黄河源区高寒草地植物组合对根-土复合体抗剪强度的影响

刘昌义， 窦增宁， 胡夏嵩,3,4*， 徐志闻， 周林虎， 李希来， 朱海丽， 李燕婷

(1. 青海大学地质工程系， 青海 西宁810016； 2. 青海省公路科研勘测设计院， 青海 西宁810001； 3. 中国科学院青海盐湖研究所， 中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室， 青海 西宁810008； 4. 青海省盐湖地质与环境重点实验室， 青海 西宁810008； 5. 青海大学农牧学院， 青海 西宁810016)

近年来，受全球气候变化的影响，黄河源区极端气候现象频繁发生，加之受到鼠害和过度放牧等诸多因素的综合影响，草地退化现象较为严重，草地退化面积为425767 hm2，占总面积的8.24%[1]。草地退化引发的水土流失、土壤侵蚀和滑坡等灾害现象频繁发生[2-3]，导致黄河源区土地覆被状况指数仅为38.84%，且土体覆被状况变化程度较为剧烈[4]，尤其黄河源东部地区草地盖度状况处于逐渐减少的趋势[5]。这不仅对源区高寒草地生态保护和草地植被恢复带来影响，而且对源区畜牧业和经济发展产生一定影响和带来潜在危害性[6]。

有关黄河源区草地退化的影响因素和成因机理研究，国内外学者采用常规生态学研究、遥感分析、元素测试、建立数学模型等多种方法，对草地退化现状、形成机制、植被与土壤相互作用、放牧、鼠害、毒杂草等因素的影响、生态恢复等方面均进行了深入的研究[7-11]。对于植物根系与土壤所组成的根-土复合体的研究方面，国内外学者对于根-土复合体在固土护坡等方面开展了深入的研究，特别是有关根系对于提高根-土复合体力学强度特性方面的作用已经得到了国内外学者的普遍认可，其研究结果对于防治高寒草地退化亦有一定的理论指导意义[12-16]。

但采用草地植物根-土复合体力学强度的方法，分析评价草地退化和形成机理研究成果，尤其是有关青藏高原东北部黄河源地区相关研究相对较少。因此，本研究以黄河源区东部的高寒草地为研究对

象，通过对区内不同植物及其组合根-土复合体开展抗剪强度试验，探讨了不同植物及其组合类型对根-土复合体抗剪强度影响，以及根-土复合体抗剪强度大小变化规律和影响因素，以期为该地区植被恢复和科学有效地防治草地退化、水土流失、浅层滑坡等灾害现象发生提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以位于黄河源区青海河南县启龙牧场作为研究区(101°50′08″ E，34°35′12″ N)，区内平均海拔为3 600 m，地处青藏高原东北部。年平均气温为0.31℃，年降雨量为468.9 mm，相对湿度为66%[17-18]。研究区距离区内黄河主干道约70 km，主要分布洮河、泽曲河与尕玛日河等众多河流，年均径流总量为13.87亿m3，水源条件相对较为丰富。研究区启龙牧场分布有垂穗披碱草草地和矮生嵩草草地等2种草地类型[19]。区内草甸土壤中氮、钾含量相对较高，且速效钾含量已达富钾水平，但磷含量相对较低[20]。边坡土体物理性质指标及土体颗粒分析试验结果如表1所示，区内边坡土体颗粒级配曲线如图1所示，区内阳坡位置处土体平均密度、平均含水率分别为1.13 g·cm-3，18.33%，阴坡位置处土体平均密度、平均含水率分别为1.03 g·cm-3，23.35%；区内边坡土体为不良级配，土体类型为砂类土。

表1 研究区边坡草本植物生长区土体物理性质指标试验测试结果Table 1 Test results of soil physical properties of plant growing areas in the study area

图1 研究区植物边坡土体颗粒级配曲线Fig. 1 Particle grading curve of plant slope soil in the study area

1.2 试验设计

为确定不同植物组合其根-土复合体抗剪强度指标，首先在区内实测地形线剖面，且沿剖面由阳坡坡顶至阴坡坡顶位置，依次划分出6种不同类型的植物组合。区内该实测剖面其阳坡坡长为150 m，平均坡度为7.6 °，阴坡坡长为100 m，平均坡度为4.5°。区内沿剖面线方向植物分布及组合类型划分结果见图2，植物生长情况见图3，沿该剖面线方向所划分出的6种不同类型植物组合分别为：组合Ⅰ为紫花针茅(StipapurpureaGriseb.)+高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)组合，该组合位于阳坡坡顶位置处，其水平方向延伸距离为46.82m；组合Ⅱ为高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)组合，该组合位于阳坡坡中位置处，其水平方向延伸距离为55.51 m；组合Ⅲ为垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)组合，该组合位于阳坡坡底位置处，其水平方向延伸距离为45.70 m；组合Ⅳ为垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)+青藏苔草(CarexmoorcroftiiFalc．Ex Boott)组合，该组合位于区内阴坡坡顶位置处，其水平方向延伸距离为47.52 m；组合Ⅴ为珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)+垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)组合，该组合位于阴坡坡中位置处，其水平方向延伸距离为56.58 m；组合Ⅵ为高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)+紫菀(AstertataricusL. f.)组合，该组合位于阴坡坡底位置处，其水平方向延伸距离为45.21 m。

图2 研究区边坡草本植物组合类型及其划分情况Fig. 2 The types and division of herb plants on the slope of the study area

图3 研究区实测边坡剖面及其剖面植物生长情况Fig.3 Measured slope profiles and plant growth in the study area

1.3 试验方法

首先通过野外取样得到区内6种不同植物组合类型其根-土复合体试样柱。按照如图2所示的区内边坡地表草本植物分布及其类型划分情况，分别由阳坡坡顶位置处至阴坡坡顶位置处，6种不同植物组合类型设置取样点，每种植物组合类型分别选择2个有代表性的位置，并采用挖取的方式制取直径为28 cm，高为22 cm的试样柱放置于试验样盆中及时密封和编号并带回实验室。在制取试样柱过程中在该取样点同时分层制取其密度试样和含水率试样，即上层为地表以下0～10 cm深度位置中央，下层为10～20 cm深度中央。其次，在室内对取回的试样柱亦分为上下两层分别制取用于直剪试验的根-土复合体试样(规格为内径6.18 cm，高为2.00 cm，每层取4个试样作为一组)，并立即进行直剪试验。

在室内采用ZJ型应变控制式直剪仪开展根-土复合体抗剪强度试验，试验过程中每组试验制取4个试样，分别在50 kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa等4级垂直压力(P)下进行直接剪切试验，得到区内6种不同植物组合根-土复合体试样抗剪强度指标黏聚力c值和内摩擦角φ值。室内密度试验采用环刀法，含水率试验采用烘干法。在直剪试验结束后，收集剪切后的试样采用冲洗的方法洗出试样中的根系，并风干后称量其根系干重。

1.4 数据处理和分析

数据处理采用Excel 2007进行，显著性分析采用SPSS 19.0的单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 试验区6种不同植物组合类型的根-土复合体抗剪强度特征

由表2可知，区内阳坡坡顶位置处分布的高山嵩草组合类型的根-土复合体平均黏聚力c值为27.76 kPa，坡中位置处珠芽蓼+垂穗披碱草组合的根-土复合体平均黏聚力c值为25.24 kPa，坡底位置处垂穗披碱草组合的根-土复合体平均黏聚力c值为37.53 kPa，可知阳坡坡顶与坡中位置处根-土复合体平均黏聚力c值，相比坡底位置处分别降低26.0%、32.7%。相应地，阴坡坡顶位置处高山嵩草+紫菀组合的根-土复合体平均黏聚力c值为16.74 kPa，坡中位置处珠芽蓼+垂穗披碱草组合的根-土复合体平均黏聚力c值为23.91 kPa，坡底位置处垂穗披碱草+青藏苔草组合的根-土复合体平均黏聚力c值为34.73 kPa，即表现出自坡底至坡顶方向呈逐渐减小的变化规律，坡顶与坡中相比较于坡底位置处分别降低51.8%，31.2%。

研究区6种不同植物组合类型的根-土复合体黏聚力c值随海拔高度变化关系如图4所示。由该图可知，区内阳坡坡顶的高山嵩草组合的根-土复合体上层(0～10 cm)平均黏聚力c值为35.00 kPa，下层(10～20 cm)为20.53kPa，坡中珠芽蓼+垂穗披碱草组合的根-土复合体上层平均黏聚力c值为41.41 kPa，下层为29.06 kPa，坡底垂穗披碱草组合的根-土复合体上层平均黏聚力c值为41.63 kPa，下层为33.41 kPa，表现出区内不同植物组合在相同海拔位置处上层平均黏聚力c值大于下层，平均增幅为42%，且上层与下层均分别随海拔高度的降低呈现出增大的变化趋势。

图4 研究区6种不同植物组合类型的根-土复合体黏聚力与海拔高度间关系Fig. 4 Relationship between cohesion force of root-soil composite system and altitude of 6 different plant combinations in the study area

区内阴坡坡顶高山嵩草+紫菀组合的根-土复合体其上层平均黏聚力c值为18.02 kPa，下层为15.47 kPa；坡中珠芽蓼+垂穗披碱草组合其上层平均黏聚力c值为24.78 kPa，下层为23.04 kPa；坡底垂穗披碱草+青藏苔草组合其上层平均黏聚力c值为34.59 kPa，下层为34.87 kPa；其根-土复合体平均黏聚力c值亦表现出上层较下层增幅为5.5%，且均随区内海拔高度的降低呈现出增大的变化趋势。

表2 研究区6种不同植物组合类型的根-土复合体试样直剪试验结果Table 2 Direct shear test results of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

注：“根-土复合体平均黏聚力c值降幅”指坡顶或坡中位置处植物组合其根-土复合体平均黏聚力相对于坡底位置的变化幅度；不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

Note:"the decrease degree of average cohesion force of the root-soil composite system" refers to the decrease degree of the average cohesion force of the root-soil composite system at the top or middle of slope relative to the bottom of the slope. Different lowercase letter shows significant difference (P<0.05), The same as below

研究区6种不同植物组合类型的根-土复合体剪应力与剪切位移关系曲线如图5所示。6种植物组合类型的根-土复合体试样剪切过程中，垂直压力由50 kPa增加至300 kPa时，当剪切位移量相同时，复合体试样所受到的剪应力随垂直压力的增大而相应地增大，且表现出抗剪强度大的植物组合类型其在相同垂直压力下的最大剪应力值亦相对较大的特征。即阳坡坡底最大剪应力值相比较于坡顶增幅为7.6%，阴坡坡底最大剪应力值相比较于坡顶增幅为16.5%。

图5 研究区6种不同植物组合类型根-土复合体剪应力与剪切位移关系Fig. 5 Relationship between shear stress and shear displacement of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

2.2 土体密度与含水率对6种不同植物组合类型根-土复合体抗剪强度影响

研究区阳坡和阴坡6种不同植物组合类型，其平均密度、平均含水率均分别随海拔高度的降低而呈现增大趋势，即分别在阳坡和阴坡坡底位置处其密度和含水率均相对最大，且表现为阴坡相同位置处其密度小于阳坡相同位置而含水率则大于阳坡相同位置的特征(表3)。

区内6种不同植物组合类型的根-土复合体黏聚力c值，其总体表现出随着根-土复合体的密度增加而呈增大的变化趋势(图6)。6种不同植物组合类型的根-土复合体的含水率则表现出存在最优含水率的特征，即根-土复合体黏聚力c值在其含水率约为20%时达到相对最大值为54.60 kPa；当根-土复合体含水率小于20%时，根-土复合体黏聚力c值表现出随含水率的增大而呈逐渐增加的变化规律；当含水率大于20%时，则表现出随含水率的增加而呈降低的变化趋势。

表3 研究区6种不同植物组合类型的根-土复合体试样密度和含水率试验结果Table 3 Test results of density and moisture content of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

注：“根-土复合体密度增幅”和“根-土复合体含水率增幅”分别指坡底或坡中位置处植物组合的平均密度和平均含水率相对于坡顶位置的增加幅度

Note:The "Increase degree of soil density of root-soil composite system" and "Increase degree of moisture content of root-soil composite system" refers to the variation of average density and average moisture content of the plant combinations at the bottom or middle position of the slope relative to the top of the slope

图6 研究区6种不同植物组合类型的根-土复合体黏聚力与密度和含水率关系Fig. 6 Relationship between cohesion force and density and moisture content of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

2.3 6种不同植物组合类型根系含量对根-土复合体抗剪强度影响

区内6种不同植物组合类型其根系含量表现出随海拔高度的降低而逐渐增加的变化规律(表4)。阳坡坡顶紫花针茅+高山嵩草组合、坡中高山嵩草组合，其根-土复合体中所包含的根系总干重分别为0.058 g·cm-3，0.067 g·cm-3，坡底垂穗披碱草组合的根系总干重为0.104 g·cm-3，表现出随取样位置海拔高度的降低其植物根系总干重逐渐增加的特征。区内阴坡坡顶高山嵩草+紫菀组合、坡中珠芽蓼+垂穗披碱草组合，其根系总干重分别为0.038 g·cm-3，0.061 g·cm-3，坡底垂穗披碱草+青藏苔草组合其根系总干重为0.097 g·cm-3，亦表现出随海拔高度降低而增加的变化规律。

结合表2可知，区内6种不同植物组合类型，其根-土复合体的根系含量和粘聚力c值，均分别表现出随着海拔高度的降低而逐渐增大的变化规律，一定程度上反映出了复合体中根系含量的增加对提高根-土复合体粘聚力c值有增强作用。即由阳坡坡顶紫花针茅+高山嵩草植物组合其根系含量为6.2%，增大至阳坡坡底垂穗披碱草根系含量为16.2%时，其复合体抗剪强度由27.76 kPa增大至37.53kPa。阴坡植物组合亦表现出相似的变化规律。

表4 研究区6种不同植物组合类型的根系生长量指标统计结果Table 4 Statistical results of root growth indices of 6 different plant combinations in the study area

注：“复合体根系干重”指每组直剪试样4个环刀(单个环刀体积为60cm3)中所有根系的总干质量与试样体积的比值；“复合体根系含量”指每组直剪试样4个环刀中根系质量占试样总质量的比例

Note："Dry weight of roots in the root-soil composite system" refers to the ratio of the dry weight of all roots to the volume of 4 ring knives(with a single volume of 60cm3for each ring knife) in each group of direct shear samples. "Root content of root-soil composite system" refers to the proportion of the weight of roots in the 4 ring knives of each group of direct shear samples to the total weight of the samples

3 讨论

区内6种不同植物组合类型的根-土复合体抗剪强度总体上表现为，分布于海拔高度相对较低位置处的植物组合类型大于相对较高海拔的植物组合类型，这种使得区内6种不同植物组合类型的根-土复合体抗剪强度之间存在差异的主要原因在于，草本植物的生长受海拔高度、光照条件、含水率等诸多因素的综合影响，从而导致相同植物在不同影响因素下表现出不同生长状况[21,22]，即区内不同取样位置处其植物类型的不同，以及不同植物类型其根系生长条件等方面均存在显著差异性，从而使得区内6种不同植物组合的根-土复合体抗剪强度之间存在差异性。本项研究中，随着海拔高度的降低，根-土复合体的平均密度、平均含水率和根系干重、根系含量等均逐渐增加，其抗剪强度亦呈逐渐增大的变化规律，这些因素均与其所处为阴坡或阳坡及海拔高度等因素有关，处于不同海拔高度位置处的植物其生长规律存在差异，其结果均会一定程度改变其地下根系分布及土壤性质等，从而影响其根-土复合体抗剪强度。因此，区内6种不同植物组合类型其根-土复合体抗剪强度受到其密度、含水率、含根量等诸多因素的影响，在分析时需要在多方面综合考虑。

程昊民(2018)[23]对重塑黄土的强度影响因素研究指出，在干密度较大的情况下，土样孔隙比较小，土中水分被紧密结合在土颗粒周围以水膜的形式存在，使得土体的粘聚力增大，随着干密度减小，孔隙比增大，结合水向自由水转化，水膜与土颗粒间的强结合力消失，其粘聚力则降低。张奎等(2016)[24]根据《土工试验方法标准》配置不同含水率和不同密度的重塑黄土试样，采用直剪试验确定出黏聚力c值，该值在最优含水率为15.78%时最大为32.69 kPa，当低于最优含水率时该黏聚力c值为21.08 kPa，高于最优含水率时其黏聚力c值为8.00 kPa。以上结果与本项研究中根-土复合体密度和含水率对根-土复合体抗剪强度的影响关系相一致。

在诸多影响因素中，根系干重和根系含量对根-土复合体抗剪强度的影响较为显著。刘昌义等(2017)[12]通过针对位于黄河源区的河南县境内优势植物小嵩草(KobresiapygmaeaSergiev)、紫花针茅(StipapurpureaGriseb.)、垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)等7种根-土复合体进行抗剪强度试验，划分出不同退化程度草地之间的复合体的黏聚力阈值；同时，其研究指出根-土复合体中根系含量的减少是造成其抗剪强度降低的主要因素，这与本项研究中随着海拔高度的降低，复合体中根系含量增加，抗剪强度亦逐渐增加的变化规律相一致。

此外，刘亚斌等(2017)[13]通过对柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)根系的拉拔摩擦试验结果表明，当柠条锦鸡儿根系总干质量最小为0.65 g时，根-土间最大摩擦力为0.03 kN，当柠条锦鸡儿根系总干质量最大为3.21 g时，根-土间最大摩擦力为0.14 kN。陈航等(2017)[25]通过对紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)根-土复合体进行抗剪强度试验结果表明，紫穗槐的根-土复合体密度为1.53 g·cm-3、含水率为12%时，根数为6根时其抗剪强度为49.907 kPa；根数为10根时其抗剪强度最大为54.322 kPa。由上述结果可知，植物根系数量增加具有有效增加根-土间摩擦力的作用，并起到提高根-土复合体抗剪强度的作用。鉴于此，本项研究中，区内6种不同植物组合类型的抗剪强度随着根系含量的增加而增大；同时，根-土复合体抗剪强度亦受6种不同植物组合类型的根系总干重变化的影响，研究结论与上述学者结论相一致。

4 结论

区内6种不同植物组合类型的根-土复合体其平均黏聚力c值，表现为在坡顶相对较小，坡底相对较大的变化规律；相同位置处不同植物组合类型的根-土复合体黏聚力c值表现为位于0～10cm深度较10～20cm深度相对较大的特征。不同植物组合类型的根-土复合体的密度、含水率、根系干重和根系含量等，均表现出随着海拔高度降低呈逐渐增加的变化趋势。不同植物组合类型的根-土复合体其平均黏聚力c值表现出随着根系含量和根系干重的增加而增大的规律。