黄河源区高寒草地植被根-土复合体抗剪强度试验及退化程度阈值确定

刘昌义，胡夏嵩,2*，窦增宁，李希来，徐志闻

(1.青海大学地质工程系，青海 西宁 810016；2.中国科学院青海盐湖研究所，青海 西宁 810008；3.青海大学农牧学院，青海 西宁 810016)

黄河源区高寒草地植被根-土复合体抗剪强度试验及退化程度阈值确定

刘昌义1，胡夏嵩1,2*，窦增宁1，李希来3，徐志闻1

(1.青海大学地质工程系，青海 西宁 810016；2.中国科学院青海盐湖研究所，青海 西宁 810008；3.青海大学农牧学院，青海 西宁 810016)

为研究黄河源区高寒草地不同退化程度的植物根-土复合体抗剪强度特征，以青海河南县境内的黄河源区高寒草地作为研究区，进行了根-土复合体试样抗剪强度试验研究，系统分析了区内草地不同退化类型的根-土复合体抗剪强度特征及其不同退化程度之间的阈值。结果表明,区内草地其平面形态呈现不规则状椭圆形退化形态，且愈近于圆心部位草地退化相对愈严重，其退化程度表现出由外至内可依次划分为未退化区、轻度退化区、中度退化区、重度退化区；随着退化程度的加剧，原生植物种类及数量呈减少的趋势，次生植物则逐渐取代原生植物并构成优势植物种类，其结果使得根-土复合体的根系含量表现出逐渐减少的特征，根-土复合体抗剪强度亦逐渐减小；同时，根据4种类型退化区草地根-土复合体抗剪强度特征，分别确定出各退化区交替界限之间的根-土复合体抗剪强度阈值，即表现在未退化区与轻度退化区之间植物根-土复合体的黏聚力阈值为28.07 kPa，轻度退化区与中度退化区复合体的黏聚力阈值为20.46 kPa，中度退化区与重度退化区复合体的黏聚力阈值为9.21 kPa。该项研究成果通过由力学强度角度出发定量研究草地不同退化程度的根-土复合体强度变化规律，从而对科学有效地防治该区草地退化具有重要理论研究价值和实际指导意义。

黄河源区；草地退化；根-土复合体；抗剪强度；阈值

近30多年来，位于黄河源区的青海省境内的天然草地受全球气候暖干化及日趋频繁的人类经济活动等因素的共同影响和作用下，区域内生态系统出现了加速退化的变化趋势，在一定程度上威胁黄河源区的生态安全，引起了国内外学者和环境保护部门的普遍关注[1]。李旭谦等(2015)[2]对青海省草地退化类型的调查结果表明，青海省内高寒草甸类草地的退化面积为1994.58×104hm2，占全省退化草地总面积的63.70%，其中轻度退化草地的面积为771.67×104hm2，中度和重度退化草地面积为1222.91×104hm2，由此可见，科学有效地防治青海省境内草地退化以及保护草地生态和环境亦刻不容缓，因此，加强对黄河源区退化草地的研究和投入，促使退化草地逐步恢复则是一项非常重要的工作。

近年来，国内外学者对黄河源区草地退化的成因和机理等方面进行了较为系统性的研究，且已取得了大量的研究成果，从而为黄河源区科学有效地防治草地退化及其引发的水土流失等灾害现象的发生提供了理论依据并具有重要的指导意义[3-9]。卢虎等(2015)[10]对青藏高原东北缘天祝地区草地退化现状野外调查表明，区内草地随着退化程度的不断加重，表现出植被种类减少和优势种改变，植物群落高度、盖度、地上生物量等均呈显著降低的变化特征。孙磊等(2016)[11]对西藏那曲地区不同退化程度高寒草地的研究结果表明，随着退化程度的加剧，藏北地区退化草地群落地上生物量(植物地上部分干重)和土壤养分(全氮、全磷、有机质)总体上表现为降低趋势，而且降低步调基本一致。

国内外学者对于草地退化的成因等方面的研究较为深入，相比较而言，对于草地退化的力学机理领域的研究则相对较少。张思毅等(2016)[12]以香附子(Cyperusrotundus)作为研究对象，对南方红壤土坡面的减沙效应及其水动力学机理的研究结果表明，香附子对抵抗土壤侵蚀起到了重要作用，盖度为33%的香附子平均能够减少72%的土壤侵蚀，且随着植被盖度的增加，土壤侵蚀量逐渐减少。胡夏嵩等(2009)[13]对寒旱环境下柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、白刺(Nitrariatangutorum)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、四翅滨藜(Atriplexcanescens)4种灌木根系的护坡力学贡献进行了评价，指出灌木植物根系能显著提高根-土复合体的抗剪强度，该研究方法为从力学角度进一步研究草地退化的机理提供了新的思路。同时，国内外的诸多学者将根-土复合体视为一种复合材料，并进行了大量的单根拉伸试验、根-土复合体直剪试验等力学试验研究，且均表明植物根系对增强根-土复合体力学强度方面效果显著[14-22]。通过对已有研究结果分析，表现出有关高寒草原区草地退化类型的划分，主要是通过采用植被覆盖度变化、植物群落演替等方式进行；鉴于以上实际情况，本研究通过开展根-土复合体抗剪强度剪切试验，一方面分析不同植物根系其增强土体抗剪强度的能力，从而有助于评价植物根系本身所具有的固持土体能力和贡献；另一方面，有关黄河源区高寒草地开展植物的根-土复合体抗剪强度方面的研究，已有的相关研究成果较为有限，因此通过本项研究将有助于该地区进一步丰富和完善有关高寒草地退化类型的划分依据；同时，对于进一步开展该区域草地退化过程的力学强度机理方面的研究，可提供重要的理论参考依据。

Robert(1977)[23]首次提出了生态阈值的概念，指出生态系统的特性、功能等具有多个稳定态，稳定态之间存在“阈值和断点”。随后李和平等(2005)[24]、王永杰等(2010)[25]诸多学者对生态阈值进行了深入研究，并指出当生态因子扰动接近生态阈值时，生态系统的功能、结构或过程会发生不同状态间的跃变。王永杰等(2010)[25]提出生态阈值主要有生态阈值带和生态阈值点2种类型，生态阈值带暗含了生态系统从一种稳定状态到另一稳定状态逐渐转换的过程，而生态阈值点则表示生态系统的特性功能或过程发生迅速的改变。生态阈值问题普遍存在于不同生态系统中，随着生态阈值理论研究的不断发展，在生态系统可持续管理、环境监测等方面，生态阈值的作用越来越受到人们的重视[26-27]。

由上述研究可知，位于青藏高原的黄河源区内草地退化较为显著，国内外诸多学者对黄河源区草地退化进行了不同程度的研究，这些研究主要集中在草地退化成因、演替过程及防治等方面，而对于草地退化的力学机理方面研究相对较少。针对黄河源区草地退化及其机理研究方面所存在的不足，本研究针对黄河源区高寒草地植被退化的根-土复合体抗剪强度机理及其阈值进行了试验研究，以实现从根-土复合体力学强度变化方面探讨草地退化机理和规律，对科学有效地防治黄河源区草地退化具有重要的理论研究价值和实际意义。

1 材料与方法

1.1试验地概况

研究区位于青海黄南藏族自治州河南县南旗村境内(东经101°28′，北纬34°51′)，区内平均海拔为3580 m。研究区地处青藏高原的黄河源区，区内海拔高，地形较为平坦，为高寒草原区，研究区概况(本研究在试验区建立了小型气象观测站)以及植物生长情况如图1所示。研究区河南县属高原亚寒带湿润气候区，由于海拔较高，地形复杂并受季风影响，高原大陆性气候特点较为显著[28]。通过分析研究区南旗村试验区内由课题组自行建设完成的气象观测站每天所监测得到的该地区气象数据结果可知，南旗村试验区在2015年间的平均气温为0.74 ℃，年降雨量为297.2 mm，相对湿度为62%。近几年，在全球气候变化和人类活动综合影响下，青藏高原冰川退缩、土地退化、水土流失、生物多样性受威胁等生态问题也日益突出[29-30]。此外，区内由于气候恶劣和过度放牧等因素的影响，使得高寒草地呈现出不同程度的退化现象。自2005年三江源生态保护和建设工程实施以来，三江源草地生态保护和生态恢复状况得到了显著性改善；尽管如此，该地区草地生态环境和恢复成果的巩固和对该区域内已有退化草地的治理，则仍为一项长期的任务[31]。

1.2试验材料

2015年8月本课题组前往研究区开展了野外调查与取样工作。研究区内草地呈现不同程度的退化现象，且整体表现为呈不规则状椭圆形退化现象，如图2所示。根据刘兴波等(2014)[32]研究草地退化程度与草地植物群落养分之间的对应关系时，所采用的草地退化分级及其划分标准如表1所示。本研究野外取样时根据区内草地植被覆盖度及植物类型等变化情况，将区内草地分别划分为未退化区、轻度退化区、中度退化区和重度退化区，并分别选取各退化区具有代表性的地段制取根-土复合体直接剪切试样。未退化类型的划分依据为原生群落组成，盖度为80%～100%，轻度退化区、中度退化区和重度退化区的划分依据如表1所示。取样时选取了6个不规则状椭圆形退化草地，样地面积统计结果如表2所示，每个不规则状的椭圆形草地取样时对4种不同退化区分别取2组根-土复合体试样进行试验。

根-土复合体试样的制取：在未退化和不同类型的退化草地上分别挖取直径为30 cm，深度为30 cm的含根系试样柱，取样过程中保持植物根系及其地上茎叶部分的完整性，然后将含根系试样柱放置于试验样盆中及时带回实验室，并随即进行室内根-土复合体直接剪切试验。野外制取根-土复合体试样工作在1～2 d内及时完成，以便减小复合体试样受环境影响的误差，从而有效确保试验结果的合理性和正确性。在制取根-土复合体试样过程中同时完成各试样的含水率、密度试样的取样工作。

图1 研究区概况及植物生长情况Fig.1 The general situation and the plant growth situation in the studying area a: 研究区概况The general situation in the studying area; b: 植物生长情况Plant growth situation.

图2 研究区不规则状椭圆形草地不同退化类型分布情况Fig.2 The distribution of different degradation types of grassland in irregular oval shape in the studying area ND： Non-degraded； SD： Slightly degraded； MD： Medium degraded； HD： Heavily degraded； 下同 The same below.

1.3试验方法

1.3.1根-土复合体密度与含水率测试 野外开展制取不同退化类型的根—土复合体试样时，按照草地退化程度分别取4种退化区草地根-土复合体的密度和含水率试样，取样深度为地表以下10 cm处，将取得的根-土复合体的密度和含水率试样立即密封并及时带回实验室进行密度和含水率测试。区内根-土复合体密度测试采用环刀法，含水率测试采用烘干法。

表1 北方草地退化分级及其划分标准Table1 The degradation grading and classification stundard ofgrassland in northern China

注：该表据刘兴波等[32]，本研究略有改动。

Note:This table is on the basis of Liu X B(2014)[32]and is slightly changed in this resoarch.

表2 研究区6个样地内4种不同退化区草地面积Table 2 The areas of six plots of four different degradation grasslands in the studying area

1.3.2根-土复合体原状试样制取 在进行室内根—土复合体试样直剪试验时，需事先从野外制取的根-土复合体试样柱中制取内径为6.18 cm，高为2.00 cm的直剪试验试样。其中未退化区、轻度退化区、中度退化区的根-土复合体试样中根系分布相对较为均匀，根与土的结合程度能保持未扰动的原状情况。制取原状试样时先将试样柱地表植物剪掉，将表面修剪平整，然后将内径为6.18 cm，高为2.00 cm的环刀垂直向下压入根-土复合体原状试样柱中，直至试样伸出环刀为止，并用削土刀和剪刀将环刀两端修平后立即进行根-土复合体原状试样直接剪切试验。每个根-土复合体原状试样按以上制样方法依次制取4个环刀试样作为1组进行根-土复合体原状试样直接剪切试验。

1.3.3根-土复合体重塑试样制取 由于区内的重度退化区内植被相对稀少，植物生长区的土体较为松散且在野外原位制取复合体原状试样时存在一定的困难，故采用制取重塑复合体试样进行直剪试验。具体制样步骤和方法如下：

1)野外原位制取重度退化区植物根-土复合体试样时，采用体积为500 cm3的环刀对重度退化区草地复合体进行取样，重塑样制取前首先对野外所制取的体积为500 cm3的环刀内的试样采用水洗法洗出其中的植物根系，且称其鲜重，并将其中的植物根系种类进行分类，并分别统计其根数、根长和根径等生长量指标。

2)将从野外研究区内取回的重度退化区原状土烘干，碾碎后经过2 mm土工筛，然后再收集粒径<2 mm的烘干土用以制备重塑试样。

3)根据野外研究区土体密度和含水率试验所得的土体密度和含水率，计算制取重塑试样所需的干土和水的比例，并根据通过对复合体洗根所得到的植物根系的数量和根长、根径等数据计算出相应的根面积比，并计算制取重塑试样所需的每种植物根系的数量，具体计算步骤和结果如表3所示。

表3 研究区重度退化区重塑复合体试样布设根系计算结果Table 3 Root preparation calculation result of remolded soil in severe degradation area in the study area

4)制取重塑试样时称取所需干土，将所取土样平铺于不吸水的托盘内，采用喷雾设备喷洒所需的加水量，并充分搅拌，装入水桶中密封，浸润一昼夜备用。

5)重塑试样制取时将所需根系及土样充分搅拌混合均匀，然后采用击实法制备直剪试样。每次试验制取4个根-土复合体直剪试样为一组进行直剪试验。

1.3.4直接剪切试验步骤 研究区根—土复合体抗剪强度采用直接剪切试验进行测试，试验采用ZJ型应变控制式直剪仪，每组试验取4个试样，分别在50，100，200，300 kPa 4级垂直压力(P)下进行直接剪切试验，得到根-土复合体抗剪强度指标黏聚力(c)和内摩擦角(φ)。试验步骤如下：将制备完成的原状试样和重塑试样放置于剪切盒内上、下两块透水石之间，并由杠杆系统对试样进行分级施加垂直压力；试验时电动机控制下的驱动手轮以2.4 mm/min的转速对下剪切盒施加水平方向推力，使试样在上、下剪切盒的接触面上产生剪切变形，直至试样剪破为止；试验过程中由计算机自动控制土工试验数据采集处理系统，且自动采集试验中的位移和剪应力大小，并自动绘制剪应力-位移关系曲线，每个试样剪切结束时求得该级垂直压力下的最大剪应力(τ)；当每组4个试样分别在4级垂直压力下完成剪切试验时，计算机自动绘制出抗剪强度-垂直压力关系曲线，并计算出该组根-土复合体试样的抗剪强度指标黏聚力(c)和内摩擦角(φ)。

2 结果与分析

2.1不同退化区优势植物种类及其群落特征

2.1.1未退化区优势植物种类及其群落特征 研究区草地以未退化草地为主，局部地段分布着一些不规则状椭圆形退化草地，如图2(Ⅰ)所示。未退化区原生植物生长较为茂盛，且草地完全被植物覆盖。该区内优势植物种类为小嵩草(Kobresiapygmaea)、紫花针茅(Stipapurpurea)和垂穗披碱草(Elymusnutans)。未退化区内植物生长较好，且在区内广泛分布，其植物根系发达且根系相互交错形成网状，起到较好的抵抗草地退化和由退化所引起的水土流失的作用。

2.1.2轻度退化区优势植物种类及其群落特征 轻度退化区主要分布于不规则状椭圆形退化草地外围地带，如图2(Ⅱ)所示，该区域内草地呈现出轻度退化现象，其总体植被覆盖度较高，为65%以上。在该区域内其优势植物类型逐渐演替为小嵩草和鹅绒委陵菜(Potentillachinensis)，而紫花针茅和垂穗披碱草则相对逐渐减少，同时，麻花艽(Gentianastraminea)、青海风毛菊(Saussureapulchra)等次生植物数量呈相对增多的趋势。轻度退化区内植物根系较发达，根系与土体颗粒间的相互作用较强，整体性较好。

2.1.3中度退化区优势植物种类及其群落特征 中度退化区草地主要分布于不规则状椭圆形退化草地的中部区域位置，如图2(Ⅲ)所示，区内的草地退化程度表现出加剧现象，该区植被覆盖度相对于未退化区和轻度退化区显著降低至约为50%；同时，优势植物类型小嵩草数量呈明显减少趋势，而鹅绒委陵菜和密花香薷(Elsholtziadensa)成为了优势植物种类。中度退化区草地植物根系较少，且根系较浅，多分布于地表以下10 cm内，其抵抗草地退化作用相对不及上述的轻度和未退化区的植物显著。

2.1.4重度退化区优势植物种类及其群落特征 重度退化区分布于不规则状椭圆形退化草地的中心区域位置，如图2(Ⅳ)所示，该区内草地退化现象严重，多数情况为仅存在零星分布的少量密花香薷，而且该退化类型在区内主要表现为呈裸露状态，且在地表多已构成秃斑状。重度退化区其土体呈紧密状态，且土体密度相对较大，不利于植物在该区域内生长。

2.2不同退化区根-土复合体抗剪强度特征及其影响因素分析

研究区不同退化程度的草地其根-土复合体抗剪强度试验结果如表4所示。由表4可知，随着区内草地退化程度的加剧，草地的平均密度和平均含水率均呈增长趋势，其中未退化区与轻度退化区的密度和含水率相对较小，而中度和重度退化区则相对较大，重度退化区其平均密度和含水率分别达到1.371 g/cm3和21.4%。同时，该区域的草地优势植物种类则逐渐演替为其他次生植物，且根-土复合体中植物根系含量逐渐减少。随着优势植物种类的以上这种变化，区域内的不同退化区草地植物的根系数量亦呈现出显著降低的趋势，即具体表现为由未退化区的18.86%降低至重度退化区的0.74%。此外，由表4还可知，区内草地随着退化程度的不断加强，其复合体的抗剪强度亦呈现出降低的变化趋势，其中复合体的平均黏聚力值降低显著，而其平均内摩擦角则无明显的变化规律。未退化区根-土复合体平均黏聚力为36.97 kPa，轻度退化区和中度退化区其平均黏聚力逐渐减小，重度退化区平均黏聚力则最小，为9.79 kPa。区内4种类型的退化区根-土复合体平均内摩擦角为24.01°～25.11°，体现出了变化幅度相对较小的特征。

表4 研究区4种不同退化程度草地根-土复合体基本物理特征及其抗剪强度试验结果Table 4 The basic physical characteristics and shear strength for grassland root-soil composite systems of four different degradation degrees in the studying area

注：表中根系含量指的是野外取样时环刀内根系鲜重与根-土复合体试样质量比值，其计算方法为根系鲜重/根-土复合体质量。

Note：The root content in the table refers to the quality ratio of fresh root in the ring knife and the root-soil composite system samples, and the calculation method is root fresh weight/quality of root-soil composite system.

图3为研究区4种不同退化程度草地根-土复合体剪应力与剪切位移关系曲线，由该图可知，4种不同退化程度草地根-土复合体的最大剪应力随着垂直压力的增加而呈增大趋势，且在相同垂直压力(50，100，200，300 kPa)作用下，根-土复合体最大剪应力表现为未退化区>轻度退化区>中度退化区>重度退化区。同时，由图3还可知，在相同垂直压力(如200 kPa)和相同剪应力条件下(如80 kPa)，4种不同退化程度草地根-土复合体的剪切位移呈现出未退化区(剪切位移为1.45 mm)<轻度退化区(剪切位移为1.72 mm)<中度退化区(剪切位移为2.11 mm)<重度退化区(剪切位移为2.33 mm)，表明随着区内退化程度的不断增强，根-土复合体抗剪切变形的能力呈逐渐减弱的变化趋势。

栗岳洲等(2015)[33]通过对海韭菜(Triglochinmaritimum)、赖草(Leymussecalinus)、毛穗赖草(Leymuspaboanus)、无脉苔草(Carexenervis)4种草本植物根-土复合体直接剪切试验结果表明，草本植物根系能显著提高土体的抗剪强度，且存在最优含根量，表现为在未达到最优含根量时，根-土复合体抗剪强度随含根量增加而增大。胡其志等(2010)[34]通过对加入草本植物狗牙根(Cynodondactylon)根系的根-土复合体进行直接剪切试验，结果表明，根-土复合体的抗剪强度随着含根量的增加而增大，但当含根量达到一定量时根-土复合体强度则不再继续增加，即反映出存在最优含根量。本研究结果表明，随着区内草地退化程度的增强，根-土复合体中的根系含量呈逐渐减小的变化规律，其相应的抗剪强度也随着退化程度的增强而减小，体现出根系含量的减小为根-土复合体抗剪强度减小的主要因素，该研究结论与上述学者的研究结论一致。

图3 研究区4种不同退化程度草地根-土复合体剪应力与剪切位移关系曲线Fig.3 Shear stress and displacement relationship curves of root-soil composite systems of four different grassland degradation degrees in the studying area a: 未退化区Non-degraded area; b: 轻度退化区Slightly degraded area; c: 中度退化区Medium degraded area; d: 重度退化区Heavily degraded area. 图中“P1”、“P2”、“P3”、“P4”分别对应垂直压力为50、100、200、300 kPa时，试样在该级垂直压力下达到的最大剪应力，例如，“P1=54.7”表示在垂直压力为50 kPa时该试样在试验结束时达到的最大剪应力为54.7 kPa。P1, P2, P3, P4 represent the maximum shear stress under the vertical pressure of 50, 100, 200, 300 kPa respectively. For example, “P1=54.7” means that the maximum shear stress of the shear sample is 54.7 kPa when shear test ended under the vertical pressure of 50 kPa.

2.3区内不同退化类型之间抗剪强度阈值的初步确定

通过对区内4种不同退化程度草地根-土复合体试样的直接剪切试验以及根-土复合体抗剪强度值的统计与分析，分别计算得到4种不同退化类型草地根-土复合体黏聚力c值的平均值和标准差；同时，将黏聚力平均值-标准差作为对应退化类型草地复合体黏聚力c值的下限，将黏聚力平均值+标准差作为对应退化类型草地复合体黏聚力c值的上限，计算结果如表5所示。将同一退化类型草地复合体黏聚力下限和上限之间所构成的区间作为该退化程度草地植物根-土复合体抗剪强度的稳定区间，草地在该区间内处于退化的稳定状态，不发生不同退化程度间的演替。同时，将相邻不同退化程度草地的抗剪强度稳定区间相交的区间作为不同草地类型发生向相邻退化类型显著演替的过度范围，即为相邻退化类型之间草地植物根-土复合体抗剪强度的阈值变化区间，在该区间内，植物根-土复合体抗剪强度达到相邻退化程度之间发生显著演替的阈值，若草地退化程度加剧则该草地退化为下一个退化程度。由表5可知，该区内未退化区与轻度退化区之间，发生草地退化程度改变的根-土复合体抗剪强度的阈值变化区间为26.54～29.60 kPa，相应地，轻度退化区与中度退化区之间的抗剪强度阈值变化区间为17.14～23.77 kPa，中度退化区与重度退化区之间为6.33～12.09 kPa。

同时，为了对相邻不同退化区之间的根-土复合体黏聚力阈值变化区间均值进行计算，选取区内未退化区与轻度退化区之间的根-土复合体的黏聚力阈值变化区间下限26.54 kPa和上限29.60 kPa，计算得出根-土复合体的黏聚力c值平均值为28.07 kPa，并将该值作为未退化区与轻度退化区之间的草地根-土复合体抗剪强度的阈值变化区间均值，即当区内草地根-土复合体抗剪强度大于或等于该值时认为该草地为未退化，小于该值时为轻度退化。同理，依次计算得到的轻度退化与中度退化、中度退化与重度退化之间根-土复合体的黏聚力c值阈值变化区间均值分别为20.46和9.21 kPa。由区内4种退化区草地根-土复合体抗剪强度阈值所确定出的4种草地退化类型界限分布范围如图4所示。

表5 研究区4种不同退化区植物根-土复合体抗剪强度阈值计算结果Table 5 Shear strength threshold calculation results for plant root-soil composite systems of four different degradation areas in the studying area

图4 研究区植物根-土复合体抗剪强度阈值与4种退化类型界限演替模式Fig. 4 Shear strength thresholds for plant root-soil composite systems and succession model for boundaries values of four types of degradation in the studying area

3 讨论

目前，国内外诸多学者对草地退化的研究多集中在不同退化等级草地的植被覆盖度、植物生物量变化、土壤化学成分变化等方面[7,10]，而对于不同退化程度草地的力学特性方面的研究相对较少。因此，本研究对不同退化程度草地的植物根-土复合体抗剪强度特征的研究体现出了一定的创新性。周华坤等(2012)[9]对黄河源区紫花针茅高寒草原在不同退化程度下植物群落、生物量和土壤特征的研究指出，随着高寒草原退化程度加大，植被盖度、草地质量指数和优良牧草地上生物量比例逐渐下降，并指出随着退化程度加剧，禾草地上生物量减少显著，杂草类植物地上生物量呈先增加后减少的变化规律。该研究结论与本研究中不同退化程度草地优势植物种类演替规律基本一致。诸多研究结果表明，植物根系能显著提高植物根-土复合体抗剪强度，且在一定含根量范围内随着含根量的增加而呈逐渐增大的变化规律[13-14,20]。本研究中，随着研究区草地退化程度的加剧，草地植物根系含量显著降低，其复合体抗剪强度值亦逐渐降低，体现出了植物根系含量降低对其复合体抗剪强度值降低程度的显著影响，因此，本研究结论与以上的关于根系含量与复合体抗剪强度之间关系的研究结论基本一致。

在阈值研究方面，国内外学者在生态阈值研究上多集中在气候变化、放牧强度等方面对草地退化程度的影响，而对于草地退化中的有关力学强度阈值的研究则较少[25,27]。因此，本研究通过对研究区不同退化程度草地的根-土复合体抗剪强度特征及其变化阈值进行了探讨。本研究所得到的区内4种不同退化区之间的抗剪强度阈值，对进一步分析草地退化区的演替过程具有指示作用，并可作为划分草地退化等级的其中一项指标。以研究区未退化草地为例，该区内草地植物生长茂盛且根系发达，植物根-土复合体抗剪强度相对较大，即均大于退化阈值28.07 kPa。当区内草地开始出现退化现象时，草地优势植物由小嵩草和紫花针茅开始向小嵩草和鹅绒委陵菜进行演替。相应地，其植物根系含量亦逐渐减小，使得根-土复合体抗剪强度亦相应减小，但仍大于28.07 kPa。而当草地根-土复合体抗剪强度随着草地退化程度加剧而逐渐降低，并达到未退化区与轻度退化区之间的抗剪强度阈值28.07 kPa时，草地优势植物种类和根系数量亦相应发生显著变化，并迅速演替为以小嵩草和鹅绒委陵菜等轻度退化草地优势植物种类为主，草地退化至轻度退化类型；此时，根-土复合体抗剪强度则降低至轻度退化区抗剪强度的稳定范围内，即为20.46～28.07 kPa。相应地，区内草地由轻度退化演替为中度退化及重度退化时，其演替过程亦与未退化向轻度退化演替过程类似。由上述可知，研究区不同退化区植物根-土复合体抗剪强度均具有各自的阈值，且随着退化程度的增强，其阈值亦相应地随之发生改变，即其阈值可作为划分草地退化等级的指标之一。因此，通过对根-土复合体抗剪强度阈值的分析，对于进一步研究草地退化过程具有重要的理论价值，同时对划分草地退化等级具有重要的指导作用。

此外，诸多学者的研究结果表明，草地退化影响因素较多，其中受气候条件及地理位置等影响则相对较为显著，使得草地退化过程在不同年限和不同地理位置处表现出不同的变化特征，因此，生态安全阈值的确定和预测能力还相对较为有限，且存在较大不确定性[35]。基于以上这些因素，在后续研究中应逐渐加强对不同地区草地退化的抗剪强度阈值确定方法的研究以及其随退化年限的变化规律等方面的系统研究。

4 结论

研究区草地呈现出不同程度的退化现象，并呈现出不规则状椭圆形退化模式，且愈接近于中心区域，其退化程度相对愈为严重，并可依次将区内草地划分为未退化区、轻度退化区、中度退化区、重度退化区。

随着区内草地退化程度的增强，草地优势植物种类则发生显著性改变，即由未退化区的小嵩草和紫花针茅，逐渐退化为轻度退化区的小嵩草和鹅绒委陵菜，至中度退化区的鹅绒委陵菜和密花香薷，直至演变为裸地，成为重度退化区。

随着区内草地退化程度的进一步增强，植物生长区土体的平均密度和平均含水率均呈增加趋势，植物根系含量则呈逐渐降低的变化规律；同时，随着植物根系含量逐渐减少，根-土复合体抗剪强度亦呈现出依次降低的趋势。

根据区内4种类型的退化区草地根-土复合体抗剪强度试验结果，分别得到了区内4种类型的退化区之间的根-土复合体抗剪强度阈值，即由未退化区演变为轻度退化区时，根-土复合体黏聚力的阈值为28.07 kPa，即当草地生长区根-土复合体的黏聚力c值大于28.07 kPa时为未退化区，而当其复合体黏聚力c值小于28.07 kPa时为轻度退化区；同理，区内草地由轻度退化区演变为中度退化区时，复合体黏聚力的阈值为20.46 kPa；由中度退化区演变为重度退化区时，复合体黏聚力的阈值为9.21 kPa。

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Shearstrengthtestsoftheroot-soilcompositesystemofalpinegrasslandvegetationatdifferentstagesofdegradationandthedeterminationofthresholdsintheYellowRiversourceregion

LIU Chang-Yi1, HU Xia-Song1,2*, DOU Zeng-Ning1, LI Xi-Lai3, XU Zhi-Wen1

1.DepartmentofGeologicalEngineering,QinghaiUniversity,Xining810016,China; 2.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China; 3.CollegeofAgricultureandAnimalHusbandry,QinghaiUniversity,Xining810016,China

The aim of this study was to determine the shear strength of the root-soil composite system from sites with vegetation at different stages of degradation. The selected study area was the alpine grassland in Henan County, Qinghai Province, in the source region of the Yellow River. Shear strength tests were conducted to systematically analyze the characteristics of root-soil composite samples from sites with vegetation at different stages of degradation. The results showed that the grassland in the study area had an irregular oval-shaped pattern of degradation, with more severe degradation close to the center of the oval. From the outside to inside of the irregular oval, the grassland could be divided into a non-degraded (ND) area, a slightly degraded (SD) area, a moderately degraded (MD) area, and a heavily degraded (HD) area. As the degree of degradation increased, the diversity and abundance of local plants decreased, and introduced plants gradually replaced local plants and became dominant. The proportion of roots in soil and the shear strength of the root-soil composite system decreased with increasing degradation. The shear-strength thresholds of the root-soil composite system between neighboring degradation areas were also determined. The threshold of the cohesion of the root-soil composite system between ND and SD was 28.07 kPa, that between SD and MD was 20.46 kPa, and that between MD and HD was 9.21 kPa. This research to quantify differences in the strength of the root-soil composite system among grasslands with vegetation at different stages of degradation has theoretical value for further scientific studies, and will be useful for developing strategies to prevent and manage grassland degradation.

the Yellow River source region; grassland degradation; root-soil composite system; shear strength; threshold

10.11686/cyxb2017005

http://cyxb.lzu.edu.cn

刘昌义, 胡夏嵩, 窦增宁, 李希来, 徐志闻. 黄河源区高寒草地植被根-土复合体抗剪强度试验及退化程度阈值确定. 草业学报, 2017, 26(9): 14-26.

LIU Chang-Yi, HU Xia-Song, DOU Zeng-Ning, LI Xi-Lai, XU Zhi-Wen. Shear strength tests of the root-soil composite system of alpine grassland vegetation at different stages of degradation and the determination of thresholds in the Yellow River source region. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(9): 14-26.

2017-01-09；改回日期：2017-05-03

国家自然科学基金资助项目(41572306，41162010)，国家国际科技合作专项项目(2015DFG31870)，教育部长江学者和创新团队发展计划(IRT_17R62)和青海省自然科学基金资助项目(2014-ZJ-906)资助。

刘昌义(1991-)，男，四川宜宾人，在读硕士。E-mail:1358128151@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: hxs@mail.tsinghua.edu.cn