Wpływ systemu korzeniowego topoli czarnej i robinii akacjowej na wytrzymałość na ścinanie gruntów

• Autorzy: Zydroń T. , Bienias B. , Gruchot A. T.

Warianty tytułu

EN

Quantifying Effect of Root-Reinforcement of Juvenile Trees of Black Poplar and Black Locust

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy było określenie wartości spójności pozornej gruntów (przyrostu wytrzymałości gruntu na ścinanie) związanej z obecnością w profilu systemów korzeniowych topoli czarnej (Populus nigra) oraz robinii akacjowej (Robinia pseudoacacia L.). Badania przeprowadzono dla drzew po 5 latach od ich zasadzenia. W ramach prac badawczych przeprowadzone zostały pomiary powierzchni względnej korzeni, wykonano badania wytrzymałości na rozciąganie korzeni, określono podstawowe właściwości fizyczne i mechaniczne gruntów występujących w pobliżu roślin, a w dalszej części pracy przeprowadzono obliczenia spójności pozornej z wykorzystaniem modelu Wu-Waldrona i modelu wiązkowego oraz przeprowadzono obliczenia stateczności celem wykazania pozytywnego wpływu korzeni badanych gatunków drzew na stateczność skarp. Ogólnie stwierdzono, że badane drzewa charakteryzują się dużym zróżnicowaniem powierzchni względnej systemu korzeniowego, co było zwłaszcza widoczne w przypadku topoli czarnej. Wartości średniej powierzchni względnej korzeni (Ar/A) w całym profilu wyniosły 0,045% w przypadku topoli czarnej i 0,03% dla robinii akacjowej, przy czym analiza statystyczna wykonana przy poziomie istotności 0,01 nie potwierdziła istotności różnic tego parametru pomiędzy obydwoma gatunkami drzew. Wyróżniono dwie strefy zwiększonej gęstości systemu korzeniowego badanych gatunków. Pierwsza z nich występowała przy powierzchni terenu, ograniczonej do głębokości około 0,25 m ppt, natomiast druga strefa na głębokości 0,65 m ppt i była związana z obecnością gruntu o dużej wilgotności. Badania oporu penetracji gruntu w pobliżu pni topoli czarnej i robinii akacjowej wykazały, że wraz z odległością od drzewa opór ten wzrasta. Uzyskana zależność jest odmienna od podawanej w literaturze. Wyniki obliczeń spójności pozornej wykazały, że charakter zmian wartości spójności pozornej był taki sam jak w przypadku zmian powierzchni względnej korzeni. Spójność pozorna zmniejszyła się wraz ze wzrostem głębokości do 0,55 m ppt, a na głębokości 0,65 m ppt był widoczny przyrost jej wartości. Średnia wartość spójności pozornej dla korzeni topoli czarnej wyniosła 4,5 kPa, a dla robinii akacjowej była prawie dwukrotnie większa i wyniosła 8,7 kPa. Wyniki analizy statystycznej na poziomie istotności 0,01 nie wykazały jednak istotnych różnic wartości spójności pozornej pomiędzy obydwoma gatunkami drzew. Porównując wyniki obliczeń spójności pozornej uzyskanych z zastosowaniem obu modeli obliczeniowych stwierdzono, że model Wu-Waldrona daje wyraźnie większe wartości spójności pozornej niż model wiązkowy. Stosunek spójności pozornej z obliczeń obydwoma modelami był tym większy im więcej korzeni występowało w rozpatrywanej części profilu gruntowego. Obliczenia stateczności wykazały, że obecność drzew na skarpie wykopu pozytywnie wpływa na poprawę warunków jej stateczności. Średnie wartości współczynnika bezpieczeństwa dla zbocza pokrytego roślinnością były od 6,5 do 12,8% większe niż dla zbocza bez roślinności. Z kolei wartości współczynnika bezpieczeństwa skarpy są ponad dwukrotnie większe dla skarpy zadrzewionej. Obliczenia nie wykazują wyraźnej różnicy pomiędzy gatunkami obydwu drzew.

EN

Determination of lateral root- cohesion of black poplar (Populus nigra L.) and black locust (Robinia pseudoaccacia L.) root systems derived from 5 years-old plantation was the aim of the paper. In the framework of the research were carried out measurements of root area ratio using profile wall trench technique, penetration resistance tests near trees. In the framework of laboratory tests were done tensile strength tests of the roots of both species and were determined basic geotechnical properties of soils from vicinity of analyzed plants. In the next part of research were calculated values of root- cohesion using Wu-Waldron and Fiber Bundle Models, as well as were performed slope stability calculations in order to demonstrate positive influence of root-cohesion on factor of safety. The measurements of root systems revealed that the plants are characterized by a large variation of root area ratio. Mean value of root area ration of black poplar and black locust were equal 0.045 and 0.03% respectively, however statistical analysis did not confirmed the significance of differences of this parameter between the analyzed species. The biggest values of root area ratio were determined in the superficial layer of soil profile limited to depth of 0.3 m below the terrain surface, but relatively high values of root area ratio were also determined at a depth of 0.65-0.75 m below ground level and were one associated with an increase of soil moisture content. Penetration tests of the soil near the tree trunks of black poplar and black locust showed that increase of distance from the tree caused increase of penetration resistance. These results are in contrast to the penetration results reported in the literature.Calculations of root-cohesion showed that the nature of changes in thevalue of this parameter is the same as in the case of root area ratio values. The values of root-cohesion are decreasing with increase to depth up to 0.55 m below the surface and at depth 0.65-0.75 m below the surface is visible the increase in the value of root cohesion. The mean value of root-cohesion of black poplar was 4.5 kPa, whereas in the case of black locust was almost twice higher (8.7 kPa). The results of the statistical analysis did not show a significant difference in the root-cohesion of the analyzed plant species. Comparison of rootcohesion value calculations obtained using both models revealed that model Wu-Waldron gives a significantly higher value of cohesion than the model bundle, and the difference of calculation results of both methods is the greater the more the roots occurs in the soil profile. Probabilistic stability calculations carried out for the hypothetical slope showed that the presence of vegetation on the slope improves its stability. The average value of the safety factor on the slopes covered with two analyzed species plant was 6.5-12.8% higher than in case of non-vegetated slope. Values of reliability indexes obtained for vegetated slope were more than twice higher than for slope without vegetation. Calculations results didn't showed significant difference in the impact of the two species on slope stability.

Słowa kluczowe

PL

spójność pozorna; stateczność zboczy; topola czarna; robinia akacjowa

EN

root cohesion; slope stability; black poplar; black locust

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2016
• Tom: Tom 18, cz. 1
• Strony: 772--799
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Zydroń T.

• Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja, Kraków

autor

Bienias B.

• Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja, Kraków

autor

Gruchot A. T.

• Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja, Kraków

Bibliografia

• 1. Abdi, E., Majnounian, B., Genet, M., Rahimi, H. (2010). Quantifying the effects of root reinforcement of Persian Ironwood (Parrotia persica) on slope stability; a case study: Hillslope of Hyrcanian forests, northern Iran. Ecological Engineering, 36, 1409-1416.
• 2. Abernethy, B,. & Rutherfurd, I.D. (2001). The distribution and strength of riparian tree roots inrelation to riverbank reinforcement. Hydrological Processes, 15, 63-79.
• 3. Adhikiri, A.R., Gautam, M.R., Yu, Z., Imada, S., Acharya, K. (2013). Estimation of root cohesion for desert species in the Lower Colorado riparian ekosystem and its potencial for streambank stabilization. Ecological Engineering, 51, 33-44.
• 4. Bischetti, G.B., Chiaradia, E.A., Simonato, T., Speziali, B., Vitali, B., Vullo, P., Zocco, A. (2007). Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy (Northern Italy). Plant and Soil, 278, 11-22.
• 5. Bischetti, G.B., Chiaradia, E.A., Epis, T., Morlotti, E. (2009). Root cohesion of forest species in the Italian Alps. Plant and Soil, 324, 71-89.
• 6. Böhm, W. (1979). Methods of studying root systems. Berlin, Heidelber, New York: Springer-Verlag.
• 7. Docker, B.B. & Hubble, T.V.T. (2008). Quantifying root-reinforcement of river bank soils by four Australian tree species. Geomorphology, 100, 401-418.
• 8. Fijałkowska, D. & Styszko, L. (2011). Ciepło spalania biomasy wierzbowej. Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set of Environment Protection), 13, 875-889.
• 9. Genet, M., Stokes, A., Salin, F., Mickovski, S.B., Forcaud, T., Dumail, J-F., van Beek R. (2007). The influence of cellulose content on tensile strength in tree roots. Stokes et al. (eds.) Eco- and Ground Bio-Engineering: The Use of Vegetation to Improve Slope Stability, 3-11.
• 10. Genet, M., Kokutse, N., Stokes, A., Forcaud, T., Cai, X., Ji, J., Mickovski, S. (2008). Root reinforcement in plantations of Cryptomeria japonica D. Don: effect of tree age and stand structure on slope stability. Forest Ecology and Management, 256, 1517-1526.
• 11. Genet, M., Stokes, A., Fourcaud, T., Norris, J.E. (2010). The influence of plant diversity on slope stability in a moist evergreen deciduous forest. Ecological Engineering, 36, 265-275.
• 12. GEO-SLOPE 2010. (2007). Stability modeling with SLOPE/W An Engineering Methodology (4th ed.). Alberta: GEO-SLOPE International Ltd.
• 13. Ji, J., Kokutse, N., Genet, M., Fourcaud, T., Zhang, Z. (2012). Effect of spatial variation of tree root characteristics on slope stability. A case study on Black Locust (Robinia pseudoacacia) and Arborvitae (Platycladus orientalis) stands on the Loess Plateau, China. Catena, 92, 139-154.
• 14. Juliszewski, T., Kwaśniewski, D., Mudryk, K., Wróbel, M. (2012). Ocena wybranych parametrów biomasy pozyskanej z plantacji drzew szybkorosnących. Inżynieria Rolnicza, 2(136), 89-97.
• 15. Kiełbasa, P. (2011). Zintegrowana metoda oceny nakładów energetycznych na uprawę podstawową w aspekcie mozaikowatości gleby. Inżynieria Rolnicza, XV, 3(128). Wyd. Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej.
• 16. Kujawa K. (2012). Znaczenie obecności robinii Robinia pseudoacacia w drzewostanie zadrzewień śródpolnych dla różnorodności i zagęszczenia populacji ptaków lęgowych. Studia i Materiały CEPL w Rogowie, 14, 33(4), 62-73.
• 17. Mickovski, S.B. & van Beek, L.P.H. (2009). Root morphology and effects on soil reinforcement and slope stability of young vetiver (Vetiveria zizanioides) plants grown in semi-arid climate. Plant and Soil, 324, 43-56.
• 18. Mao, Z., Saint-Andre, L., Genet, M., Mine, F-X., Jourdan, Ch., Rey, H., Courbaud, B., Stokes, A. (2012). Engineering ecological protection against landslides in diverse mountain forests: Chosing cohesion models. Ecological Engineering, 45, 55-69.
• 19. Osman, & N., Barakbah, S.S. (2006). Parameters to predict slope stability – Soil water and root profiles. Ecological Engineering, 28, 90-95.
• 20. Osman, N., & Barakbah, S.S. (2011). The effect of plant succession on slope stability. Ecological Engineering, 37, 139-147.
• 21. PN-88/B-04481. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. Warszawa: Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości,.
• 22. Pollen, N., Simon, A. (2005). Estimating the mechanical effects of riparian vegetation on stream bank stability using a fiber bundle model. Water Resources Research, 41, W07025.
• 23. Preti, F. (2006). On root reinforcement modeling. European Geosciences Union 2006. Geophysical Research Abstracts, 8, 04555.
• 24. Preti, F., & Giadrossich, F. (2009). Root reinforcement and slope bioengineering stabilization by Spanish Broom (Spartium junceum L.) Hydrology and Earth System Sciences, 13, 1713-1726.
• 25. Rai, R., & Shrivastva, B.K. (2012). Large in situ shear test box for mine waste dump. Journal of The Institution of Engineers (India). Series D., 93(1), 19-22.
• 26. Stachowski, P. (2006). Kształtowanie środowiska rolniczego na terenach pogórniczych Kopalni Węgla Brunatnego „Konin”. Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set of Environment Protection), 8, 279-297.
• 27. Styszko, L., Fijałkowska, D., Sztyma, M. (2008). Obserwacje rozwoju wierzby energetycznej w 2007 roku. Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set of Environment Protection), 10, 425-432.
• 28. Styszko L., Borzymowska A., Ignatowicz M. (2011). Wpływ zagęszczenia krzaków wierzby na odrastanie pędów w trzyletnim cyklu jej uprawy. Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set of Environment Protection), 13, 541-556.
• 29. Thomas, R.E., & Pollen-Bankhead, N. (2010). Modeling root-reinforcement with a fiberbundle model and Monte Carlo simulation. Ecological Engineering, 36, 47-61.
• 30. Tomanek, J. (1997). Botanika leśna. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne.
• 31. U.S. Army Corps of Engineers. (1999) Risk-based analysis in geotechnical engineering for support of planning studies, engineering and design. Rep. No. 20314-1000, Dep. of Army, Washington, D.C.
• 32. Węgorek, T., Kraszkiewicz, A. (2005). Dynamika wzrostu robinii akacjowej (Robinia pseudacacia l.) w zadrzewieniu śródpolnym na glebach lessowych. Acta Agrophysica, 5(1), 211-218.
• 33. Waldron, L.J. (1977). The shear resistance of root-permeated homogeneous and stratified soil. Journal of the Soil Science Society of America, 41, 843-849.
• 34. Watson, A., McIvor, I., Douglas, G. (2015). Live root-wood tensile strength of Populus euramericana, ‘Veronese poplar’. The New Zealand Poplar Willow Reseach Trust (http://www.poplarandwillow.org.nz), 1-8.
• 35. Wiłun, Z. (2000). Zarys geotechniki. Warszawa: Wyd. Kom. i Łączn.
• 36. Wu, T.H., McKinnell III, W.P., Swanston, D.N. (1979). Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island, Alaska. Canadian Geotechnical Journal, 16, 19-33.
• 37. Zhang, Ch., Chen, L-H., Jiang, J. (2014). Vertical root distribution and root cohesion of typical tree species on the Loess Plateau, China. Journal of Aric Land, 6(5), 601-611.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.