风水复合侵蚀区（采煤塌陷区）植物枝叶根系耦合抗蚀的生物力学机理研究

植物根系对表层土物理力学性质的改善，是近年来国内外生态界密切关注的土壤-植被相互作用的重点研究内容之一，根系的生物力学特性是以水蚀为主的地区植物固土抗蚀能力的重要衡量指标，但对于风水复合侵蚀区，除根系发挥固土作用之外，枝叶的抗蚀作用不可忽视，植物的固土抗蚀作用是根系生物力学特性和枝叶生物力学特性的耦合。目前，根系固土抗蚀生物力学特性的研究仅有针对几个地区少量植物的研究报导。对于内蒙古中部的风水复合侵蚀区，常用于生态建设的植物根系固土力学特性的相关研究仅有本课题组的研究报导。关于根系与枝叶耦合的固土抗蚀生物力学机理，迄今未见国内外的研究报导。本课题采用材料力学、弹塑性力学、土力学及风沙物理学的原理和试验方法，研究内蒙黄土丘陵沟壑区和鄂尔多斯风水复合侵蚀区的三种植物根系与枝叶耦合的固土抗蚀机理，为该地区小尺度上不同侵蚀特点的植被建设提供更有针对性的理论支持，也为同类研究摸索试验和研究方法。

植被防风、固土、抗蚀综合作用及机理的研究迄今鲜见报道。使得风水侵蚀区植被建设的技术依据或参照单一水蚀的黄土丘陵区的建设模式，或参照单一风蚀区的建设模式。因此，研究此区域的主要水土保持植被在风水复合侵蚀下，植物枝叶与根系耦合抗蚀的生物力学特性及植被种间差异，是这一区域生态建设亟待解决的问题。本课题以生长3-4年的柠条(Caragana microphylla Lam.)、白沙蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch.)、沙棘(Hippophae rhamnoides L.)和沙柳（Salix psammophila C.Wang et Ch.Y.Yang）为研究对象，研究植物地上部分防风抗蚀的有效性和差异，研究枝条的抗拉和抗弯力学特性，研究侧根分支处与相邻直段根抗拉力的差异性。结合课题组已完成的根系固土抗蚀力学特性，采用层次分析和主成分分析，探讨影响上述植物根系固土抗蚀的主要因子，以及影响上述植物根系与枝叶耦合抗蚀的主要因子。此外，对植物地茎受力向根系传递的力学特性，以及根土复合体的残余抗剪特性进行了初步研究。. 主要结论：对于春季土壤干旱、夏季土壤干旱、夏季暴雨3种自然条件，影响植物根系固土的首要因素是根系的抗拉力学特性，包括以直根的弹性模量和本构特性为代表的变形特性，以及直根和侧根分支处的抗拉强度；其次是以累积根长、内摩擦角和黏聚力为代表的根土复合体抗剪特性；以及以累积根表面积、拉拔界面摩阻和直剪摩擦系数为代表的根土界面摩阻特性；4年生根系固土作用的排序为：柠条＞ 沙柳＞白沙蒿＞沙棘。对于3种自然条件，影响植物根系与枝叶耦合抗蚀的首要因素是根系的抗拉力学特性、累积根长和植物的防风特性。影响植物根系与枝叶耦合抗蚀的第二位因素，是根土复合体的抗剪特性和根土界面的摩阻特性，其中抗剪特性的重要性略高于界面的摩阻特性；4年生植物根系与枝叶耦合固土抗蚀作用的排序为：沙柳 ＞柠条＞白沙蒿＞沙棘。在轴向拉力作用下，植物侧根分支处的抗拉力普遍低于相邻直段根的抗拉力，随着根径的增大，侧根分支处与相邻直段根抗拉强度的差距逐渐减小。地茎受力向根系传递的特点是：受力随根长的增加而减小，随根系埋深的增加而减小，随侧根与垂线间夹角的增加而增大。同龄、相同配置方式，沙柳林带的防风效能和地表粗糙度最大，沙棘林带为最小，白沙蒿和柠条林带居中。