Root tensile strength of three shrub species: Rosa canina, Cotoneaster dammeri and Juniperus horizontalis

Soil reinforcement estimation by laboratory tests

E. Comino ⁎, P. Marengo

Land, Environment and Geo-Engineering Department (DITAG), Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi 24, 10 129 Torino, Italy

Introduction

The role of vegetation for site restoration, slope stabilization and control erosion is widely investigated and discussed. Studies have documented the effect of root density in preventing landslides (Abe, 1997; Genet et al., 2008; Gray and Sotir, 1996; ), the relationships between soil water and root profile (Normaniza and Barakban, 2006) as well as the root system development on different sloping conditions (Di Iorio et al., 2005; Chiatante et al., 2003,). Roots increase soil shear strength by anchoring a soil layer and by modifying soil structure (Greenway, 1987; Schmidt et al., 2001; Waldron, 1977; Waldron and Dakessian, 1981). The soil influences the micromechanical properties of the roots at tissue and fiber level (Burgeret et al., 2004; Krauml;mer et al., 1996; Pan Chun and Nii, 2005) and at system level (De Baets et al., 2008) modifying the root architecture and the root anatomical development.

The effective roots contribution can be measured in two ways: through the soil blocks shear strength or through the root tensile strength and the root architecture. Shear test of soil root has been performed to study the mechanical reinforcing effect of plant roots on the stability of slopes (Normaniza et al., 2008; Wu and Watson, 1998; Ziemer, 1981) and stream banks (Simon and Collison, 2002; Pollen, 2007). Root tensile strength can be measured by in situ root pull-out tests (Burroughs and Thomas, 1977; Docker and Hubble, 2008; Ziemer, 1978; Norris, 2005; Norris et al., 2006, 2008; Riestenberg and Sovonick-Dunford, 1983; ) and by laboratory root tensile tests (Abe and Ziemer, 1991; Bischetti et al., 2009; De Baets et al., 2008; Genet et al., 2008; Mattia et al., 2005; Tosi, 2007; Riestenberg, 1994; ). Roots can respond to shearing force in three different ways: stretching, slipping and breaking (Abe and Ziemer, 1991; Waldron and Dakessian, 1981). Since such response depends on species and on growing condition, there is a high degree of variability and, as expressed by Mattia et al. (2005), a great deal of data collection is still needed. Biotechnical characteristics (correlation between mean values of root strength and root diameter) of Lygeum spartium, Atriplex halinus and P. lentiscus have been tested (Mattia et al., 2005). Bischetti et al. (2005) tested eight typical Northern Italy species: Alnus viridis Fagus sylvatica, Salix purpurea, Salix caprea, Corylus avellana, Fraxinus excelsior, Picea abies and Larix decidua. Operstein and Frydman (2000) conducted root tension test on four different Mediterranean plants: Medicago sativa, Rosmarinus officinalis, P. lentiscus and Cistus sp.; however, there are several other investigations that could be conducted to improve the understanding of soil reinforcement generated by roots.

However the number of species that could be tested remains very high, especially the mechanical characteristics of Alpine shrub root system are not much studied yet. We intended to study roots effects on soil r

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三种灌木的根抗拉强度：Rosa canina, Cotoneaster dammeri 和 Juniperus horizontalis

通过实验室试验评估土壤强度

埃·科米诺，马伦戈

土地、环境和地球工程分置区（DITAG），都灵，科尔索杜卡德格利阿布鲁齐 24， 10 129 都灵， 意大利

介绍

对植被对遗址恢复、坡度稳定、控制侵蚀的作用进行了广泛的讨论和探讨。研究记录了根密度在预防山体滑坡方面的影响（Abe，1997;Genet等人，2008年;格雷和索蒂尔，1996年;土壤水和根亲关系（诺曼尼萨和巴拉克班，2006年），以及不同倾斜条件下的根系发展（Di Iorio等人，2005年）;奇阿泰特等人，2003年）。根部通过锚定土壤层和改变土壤结构来增加土壤剪切强度（绿道，1987年;施密特等人，2001年;瓦尔德龙， 1977;瓦尔德龙和达克西，1981年。土壤在组织和纤维水平上具有根系的微观力学特性（Burgeret等人，2004年; Krauml;mer等人，1996年;潘春和尼，2005年，在系统层面（De Baets等人，2008年）修改了根体系结构和根解剖发展。

有效根系贡献可通过两种方式进行测量：通过土壤块剪切强度或通过根部抗拉强度和根系架构.土壤根的剪切试验，研究植物根系对斜坡稳定性的机械增强作用（Normaniza等人，2008年;吴和沃森，1998年;齐默， 1981） 和河岸 （西蒙和科里森， 2002;波伦， 2007）.根部强度可以通过原位根抗拔试验（Burroughs和Thomas，1977年;多克和哈勃，2008年;齐默， 1978;诺里斯，2005年;Norris等人，2006年、2008年;里斯滕贝格和索沃尼克-邓福德，1983年;和通过实验室根拉伸测试（安倍和齐默，1991年;Bischetti等人，2009年;De Baets等人，2008年;Genet等人，2008年;Mattia等人，2005年;托西，2007年;里斯滕贝格， 1994; 根能以三种不同的方式对剪切力做出反应：拉伸，拉出和拉断（安倍和齐默，1991年;瓦尔德龙和达克西，1981年。由于这种反应取决于物种和生长条件，因此存在高度的变异性，而且，Mattia等人（2005年）表示，仍然需要大量数据收集。林氏体、阿氏杆菌和P的生物技术特性（根强度平均值与根直径平均值的相关性）。 扁豆已经过测试 （Mattia等人， 2005）.Bischetti等人（2005年）测试了8个典型的意大利北部物种：阿尔努斯·维里迪斯·法格斯·西尔瓦蒂卡、萨利克斯·普普拉亚、萨利克斯·卡普里亚、科瑞鲁斯·阿韦拉纳、弗拉西努斯·德西奥、皮切亚·阿比斯和莱克斯·德西杜瓦。奥普斯坦和弗莱德曼（2000年）对四种不同的麦地那植物进行了根张力测试：梅迪达戈水稻、菲那利的罗斯马里努斯、P。然而，还可以进行其他几项调查，以增进对根部产生的土壤加固的认识。

然而，可以测试的树谱数量仍然很高，特别是高山灌木根系的机械特性尚未得到大量研究。我们打算研究根系对土壤增强的影响，并帮助缩小根部抗拉强度数据上的差距。因此，在我们的研究中，测量了三个自体高山灌木的根拉伸强度：Rosa canina, Cotoneaster dammeri 和 Juniperus horizontalis

。R. canina 以前也进行了研究，可以比较我们的结果与 Tosi （2007）获得的结果进行比较，而 Cotoneaster dammeri和Juniperus horizontalis没有测试过。这两种物种都可用于规划新的替代方案，以提高阿尔卑斯山坡的稳定性。

对单个根样本的每个灌木物种进行了实验室测试，以测量其拉伸强度和整个根系，以估计根密度分布与深度（根面积比）。

为了评估它们对坡度稳定性的贡献，应用了两种不同的土壤回固模型：吴等人（1979年）方法和最近的纤维束模型（Pollen和Simon，2005年）。

材料和方法

2.1. 研究物种

本研究所考虑的物种是Rosa canina, Cotoneaster dammeri and Juniperus horizontalis （皮格纳蒂， 1982. ）选择这些物种的原因如下：（a） 高山环境中的广泛分布，（b） 控制侵蚀和浅层加固的共同用途，以及（c） 容易和良好的生长能力。

C. dammeri（C.K.Schneid）（珊瑚美）是一种常绿灌木，秋天呈红白色，属于罗莎西家族。其尺寸较小，高度从0.5米到1.5米不等。旧标本的树皮粗糙，呈棕黄色。叶子，深绿色，是小（6~12毫米的长度），圆形或椭圆形，有直边和尖顶。花体是她的马普罗，淡粉色，1~1.5厘米宽，沿树枝通过一个公理位置连接。水果是小红的，球形的，秋冬季成熟。它被认为是最好的地面覆盖灌木之一。根系统横向穿透深度不超过 1 米和 0.8–1.5 m。它可以生长在粉状或粘土，甚至钙化物和富饶或甘蔗物质。这种灌木可以生长在温和和陡峭的斜坡上，耐满日照，但也可以在有遮阳的地方生存（霍斯特，2008年）。

R.canina（L.）（狗玫瑰）是一种多年生落叶灌木，罗莎西家族，通常高度在1至4米。 它的茎覆盖着小，锋利，钩状的脊柱，这有助于它攀登。叶子是钳子与5-7 leaflets。花果通常是淡粉色的，但深粉色和白色之间可能有所不同。它们直径为 4~6 厘米，带花瓣，成熟为椭圆形 1.5times;2 厘米红橙水果或臀部。根系统不会穿透深度超过 0.7 米，但横向传播超过 1~3 m。它可以生存在海拔1500米以上的野生地区，被退化的灌木丛。它相当耐旱，可以殖民阿尔卑斯山的环境（波特，2007年）。

J. horizontalis （Moench）是一种常绿灌木， 冬季呈红紫色， 属于库普萨西家族.其尺寸较小，20~50厘米高，垂垂不其业务。树皮是棕色的，小光滑的分支（5~10 毫米直径）在细条中去角质，较大的分支在宽条或板中去角质。叶子是绿色的圆锥体，球状的球状，直径5~7毫米，深蓝色，淡蓝白色蜡花，并含有两个种子。根系统可以穿透到1米深，f或这个原因，它可以锚定植物，即使在陡峭的斜坡（高达30°）。它生长在沙质和砾石土壤，以及岩石露头。它可承受非常恶劣和负的温度，没有重大问题。它可以在明亮的地方生存，阳光充足，或在黑暗的环境中生存（Krauml;mer等人，1996年）。

2.2. 土壤

灌木是在尺寸为 1.15（长度）plusmn;0.85（宽度）plusmn;0.5（高度）米（0.45 米土壤深度）的木容器中设置和生长的。每个容器被木板分成12个锅（pot尺寸：0.29times;0.28米基面积=0.45米高（图1）。盆中的生长并不完全代表自然条件。然而，灌木是在2年的生长后挖出的，在此期间，人们认为盆栽大小并不显著地影响根系的发展。

这些木容器在Asti（意大利北部）附近的一个村庄暴露在自然天气条件下，为期2年。气候条件有地中海和大西洋，其特点是两个潮湿时期（秋季和春季）和两个一般干燥期（冬季和夏季）。年平均降雨量约为660毫米。该地区最热的月份是 7 月，平均气温为 23.7 °C，最冷的是 1 月，平均温度为 0.7 °C;年平均气温为 12.7 °C，年平均湿度为 52.5%，最低值为 7 月 （42%）和1月的最高值（61%）。

收集了两种不同的土壤类型：R. canina被设置在一种来自Morgex（Aosta）的斜坡，其中J. horizontalis 和 C. dammeri设置在另一个从一个斜坡在通科（阿斯蒂附近的村庄）。这两种土壤类型都经过标准测试，以确定其基本物理特性。根据颗粒和硅泽分析，土壤的两种类型被描述为淤泥沙，表1显示了它们的主要物理和化学特性。

2.3. 拉伸强度

对三个物种进行了拉伸强度测试。根据Mattia等人（2005年）获得用于拉伸强度测试的根样本。灌木是用小型工具从容器中手工挖出的，然后根系周围的土壤被水喷射冲走。根样本（80~100~120 mm 长度，相对于被测试根系的特征）用锋利的剪刀收集。对于每个根，沿其长度沿其长度测量直径（使用分辨率为 0.01 mm 的数字卡器），以三种不同的方式

图1.用于灌木生长的木材容器。

位置，以便分配与断裂点对应的直径的代表性值（在拉伸强度测试后）。在样品被夹紧的极点没有进行直径测量。

拉劲强度测试采用Bischetti等人（2003年）和Tosi（2007年）所述程序进行，使用由位于都灵的波利特科尼科市土地、环境和地球工程部（DITAG）设计和建造的实验装置进行。实验装置在 Modified工作台上（带 500 N 个称重传感器（分辨率为 0.5 N）的钳位中，连接到一个钢叉，其中 first 根端是 fixed。根样本的另一个四肢被固定在地下室的钢叉（板）夹住。两个根极性都由非锯齿钳（图2）进行fi x，以避免在fixing点损坏，从而影响拉伸强度测量（Mattia等人，2005年）。夹子与两个钢板相连，由两个小轮子支撑，向内倾斜;根样本四肢位于两个小轮子之间。

拉伸强度测试的特点是线性

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