根系对土壤机械压力影响的试验研究

论文摘要

根系对土壤机械压力是植物根系在土壤中延长穿插和根系直径增加等机械发育过程对土壤产生的机械作用力。根系在土壤中穿插会占据土壤中的孔隙,同时导致土壤颗粒移动和结构变化,从而导致土体的物理性质发生改变,进而影响土壤的容重、孔隙特征和水（养）分运移。根系对土壤机械压力是综合反映根系-土壤复合体系的力学指标,对其的研究属于生物力学的范畴,目前国内外相关文献报道较少,对其进行系统的分析研究,可以推动力学与农学栽培以及土壤侵蚀学科之间的融合及生物力学的发展,还可以加深认识和理解根系-土壤复合体系的力学特征。本研究在理论分析和模型计算的基础上,研制出了一种测压装置并结合自制的压力测量装置进行了根系模拟试验和室内栽培试验,分析了根系对土壤的机械压力在土壤表层的压力范围和垂直分布特征,分析了与根系对土壤机械压力有关的影响因子及其相互关系,同时建立了压力与根系特征的数值拟合方程,初步分析了植物生长期内根系机械压力的变化规律并对数值压力模型的适用性进行了评价和修正,研究得到的主要结论为:（1）植物在045cm土层的根系对土壤的机械压力分布范围为2.54.2kPa,草本植物实测的根系机械压力范围为2.02.7 kPa。（2）根系的分布比例对根系机械压力的影响较小;根系直径小于1mm且根系形态相似的不同植物根系产生的机械压力值与植物种类的相关性不显著。随着土壤加深,由于根系本身的差异对根系机械压力影响要小于土层周边的体积力对根系机械力的影响。植物根系是一种具有生命体的力学材料,植物根系直径发生显著变化时,其根系的机械压力变化才较为明显,根系直径变大是植物生长期的根系机械压力变大的主要原因。（3）建立根系与根系机械压力关系选取指标时,本文选取的四种根系指标对根系机械压力的影响程度依次为:根系直径>根系生物量>根系长度>根系总表面积,研究根系压力选用根系指标时,选用根系直径为最优指标。（4）本研究研制出的一种可以测量根系对土壤的机械压力的测压装置（包括气体和液体介质两类）且有较好的适用性和精度。利用气体介质测压装置可进行模拟根系穿插试验,利用液体介质测压装置可以直接进行生长根系对土壤机械压力的测量,同时也可用于土壤水运移过程中的土壤内部压力的测量。（5）模拟试验表明:根系直径、根系所处土层深度、土壤容重以及植物植株受到的风力对根系机械压力均有显著性影响;随着根系直径变大,模拟根系对土壤机械压力呈幂函数关系逐渐增加;根系机械压力随着土壤容重增加而递增,且随着土层加深逐渐变大。当植物植株受到风力作用时,随着风力变大,根系机械压力呈递增变化。根系直径D和土壤容重d与根系机械压力P之间的相互关系为:P=0.5918D1.4594ebd,b为介于0.010.60的常数。（6）利用理论模型计算根系对土壤机械压力时,对根系直径小于2mm的植物具有一定的吻合度,对草本-土壤复合体泊松比值取0.28较为适宜。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 根系研究历史
• 1.2.2 根系生长特性及其与土壤的关系
• 1.2.3 根系机械作用对土壤特征影响
• 1.2.4 根系机械作用与土壤物理作用的关系
• 1.2.5 根系-土壤复合体应力关系
• 1.3 研究的主要不足和问题
• 1.4 研究目标和内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 研究技术路线
• 第二章 根系对土壤机械压力的理论分析及模型模拟研究
• 2.1 材料和方法
• 2.1.1 作物管栽试验装置与材料
• 2.1.2 试验设计
• 2.1.3 试验方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 植物根系在土壤表层的垂直分布特征
• 2.2.2 根系机械压力理论值垂直分布特征
• 2.2.3 根系特征指标与机械压力的关系
• 2.2.4 管栽模拟试验植物的根系压力分布特征
• 2.3 小结
• 第三章 测量根系对土壤机械压力的试验装置设计
• 3.1 试验装置
• 3.1.1 技术难点
• 3.1.2 装置介绍
• 3.1.3 操作步骤
• 3.2 装置用途与检验
• 3.2.1 装置优缺点
• 3.2.2 装置用途与检验
• 3.3 小结
• 第四章 模拟根系对土壤机械压力影响的模拟试验研究
• 4.1 材料和方法
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 试验内容
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 不同直径模拟根系对土壤机械压力
• 4.2.2 模拟根系对土壤机械压力在不同土层的分布规律
• 4.2.3 模拟根系对不同容重土壤机械压力
• 4.2.4 模拟风力与根系对土壤机械压力之间的关系
• 4.3 小结
• 第五章 根系生长对土壤机械压力影响的初步试验研究
• 5.1 材料和方法
• 5.1.1 试验材料
• 5.1.2 试验内容
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 不同植物根系对土壤机械压力生长期分布特征
• 5.2.2 土壤表层四种植物根系对土壤机械压力值
• 5.2.3 草本植物-土壤复合体泊松比修正
• 5.3 小结
• 第六章 主要结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 有待于进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介