توصيفگر ها :
مقاومت برشي خاك , جابجايي برشي نسبي خاك , مقاومت كششي ريشه , كرنش كششي ريشه , اندوفيت , نسبت سطح ريشه , سلولز
چكيده فارسي :
پوشش گياهي و ريشه¬هاي گياهان عوامل مهمي در حفاظت دامنه¬ها و خاك¬ها در عرصه منابع طبيعي هستند. باوجود اهميت گياهان مرتعي با ريشه¬هاي افشان در حفاظت خاك، پژوهش¬هاي اندكي در مورد تقويت مكانيكي خاك توسط ريشه¬هاي افشان و تاثير همزيستي اندوفيت انجام شده است. در رساله حاضر سه مطالعه با اهداف بررسي اثر نوع گياه مرتعي بر تقويت مكانيكي خاك در ارتباط با پارامترهاي بيومكانيكي ريشه، ارزيابي تأثير برهمكنش اندوفيت و ژنوتيپ فسكيوي بلند بر تقويت مكانيكي خاك مرتبط با پارامترهاي بيومكانيكي ريشه، و مدل¬سازي رفتار مكانيكي خاك-ريشه انجام شد. در مطالعه اول اثر حضور ريشه گياهان مرتعي فسكيوي بلند (دو ژنوتيپ 75B و75C)، Bromus inermis و Bromus tomentellus بر تقويت مكانيكي يك خاك لوم رسي شني در شرايط رطوبتي اشباع و غيراشباع (پتانسيل ماتريك kPa 10-) توسط دستگاه برش مستقيم بزرگ خاك-ريشه بررسي شد. در مطالعه دوم اثر برهمكنش همزيستي (با اندوفيت، E+ و بدون اندوفيت، E‒) و دو ژنوتيپ 75B و 75C فسكيوي بلند بر تقويت مكانيكي خاك با شرايطي مشابه مطالعه اول بررسي شد. همچنين نسبت سطح ريشه (RAR) روي صفحه¬هاي برش، پارامترهاي بيومكانيكي (مقاومت و كرنش كششي) و تركيبات (سلولز، همي¬سلولز و ليگنين) در ريشه¬هاي گياهان مورد بررسي اندازه¬گيري شد. در مطالعه سوم مدل¬سازي داده¬هاي اندازه¬گيري¬شده به روش¬هاي تحليلي (والدرون يا وو) و عددي (با نرم¬افزار ABAQUS) انجام شد. نتايج مطالعه اول نشان داد تقويت مكانيكي (مقاومت برشي و جابجايي برشي) در خاكهاي ريشهدار حدود چهار برابر بيش¬تر از خاكهاي بدون ريشه بود. B. inermis با بيش¬ترين تعداد ريشه¬هاي كشيده¬شده¬ و كم¬ترين قطر ريشه¬ها بيش¬ترين مقاومت برشي خاك-ريشه را موجب شد. بنابراين بيش¬ترين جابجايي برشي در فسكيوي بلند مشاهده شد. همواره بيش¬ترين اثر تقويت مكانيكي توسط ريشه¬ها در لايه¬هاي بالايي خاك مشاهده شد. بنابراين اثر ريشه¬هاي افشان گياهان مرتعي در حفاظت خاك در برابر زمين¬لغزش¬هاي كم¬عمق مهم است. تقويت مكانيكي بهتر خاك توسط ريشه¬هاي B. inermis تا حدي به مقدار ليگنين و همي¬سلولز و كرنش كششي بيش¬تر آن مربوط بود. با افزايش قطر ريشه¬ها، مقاومت كششي، كرنش كششي و ضريب كشساني آن¬ها كاهش يافت؛ بنابراين ريشه¬هاي ريز در تقويت مكانيكي خاك مهم هستند. يافته¬هاي مطالعه دوم نشان داد مقاومت برشي، جابجايي برشي و انرژي كرنشي در خاكهاي ريشهدار به¬طور قابل توجهي افزايش يافت. بيش¬ترين تقويت مكانيكي خاك براي گياهان 75C E+ ثبت شد و پس از آن گياهان 75B E+ و در ادامه گياهان 75B E‒ ≈ 75C E‒ قرار داشتند كه با تعداد ريشههاي گسيخته¬شده + كشيده¬شده، RAR، سلولز، نسبت سلولز به ليگنين و ويژگيهاي بيومكانيكي ريشهها، به ويژه در گياهان 75C E+ مرتبط بود. حضور ريشه و اندوفيت اثر پتانسيل ماتريك بر ويژگيهاي مكانيكي خاك را تعديل كردند. ريشههاي ژنوتيپ 75C بيش¬تر لايههاي بالايي خاك و ريشه¬هاي ژنوتيپ 75B عمدتاً لايههاي پاييني را تقويت كردند. ريشههاي گياهان 75C (صرف نظر از اندوفيت) قادر بودند به طور مؤثر خاك را تقويت كنند. آثار تقويت مكانيكي خاك توسط ريشههاي 75B بدون اندوفيت كم بود و به دليل وجود اندوفيت افزايش يافت. صرف نظر از وضعيت رطوبتي، ريشههاي گياهان 75C خاك را به طور مؤثر تقويت كردند، اما گياهان 75B عمدتاً خاك غيراشباع را تقويت نمودند. مدل تحليلي والدرون يا وو منجر به تخمين بسيار بيش¬تر در مقايسه با مقادير اندازه¬گيري¬شده تقويت مكانيكي خاك توسط ريشه شد. روش عددي با نرم¬افزار ABAQUS به¬خوبي در شبيه¬سازي و برآورد رفتار مكانيكي ستون¬هاي خاك-ريشه در تيمارهاي مورد بررسي توانمند بود. مقادير مقاومت برشي مدل¬سازي¬شده و اندازه¬گيري¬شده در برخي تيمارها (مانند B. tomentellus) تفاوت زيادي داشتند. در كل، بر اساس نتايج پژوهش حاضر كشت تركيبي B. inermis و فسكيوي بلند (همزيست با اندوفيت) در زمين¬هاي شيب¬دار و مستعد فرسايش براي برنامه¬هاي حفاظت خاك و مديريت زمين¬لغزش¬هاي كم¬عمق پيشنهاد مي¬شود.
چكيده انگليسي :
Plant roots can influence soil physical properties in both hydrological and mechanical ways, thereby improving slope stability and erosion resistance. However, the effects of fibrous roots of rangeland plants on soil reinforcement in relation with root biomechanical parameters have not been studied in detail at different soil water statuses. Besides the interaction impacts of endophyte symbiosis and plant genotype on mechanical characteristics of rooted soil have not been investigated yet. This study was conducted to: i) investigate the effect of rangeland plant type on soil mechanical reinforcement by roots related to root biomechanical parameters in saturated and unsaturated conditions, ii) evaluate the interaction effect of tall fescue genotype and endophyte symbiosis on soil mechanical reinforcement by roots linked to root biomechanical parameters, and iii) predict the effect of roots on soil mechanical behavior and shear strength using analytical and numerial models. A large direct shear machine was fabricated to measure the shear strength of rooted soil columns at three shear depths of 10, 25 and 40 cm. The shear tests were done at saturated and unsaturated soil water statuses. The results of first part indicated that shear strength and shear displacement-at-failure in the rooted soils were about four times greater than in the non-planted ones. B. inermis (with highest numbers of stretched roots) showed the highest shear strength, and the roots of B. tomentellus were as effective as F. arundinacea. However, their effects on shear displacement-at-failure were significantly lower. Highest and lowest shear displacements were observed in the rooted soils of F. arundinacea and B. tomentellus, respectively. Greatest soil reinforcement was observed in the shallow soil. Soil reinforcement and the intercept and slope of shear strength vs. root area ratio (RAR) were greater in the unsaturated soil (i.e., matric potential –10 kPa), indicating higher mobilization of root strength in soil reinforcement. The reinforcing effects of roots moderated the role of soil water status in mechanical strength. The roots of F. arundinacea 75B and B. tomentellus effectively reinforced unsaturated soils. Root cellulose, cellulose/lignin ratio, tensile strength and tensile strain were always greater in the endophyte-infected (E+) plants than in the endophyte-free (E‒) ones, although the effect of endophyte was more noticeable in 75C. Largest reinforcement was recorded for 75C E+, followed by 75B E+ > 75B E– ≈ 75C E–, directly related to ruptured+stretched roots’ numbers, RAR, root cellulose, cellulose/lignin ratio, tensile strength and tensile strain. The 75C roots predominantly reinforced upper layers while 75B roots mainly reinforced lower layers. The 75C roots could effectively reinforce soil irrespective of matric potential, but 75B roots mainly reinforced unsaturated soil. The results of third part indicated that the mechanical reinforcement of the roots was highly overestimated by the analytical model of Waldron and Wu. However, numerical modeling of the soil-root interaction by ABAQUS software was satisfactory. In general, the relative shear displacement in most treatments was predicted well by the numerical method. However, shear stress-shear displacement curves and soil-root shear strength were fairly predicted in some treatments. The reasons for the discrepancy between modeled and measured soil-root shear strength in B. tomentellus might be related to the errors in predicting the number of crushed/streteched roots, the spatial distribution of the roots and the size of the roots on the shear plane, and related root composition and biomechanical properties. Overall, combined cultivation of B. inermis (most effective on soil shear strength) and F. arundinacea 75C (most effective on shear displacement) might be recommended for soil conservation practices on slopey lands.