准格尔露天煤矿排土场水土保持功能植被固土抗蚀生物力学响应机制

排土场是露天矿水土流失最为严重的区域。本课题以内蒙古西部风水复合侵蚀区的准格尔煤田露天矿排土场平台和边坡上栽植的几种常见的水土保持植物为对象，采用材料力学、弹塑性力学、土力学及风沙物理学原理和试验方法，对风水复合侵蚀作用下植物根系与枝叶耦合抗蚀的生物力学特性进行研究；植物材料不同于其他工程材料，其力学性能取决于它的组织结构和化学组分，植物对力学刺激的响应也与组织应变有关。选取应力模拟实验中枝条、叶和根茎在几种基本变形条件下的微观组织，运用植物生理学和植物解剖学的基本理论和方法，利用显微镜技术，进行形态解剖构造观察及纤维素、半纤维素含量的定量分析，比较植物间枝、叶、根系微观组织结构的差异及其对生物力学性能的影响程度，揭示植物间弹性及应力-应变关系的差异和生物力学特性的共同规律。通过上述内容的研究，揭示露天矿排土场几种水土保持植物在风水复合侵蚀外营力作用下枝叶-根系耦合抗蚀的生物力学响应机制。

排土场是露天采煤矿区水土流失最为严重的区域。随着植物措施在防治水土流失方面的广泛运用，根系固土已成为当前生态环境领域研究的热点。本课题以处于黄土丘陵沟壑区的内蒙古中部风水复合侵蚀区的准格尔煤田露天矿排土场人工栽植的4年生沙棘（Hippophae rhamnoides Linn）、柠条（Caragana microphylia Lam.)、杨柴（Hedysarum fruticosum Pal. var. lignosum (Trautv.) Kitag）、沙打旺（Astragalus adsurgens Pall.）、草木樨（Melilotus officinalis Linn）和紫花苜蓿（Medicago sativa L）为对象，研究枝条抗拉和抗弯力学特性，根-土复合体抗剪特性、根-土界面的摩阻特性及其影响因素。研究枝条和根系形态解剖构造及纤维素、半纤维素含量等，研究植物地上部防风抗蚀的有效性和差异。在此基础上探讨影响植物根系固土抗蚀的主要因子，以及影响植物根系与枝叶耦合抗蚀的主要因子。此外对根土复合体残余抗剪特性及其影响因素，地上部枝条受力向根系传递特性进行了初步研究。主要结论：植物种不同则枝条和根系的分枝能力有差异，且均以直径<2mm的细枝和细根分布为主，即地上部细枝和地下细根是防风固土抗蚀的主体，亦是生物力学特性研究的主要对象。枝条和根系极限抗拉力均随着直径的增加而增加、极限抗拉强度均随直径的增加呈下降趋势。即直径越小，单位面积承受的拉力越大，其抗拉强度越大。表明，枝条和根系的力学特性与形态结构特征的结合，是选择适宜的水土保持树种非常重要的因素。种间枝条和根系单根抗拉能力大小的比较结果显示，灌木>半灌木>草本植物。粘聚力的增加对根-土复合体抗剪强度的提高起到重要的作用。植物种不同则生物学特性不同，物候期和生长特性等不同，根系固土作用达到最佳状态时所要求的内在和外在条件也有区别。表明，生态修复中只有实现多植物种结合的修复方式才是最优水土保持功能实现的模式。细根和枝条抗拉强度的发挥其中纤维素含量起重要作用。选择春季土壤干旱时期和夏季暴雨后土壤含水率很高两种自然条件下，从根系抗拉力学特性、根-土复合体抗剪特性、根-土界面摩阻特性及反映根系结构特征因素中选出10个指标变量进行主成分分析，结果表明，自然条件不同则影响根系固土主导力学因素重要性程度的排序不同。