客土喷播中菌剂的添加对植物根土力学的研究
1研究目的及意义
最近几十年，由于社会科技水平的不断发展推动着矿物资源的不断开采，岩石矿产资源的过度开采严重破坏了环境，导致大量矿区被放弃。大量的裸露山体和石质化的山坡出现，动物与植被的栖息地和环境遭受严重的破坏。在中国，采矿造成的破坏土地面积已达到2.0times;10 7hm2，并以每年超过3.3times;10 5 hm 2速度增长。[1]这一系列生态环境问题对人们经济的增长、社会的高质量发展与生活舒适度的增加造成严重的影响。因此，如何使废弃矿区修复，从而保护矿山生态环境和恢复矿山动植物生活环境成为目前高质量发展形势下的必然需求和根本问题。
由于碳酸盐矿物在中国广泛分布，占中国沉积幔的55%。[2]其特殊的岩石结构使其很容易因采矿而遭受土地破坏，从而导致石漠化。废弃矿区的生态恢复已被证明依靠自然地恢复是不完全的。[3]因此，废弃矿山恢复的技术方式逐渐开发出来，已经开发了多种生态修复技术并将其应用于这些地区：液压喷播法，植生卷铺盖法、挂三维网植草、直接撒播、鱼鳞坑栽种法、直接插载法、生态多空混凝土绿化法等。[4]近年来，客土喷播播种是应用广泛的一种重要技术之一。[5]在这种技术中，土壤，肥料，基质材料和植物种子混合在一起作为喷播播种材料，然后通过高压喷枪将其喷在裸露的岩石表面上。但由于缺乏土壤，下雨等冲刷岩石导致表层土层流失，植物根系位移，使喷播效果降低，岩石界面植被成活率极低，导致无法在破坏的岩石开采地区通过此技术长期维护。[6]因此，如何用植物根系加固岩石表层土壤使其粘聚力和摩擦力增加，从而提高喷播技术的效率，是解决问题的关键。
近年来，微生物群落已被提出为一种经济和生态友好的方法，可通过促进矿质土壤的形成和改善被破坏地区的养分循环来恢复被破坏的环境。细菌的活性引起人们广泛关注，在现有的岩石表面上，真菌在有氧环境中对土壤和植物根中非常重要。[7]真菌由于其丰富的存在以及借助菌丝体生长来弥合距离的能力，对风华具有加速作用。因此，通过选定的微生物菌种，再去使用客土喷播技术，可以提高岩石表层与喷施基质两者的融合性，形成适合植物生长的环境，最终达到对岩壁复绿长期维持的重要意义。[8]
研究植物根系如何更有效的加固土壤，植物根系的力学性能研究是其基础，植物单根是其固定土体的最基本单元。作为高分子有机体的植物根系，通常具有一定的抗拉能力，因为其内部通常有极多的纤维素分子键为适应轴向拉力，会使其在拉应力作用下表现一定的黏弹性。在裸露的边坡上，土体的下划除了克服土壤粒子之间的粘合力还需克服在下滑过程中产生的摩擦阻力，若是将这两种力的作用看做是破坏土体的剪力，那么这两种力则是土体的抗剪力。[9]而当边坡有植物生长时，一些因素导致土体下滑时，下滑除了需要克服以上的两种力，植物根系对土体的固定作用也就是固持力也需要被克服，也就是根系在土体中存在的摩擦力和抗拉力起到对下滑力的抗拒作用。当土体因为自然因素产生向下滑的力时，植物的根系将会受到因土体下滑产生所导致的根系-土界面发生摩擦，进而产生对根系位移的阻碍作用，而根系表面所受的摩擦力就会通过与根系抗拉力大小的比较，确定是否会发生断裂或滑动。根系抗拉力大于根系表面与土体的摩擦力，则根系容易从滑动的土体中抽出，若是根系抗拉力小于与土体的摩擦力，则根系将会在土体下滑过程中被拉断。[10]
本研究不同于大多数的岩壁复绿工程，是从根系力学角度探讨的根系固土机制，而近年最主要的根系力学研究是根系固土护坡工程。本研究是探讨不同的菌剂微生物配比在喷播基质中不同的效果，并栽种豆类植物中不同的乔木、灌木、草本进行研究对比。分别进行野外客土喷播实验和室内盆栽实验两个实验部分进行。研究揭示客土喷播中菌剂的添加对植物根土力学的研究。为将来岩壁复绿中客土喷播所需植物、菌剂的选择提供技术和理论依据。
- 国内外研究进展
2.1单根拉伸力学特性
根据不同因素对植物根系抗拉力学特性不同的影响，如：根系直径、标距、根长及植物种类拉伸速率等因素，许多学者对其进行了大量的研究。
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