同，表現為隨著根長的增加，根系的抗拉強度減小，根系拉力與根長為冪函數關系（張東升，2002）。朱清科等（2002）對冷杉根系和冬瓜楊根系平均抗拉強度研究也得出相同的結論。解明曙（1990a；1990b）研究表明，在根系橫截面積一定的情況下，長而粗的少量根系與土體間的摩擦阻力遠大于短而細的多量根系。目前，對根徑與抗拉強度的冪函數關系研究較多，而作為根系尺寸的另外一個因子，根系長度同樣對土壤抗剪強度產生重要影響，其影響卻較少被關注。
1.1.3 根系抗拉變形特性
根系應力-應變關系是描述根系力學特性的重要指標，應力-應變全曲線上的特征點可以反映出根系受力過程中不同階段力學行為的基本特性和力學性能指標，它能反映出根系從受力到破壞過程的受力變形特點。植物根系的極限延伸率是反映根系防治土體滑坡的一個重要指標，當土體間出現滑坡裂縫、根系的極限延伸率較大時，有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，同時，在根系伸長系數較大的情況下，受拉過程中根系的形變量較大，有利于對土壤下滑力進行緩沖，這些都有利于提高根系固土能力。
根系拉伸的應力-應變特征隨樹種的不同而不同。例如，紫苜蓿（Medicagosativa）根的應力與應變為對數函數關系，不符合胡克定律，屬于彈塑性材料；而馬唐（Digitariasanguinalis）根的應力與應變呈顯著的線性正相關關系，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出兩個階段，線彈性階段和非線彈性階段，其應力-應變關系可以近似地采用雙曲線模型來描述（劉秀萍等，2006）。陳麗華等（2007）對冷杉、杜鵑、冬瓜楊、糙皮樺（Betulautili）、花楸（Sorbuspohuashanensis）、莢迷（Viburnumdilatatum）、衛矛（Euonymusalatus）等7種樹木根系的應力-應變關系進行實驗研究后得出，拋物線模型能比較理想地模擬上述不同樹種根系的應力-應變關系。同一種植物在相同根徑下，其應力-應變曲線也不完全相同，這與根系結構組成的差異有關（李紹才等，2006；朱海麗等，2008）。劉國彬等（1996）的研究還發現，豆科沙打旺（Astragalusadsurgens）和禾本科無芒雀麥（Bromusinermis）的應力-應變為對數函數關系，應變遞增速度快，不符合胡克定律，其余牧草的本構方程遵從胡克定律。
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為隨根徑增大而降低，可以理解為木質素的含量增加引起；而鐵仔（Myrsine）根系的最大伸長率與根徑的關系表現出單峰形曲線，即隨根徑增加，初期極限延伸率呈增加趨勢，達到最大值后又逐漸降低，這種變化需對根系進行形態解剖分析后才能作出合理的解釋。同樣，朱海麗等（2008）發現，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相關關系（趙麗兵和張寶貴，2007）。有文獻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，極限延伸率可高達19.1%；馬唐根在直徑0.3mm時，極限延伸率可高達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，斷裂時極限延伸率高達24%（Goodman，2005）。可見，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
根系抗拉特性與樹種和立地因子（如當地的環境、季節、土壤環境等）有關（GrayandSotir，1996），不同樹種的抗拉特性有明顯區別。
Genet等（2005）、Tosi（2007）、DeBaets等（2008）等對地中海區域不同喬灌木根系的抗拉強度研究表明，不同樹種根系抗拉強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。
土壤環境也會影響抗拉強度，生長在松軟土壤中的玉米根系比生長在緊密土壤中的玉米根系的抗拉力要大（GoodmanandEnnos，1999）。季節變化也會影響根系抗拉強度，由于水分含量的減少，冬季根系的抗拉強度比夏季的大（Turmanina，1965）。室內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）的抗拉應力發現，第二次采集的根系抗拉應力比第一次采集的根系的抗拉應力要大。Cofie等（2000）測試了與Makarova等（1998）在同一采集地點采集的根系發現，根系抗拉強度比Makarova等（1998）獲得的數據相對要高，推測可能原因是季節變化對根系力學特性產生了影響。
不同的拉伸速率對根系抗拉強度也有影響，Cofie和Koolen（2001）發現拉伸速率從10mm/min增加到400mm/min時，根系拉伸應力值增加了8%～20%。
根系的表面積大小也對根系抗拉阻力有較大影響。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，也就增加了根系與土壤的摩擦阻力；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，網狀須根卻與土壤發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）。
根系的鮮活度對其力學特性有顯著影響。Ziemer和Swanston（1977）的研究結果表明，森林砍伐后，細根2年后其固土能力喪失了32%，4年之后大多數小直徑根完全腐爛，10年后最大直徑的根的固土能力顯著喪失。Burroughs和Thomas（1977）的研究結果顯示，在森林砍伐后的頭3年內，根系的數量顯著減少，同時單根的抗拉強度迅速衰退。林木砍伐48個月時，根徑1cm根的抗拉強度只有活根抗拉強度的26%。楊維西等（1990）對采伐后2年、4年的單根進行了抗拉研究得出，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間的推延而增大，并在伐后前兩年很快衰退，后兩年衰退進度稍微緩減。
1.2 根系主要化學成分與抗拉力學特性間的關系
木材細胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質素三種成分構成。
纖維素以分子鏈聚集成束和排列有序的微纖維絲狀態存在于細胞壁中，起著骨架物質作用，相當于鋼筋水泥構件中的鋼筋。半纖維素以無定形狀態滲透在骨架物質之中，起著基體黏結作用，故稱其為基體物質，相當于鋼筋水泥構件中綁捆鋼筋的細鐵絲。木質素是在細胞分化最后階段的木質化過程中形成的，它滲透在細胞壁的骨架物質和基體物質之中，可使細胞壁堅硬，所以稱其為結殼物質或硬固物質，相當于鋼筋水泥構件中的水泥。因此，細胞壁的主要成分與根系力學屬性密切相關，目前已成為揭示根系力學特性新的切入點，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解釋根系抗拉特性的不同，主要集中于纖維素含量和結構的差異。R.L.Hathaway早在1975年就研究了楊樹（Populus）和柳樹（Salix）根系的抗拉強度，及與其相關的解剖結構和化學組成，Sjostrom在1993年進一步研究了植物根系力學性質與纖維素性質的關系，但此后直接把根系力學特性和纖維素聯系起來的研究進展并不樂觀，直到近幾年，此方面的研究才開始受到關注（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。
大多研究發現，無論是草本植物還是木本植物，根系的抗拉強度和直徑之間存在冪函數遞減關系。但這種現象不僅反映了斷裂力學中的尺度效應，還與綜纖維素或纖維素含量有關。楊樹和柳樹根系的纖維壁強度（fibrewallstrength）與纖維素含量正相關（r＝0.87*），彈性模量與纖維素含量顯著正相關（r＝0.87*），與木質素/纖維素比值負相關（r＝-0.80*）（HathawayandPenny，1975）。Genet等（2005）研究發現，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度均隨著根系直徑的減少而增加，美國紅橡（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出相同的規律（Halesetal.，2009），并且不同直徑間綜纖維素含量變異性較大，其中美國紅橡和北美鵝掌楸最細根（D＜0.5mm）和最粗根（D＞2mm）的綜纖維素含量相對差異高達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果相似，但兩種草本植物根的纖維素含量相差不大，抗拉強度差異卻較大，表明植物根的抗拉強度不僅與纖維素含量有關，還取決于根的纖維排列緊密、疏松程度以及根的其他物質組成（趙麗兵和張寶貴，2007）。
1.2.2 根系木質素含量與抗拉特性
木質素也能影響強度特性，尤其在水分含量高的根系中（HathawayandPenny，1975）。Scippa等（2006）研究發現，長在斜坡和平地上的鷹爪豆（Spartiumjunceum）根系的生物力學性質可能由于機械組織或成分的變化而加強。對于8個月齡的幼苗，光學顯微鏡切片顯示，二者的機械組織并沒有任何不同，但斜坡上植物根系木質素的濃度比較高。而且8個月齡時，斜坡上鷹爪豆根系和平地上的木質素濃度差異明顯，這時破壞負荷也是比較高的。這些發現與以前的報道一致，為了增加穩定性確保植物錨固，根系通過增加木質素含量（StokesandMattheck，1996）或者通過改變細胞壁（Showalteretal.，1992；Telewski，1995；Shirsatetal.，1996；Zipseetal.，1998；Jametetal.，2000）對外界荷載做出回應。
1.2.3 根系半纖維素含量與抗拉特性
對于植物抗拉力學性質影響的研究，大多從造紙角度來分析不同半纖維素含量對紙漿力學性能的影響（Mukherjeeetal.，1993；Duchesneetal.，2001），從根系固土的角度，對半纖維素含量的研究尚未見報道。
1.3 根顯微結構的研究現狀
根是植物體長期適應陸地生活的過程中發展起來的器官，外形一般呈圓柱形，在土壤中生長越向下越細，并向四周分枝，形成復雜的根系。
1.3.1 根的顯微結構
根的類型可以分為主根、側根和纖維根，根的顯微結構可以分為根尖結構、初生結構、次生結構和根的異常結構。
1.根尖結構
不論主根或側根，其最先端到生有根毛的部分稱根尖。根尖具有吸收和保護作用。根據根尖細胞生長和分化的程度不同，根尖可劃分為根冠、分生區、伸長區和成熟區（圖1-1）。
2.根的初生結構
根尖分生區的細胞經分裂、生長和分化形成的組織，稱為初生組織。由初生組織構成的結構，稱為初生結構。根的初生結構由表皮、皮層和中柱三部分組成（圖1-2）。
3.根的次生結構
大多數植物的主根和較大的側根，在完成了初生生長之后，由于側生分生組織（維管形成層和木栓形成層）的發生與活動，根不斷地增粗，這種生長過程稱為次生生長。由它們產生的次生維管組織和周皮共同組成的結構，叫次生結構（圖1-3）。
您曾經瀏覽過的商品
購物須知
大陸出版品因裝訂品質及貨運條件與台灣出版品落差甚大，除封面破損、內頁脫落等較嚴重的狀態，其餘商品將正常出貨。
特別提醒：部分書籍附贈之內容(如音頻mp3或影片dvd等)已無實體光碟提供，需以QR CODE 連結至當地網站註冊“並通過驗證程序”，方可下載使用。
無現貨庫存之簡體書，將向海外調貨：
海外有庫存之書籍，等候約45個工作天;
海外無庫存之書籍，平均作業時間約60個工作天，然不保證確定可調到貨，尚請見諒。
為了保護您的權益，「三民網路書店」提供會員七日商品鑑賞期(收到商品為起始日)。
若要辦理退貨，請在商品鑑賞期內寄回，且商品必須是全新狀態與完整包裝(商品、附件、發票、隨貨贈品等)否則恕不接受退貨。